(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱水装置の透水性織物上を移動する材料シートの乾燥ストック重量を予測するための方法であって、
ａ）３つまたはそれ以上の水分重量センサを、前記織物の移動方向に関しての様々な位置において前記織物に隣接して配置するとともに、他のセンサを、実質的に脱水された後におけるシート材料の乾燥重量を測定し得るように配置し；
ｂ）前記装置を所定動作パラメータでもって駆動し、その際、前記水分重量センサでもって前記織物上の３つまたはそれ以上の位置における材料シートの水分重量を測定するとともに、同時に、実質的に脱水が完了した材料シートの一部の乾燥重量を測定し；
ｃ）１つの動作パラメータだけを変更しその他の動作パラメータを一定に維持するという様式で各々の擾乱テストが行われるような擾乱テストを、前記水分重量センサの使用数に対応した回数だけ行って、３つまたはそれ以上の動作パラメータにもたらされた擾乱に応じた水分重量変化を測定し、前記３つまたはそれ以上の水分重量センサの測定値における変化を計算し；
ｄ）上記ｃステップの測定において計算された前記変化を使用して、所定動作パラメータに対しての前記３つまたはそれ以上の動作パラメータの変化の関数として、すなわち、Ｎを前記水分重量センサの使用数としたときにＮ×Ｎマトリクスとして表現される関数として、前記３つまたはそれ以上の水分重量センサの変化を記述した線形化モデルを確立し；
ｅ）前記織物上を移動している材料シートの一部に対しての前記３つまたはそれ以上の水分重量センサによる測定値と、実質的に脱水され終わった後の材料シートの一部に対しての水分レベルの予測値と、の間の関数関係を確立することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
さらに、前記３つまたはそれ以上の水分重量センサでもって移動中のシートの水分重量を測定するとともに、同時に、実質的に脱水が完了した材料シートの一部の乾燥重量を測定し、前記織物上の材料シートが実質的に脱水され終わったときの乾燥ストック重量を計算することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
前記脱水装置が、移動織物と、前記材料を含有した水性ファイバストックを前記織物の表面上に供給するための手段と、前記織物の下方位置に連続して配置されているとともに、前記水性ストックから水分を抽出するための複数の脱水機構と、を備えた形成セクションを具備してなる製紙機である場合に、
前記擾乱テストとして、前記織物上への前記水性ファイバストックの流速を変化させるという擾乱テスト、前記ファイバストックの自由度を変化させるという擾乱テスト、または、前記水性ファイバストック内のファイバ濃度を変化させるという擾乱テスト、を行うことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
乾燥ストック重量の前記計算値の変動に応じて、前記製紙機の１つまたは複数の動作条件を変更することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、
前記３つまたはそれ以上の水分重量センサを、実質的に一列に配置することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、
３つまたはそれ以上の水分重量センサを配置するという前記ステップにおいては、（ｉ）その箇所以降のところでは固体ストック材料が前記織物を実質的に透過しないというような前記織物上の所定箇所において前記織物に近接させて１つの水分重量センサを配置し、（ｉｉ）前記織物の移動方向に関して前記所定箇所に到達する以前の、前記織物上の異なる様々な箇所に、２つ以上の水分重量センサを配置することを特徴とする方法。
【請求項７】
脱水装置の透水性織物上を移動する材料シートの含水量を制御するための方法であって、
ａ）３つまたはそれ以上の水分重量センサを、前記織物の移動方向に関しての様々な位置に、配置し；
ｂ）前記装置を所定動作パラメータでもって駆動し、その際、前記水分重量センサでもって材料シートの水分重量を測定し；
ｃ）１つの動作パラメータだけを変更しその他の動作パラメータを一定に維持するという様式で各々の擾乱テストが行われるような擾乱テストを、前記水分重量センサの使用数に対応した回数だけ行って、３つまたはそれ以上の動作パラメータにもたらされた擾乱に応じた水分重量変化を測定し、前記３つまたはそれ以上の水分重量センサの測定値における変化を計算し；
ｄ）上記ｃステップの測定において計算された前記変化を使用して、所定動作パラメータに対しての前記３つまたはそれ以上の動作パラメータの変化の関数として、すなわち、Ｎを前記水分重量センサの使用数としたときにＮ×Ｎマトリクスとして表現される関数として、前記３つまたはそれ以上の水分重量センサの変化を記述した線形化モデルを確立し；
ｅ）前記マトリクスの逆行列を求めることにより、前記３つまたはそれ以上の動作パラメータの測定値における変化を、前記３つ以上の水分重量センサの変化の関数として相関させる逆関数を決定し；
