(57)【要約】  紙などのシート材料の温度測定を、水の赤外域の吸収スペクトルの解析から直接に達成する。この技法は、部分的に、選択された水分ピークの中心波長位置はシート温度に依存する、という認識に基づく。この波長位置はまた、既知の温度感度を有する。従って、この水分ピークの波長位置が決定されれば、監視されている製品の水分温度を計算することができる。好ましくは、水分ピークの位置は、ピークの導関数から得られる。吸収ピークの赤外吸収の大きさおよび波長位置を測定することにより、シート材料の水分含量と水分温度との両方を求めることができる。このデータはプロセス制御に使用される。この温度センサの赤外放射源としては、チューナブル・レーザ・ダイオードが特に適する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物（１４）の水分温度を求める方法であって、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する外部光源（１２）からの放射を、前記組成物（１４）へ入射するように導くステップと、
（ｂ）前記組成物（１４）から出てきた前記放射を解析して、前記吸収ピークの前記放射の中心波長位置を求めるステップと、
（ｃ）前記中心波長位置から前記水分温度を計算するステップと
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、ステップ（ｃ）が、前記波長位置と、既知のベースライン温度で求められたベースライン中心波長位置との差を計算するステップと、相関を適用して前記水分温度を求めるステップとを備える、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、ステップ（ｂ）が、
（ｉ）前記中心波長位置の領域において放射スペクトルを測定し、前記スペクトルを関数に当てはめて曲線を生成するステップと、
（ｉｉ）前記曲線の１次導関数を求めるステップと、
（ｉｉｉ）前記中心波長が極大にあるところでは前記１次導関数がゼロに等しいということに基づいて、前記１次導関数から前記中心波長の位置を求めるステップと
を備える、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、（ｄ）前記吸収ピークの波長域において、前記組成物（１４）から出てきた放射の量を測定することにより、前記組成物（１４）の前記水分含量を求めるステップを更に備える方法。
【請求項５】
ウェブ（１４）の水分含量と水分温度とのうちの少なくとも一方を調節する方法であって、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する外部光源（１２）からの放射を、前記ウェブへ入射するように導くステップと、
（ｂ）前記ウェブ（１２）から出てきた前記放射を解析して、前記吸収ピークの前記放射の中心波長位置を求めるステップと、
（ｃ）前記中心波長位置から前記水分温度を計算するステップと、
（ｄ）前記ウェブ（１４）の前記水分含量を求めるステップと、
（ｅ）計算された前記水分温度および求められた前記水分含量に基づいて、前記ウェブ（１４）の少なくとも一部分の水分含量と水分温度とのうちの少なくとも一方を変化させるステップと
を備える方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、ステップ（ｃ）が、前記波長位置と、既知のベースライン温度で求められたベースライン中心波長位置との差を計算するステップと、相関を適用して前記水分温度を求めるステップとを備える、方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法であって、ステップ（ｂ）が、前記ウェブ（１４）から出てきた前記放射を表す信号またはデータを生成し、前記信号を微分器へ入力するか、又は前記データを、ソフトウェアで構築された導関数へ入力するステップを含む、方法。
【請求項８】
水分を含む組成物（１４）の温度を測定するセンサであって、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する放射を、前記組成物（１４）へ入射するように導く外部光源（１２）と、
（ｂ）前記組成物（１４）から出てきた前記放射を解析して、前記吸収ピークの前記放射の中心波長位置を求める手段（１６）と、
（ｃ）前記中心波長位置から前記水分温度を計算する手段（１６）と
