專(zhuān)利名稱(chēng)：使用掃描高壓x射線(xiàn)傳感器測(cè)量灰組成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明大體上涉及紙產(chǎn)品，特別地涉及一種用于測(cè)量添加 劑-例如灰(ash)組成(composition)的新穎才支術(shù)，尤其是存在于紙幅 (paper web )或者紙張材料中的灰材料添加劑的相對(duì)濃度。
背景技術(shù)：
0002紙包括纖維素(cellulose)和添加劑。 一種添加劑稱(chēng)為"灰" 且是當(dāng)紙燃燒時(shí)的殘留材料。紙產(chǎn)品通常包含"灰，，以增強(qiáng)可印刷性、 色彩及其他物理特性。在紙產(chǎn)品中最常見(jiàn)類(lèi)型的添加劑包含粘土、碳酸 鈣(CaC03)和二氧化鈦(Ti02),但也存在其他類(lèi)型的添加劑。眾所 周知，紙的重量稱(chēng)為基重(Basis Weight, BW);干重(Dry Weight, DW) 是基重減去紙中殘留水分的重量，灰百分比(percentage ash)被定義為 添加劑的總和除以干重。
0003大多數(shù)紙的質(zhì)量取決于灰含量(ash content)的量，因此 這在紙制造期間要嚴(yán)格控制。在制造期間，必須確定紙產(chǎn)品或者樣品的 總灰含量。典型地，X射線(xiàn)吸收或者X射線(xiàn)熒光技術(shù)被用于測(cè)量這些添 加劑的單獨(dú)濃度或者總濃度。
0004美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,854,821描述了 一種用于測(cè)量三種常用類(lèi)型 的紙?zhí)砑觿┑腦射線(xiàn)吸收測(cè)量系統(tǒng)和過(guò)程。為了測(cè)量灰，'821專(zhuān)利利用 兩個(gè)在紙幅的一面上相鄰放置的X射線(xiàn)源，和在紙幅的相對(duì)面上放置的 兩個(gè)相應(yīng)的相鄰檢測(cè)器，其中，第一源以高于第二源的能級(jí)(energy level)操作?？梢詳嘌?，照這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紙中灰的改進(jìn)的組成檢測(cè)。 然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)注意到，由于還必須考慮每個(gè)X射線(xiàn)源 的差異，所以操作這種系統(tǒng)仍會(huì)存在準(zhǔn)確度降低的問(wèn)題。
0005美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,377,652也描述了 一種X射線(xiàn)吸收測(cè)量系統(tǒng)， 該系統(tǒng)利用"測(cè)量和校準(zhǔn)"方案，由此利用使用多個(gè)濾光器/檢測(cè)器裝置 的單個(gè)X射線(xiàn)源來(lái)確定具有至少三種礦物添加劑組分(component)的 板材中的總礦物含量。測(cè)量光束被引導(dǎo)穿過(guò)持續(xù)推進(jìn)的紙幅，其中由該 紙幅的另一面上相應(yīng)的X射線(xiàn)檢測(cè)器接收每個(gè)光束。計(jì)算機(jī)接收表示光 束(一個(gè)或多個(gè))和檢測(cè)器(一個(gè)或多個(gè))這二者的信號(hào)，然后比較這 些信號(hào)，并且使用公知的或者容易導(dǎo)出的方程，計(jì)算該紙幅中礦物添加 劑的單獨(dú)組分的濃度。
0006本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)注意到，通過(guò)這種裝置在三個(gè)檢測(cè)器 中獲得的信號(hào)僅略微不同，因而導(dǎo)致該組成的準(zhǔn)確度很有限。
0007迫切希望提供一種實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)的系統(tǒng)，該技術(shù)使得通過(guò) 利用簡(jiǎn)單的掃描X射線(xiàn)傳感器量具(gauge)和涉及灰含量的已知的基 本物理參數(shù)來(lái)檢測(cè)紙材料中灰含量的相對(duì)材料組成得以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
