(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維を機構の動きに任せるリファイナを備える脱水機の移動する透過水性のワイヤ上の繊維を備えるウェット紙料の地合いを調整するシステムであって、前記リファイナは電動負荷制御器を有し、ヘッドボックスは少なくとも１つのスライスを有し、それぞれのスライスはウェット紙料がワイヤ速度で移動するワイヤ上に紙料噴射速度で放出される開口部を有し、ウェット紙料のシートがワイヤ上に発生し、シート速度で移動し、該システムは、
ａ）センサがワイヤの移動方向の異なる位置と、抄紙機の操作中に発生する乾燥ラインの上流とに配置され、かつセンサは多数の水重量測定値で構成される水重量プロフィールを表す信号を発生するワイヤに隣接して配置された少なくとも２つの水重量センサと；
ｂ）紙料噴射速度、シート速度、ワイヤ速度、または電動負荷制御器の少なくとも１つを調節して水重量プロフィールを予め選定された水重量プロフィールに一致させる手段と、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
紙料噴射速度、シート速度、またはワイヤ速度の少なくとも１つを調節する手段を含み、かつ紙料噴射速度対ワイヤ速度比、またはシート速度対ワイヤ速度比を、その比を厳密に１に保持しない条件で、略０．９５と１．０５との間に保持する手段を備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも３つの水重量センサが配置されるシスムであって、前記システムはワイヤ上のウェット紙料の乾燥紙料重量を予知する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記紙料噴射速度、シート速度、ワイヤ速度、またはリファイナ上の変動負荷の１つにおける変化に応答してワイヤ上のウェット紙料のシートの予知された乾燥紙料重量における変化を判定する手段を含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
ヘッドボックスが複数のスライスを介してウェット紙料を放出することを調節する作動器を有し、噴射速度を調節する手段がスライスを介してウェット紙料を放出することを調節することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
ヘッドボックスは圧力レベルで保持されるウェット紙料を含有する小部屋を備え、噴射速度を調節する手段は前記圧力を調節する請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記センサのそれぞれは第１の電極と、間隔を置いて配置され前記第１の電極に隣接する第２の電極とを含み、前記ウェット紙料は前記第１と前記第２の電極間に密に近接しており、前記センサは入力信号と基準電位間のインピーダンス素子に直列に結合されており、かつ前記ウェット紙料の前記特性の少なくとも１つにおける変動は前記センサの両端で測定される電圧に変化を起こすことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の電極は前記インピーダンス素子に結合され、前記第２の電極は前記基準電位に結合されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の電極は前記入力信号に結合され、前記第２の電極は前記インピーダンス素子に結合されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記インピーダンス素子は複数の抵抗素子を備え、前記第１の電極は前記複数の抵抗素子の１つにそれぞれ結合された複数の電気的に絶縁された副電極を備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２の電極は１組の電気的に絶縁された副電極を備え、前記インピーダンス素子は複数の抵抗素子を備え、前記第１の電極は前記入力信号に結合され、前記１組の副電極のそれぞれは前記複数の抵抗素子の１つに結合されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記基準電位に結合された第３の電極を更に含み、前記第１の電極は前記第２と前記第３の電極間に間隔を置いて配置され存在し、前記シート材料の他の部分は前記第１と前記第３の電極間に密に近接していることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記入力信号を調節して前記特性の少なくとも１つにおける前記変動が前記ウェット紙料の単一の物理的特徴における変動によるものであるとするフィードバック信号を供給する手段を更に備えることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１４】
前記物理的特性は前記ウェット紙料の前記部分の比誘電率、電気伝導率および前記センサへの近接を含み、前記ウェット紙料の前記単一の物理的特徴は重量、化学成分、および温度の１つを備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記インピーダンス素子はそれぞれが関連するインピーダンスを有する誘導素子と容量素子の１つであり、前記入力信号は関連周波数を有し、前記誘導および容量素子の前記１つの前記関連インピーダンスは前記関連周波数を所定の大きさに調節することにより特定の大きさに設定しうることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１６】
前記センサは関連インピーダンスを有し、前記関連周波数は前記センサ・インピーダンスと前記容量素子および前記抵抗素子の前記１つの前記インピーダンスとが略等しくなるように調節されていることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
水重量センサは実質的に縦列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
システムは少なくとも３つのセンサをワイヤの下に隣接して配置して成ることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
ウェット紙料は紙原料であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
これは１９９８年１月２６に提出された通し番号０９／０１３，８０２の一部継続出願である。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は一般に連続製紙の調整と、より詳細には、長網抄紙機のワイヤ上での地合いと繊維シャー（fiber shear）の調整に関するものである。
【０００３】
（発明の背景）
最新型の高速機を用いる製紙技術ではシートの特性をたえず監視し、調整してその品質を保持し、製造工程で不調が発生した場合に廃棄される完成品の量を最低限に抑えなければならない。頻繁に測定されるシートの変動要因としては製造工程における各工程でのシートの斤量、水分含有量、およびキャリパ（即ち、厚さ）がある。この工程の変動要因は一般的には例えば工程初期における送り紙料供給率の調整、工程の途中近くで紙に散布する蒸気量の調整、または工程の最後で行われるカレンダ・ローラ間ニップ圧の変更によって調整される。従来技術で公知の製紙装置としては、例えば、１９９２年、アンガス・ワイルド出版社のＧ．Ａ．スムーク（Ｓｍｏｏｋ）による「パルプ紙技術者便覧」第２版や、マックグロウヒル社の１９７０年Ｒ．マクドナルド編集による「紙および板紙の製造」第３巻に詳しい。シート製造システムについては、例えば米国特許第５，５３９，６３４号、第５，０２２，９６６号、第４，９８２，２３４号、第４，７８６，８１７号および第４，７６７，９３５号に更に詳述されている。
