DE10021103B4

DE10021103B4 - Device for detecting properties of a longitudinally transported web

Info

Publication number: DE10021103B4
Application number: DE2000121103
Authority: DE
Inventors: Dr. Schumacher Ursula
Original assignee: Metso Paper Automation Oy
Current assignee: Metso Paper Automation Oy
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2020-05-03
Also published as: DE10021103A1

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer in Längsrichtung transportierten Warenbahn, z. B. Papierbahn (20), gemäß Patent 198 50 335, a) mit einer Vielzahl M von Lichtleitern (28), deren Eintrittsbereiche (30) jeweils in Nähe der Oberfläche der Warenbahn angeordnet und auf diese Oberfläche gerichtet sind und die an einer Traverse (26), die die Warenbahn überquert, befestigt sind, b) mit einem Infrarot-Spektrometer mit einem Eingang (36), einem Ausgang (44) und einem dazwischen angeordneten holographischen Gitter (40), wobei das Spektrometer so ausgebildet ist, dass bei am Eingang (36) des Spektrometers in einer Zeile nebeneinander angeordneten Lichtleitern (28) die Infrarot-Spektren der Signale der einzelnen Lichtleiter (28) am Ausgang (44) des Spektrometers reihenförmig nebeneinander erscheinen, c) mit Infrarot-Detektoren am Ausgang (44) des Infrarot-Spektrometers, welche am Ausgang (44) in einer Detektorenmatrix (46) mit n Zeilen und m Reihen aus Infrarot empfindlichen Einzelsensoren (48) angeordnet sind, wobei die Spektren von bis zu m Lichtleitern...Device for detecting properties of a web of material transported in the longitudinal direction, e.g. B. paper web (20), according to patent 198 50 335, a) with a plurality M of light guides (28), the entrance areas (30) of which are arranged in the vicinity of the surface of the web and directed onto this surface and which are connected to a cross member ( 26), which crosses the web, are attached, b) with an infrared spectrometer with an input (36), an output (44) and a holographic grating (40) arranged between them, the spectrometer being designed such that at am Input (36) of the spectrometer arranged in a row next to each other light guides (28) the infrared spectra of the signals of the individual light guides (28) appear in rows next to each other at the output (44) of the spectrometer, c) with infrared detectors at the output (44) of the Infrared spectrometers, which are arranged at the output (44) in a detector matrix (46) with n rows and m rows of infrared-sensitive individual sensors (48), the spectra of up to m optical fibers ...

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer in Längsrichtung transportierten Warenbahn, z. B. einer Papierbahn gemäß Patent 198 50 335 .The present invention is an apparatus for detecting properties of a longitudinally transported web, z. B. a paper web according to patent 198 50 335 ,

Aus dieser Patentanmeldung ist eine Vorrichtung bekannt, welche die Eigenschaften einer in Längsrichtung transportierten Warenbahn mit einer Vielzahl von Lichtleitern erfasst, deren Eintrittsbereiche jeweils in Nähe der Oberfläche der Warenbahn auf einer Traverse, welche die Warenbahn überquert, angeordnet sind. Die von der Vielzahl der Lichtleiter aufgenommenen optischen Signale, welche von der Oberfläche der Warenbahn ausgehen, werden dem Eingang eines IR-Spektrometers zugeführt.From this patent application, a device is known, which detects the properties of a longitudinally transported web of material with a plurality of optical fibers whose entry regions are each arranged in the vicinity of the surface of the web on a traverse which traverses the web. The optical signals picked up by the multiplicity of optical fibers, which emanate from the surface of the material web, are fed to the input of an IR spectrometer.

Am Eingang de IR-Spektrometers sind die Austrittsbereiche der Lichtleiter in einer Zeile nebeneinanderliegend angeordnet. Das IR-Spektrometer verwendet ein holographisches Gitter als diffraktives Element. Am Ausgang des Spektrometers sind Infrarotdetektoren in Form einer Detektorenmatrix mit n-Zeilen und m-Reihen aus infrarotempfindlichen Einzelsensoren angeordnet.At the entrance of the IR spectrometer, the exit areas of the light guides are arranged in a row next to one another. The IR spectrometer uses a holographic grating as a diffractive element. At the output of the spectrometer infrared detectors are arranged in the form of a detector matrix with n-rows and m-rows of infrared-sensitive individual sensors.

Das IR-Spektrometer selbst ist dergestalt ausgebildet, dass das Infrarotspektrum eines einzelnen Lichtleiters in einer Zeile am Ausgang des Spektrometers erscheint. Die Spektren der Signale verschiedener Lichtleiter erscheinen wiederum zeilenförmig nebeneinander angeordnet am Ausgang des Spektrometers. Das IR-Spektrometer und die Detektorenmatrix sind dergestalt angeordnet, dass die Spektren von bis zu m Lichtleitern, welche in bis zu n Spektralbereiche aufgeteilt sein können, erfasst werden können.The IR spectrometer itself is designed so that the infrared spectrum of a single optical fiber appears in a row at the output of the spectrometer. The spectra of the signals of different light guides appear in turn arranged in rows next to one another at the output of the spectrometer. The IR spectrometer and the detector matrix are arranged in such a way that the spectra of up to m light guides, which can be divided into up to n spectral ranges, can be detected.

