DE2004087B2

DE2004087B2 - Einrichtung zur Bestimmung der Menge einer in einem Grundmaterial enthaltenen Substanz

Info

Publication number: DE2004087B2
Application number: DE2004087A
Authority: DE
Inventors: John Michael San Jose French; Robert Curtis Santa Clara Hill; Richard Earl Campbell Toepfer
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1969-02-17
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1978-09-14
Also published as: GB1271439A; SE368990B; US3614450A; DE2004087C3; JPS525869B1; DE2004087A1

Description

c) Einrichtungen (56, 59) zur Normierung des Ausgangssignals des Gerätes nach Einsatz des ersten bzw. zweiten Strahlungsschwächungsfilters (A 1 bzw. A 2).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges Gerät ist aus der US-PS 34 05 268 bekannt und dient dort zur Messung des in bahnenförmigem Material wie beispielsweise in dem durch Papiermaschinen hergestellten Papier enthaltenen Feuchtigkeitsgehaltes. Nachteile der bekannten Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes bestehen darin, daß diese Meßeinrichtung aufgrund von Trifterscheinungen in der elektronischen Schaltung und aufgrund von Veränderungen innerhalb der Infrarotempfänger ebenfalls zu Trift neigt. Fernerhin werden durch »Flattern« des gemessenen bahnenförmigen Materials, d. h. durch schnelle und unregelmäßige Bewegungen des Papiers nach oben und nach unten zu dem Empfänger hin bzw. von dem Empfänger weg, Meßfehler hervorgerufen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache Möglichkeit zur Kalibrierung eines Gerätes der eingangs genannten Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

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

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes zur Bestimmung der Menge einer in einem Grundmaterial enthaltenen Substanz;

F i g. 2 ist ein Querschnitt in einem größeren Maßstab durch einen Teil der F i g. 1;

F i g. 3 ist ein Querschnitt in einem größeren Maßstab durch einen anderen Teil der F i g. 1;

F i g. 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig.3;

Fig.5 ist ein Blockschaltbild der Steuer- und ίο Regelschaltung des Gerätes;

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

F i g. 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 F i g. 5;

F i g. 9 ist eine vereinfachte schematische Darstellung des optischen Systems der Einrichtung;

F i g. 10 zeigt zur Veranschaulichung dienende Kennlinien;

Fig. 11 ist eine vereinfachte Darstellung des optischen Systems.

Eine Eigenschaft eines durch eine Papiermaschine hergestellten Bandes oder bahnenförmigen Materials kann 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 Fortbewegungsrichtung abtasten. In F i g. 1 ist eine derartige Einrichtung 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 anderen Seite des Bandes 10 angeordneten Infrarotempfänger 12 aufgefangen. Die Strahlungsquelle 11 und der Empfänger 12 sind in bezug auf die Fortbewegungsrichtung des Bandes 10 senkrecht zur Zeichenebene verschiebbar. Die Erfindung läßt sich nicht nur auf das in F i g. 1 dargestellte Transmissionssystem, 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

so in F i g. 2 dargestellt. Eine Wolframlichtquelle S 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 L1 und L 2 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 Verringe-

bo rung der durch die Lichtquelle 5 erzeugten Wärme. Das

Sperrfilter 13 dient ebenfalls zur Ableitung der

Wärmeenergie, so daß eine Entzündung des Bandes 10

bei Stillstand der Papiermaschine vermieden wird. Das Linsensystem wird weiter unten ausführlich beschrie-

b5 ben.

In F i g. 3 sind Einzelheiten des Infrarotempfängers 12 dargestellt. Die durch das Band 10 durchgelassene Infrarotstrahlung wird von den Empfängern oder

