DE2733957A1

DE2733957A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer eigenschaft eines materials in blattform

Info

Publication number: DE2733957A1
Application number: DE19772733957
Authority: DE
Inventors: Boong Young Cho
Original assignee: Industrial Nucleonics Corp
Current assignee: Industrial Nucleonics Corp
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1978-02-09
Also published as: JPS5317388A; JPS6110773B2; FR2360072A1; CA1080505A; DE2733957C2; US4052615A; IT1078970B; AU2632277A; SE7708583L; GB1584219A; AU505028B2; FR2360072B1; SE421834B

Description

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"Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft eines Materials in Blattform¹¹

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen, in denen Infrarot-Strahlung zur Messung der Eigenschaften von Materialien in Blattform, beispielsweise von Papier, verwendet wird, wobei Materialien in Betracht kommen, die die Strahlung sowohl absorbieren als auch stark zerstreuen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf derartige Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer oder mehrerer interessierender Eigenschaften unter Verringerung der Fehler, die sich aus Veränderungen anderer, die Streuwirkung des Blattes beeinflussender Eigenschaften ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit dem Aufbau und dem Funktionieren einer Vorrichtung beschrieben, mit der der Feuchtigkeitsgehalt von mittel-

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schwerem und leichtem Papier während der kontinuierlichen Herstellung des Papiers in einer Papierherstellungsmaschine gemessen werden kann. Eine typische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in einem Meßinstrument zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Seidenpapier verwendet.

In einem typischen Infrarot-Meßinstrument zur Messung der Feuchtigkeit von Papier werden Strahlen zweier Wellenlängen durch das Papier geschickt und getrennt nachgewiesen, entweder durch einen einzigen, umschaltbaren Detektor oder durch zwei getrennte Detektoren. Das Instrument bestimmt den Feuchtigkeitsgehalt als Funktion des Verhältnisses der getrennt nachgewiesenen Signale. Dieses Verfahren ergibt eine Gleichtaktausschaltung der Wirkungen mehrerer Störeinflüsse im annehmbaren Ausmaß. Einige Einwirkungen auf Veränderungen der Lichtstreuung werden jedoch praktisch nicht kompensiert.

Das Streuvermögen von Materialien in Blattform wird durch das Produkt SX ausgedrückt, wobei S den Streukoeffizienten des Materials und X die Dicke des Blattes bezeichnen. Der Streukoeffizient S hängt von der Anzahl, der Art und der Verteilung der streuenden Einheiten in einer Volumeneinheit des Materials ab und ist damit durch die Zusammensetzung des Materials gegeben. Die Dicke X legt die Anzahl der Volumeneinheiten fest, die der Strahl bei einem einzigen Durchgang durch das Material durchläuft.

Eine der Wirkungen der Streuung ist es, daß sie zu

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einer Richtungsänderung andernfalls nachgewiesener Strahlung führt, die damit nicht im Detektor wirksam wird. Beispielsweise kann Strahlung aus einem Gebiet nahe der Oberfläche des Materials auf die der Strahlungsquelle nahegelegene Seite gestreut werden, sodaß die Strahlung nicht durch das Material auf die Seite des Detektors gelangt. Ein Teil der Strahlung, die durch das Material geht, kann so abgelenkt werden, daß sie am Detektor vorbeigeht und seine Ausgangssignale nicht beeinflußt. Eine Kompensation dieser Effekte wurde erreicht durch die Verwendung von integrierenden Kugeln oder anderen Einrichtungen zum Sammeln der verlorenen Strahlung. Das mit zwei Wellenlängen arbeitende Verfahren ergibt auch eine wirksame Kompensation, da die beiden Wellenlängen etwa in gleicher Weise gestreut werden.

Die Streuung hat ferner zur Folge, daß die Strahlung auf einem Zickzack-Weg durch das Material läuft und damit die Weglänge der durch das Material gehenden Strahlung erhöht. Dieser Effekt läßt sich nicht einfach durch das Sammeln der verlorenen Strahlung kompensieren. Auch ist es nicht möglich, diesen Effekt durch die Verwendung zweier Wellenlängen zu kompensieren. Die wirksame Weglänge der Bezugswellenlänge kann erhöht werden durch eine Streuung, die so stark ist wie die Streuung auf der wirksamen Weglänge der messenden oder absorbierten Wellenlänge, doch die sich daraus ergebende Erhöhung der absorbierten Strahlungsmenge ist nicht für die beiden Wellenlängen gleich groß.

