DE2724919C3 - Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit HiUe von Ultrarot-Strahlung, z.B. zur Dickenmessung oder Feuchtigkeitsmessung - Google Patents

Description

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

Messung verschiedener physikalischer Eigenschaften dunner Korper mil I lilfc von I Ilirarol-Strahlimg gehört seil längerer Zeit zum Stand der Technik. Dabei wird der Hffekl ausgenutzt, daß für derartige Messungen geeignete Materialien eine besonders starke Absorption gewisser, dem jeweiligen Material zugeordneter WeI-lenlfingenbereiehe von Ultrarot-Strahlung aufweisen. Mit Hilfe von Ultraroi-Strahlung wird /- B,. Pickenmessung an Kunststoffolien durchgeführt, ferner ist es bekannt, an Papierbahnen oder dgl. mit Hilfe von Llltrarot-Strahlung Feuchtigkeiisntessungen durchzuführen. Weiterhin ist es in der Praxis seit einiger Zeit bekannt, mit I lilfe von Ulirarpt-Strahlung die Dicke von Überzügen auf Bahnen aus Papier, Kunststoff oder dgl. zu messen.

Wie z. B. die DH-AS I J OJ 819 beschreibt, wird bei der Messung mit Hilfe von Ultraroi-Strahliing aus Gründen größtmöglicher Unabhängigkeit gegenüber Änderungen in oder an Geräleteilen zumeist nach dem sogenannten Zweistrahl-Meßverfahren gearbeitet, bei i^m außer Uliraroi-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem betreffenden Material besonders stark absorbiert wird (Meßwellenlänge Ai), noch zusätzlich eine UliraroiStrahlung mil einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der sogenannten Absorpiionsbanden des betreffenden Materials liegt (Vergleiehswel-IcnläPgeAj).

Es ist bekannt, daß mit Hüie von Ultraroi-Stnihlung erzielbare Meßergebnis.se von verschiedenen Störfaktoren beeinflußt werden können. Einige Störfaktoren sind dabei wellenlängenabhängig. Zu diesen wcllenlängenabhängigcn 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 (!rund dafür, daß man beim erwähnten Zweislrahl-Meßverfahren Meßwellenlange Ai und Vergleichswellenlänge Aj möglichst dicht benachbart wählt, um auf diese Weise Fehlmessungeii wegen unterschiedlich starker Streuung der Strahlungen mit Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlange Aj mich Möglichkeit /\\ vermeiden oder wc» -j'stens in kleinen Grenzen zu hallen. 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 (his Verhältnis der Intensität der Strahlung mit MeUvsellenlänge Ai zur Intensität der Strahlung mit Vergleichswellenlänge Aj um so mehr verändern, je größer wellenlängenmäßig der Abstand zwischen Meßwellenlänge Ai und Vergleichswellenlange Aj ist, und /war bei gleichbleibender Dicke der Bahn.

Die DH-OS 24 JB 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 Offenlcgungsschrift jedoch nur fur dieienigen Signale erfolgen, die die Detektoren durch

Beaufschlagung mit Strahlung ein und derselben Wrgleichswellenlänge abgeben. Im Fall der Strahlung mit Meßwellenlänge findet eine derartige Subtraktion nicht statt. Die Änderung der Strahlung mit Meßwellenlänge infolge von im zu messenden Körper enthaltenen streuenden Pigmenten bleibt unberücksichtigt. Aus diesem Grund ändert sich der in bekannter Weise ermittelte Quotient aus Meßstrahlungssignal und Vergleichssirahlungssignal mit sich ändernder Ansammlung von streuenden Pigmenten in der Folie. Ein 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 inlcnsitätsmäßig etwa halbkugelfömiig über der zu messenden Folie ausbreite, nur in ganz schönen Ausnahmefällen annähernd zu. Aus diesem Cirund wird der nach der DE-OS 24 38 869 vorgesehene weitere Detektor praktisch niemals dieselbe Intensität an Sireustrahlung erhalten, wie der für das Zweisirahl-Meßverfahrcn ohnehin vorgesehene erste Detektor erhält.

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

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil iles Anspruches I angegebenen Merkmalen gelöst.

Es sind /war schon verschiedene Meßeinrichtungen bekannt, die mit Hilfe von Ullrarot-.Sirahlting arbeiten und bei denen mehr als zwei Wellenlängen von llllrarot-Strahliing Anwendung finden. Hei 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 wellcnlängcnabhüngigcn Störfakiorcn, /. B. dem Eliminieren des Einflusses der Streuung der Strahlung auf das Meßcrgebnis.

