DE2214191A1

DE2214191A1 - Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier oder desgleichen mit Hilfe vom Papier reflektierten Lichts

Info

Publication number: DE2214191A1
Application number: DE19722214191
Authority: DE
Inventors: Pauli Keuruu Similä (Finnland). M
Original assignee: Valmet Oy
Current assignee: Valmet Technologies Oy
Priority date: 1971-03-23
Filing date: 1972-03-23
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FI45799C; DE2214191B2; US3807868A; FI45799B; DE2214191C3

Description

PATENTANWALTS BÜRO ThOMSEN - T(EDTKE - BüHLING

TEL. «.ID »0211 TELEX: ₈-«303 top* 2 2 H 1 9

PATENTANWÄLTE München: Frankfurt/M.:

Dipl.-Chem. Dr. D. Thomsen Dipl. - Ing. W. Weinkauff

Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchshohl 71) Dipl.-Chem. G. Bühling
Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kaiser-Ludwig-Platz 6 23. März 1972

Valmet Oy
Helsinki, Pinnland

Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier oder desgleichen mit Hilfe vom Papier reflektierten Lichts

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren _t mittels dessen die Faserorientierung in Papier oder dergleichen aus Pasern zusammengesetzten Erzeugnissen bestimmbar ist, indem man vom Papier reflektiertes Licht mißt, das von einer Lichtquelle herstammt, deren Licht hohe Intensität hat und im wesentlichen monochromatisch ist, am geeignetsten Laserlicht.

Unter Faserorientierung versteht man, daß die Pasern des Papiers oder desgleichen nicht gleichmäßig in allen Richtungen in der Ebene des Erzeugnisses angeordnet vorliegen,

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sondern daß gewisse Richtungen in der Mehrheit sind. Die Faserorientierung ist oft der ausschlaggebendste Faktor in der Anisotropie der Festigkeit des Papiers. So verhält es sich insbesondere bei Sackpapieren, da man bei diesen bestrebt ist, die sonst merklich auf die Festigkeitsanisotropie einwirkenden Trocknungsspannungen in Verbindung mit dem Herstellungsgang zu eliminieren, wobei die Bedeutung der Faserorientierung in der Entstehung der Festigkeitsanisotropie noch stärker als zuvor hervortritt.

Im folgenden werden katalogmässig auf die Entstehung einer Faserorientierung einwirkende Faktoren in der Papiermaschine angeführt: Wenn die Masse aus dem Stoffauslaufkasten ausfließt, wird Orientierung in erster Linie durch die Formgebung des Lippenteils und die gegenseitige Lage der Unter- und Oberlippe bewirkt. Wenn die Masse auf das Sieb auftrifft, wird Orientierung durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Massestrahl und dem Sieb hervorgerufen, und dies wird allgemein auch zum Verändern der Orientierung herangezogen. Orientierung ergibt sich auch aus der Geschwindigkeit der Entwässerung und aus dem Rütteln des Siebs. Man hat auch gefunden, daß die Faserlänge in einigen Fällen Einfluß auf die Entstehung der Orientierung hat.

Das Ermitteln der Faserorientierung ist vor allem bei Sackpapieren und Karton wichtig, da man weiß, daß sie bei Sackpapieren in Korrelation zur Zerreißfestigkeit steht, und bei Karton führt Zunahme oi*r Fd^e <r Orientierung bekanntlich

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Verschlechterung der Dimensionsstabilität und des spezifischen Volumens ("bulk") herbei.

Eine Anzahl von Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung ist zuvor bekannt. Von diesen können die verschiedenartigen Zerreißfestigkeitsprüfungen erwähnt werden, mittels deren die Zerreißfestigkeiten in verschiedenen Richtungen des Papiers gemessen werden. Verwendbare Resultate werden nach diesen Verfahren nur dann erzielt, wenn starke Korrelation zwischen der Zerreißfestigkeit und der Orientierung besteht, und dies ist nicht immer der Fall. Als nächstes kann das Färbeverfahren angeführt werden, worin der Masse gefärbte Fasern zugegeben werden und die in verschiedenen Richtungen liegenden Fasern einzeln gezählt werden. Das Verfahren ist umständlich, und es fällt schwer, kommerzielle Qualitäten zu prüfen.

