PL227823B1 - Sposób pomiaru anizotropii papieru on-line w maszynie papierniczej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru anizotropii papieru on-line w maszynie papierniczej czyli ukierunkowania włókien we wstędze papierniczej wytwarzanej w maszynie papierniczej, umożliwiający radykalne usprawnienie kontroli procesu formowania wstęgi papierniczej, a w konsekwencji także poprawienie sterowania procesem wytwarzania papieru w maszynie papierniczej.

Wstęgę papieru powstającą w wyniku formowania na sicie maszynie papierniczej zawsze cechuje pewna anizotropia czyli nierównomierne zorientowanie włókien w jej strukturze. Jest to wynikiem działania sił związanych z wypływem strumienia masy papierniczej na sito formujące i ruchem samego sita. W większości maszyn papierniczych uprzywilejowanym kierunkiem ułożenia włókien jest kierunek zgodny z kierunkiem biegu maszyny papierniczej (ang. MD - Machine Direction). Skutkiem zróżnicowanego zorientowania włókien w strukturze papieru są różnice właściwości mechanicznych tego papieru mierzone w kierunku MD i w kierunku poprzecznym do biegu maszyny papierniczej (ang. CD Cross Direction). W warunkach przemysłowych anizotropię wstęgi papieru modyfikuje się częściowo poprzez zmianę współczynnika wyprzedzenia sita czyli stosunku prędkości liniowej strumienia masy papierniczej wypływającej z wlewu maszyny papierniczej na sito formujące maszyny papierniczej do prędkości przesuwu tego sita.

Znane są sposoby pomiaru anizotropii papieru w oparciu o analizę obrazu w świetle odbitym i przechodzącym czy też na podstawie prędkości rozchodzenia się ultradźwięków w papierze.

W warunkach przemysłowych pomiaru anizotropii dokonuje się obecnie głównie w systemie off-line, w laboratorium, co oznacza że od momentu uformowania wstęgi papierniczej do uzyskania wyniku pomiaru upływa zwykle ponad godzina czasu (próbki papieru do badań pobiera się po wyprodukowaniu i zdjęciu rolki czyli tambora gotowego papieru z nawijaka maszyny papierniczej, zaś nawinięcie pojedynczego tambora papieru zajmuje zwykle co najmniej kilkadziesiąt minut.

W opisie zgłoszenia patentowego US 2006/0237156 A1 oraz w opisach patentowych US 4,654,529, US 5,475,233 zaproponowano sposoby pomiaru anizotropii papieru w systemie on-line za pomocą kamer analizujących strukturę formowanego papieru.

W opisie zgłoszenia patentowego US 2006/0237156 A1 ujawniono sposób pomiaru orientacji włókien w ruchomej wstędze papieru, który polega na dodaniu do masy papierniczej, z której ma być formowana wstęga papiernicza, substancji fluorescencyjnej, oświetleniu formowanej z tej masy wstęgi papierniczej światłem UV i rejestrowaniu ułożenia we wstędze włókien, na których zaadsorbowała się substancja fluorescencyjna za pomocą kamery cyfrowej połączonej z programem komputerowym do analizowania cyfrowych obrazów oświetlonego obszaru i obliczania orientacji włókien we wstędze w wyniku przetworzenia co najmniej jednego obrazu cyfrowego. Dodatek substancji fluorescencyjnych do masy papierniczej w procesie produkcji nie jest rozwiązaniem optymalnym, ponieważ substancje te muszą zostać odpowiednio zaadsorbowane na włóknach, ale nie powinny być zaadsorbowane na cząstkach innych dodatków masowych znajdujących się w masie papierniczej, na przykład wypełniaczy. Ponadto nie jest możliwe, aby substancje fluorescencyjne zaadsorbowały się w 100%, zatem będą one występowały także jako faza rozproszona w całej objętości masy papierniczej. Oddzielnym problemem może być potem zastosowanie tego sposobu do wstęgi papieru wytworzonej z masy makulaturowej zawierającej udział papierów już zawierających rozproszone substancje fluorescencyjne.

Wszystkie znane sposoby pomiaru anizotropii papieru są skuteczne pod warunkiem, że struktura papieru pozwala na obserwację jej poszczególnych elementów składowych (czyli włókien celulozowych). Obserwacja taka może być jednak znacznie utrudniona w przypadku wielu asortymentów papierów, w szczególności papierów produkowanych na bazie włókien krótkich, silnie zdegenerowanych, na przykład makulaturowych czy włókien mocno skędzierzawionych, znacząco odbiegających kształtem od linii prostej, a także w przypadku papierów zawierających duże ilości wypełniaczy mineralnych, względnie papierów barwionych.

