KR101757606B1 - 크레이핑 실린더에 대한 성능강화물질의 적용을 모니터링하고 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

크레이핑 실린더에 대한 성능강화물질의 적용을 모니터링하고 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)상의 코팅의 두께를 모니터하고 제어하는 방법을 개시한다. 이 방법은 코팅의 두께가 결정될 수 있도록 크레이핑 실린더 코팅의 다양한 측면을 모니터하도록 기능하는 장치들의 일련의 기법과 관련된다.

Description

크레이핑 실린더에 대한 성능강화물질의 적용을 모니터링하고 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING AND CONTROLLING THE APPLICATION OF PERFORMANCE ENHANCING MATERIALS TO CREPING CYLINDERS}
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)/양키 드라이어 코팅(yankee dryer coating)를 모니터하고 제어하는 분야와 관련되어 있다.
양키 코팅(Yankee coating)과 크레이핑 어플리케이션(creping application)은 티슈(tissue) 제작과정에서 유닛의 작동을 제어하기가 가장 어려울 뿐만 아니라 틀림없이 가장 중요하다. 크레이프된 티슈(creped tissue)의 제품을 위해, 이 단계는 티슈(tissue)와 타월 제품의 흡수성, 용적, 강도 그리고 부드러움의 필수적인 특성을 정의한다. 동일하게 중요한 것으로 크레이핑 단계(creping step)의 효율성과 가동력(runnability)이 전체적으로 티슈 머신의 효율성과 가동력(runnability)을 조절한다는 것을 들 수 있다.
티슈 제작 과정에 있어 일반적인 어려움은 가로 방향(cross direction)에서 크레이핑 실린더(creping cylinder) 상의 코팅의 특성에서의 불균일성에 있다. 상기 코팅은 웹(web) 또는 시트(sheet) 모양의 페이퍼 웹(paper web)으로부터 뽑아낸 섬유, 증발 과정의 물로부터의 유기 또는 무기 물질, 그리고 티슈 제작과정의 습한 마지막 이전에 추가된 다른 화학물질뿐만 아니라, 스프레이 붐(spray boom)으로부터 부착(적용)되는 접착제(adhesives), 개질제(modifiers), 이형제(release agents)로 구성된다. 코팅 특성의 불균일성은 드라이어(dryer)의 표면에 걸친 온도, 습도, 그리고 국소 화학성분(regional chemical composition)에 종종 관련된다. 그 변동은 종종 꽤 심각하고, 그리고 가변적인 시트 접착력, 다양한 형질의 증착물(deposits)을 야기할 수 있고/또는 과도한 양키(Yankee)/크레이핑 실린더(creping cylinder)와 크레이핑 날의 마모(creping blade-wear)를 야기할 수 있는 실린더 상의 물질의 부족을 초래할 수 있다. 흡수성, 용적, 강도 그리고 부드러움과 같은 최종 시트(sheet) 특성의 저하는 이러한 변동 그리고/또는 저하로부터 야기될 수 있다. 이러한 문제점들의 결과로, 크레이핑 실린더 표면을 코팅하기 위한 모니터링 그리고 제어 방법론이 요구된다.
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylindr)상의 코팅에 있어, 코팅 특성의 불균일성을 해결하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 성능강화물질(Performance Enhancing Material : PEM)을 포함하는 코팅의 적용을 모니터링하고 선택적으로 제어하는 방법을 제공하는 것으로: (a)크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅을 적용하는 단계; (b) 차등 방법(differential method)에 의해서 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅된 두께를 측정하는 단계로서, 상기 차등 방법(differential method)은 상기 코팅에 물리적으로 접촉하지 않는 복수의 장치를 활용하는, 상기 단계; (c)상기 크레이핑 실린더(creping cylinder) 표면상에 일정한 두께의 코팅을 제공하기 위하여 상기 코팅의 두께에 대응하여 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 하나 이상의 정의된 영역에 상기 코팅의 적용을 선택적으로 조절하는 단계; 그리고 (d)상기 코팅의 두께를 제외한 상기 크레이핑 실린더 상의 코팅의 다른 측면을 모니터하고 선택적으로 제어하기 위해서 추가적인 장비를 선택적으로 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 성능강화물질(Performance Enhancing Material : PEM)을 포함하는 코팅의 적용을 모니터링하고 선택적으로 제어하는 방법을 제공하는 것으로: (a) 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅을 적용하는 단계; (b) 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면상의 코팅을 통하여 적절한 전송(투과)을 제공하는 소스 파장을 가진 간섭계 프로브를 제공하는 단계; (c) 크레이핑 실린더(creping cylinder)상의 상기 코팅의 두께를 결정하기 위하여 코팅 공기 표면과 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 코팅 실린더 표면으로부터의 반사광을 측정하기 위한 간섭계 프로브를 적용하는 단계; (d)상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 균일한 두께의 코팅을 제공하기 위하여 상기 코팅의 두께에 대응하여 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 하나 이상의 영역에서 상기 코팅의 적용을 선택적으로 조절하는 단계; (e)상기 코팅의 두께를 제외한 상기 크레이핑 실린더 상의 코팅의 다른 측면을 모니터하고 선택적으로 제어하기 위해서 추가적인 장비를 선택적으로 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 적용되는 코팅의 두께를 모니터하고 코팅을 선택적으로 제어할 수 있는 방법을 제공한다.
