SE520165C2 - Metod och anordning för mätning av fukthalt vid optimering av en torkningsprocess - Google Patents

Description

25 30 520 165 UPPFINNINGENS BAKGRUND OCH TIDIGARE TEKNIK I samband med torkning av organiskt material med biologiskt ur- sprung är det ofta av fördel att under torkningsprocessen kontinuer- ligt eller återkommande fastställa eller uppskatta materialets fukt- halt.

Som exempel kan närnnas virkestorkning. Virkestorkning är en pro- cess där man måste optimera processekonomin mot virkeskvaliteten.

Vid för snabb torkning kan virket spricka och vridas samtidigt som en långsam torkning ej är önskvärd ur ekonomisk synpunkt. För att optimera torkprocessen och kunna producera virke av hög kvalitet önskar man därför bestämma virkets fukthalt och vedstruktur. Med vedstruktur avses här den växtbetingade påverkan på vedens struk- tur där långsam tillväxt ger en kompakt vedstruktur och en snabb tillväxt ger en mer porös vedstruktur. Fukthalten och vedstrukturen kan bestämmas under utnyttjande av den inverkan virkets dielekt- riska egenskaper har på elektromagnetisk strålning, i synnerhet ett spektrum av radiofrekvent strålning. Fukthalt och vedstruktur an- vänds för att optimera torkprocessen. Antingen beräknas ett tork- schema med fastställda variationer av fukt och temperatur över tiden utifrån bestämda kvalitetsparametrar (en viktig sådan är fukthalten) eller så används de fastställda kvalitetsparametrarna (fukt och ved- struktur) för att prediktera en lämplig fukt- och temperaturprofil, vil- ken upprätthålls under torkprocessen. Torkprocessen styrs att följa en i förväg fastställd profil under det att fukthalten i virket övervakas kontinuerligt eller med diskreta mätningar med hjälp av radiofrekvent strålning, varvid avvikelser mellan nuvärden och virkets predikterade fukthalt resulterar i styrsignaler som används för att styra processen.

Vanligen bestäms fukt och vedstruktur utifrån mätningar i torkug- nen, torkrummet eller autoklaven medan en utvärderingsenhet och 10 15 20 25 30 520 165 3 en styrenhet kan vara innefattade i en konventionell processdator med mjukvara som innefattar de algoritmer som erfordras för styr- ningen av processen. Utvärderingsenheten kan vara anordnad att be- arbeta indata med multivariata analysmetoder för att producera en korrelering mellan dessa indata och en kvalitetsparameter såsom fukthalten hos materialet i fråga.

Det ovan beskrivna sättet att mäta fukthalten på, med hjälp av ra- diofrekvent strålning, finns beskrivet i sökandens svenska patentan- sökan nr. 9700828-8, och de principer som där gäller för virkestork- ning är direkt applicerbara även på den föreliggande uppfinningen.

Det är ur ekonomisk och processteknisk synvinkel önskvärt att så länge som möjligt kunna torka med en så stor effekt som möjligt för att sedan i precis rått ögonblick, innan fukthalten i materialet under- skridit ett visst minsta värde, gå över till torkning med en lägre effekt.

I fallet med virkestorkning spelar tidpunkten för uppnående av så kallad fibermättnad i materialet samt den önskade slutfukthalten en avgörande roll för hur olika torkparametrar (främst tillfört värme) ska styras under torkprocessen. En optimering av styrningen är önskvärd och det är av väsentlig betydelse att de fukthaltsbestämningar som fortlöpande görs och som ligger till grund för styrningen är korrekta och väl återspeglar de verkliga förhållandena i materialet.

Ett annat sätt att mäta fukthalten hos virke på enligt tidigare teknik är genom mätning av luftfukthalt i torkutrymmet samtidigt som den energi som åtgår för torkningen registreras. Denna teknik ger emel- lertid en tämligen oexakt indikation på fukthalten i materialet.

