专利名称：用于测量纸或板中的水分层化程度的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量比如纸、板产品的平片产品中7k分层化程度的系 统和方法。
背景技术：
在制造过程中测量比如纸或板产品之类的平片产品(flat sheet product)的 水含量常常是必要的。当前可利用的测量系统试图测量包含在平片产品中7jC分 (也就^7JO的总量，但无法指示水分在片的深度或体积(bulk)内位于何处。 然而，得知7jC分在多个纸或板产品的深度内位于何处是有利的。如果7jC分在产 品中不具有合适的深度分布图，会出现如巻曲之类的问题。巻曲随后会引起利 用纸或板产品的工艺的制魏度的降低，例如当制作如盒子和容器之类的物品 时。
需要一种可提供用于测量在平片产品的深度内水分位置的系统和方法。
发明内容
本发明的测量系统测量移动平片产品中7jC分层化的程度。该测量系统包括 位于邻近所述移动平片产品的测量站处皿供反射输出信号的至少一个第一反 射测量计。至少一个第~ 寸观懂计位于所述测量站处，并提供翻输出信号。 控制器处理鄉输出信号和透射输出信号，以便提供平片产品中水分层化禾號 的测量。
在本发明的测量系统的另一个实施例中，第二<测量计位于测量站处并 提供础输出信号。第二娜测量计位于观糧站处并提供透射输出信号。控制 器处理第一和第二反射测量计的反射输出信号以及第一和第二透射测量计的透 射输出信号，以便提供所述测量。
在本发明的测量系统的另一个实施例中， 一个或多个源提供入射至所述测 量站处的平片产品的第一和第二侧面的辐射。分别/AyV射至第一和第二侧面的
辐射的反射中获得第一和第二础测ai十的反射输出信号。分别从自第二和第
一侧面出射的辐射中获得第一和第二娜测ii十的邀寸输出信号。在本发明的观糧系统的另一个实施例中，入射到平片产品的第一和第二侧
面上的辐射被区分(differentiate),以便消除串扰。
在本发明的测量系统的另一个实施例中，其中以不同的频率调制入射到平 片产品的第一和第二侧面上的辐射。解调第一和第二反射测量计的反射输出信 号和第一和第二透射测量计的 输出信号。
在本发明的测量系统的另一个实施例中，辐射包括至少第一和第二带宽， 其中调制频率包括用于分别入射到第一侧面上的辐射的第一和第二带宽的第一 和第二频率，以及用于分别入射到第二侧面上的辐射的第一和第二带宽的第三 和第四频率。
在本发明的测量系统的另一个实施例中， 一个或多个解调器解调第一和第 二鄉测影十的反射信号以及第一和第二娜测量计的娜信号。控制器处理 第一禾瞎二反射测影十的经解调的反射输出信号以及第一和第二翻测量计的 经解调的M"输出信号，以便提供测量。
在本发明的观懂系统的另一个实施例中，至少一^S針源提供至平片产品 的第一侧面的辐射。反射观糧计包括接收来自第一侧面的辐射的反射以便提供 鄉输出信号的接收器。翻测影十包括接收舰平片产品和从其第二侧面出 射的辐射的一部分以便提供透射输出信号的接收器。
在本发明的观懂系统的另一个实施例中，第一光学头包括将辐射引导至平 片产品的第一侧面和弓I导至反射观糧计的接收器的发射器。第二光学头包括透 射测量计的接收器。
在本发明的测量系统的另一个实施例中，反射测Mi十和翻测fii十包括从 由下面项组成的组中所选择出的实施方式扫描平片产品的交叉方向，并且在 平片产品的加工方向上稳定。
在本发明的测量系统的另一个实施例中，辐射在大约从由下面项组成的组 中所选择出的波长的波长带中1.3、 1.44、 1.8和1.94微米。
在本发明的观糧系统的另一个实施例中，辐射包括分别以第一频率和第二 频率被调制的第一波长带和第二波长带。被调谐至第一和第二频率的第一和第 二解调器解调反射输出信号和翻输出信号。控制器处理经解调的反射输出信 号和经解调的,输出信号，以便提供测量。
本发明的方法通a^行以下步骤来测量移动平片产品中水分层化的程度，所述步骤包括
提供/AA射到移动平片产品的第一侧面上的辐射的反射中所获得的第一输 出信号；
提供从移动平片产品的第二侧面的辐射出射所获得的第二输出信号；以及 处理第一和第二输出信号，以便提供移动平片产品(34)中水分层化程度
A在本发明的方法的另一个实施例中，提供第一输出信号的步骤禾拥湖测 量计，并且提供第二输出信号的步骤利用Mt测Si十。