도 1은 일반적인 모듈에 구비된 와전류(eddy current)와 광학 변위 센서(optical displacement sensor)의 조합에 대한 개략도.
도 2는 양키 드라이어 코팅(Yankee dryer coating)의 횡방향 모니터링을 위한 전사 스테이지(translation stage)에 구비된 센서모듈의 개략도.
도 3은 와전류 플러스 삼각측량 센서(Eddy current plus triangulation sensor)구성을 사용한 동적 데이터 수집.
도 4는 동적 노출 금속 모니터링에 관한 데이터.
도 5는 수정된 동적 노출 금속 모니터링에 관한 데이터.
도 6은 코팅된 영역에서의 동적 변위 모니터링에 관한 데이터.
도 7은 코팅된 영역에서의 동적 필름 두께 모니터링에 관한 데이터.
도 8은 코팅에 결함(노출 지점)을 포함하는 코팅된 영역에서 동적 변위 모니터링에 관한 데이터.
도 9는 코팅에 결함(노출 지점)을 포함하는 코팅된 영역에서 동적 필름 두께 모니터링에 관한 데이터. -10㎛에 도달하는 급격한 증가는 코팅에서의 결함의 존재를 식별한다.
도 10은 일반적인 모듈에 구비된 와전류, 광학 변위, 캐패시턴스, 그리고 IR 온도의 조합을 나타내는 개략도.
도 11은 크레이프 실린더(crepe cylinder) 상의 코팅 두께 모니터링을 위한 간섭 측량(interferometry)의 일반적인 이용을 나타내는 개략도.
도 12는 선택된 원주영역 주위에 동적 필름 두께 분포(profile)와 관련된 데이터. LHS(left handed side)는 코팅 두께에 있어 비균일성을 나타낸다. RHS(right handed side)는 닥터 블레이드(doctor blade)와의 상호작용으로부터의 채터마크(chatter marks)를 가진 동일한 코팅을 나타낸다.
본 발명은 크레이핑 실린더(creping cylinder)상에 코팅이 되어지는 방법과 제어 전략을 개시한다. 화학의 다양한 유형이 크레이핑 실린더(creping cylinder) 상에 코팅을 만든다. 이러한 화학분야는 티슈를 만드는 프로세스를 개선하기 위해 기능하는 상기 코팅의 특성을 제공한다. 이러한 화학적 성질은 총칭해서 성능 강화 재료(Performance Enhancing Materials: (PEM/PEMs))로 언급되어진다. 그들의 응용을 제어하기 위한 화학물과 방법에 대해 참고할만한 설명은 미국특허번호 제 7,048,826호 와 미국특허공개번호 제 2007/0208115호에 논의되어 있다.
일 실시 예에서, 상기 이용되는 복수의 장치들 중에서 하나는 와전류(eddy current) 센서이다. 차등 방법(differential method)은 와전류(eddy current)와 광학 변위 센서(optical displacement sensor)와 연관될 수 있다.
일 실시 예에서, 차등 방법(differential method)은 센서로부터 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면까지의 거리를 측정하기 위한 와전류(eddy current)센서를 적용하는 단계 및 코팅 표면으로부터 센서까지의 거리를 측정하기 위한 광학 변위 센서(optical displacement sensor)를 적용하는 단계를 포함한다.
추가적인 실시 예에서, 광학 변위 센서(optical displacement sensor)는 레이저 삼각측량 센서(triangulation sensor) 또는 색채유형 공초점 센서(chromatic type confocal sensor)이다.
도 1은 와전류(eddy current)센서와 광학 변위 센서(optical displacement sensor)로 구성된 센서조합에 대하여 도시한다. 상기 와전류(EC) 센서는 전기적인 임피던스 변화를 측정하는 원리에 따라 작동한다. EC는 코일에 교류전류를 인가함에 의하여 자기장을 생성한다. EC가 전도성 타겟에 근접할 때, 전기적 전류가 타겟에 생성된다. 이러한 전류는 상기 코일의 전류와 반대방향이고, 이를 와전류(eddy current)라고 부른다. 이러한 전류는 센서 코일의 전체 임피던스에 영향을 주는 자체 자기장을 생성한다. EC의 출력전압은 상기 EC 센서와 타겟의 사이의 간격이 변함에 따라 변화하고, 따라서 거리와 전압 사이의 상관관계를 제공한다. 본 발명에서 상기 EC 센서는 센서 인클로저(enclosure)와 크레이핑 실린더(creping cylinder) 표면 사이의 참조를 설정한다.
