(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の特性を検出する装置であって、
インピーダンス要素とセンサーとを具備し、
センサーは、第１電極と第２電極とを具備し、
第２電極は、第１電極と離されてかつ近接して配置され、
前記材料の一部は、前記第１電極と前記第２電極との間に、きわめて接近して存在し、
前記センサーは、入力信号と基準電位との間において、前記インピーダンス要素と直列に結合されており、
材料の前記部分の前記特性の内の少なくとも１つにおける変動が、前記センサーを横切って測定される電圧における変化を引き起こし、
前記第１電極と前記第２電極とは共に前記材料に近接し、該第１電極の出力は、前記変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備し、
前記インピーダンス要素は固定インピーダンス要素である
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記第１電極は、前記インピーダンス要素に結合され、
前記第２電極は、前記基準電位に結合される
ことを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記インピーダンス要素は、複数の抵抗性要素を具備し、
前記第１電極は、電気的に絶縁された複数の副電極を具備し、
副電極は、それぞれ、前記複数の抵抗性要素の内の１つに結合される
ことを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３のいずれかに記載の装置において、
前記基準電位に結合された第３電極を更に具備し、
前記第１電極は、前記第２電極と前記第３電極との間において、離されて存在し、
前記材料の他の一部は、前記第１電極と前記第３電極との間において、きわめて接近して存在する
ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記装置は、
前記特性の内の少なくとも１つにおける前記変動が前記材料の単一の物理的特徴における変動によるものであるように前記入力信号を調整するためにフィードバック信号を提供する手段
を更に具備する
ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項５記載の装置において、
前記物理的特性は、誘電率と導電率と前記材料の前記部分の前記センサーへの近接度とを含み、
前記材料の前記単一の物理的特徴は、材料の重量と化学的組成と温度との内の１つを含む
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、
前記インピーダンス要素は、誘導性要素と容量性要素との内の１つであり、
誘導性要素と容量性要素とは、それぞれ、関連するインピーダンスを有し、
前記入力信号は、関連する周波数を有し、
前記関連する周波数を与えられた大きさに調整することによって、前記誘導性要素と容量性要素との内の前記１つに関連するインピーダンスは、特定の大きさに設定される
ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項７記載の装置において、
前記センサーは、関連するインピーダンスを有し、
前記センサーインピーダンスと前記容量性要素および前記誘導性要素の内の前記１つの前記インピーダンスとがほぼ等しいように、前記関連するインピーダンスは調整される
ことを特徴とする装置。
【請求項９】
液体部分と材料部分とを具備する水性物質の特性を検出する装置であって、
インピーダンス要素とセンサーとを具備し、
センサーは、セルの配列を具備し、
セルは、前記水性物質の下にきわめて接近して存在し、
セルは、第１電極と第２電極とを具備し、
第１電極は、電気的に絶縁された第１組の副電極に分割され、
第２電極は、前記第１電極の片側に離されてかつ近接して配置され、
前記インピーダンス要素と前記センサーとは、入力信号と基準電位との間において結合され、
前記物質の容量性における変動は、前記センサーを横切る電圧における変化を引き起こし、
前記第１電極と前記第２電極とは共に前記材料に近接し、該第１電極の出力は、前記変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備し、
前記インピーダンス要素は固定インピーダンス要素である
ことを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、
前記インピーダンス要素は、複数の抵抗性要素を具備し、
各抵抗性要素は、前記第１組の副電極の内の１つに結合され、
前記第２電極は、前記基準電位に結合される
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の装置において、
前記基準電位に結合された第３電極を更に具備し、
前記第１電極は、前記第２電極と前記第３電極との間において、離されて存在し、
前記物質の他の一部は、前記第１電極と前記第３電極との間に、きわめて接近して存在する
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の装置において、
前記センサーは、製紙システムにおける紙の流れに交差する方向である横方向（ＣＤ）に平行に配置されている
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の装置において、
前記センサーは、製紙システムにおける紙の流れと同一の方向である縦方向（ＭＤ）に平行に配置されている
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１０記載の装置において、
前記基準電位は接地である
ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１０記載の装置において、
前記装置は、
容量性における前記変動が前記材料の単一の物理的特徴における変動によるものであるように前記入力信号を調整するために、フィードバック信号を提供する手段