Das der DE 198 50 335.0 zugrunde liegende Prinzip kann auch für die Erfassung der Eigenschaften von Warenbahnen großer Breite mit hoher Ortsauflösung eingesetzt werden. Prinzipiell muss zu diesem Zweck nur die zur Erzielung der geforderten Ortsauflösung erforderliche Mindestzahl von Lichtleitern über die gesamte Breite der Warenbahn angeordnet werden. Die Auswertung der Signale dieser Vielzahl m von Lichtleitern kann dann auf die aus der genannten Patentanmeldung bekannten Weise geschehen. Ab einer bestimmten Gesamtzahl m von Lichtleitern ergibt sich jedoch das Problem, dass die zur gleichzeitigen Auswertung der Signale aller m Lichtleiter erforderliche Detektorenmatrix mit m-Reihen und n-Zeilen im Preis nicht linear mit der Zahl m der Reihen zunimmt. Aus Kostengründen ist es vorteilhaft, in Großserie hergestellte Detektorenmatrizen in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen einzusetzen. Solche Detektorenmatrizen weisen jedoch eine in etwa gleichgroße Zahl von Zeilen n und Reihen m auf. Hieraus ergibt sich eine quadratische Zunahme der Fläche der Detektorenmatrizen bei einer linearen Zunahme der Zahl m der Reihen der Matrix. Detektorenmatrizen mit stark unterschiedlicher Zahl n von Zeilen n und Reihen m werden nicht in großer Serie gefertigt und sind daher außerordentlich kostenintensiv.That the DE 198 50 335.0 underlying principle can also be used for the detection of the properties of webs large width with high spatial resolution. In principle, only the minimum number of optical fibers required to achieve the required spatial resolution must be arranged over the entire width of the material web for this purpose. The evaluation of the signals of this plurality m of optical fibers can then be done in the manner known from the aforementioned patent application. However, starting from a certain total number m of optical fibers, the problem arises that the detector matrix with m rows and n rows required for the simultaneous evaluation of the signals of all the optical fibers does not increase linearly with the number m of rows in the price. For reasons of cost, it is advantageous to use mass produced detector arrays in the inventive devices. However, such detector arrays have an approximately equal number of rows n and rows m. This results in a quadratic increase in the area of the detector arrays with a linear increase in the number m of rows of the matrix. Detector arrays with very different numbers n of rows n and rows m are not manufactured in large series and are therefore extremely expensive.

Um bei gleichbleibender Breite der Warenbahn eine höhere Ortsauflösung zu erzielen oder bei gleichbleibender Ortsauflösung die Eigenschaften einer Warenbahn mit größerer Breite erfassen zu können, kann daher aus ökonomischen Gründen nicht einfach das aus der DE 198 50 335.0 bekannte Prinzip unter Verwendung einer höheren Gesamtzahl m von Lichtleitern verallgemeinert werden. Gegenstand dieser Zusatzanmeldung ist es daher, eine auf der Technik des genannten Hauptpatents basierende Weiterentwicklung anzugeben, welche es erlaubt, mit einer Detektorenmatrix mit einer verhältnismäßig geringen Zahl m von Reihen und n von Zeilen die in n Spektralbereiche aufgeteilten Signale von einer Vielzahl von Lichtleitern zu erfassen, deren Gesamtzahl M ein Vielfaches der Zahl m der Reihen der Detektorenmatrix betragen kann.In order to achieve a higher spatial resolution with the same width of the web or to capture the properties of a web with a greater width with constant spatial resolution, therefore, for economic reasons, not easy from the DE 198 50 335.0 generalized principle using a higher total number m of optical fibers are generalized. The object of this application is therefore to provide a further development based on the technology of the said main patent, which makes it possible to detect, with a detector matrix having a relatively small number m of rows and n of lines, the signals divided into n spectral ranges from a plurality of optical fibers whose total number M can be a multiple of the number m of the rows of the detector matrix.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.This object is achieved by a device having the features of the main claim.