상기 인클로저(enclosure)에 장착된 두 번째 센서는 필름 표면에 관하여 센서의 변위를 광학적으로 측정한다. 상기 광학 변위 센서(optical displacement sensor)는 Micro-Epsilon(Raleigh, North Carolina) 모델 1700-2와 같은 삼각측량 타입(triangulation type )이나 Micro-Epsilons optoNCDT 2401 공초점 센서와 같은 색채 타입일 수 있다. 이러한 센서는 필름 표면으로부터 빛이 반사하는 원리에 의해 작동한다. 상기 코팅의 광학적 특성에 있어서의 변동은 작동 조건의 처리, 위치를 모니터링하는 센서, 또는 PEM 자체의 특성에 기인하여 존재하고 그 다음에 Keyence LKG-15 (Keyence - located Woodcliff Lake, New Jersey)와 같은 고성능 삼각측량 센서가 보증될 수 있다. 상기 Keyence 삼각측량 센서(triangulation sensor)는 투명 또는 반투명 필름을 측정하기 위한 알고리즘에 기반한 높은 정확도의 측량을 제공한다. 가로 방향(cross direction (CD))과 세로 방향(machine direction (MD))에서 전송(투과)특성의 변동은 다른 코팅의 광학적 특성에 어떤 센서가 적합한지 확인(보증)할 수 있고, 고성능 삼각측량 센서는 다른 측정 모드 사이에서 전환될 수 있다. 일반적으로, 상업용 삼각측량 센서의 대부분은 투명 또는 반투명의 소재에서 측량 에러를 생성할 수 있다. 만약, 필름의 특성이 일정하다면, 삼각측량 센서의 각도를 조절하여 이러한 에러를 줄일 수 있다. 그러나, 필름 특성에서 높은 변동성을 가진 과정에서 측정을 위한 센서의 회전은 선택이 아니다. 광학 및 EC 센서 모두는 예상두께 > 50 microns 를 가진 PEM 필름을 모니터하기 위해 요구되는 분해능을 제공한다. 상기 필름의 두께는 상기 EC와 광학 변위 센서(optical displacement sensor)로부터 측정된 거리 사이의 차이에 의해 얻어질 수 있다.
도 1에 나타난 바와 같이, 센서는 정화된 인클로저(enclosure)에 위치한다. 퍼지 가스(clean air or N2 )는 센서의 냉각, 청소, 그리고 광학 경로 상에 먼지의 제거유지를 위하여 사용된다. 인클로저(enclosure)가 스팀-가열(steam-heated)된 크레이핑 실린더(creping cylinder)로부터 10-35 mm 사이에 위치하기 때문에 냉각이 필요하다. 만약, 필요하다면, 와류(vortex) 또는 팰티어(Peliter) 쿨러를 이용하여 추가적인 냉각을 할 수 있다. 인클로저를 나가는 퍼지 가스(Purge gas)는 미립자의 물질과 수분을 최소화하기 위하여 측정 영역주위에서 차폐 가스를 형성한다. 미립자의 물질은 진행된 및 반사된 빛의 강도 모두를 약화시킴에 의해서 광학적 측정에 영향을 미칠 수 있다. 반면에 상기 인클로저(enclosure)의 빛의 입구와 출구 상에 응축된 수분은 감쇠와 산란을 일으킬 수 있다. 상기 EC 센서는 미립자의 물질과 수분의 존재에 영향을 받지 않는다.
크레이핑 실린더(creping cylinder) (Yankee Dryer로 알려진)상의 산업적인 모니터링을 위해서, 도 1에서 도시된 센서모듈은 도 2에 도시된 바와 같이 전사 스테이지(translation stage)상에 구비된다. 설치 전에, 센서의 위치는 영점 측정 눈금값을 얻기 위해 평평한 기판 위에서 보정되어야 한다. 이것은 EC와 광학 변위 센서(optical displacement sensor)의 위치가 기판 표면에 상대적으로 다르게 오프셋(offset)될 수 있기 때문에 필수적이다. 필름이 존재하지 않을 때 영점 눈금값을 확인하기 위하여 각각 센서의 위치를 조절하는 것이 필수적이다. 산업적 프로세스에서 센서 모듈의 설치는 양 센서가 작동하기 위한 올바른 범위 안의 거리에서 상기 모듈을 장착하는 것과 관련되어 있다. 실린더가 회전함에 따라 가로 방향(CD)에서 모듈을 해석함에 의하여, 필름 두께와 질(quality)의 프로파일(profile)이 진행되고 표시될 수 있다. 그리고 나서 처리된 결과는 PEM, 다른 화학물, 또는 예를 들면, 유속, 운동량, 또는 물방울 크기와 같은 다양한 응용 조건을 추가하기 위한 적절한 영역을 활성화시키는 피드백 제어(feedback control)에 사용될 수 있다. 또한, 필름의 품질(두께 또는 균일성)이 복구될 수 없다면, 예를 들면, 실린더 왜곡, 닥터 블레이드(doctor blade)의 손상 또는 균열(chatter), 심각한 코팅의 증가 등과 같은 심각한 문제를 작동자에게 알리기 위하여 경보가 활성화될 수 있다. 마지막으로, 세 가지 측정위치는 도 2에 나타나 있다. 필름의 두께와 질(quality)에 대한 측정은 닥터 블레이드(doctor blade)와 클리닝 블레이드(cleaning blade)사이에서(1), 블레이드(cleaning blade) 다음에(2), 또는 상기 웹(web)이 실린더에 압착되기에 앞서서(3)에 이루어질 수 있다. 단일 위치 또는 여러 위치가 모니터될 수 있다.