【０００４】
連続抄紙機による紙の製造では、紙のウェブは走行する網状の製紙繊維上にある繊維懸濁水（紙料）から形成され、水分は重力と真空吸引で排出される。紙のウェブは次に押圧部へ転送され、そこで乾燥フェルトと圧力とによってさらに水分が除去される。次いでウェブは乾燥部へ入り、そこで蒸気加熱乾燥器と熱風が乾燥工程を完了する。抄紙機は本質的には排水システムである。シート製造技術において、縦方向（ＭＤ）という術語はシート材料が製造工程中に走行する方向をいい、幅方向（ＣＤ）という術語は縦方向に直角に交わるシート幅の方向をいう。
【０００５】
紙製造工程において、紙の地合いと強度に影響を及ぼすワイヤでの主な要因としては、（１）紙料噴射速度対ワイヤ速度（噴射／ワイヤ）比、（２）紙料噴射がワイヤに落着する角度、および（３）ウェブからの排水率がある。紙料噴射速度とワイヤ速度間の差は、紙ウェブ全体において、パルプ繊維の幅、縦およびＺ（ウェット紙料の高さ）方向における平均的な配向性を決定する。シート中の繊維の平均的な配向性はシートの地合いとシートの強度にとって重要である。
【０００６】
最近の抄紙機の起動手順では、抄紙機をそれぞれ異なる噴射／ワイヤ比に合せて最適化し、紙特有の不可欠な地合いと強度を与える噴射／ワイヤ比を確認するラボ・テストが求められる。テストは受容できる結果が得られるまで幾時間かけてもよいし、試行錯誤を幾度も繰り返して噴射／ワイヤ比を求めてもよい。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、水中用水重量センサ（ここでは「ＵＷ3」と呼ぶ）の開発に一部基づいている。このセンサは材料の３つの特性、即ち、電気伝導率または抵抗率、比誘電率、およびＵＷ3センサに対する材料の近接性に対して敏感である。材料の如何により、これら３つの特性の１つまたは１つ以上が優位に立つ。ＵＷ3センサが抄紙機にＭＤ方向に配置され、製紙システムにおける抄紙機の水性混合物（ウェット紙料）の伝導性を測定するのに用いられる。この場合、ウェット紙料の伝導性は高く、ＵＷ3センサの測定を抑圧する。近接性はウェット紙料のもとで製紙システムの担持ウェブに接触することにより一定に保たれる。ウェット紙料の伝導性はウェット紙料中の全水重量に正比例する。その結果、センサは製紙システムによって製造されるシートの質を監視し調整するのに用いることができる情報を提供する。本発明では、一連のＵＷ3センサが長網抄紙機のウェブにある水重量をＭＤ方向に測定し、水重量または排水プロフィールを表示するのに用いられる。
【０００８】
これらのセンサは極めて速い反応時間（１ミリ秒）を持ち、紙の斤量に関する水重量値を正確に示すことができる。実際、水重量測定値はワイヤ重量センサのもとで１秒間に６００回も計算できる。一連のＭＤセンサのそれぞれのＭＤ傾向を監視することにより、テーブルに記入されるこれらセンサ間の水重量の変化を関連づけることが可能である。これらの傾向を積み重ねて所定の相関関係を生成するのに求められる時間の差違は担持されない紙料スラリが１つのセンサから他のセンサへ移行するのに要する時間である。この時間から調整システムはワイヤ速度との関連でワイヤを移動する紙料の速度を計算することができる。担持されない紙料スラリの速度は当初の紙料噴射速度と関連するので、調整システムは噴射対ワイヤ比を監視し調整し、この比率を最適化して最適のシート地合いと強度を得ることができる。
【０００９】
特定のグレード紙を製造するために長網抄紙機を操作する方法には３つの工程手順がある。第１工程は直接測定によって決定される受容可能な質の高い紙を生産する最適の地合いを取得するための長網抄紙機のパラメータを調整する手順を含む。この最適の地合いに対応する排水プロフィールが次に水重量センサを縦方向に分布して測定され、記録される。
【００１０】
この最適排水プロフィールは標準の曲線あてはめ技法を用いてパラメータで表示されるさまざまな機能（指数など）にあてはめてもよい。この曲線あてはめ手順はプロフィールに及ぼすノイズの影響をスムースにし、測定地点間で補間する効果がある。
【００１１】
長網抄紙機のそれ以降の生産運転中に目指す目的は先に決定した最適排水プロフィールを再生することである。与えられた位置で測定された含水率がその位置の最適値以上か以下であれば、紙料噴射速度からワイヤ速度比に至るまで抄紙機パラメータを必要に応じて調整し、その測定値を最適値に近づけるようにする。
【００１２】
一態様において、本発明は、繊維を機構の動きに任せるリファイナと、電動負荷制御器を有する前記リファイナと、および少なくとも１つのスライスを有するヘッドボックスとからなる脱水機の移動透過水性ワイヤ上にある繊維からなるウェット紙料の地合いを調整するシステムに向けられたものであり、それぞれのスライスはウェット紙料がワイヤ速度で移動するワイヤ上に紙料噴射速度で放出される開口部を有し、ウェット紙料のシートがワイヤを発生し、シート速度で移動する。このシステムは、
ａ）センサがワイヤの移動方向の異なる位置と、抄紙機の操作中に生ずる乾燥ラインの上流に配置され、そのセンサが多数の水重量測定値からなる水重量プロフィールを示す信号を発生するようにワイヤに隣接して配置された少なくとも２つの水重量センサと、
ｂ）紙料噴射速度、シート速度、ワイヤ速度、または電動負荷制御器の少なくとも１つを調整して水重量プロフィールを前もって選択した水重量プロフィールに一致させる手段と、
を有する。
【００１３】
本発明は、その他に、抄紙機が紙の特定のグレードに対する適切な噴射対ワイヤ比を速やかに決定できるので、生産性を増すことができる。製造された紙はシートの地合いと強度に反映される最適な繊維配向性を持つことができる。
【００１４】
好ましい実施態様において、本システムはワイヤ上にあるウェット紙料のシートの乾燥斤量を予測する手段も組み入れることができる。
【００１５】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、抄紙機械、例えば長網抄紙機のウェット端でウェブまたはワイヤに沿ったＭＤ（縦方向）で水の重量を測定するセンサを含むシステムを使用する。これらのＵＷ3センサは、水の重量について本質的に瞬間的なＭＤプロフィールが得られるように、応答時間が非常に速い（１ミリ秒）。本発明は、長網抄紙機の一部について記述するが、本発明は、例えばツイン・ワイヤおよびマルチプル・ヘッドボックス機械を含むその他の抄紙機械に、また、円網抄紙機やＫｏｂａｙａｓｈｉ  Ｆｏｒｍｅｒなどの板紙フォーマに利用可能であることが理解できるであろう。本発明の要素の記述が不明瞭にならないように、以下の開示では抄紙機械のいくつかの従来要素を省略する。
【００１６】
図１Ａは、ヘッドボックッス１０、カレンダ・スタック３５、およびリール３６を含む、連続シート材料を生産するためのシステムを示す。ヘッドボックス１０のアクチュエータ３７は、モータ１５０および１５２によってそれぞれ駆動するローラ１４および１５の間で回転する支持ウェブまたはワイヤ１３上に、複数のスライスを通して原材料を送出する。制御装置５４は、モータの速度を調節する。フォイルおよび真空ボックス（図示せず）は、ワイヤ上の湿潤紙料から一般に「白水」と呼ばれる水をワイヤ・ピット８内へと除去し、再生利用する。ワイヤを出たシート材料は、乾燥機３４を通過する。支持フレーム３１上に支持される走査センサ３０は連続的にシートを横断し、完成したシートの特性を横方向で測定する。複数の固定センサを使用することもできる。走査センサは当技術分野で知られており、例えば米国特許第５，０９４，５３５号、第４，８７９，４７１号、第５，３１５，１２４号、および第５，４３２，３５３号に記載されており、これらを参照により本明細書に組み込む。次いで完成したシート製品１８を、リール３６上に収集する。本明細書で使用する、図１Ａに示すシステムの「ウェット端」部には、ヘッドボックス、ウェブ、および乾燥機の直前の区画が含まれ、「乾燥端」には乾燥機の下流の区画が含まれる。
