DE2317992A1 - INFRARED MEASUREMENT ARRANGEMENT - Google Patents

INFRARED MEASUREMENT ARRANGEMENT

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DE2317992A1
DE2317992A1 DE19732317992 DE2317992A DE2317992A1 DE 2317992 A1 DE2317992 A1 DE 2317992A1 DE 19732317992 DE19732317992 DE 19732317992 DE 2317992 A DE2317992 A DE 2317992A DE 2317992 A1 DE2317992 A1 DE 2317992A1
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DE19732317992
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Angelo Joseph Campanella
Carl R Soltesz
Paul Williams
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INFRA SYSTEMS Inc
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Description

Infrarotmeßanordnung Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Bestandteilseigenschaften von sich bewegendem, band- oder folienartigem Material. Infrared measuring arrangement The invention relates to an arrangement for measuring of constituent properties of moving, tape or sheet-like material.

Zur Messung von Materialeigenschaften werden Infrarotsysteme verwendet. Sie werden sogar häufig verwendet, da sich das Spektrum, was das Auflösungsvermögen der verschiedenen Materialien betrifft, entsprechend der verfügbaren Information sehr leicht n einzelne Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen aufteilen läßt.Infrared systems are used to measure material properties. In fact, they are often used because the spectrum is what the resolving power of the various materials concerned, according to the information available can be split very easily n individual rays of different wavelengths.

Aus dem US-Patent 2 866 899 ist nun ein System bekannt, bei dem ein Signal mit einer von den interessierenden Eigenschaften absorbierten Wellenlänge im Infrarotspektrum ausgewählt wird. Diese Wellenlänge it die Absortionswellenlänge. Wie aber weiterhin bekannt ist, sind die ausgewählten Wellenlängen nicht völlig selektiv; es kommen überlappende Rauschsignale sowie Inferferenzsignale hinzu, die von anderen Eigenschaften des untersuchten Materials ausgehen. Um diese Interferenzeffekte auszuschalten, werden Vielfachsignale als Referenzsignale verwendet. Das Referenzsignal ist dann Teil eimer mathematischen Berechnung, etwa entsprechend Lambert-Beer, einer Wheatston'schen Brücke, eines Verhältnisrechners, us, Das Absorptionsspektrum eines Materials oder einer Substanz ist die Wertekurve, die den Prozentsatz des vom Material absorbierten Lichts angibt. Die Wellenlänge des absorbierten Lichts gibt eine einzige charakteristische Eigenschaft des Materials an.From US Pat. No. 2,866,899 a system is now known in which a Signal with a wavelength absorbed by the properties of interest is selected in the infrared spectrum. This wavelength is the absorption wavelength. However, as is still known, the selected wavelengths are not completely selective; overlapping noise signals and interference signals are added, which are based on other properties of the material being investigated. To these interference effects switch off, multiple signals are used as reference signals. The reference signal is then part of a bucket of mathematical calculation, for example according to Lambert-Beer, a Wheatston bridge, a ratio calculator, us, the absorption spectrum of a Material or substance is the value curve showing the percentage of the material light absorbed. The wavelength of the light absorbed gives a single one characteristic property of the material.

Das Absorptionsspektrum wird als Kurve aufgezeichnet und ist auf den Logarithmus der Inversen der Durchstralilungseigen schaft der Substanz bezogen. Er ist mit anderen Worten ausgedrückt nicht linear. In der Vergangenheit wurde nun versucht durch Verwendung logarithmischer Verstärker, IJogikschaltungen und dgl. die nicht lineare Spektralkurve zu korrigieren. Bekannte Systeme konnten jedoch diese Nichtlinearitäten nicht überwinden.The absorption spectrum is recorded as a curve and is on the Logarithm of the inverse of the throughflow property of the substance. In other words, it is not linear. In the past it was now tried by using logarithmic amplifiers, Ilogic circuits and the like. correct the non-linear spectral curve. Known systems could, however do not overcome these non-linearities.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, das gemessene Absorptionsspektrum einer Infrarotmeßnordnung zu linearisierene Es soll sich zur Messung der Eigenschaften des Materials in ausgewählten Bereichen des Absorptionsspektrums eignen. Zr I,inearisierung des Absorptionsspektrums sollen Vielfachsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden.The invention now has the object of the measured absorption spectrum An infrared measuring arrangement to be linearized It should be used to measure the properties of the material in selected areas of the absorption spectrum. Zr I, inearization of the absorption spectrum should be multiple signals with different wavelengths be used.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine in ein Infrarotspektralband strahlende Strahlungsquelle, durch einen das Infrarotspektralband in Strahlen verschiedener Wellenlänge aufteilenden Strahlenteiler, durch eine Einrichtung, die die Strahlen verschiedener Wellenlänge 'auf das sich bewegende Material richtet, wobei ein erster der Strahlen eine Wellenlänge hat, die vom Material absorbierbar ist und wenigstens ein anderer der Strahlen auf andere Eigenschaften des Materials beziehbar ist, durch einen relativ zum Material angeordneten und Energie der nicht vom Material absorbierten Strahlen aufnehmenden Detektor, durch eine mit dem Detektor verbundene Verhältnisschaitung, die ein dem Verhältnis aus Absorptionssignal und Bezugssignal entsprechendes Signal abgibt und durch eine Schaltung, die bei zunehmender Materialmenge eine größer werdende Spannung abgibt, um das mit zunehmender Materialmenge abnehmende Verhältnis der Signale zu kompensieren.The invention solves this problem by means of an infrared spectral band radiating radiation source, through one the infrared spectral band in rays of different wavelength splitting beam splitter, by a device, which directs rays of different wavelengths onto the moving material, a first of the rays having a wavelength that is absorbable by the material is and at least one other of the rays on other properties of the material can be obtained by an energy that is arranged relative to the material and that is not rays absorbed by the material, through a detector with the detector connected ratio circuit, which is a ratio of absorption signal and Reference signal emits corresponding signal and through a circuit that increases with increasing The amount of material emits an increasing voltage, which increases with the amount of material to compensate for the decreasing ratio of the signals.