Wszystkie te niedogodności eliminuje sposób według wynalazku.

Sposób pomiaru anizotropii papieru on-line w maszynie papierniczej, z wykorzystaniem właściwości luminescencyjnych włókien zawartych w masie papierniczej, polegający na oświetleniu formowanej z tej masy wstęgi papierniczej na sicie formującym światłem UV i rejestrowaniu ułożenia włókien o właściwościach luminescencyjnych we wstędze za pomocą kamery cyfrowej połączonej z programem komputerowym, za pomocą którego analizuje się cyfrowe obrazy oświetlonego obszaru, dokonuje, na podstawie tej analizy, pomiaru odchylenia włókien o właściwościach luminescencyjnych od kierunku zgodnego z biegiem maszyny papierniczej (MD) i określa na podstawie tego pomiaru anizoPL 227 823 B1 tropię wstęgi papierniczej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jako włókna o właściwościach luminescencyjnych stosuje się włókna celulozowe o właściwościach luminescencyjnych, które dodaje się do masy papierniczej przed wprowadzeniem jej do wlewu maszyny papierniczej lub do masy papierniczej we wlewie maszyny papierniczej, w postaci zawiesiny, w ilości < 1% wagowych w stosunku do masy papierniczej. Stosuje się włókna celulozowe o właściwościach luminescencyjnych odcinkowe o długości mniejszej niż 1 mm, zawierające 0,01-1% wagowych substancji luminescencyjnej, wprowadzonej do tych włókien w procesie ich wytwarzania. Źródło światła UV i kamerę cyfrową umieszcza się w pozycji na szerokości sita formującego wstęgę odpowiadającej pozycji dozowania włókien o właściwościach luminescencyjnych do masy papierniczej. Obraz uzyskany za pomocą kamery cyfrowej wprowadza się do modułu analizy obrazu komputera, za pomocą którego, po poprawieniu jakości obrazu, dokonaniu jego konwersji do odcieni szarości oraz dokonaniu adaptacyjnej binaryzacji lokalnej obrazu, na analizowanym obrazie znajduje się linie (włókna luminescencyjne) o określonych parametrach przy zastosowaniu transformaty Hough'a, która zakłada reprezentowanie tych linii w układzie polarnym (r, Θ) zgodnie z zależnością:

w której oznaczają:

x - współrzędną x w układzie współrzędnych xy, y - współrzędną y w układzie współrzędnych xy, r - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy, Θ - kąt zawarty między odległością r a osią x, na podstawie której tworzy się zależność:

r = x cos Θ + y sin Θ w której r, x, y i Θ mają podane wyżej znaczenie.

W dalszej kolejności dla każdego punktu (xi, yi) generuje się rodzinę linii (włókien) przechodzących przez ten punkt, określoną zależnością:

γ_θ = χ εοεΘ + y_; * sinO w której oznaczają:

te - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy, o nachyleniu Θ względem osi x, xi - współrzędną x i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, yi - współrzędną y i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, zaś pary (r, Θ) oznaczają linie (włókna) przechodzące przez punkt (xi, yi) i dla każdego punktu (xi, yi) rysuje się sinusoidy reprezentujące rodzinę linii (włókien) przechodzących przez punkt (xi, yi) i po narysowaniu sinusoid dla wszystkich punktów znajduje się sinusoidy przecinające się, reprezentujące punkty należące do tej samej linii (włókna), przy czym bierze się pod uwagę punkty przecięcia r > 0 oraz 0 < Θ < 2π, określa się eksperymentalnie, na podstawie analizy kilkunastu próbek, minimalną liczbę wymaganych przecięć kwalifikującą linię (włókno) do akceptacji, minimalną długość linii (włókna) oraz maksymalną odległość między dwoma punktami kwalifikującą do uznania ich za punkty należące do tej samej linii (włókna) i w końcu określa współrzędne początku i końca (x0, yo, xi, yi) oraz kąt β nachylenia linii czyli włókien o właściwościach luminescencyjnych.

