DE2004087A1

DE2004087A1 - Einrichtung zur Messung des Betrages eines in einem Grundmaterial enthaltenen Stoffes

Info

Publication number: DE2004087A1
Application number: DE19702004087
Authority: DE
Inventors: Hill Robert Curtis; Toepfer Richard Earl; French John Michael
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1969-02-17
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1970-08-27
Also published as: SE368990B; US3614450A; DE2004087C3; DE2004087B2; JPS525869B1; GB1271439A

Description

Einrichtung zur Messung des Betrages eines in einem Grundmaterial enthaltenen Stoffes.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 799 784 vom 17. Februar 1969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des Betrages eines von einem festen Material sorbierten Stoffes und insbesondere zur Messung der von Papier absorbierten oder adsorbierten Feuchtigkeit, beispielsweise in dem durch eine Papiermaschine hergestellten Papier. Die Erfindung ist gleichermaßen anwendbar auf die Messung von Beschichtungen und Feuchtigkeit in Gasströmen, dem in Kohlenwasserstoffen enthaltenen Wasser usw.

Meßgeräte zur Messung des in bahnenförmigern Material wie beispielsweise in dem durch Papiermaschinen hergestellten Papier enthaltenen Feuchtigkeitsgehaltes sind bereits bekannt. Diese Meßgeräte weisen in der Regel eine Infrarotstrahlungsquelle auf, die Strahlung in zwei Spektralbereichen emittiert. Der erste spektrale Bandbereich von 1,8 μ Wellenlänge trifft auf das Papier, wobei die Beträge der durch das Papier durchgelassenen oder von dem Papier reflektierten Strahlung eine Funktion von bestimmten Parametern des Papiers

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sind. Es ist weiterhin bekannt, daß der spektrale Bandbereich von 1,8 μ Wellenlänge gegenüber dem Feuchtigkeitsgehalt des Papiers verhältnismäßig unempfindlich ist. Die Strahlungsquelle erzeugt jedoch auch Strahlung in einem spektralen Bandbereich von I₃9k \i Wellenlänge, der innerhalb des Absorptionsbandes von Wasser oder Feuchtigkeit liegt, das bzw. die in dem Papier enthalten ist. Daher ist der bei der Wellenlänge von 1,9*1 H durchgelassene oder reflektierte Anteil infraroter Strahlung ("Infrarotlicht") eine Funktion der in dem Papier enthaltenen Wassermenge.

Normalerweise wird die durch das Papier durchgelassene und durch dieses abgeschwächte Infrarotstrahlung aufgefangen und ihre Intensität wird vermittels eines Empfängers gemessen, der beispielsweise ein Bleisulfidempfänger sein kann. Durch eine Veränderung der aufgefangenen Intensität wird die Impedanz oder der Widerstand des Empfängers verändert.

Es ist bekannt, daß sich anhand des Beerschen Gesetzes, welches angibt, daß der Betrag der von der Papierbahn durchgelassenen oder reflektierten Strahlung eine Funktion der Absorptions-, Reflektions- und Zerstreuungseigenschaften von Wasser und Papier gleichzeitig ist, eine Beziehung für den Wassergehalt herleiten läßt. In diese Beziehung, welche zur Ermittlung des Wassergewichts dient, geht das Verhältnis der Widerstände des Empfängers unter dem Einfluß der beiden unterschiedlichen spektralen Bandbereiche ein. Die Gleichung enthält daher Exponentialfunktionen und ist in hohem Maße nicht-

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linear. Diese Nichtlinearität wird noch belastet durch die Tatsache, daß die Gleichung in der vorstehend beschriebenen Weise zwei voneinander unabhängige Parameter enthält, nämlich die Impedanz des Empfängers der Strahlung von 1,8 μ Wellenlänge und die Impedanz für die Strahlung von 1,94 μ Wellenlänge. In bekannten Einrichtungen wird die Bestrahlung ein und desselben Empfängers mit den beiden unterschiedlichen Strahlungswellenlängen durch Verwendung eines Zerhackers erzielt, vermittels dessen das System zunächst von der Strahlung von 1,8 μ oder dem Bezugsstrahl und dann von der Strahlung von 1,9*1 μ oder dem Infrarot-Probenstrahl durchsetzt wird.

Da die völlige Auflösung einer komplexen nichtlinearen Gleichung sehr schwierig ist, sind für die bekannten Einrichtungen Annäherungen gemacht worden, mit anderen Worten, es sind Linearitäten angenommen worden, die in Wirklichkeit nicht gegeben sind. Daher ist die Genauigkeit bekannter Einrichtungen verhältnismäßig gering.

Weitere Nachteile bekannter Einrichtungen zur Messung des Peuchtxgkeitsgehaltes bestehen darin, daß diese Meßeinrichtungen aufgrund von Trifterscheinungen in der elektronischen Schaltung und aufgrund von Veränderungen innerhalb des Infrarotempfängers ebenfalls zu Trift neigen. Pernerhin werden durch "Plattern" des gemessenen bahnenförmigen Materials, d.li. durch schnelle und unregelmäßige Bewegungen des Papiers nach oben und nach unten zu dem Empfänger hin bzw. von dem Empfänger weg Meßfehler hervorgerufen.

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Da bei bekannten Meßeinrichtungen des vorstehend erwähnten Typs Annäherungen im Hinblick auf die Linearität gemacht werden, ist ihr Meßbereich für den Feuchtigkeitsgehalt sehr beschränkt. Außerdem lassen sie sich nicht zu Messungen an verhältnismäßig schwereren Papieren verwenden, da aufgrund der durch Flattern hervorgerufenen IntensitätsSchwankungen der Infrarotstrahlenbündel an dem Empfänger Kompromisse bei der Auslegung des optischen Strahlenganges erforderlich sind, die diese Messungen unmöglich machen.

Es ist allgemein Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zur Messung des Betrages eines in einem Grundmaterial enthaltenen Stoffes, insbesondere zur Messung der in einem bahnenförmigen Material enthaltenen Feuchtigkeit zu schaffen. Die Einrichtung soll eine sehr hohe Genauigkeit besitzen, die Einwirkungen von Trift aus der elektronischen Schaltung und der Empfänger, sowie die Einflüsse von Flatterbewegungen des bahnenförmigen Materials ausschalten, einen erweiterten Meßbereich für den Feuchtigkeitsgehalt haben und zur überwachung verhältnismäßig schwerer Papiersorten geeignet sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Einrichtung vorgesiilagen, die eine Strahlungsquelle, welche auf das Material auftreffende Strahlung eines ersten spektralen Bandbereiches, der außerhalb eines Absorptionsbandes des Stoffes liegt, und Strahlung eines innerhalb eines Resonanzabsorptionsbandes des Stoffes liegenden spektralen Bandbereiches emittiert, einen auf die Intensitäten der von