Die Infrarotmeßanordnung der vorliegenden Brfindung verwendet also Infrarotsignale ausgewählter Wellenlängen, die ausgewählte Eigenschaften des zu untersuchenden Materials wiedergeben. Die Wellenlängen der Signale entsprechen den in bekannten Anordnungen verwendeten Wellenlängen oder den in den schwebenden Patentanmeldungen 874 358 und 880 543 beschriebenen Wellenlängen. Die Vielfachsignale der vorliegenden Erfindung werden jedoch zu ganz anderen Zwecken, nämlich zur Linearisierung des Absorptionsspektrums, verwendet. Im einzelnen wurde eine mathematische Funktion entwickelt, die, mit Hilfe einer empirisch gewählten Konstanten, zu einer mit zunehmender Materialmenge zunehmenden Meßspan.nung Sührt, Die zunehmende Spannung kompensiert das mit zunehmender Materialmenge abnehmende Verhältnis der Signale.The infrared measuring arrangement of the present invention thus uses Infrared signals of selected wavelengths, the selected properties of the to the material being examined. The wavelengths of the signals correspond to wavelengths used in known arrangements or those in the pending patent applications 874 358 and 880 543 described wavelengths. The multiple signals of the present Invention, however, are used for completely different purposes, namely to linearize the Absorption spectrum, used. In particular it was a mathematical function which, with the help of an empirically chosen constant, becomes one with increasing The amount of material increases in the measuring voltage, which compensates for the increasing voltage the ratio of the signals, which decreases with increasing amount of material.

Im folgenden wird eine typische Infrarotmeßanordnung beschrieben und die Ergebnisse werden anhand einer typischen Kurve, einer mathematischen Kurve und einer "linearisierten" Kurve erläutert.A typical infrared sensing arrangement is described below and the results are presented using a typical curve, a mathematical curve and a "linearized" curve explained.

Hierbei zeigt Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 1A eine reflektierende t'Rückstreu"-Infrarotmeßanordnung; Fig. 13 eine Infrarotstrahlfilteranordnung; Fig. 2 ein Durchstrahlungssystem mit Quelle und Detektor für sich bewegendes folienartiges Material Fig. 3 eine berechnete Absorptionscharakteristik für ein ausgewähltes Signal aufgetragen über einer Anderung der Materialeigenschaften, sowie mit unterschiedlichen Konstanten berechnete Absorptionskurven; Fig. 4 eine typische mit einem herkömmlichen Infrarotsystem aufgenommene Kurve der Absorptionscharakteristik bei sich ändernden Materialeigenschaften; Fig. 5 eine gemäß der Erfindung aufgenommene Kurve der Absorptionscharakteristik bei sich ändernden Materialeigenschaften, und Fig. 6 A, B und C zur Erläuterung der Erfindung herangezogene Impulsdiagramme.1 shows a simplified schematic representation of a preferred embodiment of the arrangement according to the invention; Figure 1A shows a reflective "Backscatter" infrared measuring arrangement; Fig. 13 shows an infrared beam filter arrangement; Fig. 2 shows a transmission system with a source and a detector for moving sheet-like material Material Fig. 3 shows a calculated absorption characteristic for a selected signal applied over a change in material properties, as well as with different Constants calculated absorption curves; Fig. 4 shows a typical with a conventional one Infrared system recorded curve of the absorption characteristics with changing Material properties; 5 shows a curve of the absorption characteristic recorded in accordance with the invention with changing material properties, and Fig. 6 A, B and C for explanation Pulse diagrams used in the invention.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Anordnung ist das einer Probemessung zu unterziehende Material ein sich bewegendes Band 10 aus einem folienartigen Material, wie z.B.In the embodiment of the arrangement shown in FIG. 1, this is a moving belt 10 of a material to be subjected to a test measurement film-like material, e.g.

Papier. Das Band 10 kann an einer Trockenrollen 13 und 14 benachbarten Stelle gemessen werden.Paper. The belt 10 can be adjacent to a drying roller 13 and 14 Place to be measured.

