DE2848238A1

DE2848238A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von fasern

Info

Publication number: DE2848238A1
Application number: DE19782848238
Authority: DE
Inventors: Gerard Janin; Jean-Marie Ory
Original assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Current assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1979-05-10
Also published as: US4266874A; FI73081C; SE7811434L; FI783274A; CA1122795A; FI73081B; FR2408117B1; FR2408117A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Fasern

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Messung der Größe von Fasern und insbesondere von Holzfasern.

Einer der wichtigsten Faktoren für die Feststellung von Holzqualitäten liegt in der Messung der delignifizierten Fasern und zwar sowohl für Papierbrei als auch für Nutzholz. Dies bedeutet, daß zur Verbesserung der Sorten, der Klassenauswahl und des Studiums der Umwelteinflüsse auf Holz die Faserlänge festgestellt werden muß, d.h. die genaue mittlere Länge der Fasern eines Stamms und insbesondere die. Längenverteilung.

Bisher wurden diese Messungen, manuell durchgeführt. Eine Bedienungsperson legte die getrockneten Fasern zwischen zwei Glasplatten und projizierte ihr Bild auf einen großen Schirm. Die Faserlänge wurde auf den Projetionsschirm gemessen, beispielsweise mittels Kurvenmessern, wie sie zum Kartenlesen verwendet wurden, oder Meßrädern, die mit einem elektronischen Gerät versehen waren, wie z.B. einer Photodiode, die durch ein Rad beleuchtet wurde, das mit schmalen,in gleichem Abstand angebrachten Schlitzen versehen war, wodurch der Weg der Rades gemessen werden konnte und damit die Länge der Fasern auf dem Schirm durch Zählen der Impulse mittels eines geeigneten Fühlers. Diese herkömmlichen Geräte sind unter dem Namen halbautomatische Meßgeräte bekannt. Die damit durchgeführten Messungen sind nun äußerst langwierig und langweilig , so daß trotz des halbautomatischen elektronischen MeßaufZeichners nur eine kleine Zahl von ungefähr 50 Fasern einer Probe üblicherweise gemessen wurde. Obendrein neigt üblicherweise die Bedienungsperson unbe-

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wußt dazu, eine Auswahl aus den zu messenden Fasern zu treffen. Insbesondere ging die Tendenz dazu, nur die längsten oder die gefälligsten Fasern zu messen, wodurch keine konsequenten statistischen Ergehnisse erzielbar waren.

Es läßt sich leicht vorstellen, welche Zeit notwendig ist um Proben aus 50 20-jährigen Baumstämmen zu messen, z.B. bei einem Ergiebigkeitstest mit sieben Behandlungen: Vergleichswert, N, P, NP, NK, PK, NPK, d.h. 50 χ 20 χ 7 χ 50 = 350.000 zu messende Fasern. Zusätzlich resultiert aus dem Einfluß das Baumalters, der Ausrichtung im Wald und der Höhe der entnommenen Probe eine große Anzahl von Proben. Dadurch wird die Bedienungsperson verführt, die Anzahl der zu messenden Fasern pro Probe zu beschränken und zwar oftmals auf eine Anzahl kleiner als 50, wodurch keine ausreichenden statistischen Ergebnisse mehr erzielt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vollautomatisches Verfahren zur Messung der Faserlänge anzugeben, und dadurch die Einflüsse einer Bedienungsperson auszuschalten, die einzelnen Meßzeiten für die Meßvorgänge zu verringern und damit die Anzahl der Messungen pro Probe erheblich zu erhöhen.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der diese Aufgabe gelöst werden kann, ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches 7 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Größe von Holzfasern weist also einen geschlossenen Hauptkreislauf auf, in dem eine Flüssigkeit zirkuliert, in der eine Faserprobe enthalten ist sowie einen Abzweigkreislauf zu einem Rohr Kin mit einem

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kleinen Durchmesser bezüglich der Faserlänge, in den ein kleiner Teil der Flüssigkeit aus dem Hauptkreislauf eintritt und eine Meßvorrichtung für die Größe der Fasern , welche den Abzweigkreislauf in einer laminaren Strömung durchsetzen.

Vorzugsweise weist der Abzweigkreislauf ein durchsichtiges Rohr mit einem kleinen Durchmesser auf, das zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet ist und von einer entsprechenden Lichtquelle beleuchtet wird. Dabei kann ein Beobachter durch den Analysator aufgrund der Doppelbrechung der Holzfasern nur die beleuchteten Fasern auf einem dunklen Hintergrund wahrnehmen. Das Faserbild wird von einer lichtempfindlichen Vorrichtung empfangen, welche gemäß den vorbeiströmenden Fasern Impulse abgibt. Die Zeitdauer dieser Impulse entspricht dabei der Faserlänge, während die Impulshöhe ihrem Durchmesser und die Impulsfläche der Faserfläche im Längsschnitt entsprechen.

