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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes gemäß den Ansprüchen 1 und 9.
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Die Spektroskopie bietet in Industrie und Forschung die Möglichkeit, ohne aufwändige Probenvorbereitungen schnelle, zuverlässige und zerstörungsfreie Messungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, Identitätskontrolle oder Schichtdickenbestimmung auszuführen. Im Rahmen der Qualitätssicherung wird die Spektroskopie dazu eingesetzt, die definierten Spezifikationen des Endproduktes während des Herstellungsprozesses zu überwachen und Prozesse und Produkte zu optimieren. Die Produktfunktionalität lässt sich mit dieser Methode sowohl qualitativ als quantitativ bestimmen, wobei Messungen an Material in fester, flüssiger oder gasförmiger Phase möglich sind.
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Es gibt vielfältige Anwendungsgebiete der Spektroskopie zur Prozesskontrolle und Laboranalytik, wie z. B. in der Zellstoff- und Papierindustrie, zur Online-Überwachung von Feuchtigkeit, Erkennung von Kunststoffsorten in Sortier- und Recycling-Anlagen, Überwachung der Lebensmittelqualität in der Produktion etc.
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Die Messungen lassen sich in Transmission- und Reflexionsanordnungen unterscheiden, wobei die hier vorliegende Erfindung Reflexionsanordnungen betrifft. Hierbei wird bei vorbekannten Vorrichtungen ein Spektrometer in unmittelbarer Nähe des Materialstromes angeordnet. Weiterhin wird mittels einer Lichtquelle ein Beleuchtungsbereich auf den Materialstrom beleuchtet und ein Messbereich auf den Materialstrom, der typischerweise mit dem Beleuchtungsbereich identisch ist, mittels optischer Komponenten die reflektierte Strahlung aufgesammelt und zu dem Spektrometer geleitet. Mittels des Spektrometers erfolgt eine spektrometrische Analyse der reflektierten Strahlung.
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Der sich in Längsrichtung bewegende Materialstrom kann hierbei entsprechend dem Anwendungsgebiet unterschiedliche Formen annehmen: So kann es sich bei dem Materialstrom um eine Materialbahn, wie beispielsweise eine Papierbahn handeln. Ebenso ist auch die Anwendung zur Vermessung von sich auf einem Förderband in Längsrichtung bewegenden Schüttgut oder von in Längsrichtung transportierter Bahnware möglich. Weiterhin kann der Materialstrom auch als in Längsrichtung fließende Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsstrom, insbesondere als opake Flüssigkeit realisiert sein.
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Zur spektralen Vermessung des Materialstroms erfolgt eine ortsaufgelöste Messung quer zum Materialstrom, typischerweise auf der gesamten Breite des Stroms.
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Zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes sind Vorrichtungen bekannt, welche mehrere Paare von Lichtquelle und Messsonden aufweisen, wobei die Paare quer zu der Längsrichtung angeordnet sind. So ist in
DE 198 57 896 C1 eine Vorrichtung zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes beschrieben, bei der in Querrichtung mehrere Lichtquellen und jeweils zugeordnete Messsonden angeordnet sind. Die ortsaufgelöste Messung in Querrichtung wird somit dadurch erzielt, dass für mehrere Ortspunkte quer zur Längsrichtung jeweils eine Messung mittels eines Spektrometers durchgeführt wird.
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In der gleichen Veröffentlichung ist eine weitere vorbekannte Ausführungsform einer Vorrichtung zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes beschrieben, bei der ein Messkopf mit einer Strahlungsquelle und einer Messsonde quer zu dem Materialstrom traversiert. Die ortsaufgelöste Messung wird somit durch Traversieren des Messkopfes und zeitlich aufeinander folgende Messvorgänge erreicht.
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Weiterhin ist es bei Vorrichtungen mit traversierenden Messköpfen bekannt, das Spektrometer feststehend anzuordnen und über einen flexiblen Lichtleiter mit dem traversierenden Messkopf zu verbinden, so dass die reflektierte Strahlung des Messbereiches über das im traversierenden Messkopf angeordnete Ende des Lichtleiters zu dem Spektrometer geleitet wird.