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dem Material reflektierten oder durchgelassenen Strahlung der spektralen Bandbereiche ansprechbaren Empfänger, der dazu dient, ein dem Betrag des vorhandenen Stoffes proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und Regeleinrichtungen enthält, die dazu dienen, die von der Strahlung des ersten Spektralbandes aufgefangene Intensität durch Regelung der Intensität der Strahlungsquelle konstant zu halten.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Einrichtung eine selbsttätige Standardisierungseinrichtung mit Empfängern auf, die aus einem auf die Strahlung des ■ersten spektralen Bandbereiches ansprechbaren ersten Detektor und einem auf die Strahlung des zweiten spektralen Bandbereiches ansprechbaren zweiten Detektor mit einer ähnlichen Ansprechkennlinie und einer Strahlenteilervorrichtung bestöht, welche dazu dient, die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung dem ersten und dem zweiten Detektor zuzuführen. Die Standardisierungseinrichtung weist eine zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlenteiler angeordnete Vorrichtung, die dazu dient, einen ,Zustand des Materials zu simulieren, in welchem das Material im wesentlichen keinen oder einen bekannten Betrag des Stoffes oder an Feuchtigkeit enthält, und Vorrichtungen auf, die dazu dienen, Schwächungsvorrichtungen zwischen dem zweiten Detektor und dem S^. ?■ umteiler einzuführen, die zur Simulation wenigstens &·. ^s umarmten Betrages des zu messenden Stoffes oder ßjüi- Feuchtigkeit dienen. Das durch den Höchstbetrag voa Scoff hervorgerufen» ■

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elektrische Ausgangssignal wird dann auf einen Standardwert normalisiert.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Abtasten des zu messenden Materials nach der Erfindung.

Pig. 2 ist ein Querschnitt in einem größeren Maßstab durch einen Teil der Pig. I.

Pig. 3 ist ein Querschnitt in einem größeren Maßstab durch einen anderen Teil der Pig. I.

Fig. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3-

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Steuer-und Regelsehaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 6 ist eine Kennlinie eines für die Einrichtung verwendeten Detektors. -

Fig. 7 zeigt einen zur Erläuterung der Arbeitsweise; /_ dienenden Ausschnitt der Schaltung der Fig. 5>; in vereinfachter Form.

Fig. 8 zeigt einen ebenfalls zur Erläuterung der

Arbeitsweise dienenden anderen Ausschnitt der Schaltung der Fig. 5·

Fig. 9 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des optischen Systems der Einrichtung.

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: „Fig..· 10 zeigt zur Veranschaulichung dienende Kennlinien.

Mg* 11 ist eine vereinfachte Darstellung des opti-', sehen Systems unter Hervorhebung bestimmter

Merkmale der Erfindung.

Wie im einzelnen bereits in einer weiteren Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel: "Einrichtung zur . Messung des Grundgewichts von bahnenförmigem Material" (Priorität aus der U.S. Anmeldung Serial No. 791 972 vom *

17. 1. 1969) ausgeführt ist, kann eine Eigenschaft eines durch eine Papiermaschine hergestellten Bandes oder bahnenförmigen Materials in der Weise gemessen werden, daß ein Strahlungsempfänger und eine Strahlungsquelle auf einem Schlitten angeordnet werden und das in der Maschine fortbewegte Band oder bahnenförmige Material quer oder senkrecht zur Portbewegungsrichtung abtasten. In Fig. 1 ist eine derartige Einrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt, in welcher sich ein Band oder ein bahnenförmiges Material 10 in ^ Richtung des Pfeils fortbewegt und dabei durch eine Quelle 11 infraroter Strahlung abgetastet wird, welche auf die Unterseite des Bandes 10 auftrifft. Die von diesem Band durchgelassene Strahlung wird durch einen auf der Enderen Seite des Bandes 10 angeordneten Infrarotempfänger 12 aufgefangen. Die Strahlungsquelle 11 und der Empfänger 12 sind in bezug auf die Portbewegungsrichtung des Bandes 10 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar. Die Erfindung läßt sich nicht nur auf das in

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Pig. 1 dargestellte Transmissions.system, sondern auch auf ein Reflexionssystem anwenden, bei dem sich die Infrarotquelle und der Empfänger auf der gleichen Seite des Papiers befinden und der Empfänger anstelle durchgelassener Strahlung reflektierte Strahlung auffängt.

Die Einzelheiten der Infrarotstrahlungsquelle 11 sind in Fig. 2 dargestellt. Eine Wolframlichtquelle S (beispielsweise eine Lampe des Typs General Electric Q. GA/T4DCR, 200

^ Watt) erzeugt Strahlung in einem spektralen Bandbereich von 1,8 μ und in einem spektralen Bandbereich von 1,94 μ Wellenlänge. Ein Spiegel Ml reflektiert die Strahlung durch die Kondensorlinsen Ll und L2 und durch ein Sperrfilter 13 hindurch zu einem Band 10. Alle Bestandteile des Linsensystems der Strahlungsquelle werden von einem Gehäuse 14 umgeben, das nach außen hin durch ein Glasfenster 16 abgedichtet ist. Ein bei 17 angedeutetes Kühlgebläse dient zur Verringerung der durch die Lichtquelle S erzeugten Wärme. Das Sperrfilter 13 di~nt ebenfalls zur Ableitung der Wärmeenergie, so daß eine

" Entzündung des Bandes 10 bei Stillstand der Papiermaschine vermieden wird, Das Linsensystem wird weiter unten ausführ lich . beschrieben.

In Fig. 3 sind Einzelheiten des Infrarotempfängers 12 dargestellt. Die durch das Band 10 durchgelassene Infrarot strahlung wird von den Empfängern oder Detektoren Dl und D2 aufgefangen. Das Infrarotstrahlungsbündel wird durch einen aus mehreren Schichten bestehenden dielektrischen Spiegel M2

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in zwei Strahlungsbündel gespalten. Das eine Strahlungsbündel ist zu dem Detektor Dl hin, und das andere Strahlungsbündel zu dem Detektor D2 hin gerichtet. Zwischen dem Detektor Dl und dem Spiegel M2 befindet sich ein Filter 18, das ein Filter mit einem engen spektralen Durchlaßbereich ist, wobei die Mitte des Durchlaßbereiches bei einer Wellenlänge von angenähert 1,94 U liegt. Daher spricht der Detektor Dl auf den Feuchtigkeitsgehalt des Bandes 10 und auf dessen Absorptionseigenschaften an. In entsprechender Weise wird das auf aen Detektor D2 fallende Infrarotstrahlenbündel durch " ein Filter 19 gefiltert, welches Infrarotstrahlung im wesentlichen nur in einem Wellenlängenbereich von 1,8 μ durchläßt. Diese Wellenlänge wird durch die Absorptionseigenschaften des Bandes 10 in identischem Grade wie die Wellenlänge von 1,94 μ beeinflußt, wird jedoch durch den Feuchtigkeitsgehalt des Bandes 10 nicht verändert und dient daher als Bezugswert. Ein zwischen Band 10 und Spiegel M2 angeordnetes Sperrfilter 15 verhindert den Eintritt von außerhalb der interessierenden Wellenlängen liegender Strahlung in das optische System und ( das Auftreffen dieser Strahlung auf die Detektoren.