Detektoren DX und D 2 aufgefangen. Das Infrarotstrahlungsbündel wird durch einen aus mehreren Schichten bestehenden dielektrischen Spiegel M 2 in zwei Strahlungsbündel gespalten. Das eint! Strahlungsbündel ist zu dem Detektor DX hin und das andere Strahlungsbündel zu dem Detektor D 2 hin gerichtet. Zwischen dem Detektor DX und dem Spiegel M 2 befindet sich ein Filter 18, das ein Filter mit einem engen spektralen Durchlaßbereich ist, wobei die Mitte des Durchlaßbfc/ciches bei einer Wellenlänge von angenä- to hert 134 μ liegt Daher spricht der Detektor D X auf den Feuchtigkeitsgehalt des Bandes 10 und auf dessen Absorptionseigenschaften an. In entsprechender Weise wird das auf den Detektor D 2 fallende Infrarotstrahlenbündel durch ein Filter 19 gefiltert, welches Infrarotstrahlung im wesentlichen nur in einem Wellenlängenbereich von 1,8 u. 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 Af 2 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 L3 und den Kondensorlinsen LAB und L5B in dem Strahlengang des Detektors D 2 und den Kondensorünsen L AA und L 5Λ in dem Strahlengang des Detektors DX. Außerdem ist in dem Infrarotstrahlengang zwischen dem Band 10 und dem Spiegel M 2 ein veränderliches Schwächungsglied A 1 sowie in dem Infrarotstrahlengang zwischen M 2 und dem Detektor D1 ein zweites veränderliches Schwächungsglied A 2 angeordnet Fiß.4 zeigt die Ausbildung der Schwächungsglieder A 1 und A 2. Das Schwächungsglied besteht aus einer drehbar gelagerten Scheibe 21, in der sich verschiedene Filtereinsätze 22 mit unterschiedlichen Schwächungsgraden befinden. Die Scheibe 21 des Schwächungsgliedes A 1 wird durch einen zugeordneten Motor 23 gedreht, während die Scheibe des Schwächungsgliedes A 2 durch einen diesem zugeordneten Motor 24 gedreht werden kann.

In dem Blockschaltbild der F i g. 5 sind die Detektoren DX und D 2 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 D X 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 D 2 auf die Wellenlänge von 1,8 μ ansprechbar sein soll, die in 5ί gleichem Maße von dem Papier beeinflußt wird, jedoch Feuchtigkeit gegenüber verhältnismäßig unempfindlich ist

Beide Detektoren weisen im wesentlichen die gleiche Kennlinie auf, die in F i g. 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 Kennlinien der beiden Detektoren müssen jedoch nur in ihrem allgemeinen Verlauf übereinstimmen. Eine Impedanzfehlanpassung 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 Veranschaulichuing dienende Widerstandswerte sind auf der senkrechten Achse angegeben. Die in F i g. 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 absoluten Betrag von Feuchtigkeit in deim 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 Kennlinie zu betreiben. Dieser Punkt dient dann als stabiler Bezugspunkt Wie dieser wünschenswerte Betrieb erhalten wird, ist weiter unten ausgeführt.

Im Vergleich dazu ist bei bekannten Meßeinrichtungen für Feuchtigkeit der Meßpunkt auf der Kennlinie des Detektors infolge des Flatterns des bahnenförmigen Materials unvermeidbar instabil. Das Flattern 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 μ befindet sich daher der Arbeitspunkt in diesem Momenr. an einer Stelle der Kennlinie, während er sodann im nächsten Moment bei der Messung mit 1,94 μ infolge der durch eine Veränderung der optischen Dichte des Papiers oder infolge des Flatterns der Papierbahn bedingten Intensitätsschwankung an einer anderen Stelle liegt.

Daher sind die in F i g. 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 F i g. 5 zu ersehen ist, bildet der Detektor D 2 einen Teil einer Brückenschaltung, die drei als Arbeitsoder 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 F i g. 7 dargestellt ist. Der Detektor D 2, der mit seinem Widerstand R\$ bezeichnet ist, steht in der in F i g. 7 dargestellten Weise unmittelbar mit der Signalquelle 31 in Verbindung, da die eine Seite des Detektors in der in F i g. 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 F i g. 7 dargestellte Brückenschaltung arbeitet wie folgt: Sie enthält vier Zweige, von denen ein Zweig den Detektor D 2 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 Ea bezeichneten Signalgenerator 31 verbunden. In entsprechender Weise sind die beiden Eingänge des Arbeitsverstärkers 27 jeweils mit

dem Detektor D 2 und dem mit diesem in Reihe liegenden Generator 31 verbunden. Die beiden anderen Zweige der Brückenschaltung sind jeweils an ihrem einen Ende mit einem Eingang eines Arbeitsverstärkers und an ihren anderen Enden mit den Ausgängen der Verstärker verbunden. Die Verstärkerausgänge sind außerdem mit der Subtraktionseinheit 29 verbunden.