W sposobie według wynalazku dodaje się do masy papierniczej niewielką ilość odcinkowych włókien celulozowych o właściwościach luminescencyjnych, do których substancję luminescencyjną wprowadza się już w momencie wytwarzania tych włókien. W wyniku przeprowadzonych badań laboratoryjnych stwierdzono, że nawet podczas silnej obróbki mechanicznej tak wytworzonych włókien w środowisku wodnym nie następuje uwalnianie się związków luminescencyjnych ze struktury tych włókien, nie ma więc zagrożenia związanego z niekontrolowanym rozproszeniem się substancji luminescencyjnej w całej objętości masy papierniczej. Ilość dodawanych włókien luminescencyjnych, szczególnie przy zastosowaniu dozowania lokalnego, jest przy tym znacznie mniejsza, niż ilość środka fluorescencyjnego konieczna do dodania do całej objętości masy papierniczej. Ponadto dodane włókna o właściwościach luminescencyjnych nie wpływają negatywnie na właściwości wytrzymałościowe papieru, ponieważ są wytworzone z celulozy - z materiału takiego samego jak włókna roślinne. Ich właściwości optyczne w świetle widzialnym są zbliżone do właściwości optycznych włókien natural4

PL 227 823 B1 nych, co powoduje, że nie wpływają one negatywnie także na właściwości wizualne produktu, natomiast oświetlone światłem z zakresu UV emitują promieniowanie widzialne. Wprowadzone włókna o właściwościach luminescencyjnych charakteryzują się również tym, że ich zachowanie w strumieniu wypływającej z wlewu masy papierniczej jest porównywalne z zachowaniem włókien roślinnych. Zatem obserwując ich ułożenie w świetle UV i mierząc ich średnie odchylenie od kierunku zgodnego z biegiem maszyny papierniczej (MD) uzyskuje się informację o ułożeniu innych włókien w strukturze wstęgi papierniczej.

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1 przedstawia obraz papieru zawierającego włókna luminescencyjne widziany w świetle UV, fig. 2 obraz ilustrujący wynik działania modułu analizy obrazu komputera, zaś fig. 3 układ współrzędnych xy.

P r z y k ł a d 1.

Otrzymane metodą z NMMO odcinkowe celulozowe włókna o właściwościach luminescencyjnych, zawierające 1% wagowy modyfikatora o wzorze Ce0.85Tb0.15F3 w stosunku do α-celulozy, wprowadzono w ilości 0,5% wagowego do masy papierniczej, którą doprowadzono do wlewu maszyny papierniczej. Maszyna papiernicza wytwarzała papier o gramaturze 70 g/m². Surowcem włóknistym była masa Sabl sosnowa, zmielona do smarności 30 °SR. Układ pomiarowy w postaci oświetlenia UV o długości fali 254 nm i kamery CCD połączonej z komputerem wyposażonym w moduł do analizy i wykrywania obrazów włókien luminescencyjnych, zainstalowano nad sitem urządzenia formującego, za linią suchą i przed wyżymakiem (patrząc od strony wlewu maszyny papierniczej). Oświetlenie UV i kamerę cyfrową umieszczono w pozycji na szerokości sita formującego wstęgę odpowiadającej pozycji dozowania włókien o właściwościach luminescencyjnych do masy papierniczej. Dla współczynnika wyprzedzenia sita równego 0,979 stosunek wartości obciążenia zrywającego MD/CD wynosił 1,29837. Obraz uzyskany za pomocą kamery CCD wprowadzono do modułu analizy obrazu komputera, za pomocą którego w pierwszym etapie dokonano poprawy jakości obrazu z kamery w drodze splotu obrazu z maską Gaussa o rozmiarze n, której współczynniki wyznaczono z wzoru:

G(x,y)

2πσ² x²+y² e 2σ² w którym oznaczają:

x - odległość w poziomie od środka maski (0,0), y - odległość w pionie od środka maski (0,0), σ - odchylenie standardowe, przy czym doboru rozmiaru n i odchylenia standardowego σ dokonano eksperymentalnie, w zależności od jakości analizowanego obrazu z kamery, na podstawie analizy kilkunastu próbek obrazu. Następnie dokonano konwersji obrazu do odcieni szarości. W dalszej kolejności dokonano adaptacyjnej binaryzacji lokalnej obrazu czyli podziału obrazu na ramki o rozmiarze sxs i dla każdej ramki wyznaczono histogram, a następnie minimalną i maksymalną jasność z przedziału 0-255, dla których wartość histogramu była większa od zera, przyjmując odpowiednio oznaczenia minid i maxid, z których minid oznacza minimalną jasność, dla której wartość histogramu jest większa od 0, maxid oznacza maksymalną jasność, dla której wartość histogramu jest większa od 0. Na tej podstawie wyznaczono wartość progu binaryzacji th (piksele poniżej wartości th klasyfikowano jako należące do obiektu, natomiast pozostałe jako tło) dla każdej ramki odrębnie z zależności:

th = α * (maxid - minid) + a; jeżeli (maxid - minid > Δ) th = 255; jeżeli (maxid - minid <= Δ), zaś doboru parametrów ramki, jak rozmiar ramki s, stałe α, a oraz Δ, który zależał od jakości analizowanego obrazu, dokonano eksperymentalnie na podstawie analizy kilkunastu próbek. Następnie na analizowanym obrazie znaleziono włókna luminescencyjne (linie) o określonych parametrach przy wykorzystaniu transformaty Hough'a, która zakłada reprezentowanie tych linii w układzie polarnym (r, Θ) zgodnie z zależnością:

w której oznaczają:

x - współrzędną x w układzie współrzędnych xy, y - współrzędną y w układzie współrzędnych xy, r - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy (fig. 3),

PL 227 823 B1

Θ - kąt zawarty między odległością r i osią x (fig. 3).

Na podstawie tej transformaty utworzono zależność:

r = x cos Θ + y sin Θ w której r, x, y i Θ mają podane wyżej znaczenie.

W dalszej kolejności dla każdego punktu (xi, yi) generowano rodzinę linii (włókien) przechodzących przez ten punkt, określoną zależnością:

r& = Xi*cosΘ + y*s^ w której oznaczają:

te - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy, o nachyleniu Θ względem osi x (fig. 3), xi - współrzędną x i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, yi - współrzędną y i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, zaś pary (r, Θ) oznaczają linie (włókna) przechodzące przez punkt (xi, yi) i dla każdego punktu (xi, yi) rysowano sinusoidy reprezentujące rodzinę linii (włókien) przechodzących przez punkt (xi, yi) i po narysowaniu sinusoid dla wszystkich punktów znajdowano sinusoidy przecinające się, reprezentujące punkty należące do tej samej linii (włókna), przy czym brano pod uwagę punkty przecięcia r > 0 oraz 0 < Θ < 2π, określono eksperymentalnie, na podstawie analizy kilkunastu próbek, minimalną liczbę wymaganych przecięć ni kwalifikującą linię (włókno) do akceptacji, minimalną długość mini linii (włókna) oraz maksymalną odległość maxg między dwoma punktami kwalifikującą do uznania ich za punkty należące do tej samej linii (włókna) i w końcu określono współrzędne początku i końca (x0, yo, xi, yi) oraz kąt β nachylenia linii czyli włókien o właściwościach luminescencyjnych. Średni kąt β odchylenia włókien luminescencyjnych od kierunku MD wynosił 11°.

Po zmianie współczynnika wyprzedzenia sita do wartości 1,01 stosunek wartości obciążenia zrywającego MD/CD zmienił się i wynosił 1,85169, zaś średni kąt odchylenia włókien luminescencyjnych od kierunku MD wynosił 5°.

P r z y k ł a d 2.

Do rurki kolektora masowego (ang. tubebank) we wlewie maszyny papierniczej, doprowadzono wraz z wodą rozcieńczającą strumień zawiesiny odcinkowych włókien celulozowych o właściwościach luminescencyjnych, zawierających 3% wagowe nieorganicznego modyfikatora o wzorze Gd4O3F6:Eu³+ w ilości 0,2% w stosunku do masy płynącej tą rurką. Maszyna papiernicza wytwarzała papier o gramaturze 65 g/m². Surowcem włóknistym była masa SaNbl sosnowa, zmielona do smarności 27 °SR. Układ pomiarowy w postaci oświetlenia UV o długości fali 254 nm i kamery CCD połączonej z komputerem wyposażonym w program komputerowy analizy i wykrywania obrazów włókien luminescencyjnych zainstalowano nad sitem urządzenia formującego, za linią suchą i przed wyżymakiem (patrząc od strony wlewu maszyny papierniczej). Dla współczynnika wyprzedzenia sita równego 0,987 stosunek wartości obciążenia zrywającego MD/CD wynosił 1,3251, zaś średni kąt odchylenia włókien luminescencyjnych od kierunku MD, który określono postępując jak w przykładzie 1, wynosił w tym samym czasie 9°. Po zmianie współczynnika wyprzedzenia sita do wartości 0,997 stosunek wartości obciążenia zrywającego MD/CD zmienił się i wynosił 1,7101, a średni kąt odchylenia włókien luminescencyjnych od kierunku MD wynosił 6°.