0008本發(fā)明提供了實(shí)現(xiàn)對(duì)紙產(chǎn)品中灰含量的相對(duì)材料組成的測(cè) 量和確定的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。盡管灰含量中的材料，例如 CaCa03、粘土和TiCb具有不同的X射線(xiàn)吸收譜(spectrum),但是通 過(guò)快速改變X射線(xiàn)量具，在每個(gè)能級(jí)測(cè)量吸收，并將此與基本物理參數(shù) 表相比較，就能夠求出(extract)灰含量中的材料的相對(duì)部分(fraction)， 例如CaCaOs、粘土和Ti02。
0009因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種通過(guò)包含在紙 產(chǎn)品中的灰材料元素的重量來(lái)確定相對(duì)組成的方法，該方法包括
提供在多個(gè)施加的能量的每一個(gè)下具有已知X射線(xiàn)譜的X射線(xiàn)源 以及X射線(xiàn);^測(cè)器，所述X射線(xiàn)源和X射線(xiàn)才企測(cè)器分隔開(kāi)以收納 (receive)所述紙產(chǎn)品；
掃描用于以多個(gè)施加的能量為所述X射線(xiàn)源供電的電壓電源，并且 在每個(gè)施加的能量下在所述紙產(chǎn)品處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn) 檢測(cè)器之間的情況下從所述X射線(xiàn)檢測(cè)器獲得X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，并且 在所述紙產(chǎn)品不處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下 從所迷X射線(xiàn)檢測(cè)器獲得X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量；
根據(jù)在每個(gè)施加的能量下所獲得的X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量這二者生成實(shí) 際傳感器響應(yīng)；
根據(jù)在多個(gè)施加的能量的每一個(gè)下所述紙產(chǎn)品的每個(gè)組分的已知 吸收系數(shù)值和已知的X射線(xiàn)響應(yīng)譜來(lái)預(yù)測(cè)傳感器響應(yīng)；和，
比較實(shí)際傳感器響應(yīng)和預(yù)測(cè)的傳感器響應(yīng)以計(jì)算灰組分重量，并根 據(jù)所述比較求出灰材料元素的相對(duì)重量。
0010根據(jù)所述發(fā)明的第二方面，提供了一種通過(guò)包含在紙產(chǎn)品 中的灰材料元素的重量測(cè)量相對(duì)組成的設(shè)備，該設(shè)備包括
在多個(gè)施加的能量的每一個(gè)下具有已知X射線(xiàn)譜的X射線(xiàn)源，以
及X射線(xiàn)檢測(cè)器，所述X射線(xiàn)源和X射線(xiàn)檢測(cè)器分隔開(kāi)以收納所述紙
本口 .
廣口口 ，
用于以多個(gè)施加的能量為所述X射線(xiàn)源供電的電壓電源，所述X 射線(xiàn)檢測(cè)器在所述多個(gè)施加的能量的每一個(gè)下提供多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè) 量，其中，在所述紙產(chǎn)品處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間 的情況下從所述X射線(xiàn)檢測(cè)器獲得多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，并且在所述
紙產(chǎn)品不處于所述x射線(xiàn)源和所述x射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下從所述x
射線(xiàn)檢測(cè)器獲得多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，其中根據(jù)多個(gè)測(cè)量這二者得到實(shí) 際傳感器響應(yīng)；
用于預(yù)測(cè)傳感器響應(yīng)的裝置，其根據(jù)在所述多個(gè)施加的能量的每一 個(gè)下所述紙產(chǎn)品的每個(gè)組分的已知吸收系數(shù)和所述已知的X射線(xiàn)響應(yīng) 譜來(lái)預(yù)測(cè)傳感器響應(yīng)；和，