を更に具備する
ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の装置において、
前記材料の前記単一の物理的特徴は、材料の重量と化学的組成と温度との内の１つを含む
ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の装置において、
前記フィードバック手段は、基準セルを具備し、
基準セルは、前記液体部分と同じ物理的特性を有する溶液内に浸された電極構成を具備し、
該同じ物理的特性は、前記単一の物理的特性以外の特性であり、
該単一の物理的特性は、一定に保たれ、
前記セルを横切る電位における変化は、前記同じ物理的特性における変化によるものである
ことを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項９記載の装置において、
前記水性物質は、繊維状物質であり、
繊維状物質は、水部分と繊維状部分とを有し、
繊維状部分は、製紙システム内の原料から製造され、
製紙システムは、ウェブを含み、
前記センサーは、前記ウェブの下に存在し、かつ、前記繊維状物質における前記水部分の容量性を測定し、
前記水の前記容量性は、前記水性物質の前記繊維状部分の重量を判断するために使用される
ことを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項９記載の装置において、
前記信号は、アナログ信号である
ことを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項９記載の装置において、
前記信号は、ＤＣ信号である
ことを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項９記載の装置において、
前記装置は、
前記電圧変化を前記溶液に関する情報に変換する手段
を更に具備する
ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項９記載の装置において、
前記インピーダンス要素は、誘導性要素と容量性要素との内の１つであり、
誘導性要素と容量性要素とは、それぞれ、関連するインピーダンスを有し、
前記入力信号は、関連する周波数を有し、
前記関連する周波数を与えられた大きさに調整することによって、前記誘導性要素と容量性要素との内の前記１つの関連するインピーダンスは、特定の大きさに設定される
ことを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の装置において、
前記センサーは、関連するインピーダンスを有し、
前記センサーインピーダンスと前記容量性要素および前記誘導性要素の内の前記１つの前記インピーダンスとがほぼ等しいように、前記関連する周波数が調整される
ことを特徴とする装置。
【請求項２４】
水繊維混合物から紙製品を製造するシステムであって、
前記水繊維混合物は、液体と繊維とから構成され、
前記システムは、
材料のウェブを形成するために、排水手段上で前記水繊維混合物を受け取り、かつ、前記排水手段を通して前記液体を取り除く第１段階と、
前記システムの処理変数を制御しそれによって紙製品の品質を制御するために使用される検出値を提供するために、抵抗性インピーダンスの変化を検出することによって、前記水繊維混合物の物理的特徴を測定する手段と、
紙製品を形成するために、材料の前記ウェブを乾燥させる第２段階と
を具備し、
前記水繊維混合物の前記物理的特徴は、前記第１段階内の水の重量と温度と化学的組成との内の少なくとも１つを含み、
前記測定手段は、第１電極と第２電極とを具備し、前記第１電極と前記第２電極とは共に前記水繊維混合物に近接し、該第１電極の出力は、前記物理的特徴の変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項２４記載のシステムにおいて、
前記排水手段は、第１区分と第２区分とを有し、
第１区分では、前記水繊維混合物が分配され、
第２区分では、前記液体が、前記水繊維混合物から十分に取り除かれ、
前記測定手段は、センサーアレイを具備し、
センサーアレイは、前記水繊維混合物のインピーダンスにおける変化を検出し、
前記センサーアレイは、前記排水手段の前記第２区分にきわめて接近して存在する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２５記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、固定インピーダンス手段を更に具備し、
固定インピーダンス手段は、第１動作電位と第２動作電位との間において、前記センサーアレイと直列に結合され、
前記センサーアレイは、前記水繊維混合物のインピーダンスにおける前記変化による可変インピーダンスを有する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項２６記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、
前記検出値を使用して前記繊維の重量を判断する手段
を更に具備し、
前記測定手段は、
前記インピーダンスにおける前記変化を前記繊維重量における変化に関連付ける相関手段
を具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２８】
水繊維混合物から紙製品を製造するシステムであって、
前記水繊維混合物は、液体と繊維とから構成され、
前記システムは、
材料のウェブを形成するために、排水手段上で前記水繊維混合物を受け取り、かつ、前記排水手段を通して前記液体を取り除く第１段階と、前記システムの処理変数を制御しそれによって紙製品の品質を制御するために使用される検出値を提供するために、抵抗性インピーダンスの変化を検出することによって、前記水繊維混合物の物理的特徴を測定する手段と、
紙製品を形成するために、材料の前記ウェブを乾燥する第２段階と
を具備し、
前記水繊維混合物の前記物理的特徴は、前記第１段階内の水の重量と温度と化学的組成との内の少なくとも１つを含み、
