DE2733957C2

DE2733957C2 -

Info

Publication number: DE2733957C2
Application number: DE2733957A
Authority: DE
Inventors: Boong Young Columbus Ohio Us Cho
Original assignee: INDUSTRIAL NUCLEONICS CORP COLUMBUS OHIO US
Current assignee: INDUSTRIAL NUCLEONICS CORP COLUMBUS OHIO US
Priority date: 1976-07-30
Filing date: 1977-07-27
Publication date: 1988-03-03
Also published as: AU505028B2; SE421834B; AU2632277A; JPS6110773B2; DE2733957A1; SE7708583L; GB1584219A; FR2360072A1; FR2360072B1; CA1080505A; US4052615A; JPS5317388A; IT1078970B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-PS 37 93 524 bekannt. Bei einer dort beschriebenen Ausführungsform durchläuft die von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Strahlung das zu untersuchende Material mehrfach zwischen zwei Reflektoren, bis es zur Detektoreinrichtung gelangt. Hierdurch wird ein Materialgewicht simuliert, das größer ist als das tatsächliche Gewicht. Wenn das simulierte Gewicht einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, bleibt, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Materials ermittelt werden soll, die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber Feuchtigkeit im wesentlichen konstant, so daß keine ausreichende Genauigkeit erzielt werden kann.

Bei einer weiteren angegebenen Ausführungsform, bei der die die Beleuchtungseinrichtung gegenüber der Detektoreinrichtung geringfügig versetzt ist und die insbesondere zur Untersuchung von leichtem Material, nämlich leichtem Papier geeignet sein soll, kann Strahlung das Papier, da in diesem kleine Löcher auftreten, von der Beleuchtungseinrichtung zur Detektoreinrichtung ungehindert durchlaufen, so daß dieser Anteil der Strahlung keine Information über Materialeigenschaften enthält.

Eine weitere vergleichbare Vorrichtung ist aus der US-PS 34 55 637 bekannt, bei der anstelle des einen konkaven Reflektors auf unterschiedlichen Winkeln angeordnete Lichtleiter vorgesehen sind, die die erfaßte Strahlung zu einer integrierenden Kugel leiten, von der sie zu einer Detektoreinrichtung übertragen wird. Bei dieser Vorrichtung geht die Wirkung der Mehrfachreflexion an dem zu untersuchenden Material durch Weglassen des einen Reflektors verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß durch Optimierung der Abmessungen eine möglichst hohe Genauigkeit auch bei Messung von unterschiedlichen Materialeigenschaften erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die vorgeschlagene Anordnung der Detektoreinrichtung kann die relative Menge der Strahlung, die vom zu untersuchenden Material durchgelassen und von der Detektoreinrichtung erfaßt wird, gewählt werden. Dies gilt auch für diejenige Strahlung, die vom zu untersuchenden Material wieder zu den Reflektoren reflektiert wird. Hierdurch kann eine Kompensationswirkung erreicht werden, durch die Schwankungen der Streueigenschaft des zu untersuchenden Materials ausgeglichen werden können. Diese Wirkung wird noch durch die vorgeschlagene Bemessungsangabe des Reflektordurchmessers im Verhältnis zum Strahldurchmesser erhöht, da dadurch ein erheblicher Anteil der vom zu untersuchenden Material diffus reflektierten Strahlung auf den Meßbereich zurückgelenkt wird. Strahlungsverluste können dabei nur über den Durchlaßspalt erfolgen, dessen Breite so gewählt ist, daß sich möglichst geringe Verluste ergeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 teilweise im Querschnitt eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse der Vorrichtung der Fig. 1, und

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die Seitenkante eines Blattes 10 aus mittelschwerem oder leichtem Papier, z. B. Seidenpapier, das sich in der Richtung des Pfeils 12 von einem Kalanderstapel zu einer Aufwickelrolle bewegt. Ein Signal, das von der im folgenden beschriebenen Anordnung erzeugt wird, wird dazu verwendet, automatisch eine Eigenschaft, z. B. den Feuchtigkeitsgehalt, das Trockengewicht oder die Zusammensetzung des Papiers durch Einregelung veränderlicher Betriebsgrößen einer Papierherstellungsmaschine einzustellen.