Es sind auch verschiedene auf der Diffraktion basierende Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung angegeben worden, wie z. B. die Röntgen- und Neutronendiffraktionsverfahren, die jedoch noch nicht genügend ausprobiert und bezüglich ihrer endgültigen Tauglichkeit ausgewertet sind. Als prinzipielle Schwierigkeit begegnet man den Fragen betreffs der Deutung der erhaltenen Diffraktionsbilder. Ultraschallverfahren sind ebenfalls angewandt worden: als Beispiel dient das Verfah ren nach der finnischen Patentschrift Nr. k2 kQ2_t das sich auf das Erzeugen von Durchbiegungswellen im Papier gründet. Von den Vorzügen des Verfahrens sei die Möglichkeit der Messung an

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der laufenden Papiermaschine ("on line") und von seinen Nachteilen die Schwierigkeiten beim Messen dünner Papiersorten erwähnt. In der USA-Patentschrift Nr. 2.509.068 ist ein polarimetrisches Verfahren angegeben, von dem jedoch keine Anwendungen zu sehen gewesen sind.

Zuvor bekannt sind ebenfalls Verfahren zur Messung der Orientierung, die sich des Laserlichts bedienen, xvie z.B. das Verfahren von Sjölin und Rudström (Svensk Papperstidn. 5, 1970), das sich auch auf Diffraktion gründet. Der Anwendung des Verfahrens stellen sich als Schwierigkeiten die Dicke des Papiers und die Nichteignung zu Messungen an der laufenden Maschine entgegen. In einem zweiten Verfahren (TAPPI 12/70, S. 231^-2319) hat man Laserlicht zur Untersuchung der Orientierung bei Kondensatorpapier angewandt, indem mit einem Laserstrahl ein sehr dünnes Papier durchstoßen wird, das sich in einem drehbaren Halter befindet, und von der entstandenen Kleinstreuungsfigur gemachte photographische Aufnahmen betrachtet werden, die anschließend photometrisch ausgemessen werden. Nach diesem Verfahren ist es gelungen, die Orientierung in Kondensatorpapier zu bestimmen. Nachteile sind die zeitraubende Ausführung und Nichteignung zur Anwendung an der laufenden Maschine sowie die Eignung ausschließlich bei dünnen Papieren.

Der Ausgangspunkt für das Verfahren nach der Erfindung bestand aus dem Bedürfnis, ein zuverlässiges, zur Anwendung "on line" an der Papiermaschine geeignetes Messverfahren der Faserorientierung zu entwickeln, mittels dessen genauer als

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zuvor die Korrelationen zwischen den oben besprochenen sowie weiteren Faktoren und der Faserorientierung kartiert werden könnten und das später zur automatischen Regelung der Papiermaschine angepaßt werden könnte. Das Verfahren in seiner einfachen Form eignet sich auch gut zur Anwendung bei Labormessungen.

Das Verfahren nach der Erfindung ist in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisiertes Lichtbündel, am geeignetsten ein Laserstrahlbündel, senkrecht auf die Ebene des Papiers gerichtet wird, daß die Intensität des vom Papier in zwei zueinander senkrechten Ebenen unter einem gewissen Winkel zur Papierebene reflektierten Lichts so beobachtet wird, daß aus der Intensität des reflektierten Lichts zwei Größen gebildet werden, von denen die eine erhalten worden ist, indem man das reflektierte Licht durch einen Polarisator mit einer zur Polarisationsebene des Lichtbündels parallelen Polarisationsebene leitet, und die andere Größe erhalten worden ist, indem man das reflektierte Licht durch einen Polarisator mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels senkrechter Polarisationsebene leitet, und daß man die Differenzen der in beiden Ebenen wahrgenommenen Größen bildet, deren Verhältnis und/oder Differenz als Maß für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt benutzt wird.