Erfindungsgemäß wird die Vielzahl M von Lichtleitern, die zur Erfassung der Eigenschaften der Warenbahn mit der geforderten Ortsauflösung erforderlich sind, in einer Mehrzahl N von Faserarrays zusammengefasst. Jedes dieser Faserarrays umfasst maximal m einzelne Lichtleiter. Die Austrittsbereiche der Lichtleiter jeweils eines Faserarrays sind am Eingang des Spektrometers in einer Lichtleiterzeile zeilenförmig nebeneinander liegend angeordnet. Jede Lichtleiterzeile weist eine Längsachse auf. Die Längsachsen der zu verschiedenen Faserarrays gehörigen Lichtleiterzeilen sind wiederum parallel zueinander orientiert auf einem Kreisbogen angeordnet. Dabei steht jede Längsachse senkrecht auf der durch den Kreisbogen und dessen Mittelpunkt definierten Ebene. Im Mittelpunkt dieses Kreisbogens ist ein Drehspiegel angeordnet, dessen Drehachse durch den Mittelpunkt des Kreisbogens verläuft und parallel zu den Längsachsen der Lichtleiterzeilen orientiert ist. Der Drehspiegel ist dergestalt ausgebildet, dass er die von einer Lichtleiterzeile jeweils eines Faserarrays ausgehenden Signale auf das holographische Gitter des IR-Spektrometers umlenkt. Dabei schaltet der Drehspiegel sequentiell von den Signalen der Lichtleiterzeile eines ersten Faserarrays zu denen eines nächsten Faserarrays um.According to the invention, the plurality M of light guides, which are required for detecting the properties of the material web with the required spatial resolution, are combined in a plurality N of fiber arrays. Each of these fiber arrays comprises a maximum of m individual optical fibers. The exit regions of the light guides in each case of a fiber array are arranged at the input of the spectrometer in an optical waveguide line lying side by side. Each optical fiber line has a longitudinal axis. The longitudinal axes of the optical fiber lines belonging to different fiber arrays are in turn oriented parallel to one another on a circular arc. Each longitudinal axis is perpendicular to the plane defined by the arc and its center. In the center of this circular arc, a rotating mirror is arranged, whose axis of rotation extends through the center of the circular arc and is oriented parallel to the longitudinal axes of the light guide rows. The rotating mirror is designed in such a way that it deflects the signals emanating from an optical waveguide line of a respective fiber array onto the holographic grating of the IR spectrometer. In this case, the rotating mirror switches sequentially from the signals of the optical fiber line of a first fiber array to those of a next fiber array.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die über die gesamte Breite der Warenbahn erfassten Signale auf mehrere Lichtleiterarrays verteilt. Die Signale dieser Faserarrays werden nunmehr nicht mehr gleichzeitig, sondern nacheinander erfasst und ausgewertet. Die am Ausgang des IR-Spektrometers angeordnete Detektorenmatrix muss daher nur noch zur gleichzeitigen Erfassung der Signale eines einzelnen Faserarrays dimensioniert sein.With the device according to the invention, the signals detected over the entire width of the web are distributed to a plurality of optical fiber arrays. The signals of these fiber arrays are now no longer at the same time, but in succession recorded and evaluated. The detector array arranged at the output of the IR spectrometer therefore only has to be dimensioned for the simultaneous detection of the signals of a single fiber array.

Um die Signale der gesamten Breite der Warenbahn erfassen zu können, werden die Signale aller Faserarrays sequentiell vom Drehspiegel in das Spektrometer eingekoppelt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung basiert daher auf einem Multiplexverfahren, welches jedoch nicht die Signale einzelner Lichtleiter sequentiell verarbeitet, sondern die Signale einer großen Zahl von zu Faserarrays zusammengefassten Lichtleitern. Auf diese Weise können die Eigenschaften einer Warenbahn großer Breite mit hoher Ortsauflösung bei verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand und nach guter zeitlicher Auflösung erfasst werden.In order to detect the signals of the entire width of the web, the signals of all fiber arrays are sequentially coupled from the rotating mirror in the spectrometer. The device according to the invention is therefore based on a multiplex method which, however, does not process the signals of individual optical fibers sequentially, but rather the signals of a large number of optical fibers combined into fiber arrays. In this way, the properties of a web of large width can be detected with high spatial resolution at relatively low equipment cost and good temporal resolution.