を備えるセンサ。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサであって、前記水分温度を計算する前記手段（１６）が、前記波長位置と、既知のベースライン温度で求められたベースライン中心波長位置との差を計算し、相関を適用して前記水分温度を求める、センサ。
【請求項１０】
請求項１４に記載のセンサであって、前記組成物（１４）から出てきた前記放射を解析する前記手段（１６）が、前記組成物（１４）から出てきた前記放射を表す入力波形の１次導関数を導き出す手段を含む、センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本出願は、２００５年１２月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／７５０，８４３号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、組成物の水分温度（ｍｏｉｓｔｕｒｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を測定するセンサおよび方法、ならびに、組成物中の水分などの特定の成分の存在および濃度を測定するためや、分光法により測定可能な組成物の他の特性を測定するセンサおよび方法に関する。この技法は、チューナブル・レーザ・ダイオードからの特定の波長帯の赤外放射を、移動している紙などの材料シート上へ導き、その材料からの放射を検出するデバイスを使用する。この放射スペクトルの解析は、水分温度および水分含量（ｍｏｉｓｔｕｒｅ  ｃｏｎｔｅｎｔ）を導き出す。
【背景技術】
【０００３】
連続製紙機での紙の製造では、移動しているメッシュの製紙ファブリック（ｆａｂｒｉｃ）上に、繊維を含む水性懸濁液（ｓｔｏｃｋ、紙料）をのせ、重力およびファブリックを通した吸引により水が流出して、紙のウェブ（ｗｅｂ）が形成され。ウェブは次いでプレス部へ送られ、そこで、圧力および真空により水が更に除去される。ウェブは次に乾燥部に入り、そこで、蒸気加熱乾燥機および熱気により乾燥工程を完了させる。この製紙機は本質的に水除去システムである。製紙機の典型的な成形部は、テーブル・ロール、フォイル、真空フォイル、サクション・ボックスなどの一連の水除去エレメントを通じて移動する無限に動く（エンドレスに移動する）製紙用ファブリックまたはすき網を含む。紙のシートを形成するため、紙料は、製紙用ファブリックの上面に載せて運ばれ、連続する上記の脱水エレメントの中を紙料が移動するときに脱水される。最後に、この濡れたシートは、製紙機のプレス部へ運ばれ、そこで、十分な水が除去されて紙のシートを形成する。多くの因子が、水の除去されるレートに影響を与え、この水が除去されるレートは、最終的に、製造される紙の品質に影響を及ぼす。
【０００４】
完成製品の品質を監視するために、紙材料のある種の特性を連続的に測定することは、よく知られている。これらのライン上での測定はしばしば、坪量（basis weight）、水分含量、およびシート・キャリパ（ｃａｌｉｐｅｒ）即ち厚さを含む。この測定を使用してプロセス変量を制御して、生産品の品質を維持し、製造工程の外乱により拒絶せざるを得ない製品の量を最小限に抑えることをめざすことができる。このライン上のシート特性測定は、しばしば、シート材料を縁から縁まで定期的に横断する走査型センサにより達成される。
【０００５】
主乾燥部を出たときに、または巻取りリールのところで、シート材料の水分含量を、走査型センサを使用して測定することは従来から行われている。このような測定を使用して機械動作を調整して、所望のパラメータを達成するようにする。水分含量を測定する１つの技法は、赤外（ＩＲ）領域での水の吸収スペクトルを用いる技法である。この目的のための監視装置やゲージ装置は一般的に使用されている。このような装置は、従来から、固定されたゲージまたは走査ヘッドに取り付けられたゲージを使用し、ゲージは、個々の機械の要求に応じて、乾燥部の出口および／または巻取りリールの入口のところで、ウェブを横切って繰り返し走査される。典型的には、これらのゲージは、例えば、石英タングステン・ハロゲン・ランプなどの広帯域赤外源と、対象とする波長が狭帯域フィルタ、例えば干渉型フィルタ、により選択される１または複数の検出器とを使用する。使用されるゲージは主要な２つのタイプに分かれる。１つは透過型であり、源（ソース）と検出器とがウェブの互いに反対の側にあり、走査型ゲージでは、源と検出器とがウェブを横切って同期して走査される。もう１つは散乱型（典型的には「反射」型と呼ばれる）であり、源と検出器とが、ウェブの１つの側にある一つのヘッドにあり、検出器は、ウェブから散乱した源からの放射の量に反応する。より穏やかな乾燥側の環境にＩＲ水分ゲージを配置するのが最も一般的だが、同様のゲージは、製紙機の湿潤側でも使用される。典型的には、湿潤側の水分ゲージは、プレス部の終わり部分または乾燥部の始まり部分に置かれる。これらの位置のゲージは、抄紙機（paper machine）のプレス部および成形部の診断のためや、乾燥部へ入れるためのウェブの「設定」のために有用である。
