(57)【要約】  材料測定システム（５００）は、光パルスを放射する少なくとも１つのレーザ光源（１１１）を含むＴＨｚ発生器を含み、光パルスは、製造システム（１００）による処理の間、材料（１４）上のサンプル位置でパルスＴＨｚ放射を放射するように動作可能なＴＨｚエミッタ（５１）に結合される。受信機（５２）は、光パルスを受信し、光パルスと同期して、材料（１４）上のサンプル位置から反射または透過されたＴＨｚ放射を検出し、電気検出信号を供給するように動作可能である。同期光学素子（１１２、１１３、１１４）は、前記レーザから光パルスを受信し、受信機（５２）とＴＨｚエミッタ（５１）の両方に光パルスを供給するように動作可能である。コントローラ（２５）は、電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサ（８７）と、処理された電気検出信号から前記材料の少なくとも１つ、一般には複数の特性を決定するように動作可能なアナライザ（８８）とを含む。
2011503583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを放射するための少なくとも１つのレーザ光源（１１１）を含み、前記光パルスは、製造システム（１００）によって処理される間、前記材料（１４）の上のサンプル位置でパルスＴＨｚ放射を放射するように動作可能なＴＨｚエミッタ（５１）に結合される、ＴＨｚ発生器と、
前記光パルスを受信し、前記光パルスと同期して、前記サンプル位置から反射されたまたは透過されたＴＨｚ放射を検出して、電気検出信号を供給するように動作可能な受信機（５２）と、
前記レーザ（１１１）から前記光パルスを受信し、前記受信機（５２）と前記ＴＨｚエミッタ（５１）の両方に前記光パルスを供給するように動作可能な同期光学素子（１１２、１１３および１１４）と、
前記電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサ（８７）および前記処理された電気検出信号から前記材料（１４）の少なくとも１つの特性を決定するように動作可能なアナライザ（８８）を備えるコントローラ（２５）と、
を備える材料測定システム（５００）。
【請求項２】
光ファイバ（１１５）をさらに備え、前記光パルスは、前記光ファイバによって前記レーザ光源（１１１）から前記受信機（５２）および前記エミッタ（５１）のうちの少なくとも１つに結合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アナライザ（８８）は、前記サンプル位置で前記材料（１４）の複数の前記特性を同時に決定するように動作可能であり、前記複数の特性は、坪量、水分、厚さ、構成および繊維配向からなるグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラ（２５）および前記レーザ（１１１）の両方は、前記製造システムから離れて置かれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＴＨｚエミッタ（５１）と前記受信機（５２）が単一のセンサモジュール内で組み合わされる、請求項１に記載の測定システム。
【請求項６】
前記受信機（５２）および前記ＴＨｚエミッタ（５１）は、前記材料の両側に置かれ、それによって、前記システムが透過ベースのシステムである、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
複数のアクチュエータを含む材料製造システム（１００）と、
光パルスを放射するための少なくとも１つのレーザ光源（１１１）を含み、前記光パルスは、前記材料マスキングシステムによって処理される材料（１４）の上のサンプル位置でパルスＴＨｚ放射を放射するように動作可能なＴＨｚエミッタ（５１）に結合される、ＴＨｚ発生器と、
前記光パルスを受信し、前記光パルスと同期して、前記サンプル位置から反射されたまたは透過されたＴＨｚ放射を検出して、電気検出信号を供給するように動作可能な受信機（５２）と、
前記レーザから前記光パルスを受信し、前記受信機（５２）と前記ＴＨｚエミッタ（５１）の両方に前記光パルスを供給するように動作可能な同期光学素子（１１２）、前記電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサ（８７）、および前記処理された電気検出信号から前記材料（１４）の少なくとも１つの特性を決定するように動作可能なアナライザ（８８）を備えるコントローラ（２５）を備える、前記材料製造システム（１００）に動作可能に結合された制御システム（１０）と、を備え、
前記コントローラ（２５）は、前記特性に基づいて前記複数のアクチュエータのうちの少なくとも１つを使用して前記材料製造の操作を制御するように動作可能にリンクされる、
被制御システムまたは形成材。
【請求項８】
光ファイバ（１１５）をさらに備え、
前記光パルスが前記光ファイバ（１１１）によって前記レーザ光源（１１１）から、前記受信機（５２）および前記エミッタ（５１）のうちの少なくとも１つに結合される、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記材料製造システム（１００）は、製紙システム（３００）を備え、前記製紙システムは、
シート材料（１４）の形成を開始するためにウェットストック材料からの機械的水分除去を制御するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを含むプレス部と、
前記シート材料（１４）の蒸発乾燥を制御するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを含む乾燥部と、
前記シート材料への圧縮圧力を制御するための少なくとも１つのアクチュエータを含むキャレンダスタックと、
前記シート材料（１４）の連続ロールを生成するための巻取りリール（４８）と、を直列接続で備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
製造システムによって処理された材料の現場品質管理のための方法であって、
前記製造システムによって処理されている材料（１４）上のサンプル位置にＴＨｚ放射を向けるステップと、
前記サンプル位置から反射された放射または透過された放射を測定し、そこから電気検出信号を生成するステップと、
