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Optoelektronische Einrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Einrichtung
zur Messung der Konzentration einer Meßsubstanz durch Absorbieren der Strahlung
einer Meßwellenlänge und Herleitung eines Meßsignals durch Vergleich mit der Strahlung
einer Vergleichswellenlänge.
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Störungen im Produktionsprozeß einer Ware, die in Form langer Bahnen
hergestellt wird, beispielsweise in der Papier- oder Kunststoffindustrie, lassen
sich bekanntlich nicht völlig vermeiden. In der Qualitätskontrolle werden beispielsweise
Löcher, Falten, Verunreinigungen und Beschichtungsfehler sowie insbesondere Abweichungen
in der Dichte erfaßt und ausgewertet. Voraussetzung für einen hohen Qualitätsstandard
ist ein zuverlässiges, objektives Meßverfahren, das reproduzierbar auch über lange
Zeiträume arbeitet. In der Papierindustrie haben sich deshalb photoelektronische
Prüfverfahren mit e iner Durchsichtsprüfung der als Meßsubstanz dienenden Ware bereits
bewährt. Die Meßsubstanz wird an der Inspektionsstelle falten- und flatterfrei geführt.
Mit der Strahlung einer Lichtquelle wird die MeßsubstandXrnclhke,ucnh$t. Photoelemente,
die sich
aneinandergereiht staubgeschützt in sogenannten Abtasteinheiten
quer über die gesamte Bahnenbreite erstrecken, messen das durch die Bahn scheinende
Licht, das von der Meßsubstanz zum Teil absorbiert ist. Jede Veränderung in der
Bahnstruktur führt in dem Photoelement des Strahlungsempfängers zu einer Stromänderung,
die als Fehlersignal in einer nachgeschalteten Elektronik ausgewertet wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit,
Genauigkeit und das zeitliche Auflösungsvermögen von optischen Konzentrationsmeßgeräten,
die mit einer von der Meßsubstanz zu absorbierenden Meßwellenlänge und einer benachbarten,
im wesentlichen nicht absorbierten Vergleichswellenlänge aus der gleichen, thermischen
Strahlungsquelle arbeiten, zu verbessern. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis,
daß eine Strahlungsquelle erforderlich ist, die in vier Phasen alternierend, Strahlung
um die Meßwellenlänge. emittiert, sperrt und Strahlung mit der Vergleichswellenlänge
emittiert und ebenfalls wieder sperrt. Die Uebergänge zwischen den vier Phasen müssen
möglichst steil erfolgen. Außerdem dürfen sich die Frequenzbänder um die Meßwellenlänge
und die Vergleichswellenlänge beim t3berstreichen der Phasenabschnitte nicht verschieben.
Dies ist bei der Verwendung von Interferenzfiltern zur Selektion der Wellenlängen
in bekannten optoelektronischen Einrichtungen nur möglich, wenn die Filter unter
konstantem Einfallswinkel durchstrahlt werden. Der für ein gutes Signal-Rauschverhältnis
erforderliche steile Phasenwechsel ist mit optisch-mechanischem Schaltbetrieb nur
dann möglich, wenn die Strahlenumschaltung im Bildpunkt der Strahlungsquelle erfolgt.
Dort ist aber die Divergenz des Strahlenbündels wiederum maximal.
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Eine bekannte Anordnung mit feststehenden Filtern und mit zwei über
Strahlenteiler angesteuerten Detektoren ist in der Genauigkeit durch die unvermeidlichen
Unterschiede
der Kennlinien beider Detektoren begrenzt ("Infrand
Moisture Sensor 2235", Measurex Corp. / Cupertino PA 1091.GM 11 - 77).
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Die erwähnte Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß ein kreisscheibenförmiger, doppelseitig verspiegelter Drehspiegel, dessen äußerer
Rand mit wenigstens einem Ausschnitt versehen ist, derart geneigt im Strahlengang
einer Strahlungsquelle angeordnet ist, daß mit der Drehung jeweils abwechselnd durch
den Ausschnitt ein Teilstrahl und durch Reflexion ein weiterer Teilstrahl gebildet
wird. Im ersten Teilstrahl ist ein Schmalband-Interferenzfilter für die Meßwellenlänge
und im zweiten Teilstrahl ein weiteres Schmalband-Interferenzfilter mit der als
Vergleichswellenlänge benutzten Zentralwellenlänge A 1 vorgesehen. Durch Reflexion
an zwei Festspiegeln werden die beiden Teilstrahlen zum diagonal gegenüberliegenden
Teil des Drehspiegels abgelenkt. Der Ausschnitt am Drehspiegel ist so gewählt, daß
dem Ausschnitt am diagonal gegenüberliegenden Umfang des Drehspiegels jeweils ein
spiegelnder Teil zugeordnet ist.