前記測定手段は、第１の延長された電極と第２の分割され延長された電極とを少なくとも具備し、
第２の分割され延長された電極は、前記第１の延長された電極と平行であり、
前記水繊維混合物は、前記第１電極と第２電極との間に存在し、
前記第１電極と第２電極とを横切る電圧における変化は、前記インピーダンス変化に対応し、
前記第１電極と前記第２電極とは共に前記水繊維混合物に近接し、該第１電極の出力は、前記物理的特徴の変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２８記載のシステムにおいて、
前記第１の延長された電極は、接地に結合され、
前記測定手段は、複数の固定インピーダンス要素を具備し、
各固定インピーダンス要素は、前記第２の延長され分割された電極の前記複数の区域の内の１つと入力信号との間に結合される
ことを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項２９記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、第３の接地され延長された電極を更に具備し、
第３の接地され延長された電極は、前記第２の延長され分割された電極に平行でかつ近接している
ことを特徴とするシステム。
【請求項３１】
水繊維混合物から紙製品を製造するシステムであって、
前記水繊維混合物は、液体と繊維とから構成され、
前記システムは、
材料のウェブを形成するために、排水手段上で前記水繊維混合物を受け取り、かつ、前記排水手段を通して前記液体を取り除く第１段階と、
前記システムの処理変数を制御しそれによって紙製品の品質を制御するために使用される検出値を提供するために、抵抗性インピーダンスの変化を検出することによって、前記水繊維混合物の物理的特徴を測定する手段と、
紙製品を形成するために、材料の前記ウェブを乾燥する第２段階と、
前記測定手段によって検出される前記インピーダンスにおける前記変化を前記繊維の重量における変化に関連付け、かつ、前記検出値を使用して前記繊維重量を判断する相関手段と、
前記排水手段上で分配されるその後の水繊維混合物の繊維含量を調整することによって、前記判断された繊維重量に応答して、前記システムと前記紙製品の前記製造とを制御する手段と
を具備し、
前記水繊維混合物の前記物理的特徴は、前記第１段階内の水の重量と温度と化学的組成との内の少なくとも１つを含み、
前記測定手段は、第１電極と第２電極とを具備し、前記第１電極と前記第２電極とは共に前記水繊維混合物に近接し、該第１電極の出力は、前記物理的特徴の変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項３１記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、
インピーダンスにおける前記変化が前記繊維重量における前記変化によってのみ引き起こされるように、前記水繊維混合物の前記化学的組成または温度の内の少なくとも１つにおける変化に関するフィードバック情報信号を提供する手段
を更に具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項３３】
請求項３２記載のシステムにおいて、
前記フィードバック情報信号手段は、基準セルを具備し、
基準セルは、サンプル量の水繊維混合物のインピーダンスにおける変化を検出する電極配置を有し、
サンプル量の水繊維混合物は、前記水繊維混合物と本質的に同一の化学的組成および同一の温度を有し、かつ、一定の水重量を有する
ことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
水繊維混合物から紙製品を製造する方法であって、
前記水繊維混合物は、液体と繊維とから構成され、
前記方法は、
材料のウェブを形成するために、前記排水手段を通して前記水繊維混合物から液体を取り除くステップと、
前記システムの処理変数を制御しそれによって紙製品の品質を制御するために使用される検出値を提供するために、抵抗性インピーダンスの変化を検出することによって、前記水繊維混合物の物理的特徴を測定するステップと、
前記紙製品を形成するために、材料の前記ウェブを乾燥するステップと
を具備し、
前記水繊維混合物の前記物理的特徴は、前記液体を取り除く前記ステップの間における水の重量と温度と化学的組成との内の少なくとも１つを含み、
第１電極と第２電極とが共に前記水繊維混合物に近接し、該第１電極の出力は、前記物理的特徴の変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備する
ことを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、
前記測定ステップは、
センサーアレイを前記水繊維混合物と接触して配置するステップと、
前記水繊維混合物のインピーダンスにおける前記変化を、前記センサーアレイを使用して検出するステップと、
前記物理的特性を判断するために、前記検出値を使用するステップと
を更に具備する
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３５記載の方法において、
前記液体を取り除く前記ステップは、
前記排水手段の第１区分上で前記水繊維混合物を分配するステップと、
前記排水手段の第２区分から前記液体を取り除くステップと
を具備し、
前記センサーアレイを前記水繊維混合物に接触して配置する前記ステップは、前記センサーアレイを前記排水手段の前記第２区分に本質的に接触して配置するステップ
を具備する
ことを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３６記載の方法において、
前記排水手段は、関連する移動方向を有するコンベアベルト手段の一部であり、
前記センサーを配置する前記ステップは、
前記センサーを、前記コンベアベルト手段の前記関連する移動方向に関して、実質的に直交して配置するステップ
を更に具備する
ことを特徴とする方法。
【請求項３８】