Eine in Fig. 1 nicht dargestellte Lichtquelle dient als Quelle eines Frequenzgemisches und wird so betrieben, daß sie Strahlung im gesamten Infrarotspektrum emittiert. Es ist nun bekannt, daß spezielle Wellenlängen der Strahlung innerhalb des Spektrums entsprechend spezifischen Eigenschaften absorbiert werden. In der vorliegenden Ausführungsform nach Fig. 1 ist die zu messende und auszuwertende spezielle Eigenschaft der Wassergehalt des Papierbands. Die auf Feuchtigkeitsabsorption bezogene Wellenlänge ist bekannt. Die auf andere Komponenten oder Bestandteile bezogenen Wellenlängen innerhalb des Infrarotspektrums sind im allgemeinen ebenfalls bekannt.A light source not shown in Fig. 1 serves as a source of a Mixed frequencies and is operated in such a way that it emits radiation in the entire infrared spectrum emitted. It is now known that specific wavelengths of radiation within of the spectrum can be absorbed according to specific properties. In the The present embodiment according to FIG. 1 is the special one to be measured and evaluated Property of the water content of the paper tape. The one related to moisture absorption Wavelength is known. Those related to other components or parts Wavelengths within the infrared spectrum are also generally known.

In Fig. 1 ist weiterhin eine Vielzahl von Infrarotfiltern vorgesehen, die der Lichtquelle 15 benachbart zwischen dieser und dem Papierband 10 angeordnet sind. Jedes dieser Filter hat einen Durchlaßberelch, der nur Strahlung mit einer sich hierauf beziehenden Wellenlänge auf das Papierband 10 fallen läßt. In Fig. 1A ist ein Drehfilter schematisch dargestellt, das vier oder mehr Filter 9, 11, 13 und 17 entsprechend drei oder mehr zu messender Eigenschaften oder Bestandteile aufweist. In einer tatsächlich ausgeführten Ausführungsform ist die Vielzahl der Filter auf einer von einem Motor 29 angetriebenen Scheibe 27 angeordnet. Die Scheibe 27 wird vom Motor 29 so angetrieben, daß das gesamte Spektrum kontinuierlich durch die Filter 9, 11, 13 und 17 tritt. Zum Erfassen und Empfangen sämtlicher Wellenlängen kann ein einziger Detektor 31 verwendet werden. Ein Zeitgeber 33 synchronisiert den Detektor 31 zeitlich mit dem lrehfilter 27. Der Einfachheit halber können jedoch auch drei jeweils eine interessierende spezifische Wellenlänge erfassende Detektoren 31a, 31b, 31c verwendet werden.In Fig. 1, a plurality of infrared filters is also provided, that of the light source 15 is arranged adjacent between the latter and the paper tape 10 are. Each of these filters has a Durchlaßberelch, the radiation with only one related wavelength on the paper tape 10 can fall. In Fig. 1A a rotary filter is shown schematically, the four or more filters 9, 11, 13 and 17 correspond to three or more properties or components to be measured having. In an actually practiced embodiment, the plurality are Filter arranged on a disk 27 driven by a motor 29. The disc 27 is driven by the motor 29 so that the entire spectrum goes through continuously the filters 9, 11, 13 and 17 occurs. For acquisition and reception of all wavelengths a single detector 31 can be used. A timer 33 synchronizes the detector 31 in time with the rotary filter 27. For the sake of simplicity, however, also three detectors each detecting a specific wavelength of interest 31a, 31b, 31c can be used.

Andere Einrichtungen, mit deren Hilfe eine Vielzahl Wellenlängen innerhalb des Infrarotspektrums erzeugt werden können, sind bekannt. Eines dieser Systeme ist im US-Patent 3 405 268 beschrieben; es verwendet zusätzlich zur Strahlungsquelle eine Kollektivlinse (collimating lens), einen Unterbrecher und einen Strahlteiler, der den aus der Kollektivlinse austretenden Energiestrahl in drei getrennte Strahlen aufteilt.Other facilities that use a variety of wavelengths within of the infrared spectrum can be generated are known. One of those systems is described in U.S. Patent 3,405,268; it uses in addition to the radiation source a collimating lens, an interrupter and a beam splitter, the energy beam emerging from the collective lens into three separate beams divides.

Die Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Gesamtsystems ist in Fig. iA als "Rückstreu"-System dargestellt. Es soll jedoch hervorgehoben werden, daß sich die Erfindung gleichermaßen für ein Durchstrahlungssystem und zur Messung von anderen Materialeigenschaften als der von Wasser in Papier eignet.The embodiment of the overall system shown in FIG. 1 is shown in FIG. generally shown as a "backscatter" system. It should be emphasized, however, that the invention applies equally to a radiographic system and to the measurement of material properties other than those of water in paper.

üblicherweise trifft die Strahlung-der Lichtquelle 15 bei Rückstreumessungen auf das Papier 10, wobei die nicht vom Papier absorbierte und nicht durch das Papier 10 durchtretende Strahlung vom Papier 10 in die Hauptrichtung des Detektors 31 reflektiert wird. Auf Einzelheiten zum Wesen und zur-Bedeutung des reflektierten Strahls wird auf die schwebenden Patentanmeldungen verwiesen.The radiation from the light source 15 usually strikes during backscatter measurements onto the paper 10, which is not absorbed by the paper and not by the paper 10 radiation passing through is reflected by the paper 10 in the main direction of the detector 31 will. Details of the nature and meaning of the reflected ray will be given Reference is made to the pending patent applications.

