SE503449C2 - Sätt och anordning för bestämning av mekanisk raffinörmassas egenskaper - Google Patents

Description

503 449 0,6 + K/LZ, 31' r' ll där AL = specifik yta (nfl/g) för en fiberfraktion med en vägd fibermedellängd L; K = K-faktor, ett index som anger graden av fibrers ytfibrillering (väsentligen detsamma som Forgacs' S-faktor).

Det kanadensiska standard freeness-testet (CSF-testet) är principiellt en mätning av fiberns specifika yta. Enligt litte- raturen förekommer följande logaritmiska samband mellan fiberns specifika yta och CSF: ATOT = -3,o31n(csF) + 21,3 där Ann = mekanisk raffinörmassas totala specifika yta (nß/g) Konventionella freeness-testanordningar och deras operationsprinciper Freeness kan mätas från massa som tages från accesskaret 2, vilket befinner sig i produktionslinjen omedelbart intill stadie II-raffinören 1 i den i fig. 1 visade anläggningen.

Några testanordningar inkorporerar en inbyggd latens-elimine- ring, och erfordrar sålunda icke något separat accesskar.

Sådana testanordningar erfordrar också någon typ av mellan- liggande behållare, i vilken massans konsistens är väsentligt mindre fast än i den massa som direkt avges från raffinören.

Med hjälp av en ångfasbärare överföres massan från raffinören utmed ett blåsrör 3 vidare i processen.

Konventionella testanordningar som mäter freeness i huvudsak under strömning kan indelas i två kategorier utgående från deras operationsprincip: filtrerings- och permeabilitetstest- anordningar. 503 449 Filtreringstestanordningar Filtrering definieras av följande samband: 2 ÉY = As xdP dt pxcxVxR där V = flödesvolym AS = filtertvärströmningsarea dP = differentialtryck över massabädd p = viskositetskoefficient c = konsistens R = medelfiltreringsmotstånd åstadkommet av fibrer.

Med antagande att P är konstant och med beaktande av de fysika- liska dimensionerna och testanordningens gränsvillkor kan test- anordningens filtreringstid beräknas: 2 2 pxcxRx(V2 -V1 ) dt=t2-t1 = 2 2xAs xdP där R = massans specifika medelmotstånd mot filtrering V] = mätkammarens volym från filter till den nedre elektroden V5 = mätkammarens volym från filter till den övre elektroden t1 = filtreringstid till volym V, tg = filtreringstid till volym V2 dt = filtreringstid uppmätt av testanordningen.

Då testanordningen arbetar vid konstant temperatur och konsi- stens har filtreringstiden ett linjärt förhållande till det specifika filtreringsmotståndet R: dt = a*R 503 449 Värdet på R påverkas av fibrernas specifika yta och volym. Vid höga freeness-värden är korrelationen mellan R och CSF god, men vid lägre freeness-värden (50-100 ml) uppkommer en signifikant känslighetsreduktion.

Permeabilitetstestanordningar Dessa testanordningar är baserade på Darcys lag: U='%É där K = permeabilitet dP = differentialtryck över fiberbädden p = viskositetskoefficient L = fiberbäddens tjocklek U = flödeshastighet genom fiberbädden.

Fiberbäddens permeabilitet kan erhållas från Kozeny-Carmans ekvation: 3 K = E xK s,ssxs02x(1- J2 där S0 = fibrernas specifika yta E = porositet.

Då trycket P hålles konstant i mätkammaren är flödeshastigheten U närmast relaterad till förändringar med avseende på graden av defibrering av fiberytan. Följaktligen är flödeshastigheten en funktion av CSF-värdet.

Fiberlängd-analyserare Fig. 2 och 3 åskådliggör konventionella fiberlängd-analyserare som arbetar i det närmaste vid strömning, vilka är baserade på sampling av massaflödet och efterföljande analys av det mycket 503 449 utspädda samplet med hjälp av en detektor 12 som mäter längden av den skugga som kastas av en enskild fiber illuminerad med en ljuskälla 10. I en sådan PQM-analysator är samplings- och analysfunktionerna helt automatiska. Samplet tages efter accesskaret. Den PQM-analysator som visas i fig. 3 mäter även fiberns tjocklek. De strålar som emitteras från ljuskällorna är vid denna utföringsform riktade vinkelrätt mot detektorernas centrumaxlar.