【０００６】
動作時、赤外ビームの強度は、ウェブの水分含量および坪量だけに依存するのではなく、湿ったウェブによる赤外放射の吸収は、波長によっても変化する。水およびウェブ繊維は、赤外スペクトルのある波長を他の波長よりも効果的に吸収し、その結果、スペクトルに沿ったさまざまな波長のところに吸収のピークおよび谷がある。更に、これらのピークおよび谷は、ウェブ温度の増大とともに、より短い波長のほうへシフトし、ウェブ温度の低下とともにより長い波長のほうへシフトする。赤外水分測定デバイスが、ウェブ温度の変化に起因する赤外吸収スペクトルのシフトを補償することは、重要である。ライン上の紙ウェブの温度は、１０℃から１００℃までの範囲をとることができため、補償がなければ、これらのデバイスの水分測定はかなりの誤差を生じる。
【０００７】
Ｈｏｗａｒｔｈ（ホワース）その他の米国特許第４，９２８，０１３号は、ウェブ温度の変化を補償するように選択された２つの帯域フィルタを備えた赤外水分センサを記載する。このセンサでは、測定検出器に関連した第１の帯域フィルタは、約１．９３ミクロンの水の赤外吸収ピークにほぼその中心が置かれるように選択される。ウェブ温度が上昇するにつれて、この帯域通過フィルタの長い波長側で、検出される赤外放射の強度が増大し、反対側の通過帯域の短い波長側で、ほぼ等しい赤外線の低下が検出される。この技法により、測定検出器へ到達する赤外放射の総量は、ウェブ温度に実質的に非感応（ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）であると言われる。基準検出器に関連した第２の帯域フィルタは、測定フィルタの赤外スペクトルの領域に近いが、水の吸収の影響を受けないものであり、測定フィルタから十分に離れた赤外スペクトルの或る領域に位置するように、選択される。この基準チャネルの信号変動は、水に関連した変動以外のウェブの変動により支配され、これらと同じ損失は測定チャネルにも存在する。これらの水に依存しない信号損失は、おそらく、シートの坪量に依存する散乱が主な原因である。
【０００８】
Ａｎｄｅｒｓｏｎ（アンダーソン）の米国特許第５，１２４，５５２号は、ウェブを透過した、またはウェブから反射された赤外スペクトルにおける３つの別個の波長域の赤外放射の量を検出することにより、ウェブの水分含量を決定する技法を記載する。温度に対して非感応とすることは、以下のようにして達成されると言われる。すなわち、測定フィルタである第１の帯域フィルタおよび基準フィルタである第２の帯域フィルタの温度応答を、ウェブの最大坪量および最大水分含量に基づいて、慎重に選択し、その他の温度感応性を、温度補正フィルタである第３の帯域フィルタにより更に補償する。
【０００９】
製紙では、水分センサの出力が、典型的には、作動機構、例えば紙への水蒸気の注入、により水分レベルを制御するために使用され、この作動機構がシート温度に影響を与える。更に、水分を測定する従来技術の技法では、温度感応性の最小化は、水分感応性を犠牲にして達成される。当技術分野では、改良型の水分温度センサを追求している。この水分と温度の交差する感応性を排除することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、水の赤外（ＩＲ）域の吸収スペクトルの解析から直接に達成することができる温度測定の技法を対象とする。本発明は、選択された水分ピークの中心波長位置は紙またはシートの温度に依存する、という認識に部分的に基づくものであり、この波長位置は更に既知の温度感度を有する。従って、この水分ピークの波長位置が決定されれば、監視されている製品の水分温度を計算することができる。好ましくは、水分ピークの位置は、ピークの導関数がゼロに等しい位置を求めることにより得られる。本発明では、吸収ピークの波長位置およびＩＲ吸収の大きさを測定することにより、製品の水分含量と水分温度との両方を決定することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一態様では、本発明は、組成物の水分温度を決定する高速のリアル・タイムの方法に関するものであって、この方法は、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する外部光源からの放射を、組成物へ入射するように導くステップと、