Bei Anwendung des Infrarotmeßsystems nach Fig. 1 zeigen viele Messungen Nichtlinearitäten. Die bisherige Lehre konnte diese Nichtlinearitäten nicht deuten. Es wurde deshalb versucht, die bekannten Meßsysteme an die vielen Nichtlinearitäten anzupassen. Diejenigen, die die Nichtlinearitäten erkannten, versuchten, das Absorptionsspektrum durch Einrichtungen wie logarithmische Verstärker, abgeänderte Logikschaltungen und ähnliches mehr zu linearisieren. Sie hatten jedoch keinen Erfolg.When using the infrared measuring system according to FIG. 1, many measurements show Nonlinearities. The previous teaching could not interpret these non-linearities. An attempt was therefore made to adapt the known measuring systems to the many non-linearities adapt. Those who saw the nonlinearities tried the absorption spectrum by devices such as logarithmic amplifiers, modified logic circuits and the like to linearize more. However, they were unsuccessful.

Wie in Fig. 1C dargestellt ist, erzeugt die Infrarotmeßquelle bei zwei Wellenlängen A und R schmalbandig Infrarotstrahlung.As shown in Fig. 1C, the infrared measurement source generates at two wavelengths A and R narrow band infrared radiation.

Von der einen Wellenlänge A ist bekannt, daß sie vom verwendeten Material absorbiert wird; die andere Wellenlänge R wird als Bezugssignal verwendet.One of the wavelengths A is known to be used by the material is absorbed; the other wavelength R is used as a reference signal.

In bisherigen Systemen, wie z.B. im System des oben erwähnten Patents, besteht die interessierende Messung in der Messung des Verhältnisses des Absorptionssignals zum Bezugssignal.In previous systems, such as in the system of the above-mentioned patent, the measurement of interest is to measure the ratio of the absorption signal to the reference signal.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beruht das Verhältnissignal auf einer unterschiedlichen mathematischen Berechnung. Das Absorptionssignal A wird, siehe Fig. 1, in einer Suinmationsschaltung 22 mit dem Signal des Bezugssignals aus dem Eomparator 18 verglichen, wobei jedoch eine Änderung entsprechend A = = C erfolgt. K ist eine Konstante, deren Wert dem R + [K(A)] Signalverlust von A im Schaltkreis 20, bezogen auf R im,Schaltkreis 24, entspricht und C ändert sich mit den Eigenheiten der zu messenden Eigenschaften. Die Konstante K wird empirisch ermittelt und ist auf den in A und R verwendeten Wellenlängenbereich bezogen. Die Anzeigeeinrichtung 26 gibt damit das korrigierte "lineare" Signal ab, bzw. das Signal wird einer Prozeßsteuerung zugeführt.According to the present invention, the ratio signal is based on one different mathematical calculation. The absorption signal A becomes, see Fig. 1, in a Suinmations circuit 22 with the signal of the reference signal from the Eomparator 18 compared, but a change corresponding to A = = C takes place. K is a constant whose value is related to the R + [K (A)] signal loss of A in the circuit 20 related to R im, circuit 24, corresponds and C changes with the peculiarities the properties to be measured. The constant K is determined empirically and is based on the wavelength range used in A and R. The display device 26 emits the corrected "linear" signal or the signal is used for process control fed.

In der mathematisch-schematischen Darstellung der Fig. 2 ist die Intensität des von der Quelle abgegebenen Absorptionssignals mit Ioa bezeichnet. Nach dem Durchtritt durch ein Material der Dicke X beträgt die Intensität A = Ioae-a1X, hierbei ist a1 der Dämpfungskoeffizient" für das durch das Infrarotabserptionsfilter ausgewählte Wellenlängenband. Diese "Dämpfung" beruht normalerweise auf zwei Phänomenen a Absorption ... dies ist der von einem Spektralphotometer als "Absorptionslinien" gezeigte Effekt.In the mathematical-schematic representation of FIG. 2, the intensity is of the absorption signal emitted by the source is denoted by Ioa. After the passage through a material of thickness X, the intensity is A = Ioae-a1X, where is a1 is the attenuation coefficient "for that selected by the infrared absorption filter Wavelength band. This "attenuation" is usually due to two phenomena a absorption ... this is the effect shown by a spectrophotometer as "absorption lines".

b Streuung ... hierbei wird angenommen, daß der Detektor nicht alle vom Papier in alle Richtungen gestreuten Infrarotstrahlungen einfängt.b scatter ... here it is assumed that the detector does not have all Captures infrared radiation scattered by the paper in all directions.

Diese Gleichung setzt voraus, daß das Beer'sche Gesetz für Infrarotdickenmessungen zutrifft.This equation assumes that Beer's law for infrared thickness measurements applies.

