DE2353772C3 - Verfahren und Gerät zur kontinuierlichen optischen Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer Papierbahn - Google Patents

Description

W = _£_-*<>) (β^+fl _{+ Wo} a₅

I + ^-(R-R_n)

wobei χ,β,θ,Ηοund IV₀charakteristische Konstantefür Proben einer bestimmten Gewichtsklasse sind, weiche aus Eichrnessungen an Proben unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalts bestimmt werden und wie folgt definiert sind:

Ro, W₀ sind die Koordinatenwerte des gemeinsamen Schnittpunkts von Geraden, welche in einem R-W-Diagramm jeweils den linearen Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt (H-?und Verhältnissignal (R) bei gegebener Zusammensetzung der Papierbahn darstellen; θ ist die Steigung einer Geraden, welche die lineare Beziehung ;£wischen dem Feuchtigkeitsgehalt (W) und dem Kompensationssignal (L) bei konstantem Verhältnissignalwert (R) in einem W-L-Diagramm darstellt; und <x und β sind die Steigung bzw. der Ordinatenabschnitt einer Geraden, die sich für den linearen Zusammenhang zwischen der Steigung der Geraden imi W-fl-Diagramm und dem Kompensationssignal (L) ergibt.

2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer IR-Sirahlungsquelle zur Durchstrahlung der Papierbahn, einem Zerhacker zur periodischen Unterbrechung der Strahlung, zwei jeweils gleichzeitig von der durch die Papierbahn hindurchgetretenen Strahlung beaufschlagten Fotodetektoren, Fikereinrichtungen zur Beschränkung des dem ersten Fotodetektor zugeführten Strahlungsanteils auf eine Wellenlänge von 13 um und des dem zweiten Fotodetektor zugeführten Strahlungsanteils auf eine Wellenlänge von 1,8 μΐη, mit jeweils an den ersten und zweiten Fotodetektor angeschlossenen ersten und zweiten Verstärkern sowie diesen nachgeschalteten ersten und zweiten Demodulatoren sowie einem Rechner zur Errnittlung des Feuchtigkeitsgehalts unter Bildung eines Verhältnissignals aus den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Demodulators, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung (53, 60, 66, 68) zur wechselweisen Verbindung jeweils eines der Fotodetektoren (44, 38) mit dem zugehörigen Demodulator (80, 78) über einen Spannungsteiler (S2, 64) vorgesehen ist, daß der Spannungsteiler einen steuerbaren Widerstand in Form eines Feldeffekttransistors (64) enthält, dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgang des zweiten Demodulators (78) über einen Integrator (102) verbunden ist, dessen Eingang zugleich an eine Referenzspannungsquelle (104) angeschlossen ist, daß eine Synchronisierschaltung (82) zur Erzeugung eines mit dem Eingangssignal des zweiten Demodulators (78) phasensynchronen Bezugssignals für die Demodulatoren (80 bzw. 78) vorgesehen ist und daß der Rechner zwecks Zuführung eines das Absorptionsvermögen der Papierbahn (14) charakterisierenden Kompensationssignais (L) mit dem Ausgang des Integrators (102) verbunden ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen optischen Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer in einer Papiermaschine hergestellten und sich bewegenden Papierbahn, bei dem die Papierbahn mit Meßstrahlung einer Wellenlänge von 1,9 μ.ΐη sowie mit Referenzstrahlung einer Wellenlänge von 1,8 μηι beaufschlagt wird, bei dem die Meß- und die Referenzstrahlung nach Durchtritt durch die Papierbahn auf photoelektrischem Wege in ein Meß- und ein Referenzsignal umgewandelt werden, bei dem ein Verhältnissignal aus dem Meß- und dem Referenzsignal abgeleitet wird und bei dem der Feuchtigkeitsgehalt aus dem Verhältnissignal und einem zusätzlichen, dem feuchtigkeitsunabhängigen Strahlungsabsorptionsvermögen der Papierbahn entsprechenden Kompensationssignal ermittelt wird sowie auf ein Gerät zur Durchführung des neuen Verfahrens.

Ein Verfahren der vorstehend genannten Gattung ist bereits bekannt (DT-OS 19 34 919). Dieses dient allerdings nur zur Messung des Flächen- oder Grundgewichts von Zellulose. Es wird lediglich die Fasermenge gemessen, aber nicht der Fasertyp.

Ferner betrifft die Erfindung ein Gerät: zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Gerät zur fortlaufenden Messung des Feuchtigkeitsgehalts in einer Papierbahn zu schaffen, das sich durch besonders hohe Genauigkeit auszeichnet und bei dem die Einflüsse der verschiedenen Faserzusammensetzungen in der Pulpe auf den zu messenden Wert des Feuchtigkeitsgehaltes kompensiert und somit ausgeschaltet sind

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Feuchtigkeitsgehalt (W) aus der folgenden, den Feuchtigkeitsgehalt mit dem Verhältnissignal (R) und dem Kompensationssignal (L) verknüpfenden Beziehungberechnet wird:

_Wo

^ (R-R₀)

wobei oi, β, Θ, Ab und IV₀ charakteristische Konstante für Proben einer bestimmten Gewichtsklasse sind, welche

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ms Eichmessiingen an Proben unterschiedlicher Zusamnensetzung und unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalts «stimmt werden und wie folgt definiert sind:
R₀₁ Wo sind die Koordinatenwerte des gemeinsamen Schnittpunkts von Geraden, welche in einem Λ-lV-Diajramm jeweils den linearen Zusammenhang zwischen Feuchtigkeitsgehalt (W) und Ve -hältnissignal (R) be· gegebener Zusammensetzung der Papierbahn darstellen;

Q ist die Steigung einer Geraden, welche die lineare Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt (W) und dem Kompensationssignal (L) bei konstantem Verhältnissignalwert (R)\n einem W-L-Diagramm darstellt;
und « und β sind die Steigung bzw. der Ordinatenabschnitt einer Geraden, die sich für den linearen Zusammenhang zwischen der Steigung der Geraden im W-R-Diagramm und dem Kompensationssignal (L) ergibt

