DE2014295A1

DE2014295A1 - Xt 25.03.70

Info

Publication number: DE2014295A1
Application number: DE19702014295
Authority: DE
Inventors: Kenneth Mountain View Calif. Bowers (V.St.A.)
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-03-25
Publication date: 1970-10-15
Also published as: SE349151B; GB1282332A

Description

Fairchild Camera & Instrument ... - 201 4295

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California94040 Glanzmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf die Messimg des Glanzes von Oberflächen , und sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Glanzes einer bewegten Materialbahn und zum Vergleich der erhaltenen Glanzmessungen mit einem Bezugswert·

Bei der Papierherstellung ist der Glanz, welcher definiert ist als die charakteristische Eigenschaft der Papieroberfläche, die für das glänzende oder strahlende Aussehen des Papiers entscheidend ist, ein wichtiges Merkmal zur Bestimmung der Papierqualität, Der Glanz ist, abgesehen von weiteren Variablen, eine Funktion der Glätte, der Reflektionsfähigkeit und der Zusammensetzung des Papiere. Der Glanz hat in der Papierindustrie eine solche Bedeutung, daß TAPPI ("Technical Association of the Pulp and Paper üfaiuetry«) in "Method T48Qte-65ⁿ daa Verfahren festgelegt hat, durch das der Glanz zu messen ist.

Um di# Messung des Glanzes zu erleichtern, ist «ine sogenannte "Glanzikala" geschaffen worden. Der Wert ^H100^H einer Glanzmeßeinrichtung entspricht dabei reflektiertem Natriumlicht, welches bei 75° gegenüber der Normalen auf eine flache, saubere und polierte Fliehe auftrifft, welche eine Brechungszahl von 1.540 hat. Die Ablesung der Glanzmeßeinrichtung, weiche einem idealen, vollständig reflektierenden Spiegel zugeordnet ist, beträgt 3Θ4.6 Glanz-

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einheiten. Um eine angemessene Differenzierung zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Glanzwerten sicherzustellen, ist die Skala der Glanzwerte logarithmisch·

Für die Glanzmessung sind zahlreiche Bauarten von Glanzmeßeinrichtungen vorgeschlagen worden. R. S* Hunter beschreibt in der USA-Patentschrift 2 546 450, ausgegeben am 27.3.1951, ein Meßinstrument, in dem Licht durch eine Linse geführt wird, von der Oberfläche, deren Glanz gemessen wird, reflektiert wird und dann durch eine zweite Linse zu einer ersten lichtempfindlichen Ein-Richtung (Fotodetektor) gelangt. Ein Vergleich des auf die erste lichtempfindliche Einrichtung auftreffenden Lichtes mit Licht aus der gleichen Lichtquelle, welches unmittelbar durch die beiden Linsen zu einer zweiten lichtempfindlichen Einrichtung gelangt, kompensiert die Wirkung von Schmutz und Staub in der Umgebung und auf den Linsen· Das Instrument wird periodisch dadurch geeicht, daß ein Bezugsnormal unter dem ersten Lichtweg angeordnet wird und die Meßeinrichtung eingestellt wird, bis die Ablesung des Glanzwertes erhalten wird, welche dem Normal entspricht. Bei dieser Bauart einer Glanzmeßeinrichtung tritt u.a. die Schwierigkeit auf, daß eine verhältnismäßig lange Zeit vergeht, bevor das Instrument erneut geeicht wird, wenn die liohung nint «ehr stlast. Während dieser Zeit kann eine große Menge von Papier erzeugt werden, dessen Glanzwert nicht des geforderten Wert entspricht· Außerdem nuß zum Zweck der Wiedereiohu&g des Meßinstrumentes die Produktion unterbrochen, das Instrument entfernt und ein Bezugsnormal in diejenige Stellung gebracht werden, In der sich vorher das Material befand, dessen Glanz gesessen wird· Anschließend muß das Instrument wieder derart eingebaut werden, daß das Material, dessen Glanz gemessen wird, die gleiche Lage zu dem reflektierenden Lichtstrahl wie das Bezugsnormal hat. Dieser Arbeitsgang ist umständlich und erfordert viel Zelt, jedoch wird er in der Regel wenigstens einmal am Tage durchgeführt werden nüssen·

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In der USA-Patentschrift 1 996 233, ausgegeben am 2.4.1935, vergleicht Darah kontinuierlich einen Lichtstrahl, welcher einen Lichtweg (optischen Pfad) mit einem Bezugsnormal durchlauft, mit einem Lichtstrahl aus derselben Quelle, welche durch einen Lichtweg mit einem Material, dessen Kenngrößen gemessen und gesteuert werden, geführt wird. Darah erkannte und löste jedoch nicht das Problem, das sich bei der Glanzmessung durch die Einflüsse von Schmutz und Staub bei den Ablesungen in einem Lichtweg oder sogar in beiden Lichtwegen ergibt. Er unterwarf vielmehr sowohl das Normal als auch das zu messende Material den gleichen Faktoren, und er meinte, daß die Wirkungen dieser Faktoren sich dadurch aufheben würden, Dabei ist jedoch nicht beachtet worden, daß in einer Papierfabrik ein Freiliegen des Glanz-Normals in der Umgebung eine sofortige Verschmutzung des Normals bewirkt> so daß alle auf diesem Normal aufgebauten Glanzmessungen, unrichtig sind.