Durch die erfindungsgemäße Multiplextechnik nimmt das zeitliche Auflösungsvermögen bei der Erfassung der Eigenschaften der Warenbahn linear mit der Gesamtzahl M von Lichtleitern ab. Diese verhältnismäßige langsame Abnahme des zeitlichen Auflösungsvermögens wird in vielen Anwendungsfällen mehr als kompensiert durch die enormen Einsparmöglichkeiten, welche sich aus der Verwendung kleinerer Detektorenmatrizen am Ausgang des IR-Spektrometers ergeben.Due to the multiplexing technique according to the invention, the temporal resolving power in the detection of the properties of the material web decreases linearly with the total number M of optical fibers. This relatively slow decrease in temporal resolving power is more than compensated in many applications by the enormous savings that result from using smaller detector arrays at the output of the IR spectrometer.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Drehspiegel auf der Drehachse eines Scanners befestigt ist. Solche Scanner, die beispielsweise auf dem Prinzip eines Drehspulgalvanometers basieren können, werden kostengünstig in Großserie gefertigt und weisen außerordentlich hohe Positioniergenauigkeiten bei hohen Stellgeschwindigkeiten auf. Entsprechende Scanner werden beispielsweise von der Firma GSI Lumonics, USA unter der Bezeichnung „VM 2000” sowie von der Firma Cambridge Technology, USA unter der Bezeichnung „Optical Scanner Model 6220” und „Model 6230” angeboten. Diese Scanner sind speziell auf die Anforderungen höchste Positioniergenauigkeit und höchste Stellgeschwindigkeit optimiert. Sie können daher optimal in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden.Particular advantages arise when the rotating mirror is mounted on the axis of rotation of a scanner. Such scanners, which can be based, for example, on the principle of a Drehspulgalvanometers are inexpensively mass produced and have extremely high positioning accuracy at high speeds. Corresponding scanners are offered, for example, by the company GSI Lumonics, USA under the name "VM 2000" as well as by the company Cambridge Technology, USA under the names "Optical Scanner Model 6220" and "Model 6230". These scanners are specially optimized for the requirements of highest positioning accuracy and highest positioning speed. They can therefore be used optimally in conjunction with the device according to the invention.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, dass der Drehspiegel die Signale jeweils eines Faserarrays für eine Zeitdauer E in den Eingang des Spektrometers einkoppelt, wobei E mindestens genauso groß ist wie die minimale Belichtungszeit B, welche bei gegebener Signalstärke des einzukoppelnden Faserarrays erforderlich ist, um auswertbare elektrische Signale aus der am Ausgang des Spektrometers angeordneten Detektorenmatrix zu erhalten. Typische Belichtungszeiten B liegen im Bereich von einigen zehn Mikrosekunden.Advantageously, the inventive device is designed so that the rotating mirror couples the signals of each fiber array for a period of time E in the input of the spectrometer, where E is at least as large as the minimum exposure time B, which is required for a given signal strength of the fiber array to be coupled to obtain evaluable electrical signals from the arranged at the output of the spectrometer detector array. Typical exposure times B are in the range of tens of microseconds.

Durch die beschriebene Wahl der Einkoppelzeit E kann das zeitliche Auflösungsvermögen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches aus dem Multiplexverfahren resultiert, optimiert werden. Im Allgemeinen gilt, dass die minimale Belichtungszeit B deutlich kleiner ist als die kürzeste Analysezeit D. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, zur Erhöhung des zeitlichen Auflösungsvermögens der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Auswertestufen zur Verarbeitung der von der Detektorenmatrix registrierten Infrarotspektren einzusetzen. Diese Auswertestufen könnten quasiparallel die sequentiell am Ausgang der Detektorenmatrix anfallenden Signale, welche auf die sequentiell eingekoppelten Signale einzelner Faserarrays zurückgehen, verarbeiten. Da als Auswertestufen beispielsweise ebenfalls in Großserie gefertigte Framegrabberkarten eingesetzt werden können, welche zu geringen Kosten zur Verfügung stehen, kann auf diese Weise die durch das Multiplexverfahren verursachte Abnahme des zeitlichen Auflösungsvermögens der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Einsatz mehrerer Auswertestufen kompensiert werden. Die hierdurch verursachten Mehrkosten liegen um Größenordnungen unter den Mehrkosten, welche durch den Einsatz von Detektorenarrays mit einer größeren Zahl m von Reihen von Einzelsensoren liegen.By the described choice of Einkoppelzeit E, the temporal resolution of the device according to the invention, which results from the multiplexing process can be optimized. In general, the minimum exposure time B is significantly smaller than the shortest analysis time D. This results in the possibility of using a plurality of evaluation stages for processing the infrared spectra registered by the detector matrix to increase the temporal resolving power of the device according to the invention. These evaluation stages could quasi-parallel process the sequentially occurring at the output of the detector matrix signals, which go back to the sequentially coupled signals of individual fiber arrays. Since as evaluation levels, for example, also produced in mass framegrabber cards can be used, which are available at low cost, can be compensated by the use of several evaluation levels in this way caused by the multiplexing decrease in temporal resolution of the device according to the invention. The resulting additional costs are orders of magnitude lower than the additional costs that result from the use of detector arrays with a larger number m of rows of individual sensors.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Drehspiegel dazu eingerichtet ist, von den Signalen eines Faserarrays zu den Signalen eines benachbarten Faserarrays in einer Zeit T umzuschalten, die kleiner ist als die kürzeste Analysezeit D, welche eine der Detektorenmatrix nachgeschaltete Auswertestufe zur Bearbeitung der von der Detektorenmatrix registrierten Infrarotspektren eines Faserarrays benötigt. Typische Analysezeiten D liegen bei herkömmlichen Auswertestufen, welche beispielsweise durch in einen PC integrierbare Framegrabberkarten gebildet werden, im Bereich von 20 Millisekunden. Mit fortschreitender technischer Entwicklung werden die Analysezeiten D stetig weiter abnehmen. So werden in absehbarer Zeit Analysezeiten D von 10 Millisekunden und darunter realisierbar sein. Mit den vorgenannten galvanometrischen Scannern können Umschaltzeiten T realisiert werden, die deutlich unterhalb von einer Millisekunde liegen. Bei geeigneter Wahl des Umlenkspiegels erreicht beispielsweise das Model VM 2000 von GSI Lumonics Umschaltzeiten von 300 Mikrosekunden. Werden derartige Umschaltzeiten T realisiert, so ist das zeitliche Auflösungsvermögen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in erster Linie durch die kürzeste Analysezeit D sowie die Gesamtzahl M der sequentiell zu erfassenden Faserarrays gegeben. Die Umschaltzeit T kann dagegen praktisch vernachlässigt werden.Furthermore, it is advantageous if the rotary mirror is set up to switch over from the signals of a fiber array to the signals of an adjacent fiber array in a time T that is smaller than the shortest analysis time D, which one of the detector matrix downstream evaluation stage for processing of the detector array registered infrared spectra of a fiber array needed. Typical analysis times D are in the conventional evaluation stages, which are formed for example by integrable into a PC integrable frame grabber cards in the range of 20 milliseconds. As technical development progresses, the analysis times D will steadily decrease. Thus, in the foreseeable future analysis times D of 10 milliseconds and below will be feasible. With the aforementioned galvanometric scanners switching times T can be realized, which are well below one millisecond. With a suitable choice of the deflection mirror, for example, the model VM 2000 from GSI Lumonics reaches switching times of 300 microseconds. If such switching times T are realized, then the temporal resolving power of the device according to the invention is given primarily by the shortest analysis time D and the total number M of the fiber arrays to be detected sequentially. The switching time T, however, can be practically neglected.