Zur Durchführung einer papierbezogenen Nacheichung ist bereits ein Gerät mit einer IR-Strahlungsquel-Ie zur Durchstrahlung der Papierbahn, einem Zerhacker zur periodischen Unterbrechung der Strahlung, zwei jeweils gleichzeitig von der durch die Papierbahn hindurchgetretenen Strahlung beaufschlagten Fotodetektoren, Filtereinrichtungen zur Beschränkung des dem ersten Fotodetektor zugeführten Strahlungsanteils auf eine Wellenlänge von 1,9 μπι und des dem zweiten Fotodetektor zugeführten Strahlungsanteils auf eine Wellenlänge von 1,8 μηι mit jeweils an den ersten und zweiten Fotodetektor angeschlossenen ersten und zweiten Verstärkern sowie diesen nachgeschalteten ersten und zweiten Demodulatoren sowie einem Rechner zur Ermittlung des Feuchtigkeitsgehaltes unter Bildung eines Verhältnissignals aus den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Demodulators bekannt (US-PS 36 41 349). Zur Durchführung des oben beschriebenen neuen Verfahrens ist ein Gerät dieser Gattung geeignet, das eirfindungsgemäß noch dadurch verbessert ist, daß eine Schalteinrichtung zur wechselweisen Verbindung jeweils eines der Fotodetektoren mit dem zugehörigen Demodulator über einen Spannungsteiler vorgesehen ist, daß der Spannungsteiler einen steuerbaren Widerstand in Form eines Feldeffekttransistors enthält,, dessen Gate-Elektrode mit dem Ausgang des zweiten Demodulators über einen Integrator verbunden ist, dessen Eingang zugleich an eine Referenzspannungsiquelle ungeschlossen ist, daß eine Synchronisierschaltung zur Erzeugung eines mit dem Eingangssignal des zweiten Demodulators phasensynchronen Bezugssignals für die Demodulatoren vorgesehen ist und daß der Rechner zwecks Zuführung eines; das Absorptionsvermögen der Papierbahn charakterisierenden Kompensationssignals mit dem Ausgangdes Integrators verbunden ist.

Dadurch wird eine Kompensation des Einflusses der Faserzusammensetzung der Pulpe erreicht mit deren Hilfe Unabhängigkeit des Meßwerts für das Wassergewicht von Beschichtungen der Papierbahn bzw. von der Ausrichtung der Fasern gewährleistet wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. I eine schematische Darstellung eines Teils der mechanischen Anordnung, teils als Blockschaltbild, teils als Schnittansicht,

Fig. IA eine Draufsicht eines der Bestandteile der Anordnung nach Fig. 1,

Fig; IB eine Draufsicht eines anderen der Bestandteile der Anordnung nach F i g. 1,

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung eines vorbekannten Eichverfahrens,

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Probleme, die mit den vorbekantiten Verfahren verbunden sind, für eine Gruppe mit einer einzigen Papierstärke,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Situation bei einer Gruppe von vielen Papierstärken,

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Vorrichtungen,

Fig.6 eine Kennlinie des Wassergewichts W, aufgetragen über einem, auf die Undurchlässigkeit bezogenen Signal L,

F i g. 7 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen dem Steigungsmaß AWIAR der Kennlinie des Wassergewichts W als Funktion des Verhältnisses R der beiden Strahlungsanteile und dem auf die Undurchlässigkeit L bezogenen Signal.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es angebracht, die vorbekannten Einrichtungen im einzelnen zu erläutern. Dazu ist es sinnvoll, mit der in F i g. 1 dargestellten, physikalischen Anordnung zu beginnen. Wie bei anderen Geräten für die Feuchtigkeitsmessung gibt es eine Strahlungsquelleneinheit und eine Strahlungsdetektoreinheit. Im Fail der Durchgangs-Meßeinrichtung wird das Papier zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor hindurchgeführt Im Falle der Rückstreuungs-Meßeinrichtung befinden sich die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor auf derselben Seite des Papiers.

Die Strahlungsquelle ist als Ganzes in F i g. 1 mit 18 bezeichnet Sie besteht aus einer Wolframfaden-Lichtquelle 21, die eine ferneinstellbare Spannungsquelle 22 für die Fadenspannung aufweist. Die Lichtquelle 21 weist beispielsweise eine Leistungsaufnahme von 200 W auf, sie kann Strahlung in den Bändern von 1,8 μπι und 1,9 μπι Wellenlänge abgeben. Die Strahlung aus der Lichtquelle 21 wird durch ein schematisch bei 23 dargestelltes, optisches System gebündelt Der gebündelte Strahl ist durch eine gestrichelte Linie 24 dargestellt und tritt durch eine Öffnung 26, wo er auf ein Unterbrecherraa 27 trifft das am deutlichsten in Fi g. IA dargestellt ist Das Unterbrecherrad 27 rotiert mit hoher Geschwindigkeit und ist gegenüber dem Strahlenbündel 24 derart angebracht daß die Zähne 28 des Rades regelmäßig den Lichtstrahl unterbrechen und bewirken, daß das hindurchgetretene Licht die Form einer Reihe steiler Impulse annimmt deren Folgefrequenz durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rades, seinen Durchmesser und die Anordnung der Zähne bestimmt wird. Ein Antriebsmotor 29 ist mit dem Unterbrecherrad 27 verbunden und ist üblicherweise vom Typ mit variabler Geschwindigkeit, so daß die Unterbrechungsfrequenz stetig verändert werden kann.

