DE2724919A1

DE2724919A1 - Verfahren zum messen physikalischer eigenschaften duenner koerper mit hilfe von ultrarot-strahlung

Info

Publication number: DE2724919A1
Application number: DE19772724919
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: LIPPKE GmbH CO KG PAUL
Current assignee: LIPPKE GmbH CO KG PAUL
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1978-12-07
Also published as: GB1604747A; DE2724919C3; DE2724919B2; SE433403B; SE7806220L

Description

Paul Lippke KG, Wilhelm-Leuschner-Str._t 5450 Neuwied

Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung

Stand der Technik

Messung verschiedener physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung gehört seit längerer Zeit zum Stand der Technik. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß für derartige Messungen in Frage kommende Materialien eine besonders starke Absorption gewisser, dem jeweiligen Material zugeordneter Wellenlängenbereiche von Ultrarot-Strahlung zeigen. Mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung wird z. B. Dickenmessung an Kunststoffolien durchgeführt, ferner ist es bekannt, an Papierbahnen oder dgl. mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung Feuchtigsmessungen durchzuführen. Weiterhin ist es in der Praxis seit einiger Zeit bekannt, mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung die Dicke von Überzügen

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auf Bahnen aus Papier, Kunststoff oder dgl. zu messen.

Bei der Messung mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung wird aus Gründen größtmöglicher Unabhängigkeit gegenüber Änderungen in oder an Geräteteilen zumeist nach dem sogenannten Zweistrahl-Meßverfahren gearbeitet, bei dem außer Ultrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem betreffenden Material besonders stark absorbiert wird (Meßwellenlänge/tO , zusätzlich Ultrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge angewendet wird, die außerhalb der sogenannten Absorptionsbanden des betreffenden Materials liegt (Vergleichswellenlängeλ2 ).

Es ist ferner bekannt, daß mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung erzielbare Meßergebnisse von verschiedenen Störfaktoren beeinflußt werden können. Einige Störfaktoren sind dabei wellenlängenabhängig. Zu diesen .wellenlängenabhängigen Störfaktoren gehört insbesondere die Streuung von Strahlung, die z. B. durch im Grundmaterial enthaltene Füllstoffe wie z. B. Pigmente verursacht werden kann oder aber auch von rauhen Oberflächen der zu messen den dünnen Körper herrühren kann. Im Fall der erwähnten Streuung ist es bekannt, daß diese umgekehrt proportional cur vierten Potenz der Wellenlänge ist. Dies ist auch ein Grund dafür, daß man beim erwähnten Zweistrahl-Meßverfahren Meßwellenlänge λ-., und Vergleichswellenlänge möglichst dicht benachbart wählt, um auf diese Weise Fehlmessungen wegen unterschiedlich starker Streuung der Strahlungen mit Meßwellenlänge"K_Λ bzw. Vergleichswellenlänge 71 a nach Möglichkeit zu vermeiden oder wenigstens in kleinen Grenzen zu halten.

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Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein von wellenlängenabhängigen Störfaktoren, insbesondere von Streuung,unabhängiges Meßergebnis zu erzielen. Diese Aufgabe wird mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Verfahren gelöst.

Es sind zwar schon verschiedene Meßeinrichtungen bekannt, die mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung arbeiten und bei denen mehr als zwei Wellenlängen von Ultrarot-Strahlung Anwendung finden. Bei diesen bekannten Einrichtungen dienen die verschiedenen Wellenlängen jedoch der Ermittlung verschiedener Komponenten eines Stoffes und nicht wie im Fall der vorliegenden Erfindung dem Eliminieren von wellenlängenabhängigen Störfaktoren, insbesondere nicht dem Eliminieren des Einflusses der Streuung auf das Meßergebnis.

Vorteile

Beispielsweise für den Fall der Dickenmessung an Kunststoffolien ist es bei Anwendung des tirfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr gleichgültig, in welchem Maß irgendwelche 'streuung verursachenden Füllstoffe wie z. B. Pigmente im Material enthalten sind und/oder in welchem Maß durch Unebenheiten der Oberflächen der Folien Streuung der angewendeten Strahlung verursacht wird. Dieser mit der Erfindung erzielbare Vorteil ist unabhängig davon, ob im sogenannten Durchstrahl-Verfahren oder im Reflexionsverfahren gemessen wird und weiter unabhängig davon, in welcher Weise und an welchem Ort im Verlauf

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des Strahlenganges die Aufteilung der vom Strahler abgegebenen Strahlung in Meß- und Vergleichswellenlängen vorgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei der Feuchtigkeitsmessung an Papierbahnenoder dgl. die in der Bahn enthaltenen Faserbzw. Füllstoffe und weitere ggfs. vorhandene Stoffe aus der Sicht des erfindungsgemäßen Verfahrens als Streuung verursachende Komponenten anzusehen sind, deren Einfluß auf die Bildung eines Meßwertes für den Feuchtigkeitsgehalt der betreffenden Bahn vollständig eliminiert werden können. In einem solchen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens würde demnach praktisch ausschließlich die Dicke bzw. das Flächengewicht einer dem Feuchtigkeitsgehalt der betreffenden Papierbahn entsprechenden Wasserschicht gemessen.

Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf die Fortbildung des sogenannten Zweistrahl-Meßverfahrens beschränkt. In Weiterbildung dieses bestimmten Meßverfahrens, bei dem zum Bilden des Meßergebnisses der Quotient der Intensitäten von Meßwellenlänge \j und Vergleichswellenlänge λ-2 ermittelt wird, wird entsprechend Anspruch 2 vorgeschlagen, daß bei Anwendung von zwei Vergleichswellenlängen Λ.^ und /Ij als Korrektur faktor für das Meßergebnis der Quotient Q 2 der Intensitäten der beiden Vergleichswellenlängen λ.£ und λ.j ermittelt wird.

Anspruch 3 schlägt eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, mit einer Strahlereinrichtung für Ultrarot-Strahlung, Filtermitteln für MeB- und Vergleichswellenlänge und Detektormitteln für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, die sich dadurch kennzeichnet, daß die Filtermittel wenigstens drei Filter aufweisen, von denen wenigstens zwei Filter zum Ausfiltern von Vergleichswellenlängen ^i und λ,j dienen, die einer Meßwellenlänge \_Λ zugeordnet

einsetzbar. Dies deswegen, weil im Fall von Papierbahnen und dgl. - 5 -

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sind. In Weiterbildung dieser Einrichtung sind nach Anspruch 4 die Filter in an sich bekannter Weise in einem im Strahlengang rotierbaren Filterrad angeordnet. Eine andere mögliche Weiterbildung zeichnet sich nach Anspruch 5 dadurch aus, daß die Filter ortsfest in der Einrichtung angeordnet sind und mit Strahlungsteilermitteln bzw. Strahlungsverteilermitteln kombiniert sind. Derartige Strahlungsteilermittel bzw. Strahlungsverteilermittel können z. B. entsprechend angeordnete, teildurchlässige Spiegel oder ein rotlerbarer Polygonspiegel sein.

Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich entsprechend Anspruch 6 dadurch kennzeichnet, daß ein Detektor für die Strahlung mit dem Eingang eines Quotientengenerators elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus Meßwellenlänge X^ und einer der beiden Vergleichswellenlängen, z.B. 71 j , gebildeter Quotient Q 1 ansteht und an dessen anderem Ausgang ein aus den beiden Vergleichswellenlängen 71 „ und fl-fc gebildeter Quotient Q 2 ansteht, welche Ausgänge gegebenenfalls über Zwischenglieder wie z. B. Linearisierungsmittel mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korrekturgliedes, z.B. eines Multiplikators, elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes Meßergebnis ansteht. Für einen Fachmann ist es jedoch ohne besondere erfinderische Überlegungen möglich, die zuvor beschriebene Schaltungsanordnung durch ein digital arbeitendes Rechnersystem zu ersetzen.

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Erläuterung der Erfindung

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit zweier unterschiedlicher Kunststoffolien für Ultrarot-Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge X der Ultrarot-Strahlung dargestellt wird,

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 eine elektrische Schaltungsanordnung zum

Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.

Das Diagramm nach Fig. 1 zeigt idealisiert eine Kurve 1, die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines bestimmten Körpers, z.B. einer Kunststoffolie, in Abhängigkeit von der Wellenlänge 71 der angewendeten Ultrarot-Strahlung zeigt. Der Verlauf der Kurve 1 hat im Bereich der Meßwellenlänge Ka ein Minimum, denn im Bereich dieser Meßwellenlänge 71.* befindet sich eine von evtl. mehreren möglichen Absorptionsbanden des betreffenden Materials. Im Bereich der Vergleichswellenlänge %,% geht die Kurve 1 in Richtung zu niedrigeren Wellenlängen hin wieder in einen etwa geradlinigen Teil mit bestimmter Steigung über

Ferner zeigt das Diagramm nach Fig. 1 in gestrichelter Darstellung eine Kurve 2, die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines anderen bestimmten Körpers mit gegenüber

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dem vorgenannten Fall mehr Streuung verursachenden Komponenten, z.B. zwar aus dem gleichen Grundmaterial bestehenden, jedoch einen größeren Anteil an Pigmenten aufweisenden Kunststoffolie, in Abhängigkeit von der Wellenlänge 7\, darstellt. Auch der Verlauf der Kurve 2 hat im Bereich der Meßwellenlänge 7Lt ^e^ⁿ Minimum wegen des gleichen Grundmaterials des betreffenden Körpers. Jedoch ist die Kurve 2 gegenüber der Kurve 1 um ein gewisses Maß nach unten hin (Pfeil 3) abgesenkt bzw. um einen hier nicht näher zu definierenden Punkt geschwenkt. Der geradlinige Teil der Kurve 2 hat demnach eine andere Steigung als der betreffende geradlinige Teil der Kurve 1, Dies ist eine Folge der größeren Streuung der Strahlung an den Oberflächen dieses Körpers und an im Material dieses Körpers enthaltenen, Streuung verursachenden Komponenten.

Es ist einzusehen, daß bei diesen Verhältnissen auf der Grundlage des bekannten Zweistrahl-Meßverfahrens oder ähnlicher Meßverfahren exakte Meßergebnisse nicht mehr erwartet werden können, wenn im Verlauf der Fertigung des betreffenden Produktes wellenlängenabhängige Störfaktoren eine Änderung erfahren. Der betreffende, durch Quotientenbildung ermittelte Meßwert muß umsomehr vom tatsächlichen Meßwert abweichen, je größer der Abstand zwischen Meßwellenlänge \* und Vergleichswellenlänge 71% ist. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens schafft hler Abhilfe. Durch Ermittlung der Steigung des erwähnten geradlinigen Teiles der dargestellten Kurven kann ein Korrekturfaktor für das Meßergebnis eingeführt werden.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche AusfUhrungsform einer Einrichtung zum Durchführen des

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erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer Strahlereinrichtung 5, optischen Mitteln 6 und 7, einem rotierbaren Filterrad 8 mit drei zweckmäßigerweise gleichmäßig über den Umfang des Filterrades verteilten Filtern, von denen die Darstellung lediglich das Filter 9 zeigt, sowie einem Detektor 10. Die drei im Filterrad 8 befestigten Filter sind jeweils der Meßwellenlänge \,_Λ bzw. einer der beiden Vergleichswellenlängen TL2 und /L3 zugeordnet. Dementsprechend wird der Detektor 10 bei !rotierendem Filterrad 8 aufeinanderfolgend elektrische Spannungsimpulse U 1, U 2 und U 3 abgeben, welche Spannungsimpulse der Meßwellenlänge \* , der Vergleichswellenlänge %i bzw. der Vergleichswellenlänge \\ zugeordnet sind. Diese erwähnten Spannungsimpulse werden (s. Fig. 3) dem Eingang eines Quotientengenerators 11 zugeführt. In diesem Quotientengenerator 11 wird in bekannter Weise der Quotient Q 1, aus den erhaltenen Meßsignalen bzw. den erhaltenen elektrischen Spannungsimpulsen gebildet. Darüberhinaus wird in diesem Quotientengenerator ein weiterer Quotient Q 2 aus den beiden den Vergleichswellenlängen λ-£ und "K% zugeordneten elektrischen Spannungsimpulsen U 2 und U 3 gebildet. Während der erstgenannte Quotient Q 1 z. B. über Linearisierungsmittel 12 dem einen Eingang eines Korrekturgliedes 14 zugeführt wird, wird der letztgenannte Quotient Q 2 z. B. über Linearisierungsmittel 13 dem anderen Eingang des Korrekturgliedes 14 zugeführt. Dieses Korrekturglied 14 kann z.B. ein Multiplikator sein. Am Ausgang des Korrekturgliedes 14 steht dann ein korrigiertes Meßergebnis der jeweils zu ermittelnden Größe des zu messenden Körpers an.

Koblenz, 28. Februar 1977

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Leerseite

Claims

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Paul Lippke KG, 5450 Neuwied. Wllhelm-Leuscher-Str.

Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung, z.B. zum Messen der Dicke einer Kunststoffolie oder des Feuchtigkeitsgehaltes einer Papierbahn, insbesondere bei dem einer von dem zu messenden Stoff absorbierten Wellenlänge (Meßwellenlänge 71-, ) eine von dem zu messenden Stoff im wesentlichen nicht absorbierte Wellenlänge (VergleichswellenlängeR,2 ) zugeordnet ist, deren Intensitäten nach Beeinflussung durch den zu messenden Körper miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet. daß außer der Meßwellenlänge (7L-0 wenigstens zwei Vergleichswellenlängen (71-2. und/I3) angewendet werden, die zum Bilden eines Korrekturfaktors für das Meßergebnis verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von zwei Vergleichswellenlängen (Ä* und/lj ) als Korrekturfaktor für das Meßergebnis der Quotient

(Q 2) der Intensitäten der beiden Vergleichswellenlängen ermittelt wird.

3. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einer Strahlereinrichtung für

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ORIGINAL INSPECTED

Ultrarot-Strahlung, Filtermitteln für Meß- bzw. Vergleichswellenlänge und Detektormitteln für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel drei Filter aufweisen, von denen zwei Filter Vergleichswellenlängen ( λ-ι und ^j) zugeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (z.B. 9) in an sich bekannter Weise in einem im Strahlengang rotierbaren Filterrad (8) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter ortsfest in der Einrichtung angeordnet sind und mit Strahlungsteilermitteln bzw. Strahlungsverteilermitteln wie z. B. teildurchlässigen Spiegeln, rotierbaren Polygonspiegeln und dgl. kombiniert sind.

6. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch qekennzeichnet, daß ein Detektor (10) mit dem Eingang eines Quotientengenerators (11) elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus Meßwellenlänge (%*) und einer der beiden Vergleichswellenlängen (z.B.*2 ) gebildetei Quotient (Q 1) ansteht und an dessen anderem Ausgang ein aus den beiden Vergleichswellenlängen (TW und A%) gebildeter Quotient (Q 2) ansteht, welche Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder wie z.B. Linearisierungsmittel (12 bzw.

13) mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korrekturgliedes, z.B. eines Multiplikators (14), elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes Meßergebnis ansteht.

Koblenz, den 28. Februar 1977 Der Vertreter

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