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Die für die Messungen verwendete Wellenlänge oder absorbierte Wellenlänge wurde deshalb gewählt, weil sie selektiv von bestimmten Molekülen des Materials, beispielsweise den Wassermolekülen im feuchten Papier, absorbiert wird, während dies für die Bezugswellenlänge nicht zutrifft. Die beiden Wellenlängen der Strahlung werden deshalb bei ihrem Durchgang durch das Material in verschiedener Weise entsprechend zwei stark verschiedenen Funktionen der wirksamen Weglänge abgeschwächt.

Es wurde vorgeschlagen, diesen durch die Streuung hervorgerufenen Effekt durch Verwendung fester, künstlicher Streumittel, beispielsweise von Opalinglass oder Quarz, zu kompensieren; diese Streumittel sollten in der Nähe des Materials angebracht werden, um maximale Streuung zu simulieren, während die tatsächlich im Material stattfindende Streuung veränderlich ist und gering sein kann. In manchen Fällen wurden diese Einrichtungen ergänzt oder ersetzt durch Reflektoren, mit denen die Empfindlichkeit durch Ausbildung eines optischen Hohlraums erhöht werden sollte. Wenn Messungen an Blättern eines streuenden Materials, beispielsweise Papier, durchgeführt werden, können diese Einrichtungen möglicherweise zu keiner erhöhten Empfindlichkeit führen, selbst wenn ein optischer Hohlraum verwendet wird. Nur wenn die zu untersuchende Probe dünn ist und die Reflektoren an die Probe angelegt werden, ergibt sich kein starker Abfluß von Strahlung durch den Zwischenraum zwischen

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dem Blatt und den Reflektoren, was die Wirksamkeit des Hohlraums herabsetzen würde.

Einstiche oder ein Durchstechen des Blatts zur Verringerung des Abflusses von Strahlung ist natürlich ein unannehmbarer Ausweg im Falle von Messungen, die an gerade hergestellten, durchlaufenden Blattbahnen vorgenommen werden sollen. Um die Wirkung der Mehrfachstreuung trotz des Abflusses von Strahlung zu erhalten, sind in manchen dieser Meßeinrichtungen Vorrichtungen vorgesehen, die verhindern sollen, daß der Detektor die direkt durch das Blatt übertragene Strahlung der Strahlungsquelle empfängt; dazu wird beispielsweise die Apertur der Quelle gegen die Apertur des Detektors versetzt angeordnet. Der Wirkungsgrad dieser Anordnung ist im Falle von Strahlung sehr gering, ergibt aber niedrige Signal: Rausch-Verhältnisse. Außerdem läßt sich die auf dem Blatt gemessene Fläche nicht festlegen für Eichzwecke oder eine Analyse des Papierprofils und seiner Schwankungen, da eine Abhängigkeit von der Blattdicke vorliegt.

Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft, beispielsweise des Feuchtigkeitsgehalts, in einem Material in Blattform, z.B. Papier, das Infrarot-Strahlung sowohl absorbiert als auch stark zerstreut; bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Blatt durch den Mittelabschnitt eines praktisch kugelförmigen Hohlraums

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geführt, der zwischen zwei konkaven, oberflächlich verspiegelten, reflektierenden Körpern besteht. Die beiden Körper sind im Abstand voneinander angebracht, sodaß eine ausreichend breite Durchgangslücke entsteht, durch die sich das Blatt praktisch frei bewegen kann, wobei jedoch ein erster Abschnitt des Blatts zu beiden Seiten umschlossen wird. Auf die eine Seite des Blattes wird im Mittelpunkt des Hohlraums ein Lichtfleck von Infrarot-Strahlung projiziert, um damit einen zweiten, im Hohlraum enthaltenen Abschnitt zu beleuchten, der kleiner als der umschlossene erste Abschnitt ist, sodaß die vom zweiten Abschnitt gestreute oder durchgelassene Infrarot-Strahlung von den oberflächlich verspiegelten Körpern reflektiert und auf den zweiten Abschnitt in dem vom Lichtfleck definierten Blattgebiet zurückgeworfen wird. Im Verhältnis zur Breite der Lücke hängt die im Hohlraum eingeschlossene bzw. durch die Lücke abgehende Strahlung von der Größe des ersten und des zweiten Abschnitts ab; an der gegenüberliegenden Seite des Blatts werden sowohl die durch das Blatt durchgelassene eingestrahlte Strahlung als auch die von den reflektierenden Körpern reflektierte Strahlung nachgewiesen, um damit ein Ausgangssignal zu erzeugen, das ein Maß für die gemessene Eigenschaft ist. Die relativen Stärken der zurückgehaltenen bzw. abgehenden Strahlung und der nachgewiesenen durchgelassenen und reflektierten Strahlung werden so gewählt, daß praktisch keine Abhängigkeit von anderen Eigenschaften