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Nachteilig bei den zuvor beschriebenen Vorrichtungen ist, dass entweder mehrere Strahlungsquellen und Spektrometer oder eine mechanische Vorrichtung zum Traversieren des Messkopfes notwendig sind. Dies führt zu einem kostenintensiven Aufbau. Bei den vorbekannten Vorrichtungen, welche einen Lichtleiter aufweisen, besteht zudem Bruchgefahr durch die mechanische Belastung des Lichtleiters.
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Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, bei denen der Materialstrom über die gesamte Breite quer zur Längsrichtung beleuchtet wird und lediglich der Messkopf traversiert wird. Hier ergibt sich der zusätzliche Nachteil, dass bei Beleuchtung des Materialstromes über die gesamte Breite eine hohe Strahlleistung notwendig ist um eine ausreichende flächige Ausleuchtung des Materialstromes zu erreichen. Dies führt zu einer kostenintensiven Ausgestaltung der Strahlungsquelle.
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Aus
DE 600 32 136 T2 ist ein Verfahren zur automatischen Inspektion von Material bekannt, bei dem zur Durchführung einer Abtastung in einer Richtung quer zu einem Förderband ein Drehspiegel vorgesehen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes zu schaffen, um eine ortsaufgelöste Messung quer zur Längsrichtung mit einem kostengünstigen und robusten sowie fehlerunanfälligen Aufbau zu ermöglichen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8 und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung in den Ansprüchen 10 bis 15.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstromes umfasst das Beleuchten eines Beleuchtungsbereiches auf dem Materialstrom mittels eines in einer Strahlungsquelle erzeugten Beleuchtungsstrahls, das zumindest teilweise Aufsammeln der an einem Messbereiches auf dem Materialstrom reflektierten Strahlung mittels optischer Komponenten, insbesondere einer Messsonde, und Weiterleiten zu einem Spektrometer, wobei der Beleuchtungsbereich den Messbereich im Wesentlichen überdeckt und Beleuchtungs- und Messbereich in Längsrichtung stationär sind. Das Verfahren umfasst weiterhin die spektrometrische Analyse der zu dem Spektrometer geleiteten Strahlung.
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Wesentlich ist, dass mittels Drehen eines Drehelementes sowohl Beleuchtungs- als auch Messbereich simultan entlang einer vorgegebenen, quer zu der Längsrichtung stehenden Strecke verschoben werden. Hierbei wird die an dem Messbereich reflektierte Strahlung zumindest über ein an dem Drehelement angeordnetes optisches Ablenkelement – gegebenenfalls unter Zwischenschaltung weiterer optischer Komponenten – zu dem Spektrometer weitergeleitet, wobei das Ablenkelement im Strahlengang eines Messstrahls zwischen Messbereich und Spektrometer angeordnet ist. Weiterhin sind Strahlungsquelle und Spektrometer in Längs- und Querrichtung zumindest translatorisch stationär.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit dadurch vom vorbekannten Stand der Technik, dass Beleuchtungs- und Messbereich simultan mittels Drehen eines Drehelementes quer zur Längsrichtung bewegt werden. Es erfolgt somit keine translatorische Bewegung von Strahlungsquelle und Spektrometer, insbesondere erfolgt keine Traversierung dieser Komponenten quer zur Längsrichtung. Weiterhin wird lediglich ein Spektrometer zur Analyse eines Messbereiches benötigt und entsprechend nur eine Strahlungsquelle, mit der ein den Messbereich im Wesentlichen überdeckender Beleuchtungsbereich erzeugt wird. Es kann somit einerseits auf eine kostenintensive und fehleranfällige Mechanik zur Traversierung etwaiger Komponenten verzichtet werden und darüber hinaus kann sowohl die Strahlungsquelle als auch das Spektrometer auf die Ausleuchtung bzw. Detektion hinsichtlich der Ausdehnung des Messbereiches optimiert werden, so dass insbesondere keine ganzflächige Ausleuchtung des Materialstromes über die gesamte Breite notwendig ist.
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Weiterhin können die sich bewegenden Komponenten auf das Drehen des Drehelementes reduziert werden, wodurch eine zusätzliche Kosteneinsparung und Fehlerunanfälligkeit erzielt wird. Insbesondere werden etwaige Probleme durch mechanische Belastungen von Lichtleitern ausgeschlossen.
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In Querrichtung werden Beleuchtungs- und Messbereich simultan verschoben. In Längsrichtung hingegen sind Beleuchtungs- und Messbereich stationär, d. h. der Materialstrom bewegt sich unter Beleuchtungs- und Messbereich in Längsrichtung hinweg.