ｆ）前記逆関数を使用してフィードバック制御を行うことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
前記脱水装置が、移動織物と、前記材料を含有した水性ファイバストックを前記織物の表面上に供給するための手段と、前記織物の下方位置に連続して配置されているとともに、前記水性ストックから水分を抽出するための複数の脱水機構と、を備えた形成セクションを具備してなる製紙機である場合に、
前記擾乱テストとして、前記織物上への前記水性ファイバストックの流速を変化させるという擾乱テスト、前記ファイバストックの自由度を変化させるという擾乱テスト、または、前記水性ファイバストック内のファイバ濃度を変化させるという擾乱テスト、を行うことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７記載の方法において、
前記逆関数を使用して、前記織物上の前記シート材料の含水量を特定量だけ変化させるのに必要な、１つまたは複数の動作パラメータの変化量を計算することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項７記載の方法において、
前記脱水装置に、実質的に脱水され終わった前記シート材料の湿潤濃度を測定するための湿潤センサを設けることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７記載の方法において、
前記３つまたはそれ以上の水分重量センサを、実質的に一列に配置することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項７記載の方法において、
３つまたはそれ以上の水分重量センサを配置するという前記ステップにおいては、（ｉ）その箇所以降のところでは固体ストック材料が前記織物を実質的に透過しないというような前記織物上の所定箇所において前記織物に近接させて１つの水分重量センサを配置し、（ｉｉ）前記織物の移動方向に関して前記所定箇所に到達する以前の、前記織物上の異なる様々な箇所に、２つ以上の水分重量センサを配置することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、材料の水分含有量を計測しまた観測するための装置に関するものである。本発明は、製紙機に関して特別の応用を有しており、また、厚紙、新聞紙、紙タオル、および、ティッシュの製造といったような関連分野に特別の応用を有している。また、本発明は、一般的には、吸水性材料であって、織物のようにシートやウェブの形態で製造された材料に応用することができる。また、より一般的には、とりわけコンベヤ上で移動されそのため湿潤紙（ウェットペーパ）の移動ウェブに類似している粒状の形態で製造される吸水材料といったような、他の吸水材料に応用することができる。本発明について、製紙機を特に参照して説明し、その応用を記述する。
発明の背景
連続型製紙機による紙の製造においては、紙ウェブが、移動しているメッシュタイプ製紙織物上におけるファイバ水性懸濁液（ストック）から形成され、そして、織物を通して、重力によっておよび真空引きによって、水が抽出される。その後、ウェブは、プレスセクションへと搬送されて、そこで、ドライフェルトおよび圧力によって、さらに水分が除去される。次に、ウェブは、ドライヤーセクションへと搬送され、そこでは、スチーム加熱されたドライヤーおよび高温エアが、乾燥プロセスを完了させる。製紙機は、本質的には、脱水システムである。すなわち、水分除去システムである。大部分の水分は、形成セクションにおいて除去される。そこでは、ストックは、０．１％〜０．５％の固体分濃度から、１０％〜１５％の固体分濃度へと、脱水される。製紙機の典型的な形成セクションは、無端タイプの移動する製紙織物すなわちワイヤを備えている。この無端タイプの移動する製紙織物すなわちワイヤは、テーブルロール、フォイル、真空フォイル、真空引きボックスといったよう一連の水分除去部材上を通過する。ストックは、製紙織物の上面上へと供給され、一連の脱水部材上を通過する際に脱水されて、紙シートが形成される。最後に、湿潤紙は、製紙機のプレスセクションおよびドライヤーセクションへと搬送され、これらセクションにおいて、水が十分に除去されて、紙シートを形成する。
当業者に周知の製紙機は、例えば、R.MacDonald氏編集のMcGraw Hill社出版の“Pulp and Paper Manufacture”, Vol.III（Papermaking and Paperboard Making）に開示されている。この文献は、参考のためここに組み込まれる。多くの要因が、水分除去速度に影響を与え、結局、製造される紙の品質に影響を与える。明らかなように、多くの事象の中から、製造される紙の乾燥ストック重量を予測して制御するために、動的プロセスを観測することが有利である。
発明の概要
