用於獲得重合片材參數的基於時域頻譜(tds)的方法和系統的製作方法

2023-12-01 18:01:41 1

專利名稱：用於獲得重合片材參數的基於時域頻譜(tds)的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及過程測量系統，且更具體地，涉及用於測量諸如紙或塑料的製造片材(sheet material)的一個或多個參數的基於時域頻譜(TDS)的測量系統。
背景技術：
在造紙過程期間進行的在線測量通常包括片層厚度(caliper)(厚度)、基重和溼度(例如％溼度)。測量結果可以用於以維持輸出質量為目的控制過程變量，並且因此使不合格產品的數量最少化。通常通過在被稱為橫向(CD)的方向上掃描(一個或多個)傳感器而在跨越紙張的多個位置處獲得測量結果，或者可以在被稱為機器方向(MD)的方向上從造紙機的長度向下的多個位置處進行測量。如下文描述的，常規使用三個單獨的傳感器/量規進行片層厚度、基重和含溼量的測量。片層厚度測量通常由物理接觸片材的設備或者基於非物理接觸雷射三角測量的設備進行。片層厚度傳感器需要接近片材的兩面。由於接觸設備可能受到磨損或裝配問題的影響，並且可能在片材上留下痕跡，因此接觸設備通常是不受喜愛的。基於雷射的設備通常具有高度的對準公差要求。基重傳感器主要使用核輻射源並且因此通常伴隨有管理問題。如同片層厚度傳感器，基重傳感器需要接近片材的兩面。溼度測量系統通常包括用於測量片材的含溼量的紅外頻譜系統。該頻譜系統可以在透射或反射模式下操作。需要單獨的傳感器/量規來測量片層厚度、基重和溼度具有若干個缺點。一個缺點是系統成本和複雜性。另一缺點是不能提供重合(coincident)測量，其中如這裡使用的 「重合」指的是既同時又在同一位置進行的多個不同的測量。當測量不都在相同的紙位置進行時，當組合使用各個測量結果以推斷關於紙的其他信息時可能出現誤差。例如毫米到釐米尺度的紙可能由於形成過程而在某些參數上具有相對高的變化。在形成引起的溼度變化的情況中，隔開Icm的紙張上的兩個相鄰點的溼度水平已知高達1%。在組合兩次測量以計算諸如基重和用於計算乾重的含水量百分數(percent moisture)的第三參數時，如果這兩次測量不在紙上的同一位置進行，則可能因各個測量位置處的含溼量的明顯差異導致所計算的乾重中的誤差。

發明內容
提供發明內容以符合37 C.F.R. § 1. 73，其呈現了簡要說明本發明的本質和主旨的本發明的發明內容。其在以下理解下提交其並非用於解釋或限制權利要求的範圍或含義。本發明的實施例描述了現場的(in-situ)基於時域頻譜(TDS)的方法和系統，從其用於表徵由製造系統生產的片材(例如紙或塑料)的一個或多個性質。因此根據本發明的實施例的系統和方法可以在非接觸的模式下操作。該方法包括提供時域頻譜(TDS)系統和系統的校準數據，該校準數據包括作為片材的含溼量的函數的、通過片材透射的功率(transmitted power)或場或者從片材反射的功率或場，並且通常提供用於幹含量(dry content)的折射率和密度的依賴等級(grade )的校準。太赫(THz)或近THz的輻射的至少一個脈衝被引導至正由製造系統處理的片材樣本上的樣本位置處。如這裡使用，具有0. 05 THz和50 THz之間的頻率的輻射在這裡被稱為「THz或近 THz輻射」。在THz輻射的情況中，該技術包括THz-TDS。儘管未精確定義THz區域的邊界， 但是這些邊界通常被取為位於30 μ m和1500 μ m波長之間，或者10 THz和0. 2 THz頻率之間，或者330 cm—1和7 cm—1波數之間。同步檢測包括來自樣本位置的至少一個透射脈衝(transmitted pulse)的透射輻射或者包括來自樣本位置的至少一個反射脈衝的反射輻射。來自透射或反射脈衝的數據與校準數據一起被處理以確定片材樣本的至少一個性質，並且通常確定片材樣本的多個性質，該性質選自含溼量、物理厚度(片層厚度)和基重。如這裡使用的，「含溼量」包括片材的所有溼度度量，包括但不限於，水重(WW)和含水量百分數(PM)。如本領域中已知的，TDS是光譜學技術，其中使用生成和檢測方案來通過電磁輻射的短脈衝探測材料的性質。使用THz或近THz輻射，TDS已被本發明人發現對檢測信號敏感，允許基於輻射幅度和/或信號相位的改變確定片材的片層厚度、基重和溼度。信號的幅度可用於獲得關於紙或其他片材樣本的水含量的信息，而信號的相位可用於獲得紙或其他片材樣本的厚度和乾重體積分數。該信息與校準數據組合可用於獲得片材樣本(例如紙)的含溼量(諸如被表述為PM)、片層厚度和基重。給定基重，可以根據PM確定WW。