Die Brückenschaltung 32 erzeugt während ihres Betriebes eine Korrekturspannung am Ausgang der Subtraktionseinheit 29, wenn sich der Widerstand des ι ο Detektors D 2 von dem Widerstandswert der Bezugswiderstände R unterscheidet Die Arbeitsverstärker 27 und 28 neigen dazu, ein Spannungspotential 0 zwischen ihren beiden Eingängen aufrechtzuerhalten. Somit ist die mit Ef bezeichnete Ausgangsspannung des Verstärkers 27 festgelegt durch

R + K,,₈
E_F = ρ L₀

(D

20

Der mit Ee bezeichnete Ausgang des Verstärkers 28 wird vorgegeben durch

F - ^R+R F E₁; - —^ E_c

(2)

25

Somit ist die Gesamtspannung am Ausgang der Subtraktionseinheit 29 festgelegt durch die Differenz zwischen £>und üfund beträgt

( ^{R +} ^Rl« _ ^R + ^R \ p· _(1l

Aus Gleichung (3) wird ersichtlich, daß die Ausgangsspannung der Subtraktionseinheit 29 zu 0 wird, wenn Ra genau gleich ist dem Bezugswiderstand R. Gleichung (3) zeigt weiterhin, daß durch die Subtraktionseinheit 29 eine Korrekturspannung einer Polarität erzeugt wird, wenn der Widerstand des Detektors D 2 kleiner ist als der Bezugswiderstand und daß eine Spannung entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, wenn der V/iderstand des Detektors D 2 größer ist als der Bezugswiderstand. Die Brückenschaltung 32 liefert daher eine mit 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 verstärkt und einem Phasendetektor 34 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 5 dient. Auf diese Weise wird die Intensität der Strahlungsquelle, d. h. der Lampe 5 durch das von der Brückenschaltung 32 erzeugte Signal gesteuert. Insbe- ω sondere weist die Regelschleife die Brückenschaltung 32 auf, in welcher die Widerstände R als Bezugswertgeber dienen und der Integrator 37 auf das Korrektursignal anspricht. Durch die Verwendung des Integrators 37 ergibt sich eine Regelschleife erster Ordnung, so daß das System keinen Restfehler aufweist im Vergleich zu einem System nullter Ordnung, welches ein lageabhängiges System ist und stets einen gewissen Fehler enthält.

Der Bezugswiderstand R, mit welchem R\$ verglichen wird, wird durch die in Fig.6 dargestellte Detektorkennlinie und die Lage des Arbeitspunktes 26 auf der Kurve der F i g. 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 für die Konstanthaltung des Arbeitspunktes oder der Impedanz des Detektors D 2 wird auch der in F i g. 5 dargestellte Detektor DX an einem entsprechenden Arbeitspunkt seiner Kennlinie gehalten. Die Detektoren D1 und D 2 sind vom gleichen Typ und haben ähnliche Eigenschaften, so daß der Detektor D1 durch Regelung der Infrarotstrahlungsquelle S ebenfalls in der Nähe eines festliegenden Runearbeitspunktes seiner Kennlinie arbeitet Daher wird jede Veränderung der aufgefangenen Intensität die auf Flattern, die Papierbahn 10, Verschmutzungen oder Trift in der elektronischen Schaltung zurückzuführen ist vermittels des der Brückenschaltung 32 und dem Detektor D 2 zugeordneten Regelsystems sofort und selbsttätig kompensiert

Durch die Verwendung eines Trägersystems und insbesondere von Hochfrequenz im Bereich von beispielsweise 40 kHz in dem Oszillator 31 arbeitet das System weit außerhalb des charakteristischen 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 40 kHz in idealer Weise für Halbleitervorrichtungen geeignet

Für eine vorgeschriebene Genauigkeit des Systems muß infolge des Planckschen Gesetzes ein Maximalbereich von Arbeitstemperaturen der Quelle Feingehalten werden, damit das Verhältnis der bei 13 und 1,94 μ emittierten Energien innerhalb vorbestimmter Toleranzwerte konstant gehalten wird.