도 3은 EC와 광학 변위(삼각측량)센서의 조합을 사용한 실험결과를 보여준다. 이러한 경우 동적 측정은 ~16-20 RPM(분당 회전)에서 회전하는 직경 95 mm의 주철 실린더 상에서 이루어진다. 실린더의 절반은 PEM으로 코팅되어졌다. 실린더의 PEM으로 코팅된 영역에서 노출 지점(직경 ~20 mm)은 결함 영역을 시험하기 위해서 만들어진다. 도 3은 노출 금속영역에서 시작하는 수정된 신호(Eddy-Triangulation)를 나타낸다. 코팅된 영역에 대한 센서조합의 해석(translating)은 코팅으로 인하여 ~27 microns의 평균 차이(offset)를 보여준다. 여기서 신호가 음(negative)이고, 이것은 코팅 두께에 기인한 센서와 실린더 사이의 27 microns의 거리에서의 감소를 나타낸다. 300초에서 상기 센서 조합은 노출된 금속 영역으로 다시 전사(translated)된다. 초기에 신호가 더 높게(~5 microns) 나타나고, 원래 측정위치에 더 근접하여 센서를 위치시키기 위해서 추가적인 조절이 필요하다. 이러한 편차(anomaly)는 정확히 같은 지점에서 측정할 수 없는 센서와 소규모의 구성을 가진 작은 곡률 반경을 측정할 수 없기 때문에 실험실 시스템에서 발생하기 쉬운 결함이다. 센서들이 기본적으로 상기 실린더를 평판으로 보기 때문에, 지름 14-18 ft의 실린더에 대한 산업상의 모니터링은 이러한 영향이 최소화할 수 있다. 마지막으로, 코팅의 결함을 감지하기 위한 시연(demonstration)은 노출 지점을 포함한 영역에 ~375초에 센서들을 전사(translating)함에 의해 만들어진다. 여기서 측정된 평균 코팅 두께는 ~30microns 이다. 이것은 200-300초 사이에 상기 영역으로부터 결과들에 3microns 이내에 있다. 신호에서 -10microns로 급등하는 모양은 코팅 결함의 존재를 식별한다. 노출된 지점이 측정영역을 통하여 회전함에 따라, 신호는 0 microns로 접근한다. 측정된 10 micron 의 차이(offset)는 결함 영역에서 잔류 코팅에 기인한다.
도 3으로부터의 결과는 원래의(가공하지 않은) 삼각측량 및 EC 데이터뿐 아니라 수정된 데이터에 대해 표 1에 정리하였다.

센서
위치
평균(m)
표준편차

정정		 노출 금속
코팅
코팅+지점		 -0.33
-27.48
-30.97		 3.41
4.30
6.47

삼각측량		 노출 금속
코팅
코팅+지점		 4.89
-49.86
-44.93		 16.78
15.82
13.19

와전류		 노출 금속
코팅
코팅+지점		 -5.23
22.37
13.96		 15.07
13.38
11.44
표 1. 다른 센서와 측정위치를 위해 처리된 평균값 및 표준편차. 수정(정정)된 센서는 와전류(Eddy current)와 삼각측량(Triangulation)사이의 차이로부터 필름 두께 측량한다.
도 4는 노출된 금속 영역을 모니터링하기 위해 상기 EC와 삼각측량 센서로부터 기록된 측량값을 나타낸다. 측정에서 관찰된 40-50 micron의 진동은 실린더 회전에서 동요를 반영한다. 도 5은 수정(EC-삼각측량)이 수행됨에 따라, 동요가 ~10 microns로 감소하는 것을 나타낸다. 산업적인 모니터링을 위해서 이러한 변동은 EC센서의 공간적인 위치를 광학 변위 측정지점에 가까워지도록 함으로써 그리고, 곡률 효과를 감소시킴으로써 쉽게 줄어들 것이다.
마찬가지로, 도 6 및 7은 코팅된 영역을 모니터링한 결과를 나타낸다. 이러한 경우에, 도 7은 수정된 데이터가 15-20 microns의 변동을 가짐을 나타낸다. 데이터에서 이러한 더 큰 변동은 필름의 비균질성(non-homogeneities)에서 기인되기 쉽다. 신호의 주파수와 진폭 모두에 대한 분석은 코팅의 질(quality)에 대한 정보를 제공한다. 삼각측량 센서(triangulation sensor)의 측정 지점의 크기는 ~30 microns 이다. 그리하여, 삼각측량 센서(triangulation sensor)는 표면에서 비균질성을 쉽게 분석할 수 있다.
도 8 및 9는 결함을 가진 코팅된 영역으로부터의 모니터링 결과를 나타낸다. 도 8에서의 와전류(Eddy current)신호는 결함의 증거를 나타내지 않는다. 반면에, 삼각측량 (triangulation measurement)은 급격하고 좁은 증가에 의해 결함의 존재를 나타낸다. 도 9에 나타난 수정된 신호에서, 코팅의 결함으로부터의 급격한 증가는 쉽게 분석된다.