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Das Ablenkelement ist vorzugsweise als optischer Ablenkspiegel oder als optisches Ablenkprisma ausgebildet. Hierdurch ist eine fehlerunanfällige und kostengünstige Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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Vorteilhafterweise verläuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Strahlengang des Beleuchtungsstrahls zwischen Strahlungsquelle und Beleuchtungsbereich über das Ablenkelement. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung werden somit sowohl Mess- als auch Beleuchtungsstrahl mittels des Ablenkelementes abgelenkt, so dass in besonders einfacher Weise durch Drehen des Drehelementes Beleuchtungs- und Messbereich simultan quer zur Längsrichtung verschoben werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, bei der zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform Mess- und Beleuchtungsstrahl im Strahlengang zumindest zwischen Ablenkelement und Mess- und Beleuchtungsbereich zu überlagern. Der Strahlengang zwischen Ablenkelement und Mess- und Beleuchtungsbereich ist in dieser vorteilhaften Ausführungsform für Mess- und Beleuchtungsstrahl somit identisch. Die Überlagerung erfolgt mittels eines im Strahlengang des Messstrahls zwischen Spektrometer und Ablenkelement sowie im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls zwischen Strahlungsquelle und Ablenkelement angeordneten Strahlteilers.
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Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist aufgrund des identischen Strahlengangs von Mess- und Beleuchtungsstrahl zwischen Ablenkelement und Mess- und Beleuchtungsbereich eine einfache Abstimmung der optischen Komponenten möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Beleuchtungsstrahl ausgehend von der Strahlungsquelle über ein zweites an dem Drehelement angeordnetes Ablenkelement geführt.
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Das zweite Ablenkelement ist somit im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls zwischen Strahlungsquelle und Beleuchtungsbereich angeordnet.
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Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das erste Ablenkelement für den Messstrahl und das zweite Ablenkelement für den Beleuchtungsstrahl optimiert werden kann. Darüber hinaus ist kein Strahlteiler notwendig. Typischerweise stellen Strahlteiler kostenintensivere Komponenten gegenüber Ablenkelementen dar, so dass in dieser vorteilhaften Ausführungsform eine weitere Kostenreduzierung erzielt wird.
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Hierbei ist vorteilhafterweise das zweite Ablenkelement als optischer Ablenkspiegel oder als optisches Ablenkprisma ausgeführt.
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Vorteilhafterweise verläuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Beleuchtungsstrahl zwischen Strahlungsquelle und Ablenkelement und/oder der Messstrahl zwischen Spektrometer und Ablenkelement zumindest im Bereich unmittelbar vor dem jeweiligen Ablenkelement in einem Winkel kleiner 15°, vorzugsweise in einem Winkel kleiner 10°, insbesondere parallel zu der Drehachse des Drehelementes. Hierdurch eine abstands- und drehinvariante Überlagerung von Mess- und Beleuchtungsbereich erzielt. Insbesondere wird eine einfache optische Geometrie dadurch erzielt, dass der Beleuchtungsstrahl und/oder der Messstrahl zwischen Strahlungsquelle und Ablenkelement zumindest im Bereich unmittelbar vor dem jeweiligen Ablenkelement parallel zu der Drehachse des Drehelementes verläuft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verschiebung des Beleuchtungsbereiches dadurch erzielt, dass die Strahlungsquelle an dem Drehelement angeordnet ist oder die Strahlungsquelle einen flexiblen Strahlungsleiter aufweist, der einerseits mit einem Strahlungsaustritt der Strahlungsquelle verbunden und andererseits an dem Drehelement angeordnet ist.
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In dieser vorzugsweisen Ausführungsform kann somit zur Durchführung des Verfahrens auf ein zweites Ablenkelement verzichtet werden und es wird das simultane Verschieben von Mess- und Beleuchtungsbereich durch Anordnen der Strahlungsquelle an dem Drehelement bzw. Anordnen eines Endes des Lichtleiters an dem Drehelement gewährleistet. Insbesondere durch Anordnen der Strahlungsquelle an dem Drehelement wird ein kostengünstiger und robuster Aufbau erzielt.
