DE2221993B2

DE2221993B2 - Vorrichtung zur messung des feuchtigkeitsgehaltes eines sich bewegenden folienartigen materials

Info

Publication number: DE2221993B2
Application number: DE19722221993
Authority: DE
Inventors: John Joseph San Jose CaUf. Howarth (V.StA.)
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1971-05-06
Filing date: 1972-05-05
Publication date: 1977-03-24
Also published as: CA947106A; JPS587938B1; DE2221993A1; FI56078C; FI56078B; NO146451B; CH553977A; SU772499A3; NO146451C; GB1367193A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes eines sich bewegenden folienartigen Materials, das im wesentlichen Strahlung zerstreuende und absorbierende Eigenschaften aufweist, wobei eine Veränderung der optischen Eigenschaften des folienartigen Materials eine ungenaue Feuchtigkeitsmessung zur Folge haben kann, und die Vorrichtung eine Strahlungsquelle aufweist, die mindestens in einem Spektralband Strahlung aussendet, das verhältnismäßig empfindlich für die Absorption durch Wasser ist, sowie in einem weiteren Spektralband, das verhältnismäßig unempfindlich gegenüber der Absorption von Wasser ist, wobei beide Spektralbänder empfindlich gegenüber der Zerstreuung und Absorption der Strahlung durch die Bestandteile, außer der Feuchtigkeit, des folienartigen Materials sind, und die Vorrichtung einen Detektor für die Erfassung von zumindestens einem Teil der Strahlung aus den genannten Spektralbändern aufweist

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, mitteis derer insbesondere der Feuchtigkeitsgehalt eines sich bewegenden folienartigen Materials gemessen werden kann und die bei hoher AnsprechempFindlichkeit gegenüber dem Feuchtigkeitsgehalt von leichtem Folienmaterial unempfindlich gegenüber veränderlichen Grundgewichten und Faserzusammensetzungen ist

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Vorrichtung, die durch einen von dem folienartigen Material zu durchlaufenden Spalt zwischen den beiden mit reflektierenden Belägen überzo genen Führungsflächen bildenden Oberflächen zweier Meßköpfe und durch zwei zueinander versetzt angeordnete öffnungen, von denen die eine zu der Strahlungsquelle und die andere zu dem Detektor führt, die beiden Führungsflächen oder eine der beiden Führungsflächen durchsetzen, gekennzeichnet ist.

Mittels dieser Vorrichtung werden erhebliche meßtechnische Fortschritte erzielt, wie Verringerung der Anfälligkeit der Vorrichtung gegenüber dem Flattern des sich bewegenden folienartigen Materials, Beseitigung der durch die Ansammlung von Staub oder anderen Stoffen auf dem folienartigen Material oder in der Meßvorrichtung verursachten Meßfehler. Verringerung der Anfälligkeit de Meßjjenauigkeit gegenüber senkrechter ode»· seitlicher Verschiebung der Strahlungsquelle und des Detektors, Vereinfachung der Eichung durch den Verzicht auf besondere Filter und Verringerung des Einflusses der Struktur des gemessenen Materials, wie z.B. Fasereigenschaften oder Beschichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich auch für die Messung anderer Masseneigenschaften von folienartigem Material, wie z. B. der chemischen Zusammensetzung desselben, anwenden.

Diese Vorteile sind mit den bekannten Vorrichtungen nicht zu erzielen. So wird zwar mit der Vorrichtung gemäß der US-PS 34 55 637 eine fortlaufende Trübungsmessung angestrebt, wobei die diffus reflektierende Oberfläche durch eine nach Art eines Spiegels reflektierende Oberfläche einer verspiegelten Halbkugel ersetzt werden soll, mit deren Hilfe aber lediglich eine wiederholte Reflektion zwischen dieser und der folienartigen Bahn erzielt wird. Ferner läßt sich mit dieser Vorrichtung eine vollständige Diffusion nur bei schweren Folienarten erzielen. Da die Innenseite des halbkugelförmigen Spiegels stumpf geschwärzt ist, wirkt sie lichtabsorbierend, so daß bei dünnem Folienmaterial keine wesentliche und wiederholte Diffusion stattfinden kann.