圖1是根據本發明的實施例的示例性的基於THz或近THz-TDS透射的片材測量系統的簡化示圖。圖2示出了用於從諸如圖1中示出的透射系統的THz或近THz-TDS系統獲得被描述為紙的片材樣本的片層厚度(厚度)、基重和含水量百分數的示例性方法中的步驟。圖3是根據本發明的實施例的、使水重(Wff)與基準透射脈衝和測量透射脈衝的積分功率頻譜密度的比的對數相關的校準曲線(FIG. 3 is a calibration curve that relates the water weight (WW) to the log of the ratio the integrated power spectral density of a reference transmitted pulse and a measured transmitted pulse, according to an embodiment of the invention)。圖4示出了基於從複印紙獲得的溼度分數(fraction of moisture)的測量值的校準曲線擬合。圖5示出了根據本發明的實施例的來自基於透射的THz或近THz-TDS系統的典型的輸入和輸出時間脈衝(temporal pulse)。頂部跡線示出了從THz-TDS系統獲得的時間基準和樣本脈衝的電場的時間跡線(時間以皮秒為單位)並且底部跡線是它們的傅立葉變換。圖6示出了與THz脈衝透射通過紙獲得的信號數據擬合的物理模型。
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圖7是造紙過程期間提供現場測量的示例性閉環控制片材製造系統的框圖。該系統包括將現場測量用於控制過程變量以維持輸出質量並且使不合格產品的數量最少的過程控制器。
具體實施例方式參照附圖描述了本發明，在圖中通篇使用相同的參考標記表示相似的或等同的元件。圖並非依比例繪製並且它們僅被提供用於說明本發明。下文參照用於說明的示例應用描述了本發明的若干個方面。應當理解，許多特定細節、關係和方法被闡述用於提供本發明的全面理解。然而，本領域的普通技術人員將容易地認識到，本發明可以在沒有一個或多個特定細節的情況下實施或者通過其他方法實施。在其他實例中，未詳細示出公知的結構或操作以避免使本發明模糊。本發明不限於圖示的動作或事件的順序，因為一些動作可以按不同的順序發生和/或與其他動作或事件同時發生。此外，並非需要所有圖示動作或事件以實現根據本發明的方法。現將參照附圖在下文更全面地描述本發明，在附圖中示出了本發明的說明性實施例。然而，本發明可以以許多不同的形式體現並且不應被解釋為限於這裡闡述的實施例。本發明人已發現，可以現場使用近THz或THz-TDS以重合地獲得片材的一個或多個參數/性質，其包括水重、物理厚度(片層厚度)和乾重體積分數。片材可以包括紙或塑料。根據這些參數/性質與一個或多個校準參數組合，可以獲得片材的片層厚度、基重和包括PM和/或Wff的含溼量。校準參數通常包括獲得電磁譜的THz或近THz頻譜區域中的水的介電常數的雙 Debye模型中使用的已知的Debye參數、被測試的紙或其他片材的幹含量折射率、被測試的紙的幹含量的密度以及水重與基準信號和透射(或反射)樣本信號的功率比的對數的擬合係數(the coefficients of a fit of water weight to a log of the power ratio of reference signal to that of a transmitted (or reflected) sample signal)。由測量通過樣本透射的近THz或THz功率或場並且將其與基準脈衝(無樣本)比較，並且因此獲得水使脈衝衰減多少，可以獲得含溼量(諸如被表述為含水量百分數(PM)) 和WW。如本領域中已知的，PM經由如下關係與Wff相關PM=ffff/BW;其中BW表示基重(在下式12中重複)。BW=ffff+DW;其中DW表示乾重(不存在水)。根據該衰減測量結果和校準數據 (例如根據實驗室校準)，可以確定與片材中存在的水量相關的測量結果。含溼量(諸如被表述為PM或Wff)還可以經由具有反射幾何形狀的系統中的相似的方法獲得。在基於反射的系統中，THz透射機(transmitter)/發射器和THz接收器/檢測器位於樣本的同一側。在該系統中，從不含水的反射表面取得基準信號並且樣本信號是來自樣本的反射THz或近THz信號。
對於基於透射(transmittance)的系統
通過使單層膜(例如紙張)的透射函數(transmittance function)的模型與實驗獲得的透射THz脈衝的模型擬合，可以獲得樣本片層厚度和乾重體積分數。可以使用的一個物理模型如下[參見 Born, Μ. and Wolf, Ε, Principles of Optics, 4th edition, Pergamon Press (1970)]
權利要求