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Zur Erzielung optimaler Messergebnisse ist es vorteilhaft, dass der Beleuchtungsbereich den Messbereich vollständig überdeckt. Zur kostensparenden Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere vorteilhaft, dass Beleuchtungs- und Messbereich identisch sind, so dass kein Bereich des Materialstroms mit Strahlung beaufschlagt wird, dessen reflektierte Strahlung nicht zu dem Spektrometer geleitet wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Messvorrichtung zur spektrometrischen Vermessung eines sich in Längsrichtung bewegenden Materialstroms gemäß Anspruch 9, wobei die Vermessung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt. Die Messvorrichtung umfasst ein Spektrometer und eine Strahlungsquelle zur Beaufschlagung eines Beleuchtungsbereiches auf den Materialstrom mit einem von der Strahlungsquelle erzeugten Beleuchtungsstrahl. Strahlungsquelle, Spektrometer und gegebenenfalls weitere optische Komponenten sind derart ausgebildet und angeordnet, dass ein Messbereich auf den Materialstrom auf das Spektrometer abbildbar, d. h. dass die an einem Messbereich (2b) auf dem Materialstrom (10) reflektierte Strahlung mittels optischer Komponenten zumindest teilweise zu einem Spektrometer leitbar ist und der Beleuchtungsbereich den Messbereich im Wesentlichen überdeckt. Mess- und Beleuchtungsbereich sind hierbei in Längsrichtung stationär. Das Spektrometer ist zur spektrometrischen Analyse der auf das Spektrometer geleiteten, am Messbereich reflektierten Strahlung ausgebildet.
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Wesentlich ist, dass die Messvorrichtung zumindest eine Antriebseinheit und zumindest ein mittels der Antriebseinheit drehbares Drehelement umfasst. Das Drehelement weist mindestens ein optisches Ablenkelement auf, welches derart im Strahlengang eines Messstrahls zwischen Messbereich und Spektrometer angeordnet ist, dass durch Drehen des Drehelementes mittels des Antriebselementes der Messbereich auf den Materialstrom wahlweise über eine vorgegebene Strecke quer zu der Bewegungsrichtung des Materialstroms verschiebbar ist. Weiterhin sind Drehelement und Strahlungsquelle derart zusammenwirkend ausgebildet, dass durch Drehung des Drehelementes Messbereich und Beleuchtungsbereich simultan auf den Materialstrom quer zur Längsrichtung verschiebbar sind und hierbei der Beleuchtungsbereich den Messbereich im Wesentlichen überdeckt. Spektrometer und Strahlungsquelle sind hierbei in Längs- und Querrichtung zumindest translatorisch stationär angeordnet.
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Das Ablenkelement ist vorteilhafterweise als optischer Ablenkspiegel oder als optisches Ablenkprisma ausgebildet
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Vorteilhafterweise ist das Ablenkelement im Strahlengang des Mess- und des Beleuchtungsstrahles angeordnet, so dass Mess- und Beleuchtungsbereich durch Drehen des Ablenkelementes mittels des Drehelementes simultan verschiebbar sind.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, einen Strahlteiler im Strahlengang des Messstrahls zwischen Spektrometer und Ablenkelement sowie im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls zwischen Strahlenquelle und Ablenkelement derart anzuordnen, dass Mess- und Beleuchtungsstrahl im Strahlengang zwischen Strahlteiler, Ablenkelement und Mess- und Beleuchtungsbereich überlagert sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Strahlungsquelle an dem Drehelement angeordnet oder die Strahlungsquelle weist einen flexiblen Strahlungsleiter auf, der einerseits mit einem Strahlungsaustritt der Strahlungsquelle verbunden und andererseits an dem Drehelement angeordnet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst das Drehelement zusätzlich ein zweites Ablenkelement, welches im Strahlengang des Beleuchtungsstrahls zwischen Strahlungsquelle und Beleuchtungsbereich angeordnet ist. Ein Drehen des Drehelementes mittels der Antriebseinheit führt somit simultan zu einer Drehung des ersten und des zweiten Ablenkelementes, so dass eine simultane Verschiebung von Mess- und Beleuchtungsbereich erfolgt.