（ｂ）組成物から出てきた放射を解析して、吸収ピークの放射の中心波長位置を決定するステップと、
（ｃ）中心波長位置から水分温度を計算するステップと
を含む。
【００１２】
他の態様では、本発明は、ウェブの水分含量と水分温度とのうちの少なくとも一方を調節する高速のリアル・タイムの方法に関するものであって、この方法は、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する外部光源からの放射を、ウェブへ入射するように導くステップと、
（ｂ）ウェブから出てきた放射を解析して、吸収ピークの放射の中心波長位置を決定するステップと、
（ｃ）中心波長位置から水分温度を計算するステップと、
（ｄ）ウェブの水分含量を決定するステップと、
（ｅ）計算された水分温度および決定された水分含量に基づいて、ウェブの少なくとも一部分の水分含量と水分温度とのうちの少なくとも一方を変化させるステップと
を含む。
【００１３】
他の態様では、本発明は、水分を含む組成物の温度を測定する高速のセンサに関するものであって、そのセンサは、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する放射を、組成物へ入射するように導く外部光源と、
（ｂ）組成物から出てきた放射を解析して、吸収ピークの放射の中心波長位置を決定する手段と、
（ｃ）中心波長位置から水分温度を計算する手段と
を含む。
【００１４】
他の態様では、本発明は、水分を含む組成物の温度および水分含量を測定する高速のセンサに関するものであって、そのセンサは、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する放射を、組成物へ入射するように導く外部光源と、
（ｂ）組成物から出てくる放射を解析して、吸収ピークの放射の中心波長位置を解析する手段と、
（ｃ）中心波長位置から水分温度を計算する手段と、
（ｄ）水分含量を測定する手段と
を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、組成物、特にフィルム、ウェブまたはシートの形態の材料の特性を検出するセンサ・システムを対象とする。このセンサは、紙の水分温度および水分含量の測定に関して説明されるが、このセンサを使用して、例えば、コーティングされた材料、プラスチック、織物などを含むさまざまな材料の分光法により測定可能なさまざまな成分の存在および含量を測定できることが、理解される。
【００１６】
図１は、湿らせた紙試料の透過フーリエ変換赤外分光（ＦＴＬＲ）スペクトルを示す。明らかなように、２つの水分依存性のピークがあり、最初のピークは、１．４から１．５μｍの波長域にあり、約５５ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）ピーク幅を有し、第２のピークは、約１．９４μｍにあり、約３０ｎｍのＦＷＨＭを有する。それぞれの水分ピークの振幅は紙の水分含量に比例する。水分ピークの中心波長位置は、紙の温度の影響を受けるものであり、約−０．３ｎｍ／℃の温度感度（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を有する。１．４μｍの吸収ピークは、より大きい温度感度、−０．４７ｎｍ／℃、を有するものと測定されているが、これは、このピークがセルロース依存性と水依存性との両方を有することによるものと考えられる。
【００１７】
図１の実験スペクトル・データは、ＤＣオフセットを有するガウスの線形（Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｌｉｎｅ−ｓｈａｐｅ）の重ね合わせを使用して、あてはめられた。ピークをあてはめるために使用された式は下記のようであった。
【００１８】
【数１】
2009529654.tif 000003
【００１９】
上記の式において、Ｉｐは中心波長λ０における強度、λは波長、Δλは吸収線のＦＷＨＭである。
