JP2595283B2 - 温度補償水分センサ - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は水分センサに関し、更に詳しくは、紙シー
トを貫通しての種々の波長の赤外線の透過を測定するこ
とにより紙シートの含水率を決定する装置と方法に関す
る。紙シートの含水率の測定は、シート温度の変化に起
因する水の赤外吸収特性の変化に対して補償される。
トを貫通しての種々の波長の赤外線の透過を測定するこ
とにより紙シートの含水率を決定する装置と方法に関す
る。紙シートの含水率の測定は、シート温度の変化に起
因する水の赤外吸収特性の変化に対して補償される。
「従来技術およびその問題点」 紙の商業的製造において、紙は「ウェブ」と呼ばれる
連続的に運動している紙シートに製造される。ウェブは
木材パルプ繊維、綿繊維および種々の化学薬品を含有す
る水性懸濁液から製造されるので、ウェブは当初はかな
りの量の水分を含有している。この水分の大部分は抄紙
工程の間に除去されるが、種々の理由から、ウェブに少
なくとも幾分かの水分を保持させるのが望ましい。例え
ば、ウェブが乾燥しすぎていると端部が巻き上がり（カ
ールし）易い。
連続的に運動している紙シートに製造される。ウェブは
木材パルプ繊維、綿繊維および種々の化学薬品を含有す
る水性懸濁液から製造されるので、ウェブは当初はかな
りの量の水分を含有している。この水分の大部分は抄紙
工程の間に除去されるが、種々の理由から、ウェブに少
なくとも幾分かの水分を保持させるのが望ましい。例え
ば、ウェブが乾燥しすぎていると端部が巻き上がり（カ
ールし）易い。
紙ウェブは通常加熱した鋼製の乾燥ドラムの周りを通
過させることにより乾燥させているが、この技術はウェ
ブを不均一に乾燥させがちである。そのような不均一な
乾燥が行われると不均一な品質の紙が製造されることに
なる。そこで、ウェブが乾燥ドラムの周りを通過した
後、ウェブのある部分だけを調節可能に加湿または乾燥
して均一な含水率を持つウェブを製造するために種々の
装置が開発された。明らかに、製紙工場の機械運転者や
製紙工場の工程管理コンピュータは、ウェブの水分分布
を知らなければ、これらの加湿装置、乾燥装置を有効に
使用することができない。従って、ウェブの幅を横断し
て前後に走査して種々の位置における含水率を決定する
ウェブ水分センサが開発されていた。
過させることにより乾燥させているが、この技術はウェ
ブを不均一に乾燥させがちである。そのような不均一な
乾燥が行われると不均一な品質の紙が製造されることに
なる。そこで、ウェブが乾燥ドラムの周りを通過した
後、ウェブのある部分だけを調節可能に加湿または乾燥
して均一な含水率を持つウェブを製造するために種々の
装置が開発された。明らかに、製紙工場の機械運転者や
製紙工場の工程管理コンピュータは、ウェブの水分分布
を知らなければ、これらの加湿装置、乾燥装置を有効に
使用することができない。従って、ウェブの幅を横断し
て前後に走査して種々の位置における含水率を決定する
ウェブ水分センサが開発されていた。
水は赤外線を吸収する。ある種のウェブ水分センサは
この現象を利用して、赤外線のビームをウェブに向け、
ウェブを通過した後の赤外ビームの強度を測定してい
る。ウェブの水分が多い程赤外線の吸収が多くなる。
この現象を利用して、赤外線のビームをウェブに向け、
ウェブを通過した後の赤外ビームの強度を測定してい
る。ウェブの水分が多い程赤外線の吸収が多くなる。
これらの赤外水分センサの幾つかは、各検知器の前部
に赤外帯域フィルタを各々配置した２個の赤外検知器を
使用している。各フィルタの通過幅は、各検知器が赤外
スペクトルの狭領域においてのみエネルギを受け取るよ
うに選択される。一方のフィルタはウェブの水分により
強い吸収が起きる領域において赤外線を透過するように
選択される。このように、このフィルタと組み合わせた
検知器は主としてウェブの水の量を感知する。この第一
検知器はウェブが乾燥しているときにより多くの赤外線
を受け取り、ウェブが湿っているときは赤外線を受け取
るのがより少ない。
に赤外帯域フィルタを各々配置した２個の赤外検知器を
使用している。各フィルタの通過幅は、各検知器が赤外
スペクトルの狭領域においてのみエネルギを受け取るよ
うに選択される。一方のフィルタはウェブの水分により
強い吸収が起きる領域において赤外線を透過するように
選択される。このように、このフィルタと組み合わせた
検知器は主としてウェブの水の量を感知する。この第一
検知器はウェブが乾燥しているときにより多くの赤外線
を受け取り、ウェブが湿っているときは赤外線を受け取
るのがより少ない。
第二検知器と組合わせた赤外帯域フィルタは水分によ
る吸収がかなり少ない赤外スペクトル部分において赤外
線を通過するように選択される。この第二の赤外スペク
トル部分においては、赤外吸収の大部分はウェブ繊維自
体によるものであり、ウェブの水分によるものではな
い。従って、単位面積当たりのウェブ繊維重量即ち、
「坪量」が増加するにつれてこの第二検知器が受け取る
赤外線により少なくなる。この第二検知器の出力はこの
ようにシートの坪量の変化に対して第一検知器の水分測
定を補償するのに使用することができる。これら２つの
検知器からの出力同士を適切に結合すると、これら型の
水分センサはウェブに含有される水分の量またはウェブ
の含水率を、シートの坪量変化に影響されないように測
定する。
る吸収がかなり少ない赤外スペクトル部分において赤外
線を通過するように選択される。この第二の赤外スペク
トル部分においては、赤外吸収の大部分はウェブ繊維自
体によるものであり、ウェブの水分によるものではな
い。従って、単位面積当たりのウェブ繊維重量即ち、
「坪量」が増加するにつれてこの第二検知器が受け取る
赤外線により少なくなる。この第二検知器の出力はこの
ようにシートの坪量の変化に対して第一検知器の水分測
定を補償するのに使用することができる。これら２つの
検知器からの出力同士を適切に結合すると、これら型の
水分センサはウェブに含有される水分の量またはウェブ
の含水率を、シートの坪量変化に影響されないように測
定する。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、透過された赤外ビームの強度はウェブ
の含水率と坪量だけによって決まる訳ではなく、湿った
ウェブによる赤外線の吸収は赤外線の波長によっても変
化する。水とウェブ繊維はある波長の赤外スペクトルを
他の波長よりも有効に吸収するので、赤外吸収スペクト
ルに沿って種々の波長において吸収のピークと谷が存在
する。さらに、これらのピークと谷はウェブ温度が上昇
すると短波長側に移動（シフト）し、ウェブ温度が低下
すると長波長側に移動する。しかしながら、従来の赤外
水分測定装置はウェブ温度の変化に伴う赤外吸収スペク
トルのシフトに対して補償できない。従って、これらの
装置の水分測定は有意の誤差を生じ易い。
の含水率と坪量だけによって決まる訳ではなく、湿った
ウェブによる赤外線の吸収は赤外線の波長によっても変
化する。水とウェブ繊維はある波長の赤外スペクトルを
他の波長よりも有効に吸収するので、赤外吸収スペクト
ルに沿って種々の波長において吸収のピークと谷が存在
する。さらに、これらのピークと谷はウェブ温度が上昇
すると短波長側に移動（シフト）し、ウェブ温度が低下
すると長波長側に移動する。しかしながら、従来の赤外
水分測定装置はウェブ温度の変化に伴う赤外吸収スペク
トルのシフトに対して補償できない。従って、これらの
装置の水分測定は有意の誤差を生じ易い。
「課題を解決するための手段」 この発明は、赤外帯域の異なる３箇所の波長領域にお
いてウェブを通した赤外線の透過率測定を使用する紙ウ
ェブの含水率を決定する方法および装置を包含する。こ
の装置と方法は、それに限定される訳ではないが、主と
して、抄紙機の移動する紙ウェブのオンライン水分測定
を目的としている。この状況では、この発明の水分セン
サは移動するウェブの幅を横断して前後に即ち、ウェブ
の横方向に走査してウェブの長さおよび幅に沿って種々
の位置でウェブの含水率を測定するようにしてもよい。
センサと組み合わせた信号処理回路とコンピュータソフ
トウェアが、坪量の変化とウェブ温度の変化の双方が持
つウェブを貫通しての赤外線の伝達における効果に対し
て、水分測定を自動的に補償する。
いてウェブを通した赤外線の透過率測定を使用する紙ウ
ェブの含水率を決定する方法および装置を包含する。こ
の装置と方法は、それに限定される訳ではないが、主と
して、抄紙機の移動する紙ウェブのオンライン水分測定
を目的としている。この状況では、この発明の水分セン