In der USA-Patentschrift 2 032 128, ausgegeben am 25.2.1936, beschreibt Horsefield eine weitere Einrichtung zur Glanzmessung. Er sieht ein Bezugsnormal vor, von dem Licht reflektiert wird, um einen Bezugswert zu liefern; der Bezugswert wird mit dem Licht verglichen, welchen von dem Material reflektiert wird, dessen Glanz gemessen wird. Horsefield erkennt dabei, daß Schmutz und sonstige Verunreinigungen einen Belag auf dem Fenster bilden können, durch das das von dem Papier oder sonstigem Material reflektierte Licht vor und nach der Reflektion gelangen muß. Um diesen Schmutz und Staub zu beseitigen und korrekte Glanzmessungen zu erhalten, sieht Horsefield eine Bürste vor, welche, periodisch das Fenster reinigt. Ein solches Vorgehen hat jedoch den Nachteil, daß durch das Bürsten nicht der gesamte Schmutz entfernt wird und daß auch die Bürsten selbst häufig ausgewechselt werden müssen. Ein solches Glanzmeßsystem erfordert daher eine häufige aufwendige Wartung.

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Die Erfindung ermöglicht demgegenüber, die bei den bekannten Glanzmeßsystemen auftretenden Probleme zu lösen. Die Glanzmeßeinrichtung gemäß der Erfindung liefert genaue und zuverlässige Glanz-Meßwerte unabhängig von Staub und Verunreinigungen. Das erfindungsgemäß vorgesehene System ermöglicht eine kräftige und zuverlässige Bauart, und die Wartung ist einfach und problemlos. Es hat eine wesentlich höhere Ansprechgeschwindigkeit auf Änderungen der Glanzwerte als es die bisher vorgeschlagenen Meßsysteme ermöglichten.

Gemäß der Erfindung wird der Glanz eines Materials dadurch gemessen, daß kontinuierlich Licht, welches von dem Material in einem ersten Lichtweg (optischen Pfad) reflektiert wird, sowohl mit Licht verglichen wird, welches durch einen zweiten Lichtweg mit gegenüber dem ersten Lichtweg im wesentlichen identischen Umgebungsverunreinigungen gelangt, als auch mit Licht in einem dritten Lichtweg, welches von einem Bezugsnormal des Glanzes reflektiert wird. Der Betrag des von dem Material reflektierten Lichtes ändert sich mit der Ansammlung von Schmutz in der Umgebung und auf den Fenstern, durch welche dieses Licht zum Material und von dem Material geführt wird. Wenn man den zweiten Lichtweg mit Fenstern ausrüstet, welche in ihrer Bauart mit den Fenstern des ersten Lichtweges identisch sind und die gleiche Lage haben, kann man eine Messung der Wirkung dieses Schmutzes auf das weitergeleitete Licht erhalten.

Der erste und der zweite Lichtweg ermöglichen jedoch allein noch nicht eine genaue Messung des Glanzes des Materials. Insbesondere treten Abweichungen in dem durch diese beiden Lichtwege weitergegebenen Licht durch Alterung der Lichtquelle und Änderungen in anderen Variablen des Systems ebenso wie durch Änderungen der charakteristischen Merkmale des Papiers auf. Um ein Bezugssignal

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des Glanzes zu erhalten, ist der dritte Lichtweg vorgesehen. Das Licht in diesem dritten Lichtweg wird reflektiert durch ein Glanz-Bezugsnormal, und es dient zur kontinuierlichen Eichung des Lichtes in dem ersten und dem zweiten Lichtweg. Da das Bezugsriormal des Glanzes in einem dichten Gehäuse untergebracht ist, wird die Wirkung von Staub und Schmutz in der Umgebung auf den ersten ■ und den zweiten Lichtweg kontinuierlich dadurch gemessen, daß das durch den dritten Lichtweg gelangende Licht kontinuierlich mit dem Licht verglichen wird, das durch den zweiten Lichtweg geführt wird.