도 12는 균일성의 감지를 보여주는 다른 예를 나타낸다. 이러한 경우에서, 동기식 데이터 수집은 59 RPM으로 회전하는 코팅된 실린더를 가지고 수행된다. LHS 도면은 실린더 표면과 관련된 코팅의 측면(profile)을 보여준다. 코팅 두께에서 비균일성은 분명하나, 표면은 상대적으로 매끄럽다. RHS 도면은 닥터 블레이드(doctor blade)와 코팅 사이의 상호작용을 통한 채터링(chattering)조건을 받은 동일한 코팅을 나타낸다. 두 가지 경우에 대한 비교는 코팅 표면의 질(quality)에서의 저하를 잡아내는 센서 시스템의 능력을 명확하게 보여준다. 채터링(chattering)발생의 감지는 제품의 질(quality)과 이점의 보호에 미치는 영향을 최소화하는 교정 유지관리를 수행하기 위해 양키 프로세스(Yankee process)에서 매우 중요하다.
차등(differential)계산에 영향을 미칠 수 있는 수분은 특히 수분이 캐패시턴스 측정으로부터 얻어지는 유전체 상수로부터 계산되어질 수 있다고 또한 설명되어질 수 있다. 이 데이터는 두께의 어떠한 변화가 수분의 결과인지 코팅의 부족인지 결정하기 위해서 이용할 수 있다. 캐패시턴스를 바라보는 다른 방법은 그것이 상술된 차등(differential)방법에 의해 얻어진 측정을 위한 안전장치라는 것이고, 그것은 코팅 자체에 대한 면밀한 분석, 예를 들면, 크레이핑 실린더(creping cylinder) 표면상에 코팅을 모니터하거나 제어하는데 유용한 유리 전이 온도 및 계수와 같은 코팅의 행동을 제공한다.
코팅에서 수분함량을 설명하기 위한 하나의 방법은 캐패시턴스를 관찰하는 것이고, 다른 하나는 수분 센서를 이용하는 것이다. 다른 방법들은 기술분야의 일반적 기술을 이용할 수 있다.
일 실시예로, 상기 방법은 1300 nm 영역에서 H2O 의 광학적 흡수에 기초한 WO2006118619에 기술된 센서와 같은 전용 수분센서를 포함하고, 상기한 참조는 이 문서에 참조로 포함된다. 이것은 캐패시턴스 모니터가 코팅과 수분의 유전체 상수에 대한 그것의 의존성으로 인하여 겪을 수 있는 간섭없이 필름에서 수분 레벨의 직접적인 측량을 할 수 있다.
또 다른 실시 예에서, 상기 코팅의 수분함량을 측정하기 위한 캐패시턴스 프로브(capacitance probe)를 적용하는 단계; 상기 코팅 두께에 대한 수분의 효과를 결정하기 위하여 차등방식(differential method) 측량과 캐패시턴스 측량을 비교하는 단계; 및 상기 차등방식 그리고/또는 상기 코팅 양을 조절에 의해서 결정되는 두께에 대한 수분영향에 대응하여 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅되는 양과 분포를 선택적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 방법을 제공한다.
도 10에서와 같이, 상기 방법은 여러 개의 센서가 구비된 모듈을 사용할 수 있다. 상기 모듈은 도 1에 표시된 것과 유사하나, 추가적인 센서 소자를 가진다. 도 10에서 상기 모듈은 캐패시턴스 프로브(capacitance probe)와 광학 적외선 온도 프로브를 포함한다. Lion Precision, St. Paul, MN와 같은 캐패시턴스 프로브(capacitance probe)는 전도성 타겟의 위치 또는 위치의 변화를 고해상도 측정에 사용된다. 위치 감지에 일반적인 어플리케이션은 로봇공학, 정밀부품의 조립, 회전 부품 및 도구의 동적 움직임 분석, 진동 측정, 두께 측정, 그리고 어디에 금속 부품이 존재 또는 부재한지 검사하는 데 이용된다. 캐패시턴스는 코팅, 필름, 그리고 액체와 같은 비전도성 물질의 특성을 측정하는 데 사용되어질 수 있다.
캐패시턴스 센서는 서로 근접하게 위치하는 두 개의 도체 사이에 존재하는 캐패시턴스의 전기적인 특징을 활용한다. 만약에, 전압이 각각 분리되어 있는 두 개의 도체에 인가되면, 도체의 표면에 저장되는 전하 사이의 차이에 기인하여 그들 사이에 전기장이 형성될 것이다. 그들 사이 공간의 캐패시턴스는 장(field)에 영향을 주어서 더 높은 캐패시턴스는 더 많은 전하를 보유하고, 더 낮은 캐패시턴스는 더 적은 전하를 보유할 것이다. 캐패시턴스가 더 커지면, 도체에 전압을 변화시키기 위해서 더 많은 전류가 들어간다.