Eine weitere, nach der DT-GM 19 87 406 bekannte Vorrichtung weist ein kompliziertes, störanfälliges Meßsystem auf, bei dem der Lichtstrahl gebündelt und senkrecht auf das Meßgut auftrifft. Nicht zu vermeidende Anhäufungen von Staub oder Änderungen der Materialstrukfjr verfälschen bei dieser Vorrichtung das Meßergebnis.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des Wassergewichtes von Papier in einer schaubiidlichen Ansicht,

F i g. 2 zeigt die Vorrichtung nach F i g. 1 in einem Querschnitt entlang der Linie 2-2,

F i g. 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß der F i g. 1 in einem Querschnitt entlang der Linie 3-3,

F i g. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß F i g. 2,

Fig.5 und 6 zeigt grafische Darstellungen des Zusammenhanges zwischen Papiergewicht und dem Infrarotstrahlungsverhältnis zur Erläuterung des durch die Erfindung erzielten Fortschritts.

In F i g. 1 ist eine Abtastvorrichtung 10 dargestellt, die ein Gestell 11 aus zwei in einem gegenseitigen Abstand zueinander parallelen Trägern, nämlich einem oberen und einem unteren Querträger 12 bzw. 13 aufweist, die quer zu dem bei 14 angedeuteten folienartigen Materia! oder Papier 14 ausgerichtet sind. Das Papier 14 durchläuft die Abtastvorrichtung 10 in Richtung des Pfeils 16. Das Gesiell 11 trügt einen oberen und einen unteren Meßkopf 17 bzw. 18, und diese Meßköpfe sind in Gestellängsrichtung, d. h. quer zu der Folie oder dem Papier 14 verfahrbar.

Die Folie oder das Papier 14 durchläuft einen zwischen Folien- oder Papierführungen 17a und 18a gebildeten Spall 19. Der untere Meßkopf 18 enthält eine Strahlungsquelle, die Strahlung emittiert, welche auf die Folie oder das Papier 14 auftrifft. Die Energie der von der Folie oder dem Papier 14 geschwächten Strahlung wird vermittels eines in dem Meßkopf 17 angeordneten Strahlungsdetektors ermittelt.

Die Einzelheiten dieser Anordnung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt, aus welche- ersichtlich ist, daß die ebene Papierführung 17a eine zu einem Detektor führende öffnung 21, und die ebene Papierführung 18a eine zu einer Strahlungsquelle führende öffnung 22 aufweist. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt oder das Wassergewicht von Papier gemessen werden soll, wird eine Infrarotstrahlungsquelle verwendet, die Strahlung in den Wellenlängenbereichen von 1,8 μιη und 1,94 μιη emittiert. Die Verwendung dieser Frequenzen zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Papier ist an sich bekannt. Die Strahlungsquelle und der Detektor sind in Verbindung mit ihren entsprechenden öffnungen 21 und 22 in Richtung der zueinander parallelen, ebenen Führungen 17a, 18a in der dargestellten Weise versetzt zueinander angeordnet.

Beide Führungen 17a und 18a weisen an ihrer ebenen Oberfläche jeweils einen reflektierenden Belag auf, der so beschaffen ist, daß er die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung reflektiert. Das ist in F i g. 3 angedeutet, aus welcher ersichtlich ist, daß die Führung 18a einen reflektierenden Belag 23 aufweist. In entsprechender Weise ist die Führung 17a mit einem reflektierenden Belag 24 versehen. Der reflektierende Belag ist vorzugsweise sehr hart, hochreflektierend, hochglanzpoliert und bildet daher eine für manche Zwecke leicht zu reinigende Oberfläche. Die Oberflächen der Papier- oder Folienführungen 17a und 18a können aus anodisiertem Aluminium bestehen. In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine nichtspiegelnd reflektierende Oberfläche zu verwenden. So kann die reflektierende Oberfläche beispielsweise aus einer (>s Spiegelfläche mit einer durchscheinenden Beschichtung aus Quarz, Glas oder einem keramischen Stoff bestehen. Die Oberflächen brauchen auch nicht eben und zueinander parallel zu sein. Mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen lassen sich leicht gewünschte und unterschiedliche optische Eigenschaften erzielen. So können die Flächen eine scheibenförmige oder vollkommen unregelmäßige Formgebung aufweisen. Jede reflektierende Fläche, welche die von der Quelle abgegebene Strahlung auf das Papier oder die Folie zurückwirft, kann verwendet werden.

Die von der Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung gelangt über komplexe Strahlungswege 26, die durch die gestrichelten Linien teilweise angedeutet sind, zu dem Detektor. Die zunächst auf die Folie oder das Papier 14 auftreffende Strahlung tritt teilweise durch das Material hindurch und wird teilweise an diesem reflektiert. An den Flächen, d. h. den Belägen 23 und 24, wird die Strahlung wiederum zu dem Material hin reflektiert und von diesem wiederum teilweise durchgelassen und teilweise reflektiert.