在本发明的方法的另一个实施例中，辐射在大约从由以下项组成的组中选
择出的波长的波长带中1.3、 1.44、 1.8和1.94微米。
在本发明的方法的另一个实施例中，辐射包括分别以第一频率和第二频率 被调制的第一波长带和第二波长带。该方法也包J刮军调第一和第二输出信号， 所述第一和第二输出信号被处理，以便提供测量。
在本发明的方法的另一个实施例中，该方法执行进一步的步骤，包括
提供;AA射到移动平片产品的第二侧面的辐射的反射中所获得的第三输出
信号；
提供;AA射到平片产品的第二侧面上的辐射自平片产品的第一侧面的出射
中所获得的第四输出信号；并且其中处理步骤也处理第三禾瞎四输出信号，以 便提供平片产品中水分层化程度的测量。
在本发明的方法的另一个实施例中，该方法包括对入射到平片产品的第一 和第二侧面上的辐射进行区分，以便消除串扰。
在本发明的方法的另一个实施例中，区分步骤包括以不同的频率调制入射 到第一和第二侧面上的辐射，并且解调第一、第二、第三和第四输出信号。
ffiil参考结合附图的下面说明可以理解本发明的其它和进一步的目的，优 点和特征，其中相同的参考符号表示相同的结构部件，并且
图1是描述了用于板样品的一组弄干校准曲线的曲线亂
图2是本发明的测量系统的方块图3描述了包含在船寸底内的液态水的吸收光谱；以及
图4是描述了在存在7K分层化的平片产品中测量水分所使用的自7MH十和反射7K5H十的典型输出的曲线图。
具体实施例方式
本发明的观糧系统组合鄉7j^H十与鄉水射十来测量样品平片产品中的
层化程度(DOS (degree of stratification))。对于在此所描述的优选实施例，水分 (mdsture)是比如纸或板之类的基于纤维素的材料中的水。在其他实施例中， 7jC分可以是不同的流体。g7j0H十主要测量平片产品中的表面水。RI寸7jC分 计的输出信号的大部分来自平片产品表面的最初100或200微米。另一方面， 翻水^H十观懂平片产品中的平均水分。这两^iH十的测量输出信号可以被用于 指示在平片产品的顶部(水分计所在的侧)和剩余部中的含zK量。如果与
测量计组合地在平片产品的任一侧面上4顿湖水分计，贝何能获得在平片产
品的两个侧面上所包含的相对水分的以及总平片产品的平均7jC分的指示。(多
个)颇水^HH^地利用光谱的红夕卜(no区域中的光。为了元件的通用性， StTK分计也可以利用iR邀寸，但是可替代地可以利用光谱的其他区域(例如
微波^U:(拉)赫(Terahertz))中的娜。
参照图l，已知用于不同背衬(backing)的板样品的多个弄干校准曲线。弄 干校准是用于4吏样品湿润直至某一级别的含7jC量(通常饱和)的工艺。该样品 然后被放置在称重天平上，其测量样品中水的量。由于蒸发，样品中水的量随 着时间减少，并且M计算机读取刻度，从而可以跟踪7jC随着时间的减少。同 时，IR7j0H十读取样品，并且读取刻度的计^t几记录IR7j0H十的响应。从3te 的亥岐观懂中，校准IR7j^H十。在已知天平上样品的尺寸和样品的绝干重量的 情况下，计算样品的含水量是简单的事瞎。以每平方米克(gsm)为单位测量重 量。背衬范围从无背衬至99% (光反射)背衬(例如，lambertian漫翻寸体)。 这些曲线中的拐点是由于与顶部表面上所存在的相比在样品的中部,部存在 更多的水。有时这种浓度在顶部可以比在中部中更高。其他时间可兽瞧中在中 部,部。传感器给出这些浓度的指示。
在雌实施例中，测量系统采用类似于在国际公布No.W02006/118619中所 述的方法在光学头(optical head)中所使用的每一个光源的振幅的频率调制，所 述国际公布的全部内容M引用结合于此。比如发光二极管(LED)或激光装 置的辐射源在感兴趣的波长带中工作，并且在不同的频率处分另,一地被振幅 调制。通过光纤将调制光传递至光学头，该光学头又传递调制光至平片产品。在本发明的优选实施例中，在平片产品的相对侧上以光学对准的方式布置第一 和第二光学头，从而使反射计和翻计被配置在每一侧上。光学头接收来自平 片产品的表面的调制反射光和调制透射光，其被耦合至检测器，用于解调和处 理。在片的相对侧上的这两个头都作为翻计和反射计工作。
参照图2，本发明的测量系统20测量在加工方向MD上被传ia31测量站 36至巻带轴(未示出)的平片产品34的含水量。