Vorteilhafterweise werden die Eigenschaften der zu überwachenden Warenbahn anhand von Raman-spektroskopischen Untersuchungen erfasst. Dazu werden optische Signale im Bereich des Infraroten verwendet. Die dabei auftretenden Wellenlängen liegen zum großen Teil im Bereich des langwelligen Infrarot, d. h. bei Wellenlängen oberhalb von einem Mikrometer. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, als infrarotempfindliche Einzelsensoren halbleitende Sensoren einzusetzen, welche auf einer Verwendung von MercuryCadmiumTellurid (MCT) beruhen.Advantageously, the properties of the product web to be monitored are recorded on the basis of Raman spectroscopic investigations. For this purpose, optical signals in the infrared range are used. The occurring wavelengths are largely in the range of the long-wave infrared, ie at wavelengths above one micron. It has been found to be especially advantageous to use infrared-sensing individual sensors as semiconducting sensors which are based on the use of Mercury Cadmium Telluride (MCT).

Besondere Vorteile ergeben sich weiterhin, wenn die M Lichtleiter in eine solche Gesamtzahl N von Faserarrays zusammengefasst werden, dass sich eine Zahl m von Lichtleitern pro Faserarray ergibt, welche sich an der Zeilen- bzw. Spaltenzahl kommerziell erhältlicher Detektorenmatrizen orientiert. Bei einer Reihenzahl m von 320 Reihen kann ein räumliches Auflösungsvermögen von etwa 10 mm über eine 10 m breite Warenbahn erzielt werden, indem eine Gesamtzahl von M = 960 Lichtleitern vorgesehen wird, welche in N = 3 Faserarrays zusammengefasst sind.Particular advantages also arise when the M optical fibers are combined in such a total number N of fiber arrays that a number m of optical fibers per fiber array results, which is based on the row or column number of commercially available detector arrays. With a row number m of 320 rows, a spatial resolution of about 10 mm over a 10 m wide web can be achieved by a total number of M = 960 optical fibers is provided, which are combined in N = 3 fiber arrays.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den nun folgenden Ausführungsbeispielen, welche nicht einschränkend zu verstehen sind und anhand der Zeichnung erläutert sind. In dieser zeigen:Further features and advantages of the device according to the invention will become apparent from the following embodiments, which are not to be understood as limiting and are explained with reference to the drawing. In this show:

1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Lichtleiter zu 3 Lichtleiterarrays zusammengefasst sind, 1 FIG. 2: a schematic view of a device according to the invention whose light guides are combined to form three light guide arrays, FIG.

2: eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit 3 Lichtleiterarrays, und 2 FIG. 2: a plan view of a device according to the invention with 3 light guide arrays, and FIG

3: eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung der Lichtleiterzeilen dreier Lichtleiterarrays am Eingang des IR-Spektrometers. 3 : A perspective view of the inventive arrangement of the light guide rows of three optical fiber arrays at the input of the IR spectrometer.