Gemäß der Erfindung wird der Betrag des Lichtes,.welches durch den zweiten Lichtweg gelangt, zunächst gleich demjenigen Lichtbetrag gesetzt, welcher durch den ersten oder dritten Lichtweg ge*- langt. Durch diese Einstellung wird sichergestellt, daß jede Abweichung im Gesamtbetrag des durch den ersten und/oder zweiten optischen Weg gelangenden Lichtes entweder auf Änderungen in der Leitfähigkeit dieser Lichtwege zurückzuführen ist, oder auf Änderungen des Glanzes des Materials, dessen Glanz gemessen wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Glanz mit Infrarotlicht gemessen. Da eine Glühlampe erheblich mehr Energie in den Infrarotinspektralgebieten als in den Gebie- λ ten des sichtbaren Lichts hat, kann die in der Meßeinrichtung verwendete Lampe bei niedriger Spannung arbeiten. Die Lebensdauer dieser Lampe 1st daher mehrfach so lang wie die Lebensdauer der bei den vorbekannten Systemen verwendeten Lampen. Hinzikommt, daß fluoreszierende Zusätze zu dem Papier ihre fluoreszierende Wirkung in dem Gebiet des sichtbaren Lichts äußern, jedoch nicht im Infrarotgebiet, so daß bei Verwendung von Infrarotstrahlung eine genauere Ablesung der Werte des Glanzes bei Papieren erhalten werden kann, die Zusatzstoffe dieser Art enthalten, als es der Fall bei sichtbarem Licht ist, welches bei den nach dem Stande

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der Technik bekannten Glanzmeß systemen verwendet wurde. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Infrarotlicht zur Messung des Glanzes ergibt sich aus der Tatsache, daß die Durchdringungsfähigkeit des Lichts durch Papier direkt proportional der Frequenz und umgekehrt proportional der Wellenlänge ist. Da Infrarotstrahlung eine lange Wellenlänge hat, ist der Betrag des in das Papier eindringenden Lichtes herabgesetzt und der Betrag des von dem Papier reflektierten Lichtes erhöht. Auf diese Weise können erheblich genauere Glanzmessungen erreicht werden.

Die in dem System gemäß der Erfindung verwendeten Fotodioden besitzen außerdem eine außerordentlich hohe Ansprechgeschwindigkeit. Viele Papiere haben fleckige Oberflächen oder Oberflächen mit in anderer Weise sich ändernden Eigenschaften· Sine genaue Messung des Glanzes stellt sich als eine statistische Messung der Abweichungι im statistischen Sinne, des jeweiligen augenblicklichen Glanzwertes auf einem kleinen Teil des Papiers von einem Durchschnittswert des Glanzes dar. Die nach dem Stande der Technik bekannten Einrichtungen zur Messung von Glanzwerten haben nicht die hohe Ansprechgeschwindigkeit, welche erforderlich ist, um solche Änderungen der Glanzwerte auf einer sich bewegenden Papierbahn festzustellen. Das erfindungsgemäße System kann demge- m genUber auf Änderungen des Glanzes in Mikrosekunden ansprechen, so daß es insbesondere mit Vorteil für die Verwendung in EDV-gesteuerten Prozessen angewendet werden kann, bei denen ein kontinuierliches und schnelles Eingeben der Änderungen der Glanzwerte des Papiers gefordert ist.

Da das Licht, welches von dem Material reflektiert wird, dessen Glanz gemessen wird, kontinuierlich mit einem Bezugsnormal verglichen wird, können Abweichungen des Glanzes von einem gewünschten Wert unmittelbar bestimmt und korrigiert werden. In mit hoher

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Geschwindigkeit arbeitenden Papiermühlen, bei denen das Papier von dem Kalander mit Geschwindigkeiten über etwa 700 m (2.000 Fuß)/min abgerollt wird, ist eine sofortige Bestimmung der Glanzwerte nicht nur vonvesentlicher Bedeutung, um größere Ausschußmengen zu vermeiden, sondern auch notwendig, um für den Kunden eine angemessene Papierqualität zu garantieren,. Die Erfindung kann daher mit Vorteil insbesondere in solchen Fällen angewendet werden, bei denen eine kontinuierliche Feststellung des Glanzes des Papiers bei jeder Papierrolle als Maßstab der Papierqualität gefordert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Messung des Glanzes von Papier beschrieben, jedoch kann sie auch zur Messung der Reflexion bei anderen Materialien und Oberflächen angewendet werden.

Figur 1 zeigt schematisch und vereinfacht die Bauart eines Ausführungsbeispiels einer Glanzmeßeinrichtung gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt einen Schnitt eines Papierblattes üblicher Zusammensetzung.

Figur 3 zeigt die Farbempfindlichkeit (spektrale Verteilung) der '* gemäß der Erfindung verwendeten Fotodioden. "

Figur 4 zeigt für die Lichtquelle in Figur 1 das Diagramm der Energie über der Frequenz· , .