Die folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf und einem Abzweigkreislauf;

Figuren

2A und 2B Längs- und Querschnitte einer Einzelheit von Figur 1;

Figur 3A schematisch eine Ansicht einer optischen erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Figur 3B einen Querschnitt des in Figur 3A dargestellten Kapillarrohres.

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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum statistischen Auswählen von Holzfasern ist in Figur 1 schematisch dargestellt. In einem Rohr 10 zirkuliert unter der Einwirkung einer Pumpe eine Flüssigkeit, die z.B. aus dem Behälter 15 stammt. In dem zum Rohr 10 gehörenden Kreislauf ist eine Kammer 12 mit einer Abzweigleitung 13 vorgesehen, in die die Flüssigkeit unter der Einwirkung der Pumpe 11 eintritt. Die innere Ausgestaltung der Kammer 12 wird dabei als Funktion der Flüssigkeitgeschwindigkeit gewählt um so eine Wirbelströmung zu erhalten. Demzufolge fließt ein zufällig ausgesuchter Teil der zu jedem Augenblick in der Kammer 12 enthaltenen Flüssigkeit durch die Abzweigleitung 13. Diese Leitung 13 ist mit einem Analysekreis verbunden, der weiter unten näher beschrieben wird und der wenigstens ein Teil aufweist, dessen Querschnitt erheblich kleiner als der Querschnitt des Rohres 10 ist. Der Behälter 15 ist mit einer Flüssigkeit,wie z.B. Wasser, gefüllt, der eine kleine Menge einer Flüssigkeit zugesetzt wird, in der die zu untersuchenden delignifizierten Holzfasern enthalten sind, wobei für ein geeignetes Umrühren gesorgt wird um eine ausreichende Durchmischung sicherzustellen. Erfindungsgemäß ist es also nicht notwendig, die delignifizierten Holzfasern zu trocknen und dann auf einer Platte anzuordnen.

Die Figuren 2A und 2B zeigen einen Längsschnitt bzw. Querschnitt gemäß der Linie B-B eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kammer 12 um eine Wirbelströmung zu erhalten, die erforderlich ist um eine statistische Abzweigung von Fasern in die Leitung 13 zu erhalten. Die Kammer 12 weist eine zylindrische Wand 20 auf, die durch zwei Platten 21 und 22 abgeschlossen ist. Die Platte 21 enthält eine Öffnung 23 um das Zulaufrohr 10 anzuschließen und die Platte 22 enthält eine erste Öffnung 24 um das Ablaufrohr anzuschließen, sowie eine Öffnung 25 zum Anschluß der Abzweigleitung 13. Im Zylinder 20 befindet sich in der Nähe der Platte 22 ein Einsatzstück mit einem dreieckigen Querschnitt 26 (Figur 2A). Die

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öffnung 24 entspricht also dem Ende eines Trichters. In der Wand des Einsatzstücks 26 wird z.B. mittels einer Säge ein Schlitz 27 angebracht, der mit der Öffnung 25 in Verbindung steht. Die Fasern werden innerhalb des durch das Einsatzstück gebildeteten Trichters verwirbelt, wobei einige von ihnen zufällig durch den Schlitz 27 gelangen und anschließend zur Abzweigleitung 13.

Figur 3A zeigt schematisch die erfindungsgemäße optische Vorrichtung zum Ausmessen der in der Leitung 13 zirkulierenden Fasern. Die Leitung 13 ist mit einem Röhrchen 30 verbunden, das bezüglich der Faserlänge einen sehr kleinen Durchmesser aufweist und das im folgenden Kapillare genannt wird. Der Durchmesser dieser Kapillare 30 kann z.B. ungefähr 0,2 mm betragen. Die Faserlängen eines harzreichen Holzes liegen nämlich im wesentlichen in einem Bereich zwischen 1,5 und 8 nun , wobei der Mittelwert im wesentlichen zwischen 3 und 4 mm liegt. Für Laubholz oder Hartholz liegt die Faserlänge im wesentlichen zwischen 0,25 mm und 2,5 mm , wobei der Mittelwert im wesentlichen bei 1,5 mm liegt.