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 A 1 einstellt (Fig.3). Durch die Scheibe des Schwächungsgliedes wird die Intensität der von der Lampe kommender Strahlung um vorbestimmte Beträge verringert oder abgeschwächt. Die Drehscheibe 21 des Schwächungsgliedes A 1 wird durch ein Fortschaltrelais 41 gesteuert das von dem Lampen-Grenzwert-Fühler 39 durch Flip-Flops 42 und 43 angetrieben 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 Schwächungsglie des. Wenn der für die Lampe S zulässige obere odei untere Grenzwert der Betriebsspannung erreicht ist betätigt der Lampenverstärker 38 den Lampen-Grenz wert-Fühler 39, welcher wiederum die Flip-Flops 42 oder 43 einstellt, um die UND-Gatter 44 oder 45 und eir ODER-Gatter 47 zu betätigen. Dadurch wird eint Abgleichmeldung erzeugt und einer (nicht dargestell ten) zentralen Datenverarbeitungseinrichtung züge führt, welche den Abtastvorgang des Bandes unterbrich und den UND-Gattern 44 und 45 über die Leitung 48 eii Abgleichsignal zuführt. Je nachdem, in welcher Richtunj der Grenzwert überschritten worden ist, wird da: Fortschaltrelais weitergeschaltet. Wie weiter untei

ausgeführt ist, muß die ganze Schaltung erneut abgeglichen werden, wenn ein neues Filter unterschiedlicher Intensität eingesetzt wird.

Wie bereits erwähnt, hält das der Brückenschaltung 32 zugeordnete Regelsystem den ausgewählten Arbeitspunkt der Detektoren DX und D 2 konstant Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß der auf die im Band 10 enthaltene Feuchtigkeitsmenge ansprechende Detektor Di in Kombination mit D 2 und vermittels des Verhältnisses der je weiligen Impedanz beider Detektoren ein Maß für ι ο den absoluten Wassergehalt des gemessenen Materials liefert Diese Messung erfolgt gleichzeitig mit der Steuerung der Intensität der Strahlungsquelle, so daß auf den einander ähnlichen Kennlinien der Detektoren ein konstanter Arbeitspunkt aufrechterhalten wird. Mit anderen Worten, vermittels der Brückenschaltung 32 und ihrer zugeordneten Regelschleife erfolgt eine absolute Impedanzmessung des Detektors D 2, während gleichzeitig die Veränderung des Widerstandes von D1 zur Ausführung einer Verhältnismessung verwendet wird, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erhalten, das dem absoluten Wert der in dem Material enthaltenen Feuchtigkeit proportional ist

F i g. 8 ist ein vereinfachter schematischer Schaltplan eines Ausschnittes der F i g. 5 und zeigt eine Vergleichsbrückenschaltung 52 mit den Detektoren DX, D 2, einem invertierenden Arbeitsverstärker 30, einer mit dem Ausgang des Verstärkers 30 gekoppelten Subtraktionseinheit 53 und einem Trenn- oder Pufferverstärker 54 mit dem Verstärkungsgrad 1. Weiterhin enthält die Vergleichsbrückenschaltung 52 den mit Eg bezeichneten Signalgenerator oder Oszillator 31. Im Betrieb erzeugt die Brückenschaltung 52 an der Subtraktionseinheit 53 eine Ausgangsspannung E_aus. die den Veränderungen in dem Verhältnis der Detektorwiderstände, dem mit Ai₅₄ bezeichneten Detektor D1 und dem mit R\» bezeichneten Detektor D 2, proportional ist. Der Verstärker 30 ist insbesondere ein umkehrender Arbeitsverstärker, dessen Ausgangsspannung E_x festgelegt ist durch

Ev =

1.94

(4)

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

E γ — E_in

(5)

Somit beträgt die insgesamt von der Subtraktionseinheit 53 abgegebene Ausgangsspannung

50

(6)

55

Aus Gleichung (6) ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung eine Information enthält, welche sich auf das Verhältnis der Impedanzen der Detektoren D1 und D 2 bezieht, und somit eine den absoluten Feuchtigkeitsge- bo halt in dem bahnenförmigen Material 10 anzeigende Information darstellt. Infolge der Verwendung des Pufferverstärkers 54 mit dem Verstärkungsgrad 1 in Kombination mit dem umkehrenden Arbeitsverstärker 30 ist die Ausgangsspannung E,_as proportional den b5 Veränderungen des Verhältnisses und nicht dem Verhältnis selbst. Das wird dadurch erreicht, daß die »eins« des Verhältnisses 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 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 D 2 dann zur Erzielung des gewünschten Verhältnisses berücksichtigt. Durch die Einstellung der Strahlungsquelle S wird außerdem der wirksame Arbeitspunkt auf der Kennlinie des Detektors DX eingestellt und trotz Flattern und Veränderungen der optischen Dichte des Bandes 10 konstant gehalten, ohne die durch die Brückenschaltung 52 erfolgende Verhältnismessung zu beeinträchtigen.