Den FS-200-analysator som tillverkas av Kajaani Automation är baserad på manuell sampling. Analysen är helt automatisk.

Emellertid kvarstår ett antal nackdelar. Mätresultat omedelbart efter den första raffinören kan icke erhållas. Följaktligen kan förändringar som uppträder vid raffinörerna icke observeras i analysatorresultatet förrän 30-60 minuter senare då mätningar göres efter accesskaret. Mätningarna är diskontinuerliga med vissa intervall till följd av den samplingsprincip som tilläm- pas.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att övervinna nack- delarna hos ovan beskriven teknologi och uppnå ett helt nytt sätt och en helt ny anordning för bestämning av massakvalitet genom att utföra en direkt analys av fiberns fysikaliska egen- skaper och på basis härav förutsäga konventionella fiberkarak- teriserande index.

Uppfinningen är baserad på belysning av mekanisk raffinörmassa med elektromagnetisk strålning i våglängdsområdet 0,1-10 um redan i överföringsblåsröret som lämnar raffinören och efter- följande mätning antingen av den komponent som reflekteras från eller transmitteras genom den mekaniska raffinörmassan samti- digt vid ett minsta antal av fyra olika våglängdsband och data- behandling av önskat kvalitetsindex från på detta sätt erhållna intensitetsvärden, genom att på ett fördelaktigt sätt använda huvudkomponentmetoden. 503 449 6 Storleken av den reflekterade intensiteten är beroende av bl.a. specifik yta, fiberlängd och antalet befintliga fiberpartiklar.

Vidare reflekterar partiklar av olika storlek strålningen på olika sätt. Databehandlade kombinationer av de spektrala inten- siteterna ger nya variabler, för vilka huvudkomponentmetoden kan tillämpas för att beräkna linjära kalibreringskoefficienter för varje önskat kvalitetsindex.

De nya variablerna måste vara sådana som är ortogonalt känne- tecknande för specifik yta, fiberlängd, fiberfördelning, meka- nisk raffinörmassas konsistens och andra möjliga kvalitetsindex för mekanisk raffinörmassa.

Vid kalibrering förändras endast en i taget av de egenskaper som skall mätas. Den databehandlingsmetod som tillämpas vid kalibreringen kompenserar för variationer i det mätta spektrat förorsakat av andra variabler med undantag av de som är relate- rade till den önskade mätvariabeln, t.ex. konsistensen.

Mer speciellt kännetecknas sättet enligt uppfinningen av det som anges i kravs 1 kännetecknande del.

Vidare kännetecknas anordningen enligt uppfinningen av det som anges i kravs 3 kännetecknande del.

Uppfinningen medför signifikanta fördelar.

Sättet och anordningen enligt föreliggande uppfinning uppnår detektering utan fördröjning av förändringar av massakvalitet, varvid omedelbara korrektiva åtgärder kan utföras. Följaktligen är separat sampling och/eller utspädning av massan onödig. Den direkta mätningen erbjuder även förbättrat utförande av raffi- nörens reglering eller styrning, eftersom fel som förorsakas av fördröjning av mätningen kan negligeras vid ett sådant utföran- de.

Uppfinningen skall närmast klargöras i större detalj med hjälp av exemplifierande utföringsformer som illustreras på bifogade ritning. 503 449 Fig. 1 visar schematiskt den typ av process vid vilken upp- finningen tillämpas.

Fig. 2 är en perspektivvy av en fiberlängdanalysator enligt teknikens ståndpunkt.

Fig. 3 är en perspektivvy av en annan fiberlängdanalysator enligt teknikens ståndpunkt.

Fig. 4 är en perspektivvy av en anordning som är lämpad för implementering av sättet enligt uppfinningen.

Fig. 5 är databehandlingsresultat i tabellform för freeness erhållna medelst sättet enligt uppfinningen.

Fig. 6 visar dataresultat i tabellform för rivstyrka erhållna medelst sättet enligt uppfinningen.

Fig. 1-3 är uppenbara på basis av de beskrivningar som givits i den allmänna delen av föregående text.

Fig. 4 åskådliggör konstruktionen av analysatorn som princi- piellt liknar en högkonsistensanalysator. IR-strålkällan är en halogenlampa 20, vars intensitet är reglerad med hög precision.

