DE2329181A1

DE2329181A1 - Einrichtung zum messen einer eigenschaft eines bandmaterials

Info

Publication number: DE2329181A1
Application number: DE19732329181
Authority: DE
Inventors: Robert Beaty Mounsey; Carl Richard Soltesz; Paul Williams
Original assignee: INFRA SYSTEMS Inc
Current assignee: INFRA SYSTEMS Inc
Priority date: 1972-06-07
Filing date: 1973-06-07
Publication date: 1973-12-20
Also published as: FR2188836A5; JPS4957859A; IT988911B

Description

Patentanwälte Dipl. -Ing. F. We: CxI>a α ν ν,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. "Huber

. . - 8 MUNCHtN 86, DEN

SCHA POSTFACH 86OS2O

MÖHI.STRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

(983921/22/

INPRA SYSTEMS, INC., 650 Ackerman Road, Columbus, Ohio, V. St.A,

Einrichtung.zum Messen einer Eigenschaft eines Bandmaterials

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen einer chemischen oder physikalischen Eigenschaft; eines bev3gten Bandmaterials mit einer Ultrarot-Strahlungsqufcile, einem Ultrarot-Detektor, der einen von dea Bandmaterial nicht absorbierten Strahlungsanteil erfaßt, und einer dem Detektor nachgeschalteten Auswerteschaltung.

Zusammenfassung der Erfindung»

Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung, bei der eine chemische oder physikalische Eigenschaft, beispielsweise die Dicke eines bewegten Bandmaterials gemessen vira_? sine eine Strahlungsquelle, die Strahlungen im ultraroten Wellenlängenbereich aussendet, ein Strahlteiler, der den Wel3.^nlängenb"ereich in Strahlen von unterschiedlicher Wellenlänge unterteilt, und Mittel vorgesehen, die die Strahlen auf das sich bewegende, im allgemeinen in Längsrichtung transportierte Bandmaterial lenken« Ein Detektor ist gegenüber dem Bandmaterial derart angeordnet, daß er denjenigen Strahlungsanteil der verschiedenen Strahlen erfaßt, der nicht von dem Bandmaterial absorbiert wurde. Einer der Strahlen weist eine Wellenlänge auf, die aufgrund der gemessenen Eigenschaft des Bandmaterials absorbiert wird, während ein anderer Strahl eine Wellenlänge aufweist, die in einem nachgeschalteten Quotientenrechner als Referenzsignal verwendbar ist.

309851/1096

Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung v/erden temperaturbedin/ te Änderungen der gemessenen Eigenschaft des Bandmaterials automatisch kompensiert. Die Referenzwellenlänge ist hierzu so gewählt, daß sie wesentlich kurzer als die für die Messung der Eigenschaft des Bandmaterials verwendete Absorptionswellenlänge ist und daß der Referenzstrahl praktisch nicht von Teraperaturänderungen beeinflußt wirde

Stand der Technik.

Das Absorptionsspektrum eines Materials ist die Kurve der Werte, die den Prozentsatz der von dem Material absorbierten Strahlung angebeno Die Wellenlänge der absorbierten Strahlung bildet eine unverwechselbare, charakteristische Eigenschaft eines Materials. Die Absorption ergibt sich aus dem Logarixhrnui des Kehrwerts der Transparenz (Durchlässigkeit, Transmissionsgrad) des Materials, während das Spektrograinm der Transparenz oft als Absorptionsspektrum bezeichnet wird. Absorptionsspektren können bei der Analyse von unbekannten Mischungen verwendet werden, indem das gesamte Spektrum oder ein Ausschnitt hiei von verwendet und über dieses Spektrum Messungen durchgeführt werden. Üblicher· ist es, zur Bestimmung des Absorptionsspektrums die Transparenz direkt bei bestimmten Wellenlängen zu messen, an welchen eine charakteristische Absorption auftritt,»