캐패시턴스 센서의 금속의 감지 표면은 도체들 중의 하나로 쓰일 수 있다. 타겟(Yankee drum surface)는 또 다른 도체이다. 구동 전하는 프로브 안에서 전압의 변화를 지속적으로 유도하는데, 예를 들면, 10 kHz 의 구형파, 그리고 요구되는 전류가 측정된다. 이 전류의 측정은 프로브와 타겟사이의 캐패시턴스가 일정하면 프로브와 타겟사이의 거리와 관련된다.
아래와 같은 관계가 적용되며;
Figure 112016079605930-pat00001
여기서, C는 정전용량(F, farad), ε은 도체사이의 간격에 물질의 유전체 특성이고, A는 프로브의 감지면적, 그리고 d는 간격의 거리이다. 유전체의 특성은 ε = εrε0 와 같이 매질의 유전체 상수에 비례하고, 여기서 εr은 유전체 상수이고 ε0는 진공의 유전상수이다. 공기에 대해 εr=1.006이고, 물에서 εr=78이다.
두 개의 변수가 일정하게 유지됨에 따라, 세 번째가 센서의 출력으로부터 결정될 수 있다. 위치의 경우에, d는 공기가 일반적인 매질인 곳에서 측정된다. 양키(Yankee)시스템에서의 어플리케이션을 위해서, 전체 간격의 체적에서 εr의 변동은 측정된 변수이다. 이러한 경우에, 간격은 세 가지의 주요한 구성요소인 공기, 필름, 또는 섬유질과 수분을 포함할 수 있는 코팅으로 구성된다. 복합 유전체 상수는
Figure 112016079605930-pat00002
로 표현될 수 있다.
여기서
Figure 112016079605930-pat00003
는 구성요소(a=공기, w=물, f=필름)를 참조하는 아래 첨자를 가진 위첨자이다. 식 1과 2를 사용하면, 수분의 존재에서 기인하는 캐패시턴스에서 변화는
Figure 112016079605930-pat00004
Figure 112016079605930-pat00005
에 의해 주어진다.
여기서, Cfw는 수분을 포함하는 필름을 위한 캐패시턴스이고, Cf 는 건조한 필름에서 캐패시턴스이다.
수분에서 부피부분을 위한 식은 식 3을 재배열하고 로그를 취하면,
Figure 112016079605930-pat00006
로 주어진다.
양키(Yankee) 필름을 모니터링하기 위하여, 복합 캐패시턴스 Cfw는 캐패시턴스 프로브(capacitance probe)를 가지고 직접 측정될 수 있다. 물에 대한 온도에 종속한 유전체 상수는 문헌 값으로부터 얻어진다. 수분의 부피 분율은 건조한 필름 캐패시턴스를 아는 것에 의해서 얻어지고, 캐패시턴스는 광학센서를 사용한 필름 두께 측정과 필름의 유전체 상수로부터 결정될 수 있다.
간격 체적을 위한 평균 유전체 상수는 공기와 코팅의 유전상수로 비례적으로 구성된다. 간격에 더 코팅을 할수록, 평균 유전상수가 더 커진다. d 와 A를 제어함으로써, 민감도와 범위를 얻을 수 있다.
캐패시턴스는 코팅의 수분함량에 민감하기 때문에, 수분함량의 변화로부터 코팅 두께에서의 편차를 분리하기 어려울 수 있다. 도 10에 나타난 모듈에서 센서(EC, 광학 변위, 그리고 캐패시턴스)의 세트를 포함함에 의해서, 이 정보는 필름의 두께를 가로로 측정하는 수단을 제공하고, 코팅에 수분함량 정보를 제공한다. EC센서는 광학 변위와 캐패시턴스 모두에 사용되는 실시간 보정을 위한 기준 참조 거리를 제공한다. 훨씬 넓은 지역에 걸친 캐패시턴스 평균은 광학 프로브와 비교된다. 예를 들어, .005 m 의 간격 거리를 사용하는 캐패시턴스 프로브는 19 mm 직경 센싱 프로브 헤드(sensing probe head)를 사용한다. 측정 면적은 프로브 헤드보다 30% 더 클 수 있다. 반면에, 광학 변위 프로브는 사용되는 프로브에 따라 20 microns 에서 850 microns의 면적을 측정한다. 광학 프로브로부터의 더 높은 해상도는 코팅 표면에 작은 변화에 민감도를 표시한다. 그러나 더 넓은 영역에 대한 광학 프로브로부터의 평균 측량은 캐패시턴스로써 비슷한 결과를 줄 것이다. 캐패시턴스와 광학 프로브 눈금값 사이의 차이는 코팅의 알려진 유전체 상수가 제공된 필름에 수분함량에서 기인한다.
OMEGA(Stamford, Connecticut) 모델 OS36-3-T240F와 같은 적외선 온도 프로브는 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 온도 분포에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. PEM's 는 온도에 따라 다르게 반응할 것이기 때문에, 온도에 대한 정보는 실린더에 적용되는 화학 조성물과 PEMs의 수준을 조절하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예로, (a)크레이핑 실린더(creping cylinder)의 온도 분포를 측정하기 위한 IR 온도 프로브를 적용하는 단계; (b)온도에 의존하는 수분 유전상수를 바로잡기 위해 필요한 코팅 온도를 측정하기 위한 IR 온도 프로브를 적용하는 단계; (c)적절한 코팅 수분농도를 결정하기 위하여 보정된 수분 유전체 상수를 캐패시턴스 측정에 적용하는 단계를 더 포함하는 방법을 제공한다.