Der Bezugs strahl hat die Intensität Ior und die Intensität dieses Bezugsstrahls nach dem Durchtreten durch das Material ist R = IOre a2X , hierbei ist a2 der Dämpfungskoeffizient des durch das Infrarotbezugsfilter ausgewählten Wellenlängenbands. Diese Dämpfung beruht wiederum auf den beiden Phänomenen der Absorption und der Streuung.The reference ray has the intensity Ior and the intensity of this The reference ray after passing through the material is R = IOre a2X, here a2 is the attenuation coefficient of the one selected by the infrared reference filter Wavelength bands. This damping is based in turn on the two phenomena of Absorption and scattering.

Der Betrag der Absorption in a2 ist relativ klein und die Streukomponente (bei Verwendung von Papier) ist gleich derjenigen im Dämpfungskoeffizienten a1 innerhalb des Absorptionswellenlängenbands. Man weiß nun, daß gleiches Streuverhalten nur dann erreicht wird, wenn das Bezugs- und das Absorptionswellenlängenband sehr dicht beieinander liegen.The amount of absorption in a2 is relatively small and so is the scattering component (when using paper) is equal to that in the damping coefficient a1 within of the absorption wavelength band. We now know that the same scattering behavior is only is achieved when the reference and absorption wavelength bands are very dense lie together.

Wie bereits die Infrarotmeßlehre des oben erwähnten Patentes von Brunton zeigt, können, wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 1, viele unerwünschte Effekte berücksichtigt werden, indem das Verhältnis der beiden Strahlenergien wie D A = ~~ e -(a1 - a2)X = or berechnet wird. Die Infrarotmeßlehre berechnet ein derartiges Verhältnis unter Zuhilfenahme einer AGC-Schaltung, die die Verstärkung des Detektorsignalverhältnisverstärkers 18 so regelt, daß die Impulse des Bezugssignals stets gleiche Höhe haben.As was the case with the infrared gauge of the aforementioned Brunton patent Referring again to FIG. 1, many undesirable effects can occur be taken into account by the ratio of the two radiation energies such as D A = ~~ e - (a1 - a2) X = or is calculated. The infrared gauge calculates such a thing relationship with the aid of an AGC circuit which increases the gain of the detector signal ratio amplifier 18 regulates so that the pulses of the reference signal always have the same height.

Es wurde nun herausgefunden, daß das oben stehende Verhältnis abnimmt, wenn die Materialmenge X zunimmt. Erfindungsgemäß wird nun eine mit zunehmender Materialmenge zunehmende Meßspannung vorgesehen. Dies erfolgt durch Invertierung des Verhältnissignals. Außerdem wird ein Ausgleichssignal hinzuaddiert ("Null"), um ohne Material (oder bei einem Anfangswert) an der unteren Bereichsgrenze der Anzeigeeinrichtung zu beginnen. Ein geeigneter Maßstabfaktor ist ebenfalls vorgesehen. "Meßbereichsdehnung" (span) ist ebenfalls vorgesehen, so daß die richtige Grenzdicke am oberen Ende der Anzeige skala auftritt. Ermöglicht wird dies durch eine üblicherweise mit "Nullpunkts-Meßbereichsdehnungs-Karte" bezeichnete Analogrechnerschaltung.It has now been found that the above ratio decreases, when the amount of material X increases. According to the invention, one becomes with increasing Material quantity increasing measuring voltage provided. This is done by inversion of the ratio signal. In addition, a compensation signal is added ("zero"), around without material (or with an initial value) at the lower limit of the range To begin display device. A suitable scale factor is also provided. "Span" is also provided so that the correct limit thickness occurs at the top of the display scale. This is made possible by a usually Analog computer circuit marked with "zero point measuring range expansion card".

Mathematisch kann die angezeigte Meßgröße D geschrieben werden als D=S # Z - A/R # = S # Z = Ioa/Ior e-ax # Die Einheiten von Z scheinen hierbei dimensionslos zu sein, während die Dimension von S gleich der Dimension von D zu sein scheint; Eine zutreffendere Interpretation wäre jedoch, daß R aufgrund der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) dimensionslos ist, daß A mit mA die gleiche Dimension wie Z hat und daß S in k0hm angegeben ist. D hat dann die passende Einheit Volt.Mathematically, the displayed measured variable D can be written as D = S # Z - A / R # = S # Z = Ioa / Ior e-ax # The units of Z seem to be dimensionless, while the dimension of S seems to be equal to the dimension of D; A more accurate interpretation, however, would be that R is dimensionless due to automatic gain control (AGC), that A with mA has the same dimension as Z, and that S is given in kohm. D then has the appropriate unit volts.

S = Verstärkungsfaktor der Meßbereichsdehnung, Z = Wert der Nullpunktsabweichung, a =(α1-α2) = Differenz der Dämpfungskoeffizienten der beiden Infrarotwellenlängenbänder.S = gain factor of the measuring range expansion, Z = value of the zero point deviation, a = (α1-α2) = difference in the attenuation coefficients of the two infrared wavelength bands.