サは移動するウェブの幅を横断して前後に即ち、ウェブ
の横方向に走査してウェブの長さおよび幅に沿って種々
の位置でウェブの含水率を測定するようにしてもよい。
センサと組み合わせた信号処理回路とコンピュータソフ
トウェアが、坪量の変化とウェブ温度の変化の双方が持
つウェブを貫通しての赤外線の伝達における効果に対し
て、水分測定を自動的に補償する。
この発明の赤外水分測定センサは赤外放射源を有して
いる。赤外線のビームがこの赤外放射源がら移動するウ
ェブを貫通して伝達される。ビームがウェブを通過する
際にウェブ中の水とウェブ繊維が赤外エネルギの一部を
吸収する。赤外ビームは広範囲の波長を含んでいるが、
ある一定の波長の赤外線が水分含有ウェブによって選択
的に吸収される。
いる。赤外線のビームがこの赤外放射源がら移動するウ
ェブを貫通して伝達される。ビームがウェブを通過する
際にウェブ中の水とウェブ繊維が赤外エネルギの一部を
吸収する。赤外ビームは広範囲の波長を含んでいるが、
ある一定の波長の赤外線が水分含有ウェブによって選択
的に吸収される。
水分センサは、また、赤外受光器を備えている。この
受光器はウェブの赤外放射源とは反対側に位置してお
り、伝達された赤外ビームの強度を赤外スペクトルの３
つの異なる波長領域において測定する。この受光器はビ
ーム分割器と３つの赤外検知器より成る。ビーム分割器
は赤外ビームの一部を３つの検知器に向けさせる。別の
赤外帯域フィルタが各検知器の前に配置されている。こ
のようにして、各赤外検知器が、組み合わせたフィルタ
の通過幅内に入る透過されたビームの部分だけの強度を
測定する。
受光器はウェブの赤外放射源とは反対側に位置してお
り、伝達された赤外ビームの強度を赤外スペクトルの３
つの異なる波長領域において測定する。この受光器はビ
ーム分割器と３つの赤外検知器より成る。ビーム分割器
は赤外ビームの一部を３つの検知器に向けさせる。別の
赤外帯域フィルタが各検知器の前に配置されている。こ
のようにして、各赤外検知器が、組み合わせたフィルタ
の通過幅内に入る透過されたビームの部分だけの強度を
測定する。
３つの赤外帯域フィルタの一つは、吸収スペクトルの
勾配上において水の吸収ピーク、例えば、約1.90ミクロ
ン（マイクロメータ）近傍に隣接する波長を持つ赤外線
のみを通過させる。この波長を持つ赤外線は水に容易に
吸収されるが、重い湿ったシートの含水率を測定すると
きは、フィルタの通過幅が1.93ミクロンの吸収ピークの
真上に中心を置いている場合よりも強い信号を出す。従
って、このフィルタと組み合わせた赤外検知器の出力は
主としてウェブの含水率とウェブ温度とによって決ま
る。
勾配上において水の吸収ピーク、例えば、約1.90ミクロ
ン（マイクロメータ）近傍に隣接する波長を持つ赤外線
のみを通過させる。この波長を持つ赤外線は水に容易に
吸収されるが、重い湿ったシートの含水率を測定すると
きは、フィルタの通過幅が1.93ミクロンの吸収ピークの
真上に中心を置いている場合よりも強い信号を出す。従
って、このフィルタと組み合わせた赤外検知器の出力は
主としてウェブの含水率とウェブ温度とによって決ま
る。
第二帯域フィルタは主として紙繊維により吸収される
スペクトル領域の波長のみを通過させる。従って、この
第二フィルタの背後の検知器によって検知される赤外ビ
ームの強度は主としてウェブの坪量を表している。例え
ば、この第二帯域フィルタの通過幅は紙繊維に対する赤
外透過ウィンドウ、例えば1.85ミクロンに位置させても
よい。このフィルタの通過幅をこの透過ウィンドウに位
置させると、温度変化に伴う検知される赤外線の強度の
変化が最低限になる。以下に説明するように、この検知
器の出力は第一検知器の水分測定をシートの坪量の変化
に対して較正するのに使用される。このように、この発
明は、坪量の変化に拘わらず、ウェブの含水率を表す信
号を求めることができる。
スペクトル領域の波長のみを通過させる。従って、この
第二フィルタの背後の検知器によって検知される赤外ビ
ームの強度は主としてウェブの坪量を表している。例え
ば、この第二帯域フィルタの通過幅は紙繊維に対する赤
外透過ウィンドウ、例えば1.85ミクロンに位置させても
よい。このフィルタの通過幅をこの透過ウィンドウに位
置させると、温度変化に伴う検知される赤外線の強度の
変化が最低限になる。以下に説明するように、この検知
器の出力は第一検知器の水分測定をシートの坪量の変化
に対して較正するのに使用される。このように、この発
明は、坪量の変化に拘わらず、ウェブの含水率を表す信
号を求めることができる。
第三のビームは、好ましくは赤外スペクトルに沿う幾
つかの位置の任意の一つにおける波長のみを通過させる
ようにすることができる帯域フィルタによってろ波され
る。しかしながら、この第三帯域フィルタの通過幅は吸
収スペクトルにおいて水分含有ウェブによる赤外線の吸
収が波長によって急速に変化する所に位置させるべきで
ある。換言すると、この第三フィルタの通過幅は吸収ス
ペクトルの勾配上において吸収ピークと吸収谷の間に位
置させるべきである。前記のように、水の赤外吸収スペ
クトルは温度上昇とともに短波長側にシフトする。同様
に、ウェブ繊維即ち、ウェブを形成する木材パルプの赤
外吸収スペクトルも温度上昇とともに短波長側にシフト
する。このように、この第三帯域フィルタと組み合わせ
た検知器の出力はシート温度の変化の影響を受け易い。
しかしながら、この第三帯域フィルタの通過幅は第一帯
域フィルタとは異なる吸収スペクトル部分に位置してい
るので、この検知器からの出力は第一検知器の出力とは
異なる温度係数をもつことになる。従って、この第三検
知器の出力は、ウェブ温度を変えることの水の赤外吸収
特性への影響に対して、第一検知器のウェブ水分測定を
較正するのに使用することができる。
つかの位置の任意の一つにおける波長のみを通過させる
ようにすることができる帯域フィルタによってろ波され
る。しかしながら、この第三帯域フィルタの通過幅は吸
収スペクトルにおいて水分含有ウェブによる赤外線の吸
収が波長によって急速に変化する所に位置させるべきで
ある。換言すると、この第三フィルタの通過幅は吸収ス
ペクトルの勾配上において吸収ピークと吸収谷の間に位
置させるべきである。前記のように、水の赤外吸収スペ
クトルは温度上昇とともに短波長側にシフトする。同様
に、ウェブ繊維即ち、ウェブを形成する木材パルプの赤
外吸収スペクトルも温度上昇とともに短波長側にシフト
する。このように、この第三帯域フィルタと組み合わせ
た検知器の出力はシート温度の変化の影響を受け易い。
しかしながら、この第三帯域フィルタの通過幅は第一帯
域フィルタとは異なる吸収スペクトル部分に位置してい
るので、この検知器からの出力は第一検知器の出力とは
異なる温度係数をもつことになる。従って、この第三検
知器の出力は、ウェブ温度を変えることの水の赤外吸収
特性への影響に対して、第一検知器のウェブ水分測定を
較正するのに使用することができる。
この発明に従えば、３つの検知器からの出力を経験的
に決定された式に従って結合してウェブの含水率を表す
出力を生じる。前記のように、この発明の受光器の３つ
の検知器の内の一つの検知器の出力は主として赤外ビー
ム源と受光器との間のウェブの水分の量と温度とによっ
て影響される。従って、この検知器のみではウェブの含
水率を正確に示すことができない。その理由は、この検
知器は、（１）含水率が増加したとき、または（２）ウ
ェブの含水率は一定であるがウェブの坪量が増加したと
きのいずれかの場合は、赤外線の受光量がより少なくな
るからである。この第一検知器に到達する赤外線の量も
ウェブ温度の変化に起因する吸収スペクトルのシフトに
より影響される。この一つの検知器のみの出力を監視す
るだけでは、製紙工場の機械運転者（または工場の工程
管理コンピュータ）はシートの含水率の増加、坪量の増
加およびウェブ温度変化を見分けることができない。し
かしながら、第二および第三検知器と組み合わせたフィ
ルタが、受光器の第二検知器の出力が主として坪量の変
化とともに変化し、一方、第三検知器の出力が主として
ウェブ温度の変化とともに変化するように選択される。
第三帯域フィルタの吸収スペクトルに沿う位置に応じて
第三検知器の出力もシートの含水率の影響を受け易いか
も知れない。しかしながら、第一検知器からの出力を重
み平均して第二および第三検知器の出力と結合すること
により、生じた結合がウェブの水分量を、ウェブ温度の
変化と坪量の変化の双方から独立して、示すようにする
ことができる。
に決定された式に従って結合してウェブの含水率を表す
出力を生じる。前記のように、この発明の受光器の３つ
の検知器の内の一つの検知器の出力は主として赤外ビー