Das Gehäuse 14 einer Infrarot-Strahlungsquelle und das Gehäuse 16 eines Infrarot-Detektors sind durch Umrißlinien angedeutet.

Innerhalb des Gehäuses 14 befindet sich eine Strahlungsquelle 18. Diese Strahlungsquelle umfaßt Einrichtungen zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Infrarotstrahlung, 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 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 Zerhackerscheibe 22 durch den Motor 30 werden die Filter 24 und 26 abwechselnd zwischen die Lampe 20 und ein Lichtleitrohr 32 eingeschoben. Aufgrund der Filter 24 und 26 wird somit aufeinanderfolgend Infrarotstrahlung verschiedener Wellenlängen durch das Lichtleitrohr 32 geschickt. Im Falle eines Geräts zur Feuchtigkeitsmessung läßt das Filter 24 Infrarotstrahlung durch, die mit dem in Blatt 10 enthaltenen Wasser molekulare Resonanz-Absorption ergibt. Die vom Filter 26 durchgelassene Strahlung enthält eine Bezugswellenlänge, für die keine selektive Absorption durch die Wassermoleküle im Blatt erfolgt.

Das Blatt 10 wird durch die Mitte eines kugelförmigen Hohlraums 34 geschickt, der zwischen zwei konkaven Spiegelreflektoren 36 und 38 mit Oberflächenverspiegelung gebildet ist. Die Reflektoren 36 und 38 sind im Abstand voneinander angebracht, so daß ein Durchlaßspalt 40 entsteht, der genügend breit ist, um den ungehinderten Durchgang des Blattes 10 zu ermöglichen. Die Reflektoren 36 und 38 haben innen eine halbkugelförmig gekrümmte spiegelnde Oberfläche. Zur Ausbildung des Durchlaßspalts kann ein Kegelstumpf an der Grundfläche jeder Halbkugel ausgeschnitten werden. Um Störungen, die durch 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 Reflektoren 36 und 38 können weiter voneinander entfernt werden, so daß der Hohlraum 34 länglich wird. Die Reflektoren 36 und 38 umschließen einen ersten Abschnitt des Blattes 10 an beiden Seiten, der die Form eines Kreises vom gleichen Durchmesser wie der Hohlraum 34 hat.

Das Lichtleitrohr 32 projiziert in der Mitte des Hohlraums 34 auf die eine Seite des Blattes 10 einen Strahlungsfleck, der einen zweiten Abschnitt des Papiers beleuchtet. Der zweite Abschnitt des Blattes ist völlig umschlossen und ist kleiner als der erste umschlossene Abschnitt. Beim Lichtleitrohr 32 handelt es sich um ein hohles Rohr mit einer glänzenden innenseitigen Metallfläche. Wegen der Länge des Rohres und seiner Abstände von der Lampe 20 und dem Blatt 10 hat der auf das Blatt geworfene Strahlungsfleck etwa den gleichen Durchmesser wie die Innenseite des Rohres.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat der kugelförmige Hohlraum 34 einen Innendurchmesser von 11,75 cm und das Lichtleitrohr 32 einen innenseitigen Durchmesser von 1,27 cm. Das Lichtleitrohr erstreckt sich dabei 1,90 cm in den Hohlraum. Die Durchlaßbreite des Durchlaßspalts 40 beträgt 1,27 cm.

Aus Fig. 3 ersieht man, daß der Durchlaßspalt 40 durch zwei gegenüberliegende Platten 50, 52 gebildet wird, die abgeschrägte Öffnungen haben, die durch Glasfenster 54, 56 abgedeckt sind. Die Glasfenster sind gegenüber den Außenoberflächen der Platten 50, 52 in Richtung des Durchlaßspalts 40 zurückgesetzt. Bei dieser Ausführungsform haben die Glasfenster eine Dicke von 0,24 cm und sind in Öffnungen 59 eingeklebt, die etwas größer als die abgeschrägten Öffnungen sind.