【００１７】
ウェブ１３の下には、１列に並んだ５個のＵＷ3センサ４２Ａ〜４２Ｅが位置決めされている。これは、湿潤紙料を支持するウェブの部分の下に各センサが位置決めされることを意味する。本明細書でさらに記述するように、各センサは、シート材料がこのセンサ上を通過するときにその水の重量を測定するように構成されている。センサは、シート材料が各センサを通過する点で、ＭＤ方向に沿って連続的にこのシート材料を測定する。センサは、乾燥ライン４３の上流に位置付けられる。ＭＤの異なる位置での多数の水重量測定値からなる水重量プロフィールが明らかになる。最少で２個のセンサを有するＭＤ配列を必要とし、４〜６個のセンサを使用することが好ましく、センサは、ワイヤの縁から約１メートル以内に縦方向に１列に並んで位置決めされることが好ましい。これらのセンサは、約３０〜６０ｃｍ離れていることが好ましい。
【００１８】
別の実施形態では、ＭＤ配列の各センサを、ＵＷ3センサの１列のＣＤ配列に置き換えることができ、すなわち５個のセンサ４２Ａ〜４２ＥのそれぞれがＣＤ配列を含む。各ＣＤ配列は、シート材料がこの配列を通過する点で、ＣＤ方向に沿ったシート材料全体に関する連続的な測定を行う。ＣＤの異なる位置での多数の水重量測定値からなるプロフィールが明らかになる。５つのＣＤ配列のそれぞれに関してこれらの多数の測定値の平均が得られ、５つの平均値に基づくＭＤプロフィールが生成される。
【００１９】
「水重量」という用語は、ウェブ上にある湿潤紙料の単位面積当たりの質量または重量を指す。一般に水重量センサは、平方メートル当たりのグラム数（ｇｓｐ）を表す工学単位を提供するように較正される。概算で、１０，０００ｇｓｍという読みは、繊維上に１ｃｍの厚さを有する紙料に対応する。「斤量」という用語は単位面積当たりの材料の全重量を指す。「乾燥重量」または「乾燥紙料重量」という用語は、単位面積当たりの材料の重量（水に起因するどのような重量も除く）を指す。
【００２０】
水重量をワイヤ上の乾燥ラインの上流で測定する場合、ワイヤ上の水重量の素早い変動は、生産されたシート材料の、乾燥斤量の素早い変動と十分に相関することが実証されている。その理由は、ワイヤ上の本質的に全ての水が、紙繊維によって保持されるからである。より多くの繊維はより多くの水を保持するので、測定された水重量は繊維重量と十分に相関する。
【００２１】
製紙原材料は、ファンまたは供給ポンプ１３１によって供給源１３０からヘッドボックス１０に導入されるとき、計量され、希釈され、任意の必要な添加剤と混合され、最後にスクリーンにかけられて清浄にされる。このポンプは、紙料と白水を混合し、ヘッドボックス１０にその配合物を送出する。
【００２２】
湿潤紙料を調整する方法は、この繊維を、可変モータ荷重制御装置１３６を備えるリファイナ１３５の機械的な動作にかけるステップを含む。リファイナを調節することによって、とりわけ強さの発現や紙料の排流性、シート形成を調節することができる。多くの変数がリファイン・プロセスに影響を与え、これらの変数には一般に、例えば原材料（例えば繊維形態）、装置特性、プロセス変数（例えばｐＨ）が含まれる。繊維形態に関しては、木材パルプ繊維の供給源が紙の性質に影響を及ぼすことが知られている。２つの重要な特徴とは、繊維の長さとセル壁の厚さである。繊維間結合のためには最小限の長さが必要とされ、その長さは引裂強さに比例する。相対的な繊維の柔軟性の指標であるパルプ繊維の長さとセル壁の厚さとの比と、指定された繊維の長さでの繊維壁材料の重量である繊維の粗さは、いずれも繊維の挙動を表すものである。一般に、軟材種のパルプ特性は硬材種のパルプ特性とは異なり、紙料は、軟材と硬材との様々な配合物を含むことができる。この紙料の軟材と硬材との比は、例えばワイヤ上の湿潤紙料の排流性の変化に影響を及ぼすように調節することができる。
【００２３】
図１Ｂは、ワイヤ１３上に湿潤紙料５５放出するスライス５０を有するヘッドボックス１０を示す。実際の製紙システムでは、ヘッドボックスのスライスの数はより多くなる。長さ３００インチ（約７６０ｃｍ）のヘッドボックスの場合、１００個またはそれ以上のスライスを設けることができる。スライスのノズル５２を通して紙料が放出される速度は、例えばノズルの直径を調節する対応するアクチュエータによって制御することができる。ヘッドボックスの機能とは、ファン・ポンプによって送出された紙料を得て、パイプライン状の流れをその幅が抄紙機械に等しい平らな長方形状の放出であって、その縦方向の速度が均一な放出に変換することである。フォーミング・ボード３８は、噴射衝撃点でワイヤ１３を支持する。このボードによって、初めに流れ落ちるのを遅らせる。
【００２４】
ヘッドボックスは、一般に、必要とされる紙料送出速度に応じて開放型または加圧型として分類される。加圧型ヘッドボックスは、さらにエア・クッション式と油圧式の設計に分けることができる。油圧式の設計では、スライスからの放出速度は供給ポンプ圧に直接依存する。エア・クッション型では、放出エネルギーは供給ポンプ圧からも誘導されるが、ポンド・レベルは維持され、かつ放出ヘッドはポンド上の空間の空気圧によって弱められる。
【００２５】
ボックス内の全ヘッド（圧力）はスライス噴射速度を決定する。ベルヌーイの式によれば、ｖ＝（２ｇｈ）1/2において、ｖ＝噴射速度（ｖｅｌｏｃｉｔｙまたはｓｐｅｅｄ）（ｍ／ｓ）、ｈ＝液体のヘッド（ｍ）、ｇ＝重力加速度（９．８１ｍ／ｓ2）である。典型的なヘッドボックス・スライスから出てくる紙料の噴射は、スライスの幾何形状が原因となって、その厚みが薄くなり、かつ下方に向けられる。噴射速度と共に、噴射の厚みはヘッドボックスからの容積放出量を決定する。ヘッドボックス・スライスは、典型的には完全に調整可能な開口を有する全幅オリフィスまたはノズルであり、それによって所望の流量が得られる。スライスの幾何形状および開口はスライス噴射の厚みを決定し、一方ヘッドボックスの圧力は速度を決定する。本明細書で使用する「紙料噴射速度」または「噴射速度」という用語は、スライスのノズルを通過する湿潤紙料の噴射速度を指す。
【００２６】
本発明によれば、ワイヤ上を移動するシート状の湿潤紙料の速度は、ＭＤに位置決めされた２個またはそれ以上のＵＷ3センサを使用して測定することができる。ワイヤが乾燥端に向かってヘッドボックスから離れていくにつれて、紙料中の水の量は減少していくが、紙料の水重量プロフィールの全体にわたる形状は、紙料速度の計算ができるように十分に一定な状態であり続ける。図１に示すワイヤ上の、２つの異なるＭＤ位置に位置決めされた２個のＵＷ3センサで測定された、時間（ミリ秒）に対する水重量を表した例示的なグラフを図６に示す。上方の曲線は、ヘッドボックスに近接して位置付けられたほうのセンサによる測定値を表し、下方の曲線は、もう一方のセンサによる測定値を表す。これらの曲線は、水が紙料から流出した場合でさえ、水プロフィールの全体の形状が概して同様であることを実証している。したがって、２つの曲線を連続的にモニタすることによって、湿潤紙料のシートが２個のセンサ間を移動するときの速度を計算することができる。具体的には、この速度は、２個のセンサ間の距離をオフセット時間で割った値に等しいが、このオフセット時間とは、紙料上のポイントＡまたは任意の識別可能なセグメントが、図６に示すように１つのセンサから隣りのセンサまで移動する時間である。明らかなように、２個よりも多いセンサを使用することができ、多数の読みと計算から、紙料の平均速度を決定することができる。
【００２７】