센서 모듈에 IR 온도 프로브의 추가는 크레이프(crepe) 실린더의 온도 분포에 대한 정보를 제공한다. 이것은 크레이프(crepe) 실린더 상의 뷸균일한 온도를 식별하는데 유용하다. 또한, 이 온도는 코팅의 유전체 상수를 정정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 물의 유전체 상수는 80.1 (20oC) 에서 55.3 (100oC)까지 변화할 수 있다.
초음파 센서가 모니터링 방법에 포함될 수 있다.
일 실시 예로, 상기한 방법은 코팅의 계수(율)를 측정하기 위해서 초음파 센서를 적용하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 선택적으로 상기 계수값은 코팅의 경도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다.
초음파 센서는 코팅의 점탄성(viscoelastic) 특성을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 필름을 통한 음파(반사와 감쇄)의 전파는 예를 들어 단단함과 부드러움과 같은 필름의 질(quality)에 의존될 것이다. 필름 특성에 대한 정보는 예를 들어 희석의 정도, 점탄성(viscoelastic)의 필름 특성을 최적화하기 위해서, 스프레이 정도와 스프레이 화학성질을 조절하기 위한 스프레이 시스템에 피드백을 위해 사용될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 간섭계는 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이번 공개에서 기술된 것과 같은 다른 분석 기법은 간섭측정방법과 결합하여 사용되어질 수 있다. 또한, 차등 방법(differential method)은 코팅의 두께를 측정하기 위하여 간섭계를 사용한 방법과 결합하여 사용될 수 있다.
일 실시 예로, 상기 방법은 코팅 두께를 모니터하기 위하여 간섭측정법을 시용한다. 만약에 코팅이 충분한 투과(transmission)를 가진다면, 도 11과 같이 다중 센서의 사용은 단일의 프로브 헤드로 줄일 수 있다. 이러한 경우에, 빛은 광섬유 케이블에 의해 프로브로 전송된다. 필름의 양쪽 표면으로부터 반사된 빛은 코팅 두께 정보를 추출하기 위한 처리를 위해 섬유 프로브로 다시 수집된다. 몇 개의 다른 기법들이 수집된 빛을 처리하기 위해 사용될 수 있다. Scalar Technologies Ltd.(Livingston, West Lothian, UK)와 같은 산업용 장비는 프린지 패턴(fringe pattern)에 의존한 파장의 측정에 기반한 스펙트럼 간섭측정법을 사용한다. 테두리(fringes)의 개수는 필름의 두께에 의존한다. 또한, 변형된 마이켈슨(Michelson)간섭계에 기초한 Lumetrics Inc.(West Henrietta, New York) 의 장비는 각각의 표면으로부터 측정된 피크(peak) 결과의 차이에 기반된 두께를 결정한다. 간섭측정(interferometry) 프로브를 가진 크레이프(crepe) 실린더 상의 코팅에 대한 모니터링은 도 2에 도시된 것과 같은 위치에서 이루어질 수 있다. 주요한 요구사항은 필름이 내부 표면, 즉 기판에 가깝게 빛이 비추어지도록 충분한 투과성(transmission)을 가지는 것이다. 간섭측정방법의 고유한 특성 중에 하나는 코팅 층(coating layers)을 측정할 수 있는 능력이다. 이러한 기능은 도 2에 나타난 위치 3을 모니터링 하는 데 사용될 수 있다. 이러한 위치에서 코팅은 완전히 건조하지 않고, 크레이핑 실린더(creping cylinder)에 티슈 시트(tissue sheet)에 적용되는 압력 롤, 웹(web)과의 직접접촉, 닥터 블레이드(doctor blade)와 클리닝 블레이드(cleaning blade)로부터 처리 방해(교란)들이 없다. 이 위치에서 간섭측정 센서는 갓 적용된 코팅의 두께를 제공한다. 이것은 어떤 방해(교란)에 앞서 코팅의 공간적 분포를 아는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 처리 방해(교란) 전 또는 후에 코팅 두께를 아는 것은 스프레이 시스템에서 비효율성, 과도한 마모를 겪는 영역 또는 다른 동적인 변화를 식별할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 개시된 방법은 상기 코팅의 두께에 대응하여 균일한 두께의 코팅을 제공하기 위하여 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder) 의 하나 이상의 정의된 영역에 상기 코팅의 적용비율을 선택적으로 조절하는 것을 제공한다. 장치의 다양한 형태들이 이러한 작업을 수행할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 정상적 작동 조건 동안에 수집된 측량에 기초하여 스프레이 영역을 제어한다. 예를 들어, 위에서 설명한 센서 또는 센서들로부터의 측량은 크레이프(crepe) 실린더 상의 기준 프로파일(profile)을 설정하기 위하여 사용된다. 그리하여 기준 데이터는 프로세스 변동을 추적하는데 사용된다. 기준 프로파일(profile) 데이터(필름 두께, 필름의 질(quality), 수분 레벨, 점탄성(viscoelasticity), 온도 등) 주위에서 설정된 상향 또는 하향 제어 한계는 프로세스 편차가 발생할 경우 추적하기 위해서 사용된다. 만약에 프로세스 모니터링 매개 변수 중에 하나라도 한계의 밖으로 떨어지면, 스프레이 어플리케이션 시스템을 제어하는 영역에 수정 작업이 수행된다.
