DE19927452C2 - Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von Oberflächen - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von OberflächenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und
Reflexionsvermögen von Oberflächen mit Hilfe von Licht.
Aus K. Hoffmann, Feuchtemessung durch Infrarotreflexion, Chemie-Ing.-Techn. 35, 55-62
(1963) ist ein optisches Feuchtemeßgerät bekannt, bei dem die beiden Spektralbereiche mit
rotierenden Filtern, also zeitlich sequentiell, erzeugt werden. Dies führt bei rasch
veränderlichen Objekten zu starken Verfälschungen der Meßwerte.
Bei modernen Hochgeschwindigkeitsdruckmaschinen sind während des Druckprozesses
Messungen der Feuchtigkeit des Druckpapiers mit einer sequentiellen Meßmethode nicht
möglich, da sich der Meßabstand wegen des Flatterns des Papiers bei schneller
Vorwärtsbewegung ständig schnell ändert.
Aus den DE 20 04 087 B2, DE 36 11 645 C2, DE 31 49 869 A1 und der EP 0 137 696 B1 ist
das zeitgleiche Messen zweier verschiedener Spektralbereiche zur Feuchtigkeitsmessung
bekannt. In der De 20 04 087 B2 ist auch das Problem des Flatterns laufender Papierbahnen
beim Messvorgang bekannt, jedoch anders gelöst. Auch das zeitlich versetzte Erfassen
verschiedener Messpunkte in Querrichtung ist aus den DE 33 36 659 A1, DE-OS 23 18 032,
und DE 41 31 855 A1 bekannt.
Aus der GB 1 266 223 ist eine rechnerische Mittelung nach der Messung bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung der e. g. Art bereitzustellen, welche genaue
Messungen auch bei schnell veränderlichem Abstand des Meßobjekts ermöglicht. Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben
vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung. Der Anspruch 9 betrifft eine vorteilhafte
Verwendung der Vorrichtung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben der Feuchtemessung mit Hilfe
des kippbaren Spiegels 7 eine Glanzermittlung durchgeführt werden kann. Dieser Spiegel
ermöglicht eine interne Eichung. Die Verwendung dieses Spiegels ermöglicht einen
kompakten flachen Aufbau, da alle Meßstrahlen innerhalb der Meßvorrichtung in einer Ebene
parallel zur Meßebene verlaufen.
Die Lichtausbeute und damit die Messempfindlichkeit wird durch Verwendung eines Spiegels
3 nahezu verdoppelt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren
näher erläutert.
Dabei zeigt die Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
die Fig. 2 einen senkrecht dazu liegenden Schnitt.
Die Fig. 1 zeigt oben links die Lampe 1. Das Licht der Lampe 1 wird mit einer geeigneten
Optik in einen Faserlichtleiter 16 eingekoppelt. Der Ausgang des Faserlichtleiters wird mit
einer Sammellinse über den Strahlteiler 2 (der reflektierte Anteil), den Spiegel 3 (dabei sind
die Flächennormalen von Spiegel 3 und Strahlteiler 2 parallel und liegen in einer Ebene mit
dem einfallenden Strahl) und den Umlenkspiegel 7, auf den Meßfleck 9, im weitest
zulässigen Abstand zwischen Vorrichtung und Meßoberfläche abgebildet. Dadurch ist
gewährleistet, daß der Meßfleck 9 bei kleineren Abständen zwischen Anordnung und
Meßfläche im Durchmesser nur kleiner werden kann. Ebenso wird der Ausgang des
Lichtleiters 16 durch den Strahlteiler 2 (transmittierter Anteil) und über den Umlenkspiegel 7,
auf den Meßfleck 8 abgebildet. Bei allen kleineren Abständen ist zwar das Bild unscharf, aber
die Ausleuchtung des Meßfleckes homogen (bei geeignetem Faserlichtleiter 17, z. B. einem
statistisch gemischten Faserbündel). Die Sammellinse 6 sieht die Meßflecken 8 und 9 über
den Umlenkspiegel 7, den Strahlteiler 2 und den Umlenkspiegel 3 und bildet sie auf der
Detektorebene ab, eventuell mit Hilfe von weiteren Linsen. Es entstehen in dieser Ebene drei
nebeneinander liegende Bilder, die je nach Abstand zwischen der Vorrichtung und der
Meßoberfläche mehr oder weniger weit voneinander entfernt sind (das mittlere Bild ist die
Abbildung des Bildes des Meßfleckes 9 über den Umlenkspiegel 7, den Spiegel 3 durch den
Strahlteiler 2 hindurch mit Hilfe der Linse 6, überlagert von der Abbildung des Meßfleckes 8,
über den Umlenkspiegel 7, den Strahlteiler 2 und der Linse 6. Die beiden äußeren Bilder sind
die Abbildungen des Meßfleckes 8 über Spiegel 3 und die Abbildung des Meßfleckes 9 über
den Spiegel 2, der weiter Strahlengang ist oben beschrieben. Diese beiden störenden
Abbildungen werden ausgeblendet, da sich mit sich änderndem Abstand zwischen
Vorrichtung und Meßoberfläche, die Einstrahlungswinkel, und damit das Meßsignal ändern
würde, und damit das Meßsystem nicht mehr unabhängig vom Abstand einsetzbar wäre. Die
dazu notwendige Blende ist hier nicht dargestellt. Durch einen Strahlteiler 10, der
vorzugsweise aus einem dichroidischen Spiegel (Farbteiler) besteht, wird die verbleibende
Abbildung auf die beiden Detektoren 4, 5 aufgeteilt. Dichroitische Spiegel haben gegenüber
von einfachen Strahlteilern den Vorteil, daß für die Detektoren jeweils eine deutlich höhere
nutzbare Intensität zur Verfügung steht. Bei Verwendung eines Kurz- oder Langpassfilters als
Strahlteiler 10 ist der Intensitätsgewinn etwas geringer.