水繊維混合物から紙製品を製造するシステムであって、
前記水繊維混合物は、液体と繊維とから構成され、
前記システムは、
材料のウェブを形成するために、排水手段上で前記水繊維混合物を受け取り、かつ、前記排水手段を通して前記液体を取り除く第１段階と、
前記システムの処理変数を制御しそれによって紙製品の品質を制御するために使用される検出値を提供するために、抵抗性インピーダンスの変化を検出することによって、前記水繊維混合物の物理的特徴を測定する手段と、
前記水繊維混合物の他の抵抗性インピーダンスの変化を検出し、かつ、前記物理的特徴に関する抵抗性インピーダンスの変化のみを前記測定手段が検出するように前記測定手段を調整する基準セル手段と、
紙製品を形成するために、材料の前記ウェブを乾燥する第２段階と
を具備し、
前記水繊維混合物の前記物理的特徴は、前記第１段階内の水の重量と温度と化学的組成との内の少なくとも１つを含み、
前記測定手段は、第１電極と第２電極とを具備し、前記第１電極と前記第２電極とは共に前記水繊維混合物に近接し、該第１電極の出力は、前記物理的特徴の変動を示し、該第２電極は、基準電位に結合されており、
前記第１電極のみが、電気的に絶縁された複数の副電極を具備する
ことを特徴とするシステム。
【請求項３９】
請求項３８記載のシステムにおいて、
前記排水手段は、第１区分と第２区分とを有し、
第１区分では、前記水繊維混合物が分配され、
第２区分では、前記液体が、前記水繊維混合物から十分に取り除かれ、
前記測定手段は、センサーアレイを具備し、
センサーアレイは、前記水繊維混合物のインピーダンスにおける変化を検出し、
前記センサーアレイは、前記排水手段の前記第２区分にきわめて接近して存在する
ことを特徴とするシステム。
【請求項４０】
請求項３９記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、固定インピーダンス手段を更に具備し、
固定インピーダンス手段は、第１動作電位と第２動作電位との間において、前記センサーアレイと直列に結合され、
前記センサーアレイは、前記水繊維混合物のインピーダンスにおける前記変化による可変インピーダンスを有する
ことを特徴とするシステム。
【請求項４１】
請求項４０記載のシステムにおいて、
前記測定手段は、
前記検出値を使用して前記繊維の重量を判断する手段
を更に具備し、
前記測定手段は、
前記インピーダンスにおける前記変化を前記繊維重量における変化に関連付ける相関手段
を具備する
ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、概して、連続式製紙システムを制御するためのシステムに関し、より明確には、製紙機内の湿潤紙料（wetstock）の繊維重量を測定するためのセンサおよび方法に関する。
従来の技術
最新の高速製紙技術において、完成品の品質を監視するために、紙原料に関するある特性を連続的に測定することが知られている。これらのオンライン測定値は、しばしば坪量（basis weight）とシートキャリパ（sheet caliper）（すなわち、厚さ）とを含む。この測定値については、生産品の品質を維持しかつ製造工程における混乱に起因して拒絶される可能性の高い製品数を最小限に抑えるという目的によってＰＶ（process variable）を制御するために用いることができる。
オンラインのシート特性の測定は、シート原料を端から端へ定期的に横断するセンサを走査することによりしばしば行われる。例えば、高速走査センサは、約５０ｍｓ間隔で測定値をセンサから読み取ることによって、２０秒ほどの短い時間で走査を完了することができる。さらに、類似したオンライン測定を行うために一連の静止センサを用いることができることも知られている。
連続式製紙機における紙の製造において、紙のウェブは、移動メッシュ上の繊維（紙料）の水性懸濁液（aqueous suspension）と、製紙ファブリック（fabric）とから形成され、かつ、重力と前記ファブリックを介した吸引とにより、水分が切られる。次に、ウェブはプレス部へ運ばれ、ここで、より多くの水分が圧力と真空とにより除去される。次に、ウェブは乾燥部へ入り、ここで、蒸気で熱せられたドライヤおよび熱風が乾燥工程を完了する。製紙機は、本質的には水分除去システムである。製紙機の通常の形成部は、テーブルロールや、フォイルや、真空フォイルや、吸引箱のような一連の水分除去部材上を移動する循環式の移動製紙ファブリックまたはワイヤを有している。紙料は、製紙ファブリックの上面に搬送され、かつ、この紙料が連続する脱水部材上を移動して１枚の紙を形成する際に脱水される。最終的に、湿潤紙料は、製紙機のプレス部へ運ばれ、ここで、１枚の紙を形成するのに十分な水分が除去される。
従来技術において公知の製紙装置は、例えば、米国特許第５，４００，２５８号明細書に記載されている。多くの要因が、水分が除去される速度に影響を与えており、このことが、生産される紙の品質に究極的に影響を及ぼしている。明らかなように、とりわけ、生産されている紙の乾燥紙料の重量を予測しかつ制御するためには、動的な工程を監視することが都合がよい。
従来では、シート原料の水分含有量は、このシート原料が主要乾燥部から出るとすぐに測定されるか、または走査センサを用いた巻取りリール（take-up reel）において測定される。このような測定については、所望のパラメータを達成するために機械の動作を調整するために用いてもよい。水分含有量を測定するための１つの技術は、赤外線における水の吸収スペクトルを利用することである。この目的のための装置の監視または測定が一般的に行われている。従来では、このような装置は、固定されたゲージまたは走査ヘッド上に搭載されたゲージのいずれかを用いている。前記走査ヘッドは、個々の機械が要求した際に、乾燥部から出たところで、および／または巻取りリールへ入ってすぐに、ウェブを横断して反復的に走査される。通常は、これらのゲージは、例えば、干渉形式のフィルタのような狭帯域フィルタにより選択された波長を備えた、広帯域の赤外線ソースと１つまたは２つ以上の検出器とを用いる。用いられるゲージは、ソースおよび検出器が、ウェブの反対側にあり、かつ、走査ゲージにおいて前記ウェブを横切って同期して走査される伝送式と、ソースおよび検出器が、ウェブの一方の側の単一のヘッド内にあり、前記検出器が、前記ウェブから拡散されたソースの放射量に応答する拡散式（時には“反射”式とも称される）という、２つの主要な種類に分かれる。
