JP6771498B2 - 近赤外線水分センサのための較正基準としての酸化ホルミウムガラス - Google Patents

Description

[0001]本発明は、一般に、紙製品の含水率を測定するためのセンサおよび方法に関し、詳細には、酸化ホルミウムガラスの較正基準を用いるオンライン赤外線水分センサに関する。

[0002]継続的な製紙機での紙の製造において、紙のウェブは、進行するメッシュの製紙ファブリック上で繊維の水性懸濁液（製紙原料）から形成され、水は、ファブリックを通じて、重力および吸引（ｓｕｃｔｉｏｎ）によって流れ出る。次に、ウェブは、プレスセクションに搬送され、ここで、余分の水は、圧力および真空引きによって取り除かれる。次に、ウェブは、ドライヤーセクションに入り、ここで、スチーム加熱されたドライヤーおよび高温エアが、乾燥プロセスを完了させる。抄紙機は、本質的に水除去システムである。製紙機の典型的な形成セクションは、無端の進行する製紙ファブリックまたはワイヤを含み、テーブルロール、フォイル、真空フォイル、および吸引ボックスなどの、一連の水除去部品の上を進行する。製紙原料は、製紙ファブリックの上面上を運搬され、製紙原料が連続する脱水部品上を進行しながら脱水されて、紙のシートを形成する。最終的に、湿ったシートは、製紙機のプレスセクションに搬送され、ここで、十分な水が取り除かれて、紙のシートを形成する。多くのファクタが、水が取り除かれる速度に影響を与え、このことが、生産される紙の質に最後に影響を及ぼす。

[0003]完成品の質を監視するために、紙材料の一定の性質を継続的に測定することがよく知られている。これらのオンライン測定は、基本重量、含水率、およびシートキャリパ、すなわち厚さをしばしば含む。測定は、アウトプットの質を維持すること、および製造プロセスにおける擾乱が原因で不合格にされなければならない製品の量を最小化することを目的に、プロセス変数を制御するために使用されてよい。オンラインシート性質測定は、縁部から縁部まで、シート材料を周期的に横断する走査センサによってしばしば達成される。

[0004]シート材料が主ドライヤーセクションを離れる際、または走査センサを用いる巻取リールにおいてシート材料の含水率を測定することが一般的である。このような測定は、所望のパラメータの実現に向けて、機械操作を調節するために使用されることがある。含水率を測定するための１つの技法は、赤外線（ＩＲ）領域における水の吸収スペクトルを利用することである。この目的のための監視または計測装置が、通例用いられる。このような装置は、従来、固定ゲージ、または走査ヘッド上に取り付けられたゲージのどちらかを使用しており、走査ヘッド上に取り付けられたゲージは、ドライヤーセクションの出口において、および／もしくは巻取リールに入る際、個別の機械によって必要に応じて、ウェブを横断して横方向に反復的に走査される。ゲージは、典型的には、クオーツタングステンハロゲンランプなどの広帯域の赤外線源および２つの検出器を使用しており、関心のある波長が狭帯域フィルタ、例えば干渉タイプフィルタによって選択される。使用されるゲージは、赤外線源と検出器とがウェブの互いに対向する側にあり、走査ゲージ内で、同期してウェブを横断して走査される透過型タイプ、ならびに、赤外線源と検出器がウェブの片側の単一ヘッド内にあり、検出器がウェブから散乱された線源放射の量に応答する（典型的には「反射」タイプと呼ばれる）散乱タイプの２つの主なタイプに分類される。より良好なドライエンドの環境にＩＲ水分ゲージを位置決めするのがもっとも一般的であるが、類似のゲージは、製紙機のウェットエンドでも用いられる。ウェットエンドの水分ゲージは、典型的には、プレスセクションの終端、またはドライヤーセクションの始点に設置される。これらの場所におけるゲージは、抄紙機のプレスおよび形成セクションの診断、またはドライヤーセクションに入れるためにウェブを「セットアップする」のに役立つ。

