JP4008582B2 - コーティング重量の計測と制御装置及び方法 - Google Patents
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Description
【本発明の分野】
本発明は紙シートや他の物に塗布されるコーティングの量を計測しかつ制御する装置と方法、特に移動している紙シート上のコーティングの基本重量を、シートに塗布されている最中に監視しかつ調整する装置と方法に関する。
【0002】
【本発明の背景】
紙の生産過程において、しばしば紙シート(”ベースシート”と呼ばれる)に多種類の材料をコートすることが望まれる。実際、世界の紙生産の増加の割合はコート紙とコートされた板紙に向けられている。コーティングは通常、雑誌のページや、贈答品の包装、靴箱用に光沢のある白い表面を与えるために施される。その他に、或いはそれに加えてコーティングは紙シートを防水性にすることもある。コーティング材料の他の例としで、マイクロカプセルインクがノーカーボン複写紙のシートの片側にコーティングとして塗布されることもある。
沢山の種類のコーティング配合物があり、それらの多くは10又はそれ以上の数の成分からなる。これらの成分はほとんど通常水性分散体として顔料、結合剤及び添加物と分類される。一般の顔料は、クレー、炭酸カルシウム(CaCO3)、硫酸バリウム及び二酸化チタニウム(TiO2)を含む。硫酸バリウム、二酸化チタニウムはそれぞれ、印画紙及び特殊用紙にのみ使用される。一般的に言えば、クレーは最も一般的な顔料であるが、CaCO3とPCC(炭酸カルシウム沈殿物)も一般的になっている。ラテックスの様々な配合物が顔料の粒子を共に保持しそれらを紙に固定する結合剤として一般に使用される。典型的なコーティング配合分は、80〜90%の顔料、3〜10%のラテックスを含み、残部が添加物又は他の成分からなる。
【0003】
上に述べたようなコーティングは製紙工場の製紙工程の一部として紙に塗布される。製紙技術とコーティング技術は当該技術分野でよく知られ、例えば、Rマクドナルド編1970マグロウヒル、パルプと紙技術者のためのハンドブック、G.Aスムーク第2版1992アングスワイルド出版のパルプと製紙Vo13(製紙と板紙製造)に記載されている。この他、前もって生産された紙を紙シートの大きなロールから”コーター”と呼ばれるコーティング機械に供給しても良い。どちらの場合も、コートされていない紙は、通常は、”横断方向”(すなわち、製紙機械及び/又はコーティング機に沿う紙の移動方向と直交する方向)に沿って測って巾が10フィート又はそれ以上の程度であるシートでコーターに供給される。
【0004】
コーティングの均一性”基本重量”(即ちシートの単位表面積上のコーティング材料の質量)は様々な理由でしばしば必要とされかつ要求される。例えば、光沢紙の印刷性は光沢コートティングの均一な塗布によって改善される。しかも、光沢コーティングはラテックス及び又はTiO2のような比較的高価な材料を含有する。従って生産者は、コーティングをできるだけ均一に塗布するためにコーティングを正確に監視し、そのようなコーティングの塗布を制御したいであろう。ある場合には、コーティングの均等性がグラム平方メートルの何分の1の範囲内で制御されなければならない。しかしながら、横断方向(10フィート又はそれ以上)のシートの横方向の広がりとコーティングをそのようなシートに正確かつ均等に塗布することの要求のために、より複雑なコーターが設計され生産されてきた。
【0005】
コーターは種々の構成になる。”ブレードコーター”と呼ばれるコーターの一つの型式は、移動している紙シートの片側に隣接して配置された回転裏当てドラムとシートの反対側に配置された柔軟なブレードを有する。ドラムとブレードエッジはシートを横断する方向に延びて、紙シートが通る狭いスロットを形成する。コーティング材料のプールが裏当てドラムとブレードの間に保持され、シートがその間を通ることによってシートにコートする。ブレードは紙に押し付けられ、シートがスロットを通って出る時にコーティングが塗布され、それによって余分なコーティングを取り除く。
ブレードエッジとドラムの間の隔たりはそのようなコーティングの塗布において重要な要素であることが理解される。ドラムは高い公差に製作されかつ、設置される。シートに塗布されたコーティングの厚さを制御するために、コーターはコートされたシートに対するブレードエッジの圧力及び又はドラムに対するブレードエッジの位置を調整するためのアクチュエーターを備える。ブレードは通常、僅かに曲げられ、或いは撓わむ薄いスチール部材で作られる。かくして、アクチュエーターは、各アクチュエーターがアクチュエーター付近でブレードによって加えられる圧力、従ってベースシート上のコーティングの量を制御するように、ブレードの長さに沿って間隔をあけて設置される。各アクチュエーター付近のブレードの横断方向の長さは”スライス”として知られている。共通に譲渡されたアメリカ特許第4,732,776号は、このようなコーティングブレードアクチュエーターを有するコーターを開示する。この特許を援用する。