Befintlig tidigare teknik som innefattar beröring av materialet vid mätningen har nackdelen av att enbart ge lokala mätningar med 10 l5 20 25 30 520 1654 mindre noggrannhet, samtidigt som den fordrar ytterligare arbets- moment för applicering och borttagning av mätdon från materialet.

SYFTET MED UPPFINNINGEN Syftet med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en till- förlitlig metod och en enkel anordning för att kontinuerligt eller åter- kommande göra en bestämning av fukthalten hos ett material som underkastas en torkningsoperation i en torkningsprocess, och base- rat på en sådan bestämning optimera styrningen av torkningsproces- sen. Mätmetoden ska vara beröringsfri och medge en bestämning av bulkfukthalten hos materialet.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen uppnås med en metod av det inledningsvis definierade slaget, vilken är kännetecknad av att en förändring av materialets påverkan på den elektromagnetiska strålningen med ti- den detekteras och att indata till en matematisk modell för bestäm- ning av materialets fukthalt under torkningen bestäms utifrån den energimängd som åtgått för förångning av vätska i samband med torkningsförloppet under en given tidsperiod.

Genom att koppla den medelst den elektromagnetiska strålningen uppmätta fukthalten till den energimängd som åtgått för förångning av en viss mängd vätska möjliggörs en mer noggrann bestämning av den faktiska fukthalt som föreligger i materialet.

Genom hänsynstagandet till åtgången energi kan en bättre bestäm- ning av materialegenskaper göras, vilket utnyttjas för justering av den modell som predikterar fukthalten i materialet under återstoden av processen. Företrädesvis utnyttjas ett flertal mätantenner. Dessa 10 15 20 25 30 520 1655 placeras eller riktas för mätning av olika delar av materialsatsen för att ge ett flertal lokala mätningar och ge en indikation på fuktförhål- landet i olika delar av materialsatsen.

Nämnda indata innefattar företrädesvis en justerparameter JP erhål- len i enlighet med: JP = f (spektraldata, Fkin, energi (AE)) där Fkm är torksatsens initiala fuktkvot. Fkin mäts i laboratorium el- ler bestäms med hjälp av en modell som byggs utifrån spektraldata- mätningar (m stycken) på ett flertal torksatser och baserat på indata för fuktkvot bestämd i laboratoriemätningar. Modellen för bestämning av Fkm har företrädesvis följande utseende: Fkin = f (spektraldata (l-m), ytterligare indata) där ytterligare indata är relaterade till åtminstone någon av träslag, torksatsvolym och trädimension.

Den modell i vilken justerparametern JP förs in som indata är en modell av typen: F uktkvot = f (spektraldata, Fkm, JP, övriga indata) där övriga indata är relaterade till åtminstone någon av träslag, tork- satsvolym, trädimension, torktemperatur och luftflöde i torkkamma- ren. Denna modell ger alltså torksatsens fuktkvot, som bildar de ut- data som sedan kan bilda indata i redan befintliga styrmodeller för styrning av en eller flera processparametrar. Med denna modell, som tar hänsyn även till den energi som ätgått för en viss förångning, kan fuktkvoten bestämmas med i storleksordningen flera gånger större 10 15 20 25 30 520 165 6 precision. Utan hänsynstagande till justerparametern JP uppnås ty- piskt en relativ precision av cirka +/ - 20 %, medan man med hjälp av den tidigare nämnda modellen för fastställande av JP och finjustering av denna modell kan uppnå en relativ precision av uppskattningsvis storleksordningen +/ - 5 %.

Andelen fritt respektive bundet vatten i materialet ändras med tiden.

Enligt uppfinningen bygger man företrädesvis en modell som är an- passad till fallet med fritt vatten i materialet. För denna modell behö- ver endast hänsyn tas till materialets påverkan på en del av det emit- terade frekvensspektret, dvs. materialets påverkan på endast en i för- väg fastställd del av frekvensspektret används som indata i modellen.

En annan modell byggs för fallet med enbart eller så gott som enbart bundet vatten i materialet. Indata till denna modell är primärt mate- rialets påverkan på en annan del av det emitterade frekvensspektret än i fallet med fritt vatten. De olika delarna av spektret kan överlappa varandra, men de viktigaste delarna vid mätningarna av fritt och bundet vatten är inte identiska.