【００２０】
図２は、ガウスの線形を、標準的な数値解析により計算されたその１次および２次導関数とともに示す。明らかなように、ガウスの線形の極大の波長は、１次導関数のゼロ交差（ｚｅｒｏ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ）でもある。水の吸収ピークが温度の関数であるとすれば、即ち、１．９μｍの選択された水分ピークの中心赤外波長の位置は、温度に依存するものであり、約−０．３ｎｍ／℃の温度感度を有するものであるとすれば、シートの水分温度は、水分ピークの位置を見つけることにより推論することができる。温度感度は、経験的に決定されるものであり、製紙工程において紙がおかれる温度範囲内では、線形関数として近似することができる。吸収ピークの波長位置は、「λｐ＝λ０＋（ｄλ／ｄＴ）×ΔＴ」と表され、ここで、λ０は温度Ｔ０におけるピーク位置、ΔＴはＴ０からの温度差、ｄλ／ｄＴは吸収ピークの温度感度（約−０．３ｎｍ／℃）である。
【００２１】
動作時、最初に、湿らせた紙試料が既知の温度に維持されているときの１．９μｍの水分ピークが測定される。この校正は、ベースライン温度（Ｔ０）と、対応するベースライン水分ピーク波長位置λ０とを確立する。実際の温度測定中に、製品の水分温度を推論することができるが、それは、測定された水分ピークの波長とベースライン水分ピークの波長とを比較し、約０．３ｎｍ／℃の温度感度を適用することによりなされる。本発明の技法を用いることにより、製品の水分温度をリアル・タイムで監視することができるが、それは、１次導関数がゼロである場合（本明細書では「ゼロ導関数」と呼ばれる）に対応する極大波長の位置を追跡することにより、なされる。紙の中の水のピーク位置のこの依存性は変化せず、１回限りの特徴づけ（ｏｎｅ  ｔｉｍｅ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）である。走査型波長源の追加の校正が独立して実行され、そこでは、光スペクトル・アナライザを使用して、走査型波長光源（例えばチューナブル・レーザ・ダイオード）への駆動信号が、放射波長に関して校正される。
【００２２】
本発明の技法を含む、水分温度を測定する好ましい非接触型センサは、光源としてチューナブル・レーザ・ダイオードを使用する。紙の水分を感知するため、チューナブル・レーザ・ダイオードは、監視されている紙の温度が変動したときにセンサが吸収ピークを追跡することを可能にする。ダイオード励起（ｄｉｏｄｅ  ｐｕｍｐｅｄ）Ｎｄ：ＹＡＧレーザのポンピングおよび光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）に基づく１．９μｍ波長範囲の固体チューナブル・レーザ源は、市販されている。しかしながら、経済的や環境的に問題があることから、現在、これらのタイプの光源はあまり好ましくない。１．４から１．５μｍの波長範囲または１．９から２．０μｍの波長範囲の放射を発生させるチューナブル・レーザ・ダイオードは、例えばＮｅｗ  Ｆｏｃｕｓ社（米カリフォルニア州サンノゼ）から入手可能である。
【００２３】
このセンサを使用して製品の水分温度を測定するとき、１つの手法は、対象とする吸収および基準ＩＲ波長を予め決定し、センサを使用して、それらの波長内の一定の、信頼性の高い、エネルギーの流れを提供することである。チューナブル・レーザ・ダイオードは、放射波長がピーク波長付近でディザ（ｄｉｔｈｅｒ）することを可能にして、ゼロ導関数、従って、温度を得るようにする。ゼロ導関数の波長位置は、製品の水分温度を提供する。チューナブル・レーザの放射波長はピークに維持することができるが、それは、導関数をゼロに維持するフィードバック回路を使用することによりなされるものであり、それにより、フィードバック信号が温度に関係づけられる。実際には、水分ピークの大きさは、紙の水分含量が変動するときに変化し得ることに、留意しなければならない。水分ピークのこの追加の変動源は、本発明の組み合わせ型の温度／水分センサの温度センサに関して誤差をもたらす可能性がある。この不利な影響を最小限に抑える好ましい技法は、温度から独立した別個の水分測定を使用して、チューナブル・レーザ・ダイオード信号の水分により変動する成分を補正して、チューナブル・レーザ・ダイオードが温度に対してのみ感応するようにする。使用することができる適当な水分センサは、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．