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besteht, die das Streuvermögen des Blattmaterials beeinflussen können, wie beispielsweise die Zusammensetzung des Papiere oder sein Trockengewicht. Im folgenden werden die Kriterien für die Wahl der relativen Strahlungestärken und der Abmessungen beschrieben und typische, zweckmäßige Betriebswerte gemäß folgender Erfindung angegeben.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wobei Infrarot-Strahlung zur Messung einer Eigenschaft eines Materials in Blattform, beispielsweise des Feuchtigkeitsgehalts von leichtem und mittelschwerem Papier benutzt wird; dabei soll die Abhängigkeit von Veränderungen in anderen Eigenschaften, beispielsweise dem Trockengewicht oder der Zusammensetzung des Papiers, die das Streuvermögen des Blattes beeinflussen können, verringert werden; auch sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die eine freie, uneingeschränkte Bewegung des Blattes zuläßt, an dem die Messungen durchgeführt werden; schließlich soll das Blattgebiet, in dem die Messungen durchgeführt werden, praktisch konstant und klar definiert sein.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer typischen Ausführungsform, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

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Figur 1 ist eine schematische, teilweise Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Meßinstruments mit einer Strahlungsquelle und Detektoren zum Nachweis einer Eigenschaft eines Blattes, beispielsweise eines Blattes aus Seidenpapier.

Figur 2 ähnelt einem Teil der Figur 1 und dient zur Erläuterung bestimmter geometrischer Verhältnisse der Figur 1.

Figur 3 ist schließlich die vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Figur 1 und zeigt mehr Einzelheiten ale diese.

Figur 1 zeigt die Seitenkante eines Blattes 10 aus mittelschwerem oder leichtem Papier, beispielsweise Seidenpapier, das von einer Maschine zur Herstellung von Seidenpapier erzeugt wird. Das Papier bewegt sich normalerweise in der Richtung des Pfeils 12 vom Kalanderstapel zur Aufwickelrolle. Ein Signal, das von der im folgenden beschriebenen Anordnung erzeugt wird, wird dazu verwendet, automatisch eine Eigenschaft, beispielsweise den Feuchtigkeitsgehalt, das Trockengewicht, oder die Zusammensetzung des Papiers einzustellen durch Einregelung einer veränderlichen Betriebsgröße der Maschine.

Das Gehäuse 14 einer Infrarot-Strahlungsquelle und das Gehäuse 16 für einen Infrarot-Detektor sind durch die Umrißlinien angedeutet. Es handelt sich dabei um an sich bekannte Gehäuse, die an einer nicht dargestellten

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Struktur so befestigt sind, daß sich sowohl das Gehäuse für die Strahlungsquelle und das Gehäuse 16 für den Detektor über die Breite des fortlaufenden Blattes 10 bewegen können, um die zu überwachende Papiereigenschaft an jedem Punkt quer zur Breite der Papierbahn zu messen.

Innerhalb des Gehäuses 14 ist eine bekannte Strahlungsquelle 18 angebracht. Diese Strahlenquelle umfaßt Einrichtungen zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Infrarot-Strahlung, deren Wellenlängen so gewählt sind, daß die eine Strahlung stärker im Material des Blattes 10 als die andere Strahlung absorbiert wird. Es können auch Anordnungen verwendet werden, die mit Strahlung in mehr als zwei Wellenlängenbereichen arbeiten, wenn beispielsweise das Trockengewicht und der Feuchtigkeitsgehalt des Papiers gleichzeitig gemessen werden sollen.