Die mittlere Häufigkeit, mit welcher die Strahlung auf ihrem Weg von der Quelle zu dem Detektor das Material durchläuft, läßt sich durch entsprechende Bemessung der Geometrie der Vorrichtung ohne weiteres auf einen bestimmten Wert bringen. Auf diese Weise läßt sich jede gewünschte scheinbare Papieroder Foliendicke einstellen.

Die Empfindl· .ikeit gegenüber Feuchtigkeit nimmt bis zu einem bestimmten Papier- oder Grundgewicht, zu. Oberhalb dieses kritischen Werts bleibt die Empfind lichkeit im wesentlichen konstant. Um daher eine Unempfindlichkeit gegenüber dem Grundgewicht zu erhalten. wirJ ein Papiergewicht simuliert, das schwerer ist als der kritisc'ie Wert.

F i g. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Papiergewicht und dem Infrarotstrahlungsverhältnis. Die ausge zogene Linie zeigt das vermittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare und verhältnismäßig hohe Ansprechvermögen, das sich durch Verwendung der Flächen 23 und 24 und die Versetzung zwischen Quelle und Detektor ergibt, so daß die Strahlung mehrfach durch das Papier 15 hindurchtreten muß. Der größere Neigungswinkel der ausgezogenen Linie im Vergleich zu dem der gestrichelten Linie veranschaulicht sehr gut die höhere Ansprechempfindlichkeit. Die gestrichelte Linie der F i g. 5 steht für eine Kennlinie bekannter Vorrichtungen, mit denen nur verhältnismäßig hohe Wassergewichtsänderungen feststellbar sind. Die einer verhältnismäßig hohen Unempfindlichkeit entsprechende und in gestrichelten Linien dargestellte Kennlinie wird mit herkömmlichen Feuchtigkeitsmeßgeräten für dünnes folienartiges Material, wie z. B. Zellstoffgewebe, erhalten und erklärt sich daraus, daß die von der Quelle abgegebene hohe Strahlungsenergie das folienartige Material auf dem Wege zu dem mit de^r Quelle ausgerichteten Detektor (der in diesem Falle nicht versetzt angeordnet ist) nur ein einziges Mal durchläuft. Daher bewirkt das folienartige Material lediglich eine unzureichende Dämpfung oder Schwächung der Strahlung.

Das von dem Detektor gelieferte und als Anzeige des Wassergewichts dienende Endverhälinis wird entsprechend dem tatsächlichen Wassergewicht des Materials in bekannter Weise unter Verwendung von Filtern genormt und geeicht, die einen bekannten Feuchtigkeitsgehalt simulieren, urr, die Eichung periodisch auf den letzten Stand zu bringen.

Aufgrund der Meßtechnik bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nicht nur die auf geringe Stärke vor, folienartigem Material zurückzuführenden

Schwierigkeiten beseitigt, sondern die Meßvorrichtunp wird auch unempfindlich gemacht gegenüber anderer, Parametern des gemessenen folienartigen Materials, wie z. B. dessen Grundgewicht oder Faserzusammensetzung. Das ist in Fig.6 dargestellt, in welcher die 5 ausgezogene Linie wiederum eine Kennlinie des Wassergewichts in Abhängigkeit von dem Strahlungsenergieverhältnis bei 1,8 und 1,94 μιτι bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. Die gestrichelten Kurven zeigen Ergebnisse mit bekannten _I0 Vorrichtungen, bei denen entweder das Grundgewicht des Papiers oder die Faserzusammensetzung einen zu fehlerhaften Ergebnissen führenden Parameter darstellt, wenn dieser unberücksichtigt bleibt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher auch zur ,_s Messung dickerer Materialien, bei denen in bekannten Vorrichtungen das Grundgewicht als Parameter bei der Messung des Feuchtigkeitsgehalts berücksichtigt werden mußte. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Parameter des Gnindgewichts eliminiert. Das ₂₀ gleiche trifft auch auf Fasertypen zu, d. h., die Feuchtigkeitsmessung wird nicht davon beeinflußt, ob der Papierbrei durch chemischer Zerkleinerung oder mechanisches Zermahlen hergestellt worden ist.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung wurde 25 gefunden, daß sowohl der Versatzabstand zwischen Quelle und Detektor als auch die Breite des Spalts 19 zwischen den Folien- oder Papierführungen verhältnismäßig unkritisch sind, vorausgesetzt, der kritische Grenzwert in bezug auf das effektive Papiergewicht ist 30 überschritten. Der bevorzugte Abstand für die meisten Papiere beträgt 50 mm, und die Spaltbreite etwa 12,7 mm.

