Способ определения показателя фрактальной размерности поверхности бумаги или картона

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕРНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ БУМАГИ ИЛИ КАРТОНА(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Кулак Михаил Иосифович Медяк Диана Михайловна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Способ определения показателя фрактальной размерности поверхности бумаги или картона, включающий освещение бумажного либо картонного образца калиброванным излучением заданной длины волны , направленным под угломк поверхности образца,прием отраженного излучения, определение коэффициента отраженияшероховатой поверхности образца и расчет показателяфрактальной размерности поверхности согласно выражению, где 1 и 2 - эмпирически подобранные коэффициенты- коэффициент зеркального отражения. Изобретение относится к целлюлозно-бумажной и полиграфической промышленности и может быть использовано при определении поверхностных, печатных и других технологических свойств бумаги или картона. Известен способ определения структурных поверхностных свойств бумаги с помощью механических измерительных устройств 1, 2. Недостатком этого способа является то, что при достаточной точности измерений он очень трудоемок и требует значительных затрат времени на проведение эксперимента и обработку результатов. Данный способ не может быть использован для контроля бумажного полотна в бумагоделательной или печатной машине, так как не обеспечивает оперативность подачи данных. Известен способ измерения параметров структуры поверхности с использованием оптических методов, работающих по принципу учета излучения, прошедшего через бумажное полотно 3. 9417 1 2007.06.30 Основной недостаток этого способа состоит в том, что он позволяет исследовать только бумагу с небольшой массой, в то время как для печати, например, упаковки или высококачественной подарочной продукции используются виды бумаги с массой выше 100 г/м 2 или картон. Таким образом, использование этого способа ограничивается узким диапазоном газетной и офсетной бумаги. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является оптический способ определения структурных и поверхностных свойств бумаги 4, согласно которому для измерения шероховатости бумаги или картона освещают образец калиброванным светом практически перпендикулярно к поверхности бумаги или картона, получая изображение участков на поверхности датчика видеокамеры. Каждый элемент изображения занимает участок порядка 1 мкм поверхности бумаги или картона. Шероховатость поверхности определяют на основе интенсивности элементов изображения на датчике. При этом выявляются структурные неоднородности бумаги, размер которых равен или превосходит размер зафиксированного видеокамерой участка. Недостатком этого способа является то, что интенсивность отражения излучения от поверхности является недостаточной характеристикой для определения шероховатости поверхности, так как не учитываются структурные особенности той или иной поверхности. На основании интенсивности отражения можно рассчитать только процентное соотношение интенсивных и неинтенсивных участков поверхности, которое не может использоваться для дальнейшей обработки и интерпретации, однозначно определить микрогеометрию бумаги и картона. Задачей изобретения является повышение оперативности определения и контроля структурных свойств бумаги и картона, получение результата в форме, которая пригодна для последующих расчетов и может в дальнейшем использоваться в системах управления печатным процессом и в бумажном производстве. Для решения указанной задачи предлагается использовать способ определения показателя фрактальной размерности поверхности бумаги или картона, включающий освещение бумажного либо картонного образца калиброванным излучением заданной длины волны , направленным под угломк поверхности образца, прием отраженного излучения, определение коэффициента отражения К шероховатой поверхности образца и расчет показателяфрактальной размерности поверхности согласно выражению, где 1, 2 - эмпирически подобранные коэффициенты- коэффициент зеркального отражения. Математическая формула для расчета показателя фрактальной размерности по предлагаемому способу содержит эмпирические коэффициенты 1 и 2. Данные коэффициенты учитывают особенности конструкции спектроденситометров, которые могут применяться при выполнении измерений. Величина указанных коэффициентов является индивидуальной характеристикой денситометров и подбирается исходя из необходимости обеспечения требуемой точности контроля поверхности. Для примера на фиг. 1 приведена зависимость отклонения фрактальной размерности поверхности бумаги 1 от коэффициента 1. Отклонение 1 представляет собой разность фрактальной размерности, полученной по измерениям с помощью метода прямого контактного ощупывания на профилометре, и размерности, полученной с помощью предлагаемого оптического метода. На фиг. 2 приведена аналогичная зависимость для коэффициента 2. Рисунки подтверждают наличие взаимосвязи между точностью измерений и указанными коэффициентами. 2 Сущность отличия предложенного способа заключается в том, что в результате исследования излучения, отраженного от образца бумаги или картона, рассчитывается конкретный показатель, отражающий характер микроструктуры изучаемой поверхности, входящий в расчетные формулы теории печатных процессов и позволяющий рассчитывать физикомеханические и печатные свойства поверхности бумаги и картона. Предлагаемый способ позволяет, исходя из оптической характеристики поверхности образца, получить более точную структурную характеристику поверхности бумаги или картона. Изобретение поясняется примером. Пример Для сравнения и доказательства адекватности получаемых по предлагаемому способу показателей шероховатости поверхности предполагается расчет и сопоставление фрактальных размерностей, полученных по предложенному способу и с помощью наиболее точного метода прямого контактного ощупывания поверхности бумаги, т.