DE2910673C2

DE2910673C2 - Method for contactless measurement of the absolute content of a substance (secondary substance) in a mixture (main substance and secondary substance) of several substances in the form of a thin film, in particular for measuring the absolute content of water in paper

Info

Publication number: DE2910673C2
Application number: DE2910673A
Authority: DE
Inventors: Peter G. 5475 Burgbrohl Mercer
Original assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH
Current assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1979-03-19
Publication date: 1985-08-08
Also published as: FR2452099B1; NO800638L; DK114080A; GB2044443A; NO156105B; NO156105C; FR2452099A1; SE441217B; GB2044443B; SE7906518L; BR7903020A; DE2910673A1

Description

beiden stark absorbierten Meßwellenlängen (Ai für Wasser, A3 für Cellulose) und der schwach absorbierten Vergleichswellenlänge (A2) erzeugt Diese Strahlungsimpulse durchdringen das betreffende Material und werden von Detektoren empfangen und in Meß- bzw. Vergleichssignale umgeformt. Nach Verstärkung werden die Meßsignale für Wasser und Cellulose — zusammen jeweils mit dem Vergleichssignal — dem einen bzw. anderen von zwei Quotientenmeßwerken bzw. Quotientenbildnern zugeführt, der aus den erhaltenen Signalen deren Verhältnis ermittelt und ggfs. anzeigt.two strongly absorbed measurement wavelengths (Ai for water, A3 for cellulose) and the weakly absorbed comparison wavelength (A2) . These radiation pulses penetrate the material in question and are received by detectors and converted into measurement or comparison signals. After amplification, the measurement signals for water and cellulose - together with the comparison signal - are fed to one or the other of two quotient measuring units or quotient formers, which determines the ratio of the received signals and displays them if necessary.

Vorausgesetzt, daß die Vergleichswellenlänge im Spektrum nicht zu weit von der Meßwellenlänge entfernt liegt, bietet dieses Meßverfahren grundsätzlich folgende Vorteile gegenüber einer an sich auch möglichen Messung allein mit Strahlung der betreffenden Meßwellenlänge: Provided that the reference wavelength in the spectrum is not too far from the measurement wavelength lies, this measuring method basically offers the following advantages over one that is also possible per se Measurement only with radiation of the relevant measurement wavelength:

Irgendwelche aus der Führung des zu messenden Materials gegenüber der Meßstelle resultierenden Veränderungen des Abstandes zwischen Strahlungsquelle und Empfänger bzw. Meßgut werden bezüglich des Meßergebnisses eliminiert;
eventuelle Verunreinigungen, die in disperser Form im Wasser des Papiers oder eines ähnlichen Materials enthalten sind, wirken sich etwa gleichmäßig auf Strahlungsverluste aus und beeinflussen daher wenigerden ermittelten Quotienten;
eventuelle Änderungen der Empfindlichkeit des Detektors durch insbesondere Temperaturschwankungen werden reduziert und
eventuelle Änderungen des Verstärkungsfaktors im Meßverstärker werden ebenfalls eliminiert.Any changes in the distance between the radiation source and receiver or material to be measured resulting from the guidance of the material to be measured in relation to the measuring point are eliminated with regard to the measurement result;
Any impurities that are present in dispersed form in the water of the paper or a similar material have an approximately even effect on radiation losses and therefore have less of an influence on the quotient determined;
Any changes in the sensitivity of the detector due in particular to temperature fluctuations are reduced and
Any changes in the amplification factor in the measuring amplifier are also eliminated.

Als Vergleichswellenlänge bei Messungen des Gehaltes von Wasser in Papier kann z. B. eine Wellenlänge bei /2= 1.8 μ verwendet werden. Mit diesem geringen Abstand zur Meßwellenlänge bei A = 1.94 μ in der Größenordnung von etwa ΛΑ=0Λ4μ liegen Meßwellenlänge und Vergleichswellenlänge nahe genug nebeneinander, um das Reduzieren der vorstehend genannten Störeinflüsse wenigstens zu einem erheblichen Anteil zu gewährleisten. As a comparison wavelength when measuring the content of water in paper, z. B. a wavelength at / 2 = 1.8 μ can be used. With this small distance to the measurement wavelength at A = 1.94 μ in the order of magnitude of about ΛΑ = 0Λ4μ , the measurement wavelength and reference wavelength are close enough to one another to ensure that the above-mentioned interference is at least reduced to a considerable extent.

Mit Hilfe des aus den beiden vorerwähnten Druckschriften her bekannten Meßverfahrens kann sowohl der Gehalt von Wasser als auch von Cellulose dann recht genau ermittelt werden, wenn es sich um Zellglas oder um eine Zellglas ähnliche Materialbahn aus möglichst transparenter Cellulose handelt. Je mehr jedoch die Cellulose unter Berücksichtigung der hier für die Messung angewendeten Ultrarot-Strahlung in eine opake Zustandsform übergeht und damit Ultrarot-Strahlung mehr oder weniger stark in verschiedenen Richtungen — auch und insbesondere innerhalb der Materialbahn — streut, umso größer werden die mit diesem Meßverfahren nicht vermeidbaren Meßwertverfälschungen. Derartige, durch innere — und nur durch innere — Streuung der Strahlung verursachte Meßwertverfälschungen können, wie die Praxis zeigt, bis zum 20ig-fachen des tatsächlichen Wertes gehen (dabei sind noch nicht diejenigen Meßwertverfälschungen berücksichtigt, die infolge der bekannten, Wellenlängen-abhängigen Streuung der Ultrarot-Strahlung zu erwarten sind.)With the aid of the measuring method known from the two aforementioned publications, both the content of water and cellulose can then be determined quite precisely when it comes to cellulose or a cellulose-like material web made of cellulose that is as transparent as possible. The more, however the cellulose into an opaque one, taking into account the ultrared radiation used here for the measurement State form passes over and thus ultrared radiation more or less strongly in different directions - also and especially within the material web - scatters, the larger they become with it Measurement method unavoidable falsification of measured values. Such, through internal - and only through internal - As practice shows, falsified measured values caused by scattering of the radiation can be up to 20 times the actual value (this does not yet take into account those measured value falsifications, which is to be expected as a result of the known, wavelength-dependent scattering of the ultrared radiation are.)

Im Zusammenhang mit Meßwertverfälschungen durch Streuung der angewendeten Ultrarot-Strahlung innerhalb des zu messenden Materials kann einem in MELLIAND, Heft 10/1958, Seiten 1157 bis 1160, erschienenen Aufsatz ein Hinweis darauf entnommen werden, daß im Fall der Messung des Wassergehaltes von Textilien für gleichen Wassergehalt durchaus sehr unterschiedliche Meßwerte gefunden werden können, während bekanntlich bei durchsichtigen Stoffen wie insbesondere transparenter Cellulose (Zellglas), stets einheitliche Meßwerte für den Wassergehalt erhalten werden. Die unterschiedlichen Meßergebnisse bei Textilien werden mit einer sogenannten »mittleren Eindringtiefe« bzw. mit unterschiedlicher Streuweglängenverteilung« der jeweiligen Ultrarot-Strahlung begründet. — Diese Zusammenhänge sind nachfolgend noch näher erläutert.In connection with falsification of measured values due to scattering of the applied ultrared radiation within the material to be measured, one can appear in MELLIAND, issue 10/1958, pages 1157 to 1160 Article an indication that in the case of the measurement of the water content very different measured values can be found for textiles for the same water content, while it is well known that transparent materials such as transparent cellulose (cellulose) are always uniform Measured values for the water content are obtained. The different measurement results for textiles are with a so-called »mean penetration depth« or with different scattering path length distribution « due to the respective ultrared radiation. - These relationships are explained in more detail below.

Dem erwähnten Aufsatz in MELLIAND kann weiterThe above-mentioned article in MELLIAND can go on

entnommen werden, daß man bereits früher versucht hat, die im Vergleich zu transparenter Cellulose strukturell komplexen Eigenarten von Materialien wie opaker Cellulose (Papier) oder Textilien in'einem mathematischen Ausdruck so zu erfassen, daß auch an solchen Stoffen befriedigende Meßergebnisse erzielt werden können. Diese Versuche haben jedoch bisher nicht zum Erfolg geführt.it can be seen that attempts have already been made to compare the structure with transparent cellulose complex peculiarities of materials such as opaque cellulose (paper) or textiles in a mathematical To capture the printout in such a way that satisfactory measurement results can also be obtained on such substances can. However, these attempts have so far not been successful.