前記電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサ（８７）を備える、離れて置かれたコントローラ（２５）に前記電気検出信号を送信するステップと、
前記処理された電気検出信号から前記材料（１４）の少なくとも１つの特性を決定するステップと、
前記特性に基づいて少なくとも１つのプロセスパラメータを自動的に修正するステップとを備える、方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの特性が複数の前記特性を備え、前記複数の特性は、前記サンプル位置の単一の位置からの前記反射された放射または透過された放射の同時測定から決定される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記測定ステップが同期測定ステップを備え、前記同期測定ステップは、前記ＴＨｚ放射を生成するために使用されたレーザ光源（１１１）からの光パルスと同期され、前記光パルスファイバは、前記ＴＨｚ放射を生成するためのＴＨｚ発生器、および前記反射された放射または透過された放射の前記測定のための受信機に光結合される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記決定ステップは、前記処理された電気検出信号から時間領域分光（ＴＤＳ）スペクトルを生成するステップを備える、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、プロセス制御システムに関し、より詳細には、紙などの製造される材料の品質を管理するためのテラヘルツ分光ベースの測定および制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製紙工場および材料製造工場などの処理施設は一般に、プロセス制御システムおよび品質管理システム（ＱＣＳ）を使用して管理される。バルブ、ポンプ、モータ、加熱／冷却装置、および他の産業機器および電子機器は一般に、処理施設内で材料を処理するのに必要な行為を実施する。諸機能の中で特に挙げると、プロセス制御システムおよびＱＣＳはしばしば、処理施設内の産業機器の使用を管理する。
【０００３】
プロセス制御システムは、分散制御システム（ＤＣＳ）を備えてよい。ＤＣＳは一般に、ＱＣＳに接続され、それと連携して働き、このＱＣＳは一般に、製造されている製品（たとえば紙）の属性を測定し、製造中の製品の品質を調整するための制御信号を産業機器に送るための装置を含む。
【０００４】
コントローラはしばしば、処理施設内の産業機器の動作を制御するために使用される。コントローラは一般に、産業機器の動作を監視し、産業機器に制御信号を供給し、かつ／または不具合が検出されるとき警告を生成する。フィールド装置は、センサ（たとえば温度、圧力および流量センサ）、ならびに他の受動および／または能動素子を含むことができる。プロセスコントローラは、制御ルーチンを実施するために、フィールド装置によって行われたフィールド測定などのプロセス情報を受け取ることができる。次いで、プロセスの動作および材料の製造を制御するために、制御信号が生成され、産業機器に送られ得る。
【０００５】
たとえば、紙の製造では、製紙工程の間、紙の含水率および温度を測定するために複数のフィールド装置が使用されていると知られている。このプロセスでは、紙のウェブが、移動するメッシュ製紙布上の繊維（紙料）の水性懸濁液から形成される。紙の中の水は、重力、および布を通した吸引によって流出する。次いで、ウェブは、プレス部に移され、このプレス部で、圧力および真空によってさらなる水が除去される。次いで、ウェブは、乾燥部に入り、この乾燥部で、蒸気加熱乾燥機および熱風によって乾燥プロセスが完了する。この抄紙機は本質的に、水分除去システムである。
【０００６】
製紙システムの典型的な形成部は、本質的に無限の移動する製紙布またはワイヤを含み、この布またはワイヤは、テーブルロール、フォイル、真空フォイルおよびサクションボックスなど、一連の水分除去要素の上を一般に移動する。紙料は、製紙布の上面に載せて運ばれ、紙のシートを形成するために、紙料が連続脱水要素の上を移動する間に脱水される。次いで、ウェットシートは、製紙システムのプレス部に移され、このプレス部で、紙のシートを形成できるほど十分な水が除去される。多くの要因が水分除去の割合に影響し、この水分除去の割合は、生産された紙の品質に最終的な影響を及ぼす。
【０００７】
製紙工程の間に行われるオンライン測定は一般に、坪量、水分およびシートのキャリパ（すなわち厚さ）を含む。測定は、生産物の品質を維持し、したがって不合格になる製品の量を最小限に抑えることを目的に、プロセス変数を制御するために使用され得る。オンラインのシート特性測定は、シート材料を端から端まで周期的に横断するスキャンセンサによってしばしば遂行される。
【０００８】
図１を参照にすると、図では既知のスキャン装置１７が、シート材料（たとえば紙１４）を端から端まで横断し、製紙工程の間にシート材料の１つまたは複数の特性測定を行うために使用されている。スキャン装置１７は、互いに隣に配置された複数のセンサＳ１、Ｓ２およびＳ３を含む。これらのセンサは、シート材料の特有の特性を測定するために各センサがそれ自体の特有のハードウェアを使用するので、互いに異なる。それぞれの特有の特性は一般に、異なる測定技術を必要とする。たとえば、Ｓ１は、位置Ｐ１で水分を測定する赤外線（ＩＲ）センサであってよく、Ｓ２は、位置Ｐ２で坪量測定する核要素であってよく、Ｓ３は、位置Ｐ３で別の材料特性を測定する光学ユニットであってよい。
【０００９】
スキャン装置１７は一般に、製紙工程の「ドライ」エンドに置かれ、この「ドライ」エンドでは、センサは、「ウェットエンド」に関連する極端な状態、たとえばスチームボックスの近くなど、高温または高湿度の条件にさらされない。スキャン装置１７のセンサＳ１、Ｓ２およびＳ３は、「ウェットエンド」の高熱および水分環境では内蔵型電子機器が適切に動作しないことがあり、または損傷を受けることがあるので、ドライエンドにある。さらに、センサＳ１、Ｓ２およびＳ３は共に、一般にかさばる大きさであり、「ウェットエンド」内の戦略的な測定位置に容易には収まらず、または置くことができない。したがって、製紙工程の「ドライエンド」が、製紙工程の間、シート材料の特性測定を行うために一般に使用される。
【００１０】