Es sind auch Einrichtungen bekannt, bei denen eine einzige Eigenschaft eines Materials gemessen wird» Hierbei wird ein Strahlungssignal verwendet, das aufgrund der gemessenen Eigenschaft absorbiert wird« Die Wellenlänge, bei der diese Absorption am stärksten ist, wird als Absorptionswellenlänge bezeichnete Es ist allerdings auch bekannt, daß die gewählten Wellenlängen nicht vollständig selektiv sind und daß sich daher Überlappungen und Störsignale ergeben, die von anderen Eigenschaften des Materials herrühren. Um diese Störungen des erhaltenen Meßsignals zu beseitigen, ist es bekannt, ein Referenzsignal

309851/1096

zu verwenden, das allein aufgrund der störenden Eigenschaften veränderlich ist« Das Referenzsignal wird dann bei einer mathematischen Berechnung verwendet, beispielsweise nach Lambert-Beer, mittels einer Wheatstoneschen Brücke, mittels eines Quotientenrechners oder in anderer Weise, wodurch ein von Störeinflüssen freies Meßsignal erhalten wird, das der gemessenen Eigenschaft entsprichte

Die bekannten Einrichtungen, die selektiv im Ultrarotbereich arbeiten, Ultrarot-Spektrometer u.a. ergeben eine Information bezüglich des Verlaufs der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wobei in vielen Fällen die erhaltene Genauigkeit ausreicht, um geeignete Referenz-Wellenlängen auszuwählen,, Bei vielen Messungen im Ultrarotbereich, insbesondere bei Dickenmessungen, v/eichen die erhaltenen Meßergebnisse jedoch von dem tatsächlichen Wert der gemessenen Eigenschaft ab. Es wurde gefunden, daß solche Meßfehler in vielen Fällen von der Temperatur des Bandmaterials abhängen, dessen interessierende Eigenschaft gemessen wird.

Erfindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art aο zu verbessern, daß Messungen der interessierenden Eigenschaften in ausgewählten Abschnitten des Absorptionsspektrums möglich sind, daß durch Messung bei verschiedenen Wellenlängen im gemessenen Absorptionsspektrum auftretende Meßfehler kompensiert v/erden können und daß insbesondere das erhaltene Meßergebnis temperaturunabhängig ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen der Strahlungsquelle und dem Bandmaterial eine Vorrichtung angeordnet ist, die aus der aufgenommenen Strahlung mehrere Strahlen erzeugt, daß mindestens einer dieser Strahlen eine Wellenlänge aufweist, die aufgrund der Eigenschaft des Bandmaterials ab-

30985 1/109 6

sorbiert wird, daß ein anderer dieser Strahlen als Referent-Strahl dient und eine Wellenlänge aufweist, bei der praktisch keine Absorption aufgrund der Eigenschaft auftritt und die wesentlich geringer als die Absorptionswellenlänge ist, sowie daß die Auswerteschaltung ein der Eigenschaft entsprechendes Ausgangssignal aufgrund der Quotientenbildung erzeugt.

Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung werden Signale verschiedener ultraroter Wellenlängen erzeugt, die jeweils bestimmten Eigenschaften des der Messung unterliegenden Bandmaterials entsprechen. Zur Erzeugung der.Signale kann in einfacher Weise ein Filter mit mehreren Durchlaß-Wellenlängenbereichen dienen, der zwischen der Strahlungsquelle und dem Bandmaterial angeordnet isto Der Detektor ist gegenüber dem Bandmaterial so angeordnet, daß er mit einem Strahlungsanteil beaufschlagt ist, der von dem Bandmaterial verändert ist. Die von dem Bandmaterial absorbierte Absorptionswellenlänge führt nicht zu einem genauen Maß der interessierenden Eigenschaft des Bandmaterials. Insbesondere bei der Messung der Dicke von Kunststoffilmen wurde gefunden, daß die Temperatur des Materials das Meßergebnis verfälscht. Es ist zu vermuten, daß die Streuzentren, die innerhalb des Bandmaterials auftreten, das Meßergebnis beeinflussen. Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wird jedoch eine Referenzwellenlänge so gewählt, daß sie beträchtlich kürzer als die Absorptionswellenlänge ist. Hierdurch gleichen die Wirkungen von Temperaturänderungen bei der Absorptions- und bei der Referenzwellenlänge die Wirkung der Temperatur auf das Meßergebnis aus.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben»