Nun könnte man zwar für ein bestimmtes, gegebenes Papier empirisch einen (konstanten) Korrekturfaktor einführen. Dennoch wäre es dann aber noch immer nicht möglich, die ständigen Änderungen der strukturellen Eigenschaften der Cellulose im Verlauf der Herstellung des Papiers bei der Bildung des Meßergebnisses für den absoluten Feuchtigkeitsgehalt mit zu erfassen und damit auf das Meßergebnis korrigierend einwirken zu können.It is true that one could empirically use a (constant) correction factor for a certain given paper introduce. Nevertheless, it would still not be possible to keep track of the constant changes in the structural Properties of the cellulose in the course of the manufacture of the paper in the formation of the measurement result for to record the absolute moisture content and thus have a corrective effect on the measurement result can.

Nach wie vor besteht demnach bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier und bei ähnlichen Meßaufgaben das Problem, daß der Meßwert für den Wassergehalt bei unverändertem Wassergehalt des Papiers dennoch eine Änderung erfährt, wenn sich physikalische oder strukturelle Eigenarten der übrigen Stoffe des Papiers, insbesondere der Cellulose, aber auch von Füllstoffen wie beispielsweise Titandioxid, während eines Herstellungsprozesses ändern.As before, the measurement of the content of water in paper and similar measurement tasks still applies the problem that the measured value for the water content with unchanged water content of the paper nevertheless experiences a change if there are physical or structural characteristics of the other substances of the paper, in particular the cellulose, but also of fillers such as titanium dioxide, during a Change the manufacturing process.

Aufgabetask

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Messungen des absoluten Gehaltes einer Beisubstanz in folienartigen, laufenden Bahnen aus einer Grundsubstanz, z. B. von Wasser in Papier, den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende Meßwerte zu erhalten unabhängig von strukturellen Eigenarten der miteinander gemischten Stoffe des Materials. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.The present invention is based on the object of measuring the absolute content of a Co-substance in film-like, running webs from a basic substance, e.g. B. of water in paper, the actual To obtain measured values that correspond to the conditions, regardless of the structural characteristics of the mixed substances of the material. To solve this problem, the specified in claim 1 is Invention proposed.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung für die Messung des absoluten Gehaltes einer Beisubstanz in folienartigen Materialien, z. B. von Wasser in Papier, wird neben Ultrarot-Strahlung eine völlig andersartige Strahlung verwendet, nämlich Beta-Strahlung. Als Korpuskularstrahlung wird Beta-Strahlung durch die erwähnten strukturellen Eigenartigen von beispielsweise Papier nicht beeinflußt. Allerdings wird mit Hilfe von Beta-Strahlung in diesem Anwendungsfall bei Messung an Papier auch nicht nur allein der Celluloseanteil, sondern gleichzeitig auch der Wasseranteil des Papiers gemessen, so daß letztlich mit Hilfe von Beta-Strahlung dessen gesamtes Flächengewicht ermittelt wird.According to the solution according to the invention for the measurement of the absolute content of a by-substance in film-like Materials, e.g. B. from water in paper, ultrared radiation is a completely different one Radiation used, namely beta radiation. As corpuscular radiation is beta radiation by the mentioned structural peculiarities of e.g. paper are not influenced. However, with the help of Beta radiation in this application case when measuring on paper not only shows the cellulose content, but also at the same time the water content of the paper was measured, so that ultimately with the help of beta radiation whose total weight per unit area is determined.

Die im Fall des erfindungsgemäßen Lösungsvorschlages außerdem verwendete Ultrarot-Strahlung betrifft die Anwendung einer (Meß-) Wellenlänge (Ai), die von der Hauptsubstanz absorbiert wird und deswegen beiThe ultrared radiation also used in the case of the proposed solution according to the invention relates to the use of a (measurement) wavelength (Ai) which is absorbed by the main substance and therefore at

den vorbekannten Verfahren, beispielsweise nach der DE-AS 17 73489, zur Bestimmung des Gehaltes der Beisubstanz gar nicht benötigt und hierfür auch nicht angewendet wird.the known method, for example according to DE-AS 17 73489, for determining the content of the Ancillary substance is not required at all and is not used for this.

Vorteileadvantages

Mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren ist es durch zusätzliche Anwendung einer (beispielsweise im Fall von Zellglas) grundsätzlich nicht benötigten Meßwellenlänge für die Hauptsubstanz (Grundmaterial) und gleichzeitige Anwendung der physikalisch völlig andersartigen Beta-Strahlung nunmehr möglich, z. B. bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier von physikalischen oder strukturellen Eigenarten bzw. Änderungen solcher Eigenarten der übrigen Stoffe des Papiers unabhängige Meßergebnisse zu erzielen. Die Formgebung oder Änderung der Formgebung von Cellulosefasern und/oder Füllstoffpartikeln wirken sich nicht mehr verfälschend auf das Meßergebnis aus.With the measuring method according to the invention it is possible through the additional application of a (for example in In the case of cell glass), the measurement wavelength for the main substance (base material) and Simultaneous use of the physically completely different beta radiation is now possible, e.g. B. at the Measurement of the water content in paper for physical or structural characteristics or changes such characteristics of the other substances of the paper to achieve independent measurement results. The shaping or changing the shape of cellulose fibers and / or filler particles no longer have any effect falsifying the measurement result.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der experimentell ermittelten Tatsache aus, daß sich die Tiefe der Absorptionsbanden des zu messenden und eines weiteren Stoffes, ζ. B. Wasser und Cellulose, proportional mit dem Flächengewicht des Materials bzw. der Cellulose und insbesondere den physikalischen oder strukturellen Eigenarten der Stoffanteile des Materials ändert. Diese Änderung kann durch die Theorie erklärt werden, nach der die Länge des Weges, den die Ultrarot-Strahlung vom Eintritt in das Material bis zum Austritt aus dem Material zurückzulegen hat, abhängig ist vom strukturellen Aufbau und vom Flächengewicht des Materials. Dieser Weg der Strahlung durch ein Material entspricht in den seltensten Fällen wenigstens annähernd dem Weg der Strahlung durch ein gleich dickes, jedoch glasklares Medium, wie z. B. Zellglas. — Je länger der Weg ist, den die Ultrarot-Strahlung bei gleicher Dicke des Materials durch dieses hindurch zurückzulegen hat, umso größer ist die Absorption von Ultrarot-Strahlungsenergie im Bereich der Absorptionsbanden der Stoffe des Materials. Dementsprechend sind die Absorptionsbanden bei einem Material mit vielmaliger Umlenkung der Strahlung an Teilchen wie Fasern, Füllstoffpigmenten und dg!, erheblich stärker ausgeprägt (tiefer) als bei einem Material, das zwar in gleichen Mengen diesselben Stoffanteile enthält, in optischer Hinsicht Strahlung jedoch unbehindert passieren läßt wie z. B. im Fall von Zellglas. Eine genauere Beschreibung dieses Effektes dürfte wegen der komplizierten und sehr unterschiedlichen Form der die Strahlung brechenden und/oder streuenden Partikel, z. B. der von Wasser umgebenen Cellulosefasern im Fall von Papier, kaum möglich sein.The inventive method is based on the experimentally determined fact that the depth of the Absorption bands of the substance to be measured and of another substance, ζ. B. water and cellulose, proportionally with the weight per unit area of the material or the cellulose and in particular the physical or structural Characteristics of the substance components of the material changes. This change can be explained by the theory, according to which is the length of the path that the ultrared radiation from entering the material to exiting the Material has to cover, depends on the structure and weight of the material. This path of radiation through a material corresponds in the rarest cases at least approximately Path of radiation through an equally thick, but crystal-clear medium, such as B. Cell glass. - The longer the way is that the ultrared radiation has to travel through the same thickness of the material, all the more so The absorption of ultrared radiation energy is greater in the area of the absorption bands of the substances of the material. The absorption bands are correspondingly in the case of a material with multiple deflections the radiation on particles such as fibers, filler pigments and the like !, much more pronounced (deeper) than at a material that contains the same proportions of substance in equal amounts, but from an optical point of view radiation can pass unhindered such. B. in the case of cell glass. A more detailed description of this effect probably because of the complicated and very different shape of the radiation refractive and / or scattering particles, e.g. B. the cellulose fibers surrounded by water in the case of paper, hardly be possible.