製紙工程の監視に使用される制御システムは、「ドライエンド」のそれぞれ異なる位置Ｐ１、Ｐ２およびＰ３で測定された紙特性、およびこれらの「最終」測定に基づいて制御プロセスパラメータを査定することができる。抄紙機のウェットエンド、プレス部、乾燥部、および仕上げ部のシステムの作動は一般に、リールの「ドライエンド」スキャナから読み取ることによってすべて制御される。たとえば、シート材料が主要乾燥部を離れるとその含水率を測定し、あるいは「ドライエンド」でスキャンセンサを使用して巻取りリールで含水率を測定することは、従来行われている。「ドライエンド」の測定は、所望のパラメータおよび性能を達成するために、製紙工程の機械動作を調整するために使用されてよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
「ドライエンド」測定制御は、製紙業にとって著しい利点をもたらしているが、いくらかの制限がある。図１に示されたスキャン装置１７などの従来のスキャン装置は、紙１４の上の各測定の位置（Ｐ１、Ｐ２およびＰ３）が異なることにより、坪量またはキャリパを正確には測定できないことがある。センサは、互いに近くにあるが、一般に、特定の位置で別個の品質特性を同時に測定することができない。さらに、スキャン装置は、たとえば、上述されたように受信センサ（Ｓ１、Ｓ２およびＳ３）の損傷をもたらし得る極端に高い温度および水分状態が存在する「ウェットエンド」においては、工程内のそれぞれ異なる点で測定を行うことが不可能であり得る。
【００１２】
「ドライエンド」測定は一般に、製紙工程内のそれぞれ異なるプロセス点における紙の変化を捕捉するには不十分である。こうした不完全なプロセス測定は、品質の低下、およびコストの増加など、製造上の欠点をもたらすことがある。さらに、製紙工程の「ドライエンド」で行われた測定が、「ウェットエンド」の測定を推定するために使用される場合、推定の結果、誤差が生じることがある。たとえば、測定は、紙の同じスポットからのものでないことがあり、したがって、誤差は同じプロセスによるものでないことがある。誤差は、機械速度が不正確であること、測定スポットのサイズか異なること、収縮が非線形であること、および／またはシートの振揺のせいで生じることもある。さらに、「ドライエンド」で動作する従来のスキャン装置は、プレス部の高密度化を乾燥部の高密度化から分離するのが難しく、したがって一般に、紙密度の正確な測定を提供することができない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この概要は、発明の性質および内容を簡潔に示す発明の概要を求める連邦規則法典第３７巻１．７３に従うように提供されている。それは、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈または制限するために使用されるものではないとの理解の下に提示される。
【００１４】
材料測定システムが、光パルスを放射する少なくとも１つのレーザ光源を含むＴＨｚ発生器を含み、光パルスは、製造システムによる処理の間、材料上のサンプル位置でパルスＴＨｚ放射を放射するように動作可能なＴＨｚエミッタに結合される。受信機は、光パルスを受信し、光パルスと同期して、サンプル位置から反射または透過されたＴＨｚ放射を検出し、電気検出信号を供給するように動作可能である。同期光学素子は、レーザから光パルスを受信し、受信機とＴＨｚエミッタの両方に光パルスを供給するように動作することができる。コントローラは、電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサを含む。アナライザは、処理された電気検出信号から材料の少なくとも１つの（一般には複数の）特性を決定するように動作することができる。
【００１５】
本発明の一実施形態では、ＴＨｚエミッタは、パルスＴＨｚ放射を放射し、アナライザは、処理された電気検出信号から時間領域分光（ＴＤＳ：ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）スペクトルを生成するように動作することができる。本発明の複数の実施形態では、コントローラおよびレーザは、製造システムから離れて置かれる。本明細書で使用される際、「離れて置かれる」は、最も近くでは機械の側に置かれており、最も遠くでは抄紙機の近くの別の部屋に置かれた要素を指し、一般には機械から１メートルから５０メートルである。コントローラは、多変数コントローラを備えることができる。
【００１６】
ＴＨｚエミッタおよび受信機は、単一のセンサモジュール内で組み合わされてよい。この実施形態では、このシステムは、センサを移動してシステムのクロス方向の複数のサンプル位置からシート材料の特性を取得するためのセンサモジュールに結合されたスキャナをさらに備えることができる。アナライザは、坪量、水分およびキャリパ（厚さ）、構成、およびサンプル位置の繊維配向のうちの２つ以上を同時に測定するように動作可能であってよい。
【００１７】
被制御システムまたは形成材が、複数のアクチュエータを含む材料製造システムを備える。制御システムが、光パルスを放射するための少なくとも１つのレーザ光源を含むＴＨｚ発生器を備える材料製造システムに動作可能に結合され、光パルスは、材料マスキングシステムによって処理されている材料上のサンプル位置でパルスＴＨｚ放射を放射するように動作可能なＴＨｚエミッタに結合される。受信機が、光パルスを受信し、光パルスに同期して、サンプル位置から反射または透過されたＴＨｚ放射を検出し、電気検出信号を供給するように動作可能である。同期光学素子が、レーザから光パルスを受信し、受信機とＴＨｚエミッタの両方に光パルスを供給するように動作可能である。少なくとも１つのプロセッサを備えるコントローラが、電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給する。アナライザが、処理された電気検出信号から材料の少なくとも１つの特性を決定するように動作することができる。コントローラは、特性に基づいて、複数のアクチュエータのうちの少なくとも１つを使用して材料製造システムの動作を制御するように動作可能にリンクされる。
【００１８】