（ハネウェル・インターナショナル社）に譲渡されたＨａｒａｎ（ハラン）およびＢｅｓｅｌｔ（ベセルト）の「Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｓｅｌｅｃｔ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｍｏｖｉｎｇ  Ｓｈｅｅｔ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（動いているシート製品の選択されたコンポーネントを測定するセンサおよび方法）」という名称の米国特許出願第１１／１１６，４９８号に記載されている。この文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００２４】
前述のように、曲線のあてはめ（curve fitting）は、ウェブから出てきた放射を解析して、吸収ピークの放射の中心波長位置を求める１つの技法である。このプロセスは、（ｉ）中心波長位置のある領域の放射スペクトルを測定し、そのスペクトルを関数に当てはめて曲線を生成すること、（ｉｉ）曲線の１次導関数を求めること、および（ｉｉｉ）中心波長が極大にあるところで１次導関数がゼロに等しいということに基づいて、１次導関数から中心波長の位置を求めることを含む。実際には、曲線の当てはめではなく、電子微分器またはアルゴリズムが、１次導関数を導き出すために使用される。例えば、紙のウェブは、ダイオード源からの定義された波長を有する放射で走査することができ、ウェブから出てくる放射または応答信号が、微分器への入力波形である。微分器からの出力波形は、入力波形の数学的導関数である。あるいは、応答信号は、それを、ソフトウェアで構築された導関数に通すことにより、微分することができる。次いでこの導関数が、極大の中心波長を得るために当てはめられる。
【００２５】
更に、反射または透過の際のピーク波長における吸収の大きさは、製品の水分含量を与える。具体的には、水は、赤外スペクトル範囲の放射を、波長の関数として吸収するため、シートの水分含量が高いほど、シートから出てくる水吸収ピークでの又はその付近での放射は少なくなる。
【００２６】
水分含量を測定するために、このセンサは、紙のシートから出てきた放射、即ち、紙のシートから反射された放射、または紙のシートを透過した放射の強度を、吸収および基準のＩＲ帯波長を使用して、同時に測定するように設計されることが好ましい。実質的に、吸収ＩＲ帯波長での吸収測定は、主に、製品中の水量に感応するものであり、製品が乾いているときには、より多くのＩＲ放射が測定され、製品が湿っているときには、より少ない放射が測定される。反対に、基準測定では、放射がＩＲ帯波長にあり、そこでは、水分による吸収が相対的に小さい。この波長帯において失われた光は、シートの水に依存しない（非水依存性）損失により失われたものである。これらの損失は、主に、シートからの散乱と、シートの非水依存性の減衰要因に起因する。この基準測定は、シートからの非水依存性の損失を補正する。測定波長に近いが水吸収帯の外側にある基準波長を有することは有利である、ということに留意されたい。
【００２７】
単一のチューナブル・レーザ・ダイオードを使用する代わりに、複数の波長固定またはチューナブルのレーザ・ダイオードや、明瞭な異なる輝線を有する単一のマルチモード・レーザを使用することもできる。Ｈａｒａｎ（ハラン）およびＢｅｓｅｌｔ（ベセルト）の米国特許出願第１１／１１６，４９８号は、スーパールミネセント（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ）発光ダイオード（ＳＬＥＤ）またはレーザ・ダイオードからの特定の波長帯の赤外放射を導くデバイスを使用したセンサを記載している。これは、吸収線上に幾つかの離散した点を与え、これはまた、曲線の当てはめルーチンと連携して、シート温度およびシート水分を提供することができる。
【００２８】
さらに、非接触型の赤外またはマイクロ波デバイスなどのような従来の１または複数の水分センサを、本発明の水分温度センサと組み合わせて使用することもできる。この従来の水分デバイスは、本発明のセンサが温度に加えて水分を測定する代わりに、使用できるであろう。
【００２９】