Ein passender Wert für Z ergibt sich durch Einsetzen der Anfangsbedingung für die D = 0 bei X = O ist. Hieraus ergibt Ioa Z = Ior es wird Ioa A Ioa D = S # 1 - # = S # 1 - e-ax # Ior R Ior Ein interessantes Beispiel der relativen Brauchbarkeit dieses mathematischen Modells lieferte eine praktisch arbeitende Ausführungsform, die das in Fig. 3 dargestellte Meßergebnis für Hochdrucknaturgas überprüfte. Die Kurven stimmten genau überein, für: Ioa = Ior S =2 a = 0,057/at (0,004/PSI) hierbei ist x = Gasdruck in at D = 2 #1 - e-0,057 P# Das in Fig. 3 dargestellte Meßergebnis ist für alle praktischen Zwecke nicht linear. Die letzten Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß der größte Teil dieser Nichtlinearitäten durch logische Abänderung sehr wirksam überwunden werden kann. Bei Überprüfung des Verhältnisses A/(R+A) zeigt sich, daß es sich nur um eine andere Funktion der Verhältnisgrundformel R/A, nämlich 1/(1+A/R) handelt.A suitable value for Z is obtained by inserting the initial condition for which D = 0 when X = O. From this results Ioa Z = Ior it becomes Ioa A Ioa D = S # 1 - # = S # 1 - e-ax # Ior R Ior An interesting example of the relative usefulness of this mathematical model was provided by a practical embodiment which checked the measurement result shown in FIG. 3 for high-pressure natural gas. The curves agreed exactly for: Ioa = Ior S = 2 a = 0.057 / at (0.004 / PSI) where x = gas pressure in at D = 2 # 1 - e-0.057 P # The measurement result shown in FIG. 3 is non-linear for all practical purposes. The latest investigations have shown, however, that the majority of these non-linearities can be overcome very effectively by logical modification. Checking the ratio A / (R + A) shows that it is just a different function of the basic ratio formula R / A, namely 1 / (1 + A / R).

Wie bei Fig. 3 ist das Absorptionssignal A im AGC-Signal enthalten, d.h., daß das AGC-Bezugssignal (R+A) ist und nicht R allein. Das Anzeigesignal D kann dann ausgedrückt werden D = S # Z - # R + A Wenn als Anfangsbedingung wiederum "Null"-Material gewählt wird, so ist der Absorptionsimpuls gleich dem Bezugsimpuls, d.h. D = 0, wenn d = R ist. Z wird damit 1/2 und es ergibt sich S R-A S 1-e-ax S (ax) D = # # = # # = Tanh 2 R+A 2 1+e-ax 2 (2) Der analoge Verstärkungsfaktor ist doppelt so groß, um bei dieser Messung einen "vollen Skalenbereich" von "Kein" Material bis viele Material zu überdecken. Eine derartige Kurve wurde in Fig. 3 mit S = 4 und D = 2 Tanh (0,029 P) dargestellt.As in Fig. 3, the absorption signal A is included in the AGC signal, that is, the AGC reference signal is (R + A) and not R alone. The display signal D can then be expressed D = S # Z - # R + A If "zero" material is selected again as the initial condition, the absorption pulse is equal to the reference pulse, ie D = 0 when d = R. Z becomes 1/2 and it results S RA S 1-e-ax S (ax) D = # # = # # = Tanh 2 R + A 2 1 + e-ax 2 (2) The analog gain factor is twice as large in order to cover a "full scale range" from "no" material to a lot of material in this measurement. Such a curve was shown in Fig. 3 with S = 4 and D = 2 Tanh (0.029 P).

Als nächstes wurde eine weitere Unterteilung des Bezugssignals durch einen variablen Faktor N untersucht. Die automatische Verstärkungsregelung (AGO) spricht auf ein zusammengesetzte Bezugssignal (A+R/N) an und das mathematische Meßmodell wird, wiederum unter der Voraussetzung, daß Ioa = Ior ist, zu D = S # Z - # A + R/N Wird zur Bestimmung der Anfangsbedingungen wiederum vorausgesetzt, daß Z für D = O bei X = 0 bestimmt werden kann und daß Ioa gleich Ior gesetzt werden kann, so ergibt sich N 1+N und SN R-A SN eax-1 D = # # = # # N+1 R+AN (N+1) eax+N Dieses mathematische Modell macht zwei interessante Tatsache deutlich. Die erste ist, daß ein großer Schritt zur Linearisierung der dargestellten Messung möglich ist, da sich aus der durch d²D eax - N -N = # # # # = 0 dx² eax + N eax + N bestimmten Krümmung dieser Kurve ergibt, daß für eax = N oder ax = lnN ein Wendepunkt existiert.Next, a further subdivision of the reference signal by a variable factor N was examined. The automatic gain control (AGO) responds to a composite reference signal (A + R / N) and the mathematical measurement model is assigned, again provided that Ioa = Ior D = S # Z - # A + R / N If, in order to determine the initial conditions, it is again assumed that Z can be determined for D = O at X = 0 and that Ioa can be set equal to Ior, then we get N 1 + N and SN RA SN eax-1 D = # # = # # N + 1 R + AN (N + 1) eax + N This mathematical model reveals two interesting facts. The first is that a major step towards linearizing the measurement shown is possible because the d²D eax - N -N = # # # # = 0 dx² eax + N eax + N certain curvature of this curve shows that for eax = N or ax = lnN a point of inflection exists.