【0006】
圧力と紙の厚さの局部的な変化やおそらくは、他の要因は、もし補償されなければ、不均一なコーティングを生じさせる傾向がある。したがって、先の記述から、コートシート上のコーティング材料の量を測定する能力、及びそのような計測に基づいてコーティングの最中に複数の横断方向のスライス位置でのシートに対するブレードの圧力を制御する能力も製紙会社にとって重要であることが認識される。
シートに塗布されたコーティングの量を計測しかつこれを制御する種々のスキームが試みられてきた。コーティング制御法の最も難しい点の一つは、特にグラム平方メートルの何分の1の精度に測定しなければならないときにシートに塗布されたコーティングの量の、正確な計測を得ることである。
【0007】
そのようなあるスキームでは、製紙工程中の上流でコーターの前にシート基本重量センサーとシート水分センサーが配置される。基本重量センサーは、単位表面積当たりの質量でシートの材料の全体の量を計測する。このため、計測された基本重量は紙の繊維と繊維によって吸収されている水分の両方を含む。既知の基本重量センサーはそのようなシートの基本重量を決定するためにシートを通るベーター線の透過を利用する。シートの中の含水量は、例えば、シートの単位表面積当たりの水の質量でシートの中の含水量を同様に決定する既知の赤外線水分センサーによって決定される。追加される基本重量及び水分センサーが、コーティング工程後でコーターの下流の個所に設置される。
シートを形成する繊維の量はコートされていないシートの基本重量から水分の量を差し引くことによって決定することができる。同様に、コートシートの基本重量からコートシートの中の水分を差し引くことによって、コーティング材料と紙繊維の合計量を決定することができる。最後に、コートシートのコーティングと繊維の合計基本重量の測定値からコートされていないシートの繊維の量を差し引くことによって、シートに塗布されたコーティングの基本重量が決定される。シートの幅を横断する各スライスにおけるコーティング基本重量の測定値に基づいて、システム工程制御コンピューターは、それらの測定値を所定の所望なコーティング基本重量値と比較し、各スライスにおけるコーティングブレードアクチュエーターを制御する信号を発生させてシートの全幅に渡って所望のコーティング基本重量を達成することができる。
【0008】
残念ながら、上に記述した方法は、コーティング材料の基本重量を決定するための4つの比較的高価なセンサー(すなわち、コートされていないシートに隣接して配置された水分及び基本重量センサー及びシートのコート部分に隣接して配置された水分及び基本重量センサー)を必要とするため完全に満足できるものではない。更に、これら4つのセンサーの各々の測定値に含まれる誤差は、コーティング重量を決定するのに必要な数学的計算中に加算的に広がり、それにより、コーティング重量の計測の理想とは言えない結果をもたらす。
シートに塗布されたコーティング材料の量を測定する別の方法は、非常に高いエネギーのX線をコートシートに照射することを必要とする。その様な高エネルギーX線は、原子が蛍光を発するように、コートシート材料中の原子を励起する。蛍光発光する原子は、コーティングの中の元素に対して固有の波長を持つX線を放出する。かくして、X線センサーをコーティング材料の中の元素に特有の一つかそれ以上の固有の波長に同調させることによって、製紙会社は特有の波長での蛍光の強さからコーティング材料の量を推定することができる。
【0009】
残念ながら、蛍光技術は多くの場合において完全に満足であるわけではない。例えば、蛍光発光原子は弱い強度のX線しか放出しない、かくしてこの技術は比較的低い信号ノイズ比を生じさせる。従って、X線検出器によって安定した有意な信号を得るまでに比較的長い時間を要する。更に、高エネルギー励起X線やコートシートの蛍光発光から生ずるX線は、製紙工場作業者に対して危険である。また他の技術においても、シートの一部にX線を照射し、シートを透過したX線の強度が検出される。しかしながら、X線は紙シートによく使用される無機充填剤、木パルプ繊維、及びシート中の水分によって吸収される。従って、シートのX線透過はもっぱらコーティング材料に応答しないため、センサーはコーターの前と後に配置されなければならず、シートのコート部分とコートされていない部分のX線透過の差がシートに塗布されたコーティング材料の量を決定し、かつそれに関係付けられる。しかしながら、この技術は、複数の比較的高価なX線源とセンサーを必要とし、各センサーのによってなされる測定に固有の誤差がコーティングの決定された量の誤差に加算的に寄与する計測固有の誤差、そしてX線の使用はもちろん製紙工場作業者に対する潜在的な危険であるという欠点に悩まされる。