ム源と受光器との間のウェブの水分の量と温度とによっ
て影響される。従って、この検知器のみではウェブの含
水率を正確に示すことができない。その理由は、この検
知器は、（１）含水率が増加したとき、または（２）ウ
ェブの含水率は一定であるがウェブの坪量が増加したと
きのいずれかの場合は、赤外線の受光量がより少なくな
るからである。この第一検知器に到達する赤外線の量も
ウェブ温度の変化に起因する吸収スペクトルのシフトに
より影響される。この一つの検知器のみの出力を監視す
るだけでは、製紙工場の機械運転者（または工場の工程
管理コンピュータ）はシートの含水率の増加、坪量の増
加およびウェブ温度変化を見分けることができない。し
かしながら、第二および第三検知器と組み合わせたフィ
ルタが、受光器の第二検知器の出力が主として坪量の変
化とともに変化し、一方、第三検知器の出力が主として
ウェブ温度の変化とともに変化するように選択される。
第三帯域フィルタの吸収スペクトルに沿う位置に応じて
第三検知器の出力もシートの含水率の影響を受け易いか
も知れない。しかしながら、第一検知器からの出力を重
み平均して第二および第三検知器の出力と結合すること
により、生じた結合がウェブの水分量を、ウェブ温度の
変化と坪量の変化の双方から独立して、示すようにする
ことができる。
３つの検知器からの出力を結合するための式に使用さ
れる係数は、例えば吸収スペクトルに沿う帯域フィルタ
の精確な位置及びこれら帯域フィルタの通過幅によって
決まる。これらの係数の精確な値は、３つの検知器の各
出力を複数の温度および坪量において測定し、次いで、
得られる出力の加重平均の温度感受性を最小にするよう
なこれらの出力を結合する式のための係数を選択するこ
とにより、経験的に決定することができる。
れる係数は、例えば吸収スペクトルに沿う帯域フィルタ
の精確な位置及びこれら帯域フィルタの通過幅によって
決まる。これらの係数の精確な値は、３つの検知器の各
出力を複数の温度および坪量において測定し、次いで、
得られる出力の加重平均の温度感受性を最小にするよう
なこれらの出力を結合する式のための係数を選択するこ
とにより、経験的に決定することができる。
３つの別々の赤外検知器とビーム分割器を使用して３
つの別々のビームを創製する代わりに、水分センサの受
光器側を単一の赤外線検知器と上記３つの各帯域フィル
タを単一の検知器の前に順次位置させる機構とを使用し
て構成することができる。この構成では、検知器からの
出力は３つの各フィルタが赤外ビームの光路にあるとき
に対応する異なる時に決定される。３つの各フィルタが
検知器の前に位置している時に対応する検知器の出力
は、次いで３つの検知器を使用した態様に関して上に説
明したのと同様に結合してウェブ温度の変化に不感受性
の水分測定を与える。
つの別々のビームを創製する代わりに、水分センサの受
光器側を単一の赤外線検知器と上記３つの各帯域フィル
タを単一の検知器の前に順次位置させる機構とを使用し
て構成することができる。この構成では、検知器からの
出力は３つの各フィルタが赤外ビームの光路にあるとき
に対応する異なる時に決定される。３つの各フィルタが
検知器の前に位置している時に対応する検知器の出力
は、次いで３つの検知器を使用した態様に関して上に説
明したのと同様に結合してウェブ温度の変化に不感受性
の水分測定を与える。
「実施例」 添付図面は本発明を実行するに現在最良の熟視モデル
である。以下の記載は本発明の通常の原理を説明する目
的でなされたもので、制限を加えるつもりがない。本発
明の展望は特許請求の範囲を参照して最良に決定され
る。
である。以下の記載は本発明の通常の原理を説明する目
的でなされたもので、制限を加えるつもりがない。本発
明の展望は特許請求の範囲を参照して最良に決定され
る。
本発明は、第１図に示す赤外水分感知装置10を含んで
いる。この装置は、紙シート12の含水率を測定するため
に用いられ、測定結果が紙シート12の坪量及び紙シート
の温度の両変化に応じて自動的に補償される。この測定
を達成するためには、第１図の装置は、紙シート12の片
面に各々配置された光源部16及び受光部18を持つセンサ
14を用いている。
いる。この装置は、紙シート12の含水率を測定するため
に用いられ、測定結果が紙シート12の坪量及び紙シート
の温度の両変化に応じて自動的に補償される。この測定
を達成するためには、第１図の装置は、紙シート12の片
面に各々配置された光源部16及び受光部18を持つセンサ
14を用いている。
この赤外光源部16は、白熱灯20及び楕円反射鏡22を用
いて、移動中の紙シート12に赤外ビーム24を放射してい
る。本発明に必要でないが、赤外放射源16を励起し、紙
シート12に衝突する赤外放射量を公知の周波数で変調す
ることが好ましい。この変調は種々の装置のいずれか１
つで達成されてもよい。例えば、第１図に示すように、
音叉26の穂先28が赤外ビーム24の光路に配置されてもよ
い。この穂先28がビーム24の光路に交互に出入りした時
に、振動穂先28が赤外ビーム24を変調する。これの代わ
りに、複数の規則的に放射状に配置されたスロットを持
つ図示略の不透明円盤がビームの光路内で回転して、ビ
ームが交互にスロットを透過し、或は円盤の不透明部分
で阻止されてもよい。いずれの装置も、ビーム24が公知
の周波数で変調される。このビームを変調する理由が後
述される。
いて、移動中の紙シート12に赤外ビーム24を放射してい
る。本発明に必要でないが、赤外放射源16を励起し、紙
シート12に衝突する赤外放射量を公知の周波数で変調す
ることが好ましい。この変調は種々の装置のいずれか１
つで達成されてもよい。例えば、第１図に示すように、
音叉26の穂先28が赤外ビーム24の光路に配置されてもよ
い。この穂先28がビーム24の光路に交互に出入りした時
に、振動穂先28が赤外ビーム24を変調する。これの代わ
りに、複数の規則的に放射状に配置されたスロットを持
つ図示略の不透明円盤がビームの光路内で回転して、ビ
ームが交互にスロットを透過し、或は円盤の不透明部分
で阻止されてもよい。いずれの装置も、ビーム24が公知
の周波数で変調される。このビームを変調する理由が後
述される。
第１図に示す実施例においては、必要でないが、ビー
ムが受光部18に入る前にセンサ14の光源部16及び受光部
18間を何度も反射することも好ましい。ビームが紙シー
ト12を何度も通過するように光源部16及び受光部18間を
繰り返し赤外ビーム24を反射させることは、テッシュの
ような非常に軽い等級の紙及び非常に重い等級の紙の含
水率を計測する時に確かな利点を提供する。このような
多重反射の利点は、本出願人に譲渡された米国特許第3,
793,524号に十分述べられ、これを参照する。これの代
わりに、ビーム24は、ビーム24が紙シート12を一回のみ
透過するように、光源部16から単一の直線で放射されて
もよい。
ムが受光部18に入る前にセンサ14の光源部16及び受光部
18間を何度も反射することも好ましい。ビームが紙シー
ト12を何度も通過するように光源部16及び受光部18間を
繰り返し赤外ビーム24を反射させることは、テッシュの
ような非常に軽い等級の紙及び非常に重い等級の紙の含
水率を計測する時に確かな利点を提供する。このような
多重反射の利点は、本出願人に譲渡された米国特許第3,
793,524号に十分述べられ、これを参照する。これの代
わりに、ビーム24は、ビーム24が紙シート12を一回のみ
透過するように、光源部16から単一の直線で放射されて
もよい。
本発明の受光部18は、光源部16からのビーム24を２個
の分離光32及び34に分割するビーム分割器30を含んでい
る。これらビームの各々は、２個の分離光32及び34の各
光路に配置され、硫化鉛検知器36及び38の直前に配置さ
れた帯域フィルタ40及び42に向けられている。各フィル
タ40及び42は、赤外領域の別々の部分の赤外放射を通過
させるように選択される。フィルタ40及び42の通過帯域
以外の赤外放射は、これらフィルタで反射されて、矢印
44及び45で示されるようにビーム分割器30に戻り、従っ
て、これら基準検知器36或は測定検知器38に到達しな
い。しかし、反射ビーム44はビーム分割器30に衝突し、
このビーム分割器30がビーム44の幾らかを第３のフィル
タ48に向けさせている。更に、赤外ビーム32の幾らかが
矢印45で示すようにフィルタ40で反射し、ビーム分割器
を通過して、ビーム分割器で反射したビーム44の部分と
合同して、フィルタ48に至る。従って、本発明の水分セ
ンサでは、単一ビーム24が受光部18に入るが、受光部内
の光学がビーム24を、各々が種々の赤外検知器36、38及
び46で検知される３種の分離ビーム32、34及び44に分割