Nach der Unterbrechung wird das Strahlenbündel 24 durch die Papierbahn 14 gelritet, von wo es durch die Sammellinse 31 der Detektoreinheit, die allgemein mit 17 bezeichnet wird, aufgefangen wird. Der Strahl wird durch das Papier abgeschwächt, und die Abschwächung oder Dämpfung ist sowohl abhängig von der Feuchtigkeit im Papier als auch von der Undurchlässigkeit des Papiers. Der gesammelte und gebündelte Lichtstrahl wird durch eine erste, als Α-Filter bezeichnete Füteranordhung 32 geleitet die aus einer Scheibe mit mehreren Filtern 33 besteht In der dargestellten Stellung liegt kein Filter im Strahlengang. Nach dem Verlassen des Α-Filters gelangt der Strahl ru einer

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Strahlaufteilungsvorrichtung 34, die beispielsweise aus einem halbdurchlässigen, versilberten Spiegel bestehen kann. Ein Teil des so aufgeteilten Strahles, mit 36 bezeichnet, tritt durch ein Filter 37 bei dem die Mitte des Durchlaßbereichs bei 1,8 μπι liegt Der gefilterte Strahl 5 wird sodann von einer Bleisulfidzelle 38 aufgenommen. Der andere Teil des aufgeteilten Strahls, mit 39 bezeichnet, tritt durch ein Filter 41, bei dem die Mitte des Durchlaßbereichs bei 1,9 pm liegt. Der Strahl 39 wird dann durch ein zweites Filter 42 zur Nacheichung geleitet, das als B-Filter bezeichnet wird und das mehrere, verschiedene Filtereinsätze 43 umfaßt, wie es am deutlichsten in F i g. 1B dargestellt ist. Der Strahl 39 wird sodann von einer Bleisulfidzelle 44 aufgenommen.

Die elektronischen Vorrichtungen des Meßgerätes, von dem eine bevorzugte Ausführungsform weiter unten beschrieben werden wird, üben folgende Grundfunktionen aus: (1) Abgabe geeigneter, elektrischer Leistung an die Bleisulfidzellen, (2) Umwandlung der Änderungen des Widerstandes der Zellen, verursacht durch Änderungen der von den Zellen empfangenen Strahlung, in elektrische Signale, (3) Verhältnisbildung aus den Signalen, die aus den Kanälen entsprechend der Strahlung von 1,8 μιη und 1,9 μΐη Wellenlänge stammt. Das sich ergebende Verhältnissignal R ist dem Gewicht des Wassers Wim Papier proportional. Dieses steht, wie schon in der US-PS 36 41 349 angegeben, mit dem Verhältnissignal R nachfolgender Gleichung in Beziehung:

W= W₀+ (R- R₀) (AB_W + B) (1)

Darin sind Wo, Ro, A und B Konstanten, die durch Nacheichung auf den richtigen Wert gebracht werden, und B_w ist das Grundgewicht des völlig trockenen Papiers. Aus Gleichung (1) ist zu erkennen, daß das Wassergewicht nicht nur von dem Verhältnissignal R, sondern noch von einer anderen Veränderlichen abhängt, nämlich dem Grundgewicht Bw. Das Steigungsmaß der Kennlinie des Verhältniswertes, R in Abhängigkeit vom Wassergewicht W, ist in der Tat eine lineare Funktion des Gmndgewichis B_w mit den Konstanten A und B.

In der vorgenannten Patentschrift wird ebenfalls aufgezeigt, daß die Konstanten der Gleichung nur in einem beschränkten Bereich des Grundgewichts tatsächlich konstant bleiben. Folglich ist eine getrennte Gruppe von Konstanten für jede Papierstärke oder Gruppe von Papierstärken bestimmt worden für Papiermaschinen, zur Herstellung von Papier, dessen Grundgewicht in einem weiten Bereich variieren kann, d. h. für einen großen Bereich von Papierstärken.

Wenngleich die Anwendung der Gleichung (1) und das soeben beschriebene Eichverfahren genaue Ergebnisse unter vielen Umständen liefern, so stellte man fest, daß wesentliche Meßungenauigkeiten noch immer eintreten können, wenn Veränderungen der Pulpe auftreten.

Die einer Papiermaschine zugeführte Pulpe kann von Hartholz-, Weichholzbäumen, oder von wiederverwertetem Papier stammen und eine Anzahl verschiedener Zusätze aufweisen. Außerdem beeinflußt der Grad der Raffinierung die Pulpe auf entscheidende Weise, Wenn solche Größen, wie der Prozentsatz an Hart- oder Weichholz oder an wiederverwerteten) Papier sich ändern, können sie die Ablesung um bis zu 3% verfälschen. Und ein solcher Meßfehler ist unannehmbar, wenn Messungen mit einer Toleranzgrenze von 0,5% gefordert werden.

Durch F i g. 2 wird veranschaulicht, wie das Verhältnissignal R in das Wassergewicht ^umgewandelt wird. Die dargestellten Kennlinien können durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden:

W = W₀ + (R-R₀)[AB_x +B)

(2)

Darin sind VV₀, R₀, A und B Konstanten, die durch Nacheichung a*si den richtigen Wert gebracht werden. Theoretisch gesehen ist B_n. das Grundgewicht des völlig trockenen F'apiers. Jedoch kann B_x, noch bei feuchtem Papier mit niedrigerer Genauigkeit verwandt werden. Die prozentuale Feuchtigkeit wird angegeben durch:

prozentuale: Feuchtigkeit =

K (3)

Dabei; ist K eine Konstante zur Umrechnung in andere Maßeinheiten.

Bei der ursprünglichen Eichung des Meßgerätes zur Feuchtigkeitsmessung werden mehrere Feuchtigkeitsproben für zwei verschiedene Papierstärken in einer Gruppe vorbereitet. Vorzugsweise sind die zwei verschiedenen Papierstärken solche mit erheblichen Gewichtsunterschieden Pg/m² und Qg/m², bei 8 bis 15 Proben je Papierstärke, die möglichst dicht bei dem Standard-Papiergewicht liegend ausgewählt werden, und diese Proben werden völlig oder bis zu einem festgelegten, prozentualen, verbleibenden Feuchtigkeitsgehalt getrocknet und dann gewogen. So wird ihr Grundgewicht B_w bei völliger Trocknung festgestellt In diesem Zustand werden jeder Probe verschiedene Mengen von Wasser zugefügt Die Proben werden sodann jeweils in einer Plastikhülle versiegelt, um zu erreichen, daß das Wasser vom Papier absorbiert wird. Nach einer weiteren Wägung ist das tatsächliche Wassergewicht der Proben bekannt

Der nächste Arbeitsgang des Eichverfahrens besteht darin, jeweils eine Probe in die öffnung des Meßgerätes zu legen. Eine geeignete Hilfsvorrichtung, die nicht dargestellt ist, wird zu diesem Zweck verwandt Man veranlaßt, daß das Meßgerät einen Wert anzeigt, und für jede Probe erhält man einem Verhältniswert R. Die Verhältniswerte R werden sodann über dem Wassergewicht W aufgetragen, und die sich am besten den Meßwerten anschmiegende Kennlinie, wobei die Meßpunkte mit »0« im Falle der Papierstärke Q und mit »x« im Falle der Papierstärke P bezeichnet sind, wird eingezeichnet (F ig. 2).