In Fig.4 ist eine weitere Ausführungsform der Anordnung von Quelle 5 und Detektor D dargestellt, die 35 jeweils in Verbindung mit der öffnung 28 bzw. 29 in einer Papierführung 30 stehen. In diesem Falle befinden sich jedoch die öffnungen auf der gleichen Stite des Folienmaterials 14 und nicht auf entgegengesetzten Seiten wie bei der Anordnung nach Fig. 2. Die Versetzung ist jedoch nach wie vor vorhanden. Wenn eine reflektierende Folien- oder Papierführung 31 mit einer reflektierenden Oberfläche 32 verwendet wird, ergeben sich das Papier oder die Folie 14 in beiden Richtungen kreuzende Strahlungswege 33, wobei die Strahlung in gleicher Weise wie in Verbindung mit der Ausführungsform der F i g. 2 beschrieben gestreut und absorbiert wird. In einigen Fällen, insbesondere für besonders schwere Papiere kann die reflektierende oberfläche 32 in Fortfall kommen und nur eine einzige reflektierende Oberfläche auf der Führung 30 vorgesehen sein. Dann ergibt sich der dargestellte Strahlungsweg 34, wobei die reflektierenden Eigenschaften der Folie oder des Papiers 14 und nicht die Durchlässigkeitseigenschaften desselben zur Anzeige der gemessenen Eigenschaften verwendet werden. Bekanntlich läßt sich eine Eigenschaft entsprechend dem Beerschen Gesetz anhand der von einem beliebigen Folienwerkstoff oder einem anderweitig beschaffenen Material durchgelassenen Strahlung oder auch anhand der von dem Material reflektierten Strahlung messen.

Die in Fig.4 dargestellte Ausführungsform wirkt in ähnlicher Weise bei schweren Papieren, wobei jedoch die Versetzung den Wirkungsgrad etwas verringert.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit die bei ihrem Durchgang oder bei der Reflexion durch bzw. an folienartigem Material 14 geschwächte oder absorbierte Strahlung in der Weise reflektiert, daß die Strahlung auf ihrem Weg zu dem Detektor in mehrfache Berührung mit dem folienartigen Material kommt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

933

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes eines sich bewegenden folienartigen Maierials, das im wesentlichen Strahlung zerstreuende und absorbierende Eigenschaften aufweist, wobei eine Veränderung der optischen Eigenschaften des folienartigen Materials eine ungenaue Feuchtigkeitsmessung zur Folge haben kann, und die Vorrichtung eine Strahlungsquelle aufweist, die mindestens in einem Spektralband Strahlung aussendet, das verhältnismäßig empfindlich für die Absorption durch Wasser ist, sowie in einem weiteren Spektralband, das verhältnismäßig unempfindlich gegenüber der Absorption von Wasser ist, wobei beide Spektralbändt·· empfindlich gegenüber der Zerstreuung und Absorption der Strahlung durch die Bestandteile, außer der Feuchtigkeit, des fofienartigen Materials sind, und die Vorrichtung einen Detektor für die Erfassung von zumindestens einem Teil der Strahlung aus den genannten Spektralbändern aufweist, gekennzeichnet durch einen von dem folienartigen Material (14) zu durchlaufenden Spalt (19) zwischen den beiden mit reflektierenden Belägen (23, 24) überzogenen Führungsflächen (17a, \%a) bildenden Oberflächen zweier Meßköpfe (17, 18). und dadurch, daß zwei zueinander versetzt angeordnete öffnungen, von denen die eine (22 bzw. 28) zu der Strahlungsquelle (S) und die andere (21 bzw. 29) zu dem Detektor (D) führt, die beiden Führungsflächen (17a, \%a) oder eine (30) der beiden Führungsflächen durchsetzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Oberflächen parallel zueinander angeordne* und spiegelnd sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und nicht spiegelnd sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Strahlungsquelle (S) und der Detektor (D) auf derselben Seite des folienartigen Materials (14) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und der Detektor auf einander gegenüberliegenden Seiten des folienartigen Materials (14,14') angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle und der Detektor jeweils eine Strahlungsachse bzw. eine Strahlungseinfallachse aufweisen und daß diese Achsen parallel zueinander und gegeneinander versetzt angeordnet sind.

55