[0005]ゲージがある期間にわたって安定し、かつ精密であることを保証するために、較正サンプルまたは基準が使用される。基準は、典型的には、初めに周囲の水分で維持されるガラスケースに入った紙サンプルである。ケースに入った紙サンプルは、通常、オンラインゲージによって測定された紙製品の特徴と類似の特徴を見せる。しかし、ガラスケースに入ったサンプルは、固定された含水率を有するので、センサの感度の変化を検出するために使用されることはできない。センサ読取り時のエラーは、オフセットによってのみ補正されることができる。適切に保管されない場合、ケースに入ったサンプルは、水分がガラス板の間の封止を通じて漏れることがあるので、耐用期間が制限される。

[0006]本発明は、ガラスケースに入った紙サンプルの代わりに、酸化ホルミウムガラスの基準を用いる赤外線水分センサを対象にする。本発明は、酸化ホルミウムが、紙に含まれる水分の吸収力に近い、１．９３ミクロンにおいて強力な吸収力を有するという認識に部分的に基づく。ガラスは、とても安定しており、紙に含まれる異なる水分レベルをシミュレートするために、異なるレベルの酸化ホルミウムで作られることができる。加えて、基準の厚さは、変更されることができ、ガラスは、ジジム酸化物を混和させてよい。

[0007]１つの態様において、本発明は、ペーパーウェブの水分センサを対象とし、ペーパーウェブの水分センサは、
[0008]近赤外線放射のビームをウェブに向けるように配置された赤外線放射源と、
[0009]ウェブから出てくる放射のビームの少なくとも一部を検出するために配置された放射線受光器であって、受光器は、放射スペクトルの第１および第２の分離波長領域における放射の量を検出し、ここで、第１の領域が水に対する赤外線吸収のピーク付近に位置決めされ、第２の領域が水に反応しない赤外線放射を検出するために選択され、ならびに上記領域から第１および第２のシグナルを生成するように構成される受光器と、
[0010]第１および第２のシグナルに基づいて、ウェブに含まれる水の量を計算するために、受光器に動作可能に連結されるコンピュータ手段と、
[0011]それぞれの基準が酸化ホルミウムガラスを備える１つまたは複数の較正基準であって、それぞれの基準は、赤外線放射源から赤外線放射のビームを受光するため、および基準から出てくる放射のビームを受光器に向けるための較正位置に移動させやすい、較正基準と
を含む。

[0012]別の態様において、本発明は、紙に含まれる水分を測定するセンサを基準化する方法を対象とし、センサは、近赤外線放射源と放射線検出器とを有し、それらの間に、紙への放射経路に沿って赤外線放射を向けるため、および紙から出てくる放射の量を検出するための間隙があり、検出器は、放射スペクトルの第１および第２の分離波長領域における放射の量を検出し、ここで、第１の領域が水に対する赤外線吸収のピーク付近に位置決めされ、第２の領域が水に反応しない赤外線放射を検出するために選択され、ならびに第２の領域から第１および第２のシグナルを生成するように構成され、センサはさらに、第１および第２のシグナルに基づいて紙に含まれる水の量を計算するために、検出器に動作可能に連結された手段を有し、前記方法は、
[0013]所定の水分レベルをシミュレートする基準を用いることであって、基準は酸化ホルミウムガラスを含むことと、
[0014]基準を放射経路内に位置決めすることと、
[0015]紙から出てくる第１の波長領域における放射を測定することと、
[0016]紙から出てくる第２の波長領域における放射を測定することと、
[0017]検出器および／またはセンサを基準化することと
に関するステップを含む。

[0018]伝送モードで動作するオンラインの２チャンネル水分センサを示す図である。 [0019]酸化ホルミウムガラスのスペクトルならびにコピー用紙の近赤外スペクトルの図である。 [0020]反射モードで動作する２チャンネル水分センサを示す図である。 [0021]水分センサを組み込む抄造システムを示す図である。