Der zweite Gesichtspunkt it der, daß der Verstärkungsfaktor der Meßbereichsdehnung S um einen Faktor (1+N)/N verringert werden muß, um bei sehr dickem Material einen Ausschlag über die gesamte Skala zu erhalten.The second aspect is that the gain factor of the measuring range expansion S must be reduced by a factor (1 + N) / N in order to achieve a To get a rash across the full scale.

Der Verstärkungsfaktor der Meßbereichsdehnung kann mit Hilfe üblicher stabiler Analogoperationsverstärker erzielt werden.The gain factor of the measuring range expansion can be adjusted with the help of conventional stable analog operational amplifier can be achieved.

Es wurde herausgefunden, daß die Anforderungen an den Verstärkungsfaktor der Meßbereichsdehnung für aufeinanderfolgende gereiche" der Materialdicke sich bei weitem nicht so ändert wie bei der ursprünglichen Anordnung.It has been found that the gain requirements the expansion of the measuring range for successive ranges of material thickness nowhere near as changing as with the original arrangement.

In Fig. 3 sind die Kurven für N = 1, 2, 4 und 10 dargestellt.The curves for N = 1, 2, 4 and 10 are shown in FIG.

Die Wendepunkte liegen jeweils bei Drücken P = 0, 12,1, 24,2, 40,) at. N gibt seinerseits die Änderung im Wert der Konstanten K beim "Geraderichten" der Kurve an.The turning points are at pressures P = 0, 12.1, 24.2, 40,) at. N in turn gives the change in the value of the constant K when "straightening" the curve.

Eine weitere Abänderung und Verbesserung der endgültigen Version der Meßgleichung ist R-A R + Das AGC-System des oben erwähnten Brunton-Patentes spricht nicht momentan an. Wird deshalb das Infrarotmeßsystem direkt (on line) bei dynamischen Prozeßbedingungen betrieben, so kann das Fehlen momentanen Ansprechverhaltens zu Fehlern im berechneten Verhältnis führen. Diese Fehler oder dieses Systemrauschen kann ziemlichen Ärger verursachen, insbesondere dann, wenn eine Hochgeschwindigkeitsanzeige der Information, wie z.B.Another change and improvement to the final version of the Measurement equation is R-A R + The AGC system of the above-mentioned Brunton patent speaks not currently on. Therefore, the infrared measuring system is used directly (on line) with dynamic Process conditions operated, so the lack of instantaneous response to Errors in the calculated ratio. These errors or this system noise can cause quite a hassle, especially when using a high speed display the information, e.g.

beim Profil einer Kreuzmaschine (profile of cross machine) oder bei Maschinenrichtungsänderungen gewünscht werden.with the profile of a cross machine or with Machine direction changes are desired.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde, verwendet das Infrarotmeßsystem einen Verstärker 16 mit variabler Verstärkung, der von einem Differenzintegrator 18 gesteuert wird. Der Differenzintegrator 18 vergleicht kontinuierlich die analoge Bezuginformation mit einer von einem Netzgerät gelieferten konstanten Spannung.As already described in connection with FIG. 1, used the infrared measuring system has a variable gain amplifier 16, which is of a Difference integrator 18 is controlled. The difference integrator 18 compares continuously the analog reference information with a constant supplied by a power supply unit Tension.

Fig. 6A zeigt die Anfangsbedingungen der rückgekoppelten automatischen Verstärkungsanordnung: In einem sich bewegenden folien- oder bandartigen Material eines industriellen Prozesses können momentane Änderungen der Impulswerte aufgrund größerer Änderungen im Abstand zwischen Quelle und Detektor, wie z.B. beim Flattern, auftreten. Die sich damit ergebenden Impulse sind in Fig. 6B dargestellt. Das Ausgangsanzeigesignal eines Meßsystems mit herkömmlicher Signalverarbeitung s = = Ausgangsanzeigesignal würde bei f(R) = Konstant von der Anfangsbedingung nach Fig. 6A abweichen, wenn sich der Pegel in Fig. 6B momentan ändern würde. Das fehlerhafte Ausgangsanzeigesignal würde aufrechterhalten werden, bis die Impulse, wie in Fig. 6C dargestellt, erneut geformt werden. Wenn die Messung als Differenz A-R dargestellt wird, so ist der Einfluß der absoluten Impulshöhen auf die Anzeige ein Minimum. Im Idealfall würde sich in der obigen Darstellung der Fig. 6A, 6B und 6C in der Anzeige nichts ändern.Fig. 6A shows the initial conditions of the feedback automatic Reinforcement arrangement: In a moving sheet or tape-like material momentary changes in pulse values can occur due to an industrial process major changes in the distance between the source and detector, such as flutter, appear. The resulting pulses are shown in Fig. 6B. The output indicator signal of a measuring system with conventional signal processing s = = output display signal would deviate from the initial condition according to FIG. 6A at f (R) = constant if the level in Fig. 6B would change momentarily. The faulty output indicator signal would be sustained until the pulses as shown in Fig. 6C, again be shaped. If the measurement is shown as the difference A-R, it is Influence of the absolute pulse heights on the display is a minimum. Ideally you would do not change anything in the display in the above illustration of FIGS. 6A, 6B and 6C.