一実施形態では、材料製造システムは、シート材料の形成を開始するためにウェットストック材料からの機械的水分除去を制御するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを含むプレス部と、シート材料の蒸発乾燥を制御するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを含む乾燥部と、シート材料へ圧縮圧力を制御するための少なくとも１つのアクチュエータを含むキャレンダスタックと、シート材料の連続ロールを生産するための巻取りリールとを直列接続で備える製紙システムを備えることができる。
【００１９】
製造システムによって処理された材料の現場品質管理のための方法が、製造システムによって処理されている材料上のサンプル位置にＴＨｚ放射を向けるステップと、サンプル位置から反射された放射または透過された放射を測定し、そこから電気検出信号を生成するステップと、電気検出信号を受信し、処理された電気検出信号を供給するための少なくとも１つのプロセッサを備える、離れて置かれたコントローラに電気検出信号を送信するステップとを備える。材料の少なくとも１つの特性が、処理された電気検出信号から決定され、少なくとも１つのプロセスパラメータが、特性に基づいて自動的に修正される。この少なくとも１つの特性は、複数の特性を含むことができ、それらの複数の特性は、単一のサンプル位置からの反射された放射または透過された放射の同時測定から決定される。決定ステップは、処理された電気検出信号から時間領域分光（ＴＤＳ）スペクトルを生成するステップを備えることができる。
【００２０】
サンプル位置は、システムのウェットゾーン内にあってよい。ウェットゾーンは、本明細書では、（重量で）繊維より水の方が多い領域と定義される。一般に、ドライエンド測定は、２０％未満の水分など、繊維より水の方が少ない測定を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】紙の上のそれぞれ異なる位置で１つまたは複数の紙の特性を測定するための複数の別個のセンサを備える既知のセンサ装置の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、紙の上の同時位置で複数の紙特性を同時に測定するための例示的なセンサ装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による、図２のセンサ装置を組み込む例示的な製紙システムの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態による、プロセス制御のためのＴＨｚ分光ベースの制御システムを含む例示的な製紙システムの概略図である。
【図５】本発明の一実施形態による、図２のセンサ装置を組み込む例示的な高速光ファイバ反射スキャンシステムの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による、図５の例示的なシステムのより詳細な概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による、図２のセンサ装置を組み込む例示的な高速光ファイバ透過スキャンシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図２を参照すると、本発明の一実施形態による、紙１４などの材料の少なくとも１つの特性、一般には複数の特性を同時に測定するための例示的なセンサ装置２３が示されている。ある構成では、センサ装置２３は、紙の並進経路に対して直角に、紙のクロス方向にセンサ装置２３を移動するように動作可能なスキャナ２７に結合されてよい。別の構成では、センサ装置２３は、固定点測定を得るためにスキャナ２７の長さに沿って、固定位置にとどまることができる。固定の実施形態では、センサ用の取付け装置は一般に、機械の全幅に渡るものではないが、一般に、一方の端から１または２メートルを投影する。センサ装置２３は、紙１４の複数の特性測定を同時に、すなわち同じ紙位置で、同じ時間に取得することができる。たとえば、センサ装置２３は、坪量、水分率、繊維配向、およびキャリパなど、特性１、特性２および特性３を、示された同じ紙位置、Ｐ０で、同時に測定することができる。本明細書では、「同時」は、せいぜい１０ミリ秒の時間間隔を指す。特性測定のために、テラヘルツ放射が使用され、一実施形態では、テラヘルツ／時間領域分光（ＴＨｚ／ＴＤＳ）が用いられる。
【００２３】
当技術分野で知られているように、テラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ）は、ＴＨｚ放射の短パルスで材料特性を検査するために一意の生成および検出方式が使用される分光技術である。この生成および検出方式は本発明人によって、シート材料などの材料の、ＴＨｚ放射の振幅と位相の両方に対する影響に敏感であることが分かっている。
【００２４】
ＴＨｚ領域は、遠赤外またはサブミリメートル領域とも呼ばれることがあり、赤外線（ＩＲ）領域と電磁スペクトルのマイクロ波領域との間に位置する。ＴＨｚ領域の境界は正確には定義されないが、一般には３０μｍと１５００μｍ波長の間、または１０ＴＨｚと０．２ＴＨｚ周波数の間、または３３０ｃｍ−１と７ｃｍ−１波数の間である。
【００２５】
スキャナ２７およびセンサ装置２３は、シート材料製造プロセスなど、材料製造プロセスで使用するのに適している。一例は、図３に示された本発明の一実施形態による、システム３００など、紙１４の連続したシートを生産するための製紙システムである。図では、製紙システム３００は、ヘッドボックス３２と、スチームボックス２８と、キャレンダスタック３０と、巻取りリール４８と、「ドライエンド」のスキャナシステム２０と、「ウェットエンド」の同時センサ装置２３を含むスキャナ２７とを含む。センサ装置２３は一般に、ＴＨｚエミッタとＴＨｚ受信機とを備える。別個のモジュールとして示されているが、スキャナ２７およびセンサ装置２３は、スキャナ２０と統合されてもよいし、それに置き換わってもよい。ヘッドボックス３２では、アクチュエータが、ウェット紙料の支持ワイヤ３６への放出を制御するように構成される。ワイヤ３６の上部に形成する繊維材料のシートは、ローラ３４と３８の間で機械方向に移動するように訓練され、キャレンダスタック３０を通過する。シート材料は、フィルム、ウェブまたはシートの形であってよい。
【００２６】