本発明は、連続型脱水システムにおいて製造される材料シートの乾燥ストック重量を予測するための方法を提供する。例えば、本発明においては、紙の乾燥ストック重量は、（１）織物の移動方向（マシン方向）に沿った３つまたはそれ以上の箇所における、製紙機の織物またはワイヤ上の紙ストックの含水量の測定と、（２）織物上の紙ストックからの紙製品の乾燥ストック重量の測定と、を同時に行うことによって、紙の乾燥ストック重量を予測することができる。このようにして、織物上において紙ストックから形成される紙の乾燥ストック重量の予測値が、即座に得られる。本発明は、部分的には、製紙機の織物上における紙ストックの水分抽出現象を予測するための実効手段をもたらすような水分抽出特性曲線の形成をベースとしている。
１つの見地においては、本発明は、脱水装置の透水性織物上を移動する材料シートの乾燥ストック重量を予測するための方法であって、
ａ）３つまたはそれ以上の水分重量センサを、織物の移動方向に関しての様々な位置において織物に隣接して配置するとともに、他のセンサを、実質的に脱水された後におけるシート材料の乾燥重量を測定し得るように配置し；
ｂ）装置を所定動作パラメータでもって駆動し、その際、水分重量センサでもって織物上の３つまたはそれ以上の位置における材料シートの水分重量を測定するとともに、同時に、実質的に脱水が完了した材料シートの一部の乾燥重量を測定し；
ｃ）１つの動作パラメータだけを変更しその他の動作パラメータを一定に維持するという様式で各々の擾乱テストが行われるような擾乱テストを、水分重量センサの使用数に対応した回数だけ行って、３つまたはそれ以上の動作パラメータにもたらされた擾乱に応じた水分重量変化を測定し、３つまたはそれ以上の水分重量センサの測定値における変化を計算し；
ｄ）上記ｃ）ステップの測定において計算された変化を使用して、所定動作パラメータに対しての３つまたはそれ以上の動作パラメータの変化の関数として、すなわち、Ｎを水分重量センサの使用数としたときにＮ×Ｎマトリクスとして表現される関数として、３つまたはそれ以上の水分重量センサの変化を記述した線形化モデルを確立し；
ｅ）織物上を移動している材料シートの一部に対しての３つまたはそれ以上の水分重量センサによる測定値と、実質的に脱水され終わった後の材料シートの一部に対しての水分レベルの予測値と、の間の関数関係を確立する方法を提供する。
本発明は、移動織物と、前記材料を含有した水性ファイバストックを織物の表面上に供給するための手段と、織物の下方位置に連続して配置されているとともに、水性ストックから水分を抽出するための複数の脱水機構と、を備えた形成セクションを具備してなる製紙機において使用するのに特に好適である。好ましくは、擾乱テストとして、織物上への水性ファイバストックの流速を変化させるという擾乱テスト、ファイバストックの自由度を変化させるという擾乱テスト、および、水性ファイバストック内のファイバ濃度を変化させるという擾乱テスト、が行われる。本発明においては、織物上の紙ストックの水分重量レベルを連続的に観測することにより、製品の品質（すなわち、乾燥ストック重量）を予測することができる。さらに、乾燥ストック重量の予測値の変動に応じて１つまたは複数の動作パラメータを変更するようなフィードバック制御を、実施することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、製紙機を示す断面図であって、脱水を観測して紙の含水量を予測するための装置および方法を示している。
図２は、製紙機において、ワイヤ位置に対しての水分重量を示すグラフである。
図３は、製紙機において、ワイヤ位置に対しての水分重量を示すグラフである。
好ましい実施形態の説明
長網式ワイヤにおける水分抽出プロファイルは、主に、水分抽出部材の構成および性能、ワイヤの特性、ワイヤ上の張力、ストックの特性（例えば、自由度、ｐＨ、添加剤）、ストックの厚さ、ストックの温度、ストックの濃度（あるいは、粘度）、および、ワイヤ速度に依存した、複雑な関数である。以下のプロセスパラメータを変化させることにより、特に有効な水分抽出プロファイルを生成できることが示された。すなわち、１）多くの事象の中から、ヘッドボックス搬送システム、ヘッド圧力、および、スライス開口および傾斜状体に依存した、全体的水分流通、２）多くの事象の中から、ストック特性およびリファイナーのパワーに依存した、自由度、３）乾燥ストックの流通およびヘッドボックスの濃度（あるいは、粘度）を変化させることにより、特に有効な水分抽出プロファイルを生成できることが示された。
製紙織物に沿って重要な位置に配置された水分重量センサは、脱水プロセスのプロファイル（以降、「水分抽出プロファイル」と称す）を決定するために使用することができる。上述のプロセスパラメータを変化させることにより、および、水分抽出プロファイルの変化を計測することにより、湿潤部における紙のプロセス動特性を模擬したモデルを構築できるようになる。逆に、水分抽出プロファイルを維持したり水分抽出プロファイルに特定の変化を引き起こしたりし得るよう、プロセスパラメータをどのように変化させるべきであるかを決定するために、そのモデルを使用することができる。さらに、本発明においては、製紙織物上におけるウェブの乾燥ストック重量を、水分重量抽出プロファイルから予測することができる。
本発明においては、水分抽出プロファイルに対してのプロセスパラメータの影響に関する知識と、水分抽出プロファイルの乾燥ストック重量の予測とを、組み合わせることにより、製紙機によって形成された所望乾燥ストック重量を制御して維持するための高速フィードバックシステムを構成することができる。