発明の概要
本発明は、物質に関する３つの特性を、すなわち、導電率または抵抗と、誘電率と、前記物質のセンサへの近接度とを感知するセンサである。前記物質に応じて、これらの特性のうち１つまたは２つ以上が優勢となる。
本発明の前記センサの基本的な実施形態は、入力信号とアースとの間において可変インピーダンスブロックと直列に接続された固定インピーダンス要素を有している。前記固定インピーダンス要素および可変インピーダンスブロックは、前記インピーダンスブロックのインピーダンスにおける変化が前記センサの出力における電圧の変化となるような分圧器ネットワークを形成する。前記インピーダンスブロックは、本発明の前記センサ内の少なくとも２つの電極と、該電極の間にかつ該電極に近接して存在する物質とからなる物理的構成のインピーダンスを表す。前記インピーダンスは、測定されている前記物質の特性に関連する。
前記電極構成および前記物質は、並列のコンデンサと抵抗器とにより表すことができる等価回路を形成する。前記物質の静電容量は、前記電極の幾何的配列と、前記物質の誘電率と、前記センサへの近接度とに依存する。純粋な誘電体物質に関しては、該物質の抵抗は前記電極間において無限大となり、かつ、前記センサは前記物質の誘電率を測定する。あるいはまた、高導電性物質に関しては、該物質の抵抗は、容量性インピーダンス（capacitive impedance）よりはるかに低く、かつ、前記センサは前記物質の導電率を測定する。
ある実施形態において、前記センサは、製紙システム内の水性混合物（湿潤紙料と称される）の導電率を測定するために用いられる。この場合には、前記湿潤紙料の導電率は高く、かつ、前記センサの測定値において優勢となる。前記近接度は、前記湿潤紙料の下で製紙システムにおける支持ウェブに接触することにより一定に保たれる。前記湿潤紙料の導電率は、該湿潤紙料内の水分総重量に正比例し、その結果、前記製紙システムにおいて生産された紙シートの品質を監視しかつ制御するために用いることができる情報を提供する。湿潤紙料混合物内の繊維重量をその導電率を測定することにより決定すべく、本発明を用いるために、前記湿潤紙料は、全てのまたは大部分の水分が前記繊維により保持されているような状態である必要がある。この状態においては、前記湿潤紙料の水分重量は、繊維重量に直接関連し、かつ、水分重量の導電率については、前記湿潤紙料の繊維重量を決定するために測定しかつ用いることができる。
他の実施形態において、前記センサは、合成樹脂の重量を測定するために用いられる。この適用において、導電率は無視することができ、かつ、容量性インピーダンスは誘電率と前記センサの前記電極間における合成樹脂量とに反比例する。
さらに他の実施形態において、前記固定インピーダンスはインダクタとして具現化され、かつ、前記入力信号はアナログ信号である。この実施形態において、前記インダクタのインピーダンスについては、前記入力信号の周波数を設定することにより、特定の大きさとなるように選択することができる。この実施形態の利点は、センサの最適感度のために、前記固定インピーダンスのインピーダンスを前記センサのインピーダンスと同じ範囲に設定することができることである。したがって、前記センサのインピーダンスが前記システムの動作条件または感知される物質の変動に起因して変化する場合には、いかなるハードウェアの変化も必要とせずに前記センサのインピーダンスに整合するように前記インダクタのインピーダンスをカスタマイズすることができる。
本発明の前記センサ装置は、２つの接地された細長い側面電極と、該側面電極から離間されかつ該側面電極間の中心に配された中央電極とを備えるセルアレイを有するセンサを備える。前記中央電極は、一連の副電極（sub-electrodes）からなっている。前記アレイ内のセルは、前記副電極の１つと、この中央副電極に隣接して配された前記側面電極の一部とを含むものとして形成される。各々のセルの前記副電極は、インピーダンス要素を介して信号発生器により供給された入力信号に独立して接続されている。ある実施形態において、抵抗要素は、各々のインピーダンス要素のために用いられる。各々のセルは、前記信号発生器と所定のセルの前記中央副電極との間に接続された前記抵抗要素と、前記所定のセル用の前記中央電極と該中央電極に隣接した前記側面電極の一部の各々との間の事実上の水圧から生じる抵抗（resistance）とからなる分圧器ネットワークを形成する。各々のセルの出力は、前記中央電極、すなわち、前記抵抗要素と前記セルとの間の地点から得られる。前記水性混合物のコンダクタンスが変化すると、前記セルの出力電圧も変化する。各々のセルの前記出力電圧は検出器に接続され、該検出器は、ある実施形態においては、各々のセルからの出力信号を増幅するための増幅器のような信号強調用回路と整流器とを有する。本発明のある実施形態において、前記検出器は、各々のセルからの出力電圧を、前記水性混合物の重量にまたは他の水性混合物特性に関連するデータに変換するための回路を有している。
本発明の装置は、まだ感知されていないが前記セルの出力電圧に影響を及ぼすこともあり得る前記水性混合物の特性の変化を補償すべく前記信号発生器により供給された前記入力信号を調整するために用いられるフィードバック回路を任意に有していてもよい。前記フィードバック回路は、前記セルアレイ内の単一のセルとして、３つの電極を有する基準セルを有する。さらに、前記基準セルは、抵抗要素を介して前記信号発生器に接続されかつ前記セルから再利用された水性混合物内に配置されている中央電極を有しており、その結果、前記基準セルは、前記セルアレイが内在する前記水性混合物と本質的に同一の化学的および温度特性を有する水性混合物に浸される。さらに、測定されている前記特性（例えば、重量変化）は、前記基準セル上では一定に保たれ、その一方で、前記基準セルからの出力電圧に影響を及ぼし得る他の全ての特性は変動してもよい。結果として、前記基準セルからの全ての電圧変化は、測定されている特性（例えば、重量変化）よりも、前記水性混合物の特性（例えば、温度、化学的組成）の変化に起因する。次に、前記基準セルからの電圧は、フィードバック信号に変換され、かつ、重量変化よりも水性混合物の導電率の変化を補償すべく、前記発生器からの前記信号を調整するように用いられる。