【0010】
共通に譲渡されたアメリカ特許第4,957,770号は、コーティング材料から放射線を測定することによってコーティング材料の基本重量を決定するためのセンサーと方法を開示する。そのセンサーはコーティング材料中のラテックス濃度を測定する。
【0011】
【発明の概要】
本発明はCaCO3を含有するコーティングのオンライン、非接触紙コート重量測定に関する。本発明は、一部が約3.6〜4.2ミクロンの赤外線領域が水、ラテックス、クレー及び他のコーティング顔料、並びに紙充填剤からの干渉が実質的にないということ、それによって紙コート重量測定の高い精度と信頼性をもたらすという発見にもとづかれる。
本発明は、基材から反射される放射線の測定、又は電磁スペクトルの少なくとも2つの別々の波長領域で、基材の放射線透過を使用して基材上のコーティング材料の量を決定することができる装置と方法を含む。装置と方法は、限るわけではないが、主として赤外線を使用した移動している紙シートのオンラインコーティング計測を意図している。従って、簡単のため、本発明は製紙工程の中で記述される。しかしながら、基材がプラスチックのような紙以外のシート材料でも良く、又基材がシートの形態でなくても良いことを理解すべきである。
【0012】
製紙では本発明の赤外コーティングセンサーは、移動しているシートの長さと幅に沿う様々な位置でベースシート上のコーティングの基本重量を計測するために移動しているコートシートの横断方向に前後に走査される。センサーは、赤外線の透過やシートからの反射に及ぼすベースシートの基本重量や含水量の変化をコーティングの測定に自動的に補償するように設計されている。従って、移動しているシートに渡ってセンサーが走査されるとき、ベースシートの基本重量やその含水量がシートの幅と長さに渡って一様でないとしても、コーティング基本重量測定は高い精度に保たれる。
本発明の赤外コーテイングセンサーは赤外線源を含む。赤外線の光線はこの赤外線源から移動しているシートに透過される。光線がシートに達した時、初めにコーティング材料を通過し、次にベース紙に入る。この赤外線エネルギーの一部はシートを透過し、或いはシートによって吸収される。赤外線エネルギーのいくらかは、ベースシートに入った後に、おおよそ赤外線源の方向に反射して戻る。この赤外線の光線は広い領域の波長を含む。しかしながら、ある領域における波長の赤外線は、コーティング及び又はベースシート自体によって優先的に吸収される。
【0013】
コーティングセンサーは赤外線受光部分も含む。この受光部分は、赤外線源と反対のシートの側に設置され、それによって通過する赤外線の強度を測定する。別の例として、センサーの赤外線受光部分は、赤外線源と同じシートの側に配置され、それによって光の反射する部分の強度を測定する。どちらの場合も、受光部分は、光線スプリッターと、少なくとも2つの赤外線検出器と、各検出器と関連した赤外線帯域通過フィルターとを含む。光線スプリッターは赤外線の一部を2又はそれ以上の検出器の各々に向ける。別の赤外線帯域通過フィルターは各検出器の前に配置される。このようにして、各赤外線検出器は関連したフィルターの通過帯域中の赤外線スペクトルの一部の強度だけを測定する。
2つの赤外線帯域通過フィルターの1つは、赤外線が紙のベースシートによっては吸収され又は散乱されるが、コーティング材料によっては非常に僅かしか吸収されない赤外線スペクトルの選択された領域の波長を有する赤外線のみを通過させる。この第1のスペクトル領域は”標準”領域と呼ばれ、関連した検出器は”標準”検出器と呼ばれる。従って、標準検出器からの出力信号は、主としてベースシートによる吸収又は散乱に依存する。例えば、検出された赤外線エネルギーがシートの一方の側から他方の側までシートを透過した時、吸収の量はベース紙シートの基本重量に依存する。更に、受光部分と赤外線源がシートの同じ側に置かれた場合においても、受光部分が反射した赤外線だけを検出し、標準検出器の出力は依然としてシートの基本重量の変化に敏感である。これは、赤外線がベースシートの表面で部分的にだけ反射されるためである。赤外線の多くはシートに侵入し、シート材料の中へより深く侵入し及び又はシート材料に遭遇すると反射する全ての光の割合を増加させる。かくして、その他の全ては一定に停まり、高い基本重量のシートは低い基本重量のシートより多くの赤外線エネルギーを反射させる。低い基本重量のシートでは、より多くの赤外線エネルギーがシートを透過する。
【0014】
第2の帯域通過フィルターは第2の赤外線検出器と関連され、コーティング材料中のCaCO3によって強く吸収される赤外線スペクトルの領域の波長のみを通す。”計測”領域と呼ばれるこの第2のスペクトルの領域は又、ベースシートによるこの領域における平均的赤外線吸収が標準領域における赤外線のベースシートによる平均吸収と等しくなるように選択されている。従って、計測及び標準帯域通過フィルターは、それらの通過帯域が下地のベース紙シートによって同程度に吸収される赤外線スペクトルの領域に相当するように選択される。スペクトルの”計測”領域と関連した検出器は”計測”検出器と呼ばれる。