製紙機
製紙機が図１に示されている。（製紙機の最も一般的なタイプは、長網式製紙機である。）典型的には、形成セクション１２は、製紙用織物１４を備えている。通常、この織物は、金属ワイヤまたはプラスチックワイヤから形成されている。メッシュは、ワイヤ上に支持された紙ストックから、水分抽出を行うことができる。製紙ワイヤは、ブレストロール１６、クーチロール１８、駆動ロール、および、複数の方向性ロール（図示せず）回りに走行する。ヘッドボックス２０は、リファイナー６０から、パルプファイバと水との混合物を受領する。そして、ヘッドボックス２０は、スライス６５を通して製紙ワイヤ上へと、通常は紙ストックと称される形態で、全体的に符号２２で示されているような水／ファイバ混合物を供給する。
リファイナー６０は、紙ファイバ表面を叩解するために、モータ駆動ディスク部材を備えている。一般に、リファイナーは、満足な紙シートを製造し得るようにしてパルプまたはストックを作製し調整しおよび／または処理するような、ストック作製システムの一部である。リファイナーは、ライン６１を介して濃縮ストックの供給源に対して連結されているとともに、ライン６２を介しておよび再循環ライン６３を介して水源に対して連結されている。濃縮ストックは、典型的には、パルプの高濃度水性スラリーであり、例えば、色素、ｐＨ調整剤、および、接着剤といったような様々な添加剤を含有している。紙ストックの成分構成は、製造される紙の品質に大きな影響を与えるものであるが、製紙機の動作パラメータも、また、製造される紙の品質に大きな影響を与えるものである。例えば、リファイナー内における紙ストックの強烈な叩解が、ワイヤメッシュから水分抽出速度を低減させることが知られている。よって、迅速に水分抽出されるストックを「自由である」または大きな自由度を有していると称し、逆に、大いに叩解されたストックを、スローなものであるまたは小さな自由度を有したものであると称すことが普通である。一様な水分抽出速度を与えるためにビーティング（beating）を制御するための手段として、様々なブレンド技術および明確に規定されたテスト方法が、水分抽出時間、自由度、および、スローさを測定するために、開発されている。北米において最も一般的に使用されているものは、パルプの品質の制御に広く使用されているカナダ標準自由度テスター（Canadian Standard freeness tester）である。
スライス６５は、典型的には、ヘッドボックスの前方に形成された、スロットすなわち矩形オリフィスである。スライス６５は、ヘッドボックス内のストックを、織物上へと流出させることができる。スライスの主な目的は、ヘッドボックス内において比較的ゆっくりと移動するストックを大きな静的圧力に維持し、そのようなストックを、ワイヤ速度に近似した速度で流出させることである。
紙形成セクション（「湿潤部」とも称す）は、好ましくは、一連の脱水ステーションのそれぞれに配置された複数の脱水デバイスを備えている。例えば、脱水デバイスは、デバイス２４として総括的に図示された、形成ボード、フォイルボックス、真空フォイル、および／または、真空引きボックスを有することができる。紙ストックは、形成セクションから、プレスセクション３０とドライヤーセクション３２とを備えてなる乾燥ラインへと、搬送される。その後、紙は、リール３４に巻き取られる。
主ドライヤーセクションの出口において、あるいは、巻取走査センサ７０のところにおいて、移動材料（すなわち、紙）の乾燥重量を計測することは、従来的である。そのような計測を装置動作を調節するために使用して、所望のパラメータを得ることができる。湿潤度を計測するための１つの技術は、赤外領域における水の吸収スペクトルを使用することである。この目的のための観測装置または測定装置は、通常的に使用されている。このような装置は、従来より、個々の装置の事情に応じて、固定ゲージ、または、ドライヤーセクションの出口においてあるいは取巻の入口においてウェブを横切って（すなわち、横断方向に）往復走査される走査ヘッド上に取り付けられたゲージを、使用する。ゲージは、典型的には、広域赤外発光源と、測定対象波長が例えば干渉フィルタといったタイプの狭域バンドフィルタによって選択された、１つまたは複数の検出器と、を使用している。使用されるゲージは、主要な２つのタイプに分類される。１つは、発光源と検出器とがウェブを挟んで両側に配置されるタイプのものであって、走査ゲージの場合にはウェブを横切って同期して走査されるような、透過タイプのものであり、他は、発光源と検出器とがウェブの一方側において単一ヘッド内に設置されていて、検出器がウェブによって散乱された放射光量に対して反応するような、散乱タイプ（時には、「反射」タイプと称される）のものである。透過タイプと散乱タイプとの双方からなる走査型赤外ゲージが、公知である。適切な散乱タイプのゲージとしては、カリフォルニア州CupertinoのMeasurex社による型番４２０１−１３、４２０５−１を利用することができる。好ましくは、赤外走査ゲージは、ウェブを横切って往復走査されるために、ウェブ経路に対して直交して延在している梁上において、移動可能に支持されている。走査型センサの使用方法については、米国特許明細書第４，９２１，５７４号に開示されている。この文献は、参考のため、ここに組み込まれる。湿潤度の測定に基づいて、また、基礎重量の決定に基づいて、巻取部分における紙の乾燥重量を、計算することができる。