Figur 5 zeigt einige Einzelheiten der in Figur 1 dargestellten Datenverarbeitungsanlage-3.

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Figur 1 zeigt das Abtastgerät der Glanzmeßeinrichtung gemäß der Erfindung. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist das Abtastgerät an einer Materialbahn angeordnet, deren Glanz gemessen wird. Vorzugsweise ist das Material Papier, das in Rollen aufgewickelt wird, wenn es aus dem Kalander kommt. Das in Figur 1 dargestellte Abtastgerät der Glanzmeßeinrichtung kann jedoch selbstverständlich auch zur Messung des Glanzes anderer reflektierender Materialien verwendet werden.

Das Abtastgerät der Glanzmeßeinrichtung ist in einem passenden Λ Abstand über dem Material angeordnet, vorzugsweise etwa 6 mm (1/4 Zoll) plus oder minus 3 nun (1/8 Zoll). Aus einer Lichtquelle 1 wM Licht auf Lichtwege (optische Pfade) 10, 20 und 30 geleitet. Die Lichtwege enthalten je eine Kollektivlinse 11, 21 oder 31 und je eine Fokussierungslinse, welche mit je einer Fotodiode in Abtasteinheiten 12, 22 und 32 zusammengefaßt sind. Die erfindungsgemäß verwendeten Linsen sind bekannt; sie brauchen daher nicht beschrieben zu werden.

Die Strahlungsenergie, welche dem Lichtweg 10 folgt, gelangt durch Kollektivlinse 11 und Fenster 13. Die Energie wird dann reflektiert von einer Oberfläche des Materials 4, dessen Glanz gemessen wird. Diese Reflexion ist überwiegend "spiegelnd"; das W bedeutet, daß sich das reflektierende Licht in einer Ebene befindet, welche von den auftreffenden Strahlen und der Normalen zum Papier gebildet ist, also nicht diffus. Die reflektierte Energie wird anschließend durch Fenster 14 zurück in das Gehäuse der Glanzmeßeinrichtung geführt. Diese reflektierte Energie wird durch Abtasteinheit 12, welche eine Fokuseierungslinse und eine lotodiode enthält, festgestellt. Der Indikator 12 erzeugt einen Ausgangsstrom, welcher der Intensität des reflektierten Lichtes proportional ist.

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Das Licht in dem Liehtweg 30 gelangt durch die Kollektivlinse 31 und wird von Glanz-Bezugsnormal 2 reflektiert. Die Abtasteinheit 32, welche eine Fokussierungslinse und eine Fotodiode enthält, erzeugt dann einen elektrischen Strom, welcher der Intensität des von dem Bezugsnormal 2 reflektierten Lichtes proportional ist. Das Bezugsnormal 2 ist innerhalb eines dichten Gehäuses 5 des Abtastgerätes der Glanzmeßeinrichtung untergebracht. Auf diese Weise ist erreicht, daß in der Umgebung vorhandener Schmutz, Staub und Verunreinigungen anderer Art keinen Belag auf der Oberfläche des Bezugsnormals bilden, so daß sie sauber und unbeeinflußt bleibt, obwohl die äußere Umgebungsluft in vielen Fällen stark verunreinigt ist, ·

Nun bilden Schmutz und Staub der Umgebung auf den Fenstern 13 und 14, durch welche die Strahlungsenergie des Lichtweges 10 geleitet wird, einen Belag. Obwohl die Indikatoren 12 und 32 sehr sorgfältig ausgerichtet sind und obwohl der gleiche Betrag an Strahlungsenergie durch die Kollektivlinsen 11 und 31 gelangt, ist das von der Abtasteinheit 12 festgestellte Licht im allgemeinen nicht gleich dem reflektierten Licht, welches von der Abtasteinheit 32 festgestellt wird. Dies ist selbst dann der Fall, wenn der Glanz des Bezugsnormals 2 mit dem Glanz des Materials 4.identisch ist. Vielmehr wird ein gewisser Betrag des Lichtes zur Lichtquelle 1 zurückreflektiert, und zwar durch Schmutz und andere Verunreinigungen an der Außenseite des Fensters 13» und ein weiterer Betrag des Lichtes wird durch Schmutz und sonstige Verunreinigungen an der Außenseite des Fensters 14 zurückreflektiert zum Material 4. Staub in der Umgebung zerstreut ebenfalls Licht und setzt weiter die von Lichtquelle 1 zur Abtasteinheit 12 weitergegebene Lichtmenge herab.