De parametrar som angivits inom parentes ovan i de respektive mo- dellerna bildar exempel på föredragna indata till respektive modell i fallet med torkning av trävirke. Det ska inses att de kan kompletteras med ytterligare materialparametrar om så erfordras.

Den tidsperiod som omnämns är företrädesvis en period under vilken väsentligen all energi som åtgår för torkningen åtgår för förångning av i materialet befintlig vätska.

I normala fall, där luftfuktigheten under samma period är väsentligen konstant, är nämnda tidsperiod en period under vilken temperaturen i materialet är väsentligen konstant vid konstant tillförd energi/ tids- enhet. 10 15 20 25 30 520 165 7 Nämnda tidsperiod ligger före den tidpunkt vid vilken fibermättnad uppträder i materialet.

Företrädesvis ligger nämnda tidsperiod i ett inledande parti av den tidsperiod inom vilken väsentligen all energi som åtgår för torkningen åtgår för förångning av i materialet beñntlig vätska och/ eller tempe- raturen i materialet är väsentligen konstant vid konstant tillförd energi/ tidsenhet.

Den elektromagnetiska strålningen innefattar företrädesvis ett känt första frekvensspektrum som kontinuerligt eller återkommande jäm- förs med ett andra frekvensspektrum, bildat genom materialets på- verkan på det första frekvensspektret. Det första frekvensspektret in- nefattar huvudsakligen våglängder inom frekvensområdet 1- 1000 MHz, företrädesvis inom intervallet 1-500 MHz, allra helst inom fre- kvensintervallet 10-250 MHz.

Enligt ett utföringsexempel detekteras den strålning som reflekteras av materialet och jämförs med den strålning som emitteras mot mate- rialet för att fastställa materialets påverkan på strålningen, eller när- mare bestämt materialets absorption av det elektromagnetiska fältet.

Alternativt eller som ett komplement detekteras igenom materialet transmitterad strålning eller ett elektromagnetiskt fält och jämförs med den emitterade strålningen för att fastställa materialets påver- kan på strålningen.

Materialet är av biologiskt ursprung och innefattar företrädesvis trä, företrädesvis avsett att användas som virke.

Uppfinningen avser även en anordning av det inledningsvis definiera- de slaget, vilken är kännetecknad av att den innefattar 10 15 20 25 30 .in 520 1658 -medel för detektering av en förändring av materialets påverkan på den elektromagnetiska strålningen med tiden, och -medel för etablering av indata till en matematisk modell för bestäm- ning av materialets fukthalt under torkningen utifrån den energi- mängd som åtgått för förångning av vätska i samband med tork- ningsförloppet under en given tidsperiod.

Nämnda indata motsvarar den justerparameter JP som diskuterats ovan och som används för att trimma den matematiska modellen för bestämningen av fuktkvoten. Medlen för etablering av justerparame- tern JP innefattar relevanta programsekvenser i ett datorprogram lag- rat på ett minne och kopplat till en processor i vilken de exekveras.

Utdata från den matematiska modellen, vilken beskrivits ovan, sänds som indata till någon anordning för själva styrningen av processpa- rametrar baserat på dessa indata.

Medlen för emission av strålning mot materialet innefattar en eller flera antenner, var och en anordnad att sända strålning med ett känt frekvensspektrum mot materialet. Antennerna är företrädesvis bred- bandiga antenner. Antennerna är företrädesvis anordnade på ett sätt som möjliggör mätning av hela eller delar av torkvolymen.