形成セクションにおいては、重力によって、水が除去される。除去された水は、製紙織物の開放メッシュを通過して、形成セクションの下方に配置された水トレー内へと、落下する。そのため、この水は、リファイナーおよび／またはヘッドボックスへと再循環される。織物の空隙率に応じて、ファイバ（すなわち、紙ストック）のいくらかが、形成セクションにおいて損失される。フォイルボックスは、製紙ワイヤを支持しつつ、水力学的な吸込によって、水を除去する。フォイルどうしは、フォイルによって支持された製紙織物の単位面積あたりの水分除去量を調節するために、互いに近接配置することも離間配置することもできる。複数の真空引きボックスは、クーチロールに向かうほど大きな真空レベルでもって、水分を除去する。クーチロールは、製紙織物と他のロールとを駆動するよう、駆動される。真空タイプのクーチロールが使用されている場合には、複数の穴が形成されている中空シェルが使用されて、この真空タイプクーチロールは、比較的大きな真空度でもって動作される。上述した脱水機構および形成セクションが従来的なものであることは、理解されるであろう。したがって、上記説明は、本発明の理解のために必要な特徴点だけを含有している。
織物上の紙ストックの水分重量を測定するための、３つの水分重量センサ５１，５２，５３が、図示されている。織物に沿って３つのセンサが配置されている位置が、それぞれ、「ｈ」、「ｍ」、「ｄ」で示されている。３つよりも多くの水分重量センサを、使用することができる。複数のセンサが縦に並んで配置されていることは必須ではなく、これら複数のセンサが、マシン方向の異なる位置に配置されていることだけが必要である。典型的には、ヘッドボックスに最も近い位置に配置された位置「ｈ」における水分重量センサの指示は、乾燥ストックのの変化よりも、ストックの自由度の変化によってより多くの影響を受ける。というのは、乾燥ストックの変化が、自由状態で含有されている水分に比べて、小さいからである。中央位置「ｍ」においては、水分重量センサは、通常、乾燥ストックの量の変化によってよりも、自由状態で含有されている水分の量の変化によってより大きな影響を受ける。最も好ましくは、位置「ｍ」は、ストック重量の変化と自由状態の水分の変化との双方に敏感であるように、選択されている。最後に、乾燥センサに最も近い位置に配置されている位置「ｄ」は、この水分重量センサが乾燥ストックの変化に敏感であるように、選択されている。というのは、脱水プロセスのこの位置においては、ファイバに対して結合している水分量またはファイバに対して関連している水分量は、ファイバ重量に対して比例するからである。この水分重量センサは、また、程度こそ小さいものの、ファイバの自由度の変化に敏感である。好ましくは、位置「ｄ」においては、十分な量の水が既に除去されていて、そのため、紙ストックは、有効な濃度とされていて、これにより、もはや、織物を通してのファイバ損失が起こることが本質的にない。
「水分重量」という用語は、ウェブ上に位置している湿潤紙ストックの単位面積あたりの水の質量または重量を意味している。典型的には、水分重量センサは、１平方メートルあたりのグラム数（ｇｓｍ、grams per square meter）という工業単位をもたらすように校正される。近似的には、１０，０００ｇｓｍという指示は、織物上に１ｃｍ厚さを有した紙ストックが存在していることに対応している。使用されている特別の水分重量センサは、重要ではなく、適切なセンサは、Measurex社から市販されている。
「乾燥重量」または「乾燥ストック重量」という用語は、単位面積あたりの材料の重量（水分に基づくすべての重量を除外した重量）を意味している。
「基礎重量」という用語は、単位面積あたりの総重量を意味している。
「水分重量センサ」という用語は、移動している水分含有材料シート（例えば、紙ストック）の水分重量を測定し得るすべてのデバイスを意味している。好ましい水分重量センサは、共通の出願人に属し、Ｃｈａｓｅ氏他によって１９９６年１２月３日に出願された、“Electromagnetic Field Perturbation Sensor and Methods for for Measuring Water Content in Sheetmaking Systems”と題する米国特許出願第０８／７６６，８６４号に開示されている。参考ながら、この文献の代理人番号は、０１８０２８−１６７である。センサは、材料の３つの特性に敏感である。すなわち、導電率または電気抵抗と、誘電定数と、センサおよび材料の近接度合いと、に敏感である。材料（例えば、紙ストック）に応じて、これら特性のうちの１つまたはいくつかが、支配的となる。