する。
の分離光32及び34に分割するビーム分割器30を含んでい
る。これらビームの各々は、２個の分離光32及び34の各
光路に配置され、硫化鉛検知器36及び38の直前に配置さ
れた帯域フィルタ40及び42に向けられている。各フィル
タ40及び42は、赤外領域の別々の部分の赤外放射を通過
させるように選択される。フィルタ40及び42の通過帯域
以外の赤外放射は、これらフィルタで反射されて、矢印
44及び45で示されるようにビーム分割器30に戻り、従っ
て、これら基準検知器36或は測定検知器38に到達しな
い。しかし、反射ビーム44はビーム分割器30に衝突し、
このビーム分割器30がビーム44の幾らかを第３のフィル
タ48に向けさせている。更に、赤外ビーム32の幾らかが
矢印45で示すようにフィルタ40で反射し、ビーム分割器
を通過して、ビーム分割器で反射したビーム44の部分と
合同して、フィルタ48に至る。従って、本発明の水分セ
ンサでは、単一ビーム24が受光部18に入るが、受光部内
の光学がビーム24を、各々が種々の赤外検知器36、38及
び46で検知される３種の分離ビーム32、34及び44に分割
する。
３個のフィルタ40、42及び48の各通過帯域は、３個の
検知器36、38及び46に各々到達する赤外線の波長、従っ
て各検知器からの信号が紙シートの坪量、紙シート内の
水分量及び紙シートの温度に各々影響されるように選択
される。これら３個の信号及び以下の等式を使用して、
工程制御計算器50は定期的に紙シート12の含水率を計算
する。更に、紙シート12が製紙機械で製造された時に、
移動中の紙シート12の横断方向に前後にセンサ14を走査
することによって、本発明の装置は紙シート12の幅及び
長さに交差する種々の位置で紙シート12の含水率を示す
信号を供給できる。これら水分測定値は、その後紙シー
ト12の部分の含水率を増減させるために種々の公知の装
置51を選択的に制御するために使用でき、従って幅及び
長さに沿って均一な含水率を持つ紙シート12が供給され
る。
検知器36、38及び46に各々到達する赤外線の波長、従っ
て各検知器からの信号が紙シートの坪量、紙シート内の
水分量及び紙シートの温度に各々影響されるように選択
される。これら３個の信号及び以下の等式を使用して、
工程制御計算器50は定期的に紙シート12の含水率を計算
する。更に、紙シート12が製紙機械で製造された時に、
移動中の紙シート12の横断方向に前後にセンサ14を走査
することによって、本発明の装置は紙シート12の幅及び
長さに交差する種々の位置で紙シート12の含水率を示す
信号を供給できる。これら水分測定値は、その後紙シー
ト12の部分の含水率を増減させるために種々の公知の装
置51を選択的に制御するために使用でき、従って幅及び
長さに沿って均一な含水率を持つ紙シート12が供給され
る。
水分測定値の結果を基本として、紙シートの水分修正
が手動でも達成できる。しかし、多くの近代的な製紙機
械が高度に自動化されている。これら製紙機械において
は、本発明の受光部18で発生された信号は、３個の赤外
検知器36、38及び46からの信号を用いて紙シートの水分
分布を計算する中央工程制御計算器50に好ましく供給さ
れ、その後この計算に基づいて公知の装置51のいずれか
を選択的に活性化して、紙シート12のある部分の含水率
を変化させている。紙シートの水分分布を変化させる多
くの装置は、紙シート12の部分の含水率を増加させるた
めの選択的に制御できる水シャワー及び紙シート12の部
分を選択的に乾燥させる赤外ヒータのような装置を含ん
でいる。
が手動でも達成できる。しかし、多くの近代的な製紙機
械が高度に自動化されている。これら製紙機械において
は、本発明の受光部18で発生された信号は、３個の赤外
検知器36、38及び46からの信号を用いて紙シートの水分
分布を計算する中央工程制御計算器50に好ましく供給さ
れ、その後この計算に基づいて公知の装置51のいずれか
を選択的に活性化して、紙シート12のある部分の含水率
を変化させている。紙シートの水分分布を変化させる多
くの装置は、紙シート12の部分の含水率を増加させるた
めの選択的に制御できる水シャワー及び紙シート12の部
分を選択的に乾燥させる赤外ヒータのような装置を含ん
でいる。
第２〜３図は、含水率媒体及び厚手紙シート毎の赤外
透過スペクトルを各々示している。第２図に最良に示さ
れているように、同じ波長の赤外線吸収は他の波長より
非常に有効である。赤外スペクトルのより短波長、即ち
約1.9ミクロン以下の吸収は紙シートの繊維質による吸
収に優先的に依存している。これと反対に、赤外スペク
トルのより長し波長、約1.9ミクロン以上では、水によ
る赤外線吸収が紙シートの繊維質のそれより非常に有効
である。従って、赤外スペクトルのより長い部分は、紙
シートの含水率に顕著に影響されている。例えば、最小
赤外透過に対応する水用の吸収ピークが約1.93ミクロン
の波長で発生する。しかしながら、全赤外スペクトルが
紙シート内の水によって少なくとも幾つかの範囲吸収さ
れる。
透過スペクトルを各々示している。第２図に最良に示さ
れているように、同じ波長の赤外線吸収は他の波長より
非常に有効である。赤外スペクトルのより短波長、即ち
約1.9ミクロン以下の吸収は紙シートの繊維質による吸
収に優先的に依存している。これと反対に、赤外スペク
トルのより長し波長、約1.9ミクロン以上では、水によ
る赤外線吸収が紙シートの繊維質のそれより非常に有効
である。従って、赤外スペクトルのより長い部分は、紙
シートの含水率に顕著に影響されている。例えば、最小
赤外透過に対応する水用の吸収ピークが約1.93ミクロン
の波長で発生する。しかしながら、全赤外スペクトルが
紙シート内の水によって少なくとも幾つかの範囲吸収さ
れる。
水及び紙シートの赤外吸収スペクトルは、全スペクト
ルの吸収特性が紙シートの温度の上昇につれてより短い
波長にシフトし、紙シートの温度の下降につれてより長
い波長にシフトする点が特異である。より高温での高含
水率の紙シートの赤外スペクトルが第２〜３図の点線10
2で示している。これら第２〜３図の実線104は、紙シー
トの温度が点線102で示したスペクトルのものより低い
ので、より長い波長で同じ吸収特性を示している。
ルの吸収特性が紙シートの温度の上昇につれてより短い
波長にシフトし、紙シートの温度の下降につれてより長
い波長にシフトする点が特異である。より高温での高含
水率の紙シートの赤外スペクトルが第２〜３図の点線10
2で示している。これら第２〜３図の実線104は、紙シー
トの温度が点線102で示したスペクトルのものより低い
ので、より長い波長で同じ吸収特性を示している。
本発明の技術によれば、測定検知器38と協働する第１
図の赤外帯域フィルタ42が吸収ピーク106に近接した透
過スペクトルの傾斜部上で通過幅112を持っている。こ
のフィルタ42の通過幅112が吸収ピーク106に近接してい
るので、測定検知器38からの信号が紙シート12の含水率
に強力に依存する。この検知器からの信号（以後、MES
信号と言う）は、紙シート含水率の粗い測定値を供給す
る。
図の赤外帯域フィルタ42が吸収ピーク106に近接した透
過スペクトルの傾斜部上で通過幅112を持っている。こ
のフィルタ42の通過幅112が吸収ピーク106に近接してい
るので、測定検知器38からの信号が紙シート12の含水率
に強力に依存する。この検知器からの信号（以後、MES
信号と言う）は、紙シート含水率の粗い測定値を供給す
る。
傾斜部上で測定検知器38と協働するフィルタ42の通過
幅を配置する利点は、僅かな赤外放射が吸収ピーク106
よりこの波長で吸収され、従って測定検知器38がより強
力な赤外信号を受信することである。しかし、同時に、
通過幅112が透過スペクトルの傾斜領域にあるので、測
定検知器の信号は、たとえフィルタ42の通過幅112が吸
収ピーク106の回りの中心に位置したものより、紙シー
トの温度変化に敏感になっている。通過幅112が約1.85
〜1.93ミクロン間に配置されるのが好ましい。
幅を配置する利点は、僅かな赤外放射が吸収ピーク106
よりこの波長で吸収され、従って測定検知器38がより強
力な赤外信号を受信することである。しかし、同時に、
通過幅112が透過スペクトルの傾斜領域にあるので、測
定検知器の信号は、たとえフィルタ42の通過幅112が吸
収ピーク106の回りの中心に位置したものより、紙シー
トの温度変化に敏感になっている。通過幅112が約1.85
〜1.93ミクロン間に配置されるのが好ましい。
測定検知器38の出力が紙シートの温度変化に敏感であ
るので、本発明は、赤外帯域フィルタ48と協働する第２