Der Schnittpunkt zweier derartig angenäherter Kurven wird dann bestimmt und seine Koordinaten werden mit W₀ und Ag bezeichnet An diesem Punkt isl die Funktion R=f(W) unabhängig vom Grundgewicht Tatsächlich bewirken Änderungen des Grundgewichts lediglich, daß die Kennlinien um diesen Wert rotieren.

Anschließend werden die Steigungsmaße der Kurver mit den verschiedenen Papierstärken auf die folgende Weise berechnet, um die Konstanten A und B dei Gleichung (2) zu bestimmen durch Ermittlung dei Anfangswerte, die mit Ao und B₀ bezeichnet werden:

I H7/IR(Kurve A)-AWjAR (KurveB)
B_w (Kurve A) - ß_w (Kurve B)

B₀ =

(Kurve/I) - A₀ B_w (Kurve A) (5

Dabei ist Δ W/AR gleich dem Steigungsmaß der angenäherten Kurve. Wie nachfolgend erläutert wird, werden die Anfangswerte A₀ und flo durch Nacheichung auf den richtigen Wert gebracht.

Ein weiterer Bestandteil der Anfangseichung oder des s Vorbereitungsverfahrens für jede Gruppe von Papierstärken ist die Ableitung von zwei zusätzlichen Konstanten Ra und Rb für das Verhältnis, deren Wert man am Ausgang der Meßanordnung erhält. Wenn nach Fig. 1 das Α-Filter zur Nacheichung in den noch ungeteilten Strahl eingeschaltet ist, wird Ra abgelesen. Ab ist ein Wert, der abgelesen wird, wenn das A-Filter im ungeteilten Strahl und das B-Filter im Strahlengang 39 liegen. Diese Ablesungen werden vorgenommen, wenn kein Papier in der Öffnung des Meßgerätes liegt, ϊ

Nach der Anfangseichung werden die Konstanten A₀, flb, R % und Λ β jn einem Rechner oder einer anderen, geeigneten Einrichtung gespeichert für den Gebrauch beim tatsächlichen Meßverfahren. Nach einer Anzahl von Abtastungen einer Papierbahn, deren Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll, wird die Nacheichung ausgeführt. Genauer gesagt, wird der Verhältniswert R_A berechnet für den Fall des Α-Filters im Strahlengang, und auf ähnliche Weise wird für den Fall des zusätzlichen B-Filters das Verhältnis Rb errechnet für den Strahlengang des Strahls von 1,9 μπι Wellenlänge. Die berichtigten Werte für A, B, Ro und Wo werden beim Nacheichverfahren durch Anwendung der folgenden Formeln ermittelt:

. . Ra — Rb ir\

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	- "0	Ra-	Rb	·,"/
B	D	R0A-	R0B	(7)
Rc	— Λ ■	Ra-	Rb	(8)
W0	— R0 — Ka	+ Ra	- Rb	(9)
= K

Es ist anzumerken, daß das anfängliche Wassergewicht Wo üblicherweise nicht berichtigt zu werden braucht Ferner ist anzumerken, daß die Gleichungen (6) und (7) eine Drehung der Eichkurven für die Papierstärken P und Q in F i g. 2 bewirken, und daß die Gleichung (8) eine seitliche Verschiebung der für die Messungen verwandten Kurve bewirkt

Danach kann durch Anwendung der Gleichungen (2) und (3) die prozentuale Feuchtigkeit der vermessenen Papierbahn berechnet werden.

Der Ablesewert für das Grundgewicht B_n, kann durch eine Meßvorrichtung für das Grundgewicht geliefert werden. Das Grundgewicht enthält den tatsächlichen Feuchtigkeitsgehalt des Papiers. Da die Verwendung des Grundgewichts für den feuchten Zustand keine ss ausreichende Genauigkeit für einige Zwecke ergibt, hat man festgestellt, daß das Grundgewicht für den Zustand völliger Trocknung, das in den Gleichungen (2) und (3) zu verwenden ist aus der folgenden Gleichung ermittelt werden kann:

B_w (völlige Trocknung)

_ B^feucht) - CW₀ -BC(R-R₀) 1+AC(R-R₀)

(10)

Dabei ist C ein Umrechnungsfaktor für andere Maßeinheiten, der gleich K/100 ist, und A, C, R₀ und W₀ sind Ausdrücke aus den Gleichungen (6), (7), (8) und (9). Gleichung (10) ist aus den Gleichungen (2) und (3) hergeleitet durch Bestimmung der Konvergenz dieser Gleichungen bei Berücksichtigung des Wassergewichts bei der Messung des Grundgewichts.

Wie zuvor erwähnt, liefert dieses Verfahren keine genauen Ergebnisse in Anlagen, wo der Gehalt an Fasern und Zusätzen sich bedeutsam ändert. Um dies noch deutlicher zu erkennen, ist es zweckmäßig, F i g. 3 heranzuziehen. Diese Abbildung bezieht sich auf F i g. 2 insofern, als Papier mit zwei verschiedenen Grundgewichten verwendet wurde, um die oben beschriebenen Proben herzustellen. Im vorliegenden Fall wiesen die Proben drei wesentlich voneinander verschiedene, prozentuale Hartholz-/Weichholzmischungen auf. Damit wird die Gleichung (2) sehr ungenau, da beispielsweise bei einem bestimmten Papiergewicht von Q g/m² ein Signal für ein gegebenes Verhältnis drei verschiedene Wassergewichte anzeigen kann, in Abhängigkeit von dem gerade bei dem Papier geltenden Hartholz-/ Weichholzgemisch. Ergebnisse von Versuchen haben gezeigt, daß dieses Phänomen zu Fehlern von bis zu 3% bei der Feuchtigkeitsbestimmung führen kann.