Unter Ausnutzung des erwähnten physikalischen Phänomens der im gleichen Verhältnis entstehenden stimmen des absoluten Gehaltes von Cellulose mittels Ultrarot-Strahlung aus der DE-AS 17 73 489 bekannte Messung; die andere Messung ist die für die Bestimmung des gesamten Flächengewichtes einer Materialbahn an sich bekannte Beta-Strahlungsmessung.Taking advantage of the aforementioned physical phenomenon that arises in the same ratio correct the absolute content of cellulose by means of ultrared radiation from DE-AS 17 73 489 known Measurement; the other measurement is that for determining the total basis weight of a material web known beta radiation measurement.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier vorteilhaft einsetzbar, sondern allgemein bei allen Messungen an dünnen Materialfilmen bzw. dünnen Materialbahnen, bei denen der Gehalt eines Stoffes im Material gemessen werden soll, welcher Stoff mit den übrigen Stoffen des Materials gemischt vorliegt und wobei derjenige weitere Stoff, von dem eine Meßwertverfälschung ausgehen kann, ebenfalls wie der zu messende Stoff eine ausgeprägte Absorptionsbande für Ultrarot-Strahlung hatIt goes without saying that the method according to the invention is not limited to the measurement of the water content Can be used advantageously in paper, but generally for all measurements on thin material films or thin ones Material webs in which the content of a substance in the material is to be measured, which substance with the other substances of the material is mixed and that further substance from which a measured value falsification can emanate, just like the substance to be measured, a pronounced absorption band for ultrared radiation Has

Im Fall des erwähnten Zweistrahl-Meßverfahrens werden die Meßwerte bei Meßwellenlänge zu einem Vergleichswert in Relation gesetzt. Dieser Vergleichswert kann z. B. durch eine gesonderte Ultrarot-Strah-Iungsmessung bei aus dem Meßspalt zwischen Strahler und Detektor entferntem Material — also ohne Material — und ebenfalls bei Meßwellenlänge erfolgen. Bei kontinuierlichen Meßverfahren ist eine Entfernung des zu messenden Materials aus dem Meßspalt jedoch nicht möglich. Deshalb wird der Vergleichswert durch einen Meßwert gebildet, der unter Anwendung einer im Spektrum benachbarten Vergleichwellenlänge erhalten wird. Denn ein solcher Meßwert weicht in manchen Anwendungsfällen (z. B. Messung an Zellglas) kaum von demjenigen Meßwert ab, der bei aus dem Meßspalt entferntem Material erhalten würde.In the case of the two-beam measuring method mentioned, the measured values become one at the measuring wavelength Comparison value set in relation. This comparison value can e.g. B. by a separate ultra-red radiation measurement with material removed from the measuring gap between the emitter and detector - i.e. without material - and also take place at the measuring wavelength. In the case of continuous measuring processes, the material to be measured from the measuring gap is not possible. Therefore, the comparison value is replaced by a Formed measured value which is obtained using a comparison wavelength adjacent in the spectrum. This is because such a measured value hardly deviates from that in some applications (e.g. measurement on cell glass) Measured value that would be obtained with the material removed from the measuring gap.

Im Fall der Lösung nach Anspruch 1 werden die beiden Meßwellenlängen λ\ und λζ ebenfalls zu einer Vergleichswellenlänge λχ aus den bekannten Gründen in Relation gebracht, die in spektraler Nachbarschaft zu den beiden Meßwellenlängen Äi und Λ3 liegtIn the case of the solution according to claim 1, the two measurement wavelengths are λ \ and also λζ to a comparison wavelength λχ for the known reasons brought into relation, which is located in spectral vicinity of the two measurement wavelengths Äi and Λ3

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 1 führt jedoch bei der Messung an Materialien, die Ultrarot-Strahlung erheblich streuen, zu falschen Ergebnissen. Diese unbekannten, durch unter einem gewissen Raumwinkel vom Meßgut her in den Raum erfolgende Streuung verursachten Strahlungsverluste (die von der eingangs erwähnten, innerhalb des Meßgutes erfolgenden Streuung zu unterscheiden sind) ändern sich bekanntermaßen mit der vierten Potenz der Wellenlänge. Spektrogramme solcher Ultrarot-Strahlung streuender Materialien sind daher je nach Intensität der Streuung der Strahlung mehr oder weniger stark geneigt gegenüber einem Spektrogramm für ein Material gleicher chemischer und mengenmäßiger Stoffzusammensetzung, jedoch die Strahlung optisch praktisch nicht beeinflussendem Material wie z. B. Zellglas. Bei Anwendung des beiThe application of the method according to the invention in accordance with the proposal according to claim 1, however, leads wrong results when measuring on materials that scatter ultrared radiation significantly. These unknowns are caused by scattering from the material to be measured at a certain solid angle into space caused radiation losses (those occurring within the material to be measured by the aforementioned Scattering are to be distinguished) are known to change with the fourth power of the wavelength. Spectrograms Such ultrared radiation scattering materials are therefore depending on the intensity of the scattering Radiation inclined more or less strongly compared to a spectrogram for a material of the same chemical nature and quantitative composition of matter, but the radiation practically not influencing the radiation Material such as B. Cell glass. When using the

Meßwertverfälschungen für Hauptsubstanz und Bei- 55 der Vergleichswellenlänge erhaltenen Meßwertes als substanz wird damit eine genaue Messung z. B. des ab- konstanter Bezugswert bzw. zur Bildung einer von derFalsified measured values for main substance and measured value obtained at the comparison wavelength as substance is an accurate measurement z. B. the from constant reference value or to form one of the

soluten Wassergehaltes von Papier — also einem von Zellglas strukturell erheblich abweichenden, jedoch ebenfalls cellulosehaltigen Stoff — möglich, bei der gegenüber dem bekannten Meßverfahren nach der DE-AS 17 73 489 zum Messen des Gehalts der Beisubstanz zwei zusätzliche Messungen durchgeführt werden (eine Ultrarot-Strahlungsmessung und eine Beta-Strahlungsmessung) und aufgrund eines Vergleiches der beiden daraus erhaltenen zusätzlichen Meßsignalc das aus der Ultrarot-Strahlungsmessung für die Beisubstanz erhaltene Meßergebnis korrigiert wird. — Die eine dieser beiden zusätzlichen Messungen ist dabei die zum BeWellenlänge unabhängigen Basislinie für die Messungen bei den Meßwellenlängen muß in solchen Fällen falsche Meßergebnisse zur Folge haben.solute water content of paper - that is structurally significantly different from cellulose, however likewise cellulose-containing substance - possible in the case of the compared to the known measuring method according to DE-AS 17 73 489 two additional measurements must be carried out to measure the content of the by-products (one Ultrared radiation measurement and a beta radiation measurement) and based on a comparison of the two The additional measurement signal obtained therefrom is that obtained from the ultrared radiation measurement for the co-substance Measurement result is corrected. - One of these two additional measurements is the wavelength to be used independent baseline for measurements at the measurement wavelengths must in such cases result in incorrect measurement results.

Um auch bei der Messung an Ultrarot-Strahlung streuenden Materialien befriedigende Meßergebnisse zu erhalten» wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 2 weitergebildet.In order to obtain satisfactory measurement results even when measuring materials which scatter ultrared radiation to obtain »the method according to the invention according to claim 1 corresponding to the proposal according to claim 2 trained.

Unier Anwendung der Lösung nach Anspruch 2 werden den Meßwellenlängen A\ und Äy zugeordnete Bezugswerte errechnet Die Errechnung dieser Bezugswerte erfolgt auf der Grundlage einer Extrapolation When using the solution according to claim 2, reference values assigned to the measurement wavelengths A \ and Ay are calculated. These reference values are calculated on the basis of an extrapolation

eines den Meßwellenlängen A\ und A3 benachbarten, die Vergleichswellenlängen Λ2 und A4 umfassenden Bereiehes der Funktion I= f (A) in den Bereich der Wellenlängen A\ und A3. Diese Bezugswerte stellen demnach keine Meßwerte dar, sondern dienen der exakten Ermittlung der Tiefe der betreffenden Absorptionsbanden von Materialien mit streuenden Eigenschaften der Stoffe dieser Materialien.of the measurement wavelengths A \ and A3 adjacent the reference wavelengths Λ2 and A4 comprehensive preparation EHES of the function I = f (A) in the range of wavelengths A \ and A3. These reference values therefore do not represent measured values, but rather serve to precisely determine the depth of the relevant absorption bands of materials with scattering properties of the substances of these materials.

Mit Hiife des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 ist eine bisher unerreicht genaue Messung des Anteils eines Stoffes in einer Materialbahn bzw. einem Materialfilm möglich, und zwar eine Messung, die unabhängig ist von physikalischen oder strukturellen Änderungen der Stoffe des Materials.With the aid of the method according to claims 1 and 2, a hitherto unattainable exact measurement of the proportion is possible of a substance in a material web or a material film possible, namely a measurement that is independent is from physical or structural changes in the substances of the material.