灰組分重量以及^據(jù)所i^比^較求:灰材料元素:的相對(duì)重量的裝置。'^0011本發(fā)明的系統(tǒng)和方法有利地避免了成為"測(cè)量和校準(zhǔn)"方 案，而是一種需要從已知物理常數(shù)中導(dǎo)出組成的方案。該方案包括1. 使用良好特性(well-characterized)的X射線(xiàn)管(經(jīng)計(jì)算和調(diào)整的譜)； 2.使用在公用域已知的可獲取的待測(cè)量元素的基本(fundamental)吸收 系數(shù)；3.通過(guò)傳感器響應(yīng)的數(shù)值(理論)預(yù)測(cè)進(jìn)行灰測(cè)量；4.快速掃描 高壓電源以改變X射線(xiàn)鐠；和5.唯一的濾光器，用以改進(jìn)不同類(lèi)型的灰 之間的分離(separation)。


0012通過(guò)對(duì)下述要結(jié)合附圖閱讀的說(shuō)明性實(shí)施例的詳細(xì)描述， 本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)很明顯，在附圖中
0013圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的用于確定紙張(幅)中相對(duì)灰含 量的系統(tǒng)10;
0014圖2描繪了要與根據(jù)本發(fā)明的真實(shí)數(shù)據(jù)相比較的根據(jù)本發(fā) 明計(jì)算的吸收曲線(xiàn)；
0015圖3A和3B描繪了根據(jù)本發(fā)明在為紙灰中的每個(gè)成分 (constituent)材料計(jì)算基重的過(guò)程中使用的方法100。
具體實(shí)施例方式
0016本發(fā)明針對(duì)用于測(cè)量紙產(chǎn)品(紙幅或者紙張)中灰含量的 相對(duì)材料組成的設(shè)備和方法。特別地，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)X射線(xiàn)量具(傳 感器)的新穎技術(shù)，用于測(cè)量平紙材料中灰含量的相對(duì)材料組成。根據(jù) 一個(gè)實(shí)施例，提供了對(duì)X射線(xiàn)量具的精細(xì)(carefule)表征，由此被使 用的傳感器根據(jù)基本物理參數(shù)來(lái)計(jì)算灰含量。
0017圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的用于確定紙張(幅)中的相對(duì)灰 含量的系統(tǒng)IO,該系統(tǒng)10包括X射線(xiàn)吸收測(cè)量系統(tǒng)，其中利用X射線(xiàn) 管20產(chǎn)生X射線(xiàn)。該系統(tǒng)可以包括掃描器設(shè)備40,能夠使所述傳感器 和接收器移動(dòng)橫過(guò)所述紙幅。使用可變高壓電源15來(lái)在寬能量范圍內(nèi) 產(chǎn)生X射線(xiàn)。照這樣，根據(jù)本發(fā)明，在這種能量范圍內(nèi)，實(shí)施對(duì)X射 線(xiàn)吸收的測(cè)量以確定灰組成信息。在一個(gè)實(shí)施例中，例如使用可變高壓 電源而操作的單個(gè)X射線(xiàn)源在4.0 K V和6 K V之間為X射線(xiàn)管2 0供電。
0018根據(jù)本發(fā)明，X射線(xiàn)管20在可編程控制設(shè)備(處理器) 50的控制下工作，所述X射線(xiàn)管20提供信號(hào)，所述信號(hào)控制在可變能 量下產(chǎn)生X射線(xiàn)的過(guò)程中使用的高壓電源15。特別地，處理器50提供 數(shù)字信號(hào)，所述數(shù)字信號(hào)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器55轉(zhuǎn)換以控制該高壓電源并提 供掃描信號(hào)，所述掃描信號(hào)被用于產(chǎn)生在寬能譜上的X射線(xiàn)信號(hào)。也就 是，可編程控制設(shè)備50操作地控制高壓供電以?huà)呙?sweeping)電壓(能 量)。該高壓被"掃描，，，例如在每100V或者200 V停止，不過(guò)應(yīng)該 理解的是這些編程的電壓增量可以是變化的。X射線(xiàn)然后穿過(guò)要測(cè)量其 灰含量的紙樣本(張)12。