ワイヤ上を移動する湿潤紙料のシートの速度を測定するには、２個またはそれ以上のＵＷ3センサをＭＤに沿って縦一列に位置決めすることが好ましく、これは、センサをワイヤの縁から同じ距離に位置決めすることを意味する。このようにすれば、横方向に沿った紙料の水重量のばらつきが速度の測定に悪影響を及ぼさない。
【００２８】
図６のデータから明らかなように、ＵＷ水重量センサの応答時間は、水重量特有の変化、例えばピークを容易に識別できるように、十分に速いものである。「応答時間」とは、センサが１回の読取りを行うのに必要とされる時間を意味する。応答時間は、典型的には約１ミリ秒であり、これは、ワイヤおよび紙料が通常約８．３〜２２ｍ／秒の速度で移動するので十分な時間である。移動するシートの速度を測定するため、好ましくはセンサの応答時間は少なくとも約２ミリ秒、またはそれよりも速くなるように設計されるべきである。
【００２９】
ヘッドボックスに関する主な動作変数とは、一般に紙料のコンシステンシーおよび温度と、噴射とワイヤの速度の比である。一般にコンシステンシーは、第１パス・リテンションを損なわずに、または形成区画の排流能力を上回った状態で、良好なシート形成が実現されるように十分低く設定される。より高い温度で紙料の排流が改善されるので、温度とコンシステンシーとは相互に関連付けられた変数である。コンシステンシーは、スライス開口を上下に動かすことによって変化する。紙料の追加速度は一般に斤量弁（図示せず）のみによって制御されるので、スライス開口の変化は、主としてワイヤの下のワイヤ・ピットから循環する白水の量に影響を及ぼす。
【００３０】
噴射速度とワイヤ速度の比は、通常、最良のシート形成が実現されるようにほぼ単一になるように調整される。噴射速度がワイヤよりも遅い場合、シートは「ドラッグされた」と言い、噴射速度がワイヤ速度よりも速い場合、シートが「ラッシュした」と言う。ときどき、シートをわずかにラッシュさせまたはドラッグして、排流を改善しまたは繊維の向きを変える必要がある。噴射速度は実際に測定しないが、ヘッドボックスの圧力から推測される。典型的には、抄紙機械は、この比が１に等しくならないように動作し、この比は約０．９５〜０．９９または１．０１〜１．０５の範囲であることが好ましい。
【００３１】
本発明の実施は、抄紙機械の動作中に生成される１つまたは複数のプロフィールの展開状態に部分的に依拠する。「水重量プロフィール」という用語は、センサのＭＤ配列によって測定された１組の水重量測定値を指す。あるいは水重量プロフィールは、この１組の測定値から、標準的な曲線のあてはめ技法によって展開された曲線を含むことができる。動作中、水重量プロフィールは、異なる周囲条件（例えば温度や湿度）を含んだ異なる動作条件下で作製された、異なるグレードの紙ごとに生成される。例えば、図１Ａの機械を動作させて、実験室での分析および／または走査センサによる測定で決定された所望の物理的性質を有する特定のグレードの紙を作製するとき、測定値はＵＷ3センサで得られる。この測定値は、特定のグレードの紙に関し、特定の条件下で、基本のまたは最適な水重量プロフィールを生成するのに使用される。様々な動作条件下で製造された種々のグレードの紙ごとに、基本の水重量プロフィール（または基本プロフィール）を含むデータベースを開発することができる。基本の水重量プロフィールのデータベースを開発し維持する他、各プロフィールに関し、紙料噴射速度とワイヤ速度の比、すなわち噴射／ワイヤの比と、測定された紙料速度とワイヤ速度の比、すなわちシート／ワイヤの比も記録することに留意されたい。さらに、これらの比は１に近付くが、１に等しくはならない。このようなやり方で、データベースからの基本プロフィールを使用して抄紙機械を動作させるとき、初めにこの機械は、記録された噴射／ワイヤの比またはシート／ワイヤの比で動作を開始する。その後、基本プロフィールを再現するためにこの比を操作する。
【００３２】
抄紙機械の始動中、操作者は、データベースから適正な基本プロフィールを選択することになる。ＵＷ3配列は、測定された水重量プロフィールを連続的に展開し、これを基本の水重量プロフィールと比較する。測定されたプロフィールと基本プロフィールが合致するまで、噴射／ワイヤの比またはシート／ワイヤの比を調整する。測定されたプロフィールが、事前に設定した範囲を超えて基本プロフィールからずれた場合、操作者は、測定された水重量を連続的にモニタすることによってどちらの比も調整することができる。この初期の始動段階では、抄紙機械のウェット端を動作させるのみ必要である。材料は、この期間中再利用される。
【００３３】
ワイヤ上の湿潤紙料シートの速度（または「シート速度」）を測定するために２個またはそれ以上のセンサを使用することによって、抄紙機械の操作者は、とりわけヘッドボックスのヘッド圧から計算された噴射速度が正確であることを確実にすることができる。しばしば紙料はヘッドボックス・スライス内で急増し、この脈動現象によって、噴射速度に変動が生じる。ワイヤ上の湿潤紙料のシート速度は紙料噴射速度に比例するので、シート速度を使用して、計算された噴射速度をモニタすることができる。測定された速度によって噴射速度の過剰な変動が示される場合、ヘッドボックスの圧力またはその他のパラメータを相応に調整して、変動を最小限に抑えることができる。例えば、スライス・アパーチャの幾何形状、またはリファイナからヘッドボックスヘの紙料の流れを調整することができる。
【００３４】
あるいは、所望のシート紙料速度とワイヤ速度の比で抄紙機械が維持されるように、計算された噴射速度の代わりにシート速度を使用することができる。この比の好ましい範囲は、典型的には噴射とワイヤの比の場合と同じである。さらに、シート速度とワイヤの比を調整することが必要な場合、紙料噴射速度、ワイヤ速度、またはモータ荷重制御装置を以前のように調整して、水重量プロフィールを、事前に選択された水重量プロフィールに合致させることができる。
【００３５】
スライス内の紙料噴射速度は一般にワイヤ速度よりも容易に制御されるので、噴射／ワイヤの比、またはシート／ワイヤの比を調整する好ましい方法とは、ワイヤ速度を実質的に一定に維持し、ヘッドボックス内の圧力を調整して紙料噴射速度を調節することである。本発明は、一定の紙料噴射速度を維持しながらワイヤ速度を制御することによって、または噴射速度およびワイヤ速度の両方を制御することによってこの比を調整する場合に、利用可能であることが理解される。
【００３６】
図１Ｃに示すシステムの動作中、湿潤紙料は、供給ポンプ７２によって供給源７０からヘッドボックス７４に送り込まれる。湿潤紙料は、ウェット端・プロセス７６で一部水が除去され、一部水が除去された製品が得られる。この初期始動段階中、一部水が除去された製品９０は、再生利用のために収集することができる。この初期プロセスが終了した後、一部水が除去された製品９２は乾燥端プロセス７８に入り、リール８０で収集された完成品である紙が得られる。走査センサ８２は乾燥端の斤量を測定し、それによって、プロセス・パラメータ（例えば噴射／ワイヤの比）が正しく選択されたことを確認する。
【００３７】
初期段階中、センサ８４のＭＤ配列は、ウェット端で水重量を測定して信号をコンピュータ８６に送り、それによって、ウェット端プロセスの水重量プロフィールを連続的に展開する。これらの測定された水重量プロフィールを、データベースから作製された特定のグレードの紙用に選択された、基本のまたは最適な水重量プロフィールと比較する。図７はワイヤ位置に対する水重量を表すグラフであり、本発明のプロセスを実施した状態を示す。図示するように、曲線Ａは、基本の、または最適なプロフィールを表し、これは、作製された紙のグレードに関してデータベースから事前に選択されたものである。始動段階中、ワイヤでの水重量測定値はセンサのＭＤ配列から得られ、この測定値から、標準的な曲線のあてはめ技法を使用して曲線Ｂが作り出される。