Ist der Nenner g(A) + g , so ergibt sich bei Anzeige der Differenz A-R außerdem der Vorteil, daß sich der normierte Wert von R mit zunehmender Materialdicke erhöht und hierdurch die infolge des Faktors Z erforderliche Verstärkung des Anzeigeverstärkers abnimmt.If the denominator is g (A) + g, the display shows the difference A-R also has the advantage that the normalized value of R increases with increasing material thickness increases and thereby the gain of the display amplifier required as a result of the Z factor decreases.

Es wurde nun ein Infrarotsystem gemäß dem oben erwähnten R - A Brunton-Patent entsprechend R + [K(A)] abgeändert und die Änderungen der Materialeigenschaft aufgezeichnet.There has now been an infrared system in accordance with the above R. - A Brunton patent modified according to R + [K (A)] and the changes in the material properties recorded.

Die Fig. 4 und 5 zeigen tatsächlich ausgeführte, graphisch dargestellte Messungen von Materialeigenschaften, die mit und ohne der Erfindung aufgenommen wurden. Fig. 5 ist eine "Kurve" tatsächlicher mit dem entsprechend der Erfindung geänderten Infrarotsystem aufgenommerer Daten. Die Linearisierung der "Kurve" in Fi. 5 ist bei Betrachtung offensichtlich.Figures 4 and 5 show actually implemented, graphically represented Measurements of material properties taken with and without the invention became. Figure 5 is a "graph" more actual with that according to the invention changed infrared system of recorded data. The linearization of the "curve" in Fi. 5 is obvious when looking at it.

Claims (7)

P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s p r ü c h e 1. Anordnung zum Messen von Bestandteilseigenschaften von sich bewegenden, band- oder folienartigem Material, gekennzeichnet durch eine in einem Infrarotspektralband strahlende Strahlungsquelle (15), durch einen das Infrarotspektralband in Strahlen verschiedener Wellenlänge aufteilenden Strahlenteller (9,11,13,17), durch eine Einrichtung (27,29), die die Strahlen verschiedener Wellenlängen auf das sich bewegende Material (10) richtet, wobei ein erster der Strahlen (A) eine Wellenlänge hat, die vom Material absorbierbar ist und wenigstens ein anderer der Strahlen (R) auf andere Eigenschaften des Materials (10) beziehbar ist, durch einen relativ zum Material angeordneten und Energie der nicht vom Material absorbierten Strahlen aufnehmenden Detektor (31), durch eine mit dem Detektor (31) verbundene Verhältnisschaltung, die ein dem Verhältnis aus Absorptionssignal und Bezugssignal entsprechendes Signal abgibt, und durch eine Schaltung, die bei zunehmender Materialmenge eine größer werdende Spannung abgibt, um das mit zunehmender Materialmenge abnehmende Verhältnis der Signale zu kompensieren.1. Arrangement for measuring component properties of moving, tape-like or film-like material, characterized by one in an infrared spectral band radiating radiation source (15), through one the infrared spectral band in rays radiation plate (9,11,13,17) dividing different wavelengths, by a device (27.29), the rays of different wavelengths on the moving material (10) directs, a first of the rays (A) having a wavelength that differs from that of the material Is absorbable and at least one other of the rays (R) has other properties of the material (10) can be obtained by a arranged relative to the material and the energy of the detector (31) receiving the rays not absorbed by the material, by a ratio circuit connected to the detector (31), which is a ratio emits corresponding signal from absorption signal and reference signal, and by a Circuit that emits an increasing voltage as the amount of material increases, in order to compensate for the decreasing ratio of the signals as the amount of material increases. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die von der Schaltung abgegebene, kompensierende Spannung einer mathmatischen Funktion aus den aufgeteilten Strahlen und einer empirisch gefundenen Konstanten folgt. 2. Arrangement according to claim 1, characterized by that of the circuit emitted, compensating voltage of a mathematical function from the divided Rays and an empirically found constant follows. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Kunktion lautet: A = C R + [K(A)] wobei K eine Konstante ist und C sich entsprechend der gemessenen Charakteristik der Eigenschaft ändert.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the mathematical Function reads: A = C R + [K (A)] where K is a constant and C is accordingly the measured characteristic of the property changes. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Funktion lautet: R-A = a R + wobei K eine Konstante ist und a sich entsprechend der gemessenen Charakteristik der Eigenschaft ändert, und wobei R - A eine momentane Änderung des Signalpegels kompensiert.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the mathematical Function is: R-A = a R + where K is a constant and a is accordingly the measured characteristic of the property changes, and where R - A is an instantaneous Change in signal level compensated. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante K empirisch aus den in Fig. 3 dargestellten Werten N gewählt ist.5. Arrangement according to claim 3, characterized in that the constant K is chosen empirically from the values N shown in FIG. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisschaltung einen Schaltkreis zur automatischen Verstärkungeregelung aufweist.6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that that the ratio circuit has an automatic gain control circuit having. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zur automatischen Verstärkungsregelung auf das zusammengesetzte Beugssignal (A+R/N) anspricht, wobei N der Änderung im Wert der Konstanten K entspricht.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the circuit for automatic gain control on the composite flexion signal (A + R / N) responds, where N corresponds to the change in the value of the constant K.
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