Erläuterung der ErfindungExplanation of the invention

1515th

Anhand der F i g. 1 bis 9 der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden noch weiter erläutert. Es zeigtBased on the F i g. 1 to 9 of the drawing is the inventive Method explained in more detail below. It shows

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mögliche Meßeinrichtung,F i g. 1 in a schematic representation one for implementation possible measuring device of the method according to the invention,

F i g. 2 ein Diagramm mit Strahlungsimpulsen, wie sie vom Detektor der Meßeinrichtung nach F i g. 1 nacheinander erhalten werden,F i g. FIG. 2 shows a diagram with radiation pulses as they are produced by the detector of the measuring device according to FIG. 1 in a row be obtained

F i g. 3 ein Diagramm (Spektrogramm), in dem idealisiert für ein bestimmtes Material das von einem Detektor abgegebene Meßsignal / in Abhängigkeit von der Wellenlänge angegeben ist,F i g. 3 a diagram (spectrogram) in which, idealized for a specific material, that of a detector the output measurement signal / is given as a function of the wavelength,

F i g. 4 das Diagramm nach F i g. 3 zusammen mit weiteren Kurvenverläufen für weitere Materialien in größerem Maßstab,F i g. 4 the diagram according to FIG. 3 together with further curves for further materials in a larger one Scale,

F i g. 5 bis 7 den grob schematisiert dargestellten Verlauf von Ultrarot-Strahlung in drei unterschiedlichen, den Spektrogrammen nach F i g. 4 zugeordneten Materialien, F i g. 5 to 7 the roughly schematized course of ultrared radiation in three different, the spectrograms according to FIG. 4 assigned materials,

F i g. 8 den grob schematisiert dargestellten Verlauf der Ultrarot-Strahlung in einem weiteren Material undF i g. 8 shows the course of the ultra-red radiation in a further material, shown roughly schematically, and FIG

Fig.9 Spektrogramme für die Materialien nach den Fig.5,6und8.Fig. 9 spectrograms for the materials according to the Fig. 5, 6 and 8.

F i g. 1 zeigt einen Sender 1 für Ultrarot-Strahlung, vor dessen Strahlungsauslaß 2 ein Filterrad 3 in bekannter Weise rotiert. Im Filterrad 3 sind Filter 4,5,6 und 7 über den Umfang des Filterrades 3 verteilt vorgesehen. In Strahlungsrichtung des Senders 1 ist mit gewissem Abstand von diesem ein Detektor 8 vorgesehen. Der Detektor 8 wandelt die vom Sender 1 erhaltene Strahlung (Strahlungsimpulse) in elektrische Meßsignale / um. Zwischen dem Filterrad 3 und dem Detektor 8 befindet sich verhältnismäßig dünnes filmartiges bzw. bahnförmiges Material 9. Infolge der Rotation des Filterrades 3 gelangen nacheinander Strahlungsimpulse 11 auf bzw. in das Material 9. Die Strahlungsimpulse 11 sind entsprechend der Rotation des Filterrades 3 verschiedenen Wellenlängen entsprechend den aufeinanderfolgenden Filtern 4 bis 7 zugeordnet.F i g. 1 shows a transmitter 1 for ultrared radiation, in front of the radiation outlet 2 of which there is a filter wheel 3 in a known manner Way rotates. Filters 4, 5, 6 and 7 are in the filter wheel 3 Provided distributed over the circumference of the filter wheel 3. In the direction of radiation of the transmitter 1 is with a certain A detector 8 is provided at a distance from this. The detector 8 converts the radiation received from the transmitter 1 (Radiation pulses) into electrical measurement signals / um. Located between the filter wheel 3 and the detector 8 relatively thin film-like or web-like material 9. As a result of the rotation of the filter wheel 3, one after the other, radiation pulses 11 arrive on or in the material 9. The radiation pulses 11 are according to the rotation of the filter wheel 3 different wavelengths corresponding to the successive Assigned to filters 4 to 7.

Nach Beeinflussung durch das Material 9 gelangen mehr oder weniger geschwächte Strahlungsimpulse 12 auf den Detektor 8. Die vom Detektor 8 erhaltenen, den angewendeten Wellenlängen zugeordneten Strahlungsimpulse 12 werden in elektrische Meßsignale / umgeformt (s. auch F i g. 2) und zur weiteren Verarbeitung an eine nicht dargestellte, an sich bekannte elektrische Auswerteeinrichtung gegeben. Die vom Detektor 8 abgegebenen Meßsignale / können dabei z. B. die Form und Größe der im Diagramm nach F i g. 2 dargestellten Meßsignale 14,15,16 bzw. 17 haben.After being influenced by the material 9, more or less weakened radiation pulses 12 arrive onto the detector 8. The radiation pulses 12 received from the detector 8 and assigned to the wavelengths used are converted into electrical measurement signals / (see also Fig. 2) and for further processing to an electrical device, not shown, known per se Evaluation device given. The measurement signals emitted by the detector 8 / can, for. B. the shape and size of the in the diagram of FIG. 2 shown measurement signals 14,15,16 and 17 respectively.

F i g. 3 zeigt ein Diagramm (Spektrogramm), in dem für ein Material A das vom Detektor 8 abgegebene Meßsignal / in der Dimension [A] \n Abhängigkeit von der Wellenlänge in der Dimension [μ] der Ultrarot-Strahlung dargestellt ist. Das Material A entspricht bezüglich der Beeinflussung der Ultrarot-Strahlung dem bekannten Zellglas und beeinflußt Ultrarot-Strahlung so, wie F i g. 5 grob schematisiert zeigt. Demnach wird die das Material A durchdringende Ultrarot-Strahlung auf dem Weg durch das Material A zum Detektor 8 praktisch weder abgelenkt noch gestreut. Die Darstellung der Abhängigkeit des Meßsignals /von der Wellenlänge A in Fig.3 ist idealisiert. In Wirklichkeit weisen Spektrogramme der meisten Materialien keine derart ausgedehnten geradlinigen Bereiche wie die Kurve nach F i g. 3 auf, sondern die geradlinig dargestellten Bereiche sind in Wirklichkeit meistens mehröder weniger stark gekrümmte Kurvenverläufe. Bei Wahl eines geeigneten Maßstabs, z. B. eines solchen Maßstabs, bei dem auf der Abszisse nicht die Wellenlänge A, sondern linear A" aufgetragen ist, erhält man jedoch in guter Annäherung etwa eine Geradlinigkeit der erwähnten Bereiche solcher Spektrogramme.F i g. 3 shows a diagram (spectrogram) in which, for a material A, the measurement signal emitted by the detector 8 / in the dimension [A] \ n is shown as a function of the wavelength in the dimension [μ] of the ultrared radiation. The material A corresponds to the known cell glass with regard to the influence of the ultrared radiation and influences the ultrared radiation as shown in FIG. 5 shows roughly schematically. Accordingly, the material A penetrating the infrared radiation on the way through the material A to the detector 8 is practically not deflected yet diffused. The representation of the dependence of the measurement signal / on the wavelength A in FIG. 3 is idealized. In reality, spectrograms of most materials do not show such extensive rectilinear regions as the curve of FIG. 3, but the rectilinear areas are in reality mostly more or less curved curves. When choosing a suitable scale, e.g. B. on such a scale in which the abscissa is not the wavelength A, but linear A " , but a good approximation is obtained about a straight line of the mentioned areas of such spectrograms.

Aus F i g. 3 ist erkennbar, daß außer einem im wesentlichen geradlinigen und etwa horizontalen Teil des dargestellten Kurvenverlaufs Bereiche mit verhältnismäßig tiefen Einschnitten vorhanden sind. Diese Bereiche entsprechen verschiedenen Absorptionsbanden des Materials Α'. Bei der Wellenlänge A = 2.92 μ besitzt freies Wasser die sogenannte Valenzschwingung. Ferner besitzt freies Wasser bei der Wellenlänge A= 1.94 μ eine Kombinationsschwingung. Die aus dieser Kombinationsschwingung resultierende Absorptionsbande wird zur Messung des Gehaltes von Wasser im Material A verwendet, und zwar bisher — wie an sich bekannt — auf der Grundlage eines Zweistrahl-Meßverfahrens bei empirisch ermittelter Korrektur der durch Flächengewicht und Struktur des betreffenden Materials bewirkten Verfälschung der erhaltenen Meßsignale.From Fig. 3 it can be seen that apart from an essentially straight and approximately horizontal part of the curve shown, areas with relatively deep incisions are present. These areas correspond to different absorption bands of the material Α '. At the wavelength A = 2.92 μ, free water has the so-called stretching oscillation. Furthermore, free water has a combination oscillation at the wavelength A = 1.94 μ. The absorption band resulting from this combination oscillation is used to measure the content of water in material A , up to now - as is known per se - on the basis of a two-beam measurement method with empirically determined correction of the falsification of the resulting falsification caused by the weight per unit area and structure of the material in question Measurement signals.