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Das zweite Ablenkelement ist vorteilhafterweise als optischer Ablenkspiegel oder als optisches Ablenkprisma ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die ortsaufgelöste, spektrale Vermessung des Materialstroms somit dadurch, dass Beleuchtungs- und Messbereich simultan quer zu der Längsrichtung verschoben werden, wobei zeitlich aufeinander folgende Messungen durchgeführt werden. Es erfolgt somit ein Scannen oder Abrastern des Materialstroms, wobei aufgrund des sich in Längsrichtung bewegenden Materialstroms und der in Längsrichtung stationären Beleuchtungs- und Messbereiche vorzugsweise an sowohl in Längs- als auch in Querrichtung voneinander beabstandeten Ortspunkten des Materialstroms die zeitlich aufeinander folgenden Messungen durchgeführt werden.
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Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sämtliche Komponenten in einem offenen oder geschlossenen Gehäuse angeordnet. Hierdurch wird ein gegen Verschmutzungen geschützter Aufbau erzielt. Insbesondere ein geschlossenes Gehäuse, bei dem die Strahlung durch ein oder mehrere Fenster ein- und austritt, bietet einen wirksamen Schutz gegen Verschmutzung.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Verschiebung von Mess- und Beleuchtungsbereich in Querrichtung ausschließlich mittels Drehen des Drehelementes, so dass ein robuster und kostengünstiger Aufbau erzielt wird, da zu der genannten Verschiebung von Mess- und Beleuchtungsbereich keine weiteren bewegten Teile notwendig sind. Das Drehen des Drehelementes erfolgt vorzugsweise um eine Achse parallel zur Längsrichtung.
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Insbesondere wird ein robuster und kostengünstiger Aufbau erzielt, in dem das Drehelement ausschließlich um genau eine vorgegebene Achse drehbar ist bzw. um genau eine vorgegebne Achse gedreht wird.
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Typische Materialströme weisen eine Breite im Bereich von 0,1 bis 1,5 m auf. Vorteilhafterweise umfasst der Messbereich eine Fläche zwischen 0,5 cm2 und 30 cm2, vorzugsweise zwischen 1 cm2 und 10 cm2. Insbesondere ist der Messbereich vorzugsweise in etwa rechteckig, quadratisch, elliptisch oder kreisförmig ausgebildet.
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Die Strahlungsquelle erzeugt vorzugsweise eine breitbandige Beleuchtung, beispielsweise mittels einer Halogenlampe. Die spektrometrische Analyse erfolgt vorzugsweise im nahen Infrarotbereich, insbesondere in dem Wellenlängenbereich 800 nm bis 2500 nm, bevorzugt in dem Wellenlängenbereich 850 nm bis 1650 nm. Ebenso liegt jedoch auch die spektrometrische Analyse in anderen Wellenlängenbereichen im Rahmen der Erfindung.
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Vorzugsweise erfolgt die Drehung des Drehelementes durch ein Hin- und Herschwenken des Drehelementes um eine vorgegebene Drehachse, insbesondere durch ein Hin- und Herschwenken derart, dass der Messbereich über die gesamte Breite des Materialstroms verschoben wird. Ebenso liegt jedoch auch ein Drehen des Drehelementes um vollständige Umdrehungen im Rahmen der Erfindung.
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Hinsichtlich der Drehbewegung des Drehelementes ist eine schrittweise Bewegung des Drehelementes vorteilhaft. Durch eine schrittweise Bewegung verbleibt der Messbereich somit für einen vorgegebenen Zeitraum ortsfest hinsichtlich der Verschiebung in Querrichtung, so dass über einen längeren Zeitraum an dieser breiten Position des Materialsstroms Messungen durchgeführt werden und dadurch ein Mittelwert für die jeweilige Breitenposition, d. h. den jeweiligen Abstand zum Rand des Materialstroms, gebildet wird. Ebenso liegt eine kontinuierliche Bewegung des Drehelementes im Rahmen der Erfindung. Insbesondere eine gleichmäßige sich kontinuierlich wiederholende Verschiebung des Messbereiches von einem Rand des Materialsstroms zu dem gegenüberliegenden Rand und zurück ermöglicht eine gute Mittelwertbildung der mittleren Messdaten des Materialstroms hinsichtlich der gesamten Breite.