Die Strahlungsquelle besteht aus einer bekannten Lampe 20 und einem Zerhacker mit einem Filtersystem. Hierbei sind auf einer Zerhackerscheibe 22 zwei Filter 24, 26 montiert. Die Zerhackerscheibe 22 wird über Welle 28 von einem Synchronmotor 30 angetrieben. Bei der Drehung der Scheibe 22 durch Motor 30 werden die Filter 24 und 26 abwechselnd zwischen die Lampe 20 und ein Lichtleiterrohr eingeschoben. Die Filter 24 und 26 führen damit dazu, daß in zeitlicher Abfolge Infrarot-Strahlung verschiedener Wellenlängen durch das Rohr 32 geschickt wird. Im Falle eines Geräte zur Feuchtigkeitsmessung läßt das Filter

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an das Lichtleiterrohr 32 Infrarot-Strahlung in einem Bereich absorbierter Wellenlängen durch, die mit dem in Blatt 10 enthaltenen Wasser molekulare Resonanz-Absorption ergeben. Die vom Filter 26 ausgewählte und an das Lichtleiterrohr 32 durchgelassene Strahlung enthält eine Bezugswellenlänge, für die keine selektive Absorption durch die Wassermoleküle im Blatt auftritt.

Das Blatt 10 wird durch das Mittelgebiet und insbesondere den Mittelpunkt eines kugelförmigen Hohlraums 34 geschickt, der zwischen zwei konkaven spiegelnd reflektierenden Körpern 36 und 38 mit Oberflächenverspiegelung entsteht. Die Körper 36 und 38 sind im Abstand voneinander angebracht, sodaß ein Durchlaßspalt 40 entsteht, der genügend breit ist, um den ungehinderten Durchgang des Blattes 10 zu ermöglichen. Die Körper 36 und 38 haben innenseitig eine halbkugelförmig gekrümmte spiegelnde Oberfläche. Zur Ausbildung des Durchlaßspalts kann ein Kegelstumpf an der Grundfläche jeder Halbkugel ausgeschnitten werden. Um Störungen, die vom Flattern des Papiers und/oder anderen Abweichungen von den idealen geometrischen Verhältnissen erzeugt werden können, zu kompensieren, kann eine gewisse Abweichung von der vollkommenen Kugelform notwendig oder wünschenswert sein. Die Halbkugeln 36 und 38 können weiter voneinander entfernt werden, sodaß der Hohlraum 34 länglich wird. Nach ihrer Anbringung umschließen die Halbkugeln einen ersten Abschnitt

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des Blattes 10 an beiden Seiten. Der umschlossene Abschnitt hat die Form eines Kreises vom gleichen Durchmesser wie der halbkugelförmige Hohlraum 34.

Lichtleiterrohr 32 projiziert in der Mitte des Hohlraums 34 auf die eine Seite des Blattes 10 (in der Darstellung die Unterseite) einen Lichtfleck von Infrarot-Strahlung, die einen zweiten Abschnitt des Papiers beleuchtet. Der zweite Abschnitt des Blattes ist völlig umschlossen und ist kleiner als der erste umschlossene Abschnitt. Bei Lichtleiterrohr 32 handelt es sich um ein hohles Rohr mit einer glänzenden innenseitigen Metallfläche. Wegen der Länge des Rohres und seiner Abstände von der Strahlungsquelle 20 und dem Blatt 10 hat der auf das Blatt geworfene Lichtfleck etwa den gleichen Durchmesser wie die Innenseite des Rohres.

In einer aufgebauten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der kugelförmige Hohlraum 34 einen Innendurchmesser von 11,75 cm und das Rohr 32 einen innenseitigen Durchmesser von 1,27 cm. Das Lichtleiterrohr erstreckt sich dabei 1,90 cm in den Hohlraum. Die Durchlaßbreite der Lücke 40 beträgt 1,27 cm.

Diese Ausführungsform ist eine Abänderung einer bereits vorhandenen aus Strahlungsquelle und Detektor bestehenden Anordnung der Art, die in der gleichzeitig anhängigen, am 5. April 1976 eingereichten US-Patentanmeldung Serial No. 673 534 von Paul Williams unter dem Titel

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"Measuring System and Apparatus" ("Meßsystem und Meßeinrichtung") beschrieben wurde. Die halbkugelförmigen Teile 36 und 38 waren die größten, die in die vorhandenen Köpfe eingepaßt werden konnten.