キャレンダスタック３０は、ペーパーウェブ全体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。製紙システム３００は、シートから水が機械的に除去され、またウェブがまとめられるスタック３０の前に、プレス部（図示せず）をも含む。その後、水は、乾燥部（図示せず）で、蒸発によって除去される。完成したシート製品１４は、リール４８上に集められる。図３に示された破線は、ウェットエンドをドライエンドから分離している。各ウェットエンドとドライエンドの境界は、本明細書では、乾燥部初期の、スタック３０のすぐ後を指し、そこで、繊維量が初めて水分量より多くなり始める。
【００２７】
スキャナ２０は一般に、紙１４の幅に渡る、水平に伸びたガイドトラック２４の対を含む。ガイドトラックは、その反対の端で直立の支柱２２によって支えられ、トラック間で紙１４が移動するすき間を許容できるほど十分な距離だけ間隔を置いて垂直に配置される。従来のセンサ２６は、測定が行われる間、紙１４の上を前後に移動するキャリッジ２４に固定される。センサ２６は、最終品質（たとえば坪量、水分、キャリパ）を測定するために使用されてよい。センサ２３は、既にセンサ２６を有するシステムに追加されてよく、あるいはセンサ２３は、センサ２６に取って換わることができる。センサ２６は、１つの特性を測定する１つのセンサであってよく、あるいはそれは、複数の特性を測定する複数の別個のセンサであってよい。スキャナ２７は、紙１４の幅に渡る水平に伸びたガイドトラック（図示せず）の対を含むことができる。センサ２３もまた、測定が行われる間、紙１４の上を前後に移動するスキャナ２７上の小さいキャリッジ（図示せず）に固定されてよい。光ファイバケーブル３９は、センサ装置２３（およびシステム３００の製紙部品）から離れて置かれたＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス１１０を通信可能に接続できる通信用の一手段である。ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０は、下記に述べられるように、レーザシステムと同期光学素子とを備える。光ファイバケーブル３９は、レーザからの光パルスを送って、システム３００の製紙部品の近くに置かれたものを含めてセンサ２３に結合するために使用されてよい。
【００２８】
オプトエレクトロニクスは、システム３００からやはり離れて置かれた、関連するコントローラに通信可能に接続される（図３には図示せず、後述の図５を参照）。こうした構成では、ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０の高感度の電子部品も、コントローラも、システム３００の「ウェットエンド」の極端に高い温度および水分条件にさらされない。
【００２９】
図３に示されたように、センサ装置２３は、製紙工程の「ウェットエンド」で、スキャナ２７上に置かれる。別の構成では、センサ装置２３は、温度および湿度が「ドライエンド」の条件と比べて非常に高いスチームボックス２８の近くに置かれることもできる。またセンサ装置２３は、ヘッドボックス３２の近くに置かれてもよいし、「ウェットエンド」の近くの他のいずれかのコンポーネントの近くに置かれてもよい。別の実施形態では、センサ装置２３は、システム３００のドライエンドに置かれる。スキャナ２７、センサ装置２３および光ファイバケーブル３９は単独に、または組み合わせて、一般に十分に柔軟性があり、製紙システム３００のスペースが制約された領域内のどこかに置くことができるほど小さいものである。
【００３０】
「ウェットエンド」に配置されたセンサ装置２３は、主要な紙品質パラメータの測定を単一の紙位置で同時にできるようにする「ウェットエンド」条件の測定を可能にする。センサ装置２３に可能な小さい堅牢なフォームファクタによって、測定を妨害源に置くことが可能になり、制御およびアクチュエータが製紙工程に関連する問題を特定のときに解決できるようになる。別の実施形態では、複数のセンサ装置２３が、製紙システム３００内の同時位置で複数の紙品質パラメータをそれぞれが測定するために製紙システム３００内の様々な位置に置かれることもできる。
【００３１】
図４を参照すると、本発明の一実施形態による、プロセス制御のための例示的な制御システム１０の概略図が示されている。制御システム１０は、ユーザインターフェース５０を備えるコントローラ２５と、モデリングツール７５とを含む。図では、コントローラ２５は、プロセッサ（たとえば信号プロセッサ）８７とアナライザ８８とを含む。制御システム１０は、操作パラメータを受信しかつ／または取り出し、紙プロセスモデルを取り出し、受信しかつ／または生成し、かつ／または１つまたは複数の紙プロセスまたはシステムに関する制御を実施できる他のコンポーネント、およびコンポーネントの組合せを含むことができる。コントローラ２５、ユーザインターフェース５０およびモデリングツール７５は、別個のコンポーネントとすることができ、あるいは単一のプロセッサやコンピュータ内などで互いに統合されてもよい。
【００３２】
図では、コントローラ２５は、プロセス施設１００の１つまたは複数の制御装置１５０、たとえばインターフェース１７５の使用によってなど、図３の製紙システムに関連する例示的な制御装置に結合され、またはそれと通信状態にある。結合または通信は、ハードウェア、光および／または無線結合を含めて、様々なコンポーネントおよび知られている技術を使用したものであってよい。制御システム１０は、装置のそれぞれを直接制御し、または装置のマスタ／スレーブ構成でなど、製紙工程に関連する制御装置１５０のうちの１つまたは複数と直接通信する状態であってよい。示されていないが、制御システム１０は、アプリケーションサーバによってプロセス施設１００に結合可能である。
【００３３】
制御装置１５０は、バルブ、ポンプ、モータ、過熱／冷却装置、および他の産業機器、ならびにセンサ（たとえば温度、圧力および流量センサ）、および他の受動および／または能動装置を含めて、施設１００のプロセスに組み込まれた様々な装置であってよい。たとえば、制御装置１５０は、ヘッドボックス３２、スチームボックス２８、キャレンダスタック３０、巻取りリール４８、スキャナシステム２０、スキャナ２７、または冷却装置や加熱装置など、図３の製紙システム３００の他のコンポーネントに関連する制御に対応し得る。本発明は、プロセスの制御を実施するために使用される制御装置のタイプによって制限されず、プロセスの一部で圧力および／または温度を調整するためのサブシステムなど、様々な装置および装置の組合せを含むことができる。
【００３４】