在每個(gè)電壓電平，X射線(xiàn)檢測(cè)器設(shè)備30都 要進(jìn)行測(cè)量達(dá)預(yù)定時(shí)間量。在一個(gè)實(shí)施例中，所進(jìn)行的測(cè)量長(zhǎng)達(dá)大約50 ms,但是該測(cè)量時(shí)間是可配置的。檢測(cè)器30包括X射線(xiàn)傳感器或者類(lèi) 似的總能量接收器設(shè)備，例如離子室。其他檢測(cè)器也是可能的，包括固 態(tài)設(shè)備。提供放大器32以增強(qiáng)來(lái)自離子室的小信號(hào)，最后，接收器每 單位時(shí)間產(chǎn)生與所接收到的X射線(xiàn)能量成比例的電壓。采用將在這里描 述的方式，在每個(gè)電壓設(shè)定，記錄檢測(cè)器響應(yīng)。表示這些檢測(cè)值的信號(hào) ^U莫數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)備35轉(zhuǎn)換，由處理器50輸入和處理，并記錄在存儲(chǔ)器 設(shè)備52中。如進(jìn)一步在圖1中所示，在致力于增強(qiáng)組成分析的過(guò)程中， 可以提供X射線(xiàn)濾光器設(shè)備25 ，其過(guò)濾X射線(xiàn)并且當(dāng)檢測(cè)器中測(cè)量的
總信號(hào)是能量X吸收概率乘積的總和時(shí)減少吸收譜邊緣的"沖去
(washing out )"效應(yīng)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，X射線(xiàn)濾光器是70 g/cm2 厚的鋁板，然后本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)被分析的產(chǎn)品元 素而實(shí)施其他厚度的濾光器。優(yōu)選地，實(shí)施唯一的(unique) X射線(xiàn)濾 光器以改進(jìn)不同類(lèi)型灰之間的分離。圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明由處理器50計(jì)算的吸收曲線(xiàn)，其被與 真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在下文中將更詳細(xì)地對(duì)其進(jìn)行解釋。所示的例子適 用于三(3)張紙(紙張)樣本，所述樣本僅具有所關(guān)心的灰組分中的 一個(gè)-CaCa03、粘土和Ti02。如圖2所示，吸收系數(shù)是相對(duì)于所施加的 X射線(xiàn)管電壓(X射線(xiàn)能量)而繪出的。在圖2描繪的傳感器響應(yīng)曲線(xiàn) 中，由于X射線(xiàn)管產(chǎn)生寬范圍的能量這樣的事實(shí)，所以上述的銳邊緣被 "沖去(washed out)，，。因此，如圖2所示，大多數(shù)元素具有特征X 射線(xiàn)吸收譜，也就是，能夠穿過(guò)該材料的X射線(xiàn)的數(shù)量隨著X射線(xiàn)能 量而劇烈地變化?；液恐械牟牧希?，諸如CaCa03、粘土和Ti02 之類(lèi)的添加劑具有不同的X射線(xiàn)吸收鐠，在圖2中分別由附圖標(biāo)記60、 70和80進(jìn)4亍標(biāo)記。特別地，造紙工業(yè)所關(guān)心的兩個(gè)元素，4丐和《太，具 有在大約4和5KeV處繪出的這樣的吸收特征，通常使用X射線(xiàn)的能量 單位。粘土 -另一常見(jiàn)成分在區(qū)域3-10 KeV中沒(méi)有吸收邊緣，對(duì)于纖 維素也是如此-它們的X射線(xiàn)吸收隨著X射線(xiàn)能量的增加而平滑地降低。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)，利用表列(tabulated)吸收截面，已知 的X射線(xiàn)管鐠和觀測(cè)器傳感器響應(yīng)函數(shù)(即，傳感器信號(hào)對(duì)向生成X 射線(xiàn)管施加的高壓的圖)，非線(xiàn)性最小二乘方最小化技術(shù)可以被用于求 出(extract)灰組成(如在本示例性實(shí)施例中描述的CaCa03、 Ti02和 粘土)的相對(duì)量。在該技術(shù)中，假設(shè)已知灰的總量和紙基重。在本發(fā)明 的另一^實(shí)施例中，已知水含量和BW,可以計(jì)算出灰成分材料-如 CaCa03、 Ti02和粘土的絕對(duì)量。