センサの基本的な実施形態は、入力信号とグラウンドとの間における可変インピーダンスブロックに対して直列接続された固定インピーダンス部材を備えている。固定インピーダンス部材と可変インピーダンスブロックとは、可変インピーダンスブロックのインピーダンス変化がセンサ出力電圧の変化をもたらすようにして、電圧分割ネットワークを形成している。可変インピーダンスブロックは、本発明のセンサ内における少なくとも２つの電極の物理的配置によるインピーダンス、および、電極間に位置した材料および電極近傍に位置した材料によるインピーダンス、を示す。このインピーダンスは、計測される材料の特性に関連している。
電極配置および材料は、並列接続されたキャパシタと抵抗とをによって表現される等価回路を形成する。材料のキャパシタンスは、電極の形状、材料の誘電定数、および、センサの近接度合いに依存する。導電性の大きな材料の場合には、材料の抵抗は、容量性インピーダンスよりもずっと小さく、センサは、材料の導電性を計測する。
紙ストックの測定においては、混合物の導電性が大きいため、センサによる測定に際して支配的である。近接度合いは、紙ストックの下方に位置した、製紙システム内の支持ウェブに対して接触することによって一定に保持される。紙ストックの導電性は、湿潤ストック内の総水分重量に直接的に比例する。したがって、製紙システムによって製造される紙シートの品質を観測し制御するために使用できるような情報をもたらす。導電率を測定することによって紙ストック混合物内のファイバ重量を決定し得るようこのセンサを使用するために、紙ストックは、すべての水分または大部分の水分がファイバによって保持されているような状態とされる。この状態においては、紙ストックの水分重量は、ファイバ重量に直接的に関連する。そして、水分重量に基づく導電性を測定し、この測定結果を使用することにより、紙ストック内のファイバ重量を決定することができる。
水分抽出曲線の作成
本発明の特別の実施形態においては、３つの水分重量センサが使用されて、これにより、織物を通しての紙ストックからの水分抽出プロファイルの、３つの装置動作パラメータに対しての依存性が測定される。ここで、３つの装置動作パラメータとは、（１）水分の総流通量、（２）紙ストックの自由度、および、（３）乾燥ストックの流通量あるいはヘッドボックスの濃度、である。他の利用可能なパラメータとしては、例えば、装置速度、水分抽出に際しての真空レベル、がある。上記３つのプロセスパラメータに対しては、最小数の構成は、３つの水分重量センサである。より詳細なプロファイル決定に際しては、３つよりも多数のセンサを使用することができる。
モデル化の好ましい形態においては、プロセスパラメータの基本動作条件を使用し、そして、結果としての水分抽出プロファイルを使用し、その後、長網式製紙機の動作パラメータの擾乱が、水分抽出プロファイルに対して与える影響を測定する。本質的に、これは、基本動作条件の付近に関して、システムを線形化する。擾乱または動揺を利用して、プロセスパラメータに関しての水分抽出プロファイルの依存性の１階微分係数を測定することができる。
１組の水分抽出特性曲線が得られると、３×３マトリクスとして示されるこの曲線を、多数の事象の中から、水分重量センサによってワイヤに沿っての水分重量を観測することによって、紙内の含水量を予測するために使用することができる。その上、この情報は、記録することができ、フィードバック制御を実施して、様々なプロセスパラメータを制御し、紙の水分重量を所望レベルに維持することができる。
擾乱テスト
「擾乱テスト」という用語は、製紙機の動作パラメータを変化させて、その結果としてのある種の変数の変化を測定するという手続きを意味している。擾乱テストを開始する前に、まず最初に、製紙機は、所定の基本動作条件で駆動される。「基本動作条件」とは、製紙機が紙を製造する動作条件を意味している。典型的には、基本動作条件は、製紙に際しての標準的なパラメータまたは最適化されたパラメータに対応している。製紙機の動作コストを考慮するならば、欠陥のある使用不可能な紙を製造する可能性のある極端な条件は、避けるべきである。同様な条件においては、システムの動作パラメータを擾乱テストのために変化させる際には、装置を損傷させたり不良品の紙を製造したりしないよう、急激な変化を引き起こすべきではない。装置が定常状態または安定動作に到達したときには、３つのセンサの各々において、水分重量が測定され記録される。再現性のあるデータを得るために、時間をかけて十分な数の測定が行われる。定常状態におけるこれらデータの組は、その後の各テストにおけるデータと比較されることとなる。次に、擾乱テストが行われる。以下のデータは、ウィスコンシン州BeroitのBeroit社によって製造されたBeloit Concept 3型製紙機において得られた。計算は、National Instrument（Austin TX）によるLabview 4.0.1ソフトウェアを使用したマイクロプロセッサを利用して実施された。
（１）乾燥ストック流速テスト