1.一種用於由製造系統(700)生產的片材的性質的非接觸表徵的現場的基於時域頻譜(TDS)的方法(200)，包括提供時域頻譜系統(100)和用於所述系統的校準數據，所述校準數據包括作為所述片材的含溼量的函數的、通過所述片材透射的功率或場或者從所述片材反射的功率或場；將具有0.05 THz和50 THz之間的頻率的THz或近THz輻射的至少一個脈衝引導至正由所述製造系統(700)處理的片材樣本(130)上的樣本位置處；同步檢測包括來自所述樣本位置的至少一個透射脈衝或反射脈衝的透射輻射或反射輻射以獲得樣本數據；以及連同所述校準數據(207、208、209) —起處理所述樣本數據以確定選自片層厚度、基重和含溼量的所述片材樣本的至少一個性質。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述方法(200)是專門地非接觸方法，所述樣本數據是重合數據，並且所述至少一個性質包括所述片層厚度、所述基重和所述含溼量，所述片層厚度、所述基重和所述含溼量均從所述重合數據獲得。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括生成所述校準數據的步驟，其中所述生成包括測量用於所述片材的多個基準脈衝樣本的所述透射或反射功率或場，所述多個基準脈衝樣本具有不同水平的所述含溼量(202 )。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述校準數據包括校準曲線，所述校準曲線基於用於具有除了所述片材之外的路徑的非交互基準脈衝樣本的透射或反射功率或場與通過所述片材樣本(130)透射的功率或場或者從所述片材樣本(130)反射的功率或場的比。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述校準曲線包括
6.根據權利要求3所述的方法，其中所述校準數據進一步包括用於所述片材的幹含量密度和幹含量折射率。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述片材和所述片材樣本包括紙。
8.一種閉環控制片材製造系統(700)，包括片材製造裝置(720)，用於製造片材；現場的基於近THz或THz的測量系統(715)，可通信地耦合到所述製造裝置(720)，具有存儲的用於所述TDS系統(715)的校準數據，所述校準數據包括作為所述片材的含溼量的函數的、通過所述片材透射的功率或場或者從所述片材反射的功率或場；THz透射機 (111)，用於將具有0. 05 THz和50 THz之間的頻率的THz或近THz輻射的至少一個脈衝引導至正由所述製造裝置(720)處理的片材樣本(130)上的樣本位置處；以及檢測器(110)， 用於同步檢測包括來自所述樣本位置的至少一個透射脈衝或反射脈衝的透射輻射或反射輻射以獲得樣本數據；以及控制器(730)，可通信地耦合到所述製造裝置(720)和所述測量系統(715)，所述控制器(730)接收所述樣本數據，並且連同所述校準數據一起處理所述樣本數據以確定選自片層厚度、基重和含溼量的所述片材樣本的至少一個性質，所述控制器(730)可用於在基於所述至少一個性質處理所述片材樣本的同時修改用於所述製造系統(700)的至少一個參數。
9.根據權利要求8所述的系統，其中所述測量系統(715)是基於透射的系統。
10.根據權利要求8所述的系統，其中所述測量系統(715)是基於反射的系統。
11.根據權利要求8所述的系統，其中所述校準數據包括校準曲線，所述校準曲線基於用於具有除了所述片材之外的路徑的非交互基準脈衝樣本的透射或反射功率或場與通過所述片材透射的功率或場或者從所述片材反射的功率或場的比。
12.根據權利要求8所述的系統，其中所述片材製造系統(700)包括造紙系統。
全文摘要
一種用於在由製造系統(700)生產時的片材的性質的非接觸表徵的現場的基於時域頻譜(TDS)的方法(200)。提供時域頻譜系統(100)和用於系統(100)的校準數據。校準數據包括作為片材的含溼量的函數的、通過片材透射的功率或者從片材反射的功率的數據。將來自透射機(111)的THz或近THz輻射的至少一個脈衝引導至正由製造系統(700)處理的片材樣本(130)上的樣本位置處。由檢測器(110)同步檢測與來自樣本位置的至少一個透射脈衝或反射脈衝相關聯的透射輻射或反射輻射以獲得樣本數據。連同校準數據(207、208、209)一起處理作為重合數據的樣本數據以確定選自片層厚度、基重和含溼量的片材樣本(130)的至少一個性質並且通常是多個性質。
文檔編號G01B11/00GK102171549SQ200980138678
公開日2011年8月31日 申請日期2009年7月31日 優先權日2008年8月1日
發明者耶斯 D., M. 哈蘭 F., 穆薩維 P., 多奇 S. 申請人:霍尼韋爾阿斯卡公司