Die Erfindung und die mit ihrer Hilfe erzielbaren Vorteile werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 das Prinzip einer das Verfahren nach der Erfindung in Anwendung bringenden Meßvorrichtung in der Seitenansicht, wobei Fig. 1 zugleich einen Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 2 darstellt;

Fig. 2 die Meßvorrichtung von oben gesehen;

Fig. 3 ein Blockschema der Logikkreise zur Verarbeitung der gemessenen Größen.

Die Grundlage des Verfahrens nach der Erfindung ist die Reflexion des Lichts gemäß den Drechungsgesetzen. Wenn man sich vorstellt, daß das Lichtbündel eine idealisierte, langgestreckte Faser mit zylindrischer Oberfläche senkrecht zu ihrer Längsachse trifft, so finden Reflexionen von der Faser nur geradeaus zur Seite und überhaupt nicht in der Längsrichtung statt. Stellt man sich ein aus solchen idealisierten Fasern zusammengesetztes, völlig orientiertes "Papier" vor, in dem sämtliche Fasern in der gleichen Richtung, z. B. in der Maschinenrichtung liegen, dann würde man bei senkrechter Beleuchtung des Papiers in der transversal gerichteten Vertikalebene eine kräftige Reflexion erhalten, und ih der Ebene in der Maschinenrichtung würde sich überhaupt keine Reflexion offenbaren. Papier hat nie eine derart eindeutige Struktur, und die Fasern liegen nicht einmal stets parallel zur Papieroberfläche; dessen ungeachtet erhält man ein recht zuverlässiges Maß für die Faserorientierung mittels eines Verfahrens, das die oben darge-

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stellte Idealisierung zur Grundlage hat.

Der Fig. 1 gemäß wird das Papier 2 mit einem von der Lichtquelle 1 - am geeignetsten einem Laser - kommenden polarisierten Laserstrahlbündel L·. beleuchtet, das mit Hilfe eines Teleskops so ausgebreitet worden ist, daß sein Durchmesser beispielsweise etwa 1,5 cm beträgt. Das Lichtbündel Ij_ trifft auf das zu untersuchende Papier 2, wie z. B. auf die bewegte Bahn in einer Papiermaschine, im Punkt 3, wo Reflexion in allen Richtungen stattfindet. Die das reflektierte Licht wahrnehmenden Organe sind in zwei zueinander senkrechten Ebenen P und K anzubringen, die beide zur Ebene des Papiers 2 senkrecht stehen und die sich im Punkt 3 schneiden, wo das Lichtbündel I_T auftrifft. Es ist wahrgenommen worden, daß die größte Trennschärfe mit dem Verfahren erzielt wird, wenn man die Intensität des unter einem Winkel (<x) von etwa 45 Grad reflektierten Lichts mißt. In dem reflektierten Licht, dessen Intensität gemessen wird, besteht ein Teil aus solchem Licht, das von den Fasern nach dem oben dargestellten Prinzip geradeaus zur Seite reflektiert worden ist, aber ein Teil ist solches Licht, das tiefer in das Innere des Papiers eingedrungen und mehrfach reflektiert worden ist, wobei sich zugleich dessen Polarisationsebene geändert hat, so daß sie willkürliche Verteilung aufweist. Diese verschiedenen Komponenten werden voneinander durch Heranziehung von Polarisatoren 6 und 7 getrennt, wobei man in erster Linie dasjenige Licht abtrennen kann, das von den Fasern in der Oberflächenschicht stammt und das seine ursprüngliche Polarisationsebene beibehalten hat. Hierzu wird