ヘッドボックスに対して搬送された乾燥ストックの流速が、紙ストックの組成を変更するために、基本動作条件レベルから変更される。定常状態に到達した後に、３つのセンサを使用して水分重量が測定され記録される。再現性のあるデータを得るために、時間をかけて十分な数の測定が行われる。図２は、ワイヤ位置に対しての水分重量の変化を示すグラフであって、基本動作条件時に測定されたものと、乾燥ストックが１６２９ｇａｌ／ｍｉｎという基本条件流速から１００ｇａｌ／ｍｉｎだけ増加された乾燥ストック流速テスト時のものと、が示されている。曲線Ａは、基本動作条件時の水分重量測定を示しており、曲線Ｂは、流速に擾乱を加えたテスト時の水分重量測定を示している。明らかなように、乾燥ストック流速を増加させることによって、水分重量の増加が引き起こされている。その理由は、紙ストックが高濃度のパルプを含有していることにより、紙ストックに、より多くの水分が保持されるからである。ワイヤに沿った位置ｈ、ｍ、ｄにおける水分重量の比率の変化は、それぞれ、＋５．５３３％、＋６．５２２％、＋６．８１８％である。
乾燥ストックの流速テストにおいては、基本重量および湿度に関しての製紙機の制御が切り換えられ、他のパラメータは、できる限り定常状態に保持される。次に、ストック流速が、例えば約１０分といった十分な時間にわたって、１００ｇａｌ／ｍｉｎだけ増加される。この時間中には、３つのセンサからの測定が記録され、それによるデータが図２に示されている。
（２）自由度テスト
上述のように、紙ストックの自由度を変化させ得る１つの方法は、リファイナーに対するパワーを変化させて、パルプの叩解レベルを変化させることである。自由度テストにおいては、定常状態に到達した後、３つのセンサを使用して水分重量が測定され記録される。あるテストにおいては、リファイナーに対するパワーが、約６００ｋＷから約６５０ｋＷへと増加された。図３は、ワイヤ位置に対しての水分重量の変化を示すグラフであって、基本動作条件（６００ｋＷ）時に測定されたもの（曲線Ａ）と、パワーを５０ｋＷだけ増加させたときのテスト時のもの（曲線Ｂ）と、が示されている。予期されるように、自由度が低減すると、乾燥ストック流速テストと同様に、水分重量が増加する。データの比較により、位置ｈ、ｍ、ｄにおける水分重量の比率の変化が、それぞれ、＋４．５２３％、＋４．６５８％、＋６．２８１％であることが示された。
（３）紙ストック総流速（スライス）テスト
ヘッドボックスからの紙ストックの総流速を制御し得る１つの方法は、スライスの開口度を調節することである。このテストにおいては、定常状態に到達した後に、３つのセンサを使用して水分重量が測定され記録される。あるテストにおいては、スライス開口度が、約１．６インチ（４．０６ｃｍ）から約１．６６インチ（４．２ｃｍ）へと増加され、これにより、流速が増加された。予期されるように、流速が増加すると、水分重量が増加した。データの比較により、位置ｈ、ｍ、ｄにおける水分重量の比率の変化が、それぞれ、＋９．３９５％、＋５．５％、＋３．３３３％であることが示された。（５．５％という位置ｍにおける測定は、この位置におけるセンサがテスト時に使用不能状態であったため、推測値である。）
水分抽出特性曲線（ＤＣＣ）
上記複数の擾乱テストから、水分抽出特性曲線（ＤＣＣ）を決定することができる。３つの水分重量センサによる検出値における、３つのプロセスパラメータの変更の影響は、３×３ＤＣＣマトリクスを形成する９個の部分的１階微分係数が得られる。一般的に、ｍ個の擾乱テストにおいてｎ個の水分重量センサがワイヤ上に設置されている場合には、ｎ×ｍマトリクスが得られる。
より詳細には、３×３ＤＣＣマトリクスは、
ＤＣThＤＣTmＤＣTd
ＤＣFhＤＣFmＤＣFd
ＤＣShＤＣSmＤＣSd
によって与えられる。ここで、Ｔ、Ｆ、Ｓは、それぞれ、総流速テスト、自由度テスト、乾燥ストック流速テスト、を示しており、ｈ、ｍ、ｄは、それぞれ、織物に沿ってのセンサの取付位置を示している。
マトリクスの列成分［ＤＣThＤＣTmＤＣTd］は、総流速擾乱テストにおいての位置ｈ、ｍ、ｄにおける総水分重量の変化比率（％）として定義される。より詳細には、例えば、「ＤＣTh」は、総流速擾乱テストの直前・直後の、位置ｈにおける総水分重量の比率（％）の差として定義される。ＤＣTmおよびＤＣTdは、それぞれ、位置ｍおよびｄに配置されたセンサの値を示している。同様に、マトリクスの列成分［ＤＣFhＤＣFmＤＣFd］および［ＤＣShＤＣSmＤＣSd］は、それぞれ、自由度テストおよび乾燥ストックテストから決定される。
ＤＣＣマトリクスにおける成分ＤＣTh、ＤＣFm、ＤＣSdは、回転係数と称され、例えばガウス除去（Gauss elimination）によって、これら成分を使用して、後述するようにして、湿潤部のプロセス変化を認識することができる。回転係数が小さすぎる場合には、回転の不確定性が、ガウス除去プロセス時に増幅されることとなる。したがって、好ましくは、これら３つの回転係数は、各擾乱テスト時における約３％〜１０％の水分重量変化に対応した約０．０３〜０．１０の範囲であるべきである。
水分抽出プロファイルの変化
ＤＣＣマトリクスに基づいて、水分抽出プロファイルの変化を、様々なプロセスパラメータの変化の線形的組合せとして表すことができる。詳細には、ＤＣＣマトリクスを使用して、各位置における水分抽出プロファイルの比率変化を、全体的水流速、自由度、乾燥ストック流速といったプロセスパラメータの個々の変化の線形的組合せとして計算することができる。すなわち、