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Die Zahl der Ausschnitte ist deshalb 2n - 1, mit n = 1, 2, 3 ... und
ihre Breite erstreckt sich über einen Kreissektor
mit dazwischenlieçenden äauidistanten Stegen der Breite
Die durch die Spiegeldrehung bewirkte Strahlungsumschaltung hat die Wiederholfrequenz
(2n - 1) f5, wobei fs die Umlauffrequenz, d.h. die Drehzahl des Snieels c ; ist.
Tm Sonderfall n = 1 mit nur einem Ausschnitt der Breite
ist die Wiederholfrequenz des Spiegels. In diesem Fall muß die Spiegelhalterung
mit einem Ausgleichsgewicht versehen werden. Bei einer Spiegelanordnung mit mehreren
Ausschnitten, d.h. mit nr 1, ist kein Ausgleichsgewicht erforderlich.
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Der Drehspiegel ist vorzugsweise als Kreisringscheibe gestaltet, deren
innere oeffnung mit dem Rand einer topfförmigen Hülse verbunden ist, in die der
Antriebsmotor des Drehspiegels hineinragt.
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Durch diese Anordnung des Strahlenganges mit zwei Zwischenbildern
und mit dem doppelseitig verspiegelten Drehspiegel, der derart diagonal zwischen
den beiden Teilstrahlengängen angeordnet ist, daß er sie an den beiden Zwischenbildern
auf gegenüberliegenden Seiten schneidet, erhält man eine große Steilheit des Phasenüberganges.
Auf den infolge der Drehspiegelbewegung alternierend durchstrahlten Wegen werden
mit Zwischenlinsen bezüglich beider Zwischenbildebenen telezentrische Strahlengänge
erzeugt, in denen die beiden Interferenzfilter für die Meßwellenlänge bzw. die Vergleichswellenlänge
so angebracht sind, daß sie über ihren vollen Querschnitt senkrecht durchstrahlt
werden.
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Das Antriebsproblem auf dem durch den Strahlengang eng begrenzten
Raum für den Spiegel wird dadurch gelöst, daß der Antriebsmotor wenigstens annähernd
mit seiner Mitte in die Spiegelebene gelegt wird. Der kreisringförmige Spiegel wird
dann auf einer um die eine Motorhälfte umlaufenden topfförmigen Hülse befestigt.
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Der doppelseitig verspiegelte Drehspiegel bewirkt die zeitlich auf
verschiedenen Phasenlagen des Drehspiegels aufgegliederte räumliche Trennung in
die beiden Teilstrahlen mit der Meßwellenlänge und der Vergleichswellenlänge und
zugleich ihre Wiedervereinigung in den Strahlengang, der in der Objektebene durch
die Meßsubstanz hindurchtritt und von dieser zum Teil absorbiert wird.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Einrichtung
zur Messung
der Konzentration einer Meßsubstanz nach der Erfindung
als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. In Figur 2 ist die an der Meßstelle
verfügbare Intensität der Strahlung in Abhängigkeit vom Phasenwinkel des Drehspiegels
in einem Diagramm aufgetragen.