他の実施形態において、前記アレイは、接地された第１電極と、副電極からなる仕切られた第２電極という、２つの細長い電極を有するように構成される。単一のセルは、前記副電極のうち１つと、該副電極に隣接する前記接地された電極の一部とを有する。前の実施形態のように、各々の副電極は、複数のインピーダンス要素の１つを介して、前記信号発生器に独立して接続されており、かつ、電圧変化は、前記副電極において検出される。
前記セルアレイの第３の実施形態は、前記電極間の物質の誘電率の変化を検出するためのものである。このセルアレイは、第１および第２の仕切られた細長い電極を有しており、これらの電極の各々は、第１および第２の副電極の組からそれぞれ構成されている。単一セルは、隣接して離間された第１および第２の副電極の組を有している。所定のセルにおける前記第１副電極は、インピーダンス要素を介して前記信号発生器に独立して接続されており、かつ、電圧変化は、前記第１および第２副電極間の前記物質の重量に正比例する前記物質の誘電率の変化に起因して、前記所定のセルにおける前記第２副電極において検出される。
本発明のある実施形態において、前記装置は、ウェブを有する製紙システムにおいて用いられる。前記センサは、前記製紙システムの横方向（cross direction）または縦方向（machine direction）のいずれかに平行となりかつ前記湿潤紙料と接触するように、前記ウェブの下に配置される。
図面の簡潔な説明
図１Ａは、本発明の装置の基本的なブロック図を示し、かつ、図１Ｂは、センサブロックの等価回路を示す。
図２は、本発明のセンサの一手段による本発明のセンサを有する従来技術の製紙システムを示す。
図３は、センサの基本的要素を備える本発明のセンサのブロック図を示す。
図４Ａは、本発明のセンサのある実施形態の電気的表示を示す。
図４Ｂは、本発明のセンサ内で用いられるセルの断面図と、本発明のセンサの一手段による製紙システム内におけるその物理的な位置とを示す。
図５Ａは、本発明のセンサにおいて用いられるセルアレイの第２実施形態を示す。
図５Ｂは、図５Ａに示されたセルアレイの第２実施形態における単一セルの構成を示す。
図６Ａは、本発明のセンサにおいて用いられるセルアレイの第３実施形態を示す。
図６Ｂは、図６Ａに示されたセルアレイの第３実施形態における単一セルの構成を示す。
図７は、本発明の他の実施形態の基本的なブロック図を示す。
好ましい実施形態の説明
本発明は、物質の性質を検出し、ひとつの実施形態においては、製紙システムにおけるウエットストック（ｗｅｔｓｔｏｃｋ）のファイバーの重量を決定するセンサー装置に関する。最も広い意味において、そのセンサーは、図１Ａに示すブロックダイアグラムとして表現することができ、そこには入力信号（Ｖｉｎ）と接地電位の間で可変インピーダンスブロック（Ｚｓｅｎｓｏｒ）と直列に組み合わされた固定インピーダンス素子（Ｚｆｉｘｅｄ）が含まれる。その固定インピーダンス素子は、抵抗、インダクタ、コンデンサ、あるいはこれらの組み合わせとして具現化できる。固定インピーダンス素子とＺｓｅｎｓｏｒのインピーダンスは、Ｚｓｅｎｓｏｒのインピーダンスにおける変化がＶｏｕｔの電圧の変化になって表れるように分圧器ネットワークを形成する。図１Ａに示されるインピーダンスブロックのＺｓｅｎｓｏｒは、電極間に存する２つの電極と物質の代表的なものである。インピーダンスブロックであるＺｓｅｎｓｏｒは、また図１Ｂに示される等価回路で表され、ここでＲｍは電極間の物質の抵抗であり、Ｃｍは電極間の物質の容量である。
上述のセンサーは、検出すべき物質の３種の物理的性質に感応し、それらは、導電率あるいは抵抗と、誘電率と、センサーへの物質の近接度である。物質に依存して、これらの性質の一つあるいはそれ以上が優性となる。物質の容量は電極の幾何学的形状と、物質の誘電率と、センサーの近接度に依存する。純粋な誘電材料にとって、物質の抵抗は電極間で無限大（すなわちＲｍ＝∞）であり、センサーは物質の誘電率を測定する。代わりに、高導電性の物質にとって、物質の抵抗は、容量性インピーダンスより非常に小さく（すなわちＲｍ≪Ｚｃｍ）、センサーは物質の導電率を測定する。
上述のセンサーを実際に使うには、信号Ｖｉｎは、図１Ａに示される分圧器ネットワークと組み合わされ、可変インピーダンスブロック（Ｚｓｅｎｓｏｒ）の変化はＶｏｕｔで測定される。この構成では、センサーのインピーダンスであるＺｓｅｎｓｏｒは、
Ｚｓｅｎｓｏｒ＝Ｚｆｉｘｅｄ＊Ｖｏｕｔ／（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）…  式１
である。Ｚｓｅｎｓｏｒの変化は、物質の重量、温度、化学組成のような物理的特性に関係する。注意したいのは、センサーの最適の感度は、ＺｓｅｎｓｏｒがＺｆｉｘｅｄの範囲内にあるか、これと概ね同じであるときに得られるということである。
物質の１つ以上の領域で個々に測定を行うための、図１Ａに示されるセンサーの物理的実現において、センサーの一つの電極は接地され、他の電極は電極の配列を形成するように分割される（詳細は以下に記述される）。この実現において、別個のインピーダンス素子がＶｉｎと各電極の一部の間で組み合わせられる。センサーの物質の１つ以上の領域の個々の測定を実行する際に、固定インピーダンス素子とＺｓｅｎｓｏｒの位置は、図１Ａで示されるものと反対になる。この場合、一つの電極はＶｉｎと組み合わされ、他の電極は分割されて、各々順に接地電位に結合される別個の固定インピーダンスの組に結合される。それゆえ、電極はいずれも、このセンサーの実現において接地される。