Wie wiederum aus Fig.5 zu ersehen ist, wird die Ausgangsspannung E,_us der Subtraktionseinheit 53 einem Verstärker 56 zugeführt, welcher die von dem Generator 31 abgegebenen Schwingungen von 40 kHz verstärkt Die Frequenz wird durch einen Synchrondemodulator 57 demoduliert welcher die Amplitude des Trägers in eine Gleichspannung umwandelt Diese Amplitude ist daher ein unmittelbares Maß für das Gewicht des in dem Papier enthaltenen Wassers und wird einer (nicht dargestellten) Datenverarbeitungseinrichtung zugeführt. Der Synchrondemodulator 57 wird durch eine mit dem Oszillator 31 gekoppelte Puffereinheit 58 gesteuert.

Das Gerät läßt sich so normalisieren, daß es für verschiedene Papiergewichte und Feuchtigkeitsgehalte einen konstanten Bereich von Ausgangsspannungen liefert. Das erfolgt durch eine Verstärkungsregelung des Verstärkers 56 über den mit »Verstärkungsbereichsregelung« bezeichneten Eingang und durch eine Verstärkungsausgleichregelung am Eingang eines Verstärkers 59, der zwischen der Subtraktionseinheit 53 und dem Detektor D1 geschaltet ist. Die Verstärkungsausgleichregelung 59 gestattet eine Einstellung des Ruhe- oder Arbeitspunktes für die Messung, so daß jeder Abschnitt der Detektorkennlinie verwendet werden kann. Vermittels der vorstehend beschriebenen Verstärkungsregelungen läßt sich das System beispielsweise standardisieren, so daß es einen 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 Prozentgehalt von Feuchtigkeit in dem Papier entsprechen. Mit anderen Worten, die von dem Demodulator 57 an die Datenverarbeitungseinrichtung abgegebene Ausgangsspannung 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 Grundgewichtes oder des tatsächlichen Papiergewichtes vermittels einer zweiten Meßeinrichtung erfolgen. Durch die Kombination der Anzeige des Grundgewichtes mit der Anzeige des absoluten Feuchtigkeitsgehaltes liefert die Datenverarbeitungseinrichtung den relativen Feuchtigkeitsgehalt.

In F i g. 9 sind die Einzelheiten des optischen Systems des Gerätes dargestellt, das bereits in Verbindung mit der Infrarotstrahlungsquelle und dem Detektor in den Fig. 1, 2 und 3 schematisch dargestellt worden ist. In F i g. 9 sind die entsprechenden optischen Elemente mit den gleichen Bezeichnungen wie in den Fig.2 und 3 versehen. Die Lichtquelle S stellt eine Strahlungsquelle dar, welche durch die Kondensorlinsen L1 und L 2 auf das Band 10 abgebildet wird. Der auf dem Band 10 erscheinende Fleck von Infrarotlicht wird durch die Objektivlinse L 3, die Feldlinse L 4 und die Kondensorlinse LS auf den Detektor Di abgebildet. In dieser Figur ist nur ein einziger Detektor D1 dargestellt.