Entlang einer zur Achse der Kapillare 30 senkrechten Achse ist eine optische Vorrichtung angeordnet, die eine Lichtquelle 31, einen Polarisator 32 , einen Analysator 33, eine Linse 34, eine teildurchlässige Platte 35 sowie einen Sekundärelektronenvervielfacher oder einen anderen geeigneten elektro-optischen Wandler 36 aufweist. Die teildurchlässige Platte 35 wirft einen Teil des von der Lichtquelle 31 ausgesandten Lichtes auf einen zweiten Sekundärelektronenvervielfacher 37. Die beiden Vervielfacher 36 und 37 weisen Ausgänge 38 bzw. 39 auf. Die Linse 34 entwirft ein Bild einer in der Kapillare 30 vorbeiwandernden Faser 40 auf die Bildebene der Vorderseite des Vervielfachers 36, in der der Eingangsschlitz angeordnet ist. Diese Bildebene

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entspricht aufgrund der Anwesenheit der teildurchlässigen
Platte 35 der Vorderseite des Sekundärelektronenvervielfachers Es sei festgehalten, daß die aus der Linse 34 und der teildurchlässigen Platte 35 bestehende Anordnung auch durch ein Doppelfernrohr ersetzt werden kann.

Das Kapillarrohr 30 ist zwischen den Polarisatoren 32 und angeordnet, da die in der Flüssigkeit schwimmenden Holzfasern praktisch unsichtbar sind und aufgrund der fehlenden Schattenwirkung bei Beleuchtung kein Signal an den Sekundärelektronenvervielfachern erzeugen. Dagegen weisen Holzfasern eine Art Doppelbrechung auf. Bei gekreuztem Polarisator 3 2 mit dem
Analysator 33 wird ein schwarzer Hintergrund durch die Linse wahrgenommen, sofern keine Fasern anwesend sind, während das Auftauchen einer Faser zum Abbilden eines Lichtstreifens in der Bildebene der Linse 34 führt. Dabei ist von der Annahme ausgegangen worden , daß die Flüssigkeit, in der die Fasern schwimmen, selbst feine Doppelbrechung und kein Drehvermögen aufweist, wie es z.B. bei reinem Wasser der Fall ist.

Bei der Bestimmung der Bildebene der Linse 34 muß der durch die Kapillare 30 bedingte Linseneffekt berücksichtigt werden, wobei der Kapillare z.B. ein Querschnitt gegeben werden kann, der in Figur 3B dargestellt ist und der auf der oberen der
Linse 34 zugewandten Seite abgeflacht ist, wie es mit 41
bezeichnet ist.

Am Ausgang 38 des mit einem Eingangsschlitz versehenen Sekundärelektronenvervielfachers 36 erscheint beim Vorbeiwandern einer jeden Holzfeser 40 ein Impuls. Die Pulslänge ist dabei der Faserlänge proportional während die Pulshöhe dem Durchmesser der Faser proportional ist. Daraus folgt, daß die Pulsfläche proportional dem Längsschnitt der Faser ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also nicht nur das Aus-

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messen der Faserlängensondern auch ein Messen des mittleren Durchmessers der Fasern, womit man einen wichtigen Parameter für eine große Anzahl praktischer Anwendungen hat.

Da die Pulslänge am Ausgang 38 der Faserlänge proportional ist, ist sie ebenfalls der Geschwindigkeit der Faser proportional. Diese Geschwindigkeit kann nun mechanisch eingestellt werden. Vorteilhafter und genauer erfolgt jedoch diese Einstellung unter Verwendung des zweiten Sekundärelektronenvervielfachers 37, dessen Eingangsschlitz in der Bildebene bezüglich des Eingangsschlitzes des ersten Sekundärelektronenvervielfachers 36 um ein Geringes verschoben wird. Beträgt z.B. der Abstand dieser beiden Eingangsschlitze in der gleichen Bildebene 1 mm in Höhe der Kapillare, so entspricht die Zeitdauer zwischen den positiven Anstiegsflanken der Impulse am_ Ausgang 38 und am Ausgang 39 der Zeit, die die Faser braucht um 1 mm weiter zu wandern, d.h. der Geschwindigkeit der Faser.

Die verschiedenen elektronischen Schaltkreise zur Anzeige der Längen- und Querschnittinformationen der Fasern werden hier nicht im einzelnen beschrieben, da sie jedem Fachmann der Elektronik geläufig sind, der mit einem derartigenProblem konfrontiert wird. Dabei sei betont, daß aufgrund des Vorliegens dieser Informationen in elektrischer Form es ebenfalls möglich ist, mittels geeignet programmierter oder geschalteter Mikroprozessoren direkte Berechnungen der mittleren Länge der Fasern sowie der Standardabmessungen durchzuführen. Auch diese Rechnungen mit elektronischen Vorrichtungen können von einem Fachmann der Elektronik ohne weiteres durchgeführt werden.