インターフェース１７５は、製造工程の間、それぞれが紙などのシート材料の１つまたは複数の特性を同時に測定するために、１つまたは複数のセンサ装置２３を１つまたは複数の制御装置１５０に結合することができる。実際には、コントローラ２５は、少なくとも一部、ＴＨｚ分光を使用して複数の紙品質パラメータを評価するインターフェース１７５に動作可能に結合されてよい。観察される各特性によって、制御の複雑さの様々な度合いを生じさせることができる。コントローラ２５は、測定された紙品質特性を考慮して製紙工程をプロセス効率およびコストを最適化するように制御するために、プロセス施設１００の１つまたは複数の制御装置１５０を始動させることもできる。
【００３５】
本発明の一態様では、コントローラ２５は、製紙工程を監視して、形成からプレス、乾燥、仕上げまで、水分プロファイルをターゲットとする。コントローラ２５は、製紙工程の間、センサ装置２３のＴＨｚ受信コンポーネントから電気検出信号を受信する。コントローラ２５は、電気検出信号を処理し、解析によって１つまたは複数の紙品質特性を決定して、たとえば水分プロファイルがどのように達成されるか、ならびに水分プロファイルが製紙工程の間、「ウェットエンド」からプレスに、また「ドライエンド」のプレスから乾燥に、どのように更新されるべきか決定することができる。当技術分野において知られているように、水分プロファイルは、シート張力プロファイル、シート破損、収縮、巻取り効率、プレスルーム操作などの変数にかなりの影響を及ぼすことがある。
【００３６】
図４に示されたモデリングツール７５は、最適なコスト節減を達成する制御設定を予測するために、紙品質特性を評価し、工程の間、水分プロファイルをターゲットにすることができる。モデリングツール７５は、同時センサ装置２３によって測定された品質特性考慮して紙品質の変化を予測し、効率向上のためにコストを削減する制御調整をオペレータに提案することもできる。ユーザインターフェース５０は、測定された１つまたは複数の紙品質パラメータを提示し、１つまたは複数の制御装置１５０の作動の調整のための１つまたは複数の制御コマンドを受け取ることができる。一例として、コントローラ２５は、希釈流量制御ヘッドボックス３２上でクロス方向（ＣＤ）重量プロファイルを制御するために、同時センサ装置２３によって測定された品質特性を監視することができる。そうでない場合は、こうした制御は、測定ゾーンのアクチュエータゾーンへのマッピングを変化させるウェブの振揺および非線形収縮が「ウェットエンド」で考慮されないならば、問題になろう。「ウェットエンド」で品質特性を同時に監視することは、機械方向（ＭＤ）変動成分と、ＣＤ変動成分の分離をも提供する。
【００３７】
とりわけ、単一の紙位置で複数の特性を測定することによって、形成変化に関連する誤差を抑えるのに役立ち得る。たとえば、それぞれの制御装置１５０は、複数の紙品質特性を同時に測定するために、同時センサ装置２３を備えることができる。こうした点で、制御ループが、乾燥機、プレスおよび「ウェットエンド」コンポーネントの主要な抄紙機サブプロセスの周りで形成され得る。コントローラ２５は、紙品質特性を評価し、紙品質変化をその発生源で抑制しまたは取り除き、効率的で、紙品質に適した経路をターゲティングし、再生することを可能にすることができる。これは、「ドライエンド」のセンシング要素が十分に堅牢ではなく、または「ウェットエンド」で操作できるほど柔軟ではなく、また紙１４上の同じ位置で同時測定を十分には取得することができない現在のリールスキャナ中心のモデルに比べて、抄紙機の制御における著しい改良をもたらすことができる。
【００３８】
制御システム１０は、制御されているプロセスから計算され、シミュレートされ、測定され、または別のやり方で感知された操作パラメータに基づいて決定された操作変数を格納するなど、様々な変数、データまたは他の情報のデータレポジトリの働きをする、好ましくは不揮発性の、関連する書込み可能メモリを含むことができる。メモリは、たとえばモデリングツールによって提供されたモデルを格納するための、コントローラ２５、モデリングツール７５、および／または制御システム１０の別のコンポーネントの一部であってよい。
【００３９】
次に図５を参照すると、シート材料製造プロセスの間、紙１４などのシート材料の１つまたは複数の特性を同時に測定するための本発明の一実施形態による例示的なテラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ）ベースの測定システム５００の概略図が示されている。示されたシステム５００は、コントローラ２５と、レーザと同期光学素子とを含むテラヘルツ／時間領域分光（ＴＨｚ／ＴＤＳ）オプトエレクトロニクス素子１１０と、電気インターフェース１７５と、センサ装置２３に結合されたスキャナ１２０とを含む。センサ装置２３は、ＴＨｚ送信センサヘッド５１（Ｔ）とＴＨｚ受信機５２（Ｒ）とを含むことができる。一実施形態では、ＴＨｚトランシーバは、ＴＨｚ送信センサヘッド５１（Ｔ）と、ＴＨｚ受信機５２（Ｒ）の両方を提供する。実際には、上述されたように、センサ装置２３は、処理されているシート材料の「ウェットエンド」内のサンプル位置に置かれてよく、ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス１１０は、ウェットエンドから離れて置かれる。
【００４０】
簡潔には、ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス１１０は、非常に短いレーザパルス（たとえば、約１フェムト秒続くパルス）を生成するレーザ光源（図示せず）を含む。パルスレーザ信号は、離れて置かれたＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０から「ウェットエンド」のサンプル位置のセンサヘッド５１に光ファイバリンク１１５の伝送レーザ経路を通って伝達される。ＴＨｚセンサヘッド５１は一般に、パルスレーザ信号にさらされたときＴＨｚ放射パルスを生成する半導体材料を含む。ＴＨｚ放射パルスは、サンプル位置、Ｐ０に向けられる。超短レーザ信号は、光ファイバリンク１１５のＲｘレーザ経路を通ってＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０からＴＨｚ受信機５２に伝達される。超短レーザ信号によって、サンプルから放射するＴＨｚ放射の電界の一部をＴＨｚ受信機５２がいつ測定するか確立される。とりわけ、ＴＨｚ放射は、サンプルの１つまたは複数の特性の関数として、当てられたＴＨｚ放射パルスに応答してサンプルから発生する。電界は、サンプルの１つまたは複数の特性を識別するために評価され得る。