図３から分かるように、紙の中の水の温度は、紙の中の水の粘度と表面張力との両方に影響を及ぼす。紙の製造では、シート温度を上昇させて、その粘度を低下させることがしばしば有利である。なぜなら、そうするとシートから水を圧搾（プレス）することがはるかに容易になるからである。しかしながら、これに付随する表面張力の低下により紙を弱くする可能性があり、これにより、製紙工程は、シートの破損の影響を受けやすくなる。従って、これらの２つの特性の適正なバランスがあるはずである。完成製品の水分温度および／または水分含量のプロファイルは、本発明のセンサを用いて得ることができる。
【００３０】
図４は、ウェブ１４の水分温度および水分含量を測定するセンサ・システムの一実施形態を示し、ウェブ１４は、シート製造機の乾燥側でのように、例えば、張力や空気力学的な力により大きくひらめくことなく、比較的まっすぐなラインを移動するように位置的に拘束されている。この場合、光源１２としてのレーザ・ダイオードは、ウェブ１４の下面および赤外検出器１０へ照射する。検出器１０および１または複数の単位動作のアクチュエータ１８へは、コンピュータ１６が接続される。コンピュータ１６は、検出器からのデジタル像を解析して、ウェブ１４の水分温度および水分含量を推定する。コンピュータ１６は、更に、検出器１０からの交差方向測定に応答して動作する制御システムを含むプロファイル解析器を含む。この実施形態は、透過モードで動作するセンサ・システムを示すが、このセンサ・システムを、ウェブから反射された放射を検出器が測定する反射モードとして構成することもできる。
【００３１】
水分含量を測定する他に、シート材料の他の物理特性を監視することもできる。例えば、セルロースなどの繊維、ラテックス、例えばＣａＣＯ３および粘土などのようなミネラルその他を検出することができる。これらの場合のそれぞれにおいて、適当な放射域、例えば、測定用および基準用のＩＲ帯域幅を選択することが、必要となる。紙および紙でコーティングされた製品のさまざまな成分によるＩＲ吸収について、Ｃｈａｓｅ（チェイス）の米国特許第５，０１３，４０３号、Ｃｈａｓｅその他の米国特許第５，２３５，１９２号、およびＢｅｌｏｔｓｅｒｋｏｖｓｋｙ（ベロツェルコフスキー）その他の米国特許第５，７９５，３９４号に、より詳しく記載されている。これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
本発明のセンサは、図５に示されたものなどのような製紙機で使用するのに特に適する。紙材料の連続シート４４を製造するこのシート製造システムは、ヘッドボックス３２、スチームボックス２８、カレンダー用スタック３０、巻取りリール４８、および本発明のセンサを含むスキャナ・システム２０を含む。ヘッドボックス３２には、アクチュエータが配置され、横方向に沿った支持すき網またはウェブ３６上への湿潤紙料の放出を制御する。すき網３６の上面に形成される繊維材料のシートは、ローラ３４と３８との間を縦方向（機械の方向）に移動するように操作され、カレンダー用スタック３０を通過する。カレンダー用スタック３０は、紙ウェブに加えられる圧縮圧力を制御するアクチュエータを含む。このシート製造システムは、シートから水を機械的に除去し、ウェブを強固にするプレス部（図示せず）を含む。その後、水は、乾燥部（図示せず）において蒸発により除去される。完成したシート製品４４はリール４８に集められる。実際には、ヘッドボックスの近くの製紙プロセスの部分は「湿潤側（湿潤端）」と呼ばれ、巻取りリールの近くのプロセスの部分は「乾燥側（乾燥端）」と呼ばれる。
【００３３】
スキャナ・システム２０は一般に、紙製品４４の幅全体にまたがる水平に延びるガイド・トラックの対２４を含む。ガイド・トラックは、直立した支柱２２により両端が支持され、紙製品４４がトラック間を移動するすき間を与える十分な垂直距離を置いて配置される。センサは、測定が実施されるときに紙製品４４の上を往復運動するキャリッジ２６に固定される。製紙用のライン上の走査型センサ・システムは、Ｄａｈｌｑｕｉｓｔ（ダルキスト）の米国特許第４，８７９，４７１号、Ｄａｈｌｑｕｉｓｔその他の米国特許第５，０９４，５３５号、およびＤａｈｌｑｕｉｓｔの米国特許第５，１６６，７４８号に開示されている。これらの文献は全て、参照により本明細書に完全に組み込まれる。
【００３４】