1 zeigt die Weiterentwicklung der aus der DE 198 50 335 bekannten Vorrichtung zum Erfassen der Eigenschaften einer in Längsrichtung transportierten Warenbahn. Die in dieser Anmeldung verwendeten Bezeichnungen und Bezugszeichen entsprechen denen der genannten Hauptanmeldung. Die aus 1 ersichtliche Vorrichtung entspricht der Vorrichtung aus 1 der Hauptanmeldung, wobei jedoch im Gegensatz zu dieser die an der Traverse 26 über der Warenbahn 20 angeordneten M Lichtleiter 28 zu N = 3 Faserarrays 60 zusammengefasst sind. Die Gesamtzahl M der Lichtleiter 28 kann z. B. 960 betragen. 1 shows the further development of the DE 198 50 335 known device for detecting the properties of a transported in the longitudinal direction web. The terms used in this application and reference numbers correspond to those of said parent application. From 1 apparent device corresponds to the device 1 the main application, but in contrast to this at the Traverse 26 above the web 20 arranged M light guide 28 to N = 3 fiber arrays 60 are summarized. The total number M of optical fibers 28 can z. B. 960 amount.

Um die Signale aller M Lichtleiter 28 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer Detektorenmatrix 46 mit m = 320 Reihen zu erfassen, sind die M = 960 Lichtleiter 28 zu N = 3 Faserarrays zusammengefasst. Der Endbereich jeweils eines Faserarrays 60 bildet eine Lichtleiterzeile 72 aus, in welcher die Austrittsbereiche 34 der einzelnen Lichtleiter 28 zeilenförmig nebeneinander liegend angeordnet sind, wie aus 4 der Hauptanmeldung ersichtlich ist. Jede Lichtleiterzeile 72 weist eine Längsachse 58 auf, auf welcher die Austrittsbereiche 34 nebeneinander liegen.To the signals of all M light guides 28 by means of the device according to the invention using a detector matrix 46 with m = 320 rows to capture, the M = 960 optical fibers 28 summarized to N = 3 fiber arrays. The end region in each case of a fiber array 60 forms a light guide line 72 out, in which the exit areas 34 the individual light guide 28 are arranged side by side in a line, as seen from 4 the parent application is apparent. Each row of optical fibers 72 has a longitudinal axis 58 on, on which the exit areas 34 lie next to each other.

2 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtleiterzeilen 72 auf einem Kreisbogen 62, in dessen Mittelpunkt 64 die Drehachse 68 eines Drehspiegels 66 angeordnet ist. Dabei sind die Längsachsen 56 der Lichtleiterzeilen 72 senkrecht zu der durch den Kreisbogen 62 aufgespannten Ebene orientiert. Die Längsachsen 56 verschiedener Lichtleiterzeilen 72 sind jeweils parallel zueinander ausgerichtet. Die Drehachse 68 des Drehspiegels 66 ist ebenfalls parallel zu den Längsachsen 56 der Lichtleiterzeilen 72 und senkrecht zu der Ebene des Kreisbogens 62 orientiert. Die Drehachse 68 des Drehspiegels 66 wird durch die Drehachse eines Scanners 70 gebildet, der auf dem Drehspulgalvanometerprinzip beruht und von einer separaten Ansteuerelektronik angesteuert wird. Der Scanner 70 und die zugehörige Ansteuerelektronik sind nicht gezeigt. 2 shows the arrangement of the light guide rows according to the invention 72 on a circular arc 62 in the center of it 64 the axis of rotation 68 a rotating mirror 66 is arranged. Here are the longitudinal axes 56 the fiber optic lines 72 perpendicular to the through the arc 62 oriented plane. The longitudinal axes 56 different light guide lines 72 are each aligned parallel to each other. The rotation axis 68 of the rotating mirror 66 is also parallel to the longitudinal axes 56 the fiber optic lines 72 and perpendicular to the plane of the arc 62 oriented. The rotation axis 68 of the rotating mirror 66 is through the rotation axis of a scanner 70 formed, which is based on the Drehspulgalvanometerprinzip and is controlled by a separate control electronics. The scanner 70 and the associated control electronics are not shown.

Erfindungsgemäß werden die optischen Signale der Lichtleiterzeilen 58 der einzelnen Faserarrays 60 sequentiell, d. h. zeitlich aufeinanderfolgend, mittels des Drehspiegels 68 in das IR-Spektrometer eingekoppelt. Mittels der Detektorenmatrix 46 werden die Spektren der in dem eingekoppelten Faserarray zusammengefassten maximal m Lichtleiter auf die in der DE 198 50 335.0 beschriebenen Weise erfasst und ausgewertet. Danach werden die optischen Signale der Lichtleiterzeile 58 des zweiten Faserarrays 60 mittels des Drehspiegels 68 in das IR-Spektrometer eingekoppelt und schließlich diejenigen Signale des dritten Faserarrays 60. Die der Detektorenmatrix 46 nachgeschaltete Auswertestufe 50 ist dazu eingerichtet, aus den gemultiplexten Signalen aller drei Faserarrays 60 ein Bild der Eigenschaften gesamten Breite der Warenbahn zu erzeugen.According to the invention, the optical signals of the optical fiber lines 58 the individual fiber arrays 60 sequentially, ie in chronological succession, by means of the rotating mirror 68 coupled into the IR spectrometer. By means of the detector matrix 46 be the spectra of the combined in the coupled fiber array maximum m light guide to those in the DE 198 50 335.0 recorded and evaluated. Thereafter, the optical signals of the optical fiber line 58 of the second fiber array 60 by means of the rotating mirror 68 coupled into the IR spectrometer and finally those signals of the third fiber array 60 , The detector matrix 46 downstream evaluation stage 50 is configured to extract from the multiplexed signals of all three fiber arrays 60 to create an image of the properties of the entire width of the web.