在又一實(shí)施例中，所述灰組分中的一 個(gè)可以是完全不存在的，并且計(jì)算其余的兩個(gè)元素的量。圖3A和圖3B描繪了在為灰中的組成材料中的每一個(gè)計(jì)算基 重的過(guò)程中使用的方法100。根據(jù)方法100，計(jì)算傳感器響應(yīng)信號(hào)，其 包括在紙張(幅)不處于X射線(xiàn)管和X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下的X 射線(xiàn)檢測(cè)器(傳感器)信號(hào)和在紙張(幅)處于X射線(xiàn)管和X射線(xiàn)檢 測(cè)器之間的情況下的X射線(xiàn)檢測(cè)器(傳感器)信號(hào)的比率。如圖3A所
示，描述了第一步驟103,其中為每個(gè)施加的高壓(HV)設(shè)定加載所計(jì) 算的X射線(xiàn)譜。該步驟103相當(dāng)于獲得上述已知的X射線(xiàn)管譜。然后， 如下一步驟106所描述的那樣，將所有紙張組分(包括灰組分材料)的 X射線(xiàn)吸收系數(shù)加載并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器設(shè)備中以備后面參考。然后如步驟 110所描繪的那樣，在紙張(幅)沒(méi)有在掃描器中就位的離線(xiàn)過(guò)程中， 將X射線(xiàn)管電壓設(shè)為初始值(HV),獲取并記錄X射線(xiàn)傳感器輸出V。
(0)。然后，如在下文中將參照?qǐng)D3B詳細(xì)描述的那樣，就進(jìn)入測(cè)量參 考環(huán)路(measure reference lo叩)(在紙張(紙幅)沒(méi)有就位的情況下)， 由此在值HV(i)(其中，i=0,……，n,)的期望范圍內(nèi)，增加所施加的 X射線(xiàn)管電壓，并且在增加值HV(i)的整個(gè)范圍內(nèi)測(cè)量傳感器檢測(cè)器 輸出V。(i)。在一個(gè)實(shí)施例中，在范圍-例如在3.8至6.2 KeV的范圍 內(nèi)，以50V-200V之間的任意電壓增量值，向X射線(xiàn)管傳感器施加高壓 電源值。在紙張沒(méi)有就位的情況下，記錄在增加值HV (i)的整個(gè)范圍 測(cè)得的X射線(xiàn)檢測(cè)器值。然后，參見(jiàn)圖3A，步驟113,描繪了在圖1的傳感器結(jié)構(gòu)中 裝入紙張(幅)的進(jìn)一步步驟，并且在步驟116，執(zhí)行如圖3B所描繪的 測(cè)量環(huán)路，以在增加值HV(i) (i-O，……，n)的范圍內(nèi)獲取傳感器 檢測(cè)器輸出V(i)。特別地，在如圖3B中描繪的步驟116的執(zhí)行，包 括測(cè)量環(huán)路，所述測(cè)量環(huán)路包括第一步驟120,表示將X射線(xiàn)管電壓設(shè) 置為初始值(HV),然后在期望范圍內(nèi)以預(yù)定量來(lái)對(duì)值HV (i)進(jìn)行增 加。如所提到的，增加的高壓電源值被編程為是均勻地分隔開(kāi)，例如， 以50 V-200 V之間任意電壓增量分隔開(kāi)，然而，這是可配置的。然后， 在步驟125, 獲取積分的(integrated)接收器輸出信號(hào)V (i)(被放 大、處理和轉(zhuǎn)換以供計(jì)算機(jī)使用的值)，并且計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)針對(duì)該施加的 傳感器輸入電壓的積分的接收器輸出信號(hào)V (i)值。然后，如在步驟 130中所描繪的，確定是否已達(dá)到上次施加的高壓電源電壓增量，HV
(n)。直到在HV (n)獲得了上次的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量環(huán)路才返回到步 驟120,其中施加下一個(gè)電壓增量HV (i)。如所提到的，在參考(圖3A中的步驟110所描繪的無(wú)紙張) 以及在測(cè)量期間(圖3A中的步驟110所描繪的有紙張)實(shí)施測(cè)量環(huán)路 并且在有和沒(méi)有紙張的情況下的檢測(cè)器(輸出傳感器)信號(hào)的比率是傳 感器響應(yīng)。因此，才艮據(jù)方法100，對(duì)于每個(gè)施加的HV(i)電壓，處理
器設(shè)備為每個(gè)施加至管的電壓，記錄傳感器輸出值V。 (i)。所描述的
示例性測(cè)量序列因而包括紙張被從傳感器移除的背景運(yùn)行(background