Das zur Abbildung der Infrarotstrahlenbündel dienende optische System besteht aus einer Objektivlinse L 3 und den Kondensorlinsen L4B und L5B in dem Strahlengang des Detektors D2 und den Kondensorlinsen L4A und L5A in dem Strahlengang des Detektors Dl. Außerdem ist in dem Infrarotstrahlengang zwischen dem Band 10 und dem Spiegel M2 ein veränderliches

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Schwächungsglied Al₉ sowie in dem Infrarotstrahlengang

zwischen M2 und dem Detektor Dl ein zweites veränderliches Schwächungsglied A2 angeordnet. Fig. M zeigt die Ausbildung der Schwächungsglieder Al und A2. Das Schwächungsglied besteht aus einer drehbar gelagerten Scheibe 21, in der sich verschiedene Filtereinsätze 22 mit unterschiedlichen Schwächungsgraden befinden. Die Scheibe 21 des Schwächungsgliedes Al wird durch einen zugeordneten Motor 23 gedreht, während die Scheibe des Schwächungsgliedes A2 durch einen diesem zugeordneten Motor 24 gedreht werden kann.

In dem Blockschaltbild der Fig. 5 sind die Detektoren Dl und D2 als Widerstände dargestellt, deren Impedanzen in Abhängigkeit von der Intensität der in dem jeweiligen Frequenzband aufgefangenen Strahlung veränderlich sind, auf welche der entsprechende Detektor ansprechbar ist. So soll der Detektor Dl auf die Wellenlänge von 1,94 μ .ansprechbar sein, welche ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt des Papiers und für das Papier selbst darstellt, während der Detektor D2 auf die Wellenlänge von 1,8 μ ansprechbar sein soll, die in gleichem Maße von dem Papier beeinflußt wird, jedoch Feuchtigkeit gegenüber verhältnismäßig unempfindlich ist.

Beide Detektoren weisen im wesentlichen die gleiche Kennlinie auf, die in Fig. 6 dargestellt ist, in welcher die Kurve den Zusammenhang zwischen der Intensität der aufgefangenen Strahlung und dem Widerstand des Detektors darstellt. Der Detektor ist normalerweise vom Bleisulfidtyp. Die Kenn-

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linien der beiden.Detektoren müssen jedoch nur in ihrem allgemeinen Verlauf übereinstimmen. Eine Strich-Impedanzfehlanpassung (dash impedance mismatch) kann durch entsprechende Einstellung der zugeordneten elektronischen Schaltung kompensiert werden. Eine durch Wärmedrift bedingte Fehlanpassung wird durch die weiter unten beschriebene thermische Stabilisierung verhindert. Zur Veranschaulichung dienende Widerstandswerte sind auf der senkrechten Achse angegeben. Die in.Fig. 6 schematisch dargestellte Kennlinie zeigt zugleich die Schwierigkeiten bei der Verwendung eines | derartigen Detektors in einem Meßsystem auf. Insbesondere werden.durch die extreme Nichtlinearität des Kurvenverlaufs besonders dann Fehler in dem System hervorgerufen, wenn die Impedanzen der beiden Detektoren miteinander verglichen werden sollen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den ab- · soluten Betrag Von Feuchtigkeit in dem Band 10 anzeigt. Anhand der Kennlinie ist ersichtlich, daß es im Idealfall wünschenswert ist, beide Detektoren an ein und demselben, bei 26 angedeuteten Arbeitspunkt in einem linearen Abschnitt der j Kennlinie zu betreiben. Dieser Punkt dient dann als stabiler Bezugspunkt. Wie weiter unten ausgeführt ist, wird dieser wünschenswerte Betrieb vermittels der erfindungsgemäßen Eir richtung erhalten.

Im Vergleich dazu ist bei bekannten Meßeinrichtungen für Feuchtigkeit der Meßpunkt auf der Kennlinie des Detektors infolge des Flatterns des bahnenförmigen Materials unyermeid-

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bar instabil. Das Plattern führt zu einer Veränderung der Intensität der aufgefangenen Strahlung und verschiebt dadurch den Arbeitspunkt des Detektors. Dieses Problem wird noch weiterhin dadurch vergrößert, daß die Messungen infolge der Verwendung eines einzigen Detektors nacheinander unter Zuhilfenahme eines Zerhackers erfolgen, der die beiden unterschiedlichen Frequenzen der Infrarotstrahlung nacheinander dem einzigen Detektor zuführt. Bei der Bezugswertmessung von 1,8 u befindet sich daher der Arbeitspunkt in diesem Moment an einer Stelle der Kennlinie, während er sodann im nächsten Moment bei der Messung mit 1,9*1 y infolge der durch eine Veränderung der optischen Dichte des Papiers oder infolge des Platterns der Papierbahn bedingten Intensitätsschwankung an einer anderen Stelle liegt.

Daher sind erfindungsgemäß die in Fig. 5 dargestellten Regeleinrichtungen vorgesehen, die dazu dienen, die Intensität der Strahlung in dem ersten spektralen Bandbereich von 1,8 μ durch Regelung der Intensität der Strahlungsquelle konstant zu halten.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bildet der Detektor D2 einen Teil einer Brückenschaltung, die drei als Arbeits- oder Rechenverstärker bezeichnete "Widerstände" 27, 28 und 30, eine Subtraktionseinheit 29 und eine Signalquelle oder einen Generator 31 zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung aufweist. Diese Komponenten bilden eine Brückenschaltung 32, wie im einzelnen in Fig. 7 dargestellt ist. Der Detektor D2,

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- " 15 ■- \ ' ■ ■ ■

der mit seinem Widerstand R^ g bezeichnet ist, steht in der in Fig:. J dargestellten Weise unmittelbar mit der Signalquelle 31 in Verbindung, da die eine Seite des Detektors in der in Fig. 5 dargestellten Weise mit einem Arbeitsverstärker 30 gekoppelt ist, der mit einem Eingang: an Masse liegt und somit für diese Seite des Detektors- praktisch Masse darstellt.

Die in Fig. 7 dargestellte Brückenschaltung arbeitet wie folgt: Sie enthält vier Zweige, von denen ein-Zweig den Detektor D2-., und die anderen drei Zweige jeweils Widerstände ' R von identischem Wert enthalten. Die beiden Eingänge des Arbeitsverstärkers 28 sind jeweils mit dem Bezugswiderstand ■ · R und mit dem mit diesem in Reihe liegenden und mit E_, bezeichneten Signalgenerator 31 verbunden. In entsprechender Weise sind die beiden Eingänge des Arbeitsverstärkers 27 jeweils mit dem Detektor D2 und dem mit diesem in Reihe liegenden Generator 31 verbunden. Die beiden anderen Zweige der Brückeins ehalt ung sind jeweils an ihrem einen Ende mit einem Eingang eines Arbeitsverstärkers, und an ihren anderen Enden mit den Ausgängen der Verstärker verbunden. Die Verstärker- " ausgänge sind außerdem mit der Subtraktionseinheit 29 verbunden.