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

30985 1 / 1096

Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
Es zeigen:

Figd in schemata scher Darstellung eine Einrichtung gemäß der Erfindung;

Figo 1A die Anordnung von Filter, Strahlungsquelle und Detektor bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig« 1B eine Vorrichtung mit mehreren Filtern bei einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Figo2 als Schaubild den Verlauf der reflektierten Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge, gewonnen aus Absorptionssignalen bei heißem und kaltem Material.

i Beschreibung der Ausführungsbeispiele ο

Bei der in Figo1 dargestellten Einrichtung worden Messungen an einem Bandmaterial 10 vorgenommen, das beispielsweise ein Kunststoffilm ist. Das Bandmaterial 10 wird an einem Meßort in der Nähe der Walzen 13, 14 gemessen.

Eine Lichtquelle 15 dient als Strahlungsquelle, die alle erforderlichen Frequenzen gleichzeitig abstrahlt. Die Lichtquelle 15 wird so betrieben, daß sie Strahlung im gesamten Ultrarotbereich erzeugte Wie bekannt ist, werden bestimmte Frequenzen der Strahlung innerhalb des Spektrums aufgrund einer bestimmten Eigenschaft absorbiert» Bei dem Ausführungebeispiel ist die interessierende Eigenschaft des Bandmaterials dessen Gewicht je Flächeneinheit. Die entsprechende Absorptionswellenlänge für Kunststoffmaterial ist bekannt. In entsprechender Weise können die Ultrarot-Wellenlängen, die zur Messung bestimmter Bestandteile oder Eigenschaften eines Kunststoff-Bandmaterials dienen, in bekannter Weise ausgewählt werden»

Gemäß Fig«1 und insbesondere 1A sind in Strahlungsrichtung unmittelbar hinter der Lichtquelle 15 zwischen dieser und dem

3 0 9851/1096

Bandmaterial 10 mehrere Ultrarotfilter 27 vorgesehen. Jeder Filter 27 v/eist einen Durchlässigkeits-V/ellenbereich auf, der Strahlung mit einer entsprechenden Wellenlänge zum Bandmaterial 10 hin durchläßt. Die auf das Bandmaterial 10 auftreffende Strahlung wird von dem Bandmaterial 10 reflektiert und trifft auf den Detektor 19.

Die Filter 27 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figo 1B auf einem umlaufenden Filterrad 28 angeordnet. Der Filter 27 weist Bestandteile oder Eigenschaften auf, die mit denjenigen des zu messenden Kunststoffmaterials übereinstimmen. Das Filterrad 28 wird von einem Motor 29 angetrieben, wodurch eine standige Bestrahlung im gesamten Wellenlängenbereich erfolgt, der vom Filter 27 durchgelassen wird. Ein einziger Detektor 19 genügt zur Erfassung aller Wellenlängen. Der Detektor 19 oder ein nachgeschalteter Verteiler wird zeitlich mittels eines Zeitgebers 16 so gesteuert, daß die erzeugten Ausgangssignale mit dem Wirksamwerden des rotierenden Filters 27 synchronisiert sind. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können auch mehrere getrennte Detektoren vorgesehen sein, von denen jeder eine der interessierenden Wellenlängen erfaßt.