【００４１】
光ファイバリンク１１５を介してＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０に結合されたＴＨｚセンサヘッド５１は、パルスレーザ信号の受信に応答して、サンプル位置、Ｐ０で、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射パルスを生成する。一例として、ＴＨｚセンサ５１は、電圧が印加される半導体材料を備える光導電性エミッタであってよい。一例として、Ｔｘ電線は、ＴＨｚセンサヘッド５１にバイアスをかけるのに役立ち得る。半導体材料は、パルスレーザ信号にさらされるとき、ＴＨｚ放射パルスを放射する。事実上、半導体は、ＴＨｚ放射パルスの生成をもたらすパルスレーザ信号の受信に応答して、突発電流を生成する。
【００４２】
ＴＨｚセンサ５１は、知られている様々な実施形態で提供され得る。一実施形態では、ＴＨｚセンサ５１は、パルスレーザ信号にさらされるとき、電圧の印加なしにＴＨｚ放射パルスを放射する透明な結晶材料を備える。別の実施形態では、ＴＨｚセンサヘッド５１は、ダイポールアンテナの形をしたガリウム砒素（ＧａＡｓ）半導体材料に基づいてパターン化された２つの電極を備えることができる。
【００４３】
ＴＨｚ受信機５２は、シート材料上のＴＨｚセンサヘッド５１の近くに置かれており、サンプル位置から反射され、またはサンプル位置を通って透過された、放射されたＴＨｚ放射を測定する。一例として、ＴＨｚ受信機５２は、電界がある状態で複屈折になるダイポールアンテナとして構成された結晶材料など、知られている様々な実施形態で提供され得る。
【００４４】
センサ装置２３を収容するスキャナ１２０は、時間領域電圧信号（たとえばＲｘ電気およびＴｘ電気）を電気インターフェース１７５に伝達するために、電気インターフェース１７５に有線または無線リンクを提供することができる。こうした点で、放射されたＴＨｚ放射に対応する電気信号、パルスレーザ信号、超短レーザ信号は、電気インターフェース１７５に送信される。電気インターフェース１７５は、超短ＴＨｚ信号がＴＨｚ受信機５２を通過するときにＴＨｚ放射パルスの電界に一般に比例するセンサ信号を生成する。
【００４５】
コントローラ２５は、超短レーザパルスのタイミングを変化させるためにＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子に制御信号を送ることができる。より具体的には、コントローラ２５は、ＴＨｚ放射パルスをサンプリングし、その電界を時間の関数として構築するために超短パルスのタイミングを変化させることができる。すなわち、コントローラ２５は、時変電界をサンプル位置、Ｐ０で構築するために、放射されたＴＨｚ放射の時領域測定を行いながら、超短ＴＨｚパルスのタイミングを変化させるプロセスを繰り返す。
【００４６】
センサヘッド５１によって送信されたＴＨｚ放射パルスは一般に、紙１４上に収束され、それが紙１４を通過するとき選択吸収により歪められ、検出器にそれが到着する時間が遅くなる。超短ＴＨｚパルスがＴＨｚ受信機５２に到着する時間を変化させることによって、ＴＨｚ放射パルスの連続部分が検出され、その遅延時間または時間領域に関してＴＨｚ放射パルスの完成画像に組み込まれ得る。次いで、データは、上述されたようにＴＨｚ受信機５２に到着するテラヘルツ信号の周波数へと遅延時間を変換するために、高速フーリエ変換解析によって処理されてよい。
【００４７】
ＴＨｚ受信機５２に通信可能にリンクされる信号プロセッサ８７（図４参照）は、放射されたＴＨｚ放射に関連する時間領域データからサンプルのスペクトルを生成することができる。一例として、信号プロセッサ８７は、スペクトルを生成するために、受信された時間領域データに対してフーリエ変換を実施することができる。プロセスからやはり離れて置かれたアナライザ８８（図４参照）は、製造工程中にスペクトルから紙１４の複数の特性を取得する。たとえば、アナライザ８８は、紙１４のそれぞれ異なる特性を識別するために、スペクトルの振幅ピークを識別し、または位相差を測定することができる。次いで、コントローラ２５は、たとえば、１つまたは複数のコントローラを始動させることによって、上記に論じられたセンサ信号に応答して製造工程の１つまたは複数の側面を制御することができる。
【００４８】
図５に示されたように、ＴＨｚ−ＴＤＳベースの測定システム５００は、ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス１１０のオフプロセス（すなわち「ウェットエンド」環境の外部）の高感度エレクトロニクスを維持する光ファイバ手段を使用して、スキャン片面モードで実装されてもよいし、非スキャン片面モードで実装されてもよい。スキャンモードでは、センサ装置２３は、紙に沿って超短ＴＨｚパルスを移動させる。非スキャンモード（固定点モード）では、センサ装置２３は、製紙工程の間、固定位置で紙特性を測定する。いずれのモードにおいても、結果は、主要な特性の測定、すなわちセンサ２３を使用してすべてが同時に捕捉される重量、水分、キャリパ、構成および配向の組合せであってよい。
【００４９】
一例として、反射スキャナ１２０は、スキャン片面ＴＨｚ測定を行うために３ニッププレス上の第３のニップの出口に置かれてよい。コントローラ２５は、紙から現れる放射スペクトルを解析し、放射スペクトルの解析から１つまたは複数の紙品質特性を計算することができる。たとえば、コントローラ２５は、放射スペクトルのピークおよび位相差を検査することによって、この特定の位置で総坪量、水重量およびキャリパを同時に測定することができる。これによって、コントローラ２５は、坪量および水重量が紙の同じ場所すなわちスポット、Ｐ０から測定されるので、固形分を正確に計算することができる。コントローラ２５は、坪量とキャリパの両方も紙のまさに同じスポット、Ｐ０から同時に測定されるので、紙密度を正確に測定することもできる。スキャン反射スキャナ１２０は、要求されるならば、固定点測定を行うために固定位置にとどまり得ることにも留意されたい。
【００５０】