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Um nun die Wirkung von Staub, Schmutz usw. der Umgebung auf den Ausgangsstrom der Abtasteinheit 12 zu kompensieren, ist der Lichtweg 20 vorgesehen. In dem Lichtweg 20 gelangt Licht aus Lichtquelle 1 durch Kollektivlinse 21, Fenster 23 und anschließend unmittelbar durch die "Umgebung¹¹ in das Fenster 24. Dieses Licht wird durch Abtasteinheit 22 festgestellt. Da die Fenster und 24 durch ungefähr die gleiche Menge an Schmutz bedeckt sind wie die Fenster 13 und 14, und da die Umgebung zwischen diesen Fenstern ungefähr die gleiche Staubmenge enthält wie der Bereich zwischen den Fenstern 13 und 14, wird das durch die Fenster 23 und 24 gelangende Licht um etwa den gleichen Betrag geschwächt wie das durch die Fenster 13 und 14 gelangende Licht. Die Differenz zwischen den elektrischen Signalen, welche von den Abtasteinheiten 22 und 32 erzeugt werden, ist daher ein gutes Maß für die Wirkung der Verunreinigung der Umgebung auf das von der Abtasteinrichtung 12 erzeugte Ausgangssignal.

Ein Steuer- und Rechengerät 3, von dem einige Einzelheiten in Figur 5 dargestellt sind, empfängt dann die elektrischen Signale aus den Abtasteinheiten 12, 22 und 32 und verarbeitet diese elektrischen Signale, so daß man den gewünschten Vergleich des Glanzes des Materials 4 mit dem Glanz des Bezugsnormals 2 erhält.

Wie aus Figur 5 hervorgeht, wird das durch den Bezugslichtweg (Figur 1) geführte Licht durch eine Fotodiode Q2 in der Abtasteinheit 22 festgestellt. Das durch den Lichtweg 30 geführte Licht wird andererseits durch eine Fotodiode Q3 in der Abtasteinheit 32 festgestellt. Die Fotodioden Q2 und Q3 enthalten in der dargestellten Weise Fototransistoren, deren Emitter unmittelbar mit der Basis verbunden sind. Die von den Fotodioden Q2 und Q3 erzeugten Ausgangsströme fließen durch Widerstände R11 bzw· R12. Die über diesen Widerständen abfallenden Spannungen werdtn dann

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an Eingänge 2 und 3 eines Differentialverstärkers A1 angelegt; Der Verstärker A1 erzeugt eine Ausgangsspannung nur dann, Wenn die beiden an ihm anliegenden Eingahgsspannungen verschieden sind. Wenn also die von Fotodiode Q2 festgestellte Lichtmenge gleich der von Fotodiode Q3 festgestellten Lichtmenge ist, sind die Spannungsabfälle über den Widerständen R11 und R12 gleich, und der Verstärker A1 erzeugt eine Ausgangsspannung vom Betrag Null.

Das in dem Lichtweg 10 (Figur 1) vorhandene Licht wird in der Abtasteinheit 12 durch eine Fotodiode QI festgestellt, und diese Fotodiode ist ebenfalls als Transistor ausgebildet, dessen Emitter unmittelbar mit der Basis verbunden ist. Der Ausgangsstrom aus Fotodiode QI wird durch Widerstände R14 und R15 zur Erde geleitet. Der Spannungsabfall über Widerstand R14 ist die Spannung an Eingang 2 eines Differentialverstärkers A2. Die Spannung an Eingang 5 des Verstärkers A2 wird durch passende Einstellung des Schleifers eines Abstimmpotentiometers R22 auf einen gewählten Bezügswert dargestellt. An Rückwärtsspannung liegende Zenerdioden D1 und D2 steuern genau den Spannungsabfall über dem Abstimmpotentiometer R22. Wenn der Glanz des Materials 4 (Figur 1) den vorgesehenen Wert hat, erzeugt das von dem Material 4 reflektierte Licht, welches Fotodiode Q1 erreicht, eine Spannung über dem Widerstand R14, welche genau der Spannung entspricht, die durch Abstimmpotentiometer R22 an Eingang 3 des Verstärkers A2 erzeugt wird. Unter dieser Bedingung erzeugt der Verstärker A2 eine Ausgangs spannung vom Wert Null.

Die Ausgangs signale aus den Verstärkern A1 und A2 werden an Eingänge 2 bzw. 3 eines Differentialverstärkers A3 angelegt. Wenn die Ausgangsspannungen aus den Verstärkern Al und A2 beide den Wert Null haben, sind die Eingangssignale am Verstärker A3 ebenfalls Null und der Verstärker A3 erzeugt eine Ausgangsspannung

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vom Wert Null. Dies ist der Fall, wenn der Glanz des Papiers 4* genau dem Glanz des Bezugsnormals 2 entspricht.