Zur Erzeugung mehrerer Wellenlängen innerhalb des ultraroten Wellenlängenbereichs sind auch andere Vorrichtungen bekanntο Eine derartige Vorrichtung ist in der US-PS 3 405 268 beschrieben, wo zusätzlich zur Strahlungsquelle eine Kollimatorlinse, ein Zerhacker und ein Strahlteiler vorgesehen sind, wobei der Strahlteiler den vom Kollimator kommenden Strahl in drei einzelne Strahlen zerlegt·

Gemäß Fig»1 weist eine dem Detektor 19 (FigoiA,1B) nachgeschaltete Auswertevorrichtung einen Vorverstärker 16, eine als Synchronisierschalter und Demodulator wirkende Schaltung 18, einen Quotientenrechner 22 und einen einstellbaren Verstärker 32 auf, mittels dessen die Größe des Meßbereichs für einen nachgeschalteten Streifenschreiber 26 eingestellt werden kann.

309851/1096

Der Synchroni3ierschalter in der Schaltung 18 verteilt synchronisiert mit dem Auftreten des Absorptionsstrahles und des Referenzstrahles die entsprechenden Ausgangssignale auf je eine Glättungsschaltung 20 für den Referenzstrahl und eine Glättung sschaltung 24 für den Absorptionsstrahl, die an ihren Ausgängen entsprechende Gleichspannungssignale erzeugen. Anstelle des Streifenschreibers 26 können auch eine andere Registriervorrichtung und/oder eine Anzeigevorrichtung vorgesehen sein₀

Bei der Messung der Dicke eines Kunststoffilms mittels der beschriebenen Einrichtung kann die Temperatur des Films das erhaltene Meßergebnis beeinflussen» Insbesondere wird dann, wenn die Temperatur des Films über 43 C ansteigt, das erhaltene Meßergebnis verringert, und der Meßfehler nimmt in unzulässiger Weise zu_e Dies dürfte daher rühren, daß innerhalb des Kunststoffilms bei dessen Abkühlung erscheinende Streuzentren das Meßergebnis gegenüber dem vorausgesetzten Idealfall eines reinen dielektrischen Films verfälschen. Dies ist beispielsweise bei Polyäthylen zu beobachten. Die Streuzentren haben eine Weglänge durch den Film zur Folge, die größer ist als bei einem idealen nichtstreuenden Film» Hieraus ergibt sich eine scheinbare Vergrößerung des gemessenen Wertes. Beim Erhitzen verschwinden diese Streuzentren, so daß sich gegenüber der Messung bei kaltem Film ein verringertes Meßergebnis ergibt. Obwohl ein Teil der Verringerung des Meßergebnisses auf die thermische Ausdehnung des Films selbst zurückzuführen sein kann, zeigen doch Berechnungen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient etwa -0,02$/°C beträgt, während der gesamte beobachtete anomale Temperatureffekt bei einem bestimmten Film annähernd -0,18^/ C betrug. Um diese starken Auswirkungen der Temperatur zu kompensieren, wird die Referenz-Wellenlänge beträchtlich kürzer als die Absorptionswellenlänge gewählte Hierbei wird von dem Prinzip der Rayleigh-Streuung durch Streuzentren auf dem Film und innerhalb des Films Gebrauch gemacht. Hierbei wird erreicht, daß die Zu- bzwo Abnahme der Rayleigh-Streuung

30 985 1/109 6

bei einem sachgerecht gewählten Absorptions- und Referenzstrah lenpaar die Auswirkung der vergrößerten Länge des Absorptionsstrahlenganges ausgleichto Hierdurch wiederum wird ein vernachlässigbar kleiner anormaler Temperatureffekt erreichte

In Fig.2 ist der Verlauf der an einem heißen und an einem kalten PiIm reflektierten Energie, die von einem Detektor erfaßt wird, als Punktion der Wellenlänge aufgetragen. Das von dem Streifenschreiber 26 aufgezeichnete Meßergebnis hat einen Wert

a eine Eichkonstante,

k eine Nullpunktverschiebungskonstante, 8ig1 den Spannungswert des der Absorptionswellenlänge entsprechenden Signals und

sig2 den Spannungswert des der Referenzwellenlänge entsprechenden Signals bedeuten_e