测量系统20包括辐射源22、辐射源24、光学头60、光学头70、反射同步 检测器26、翻同步检测器28、鄉同步检测器30、透射同步检测器32和控 制器90。
辐針源22提供波长大约为1.3 (難)和/或1.44 (观懂)的波长 带中的辐射。毅隹源在fi处被调制，并且测量源在f2处被调制。如果4顿多于 两个的波长，则(多个)其他波长源在fn处被调制，其中n是等于所j顿的源 (波长带)的数量的整数。其他波长可以用于温度或纤维素校正器。辐射源24 提供相同波长带中的辐射，其以f ， f2'，..《的不同(例如较低的)频率被调制。 辐針源24提供在与ffiil辐lt源22所提供的所述辐射相同的波长处的辐射，但 是以不同的频率被调制，以便将其与通过辐針源22所提供的辐射区分开来，并 且被选择用以消除信道之间的串扰(crosstalk)。因此，如果辐射源24分别提供 1.3 ^ 卩1.44 W的波长处的基准和测量辐射，则它们分别在频率fi邻fe'处被 调制。频率fl， f2， f 和f2'彼此不同，并且被选择用以最小化信道之间的串扰。 频率是单独的频率，并且典型地在10kHz至100MHz的范围中。
Mil光学连接器38和48分别传送辐lt源22和24的辐射输出至光学头60 和70。光学头60和70被布置在平片产品34的相对侧。因此在图2中，光学头 60被布置在平片产品34之下，并且光学头70被布置在平片产品34之上。
光学头60和70中的每一个都包括光学，器和两个光学接收器。光学头 60包括光学发射器62 ，该光学发射:tl将经由光学连接器38所接收的辐射弓I导 至测量站32处的平片产品34的下表面。光学头70包括光学发射器72，该光学 ^!寸器将经由光学连接器48所接收的辐射弓l导至测量站32处的平片产品34的
光学头60进一步包括光学接收器64，该光学接收器被定位用于接收辐射源 22的从平片产品34的下表面所反射的辐射。光学头70进一步包括光学接收器74，该光学接收m皮定位用于接收辐針源24的从平片产品34的上表面础的 辐射。
光学头60进一步包括光学接收器66，该光学接收器被定位用于接收辐射源 24 M51平片产品34所透射的辐射。光学头70进一步包括光学接收器76，该光 学接收器被定位用于接收辐射源22的M31平片产品34所透射的辐射。
在可替代的实施例中，光学接收器74和76可被组合，光纤46和44可被 组合，禾口/或同步检测器(lockin detector) 26和28可被组合。与光学头60也可 以进行类似的组合。
iW光学连接器40将来自光学接收器64的反射辐射耦合至反射同步检测 器30，其被调谐至频率ft， f2，.丄用于解调并转换成经由电连接器80被耦合 至控制器90的电信号。舰光学连接器46将来自光学接收器74的反射辐射耦 合至反射同步检测器26，其被调谐至频率f ， f2'， ...fn'用于解调并转换成经由 电连接器82被耦合至控制器90的电信号。
ffiil光学连接器42将来自光学接收器66的 辐射耦合至 同步检测 器32，其被调谐至频率fi'， f2'， ...fn'用于解调并转换成经由电连接器84被耦合 至控制器90的电信号。ffl51光学连接器44将来自光学接收器76的邀寸辐射耦 合至翻同步检测器28，其被调谐至频率ft， f2， ...fn用于解调并转换成经由电 连接器86被耦合至控制器90的电信号。
辐針源22和24包括提供感兴趣的波长带中的辐射的LED或激光装置，比 如在WO2006A18619中所描述的那些。例如，辐射源22和24 地是组合光 源和调制单元，其在高频处经由驱动电流被直接调制。对于基准读数，水的波 长是大约1.3微米，对于测量读数，水的波长是大约1.44微米。调制单独频率 典型地在10kHz至lOOMHz的范围中。
光学连接器38、 40、 42、 44、 46和48 是光纤。光学发射器62和72 是镜(离轴抛物面)或透镜。光学接收器64、 66、 74和76 是镜(离 轴抛物面) 镜。
光学反射器62和72以角度0将辐射引导至垂直于平片产品34的表面。以 对于平片产品34的表面大约90。的角度由光学接收器64和74捕获目辐射。 对于e的典型值是大约30° ，以避免来自平片产品34的表面的任何镜面反射分 量。然而，在不存在镜面RM的许多情况下，可以使用较小的角度。也指出的是，可以f顿多个其他角度。