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das reflektierte Licht in zwei Komponenten mit im wesentlichen gleich großer Intensität mit Hilfe eines Strahlenteilers, wie z. B. eines Winkelspiegels 4, aufgeteilt. Die erste Komponente wird durch einen Polarisator 6 geschickt, dessen Polarisationsebene mit der ursprünglichen Polarisationsebene des Lichtbündels I^ parallel ist. Die derart gewonnene Strahlkomponente ist mit I,, und I_p bezeichnet worden; in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel beobachtet man zwei Werte von I_K und Ip , nämlich I_K1» I_K2 ^{und 1}Pi* ^V2' ^D*^ese Komponenten enthalten indessen eine solche reflektierte Lichtkomponente, die nicht die ursprüngliche Polarisationsebene beibehalten hat, sondern die unpolarisiert ist, so daß ihre Polarisationsebenen im wesentlichen auf alle Richtungen gleichmässig verteilt sind. Um eine Probe von dieser Komponente zu erhalten, wird die mittels des Strahlenteilers 4 erzielte zweite Komponente durch einen Polarisator 7 geschickt, dessen Polarisationsebene auf derjenigen des Lichtbündels Iy senkrecht steht. Die auf diese Weise gewonnene Strahlenkomponente ist mit R_K und Rp bezeichnet worden, und dementsprechend beobachtet man R_K1» R_K2 ^un(^ ^pi» ^p?*

Sämtliche oben besprochenen Strahlenkomponenten I„, Ip und R_K, Rp werden Detektoren 5 zugeleitet, die z.B. aus pyroelektrischen, photoelektrischen oder dergleichen Detektoren bestehen. Von diesen Detektoren werden elektrische Signale bezogen, die zu der Intensität der auf sie auftreffenden Strahlenkomponente proportional sind, und für welche entsprechendermaßen die Bezeichnungen i_K, i_p und r„, r_p gelten. Da in der Strahlenkorr.ponente I aus oben angegebenen Gründen auch R

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inbegriffen ist, muß man eine zur Differenz I-R dieser verhältnisgleichen Größe bilden, um die tatsächliche von der Papieroberfläche reflektierte Komponente zu ermitteln. Dies geschieht, indem man die einander entsprechenden Signale i_K1, r_K1 usf. Differenzgliedern zuführt (Fig. 3), aus denen man ihre Differenzen \_νΛ - r„„ usf. erhält, die mit e_VA _o

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und e„> ρ bezeichnet worden sind. Da die im Prinzip gleichen Differenzen zweimal gemessen worden sind, werden die Mittel aus den Differenzen e„. und e„, sowie aus den Differenzen e_pi und ePp gebildet, durch die man z.B. den aus der Zerknitterung des Papiers auf die Messergebnisse erwachsenden Einfluß eliminieren kann. Selbstverständlich kann man die Differenzen e_K und e_p auch nur einmal messen. In der nächsten Phase wird das Verhältnis e„/ep der Differenzen e« und e_p bzw. ihrer Mittel gebildet, welches einer Anzeigevorrichtung,wie z.B. einem Zeigerinstrument oder einem Schreiber, zugeführt wird und welches als Maß für die Faserorientierung des Papiers 2 verwendet wird. In einigen Fällen dürfte es angängig sein, die Differenz e_v - e_D als entsprechendes Maß zu verwenden. Wenn

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das besagte Verhältnis e_K/e_p = 1 ist, kann man annehmen, daß das Papier völlig orientierungsfrei ist, und bei zunehmendem Verhältnis nimmt die Orientierung, im vorliegenden Fall diejenige in der Maschinenrichtung, zu.