Im folgenden wird im Zusammenhang mit den Figuren und insbesondere mit den Figuren 2A, 2B, 3A und 3B , in denen erfindungswesentliche Teile dargestellt sind, ein numerisches Beispiel gegeben zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Bei-

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spiels: Die Kapillare 30 besaß einen Durchmesser von 0,2 mm, die Rohrleitung 10 einen Durchmesser von 10 mm, die Kanuner 12 einen Durchmesser von im großen und ganzen 100 mm , wobei eine statistische Auswahl der Fasern in Richtung der Abzweigleitung erfolgte mit einer Laminarströmung der Flüssigkeit sowohl in der Abzweigleitung als auch in der Kapillare.

Die Erf induixj· ist auch zur Untersuchung anderer Fasern als Holzfasern geeignet.

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Claims

Uwe M. Haft Patentanwalt Maximilianstrasse 15 D-8000 München 22 Tel.: (089)294818 Telex: 523514 Telegr.: NOVAPAT H 336 Tnstitut National de la Recherche Agronomique (INRA;, 149, rue de Grenelle, 75341 Paris, Frankreich Patentans ρ r ü c h e

1.)Vorrichtung zur Messung der Abmessungen von Fasern, ge kennzeichnet durch

- einen Hauptkreislauf,in dem eine Flüssigkeit zirkuliert,in der eine Faserprobe gelöst ist;

- einen Abzweigkreislauf zu einem Röhrchen hin,das einen kleinen Durchmesser bezüglich der Faserlängen aufweist und in den ein kleiner Teil der Flüssigkeit aus dem Hauptkreislauf eintritt sowie

- eine Anordnung zur Messung der Fasergröße während ihres Durchsetzens des Röhrchens kleinen Durchmessers in einer laminaren Strömung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptkreislauf eine Kammer vorgesehen ist, in der eine Wirbelströmung herrscht und die mit der Abzweigleitung verbunden ist zum Abzweigen eines statistisch verteilten Faseranteils.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer einen langgestreckten Zylinder aufweist, dessen Querschnitt größer als derjenige der Leitung des Hauptkreislaufs ist, wobei die Zufuhr und die Abfuhr der Hauptströmung im wesentlichen axial erfolgen, daß der Auslaß für die Hauptströmung die Form eines Trichters aufweist und daß der Abzweigkreislauf am Rand des Trichters ansetzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Abzweigleitung im Trichter die Form eines Radialschlitzes aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen kleinen Durchmessers e_i_n durchsichtigem Röhrchen ist und daß die Meßanordnung eine optische Anordnung zur Abbildung der Fasern aufweist sowie photoelektrischc und elektronische Anordnungen zum Feststellen der Faserbilder und zum Liefern von Meßwerten über die Longe und den Durchmesser der zirkulierenden Fasern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung Polarisatormittel aufweist, die so eingestellt sind, daß bei Abwesenheit von Fasern im transparenten Röhrchen das analysierende Licht ausgelöscht ist.

7. Verfahren zur Messung der Größe von Fasern, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Auflösen einer Faserprobe in einer Trägerflüssigkeit;

- Zirkulation der Trägerflüssigkeit mit den Fasern in einem Hauptkreislauf ?

- Abzweigen eines Teils der zirkulierenden Flüssigkeit und

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Leiten dieser zu einem transparenten Röhrchen mit einem kleinen Durchmesser bezüglich der mittleren Faserlänge;

- opto-elektronisches Messen der Fasergrößen während ihres Durchsetzens dieses transparenten Röhrchens.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Abbilden der Fasern in einer Bildebene;

- Anordnung eines mit einem Schlitz versehenen Photodetektors in dieser Bildebene und Erhalten von Impulsen während des Vorbeiziehens der Fasern;

- Messen der Zeitdauer der Impulse;

- Messung der GröSe der Impulse.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrenssehritte:

- Erzeugen eines Faserbildes in einer zweiten Bildebene;

- Anordnung eines zweiten mit einem Schlitz versehenen Photodetektors in der zweiten Bildebene;

- Verschieben des Schlitzes des zweiten Photodetektors bezüglich des Schlitzes des ersten Photodetektors um eine bestimmte Größe;

- Messung des Zeitraumes zwischen den positiven Anstiegsflanken der von den ersten und zweiten Photodetektoren abgegebenen Impulse ;

- Verwendung dieser Zeitinformation zur Bestimmung der Fasergeschwindigkeit sowie

- Kombinieren dieser Geschwindigkeitsinformation mit der Impulsdauerinformation zum Errechnen der Faserlängen.

10. Verfahren nach Ansprüchen 8 oder 9,dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Bilderzeugung der Fasern mittels einer Polarisatorvorrichtung erfolgt um so ein Auslöschen des

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Analyselichtes bei Abwesenheit von Fasern im transparenten Röhrchen zu erhalten.

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