Das Flattern des Bandes oder bahnenförmigen Materials 10 wird durch den Doppelpfeil 61 angedeutet und liegt in einer üblichen Papiermaschine normalerweise innerhalb eines Bereiches von ± 6,3 mm. Aus optischen Gründen verursacht das Flattern des Bandes 10 eine Veränderung der durch den Detektor Di aufgefangenen Intensität der Infrarotstrahlung, was durch die Kurvenschar in Fig. 10 dargestellt ist. Die senkrechte Achse in der Darstellung zeigt die Stärke der auf den Detektor Di auttreffenden Infrarotstrahlung an, während die waagerechte Achse die Verlagerung oder das Flattern der Bahn in positiver und negativer Richtung darstellt. Wie sich aus einer näheren Betrachtung der Kurven ergibt, nimmt die Nichtlinearität des optischen Systems mit zunehmender Empfindlichkeit oder höherem Wirkungsgrad zu (wenn das System eine größere Anpassungsfähigkeit für die Messung schwererer Papiere aufweist). Die verschiedenen Kurven A, B, 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 1,94 μ von der Lampe 5 erzeugt Die von der Lampe 5 abgegebene Strahlung wird durch einen auf seiner Vorderseite verspiegelten Spiegel M1 reflektiert, der das Lampenelement auf sich selbst abbildet. Das Linsenpaar L1 und L 2 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 L1 und L 2 der Strahlungsquelle an die erste Linse L 3 des Detektorsystems angepaßt.

Das Linsensystem ist 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 Rückkopplungssystem flacht eine der aus Fig. 10 ausgewählten Kurven, wie z.B. die Kurve B oder C, in einem bestimmten Maß ab. Somit kann eine Kurve, wie z. B. die Kurve ßoder C, ausgewählt werden, die ein Linsensystem mit einem höheren Wirkungsgrad ergibt und bei der das System auch Papiere mit einem höheren Grundgewicht 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 das Gerät 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 F i g. 9 dargestellte Linsensystem des Gerätes

ι s gleicht auch eine seitliche Versetzung des auf dem Band 10 gebildeten Infrarotlichtfleckes in der typischen Größenordnung von ±1,27 mm aus. Das wird dadurch erzielt, daß der Durchmesser der Feldlinse L 4 um den doppelten Betrag der maximalen seitlichen Versetzung des Lichtfleckes auf der Bahn 1Oi größer gemacht wird als der Durchmesser des durch die Objektivlinse L 3 auf der Feldlinse L 4 erzeugten Bildes. Anders ausgedrückt, der effektive Durchmesser der Feldlinse L 4 ist größer als die seitliche Versetzungstoleranz des Lichtfleckes auf dem Band 10. L 4 wird so bemessen und angeordnet, daß sie ein Bild der Eintrittspupille des Linsensystems, die den Durchmesser der Objektivlinse L 3 hat, ausbildet Die aus Linse LA und Kondensorlinse L5 bestehende Kombination bildet dann L 3 in der Ebene des Detektors D1 ab. Da das Verhältnis von L 3 und Detektor D1 festliegt und der Detektor nicht das Bild des auf der Bahn 10 befindlichen Lichtfleckes, sondern das von L 3 erzeugte Bild empfängt, rufen seitliche Verlagerungen des Lichtfleckes auf der Bahn 10 keine

3^ri seitlichen Verlagerungen des Bildes auf dem Detektor hervor.

Da es aufgrund der Ausbildung des Gerätes erforderlich ist, daß die Detektoren Dl und D 2 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 U bzw. 12. Zur Standardisierung muß die Höhe der Strahlungsintensität vergleichbar sein mit dem Wert bei der Messung der in dem Band 10 enthaltenen Feuchtigkeit. F i g. 11, die eine vereinfachte schematische Darstellung der in den Fig.2 und 3

so dargestellten Strahlungsquelle und des Detektors ist, zeigt optische Schwächungsglieder A 1 und A 2 in der angedeuteten Stellung innerhalb des Infrarotstrahlengangs. Insbesondere dient der Spiegel Ml dazu, große und angenähert gleiche Energieanteile der in den entsprechenden Wellenlängenbereichen durch die Objektivlinse L 3 zugeführten Energie den Detektoren D1 und D 2 zuzuführen. Die Filterscheibe 22 des Schwächungsgliedes A 1 ist spektral neutral innerhalb des interessierenden Wellenlängenbereiches (siehe F i g. 4),

M> d.h., sie umfaßt die Wellenlängen von 1,8 und 1,94μ. Durch das Schwächungsglied A1 wird ein Zustand simuliert oder vorgetäuscht, der dem zu messenden Papier oder Stoff im staubtrockenen Zustand entspricht. Das dazu verwendete Schwächungsglied kann aus

fa^r) 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 Schwä-

chungsgliedes A 1 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 5 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 Filter A 1 innerhalb des ι ο Detektorgehäuses befindet, ist es gegenüber Verschmutzungen, Staub, Korrosion u. dgl. geschützt.