Beispielsweise für den Fall der Dickenmessung an Kunststoffolien ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nunmehr gleichgültig, in welchem 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 Durchslrahl-Verfahren oder im Reflexionsverfahrcn gemessen wird und weiter unabhängig davon, in welcher Weise und an welchem Ort im Verlauf des Strahlcnganges die Aufteilung der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in Strahlung mit Meß- bzw. Vcrgleichswellenlängen 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 Fduer- bzw. Füllstoffe und weitere ggfs. vorhandene Stoffe aus der Sicht des erfindungsgemäßen Verfahrens als Streuung verursachende Komponenten anzusehen sind, deren Einfluß auf die Bildiir.g 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 Meßslrahliiiigssignal als auch das Vcrglcichsstrahlungssignal, und /war 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, dat^ie Vcrgleichswclienlänge A> wcllcnlängcnmaßig einen grüüeren Abstand als bisher von der Mcßwcllcnlängc Ai haben kann. Denn unterschiedliche Beeinflussung der Strahlungen mit Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlänge A. infolge Streuung werden mit dem crfindungsgemäßen Verfahren kompensiert.

Die Erfindung schlägt auch eine Einrichtung /um Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 vor, mit einer Strahleinrichtung für Ultrarot-Strahlung. Filtermitteln für Strahlung mit Meß- und Vcrgleiehswellenlänge und Dctcktormittcln für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, wobei die Filtermittel wenigstens drei Filier aufweisen, von denen zwei Filter /um Ausfiltern von Strahlung mit den Vcrgleichswellenlängen Aj und Ai 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 Strahlungsteilermilleln bzw. Sirahlungsvertcilermitlcln kombiniert sind. Derartige Sirahliiiigstcilcrmitlel bzw. Strahlungsverteilcrmittcl können /.. B. entsprechend angeordnete, teildurchlässige Spiegel oder ein rotierbarer Polygonspiegel sein.

Ferner schlägt die Erfindung auch eine elektrische Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I vor, die sich dadurch kennzeichnet, daß ein Detektor für die Strahlung mit dem Eingang eines Quotientengencrators elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der Strahlung mit Meßwel'enlänge Ai und mit einer der beid",! Vergleichswellenlängen, z. B. A?, gebildeter Quotient Q I ansteht und an dessen anderem Ausgang ein aus den Intensitäten der Strahlung mit -den beiden Vcrgleichswellenlängen λι und Aj gebildeter Quotient Q2 ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder, z. B. Linearisierungsmittel, mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korrekturglicdcs. z. B, eines Multiplikators, elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes Meßergebnis ansteht. Für eincd Fachmann ist es dabei ohne besondere erfinderische Überlegungen möglich, die oben beschriebene Schaltungsanordnung durch ein digital arbeitendes Rechnersystem zu ersetzen.

Anhand der Fig. I bis 3 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. I ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit zweier unterschiedlicher Kunststoffolien für Ultrarot-

Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der I Jlirarot-Slrahlung dargestellt ist,

I' i g. 2 eine mögliche Aiisführungsform einer Finriehlung zum Durchführen des erfindungsgemäßeii Verfahrens.

Γ ig. J eine elektrische Schaltungsanordnung /um Durchfuhren des erfindungsgemäßen Verfahrens in schcmatischcr Darstellung.

Das Diagramm nach F-"ig. I zeigt idealisiert eine Kurve t.die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines bestimmten Körpers, z. I). einer Kunststoffolie, in Abhängigkeit von der Wellenlänge A der verwendeten Ullraroi-Slrahlung zeigt. Der Verlauf der Kurve I hat im Hereich der MeDwcllcnlänge Ai ein Minimum, denn im Bereich dieser Meßwellenlänge λ_{ befindet sich eine von evtl. mehreren möglichen Absorplionsbanden des betreffenden Materials. Im Bereich der Verglcichswellcnlimge A> geht die Kurve 1 in Richtung zu niedrigeren Wellenlangen hin wieder in einen etwa geradlinigen Teil mit bestimmter Steigung üuci.

ferner zeigt das Diagramm nach Fi 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 Meßwcllenlänge Ai ein Minimum wegen des gleichen Grundmaterial 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 Fig. ι ist weiterhin eine zweite Vergleichswellenlänge Aj angegeben.

l^:.s ist einzusehen, daß bei diesen Verhältnissen auf der Grundlage des bekannten Zweistrahl-Meßverfahrens oder ähnlicher Meßverfahren exakte Meßergebnisse nicht mehr erwartet werde-i können, wenn im Verlauf der Fertigung des 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 Meßwellcnlänge Ai und Vergleichswellenlänge Aj ist.

Das erfindungsgcmäße Verfahren schafft hier Abhilfe. Durch Frmittlung der Steigung des erwähnten geradlinigen Teiles der dargestellten Kurven 1 b/w. 2 kann ein Korrekturfaklor für das Meßergebnis eingeführt werden, wobei der Quotient der Intensitäten der Strahlung mit den beiden Vcrgleichswellcnlängen A₂ und A, ein Maß für die von der jeweiligen Materialzusammensetzung abhängige Steigung des betreffenden Kurvenieils ist und dieser Quotient als Faktor (Korreklurfaklor) im Meßergebnis enthalten ist. F.ine während der Produktion, /.. B. einer Kunststoffolie, eintretende Änderung der Zugabe von Pigmenten oder dgl. und eine damit verbundene Änderung des Kurvenverlaufs der Durchlässigkeitskiirve des Materials bleibt somit auf d.is Meßergebnis wcitestgehend ohne flinfluß.