【００３８】
明らかなように、この場合、測定された水重量値は基本プロフィールの値よりも高い。その結果コンピュータは、供給ポンプ７２を調節する制御装置９４に適切な信号を送る。この曲線比較手順は、測定された水重量プロフィールが、事前に選択された最適化プロフィールと合致するまで続ける。実際、１００％合致させることは必要でも実際的でもなく、ずれのレベルは操作者が設定することができる。したがって、「合致する」または「合致」という用語は、測定された水重量プロフィールが、事前に選択された水基本重量プロフィールの値と同じかまたはほぼ同じ値を有することを意味すると理解される。図７を参照すると、測定された水重量値と基本プロフィールの値を比較する好ましい方法は、２つの曲線ではなく、各プロフィールごとに、位置ｘ、ｙ、およびｚで３つの測定値を比較することを必然的に伴う。さらに紙のグレードによっては、位置ｚでの乾燥ラインにより近いこれらの測定値が、位置ｘでのヘッドボックス近くの測定値よりも有意になる可能性がある。この場合、操作者は、位置ｘよりも位置ｚで、より高い程度の一致を必要とする可能性がある。適正な噴射／ワイヤの比に達した後、すなわち測定されたプロフィールが基本プロフィールに合致すると、乾燥端プロセスが稼動し始めて完成品が作製される。
【００３９】
上記示したように、このシステムは、ある一定の噴射／ワイヤの比またはシート／ワイヤの比の範囲内で動作することが好ましい。抄紙機械をこのパラメータ内で確実に動作させるため、このシステムは、ワイヤ速度測定装置（例えば回転速度計）１０２およびヘッドボックス圧力計１０４から信号を受信するコンピュータ１００を含むことが好ましい。コンピュータは、噴射／ワイヤの比またはシート／ワイヤの比を計算する。この比が操作者によって設定された比（例えば１．０１〜１．０５）の範囲外である場合、噴射速度（または場合によってはシート速度）および／またはワイヤ速度を相応に調整することができる。例えば信号１０６を制御装置１１０に送ることができ、それによってポンプ７２の速度が増減する。このため紙料噴射速度が増減する。コンピュータは、適切な信号１０８を制御装置１１２に送ることもでき、それによって、ワイヤを駆動するモータの速度を調節する。そのうえ、制御装置は信号１１４を制御装置９４に送ることができ、それによって、上記の比が事前に設定した比の範囲に戻るまで一時的に制御装置９４の動作を切り離す。
【００４０】
明らかなように、噴射／ワイヤの比を事前に設定した範囲内に維持することが好ましいが、紙料噴射速度またはワイヤ速度が一定に保たれる場合は、プロフィール合致手順を実施するために噴射／ワイヤの比を計算することは実際に必要ではない。唯一の重要な用件とは、測定された水重量プロフィールを基本プロフィールに合致させることである。類似の論法がシート／ワイヤの比に利用される。
【００４１】
図１Ｃは、ウェット端プロセス信号に応答してリファイナ１８０のモータ荷重を制御する方法も示す。具体的には、上記の場合と同様に、測定された水重量値が基本プロフィールの値よりも高いとき、コンピュータ８６は適切な信号を制御装置１８５に送り、それによってリファイナ１８０の荷重を調節する。荷重を変化させるには必然的にリファイナの機械的要素の調節が行われ、例えばリファイナのプレート間隙を増減させてパルプの機械的動作の程度を変化させる。さらに、噴射／ワイヤの比またはシート／ワイヤの比が操作者によって設定された比の範囲外である場合、信号１９１がコンピュータ１００によって制御装置１９３に送られてモータ荷重を増減させる。コンピュータは、適切な信号１９７を制御装置１８５に送ることもでき、それによって、上記の比が事前に設定された比の範囲に戻るまで制御装置１８５の動作を一時的に切り離す。
【００４２】
本発明の別の態様では、複数のＭＤ  ＵＷ3センサによる測定値を使用して、最終の紙製品の斤量を予測することができる。予測された斤量を使用して抄紙機械の動作パラメータを制御し、それによって最終の紙製品の品質を最適にすることができる。本明細書でさらに述べるように、ウェット端斤量（ＢＷ）と、予測された乾燥端ＢＷとの機能的な関係によって、乾燥端ＢＷ予測機２３は、ＭＤ  ＵＷ3センサによって得られた水重量測定値を処理して、図１Ｃに示すようにそれが乾燥端に達したときに乾燥斤量または乾燥紙料重量がどのようになるかを予測することができる。予測された乾燥斤量を目標とする設定と比較して、エラー信号がある場合にはエラー信号を得る。このエラー信号を使用して、例えば紙料噴射速度やシート速度、ワイヤ速度、リファイナの荷重など、機械要素を制御するための適切な制御信号を決定する。好ましい実施形態では、乾燥端予測機２３からの信号はライン１２３を通ってコンピュータ８６に送られ、それによって、上述のようにリファイナ、ワイヤ・モータ速度、およびヘッドボックス圧力を調節することができる。
【００４３】
予測された乾燥重量の計算結果を使用して、１つまたは複数のパラメータに変更を行うことにより、期待された効果が最終製品にもたらされることを確認することができる。例えば、紙料噴射速度または測定されたシート紙料速度、ワイヤ速度、またはリファイナの可変荷重に対する変更が、水重量プロフィールが事前に選択された水重量プロフィールと合致するように行われる場合、予測された乾燥重量は、その行われた変更によって正しい効果がもたらされるかどうかを素早く示すことができる。さらに、操作者が多くのパラメータの１つに変更を行うことができる場合、操作者は、乾燥重量を予測する技法によって、水重量を合致させるためにはどのパラメータが最も適しているかを素早く決定することができる。
【００４４】
ＵＷ3センサの構造
図２は、参照によってここに組み入れられる米国特許出願番号０８／７６６，８６４において説明された伝導率又は抵抗測定センサを示す。このセンサは、紙料材料中の水の伝導率又は抵抗を測定する。センサは、また、原料、例えばウェット紙料、の誘電率やセンサへの近さを測定することもできる。水の伝導率は水の重さに対して指数関数的である。センサアレイは、２つの長く形成された接地電極２４Ａと２４Ｂと、分割された電極２４Ｃとを含む。測定セル（セル１，セル２，・・・セルｎ）はそれぞれ電極２４Ｃの１セグメントと接地電極２４Ａ及び２４Ｂの対応する部分とを含む。各セルは、紙料の伝導率と特にセグメントとその対応する接地電極の対向部分の間の空間にある紙料の水分を検知する。センサアレイは複数のセルからなっていても良いが、各ＵＷ3センサは、ただひとつのセル構造、例えば図２のセル２、を必要とすることが理解される。確かに好適なる検出器はそのうちの２つが接地された３つの電極からなるが、要求される電極の数は、接地された１つとともに、高々２つである。
【００４５】
各セルは、インピーダンス要素Ｚfixedを介して信号発生器２５からの入力電圧（Ｖin）に個別に接続されており、それぞれがバス上の電圧検出器２６に出力電圧Ｖoutを供給する。信号発生器２５はＶinを供給する。
【００４６】
デバイス２６は、電極２４Ｃのセグメントのそれぞれからの電圧の変化を検知するための回路と、その電圧変化を水性混合物の物理的特性に関係する有用な情報に変換するための変換回路とを含む。最適フィードバック回路２７はセンサアレイ中の単一セルとして同様に形成された電極を持つ参照セルを含む。参照セルは、アレイによって測定したい水性混合物の物理的特性変化以外の水性混合物の不要な物理的特性変化を測定する。例えば、もしセンサが重さの変化による変化を検知しているならば、参照セルは重さが一定となるように構成される。その結果、参照セルによって示されるいかなる電圧／導電率変化も、水性混合物の重さの変化以外の物理的特性の変化（温度、化学物質など）によるものである。フィードバック回路は、参照セルによって生成された電圧変化をフィードバック信号（Ｖfeedback）を生成するために用い、（以下で詳細に述べる）欲しない水性混合物の特性変化に対して補償してＶinを調整する。参照セルによって供給される、重さに関係ない水性混合物の伝導率情報は、製紙工程において有用なデータを供給する。