の赤外検知器46を提供する。この検知器46（以後温度修
正検知器と言う）からの信号は、紙シートの温度変化の
影響毎に測定検知器38の水分測定値を修正するために使
用される。この第二帯域フィルタ48で選択された通過帯
域は択一的であってもよい。この温度修正検知器46の帯
域フィルタ48用の通過帯域108は、温度修正検知器46か
らの信号の大きさが紙シート温度変化に高度に依存する
ように透過スペクトル101の傾斜に配置されている。温
度修正検知器からの信号（以後、CORR信号と言う）変化
は、MES信号において温度で誘導された変化を補償する
ために使用される。この帯域フィルタの通過帯域108の
幾つかの可能な位置は第２図に示している。例えば、CO
RR通過幅は、1.55〜1.67ミクロン間の位置が第２図の左
側に示され、1.94〜1.98ミクロン間の位置が第２図の右
側に示されている。この外形における斜線領域はこれら
波長範囲内の通過幅毎に可能な位置を記載している。
るので、本発明は、赤外帯域フィルタ48と協働する第２
の赤外検知器46を提供する。この検知器46（以後温度修
正検知器と言う）からの信号は、紙シートの温度変化の
影響毎に測定検知器38の水分測定値を修正するために使
用される。この第二帯域フィルタ48で選択された通過帯
域は択一的であってもよい。この温度修正検知器46の帯
域フィルタ48用の通過帯域108は、温度修正検知器46か
らの信号の大きさが紙シート温度変化に高度に依存する
ように透過スペクトル101の傾斜に配置されている。温
度修正検知器からの信号（以後、CORR信号と言う）変化
は、MES信号において温度で誘導された変化を補償する
ために使用される。この帯域フィルタの通過帯域108の
幾つかの可能な位置は第２図に示している。例えば、CO
RR通過幅は、1.55〜1.67ミクロン間の位置が第２図の左
側に示され、1.94〜1.98ミクロン間の位置が第２図の右
側に示されている。この外形における斜線領域はこれら
波長範囲内の通過幅毎に可能な位置を記載している。
しかし、紙シート12がより重くなると、CORR信号毎の
通過帯域波長の選択が第３図に示す状態が存在するまで
非常に制限される。第３図は、水分の多い重い紙シート
の赤外通過スペクトル101を示している。この紙シート
にとって、1.6ミクロン回りの透過スペクトルの傾斜部
分が帯域フィルタ48の通過幅108用の好ましい領域とな
る。
通過帯域波長の選択が第３図に示す状態が存在するまで
非常に制限される。第３図は、水分の多い重い紙シート
の赤外通過スペクトル101を示している。この紙シート
にとって、1.6ミクロン回りの透過スペクトルの傾斜部
分が帯域フィルタ48の通過幅108用の好ましい領域とな
る。
既に述べたように、赤外吸収スペクトルも紙シート12
と坪量に影響される。紙シート12の坪量に優先的に依存
した信号を形成するためには、帯域フィルタ40が参照信
号検知器36の前に配置される。このフィルタ40は紙シー
トの繊維質で優先的に吸収される赤外透過スペクトル10
1の領域において（第２〜３図参照）通過幅110を持って
いる。例えば、現行の好ましい実施例においては、帯域
フィルタ40が約1.7〜1.9ミクロンの波長範囲の通過幅を
持っている。このフィルタ40と協働する検知器36は、参
照信号検知器と呼ばれ、赤外ビーム24が貫通した紙シー
ト12の単位領域毎に繊維質の質量に優先的に影響される
大きさの出力を供給する。紙シートの坪量が増加する
と、紙シート12を貫通する赤外放射量が減少する。この
参照検知器36からの信号（以後、REF信号と言う）は、
後述するように、紙シート12の坪量変化毎に測定された
含水率を補償するために使用される。フィルタ40の通過
幅110が1.9ミクロン以下の主に繊維質で影響される赤外
吸収スペクトルの部分に配置されるが、例えば1.83〜1.
85ミクロン回りの第２〜３図に示す透過ピーク107近傍
の紙シートの温度変化に相当敏感であることが特に好ま
しい。
と坪量に影響される。紙シート12の坪量に優先的に依存
した信号を形成するためには、帯域フィルタ40が参照信
号検知器36の前に配置される。このフィルタ40は紙シー
トの繊維質で優先的に吸収される赤外透過スペクトル10
1の領域において（第２〜３図参照）通過幅110を持って
いる。例えば、現行の好ましい実施例においては、帯域
フィルタ40が約1.7〜1.9ミクロンの波長範囲の通過幅を
持っている。このフィルタ40と協働する検知器36は、参
照信号検知器と呼ばれ、赤外ビーム24が貫通した紙シー
ト12の単位領域毎に繊維質の質量に優先的に影響される
大きさの出力を供給する。紙シートの坪量が増加する
と、紙シート12を貫通する赤外放射量が減少する。この
参照検知器36からの信号（以後、REF信号と言う）は、
後述するように、紙シート12の坪量変化毎に測定された
含水率を補償するために使用される。フィルタ40の通過
幅110が1.9ミクロン以下の主に繊維質で影響される赤外
吸収スペクトルの部分に配置されるが、例えば1.83〜1.
85ミクロン回りの第２〜３図に示す透過ピーク107近傍
の紙シートの温度変化に相当敏感であることが特に好ま
しい。
既に述べたように、赤外発光源16からの赤外エネルギ
は、振動音叉26の穂先28で正弦的に変調される。従っ
て、各赤外検知器36、38及び46の出力は、検知された赤
外ビーム32、34及び44と同じ周波数及び位相で正弦的に
変調される。しかし、紙シート12及び図示略の他の光源
からの赤外エネルギも検知器36、38及び46に到達する。
従って、各検知器信号がDC成分を持っている。
は、振動音叉26の穂先28で正弦的に変調される。従っ
て、各赤外検知器36、38及び46の出力は、検知された赤
外ビーム32、34及び44と同じ周波数及び位相で正弦的に
変調される。しかし、紙シート12及び図示略の他の光源
からの赤外エネルギも検知器36、38及び46に到達する。
従って、各検知器信号がDC成分を持っている。
これら３個の検知器36、38及び46の各出力は信号処理
回路52に伝送される。この回路は、検知器信号のDC成分
を濾過するようになっている。各濾過検知器信号は、そ
の後信号処理回路52内に含まれる位相同期変調回路に供
給される。位相同期変調回路の目的は、紙シート12の赤
外吸収変化に起因しない変化を検知器36、38及び46から
の信号から除去することである。例えば、検知器信号内
の60Hzの電灯線雑音が後述するように復調回路で除去さ
れる。
回路52に伝送される。この回路は、検知器信号のDC成分
を濾過するようになっている。各濾過検知器信号は、そ
の後信号処理回路52内に含まれる位相同期変調回路に供
給される。位相同期変調回路の目的は、紙シート12の赤
外吸収変化に起因しない変化を検知器36、38及び46から
の信号から除去することである。例えば、検知器信号内
の60Hzの電灯線雑音が後述するように復調回路で除去さ
れる。
正弦波発振器54は、音叉26の共振周波数で音叉26の穂
先28を駆動するために使用される。この正弦波発振器54
の出力は音叉26を駆動した正弦波と同じ周波数及び位相
を持つ正弦波にまず変換される。この正弦波出力53は３
個の赤外検知器36、38及び46の各濾過信号に沿って信号
処理回路52の位相同期復調部に供給される。勿論、赤外
検知器36、38及び46からの信号が発振器54の出力と同じ
位相及び周波数で変調されている。従って、音叉発振器
54の出力と同じ位相及び周波数を持つ正弦波を有する検
知器36、38及び46からの各出力を復調し、その後数周期
に亙って復調出力を平均化することによって、本発明の
水分感知装置10は、外部の赤外源の強度変化に起因する
検知器信号或は60Hzの電灯線電圧のような外部信号の変
化を除去している。位相同期化復調回路を用いた濾過技
術は公知である。勿論、他の外部赤外源或は電灯線から
の検知器36、38及び46に到達する赤外エネルギの強度変
化が誤差を含んだ含水率測定値を提供する。
先28を駆動するために使用される。この正弦波発振器54
の出力は音叉26を駆動した正弦波と同じ周波数及び位相
を持つ正弦波にまず変換される。この正弦波出力53は３
個の赤外検知器36、38及び46の各濾過信号に沿って信号
処理回路52の位相同期復調部に供給される。勿論、赤外
検知器36、38及び46からの信号が発振器54の出力と同じ
位相及び周波数で変調されている。従って、音叉発振器
54の出力と同じ位相及び周波数を持つ正弦波を有する検
知器36、38及び46からの各出力を復調し、その後数周期
に亙って復調出力を平均化することによって、本発明の
水分感知装置10は、外部の赤外源の強度変化に起因する