Den avgivna strålningen fokuseras på optiska fibrers ingångs- ändar medelst speglar och linser 22. Strålningen överföres där- på utmed de optiska fibrerna 24 till ett processrör 26. Pro- cessröret 26 motsvarar blåsröret 3 i schemat i fig. 1. Den från massan reflekterade strålningen samlas med en annan optisk fiber 28 och ledes till detektorer 30. Detektorerna 30 föregås av grindar 32 som endast avger önskade våglängdsband från strålningen. Intensitetssignalen för varje våglängdsband för- stärkes av ett parallellt förstärkararrangemang, dvs varje band har en sig tillordnad förstärkare 34. Databehandling utföres med en datorenhet 36.

Mätningen utföres lämpligen med användning av ett våglängds- område av 0,1-10 pm. 505 449 De förstärkta signalerna och kombinationer av dessa behandlas medelst databehandlingsmetoder för att erhålla nya variabler för vilka korrektionskoefficienter beräknas under kalibrering.

Kalibreringskoefficienterna databehandlas med användning av huvudkomponentmetoden. Huvudkomponentmetoden beskrives t.ex. i böcker av Martens, Naes; Multivariable calibration; Wiley- Interscience 9 sid. 97-101) och C.R. Rao; Linear Statistical Interference and its Application (sid. 590-593); Wiley- Interscience 65. Ändamålet med huvudkomponentmetoden är att uttrycka den infor- mation som är inbäddad i variablerna (mätresultaten) med ett reducerat antal variabler, benämnda huvudkomponenterna.

Exempel: Freeness-mätning Fyra mätvåglängder användes: I, = 1,450 um I, = 1,700 pm 1,960 um 2,100 pm H H än u ll Il Mätresultaten databehandlas för att bilda nya variabler (6 st): X1 1n(I2/I3)r X2 1n(I1/I4) f X3 = 1n(I2/I4) lfflïl/Is), X5 = lnus/IU: X6 = Iman/Iz) X4 Dessa skrives i form av en kalibreringsekvation med hjälp av huvudkomponentmetoden: Kalibreringsekvation: CSF = a,x, + a,x2 + a,x, + a4x4 + asx, + aóxó + ao 505 449 Kalibreringskoefficienterna är beroende av mätstället och freeness-talets variationsområde. I exemplet erhölls komponen- terna med användning av tre huvudkomponenter.

Följande resultat erhölls över freeness-området 300-600 ml (fig. 5): korr. 0,97 standardavvikelse (std) 23 ml 2 4% av testmedel- värde.

Följande resultat erhölls över freeness-området 110-220 ml (fig. 5): korr. 0,89 standardavvikelse (std) 13 ml s 8% av testmedel- värde.

Fig. 6 visar motsvarande utformning relaterad till rivstyrka.

Matematisk tillämpning av huvudkomponentmetoden Antalet testpunkter som användes vid kalibrering betecknas k.

För varje testpunkt i uppmätes intensiteten hos reflekterad strålning In, Ia, IB och IM för fyra våglängder och freeness-talet W (CSF) i motsvarighet till att varje mätning bestämmes med användning av laboratorieanalysmetoder. 1. Nya variabler xü (i=1...k,j=1...6) databehandlas, t.ex. xu = ln(IQ/IB) och formas till en matris X“fl xn xn . . . xw Testpunkt 1 X = xn xn . . . xn Testpunkt 2 (1) xu xu . . . xm Testpunkt k 2. En kovariansmatris A“fl som är en symmetrisk kvadratisk matris, databehandlas. 503 449 io k k k z Xilxii E Xiixiz z Xiixis i=1 i=1 i=1 k k k _ T _ A ' X X ' z Xizxil z Xizxiz ï Xizxis (2) 1=1 i=1 i=1 k k k å Xisxil 2 Xisxiz 2 Xiexie i=1 i=1 i=1 L J 3. Matrisens A egenvärden och egenvektorer beräknas. Matrisen AF” anges ha en egenvektor vioch ett egenvärde N om A W = Nvi (3) En symmetrisk positiv-definit NxN-matris har N olika egen- värden. Om A är symmetrisk löses egenvärdena generellt i tvâ faser. Matrisen A skrives först i tri-diagonal form med hjälp av Householder-transformen. Därpå användes OR-algoritmen för att lösa den tri-diagonala matrisens egenvärden och egenvekto- rer.