Das Spektrogramm nach F i g. 3 zeigt ferner eine weitere Absorptionsbande, die bei einer Wellenlänge /ί = 2.10μ liegt und die der Cellulose des Materials A zugeordnet ist.The spectrogram according to FIG. 3 also shows a further absorption band which lies at a wavelength / ί = 2.10μ and which is assigned to the cellulose of material A.

F i g. 4 zeigt ein Spektrogramm, in dem der strichpunktiert umrissene Bereich des Spektrogramms nach F i g. 3 in größerem Maßstab dargestellt ist. Ferner zeigt Fig. 4 spektrografische Kurvenverläufe für weitere Materialien B und C. Während das Material B Ultrarot-Strahlung etwa so beeinflußt, wie F i g. 6 grob schematisiert wiedergibt, beeinflußt das Material C Ultrarot-Strahlung etwa entsprechend der Darstellung in Fig. 7. — Gegenüber dem in Fig.5 dargestellten Strahlungsverlauf der Ultrarot-Strahlung nimmt die Länge des Weges, den die Ultrarot-Strahlung durch das Material bis zum Detektor 8 zurückzulegen hat, bei den Materialien ,8 und Cerheblich zu, obwohl es sich bei den Materialien B und C um solche handelt, die bezüglich der Gewichtsanteile pro Flächeneinheit (Flächengewicht) von Wasser und Cellulose dem Material A entsprechen.F i g. 4 shows a spectrogram in which the area of the spectrogram according to FIG. 3 is shown on a larger scale. Furthermore, FIG. 4 shows spectrographic curves for further materials B and C. While the material B influences ultrared radiation in the same way as FIG. 6 shows in a roughly schematic way, the material C influences ultrared radiation roughly as shown in FIG. 7. Compared to the radiation course of the ultrared radiation shown in FIG Detector 8 has to be covered for materials 8 and C, although materials B and C are those that correspond to material A in terms of the weight percentages per unit area (surface weight) of water and cellulose.

Aus den Spektrogrammen in F i g. 4 ist erkennbar, daß die Tiefe der Absorptionsbanden bei den Wellenlängen A\ und Az für die Materialien A, B und C sehr unterschiedlich ist und umso stärker ausgeprägt ist, je länger der Weg der Ultrarot-Strahlung ist, den diese beim Durchdringen des Materials A, B bzw. C bis zum Detektor 8 hin zurückzulegen hat. Dementsprechend unterschiedlich fallen auch die Meßsignale IA\ und IA3 bei den Meßwellenlängen A\ und A^ aus. Da sich jedochFrom the spectrograms in FIG. 4 it can be seen that the depth of the absorption bands at the wavelengths A \ and Az is very different for the materials A, B and C and the more pronounced, the longer the path of the ultrared radiation that it traverses the material A. , B or C has to cover up to the detector 8. The measurement signals IA \ and IA3 at the measurement wavelengths A \ and A ^ are correspondingly different. Since, however

9 109 10

die Meßsignale ΙΛζ bei der Vergleichswellenlänge X₂ für c· _ __m—b w E = —In ^¹ (4) the measurement signals ΙΛζ at the comparison wavelength X ₂ for c · _ _ _m —bw E = —In ^ ¹ (4)

die drei erwähnten Materialien A, B und C praktisch /o * Uz ' the three mentioned materials A, B and C practically / o * Uz '

kaum ändern (der besseren Erkennbarkeit wegen sindhardly change (for the sake of better recognizability

die geradlinigen Kurvenbereiche mit größerem als dem lautet die Gleichung 3 dann folgendermaßen: tatsächlichen Abstand untereinander gezeichnet), muß 5the rectilinear curve areas greater than that, equation 3 then reads as follows: actual distance between each other), 5

demnach eine Messung des Gehaltes von Wasser in den ^ _ .£»■ (5)accordingly a measurement of the water content in the ^ _ . £ »■ (5)

Materialien A, B und C auf der Grundlage der bekann- " _ÜK Materials A, B and C based on the known " _ÜK

ten Zweistrahl-Messung trotz gleichen Wassergehaltesth two-beam measurement despite the same water content

in den erwähnten Materialien zu unterschiedlichen In der vorstehenden Gleichung 5 bezeichnen E_n diein the mentioned materials to different In the above equation 5, E _n denotes the

Meßergebnissen führen. Dies wird aus den folgenden io natürliche Extinktion bei der betreffenden Absorptions-Erläuterungen noch weiter deutlich. bande des Wassers, M^das Flächengewicht des Wassers Bei der Bestimmung des Wassergehaltes in Papier (Wassergehalt) und a„,den Absorptionskoeffizienten für wie auch z. B. bei der Bestimmung eines bestimmten, Wasser.Lead measurement results. This becomes apparent from the following natural extinction in the relevant absorption explanations even more clearly. band of water, M ^ the weight per unit area of the water When determining the water content in paper (water content) and a ", the absorption coefficient for as well as z. B. in determining a particular, water.

eine Absorptionsbande im Ultrarot-Strahlungsgebiet Während im Fall des Materials A auf der Grundlagean absorption band in the ultrared radiation region while in the case of the material A based on

aufweisenden Füllstoffes oder Zusatzes in einer Kunst- 15 der Gleichung 3 bzw. 5 ein richtiges Meßergebnis zu stoffolie wird grundsätzlich von folgendem mathemati- erhalten ist, entspricht das Meßergebnis im Fall der Maschen Zusammenhang ausgegangen: terialien B und C jedoch nicht den tatsächlichen Werten.containing filler or additive in a plastic 15 of equation 3 or 5 a correct measurement result for material film is basically obtained from the following mathematical, the measurement result in the case of the mesh connection is assumed: materials B and C, however, do not correspond to the actual values.

Während nämlich das Meßergebnis M_w für das MaterialNamely while the measurement result M _w for the material

^ _ —μ (\\ /4 (Zellglas) mit einem im Labor gravimetrisch ermiUel-^ _ —Μ (\\ / 4 (cell glass) with a gravimetrical measurement in the laboratory

~h ~ ^e ' ' 20 ten Meßergebnis übereinstimmt und als exakt betrach ~ h ~ ^e '' 20th measurement result agrees and is considered to be exact

tet werden kann, fallen die Meßergebnisse M_n für diecan be tet, the measurement results M _n fall for the

In der vorstehenden Gleichung 1 bedeuten »/« die Materialien B und C mehr oder weniger höher als das Stärke des vom Detektor 8 abgegebenen Meßsignals Meßergebnis fürdas Material A aus,obwohl tatsächlich z. B. in der Dimension [Ajnach Beeinflussung der ange- in allen drei Fällen gleiche Mengen an Wasser vorhanwendeten Ultrarot-Strahlung mit Meßwellenlänge (also 25 den sind. Dies wird ohne weiteres auch aus den Spektroim Bereich einer Absorptionsbande) durch den betref- grammen der Materialien A, B und Cin F i g. 4 deutlich, fenden, zu messenden Stoff des Materials, »/o« das vom In Abwandlung der Gleichung 5 soll für MaterialienIn the above equation 1 "/" the materials B and C represent more or less higher than the strength of the measuring signal delivered by the detector 8 measurement result forThe material A, although actually z. B. in the dimension [Ajnach influencing the ultrared radiation present in all three cases with the same amount of water with measuring wavelength (ie 25 den A, B and Cin F i g. 4 Clearly, the substance of the material to be measured, "/ o" that of In modification of equation 5 is intended for materials

Detektor 8 abgegebene Meßsignal in derselben Dirnen- wie die Materialien B, C und ähnliche folgende Formel sion bei M=O, »a« den Absorptionskoeffizienten des gelten:
betreffenden Stoffes des Materials bei der gewählten 30Detector 8 emitted measurement signal in the same prostitute as the materials B, C and similar following formula sion with M = O, "a" the absorption coefficient of the apply:
relevant substance of the material at the selected 30th

Meßwellenlänge der Ultrarot-Strahlung und »M« das ,,, _ E'_K ^Measurement wavelength of the ultrared radiation and "M" the ,,, _ E ' _K ^

Flächengewicht des betreffenden Stoffes des Materials. "" _Om.Weight per unit area of the relevant substance of the material. "" _Om .