検知器信号或は60Hzの電灯線電圧のような外部信号の変
化を除去している。位相同期化復調回路を用いた濾過技
術は公知である。勿論、他の外部赤外源或は電灯線から
の検知器36、38及び46に到達する赤外エネルギの強度変
化が誤差を含んだ含水率測定値を提供する。
各検知器からの復調信号の平均振幅が各検知器と協働
するフィルタの通過幅内で紙シートを透過する赤外透過
率を示している。これら平均化及び復調検知器信号の振
幅が測定値を信号処理回路で供給されて、デジタル化さ
れ、工程制御計算器50に供給されている。この計算器50
は、後述する等式及び技術を用いて、紙シート12の含水
率を計算する。紙シートの含水率の結果の計算値は、紙
シートの温度及び坪量に拘わらず、紙シート12の水分量
を示している。
するフィルタの通過幅内で紙シートを透過する赤外透過
率を示している。これら平均化及び復調検知器信号の振
幅が測定値を信号処理回路で供給されて、デジタル化さ
れ、工程制御計算器50に供給されている。この計算器50
は、後述する等式及び技術を用いて、紙シート12の含水
率を計算する。紙シートの含水率の結果の計算値は、紙
シートの温度及び坪量に拘わらず、紙シート12の水分量
を示している。
この計算器は、種々の等式の１つに従って紙シート12
の含水率を示す出力を達成するために、デジタル化検知
器振幅信号と合同する。これら等式は、これら３個の重
み付け平均を達成するために検知器信号の各振幅を示す
値と合同する。これら等式の重量係数は、各フィルタの
通過幅及び吸収スペクトル101上のその位置に依存す
る。各係数値は温度及び坪量変化に最小の感度を持つ検
知器信号値の重み付け平均を形成するために経験的に選
択される。現在好ましい水分計算が次のように進めてい
る。
の含水率を示す出力を達成するために、デジタル化検知
器振幅信号と合同する。これら等式は、これら３個の重
み付け平均を達成するために検知器信号の各振幅を示す
値と合同する。これら等式の重量係数は、各フィルタの
通過幅及び吸収スペクトル101上のその位置に依存す
る。各係数値は温度及び坪量変化に最小の感度を持つ検
知器信号値の重み付け平均を形成するために経験的に選
択される。現在好ましい水分計算が次のように進めてい
る。
紙シートの単位面積当たりの紙シートの重量の大まか
測定値である水比率R1は、等式R1＝REF/MESで求められ
る。紙シートの温度に影響される第２の比率R2は、R2＝
REF/CORRで計算される。既に述べたように、REF即ち参
照値は主に紙シートの坪量に敏感である。一方、MES即
ち測定値が主に紙シートの含水率に敏感である。CORR即
ち修正値が紙シートの温度に依存している。
測定値である水比率R1は、等式R1＝REF/MESで求められ
る。紙シートの温度に影響される第２の比率R2は、R2＝
REF/CORRで計算される。既に述べたように、REF即ち参
照値は主に紙シートの坪量に敏感である。一方、MES即
ち測定値が主に紙シートの含水率に敏感である。CORR即
ち修正値が紙シートの温度に依存している。
その後、比率R1及びR3は、紙シートの温度に極めて敏
感であるが、紙シート内の水分量を示す第３の比率RTを
求めるために合同される。既に述べたように、比率R1及
びR2を合同する正確な等式は、検知器信号を発生するた
めに選択された波長に依存する。もし、選択されたCORR
波長が紙シートの水分量に極めて敏感であるならば、例
えばCORR波長が第２図に示すように1.97ミクロン回りに
選択されたならば、RT＝R1＋C1×（R2−C2）である。こ
の等式は、温度補償率R2の関数である用語C1×（R2−
C2）に温度感知水比率R1を加算したものに等しい水含量
指示子RTを記載している。換言すれば、RTは、温度で種
々の方法に変化する２個の温度感知比率R1及びR2に等し
く設定される。第２図に示される場合においては、REF
フィルタが1.85ミクロン近傍に配置され、MESフィルタ
が1.9ミクロン近傍に配置され、CORRフィルタが1.97ミ
クロン近傍に配置されて、比率R1及びR2が反対符号に変
化する。即ち、一の比率が大きくなると、他の比率が減
少する。
感であるが、紙シート内の水分量を示す第３の比率RTを
求めるために合同される。既に述べたように、比率R1及
びR2を合同する正確な等式は、検知器信号を発生するた
めに選択された波長に依存する。もし、選択されたCORR
波長が紙シートの水分量に極めて敏感であるならば、例
えばCORR波長が第２図に示すように1.97ミクロン回りに
選択されたならば、RT＝R1＋C1×（R2−C2）である。こ
の等式は、温度補償率R2の関数である用語C1×（R2−
C2）に温度感知水比率R1を加算したものに等しい水含量
指示子RTを記載している。換言すれば、RTは、温度で種
々の方法に変化する２個の温度感知比率R1及びR2に等し
く設定される。第２図に示される場合においては、REF
フィルタが1.85ミクロン近傍に配置され、MESフィルタ
が1.9ミクロン近傍に配置され、CORRフィルタが1.97ミ
クロン近傍に配置されて、比率R1及びR2が反対符号に変
化する。即ち、一の比率が大きくなると、他の比率が減
少する。
RT用の上記等式においては、C1及びC2がRTの温度依存
度を最小にするために選択される定数である。R1は、紙
シートが完全に乾燥すると、約１に等しくなる。同様に
R2は、紙シートが完全に乾燥すると、約１に等しくな
る。しかし、REF及びCORR波長は、これらの波長での乾
燥紙シートの吸収差が等しくない波長スペクトルに沿っ
て十分に分離してもよいので、乾燥紙シート用のR2の値
が１から僅かにずれてもよい。従って、完全乾燥紙シー
ト用のR2の値でC2を設定することによって、RTは紙シー
トが乾燥した時にR1と等しい。
度を最小にするために選択される定数である。R1は、紙
シートが完全に乾燥すると、約１に等しくなる。同様に
R2は、紙シートが完全に乾燥すると、約１に等しくな
る。しかし、REF及びCORR波長は、これらの波長での乾
燥紙シートの吸収差が等しくない波長スペクトルに沿っ
て十分に分離してもよいので、乾燥紙シート用のR2の値
が１から僅かにずれてもよい。従って、完全乾燥紙シー
ト用のR2の値でC2を設定することによって、RTは紙シー
トが乾燥した時にR1と等しい。
C1及びC2用の最適値は、２枚のガラス板で密封された
水分含有紙シートのサンプルを用いて、MES、REF及びCO
RR信号の読みを取り上げて決定されてもよい。これらの
ガラス板は、校正測定中に紙シート内の一定水分値を保
持するばかりでなく、気温以上の上昇温度で一連の計測
ができるように十分に長く紙シートの温度を維持する熱
質量を形成する役割を果たしている。これを達成するた
めには、ガラス密封紙シートがまず加熱される。その
後、ガラス密封紙シートを貫通する赤外透過の測定がガ
ラス密封紙シートの温度減少時に定期的になされる。温
度範囲に亙って比率R1及びR2の値を得るためには、C1及
びC2の値が温度変化にRTの感度が最小になるように選択
される。
水分含有紙シートのサンプルを用いて、MES、REF及びCO
RR信号の読みを取り上げて決定されてもよい。これらの
ガラス板は、校正測定中に紙シート内の一定水分値を保
持するばかりでなく、気温以上の上昇温度で一連の計測
ができるように十分に長く紙シートの温度を維持する熱
質量を形成する役割を果たしている。これを達成するた
めには、ガラス密封紙シートがまず加熱される。その
後、ガラス密封紙シートを貫通する赤外透過の測定がガ
ラス密封紙シートの温度減少時に定期的になされる。温
度範囲に亙って比率R1及びR2の値を得るためには、C1及
びC2の値が温度変化にRTの感度が最小になるように選択
される。
CORR値が紙シートの含水率に敏感である時に使用され
る水含量指示子用の他の現在好ましい等式は、RT＝1/2
〔C1（R1−D1）＋C2（R2−D2）〕である。この等式にお
いて、D1及びD2は、センサ位置で平均温度或はその近傍
の乾燥紙シートのために、R1及びR2に等しい値を各々持
つ定数である。紙シートの商業的製造においては多くの
紙シート処理段階が高温で発生する。従って、センサ位
置での平均紙シート温度が高頻度に気温以上である。既
に述べた等式に関して、C1及びC2は紙シートの温度変化
にRTの感度が最小になるように選択される。
る水含量指示子用の他の現在好ましい等式は、RT＝1/2
〔C1（R1−D1）＋C2（R2−D2）〕である。この等式にお
いて、D1及びD2は、センサ位置で平均温度或はその近傍
の乾燥紙シートのために、R1及びR2に等しい値を各々持
つ定数である。紙シートの商業的製造においては多くの