Im Verfahren wird eine polarisierte Lichtquelle 1 verwendet, die ein Lichtbündel I_L mit hoher Intensität abgibt, welches im wesentlichen monochromatisch ist. Laserlicht ist zur Anwendung besonders gut geeignet, da man bei Anwendung desselben

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mit Leichtigkeit genügend hohe Intensität auch in den Reflexionen erzielt, wodurch die Störeinflüsse vermindert werden oder mit anderen V/orten das Signal/Rauschverhältnis gesteigert wird. Ferner ist Laserlicht an sich monochromatisch und auch kohärent. Die Anwendung von Laserlicht macht das Bauen der Optik leichter, und die Wahl der Detektoren bereitet keine Schwierigkeiten. Was die mechanische und elektronische Ausführung des Verfahrens anbelangt, so besteht eine Ausführungsform aus einer Konstruktion, in der die Strahlenteiler 4 und Detektoren 5 an einer halbkugelförmigen Kuppel 8 befestigt sind, die an geeigneten Stellen Öffnungen für den Laserstrahl I^ bzw. eine Montagestelle für seine Optik sowie Öffnungen für die das Meßobjekt darstellenden, vom Papier reflektierten Strahlenkomponenten hat. Die Kuppel 8 kann über der bewegten Papierbahn angebracht werden, und sie schützt vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Licht, Staub und mechanischen Beschädigungen. Betreffs der Elektronik der Vorrichtung is't in Fig. 3 nur das logische Prinzip der Bearbeitung der Messgrößen angezeigt. Der erforderliche Elektronikteil kann auf an sich bekannte Weise ausgeführt werden, indem man Differenzglieder, Addierglieder, Verstärker sowie Filterkreise vorsieht, welche aus dem Meßsignal die hohen Frequenzen bis zu einer gewissen oberen Grenzfrequenz ausfiltrieren, falls dies notwendig ist. Der Elektronikteil ist in seiner einfachen Form ein Analogiegerät, er kann aber auch als Digital-Computer ausgeführt werden.

Nach dem vorbeschriebenen Verfahren und mit der vorbe-Bchriebenen Vorrichtung sind eine Anzahl von Versuchen aus-

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geführt worden, in denen bei Sackpapieren eine deutliche, eindeutige Korrelation zwischen den Zerreißfestigkeitsverhältnissen und dem nach dem Verfahren erzielten Meßergebnis gefunden wurde. Dies ist ein Beweis dafür, daß die mittels des Verfahrens gemessene Größe gerade die Faserorientierung wiedergibt, denn man weiß, daß bei Sackpapier die Faserorientierung einen ausschlaggebenden Faktor in der Entstehung der Festigkeitsanisotropie ausmacht.

Im Vorstehenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden, das sich zur Anwendung bei Messungen "on line" an der laufenden Papiermaschine eignet. In den Schutsbereich der Erfindung fällt jedoch auch eine einfachere Ausfuhrungsform, die in erster Linie bei Labormessungen der Faserorientierung Anwendung hat. Eine das Verfahren anwendende Labormeßvorrichtung kann beispielsweise so ausgeführt werden, daß die zu untersuchende Papierprobe in einem Halter unter einer der Lichtquelle 1 entsprechenden Lichtquelle befestigt wird. Der Detektor für das reflektierte Licht besteht am einfachsten aus einem dem Detektor 5 entsprechenden Detektor und einem vor diesem eingeschalteten einzigen Polarisator, dessen Polarisationsebene im Winkel von 90 Grad veränderbar ist. Dieser gesamte Detektor ist unter einem geeigneten Winkel (.··<) zur Papierprobe angeordnet, und der Detektor oder die Probe ist um eine Achse drehbar angeordnet, die zum Lichtbündel I. parallel läuft. Mit dieser Meßvorrichtung werden die Messungen derart ausgeführt, daß durch Drehen der Papierprobe oder des Detektors um ihre bzw. seine Achse diejenigen Stellen aufgesucht

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werden, wo die maximalen und minimalen Reflexionen vom untersuchten Papier erhalten werden, und diese Maximum- und Minimumstellen befinden sich in der Regel in wesentlich zueinander senkrechten Ebenen. Die Werte der Intensitäten I der Maximum- und Minimumstellen werden mit dem Detektor beobachtet, wobei die Polarisationsebene des Polarisators zu derjenigen des Lichtbündels Ij- parallel ist. Hiernach wird die Polarisationsebene des Polarisators um 90 Grad gedreht und es werden entsprechenderweise die Intensitätswerte R an der Maximum- und Minimumstelle beobachtet, wonach die Differenzen I - R der Intensitätswerte an den Maximum- und Minimumstellen berechnet werden, und aus dem Verhältnis und/oder der Differenz dieser erhält man den Meßwert der Faserorientierung der Papierprobe.