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Aufgrund der in Querrichtung zumindest translatorisch stationären Strahlungsquelle und Spektrometer ändert sich bei dem Verschieben von Mess- und Beleuchtungsbereich in Querrichtung der Abstand dieser Bereiche zu dem Spektrometer bzw. zu der Strahlungsquelle. Eine solche Abstandsänderung führt zu einer Änderung der Strahlungsintensität, da diese quadratisch mit zunehmendem Abstand abnimmt. Die mittels des Spektrometers gemessenen Intensitäten hängen somit nicht nur von den Materialeigenschaften des jeweils vermessenen Materialbereiches auf den Materialstrom ab, sondern zusätzlich von dem jeweiligen Abstand bei der erfolgten Messung.
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Vorteilhafterweise wird daher von den mittels des Spektrometers vermessenen Spektren statt der Intensität oder Absorption deren Ableitung vorzugsweise die erste oder zweite Ableitung, nach der Wellenlänge ausgewertet, wodurch die Auswirkung eines zeitlich variierenden Abstandes beseitigt wird. Ein solches Verfahren ist grundsätzlich bekannt und beispielsweise in
DE 198 57 896 C1 beschrieben.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Messsonde, welche im Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist, zum Aufsammeln der an dem Messbereich reflektierten Strahlung. Die Messsonde ist über einen Lichtleiter mit dem Spektrometer verbunden, so dass die von der Messsonde aufgesammelte Strahlung mittels des Lichtleiters auf das Spektrometer auftrifft.
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Zur Durchführung der spektrometrischen Analyse sind an sich bekannte Spektrometer verwendbar. Insbesondere sind an sich bekannte Diodenzeilenspektrometer für die erfindungsgemäße Messvorrichtung und das erfindungsgemäße Messverfahren vorteilhaft, da die schnelle Messzeit eines Diodenzeilenspektrometers ein Schnelles Abtasten des Materialstromes ermöglicht. Typische Messzeiten liegen hierbei pro Spektrum im Millisekundenbereich.
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Bei der Anordnung sämtlicher Komponenten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Gehäuse ist es vorteilhaft, ein oder mehrere optisch durchlässige Fenster vorzusehen, durch welches der Beleuchtungsstrahl austritt und der Messstrahl in das Gehäuse eintritt. Hierdurch wird eine Verschmutzung der in dem Gehäuse befindlichen Komponenten vermieden. Da diese Fenster jedoch unterschiedliche Transmissionswerte in Abhängigkeit des Auftreffwinkels eines auf das Fenster auftreffenden Strahles aufweisen, wird vorteilhafterweise daher bei Auswertung der mittels des Spektrometers gemessenen Daten die winkelabhängige Charakteristik des oder der verwendeten Fenster berücksichtigt und die Messdaten entsprechend bereinigt.
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Alternativ ist es vorteilhaft, das Fenster in Form einer Teilmantelfläche eines Zylinders auszubilden, so dass Mess- und Beleuchtungsstrahl stets radial auf die Oberfläche des Fensters treffen. Hierdurch wird eine unterschiedliche Transmission abhängig von unterschiedlichen Auftreffwinkeln vermieden und muss somit bei der Auswertung der Messdaten nicht berücksichtigt werden.
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Die Antriebseinheit ist vorteilhafterweise als Schrittmotor oder Drehmagnet ausgeführt. Vorzugsweise ist die Antriebseinheit über eine Welle und/oder einen Antriebsriemen, insbesondere einen Zahnriemen, mit dem Drehmoment verbunden.
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Der Abstand zwischen Drehelement und Materialstrom beträgt typischerweise zwischen 0,1 m und 3 m, vorzugsweise zwischen 0,2 m und 1,5 m.
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Der Gesamtschwenkwinkel, um den das Drehelement zur maximalen Verschiebung des Messbereiches und/oder des Beleuchtungsbereiches ausgehend von einer Randposition auf dem Materialstrome zu einer gegenüberliegenden Randposition verschwenkt wird, beträgt vorzugsweise zwischen 20° und 80°, insbesondere zwischen 50° und 70°, vorzugsweise in etwa 60°.
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Weitere vorteilhafte Merkmale und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
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1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, bei der eine Lichtquelle an einem Drehelement angeordnet ist;
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2 Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Mess- und Beleuchtungsstrahl über einen Ablenkspiegel an dem Drehelement geführt sind;
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3 Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Drehelement zwei Ablenkspiegel aufweist und
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4 Ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem Mess- und Beleuchtungsstrahl mittels eines Strahlteilers überlagert werden.