Aus Figur 3 ersieht man, daß der Spalt 40 durch zwei gegenüberliegende Platten 50, 52 gebildet wird. Die Offnungen in diesen Platten sind durch Glasfenster 54, 56 abgedeckt. Die Fenster sind unter die Außenoberflächen der Platten eingesetzt in Richtung des Spalts 40. Die vertieften Öffnungen haben dabei Abschrägungen 58. In der hergestellten Ausführungsform haben die Fenster eine Dicke von 0,24 cm und sind in die abgestuften öffnungen 59 eingeklebt, die etwas größer als die abgeschrägten Öffnungen sind. Die Glasfenster sind so ausgeführt, daß sie an der Außenseite mit einer nicht dargestellten, mit Luft arbeitenden Wischvorrichtung saubergehalten werden können, die als ganze in der gleichzeitig anhängigen, am 7. Juni 1976 eingereichten US-Patentanmeldung Serial No. 693 492 von Juan H. Crawford unter dem Titel "Fluid System and Method" ("Flüssigkeitssystem und zugehöriges Verfahren") beschrieben worden ist.

In Figur 1 ist ein Detektor 42 an der Seite des Blattes 10 angeordnet dargestellt, die der Strahlungsquelle und dem Rohr 32 gegenüberliegt. Detektor 42 weist sowohl die vom Rohr 32 auf das Blatt projizierte Strahlung, die durch das Blatt 10 durchgelassen wird, als auch die von den reflektierenden Teilen 36 und 38 reflektierte Strahlung nach.

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Die AusgangBsignale des Detektors 42 werden über Leitung einem bekannten Quotientenmesser 72 zugeführt. Im Meßgerät 72 findet die Verarbeitung der Signale der Detektor 4-2 umfassenden Nachweisvorrichtung statt. Der Quotientenmesser 72 berechnet eine Punktion, die vom Verhältnis der bei der absorbierten Wellenlänge und der Bezugswellenlänge nachgewiesenenen Signale abhängt, und ergibt in Leitung ein Ausgangssignal, das ein Maß der zu messenden Eigenschaft ist; im vorliegenden Fall wird als zu messende Eigenschaft der Feuchtigkeitsgehalt des Blattes 10 angenommen. Diese Signale können von einer geeigneten Anzeigevorrichtung 76, beispielsweise einem in Prozenten geeichten Feuchtigkeits-Anzeigeinstrument angezeigt werden.

Detektor 42 ist im einzelnen in Figur 3 dargestellt. Das Detektorelement 62 ist hinter einem Bandpaßfilter angeordnet, das den größten Teil der durch die Lücke zwischen den Platten 50, 52 und das Fenster 54 im Hohlraum 34 eintretenden Umgebungsstrahlung blockiert. Das Filter 64 schwächt jedoch nicht im wesentlichen Ausmaß die Wellenlängen ab, die von Filter 24 und 26 und das Lichtleiterrohr 32 durchgelassen und auf das Blatt 10 projiziert werden. Filter 64 ist eine kreisrunde Scheibe, die auf der Unterkante einer nicht sehr tiefen Bohrung aufsitzt, die von der Außenseite des Teils 38 ausgeht. Die Bohrung durch die innere, verspiegelte Oberfläche des Körpers 38 ist kleiner als das Filter, sodaß die Kante

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entsteht, auf der das Filter 62 aufsitzt. Das Gesichtsfeld des Detektorelements 32 ist durch Filter 62 und die öffnung im Hohlraum 34 bestimmt. Die Achse des Detektorelementa verläuft in ihrer Verlängerung durch den Mittelpunkt des Durchlaßspalts. Die Achse dee Lichtleiterrohrs verläuft ebenfalls durch den Mittelpunkt des Hohlraums 34. Der Winkel zwischen der Achse des Lichtleiterrohres und der Detektorachse ist in Figur 3 als Winkel φ eingezeichnet.