Der Signalwert sig1 ist bei der ausgewählten Absorptionswellenlänge λ * gemessen, wie in Pig.2 dargestellt. Würde die Referenzwellenlänge bei einer Wellenlänge Λ2 gewählt, bei der wenig oder keine Absorption auftritt, so würde ein starker Meßfehler mit zunehmender Temperatur des Films auftreten. Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung wird jedoch als Referenz-Wellenlänge eine Wellenlänge λ-j gewählt, die wesentlich kürzer ist als die Absorptionswellenlänge λ, und bei der die Änderung des Anteils der reflektierten Energie mit der Temperatur gering oder Null ist. Ein typisches Paar von geeigneten Wellenlängen ist Λ3 = 2,38 ^un und Xj = 1,50 um «,

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Quotientenrechner 22 der in Fig.1 gezeigten Auswerteschaltung anstelle des einfachen Quotienten aus dem Wert des dem Absorptionsstrahl entsprechenden Signals und dem Wert des dem Referenzstrahl ent-

309851/1096

sprechenden Signals auch einen Quotienten bilden, der der Summe der von dem Detektor 19 erfaßten Strahlungsanteile des Absorp— tionsstrahles und des Referenzstrahles dividiert durch den Strahlungsanteil des ReferenzBtrahles entspricht«

30985 1/1096

Claims

Patentanwälte Dipl.-Inc. F. Weickmann, 2329181

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

JO

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

<983921/22>

INPRA SYSTEMS, INC.

ANSPRÜCHE.

Ii 1. ^Einrichtung zum Messen einer chemischen oder physikalischen Eigenschaft eines bewegten Bandaiate rials mit einer Ultrarot-Strahlungsquelle, einem Ultrarot-Detektor, der einen von dem Bandmaterial nicht absorbierten Strahlungsanteil erfaßt, und einer dem Detektor nachgeschalteten Auswert eschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zv/ischen der Strahlungsquelle (15) und dem Bandmaterial (10) eine Vorrichtung (27, 28) angeordnet ist, die aus der aufgenommenen Strahlung mehrere Strahlen erzeugt, daß mindestens einer dieser Strahlen eine Y/ellenlängeCX-j) aufweist, die aufgrund der Eigenschaft des Bandmaterials (10) absorbiert wird, daß ein anderer dieser Strahlen als Referenzstrahl dient und eine Wellenlänge (λ-j) aufweist, die wesentlich geringer als die Absorptionswellenlänge (Xj) ist, sowie daß die Auswerteschaltung (16, 18, 20, 22, 24, 32) ein der Eigenschaft entsprechendes Ausgangssignal aufgrund einer Quotientenbildung erzeugt.

2e Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Quotientenrechner (22) aufweist, der den Quotienten aus der Summe der vom Detektor (19) erfaßten Strahlungsanteile des Absorptionsstrahles und des Referenzstrahles und dem Strahlungsanteil des ReferenzStrahles bildet·

30985 1/1096

3„ Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bandmaterial (10) verwendet-wird, bei dem der durchgelassene Strahlungsanteil des Absorptionsstrahles sich mit der Temperatur aufgrund von im Bandmaterial auftretenden Streuzentren ändert.

4e Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen ( λ-,, Λ*) des Absorptionsstrahles und des Referenzstrahles so gewählt sind, daß die bei diesen Wellenlängen bei Temperaturänderungen auftretenden Änderungen der Rayleigh-Streuung beider Strahlen die sich bei den Temperaturänderungen ergebenden verlängerten Absorptionsweglängen kompensierend

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandmaterial (10) ein Kunststoffilm ist·

6· Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge ( λ.,) des Absorptionsstrahles in der Größenordnung von 2,38 Mm liegt«

Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge ( λ...) des Referenzstrahles in der Größenordnung von 1,50 μα. liegt»

8· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Eigenschaft die Dicke istβ

9β Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge ( λ-) des ReferenzStrahles so gewählt ist, daß bei ihr praktisch eine Änderung der Absorption aufgrund einer Änderung der gemessenen Eigenschaft auftritt»

30985 1/1096