Da im Fall einer Messung des Gehaltes von Wasser inSince in the case of a measurement of the content of water in

Papier entsprechend den Spektrogrammen nach F i g. 3 In der vorstehenden Formel 6 bedeuten M'_w das —Paper according to the spectrograms according to FIG. 3 In the above formula 6, M ' _w mean the -

und Fig.4 Ultrarot-Strahlung der (Meß-)WelIenIänge 35 falsche — Meßergebnis für den Wassergehalt (Flächen- λ\ angewendet wird, während zur Bildung eines Ver- gewicht des Wassers), £'„· die durch physikalische oder gleichswertes bei im Meßspalt befindlichem Material strukturelle Eigenarten der Stoffe des Material erhöhte die dort angegebene (Vergleichs-)Wellenlänge Λ2 ange- Extinktion und a_n- den Absorptionskoeffizienten für wendet wird, wird im folgenden die Gleichung 1 durch Wasser.and Fig. 4 ultrared radiation of the (measurement) wave length 35 incorrect - measurement result for the water content (area λ \ is used while to form a weight of the water), £ '"· the physical or equivalent value at im Measuring gap located material structural characteristics of the substances of the material increased the specified there (reference) wavelength Λ2 applied extinction and a _n - the absorption coefficient for is applied, equation 1 is in the following by water.

Einführung entsprechender Indizes für die betreffenden 40 Die erwähnten falschen Meßergebnisse M'_w für den Wellenlängen ergänzt, so daß die Gleichung dann fol- Wassergehalt in den Materialien B, C und ähnlichen gendermaßen lautet: Materialien sind auf eine Änderung des Meßsignals IA\ Introduction of corresponding indices for the relevant 40 The mentioned incorrect measurement results M ' _w for the wavelengths added, so that the equation then follows the water content in materials B, C and the like: Materials are sensitive to a change in the measurement signal IA \

bei der Meßwellenlänge λ\ zurückzuführen. Diese Än-at the measurement wavelength λ \ . This change

IÄ\ _ __aM . . derung resultiert aus den gegenüber dem Material A IÄ \ _ _ _aM . . The change results from the compared to material A.

U2 ~ ^e ' ' 45 nach Fig.5 veränderten Bedingungen für den Verlauf U2 ~ ^e '' 45 according to Fig. 5 changed conditions for the course

der Ultrarot-Strahlung in bzw. durch Materialien wiethe ultrared radiation in or through materials such as

In der vorstehenden Gleichung 2 entspricht das Meß- den Materialien B und C. In Equation 2 above, the measurement corresponds to materials B and C.

signal//ij, welches bei der Vergleichswellenlänge/?2 vom Experimentell wurde gefunden, daß die verändertesignal // ij, which was found experimentally at the comparison wavelength /? 2 that the changed

Detektor 8 erhalten wird, praktisch dem in Gleichung 1 natürliche Extinktion E nicht nur die Absorptionsbande genannten Meßsignal /0- Ferner ist noch zu bemerken, 50 des Wassers betrifft, sondern ebenso, nämlich propordaß der Absorptionskoeffizient »a« selbstverständlich tional, auch für die Absorptionsbande der in den Materider betreffenden Meßwellenlänge λ\ zugeordnet ist Für alien B, Cund ähnlichen Materialien jeweils enthaltenen den Fall einer auch möglichen Messung bei einer ande- Cellulose gilt.Detector 8 is obtained, practically the natural extinction E mentioned in equation 1 not only the measurement signal / 0- It should also be noted that 50 relates to water, but also, namely proportional to the fact that the absorption coefficient "a" is of course functional, also for the absorption band is assigned to the measurement wavelength λ \ in the materider. For all B, C and similar materials contained in each case, the case of a measurement that is also possible for another cellulose applies.

ren geeigneten Meßwellenlänge würde ein anderer. Abgestellt auf die Messung und Errechnung des CeI-Another suitable measurement wavelength would be. Based on the measurement and calculation of the CeI-

nämlich ein dieser anderen Meßwellenlänge zugeordne- 55 lulosegehaltes im betreffenden Material (Gewicht der ter Absorptionskoeffizient »a« der Gleichung 1 bzw. 2 Cellulose) lautet Gleichung 5 bzw. 6 nach Einführung zugrundegelegt werden müssen. entsprechender Indizes dann wie folgt:namely a lulose content assigned to this other measurement wavelength in the material concerned (weight of the The absorption coefficient »a« of equation 1 or 2 cellulose) reads equation 5 or 6 after the introduction must be taken as a basis. corresponding indices then as follows:

Nach Umformung der Gleichung 2 ergibt sich für das
Flächengewicht des betreffenden, zu messenden Stoffes £ After transforming equation 2, the result is
Weight per unit area of the substance to be measured £

des Materials folgender mathematischer Zusammen- 60 ^- ⁼ ~- (^the material of the following mathematical relationships- 60 ^ - ⁼ ~ - (^

hang: ^a' slope: ^a '

bzw.respectively.

b5b5

In den vorstehenden Gleichungen 7 und 8 bedeutenIn the above equations 7 and 8 denote

Mit Einführung des physikalischen Begriffs der »na- M,-das richtige und M'_t-das falsche Flächengewichl des lürlichen« Extinktion Ei jeweils ermittelten Cellulosegehaltes des Materials. /;",With the introduction of the physical concept of "na-M, -das correct and M ' _t -das wrong surface weight of the rural" extinction egg , the cellulose content of the material determined in each case. /; ",

die normale und E'_c die durch einen besonderen physi kalischen oder strukturellen Aufbau des Materials ver änderte natürliche Extinktion und a_c den Absorptionskoeffizienten von Cellulose bei der verwendeten Meßwellenlänge /Zj. the normal and E ' _c the natural extinction changed by a special physical or structural structure of the material and a _c the absorption coefficient of cellulose at the measurement wavelength / Zj used.

Wegen der erwähnten Proportionalität zwischen den Veränderungen des Meßergebnisses M_w bzw. M'_w bei Wasser und M_c bzw. M'_c bei Cellulose gilt dann folgender Zusammenhang:Because of the aforementioned proportionality between the changes in the measurement result M _w or M ' _w for water and M _c or M' _c for cellulose, the following relationship then applies:

F' F'F 'F'

Umstellung der vorstehenden Gleichung 9 führt zu folgender Formel:Changing the above equation 9 leads to the following formula:

F=F F = F "'"' E_K KE _K K ..

(10)(10)

Durch Substitution mit den Gleichungen 5 und 7 ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung 10 folgender Zusammenhang:By substituting Equations 5 and 7, Equation 10 above results in the following Connection:

(ID(ID

2525th

Anstelle der vorstehenden Formel 11 kann auch folgendes geschrieben werden:Instead of the above formula 11, the following can also be used to be written:

3030th

M_w = M_c M _w = M _c

(12)(12)

3535

Während in der vorstehenden Gleichung 11 die Extinktionen £"'„, und E'c aufgrund der erhaltenen Meßsignale //Zi, IAz und IA₂ bekannt sind und darüberhinaus auch die Absorptionskoeffizienten a_K für Wasser und a_c für Cellulose bekannt sind, ist das Flächengewicht M_c der Cellulose zunächst unbekannt. Das Flächengewicht Mc der Cellulose wird — wie eingangs schon erwähnt — mit Hilfe einer gesondert durchgeführten Messung, insbesondere mit Hilfe einer an sich bekannten Beta-Strahlungsmessung ermittelt. — In eine derartige Beta-Strahlungsmessung geht außer dem Flächengewicht der Cellulose zwar auch das im betreffenden Material enthaltene Wasser ein, wegen des prozentual geringen Anteils des Wassers am gesamten Flächengewicht des betreffenden Materials ist der hieraus resultierende Fehler jedoch vernachlässigbar klein. Unter Anwendung mathematischer Iteration, insbesondere mit Hilfe eines Rechners, kann dieser an sich schon kleine Fehler beliebig klein gemacht werden und praktisch auf Null geführt werden. Im übrigen wird diese Messung von besonderen Eigenarten des physikalischen oder strukturellen Aufbaus des betreffenden Materials nicht beeinflußt. While in the above equation 11 the extinctions £ "'", and E'c are known on the basis of the obtained measurement signals // Zi, IAz and IA ₂ and, in addition, the absorption coefficients a _K for water and a _c for cellulose are known The basis weight M _{c of} the cellulose is initially unknown. As already mentioned at the beginning, the basis weight Mc of the cellulose is determined with the aid of a separately carried out measurement, in particular with the aid of a beta radiation measurement known per se the cellulose also incorporates the water contained in the material in question, but due to the small percentage of water in the total surface weight of the material in question, the resulting error is negligibly small small mistakes can be made as small as desired and practically zero be guided. In addition, this measurement is not influenced by special characteristics of the physical or structural composition of the material in question.