е. механического способа. Использование для сравнения способа, указанного в прототипе, невозможно вследствие неравнозначности получаемых результатов и принципиально иного подхода к оценке степени шероховатости исследуемой поверхности. Механический способ исследования поверхности позволяет с максимальной точностью определить показатель фрактальной размерности и может служить ориентиром точности предложенного способа. Предлагаемым способом проведено определение структурных параметров шести образцов различных видов бумаги и пяти образцов картона. Испытывались образцы бумаги, Ку, , Юнион Силк, Юнион Арт, Люми Силк картонаНВ, , , ,. Определение микрогеометрии поверхности каждого образца проводили следующим образом. Измерялась оптическая плотность образцов в красной области спектра с помощью промышленного спектроденситометра 508, рассчитывался коэффициент отражения, с помощью математических методов определялся корень - фрактальная размерность поверхности- трансцендентного математического выражения На каждом образце было проведено пять параллельных измерений, вычисления алгоритмизированы и производились на ЭВМ. Результаты расчетов для образцов исследуемых бумаг, полученные согласно изобретению, приведены ниже в таблице. 9417 1 2007.06.30 Наименование материалаоптический способконтактный способ Бумага 2,282 2,3242,348 2,439 Расхождение результатов, полученных по предлагаемому оптическому и более точному механическому способу для всех видов бумаги, лежит в пределах 5 , что свидетельствует о достоверности предлагаемого способа. Задача повышения оперативности способа получения информации об образце, поставленная данным изобретением, решается за счет использования оптического метода исследования бумаги. Снятие показаний по указанному методу и расчет осуществляются в десять раз быстрее, чем при использовании контактного метода, в тоже время, точность конечного результата сохраняется в пределах допустимых 5 . Задача получения результата в форме, пригодной для последующих расчетов, решается путем получения показателя фрактальной размерности вместо процентного соотношения интенсивно и неинтенсивно отражающих участков исследуемой поверхности. В подтверждение практической значимости изобретения - возможности использования показателя фрактальной размерности для расчета структурных характеристик запечатываемой поверхности бумаги и картона - можно привести графический вид законов распределения пористости П по глубине для различных видов бумагии картона от фрактальной размерности их поверхности (фиг. 3). Параметрпредставляет собой размах микронеровностей поверхности. Фиг. 3. Распределение пористости для различных видов бумаги и картона В - бумага АО Волга,2,862 С - Балахнинского ЦБК,2,756 цветная бумага Балахнинского ЦБК,2,658 Е - офсетная бумага 1,2,765-,2,563-,2,504-,2,361-,2,322- картон ,2,397 К - бумага Кондопогского ЦБК,2,606-,2,064. 4 9417 1 2007.06.30 Зависимости на фиг. 3 получены расчетным путем. Они показывают, что определив с помощью предлагаемого способа показатель фрактальной размерности поверхности бумажного или картонного листа, далее можно рассчитать один из важнейших показателей ее печатных и фильтрационных свойств бумаги - ее пористость. Этот показатель влияет на настройку печатного аппарата печатной машины, в частности выбор давления печати. Способ обладает универсальностью в широких пределах. На фиг. 3 приведены значения для большой группы мелованной, офсетной и газетной бумаги, рассчитанные в рамках одной расчетной методики. По показателю фрактальной размерности можно прогнозировать процесс первичного закрепления краски на печатных оттисках в результате ее впитывания в бумагу. Можно рассчитать оптимальное количество подачи краски для различных видов бумаги. Способ может быть использован в брошюровочно-переплетных процессах для моделирования проникновения в поровое пространство картона и бумаги клеев, пропитывающих растворов. Предлагаемый способ определения показателя фрактальной размерности поверхности бумаги или картона, как оптический способ, имеет очень высокую оперативность. Фактически на его основе можно реализовать в современных печатных машинах прямое измерение каждого проходящего листа бумаги и генерирование сигнала индивидуальной настройки красочного и печатного аппаратов, других устройств печатной машины. Он может быть применен в автоматизированных переплетных линиях. Использование изобретения возможно в целлюлозно-бумажной и полиграфической промышленности для определения и контроля микрогеометрии поверхности бумаги или картона. Предлагаемый способ определения показателя фрактальной размерности поверхности бумаги или картона позволяет определить структурную характеристику запечатываемой поверхности бумаги или картона. Использование оптического способа при определении параметра фрактальной размерности поверхности позволяет оперативно получать информацию о состоянии запечатываемой поверхности и применять данный способ в системах управления бумагоделательными и печатными машинами. Источники информации 1. А.с. 1634982 СССР, МПК 401 В 2/28. Способ определения шероховатости поверхности / А.Н. Карпусь, М.Г. Сторчак, Т.Ю. Каратеева, О.В. Кирпа. -4611962/28 Заявл. 02.12.1988 Опубл. 15.03.1991 // Открытия. Изобретения. - 1991. -10. - С. 126. 2. Патент РБ 3936, МПК 701 В 5/28. Способ контроля микрогеометрии поверхности и устройство для его осуществления / В.А. Горохов Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. -950290 Заявл. 09.06.1995 Опубл. 30.06.2001. 3. А.с. 195868 СССР, МПК 21 . Устройство для непрерывного контроля структурных свойств движущегося полотна бумаги / Л.М. Вайсман, Г.Э. Финкельштейн, Г.А. Кундзич,Ю.Б. Яковенко, М.Г. Зальцман Укр. НИИ целлюлозной и бумажной промышленности.1069996/26-24 Заявл. 12.04.1966 Опубл. 04.05.1967 // Бюл.10. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. - 1967. -10. - С. 137. 4. Пат. 1194735 Европейское патентное ведомство, МПК 701 В 11/30. Способ и устройство для измерения параметров поверхности бумаги /,Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5