Die Brückenschaltung 32 erzeugtwährend ihres Betriebes eine KorrektUrspannung am. Ausgang der Subtraktionseinheit 29, wenn sich der Widerstand des Detektors D2 von dem Widerstandswert der Bezugswiderstände· R unterscheidet. Die Arbeitsverstärker 27 und 28 neigen dazu, ein Spannungspotential O zwischen ihren beiden Eingängen aufrecht zu erhalten. Somit ist

die mit E_p bezeichnete Ausgangsspannung des Verstärkers 27

festgelegt durch

E_G (1)

_{F G}

^Rl,8

Der mit Eg bezeichnete Ausgang des Verstärkers 28 wird vorgegeben durch

R + R

· —; ^eg

;g

Somit ist die Gesamtspannung am Ausgang der Subtraktionseinheit 29 festgelegt durch die Differenz zwischen E_p und EL· und beträgt

E_p - E_E = - ^R + ^R E_G (3) ^Rl,8 R

Aus Gleichung (3) wird ersichtlich, daß die Ausgangsspannung der Subtraktionseinheit 29 zu 0 wird, wenn R₁ g genau gleich ist dem Bezugswiderstand R. Gleichung (3) zeigt weiterhin, daß durch die Subtraktionseinheit 29 eine Korrekt Urspannung, einer Polarität erzeugt wird, wenn der Widerstand des Detektors D2 kleienr ist als der Bezugswiderstand und daß eine Spannung entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, wenn der Widerstand des Detektors D2 größer ist als der Bezugswideröfcand. Die Brückenschaltung 32 liefert daher eine »it dem entsprechenden Vorzeichen versehene Anzeige des Ungleichgewichts der Brücke.

In weiteren Teilen der in Fig. 5 dargestellten Schaltung wird das durch die Subtraktionseinheit 29 erzeugte Signal des Brücken-Ungleichgewichts durch den Verstärker 33

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verstärkt und einem Phasendetektor 3^ zugeführt. Der Phasendetektor 34 wird durch-ein von dem Oszillator 31 über "ein in Reihe liegendes Pufferglied 36 zugeführtes Signal synchronisiert und erzeugt eine der Phase und der Größe des Korrektursignals entsprechende Gleichspannung. Diese Gleichspannung wird einem Integrator 37 zugeführt, der seinerseits mit einem Lampenverstärker 38 gekoppelt ist, welcher zum Betrieb der Strahlungsquelle oder Lampe S dient. Auf diese Weise wird die Intensität der Strahlungsquelle, d.h. der Lampe S durch das von der Brückenschaltung 32 erzeugte Signal gesteuert. Insbesondere weist die Regelschleife die Brückenschaltung 32 auf, in welcher die Widerstände R als Bezugswertgeber dienen und der Integrator 37 auf das Korrektursignal ansprechbar· ist. Durch die Verwendung des Integrators 37 ergibt sich eine Regelsehleife erster Ordnung, so daß das System keinen Netzfehler aufweist im Vergleich zu einem System nullter Ordnung, welches ein lageabhängiges System ist und stets einen gewissen Fehler enthält.

Der Bezugswiderstand R, mit welchem R₁ ο verglichen wird, wird durch"die in Fig. 6 dargestellte Detektorkennlinie und die Lage des Arbeitspunktes 26 auf der Kurve der Fig. 6 bestimmt, an welchem der Detektor arbeiten soll. Normalerweise wird zur Erfüllung der gestellten Aufgabe natürlich ein? linearer Abschnitt der Kurve gewählt. Ein typischer Widerstandswert für R beträgt beispielsweise 85 Kiloohm.

Vermittels des vorstehend beschriebenen Regelsystems

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für die Konstanthaltung des Arbeitspunktes oder der Impedanz des Detektors D2 wird auch der in Fig. 5 dargestellte Detektor Dl an einem entsprechenden Arbeitspunkt seiner Kennlinie gehalten. Die Detektoren Dl und D2 sind vom gleichen Typ und haben ähnliche Eigenschaften, so daß der Detektor Dl durch Regelung der Infrarotstrahlungsquelle S ebenfalls in der Nähe eines festliegenden Ruhearbeitspunktes seiner Kennlinie arbeitet. Daher wird jede Veränderung der aufgefangenen Intensität, die auf Plattern, die Papierbahn 10, Verschmutzungen oder Trift in der elektronischen Schaltung zurückzuführen ist, vermittels des der Brückenschaltung 32 und dem Detektor D2 zugeordneten Regelsystems sofort und selbsttätig kompensiert.

Durch die Verwendung eines Trägersystems und insbesondere von Hochfrequenz im Bereich von beispielsweise ¹Io kHz in dem Oszillator 31 arbeitet das System weit außerhalb des kennzeichnenden Störpegels der meisten Halbleiterelemente. Somit schneidet das System im Vergleich zu bekannten Einrichtungen gut ab, bei denen die Zerhackergeschwindigkeit von beispielsweise 18 Hz ganz innerhalb des hohen Störpegels von Halbleitern liegt. Außerdem ist der Frequenzbereich von *lo kHz in idealer Weise für Halbleitervorrichtungen geeignet.

Für eine vorgeschriebene Genauigkeit des Systems muß infolge des Planckschen Gesetzes ein Maximalbereich von Arbeitstemperaturen der Quelle S eingehalten werden, damit das Verhältnis der bei 1,8 und 1,9*1 u emittierten Energien innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte konstant gehalten wird.

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.Um zu verhindern, daß die Lampe S über ihren zulässigen Arbeitsbereich hinaus belastet wird, ist ein Lampen-Grenzwert -Fühler 39 vorgesehen, der die Intensität der von der Lampe erhaltenen Strahlung durch Steuerung des Schwächungsgliedes Al einstellt (Fig. 3). Durch die Scheibe des Schwächungsgliedes wird die Intensität der von der Lampe kommenden Strahlung um vorbestimmte Beträge verringert oder abgeschwächt. Die Drehscheibe 21 des Schwächungsgliedes Al wird durch ein Fortschaltrelais 41 gesteuert, das von dem Lampen-Grenzwert-Fühler 39 durch Flip-Flops 42 und 43 ange- * trieben wird, welche jeweils mit einem UND-Gatter 44 bzw. 45 gekoppelt sind. Das UND-Gatter 44 dient zum Vorstellen, und das UND-Gatter 45 zum Rückstellen des Schwächungsgliedes. Wenn der für die Lampe S zulässige obere oder untere Grenzwert der Betriebsspannung erreicht ist, betätigt der Lampenverstärker 38 den Lampen-Grenzwert-Fühler 39, welcher wiederum die Flip-Flops 42 oder 43 einstellt, um die UNDrGatter 44 oder 45 und ein ODER-Gatter 47 zu betätigen. Dadurch wird eine Äbgleichmeldung erzeugt und einer (nicht dargestellten) λ zentralen Datenverärbeitungseinrichtung zugeführt, welche den Abtastvorgang des Bandes unterbricht und den UND-Gattern 44 und 45 über die Leitung 48 ein Abgleichsignal zuführt. Je nachdem, in welcher Richtung der Grenzwert überschritten worden ist, wird das Fortschaltrelais weitergeschaltet* Wie weiter unten ausgeführt ist, muß die ganze Schaltung erneut abgeglichen werden, wenn ein neues Filter unterschiedlicher

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Intensität eingesetzt wird.

Wie bereits erwähnt, hält das der Brückenschaltung 32 zugeordnete Regelsystem den ausgewählten Arbeitspunkt der Detektoren Dl und D2 konstant. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der auf die in Band 10 enthaltene Feuchtigkeitsmenge ansprechbare Detektor Dl in Korabination mit D2 und vermittels des Verhältnisses der entsprechenden Impedanzen IR ein Maß für den absoluten Wassergehalt des gemessenen Materials liefert. Diese Messung erfolgt gleichzeitig mit

P der Steuerung der Intensität der Strahlungsquelle, so daß auf den einander ähnlichen Kennlinien der Detektoren ein konstanter Arbeitspunkt aufrecht erhalten wird. Mit anderen Worten, vermittels de.r Brückenschaltung 32 und ihrer zugeordneten Regelschleife erfolgt eine absolute Impedanzmessung des Detektors D2, während gleichzeitig die Veränderung des Widerstandes von Dl zur Ausführung einer Verhältnismessung verwendet wird, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erhalten, das dem absoluten Wert der in dem Material enthaltenen Feuch-

Ij. tigkeit proportional ist.