In der aufgebauten Aueführungsform der Erfindung betrug der Winkel <{> 50°. Durch geeignete Wahl des Winkels φ kann man die relative Stärke der auf das Blatt 10 projizierten und vom Blatt durchgelassenen Strahlung festlegen; außerdem hängt davon auch die Stärke der von den verspiegelten Innenflächen der Teile 36 und 38 reflektierten Strahlung ab.

Aus Figur 2 erkennt man, daß der richtige Betrieb des Hohlraums 34 einerseits durch geeignete Wahl des Verhältnisses des Durchmessers d, des projizierten Flecks oder des von der Quelle kommenden Strahls zum Durchmesser d. des kugelförmigen Hohlraums und andererseits durch das Zurücklenken bedeutender Anteile der gestreuten Strahlung in das Gebiet, in dem der von der Quelle kommende Strahl auf das Blatt auffällt, bei Verwendung eines Kugelepiegels aufrechterhalten werden kann. Der Kugelspiegel hat die normale Spiegelreflexion und ist von einer integrierenden Kugel zu unterscheiden. Damit dieses Verfahren richtig funk-

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tioniert muß die Oberfläche spiegelnd reflektieren und die Nachbildung einer teilweisen Kugelfläche darstellen. Wenn das Verhältnis von Strahldurchmesser d_b zum Durchmesser d_ des Hohlraums klein ist, wird ein bedeutender Anteil der vom Blatt diffus reflektierten Strahlung von der kugelförmigen Oberfläche an die Stelle des ursprünglich einfallenden Strahls zurückgelenkt. Wenn beispielsweise das Papier in der Mitte des Durchlaßspalts erscheint, legt der vom Mittelpunkt der Kugel ausgehende, reflektierte Strahl a nach der Reflexion von der spiegelnden Kugelfläche den gleichen Weg nochmals zurück. Der von einem Ende des Meßgebiets ausgehende Strahl b_ legt nach Reflexion von der Kugelfläche den Weg _c zurück und bleibt im ursprünglichen Meßgebiet des Blatts. Lichtstrahlverluste treten nur über die Wege £ und e_ auf, die nicht die reflektierende Oberfläche schneiden. Das Ausmaß dieses Strahlungsabflueses läßt sich aus dem Raumwinkel und der Winkelverteilung der Reflexion berechnen. Der Prozentsatz der durch die Apertur der Lichtquelle abfließenden Strahlung wird näherungsweise ausgedrückt durch

c
Falls also d. j d_n ^ 0,3, beträgt der Abfluß der Strahlung durch die Apertur 'der Strahlungsquelle weniger als 1#. Der Faktor 2 auf der linken Seite der Gleichung ergibt sich aus der Annahme, daß die Reflexion dem Lambertsehen Gesetz

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(Kosinus-Gesetz) folgt. Die durch den Spalt abgehende Strahlung, die durch den Strahl el dargestellt wird, läßt sich berechnen mit

βΐηθσοθθάθ ^ό = cos² θ,

ir

J sin6cos6d8 0

wobei θ den in Figur 2 dargestellten Winkel bezeichnet. Wenn das Verhältnis der Breite des zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen befindlichen Spalts zum Durchmesser der Kugel r beträgt, so gilt

r = cos6.

Wenn der Spalt eine Breite von 2,54 cm hat und der Durchmesser der Kugel 12,7 cm beträgt, so ist der Verlust durch die Seite

= 0,04 - 4*.

Zu beachten ist, daß die Spaltbreite von 2,54 cm die Dicke der Platten 50 und 52 mit umfaßt, da die auf die Platten auffallende Strahlung im wesentlichen verlorengeht. Ein gewisser zusätzlicher Strahlungsverlust tritt durch die Fenster auf, die die Spiegel abdecken; auch treten Verluste an den Spiegeloberflächen auf.