Medlen för bestämning av fukthalten innefattar företrädesvis medel för detektering av strålning som reflekterats av eller transmitterats igenom materialet, samt en enhet för kontinuerlig eller återkomman- de jämförelse av skillnader mellan spektraldata för varje emitterat frekvensspektrum och spektraldata för det motsvarande reflekterade eller transmitterade frekvensspektret och utvärdering av dessa skill- nader för bestämning av materialets fukthalt. Dessa medel innefattar företrädesvis elektronikmedel för dielektrisk spektroskopi. 10 15 20 25 30 520 165 9 Detekteringsmedlen kan vara samma antenner som de som emitterat strålningen eller separata antenner anordnade för mottagning av främst den transmitterade strålningen. De antenner som används har företrädesvis en högre egenfrekvens än de frekvenser som ligger i det använda frekvensspektret. Det ska inses att begreppet antenn ska ses i vid betydelse och kan innefatta alla typer av element, elek- troder eller liknande från vilka elektromagnetisk strålning kan sän- das och / eller mottagas.

Det är känt att ett flertal parametrar samtidigt kan bestämmas ge- nom att korrelera ett antal uppmätta värden till varandra medelst algoritmer, statistiska modeller och dataanalysmetoder, som exem- pelvis Partial Least Square regression (PLS), principalkomponent- analys (PCA), multílineär regressionsanalys (MLR) och neurala nät- verk. Vanligen skapas och kalibreras de modeller och algoritmer som används vid dataanalysen utifrån kalibrerings- och referensmätning- ar, vilka görs för ett antal referensprov med kända kvalitetsbestäm- mande egenskaper, kvalitetsparametrar. Dessa dataanalysmetoder och andra metoder för multivariat dataanalys där mätvärden korrele- ras mot parametrar för att ur ett relativt begränsat antal värden fast- ställa ett antal oberoende parametervärden är vedertagen teknik, vil- ken är allmänt känd och använd inom kemiområdet och speciellt inom området för kemisk analys. Fortsättningsvis i denna ansökan benämnes dessa metoder ”multivariat korrelering”, och en kalibrering baserad på en sådan metod ”multivariat kalibrering”.

Enheten för etablering av den eller de matematiska modellerna för styrning av torkprocessen innefattar med fördel ett neuralt nätverk och /eller en elektronisk enhet med mjukvara för exempelvis Partial Least Square regression, PLS. lndata till den multivariata korrelering- en innefattar den detekterade förändringen av fukthalten i det mate- rial som torkas och den energimängd som gått åt för torkningen un- l0 l5 20 25 30 520 165 10 der den tidsperiod för vilken skillnaden i fukthalt fastställts. Med den nämnda tekniken skapas en modell för fukthalten och dess föränd- ring i materialet under torkprocessen. I fallet med trävirke fastställs när fibermättnad kan förväntas uppnås samt sluthalten av fukt i trä- et. Processen styrs sedan med hänsyn till detta resultat. De modeller som anordningen är inrättad att etablera och innefatta är redan be- skrivna ovan i samband med beskrivningen av den uppñnningsenliga metoden.

EXEM PEL Uppñnningen ska närmast beskrivas med hänvisning till en föredra- gen utföringsform, inriktad på torkning av trävirke.

För att kunna optimera virkestorkníngsprocessen krävs att man kan mäta fukthalten med stor noggrannhet on-line, vilket i synnerhet är fallet då virket närmar sig fibermättnad. Det krävs även att man kan göra en bestämning av den slutliga fukthalten i materialet, sluthal- ten.

Mätning av fukthalten/ -kvoten görs med dielektrisk spektroskopi i enlighet med vad som beskrivits ovan inom radiofrekvensomrädet 10- 250 MHz. Både absorption och reflektion mäts efter att det elektro- magnetiska fältet skickats ut med hjälp av en inuti torken monterad antenn. Vid reflektionsmätningen mäts den reflekterade signalen av sändarantennen, och vid absorptionsmätning finns en eller flera mot- tagarantenner monterade inuti torken. Antennerna har en egenfrek- vens som överstiger det primära mätspektrets frekvenser.