F i g. 3 zeigt die Situation für eine Gruppe von Proben von einer einzigen Papiersorte. Man bemerkt, daß alle Eichkurven von einem einzigen Punkt IVo, Ro ausgehen. Die Situation im Fall einer Gruppe mit mehreren Papiersorten ist in F i g. 4 dargestellt. Bei F i g. 4 wurden die für die Gruppe 1 gezeigten Eichkurven dadurch bestimmt, daß man drei Gruppen von Proben wählte, von denen jede eine wesentlich verschiedene Hartholz-/ Weichholzmischung aufwies, jedoch bei gleichem Grundgewicht Die Proben wurden auf dieselbe Art, wie zuvor erwähnt, vorbereitet. Das bedeutet, daß mehrere Proben mit demselben Hartholz-/Weichholzanteil und mit unterschiedlichen bekannten Wassergewichten W vorbereitet wurden. Die Proben werden dann in das Gerät zur Feuchtigkeitsmessung eingebracht und der Verhältniswert R wird abgelesen. Das Verhältnis R wurde dann über dem bereits bekannten Wassergewicht IV aufgetragen. Dieses Verfahren wurde bei mindestens zwei Gruppen von Proben mit verschiedenen Hartholz-/Weichholzanteilen befolgt.

Aus dem zuvor Gesagten wird offensichtlich, daß die vorbekannte Methode der Berechnung der Feuchtigkeit, die vom Grundgewicht abhängt, nicht zufriedenstellend ist. Folglich könnte das Wassergewicht genauer bestimmt werden, wenn man ein auf die Undurchlässigkeit bezogenes Signal und ein dem Verhältnis R entsprechendes Signal verwenden würde anstelle eines Signals für das Grundgewicht und ein Verhältnissignal wie es in der Gleichung (3) verwendet wurde. Untei Undurchlässigkeit versteht man die Eigenschaft de; Papiers, die direkt die Fähigkeit ausdrückt, di( Weiterleitung von Formen der Strahlungsenergie zi verhindern oder abzuschwächen. Um dies tun zt können, wird ein auf die Undurchlässigkeit bezogene Signal erforderlich.

F i g. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform de elektronischen Vorrichtungen, die verwandt werden, un ein auf die Undurchlässigkeit bezogenes Signal zi erzeugen. Eine zweite vorteilhafte Ausführungsforn wird in Verbindung mit Fig.8 erläutert. Unte Bezugnahme auf F i g. 5 sind die Bleisulfidzellen 38 un· 44 als Widerstände dargestellt. Und tatsächlich verhal ten sie sich, elektrisch gesehen, wie veränderbar Widerstände, deren Wert sich umgekehrt proportion! mit der Stärke der einfallenden Strahlung ändert, der si

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ψ-

ίο

ausgesetzt sind. Die Zellen sind durch eine Hochspan- gesteuerter Widerstand. Wenn der Widerstand des nungs-Gleichstromversorgung 46 vorgespannt, die Feldeffekttransistors 64 steigt nimmt gleichzeitig die üblicherweise Spannungen im Bereich von 300 V über dem Schalter 66 zugeführte Spannung zu. Dies ist die Potentiometer 48 und 50 an die Zellen 38 bzw. 44 dadurch gegeben, daß der prozentuale Anteil des liefert. Elektrisch mit den Zellen 38 und 44 verbunden 5 Spannungsabfalls am Widerstand 62 in bezug auf den sind an üich bekannte Vorverstärker 52 und 54, deren Gesamtspannungsabfall abnimmt.
Aufgabe es ist, lediglich den Spannungspegel der Die Schalter 58 und 66 werden synchron betrieben

Eingangssignal anzuheben. und von einem Unterbrecheroszillator mit Treiberstufe

Die Amplitude der Signale, die an den Ausgängen der 68 gesteuert die vorbekannt sind.

Vorverstärker 52 und 54 erscheinen, verändern sich oft 10 Das Ausgangssignal der Anordnung 56 für die im Bereich von zwei Größenordnungen. Dies wird automatische Verstärkungsregelung besteht aus zwei verursacht durch Änderungen der Undurchlässigkeit amplitudenmodulierten Wechselspannungen. Das Sides Papiers infolge der Fasermischung der Pulpe und gnal des l,9^m-Kanals wird am Ausgang 70 abgenominfolge von Änderungen des Grundgewichts. Vom men und einem Verstärker 72 zugeführt während das Standpunkt der Signalaufbereitung her ist es wün- i₅ Ausgangssignal des 1,8-ujn-Kana!s vom Ausgang 74 sehenswert, die Veränderbarkeit dieser Signale zu abgenommen wird, um dem Verstärker 76 zugeführt zu verringern. Dies wird erreicht durch geregelte Verstär- werden. Die Verstärker 72 und 76 sind schmalbandige kung der Signale, derart, daß die resultierenden Signale Verstärker, die außerhalb des Nutzfrequenzbandes auf einem konstanten Pegel gehalten werden. Das liegende Oberwellen beseitigen, die durch das Zeitmulti-Signal im Kanal für die l,8^m-Strahlung kann auf ₂₀ plexverfahren hervorgerufen werden. Die Ausgangseinem Spannungswert von 8 V gehalten werden. Die spannung dieser Verstärker erscheint sodann als ein Beziehung zwischen dem 1,8-μηι- und dem 1,9-ujn-Ka- rein sinusförmiges, amplitudenmoduliertes Signal,
nal muß sehr genau aufrechterhalten werden, so daß das Die Ausgangsspannungen der Verstärker 72 und 76

aus beiden Kanälen gebildete Signalverhältnis sich nicht werden zwei Demodulatorschaltungen 78 und 80 verändert. ₂₅ zugeführt die die im amplitudenmodulierten Wechsel-