一つの特殊な実施形態において、上述のセンサーは、水性混合物（ｗｅｔｓｔｏｃｋとして参照される）の物理的特性を、製紙システムにおいてウェットストックの導電率の変化を検出することによって測定するのに用いられる。
図２は、ヘッドボックス１０と、ストリームボックス２０と、カレンダースタック２１と、巻き取りリール２２と、センサーアレイ２３を含む紙材１８の連続したシートを製造する製紙システムの典型的なものを示している。ヘッドボックス１０において、アクチュエータは、ウェットストックを支持ウェブ１３の上に排出するのを制御するように配置されている。シート１８は、ローラー１４と１５の間を移動し、カレンダースタック２１を通過するように扱われる。カレンダースタック２１には、紙ウェブを横切って与えられる圧縮力を制御するアクチュエータ２４が含まれる。出来上がったシート製品は、リール２２に集められる。実際には、製紙過程のヘッドボックスよりの部分は“ウェットエンド”と呼ばれ、一方、その巻き取りリールよりの部分は“ドライエンド”と呼ばれる。
一つの例において、ウェブの上でウェットストックのある特性を感知するのに、センサーは支持ウェブ１３の下に装着される。図３は、セル列２４と、信号発生器２５と、検出器２６と、選択的なフィードバック回路２７とを含むセンサー装置のある実現例のブロック図を示している。セル列２４は、延長された２つの接地電極２４Ａと２４Ｂと、電極２４Ａと２４Ｂの間で空間を作り、その中心に位置する中心電極２４Ｃと、副電極２４Ｄ（１）−２４Ｄ（ｎ）とから成っている。列２４内のセルは、接地された電極２４Ａと２４Ｂの各々の一部の間に位置する副電極２４Ｄの内の一つを含むものとする。例えば、セル２には、副電極２４Ｄ（２）と、接地された電極部２４Ａ（２）と２４Ｂ（２）とが含まれる。図２に示されるようなシステムにおける使用では、セル列２４は、支持ウェブ１３の下に接触して置かれ、要求される情報の種類に応じて縦方向（ＭＤ）あるいは横方向（ＣＤ）に平行に位置することが可能である。センサー装置を使用して、導電率を測定しウェットストック混合物内のファイバーの重量を決定するためには、ウェットストックは、全てのあるいは殆どの水はファイバーによって保持されている状態になければならない。この状態では、ウェットストックの水の重量は、直接ファイバーの重量に関係し、水の重量の導電率は測定が可能でありウェットストック内のファイバーの重量を決定するのに使用される。
各セルは、信号発生器２５からインピーダンス素子Ｚｆｉｘｅｄを通して入力される電圧（Ｖｉｎ）に独立して結合され、それぞれはＶｏｕｔ上で電圧検出器２６に出力電圧を供給する。信号発生器２５はＶｉｎを供給する。一つの実施形態において、Ｖｉｎはアナログ波形の信号であるが、しかし他の信号の種類は直流信号のように使用されることができる。信号発生器２５が波形信号を供給する実施形態において、様々な方法で実現がなされ、通常、正弦波を生成する水晶発振器と信号の安定性のための位相同期ループを含んでいる。直流信号と反対に交流信号を使う一つの利点は、直流のオフセットを除くのに交流結合が可能であることである。
検出器２６には、副電極２４Ｄの各々からの電圧のばらつきを検出する回路と、電圧のばらつきを水性混合物の物理的特性に関して有用な情報に変換する変換回路とが含まれる。選択的に与えられるフィードバック回路２７には、さらにセンサーアレイ内の単一のセルと同様に構成される３つの電極を持つ基準セルを含んでいる。基準セルは、配列で測定しようとしている水性混合物における望まれない物理的特性の変化に応答するべく機能する。例えば、もしセンサーが重量の変化による電圧の変化を検出すると、基準セルは重量が一定になるように設計される。従って、基準セルにより表される電圧／導電率のいかなる変化も、重量変化以外の水性の混合物の物理的特性（温度や化学組成）による。フィードバック回路は、基準セルにより作られる電圧変化による電圧変化を用いてフィードバック信号（Ｖｆｅｅｄｂａｃｋ）を作り、望ましくない水性混合物の特性の変化に対してＶｉｎを補償し補正する（さらなる詳細は以下に記述される）。基準セルによって与えられる、重量に無関係な水性混合物の導電率の情報も、製紙処理における有用なデータを与える。
図４Ａによると、セル列２４（セル１−ｎを含む）と、水性混合物の導電率の変化を感知するべく機能する方法が示されている。図示されるように、各セルは、本実施形態において抵抗素子Ｒｏであるインピーダンス素子を通して、信号発生器２５からのＶｉｎと結合される。セルｎに関しては、抵抗Ｒｏは、中央の副電極２４Ｄ（ｎ）に結合される。外側の電極部２４Ａ（ｎ）と２４Ｂ（ｎ）は、ともに接地電位に結合される。また、図４Ａに示されるように、抵抗Ｒｓ１とＲｓ２は、両外側の電極の各々と中央の電極の間の水性混合物の導電率を表すものである。外側の電極は、本来的に中央の電極から等距離であって、従って各々と中央の電極との間の導電率は本来的に等しい（Ｒｓ１＝Ｒｓ２＝Ｒｓ）。結果として、Ｒｓ１とＲｓ２は、Ｒｓの半分（すなわちＲｓ／２）の実効導電率を持つ並列の抵抗分岐を形成する。さらに、抵抗ＲｏとＲｓ１とＲｓ２は、Ｖｉｎと接地電位の間で分圧器ネットワークを形成する。図４Ｂは、また電極２４Ａ（ｎ），２４Ｂ（ｎ），２４Ｄ（ｎ）が水性混合物に浸されてウェブ１３の直下にあるような製紙システムに関する電極構造の一例の断面図を示している。
上述のセンサー装置は、水性混合物の導電率Ｒｓと水性混合物の重量／容積比は反比例するという考えに立脚している。従って、重量が増加／減少するにつれてＲｓは、減少／増加する。Ｒｓの変化は、ＲｏとＲｓ１とＲｓ２を含む分圧器ネットワークによって指示された電圧Ｖｏｕｔにおける対応する変動を引き起こす。
各セルからの電圧Ｖｏｕｔは、検出器２６に結合される。従って、水性混合物の導電率の変動に正比例する電圧の変動は、検出器２６によって検出され、上記各セル間で通常の近接度を持つ水性混合物の重量と量に関する情報を供給する。検出器２６は、各セルからの出力信号を増幅する手段を含み、アナログ信号の場合には、信号を修正してアナログ信号を直流信号に変換する手段を含んでいる。電気的な雑音の多い環境に適合させた一つの例では、整流器は、スイッチング整流器であり、Ｖｉｎにより制御される位相同期ループを含んでいる。結果として、整流器は入力信号と同じ周波数を持つもの以外のいかなる信号成分をも拒否し、こうして十分に良くフィルタのかけられた直流信号を供給する。検出器２６は、通常は、セルからの出力信号を水性混合物の特別な特性を表す情報へと変換する他の回路を含んでいる。