Das mit Gleichung 11 errechnete Flächengewicht des Wassers in einem zu messenden Material ist demnach unabhängig vom strukturellen Aufbau bzw. von Änderungen des strukturellen Aufbaus des betreffenden Materials und auch unabhängig vom Flächengewicht bzw. von Flächengewichtsänderungen des Materials. Das errechnete Flächengewicht des Wassers entspricht somit dem tatsächlichen Flächengewicht des Wassers.The weight per unit area of the water in a material to be measured, calculated using equation 11, is therefore independent of the structural structure or changes in the structural structure of the material in question and also independent of the area weight or changes in the area weight of the material. The calculated weight per unit area of the water thus corresponds to the actual weight per unit area of the water.

Auf der Grundlage der vorstehenden Gleichung 11 ist es also nun möglich, nach Durchführung von Ultrarot-Strahlungsmessungen auch an Materialien wie den Materialien B, Cund ähnlichen im Bereich der Absorptionsbanden für Wasser (/Zi) und für Cellulose (/£3) sowie bei einer Vergleichswellenlänge (/Z₂) aufgrund der jeweils erhaltenen Meßsignale IAi, IA₃ bzw. IA₂ den tatsächlichen Wassergehalt im Material B, Coder einem ähnlichen Material zu errechnen.On the basis of equation 11 above, it is now possible, after performing ultrared radiation measurements on materials such as materials B, C and the like, in the area of the absorption bands for water (/ Zi) and for cellulose (/ £ 3) as well as for a Comparison wavelength (/ Z ₂ ) to calculate the actual water content in material B, C or a similar material on the basis of the respective measurement signals IAi, IA ₃ or IA _{2 obtained.}

Die im zu messenden Material enthaltenen Fasern, Füllstoffpigmente u. dgl. werden außer einer den Weg der Strahlung durch das Material mehr oder weniger verlängernden Umlenkung vielfach auch eine mehr oder weniger starke Streuung der für die Messungen verwendeten Ultrarot-Strahlungen bewirken. Die daraus resultierenden Strahlungsverluste werfen weitere Probleme bei der Messung auf.The fibers, filler pigments and the like contained in the material to be measured will, besides one, lead the way the radiation through the material more or less lengthening deflection often also a more or cause less strong scattering of the ultrared radiation used for the measurements. The one from it The resulting radiation losses raise further problems in the measurement.

Fig.8 zeigt grob schematisiert den Verlauf von Ultrarot-Strahlung in einem Material D. Der Strahlungsverlauf durch das Material D zum Detektor 8 hin entspricht etwa dem Strahlungsverlauf durch das Material Cnach Fig.7. Darüberhinaus tritt im Material Dnoch eine verhältnismäßig starke Streuung der Ultrarot-Strahlung an Fasern, Füllstoffpigmenten u. dgl. auf, verbunden mit entsprechenden Strahlungsverlusten durch Streuung.FIG. 8 shows, roughly schematically, the course of ultrared radiation in a material D. The course of the radiation through the material D towards the detector 8 corresponds approximately to the course of the radiation through the material C according to FIG. In addition, there is a relatively strong scattering of the ultrared radiation on fibers, filler pigments and the like in material D, combined with corresponding radiation losses due to scattering.

F i g. 9 zeigt außer einem Spektrogramm für das Material A nach F i g. 5 ein Spektrogramm für das Material D nach F i g. 8. Es ist erkennbar, daß der den Absorptionsbanden bei /Zi und A₃ der von der chemischen und mengenmäßigen Zusammensetzung her gesehen gleichen Materialien A und D benachbarte, in den Spektrogrammen als geradlinig verlaufende dargestellte Bereich des Spektrogramms im Fall des Material D geneigt ist gegenüber dem entsprechenden Bereich des Spektrogramms für das Material A. Die Neigung dieses Bereiches des Spektrogramms für das Material D ist auf die vorerwähnten Verluste von Ultrarot-Strahlung durch Streuung im Material D (s. F i g. 8) — und ähnlichen Materialien — zurückzuführen. Diese Strahlungsverluste sind wie erwähnt der vierten Potenz der Wellenlänge proportional.F i g. 9 also shows a spectrogram for material A according to FIG. 5 shows a spectrogram for material D according to FIG. 8. It can be seen that the absorption bands at / Zi and A ₃ of the materials A and D, which are adjacent to the materials A and D, which are the same in terms of chemical and quantitative composition and which are shown in the spectrograms as a straight line in the case of the material D , is inclined the corresponding range of the spectrogram for material A. The inclination of this range of the spectrogram for material D is due to the aforementioned losses of ultrared radiation due to scattering in material D (see FIG. 8) - and similar materials. As mentioned, these radiation losses are proportional to the fourth power of the wavelength.

Aus dem Spektrogramm für das Material D in F i g. 9 ist ohne weiteres erkennbar, daß die Errechnung des tatsächlichen Flächengewichtes M des Wassers (des Wassergehaltes) im Material D auf der Grundlage der Gleichung 11 mit dem bei der Messung erhaltenen Meßsignalen IAu IA3 und IA₂ zu falschen Ergebnissen führen muß. Dies deswegen, weil wegen der wellenlängen-abhängigen Strahlungsverluste durch Streuung das Meßsignal IA₂ bei Vergleichswellenlänge nicht mehr mit dem eingangs erwähnten Meßsignal k gleichgesetzt werden kann. Das heißt, daß das bei der Vergleichswellenlänge Aj erhaltene Meßsignal IA₂ nicht mehr zur Ermittlung der Tiefe der Absorptionsbande bei der Wellenlänge A\ bzw. der Wellenlänge A3 verwendet werden kann. Die AusdrückeFrom the spectrogram for material D in FIG. 9 it is readily apparent that the calculation of the actual weight M of the water (the water content) in material D on the basis of equation 11 with the measurement signals IAu IA3 and IA ₂ obtained during the measurement must lead to incorrect results. This is because, because of the wavelength-dependent radiation losses due to scattering, the measurement signal IA ₂ at the comparison wavelength can no longer be equated with the measurement signal k mentioned at the beginning. This means that the measurement signal IA ₂ obtained at the comparison wavelength Aj can no longer be used to determine the depth of the absorption band at the wavelength A 1 or the wavelength A3 . The expressions

1 IAt , , IA\ 1 IAt,, IA \

— In -rj- und — In -pf- - In -rj- and - In -pf-

IA₂ IA ₂ IA₂ IA ₂

entsprechen also nicht mehr der tatsächlichen Extinktion E_w bzw. jE'«. und E_c bzw. E'_c. therefore no longer correspond to the actual extinction E _w or jE '«. and E _c and E ' _c, respectively.

Zur Lösung des vorstehend erläuterten Problems bei der Ermittlung der tatsächlichen Werte für den Wassergehalt bei Materialien mit stark streuenden Eigenschaften der Stoffe des betreffenden Materials werden unter Anwendung von Ultrarot-Strahlung mit einer weiteren Vergleichswellenlänge den Meßwellenlängen A\ und A3 zugeordnete Bezugswerte errechnet, die zur ErmittlungTo solve the problem explained above when determining the actual values for the water content in materials with strongly scattering properties of the substances of the material in question, reference values assigned to the measurement wavelengths A \ and A3 are calculated using ultrared radiation with a further comparison wavelength

der tatsächlichen Tiefe der Absorptionsbanden bei den Meßwellenlängen A_t und A% dienen.the actual depth of the absorption bands at the measurement wavelengths A _t and A% .