Det erhållna frekvensspektret bearbetas vidare i enlighet med de ovan beskrivna modellerna som omvandlar spektraldata till fukthalt on- line. Flera frekvenser i spektret utnyttjas. 10 15 20 25 30 520 165 ll Flera RF-mätningar utförs åtskilda med en viss tidsperiod för att er- hålla en eller flera mätningar av en fukthaltsförändring i materialet under en given tidsperiod. Även den energimängd/värmemängd som tillförts materialet eller torkanordningen under en motsvarande tids- period registreras. Mätresultaten förs automatiskt in som indata till en datorenhet anordnad, det vill säga utrustad med mjukvara, att etablera modellerna för bestämning av fukthalten och dess förändring i materialet. Datorenheten är anordnad att utföra fukthaltsmätning- arna med hänsyn till den energimängd som faktiskt tillförts för för- ångning av en viss mängd vätska i materialet.

Den erhållna fukthalten / kvoten, eller närmare bestämt dess föränd- ring, används sedan i ett styrsystem för optimering av torkprocessen, med speciell hänsyn tagen till fuktkvot vid ñbermättnad och slutfukt- kvot i materialet. I begreppet optimering inbegrips optimering av alle- handa förekommande processparametrar.

Det ska inses att uppfinningen endast beskrivits principiellt och med hänvisning till de föreslagna utföringsexemplen. Alternativa utfö- ringsexempel kommer därför att vara uppenbart för en fackman inom området utan att denne därvid frångår uppfinningens ram, såsom definierad i de bifogade kraven med stöd av beskrivningen.

Till exempel kan de indata som givits som exempel i de respektive modellerna kompletteras med ytterligare indata, till exempel luftfukt- halten i torkkammaren.

I gynnsamma fall kan även vissa av nämnda indata elimineras och till exempel modellen för bestämning av Fkin inkluderas i modellen för bestämning av fuktkvoten. Justerparametern som framtagits med 10 -<~, 520 165 12 den för detta ändamål avsedda modellen kommer emellertid alltid att utnyttj as.

Det ska vidare framhållas att begreppen fuktkvot och fukthalt ska betraktas som likvärdiga begrepp för att beskriva mängd vätska som föreligger i materialet, även om det per definition är en skillnad mel- lan dem där: fukthalt = (vikt fuktigt trä/vikt torrt trä) / (vikt torrt trä) och fuktkvot = (vikt fuktigt trä/ vikt torrt trä). Det ska alltså inte vara möjligt att kringgå uppfinningen enbart genom att hävda att man mä- ter fuktkvot i stället för fukthalt eller vice versa.

Claims (19)

10 15 20 25 30 H.. 520 165 13 PATENTKRAV

1. Metod för mätning av fukthalten vid torkning av ett organiskt ma- terial, vid vilket fukthalten i materialet bestäms baserat på materia- lets dielektriska egenskaper, och vid vilket elektromagnetisk strålning emitteras mot en yta hos materialet, och bestämningen av fukthalten utförs baserat på materialets påverkan på nämnda elektromagnetiska strålning, kännetecknad av att en förändring av materialets påver- kan på den elektromagnetiska strålningen med tiden detekteras och att indata till en matematisk modell för bestämning av materialets fukthalt under torkningen bestäms utifrån den energimängd som åt- gått för förångning av vätska i samband med torkníngsförloppet un- der en given tidsperiod.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda indata innefat- tar en justerparameter JP erhällen i enlighet med: JP = f (spektraldata, Fkm, energi (AE)) där Fkin är torksatsens initiala fuktkvot.

3. Metod enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att modellen för be- stämning av fukthalten är en modell av typen: Fuktkvot = f (spektraldata, Fkm, JP, övriga indata) där övriga indata är relaterade till åtminstone någon av träslag, tork- satsvolym, trädimension, torktemperatur och luftflöde i torkkamma- FCH.

4. Metod enligt något av kraven 1-3, kännetecknad av att nämnda tidsperiod innefattar är en period under vilken väsentligen all energi 10 15 20 25 30 520 165 14 som åtgår för torkningen åtgår för förångning av i materialet befintlig vätska.

5. Metod enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av att nämnda tidsperiod är en period under vilken temperaturen i materialet är vä- sentligen konstant vid konstant tillförd energi/ tidsenhet.