本発明において、標準及び計測検出器からの出力信号の比(又は差)が測定される。前に記述したように、標準及び計測帯域通過フィルター両方の通過帯域の波長の光線はベース紙シートによって等しく吸収されるため、標準及び計測検出器からの信号の比(又は差)はコーティング中の選択された成分の量の指標になる。通常の場合、選択された成分はコーティングの配合物に既知の一定の割合で混合されるため、選択された成分の求められた量はコーティング材料の対応した量と相関関係にある。更に、ベースシートによる計測及び標準波長の吸収は、等しい又は”均衡”しているため、計測及び標準検出器からの信号の比(又はそれらの間の差)はベースシートの基本重量に依存しない。
【0015】
コーティングセンサーからの信号は工程制御コンピューターに送られ、該コンピューターは上に記述した数学的計算を行ってシート上のコーティングの量の測定値を得る。コンピューターは、この測定値と前もって入力された所望のコーティングの量とを比較する。コンピューターは次に、コーティングブレード制御アクチュエーター、そして各横断する方向の位置でベースシートに塗布されたコーティングの量を調整するのに使用される制御信号を発生する。コーティングの過程で、コーティングの塗布を予め選択された量に維持するために任意の横断方向の位置でコーターブレードの調整を必要とする状態が起こった場合、そのような調整は適切な信号を工程制御コンピューターから一又はそれ以上のブレードアクチュエーターへ送ることによって自動的に行われる。
【0016】
本発明により、厚さ及び又は紙シートに塗布されたコーティングの基本重量の高度な均一性が、単一の安全で高精度のコーティングセンサーを使用し達成できる。
【0017】
【好ましい実施例の詳細な説明】
図1Aは紙シートコーティング装置10を表す。この図に示すように、コートされていない紙シート12は裏当てロール16とブレード18の間に収容されたコーティング材料14の供給部を通って引き出される。シート12の出口スロット20がロール16とブレードの隣接したエッジ22との間に形成され従って、紙がスロット20を出た直後の紙12の上のコーティングの厚さがブレードエッジ22とロール16との間の距離と圧力によって決定される。
アクチュエーター26が一定間隔でブレード18に装着され、各アクチュエーター26の付近のブレード18の撓みを制御し、アクチュエーター26がブレード18をロール16の方へ近づけたり遠ざけたりするとき、シート24上のコーティング材料がそれぞれ連続的に薄くされたり厚くされたりする。アクチュエーター26はブレード18に沿って3又は6インチの間隔に隔てられることが望ましい。前に記述したように、各アクチュエーター26を取り囲む3又は6インチの間隔は”スライス”と呼ばれる。
【0018】
シート12がコーティング厚さ制御スロット20を出た後、コートシート12は、コーティング24を乾燥する多数の加熱ドラム30を通過する。乾燥したコートシート12はその後、以下に詳細に述べる赤外線反射型コーティング重量センサー32を通る。
センサー32は、走査運動で、シート12の幅を横断して矢印28の方向に前後に駆動され、移動しているシート12の幅と長さに渡る様々のスライス位置でシート12から反射した赤外線の量を測定することができる。
このセンサー32からの信号は、次いで信号処理回路35を通って、システム処理制御コンピューター34へ送られ、そこでこれらのセンサー信号がシート12の幅に渡る特定スライス位置に関連させられるように信号は時間方向にデマルチプレクスされる。以下にも記述するように、コンピューター34は、これらの信号に基づいて様々な計算を行ってスライスにおけるコーティング24の基本重量を決定する。コンピューター34は、各スライスについて測定されたコーティング基本重量と所定の所望な値とを比較し、アクチュエーターコントローラー36に命令を出して制御信号を発生させ、該信号により各スライスについてアクチュエーター26が必要に応じてブレード18を撓ませコーティング基本重量保つ。通常、一定のコーティング基準重量が目標として要求される。
【0019】
図1の赤外線コーティング重量センサー32は、図2により詳細に示されている。このセンサー32は、ベース紙シート12に塗布されたコート材料24の量を計測するのに使用され、シート12の基本重量と含水量の変化から生ずるシート12による赤外線吸収の影響を計測して自動的に補償する。