控制器9(H腿是计嶽几(例如个人计嶽几或工作站)，该计算机包括存储
器、处理器和一个或多错A/输出装置，比如显示器、打印机、鄉、鼠标等。
控制器90 包括将测量读数转换舰操作者有用的形式的，聘。例如，程序 从读数获ff^[以于在图l中示出的弄干校准曲线(dry down calibration curve)。
在测量系统20中，光学头60和70可被配置用以沿着纸或板制造机器的交 叉方向(cross direction)、力口工方向(machine direction) MD或两个方向测量7jC 分。可以跨约移动平片产品来扫描光学头60和70。为了在加工方向MD上测 量水分，4，地，基本上在不同的MD位置处、但是在相对于平片产品34的边 缘而言相同的交叉方向位置处一前一后地布置多个光学头60和70。
在可替代的实施例中，测量系统20禾佣基于光栅的光谱仪来产生一组吸收 特征，所述吸收特征被供给至控制器，控制器i^万述吸收特征中推断出所测量 的平片产品34的位置^biC分层化程度。
在另一可替代的实施例中，测量系统20可以禾,作为源的具有机械斩波器 的石英卤鸨灯和作为接收器的具有干涉、搶波器的光电检测器。
参照图3，曲线图100示出用于纸中水的光谱，其中吸收是纵坐标，并且以 微米(micrometer)为单位的波长是横坐标。利用FTIR (傅立叶变换红外(Fourier Transform Infrared))光谱{义获得曲线100的 。在近似1.44和1.94麟处出 恥K含量峰值。在这些波长(7jC含量峰值)处，辐射比其他波长处的辐射具有 更高的吸收。也就是说，iSA平片样品的辐射穿透深度取决于辐射的波长。例 如，1.45 波长处的辐射穿透小于1.40 波长的波长处的辐射。
i!51测量两个或三个波长带中的相对吸收，传统的纸7j0H十获得纸中的含 7K量。在双波长带观糧计中，在^)t带和在测量带中进行吸收测量。在曲线图 100中，观懂带可能在具有50毫縣(包含水吸收峰值)的FWHM (半最大值 全宽(FullWidthHa]fMaximum))的1.94微米峰值处，并且基准带可能在具有 50毫 (最小含水量)的FWHM (半最大值全宽(Full WidthHalfMaximum)) 的1.80絲处。敏隹带i^i也MJt择以便在观懂带Pf傲，因为它提供用于^7jC 分有关的信号变化的最佳参照。有时也4顿第三波长带，其包含纤维素峰值， 比如在曲线图100中2.1 。
参照图4，以曲线图的方式描述来自iglt7j0H十和反射zK分计的典型输出。乡脸标是水分的百分比，并且横坐标是加工比(徵(workingratio))。水分层 化不影响来自透射测量计的WR读数，而来自湖测量计的戰读数取决于平 片产品中的水分层化。在7jC分层化在平片产品中变得更严重时，反射测量计中 峰的尺寸转移特ta—步向左移动，并且AWR变得更大，因此水分层化的程度 n可被表示为AWR的函数
n=f (A徵)， (i)
其中AWI^WRto^^oa-WRMectim，并且WRta^on和WR^ecto分别是自 测量计和反射测量计的加工比。M下面的公式给出加工比WR:
戰=虫國1， (2)
其中CR^卩CR^分别已知为观糧和毅隹信道比。通过下面的公式给出信道 比(channel ratio):
其中下标k具有m或r的值，所述m或r分别g掛隹和测量信道，并且
SV、 DV和CV分别是标准化，暗(dark)和信道电压。
水分层化禾呈度的一种可能测量可被定义为
n—户似滅—^似，歸 (4) M ，
其中PM^k是^l只的百分比水分(排除源侧上表面中的水分)，PM^是源
侧表面上的百分比水分，并且M是M^片的平均百分比7K分。通常对产品的两
侧感兴趣，并因此测量顶部和底部表面的n，也就是ntop和riboton。经由校准获 得方程(i)的函数形式，其可以以在m^离机的方式获得。控制器90中的程 序可以包括禾佣方程(i) - (4)用以M:显示器或打印机向用户提供层i^呈度 翻的流程。