F ig. 2 zeigt in schemalischer Darstellung eine mögliche Ausführiingsforin einer Finrichiung /um Durchfuhren des erfindungsgemäßcn Verfahrens. Diese einrichtung besteht im wesentlichen aus einer .Strahler·

ι e ,' u ~ ii',, i„ t I *y ■

eiiil iLiiiüiig J. OpüSCriCri MlüCln S 'J!',l! /. t'ÜVJiii rotierenden lilterrad 8 mit drei /wivkniaUigerweise gleichmäßig über den Umfang des Filterrades verteilten Filtern, von denen die Darstellung lediglich das Filier 9 zeigt, sowie einem Detektor 10. Die drei im I ilierrad 8 befestigten Filter sind jeweils der Mcßwellcnlängc Ai und zwei Verglcichswcllenläiigen Ai und Ai zugeordnet. Dementsprechend wird der Detektor 10 bei rotierendem lilterrad 8 aufeinanderfolgend elektrische Spannungsini;· .\lse Ll \. i/2 und i'3 abgeben, welche der Meßwellenlängc Ai, der Vergleichswellenlänge A.> bzw. der Verglcichswellenlänge Ai zugeordnet sind. Die erwähnten Spannungsimpulsc wclcn (s. F i g. 3) dem Eingang eines Quolicnlengencratjrs Il zugeführt. In diesem Quotientengenerator 11 wird in bekannter Weise der Quotient Q 1 aus den erhaltenen elektrischen Spannungsimpulsen gebildet. Darüber hinaus wird in diesem Quolientengcneralor ein weiterer Quotient Q 2 aus den beiden den Vergleichswellenlängcn A> und Ai zugeordneten elektrischen Spannungsimpulsen U 2 und U3 gebildet. Während der erstgenannte Quoiient Q\ ι. B. über Linearisicrungsmittel 12 dem einen umgang eines Korrekturgliedes 14 zugeführt wird, wird der letztgenannte Quotient Q2 z.B. über Lincarisierungsmittel !.J dem anderen tingangdes KorreKturgiiedes i4 zugeführt. Dieses Korrckturglied 14 kann z. B. ein Multiplikator sein. Am Ausgang des Korrekturgliedes 14 sieht dann ein Meßergebnis der jeweils zu ermittelnden Größe des zu messenden Körpers an. welches ein Produkt darstellt aus den erwähnten ι Quotienten Q 1 und Q 2.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit Hilfe von Ultrami-.Sirahlimg, z. 13. /ur Dickenmessung "der Feuchtigkeitsmessung, insbesondere bei dem einer von dein /ii messenden Körper absorbieren Wellenlänge (Mellwellenlange A)) eine von dem zu messenden Korper im wesentlichen nicht absorbierte Wellenlange (Vergleichswellenlänge Aj) zugeordnet ist, deren entsprechende Strahlungsintensitäten nach Beeinflussung durch den zu messenden Körper miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß auUer der Meßwellenlänge (Ai) noch wenigstens zwei Vergleichswellenlängen (Aj und Ai) verwendet werden und zum Bilden eines Korrekturfaktors für das Meßergebnis der Quotient (Q 2) der Intensitäten der -Strahlung der beiden Vergleichswellenlängen(Ajund Ai)ermittelt wird.

2. r.inrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I, mit einer Strahlereinrichtung für liltrarut-Strahlung. Filtermitteln für Strahlung mit Meß· bzw. Vergleichswellenlänge und Detektormit-IeIn für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel (8) wenigstens drei Filter aufweise·!, von denen zwei Filter Vergleichswellenlüngen (Aj und Ai) zugeordnet sind.

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

4. Hinrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die drei Filter ortsfest angeordnet sind iiikI mit Slrahlungs.leilermiueln b/w. Slrahlungsverteilcrmittcln, wie /.. Ii. tcildtirci.lassigen Spiegeln, rotierbaren Polygonspiegeln und dgl. kombiniert sind.

5. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (10) mit dem Hingang eines Quotieniengenerators (I I) elektrisch verbunden ist. an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der Strahlung mit Mcßwcllcnlängc (Ai) und einer der beiden Verglcichswcllenlängen (z. B. Aj) gebildeter Quotient (Qi) ansteht und an dessen anderem Ausgang ein auf den Intensitäten der Strahlung mit den beiden Verglcichswellcnliingen (λι und Ai) gebildeter Quotient (Q 2) ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder, /.. B. Linearisierungsmiltel (12 b/w. 13) mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korreklurglicdes. z.B. eines Multiplikators (14), elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes Meßergebnis ansteht.