run)。例如，在從3.8KV至6.2KV (例如等于HV (n))的范圍內(nèi)，
以100 V為步長(zhǎng)實(shí)施高壓掃描。處理器設(shè)備50 (圖1)記錄所有的數(shù)據(jù)
點(diǎn)(電壓)。在紙張?jiān)赬射線(xiàn)管和檢測(cè)器之間的情況下實(shí)施如圖3A中
的步驟116所描繪的相同的測(cè)量。在一個(gè)實(shí)施例中，使用快速掃描高壓
電源以改變X射線(xiàn)語(yǔ)，從而該系統(tǒng)可以快速地扭J亍測(cè)量環(huán)路(例如，對(duì)
于20伏數(shù)據(jù)點(diǎn)，以l.O秒來(lái)掃描)。
0025返回圖3A中的步驟150，計(jì)算機(jī)或者處理器設(shè)備然后計(jì)
算包括傳感器響應(yīng)函數(shù)的比率。這在步驟150中表示為包括步驟在紙
張就位和沒(méi)有就位的情況下針對(duì)每一個(gè)施加的電壓值，計(jì)算R(i)= V (i)
/V。 (i)。然后，正如步驟115所指示的，為總的紙重量、水含量和灰
組成(元素)設(shè)置初始值，因?yàn)檫@些是預(yù)先已知的。
0026在該技術(shù)中，X射線(xiàn)管譜的表征是主要要素。因此，如圖 3A中所示，步驟2A,使用所計(jì)算的X射線(xiàn)譜(在步驟103獲得)和所 有紙張組分的X射線(xiàn)吸收系數(shù)(在步驟106中獲得)來(lái)計(jì)算第一猜測(cè)(理 論上或者"預(yù)期的")傳感器響應(yīng)比率Rt(i)。數(shù)量上，該第一猜測(cè)或者
預(yù)期的響應(yīng)值是<formula>formula see original document page 10</formula> 其中，
<formula>formula see original document page 10</formula>在這些等式中，I (E)是相對(duì)X射線(xiàn)管譜密度，"E"是X射線(xiàn)的能量。 特別地，第 一等式中的求和是在當(dāng)不測(cè)量紙張時(shí)在源和接收器之間存在 的所有材料(這些包括空氣和接收器窗口 )上進(jìn)行的，(ij是材料的吸收 系數(shù)，m」是其質(zhì)量，jUk是紙組分(包括水、纖維素和灰)的吸收系數(shù)， Wk是其質(zhì)量，Emax是在施加的高壓下X射線(xiàn)管輸出的最大能量。
0027然后，在步驟165,確定所測(cè)量的R(i)是否等于笫一猜想 或者預(yù)測(cè)的響應(yīng)比率Rt(i)。如果在步驟165確定所測(cè)量的R(i)不等于第 一猜測(cè)或者預(yù)測(cè)的響應(yīng)比率Rt(i),則該過(guò)程進(jìn)行到步驟170,其中更新 灰組分的重量，例如，使用所應(yīng)用的"非線(xiàn)性卡方(chi-squared)最小
化"技術(shù)，并且計(jì)算在新的灰重量值下的預(yù)期比率Rt(i)。也就是，如普 通技術(shù)人員所知，改變灰重量以匹配對(duì)理論傳感器比率的測(cè)量。重復(fù)執(zhí)
行步驟序列160、 165和170，直至所觀測(cè)到的傳感器比率與才莫型計(jì)算相 匹配。在該點(diǎn)，對(duì)灰組分重量值進(jìn)行略微校正，并將其提供給用戶(hù)，如 步驟175所示?？蛇x地，可以通過(guò)對(duì)照獨(dú)立的、實(shí)馬全室型化學(xué)分析進(jìn)行 校準(zhǔn)來(lái)對(duì)傳感器結(jié)果值進(jìn)行最后的校正。也就是，除了依照本發(fā)明分析 紙樣本之外，還可以可選地執(zhí)行化學(xué)分析技術(shù)。將這二者比較得到的小 的校正加入到前面得到的傳感器結(jié)果中或者從其中減去該小的校正。
0028因此，X射線(xiàn)管譜的表征在該技術(shù)中是主要要素。根據(jù)原 子公式計(jì)算第一猜測(cè)譜；但是通過(guò)在已知厚度的純?cè)厣线M(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量 做出修正。這是因?yàn)閄射線(xiàn)吸收截面是眾所周知的。已知的X射線(xiàn)管譜 越好，結(jié)果就越準(zhǔn)確。利用這些結(jié)果且知道總基重和每個(gè)灰組分的部分的 第一猜測(cè)，經(jīng)編程的處理器或者類(lèi)似的計(jì)算機(jī)設(shè)備，在每個(gè)電壓設(shè)定計(jì)算 預(yù)期的傳感器比率(傳感器響應(yīng)函數(shù))。