[0022]図１は、機械方向（ＭＤ）に進行するペーパーウェブ１４に含まれる水分を測定するためのセンサの構成部品を収納する筐体４および６（それぞれは、「走査ヘッド」または「ヘッド」とも呼ばれる）を含む非接触光学センサ２を示す。スキャナ２は、ヘッド６内に位置決めされた放射源または光源８、およびヘッド４に位置決めされた放射線受光器または検出器１０を含む。上部走査ヘッド４および下部走査ヘッド６は、並べられる。センサ２の動作において、光源８のレンズは、ウェブ１４を動かす方へ開口部を通じて入射放射線を集束させ、検出器１０のレンズは、ウェブを通じて伝搬される放射を集める。ＭＤへ横断する横方向への、上部走査ヘッド４および下部走査ヘッド６の動きは、光が、チャンネル１２および２８で検出器１０によって検出されるように連動される。放射線検出器１０によって生成されたシグナルは、水分レベルインプットユニット２２に向けられる。水分レベルユニットは、全体的なデジタルプロセスユニット２０の一部であり、インターフェースユニット３０およびコンピュータ２６と共に、走査ヘッド４からの情報を処理し、ウェブの実際の水分レベルの、ユニット２４におけるインプットを提供する。インターフェースユニット３０は、抄紙機またはシート材料の実際のパラメータを制御するために使用されることがあるアウトプットを有する。光源８は、例えば、クオーツタングステンハロゲンランプを備えることができ、参照および測定波長帯域と呼ばれる電磁スペクトルの少なくとも第１および第２の分離波長領域内の波長を有する放射線を材料１４に照射する。

[0023]特に、参照波長帯域は、ペーパーウェブに含まれる水による強力な吸収のスペクトルの電磁吸収帯域または領域の外側、すなわち水による吸収が比較的ほとんどないところにあるように選ばれる。典型的には、これは約１．８ミクロンである。スペクトルの参照領域において、赤外線吸収の大部分は、紙繊維自体が原因であり、ウェブに含まれる水分ではない。測定波長帯域は、水の電磁吸収帯域の範囲内にあるように選ばれる。典型的には、これは約１．９４ミクロンである。参照および測定波長領域で検出された赤外線放射の分析が、紙の水分レベルをもたらす。好ましくは、水分レベルは、２つの領域における吸収の比率から推定されることができる。

[0024]図１にさらに示されるように、モータ１６に接続された基準１８は、光源８および検出器１０との間の放射経路に選択的に挿入されることがある。基準は、ユニバーサルジョイント通じてロータリーソレノイドユニットによって駆動されるシャフト上での回転のために旋回されることができる。基準は、較正材料から作られ、典型的には、ディスクとして構成され、酸化ホルミウムガラスから作られる。機械化デバイスを用いて基準１８を自動的に操作する代わりに、プロセスは、センサ照合がほんのまれに要求されることを考慮に入れると手動で実装されてよい。

[0025]酸化ホルミウムガラスは、典型的には、酸化ホルミウム（Ｈｏ_２Ｏ_３）をシリカベースのガラス組成物に追加し、次に、従来のガラス溶融および精製技法で混合物を処理することによって作られるガラス組成物である。混合物内の酸化ホルミウムのレベルは、酸化ホルミウムガラスによる所望レベルの吸着を実現するために変更されてよい。加えて、１．９３ミクロンで類似の吸着特徴を見せるジジム酸化物が、酸化ホルミウムと共に混合物に追加されてよい。

[0026]図２は、製品ＨＹ−１のような、ＨＯＹＡ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ＵＳＡ（Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣＡ）から商業的に利用可能な酸化ホルミウムガラスのスペクトルであり、これは、１．９ミクロン付近で吸収のピークを示し、コピーグレード紙の吸収に似ている。ジジム酸化物は、１．９３ミクロンの近辺に類似の吸収のピークを有する。本発明の基準は、一緒に積み重ねられた酸化ホルミウムガラスとジジムガラスの個別の層を備える較正材料を含むこともできる。

[0027]典型的には、図１のセンサ２が工場で組み立てられた後、センサ水分測定を通じて「参照」値を確立することによって最初に較正され、ここで、放射源８と検出器１０との間の間隙中に存在するサンプルはない。次に、センサは、既知の水分レベルを有する連続する実際の紙サンプルを間隙に位置決めることによって、経験的に較正される。計算された紙の水分レベルを、検出器による測定された放射の関数として表現する、（一括して、「較正データ」と呼ばれる）較正曲線、探索テーブル、および／または数学モデルが生成され、コンピュータメモリに格納される。これは、センサ２が製紙設備に導入されるとき、顧客によって使用できる状態である。