Fig. 8 ist ein vereinfachter schematischer Schaltplan eines Ausschnittes der Fig. 5 und zeigt eine Vergleichsbrückenschaltung 52 mit den Detektoren Dl, D2, einem umkehrenden Arbeitsverstärker 30, einer mit dem Ausgang des Verstärkers 30 gekoppelten Subtraktionseinheit 53 und einem Trenn- oder Pufferverstärker 5¹J mit dem Verstärkungsgrad 1. Weiterhin enthält die Vergleichsbrückenschaltung 52 den mit E„ bezeichneten Signalgenerator oder Oszillator 31· Im Betrieb erzeugt

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die Brückenschaltung 52 an der Subtraktionseinheit 53 eine Ausgangsspannung E_ _, die den Veränderungen in dem Verhältnis der Detektorwiderstände Dl, dem mit R^ qj, bezeichneten D2 und R_{1 s} proportional ist. Der Verstärker 30 ist insbesondere' ein umkehrender Arbeitsverstärker, dessen Ausgangsspannung E_v festgelegt ist durch

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in welcher E. die von dem Generator 31 kommende Eingangsspannung ist. Der Pufferverstärker 54 mit dem Verstärkungsgrad 1 liefert eine Ausgangsspannung Ey

% = ^Ein - C5)

Somit beträgt die insgesamt von der Subtraktionseinheit 53 abgegebene Ausgangsspannung

E_aus . 1- ■■£&- ^Ein (6)

^au° R-I P

■ ;.· . j-jO ,

Aus Gleichung (6) ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung eine Information enthält, welche sich auf das Verhältnis

der Impedanzen der Detektoren Dl und D2 bezieht, und somit eine den absoluten Feuchtigkeitsgehalt in dem bahnenförmigen Material 10 anzeigende Information darstellt. Infolge der Verwendung des PufferVerstärkers 5^ mit dem Verstärkungsgrad 1 in Kombination mit dem umkehrenden Arbeitsverstärker 30 ist die Ausgangsspannung E proportional den Veränderungen

• aus

des Verhältnisses und nicht dem Verhältnis selbst. Das wird dadurch errreicht, daß die "eins" des Verhältnisses

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subtrahiert wird und somit als effektive Ausgangsspannung nur die Schwankung des Signals verbleibt. Anders ausgedrückt, eine Information über das Verhältnis stellt eine kleine Schwankung um den Verhältniswert 1 dar. Wenn sich das Verhältnis von 1,00 zu 1,001 verändert, ist es daher wünschenswert, nur den Wert von 0,001 und nicht die gesamte Ziffer festzustellen. Wenn die "eins" von 1,001 subtrahiert wird, verbleibt nur die Schwankung von 0,001, die dann entsprechend ρ verstärkt und verarbeitet werden kann. Auf diese Weise läßt sich daher ein wesentlich zuverlässigeres und genaueres System erhalten. Außerdem erfolgt die Verhältnismessung vollständig ohne jede Beeinflussung durch die vorhergehende Kontrollkorrektur vermittels der Brückenschaltung 32, durch welche die Intensität der Strahlungsquelle eingestellt wird. Das wird zum Teil dadurch erzielt, daß die Brückenschaltung 32 gegenüber der Brückenschaltung 52 durch den Arbeitsverstärker 30 isoliert ist, welcher für die Brückenschaltung 32 »praktisch Masse darstellt. In dem Arbeitsverstärker der Brückenschaltung 52 wird der Widerstand des Detektors D2 dann zur Erzielung des gewünschten Verhältnisses berücksichtigt. Durch die Einstellung der Strahlungsquelle S wird außerdem der wirksame Arbeitspunkt auf der Kennlinie des Detektors Dl eingestellt und trotz Plattern und Veränderungen der optischen Dichte des Bandes 10 konstant gehalten, ohne die durch die Brückenschaltung 52 erfolgende Verhältnismessung zu beeinträchtigen.

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Wie wiederum aus Fig* 5 zu. eraehen ist* wird die

Ausgangsapannung ^E _atls äer Subtraktionseinheit 51 einem ZE-Teil oder ZF-Verstärker §'6 zugeführt,; welcher- die; von; dem Generator Jt abgegebenen, Schwingungen von: to kHz. verstärkt.. Die Frequenz, wird durch einen Synchrondemodulator 5? demoduliert j. welcher die Amplitude des; Trägers in; eine_; Gleaehspannung; umwandelt* Diese Amplitude is/fe daheF eini unmittelbare a Maß für das Gewicht, des in dem Baprier' enthaltenen Wassers, und wird einer (nicht dargestellten): Datenwerarbeitungs- g einrichtung zugeführt. Der SynchrondemodiUlator' 5? wird durch; eine mit dem Oszillator Ji gekoppelte Puffer einheit 5$ gesteuert..

Das erfindungsgemäße System ist selbstanpassend, so daß es sich normalisieren läßt·,·, um für verschiedene Fapiergewichte und F-euchtigkeitsgehalte einen konstanten Bereich von Äusgangsspannungen z,u liefern,.. Das erfolgt durch eine Verstärkungsregelung, des XF-Teils über den mit "Verstärkungsbereichsregelung¹' bezeichneten Eingang, und durch, eine Veratärkungaausgleichregelung, (offaet gain controlj am Eingang: ^s eines Verstärkers 3B'», der zwischen der Subtraktionseinheit 55 und dem Detektor Dl geschaltet ist. Die Verstärkungsausgleichregelung; 59' gestattet eine Einstellung, des Buher oder Arbeitspuhktes für die Messung _Λ) so daß jeder Abschnitt der Detektorkennlinie verwendet werden kann. Vermittels der· vorstehend beschriebenen Verstärkungsregelungen läßt sich= das System beispielsweise standardisieren_A so daß es eirien

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Spannungsausgang von 0 liefert, wenn das zu messende Material keine Feuchtigkeit oder keinen Stoff enthält, und beispielsweise 10 Volt abgeben kann, die einem willkürlich festgelegten Proζentgehalt von Feuchtigkeit in dem Papier entsprechen. Mit anderen Worten, die von dem Demodulator 57 an die Datenverarbeitungseinrichtung abgegebene Ausgangsspammmg wird auf einen bestimmten Spannungswert normalisiert, so daß. sich die Ausgangsspannung unmittelbar in eine Feuchtigkeitsanzeige übertragen läßt. Diese Anzeige stellt natürlich den absoluten Feuchtigkeitsgehalt dar. Wenn die Anzeige des relativen Feuchtigkeitsgehaltes erwünscht ist, muß die Messung des Grundgewichts oder des tatsächlichen Papiergewichts vermittels einer zweiten Meßeinrichtung erfolgen, die in der vorgenannten weiteren Patentanmeldung der gleichen Anmelderin beschrieben ist. Durch die Kombination der Anzeige des GrwaH-gewichts mit der Anzeige des absoluten Feuchtigkeitsgehalts liefert die Datenverarbeitungseinrichtung den relativen Feuchtigkeitsgehalt.