紙シート処理段階が高温で発生する。従って、センサ位
置での平均紙シート温度が高頻度に気温以上である。既
に述べた等式に関して、C1及びC2は紙シートの温度変化
にRTの感度が最小になるように選択される。
もし、CORR波長が紙シートの含水率に強力に敏感でな
いならば、上記の等式より別の等式が好ましい。例え
ば、CORR通過幅が1.6ミクロンの回りに位置したなら
ば、RT＝R1×〔１＋C1（R2−C2）〕である。第１に記載
した等式と同様に、この第３の等式は、温度補償率R2の
関数である用語C1×（R2−C2）と、温度感知水比率R1と
を加算したものに等しいものとして、水含量指示子RTを
計算している。しかし、この例におけるCORR信号が紙シ
ートの含水率に鈍感であるので、この第２の等式が用語
C1×（R2−C2）をR1で乗算して、C1×（R2−C2）に紙シ
ートにおける水の量による修正因子を重み付けている。
更に、既に述べた式のように、C1及びC2が紙シートの温
度によるRTの感度を最小化するように経験的に選択され
る。
いならば、上記の等式より別の等式が好ましい。例え
ば、CORR通過幅が1.6ミクロンの回りに位置したなら
ば、RT＝R1×〔１＋C1（R2−C2）〕である。第１に記載
した等式と同様に、この第３の等式は、温度補償率R2の
関数である用語C1×（R2−C2）と、温度感知水比率R1と
を加算したものに等しいものとして、水含量指示子RTを
計算している。しかし、この例におけるCORR信号が紙シ
ートの含水率に鈍感であるので、この第２の等式が用語
C1×（R2−C2）をR1で乗算して、C1×（R2−C2）に紙シ
ートにおける水の量による修正因子を重み付けている。
更に、既に述べた式のように、C1及びC2が紙シートの温
度によるRTの感度を最小化するように経験的に選択され
る。
工程制御計測器50は、直線式WW＝Ａ×RT＋Ｄ、但しＡ
及びＤはこの直線式の傾斜及びオフセット値であり、WW
が紙シートの単位面積当たりの水の重量である直線式を
用いて、上記式のいずれかから単位領域当たりの水重量
を計算できる。この直線式からは、その後、紙シート内
の水分百分率が紙シートの単位領域当たりの重量BWの補
助測定をを用いて計算できる。紙シートの含水率百分率
が工程制御計算器50によって、100×WW/BWを乗算するこ
とで計算できる。
及びＤはこの直線式の傾斜及びオフセット値であり、WW
が紙シートの単位面積当たりの水の重量である直線式を
用いて、上記式のいずれかから単位領域当たりの水重量
を計算できる。この直線式からは、その後、紙シート内
の水分百分率が紙シートの単位領域当たりの重量BWの補
助測定をを用いて計算できる。紙シートの含水率百分率
が工程制御計算器50によって、100×WW/BWを乗算するこ
とで計算できる。
本発明の他の実施例は第３の温度修正検知器46の必要
性を除いている。この実施例において、測定検知器と協
働する第１の帯域フィルタは、水用の赤外吸収ピーク即
ち1.93ミクロンの回りの略中央とする赤外スペクトルの
部分を貫通するように選択されている。この方法におい
て、例えば紙シートの温度が上昇すると、検知された赤
外放射の強度がフィルタの通過幅の長い波長側で増加す
るが、検知された赤外放射における略等しい減少が通過
幅の反対の短い波長側で発生する。この技術では、測定
検知器に届く赤外放射の全量、従ってMES信号が紙シー
トの温度にかなり鈍感である。従って、温度補償CORR信
号が不必要である。しかし、参照検知器は、既に記載さ
れた方法で、紙シートの単位領域当たりの繊維質の量を
示す信号を工程制御計算器に供給するために使用されて
いる。本水分センサの２個の検知器実施例では、RTがR1
に等しく設定されてもよい。
性を除いている。この実施例において、測定検知器と協
働する第１の帯域フィルタは、水用の赤外吸収ピーク即
ち1.93ミクロンの回りの略中央とする赤外スペクトルの
部分を貫通するように選択されている。この方法におい
て、例えば紙シートの温度が上昇すると、検知された赤
外放射の強度がフィルタの通過幅の長い波長側で増加す
るが、検知された赤外放射における略等しい減少が通過
幅の反対の短い波長側で発生する。この技術では、測定
検知器に届く赤外放射の全量、従ってMES信号が紙シー
トの温度にかなり鈍感である。従って、温度補償CORR信
号が不必要である。しかし、参照検知器は、既に記載さ
れた方法で、紙シートの単位領域当たりの繊維質の量を
示す信号を工程制御計算器に供給するために使用されて
いる。本水分センサの２個の検知器実施例では、RTがR1
に等しく設定されてもよい。
本発明の３個の実施例の装置が記載されている。これ
ら実施例では近代的自動製紙機械の工程管理計算器が紙
シートの幅及び長さに横断した種々の位置で移動中の紙
シートの含水率を連続的に測定できる。水分測定は紙シ
ートの温度及び坪量の変化毎に補償される。これら温度
及び坪量が補償された水分測定によって、製紙機械の工
程制御計算器は、紙シートの各部分の含水率を増減して
均一な含水率を有する高品質の紙シートを製造するため
に、種々の既に公知の装置を活性できる。既に述べたよ
うに例えば水シャワー及び白熱灯が使用されて紙シート
の含水率を制御してもよい。
ら実施例では近代的自動製紙機械の工程管理計算器が紙
シートの幅及び長さに横断した種々の位置で移動中の紙
シートの含水率を連続的に測定できる。水分測定は紙シ
ートの温度及び坪量の変化毎に補償される。これら温度
及び坪量が補償された水分測定によって、製紙機械の工
程制御計算器は、紙シートの各部分の含水率を増減して
均一な含水率を有する高品質の紙シートを製造するため
に、種々の既に公知の装置を活性できる。既に述べたよ
うに例えば水シャワー及び白熱灯が使用されて紙シート
の含水率を制御してもよい。
以上の説明から、当該分野の技術者は、多くの変形が
光学システム及び工程に本発明の精神及び展望を逸脱し
ないで実施できることが理解される。例えば、センサの
受光部におけるフィルタの通過幅が第２〜３図に示すも
の以外の他の値で選択されてもよい。勿論、等式が変更
或は変形されてもよい。例えば、RT＝R1＋C1×（R2−
C2）において、これら２個の定数の乗算から得られる用
語C1×C2が削除されてもよい。この場合、完全に乾燥し
た紙シートが１の値のRTを提供しないが、RT値が紙シー
トの温度変化に等しく鈍感である。更に、赤外透過スペ
クトルの４種以上の分離波長領域で赤外透過率の測定が
実施されてもよく、紙シートの含水率を示す値を得るた
めに、これら測定が重み付け平均と合同されてもよい。
これら合同が紙シートの坪量及び温度変化に鈍感であ
る。従って、本発明は上記実施例に限定されない。
光学システム及び工程に本発明の精神及び展望を逸脱し
ないで実施できることが理解される。例えば、センサの
受光部におけるフィルタの通過幅が第２〜３図に示すも
の以外の他の値で選択されてもよい。勿論、等式が変更
或は変形されてもよい。例えば、RT＝R1＋C1×（R2−
C2）において、これら２個の定数の乗算から得られる用
語C1×C2が削除されてもよい。この場合、完全に乾燥し
た紙シートが１の値のRTを提供しないが、RT値が紙シー
トの温度変化に等しく鈍感である。更に、赤外透過スペ
クトルの４種以上の分離波長領域で赤外透過率の測定が
実施されてもよく、紙シートの含水率を示す値を得るた
めに、これら測定が重み付け平均と合同されてもよい。
これら合同が紙シートの坪量及び温度変化に鈍感であ
る。従って、本発明は上記実施例に限定されない。
第１図は本発明によって構成された温度補償水分センサ
のブロック図、第２図は水分を含む中間重量の紙シート
の赤外透過率のスペクトル図、第３図は湿っぽい重い重
量の紙シートの赤外透過率のスペクトル図である。
のブロック図、第２図は水分を含む中間重量の紙シート
の赤外透過率のスペクトル図、第３図は湿っぽい重い重
量の紙シートの赤外透過率のスペクトル図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−135592（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−135350（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−265555（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−29932（ＪＰ，Ａ)
Claims (17)
- 【請求項１】赤外放射ビームを紙シートに放射する赤外
放射源と、この紙シートを貫通した第一、第二及び第三
領域における波長を有する赤外スペクトルの量を検知す