因此具体参考其雌形式已经描述了本发明，明显地，在此可以进行各禾中 改变和修改，而不脱离如在所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1、一种用于测量移动平片产品(34)中的水分层化程度的测量系统(20)，所述系统包括至少一个第一反射测量计(62，64)，其位于邻近所述移动平片产品(34)的测量站处，并且提供反射输出信号；至少一个第一透射测量计(62，72)，其位于所述测量站(36)处，并且提供透射输出信号；控制器(90)，其处理所述反射输出信号和所述透射输出信号，以便提供对所述平片产品(34)中的水分层化程度的测量。
2、 权利要求l的测量系统(20)，进一步包括位于所述测量站(36)处并 提供反射输出信号的第二反射测量计(72， 74)以及位于所述测量站(36)处 赚供邀寸输出信号的第二翻测量计(72， 66)，并且其中所述控制器(90) 处理所述第一 (62， 64)和第二 (72， 74)戯寸测量计的所述反射输出信号以 及所述第一 (62， 72)和第二 (72， 66) 测量计的所^ 输出信号，以 便提供所述测量。
3、 权利要求2的测量系统(20)，进一步包括一个或多个源(22， 24)，所 述一个或多个源提供入射至所述测量站(36)处的所述平片产品(34)的第一 和第二侧面的辐射，其中分别;AA射至所述第一禾嗨二侧面的辐射的鄉中获 得所述第一 (62， 64)和第二 (72， 74)础测影十的劍寸输出信号，并且其 中分别从自所述第二和第一侧面出射的辐射中获得所述第一 (62， 72)和第二 (72， 66) 3Slt测量计的透射输出信号。
4、 权利要求3的测量系统(20)，其中入射至断述平片产品(34)的第一 和第二侧面上的辐射被区分，以便消除串扰。
5、 丰又利要求4的测量系统(20)，其中以不同的频率(ft， f2， f!'和f2')调 制入射到所述平片产品(34)的所述第一和第二侧面上的辐射，并且其中解调 第一 (62， 64)和第二 (72， 74)反射测量计的反射输出信号以及第一 (62， 72)和第二 (72， 66) )"测量计的 ]~输出信号。
6、 $1利要求5的测量系统(20)，其中所述辐射至少包括第一和第二带宽， 其中所述调制频率包括分别用于/^射到所述第一侧面上的辐射的第一和第二带宽的第一和第二频率(5， f2)，以及分别用于入射到所述第二侧面上的辐射的第 一和第二带宽的第三和第四频率(fV， f2')。
7、 一种用于测量移动平片产品(34)中的7]C分层化程度的方法，所述方法包括提供AA射至断述移动平片产品(34)的第一侧面上的辐射的g中所获 得的第一输出信号；提供/A^f述辐射自所述移动平片产品(34)的第二侧面的出射中所获得的 第二输出信号；以及处理所述第一和第二输出信号，以便提供所述平片产品(34)中水分层化 程度的测量。
8、 权利要求7的方法，进一步包括提供^A射至U所述移动平片产品(34)的第二侧面上的辐射的g中所获 得的第三输出信号；提供/AA射至IJ所述平片产品的所述第二侧面上的所述辐射自所述平片产品 (34)的所述第一侧面的出射中所获得的第四输出信号；以及其中所述处理步骤也处S^f述第三和第四输出信号，以便提供所述平片产 品(34)中ZK分层化程度的测量。
9、 禾又利要求8的方法，并且进一步包括对入射至U所述平片产品(34)的所 述第一和第二顶腼上的辐射进行区分用以消除串扰的步骤。
10、 权利要求9的方法，其中所述区分步骤包括以不同的频率(ft, f2， fi'和f2')调制入射到所述第一和第二侦腼上的辐射;以及解调所述第一、第二第三和第四输出信号。
全文摘要
一种用于测量比如纸、板或其它材料的平片产品中水分层化程度的测量系统。该系统利用反射测量计和透射测量计的组合来提供输出信号，所述输出信号指示平片产品的第一侧面的表面水分和平片产品的主体中的水分。通过控制器或计算机处理输出信号，以便提供水分层化的测量。附加的反射测量计和附加的透射测量计也可以用于提供指示平片产品的第二侧面的表面水分和主体中的水分的附加输出信号。窄带辐射用于调制，以便区分周围辐射和入射到相对侧面上的辐射。
文档编号G01N21/17GK101424620SQ20081021545
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月26日
发明者F·M·哈兰 申请人:霍尼韦尔国际公司