[0028]図１の基準１８は、オンライン再較正を考慮に入れる。安定した較正材料は、既知の水分レベルを有する紙をシミュレートするために構築される。これは、所望のシミュレートされた水分レベルを見せるように較正材料の厚さを調整することによって、および／またはガラス内に異なる量の酸化ホルミウムを混和させることによって実現されてよい。実は、センサ２は、シミュレートされた水分レベルの範囲を通じて再較正を可能にするように、異なる厚さ（または、酸化ホルミウムガラスの含有率）を有する複数の基準１８で装備されてよい。

[0029]本発明に関して、センサ２の検出器１０の基準化または再較正は、間隙中の独創的な酸化ホルミウムガラスの基準を伴って、および伴わずに取られた検出器１０からの示度に基づいてよい。プロトコルに関して、第１および第２の波長領域の両方（および、必要なら他の波長領域）からの検出器の示度は、コンピュータ２６に格納された従来のアルゴリズムを使用して分析される。この基準化の目的は、検出器が正確なシグナルを生成していることを確保することである。基準材料が間隙にないケースにおいて、検出器は、「参照」値付近を変動することを可能にされてよい。間隙において基準で測定されたシグナル値に対する参照値の比率の変化は、センサを再較正するために用いられる。このように、正確な「参照」値を読むためにセンサを操作することは必要ではない。

[0030]本発明に関して、別の再較正プロトコルにおいて、センサ自体は、必要に応じて、妥当なセンサ補正ファクタを生成するように同様に再較正されてよく、結果として、センサは、補正された計算された水分または水の重量の測定値をもたらす。

[0031]図３は、紙シート４４に含まれる水における水分の量を測定するための反射タイプのセンサを描写する。センサは、赤外線領域における連続波放射のタングステンハロゲン光源３６を備える検出器アセンブリ３２、および温度制御された筐体に収納された２つの赤外線検出器の検出器アセンブリを含む。広帯域の赤外線源のエネルギー３６は、シートの揺れおよび表面の特徴に対する感度を最小化する角度でシート４４に向けられる。乱反射モードが好ましい。角度は、典型的には、法線から、約１０度から約２５度までの範囲である。検出器アセンブリは、水分測定フィルタ／検出器４２および水分参照フィルタ／検出器４０を含む水分センサを備える。明白なように、センサは、紙に含まれる可能性のある、他の赤外線放射に反応する材料の存在を検出するために、追加の測定および参照フィルタ／検出器を含むように構造化されてよい。例えば、４チャンネルセンサまたは６チャンネルセンサは、水分に加えて、１つおよび２つの他の成分を、個々に測定することができる。シートから反射されたエネルギーは、ビームスプリッタ３８および妥当なフィルタを通じて個別の検出器にビームを通過させることによって、波長分析される。検出器アセンブリは、例えば、高レベルの赤外線エネルギー変調をもたらす、例えば、回転する光チョッパを備える、従来の赤外線エネルギー変調器６０をさらに含む。検出器（測定および参照の両方）のそれぞれのアウトプットは、分析のために、デジタルプロセスユニット（図示せず）に伝送される。

[0032]図３のセンサは、較正のために、基準４６と共に装備される。図示のように、較正材料は、それぞれの層が酸化ホルミウムガラスのディスクを備える、または層のうちの１つがジジムガラスである、２層化されたスタックを備える。紙に含まれる異なる水分レベルを刺激する複数のこのようなスタックは、紙シート４４が、通常、再較正のために占有する場所に移動されてよい。基準４６が反射タイプセンサ内で使用されるとき、基準は、基準の下部背面上に、アルミめっきを施されたカプトン層などの、反射層を組み込むことができる。

[0033]図４は、図１に示されたセンサの１つの特定の実装形態を示す。特に、放射源および検出器は、紙に含まれる水の重量または含水率を測定するために用いられることがある、スキャナシステム５０の２相式ヘッドスキャナ５８内に収納される。上部走査ヘッド５４は、ＭＤ方向に動く、動くシート６０の幅を横切ってＣＤ内を前後に繰り返し動き、その結果、シート全体の特徴が測定され得る。スキャナ５８は、上部走査ヘッド５４および下部走査ヘッド５６が取り付けられる、２つの横梁５２、６２によってサポートされる。下部走査ヘッド５６および上部走査ヘッド５４の動作面は、シート６０を収容する測定間隙または窓を規定する。下部走査ヘッド５６は、シートが測定窓を通過するときに、シートを一貫した平面上に維持するために、空気ベアリング安定器（図示せず）などの、シート安定化システムを含んでよい。２相式走査ヘッド５４、５６の動きは、走査ヘッドが互いに並べられるように、速度および方向に関して同期される。