Wie "bereits dargelegt, sammeln sich Schmutz und Staub auf den Fenstern 13» 14, 23 und 24 und in der Umgebung zwischen diesen Fenstern, so daß der Betrag des Lichtes herabgesetzt wird, welches durch die Lichtwege 10 und 20 gelangt. Der Rechner 3 kompensiert selbstätig die Reduktion des Betrages des Lichtes, welche in den Lichtwegen 10 und 20 durch das Auftreten von Schmutz eintritt. Um dies zu ermöglichen, muß der Rechner 3 entsprechend geeicht sein. Zur Eichung des Rechners wird Lichtquelle 1 eingeschaltet. Die Fenster 13, 14, 23 und 24 werden sorgfältig gesäubert. Dann wird das von Fotodiode Q2 erzeugte Signal mit dem von Fotodiode Q3 erzeugten Signal verglichen, welches von Licht r veranlaßt ist, das von dem Glanz-Bezugsnormal 2 (Figur 1) reflektiert wird. Wenn die von Q2 und Q3 erzeugten Signale genau gleich sind, liefert der Verstärker A1 eine Ausgangsspannung vom Wert Null. Wenn die von den beiden Fotodioden Q2 und Q3 erzeugten Signale nicht genau gleich sind, wird eine Irisblende 25 vor der Fotodiode Q2 so eingestellt, daß die Signale gleich sind.

Anschließend wird das reflektierende Material 4 in dem Lichtweg 10 ersetzt durch ein Glanz-Bezugsnormal, welches mit Bezugsnormal 2 identisch ist. Der von Fotodiode Q2 erzeugte Ausgangsstrom müßte nun gleich dem von Fotodiode Q1 erzeugten Ausgangsstrom sein, weil die Fotodiode Q1 einen Strom erzeugt, welcher proportional dem Betrag des Lichtes 1 ist, das von einem Bezugsnormal reflektiert wird, welches die gleichen Eigenschaften wie Bezugsnormal 2 hat. Das Bezugspotentiometer R22 wird dann so eingestellt, daß die von dem Verstärker A2 erzeugte Ausgangsspannung Null wird. Dann sind die Ausgangsspannungen der beiden Verstärker A1 und A2 Null. Dementsprechend muß auch die von Verstärker A3 gelieferte Ausgangsspannung Jetzt Null sein.

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Wenn die Ausgängsspannung des Verstärkers A3 jedoch nicht Null sein sollte, wird sie auf Null gestellt, indemAbstimmpotentiometer R25 derart eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung aus A3 Null wird. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers A3 wird durch Abstimmpotentiometer R23 passend eingestellt.

Die Glanzmeßeinrichtung ist jetzt betriebsbereit. Während des Betriebes sammeln sich Schmutz und Staub auf und zwischen den Fenstern 13, 14, 23 und 24. Da jedoch der Bezugslichtweg 20 dem Lichtweg 10 benachbart ist, welcher das von dem Material 4 reflektierte Licht enthält, wird jede Änderung im Gesamtwert des μ über Lichtweg 10 geleiteten Lichtes infolge von Schmutz und Staub durch eine entsprechende Änderung in dem Gesamtbetrag des über Lichtweg 20 geführten Lichtes ausgeglichen. Die Gesamtänderung der Ausgangsspannung des Verstärkers Al sollte daher der Gesamtänderung der Ausgangsspannung des Verstärkers A2 entsprechen, und die Ausgangsspannung aus Verstärker A3» welche gleich der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen aus A1 und A2 ist, sollte Null bleiben.

Wenn nun aber der Glanz des Materials 4 sich gegenüber dem Bezugswert des Glanzes ändert, weicht die Ausgangsspannung des Verstärkers A2 entsprechend dieser Änderung des Glanzwertes um einen zusätzlichen Betrag ab. Dies führt zu einer Änderung der Ausgangs- ' spannung des Verstärkers A3 von Null auf einen bestimmten Wert, welcher der Glanzänderung des Materials 4 proportional ist. Die Ausgangsspannung des Verstärkers A3 gibt daher allein eine Änderung des Glanzes wieder, während eine Ansammlung von Staub und Schmutz an den Fenstern 13, 14, 23 und 24 nicht in das Ergebnis eingeht.