る検知手段とを備えて成り、 前記第一領域は赤外光路において水分量を主に感知する
赤外放射を検知するために選択され、前記第二領域は赤
外光路において紙の繊維質を主に感知する赤外放射を検
知するために選択され、前記第三領域は前記赤外放射源
から前記紙シートを透過した該第三領域の赤外量が前記
繊維質の温度に依存するように選択されることを特徴と
する紙シートの水分センサ。 - 【請求項２】前記第一領域が約1.85〜1.93ミクロンの波
長における吸収スペクトルに沿って位置され、前記第二
領域が約1.83〜1.85ミクロンの波長に位置され、前記第
三領域が約1.94〜1.98ミクロンの波長に位置される特許
請求の範囲第１項記載の水分センサ。 - 【請求項３】前記第一領域が約1.85〜1.93ミクロンの波
長における吸収スペクトルに沿って位置され、前記第二
領域が約1.83〜1.85ミクロンの波長に位置され、前記第
三領域が1.55〜1.67ミクロンの波長に位置される特許請
求の範囲第１項記載の水分センサ。 - 【請求項４】（ａ）公知の強度と帯域幅特性とを有する
赤外放射ビームを紙シートに向けさせ、 （ｂ）前記ビームが前記紙シートを透過した後、該ビー
ムの赤外スペクトルの第一の部分の強度を測定すること
によって、該ビームの光路における前記紙シート内の水
分概算値を決定し、 （ｃ）前記赤外スペクトルの第二の部分における前記紙
シートを透過した前記ビームの強度の測定を用いて、紙
シートの温度変化毎に第（ｂ）段階の水分概算値を修正
する紙ウェブの含水率を測定する方法。 - 【請求項５】前記赤外スペクトルの第二の部分は、高透
過率及び低透過率間の赤外透過スペクトルの傾斜部に位
置する特許請求の範囲第４項記載の方法。 - 【請求項６】前記赤外スペクトルの第二の部分は、1.97
ミクロンの赤外波長を含む特許請求の範囲第５項記載の
方法。 - 【請求項７】前記赤外スペクトルの第二の部分は、1.55
〜1.67ミクロンの赤外波長範囲を含む特許請求の範囲第
５項記載の方法。 - 【請求項８】前記紙シートの少なくとも部分の含水率を
変化させるために、少なくとも１つの装置を選択的に活
性化するために、前記第（ｃ）段階の修正された水分決
定値を用いる段階を備えた特許請求の範囲第４項記載の
方法。 - 【請求項９】（ａ）赤外放射ビームを紙シートに向けさ
せて貫通させ、 （ｂ）前記紙シートに対して前記ビームを移動させ、 （ｃ）前記紙シートを貫通した前記ビームの赤外スペク
トルの第一、第二及び第三領域における赤外放射量を測
定し、前記第一領域が紙の繊維質に主に吸収される赤外
透過スペクトルの部分に配置され、前記第二領域が水吸
収ピークに近接した透過スペクトルの傾斜部に配置さ
れ、前記第三領域が前記第一及び第二領域から分離した
透過スペクトルの傾斜部に配置され、 （ｄ）前記赤外スペクトルの各第一、第二及び第三領域
毎に赤外透過率の測定を用いて、前記紙シートの種々の
部分の含水率を計算器で計算し、 （ｅ）前記含水率の計算に基づいて、前記紙シートの少
なくとも部分の含水率を変化させる、前記紙シートの含
水率を調整する方法。 - 【請求項１０】前記計算器は、次の式で、 RT＝R1＋C1×（R2−C2） 但し、R1＝REF/MES、 R2＝REF/CORR、 C1及びC2が定数であり、REF値が前記第一の領域におけ
る赤外計測値を示し、MES値が前記第二領域における赤
外計測値を示し、前記CORR値が前記第三領域における赤
外計測値を示す、 前記含水率を計算する特許請求の範囲第９項記載の方
法。 - 【請求項１１】前記計算器は、次の式で、 RT＝R1×〔１＋C1（R2−C2）〕 但し、R1＝REF/MES、 R2＝REF/CORR、 C1及びC2定数であり、REF値が前記第一領域における赤
外計測値を示し、MES値が前記第二領域における赤外計
測値を示し、前記CORR値が前記第三領域における赤外計
測値を示す、 前記含水率を計算する特許請求の範囲第９項記載の方
法。 - 【請求項１２】前記計算器によって、前記紙シート内の
水分の重量を直線式、WW＝Ａ×RT＋Ｄ 但しＡ及びＤはこの直線式の傾斜及びオフセット値であ
り、WWが紙シートの単位面積当たりの水の重量である、 を用いて計算する段階を備えた特許請求の範囲第10項記
載の方法。 - 【請求項１３】前記計算器によって、前記紙シート内の
水分の重量を直線式、WW＝Ａ×RT＋Ｄ 但し、Ａ及びＤはこの直線式の傾斜及びオフセット値で
あり、WWが紙シートの単位面積当たりの水の重量であ
る、 を用いて計算する段階を備えた特許請求の範囲第11項記
載の方法。 - 【請求項１４】前記計算器は、次の式で、 RT＝〔C1（R1−D1）＋C2（R2−D2）〕/2 但し、R1＝REF/MES、 R2＝REF/CORR、 C1、C2、D1及びD2が定数であり、REF値が前記第一領域
における赤外計測値を示し、MES値が前記第二領域にお
ける赤外計測値を示し、前記CORR値が前記第三領域にお
ける赤外計測値を示す、 前記含水率を計算する特許請求の範囲第９項記載の方
法。 - 【請求項１５】赤外放射ビームを紙シートに放射する赤
外放射源と、 この紙シートを貫通した第一、第二及び第三領域におけ
る波長を有する赤外スペクトルの量を検知する検知手段
とを備え、 前記第一領域は水の赤外吸収ピークの略中央に配置さ
れ、前記第二領域は赤外光路において紙の繊維質の量を
主に感知する赤外放射を検知するために選択されること
を特徴とする紙シートの温度に感知する紙シート水分セ
ンサ。 - 【請求項１６】前記第一領域が1.93ミクロンに配置さ
れ、前記第二領域が約1.83〜1.85ミクロンの波長範囲内
に配置される特許請求の範囲第15項記載の水分センサ。 - 【請求項１７】（ａ）赤外放射ビームを紙シートに向け
させて貫通させ、 （ｂ）前記紙シートに対して前記ビームを移動させ、 （ｃ）前記紙シートを貫通した前記ビームの赤外スペク
トルの第一及び第二領域における赤外放射量を、前記紙
シートに沿う複数の位置で測定し、前記第一領域が水の
赤外吸収ピークの略中央に配置され、該第一領域の長及
び短波長の境界が該第一領域における紙シートを透過す
る赤外エネルギ量が紙シートの温度から独立するように
選択され、前記第二領域が紙の繊維質に主に吸収される
透過赤外スペクトルの部分に配置され、 （ｄ）前記赤外帯域の第一及び第二領域毎に赤外透過率
の測定を用いて、前記紙シートの種々の部分の含水率を
計算器で計算し、 （ｅ）前記紙シートの種々の位置の計算された含水率の
計算に基づいて、前記紙シートの少なくとも部分の含水
率を変化させる、前記紙シートの含水率を調整する方
法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/014,870 US4928013A (en) | 1987-02-17 | 1987-02-17 | Temperature insensitive moisture sensor |
| US14,870 | 1987-02-17 | ||
| US014,870 | 1987-02-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63298030A JPS63298030A (ja) | 1988-12-05 |
| JP2595283B2 true JP2595283B2 (ja) | 1997-04-02 |
Family
ID=21768252
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63034940A Expired - Lifetime JP2595283B2 (ja) | 1987-02-17 | 1988-02-17 | 温度補償水分センサ |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4928013A (ja) |
| EP (1) | EP0279743B1 (ja) |
| JP (1) | JP2595283B2 (ja) |
| KR (1) | KR880010326A (ja) |
| CA (1) | CA1289219C (ja) |
| DE (1) | DE3854164T2 (ja) |
| FI (1) | FI95841C (ja) |
Families Citing this family (32)
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|---|---|---|---|---|
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