Claims (1)

1. Sposób pomiaru anizotropii papieru on-line w maszynie papierniczej, z wykorzystaniem właściwości luminescencyjnych włókien zawartych w masie papierniczej, polegający na oświetleniu formowanej z tej masy wstęgi papierniczej na sicie formującym światłem UV i rejestrowaniu ułożenia włókien o właściwościach luminescencyjnych we wstędze za pomocą kamery cyfrowej połączonej z programem komputerowym, za pomocą którego analizuje się cyfrowe obrazy oświetlonego obszaru, dokonuje, na podstawie tej analizy, pomiaru odchylenia włókien o właściwościach luminescencyjnych od kierunku zgodnego z biegiem maszyny papierniczej (MD) i określa na podstawie tego pomiaru anizotropię wstęgi papierniczej, znamienny tym, że jako włókna o właściwościach luminescencyjnych stosuje się włókna celulozowe o właściwościach luminescencyjnych, które dodaje się do masy papierniczej przed

PL 227 823 B1 wprowadzeniem jej do wlewu maszyny papierniczej lub do masy papierniczej we wlewie maszyny papierniczej, w postaci zawiesiny, w ilości < 1% wagowych w stosunku do masy papierniczej, przy czym stosuje się włókna celulozowe o właściwościach luminescencyjnych odcinkowe o długości mniejszej niż 1 mm, zawierające 0,01-1% wagowych substancji luminescencyjnej wprowadzonej do tych włókien w procesie ich wytwarzania, zaś źródło światła UV i kamerę cyfrową umieszcza się w pozycji na szerokości sita formującego wstęgę odpowiadającej pozycji dozowania włókien o właściwościach luminescencyjnych do masy papierniczej, natomiast obraz uzyskany za pomocą kamery cyfrowej wprowadza się do modułu analizy obrazu komputera, za pomocą którego, po poprawieniu jakości obrazu, dokonaniu jego konwersji do odcieni szarości oraz dokonaniu adaptacyjnej binaryzacji lokalnej obrazu, na analizowanym obrazie znajduje się linie (włókna luminescencyjne) o określonych parametrach przy zastosowaniu transformaty Hough'a, która zakłada reprezentowanie tych linii w układzie polarnym (r, Θ) zgodnie z zależnością:

w której oznaczają:

x - współrzędną x w układzie współrzędnych xy, y - współrzędną y w układzie współrzędnych xy, r - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy,

Θ - kąt zawarty między odległością r i osią x, na podstawie której tworzy się zależność:

r = x cos Θ + y sin Θ w której r, x, y i Θ mają podane wyżej znaczenie, w dalszej kolejności dla każdego punktu (xi, yi) generuje się rodzinę linii (włókien) przechodzących przez ten punkt, określoną zależnością:

r = Xi*cos3 + y*sin3 w której oznaczają:

re - odległość analizowanej prostej (odcinka) od początku układu współrzędnych xy, o nachyleniu Θ względem osi x, xi - współrzędną x i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, yi - współrzędną y i-tego niezerowego punktu obrazu w układzie współrzędnych xy, zaś pary (r, Θ) oznaczają linie (włókna) przechodzące przez punkt (xi, yi) i dla każdego punktu (x, yi) rysuje się sinusoidy reprezentujące rodzinę linii (włókien) przechodzących przez punkt (x, yi) i po narysowaniu sinusoid dla wszystkich punktów znajduje się sinusoidy przecinające się, reprezentujące punkty należące do tej samej linii (włókna), przy czym bierze się pod uwagę punkty przecięcia r > 0 oraz 0 < Θ < 2π, określa się eksperymentalnie, na podstawie analizy kilkunastu próbek, minimalną liczbę wymaganych przecięć kwalifikującą linię (włókno) do akceptacji, minimalną długość linii (włókna) oraz maksymalną odległość między dwoma punktami kwalifikującą do uznania ich za punkty należące do tej samej linii (włókna) i w końcu określa współrzędne początku i końca (x0, yo, xi, yi) oraz kąt β nachylenia linii czyli włókien o właściwościach luminescencyjnych.