Die relative Anordnung der drei Lichtleiterzeilen 72 der drei Faserarrays 60, in welchen alle 960 Lichtleiter 28 der Vorrichtung zusammengefasst sind, auf einem Kreisbogen 62, in dessen Mittelpunkt 64 die Drehachse 68 des Drehspiegels 66 angeordnet ist, ist in 3 perspektivisch dargestellt.The relative arrangement of the three rows of light guides 72 of the three fiber arrays 60 in which all 960 light guides 28 the device are summarized on a circular arc 62 in the center of it 64 the axis of rotation 68 of the rotating mirror 66 is arranged in is 3 shown in perspective.

In der gezeigten Ausführung bildet die Zylinderfläche über dem Kreisbogen 62, in welcher die Längsachsen 58 der Lichtleiterzeilen 72 angeordnet sind, den „Eintrittsspalt”, besser die Eintrittsebene des IR-Spektrometers, d. h. der Drehspiegel 66 und der Scanner 70 sind Teile des IR-Spektrometers. Die Zylinderfläche bildet die Eintrittsebene des Spektrometers, wobei durch den Drehspiegel bestimmte Abschnitte dieser Eintrittsebene auf das holographische Gitter abgebildet werden.In the embodiment shown, the cylindrical surface forms over the circular arc 62 in which the longitudinal axes 58 the fiber optic lines 72 are arranged, the "entrance slit", better the entrance plane of the IR spectrometer, ie the rotating mirror 66 and the scanner 70 are parts of the IR spectrometer. The cylindrical surface forms the entrance plane of the spectrometer, whereby certain portions of this entry plane are imaged onto the holographic grating by the rotating mirror.

Alternativ dazu ist es auch möglich, den Kreisbogen 62 mit den Lichtleiterzeilen 72 außerhalb des IR-Spektrometers anzuordnen und die optischen Signale der Lichtleiterzeilen 72 mittels des Drehspiegels 66 sequentiell auf den durch einen Eintrittsspalt gebildeten Eingang 36 des IR-Spektrometers umzulenken bzw. abzubilden.Alternatively, it is also possible to use the circular arc 62 with the light guide lines 72 outside the IR spectrometer and the optical signals of the optical fiber lines 72 by means of the rotating mirror 66 sequentially on the input formed by an entrance slit 36 of the IR spectrometer deflect or image.

Um in der letztgenannten Anordnung eine Veränderung des Abbildungsverhältnisses (Eintrittsspalt zu Austrittsspalt) durch die Spektrometeroptik aufgrund der geänderten optischen Wege zu vermeiden, ist es vorteilhaft, zwischen den Lichtleiterzeilen 72 und dem durch den Eintrittsspalt gebildeten Eingang 36 des IR-Spektrometers eine Abbildungsoptik vorzusehen, welche die Wirkung der veränderten optischen Wege kompensiert. Eine solche Abbildungsoptik kann beispielsweise aus einer mehrteiligen „Relay-Linse” bestehen, deren Komponenten vorteilhaft teilweise vor und teilweise nach dem Drehspiegel angeordnet werden können.In order to avoid a change in the imaging ratio (entrance slit to exit slit) in the latter arrangement due to the spectrometer optics due to the changed optical paths, it is advantageous between the light guide rows 72 and the entrance formed by the entrance slit 36 provide an imaging optics of the IR spectrometer, which compensates the effect of the changed optical paths. Such an imaging optics may consist, for example, of a multi-part "relay lens", the components of which may advantageously be arranged partially in front of and partly behind the rotating mirror.