In Fig. 9 sind die Einzelheiten des optiaeiten Systems der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, ums bereits in Verbindung mit der Infrarotstrahlungsquelle und dem Detektor in den Figuren 1, 2 und 3 scheamtisch dargestellt wordleni ist. In Fig. 9 sind die entsprechenden optischen. Elemente mit den gleichen Bezeichnungen wie in den Figuren 2 UiEid 3 versehen. Die Lichtquelle S stellt eine Strahlungsquelle öar, welche durch die Kondensorlinsen Ll und L2 auf das Band IQ;

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ab gebildet > wird, -,Der auf dem Band 10 erscheinende Fleck von Infrarotlicht wird durch die Objektivlinse L3, die Feldlinse Ι·¹! und die Kondensorlinse L5 auf den Detektor Dl abgebildet. In dieser Figur ist nur ein einziger Detektor Dl dargestellt. Bei geeigneter Anpassung kann die Erfindung anstelle der bereits dargestellten zwei Detektoren auch , .

vermittels eines einzigen Bleisulfiddetektors ausgeführt werden. Dazu wird ein verwickelterer Schaltvorgang benötigt, und in der in Verbindung mit Fig. 11 erläuterten bevorzugten g Ausführung wird ein Doppelstrahlsystem verwendet.

Das Flattern des Bandes oder bahnenförmigen Materials 10 wird durch den Doppelpfeil 6l,angedeutet und liegt in einer üblichen Papiermaschine normalerweise innerhalb eines Bereiches von + 6,3 inm.. Aus optischen Gründen verursacht idas Flattern des Bandes 10 eine Veränderung der durch den Detektor Dl aufgefangenen Intensität der Infrarotstrahlung, was durch die Kurvenschar in Fig. 10 dargestellt ist. Die senkrechte Achse in der Darstellung zeigt die Stärke der lauf den DetektoT Dl auftreffenden .Infrarotstrahlung art, wäh- ' jrend die waagerechte Achse die Verlagerung oder das Flatten der Bahn in positiver und. negativer Richtung darstellt. Wie Ijsich aus einer näheren Betrachtung der Kurven ergibt, nimmt ai.e Nicht linearität. _;des optischen Systems mit zunehmender ^Empfindlichkeit oder höherem Wirkungsgrad zu (wenn d,as System eine größere Anpassungsfähigkeit für die Messung schwererer iPapiere aufweist). Die verschiedenen Kurven. A₅ B_s C und D werden bei verschiedenen optischen Strahlengängen in dem

Linsensystem erhalten, wenn Linsen unterschiedlicher Durchmesser und Brennweiten verwendet werden und die Bahn 10 an verschiedene Stellen zwischen den Gehäusen der Strahlungsquelle und des Detektors angeordnet wird.

Im Betrieb des Systems werden durch das Linsensystem die spektralen Bandbereiche von 1,8 und 1,9^ p von der Lampe S erzeugt. Die von der Lampe S abgegebene Strahlung wird durch einen auf seiner Vorderseite verspiegelten Spiegel Ml reflektiert, der das Lampenelement auf sich selbst abbildet. Das Linsenpaar Ll und L2 des Kondensors bildet das Lampenelement vergrößert angenähert auf die Ebene des Bandes 10, ab. Da das Band eine Streuwirkung hat, wird es zu einer neuen Energiequelle für die Detektoroptik. Daher sind die letzten beiden Linsen Ll und L2 der Strahlungsquelle an die erste Linse L3 des Detektorsystems angepaßt.

Das Linsensystem ist erfindungsgemäß so ausgelegt, daß es einen Kompromiß zwischen dem günstigsten optischen Wirkungsgrad und der Unempfindlichkeit gegenüber einem Flattern des Bandes darstellt. Das wird natürlich durch das in Fig. 5 dargestellte Regelsystem ermöglicht, welches die durch Flattern bedingten Änderungen der Intensität der aufgefangenen Infrarotstrahlung ausgleicht. Anders ausgedrückt, das vorstehend beschriebene Rückkoppluncssystem flacht eine der aus Fig. 10 ausgewählten Kurven wie z.B. die Kurve B oder C in einem bestimmten Mai'e ab. .Somit kann eine Kurve wie z.B. die Kurve B oder C aui-fi.rwähli. worden, die ein Linsonsyctem mit einem

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(V ft f ή η

höheren Wirkungsgrad ergibt und bei der das System auch Papiere mit einem höheren Grundgewieht messen kann, wobei die sich dadurch in dem Linsensystem ergebende Nichtlinearität durch das Rückkopplungs- oder Regelsystem ausgeglichen wird, welches die Intensität der Strahlungsquelle entsprechend einstellt. Daher weist die erfindungsgemäße Einrichtung einen wesentlich erweiterten Arbeitsbereich auf. Das Linsensystem der Einrichtung läßt sich so bemessen, daß eine höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu einem Linsensystem erhalten wird, in dem keine Nichtlinearität zugelassen werden kann und eine flache Kurve wie beispielsweise D verwendet werden muß, bei der sich eine niedrige Signalstärke ergibt.

Das in Fig. 9 dargestellte Linsensystem der erfindungsgemäßen Einrichtung gleicht auch eine seitliche Versetzung des auf dem Band 10 gebildeten Infrarotlichtflecks in der typischen Größenordnung von +1,27 mm aus. Das wird dadurch erzielt, daß der Durchmesser der. Feldlinse L4 um den doppelten

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Betrag der maximalen seitlichen Versetzung des Lichtflecks auf der Bahn 10 größer gemacht wird als der Durchmesser des durch die Objektivlinse L3 auf der Feldlinse L-4 erzeugten Bildes. Anders ausgedrückt, der effektive Durchmesser der Feldlinse L4 ist größer als die seitliche Versetzungstoleranz des Lichtflecks auf dem Band 10. L4 wird so bemessen und angeordnet, daß sie ein Bild der Eintrittspupille des Linsensystems, die den Durchmesser der Objektivlinse L3 hat,

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ausbildet. Die aus Linse L4 und Kondensorlinse L5 bestehende Kombination bildet dann L3 in der Ebene des Detektors Dl ab. Da das Verhältnis von L3 und Detektor Dl festliegt und der Detektor nicht das Bild des auf der Bahn 10 befindlichen Lichtflecks, sondern das von L3 erzeugte Bild empfängt, rufen seitliche Verlagerungen des Lichtflecks auf der Bahn 10 keine seitlichen Verlagerungen des Bildes auf dem Detektor hervor.