Die Filter 11 und 12 begrenzen die spektralen Bereiche auf die gewünschten Grenzen. Die
Differenz 15 der beiden logarithmierten Detektorsignale 13, 14 ergibt den Quotienten aus den
beiden gemessenen Strahlungsintensitäten. Dabei kürzen sich, wenn die optischen
Verhältnisse für beide Kanäle gleich sind, Helligkeitunterschiede durch Abstandsänderungen
zwischen Vorrichtung und Meßobjekt und durch Verunreinigungen heraus.
Anstelle der Lampe können auch zwei lichtemittierende Dioden mit geeigneten
Emissionsspektren verwendet werden. Diese können mit verschiedenen Frequenzen moduliert
werden. Das emittierte Licht der beiden Dioden kann vorteilhaft mit einem entsprechenden
statistisch gemischten Gabellichtleiter oder einen dichroitischen Spiegel vereinigt werden,
Dadurch kann als Nachweisgerät für die Meßstrahlung ein einziger Detektor verwendet
werden, Die Filter 11, 12 und der Farbteiler 10 entfallen.
Die Schnittdarstellung von Fig. 2 zeigt die Wirkung des kippbaren Spiegels 7 auf den
einfallenden Meßstrahl von der Lampe 1, über den Lichtleiter 17, die Linse 16 und den
Strahlteiler 2 auf die Meßfläche 8. Beim eingezeichneten Winkel von 45° kann der Glanz der
Oberfläche ermittelt werden. Abweichungen von diesem Winkel ermöglichen das Erfassen
der diffusen Reflexion, aus welcher die Feuchtigkeit der Oberfläche ermittelt werden kann.
Durch eine senkrechte Stellung des Spiegels 7 in Fig. 2, kann die Vorrichtung auf einfache
Weise geeicht werden, da dann die Lichtquelle direkt (über alle optischen Bauteile) von den
Detektoren gesehen wird.
1
Beleuchtungseinrichtung
2
Strahlteiler
3
Spiegel
4
Detektor
5
Detektor
6
Linse
7
Kippbarer Spiegel
8
Meßfläche
9
Meßfläche
10
Strahlteiler
11
Interferenzfilter
12
Interferenzfilter
13
Logarithmierverstärker
14
Logarithmierverstärker
15
Differenzverstärker
16
Linse
17
Lichtleiter
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von Oberflächen mit
Hilfe von Licht, bestehend aus
- a) einer Beleuchtungsvorrichtung (1), deren Emissionsspektrum zwei Wellenlängenbereiche enthält, wobei der eine Wellenlängenbereich Teile einer Wasserabsorptionsbande und der andere Wellenlängenbereich einen benachbarten Teil davon umfaßt,
- b) einem Strahlteiler (2) zur Aufteilung des Lichts in zwei Teilstrahlen zum Bestrahlen der Oberfläche in zwei Messflecken (8, 9),
- c) einem Spiegel (3), der den am Strahlteiler (2) reflektierten Teilstrahl so umlenkt, dass er parallel zu dem durch den Strahlteiler durchgehenden Strahl verläuft, wobei der Spiegel (3) und der Strahlteiler (2) die von den Messflecken (8, 9) reflecktierte Strahlung zu einem Strahlengang vereint und zu einem Nachweisgerät (4, 5, 11, 12, 13) für den gleichzeitigen Nachweis der beiden Wellenlängenbereiche lenkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Linse (6) zwischen dem
Strahlteiler (2) und zwei Detektoren (4, 5), welche als Nachweisgerät dienen, zur
Erhöhung der Lichtausbeute.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen kippbaren Spiegel (7)
zwischen dem Spiegel (3), dem Strahlteiler (2) und der Oberfläche, wodurch der
Auftreffwinkel der beiden Teilstrahlen auf die Oberfläche der Messflecken (8, 9) identisch
verändert werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beleuchtungsvorrichtung aus einer Leuchte, deren Licht in eine Faseroptik eingekoppelt
wird, und einer Sammellinse besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor den
Detektoren (4, 5) ein jeweils den spektralen Bereichen entsprechendes Interferenzfilter
(11, 12) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler
(10) zwischen dem Spiegel (2) und den beiden Detektoren (4, 5).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Strahlteiler (10) ein dichroitischer Farbteiler ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Strahlteiler (10) ein Kurz- oder Langpassfilter ist.
9. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-8 in Druckmaschinen.
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