次に図６を参照すると、図５の例示的なＴＨｚ−ＴＤＳベースの測定システム５００のより詳細な概略図が示されている。具体的には、ＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス素子１１０は、レーザビームを生成するフェムト秒レーザ１１１などのパルスレーザと、レーザビームを送信ビームと超短レーザパルスに分割するスプリッタ１１２を備える同期光学素子と、スプリッタ１１２から送信ビーム（Ｔｘ）を受信し、光ファイバケーブル１１５のＴｘレーザ経路（図５参照）を通ってセンサヘッド５１に伝えられるパルスレーザ信号を生成するチョッパ１１３とを備えることができる。スプリッタ１１２およびチョッパ１３構造は、約１０−１５秒の長さの光の超短レーザパルスを生成することができる。同期光学素子は、超短レーザパルスのタイミングを変化させ、光ファイバリンク１１５のＲｘレーザ経路を通ってＴＨｚ受信機５２に超短レーザパルスを伝える時間遅延線要素１１４をも含む。具体的には、コントローラ２５は、時間遅延線要素１１４に、超短レーザパルスがパルスレーザ信号と同時に到着するように超短レーザパルスの遅延を調整するよう指示する。ＴＨｚ受信機５２は、超短レーザパルスが、ＴＨｚセンサヘッド５１によって生成されたＴＨｚ放射パルスの電界が低いときに到着するか、それとも高いときに到着するかに応じて異なる電気信号を生成する。
【００５１】
コントローラ２５（図５参照）は、たとえばスペクトル解析によって、放射されたＴＨｚ放射から、位置、Ｐ０でサンプルの複数の特性を解析する。コントローラ２５は、スペクトル解析から、坪量、含水率およびキャリパを備える同時測定を計算する。とりわけ、同時センサ装置２３は、スペクトル解析から、単一位置、Ｐ０で複数の紙品質特性を測定する。測定された同時紙品質パラメータを解析すると、コントローラ２５は、形成誤差を予測し、形成誤差を補償するために制御装置１５０を使用して１つまたは複数のプロセスパラメータを調整することができる。こうした点で、コントローラ２５は、製紙工程の機械方向（ＭＤ）変化測定とクロス方向（ＣＤ）変化測定を分離することができる。
【００５２】
次に図７を参照すると、両面透過スキャナ１４１を実装するＴＨｚ−ＴＤＳベースの測定システムが示されている。透過システム７００は、下面の透過スキャナ１４２のせいで、反射スキャナ１２０（図７参照）より大きいスペースを占めるので、製紙工程内の戦略的位置に、たとえば紙１４の両側に到達できるようになっているスチームボックス２８またはキャレンダスタック３０（図３参照）の近くに置かれ得る。
【００５３】
透過スキャナ１４１は、製造プロセスから離れてパルスレーザ信号６０および超短レーザ信号６３を生成するＴＨｚ／ＴＤＳオプトエレクトロニクス１１０を含むことができる。スキャナ１４１の第１の側面のセンサヘッド６１は、光ファイバリンク１１５のＴｘレーザ経路を介してパルスレーザ信号６０を受信する。センサヘッド６１は、パルスレーザ信号６０をＴＨｚ放射パルス７１に変換し、このＴＨｚ放射パルス７１は、サンプル位置、Ｐ０で、シート材料を通して向けられる。スキャナ１４２の第２の側面のＴＨｚ受信機６２は、サンプルから放射されたＴＨｚ放射７２を受信する。ＴＨｚ受信機６２は、光ファイバリンク１１５のＴｘレーザ経路を介して、サンプル測定の間、それぞれ異なるときにそれぞれがゲート制御された一連の超短レーザ信号６３をも受信する。ＴＨｚ受信機６２は、ゲート制御された信号時間に超短レーザ信号６３が受信されるとき、サンプル位置から放射されたＴＨｚ放射の電界に対応する時間領域電圧信号を測定する。
【００５４】
電気信号への変換に続いて、放射されたＴＨｚ放射、パルスレーザ信号および超短レーザ信号に関連する電気信号は、有線または無線接続を介して電子インターフェース１７５に通信される。電気インターフェース１７５からセンサ信号を受信するコントローラ２５は、サンプル位置で、ＴＨｚ放射パルスの電界を時間の関数として測定するために超短レーザパルスのタイミングを変化させる。上述されたように、コントローラ２５は、センサ信号から、ＴＨｚ放射パルス用のサンプルの透過スペクトルを生成する。コントローラ２５は、製造工程の中、透過スペクトルから、シート材料の複数の特性を同時に測定する。たとえば、コントローラ２５は、複数の特性から、サンプル位置のシート材料の坪量、含水率およびキャリパを計算する。
【００５５】
本発明に述べられた実施形態の例は、様々な実施形態の構造についての一般的な理解を促すためのものであり、それらは、本明細書に述べられた構造を利用し得る装置およびシステムの要素および特徴のすべてについて完全に述べるためのものではない。上記説明をよく読むと、当業者には他の多くの実施形態が明らかになろう。本開示の範囲から逸脱せずに構造および論理の置換および変更が行われ得るように、他の実施形態が使用され、そこから導出され得る。また図は、単に代表的なものにすぎず、一定の比率の縮尺では描かれていないことがある。その特定の部分は誇張されることがあり、他の部分は最小化され得る。したがって、本明細書および図面は、限定的ではなく、例示的な意味で考慮されるべきである。
【００５６】
したがって、本明細書では特定の実施形態について示され述べられているが、同じ目的を達成すると見込まれる任意の構成が、示された特定の実施形態の代わりに用いられてよいことを理解されたい。本開示は、様々な実施形態のすべての適応物あるいは変形物を網羅するものである。上記説明を詳しく読むと、上記実施形態の組合せ、および本明細書では具体的に示されていない他の実施形態が、当業者には明らかになろう。したがって、本発明を実施するために企図された最良のやり方として開示された特定の実施形態に限定されないが、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むことが意図されている。
【００５７】
本開示の要約は、読者が本技術開示の本質を迅速に認識できるようにする要約を求める連邦規則法典第３７巻１．７２（ｂ）に従うように提供されている。それは、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈しまたは制限するためには使用されないとの理解の下、提示される。
【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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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