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Das zu erwartende Betriebsverhalten dieser Anordnung läßt sich abschätzen, wenn man bedenkt, daß die Wechselwirkung ähnlich der sein muß, die auftritt, wenn das Blatt zwischen zwei flache Spiegel oder Diffusoren eingeklemmt ist. Das in dem in der in Figur 2 dargestellten Weise montierten Detektor auftretende Signal ist

xT.
τ = 2_- ,

ι I — K K) I ι — XtK O ßf SL

wobei <x eine Proportionalitätskonstante bezeichnet; T_Q die Durchlässigkeit und R das Reflexionsvermögen des Blattes ohne Reflektoren bezeichnen; R das effektive Reflexionsvermögen der Spiegel bezeichnet, das gleich (1 - Verluste der oben beschriebenen Art) ist; und

R T² β5

R = R_{0 +}

Das effektive oder wirksame Reflexionsvermögen R der Spiegel (reflektierende Körper 36 und 38) hat typischerweise Werte von 0,5 - 0,8 und Werte von etwa 0,65 oder 0,7 werden zur Erzielung der besten Ergebnisse vorzugsweise verwendet. Angesichts der Verluste und der erwünschten Größe der Körper 36 und 38 erscheint es zweckmäßig, die Oberflächenreflexion der Körper selbst zu erhöhen und in den Bereich von 0,7 - 0,9 zu bringen. Die Größe des verwendbaren Hohlraums kann umso geringer gewählt werden, je höher das Reflexionsvermögen ist, wobei immer noch der R -Wert erreicht wird, der zu einer zufriedenstellenden Kompensation

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von Veränderungen des Trockengewichts und der Zusammensetzung benötigt wird.

Die obige Beschreibung und die Zeichnungen beziehen sich auf typische Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung der vorliegenden Erfindung, doch sind die Beschreibung und die Darstellungen nur erläuternd und nicht eingrenzend zu verstehen, da offenbar zahlreiche Abänderungen an dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können. Wie z.B. in Figur 2 angedeutet, kann eine Linse 44 statt des Rohrs 32 verwendet werden, um den Lichtfleck auf das Blatt zu projizieren« Statt eines am Rande des Hohlraums unter einem Winkel $ angebrachten Detektors 42 läßt sich auch ein Detektor verwenden, der näher dem Mittelpunkt des Hohlraums auf den projizierten Strahl ausgerichtet montiert ist; beispielsweise läßt sich eine Detektoranordnung verwenden, wie sie in der oben erwähnten Patentanmeldung von Williams beschrieben wurde, vorausgesetzt, daß das richtige Gesamtverhältnis von übertragener und reflektierter Strahlung nachgewiesen wird.

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Claims

27. Juli 1977

Industrial Nucleonics Corporation

Patentansprüche

1 J Verfahren zur Messung einer Eigenschaft, beispielsweise des Feuchtigkeitsgehalts, in einem Blatt eines Materials, beispielsweise Papier, das Infrarot-Strahlung sowohl absorbiert als auch stark zerstreut, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt durch den Mittelabschnitt eines kugelförmigen Hohlraums geführt wird, der zwischen zwei konkaven, spiegelnd reflektierenden Körpern mit Oberflächenverspiegelung besteht, die im Abstand voneinander angebracht sind, um einen ausreichend breiten Spalt zu ergeben, der den praktisch freien Durchgang des Blattes zuläßt und dabei einen ercten Abcchnitt des Blattes zu beiden Seiten umschließt; daß auf eine Seite des Blattes im Mittelpunkt des Hohlraums ein Lichtfleck von Infrarot-Strahlung projiziert wird, um einen zweiten im Hohlraum