Die automatische Verstärkungsregelung wird durch Spannungssignal enthaltenen Informationen exakt in die bei 56 dargestellte Anordnung durchgeführt Wie einer Gleichspannung überlagerte Informationen um-Fig. 5 zeigt, gehen sowohl der 1,8-μΐη- als auch der wandeln. Die Aufgabe der Demodulatorschaltungen 78 l,9^m-Kanalzuder automatischen Verstärkungsrege- und 80 ist grundsätzlich eine Spitzengleichrichtung, lungsvorrichtung und verlassen diese auch wieder als ₃₀ Diese Schaltungen sind ebenfalls vorbekannt
unabhängige Kanäle. Die einfachste Anordnung zur Um die Spitzenwerte der die Informationen tragen-

Erzielung einer automatischen Verstärkungsregelung den Signale genau gleichzurichten, wird ein Trägersiwürde darin bestehen, einen Verstärker für die gnal benötigt, das genau dieselbe Frequenz und eine automatische Verstärkungsregelung in jedem Kanal exakte Phasenbeziehung zu dem die Informationen anzuordnen, wobei jedoch die Verstärkungsregelung ₃₅ tragenden Signal hat. Um diese Funktion zu schaffen, ist auf dasselbe, eingekoppelte Ausgangssignal anspricht eine phasensynchronisierte Frequenzregelanordnung Diese Anordnung kann für viele Anwendungen benutzt bei 82 vorgesehen, die die Synchronisation mit dem werden. Sie ist jedoch bei einer jeden Anwendung nicht l,8^m-Kanal herstellt Die Regelschleife besteht aus zufriedenstellend, wo der Wert des Verstärkungsfaktors einem an sich bekannten, spannungsgesteuerlen Oszillasehr genau innerhalb enger Toleranzen geregelt werden 40 tor 84, der amplitudenstabilisiert ist Die Ausgangsspanmuß. Das Grundproblem besteht darin, daß Verstärker- nung des spannungsgesteuerten Oszillators 84 wird über bausteine nicht genau einander entsprechende Kennda· eine Leitung 86 einem Eingang eines Phasendetektors ten aufweisen. Die Spannungs-/Stromkennlinien, eben- 88 zugeführt Die Eingangsspannung vom 1,8-um-Kanal so wie der Temperaturgang eines jeden Halbleiterbau- wird dem Phasendetektor 88 vom Ausgang eines steins weichen in irgend einer Weise voneinander ab. ₄₅ Bandpaß-Verstärkers 76 über die Leitung 90 zugeführt Daher würde die dem Eingangssignal erteilte Verstär- Der Phasendetektor 88 ist von an sich bekannter

kung von Kanal zu Kanal verschieden sein, selbst wenn Konstruktion und liefert ein Ausgangssignal an einen zwei getrennte Verstärker auf dasselbe, vom Ausgang Integrator 92, dieses Ausgangssignal ist proportional eingekoppelte Signal ansprechen der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangs-

Durch eine Zeitmulüplexschaltung der 1,8-μηι- und 50 spannungen. Ein Fehlersignal von OVoIt wird erzeugt, 1,9^rn-Kanäle wird dieses Problem gelöst, wobei das wenn die Phasendifferenz genau 90° beträgt Der Zeitmultiplexsignal durch eine einzige Verstärkerai.ord- Integrator 92 ist vorgesehen, damit der Restfehler in der nung für die automatische Verstärkungsregelung Regelschleife zu Null wird. Die Ausgangsspannung des geleitet und am Ausgang w.eder in die beiden einzelnen Integrators 92 ist das Integral des vom Phasendetektor Signale zeriegt wird. Das einzukoppelnde Signal für d.e ₅₅ 88 gelieferten Fehlersignals. Dieses integrierte Signal automatische Verstärkungsregelung wird am Ausgang wird dem spannungsgesteuerten Oszillator 84 zugeleides Ι,Β-μηι-Kanals abgenommen Zum Zweck der tet, dessen Ausgangsfrequenz vom Spannungspegel der geregelten Verstärkung werden die Ausgangssignale ihm zugeführten Steuersignale aereuelt wird Die der Verstärker 52 und 54 dem Schalter 58 zugeführt der Ausgangsspannung S^SZ^SrtSo^- wechselweise den 8-μ,η- und den UJ-um-Kanalanden *> tors 84 wird ebenfalls einem Phasenschiebernetzwerk Verstärker b0 schaltet. Verstärker 60 ist vorgesehen, um 94 zugeführt. Dieses Netzwerk 94 ergibt eine Phasenjeghche Belastung des 1,8-μην oder des 1,9-um-Kanals verschiebung von 90° zwischen seiner Eingangs- und zu beseitigen und gestattet sehr schnelles und genaues seiner Ausgangsspannung und wird benötigt, um den Abtasten. Du Ausgangssignal des Verstärkers 60 w,rd Einfluß der Phasendetektorschaltung 88 zu kompensic über einen Widerstand 62 der Source-Elektrode eines _6;5 ren, die die Fehlerspannune Null abeibt sobald die Feldeffekttransistors 64 zugeführt. Die Drain-Elektrode Phasendifferenz zwiscTn beiden Lga'ngLignafen 90" des Feldeffekttransistors 64 ist an Masse gelegt. Im beträgt Somit ist das Ausgangisignal def Phasenschic Betrieb wirkt der Feldeffekttransistor 64 als spannungs- bernetzwerks 94 von genau Selben Frequenz unc