Claims

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Patentansprüche

.)Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung in Papier oder desgleichen durch Messen von vom Papier oder desgleichen reflektiertem Licht, das aus einer Lichtquelle herstammt, deren Licht eine hohe Intensität hat und im wesentlichen monochromatisch ist, vorzugsweise Laserlicht, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) ein polarisiertes Strahlenbündel (It)₄ vorzugsweise ein Laserstrahl, wird senkrecht auf die Ebene des Papiers (2) gerichtet j

(b) die Intensität des unter einem gewissen Winkel (ex) zur Ebene des Papiers vom Papier reflektierten Lichts wird in zwei zueinander senkrechten Ebenen (K und P) beobachtet;

(c) aus der Intensität des reflektierten Lichts werden zwei Größen (I und R) gebildet, von denen die eine (I) erhalten worden ist, indem das reflektierte Licht durch einen Polarisator (6) geschickt worden ist, dessen Polarisationsebene zu derjenigen des Lichtbündels (It) parallel ist, und die andere Größe (R) erhalten worden ist, indem das reflektierte Licht durch einen Polarisator (7) geschickt worden ist, dessen Polarisationsebene zu derjenigen des Lichtbündels (I_T)

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(K und P) beobachteten Größen (I und R) werden gebildet, und das Verhältnis und/oder die Differenz dieser Differenzen wird als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) unter einem Winkel (o<) von im wesentlichen **5 Grad Größe reflektierten Lichts beobachtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisatoren (6 und 7) ein und derselbe Polarisator dient, dessen Polarisationsebene um mindestens 90 Grad drehbar ist.
H. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen (K und P), in welchen das reflektierte Licht beobachtet wird, so gewählt sind, daß in der einen Ebene maximale Reflexion und in der anderen Ebene minimale Reflexion erhalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Strahlenteilers (Ί) das vom Papier (2) reflektierte Licht in zwei Komponenten mit im wesentlichen gleich großer Intensität aufgeteilt wird, von denen die eine in einen Polarisator (6) mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels (I_T) paralleler Polarisationsebene und die andere

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durch einen Polarisator (7) mit zur Polarisationsebene des Lichtbündels (I₁- ) senkrechter Polarisationsebene geschickt wird, und die so erhaltenen Strahlenkomponenten (I und R) zu Detektoren (5) geleitet werden, von deren elektrischen Ausgangsgrößen (i und r) die Differenzen (e_K1 = i_K1 - r_K1, e_pi = Ip₁ - r_pi usw.) gebildet werden und das Verhältnis und/oder die Differenz dieser Differenzen nach Anzeige mittels eines Indikators als Meßwert für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des vom Papier (2) reflektierten Lichts in beiden Ebenen (K und P) zu beiden Seiten des Lichtbündels (I_) unter gleichem Winkel (¹O zur Ebene des Papiers (2) beobachtet wird und das Verhältnis und/oder die Differenz der aus den auf diese V/eise beobachteten Intensitäten hergeleiteten Differenzen*(e_VA und e„_o) sowie den Differenzen (e_D. und e_n~)

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gebildeten Mittelwerte als Maß für die Anisotropie der Faserorientierung im Meßobjekt verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6.in Anwendung zur Messung "on line" an der laufenden Papiermaschine der Faserorientierung., dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsebenen des reflektierten Lichts (K und P) zur Papierbahn senkrechte Ebenen sind, von denen die eine (K) zur Hewegungfirichtung der Papierbahn parallel und die andere (P) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Papierbahn ist.

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