図４Ａは、また、基準セル２８とフィードバック信号発生器２９とを含むフィードバック回路２７を示している。フィードバック回路２７の考え方は、基準セルを隔離して、システムによって検出されることが望まれている物理的特性以外の水性混合物の物理的特性の変化によって影響されるようにすることである。例えば、もし重量を検出しようと望んでいるときに、基準セルによって作られるいかなる電圧の変化も重量変化以外の物理的特性によるものであるように重量は一定に保たれる。一つの実施形態においては、基準セル２８は、セル列２４が浸されている水の化学的および温度特性と同じものを持つ再利用水の水性混合物に浸される。それゆえ、列２４により積み重ねられ導電率を影響を与える、化学的変化あるいは温度変化も、基準セル２８によって検出される。さらに基準セル１８は、水の重量が一定に保たれるように設計される。結果として、基準セル２８によって作られるＶｏｕｔ（基準セル）の電圧変化は、水性混合物の重量でなく導電率の変化による。フィードバック信号発生器２９は、基準セルから作られた望ましくない電圧変化を変換してＶｉｎを増加あるいは減少させるフィードバック信号を作り、それに関して検出システムにおける電圧変化の誤った効果をうち消す。例えば、もし列の中の水性混合物の導電率が温度の増加によって増加すると、Ｖｏｕｔはフィードバック信号の中に対応する増加を引き起こして減少する。増加するＶｆｅｅｄｂａｃｋは、Ｖｉｎを増加させ、このＶｉｎは順番に水性混合物の導電率が温度変化によって初期に増加するのを補償する。結果として、セルからのＶｏｕｔは、水性混合物の重量が変化したときに変化するのみである。
セル列が図３に示されるように中央の電極が２つの接地した電極の間に置かれて設計される一つの理由は、中央の電極を電気的に分離して、システム間の他の素子と中央の電極の間の外部の相互作用を防止するからである。しかし、セル列は２個の電極のみで構成することが可能であると言うことは理解されたい。図５Ａは、センサーに使われるセル列の第２の実施形態である。この実施形態において、センサーには、第１の接地された延長電極３０と、副電極３２を含む第２の分割された電極３１が含まれる。一つのセルは、副電極３２のひとつと、対応する副電極に近接した接地された電極３０の部分とを含むものとして定義される。図５Ａは、各々が副電極３２と、電極３０の近接する部分とを含むセル１−ｎを示している。図５Ｂは、単一のセルｎを示しており、そこでは副電極３２が信号発生器２５から固定インピーダンス素子Ｚｆｉｘｅｄを通ってくるＶｉｎに結合され、出力信号Ｖｏｕｔが副電極から検出される。回路設計の当業者には、各セルから検出される電圧は、分圧器ネットワークと各セルから供給される可変インピーダンスと各副電極３２と結合される固定インピーダンス素子とに今や依存しないということは明らかであろう。それゆえ、各セルのコンダクタンスは、今やＲｓ１のコンダクタンスの変化に依存している。センサーの残りのものは、図４Ａに示される実施形態と同じように機能するということも理解されるであろう。特に、信号発生器は、各セルに信号を供給し、フィードバック回路２７は、測定される特性によらないコンダクタンスの変動に対してＶｉｎを補償する。
図５Ａと図５Ｂに示されるセルは、Ｖｉｎが電極３０に結合され、副電極３２の各々が順番に接地電位に結合される固定インピーダンス要素に結合されるように、二者択一で結合される。
さらに図６Ａと図６Ｂで示されるセル列の他の実施形態において、セル列は、第１と第２の延長されて空隙で分けられ分割された電極３３と３４を含み、その各々は、第１と第２の副電極の組（それぞれ））３５と３６を含む。一つのセル（図６）には、幾組かの近接した副電極３５と３６が含まれ、そこで与えられたセルの中の副電極３５は独立して信号発生器に結合され、与えられたセルの中の副電極３６はＶｏｕｔをＺｆｉｘｅｄを供給する高インピーダンス検出増幅器へと供給する。この実施形態は、電極間に存在する材料がセンサーのインピーダンスを高くする誘電体として機能するときに有用である。そして電圧Ｖｏｕｔの変化は、材料の比誘電率に依存する。この実施形態は、乾燥紙は高抵抗でありその誘電特性は測定が容易であることから、製紙システムのドライエンド（図２）に実際に使われたとき（と、特に連続紙１８に接触するかあるいはその下にあるとき）に導電性がある。
また他の実施形態において、固定インピーダンス素子がインダクタあるいはコンデンサとして具現化され、入力信号は図７に示されるように発振する波形である。この実施形態の利点は、インダクタかコンデンサの固定インピーダンスが入力信号の周波数を調整することで設定できるということである（Ｚinductor＝Ｌ＊２πＦVinあるいはＺｃａｐ＝１／（２πＦVin＊Ｃ））。さらに、導電率を測定する場合、入力信号の周波数を変えてもセルのインピーダンスは変らない。インダクタあるいはコンタクタのインピーダンスをセンサーのインピーダンスに近づけるあるいは殆ど同じにすることにより、最適の感度が得られる。加えて、この最適化はいかなるハードウェアの変更もなしに得られる。
先述したのは原則であり、本発明の実施形態と動作態様である。しかし、本発明は、論じられた特殊な実施形態に限定して構成されるべきではない。代わりに、上述の実施形態は限定的なものでなく説明的なものであると見なされるべきであり、当業者には以下の請求項で定義される本発明の視野から離れることなく実施形態において変種が作られ得るということは認識されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
0004161030.tif 000009
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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