【００４７】
センサアレイは、検知されている材料の３つの物理的特性：伝導率又は抵抗、誘電率、センサへの材料の近さ、に感応する。材料によって、これらの特性のうちの１又はそれ以上のものが主となる。材料の容量は、電極の幾何図形的配置、材料の誘電率およびそのセンサへの近さに依存する。純粋な誘電材料に対しては、電極間の材料の抵抗は無限大（すなわち、Ｒｍ＝∞）であり、センサはその材料の誘電率を測定する。また、高伝導材料に対しては、その材料の抵抗は容量インピーダンスよりもはるかに小さく（Ｒｍ＜ＺCm）、センサはその材料の伝導率を測定する。
【００４８】
図３は、水性材料の伝導率を測定するセンサアレイ２４のセル１〜ｎを含む測定装置の電気的な表現を示している。示すように、各セルは、インピーダンス要素、この実施例においては抵抗要素Ｒo、を介して信号発赤気２５からのＶinに接続されている。セルｎを参照すると、抵抗Ｒoは中央セグメント２４Ｄ（ｎ）に接続され、（セグメント２４Ｄ（ｎ）に対向する）部分２４Ａ（ｎ）と２４Ｂ（ｎ）は接地されている。また、図３には、セグメントと接地された部分との間の水性混合物を表す抵抗ＲS1とＲS2が示されている。抵抗Ｒo、ＲS1、ＲS2は、Ｖinと接地との間の分圧ネットワークを構成する。
【００４９】
図３に示す測定装置は、水性混合物の電圧分圧ネットワークＲs1とＲs2の伝導率と水性混合物の重さ／量とが反比例するというコンセプトに基づいている。その結果、重さが増大／減少すると、Ｒs1とＲs2の組み合わせが減少／増大する。Ｒs1とＲs2の変化は、電圧分圧ネットワークによって検知される電圧Ｖoutの対応する変動となる。各セルからの電圧Ｖoutは、検出器２６に接続される。よって、水性混合物の伝導率に対して反比例する電圧の変化は、検出器２６によって検出され、これによって各セル上の一般的な近さにおける水性混合物の重さと量に関係する情報を供給する。検出器２６はまた、概してセルからの出力信号を水性混合物の特定の特性を表す情報に変換するための他の回路を含む。
【００５０】
図３は、また、参照セル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のコンセプトは、システムによって検知したい水性混合物の物理的特性以外の物理的特性の変化により影響されるように、参照セルを隔離することにある。例えば、もし重さを検知したいならば、参照セルによって生成されるいかなる電圧変化も重さの変化以外の物理的特性の変化によるものとなるように重さは一定に保たれる。ひとつの実施例においては、参照セル２８は、センサアレイ２４が浸される水と化学的及び温度的に同じ特性を持った再利用される水の水性混合物の中に浸される。よって、アレイ２４によって経験される伝導率に影響するいかなる化学的又は温度的変化もまた参照セル２８によって検知される。さらに、参照セル２８は、水の重さが一定となるように構成される。その結果、参照セル２８によって生成される電圧変化Ｖout（ref.cell）は、重さ以外の特性変化から生じた水性混合物の伝導率の変化によるものである。フィードバック信号発生器２９は、参照セルから生成された望まない電圧変化をＶinを増大又は減少させ、これによって計測システム上の誤差の原因となる電圧変化の影響を相殺するフィードバック信号に変換する。例えば、もしアレイにおける水性混合物の伝導率が温度の上昇によって増大したならば、Ｖout（ref.cell）は減少し、フィードバック信号に対応する増大を引き起こす。増大するＶfeedbackはＶinを増大させ、温度変化による水性混合物の導電性の初期の増大を補償する。その結果、セルからのＶoutは、水性混合物の重さが変化したときにのみ変化する。
【００５１】
ＵＷ3センサの測定からの乾燥端基礎重量の予測
次にＵＷ3センサを用いた乾燥紙料重量の好適なる予測方法について説明する。特に、製造された紙は、（１）繊維のマシン方向に沿った３ヶ所又はそれ以上の位置における、抄紙機の繊維又はワイヤ上の乾燥紙料の含水量と、（２）繊維上の紙料に先立つ紙製品の乾燥紙料重量とを同時に測定することを含む。このようにして、繊維上の紙料から形成されるであろう紙の期待される乾燥紙料重量をその段階で決定することができる。特に、水を通す繊維の下流に位置する乾燥セクションを含む除水機の、動いている水を通す繊維上にある材料のシートの乾燥紙料重量を予測する方法は、以下のステップからなる。
ａ）３又はそれ以上の水重量センサを繊維に隣接して配置するステップであって、センサは繊維の動きの方向に異なる位置に配置され、乾燥セクションを出た後の材料のシートの水分含有量を測定するセンサを配置するステップと；
ｂ）あらかじめ決められたパラメータで機械を動かし、水重量センサを用いて繊維上の３又はそれ以上の地点において材料のシートの水重量を測定すると同時に、乾燥セクションを出た別個の材料のシートの乾燥重量を測定するステップと；
ｃ）バンプテストを行い、３又はそれ以上の動作パラメータにおける擾乱に対する水重量の変化を測定し、３又はそれ以上のセンサの測定値の変化を計算するステップであって、各バンプテストは、他の動作パラメータを一定に保ちつつ、１つの動作パラメータを交流的に変化させることによって実行され、かつ、バンプテストの数は使用される水重量センサの数に対応するステップと；
ｄ）ステップｃ）からの前記計算された測定値の変化を用いて線形モデル、例えばＮｘＭマトリクスを得るステップであって、この線形モデルは、３又はそれ以上の水重量センサの変化を前記あらかじめ決められた動作パラメータについて３又はそれ以上の動作パラメータの変化の関数として表し、ここでＮは使用される水重量センサの数に等しく、Ｍは実施されるバンプテストの数に等しく、ＮはＭ以上であるステップと；
ｅ）関数関係、例えばＮｘＭ逆マトリクスを求めるステップであって、この関数関係は、動いている繊維上のシート材料のセグメントに対する３又はそれ以上の水重量センサからの測定値に基づいて、乾燥セクションにおいて乾燥された後の動いている材料のシートのセグメントに対する予測された乾燥重量を提供するステップ。
【００５２】
望ましくは、バンプテストは、繊維上への水性繊維紙料のフローレートと繊維紙料のフリーネス（freeness）と水性繊維紙料における繊維の濃度を変更することからなる。本発明においては、繊維上の紙料の水重量レベルを連続的にモニタすることによって、製品の質（すなわち乾燥紙料重量）を予測することは可能である。さらに、フィードバック制御を実施し、予測された乾燥紙料重量の変動に対応して１つ又はそれ以上の動作パラメータを変化させる。
【００５３】
長網抄紙機のワイヤ上の排水プロフィールは、原理的には排水要素、ワイヤの特性、ワイヤのテンション、紙料の特性（例えば、フリーネス、ｐＨ及び添加物）、紙料の厚さ、紙料の温度、紙料の濃度、およびワイヤ速度の配置及び性能に基づく複雑な関数である。特に有用な排水プロフィールは、次の動作パラメータの変化によって生成される：１）数ある中で、ヘッド・ボックス・デリバリ・システム、ヘッド圧力及びスライス開口に依存した、全水フローと、２）数ある中で紙料特性と再生成パワーとに基づいたフリーネス、３）乾燥紙料フローとヘッド・ボックス濃度。
【００５４】
抄紙繊維に沿った戦略的位置に配置された水重量センサは、除水プロセス（以下、「排水プロフィール」と呼ぶ）の輪郭を描くのに用いることができる。上述のプロセスパラメータを変化させ、排水プロフィールにおける変化を測定することによって、ウェット端紙プロセスの変化過程をシミュレートするモデルを構築することができる。逆に言えば、そのモデルを用いて、どのようにプロセス・パラメータを変化させ、排水プロフィールの特定の変化を維持又は生成するかを決定することができる。さらには、本発明によって、抄紙繊維上のウェブの乾燥紙料重量を水重量排水プロフィールから予測することができる。