6. Metod enligt krav 5, kännetecknad av att nämnda tidsperiod ligg- er före den tidpunkt vid vilken fiberrnättnad uppträder i materialet.

7. Metod enligt något av kraven 5-6, kännetecknad av att nämnda tidsperiod ligger i ett inledande parti av den tidsperiod inom vilken väsentligen all energi som åtgår för torkningen åtgår för förångning av i materialet beñntlig vätska och/ eller temperaturen i materialet är väsentligen konstant vid konstant tillförd energi /tidsenhet.

8. Metod enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att den elek- tromagnetiska strålningen innefattar ett känt första frekvensspekt- rum och att detta spektrum kontinuerligt eller återkommande jäm- förs med ett andra frekvensspektrum, bildat genom materialets på- verkan på det första frekvensspektret för erhållande av spektraldata.

9. Metod enligt krav 8, kännetecknad av att det första frekvens- spektret huvudsakligen innefattar våglängder inom frekvensområdet 1-1000 MHz, företrädesvis inom intervallet 1-500 MHz, mest föredra- get lO-25O MHz.

10. Metod enligt något av kraven 1-9, kännetecknad av att strålning som reflekteras av materialet detekteras och jämförs med den strål- ning som emitteras mot materialet för att fastställa materialets på- verkan på strålningen. 10 15 20 25 30 520 165

11. ll. Metod enligt något av kraven 1-10, kännetecknad av att igenom materialet transmitterad strålning detekteras och jämförs med den emitterade strålningen för att fastställa materialets påverkan på strålningen.

12. Metod enligt något av kraven l-1 1, kännetecknad av att materi- alet innefattar trä, företrädesvis avsett att användas som virke.

13. Metod enligt något av kraven 1-12, kännetecknad av den fukt- halt som bestämts för materialet förs in som indata i en eller flera be- ñntliga modeller eller anordningar för styrning av torkprocessen.

14. Metod enligt något av kraven 1-13, kännetecknad av att nämnda modell eller modeller används för styrning av en eller flera process- parametrar i en torkprocess.

15. Anordning för mätning av fukthalten vid torkning av ett organiskt material, försedd med medel för bestämning av fukthalten i materia- let baserat på materialets dielektriska egenskaper, varvid nämnda medel innefattar medel för emission av elektromagnetisk strålning mot en yta hos materialet, varvid bestämningen av fukthalten utförs baserat på materialets påverkan på nämnda elektromagnetiska strål- ning, kännetecknad av att den innefattar -medel för detektering av en förändring av materialets påverkan på den elektromagnetiska strålningen med tiden, och -medel för etablering av indata till en matematisk modell för bestäm- ning av materialets fukthalt under torkningen utifrån den energi- mängd som åtgått för förångning av vätska i samband med tork- ningsförloppet under en given tidsperiod. 10 15 20 520 165 16

16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad av att medlen för emis- sion av strålning mot materialet innefattar en eller flera antenner, var och en anordnad att sända strålning med ett känt frekvensspektrum mot materialet.

17. Anordning enligt krav 15 eller 16, kännetecknad av att den in- nefattar medel för detektering av strålning som reflekterats av eller transmitterats igenom materialet, samt en enhet för kontinuerlig eller återkommande jämförelse av skillnader mellan spektraldata för varje emitterat frekvensspektrum och spektraldata för det motsvarande reflekterade eller transmitterade frekvensspektret och utvärdering av dessa skillnader för bestämning av materialets fukthalt.

18. Anordning enligt krav 17, kännetecknad av att enheten för jäm- förelse och utvärdering innefattar ett neuralt nätverk och/ eller en elektronisk enhet med mjukvara för Partial Least Square regression, PLS.

19. Anordning enligt krav något av kraven 15- 18, kännetecknad av att medlen för etablering av índata till den matematiska modellen in- nefattar en elektronisk enhet med mjukvara anordnad att jämföra förändringar i tiden hos det fukthaltsvärde som fastställs och den mängd vätska som under motsvarande tid bringats att kondensera i samband med torkningen av materialet.