Denna fas beskrives i större detalj t.ex. i publikationerna: Smith, B.T. m.fl., Matrix Eigensystem Routines - EISPACK Guide, 2:a upplagen, vol. 6 av Lecture Notes in Computer Science, New York, Springer-Verlag (1976).

Egenvärdena skrives i matrisenlf” så att de egenvektorer som motsvarar det största egenvärdet placeras i den första kolum- nen, de egenvektorer som motsvarar det näst största egenvärdet i den andra kolumnen etc. 4. Huvudkomponentmatrisen Pb” beräknas såsom produkten av matriserna X och U: 503 449 ll P=xU (4) 5. För önskat antal huvudkomponenter beräknas i exemplet för de tre första huvudkomponenterna kalibreringskoefficienterna q (j = 1, 2, 3) med användning av minsta kvadratmetoden för en enda variabel. Koefficienterna Q kan beräknas en i taget, eftersom huvudkomponenterna är vinkelräta mot var- andra. Med andra ord beräknas minimum för kvadratsumman min k 2 ä Ij=1r2r3 bje R ß» i=l för att erhålla koefficenterna bn 1% och by Motsvarande kali- breringsmetod är CSFi = b] Pi, + bz PH + b; PB (6) 6. Koefficienterna a¿(i = 1, ...6) beräknas på följande sätt: Pü i Ekvation (6) substitueras av motsvarande värde beräknade från Ekvation (4): bz (Ulz Xi] + U22 + u p o + Uóz Xió) + b: (Un Xn + Uzs Xi: + - - - + Ues Xso) Koefficienterna för termerna xjkombineras för att erhålla koefficienterna ap an = (blUln + bzUlz + bsUxa) az = (bxUzl + bzÜzz + baÜza) as = (b1Um + bzusz + bsUfis) 503 449 12 Antalet huvudkomponenter som användes vid kalibrering bestämmas av önskad beräkningsnoggrannhet. Det skall märkas att ett större antal av huvudkomponenterna ökar databehandlingens om- fång och erfordrar samtidigt större datakapacitet och/eller ökar behandlingstidens längd.

Sättet är även tillämpbart för mätning av specifik yta, fiber- längd, fiberfördelning eller rivstyrka.

Mätpunkten kan vara belägen antingen i det blåsrör som lämnar steg I-raffinören eller det blåsrör som lämnar steg II- raffinören.

I stället för fyra eller fler våglängdsband kan ett visst våg- längdsband täckas av ett kontinuerligt svep, varvid antalet våglängdsband enligt uppfinningens definitioner blir obestämt.

Vid utföringsformer med digital utrustning implementeras emellertid sådana sveparrangemang genom mätning över ett diskret antal våglängder.

Claims (1)

1. 503 449 13 Patentkrav Sätt för mätning av en ström av mekanisk raffinör- massas freeness, vid vilket sätt - mekanisk raffinörmassa, transporterad i en ång- fasbärare, belyses av elektromagnetisk strålning i våglängdsområdet 0,1-10 pm, och - av den mekaniska raffinörmassan förorsakad för- ändring av strålningen mätes, k ä n n e t e c k n a t a v att 2C - förändringen av strålspektrat, förorsakad av den mekaniska raffinörmassan mätes samtidigt vid ett minimiantal av fyra olika våglängdsband, och - de uppmätta strålintensitetsvärdena databehandlas för att erhålla freeness-talet. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att för kalibrering av mätsystemet 3. - mätes freeness flera gånger samtidigt med intensitetsmätningarna, - omvandlas mätresultaten till nya variabler, och - bestämmes freeness beroende av de nya variablerna genom databehandling med användning av huvudkompo- nentmetoden. Anordning för on-line-mätning av mekanisk raffinör- massas freeness, vilken anordning innefattar - såsom strålkällor fungerande element (20) för belysning med elektromagnetisk strålning av den mekaniska raffinörmassan, vilken transporteras i en ång-fasbärare, - mätelement (30) för detektering av förändring av spektrum av strålningen förorsakad av den meka- niska raffinörmassan, - åtminstone en optisk fiber (28) för styrning av den strålning som reflekteras av eller överföres genom den mekaniska raffinörmassan till mätelementen (30), och 505 449 14 - databehandlingselement (36) för att omvandla upp- mätta intensitetsdata till information om freeness, k ä n n e t e c k n a d a v att - mätelementen (30) är försedda med organ för sam- tidig mätning av ett miniantal av fyra Våglängdsband.