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In allen Figuren ist jeweils schematisch ein Materialstrom 10 dargestellt, der sich in Längsrichtung L, d. h. in der Zeichenebene von links nach rechts bewegt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche oder analoge Elemente.
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Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung umfasst eine als Lichtquelle ausgeführte Strahlungsquelle 1, ein (nicht dargestelltes) Spektrometer, welches einen Strahlungseingang aufweist, an dem ein Ende eines Lichtleiters 2 angebracht ist. Der Lichtleiter 2 ist mit dem anderen Ende lichtleitend mit einer Messsonde 3 verbunden.
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Wesentlich ist, dass die Messvorrichtung ein Drehelement 4 umfasst, welches mittels einer als Schrittmotor oder als Drehmagneten ausgeführten Antriebseinheit 5 über eine Welle 5a verbunden ist.
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Das Drehelement 4 weist ein als Ablenkspiegel 4a ausgebildetes Ablenkelement auf, der verkippt gegenüber einer Drehachse A des Schrittmotors und damit auch der Welle und des Drehelementes angeordnet ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsquelle 1 an dem Drehelement 4 angeordnet, so dass ein Verkippen des Drehelementes 4 um die Drehachse A ebenso eine Verkippung des von der Strahlungsquelle 1 ausgesandten Beleuchtungsstrahls 1a bewirkt. Mittels der Strahlungsquelle 1 wird auf dem Materialstrom 10 ein Beleuchtungsbereich 1b mit Strahlung beaufschlagt. Die von einem Messbereich 2b auf den Materialstrom 10 reflektierte Strahlung wird im Strahlengang eines Messstrahls 2a über den Ablenkspiegel 4a auf die Messsonde 3 abgelenkt, welche die Strahlung aufsammelt und mittels des Lichtleiters 2 zum Spektrometer weiterleitet.
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Durch die Anordnung der Lichtquelle 1 und des Ablenkspiegels 4a an dem Drehelement 4 bewirkt eine Drehung des Drehelementes 4 um die Drehachse A eine simultane Verschiebung von Beleuchtungsbereich 1b und Messbereich 2b senkrecht zur Zeichenebene in 1 und somit quer zur Längsrichtung L.
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Bei dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind sowohl Messsonde 3, als auch Strahlungsquelle 1 ortsfest angeordnet und die Strahlengänge von Mess- und Beleuchtungsstrahl verlaufen über den an dem Drehelement 4 angeordneten Spiegel 4a.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle ebenfalls ortsfest angeordnet, jedoch auf der der Messsonde 3 gegenüberliegenden Seite des Drehelementes 4. Das Drehelement weist zusätzlich ein als zweiten Ablenkspiegel 4b ausgebildetes zweites Ablenkelement auf, der an der der Messsonde gegenüberliegenden Seite des Drehelementes 4 angeordnet ist.
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Das Drehelement wird über eine an der Welle 5a der Antriebseinheit 5 angebrachten Zahnriemen angetrieben, zur Drehung um die Achse A'.
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Das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 dadurch, dass mittels eines Strahlteilers 6 Mess- und Beleuchtungsstrahl überlagert werden:
Ausgehend von der Strahlungsquelle 1 wird der Beleuchtungsstrahl 1a von dem Strahlteiler 6 auf den Ablenkspiegel 4a des Drehelementes 4 abgelenkt und von dem Ablenkspiegel 4a auf den Beleuchtungsbereich 1b.
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Bei dieser Ausführungsform sind Mess- und Beleuchtungsbereich (1b, 2b) identisch und die von dem Materialstrom 10 reflektierte Strahlung wird über den Ablenkspiegel 4a auf den Strahlteiler 6 abgelenkt. Zwischen Strahlteiler 6, Ablenkspiegel 4a und Beleuchtungs- bzw. Messfeld sind die Strahlengänge von Mess- und Beleuchtungsstrahl (1a, 2a) identisch. Der Messstrahl tritt jedoch durch den Strahlteiler 6 hindurch und trifft auf die Messsonde 3 auf.
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Um Störeffekte zu vermeiden, umfasst das in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Strahlfalle 7.
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Allen vier vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die simultane Bewegung von Beleuchtungs- und Messbereich auf dem Materialstrom lediglich durch Drehen des Drehelementes 4 erzielt wird. Hierdurch ist ein kostengünstiger und fehlerunanfälliger Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben.