センサー32は可視及び赤外領域の連続波光線タングステンハロゲン源50を含む検出器組立体88の一部と、温度制御式エンクロージャーに格納された6つの赤外線検出器の検出組立体とを有する。広帯域赤外線源エネルギー50はシートの動揺と表面特性に対する感度を最小にする角度でシート12に向けられる。拡散放射方式が望ましい。その角度は代表的には直角に対して約10から25゜の範囲である。検出装置はCaCO3センサー、クレーセンサー、水分センサーを包含する。CaCO3センサーは、CaCO3計測フィルター/検出器32AとCaCO3標準フィルター/検出器32Bを含む。クレーセンサーは、クレー計測フィルター/検出器51Aとクレー標準フィルター/検出器51Bからなる。水分センサーは、水分計測フィルター/検出器52Aと水分標準フィルター/検出器52Bからなる。シートから反射されたエネルギーは、光線を分光器55、56、57及び適当なフィルターを通して個々の検出器に通すことによって波長分析される。光スプリッター、フィルター、及び検出器からなる光分析器の本体はすべての検出器信号がシートの同じ場所からの起源になることを確保し、その結果いつでも正確な測定に必要とされるすべての情報が得られる。
【0020】
CaCO3センサーによる厳密かつ正確な測定は、一部がCaCO3濃度と約4μm領域におけるCaCO3の吸収強度との相関関係に基づかれる。CaCO3を計測するため、計測及び標準帯域通過フィルターの通過帯域の好ましい中心波長は、それぞれ3.9〜4.1μm、3.6〜3.85μmの範囲であるのが好ましい。これらフィルターの各々に対する帯域幅は約0.15μmであるのが好ましいが、検出器における所望な信号強度とバランスを得るために必要に応じて広くしたり狭くしたりすることができる。検出器の出力信号と標準チャンネルの比は紙コート重量値に比例する。
CaCO3センサーは4チャンネル又は6チャンネルセンサーとして構成されるのが望ましい。更に好ましい構成は、図2に示すようにCaCO3、クレー、水分を測定する6チャンネルセンサーである。好ましい4チャンネルバージョンはCaCO3とクレーを計測する。検出組立体は更に、従来型の赤外線エネルギー変調器60を含み、これは、例えば170Hzで動作し、例えばそれは高エネルギー変調をする回転光線チョッパーからなる。光チョッパーは2つの反対側から開かれた中空矩形チョッパープリズムとして構成されることが好ましい。光チョッパーが回転すると、光チョッパーは光源のパラボラ反射板から直径25mmの全幅を遮る。これは低ワット数タングステンハロゲン光源の使用を可能にし、長く安定したランプ寿命を確保する。小さなフィラメントサイズは、スポットの大きさ(シート上で計測された領域)が小さく直径約20mmであるようにする。CaCO3センサーは完全にそれ自身収容される内部光学(反射)標準器を用いることが望ましく、従って、センサーはシートと干渉せず、標準化を行うのにシートの外へ移動する必要もない。
【0021】
赤外線エネルギー変調器60は、赤外線源50からシート12に当る赤外線放射量を既知の周波数として変調する。かくして、各赤外線検出器の出力は、入射赤外光線62と同じ既知の周波数で変調される。その上、検出器出力は変節された入射光線62の反射部分63に直接依存するため、検出器出力の位相は変調された光線62の位相に依存する。しかしながら、ベース紙シート12、シート上のコーティング24、他の外部光源(図示せず)から生ずる赤外線エネルギーも全ての検出器に達する。かくして、各検出器出力信号はAC成分とDC成分の両方を含む。
各検出器の出力(計測と標準の両方)は、信号処理回路35(図1A)に送られる。この回路は、検出器信号のDC成分をフィルターで除去するように設計されている。次いで、フィルターを通ったAC検出器信号は、信号処理回路35内に含まれている位相同期復調回路に通される。位相同期復調の目的は、ベースシート12やベースシートに塗布されたコーティング材料24の赤外線吸収の変化によって引き起こされない検出器信号の変化をフィルターで除去する。
CaCO3センサーについて、各検出器からの復調信号の平均振幅32Aと32Bは、各検出器と関連したフィルターの通過帯域内でコートシートの様々な部分から反射された赤外線の放射量の指標である。次いで復調と振幅平均検出器信号は、信号処理回路によって計測され、デジタル化されて処理制御コンピューター34に送られる。コンピューター34は、更に以下により完全に説明する数式と技術を利用してベースシート12上のコーティング材料24の基本重量を計算する。
【0022】
図3は、CaCO3に対する赤外線吸収スペクトルと、CaCO3センサーのための標準及び計測赤外線検出器と夫々関連した標準6と計測7フィルターの通過帯域を表す。標準及び計測フィルターは、それらの相当する通過帯域におけるベース紙シート12による赤外線放射の平均吸収が等しくなる又は実際にはほぼ等しくなるように選択される。この方法により、標準及び計測から生ずる信号がコートされていないシート12に対して等しく(あるいは極めて近く)なる。計測検出フィルターの通過帯域は、CaCO3に対する強い吸収のピーク(又は伝導の最小値)が入るように選択される。コートシートによると、計測検出器からの出力は、ベース紙シートとコーティング材のCaCO3部分の両方によって引き起こされる赤外線の吸収を示している。