【００５５】
３つの水重量センサは、繊維上の紙料の水重量を測定する。図４、図５において、３つのセンサが配置される繊維に沿った位置は、それぞれ「ｈ」、「ｍ」、「ｄ」で表される。３以上の水重量センサを用いることもできる。センサがタンデムに一直線に並べられることは必要なく、それらが異なるマシン方向の位置に配置されることが要求されるのみである。典型的に、ヘッドボックスに最も近い位置「ｈ」における水重量センサからの値は、乾燥紙料の変化よりも紙料フリーネスの変化によってより影響される。これは乾燥紙料の変化は、多量の自由水重量に比べると取るに足らないからである。真ん中の位置「ｍ」においては、水重量センサは通常、乾燥紙料の量の変化よりも自由水の量の変化により影響される。紙料重量と自由変化の双方に敏感になるように、位置「ｍ」が選択されることが最も好ましい。最後に位置「ｄ」は最も乾燥セクションに近く、除水プロセスのこの点では、繊維についた又は関連づけられた水の量は繊維重量に比例するので、水重量センサが乾燥紙料の変化に敏感になるように、この位置が選ばれる。また、この水重量センサは、わずかではあるものの、繊維のフリーネスの変化にも敏感である。好ましくは、紙料が有効な濃度を持ち、これによってこれ以上繊維を通じて繊維が失われないように、位置「ｄ」において十分な量の水が除去される。
【００５６】
紙料の測定においては、混合物の伝導率は高く、センサの測定を支配する。近さは、紙料の下の抄紙システムにおける支持ウェブに接触することによって一定に保たれる。紙料の伝導率は、ウェット紙料の全水重量に直接比例し、その結果、抄紙システムによって製造される紙シートの質をモニタし制御するために用いられる情報を供給する。このセンサを用いて紙料混合物の伝導率を測定することによってその中の繊維の重さを決定するためには、紙料は、全てまたは大部分の水が繊維によって保持されている状態にある。この状態において、紙料の水重量は繊維の重さに直接関係し、そして水重量の伝導率を測定し、これを用いて紙料内の繊維の重さを決定することができる。
【００５７】
排水特性曲線の表現
この発明の特定の実施例においては、繊維を介した紙料からの排水プロフィールの３つの機械運転パラメータ上の依存関係を測定するのに３つの水重量センサが用いられている。３つの機械運転パラメータとは：（１）全水フロー、（２）紙料のフリーネス、および（３）乾燥紙料フロー又はヘッドボックス濃度である。この他に適用できるパラメータは、例えば、機械速度と水を除去するための真空レートを含む。より多くのパラメータを用いることでより詳しいプロフィールを得ることができる。
【００５８】
モデリングの好適な形態は、プロセスパラメータのベースラインの形状と結果排水プロフィールとを用い、抄紙機の動作パラメータの擾乱に応答した排水プロフィールに対する影響を測定する。要するに、これはベースラインの動作形状の近傍に関してシステムを線形化する。擾乱又はバンプを用いて、排水プロフィールのプロセスパラメータへの依存性の一次導関数を測定する。
【００５９】
一組の排水特性曲線が描かれたならば、その曲線は３ｘ３マトリックスで表されるのであるが、その曲線を用いて、他の事とともに、水重量センサによってワイヤに沿った水重量をモニタすることによって、紙の含水量を予測することができる。
【００６０】
バンプテスト
用語「バンプテスト」は、抄紙機械の動作パラメータが変化され、かつそれによってある従属変数が変化したときのその変化を測定する手続を意味する。バンプテストの開始前、抄紙機械は予め定められたベースライン条件でまず動作させられる。「ベースライン条件」とは機械が紙を製造する動作条件を意味する。典型的には、ベースライン条件は製紙の標準又は最適パラメータに対応する。動作している機械に必要なエクスペンス（expense）を与えるとき、欠陥があり使用できない紙を製造するかもしれない極端な条件は避けられる。同様に、システムの動作パラメータがバンプテスト用に変化させられたとき、その変化は機械を損傷し、又は欠陥ペーパを製造するほどドラスチックではない程度とする。機械が安定な状態に達したあと、三つのセンサのそれぞれで水重量が測定され、記録される。ある時間にわたって測定が十分な回数行われ、代表的なデータが取られる。この安定時のデータのセットが引き続く各テストのデータと比較される。次に、バンプテストが行われる。その結果のデータがウイスコンシン州ベロイトのベロイト・コーポレーションによって製造された抄紙機械Ｂｅｌｏｉｔ  Ｃｏｎｃｅｐｔ  ３で生成される。計算は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ（Ａｕｓｔｉｎ  ＴＸ）のソフトウエア  ＬＡＢＶＩＥＷ  ４.０.１を用いたマイクロプロセッサで実施される。
【００６１】
（１）乾燥紙料フローテスト  ヘッドボックスへ送られた乾燥紙料の流速が紙料構成を変えるためにベースラインから変化させられる。安定状態に達すると水重量が測定され、記録される。ある時間にわたって測定が十分な回数行われ、代表的なデータが取られる。図４は、ベースライン条件の間に測定されたおよび乾燥紙料フロー・バンプテストの間に測定されたワイヤ位置に対する水重量のグラフである。乾燥紙料が１６２９ｇａｌ／ｍｉｎのベースライン流速から１００ｇａｌ／ｍｉｎだけ増加している。曲線Ａはベースライン条件の間の３つの水重量測定値を連結したもので、曲線Ｂはバンプテストの間の測定を連結したものである。分かるように、乾燥紙料流速の増加が水重量の増加をもたらしている。その理由は紙料がパルプを多く含み、より多くの水が紙料に保持されるためである。ワイヤーに沿った位置ｈ、ｍ、ｄでの水重量の割合の差は、それぞれ＋５．５３３％、＋６．５２２％、＋６．８１８％である。
【００６２】
乾燥紙料フローテストの間、抄紙機械の基礎重量と湿気に対する制御は不動作とされ、他の全ての動作パラメータは可能な限り安定に保たれている。次に、紙料の流速を、十分な時間、例えば１０分の間に１００ｇａｌ／ｍｉｎだけ増加させる。このインターバルの間に３センサからの測定値が記録され、そこから導かれたデータが図８に示されている。
【００６３】
（２）  フリーネス（freeness）テスト  先に述べたように、紙料のフリーネスを変える一つの方法は、パルプを細かくする最終的なレベルを決めるリファイナーへの電力を変えることである。そのフリーネス・テストの間、安定状態に達してから３センサのそれぞれの水重量が測定され、記録された。一つのテストではリファイナーへの電力が６００ｋｗから６５０ｋｗへ増加した。図４はベースライン動作（６００ｋｗ）（曲線Ａ）の間および５０ｋｗ増加させた後の安定状態（曲線Ｂ）で測定されたワイヤー位置に対する水重量のグラフである。期待されたとおり、乾燥紙料フローテストのように、フリーネスは減少し、水重量が増加する結果となった（図４，曲線Ｂ）。データの比較を示すと、位置ｈ、ｍ、ｄでの水重量の割合の差は、それぞれ＋４．５２３％、＋４．６５８％、＋６．２８１％であった。
【００６４】
（３）  全紙料流速（スライス）テスト  ヘッドボックスからの全紙料流速を調整する方法の一つは、スライスの開口を調整することである。このテストの間、安定状態に達してから３センサのそれぞれの水重量が測定され、記録された。一つのテストで、スライス開口を約１．６０インチ（４．０６ｃｍ）から約１．６６インチ（４．２ｃｍ）に増加させたら流速が増加した。期待したとおり、流速が増加すると水重量が増加した。データの比較を示すと、位置ｈ、ｍ、ｄでの水重量の割合の差は、それぞれ＋９．３９５％、＋５．５％、＋３．３３３％であった。（位置ｍでの測定の５．５％は推測である。なぜなら、その位置でのセンサはテストが行われているとき動作していなかった。）