ΔＤＰ％（ｈ，ｔ）＝ＤＣＴｈ*ｗ＋ＤＣＦｈ*ｆ＋ＤＣＳｈ*ｓ
ΔＤＰ％（ｍ，ｔ）＝ＤＣＴｍ*ｗ＋ＤＣＦｍ*ｆ＋ＤＣＳｍ*ｓ
ΔＤＰ％（ｄ，ｔ）＝ＤＣＴｄ*ｗ＋ＤＣＦｄ*ｆ＋ＤＣＳｄ*ｓ
である。ここで、ｗ，ｆ，ｓは、それぞれ、全体的水流速、自由度、および、乾燥ストック流速を示しており、ＤＣ…で示すものは、ＤＣＣマトリクスの成分である。
これら線形等式系を逆変換することにより、特定の水分抽出プロファイルの変化ΔＤＰ％（ｈ），ΔＤＰ％（ｍ），ΔＤＰ％（ｄ）を引き起こすために必要な、ｗ，ｆ，ｓの数値を解くことができる。ＤＣＣマトリクスの逆行列をＡとすれば、
0004055083.tif 000002
すなわち、
ｗ＝Ａ11*ΔＤＰ％（ｈ）＋Ａ12*ΔＤＰ％（ｍ）＋Ａ13*ΔＤＰ％（ｄ）
ｆ＝Ａ21*ΔＤＰ％（ｈ）＋Ａ22*ΔＤＰ％（ｍ）＋Ａ23*ΔＤＰ％（ｄ）
ｓ＝Ａ31*ΔＤＰ％（ｈ）＋Ａ32*ΔＤＰ％（ｍ）＋Ａ33*ΔＤＰ％（ｄ）
である。
上記等式は、ＤＣＣマトリクスを逆行列として、水分抽出プロファイルにおける所望の変化（ΔＤＰ％（ｈ），ΔＤＰ％（ｍ），ΔＤＰ％（ｄ））をもたらすのに必要な、ｗ，ｆ，ｓを計算するための方法を、明確に示している。
経験的に、３つの動作パラメータの選択と、センサの配置と、擾乱の大きさとは、不適切なノイズをもたらすことなく逆変換し得るような、性質の良い回転係数を有したマトリクスを形成する。
図１における走査センサ７０によって得られた乾燥重量測定と、センサｈ、ｍ、ｄにおいて測定された水分重量プロファイルと、を連続的に比較することにより、走査センサ７０のところにおける紙ストックの最終乾燥ストック重量の動的評価を行うことができる。
乾燥ストックの予測
乾燥セクションに最も近い位置ｄにおいては、紙ストックの状態は、実質的にすべての水分がファイバによって保持されているような状態である。この状態においては、ファイバに連結されたまたはファイバに関連した水分量は、ファイバ重量に比例する。よって、位置ｄにおけるセンサは、乾燥ストックの変化に敏感であり、最終紙ストックの重量を予測するために、特に有効である。ＤＷ（ｄ）を位置ｄにおいて予測された乾燥ストック重量、Ｕ（ｄ）を位置ｄにおいて測定された水分重量、Ｃ（ｄ）を、濃度と称することができるものであって、ＤＷとＵとに関連した比例を表す変数としたときに、ＤＷ（ｄ）＝Ｕ（ｄ）*Ｃ（ｄ）という比例関係式をベースとすることができる。また、Ｃ（ｄ）は、水分重量の以前のデータから、また、巻取時点における走査センサによって測定された乾燥重量から、計算される。
製紙機における位置ｄ（図１参照）に引き続いては、ストックからなるシートは、形成セクション２４を出て、プレスセクション３０およびドライヤーセクション３２へと入る。位置７０においては、走査センサが、紙製品の最終乾燥ストック重量を測定する。位置ｄ以降においては実質的なファイバ損失がないことにより、ＤＷ（ｄ）を最終ドライストック重量に等しいものと見なすことができ、よって、濃度Ｃ（ｄ）を動的に計算することができる。
これら関係式が得られると、プロセスパラメータの変更が、最終乾燥ストック重量に与える影響を予測することができる。上述のように、ＤＣＣマトリクスは、水分抽出プロファイル上におけるプロセス変化の効果を予測する。詳細には、全体的水流速ｗ、自由度ｆ、乾燥ストック流速ｓの変化に関して、Ｕ（ｄ）の変化は、次式によって与えられる。
ΔＵ（ｄ）／Ｕ（ｄ）＝ＤＣTd*ｗ＋ＤＣFd*ｆ＋ＤＣSd*ｓ
ΔＤＷ（ｄ）＝
Ｕ（ｄ）*［αTＤＣTd*ｗ＋αFＤＣFd*ｆ＋αsＤＣSd*ｓ］*Ｒｅｆ（ｃｄ）
ここで、Ｒｅｆ（ｃｄ）は、現在の乾燥重量センサの指示値と以前の水分重量センサの指示値とに基づいた動的な計算値であり、α…は、上述した３つの擾乱テストにおいて得られたゲイン係数として定義される。最後に、位置ｄにおいて擾乱を受けた乾燥ストック重量は、次式によって与えられる。
ＤＷ（ｄ）＝Ｕ（ｄ）*｛１＋［αTＤＣTd*ｗ＋
αFＤＣFd*ｆ＋αSＤＣSd*ｓ］｝*Ｒｅｆ（ｃｄ）
最後の等式は、乾燥ストック重量に対しての、プロセスパラメータの特定の変化に基づく影響を記述している。逆に、ＤＣＣマトリクスの逆行列を使用することにより、製造の最適化のために、乾燥重量（ｓ）、自由度（ｆ）、および、全体水流速（ｗ）の所望変化をもたらすためのプロセスパラメータの変更方法を決定することができる。
上記説明においては、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、本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。よって、上記実施形態は、本発明を制限するものではなく、単なる例示と見なすべきである。当業者であれば、添付の請求範囲によって規定された本発明の範囲を逸脱することなく、上記実施形態に変更を加え得ることを、理解されたい。
【図１】
0004055083.tif 000003
【図２】
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【図３】
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