^ Da es aufgrund der Ausbildung der erfindungsgemäßen

Einrichtung erforderlich ist, daß die Detektoren Dl und D2 bei optimaler Arbeitsimpedanz betrieben werden, muß eine Standardisierungseinrichtung vorgesehen sein, welche die Messung unterschiedlicher Typen und Sorten von bahnenförmigem Material oder Papier gestattet. Die Standardisierung und Eichung erfolgt normalerweise ohne Band am Ende jeder Abtastung durch Strahlungsquelle und Detektor 11, bzw. 12. Zur Standardisierung muß die Höhe der Strahlungsintensität vergleichbar sein mit dem Wert bei der Messung der in dem

w Band 10 enthaltenen Feuchtigkeit. Fig. 11, die eine vereinfachte schematische Darstellung der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Strahlungsquelle und des Detektors ist, zeigt optische Schwächungsglieder Al und A2 in der angedeuteten Stellung innerhalb des Infrarotstrahlenganges. Insbesondere dient der Spiegel M2 dazu, große und angenähert gleiche Energieanteile der Ln den entsprechenden Wellenlängenbereichen durch die Objektivlinse L,5 zugeführten Energie den Detektoren Dl und M? zuzuführen. Die Fi Lteracheibe 22 de« ;'chwc'ichun£r,s-

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gliedes Al ist spektral neutral innerhalb des interessierenden Wellenlängenbereiches (siehe Pig.-4), d.h. sie umfaßt die Wellenlängen von 1,8 μ und 1,94 y · Durch das Schwächungsglied Al wird ein Zustand simuliert oder vorgetäuscht, der dem zu"messenden Papier oder Stoff im staubtrockenen Zustand entspricht. Das dazu verwendete Schwächungsglied kann aus einem metallischen Schirm oder einer dünnen Metallschicht bestehen, die auf eine transparente Unterlage wie z.B. Quarz aufgedampft ist. Die Datenverarbeitungseinrichtung steuert *

die Einstellung des Schwächungsgliedes Al und setzt in den optischen Strahlengang ein Schwächungsglied entsprechender Größe ein, damit an den Detektoren eine Intensität erhalten wird, die angenähert der Intensität entspricht,_welche mit der gerade zu messenden Papiersorte erhalten wird, wobei gleichzeitig auch die Intensität der Lampe und damit ihre Arbeitstemperatur angenähert auf der für das zu messende Papier erforderlichen Größe gehalten und damit die Bedingungen des Planckschen Gesetzes erfüllt werden. Da sich das Ä ■■ - - -■ . ■ ' ■ ™ Filter Al innerhalb des Detektorgehäuses befindet, ist es gegenüber Verschmutzungen, Staub, Korrosion und dgl. geschützt.

Zwischen dem Detektor und dem Strahlenteilerspiegel M2 befindet sich ein zweites Schwächungsglied A2, welches wenigstens einen bekannten Betrag des in dem zu messenden Material enthaltenen Stoffes oder der Feuchtigkeit vortäuscht. Normalerweise handelt es sich dabei um den Maximalbetrag. Das Schwächungsglied A2 weist verschiedene Filter auf, die

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verschiedene Feuchtigkeitsgehalte simulieren, so daß die Bedienungsperson oder die Datenverarbeitungseinrichtung die Schwächungsscheibe auf den richtigen Wert fortschalten kann. Wenn erwünscht, kann ein zweites Filter in der Schwächungseinrichtung A2 eingesetzt werden, um einen zweiten Standardwert für die Eichung der Bezugswertfeuchtigkeiten zu erhalten, so daß der normalisierte Ausgang einen Bereich des Feuchtigkeitsgehaltes oberhalb eines willkürlichen, nicht gleich null betragenden Wertes darstellen kann. Das ist besonders wert-

voll an dem sogenannten "nassen" Ende einer Papiermaschine, an welchem ein geeichter Feuchtigkeitsbereich von beispielsweise 60 - 80 % über den vollen Skalenbereich einer Sichtanzeigevorrichtung wie z.B. eines Registriergerätes verteilt werden soll.

Im Betrieb erfordert das Standardisierungssystem, daß das Schwächungsglied Al eingesetzt wird, um den richtigen Arbeitsbereich vorzusehen. Nachdem das erfolgt ist, ist das System in der bereits in Verbindung mit Fig. 5 beschrie- ψ benen Weise normalisiert und liefert beispielsweise an dem Demodulator 57 eine Ausgangsspannung null. Dazu wird entweder die Verstärkungsbereichsregelung zu dem ZF-Teil 56 oder die Verstärkungsausgleichregelung 59 zu der Subtraktionseinheit 53 eingestellt. Anschließend wird das Schwächungsglied A2 so eingestellt, daß es dem Maximalgewicht oder einem Teil des Maximalgewichts des in dem Papier enthaltenen Wassers entspricht, und der Bereichsausgang kann beispielsweise auf minus 10 Volt

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eingestellt werden. Ausgehend von der Kenntnis der Detektorkennlinie, die in einer zugeordneten Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist, kann dann die Spannungsgröße mit einem vorher geeichten Gewicht des Wassers in dem Papier ver-glichen werden. Auch dann, wenn der anzuzeigende Feuchtigkeitsgehalt verhältnismäßig gering ist, läßt sich durch Einstellung oder Normalisierung eine sehr geringe Schwächung vermittels des Schwächungsgliedes A2 erzielen, so daß das Ausgangssignal auf einen verhältnismäßig großen Wert gebracht und für sehr kleine Feuchtigkeitsmengen eine maximale Empfindlichkeit erreicht wird.

Das vorstehend beschriebene Standardisierungsverfahren liefert in der Tat zwei Punkte einer Kurve, welche die Abhängigkeit von E„„„ von dem Wassergewicht darstellt. Daher

aus

kann jeder weitere Spannungsausgang auf diese kurve rückbezogen werden. Wenn es infolge der Nichtlinearität der Kurve erforderlich ist, können in der vorstehend beschriebenen Weise weitere Punkte ermittelt werden.

Die vorstehend beschriebene Standardisierung wird jedesmal dann ausgeführt, wenn der Detektor und die Strahlungsquelle das Band 10 verlassen oder wenn die Intensität der auf die Detektoren auftreffenden Infrarotstrahlung durch eine Veränderung des Schwächungsgliedes Al neu eingestellt wird. Das letztere kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn der Lampen-Grenzwert-Fühler 39 eine derartige Einstellung bewirkt.

Die Steuerung der Temperatureigenschaften der Detektoren Dl und D2 wird durch entsprechende thermische Fühlvorrichtungen

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und durch die Einstellung einer geeigneten Heiz- oder Kühlvorrichtung stabilisiert.

Das Schwächungsglied Al dient auch zum Schutz bei Messungen ohne Band wenn der Detektor mit dem vollen Wert der von der Strahlungsquelle abgegebenen Intensität Überstrahlt wird, indem für diesen Zustand ein starkes Schwächungsfilter vorgesehen ist. Eine Datenverarbeitungseinrichtung zeigt normalerweise das bevorstehende Ende des Bandes an und fe . setzt das entsprechende Schwächungsglied ein. Während dieser Zeit kann die Standardisierung selbsttätig innerhalb der wenigen Sekunden erfolgen, während der die aus Strahlungsquelle 11 und Empfänger 12 bestehende Abtastvorrichtung ihre Bewegungsrichtung umkehrt.

Durch die Erfindung ist somit eine verbesserte Einrichtung zur Messung beispielsweise des Feuchtigkeitsgehaltes in einer Papierbahn geschaffen worden, die sehr genau und gegenüber einem Flattern des Papiers unempfindlich ist, sowie Staub- und Schmutζablagerungen und natürliche Trift in der elektronischen Schaltung des Systems ausgleicht und einen selbsttätigen Betrieb ermöglicht.