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Die Ausgangsspannung des Verstärkers A3 wird dann an ein Sichtgerät angelegt, welches eine in relativen Glanzeinheiten geeichte Anzeige enthält« Wenn die Ausgangsspannung aus A3 gleich Null ist, bleibt die Meßanzeige in ihrer Nullstellung. Wenn Jedoch die Spannung des Verstärkers A3 von ihrer Nenneinstellung um einen positiven oder negativen Betrag abweicht, weicht die Meßanzeige in gleicher Weise um einen entsprechenden Betrag von der Nenneinstellung ab. Eine Bedienungsperson kann also leicht die Abweichung des Wertes des Glanzes von dem gewünschten Wert feststellen und den Herstellungsprozeß entsprechend korrigieren, damit der Glanzwert wieder der Spezifikation entspricht·

Die Komponenten der in Figur 5 dargestellten Schaltung haben vorzugsweise die folgenden Wertet

Q1, Q2, Q3 FPT

A1, A2 ADO 27B

A3 J1A741

D1, D2 FZ901

R11 100 KOhm

R12 100 KOhm

R13 100 KOha

R14 100 KOhm

R15 100 KOhm

R17 15 KOhm

R18 10 KOhm

R19 1 KOhm

R20 1 KOhm

R21 10 KOhm

R22 100 KOhB (Pottntiometer)

R23 10 KOhm (Pottntiomettr)

R24 10 KOhm

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R25 10 KOhm (Potentiometer)

R28 15 KOhm ·

Lichtquelle ■ GE 1561

Ein praktisch ausgeführter Steuerrechner für eine Glanzmeßeinrichtung gemäß der Erfindung, dessen Komponenten die oben angegegebenen Werte hatten, arbeitete in der beschriebenen Weise, und er zeigte mit befriedigender Genauigkeit die reine Abweichung des Glanzes eines gegebenen Materials von einem Bezugsnormal des Glanzes.

Wie bereits erwähnt, ist der Glanz eine wichtige Kenngröße zur Bestimmung der Qualität von Papier. Figur 2 zeigt in stark vergrößerter Darstellung und schematisch einen Querschnitt durch Papier. Papier besteht aus einer Art Matrix-Anordnung fein zerteilter Holz-Zellulosefasern 44, welche willkürlich angeordnet sind und von einem Füllmaterial 46 umgeben sind, welches Stärke mit etwas verteilter Feuchtigkeit 45 enthält. Fein gemahlener Ton bildet Schichten 41 und 43 auf den beiden Flächen des Papiers. In der Regel hat das innere Füllmaterial eine Stärke von 2,5 7,5.10"^ cm (1 - 3 mil)* während die. Tonschichten 41 und 43 eine Stärke von etwa 0,6.10- cm (0,25 mil) haben. In Figur 2 sind parallele Lichtstrahlen 47 gezeigt, welche auf die obere Fläche des Papiers auftreffen, und man erhält spiegelbildlich von dem % Papier reflektierte Lichtstrahlen 50 und diffus von dem Papier reflektierte Lichtstrahlen 49. Wie man aus Figur 2 erkennt, ist die Gesamtintensität des von dem Papier reflektierten Lichtes eine Funktion nicht nur des von der oberen Fläche der Tonschicht 41 reflektierten Lichtes, sondern auch des von der Grenzschicht zwischen Schicht 41 und Füllmaterial 42 reflektierten Lichtes und des von den Zelluloseholzfasern 44 inerhalb des Papiers reflektierten Lichtes. Außerdem wird naturgemäß etwas Licht von der Stärke 46 und der Feuchtigkeit 45 innerhalb des Füllmaterials

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reflektiert. Auch gelangt ein bestimmter Betrag des Lichtes durch das Papier hindurch, und es wird etwas Licht von anderen Unregelmäßigkeiten im inneren Aufbau des Papiers reflektiert. Wenn der auftreffende Lichtstrahl schmal genug ist, ändert sich der Betrag des reflektierten Lichtes abhängig davon, ob eine Holzfaser 44 unmittelbar unter den auftreffenden Strahlen liegt oder ob Füllmaterial 46 sich unter diesen Strahlen befindet. In der Regel ist jedoch der reflektierte Lichtstrahl mehrfach breiter als die stärksten Holzfasern 44 innerhalb des Füllmaterials 42, so daß das reflektierte Licht einen Durchschnittswert der in dem beleuchteten Teil des Papiers vorhandenen Holzfasern repräsentiert. Die Abtasteinheiten, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden, sprechen jedoch sehr schnell an, etwa in der Größenordnung von einigen MikrοSekunden, so daß sie schnelle Änderungen der Intensität des spiegelnd reflektierten Lichtes feststellen. Solche Änderungen können beispielsweise durch plötzliche Veränderungen in dem Holzfasergehalt des Papiers oder in den Oberflächeneigenschaften des Papiers verursacht sein. Durch Änderungen dieser Art erhält das Papier eine fleckige Struktur. Wenn man den Durchmesser des Lichtstrahls herabsetzt, liefert das erfindungsgemäße System Glanzmessungen von immer kleiner werdenden Teilen des Papiers, bis schließlich die Glanzmessungen eine zuverlässige Auskunft geben über den Gehalt des Papiers an Holzfasern und die Verteilung der Holzfasern in dem Papier.