Phase wie die Wechselspannungssignale sowohl im 1,8-μπι- als auch im 1,9-u.m-Kanal, die den Demodulatoren 78 und 80 zugeführt werden. Die Ausgangsspannung des Phasenschiebernetzwerks 94 wird über die Leitungen 96und 98 den Demoduiatoren 78 und 80 zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Demodulators 78 des 1,8-μηι-Kanals findet als einzukuppelnde Spannung für den Regelverstärker der Anordnung 56 für die automatische Verstärkungsregelung Verwendung. Die Ausgangsspannung des Demodulators 78 wird über einen Widerstand 100 dem Eingang eines integrierenden Verstärkers 102 zugeleitet. Eine Bezugsspannung 104 hoher Genauigkeit ist über den Widerstand 106 mit dem Eingang des integrierenden Verstärkers 102 ebenfalls verbunden. Diese Anordnung wirkt als Spannungsvergleichsschaltung. Solange, wie die hinter dem Widerstand 100 anliegende Spannung gleich der hinter dem Widerstand 106 liegenden Spannung in Richtung zur Spannungsquelle 104 hin ist, wird dem integrierenden Verstärker iöi kein Fehlersignal zügeführt Wenn jedoch die Ausgangsspannung des Demodulators 78 von ihrem normalen Wert abweicht, veranlaßt der durch den Widerstand 100 fließende Überschuß- oder Fehlstrom den integrierenden Verstärker 102, ein Ausgangssignal abzugeben, das proportional dem Integral jener Stromänderung ist. Bosses Signal wird sodann über die Leitung 108 der ' Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 64 zugeführt. Die Regetschleife ist derart ausgestaltet, daß die Ausgangsspannung des Demodulators 78 auf einem konstanten Wert gehalten wird. Da das Signal des t,9^m-Kanals auch mit genau demselben Verstärkungsfaktor wie das Signal des l,8^m-Kanals verstärkt wird, bleibt das Verhältnis beider Signale zueinander erhalten. 3;

Die Atisgangsspannungen der Demoduiatoren 78 und 80 werden über die Pufferstufen 110 und 111 mit der Verstärkung von 1 entweder einem Rechner oder einer anderen, geeigneten elektronischen Schaltung zugeführt

Das der Undurchlässigkeit zugeordnete Signal L wird an der Regelschleife, zwischen dem 1,8-μτη-Kanal und dem Eingang der Anordnung 56 für die automatische Verstärkungsregelung abgenommea Genauer gesagt, wird das Signal L an dem gemeinsamen Punkt zwischen dem Ausgang des integrierenden Verstärkers 102 und der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 64 abgegriffen.

Obgleich es für das allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung ist, erscheint es vom betrieblichen Standpunkt wichtig, daß der Typ des gewählten Feldeffekttransistors der Polarität des Ausgangssignals des integrierenden Verstärkers 102 angepaßt ist. Im vorliegenden Fall wird ein die Arbeitsweise verbessernder Feldeffekttransistor verwandt Daher verursacht ein ansteigendes Ausgangssignal aus dem integrierenden Verstärker 102 eine zunehmende Leitfähigkeit des Feldeffekttransistors 64, und somit eine Verringerung der Verstärkung der Anordnung 56 für die automatische Verstärkungsrege- Ao lung. Daher steigt, wenn mehr Strahlung durch das Papier dringt, die Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers 102 an, die ihrerseits den Widerstand des Feldeffekttransistors 64 verringert Jedoch bedeutet mehr durch das Papier tretende Strahlung verringerte Undurchlässigkeit Folglich steht das der Undurchlässigkeit zugeordnete Signal L hiermit in umgekehrt proportionalem Zusammenhang. Ob direkt oder umgekehrt proportional, so ist der Zusammenhang nicht bedeutend, wie aus der folgenden Beschreibung von der Anwendung des Signals zu erkennen ist.

Die Signale aus den 1,8-μιη- und l,9^m-Kanälen werden üblicherweise einem Rechner zugeführt, wo sie miteinander kombiniert werden. In der Vergangenheit hatte diese Kombination die Form eines reinen Verhältniswertes. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Signale auf die folgende Weise zu kombinieren:

R =

^9 (Q .8 ~ D)
K_S(AC_U9 + B)

(H)

Dabei sind A, B und D Konstanten, die durch übliche Nacheichungsverfahren auf den richtigen Wert gebracht werden, Kt und K9 sind Konstanten, die zur Zeit der Eichung bestimmt werden, und Qg und C\s sind die Signale aus dem 1,8-μπι- bzw. l,9-^m-Kanal. Die Kombination der Signale, die in der Gleichung (10) dargestellt ist, bildet keine bedeutsame Abweichung vom reinen Verhältniswert und wird als Beispiel für andere Ausdrücke angeführt, die aus Gründen der Zweckmäßigkeit in das Symbol R einbezogen werden.

Wie zuvor erläutert, werden Proben zur Eichung des Meßgerätes vorbereitet Außer dem Gebrauch von Sätzen von Proben mit verschiedenen Grundgewichten ist es jedoch auch möglich, Sätze von Proben mit gleichbleibenden Grundgewichten, aber mit verschiedenen Faserzusammensetzungen zu verwenden. Beispielsweise können unterschiedliche prozentuale Anteile von Hart- und Weichholz in den beiden Sätzen von Proben verwendet werden.

Wie Fig.4 zeigt, treffen die Eichkurven für eine bestimmte Gruppe von Papiersorten gleichen Grundgewichts in einem Punkt zusammen. So treffen sich beispielsweise die Kurven der Gruppe 1 in dem Punkt mit den Koordinaten (Wo, /?ο)ι· Jedoch werden sich die Kurven für verschiedene Gruppen von Papiersorten gewöhnlich an verschiedenen Punkten treffen. In F i g. 4 sind diese Punkte hervorgehoben durch die außerhalb der Klammern angebrachten Indizes.

Neben der Auftragung des Wassergewichts W über dem entsprechenden Verhältniswert R für die vorbereiteten Proben wird auch das Wassergewicht W über der Undurchlässigkeit L aufgetragen.