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Entsprechend der Figur erzeugt eine Strahlungsquelle 2, beispielsweise
eine Halogen-Glühlampe, ein in der Figur durch die Randstrahlenbegrenzung angedeutetes
Strahlenbündel 4, das vorzugsweise noch an einem Beleuchtungskonkavspiegel 6 reflektiert
werden kann und durch ein Vorfilter 8 hindurchtritt, und auf einen Drehspiegel 10
trifft, der vorteilhaft als Ringscheibe gestaltet sein kann und am Rand einer topffqrmigen
Hülse 11 befestigt ist. In die Hülse 11-ragt zum Teil ein Antriebsmotor 12 hinein,
der vorzugsweise ein kollektorloser Motor mit einem elektronischen Kommutator zur
Steuerung der Stromversorgung für die Ständerwicklung zur Erzeugung der Drehdurchflutung
sein kann. Der Drehspiegel 10 ist mit einem oder mehreren in der Figur nicht dargestellten
sektorförmigen Ausschnitten- versehen und läßt an der Stelle A während der Drehung
entweder durch einen seiner Ausschnitte einen Teilstrahlengang 14 hindurch oder
bildet durch Spiegelung einen weiteren Teilstrahlengang 16. Dem Teilstrahlengang
14 ist ein Interferenzfilter 18 mit der Meßwellenlänge A 1 zugeordnet. Entsprechend
ist im zweiten Strahlengang 16 ein Interferenzfilter 20 mit der Vergleichswellenlinge
i 2 angeordnet. Durch Spiegelung jeweils an einem Spiegel 22 bzw. 24 werden die
Teilstrahlengänge 14 und 16 zum Drehspiegel 10 zurückgelenkt und treffen an der
Stelle B auf gegenüberliegenden Flachseiten auf den Drehspiegel 10. Die Stellen
A und B liegen am Drehspiegel 10 diagonal einander gegenüber. An der Stelle B werden
die Teilstrahlengänge 14 und 16 durch den Drehspiegel durch jeweils abwechselnde
Spiegelung des einen Strahlenganges und Durchlassen des anderen Strahlenganges zu
einem gemeinsamen Strahlen-
gang 26 wieder vereinigt, der an einem
weiteren Spiegel 28 nochmals abgelenkt werden kann und durch eine Meßsubstanz 30
hindurchtritt, die beispielsweise eine in Richtung eines nicht näher bezeichneten
Pfeils bewegte Papierbahn sein kann. Der Strahlengang 26 wird durch die Meßsubstanz
30, bevorzugt während der Å 1-Phase, zum Teil absorbiert und gelangt über eine lediglich
als Sammellinse angedeutete Optik 32 auf einen Strahlungsempfänger 34.
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Zur Bündelung der Strahlung 4 können noch zwei Kondensorlinsen 40
und 41 vorgesehen sein. In gleicher Weise können im Teilstrahlengang 14 zwei Kondensorlinsen
42 und 43 und im Teilstrahlengang 16 ebenfalls zwei Kondensorlinsen 44 und 45 angeordnet
sein. Für den wieder vereinigten Strahlengang 26 ist ebenfalls eine Kondensorlinse
46 vorgesehen. Außerdem tritt der Strahl 26 nach der Spiegelung durch eine Irisblende
48 sowie eine Optik 50 und durch ein Austrittsfenster 52 des Gehäuses 54 der Meßeinrichtung.
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Aus dem als beidseitig verspiegelter Kreisring gestalteten Drehspiegel
10 ist in seinem Radienbereich der Berührung mit den Strahlengängen 4, 14 und 16
für den Fall n = 1 ein 900 breiter Sektor ausgeschnitten. In den Spiegelstellungen,
in denen der Ausschnitt eines der beiden Zwischenbilder der Strahlungsquelle 2 überstreicht,gelangt
Strahlung, die durch das entsprechende Interferenzfilter 18 oder 20 auf einen Wellenlängenbereich
in der Umgebung der Meßwellenlänge bzw. der VergleichswellenlängeA 2 gefiltert ist,
über die Meßsubstanz 30 zum Strahlungsempfänger 34.
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In den übrigen Phasenlagen ist die Strahlungsquelle 2 gesperrt.
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Entsprechend dem Diagramm der Figur 2, in dem die Intensität I in
Abhängigkeit vom Phasenwinkel so aufgetragen ist, entsprechen die UbZranSgsbÅereZichZe,
zwischen den vier Phasen-
lagen einem Winkel P. y , um den der
Drehspiegel 10 gedreht werden muß, damit eine Kante eines Spiegelausschnittes das
Zwischenbild der Strahlungsquelle 2 voll Überstreicht. Hat die Strahlungsquelle
2 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 eine Breite von beispielsweise b = 1,4 mm
und beträgt der Radius des Drehspiegels 10 an den Schnittpunkten der optischen Achsen
r = 71 mm, dann ist ## = b/2 r # 2#= b/r = 0,0197 ## = 1,13° Die Intensität I (
) des auf die Meßsubstanz 30 auftreffenden Strahlenganges 26 hat somit den zeitlichen
Verlauf, wie er im Diagramm der Fig. 2 dargestellt ist.