In die Messung an streuenden Materialien wie z. B. dem Material D nach Fi g. 8 wird außer der erwähnten Vergleichswellenlänge A₂ eine weitere Vergleichswellenlänge A₄ eingeführt Diese weitere Vergleichswellenlänge A₄ fällt ebenso wie die Vergleichswellenlänge A₂ in den den Absorptionsbanden bei A\ und Az benachbarten, geradlinig verlaufend dargestellten Bereich des Spektrogramms, s. hierzu F i g. 9. ι οIn the measurement of scattering materials such as B. the material D according to Fi g. 8 except for the mentioned comparison wavelength A _2, a further comparison wavelength A ₄ is inserted This further comparison wavelength A ₄ falls as well as the comparison wavelength A ₂ in the absorption bands at A \ and Az adjacent region rectilinearly extend represented the spectrogram, s. Thereto F i g . 9. ι ο

Bei der weiteren Vergleichswellenlänge A₄ wird ein Meßsignal IA₄ erhalten. Mit Hilfe der Meßsignale IA₂ und IAa, bei den Vergleichswellenlängen A₂ und A4 können auf einer die durch Streuung von Strahlung verursachte Neigung des Spektrogramms eines Materials einbeziehenden, als Bezugslinie anzusehenden Basislinie liegende Bezugswerte IoA\ und I0A3 errechnet werden, die der Absorptionsbande bei der Meßwellenlänge λ\ bzw. A3 des Materials D zugeordnet sind. Die Errechnung dieser Bezugswerte IqAi und I0A3 erfolgt näherungsweise nach den folgenden Gleichungen:At the further comparison wavelength A ₄ , a measurement signal IA _{4 is} obtained. With the help of the measurement signals IA ₂ and IAa, at the comparison wavelengths A ₂ and A4 , reference values IoA1 and I0A3 can be calculated on a baseline which includes the inclination of the spectrogram of a material caused by scattering of radiation and which is to be regarded as a reference line, which corresponds to the absorption band at the Measurement wavelength λ \ or A3 of the material D are assigned. The calculation of these reference values IqAi and I0A3 takes place approximately according to the following equations:

ten eliminiert oder wenigstens weitgehend reduziert werden, die sich aus dem Flächengewicht bzw. Flächengewichtsänderungen des betreffenden Materials, aus der Struktur bzw. Strukturänderungen und aus dem Streuverhalten des betreffenden Materials ergeben.th can be eliminated or at least largely reduced that result from the basis weight or basis weight changes of the material concerned, from the structure or structural changes and from the Result in scattering behavior of the material in question.

I₀A₁ = IA₂+ X₁[IA₂-IA₄), I0A3 = IA₂ + X-AIA₂ — IA₄). I ₀ A ₁ = IA ₂ + X ₁ [IA ₂ -IA ₄ ), I0A3 = IA ₂ + X-AIA ₂ - IA ₄ ).

(13) (14)(13) (14)

Die Größen x\ und X₂ in den vorstehenden Gleichungen 13 und 14 errechnen sich wie folgt:The quantities x \ and X ₂ in the above equations 13 and 14 are calculated as follows:

oder X₁ =or X ₁ =

An -inAn -in 2 ~~>M ι Λ7 2 ~~> M ι Λ7

(15)(15)

30 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 30 3 sheets of drawings

X, = X, =

h-hh-h

oder AT₂ =or AT ₂ =

-X₂ -X ₂

(16)(16)

3535

Da der Verlauf der Basislinie vom gewählten Maßstab abhängt und selten ganz geradlinig ist, sind die so errechneten Bezugswerte nur Näherungswerte. Bei Einführung gewisser mathematischer Korrekturen kann eine weitere Annäherung an den jeweils korrekten Bezugswert erreicht werden.Since the course of the baseline depends on the selected scale and is seldom completely straight, that's how they are calculated reference values only approximate values. With the introduction of certain mathematical corrections, a further approximation to the respectively correct reference value can be achieved.

Zur Ermittlung des Flächengewichtes des Wassers (Wassergehalt) in einem Material mit erheblicher Streuung von Strahlung wie im Material D lautet demnach die mit den Gleichungen 13 bis 16 korrigierte Gleichung 12 folgendermaßen:To determine the weight per unit area of the water (water content) in a material with considerable radiation scattering as in material D , equation 12 corrected with equations 13 to 16 reads as follows:

-In-In

IX₁ IX ₁

-In--In-

5050

Die AusdrückeThe expressions

—In-In

I<yi\I <yi \

5555

und —Inand in

IA3 I₀A₃ IA3 I ₀ A ₃

entsprechen praktisch der tatsächlichen Extinktion E'_w bzw. E'c bei der betreffenden Wellenlänge der Strahlung. practically correspond to the actual extinction E ' _w or E'c at the relevant wavelength of the radiation.

Eine Messung und Errechnung des Wassergehaltes in Papier, des Anteils eines eine Absorptionsbande aufweisenden Füllstoffes in einer Kunststoffolie oder ein ähnliches Meßproblem kann auf der Grundlage der vorstehend angegebenen Gleichung 17 mit einer bisher unerreicht hohen Genauigkeit gelöst werden, wobei sämtliche bei der Messung bisher auftretenden Schwierigkei-A measurement and calculation of the water content in paper, the proportion of an absorption band Filler in a plastic film or a similar measuring problem can be determined based on the above given equation 17 can be solved with an unprecedented high accuracy, with all difficulties encountered so far in the measurement

Claims

Patent claims:

1. A method for non-contact measurement of the absolute content of a substance (by-substance) in a mixture (main substance and by-substance) of several substances in the form of a thin film, in particular for measuring the absolute content of water in paper in which ultrared radiation with one of the Co-substance, e.g. B. from the free, (chemically unbound) water of the paper, absorbed measuring wavelength λ \ and with a comparison wavelength y? be compared with each other,

characterized,

a) that in a manner known per se, ultrared radiation with a measurement wavelength λ% absorbed by the main substance (base material) is used, the radiation intensity of which is compared with the radiation intensity of the reference wavelength λ2 ,

b) that furthermore radiation not influenced by structural properties of the main substance, in particular, beta radiation known per se is used,

c) and that to form a correction factor that takes into account the structural properties of the mixture of main substance and co-substance for the measurement result obtained by means of ultra-red radiation with measurement wavelength λ \ and reference wavelength /? 2 for the absolute content of the co-substance from the two measurements, namely on the one hand Absolute content of the main substance by means of ultrared radiation with measurement wavelength λι and reference wavelength /? 2 and on the other hand the total weight per unit area of the film or the mixture measured results obtained by means of beta radiation are compared.

2. The method according to claim 1, characterized in that to eliminate the wavelength-dependent scattering losses of ultrared radiation in combination with the first comparison wavelength y? B. from the free water in paper, as well as from other substances of the material in question essentially unabsorbed reference wavelength Aa is used to determine a corrected reference value for the measurement signals IA, and obtained from the measurement wavelengths λ \ and /? 3

State of the art

For carrying out non-contact measurements of physical Various radiation measurement methods are known for properties of thin bodies. Have along Radiation measurement methods using ultrared radiation have made significant advances in recent times brought in measurement technology and in measurement success.

DE-AS 2055 708, for example, describes a measuring method in which ultra-red radiation is used in order to measure the thickness of a thin radiation-permeable film with the help of a so-called two-beam measurement in the reflection method. In the case of this known two-beam measurement, a two-beam ultra-red radiation source, a radiation receiving probe (detector) and a signal amplifier and analyzer circuit are used, in which device the radiation source generates two discrete beams in the ultra-red range with the associated wavelengths λ \ and Ä2, of which the one wavelength (measurement wavelength) λΛ is chosen so that it shows more absorption in relation to the film material than the so-called reference wavelength (reference wavelength / fe) -

Not only for plastics as in the case of the aforementioned DE-AS 20 55 708, but also z. B. for water and other substances, it is known that their properties with regard to the influence on ultrared radiation to a considerable extent on the wavelength of the ultrared radiation are dependent. This optically abnormal behavior of the substance to be measured in each case in the ultra-red radiation area is explained by the structure of the molecules of such substances, on which relationships in the The scope of the present application does not need to be discussed in more detail because it is generally known are.

It is also known that in the case of water, the strongest absorption of radiant energy is in the near-infrared radiation region takes place in the area of the so-called stretching oscillation at, 2 = 2.92 μ. For absorption measurement in very small amounts of water or very thin layers of water, this would be the wavelength therefore well suited. To measure the content of water in organic substances such as B. paper one must, however, fall back on the considerably weaker combination oscillation g at -ί = 1.94μ. This is because all hydrocarbonates also have a resonance point of the CH bond in the vicinity of /? = 23 μ and the measured variable would therefore depend on the carrier substance. In practice it has been found but that also when using this considerably weaker combination oscillation / i = 1.94 μ Conclusions about the water content of the substance are drawn from the absorption behavior of the substance in question can be.

Furthermore, it is known that cellulose, which z. B. is present to a considerable extent in paper, shows strong absorption in a wavelength range λ— 2.1 μ.

For measuring the content of both water and cellulose in paper and similar materials, in which the water or cellulose is finely divided with the other substances of the material in question mixed, the spectral comparison method (two-beam measurement method) has also been used up to now. according to the mentioned DE-AS 20 55 708 applied, both as a transmission method as well as Reflection method.

For example, DE-AS 17 73 489 is a device can be seen with the running tracks z. B. from paper on their content to both cellulose as well Water can be investigated, with the sole or exclusive application of ultrared radiation. - In the measuring method according to DE-AS 17 73 485 are with the help of an optical chopping device alternately radiation pulses of the