F i g. 6 ist eine graphische Darstellung des Wassergewichts W über der Undurchlässigkeit L Bei jeder der zuvor erwähnten Proben wird nicht nur das Verhältnis, sondern auch die Undurchlässigkeit L gemessen. Somit gibt es in F i g. 6 eine Kurve, die jeweils einer anderen Kurve in Fig.4 entspricht. Entsprechend dem Schnittpunkt (Wo, #0)2 gibt es zwei Punkte mit den Koordinater (Wo, L^l ₀)2 und (W₀, Lo)2· Diese Punkte werden aus deir Schnittpunkt der Kennlinie des Wassergewichts W ir Abhängigkeit von L mit dem Wert von W₀, der aus dcrr Diagramm der F i g. 4 entnommen wurde, ermittelt. Ir ähnlicher Weise gibt es zu den Kennlinien de: Wassergewichts VVder Papiersortengruppe 1 in Fig.* die entsprechenden Kennlinien in Fig.6. Wie zuvo erwähnt, besteht ein umgekehrt proportionaler Zusam menhang zwischen dem mit der Undurchlässigkci verknüpften Signal L und dem Grundgewicht aufgruni der gewählten elektronischen Anordnung. Diese Wad wurde nur aus Gründen der Zweckmäßigkeit getroffci und ist in keiner Weise für die vorliegende Erfinduni bedeutsam. Das heißt, daß jede von der Undurchlässig kcit abhängende Spannung hier wirken könnte, selbs wenn die Eichkurven nicht linear verlaufen.

Wie Fig.4 zeigt, ist das Wassergewicht VV eine lineare Funktion des Verliältniswertes R. Es kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

W = A (R - R₀) + W₀

(12)

Darin wird A noch weiter zu erläutern sein, und R, Ro, Wund Wo wurden bereits oben definiert.

Nach F i g. 6 wird das Steigungsmaß Θ der Kennlinie für die Undurchlässigkeit L wie folgt definiert:

Steigungsmaß <-) =

W-W₀

L - L„

(13)

Aus empirischen Analysen ist gezeigt worden, daß A innerhalb der Gruppe einer Papiersorte eine lineare Funktion des UndurchJässigkeitssignals L₀ isl. Dieser 14«J

Zusammenhang kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(I W/ AR), = A = «ti + β

(14)

Dabei stellt / die Ordnungszahl der Gruppe der betreffenden Proben dar.
Die Umstellung der Gleichung (13) ergibt:

(15)

Dabei sind α, β und θ Konstanten innerhalb der Gruppe einer Papiersorte.

Das Einsetzen der Gleichung {15) in die Gleichung (14) ergibt die folgende Gleichung:

A =

'-W₀

■)]

(16)

Das Einsetzen der Gleichung (16) in die Gleichung (12) ergibt die folgende Gleichung:

(W-W₀) = <>[l-( (R-Ro)] + ß (R-Ro)

= La (R-R₀) - ^r(W- W₀) ■ (R - R,) + β (R-Ro)
(W-W₀)Tl +^(K-Ko)] = La(R-R₀) + HR-Ro)

(17)

Dieser Ausdruck kann wie folgt umgeformt werden: (W- W₀) « (*-yM;+fl ₍₁₈₎

Wie man sieht, ist nunmehr das Wassergewicht Win Abhängigkeit von R und L angegeben. Alle anderen Faktoren λ, β, θ, Ro und W₀ sind Konstanten für die Gruppe einer gegebenen Papiersorte. Somit ist das Wassergewicht W wiederum ein eindeutig von den Parametern R und L abhängiger Wert, diese beiden Größen werden durch das bei der bevorzugten Ausführungsform beschriebene Meßgerät geliefert.

R₀ und W₀ können direkt einer Kennlinie des Wassergewichts W über dem Verhältniswct R, wie in Fig.4, entnommen werden. Die Konstanten « und β können am besten bestimmt werden, indem man Δ WlAR als Funktion von L aufträgt, wie F i g. 7 zeigt.

Um die Kurve nach F i g. 7 aufzutragen, werden Werte sowohl aus F i g. 4 als auch aus F i g. 6 entnommen. Aus F i g. 4 bestimmt das Steigungsmaß (Δ W\/AR\) für die erste Probe der Papiersortengruppe 1 die Ordinate eines Punktes. Aus Fig.6 bestimmt der L₀-Wert L₁ ¹ derselben ersten Probe der Papiersortengruppe 1 die Abszisse des in Fig.7 einzutragenden, genannten Punktes. Die anderen Punkte werden in derselben Weise eingetragen. Wie gezeigt, können die Konstanter α. und β direkt diesem Diagramm entnommen werden Üblicherweise werden diese Konstanten, und zwar ein Satz von Konstanten für jede Gruppe einer Papiersorte im Speicher eines Digitalrechners abgelegt Jedoch kanr das ganze Verfahren, wie es gezeigt wurde, manuel durchgeführt werden.

Die Erfindung wurde für zwei Gruppen vor Papiersorten aus Gründen der Übersichtlichkeit erläu tert. Dieses Konzept ändert sich nicht, ganz gleich, wk hoch die Zahl der Gruppen einzelner Papiersorten ist

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen optischen Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer in einer Papiermaschine hergestellten und sich bewegenden Papierbahn, bei dem die Papierbahn mit Meßstrahlung einer Wellenlänge von 1,9μηι sowie mit Referenzstrahlung einer Wellenlänge von 1,8 μΐη beaufschlagt wird, bei dem die Meß- und Referenzstrahlung nach Durchtritt durch die Papierbahn auf photoelektrischem Wege in tin Meß- und ein Referenzsignal umgewandelt werden, bei dem ein Verhältnissignal aus dem Meß- und dem Referenzsignal abgeleitet wird und bei dem der Feuchtigkeitsgehalt aus dem Verhältnissignal und einem zusätzlichen, dem feuchtigkeitsjnabhängigen Strahlungsabsorptionsvermögen der Papierbahn entsprechenden Kompensationssignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsgehalt (W) aus der folgenden, den Feuchtigkeitsgehalt mit dem Verhältnissignal (R) und dem Kompensationssignal (L) verknüpfenden Beziehung berechnet wird: