DE2724919B2

DE2724919B2 - Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung, z.B. zur Dickenmessung oder Feuchtigkeitsmessung

Info

Publication number: DE2724919B2
Application number: DE2724919A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied GmbH
Current assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied GmbH
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2724919C3; DE2724919A1; GB1604747A; SE433403B; SE7806220L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

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 eeeienete Materialien eine besonders starke Absorption gewisser, dem jeweiligen Material zugeordneter Wellenlängenbereiche von Ultrarot-Strahlung aufweisen. Mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung wird z. B. Dickenmessung an Kunststoffolien durchgeführt, ferner ist es bekannt, an Papierbahnen oder dgl. mit Hilfe von Ulirarot-Strahlung Feuchtigkeitsmessungen durchzuführen. Weiterhin ist es in der Praxis seit einiger Zeit bekannt, mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung die Dicke von Oberzügen auf Bahnen aus Papier, Kunststoff oder dgl

ίο zumessen.

Wie z. B. die DE-AS 13 03 819 beschreibt, wird bei der Messung mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung aus Gründen größtmöglicher Unabhängigkeit gegenüber Änderungen in oder an Geräteteilen zumeist nach dem

sogenannten Zweistrahl-Meßverfahren gearbeitet, bei dem außer Ultrarot-Strahlupg mit einer Wellenlänge, die von dem betreffenden Material besonders stark absorbiert wird (Meßwellenlänge Ai), noch zusätzlich eine Ultrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der sogenannten Absorptionsbanden des betreffenden Materials liegt (Vergleichswellenlänge A2).

Es ist bekannt, daß mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung erzielbare Meßergebnisse von verschiedenen Störfaktoren beeinflußt werden können. Einige Störfaktoren sind dabei wellenlängenabhängig. Zu diesen weilenlängenabhängigen Störfaktoren gehört insbesondere die Streuung von Strahlung, die z. B. durch im Grundmaterial enthaltene Füllstoffe, wie z. B. Pigmente, verursacht werden kann oder die von rauhen Oberflächen eines zu messenden dünnen Körpers herrühren kann. Im Fall der erwähnten Streuung ist es bekannt, daß diese umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge ist. Dies ist auch ein Grund dafür, daß man beim

J5 erwähnten Zweistrahl-Meßverfahren Meßwellenlänge Ai und Vergleichswellenlänge X₂ möglichst dicht benachbart wählt, um auf diese Weise Fehlmessungen wegen unterschiedlich starker Streuung der Strahlungen mit Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlänge A2 nach Möglichkeit zu vermeiden oder wenigstens in kleinen Grenzen zu halten. Bei sich änderndem Anteil an Füllstoffen in einer Papierbahn, einer Kunststoffolie oder dgl. oder auch bei sich ändernder Rauhigkeit der Oberfläche einer solchen Bahn wird sich nämlich das Verhältnis der Intensität der Strahlung mit Meßwellenlänge Ai zur Intensität der Strahlung mit Vergleichswellenlänge A2 um so mehr verändern, je größer wellenlängenmäßig der Abstand zwischen Meßwellenlänge Ai und Vergleichswellenlänge X₂ ist, und zwar bei gleichbleibender Dicke der Bahn.

Die DE-OS 24 38 869 weist bereits auf das Problem der Beeinflussung eines nach dem Zweistrahl-Meßverfahren erhaltenen Meßergebnisses durch Streuung am im zu messenden Körper enthaltenen Pigmenten und dgl. hin. Für die Dickenmessung an im wesentlichen klaren Kunststoffolien mit spiegelnd reflektierenden Oberflächen wird zur Lösung des angesprochenen Problems vorgeschlagen, neben einem die an der Vorder- bzw. Rückseite des Films spiegelnd reflektierte Strahlung empfangenden Detektor einen weiteren Detektor vorzusehen, der nur z. B. von im Film enthaltenen Pigmenten gestreute Strahlung empfangen soll. Diese beiden Detektoren sind in einer elektrischen Schaltungsanordnung derart miteinander verbunden, daß sich ihre Ausgangssignale voneinander mehr oder weniger subtrahieren. Dies soll gemäß dem Vorschlag nach dieser Offenlegungsschrift jedoch nur für diejenigen Signale erfolgen, die die Detektoren durch

Beaufschlagung mit Strahlung ein und derselben Vergleichswellenlänge abgeben. Im Fall der Strahlung mit Meßwellenlänge findet eine derartige Subtraktion nicht statt Die Änderung der Strahlung mit MeEwellenlänge infolge von im zu messenden Körper enthaltenen s streuenden Pigmenten bleibt unberücksichtigt Aus diesem Grund ändert sich der in bekannter Weise ermittelte Quotient aus Meßstrahlungssignal und Vergleichsstrahlungssignal mit sich ändernder Ansammlung von saeuenden Pigmenten in der Folie. Ein ι ο befriedigendes, von Streuung bzw. sich ändernder Streuung weitgehend unabhängiges Meßergebnis kann nach diesem bekannten Verfahren und mit dieser bekannten Einrichtung nicht erwartet werden. — Von dem erwähnten, grundsätzlichen Mantel abgesehen, ist auch der apparatemäßige Aufwand wegen der Anordnung eines weiteren Detektors mit Filter erheblich. Im übrigen trifft die Annahme, daß sich die Streustrahlung intensitätsmäßig etwa halbkugelförmig über der zu messenden Folie ausbreite, nur in ganz seltenen j<i Ausnahmefällen annähernd zu. Aus diesem Grund wird der nach der DE-OS 24 38 869 vorgesehene weitere Detektor praktisch niemals dieselbe Intensität an Streustrahlung erhalten, wie der für das Zweistrahl-Meßverfahren ohnehin vorgesehene erste Detektor 2^r> erhält.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem ein von wellenlängenabhängigen Störfaktoren, insbesondere von der Streuung der Strahlung J) unabhängiges Meßergebnis erreicht wird. Auch größere Änderungen im Streuverhalten des zu messenden Körpers sollen das Meßergebnis nicht nennenswert beeinflussen.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil J^r> des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen 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 dient die Verwendung verschiedener Wellenlängen jedoch der Ermittlung verschiedener Komponenten eines Stoffes und nicht wie im Fall der vorliegenden Erfindung dem Eliminieren von wellenlängenabhängigen Störfaktoren, z. B. dem Eliminieren des Einflusses der Streuung der Strahlung auf das Meßergebnis.

Beispielsweise für den Fall der Dickenmessung an Kunststoffolien ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr gleichgültig, in welchem so Maß irgendwelche Streuung verursachenden Füllstoffe, wie z. B. Pigmente, im zu messenden Material enthalten sind und/oder in welchem Maß durch Unebenheiten der Oberflächen der Folien Streuung der angewendeten Strahlung verursacht wird. Dieser mit der Erfindung !>■> erzielte Vorteil ist unabhängig davon, ob im sogenannten Durchstrahl-Verfahren oder im Reflexionsvcrfahren gemessen wird und weiter unabhängig davon, in welcher Weise und an welchem Ort im Verlauf des Strahlenganges die Aufteilung der von der Strahlungsquelle w> abgegebenen Strahlung in Strahlung mit Meß- bzw. Vergleichswellenlängen vorgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei der Feuchtigkeitsmessung an Papierbahnen oder dgl. einsetzbar. Dies deswegen, weil im Fall von Papierbahnen und dgl. die in der Bahn enthaltenen Faser- bzw. Füllstoffe und weitere ggfs. vorhandene Stoffe aus der Sicht des erfindungsgeffiäOsn Verfahrens s!s Streuung verursachende Komponenten anzusehen sind, deren Einfluß auf die Bildung eines Meßwertes für den Feuchtigkeitsgehalt der betreffenden Bahn vollständig eliminiert werden kann. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in diesem Fall demnach praktisch ausschließlich die Dicke bzw. das Flächengewicht einer dem Feuchtigkeitsgehalt der betreffenden Papierbahn entsprechenden Wasserschicht gemessen.

Weil im Fall der Erfindung die Korrektur des als Quotient aus Meßstrahlung und Vergleichsstrahlung gebildeten Meßwertes durch Einführung eines die jeweilige Streuung berücksichtigenden Faktors vorgenommen wird — der somit sowohl das Meßstrahlungssignal als auch das Vergleichsstrahlungssignal, und zwar porportional, beeinflußt —, haben nicht nur auch größere Änderungen des Streuverhaltens des zu messenden Körpers keinen nennenswerten Einfluß auf die Genauigkeit des Meßwertes, sondern es ist darüber hinaus nunmehr auch möglich, daß die Vergleichswellenlänge Ä2 wellenlängenmäßig einen größeren Abstand als bisher von der Meßwellenlänge Aj haben kann. Denn unterschiedliche Beeinflussung der Strahlungen mit Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlänge λι infolge Streuung werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert

Die Erfindung schlägt auch eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Ansnruch 1 vor, mit einer Strahlereinrichtung für Ultrarot-Strahlung, Filtermitteln für Strahlung mit Meß- und Vergleichswellenlänge und Detektormitteln für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, wobei die Filtermittel wenigstens drei Filter aufweisen, von denen zwei Filter zum Ausfiltern von Strahlung mit den Vergleichswellenlängen λ2 und λζ dienen, die einer Meßwellenlänge Ai zugeordnet sind. In Weiterbildung dieser Einrichtung sind die Filter in an sich bekannter Weise in einem im Strahlengang rotierenden Filterrad angeordnet. Eine andere mögliche Weiterbildung zeichnet sich 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 rotierbarer Polygonspiegel sein.

Ferner schlägt die Erfindung auch eine elektrische Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 vor, die sich dadurch kennzeichnet daß ein Detektor für die Strahlung mit dem Eingang eines Quotientengenera tors elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der Strahlung mit Meßwellenlänge λι und mit einer der beiden Vergleichswellenlängen, z. B. A2, gebildeter Quotient Q1 ansteht und an dessen anderem Ausgang ein aus den Intensitäten der Strahlung mit den beiden Vergleichswellenlängen Ας und X3 gebildeter Quotient Q2 ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder, 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 dabei ohne besondere erfinderische Überlegungen möglich, die oben beschriebene Schaltungsanordnung durch ein digital arbeitendes Rechnersystem zu ersetzen.

Anhand der F i g. 1 bis 3 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit zweier unterschiedlicher Kunststoffolien für Ultrarot-

Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Ultrarot-Strahlung dargestellt ist,

F i g. 2 eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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 λ der verwendeten Ultrarot-Strahlung zeigt. Der Verlauf der Kurve 1 hat im Bereich der Meßwellenlänge Ai ein Minimum, denn im Bereich dieser Meßwellenlänge Ai befindet sich eine von evtl. mehreren möglichen Absorptionsbanden des betreffenden Materials. Im Bereich der Vergleichswellenlänge λ2 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 F i g. 1 in gestrichelter Darstellung eine Kurve 2, die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines anderen Körpers mit gegenüber dem vorgenannten Fall mehr Streuung verursachenden Komponenten, z. B. einer aus dem gleichen Grundmaterial bestehenden, jedoch einen größeren Anteil an Pigmenten aufweisenden Kunststoffolie, wiederum in Abhängigkeit von der Wellenlänge A darstellt. Auch der Verlauf der Kurve 2 hat im Bereich der Meßwellenlänge Ai ein Minimum wegen des gleichen Grundmaterials des betreffenden Körpers, jedoch ist die Kurve 2 gegenüber der Kurve 1 um ein gewisses Maß abgesenkt bzw. um einen hier nicht näher zu definierenden Punkt geschwenkt (Pfeil 3). Der geradlinige Teil der Kurve 2 hat auch 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 Komponenten (z. B. Pigmenten). In F i g. 1 ist weiterhin eine zweite Vergleichswellenlänge A₃ angegeben.

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 ^A°$ betreffenden Produktes wellenlängenabhängige Störfaktoren den Kurvenverlauf ändern. Der betreffende, z. B. durch Quotientenbildung ermittelte, Meßwert weicht um so mehr vom tatsächlichen Meßwert ab, je größer der Abstand zwischen Meßwellenlänge Ai und Vergleichswellenlänge A2 ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft hier Abhilfe. Durch Ermittlung der Steigung des erwähnten geradlinigen Teiles der dargestellten Kurven 1 bzw. 2 kann ein Korrekturfaktor für das Meßergebnis eingeführt wer-. den, wobei der Quotient der Intensitäten der Strahlung mit den beiden Vergleichswellenlängen \i und A3 ein Maß für die von der jeweiligen Materialzusammensetzung abhängige Steigung des betreffenden Kurventeils ist und dieser Quotient als Faktor (Korrekturfaktor) im

κι Meßergebnis enthalten ist. Eine während der Produktion, z. B. einer Kunststoffolie, eintretende Änderung der Zugabe von Pigmenten oder dgl. und eine damit verbundene Änderung des Kurvenverlaufs der Durchlässigkeitskurve des Materials bleibt somit auf das Meßergebnis weitestgehend ohne Einfluß.

F i g. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer Strahlereinrichtung 5, optischen Mitteln 6 und 7, einem rotierenden 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 Ai und zwei Vergleichswellenlängen A? und λ^ zugeordnet. Dementsprechend wird der Detektor 10 bei rotierendem Filterrad 8 aufeinanderfolgend elektrische Spannungsimpulse UX, Ul und L/3 abgeben, welche der

vi Meßwellenlänge Ai, der Vergleichswellenlänge A2 bzw. der Vergleichswellenlänge A3 zugeordnet sind. Die erwähnten Spannungsimpulse werden (s. F i g. 3) dem Eingang eines Quotientengenerators 11 zugeführt. In diesem Quotientengenerator 11 wird in bekannter

r> Weise der Quotient Q 1 aus den erhaltenen elektrischen Spannungsimpulsen gebildet. Darüber hinaus wird in diesem Quotientengenerator ein weiterer Quotient Ql aus den beiden den Vergleichswellenlängen A2 und A3 zugeordneten elektrischen Spannungsimpulsen U1 und

4(i £73 gebildet. Während der erstgenannte Quotient Q 1 z. B. über Linearisierungsmittel 12 dem einen Eingang eines Korrekturgliedes 14 zugeführt wird, wird der letztgenannte Quotient ζ)2 z.B. über Linearisierungsmittel 13 dem anderen Eingang des Korrekturgliedes 14

•ti zugeführt. Dieses Korrekturglied 14 kann z. B. ein Multiplikator sein. Am Ausgang des Korrekturgliedes 14 steht dann ein Meßergebnis der jeweils zu ermittelnden Größe des zu messenden Körpers an, welches ein Produkt darstellt aus den erwähnten Quotienten Q 1 und Q 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung, z. B. zur Dickenmessung oder Feuchtigkeitsmessung, insbesondere bei dem einer von dem zu messenden Körper absorbierten Wellenlänge (Meßwellenlänge Ai) eine von dem zu messenden Körper im wesentlichen nicht absorbierte Wellenlänge (Vergleichswellenlänge A₂) zugeordnet ist, deren entsprechende Strahlungsintensitäten nach Beeinflussung durch den zu messenden Körper miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Meßwellenlänge (Ai) noch wenigstens zwei Vergleichswellenlängen (A₂ und A3) verwendet werden und zum Bilden eines Korrekfurfaktors für das Meßergebnis der Quotient (Q 2) der Intensitäten der Strahlung der beiden Vergleichswellenlängen (A₂ und X₃) ermittelt wird.

2. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach 'Anspruch 1, mit einer Strahlereinrichtung für Ultrarot-Strahlung, Filtermitteln für Strahlung mit Meß- bzw. Vergleichswellenlänge und Detektormitteln für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel (8) wenigstens drei Filter aufweisen, von denen zwei Filter Vergleichswellenlängen (A2 und A3) zugeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Filter in an sich bekannter Weise in einem im Strahlengang rotierenden Filterrad (8) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Filter ortsfest angeordnet sind und mit Strahlungsteilermitteln bzw. Strahlungsverteilermitteln, wie z. B. teildurchlässigen Spiegeln, rotierbaren Polygonspiegeln und dgl. kombiniert sind.

5. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (10) mit dem Eingang eines Quotientengenerators (11) elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der Strahlung mit Meßwellenlänge (Ai) und einer der beiden Vergleichswellenlängen (z. B. A2) gebildeter Quotient (Q 1) ansteht und an dessen anderem Ausgang ein auf den Intensitäten der Strahlung mit den beiden Vergleichswellenlängen (A₂ und A₃) gebildeter Quotient (Q 2) ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder, 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.