[0034]前述は、本発明の、原理、好ましい実施形態、および動作のモードを説明した。しかし、本発明は、議論された特定の実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。その代わり、上記で説明された実施形態は、限定的ではなく例証的なものとして見なされるべきであり、変形形態は、以下の特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によってこれらの実施形態においてなされてよいことを理解されたい。

Claims (6)

1. 赤外線のビームをウェブ（１４）に向けるように配置された赤外線源（８）と、
   前記ウェブ（１４）から出てくる放射のビームの少なくとも一部を検出するために配置された放射線受光器（１０）であって、前記受光器（１０）は、放射スペクトルの第１および第２の分離波長における放射の量を検出し、ここで、前記第１の分離波長が水に対する赤外線吸収のピークである、約1.94ミクロンに位置決めされ、前記第２の分離波長が、水に感受性がない、波長が約1.8ミクロンである赤外線を検出するために選択され、ならびに前記第１の分離波長及び前記第２の分離波長のそれぞれから第１および第２のシグナルのそれぞれを生成するように構成される受光器（１０）と、
   前記第１および第２のシグナルに基づいて、前記ウェブ（１４）に含まれる水の量を計算するために、前記受光器に動作可能に連結されたコンピュータ手段（２０）と、
   １つまたは複数の較正基準（１８）であって、前記１つの較正基準が、又は、前記複数の較正基準の１つが、酸化ホルミウムガラスを備え、前記１つの較正基準は、又は、前記複数の較正基準の１つは、前記赤外線源（８）から赤外線のビームを受光するため、および前記較正基準から出てくる放射のビームを前記受光器（１０）に向けるための較正位置に移動させることができる、較正基準（１８）と
   を備える、ペーパーウェブの水分センサ（２）。
2. 前記１つまたは複数の較正基準（１８）は、酸化ホルミウムガラスおよびジジムガラスを含む、請求項１に記載のセンサ。
3. 異なった程度の赤外線吸収を表す複数の較正基準を備える、請求項１に記載のセンサ。
4. 紙に含まれる水分を測定するセンサを標準化する方法であって、前記センサは、赤外線源と放射線検出器とを有し、それらの間に前記紙を配置するための間隙があり、前記紙に向けて、前記赤外線源から赤外線が放射され、前記紙からの放射の量が、前記放射線検出器によって検出され、前記検出器は、放射スペクトルの第１および第２の分離波長における放射の量を検出し、ここで、前記第１の分離波長が水に対する前記赤外線吸収のピークである、約1.94ミクロンに位置決めされ、前記第２の分離波長が水に感受性がない、波長が約1.8ミクロンである赤外線を検出するために選択され、ならびに前記第１の分離波長及び前記第２の分離波長のそれぞれから第１および第２のシグナルのそれぞれを生成するように構成され、前記センサはさらに、前記第１および第２のシグナルに基づいて前記紙に含まれる水の量を計算するために、前記検出器に動作可能に連結された手段を有し、前記方法は、
   （ａ）所定の水分レベルをシミュレートする基準を用いるステップであって、前記基準は酸化ホルミウムガラスを含む、ステップと、
   （ｂ）前記基準を前記放射経路内に位置決めするステップと、
   （ｃ）前記紙から出てくる前記第１の分離波長における前記放射を測定するステップと、
   （ｄ）前記紙から出てくる前記第２の分離波長における前記放射を測定するステップと、
   （ｅ）前記検出器および／またはセンサを標準化するステップと
   を含む、方法。
5. ステップ（ｅ）は、前記検出器を標準化して、検出器測定値を修正するための補正ファクタをもたらすステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. ステップ（ｅ）は、前記センサを標準化して、センサの水分または水の重量計算を修正するための補正ファクタをもたらすステップを含む、請求項４に記載の方法。

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