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enthaltenen Blattabschnitt, der kleiner ist als der erste Blattabsühnitt, zu beleuchten, damit die zerstreute oder durch den zweiten Abschnitt übertragene Infrarot-Strahlung von den oberfläohenverspiegelten Körpern reflektiert und auf den zweiten Abschnitt innerhalb des Blattgebiets zurückgelenkt wird, das vom Lichtfleck definiert ist, wobei die relativen Abmessungen des ersten und des zweiten Abschnitts in Bezug auf die Breite des Spalts die relativen Anteile der im Hohlraum zurückgehaltenen und der durch den Spalt austretenden Strahlung bestimmen, und daß auf der gegenüberliegenden Seite des Blattes die relativen Anteile sowohl der vom Blatt übertragenen projezierten Strahlung als auch der von den reflektierenden Körpern reflektierten strahlung gemessen werden, um ein die Eigenschaft kennzeichnendes Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die relativen Anteile der zurückgehaltenen und der entweichenden Strahlung und der nachgewiesenen übertragenen und reflektierten Strahlung so gewählt werden, daß das Ausgangssignal praktisch unabhängig von Veränderungen einer anderen Eigenschaft ist, die das Streuvermögen des Blattmaterials beeinflußt, so beispielsweise das Trockengewicht oder die Zusammensetzung des Papiers.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung in Richtung eines Durchmessers des kugelförmigen Hohlraums projiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Strahlung nachgewiesen wird, die unter einem Winkel φ zur Durchmesserrichtung, längs der die Strahlung projiziert wird, ausgeht, wobei der Winkel φ die relativen, nachgewiesenen Anteile der projizierten übertragenen Strahlung und der von den Körpern reflektierten Strahlung festlegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser senkrecht zum Blatt verläuft.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitel des Winkels <j> am Mittelpunkt des Hohlraums gelegen ist und daß der Winkel etwa 50° beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen Durchmesser hat, der etwa 5-10 mal größer ist als der projizierte Lichtfleck.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wirksame Reflexionsvermögen R der reflektierenden Körper etwa 0,5 - 0,8 beträgt.
8. Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft wie z.B. des Feuchtigkeitsgehalts in einem Blatt eines Materials wie z.B. Papier, das Infrarot-Strahlung sowohl absorbiert als auch stark zerstreut, gekennzeichnet durch zwei konkave, spiegelnd reflektierende Körper mit Oberflächenverspiegelung, die dazwischen einen kugelförmigen Hohlraum ergeben und die im Abstand voneinander angebracht sind, um einen Spalt von ausreichender Breite zu ergeben, damit sich das Blatt (10) ungehindert zwischen den Körpern (36, 38) und

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durch den Mittelabschnitt des Hohlraums (34) bewegen kann, während ein erster Abschnitt des Blatts zu beiden Seiten umschlossen ist; Einrichtungen, mit denen auf eine Seite des Blatts in der Mitte des Hohlraums ein Lichtfleck von Infrarot-Strahlung projiziert wird, um einen zweiten Abschnitt des im Hohlraum enthaltenen Blatts zu beleuchten, der kleiner als der umschlossene erste Abschnitt ist, sodaß die vom zweiten Abschnitt zerstreute oder durchgelassene Infrarot-Strahlung von den oberflächenverspiegelten Körpern reflektiert und auf den zweiten Abschnitt innerhalb des vom Lichtfleck definierten Blattgebiets zurückgelenkt wird, wobei die relativen Größen des ersten und des zweiten Abschnitts in Bezug auf die Breite des Spalts (40) die relativen Anteile der im Hohlraum (34) verbleibenden Strahlung und der durch die Lücke abgehenden Strahlung festlegen; und Einrichtungen, mit denen auf der gegenüberlxegenden Seite des Blatts die relativen Anteile sowohl der projizierten, vom Blatt durchgelassenen Strahlung als auch der von den reflektierenden Körpern reflektierten Strahlung nachgewiesen werden, um damit ein die betrachtete Eigenschaft kennzeichnendes Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die relativen Anteile der zurückgehaltenen und der abgehenden Strahlung und der nachgewiesenen durchgelassenen und reflektierten Strahlung so gewählt werden, daß die Ausgangssignale praktisch nicht von Änderungen einer anderen, das Streuvermögen des Blattmaterials beeinflussenden Eigenschaft abhängen, wie

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z.B. vom Trockengewicht oder der Zusammensetzung des Papiers.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtungen die Strahlung parallel zur Richtung eines Durchmessers des kugelförmigen Hohlraums projizieren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtungen einen Strahlungsdetektor (42), der unter einem Winkel 0 zum Durchmesser, parallel zu dem die Strahlung projiziert wird, angeordnet ist, umfassen, wobei der Winkel 0 die relativen nachgewiesenen Anteile der projizierten übertragenen Strahlung und der von den Körpern reflektierten Strahlung festlegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierenden Einrichtungen die Strahlung parallel zu einem Durchmesser des Hohlraums senkrecht zum Blatt projizieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitel des Winkels 0 am Mittelpunkt des Hohlraums (34) gelegen ist, und daß der Winkel 0 etwa 50° beträgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (34) einen Durchmesser hat, der 5-10 mal größer ist als der projizierte Lichtfleck.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wirksame Reflexionsvermögen der reflektierenden Körper etwa 0,5 - 0,8 beträgt.

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