【0023】
しかしながら、代表的な濃度のCaCO3はその吸収ピークでさえも赤外線を非常に僅かしか吸収しない。従って、計測検出器32Aからの、CaCO3コーティング成分に起因する信号の量は大変小さいので、計測検出器それ自体は、反射した赤外線63によって遭遇されるCaCO3の量を決定するのには実際上使用できない。従って、シートの他の様々な成分の変動によっで引き起こされる信号の変化から区別できないかもしれない。それにも係わらず、本発明においては、計測32Aと標準32B検出器が下層のベース紙シート12に対して等しい感度を持つため、標準信号の大きさと計測信号の大きさの比がコーティング材料中のCaCO3成分に対して良い感度で信号を与える。このようにして、標準と計測の信号の差はコーティング中のCaCO3の指標を与える。更に、標準と計測信号は、同じ誤差源(例えば、背景的なシートの基準重量、含水量及び光の路中の埃の変化)を受けるので、標準信号と計測信号との比又は差は、上に述べた位相同期復調フィルター技術を利用しないとしても、ベース紙シート上のCaCO3の量の高精度な指標を与える。
【0024】
コーティング重量センサー32をセットする時は、計測及び標準通過帯域におけるベースシート12による赤外線吸収を”バランス”させ、或いは等化させることが重要である。既知の赤外線帯域通過フィルターは基材に一連の誘電性コーティングをコーティングすることによって作られる。従って、誘電性フィルムの厚さを変えることによって赤外線スペクトルの任意所望な通過帯域を持ったフィルターも作ることができる。
標準及び計測検出器からの信号は以下の式によっで基本重量の数学的な計算に使用することができる。
【0025】
BWC=A(IMES−IREF) (1)
ここに
BWC−ベースシート上のコーティング材料の基本重量。
IMES=計測検出器からの出力信号の値
IREF=標準検出器からの出力信号の値
Aは定数で、経験的に決定され、コーティング基本重量の様々な検出器出力に関係する。定数の値はよく知られた曲線適合技術によって決定される。IMESとIREFの値は、それぞれ計測及び標準通過帯域におけるコートシートによる赤外線の反射に比例する。
式(1)は、標準検出器と計測検出器からの出力信号の差によってコーティング材料の基本重量を決定する。しかしながら、二つの信号の比を使ってコーティング基本重量を決定することもできる。
【0026】
BWC=C((IMES/IREF)−1)
Cは様々な検出器出力をコーティング基本重量に関係づける経験的に決定された定数である。
コンピューター(図示せず)はコーティング重量センサー32と関連し、単独で各スライスにおける基本重量計算を行うのに供される。しかしながら、現在の多くの製紙工場は高度に自動化され、プロセス制御コンピューター34を含む(図1a)。これらの工場においで、本発明の赤外線コーティングセンサー32によって発生した信号は、各横断方向のスライス位置においてシート12に塗布されるコーティング材料24の量の計算のために信号処理回路35を経て工場の中央プロセス制御コンピューターへ送られることが望ましい。その後、これらの計算に基づいてプロセス制御コンピューター34は、各横断方向位置ベースシート12に塗布されたコーティング材料14の量を選択的に変えるためにブレード18に沿う各スライスに取り付けられたコーティング制御ブレードアクチュエーター26に選択的に作動する信号を発するようにアクチュエーター制御器36を指令することができる。
【0027】
一方、CaCO3のベースシートへの混入も起こっている。この状態において、上に述べた第1の赤外線センサー32と同様の或いは同じ第2の赤外線センサー(図示せず)は、コーティング材料14をベースシートに塗布するに先立って紙コート過程における位置に配置される。この第2のセンサーは、コートされていないベースシートに隣接しで配置され、上に述べた第1のセンサーと全く同じ方法でベースシート中のCaCO3の量の測定に利用される。この状態において、処理制御コンピューター34は第2のセンサーからの信号を受け、ベースシート中に混入したCaCO3の量を計算し、第1のコーティングセンサー32によってコンピューター34へ送られた信号から生ずるCaCO3量からこのCaCO3量を差し引く。この差引から生じた差はリサイクルされたベース紙シートに塗布されたコーティング材料中のCaCO3量の指標になる。コーティングの制御はその後、前に記述したものと同様の手段で行われる。
【0028】
最後に前に説明した通り、CaCO3は、ラテックス、ダイ、充填剤等のような多くの他の化学成分を含むコーティング材料に通常、顔料として利用される。これらの成分はコーティング材料のCaCO3成分と正確な既知の所定割合で混ぜられる。従って、シート上のCaCO3成分の量を決定することにより、処理制御コンピューターシステムは、コーティング材料の他の成分とCaCO3成分との既知の比率からシート上の全コーティング材料混合物の全体量を決定することもできる。
水分センサー及びクレーセンサーは本質的にCaCO3センサーと同様の方法で作動する。水分センサーについては、計測及び標準帯域通過フィルターの好ましい通過帯域の中心波長は、それぞれ1.89〜1.95μm及び1.70〜1.86μmの範囲である。クレーセンサーについては、計測及び標準帯域通過フィルターの好ましい通過帯域の中心波長は、それぞれ2.20〜2.25μm及び2.08〜2.30μmの範囲である。
【0029】
【実験】
図2に示したCaCO3センサーは、板紙製造工場でテストされた。3.977μmフィルターが計測チャンネルに対して、3.800或いは3.700μmフィルターが標準チャンネルに対して使用された。設置の前にCaCO3水溶液サンプルが用意され、実験室において較正のためにサンプルのコーティング重量がセンサーで測定された。図6は、高いパーセント(85〜90重量%)のCaCO3を含有し、クレーを含有しないサンプルについでのコート重量とセンサー信号の関係を示している。図4は、約17%のCaCO3で、残部が固体クレーであるサンプルに対する結果を表す。図5は、約33%のCaCO3で、残部がクレーであるサンプルに対する結果を表す。グラフ上に示された点を通る線の線形関係は、センサーの較正の基礎になる。図3に、一ケ月近く離れて取った高いパーセントのCaCO3サンプルの2つの測定を示す。2組の点の非常に近い表示は、良好な長期間の安定性を表している。
【0030】
本発明の好ましい実施例のみを上で特に開示し、かつ説明したが、上記の教示に照らしてまた請求項の知識の範囲内で本発明の精神と意図する範囲から離れることなく本発明の多くの修正及び変更が可能であることが推察される。
【図面の簡単な説明】
【図1A】図1Aは本発明による反射型赤外線コーティングセンサーの単純化した概念的斜視図である。
【図1B】図1Bは図1Aのシートのコートされていない部分の拡大図である。
【図1C】図1Cは図1Aのシートのコートされた部分の拡大図である。
【図2】図2は単純化し、模式化された図1Aの反射型赤外線コーティングセンサーを有する検出器の断面図である。
【図3】図3は典型的なシートコーティング材料のCaCO3部分に対する赤外線吸収スペクトルを表す。
【図4】図4はコーティング重量対CaCO3センサーの較正曲線である。
【図5】図5はコーティング重量対CaCO3センサーの較正曲線である。
【図6】図6はコーティング重量対CaCO3センサーの較正曲線である。
【図7】図7は実験室とオンライン測定の比較のグラフである。
【符号の説明】
10 紙シートコーティング装置
14 材料
16 裏当てロール
18 ブレード
20 出口スロット
22 ブレードエッジ
26 アクチュエーター
30 ドラム
32 赤外線反射型コーティング重量センサー
32Λ 計測フィルター/検出器
32B 標準フィルター/検出器
34 コンピューター
35 信号処理回路
36 アクチュエーターコントローラー
50 赤外領域光線源
51A クレー計測フィルター/検出器
51B クレー標準フィルター/検出器
52A 水分計測フィルター/検出器
52B 水分標準フィルター/検出器
55、56、57 分光器
88 検出器
Claims (13)
- ベースシートを有し、コーティングされていない移動中のシートの表面に、1つの成分を含有するコーティング材料を塗布するためのシートコーティング装置を有し、該装置はコーティングされていない移動中のシートが計量装置近くを通った後、コートシートの上に残るコーティング材料の量を調整するための計測装置を含み、
コートシートに隣接して配置され、コートシートに第1放射光線を向けるように配置された第1の放射源と、コートシートから発生する第1の光線の少なくとも一部を検出するように配置された第1放射受光器とを含む第1コーティングセンサーを備え、
第1の受光器が放射スペクトルの第1と第2の別々の波長領域における赤外線量を検出し、かつ第1と第2領域における検出された放射量を夫々表わす第1信号及び第2信号を生じさせるように構成され、第1の領域はベースシートの基本重量に敏感である放射のために選択され、第2の領域はベースシートの基本重量に、第1の領域の放射とほぼ同じ位敏感である放射のために選択されるが、コーティングの1つの成分にも敏感であり、この1つの成分に対する第1領域の放射の感度は1つの成分に対する第2の領域の放射の感度と異なるコーティングセンサーと、
第1と第2の信号からシート上のコーティング材料の量を計算するための、第1の受光器と作動的に接続され、コーティング材料中の1つの成分の計算された量を表す第3の信号を発生するコンピューターと、
ベースシート上のコーティング材料の量を調整するために第3の信号に応答して計量要素を調整するためのコンピューター及び計量装置と作動的に接続された少なくとも一つのアクチュエーターとを包含するコーティングシステムにおいて、
前記1つの成分は、CaCO 3 であり、前記第1領域が約3.6〜3.9μmの範囲であり前記第2領域が約3.9〜4.1μmの範囲であることを特徴とするするコーティングシステム。 - 前記光線が赤外線である請求項1に記載のコーティングシステム。
- 移動しているコートシートがそのベースシートの中にCaCO 3 を含み、
前記コーティングシステムは、さらに、
コートされていないシートに隣接して配置され、コートされていないベースシートに第2放射光線を向けるように配置された第2の放射源と、コートされていないシートから発生する第2の光線の少なくとも一部を検出するように配置された第2放射受光器とを含む第2コーティングセンサーを備え、
第2の受光器は放射スペクトルの第3と第4の別々の波長領域における電磁波量を検出し、かつ第3と第4領域における検出された放射量を夫々表わす第4信号及び第5信号を生じさせるように構成され、第3の領域はコートされていないベースシートの基本重量に敏感である放射のために選択され、第4の領域はコートされていないベースシートの基本重量に、第3の領域の放射とほぼ同じ位敏感である放射のために選択されるが、コートされていないシートのベースシートのCaCO3にも敏感であり、
コンピューターはベースシートのCaCO3の量を表す第4と第5の信号に基づく第6の信号を計算するために第2の受光器と作動するように接続され、第3と第6の信号からシート上のコート材料の中のCaCO 3 の量を計算する請求項2に記載のコーティングシステム。 - 前記第1領域が前記第3領域と同じであり、前記第2領域が前記第4領域と同じである請求項3に記載のコーティングシステム。
- 前記コートされていないシートが紙であり、前記第1領域が約3.8μmを中心とし、前記第2領域が約4.0μmを中心とする請求項1に記載のコーティングシステム。
- 前記第1センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第1センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第1信号と第2信号に基づいて、走査する前記第1センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるシート上のコーティング材料中のCaCO 3 の量を決定するようにプログラムされている請求項1に記載のコーティングシステム。
- 前記コーティング材料が、ラテックス、ダイ、充填剤、及びクレーからなるグループから選択された化学成分を有する請求項1に記載のコーティングシステム。
- 前記第1の受光器は、コートシートを透過した第1放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項1に記載のコーティングシステム。
- 前記第1の受光器は、コートシートから反射された第1放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項1に記載のコーティングシステム。
- 前記第2の受光器は、コーティングされていないシートを透過した第2放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項3に記載のコーティングシステム。
- 前記第2の受光器は、コーティングされていないシートから反射された第1放射光線の少なくとも一部の強度を検出するように配置されている請求項3に記載のコーティングシステム。
- 前記第2センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第2センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第3信号と第4信号に基づいて、走査する前記第2センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるベースシート中のCaCO 3 の量を決定するようにプログラムされている請求項3に記載のコーティングシステム。
- 前記第2センサーをラインに沿って前後方向に走査するための、前記第2センサーを取り付けた走査機構を更に包含し、前記コンピューターが前記第3信号と第4信号に基づいて、走査する前記第2センサーによって横断されるシートの様々な横断方向の位置におけるベースシート中のCaCO 3 の量を決定するようにプログラムされている請求項6に記載のコーティングシステム。
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