Die Verwendung von Fotodioden mit optimaler spektraler Empfindlichkeitsverteilung in der Nähe des Infrarotgebietes, wie es in Figur 3 dargestellt ist, hat den Vorteil, daß Lichtquelle 1 (Figur 1) mit einer niedrigen Spannung betrieben werden kann und trotzdem denjenigen Energiebdrag liefert, welcher für repräsentative Glanzmessungen erforderlich ist. Figur 4 zeigt die Energieverteilung über der Wellenlänge einer Glühlampe üblicher Bauart.

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Aus dieser Figur ist erkennbar, daß das Maximum der Energie im nahen Infrarotgebiet erzeugt wird, wo das Licht Wellenlängen von 0,75 - 1»1 Mikron hat. Das bedeutet, daß die Lichtquelle mit etwa 80 % ihrer Nennspannung arbeiten kann, so daß die Lebensdauer der Lampe auf etwa das Zwanzigfache gesteigert wird, während gleichzeitig die benötigte Energie für die Fotodioden der Abtasteinheiten zur Verfügung gestellt wird. Außerdem wird jede zeitliche Änderung der Intensität des Lichtes aus Lichtquelle 1 (Figur 1) automatisch kompensiert in der logischen Schaltung des Rechners 3t wobei naturgemäß vorausgesetzt ist, daß die Intensitätsänderungen in allen drei Lichtwegen 10, 20 und 30 gleich sind.

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Claims

/I

Ansprüche

Glanzmeßeinrichtung zur Messung des Glanzes einer Oberfläche, mit einem ersten Lichtweg, welcher eine erste Abtasteinheit zur kontinuierlichen Feststellung des Betrages des von einer Lichtquelle gelieferten und der Oberfläche reflektierten Lichtes und zur Erzeugung eines ersten, für das von der Oberfläche reflektierte Licht repräsentativen Zwischensignals aufweist, und einem zweiten Lichtweg mit einer zweiten Abtasteinheit zur kontinuierlichen Feststellung des von der Lichtquelle gelieferten und durch eine Umgebung, welche der von dem Licht im ersten Lichtweg durchlaufenen Umgebung äquivalent ist, geleiteten Lichtes und zur Erzeugung eines zweiten, für das im zweiten Lichtweg weitergegebene Licht repräsentativen Signals, gekennzeichnet durch einen dritten Lichtweg mit einer dritten Abtasteinheit zur kontinuierlichen Feststellung des Betrages des von einem Glanz-Bezugsnormal reflektierten Lichtes und zur Erzeugung eines dritten, für das von dem Glanz-Bezugsnormal reflektierte Licht repräsentativen Zwischensignals, und durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung zur kontinuierlichen Verarbeitung des ersten, des zwiten und des dritten Zwischensignals zur Erzeugung eines von Verunreinigungen der Umgebung im ersten Lichtweg unabhängigen Maßes des Glanzes des gemessenen Materials.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, cbdurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ihre maximale Energie im Infrarotgebiet abgibt, und daß die Abtasteinheiten überwiegend auf Infrarotstrahlung ansprechen·
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsvorriohtung folgende Teile enthält: einen ersten Verstärker zur Aufnahme des zweiten und des dritten

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Zwischensignals und zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignals, welches der Differenz zwischen dem zweiten und dem dritten Zwischensignal proportional ist, die für die Wirkung von Umgebungsverunreinigungen auf das von der ersten Abtasteinheit festgestellte Licht repräsentativ ist,

einen zweiten Verstärker zur Erzeugung eines für die Differenz zwischen dem ersten Zwischensignal und einem Bezugssignal repräsentativen zweiten Ausgangssignals, welches die Wirkung von Umgebungsverunreinigungen oder eine Abweichung vom Nennwert.des Glanzes des das Licht im ersten Lichtweg reflektierenden Materials wiedergibt,

und einen dritten Verstärker zum Vergleichen des ersten und des zweiten Ausgangssignals und zum Erzeugen eines dritten Ausgangssignals, welches allein für die Wirkungen der Abweichung des Glanzes des im ersten Lichtweg reflektierenden Materials von dem Glanz-Bezügsnormal repräsentativ ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3$ dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle, das Bezugsnormal und die erste, die zweite und die dritte Abtasteinheit innerhalb eines dichten Gehäuses untergebracht sind,
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Lichtweg je eine Kollektivlinse und eine Fokussierungslinse enthalten, daß der erste und der zweite Lichtweg Fenster in dem Gehäuse aufweisen« durch welche das Licht in den beiden Lichtwegen zuerst aus dem Gehäuse in die Umgebung und dann von der Umgebung zurück in das Gehäuse gelangt, und daß der zweite Lichtweg eine einstellbare Irisblende enthält, welche eine Einstellung des zur zweiten Abtetelnheit gelangenden Lichtbetrages erlaubt.

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