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Die mit der Meßwellenlänge » 1 bzw. im dritten Phasenabschnitt mit
der Vergleichswellenlänge A 2 bezeichneten Scheitelwerte des angenähert rechteckförmigen
Signals sind wegen der unterschiedlichen Durchlässigkeit der zugeordneten Interferenzfilter
18 bzw. 20 im allgemeinen verschieden hoch. Sie können durch ein in den Strahl 14
eingesetztes Neutralfilter, beispielsweise in der Form einer abschwächenden Siebplatte,
gleichgemacht oder auch auf jeden gewünschten Verhältniswert gebracht werden.
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Nach der Vereinigung der Teilstrahlen 14 und 16 an der Stelle B des
Drehspiegels 10 ist der geometrische Strahlengang 26 für die Wellenlängebereiche
um 1 und 2 identisch. während der zeitliche Verlauf entsorechend Figur 2 um den
Phasenwinkel
versetzt ist. Der Strahlungsempfänger 34 mit der vorgeschalteten Empfängeroptik
32 wird deshalb unabhängig von seiner Justierung relativ zur Strahlungsquelle 2
mit einem zwischen der Meßwellenlänge h und der Vergleichswellenlänge alternierenden
Intensitätsprofil nach Fig. 2 bzw. mit einem durch die erwähnte Siebplatte nach
Bedarf korrigierten Intensitätsprofil bestrahlt.
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Die Anderung des Amplitudenverhältnisses der auf den Strahlungsempfänger,
beispielsweise einen Halbleiterdetektor, treffenden Intensiätswerte durch Absorption
in der Meßsubstanz 30 ist dann das Maß für die Flächendichte des bevorzugt die Meßwellenlänge
> 1 absorbierenden Bestandteils der Meßsubstanz 30. Das durch die Absorption
in der Meßsubstanz geänderte Intensitätsverhältnis ist insbesondere auch unabhängig
von Verschiebungen der Meßsubstanz 30 in Richtung der Achse des aus dem Gehäuse
54 durch das Fenster 52 austretenden Strahlenganges 26, d.h. quer zu seiner Bewegungsrichtung.
Dies gilt auch für stark streuende Meßsubstanzen 30, wie beispielsweise Papier undjPappe,
wenn die Streuung kohärent erfolgt.
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Durch eine im Strahlengang 26, vorzugsweise im telezentrischen Bereich,
angeordnete verstellbare Irisblende 48 kann die Intensität für beide Wellenlängen
im gleichen Verhältnis abgeschwächt werden. Dadurch kann der Strahlungsempfänger
bei verschieden dicken Meßsubstanzen stets mit der gleichen, beispielsweise auf
die Vergleichswellenlänge #2 bezogenen Intensität I beaufschlagt und damit stets
im gleichen Arbeitspunkt betrieben werden.
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Die optoelektronische Einrichtung nach der Erfindung hat eine hohe
Lichtstärke durch die Nutzung des vollen Cffnungsverhältnisses der ersten Kondensorlinse
40 und des rückwärtigen Beleuchtungskonkavspiegels. 6. Die Gestaltungsform bewirkt
ferner eine räumliche Trennung des Meßstrahls 14 und des Vergleichsstrahls 16 über
den Drehspiegel und zugleich die Wiedervereinigung der Teilstrahlen auf der gemeinsamen
optischen Achse des Strahls 26.
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Die Interferenzfilter 18 und 20 werden unter konstantem Einfallswinkel
durchstrahlt. Die Einrichtung bewirkt außerdem einen identischen geometrischen.Strahlengang
für die beiden alternierend emittierten Wellenlängen und 2 nach dem Austritt aus
dem Gehäuse 54 der optoelektronischen Einrichtung. Durch die gleichzeitige Wirkung
des
Drehspiegels 10 an zwei Zwischenbildern erhält man eine sehr
kurze mechanische Phasenumschaltung.
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4 Patentansprüche 2 Figuren