다른 실시 예로, 복수의 장치는 두께 그리고/또는 수분함량 그리고/또는 온도 그리고/또는 계수의 프로파일(profile)을 제공하기 위하여 양키 드라이어/크레이핑 실린더(Yankee dryer/creping cylinder)에 걸쳐서 전사(translated)되어 진다.
또 다른 실시예로, 복수의 장치는 크레이프 블레이드(crepe blade)와 클리닝 블레이드(cleanimg blade)사이에, 클리닝 블레이드(cleaning blade) 다음에, 또는 상기 코팅에 압착되는 티슈 웹(tissue web)에 앞서서, 또는 상술한 것들의 조합한 것에 위치한다.
또 다른 실시 예로, 복수의 장치가 오손(fouling), 미스트 간섭(mist interference), 더스트 간섭(dust interference), 과열, 또는 그것들의 조합을 방지하기 위하여 클린 가스(clean gas)로 정화되어 진다.

Claims (7)

  1. 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 성능강화물질(PEM)을 포함한 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅을 적용하는 단계;
    (b) 차등 방법(differential method)에 의해서 상기 크레이핑 실린더 표면의 코팅의 두께를 측정함으로써, 상기 코팅의 두께가 블레이드 채터(blade chatter)를 유발하는 문턱값을 초과할 만큼 비균일한지 결정하는 단계로서, 상기 차등 방법은 상기 코팅에 물리적으로 접촉하지 않는 복수의 장치를 활용하고, 상기 복수의 장치는 IR 온도 프로브, 간섭계, 초음파 센서 및 수분 측정 디바이스 중 적어도 하나를 포함하며;
    (c) 상기 크레이핑 실린더 표면상에 일정한 두께의 코팅을 제공하기 위하여 상기 코팅의 두께에 대응하여 상기 크레이핑 실린더의 하나 이상의 정의된 영역에서 상기 코팅의 적용을 조절하는 단계; 및
    (d) 상기 코팅의 두께 외에 상기 크레이핑 실린더 상의 코팅의 다른 측면들을 모니터하고 선택적으로 제어하기 위해서 추가적인 장비를 적용하는 단계를 포함하는 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 장치는 와전류(eddy current) 센서, 광학 변위 센서(optical displacement sensor), 캐패시턴스 프로브(capacitance probe), 두께 측정 디바이스, 및 이들의 조합 중 선택되는 적어도 하나의 추가 장치를 포함하는, 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    캐패시턴스 프로브(capacitance probe)를 적용하여 상기 코팅의 수분 함량을 측정하고, 그에 의해 캐패시턴스 측정을 수행하는 단계;
    상기 코팅 두께에 대한 수분의 영향을 결정하기 위해 상기 차등 방법에 의한 측정과 상기 캐패시턴스 측정을 비교하는 단계; 및
    상기 차등 방법에 의해 결정된 바와 같은 두께에 수분이 미치는 영향에 대응하여 상기 크레이핑 실린더 표면 상의 상기 코팅의 양과 분포를 선택적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  4. 기계 방향으로 회전하고, 크레이프 블레이드(crepe blade)가 장착된 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 성능강화물질(PEM)을 포함한 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법에 있어서,
    (a) 크레이핑 실린더(creping cylinder)의 표면에 코팅을 적용하는 단계;
    (b) 비접촉 측정을 사용하여 상기 코팅을 측정하는 단계;
    (c) 차등 방법(differential method)에 의해서 상기 크레이핑 실린더의 표면에 상기 코팅의 두께를 측정함으로써, 상기 코팅의 두께가 블레이드 채터(blade chatter)를 유발하는 문턱값을 초과할 만큼 비균일한지 판단하는 단계; 및
    (d) 상기 코팅의 두께에 대응하여 상기 크레이핑 실린더의 하나 이상의 정의된 영역에서 상기 코팅의 적용을 조절하는 단계를 포함하는 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 차등 방법은 상기 적용된 코팅에 대해 비접촉 측정인, 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 비접촉 측정은 와전류(eddy current) 센서, 광학 변위 센서(optical displacement sensor), 캐패시턴스 프로브(capacitance probe), IR 온도 프로브, 간섭계, 삼각 측량 센서(triangulation sensor), 초음파 센서, 수분 측정 디바이스, 두께 측정 디바이스 및 색체유형 공초점 센서(chromatic type confocal sensor), 및 이들의 조합 중에서 선택된 하나를 사용하여 수행되는, 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    티슈 웹(tissue web)과 상기 코팅이 균열(chatter)를 방지하기 위하여 적용되는, 코팅의 적용을 모니터하고 선택적으로 제어하는 방법.
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