對(duì)于水、纖維素、CaCa03、粘土 和Ti〇2而言使用公共可獲得的吸收數(shù)據(jù)。在將此與所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 之后，計(jì)算機(jī)程序校正CaCaOg、粘土和Ti02的相對(duì)量，直到理論上預(yù)測(cè) 的傳感器響應(yīng)函數(shù)與所測(cè)得的響應(yīng)函數(shù)相匹配。最后的步驟是使用非線(xiàn)性 最小二乘方最小化或者類(lèi)似的最小化技術(shù)實(shí)施的。
0029因此，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)快速改變X射線(xiàn)量具，在每個(gè)能 級(jí)測(cè)量吸收并且將此與存儲(chǔ)在與計(jì)算機(jī)設(shè)備(包括所有已知元素的基本 物理參數(shù)表，能夠從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所(National Institute of Standards, NIST)或者Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室得到)相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 比較，求出灰含量中的材料-例如，CaCa03、 Ti02和粘土的相對(duì)部分。
0030可以理解，在紙幅或者紙產(chǎn)品中的其他組分材料的相對(duì)重 量能夠根據(jù)本發(fā)明的講授來(lái)確定。通常地，本發(fā)明可被用于任意應(yīng)用， 其中，已知產(chǎn)品成分的類(lèi)型并且這些成分具有不同的X射線(xiàn)吸收譜。因 此例如，本發(fā)明可用于確定合金鍍層中的元素的相對(duì)重量。
0031盡管已經(jīng)針對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明性的和可執(zhí)行的實(shí)施例而特別 示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，可以在不脫 離僅由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在其中對(duì)形 式和細(xì)節(jié)進(jìn)行前述以及其他改變。
權(quán)利要求
1. 一種用于通過(guò)紙產(chǎn)品中包含的灰材料元素的重量來(lái)測(cè)量相對(duì)組成的設(shè)備，所述設(shè)備包括在多個(gè)施加的能量中的每一個(gè)下具有已知X射線(xiàn)譜的X射線(xiàn)源(20)，以及X射線(xiàn)檢測(cè)器(30)，所述X射線(xiàn)源和X射線(xiàn)檢測(cè)器分隔開(kāi)以收納所述紙產(chǎn)品；用于以多個(gè)施加的能量為所述X射線(xiàn)源供電的電壓電源(15)，所述X射線(xiàn)檢測(cè)器在所述多個(gè)施加的能量中的每一個(gè)下提供多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，其中在所述紙產(chǎn)品處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下從所述X射線(xiàn)檢測(cè)器獲得多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，并且在所述紙產(chǎn)品不處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下從所述X射線(xiàn)檢測(cè)器獲得多個(gè)X射線(xiàn)響應(yīng)測(cè)量，其中根據(jù)所述的多個(gè)測(cè)量這二者獲得實(shí)際的傳感器響應(yīng)；用于根據(jù)在所述多個(gè)施加的能量中的每一個(gè)下所述紙產(chǎn)品的每個(gè)組分的所述已知的X射線(xiàn)響應(yīng)譜和已知的吸收系數(shù)值來(lái)預(yù)測(cè)傳感器響應(yīng)的裝置(50)；和，用于通過(guò)將所述實(shí)際傳感器響應(yīng)與所述預(yù)測(cè)的傳感器響應(yīng)進(jìn)行比較來(lái)計(jì)算灰成分重量以及根據(jù)所述比較求出灰材料元素的相對(duì)重量的裝置(50)。
2. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中，所述實(shí)際傳感器響應(yīng)是第一比 率R(i)= V (i) /V。 (i),其中對(duì)于每個(gè)施加的能量增量(i) , V(i) 是在所述紙產(chǎn)品處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下 所獲得的吸收響應(yīng)測(cè)量，V。 (i)是在所述紙張不處于所述X射線(xiàn)源和所述X射線(xiàn)檢測(cè)器之間的情況下 所獲得的吸收響應(yīng)測(cè)量。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述預(yù)測(cè)的傳感器響應(yīng)包括第二比率Rt(i),第二比率R《i)是通過(guò)在多個(gè)施加的能量中的每一個(gè)下將所 述紙產(chǎn)品的每個(gè)組分的已知吸收系數(shù)施加到所述已知的X射線(xiàn)響應(yīng)譜 而獲得的。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括存儲(chǔ)針對(duì)每個(gè)施加的電壓設(shè)定 的所述X射線(xiàn)響應(yīng)譜以及存儲(chǔ)針對(duì)所述紙產(chǎn)品的每個(gè)組分的所述一個(gè) 或者多個(gè)吸收系數(shù)值的裝置(52)。
5. 如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，所述存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)總的紙重量 和所述灰組成的組分重量的初始值。
6. 如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，還包括控制裝置(50),用于根據(jù)所 述第一和第二比率的比較、所述存儲(chǔ)的總的紙重量和所述灰組分重量值 來(lái)計(jì)算灰組分重量。
7. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括控制裝置(50),用于掃描所 述電壓電源，用于以多個(gè)施加的能量為所述X射線(xiàn)源供電。
8. 如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述控制裝置掃描所述電壓電 源，用于以1 KeV和10KeV之間的電壓增量為所述X射線(xiàn)源供電。
9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述電壓增量是介于50 V至 200 V范圍之間的值。
10. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，被包含在紙產(chǎn)品中的所述灰 材料元素包括CaCa03、 Ti02和粘土。
11. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括設(shè)在所述X射線(xiàn)源和所述 紙產(chǎn)品之間的X射線(xiàn)濾光器裝置(25),用于改進(jìn)不同類(lèi)型灰材料之間 的分離。
全文摘要
本發(fā)明提供了實(shí)現(xiàn)對(duì)紙產(chǎn)品中灰含量的相對(duì)材料組成的測(cè)量和確定的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。盡管灰含量中的材料，例如CaCA₃、粘土和TiO₂具有不同的X射線(xiàn)吸收譜，但是通過(guò)快速改變X射線(xiàn)量具，在每個(gè)測(cè)量級(jí)測(cè)量吸收，并將此與基本物理參數(shù)表相比較，就能夠求出灰含量中的材料-例如CaCA₃、粘土和TiO₂的相對(duì)部分。另外，紙幅或者紙張產(chǎn)品中的其他成分材料的相對(duì)重量也是可確定的。
文檔編號(hào)G01B15/02GK101389951SQ200680053483
公開(kāi)日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者G·J·霍夫曼 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司