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Claims

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Einrichtung zur Messung des Betrages eines in einem Grundmaterial enthaltenen Stoffes, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (11), die auf das Material (10) auftreffende Strahlung eines ersten spektralen Bandbereichs, der außerhalb eines Absorptionsbandes des Stoffes liegt, und Strahlung eines innerhalb eines Resonanzabsorptionsbandes des Stoffes liegenden spektralen Bandbereiches emittiert, einen auf die Intensitäten der von dem Material reflektierten oder durchgelassenen Strahlung der spektralen Bandbereiche ansprechbaren Empfänger (12, Dl, D2), der dazu dient, ein dem Betrag des vorhandenen Stoffes proportionales elektrisches Signal zu erzeugen, und durch Regeleinrichtungen (Fig. 5)'» die dazu dienen, die von der Strahlung des ersten spektralen Bandbereiches aufgefangene Intensität durch Regelung der Intensität der Strahlungsquelle konstant zu halten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen eine elektrische Brückenschaltung (32) enthalten und wenigstens ein Teil des Empfängers (D2) in einem Zweig der Brücke, und ein Bezugswertgeber (R) in einem anderen Zweig der Brücke liegt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Brückenschaltung (32) Arbeitsverstärker (27, 28, 30)

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aufweist, die dazu dienen, bei nicht abgeglichener Brücke eine mit dem entsprechenden Vorzeichen versehene Anzeige zu liefern.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung einer mit dem entsprechenden Vorzeichen versehenen Anzeige dienende Vorrichtung einen mit dem Brückenausgang verbundenen Phasendetektor (3¹O enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen eine Regelschleife mit einem mit dem Empfänger (D2) gekoppelten Bezugswertgeber enthalten und die Schleife dazu dient, ein zur Steuerung der Intensität der Strahlungsquelle dienendes Korrektarsignal zu liefern.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (37) vorgesehen ist, der dazu dient, das Korrektursignal mit der Strahlungsquelle in einer Weise zu koppeln, daß eine Regelschleife erster Ordnung gebildet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen Schwächungsfilter (22) unterschiedlicher Schwächungsgrade und Vorrichtungen (39* ¹Jl) aufweisen, die dazu dienen, die Filter in den Strahlengang zu bringen und dadurch die Intensität der Strahlungsquelle zu verändern.

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8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Strahlungsquelle und zwischen dieser und dem Material (10) ein zur Ableitung der Wärmeenergie dienendes Sperrfilter (13) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12). aus einem auf die Strahlung des ersten spektralen Bandbereiches ansprechbaren ersten Detektor (D2) und einem auf die Strahlung des zweiten spektralen Bandbereichs , ansprechbaren zweiten Detektor (Di) mit einer ähnlichen Ansprechkennlinie besteht *
10. Einrichtung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlenteiler (M2) vorgesehen ist, der dazu dient, die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung dem ersten und dem zweiten Detektor zuzuführen.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß der Strahlenteiler aus einer dielektrischen Mehrfachschicht besteht.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen eine elektrische Brückenschaltung (32) mit vier Zweigen aufweisen« ein Zweig wenigstens einen Teil des Empfängers (D2), und die anderen drei Zweige zueinander identische Bezugswertgeber (R) enthalten und zwei

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Arbeitsverstärker (27, 28) mit jeweils zwei Eingängen vorgesehen sind und mit ihren Eingängen jeweils an dem Empfänger bzw. an einem Bezugswertgeber liegen, die anderen beiden Zweige der Brückenschaltung jeweils an einem Endpunkt mit einem Verstärkereingang und an den beiden anderen Endpunkten mit einem Subtraktionsverstärker (29) verbunden sind, und die Ausgänge der Arbeitsverstärker mit den anderen Endpunkten der Zweige verbunden sind.
13· Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Empfängers aus einem ersten Detektor (D2) besteht, welcher auf Strahlung innerhalb des ersten Spektralbereiches ansprechbar ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13 > dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugswertgeber aus drei Widerständen (R) bestehen, deren Widerstandswerte identisch sind.
15. Einrichtung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Detektor ein Verstärker verbunden ist, der praktisch Masse für diesen darstellt.
16. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichsschaltung (52) vorgesehen ist, die einen Arbeitsverstärker (30) mit zwei Eingängen und einem Ausgang enthält, der erste Detektor (D2) mit dem einen Eingang ver-

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bunden und der zweite Detektor (Dl) zwischen dem einen Eingang und dem Ausgang geschaltet ist und der Arbeitsverstärker zur Abgabe eines- dem Impedanzverhältnis der beiden Detektoren proportionalen Ausgangssignals dient. .
17« Einrichtung nach Anspruchl6, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Eingang des Arbeitsverstärkers mit Masse verbunden ist und praktisch Masse für den ersten Detektor bildet.
18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (31) mit dem ersten Detektor (D2) und einem Pufferverstärker (5*0 mit dem Verstärkungsgrad 1 gekoppelt ist, die Polarität am Ausgang des Pufferverstärkers entgegengesetzt ist derjenigen am Ausgang des ArbeitsVerstärkers, so daß an dem Ausgang des Pufferverstärkers und dem Ausgang dies Arbeitsverstärkers ein den Änderungen des Verhältnisses proportionales Ausgangssignal erscheint.
19. ' Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, | daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators wesentlich höher ist als die kennzeichnenede Geräuschfrequenz von Kalbleitern.
20. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Bündelung der durch das Material (10) durchgelassenen oder von diesem reflektierten Strahlung auf den Empfänger dienendes Linsensystem vorgesehen ist, das in

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Abhängigkeit von einer Verlagerung des Materials in der Achse des Systems einen verhältnismäßig nichtlinearen Verlauf der Strahlungsintensität zur Folge hat und in einer solchen Weise bemessen und angeordnet ist, daß es in bezug auf ein Linsensystem mit einem verhältnismäßig linearen Verlauf eine höhere Empfindlichkeit besitzt.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem aus einer Objektivlinse (LJ), einer Feldlinse (Lk) und einer Kondensorlinse (L5) besteht, die zur Abbildung der Strahlung auf den Empfänger (Dl) dienen.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (11) zur Erzeugung eines nahezu punktförmigen Strahlungsflecks mit einer vorbestimmten Toleranz gegenüber seitlichen Verlagerungen auf dem Material (lo) dient und der wirksame Durchmesser der Feldlinse größer ist als die Toleranz gegenüber seitlichen Verlagerungen.
23. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine selbsttätige Standardisierungsvorrichtung, die eine zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlenteiler befindliche Vorrichtung (Al) aufweist, die dazu dient, einen Zustand des Materials zu simulieren, in welchem dem Material im wesentlichen kein oder ein bekannter Betrag des Stoffes zugeordnet ist, Vorrichtungen (21, 2¹I) zum Einführen von Schwächungs-

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vorrichtungen (A2, 22) zwischen dem zweiten Detektor und dem Strahlenteiler, die im wesentlichen zur Simulation wenigstens eines bekannten Betrages des zu messenden Stoffes dienen, und durch Vorrichtungen (56, 59) zur Normalisierung des durch den bekannten Betrag des Stoffes hervorgerufenen elektrischen Ausgangssignals auf einen Standardwert.

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