In Fig. 1 ist eine Detektoreinrichtung 42 an der Seite des Blattes 10 dargestellt, die der Strahlungsquelle 18 und dem Lichtleitrohr 32 gegenüberliegt. Die Detektoreinrichtung 42 erfaßt sowohl die vom Lichtleitrohr 32 auf das Blatt projizierte Strahlung, die durch das Blatt 10 durchgelassen wird, als auch die von den Reflektoren 36 und 38 reflektierte Strahlung. Die Ausgangssignale der Detektoreinrichtung 42 werden über eine Leitung 70 einem Quotientenmesser 72 zugeführt. Der Quotientenmesser 72 berechnet eine Funktion, die vom Verhältnis der bei der absorbierten Wellenlänge und der Bezugswellenlänge erfaßten Signale abhängt, und erzeugt in einer Leitung 74 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 Anzeigevorrichtung 76, z. B. einem in Prozenten geeichten Feuchtigkeits-Anzeigeinstrument angezeigt werden. Die Detektoreinrichtung 42 ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt. Ein Detektorelement 62 ist hinter einem Bandpaßfilter 64 angeordnet, das den größten Teil der durch den Spalt zwischen den Platten 50, 52 und das Glasfenster 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 dem Lichtleitrohr 32 durchgelassen und auf das Blatt 10 projiziert werden. Das Filter 64 ist eine kreisrunde Scheibe, die auf der Unterkante einer flachen Bohrung aufsitzt, die von der Außenseite des Reflektors 38 ausgeht. Die Bohrung im Reflektor 38 ist kleiner als das Filter, so daß die Kante entsteht, auf der das Filter 64 aufsitzt. Das Meßfeld des Detektorelements 62 ist durch das Filter 62 und die Öffnung im Hohlraum 34 bestimmt. Die Achse des Detektorelements verläuft in ihrer Verlängerung durch den Mittelpunkt des Durchlaßspalts 40. Die Achse des Lichtleitrohrs 32 verläuft durch den Mittelpunkt des Hohlraums 34. Der Winkel zwischen diesen Achsen ist in Fig. 3 mit Φ bezeichnet.

In der beschriebenen Ausführungsform beträgt der Winkel Φ 50°. Durch geeignete Wahl des Winkels Φ kann man die relativen Mengen der auf das Blatt 10 projizierten und vom Blatt durchgelassenen Strahlung sowie der von den Reflektoren 36 und 38 reflektierten Strahlung wählen.

Aus Fig. 2 erkennt man, daß die Wirkung des Hohlraums 34 von der richtigen Wahl des Verhältnisses des Durchmessers d _b des projizierten Strahlungsflecks zum Durchmesser d _c des kugelförmigen Hohlraums 34 und auch von der Reflexion der gestreuten Strahlung in das Gebiet, in dem die von der Beleuchtungseinrichtung kommende Strahlung auf das Blatt auffällt, abhängt.

Wenn das Verhältnis von Strahldurchmesser d _b zum Durchmesser d _c des Hohlraums klein ist, wird ein bedeutender Anteil der vom Blatt diffus reflektierten Strahlung von der kugelförmigen Oberfläche an die Stelle der ursprünglich einfallenden Strahlung zurückgelenkt. Wenn sich z. B. das Papier in der Mitte des Durchlaßspalts befindet, legt der vom Mittelpunkt des Reflektors 36 ausgehende, reflektierte Strahl a nach der Reflexion den gleichen Weg nochmals zurück. Der von einem Ende des Meßgebiets ausgehende Strahl b legt nach Reflexion den Weg c zurück und bleibt im ursprünglichen Meßgebiet des Blatts. Lichtstrahlverluste treten nur über die Wege d und e auf, die nicht die reflektierende Oberfläche schneiden. Das Ausmaß dieses Strahlungsverlustes läßt sich näherungsweise ausdrücken durch:

Falls also d _b : d _c0,3, beträgt der Strahlungsverlust 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 Lambertschen Gesetz (Kosinus-Gesetz) folgt. Die durch den Spalt abgehende Strahlung, die durch den Strahl d dargestellt wird, läßt sich berechnen durch:

wobei R den in Fig. 2 dargestellten Winkel bezeichnet. Wenn das Verhältnis der Breite des zwischen den beiden Reflektoren gebildeten Spalts zum Durchmesser der Reflektorkugel r beträgt, so gilt

r = cos R.

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

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 Glasfenster auf, die die Spiegel abdecken; auch treten Verluste an den Spiegeloberflächen auf.

Das zu erwartende Betriebsverhalten dieser Vorrichtung 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 der in der in Fig. 2 dargestellten Weise montierten Detektoreinrichtung erzeugte Signal ist

dabei bezeichnet α eine Proportionalitätskonstante, T₀ die Durchlässigkeit und R₀ das Reflexionsvermögen des Blattes ohne Reflektoren, R _g das effektive Reflexionsvermögen der Reflektoren, das gleich (1 - Verluste der oben beschriebenen Art) ist; und

Das effektive Reflexionsvermögen R _g der Reflektoren 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 verwendet. Angesichts der Verluste und der erwünschten Größe der Reflektoren 36 und 38 erscheint es zweckmäßig, die Oberflächenreflexion zu erhöhen und in den Bereich von 0,7-0,9 zu bringen. Die Größe des verwendbaren Hohlraums kann um so geringer gewählt werden, je höher das Reflexionsvermögen ist, wobei immer noch der R _g-Wert erreicht wird, der zu einer zufriedenstellenden Kompensation von Veränderungen des Trockengewichts und der Zusammensetzung benötigt wird.

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform kann eine Linse 44 statt des Lichtleitrohrs 32 in Fig. 2 verwendet werden, um den Strahlungsfleck auf das Blatt zu projizieren.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft, insbesondere des Feuchtigkeitsgehalts in einem Blatt eines Materials, insbesondere Papier, das Infrarotstrahlung sowohl absorbiert als auch stark streut, bestehend aus

- einem kugelförmigen Hohlraum, der durch zwei konkave oberflächenverspiegelte Reflektoren gebildet wird, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, um einen Durchlaßspalt auszubilden, der den freien Durchgang des Blattes ermöglicht und dabei eine erste Fläche des Blattes zu beiden Seiten umschließt,
- einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der Infrarotstrahlung,
- einer Projektionseinrichtung zur Bildung eines Strahls der Infrarotstrahlung, mit der eine zweite Fläche des Blattes im Mittelpunkt des Hohlraumes beleuchtbar ist,
- einer Detektoreinrichtung zur Messung der von dem Blatt abgestrahlten und von den konkaven Reflektoren reflektierten Infrarotstrahlung
- einer Auswerteinrichtung für die durch die Detektoreinrichtung gemessene Infrarotstrahlung,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Detektoreinrichtung (42) unter einem Winkel von etwa 50° zur Richtung des einfallenden Strahls der Infrarotstrahlung angeordnet ist,
- daß der Durchmesser der ersten Fläche (d _c) etwa 5-10mal größer ist als der Durchmesser der zweiten Fläche (d _b) und
- daß der Durchlaßspalt (40) eine Breite hat, bei der maximal etwa 4% der Summe aus einfallender und reflektierter Infrarotstrahlung entweichen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (Lichtleitrohr 32) die Infrarotstrahlung parallel zur Richtung eines Durchmessers des kugelförmigen Hohlraums (34) projiziert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (Lichtleitrohr 32) die Infrarotstrahlung parallel zu einem Durchmesser des Hohlraums (34) senkrecht zum Blatt (10) projiziert.