Eine solche Relay-Linse kann weiterhin vorteilhaft dazu verwendet werden, eine eventuell ungenaue (Winkel-)Positionierung des Drehspiegels 66 automatisch zu kompensieren. So kann eine Relay-Linse dergestalt ausgebildet werden, dass innerhalb eines bestimmten Winkelintervalls des Drehspiegels 66 die optischen Signale einer Lichtleiterzeile 72 unabhängig von der Winkelstellung des Drehspiegels 66 stets genau auf den Eintrittsspalt des IR-Spektrometers abgebildet werden. Dies kann z. B. durch Verwendung einer zweiteiligen Fernrohroptik nach dem Prinzip eines Keplerschen Fernrohrs realisiert werden. Eine solche Anordnung ist aus der Dissertation von Jens Vorberg, Universität Potsdam, 1998 bekannt, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hiermit vollumfänglich zum Inhalt dieser Zusatzanmeldung gemacht wird.Such a relay lens can also be advantageously used to possibly imprecise (angular) positioning of the rotating mirror 66 compensate automatically. Thus, a relay lens can be formed such that within a certain angular interval of the rotating mirror 66 the optical signals of an optical fiber line 72 regardless of the angular position of the rotating mirror 66 always be displayed exactly on the entrance slit of the IR spectrometer. This can be z. B. be realized by using a two-piece telescopic optics on the principle of a Kepler telescope. Such an arrangement is known from the dissertation of Jens Vorberg, University of Potsdam, 1998, the relevant disclosure of which is hereby incorporated in full into the content of this additional application.

Claims

Device for detecting properties of a longitudinally transported web, z. B. Paper web ( 20 ), according to patent 198 50 335 , a) with a multiplicity M of optical fibers ( 28 ), their entry areas ( 30 ) are arranged in each case in the vicinity of the surface of the web and are directed to this surface and on a traverse ( 26 ), which crosses the web, are fastened, b) with an infrared spectrometer with an entrance ( 36 ), an output ( 44 ) and an interposed holographic grating ( 40 ), wherein the spectrometer is designed so that at the entrance ( 36 ) of the spectrometer in a row of juxtaposed optical fibers ( 28 ) the infrared spectra of the signals of the individual optical fibers ( 28 ) at the exit ( 44 ) of the spectrometer appear in rows next to each other, c) with infrared detectors at the output ( 44 ) of the infrared spectrometer, which at the output ( 44 ) in a detector matrix ( 46 ) with n rows and m rows of infrared sensitive single sensors ( 48 ), the spectra of up to m light guides ( 28 ) can be divided and detected in up to n spectral regions, characterized in that d) the plurality M of optical fibers ( 28 ) in a plurality N of fiber arrays ( 60 ), each of which has at most m optical fibers ( 28 ), e) the exit areas ( 34 ) the light guide ( 28 ) each of a fiber array ( 60 ) at the entrance ( 36 ) of the spectrometer in a light guide row ( 72 ) on its longitudinal axis ( 58 ) are arranged side by side, f) the longitudinal axes ( 58 ) to different fiber arrays ( 60 ) associated optical fiber lines ( 72 ) oriented parallel to one another on a circular arc ( 62 ) are arranged, each longitudinal axis ( 58 ) perpendicular to the through the arc ( 62 ) and its center ( 64 ) and g) that of a light guide line ( 72 ) each of a fiber array ( 60 ) outgoing signals about one about a rotation axis ( 68 ) rotatably mounted rotating mirror ( 66 ) sequentially to the holographic grating ( 40 ), whereby the axis of rotation ( 68 ) of the rotating mirror ( 66 ) parallel to the longitudinal axes ( 58 ) of the light guide lines ( 72 ) is oriented.

Device according to claim 1, characterized in that the rotating mirror ( 66 ) on the axis of rotation ( 68 ) of a scanner ( 70 ) is attached.

Device according to claim 2, characterized in that the scanner ( 70 ) works on the principle of a Drehspulgalvanometers.

Device according to claim 1, characterized in that the rotating mirror ( 66 ) is adapted to the signals of each of a fiber array ( 60 ) for a period E in the entrance ( 36 ) of the spectrometer, where E is at least as large as the minimum exposure time B, which at a given signal strength of the fiber array ( 60 ) is required to receive evaluable electrical signals from the output ( 44 ) of the spectrometer arranged detector matrix ( 46 ) to obtain.

Device according to claim 1, characterized in that the rotating mirror ( 66 ) is adapted to receive signals from each of a fiber array ( 60 ) to those of a neighboring fiber array ( 60 ) in a time T that is less than the shortest analysis time D, which one of the detector matrix ( 46 ) downstream evaluation stage ( 50 ) for processing of the detector matrix ( 46 ) registered infrared spectra of a fiber array ( 60 ) needed.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the switching time T is shorter than 20 ms.

Device according to claim 6, characterized in that the switching time T is shorter than 5 ms.

Device according to claim 7, characterized in that the switching time T is shorter than 1 ms.

Device according to claim 1, characterized in that for the production of IR-sensitive individual sensors ( 48 ) of the detector matrix ( 46 ) Mercury cadmium telluride is used.

Device according to claim 1, characterized in that M = 960 optical fibers ( 28 ), which are arranged in N = 3 fiber arrays ( 60 ) are summarized.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the properties of the material web over a width of more than 5 meters, in particular on a width of 10rn, are detected with a lateral spatial resolution of 10 millimeters.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the properties of the material web are detected over a width of 10 m.