Zwischen dem Detektor D1 und dem Strahlenteilerspiegel M 2 befindet sich ein zweites Schwächungsglied A 2, 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 A 2 weist verschiedene Filter auf, die verschiedene Feuchtigkeitsgehalte simulieren, so daß die Bedienungsperson oder die Datenverarbekungseinrichtung die Schwächungsscheibe auf den richtigen Wert fortschalten kann. Wenn erwünscht, kann ein zweites Filter in der Schwächungseinrichtung A 2 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 wertvoll an dem sogenannten »nassen« Ende einer jo Papiermaschine, an welchem ein geeichter Feuchtigkeitsbereich von beispielsweise 60 bis 80% über den vollen Skalenbereich einer Sichtanzeigevorrichtung, wie z. B. eines Registriergerätes, verteilt werden soll.

Im Betrieb erfordert das Standardisierungssystem, J5 daß das Schwächungsglied A 1 eingesetzt wird, um den richtigen Arbeitsbereich vorzusehen. Nachdem das erfolgt ist, ist das System in der bereits in Verbindung mit F i g. 5 beschriebenen 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 A 2 so eingestellt, daß es dem Maximalgewicht oder v> einem Teil des Maximalgewichtes des in dem Papier enthaltenen Wassers entspricht, und der Bereichsausgang kann beispielsweise auf minus 10 Volt eingestellt werden. Ausgehend von der Kenntnis der Detektorkennlinie, die in einer zugeordneten Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert ist, kann dann die Spfuinungsgröße mit einem vorher geeichten Gewicht des Wassers in dem Papier verglichen werden. Auch dann, wenn der anzuzeigende Feuchtigkeitsgehalt verhältnismäßig gering ist, läßt sich durch Einstellung oder Normalisierung eine sehr geringe !Schwächung vermittels des Schwächungsgliedes A 2 erzielen, so daß das Ausgangssignal auf einen verhältniümäßig großen Wert gebracht und für sehr kleine Feuchtigkeitsmengen eine maximale Empfindlichkeit erreicht wird.

Das vorstehend beschriebene Standardisierungsverfahren liefert in der Tat zwei Punkte einer Kuve, welche die Abhängigkeit von E_aus von dem Wasserg2wicht darstellt. Daher 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 A 1 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 Di und D 2 wird durch entsprechende thermische Fühlvorrichtungen und durch die Einstellung einer geeigneten Heiz- oder Kühlvorrichtung stabilisiert.

Das Schwächungsglied A 1 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 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.

Hierzu 6 BIaIt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Gerät zur Bestimmung der Menge einer in einem Grundmaterial enthaltenen Substanz,
mit einer optischen Strahlungsquelle zur Erzeugung von Strahlung einer ersten, innerhalb eines Absorptionsbandes der Substanz liegenden Wellenlänge sowie einer zweiten, außerhalb eines Absorptionsbandes der Substanz liegenden Wellenlänge,
mit einer die vom Grundmaterial reflektierte oder transmittierte Strahlung aufnehmenden Detektoreinrichtung, die einen ersten, auf die erste Wellenlänge ansprechenden Detektor sowie einen zweiten, auf die zweite Wellenlänge ansprechenden Detektor umfaßt und

mit einer Strahlteilungseinrichtung zur Beaufschlagung der beiden Detektoren mit jeweils einem Teil der Strahlung der Strahlungsquelle,
gekennzeichnet durch eine Kalibriereinrichtung, welche folgende Einrichtungen umfaßt:

a) ein zwischen die Strahlungsquelle (S) und die Strahlteilungseinrichtung (M 2) einsetzbares und die Strahlungsabsorption von substanzfreiem Grundmaterial im Bereich der ersten und zweiten Wellenlänge simulierendes erstes Strahlungsschwächungsfilter (A I),

b) ein zwischen die Strahlteilungseinrichtung (M2) und den ersten Detektor (D 1) einsetzbares und die zu diesem Detektor (D 1) gelangende Strahlung in gleichem Maße wie eine bekannte Menge der Substanz dämpfendes zweites Strahlungsschwächungsfilter (A 2) sowie