【００６５】
排水特性曲線（ＤＣＣ）
先に述べたバンプテストから、排水特性曲線を導き出すことができる。３水重量センサ値に関する３プロセス・パラメータの変化はａ３×３ＤＣＣの形の９つの偏導関数を与える。一般的に、ワイヤーに取り付けた水重量センサの数をｎとし、ｍバンプテストとすると、ｎ×ｍマトリックスが得られる。
【００６６】
特に３×３ＤＣＣマトリックスは
ＤＣThＤＣTmＤＣTd
ＤＣFhＤＣFmＤＣFd
ＤＣShＤＣSmＤＣSd
によって与えられる。ここで、Ｔ、Ｆ、Ｓはそれぞれ全水フロー、フリーネス、乾燥紙料フローにおけるバンプからの結果であり、ｈ、ｍ、ｄは繊維に沿って配置されたセンサの位置を示している。
【００６７】
マトリックス行成分［ＤＣThＤＣTmＤＣTd］は、全流速バンプテストに基づいて位置ｈ、ｍ、ｄでの全水重量に関する水重量変化の割合として定義される。より詳細にいえば、「ＤＣTh」は全流速バンプテストの直前と直後の位置ｈにおける水重量変化の割合の差として定義される。ＤＣTmとＤＣTdはそれぞれｍとｄの位置のセンサに対する値を示している。同様にマトリックス行成分［ＤＣFhＤＣFmＤＣFd］と［ＤＣShＤＣSmＤＣSd］はそれぞれフリーネスと乾燥紙料のバンプテストから導かれる。
【００６８】
ＤＤＣマトリックスの成分ＤＣTh、ＤＣFm、ＤＣSdはピボット係数と呼ばれ、ガウスの消去法によって、それらは先に述べたようにウェット端プロセス変化を識別するために用いられる。もしピボット係数が小さすぎると、係数の不確実性がガウスの消去法プロセスの間に増幅される。したがって、それらの三つの係数は各バンプテストの間の水重量の変化約３％〜１０％に対応する約０．０３〜０．１０の範囲とすべきである。
【００６９】
排水プロフィール変化
ＤＣＣマトリックスに基づいて、排水プロフィール変化は異なったプロセス・パラメータの変化の一次結合として表される。特にＤＣＣマトリックスを用いてそれぞれの位置での排水プロフィールの割合の変化は、全水フロー、フリーネス、乾燥紙料フローのプロセス・パラメータにおける個々の変化の一次結合として計算される。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
ここで（ｗ、ｆ、ｓ）はそれぞれ全水フロー、フリーネス、乾燥紙料フローの変化であり、ＤＣはＤＣＣマトリックスの成分である。
【００７０】
この一次結合のシステムの反転によって、特定の排水プロフィール変化（ΔＤＰ％（ｈ）、ΔＤＰ％（ｍ）、ΔＤＰ％（ｄ））を生成するのに必要な（ｗ、ｆ、ｓ）の値に対する解を得る。ＡをＤＣＣマトリックスの反転を表すとすると、
Ａ11Ａ12Ａ13  ΔＤＰ％(h)   ｗ
Ａ21Ａ22Ａ23  ΔＤＰ％(m) ＝ｆ
Ａ31Ａ32Ａ33  ΔＤＰ％(d)   ｓ   又は
ｗ＝Ａ11*ΔＤＰ％(h)＋Ａ12*ΔＤＰ％(m)＋Ａ13*ΔＤＰ％(d)
ｆ＝Ａ21*ΔＤＰ％(h)＋Ａ22*ΔＤＰ％(m)＋Ａ23*ΔＤＰ％(d)
ｗ＝Ａ31*ΔＤＰ％(h)＋Ａ32*ΔＤＰ％(m)＋Ａ33*ΔＤＰ％(d)
【００７１】
排水プロフィールにおける所望の変化（ΔＤＰ％（ｈ）、ΔＤＰ％（ｍ）、ΔＤＰ％（ｄ））をもたらすために必要な（ｗ、ｆ、ｓ）を計算させるためにどのようにしてＤＣＣマトリックスを反転させるかを上記式が明確に示している。
【００７２】
経験的に、三つの動作パラメータ、センサの位置およびバンプの大きさの選択が良く振る舞うピボット係数を備えたマトリックスを生成し、そのマトリックスが望まないノイズを含まずに反転される。
【００７３】
図１と２のスキャナー１９からの乾燥重量計測値をセンサｈ、ｍおよびｄで計測された水重量プロフィールと連続的に比較することによって、スキャナー１９の位置にある紙料に対して最終的な乾燥紙料重量を動的に推定することができる。
【００７４】
乾燥紙料予測
乾燥部分に最も近いｄの位置で紙料の状態は水のほとんどが繊維に保持されている。その状態において、繊維に拘束され又は関連づけられた水の量は繊維重量に比例する。したがって、位置ｄのセンサは乾燥紙料における変化に敏感であり、したがって最終紙料の重量を予測するのに特に有益である。比例関係  ＤＷ（ｄ）＝Ｕ（ｄ）*Ｃ（ｄ） に基づく。ここでＤＷ（ｄ）は位置ｄでの乾燥紙料重量の予測値であり、Ｕ（ｄ）は位置ｄでの測定した水重量であり、Ｃ（ｄ）はＵに対するＤＷの比例変数であり、コンシステンシーと称される。さらにＣ（ｄ）はリールアップにおけるスキャンセンサによって測定された水重量と乾燥重量の歴史的なデータから計算される。
【００７５】
抄紙機械の位置ｄ（図１と２）に続いて紙料のシートがワイヤー１２を出て、カレンダースタック１４とドライヤ１５に進む。位置１９で、スキャンセンサは紙製品の最終乾燥紙料重量を測定する。位置ｄの後繊維ロスがほとんどないのでＤＷ（ｄ）は最終乾燥紙料重量に等しく、したがって、コンシステンシーＣ（ｄ）を動的に計算することができる。
【００７６】
これらの関係を得ることによって、最終乾燥紙料重量に関するプロセス・パラメータの変化の効果を予測することができる。前記したように、ＤＣＣマトリックスは排水プロフィールに関するプロセス変化の効果を予測する。特に、全水フローｗ、フリーネスｆおよび乾燥紙料フローｓにおける変化によってＵ（ｄ）における変化が下記の式によって与えられる。
ΔＵ（ｄ）／Ｕ（ｄ）＝ＤＣTd
ここで、Ｒef（ｃｄ）は現在の乾燥重量と歴史的な水重量の感覚的な読みに基づいて動的に計算された値、
αは前述した三つのバンプテストの間に得られるゲイン係数であると定義される。最後に位置ｄでの変動する乾燥紙料重量が下記の式で表される。
Ｄｗ（ｄ）＝Ｕ（ｄ）*｛１＋［αTＤＣTd*ｗ＋αFＤＣFd*ｆ
＋αSＤＣSd*ｓ］｝*Ｒef（ｃ）
最後の式はプロセス・パラメータの特定の変化により乾燥紙料重量に関する効果を述べている。逆には、ＤＣＣマトリックスの逆マトリックスを用いて製品最適化に対する乾燥重量（ｓ）、フリーネス（ｆ）および全水フロー（ｗ）における所望の変化を生成するためにプロセス・パラメータをいかに変化させるかを演繹することができる。
【００７７】
上述したのは本発明の原理と、好ましい実施形態と、動作のモードである。しかしながら、本発明は論じた特定の実施形態に制限されるように解釈されるべきではない。すなわち、上述した実施形態は制限されるのではなく単なる例示と見るべきであり、また以下の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から離れることなく当業者は多くの変形例を実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明の技法を実施するシート製造システムを示す図である。
【図１Ｂ】  ヘッドボックスのスライスとワイヤの関係を示す図である。
【図１Ｃ】  調整システムを一般化した構成図である。
【図２】  一連のセンサ・テーブルを含む測定装置の構成図である。
【図３】  図２で示した構成図の電気的表現である。
【図４】  紙料密度の異なる抄紙機の水重量対ワイヤ位置のグラフを示す図である。
【図５】  異なるリファイナの力を有する抄紙機の水重量対ワイヤ位置を示すグラフである。
【図６】  ２つのＭＤ  ＵＷセンサによって測定された水重量対時間を示すグラフである。
【図７】  抄紙機上の水重量対ワイヤ位置のグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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