図４に示された本発明のセンサ・システムは、製紙プロセスにおいて、縦方向および／または横方向のさまざまな位置で水分温度および水分含量を検出するのに特に適する。センサを、例えば、製紙機を最適化するために、ウェブの上で縦方向に沿って使用して、特定のグレードの紙を製造するための「理想的」なプロファイルと比較される、ウェブ上の紙料の連続水分プロファイルを生成するようにする。理想からの偏差の程度に応じて、湿潤側および／または乾燥側のパラメータを調整することができる。適当な制御プロセスは、Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒ（ハガート−アレキサンダー）の米国特許第６，０９２，００３号に記載されている。この文献は参照により本明細書に組み込まれる。所望される最終製品を達成するために、乾燥側パラメータ、例えば、加熱デバイスの温度と、湿潤側パラメータとの両方を制御することができる。製紙機のプロセス制御技法は、例えば、ＭａｃＨａｔｔｉｅ（マクハッティ）その他の米国特許第６，８０５，８９９号、Ｈｅａｖｅｎ（ヘブン）その他の米国特許第６，４６６，８３９号、Ｈｕ（フー）その他の米国特許第６，１４９，７７０号、Ｈａｇａｒｔ−Ａｌｅｘａｎｄｅｒその他の米国特許第６，０９２，００３号、Ｈｅａｖｅｎその他の米国特許第６，０８０，２７８号、Ｈｕその他の米国特許第６，０５９，９３１号、Ｈｕその他の米国特許第６，８５３，５４３号、およびＨｅ（ヒー）その他の米国特許第５，８９２，６７９号に、より詳しく記載されている。これらの文献は全て、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３５】
本発明の原理、好ましい実施形態および動作モードを説明した。しかしながら、本発明が、論じられた特定の実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、上記の実施形態は、限定を目的としたものではなく、例示を目的としたものであると考えるべきであり、それらの実施形態には、当業者により、特許請求の範囲により定義された本発明の範囲を逸脱しない変更を加えることができることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、湿った紙試料の吸収スペクトルであり、ｙ軸は目盛りを定められていない。
【図２】図２は、１次および２次の導関数でのガウスの線形である。
【図３】図３は、紙の中の水の粘度および表面張力の温度依存性を示すグラフである。
【図４】図４は、光源および検出デバイスの一つの構成を示す。
【図５】図５は、本発明のセンサを含むシート製造システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年8月22日(2008.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成物（１４）の水分温度を求める方法であって、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する外部光源（１２）からの放射を、前記組成物（１４）へ入射するように導くステップと、
（ｂ）前記組成物（１４）から出てきた前記放射を解析して、前記吸収ピークの前記放射の中心波長位置を求めるステップと、
（ｃ）前記中心波長位置から前記水分温度を計算するステップと
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、ステップ（ｃ）が、前記波長位置と、既知のベースライン温度で求められたベースライン中心波長位置との差を計算するステップと、相関を適用して前記水分温度を求めるステップとを備える、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、ステップ（ｂ）が、
（ｉ）前記中心波長位置の領域において放射スペクトルを測定し、前記スペクトルを関数に当てはめて曲線を生成するステップと、
（ｉｉ）前記曲線の１次導関数を求めるステップと、
（ｉｉｉ）前記中心波長が極大にあるところでは前記１次導関数がゼロに等しいということに基づいて、前記１次導関数から前記中心波長の位置を求めるステップと
を備える、方法。
【請求項４】
水分を含む組成物（１４）の温度を測定するセンサであって、
（ａ）水の吸収ピークを囲む所望される波長域を有する放射を、前記組成物（１４）へ入射するように導く外部光源（１２）と、
（ｂ）前記組成物（１４）から出てきた前記放射を解析して、前記吸収ピークの前記放射の中心波長位置を求める手段（１６）と、
（ｃ）前記中心波長位置から前記水分温度を計算する手段（１６）と
を備えるセンサ。
【国際調査報告】
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