DE3112605A1 - Optische messeinrichtung, verfahren zu ihrem betrieb und ihre verwendung - Google Patents

Optische messeinrichtung, verfahren zu ihrem betrieb und ihre verwendung

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DE3112605A1
DE3112605A1 DE19813112605 DE3112605A DE3112605A1 DE 3112605 A1 DE3112605 A1 DE 3112605A1 DE 19813112605 DE19813112605 DE 19813112605 DE 3112605 A DE3112605 A DE 3112605A DE 3112605 A1 DE3112605 A1 DE 3112605A1
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Bernt Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Paul
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/86Investigating moving sheets

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Description

  • Optische Meßeinrichtung, Verfahren zu ihrem Betrieb
  • und ihre Verwendung.
  • Die Erfindung betrifft eine optische Meßeinrichtung mit einem Strahlungsquellen-Meßkopf und einem Empfänger-Meßkopf, mit welcher ein Meßgut in einer Meßebene durchstrahlt werden kann.
  • Bei optischen Meßeinrichtungen, welche der Eonzentrationsbestimmung strahlungsabsorbierender Stoffe durch Messung der Durchlässigkeit dieser Stoffe dienen, wird eine Schichtdicke dieser Stoffe benötigt, welche an die Absorptionskonstante dieser Stoffe in gewissen Grenzen angepaßt ist. Sind die Stoffe, deren Konzentration zu bestimmen ist, in einer Matrixsubstanz enthalten, so muß die Schichtdicke dieser Matrixsubstanz in gewissen Grenzen an die Absorptionskonstante der in ihr enthaltenen Stoffe angepaßt sein. Speziell zur Feuchte-Bestimmung von Papier oder Faserstoffen werden solche optischen Meßeinrichtungen eingesetzt, um bei diesen Produkten eine konstante Qualität, geringen Energieverbrauch und eine hohe Produktionsrate zu erzielen. Eine optische Neßeinrichtung, welche nach dem Verfahren der Einfach-Transmissionsmessung im Bereich der 1,9/um-Infrarot-Absorptionsbande des Wassergehalts ur Feuchte-Bestimmung von Papier oder Faserstoffen eingesetzt wird, ist nur für den Flächengewichtsbereich von etwa 40 g/m2 bis zu etwa 450 g/m2 verwendbar. Während oberhalb dieses Bereiches die durchgelassene Lichtintensität schließlich im Rauschen untergeht, ist am unteren Ende dieses Bereiches die Ände- rung der Durchlässigkeit des Lichts in Abhängigkeit von der Feuchte-Änderung so gering, daß schließlich trotz hoher durchgelassener Lichtintensität die auf den Feuchte-Gehalt zurückzuführende Änderung der Lichtintensität ebenfalls wieder im Rauschen untergeht.
  • Speziell zur Feuchte-Messung an Papier und Papier-ähnlichen Faserstoffen unterhalb eines Flächengewichtes von 60 g/m2 wurden Verfahren mit mehrfachen Lichtstrahl-Durchgängen durch das Meßgut entwickelt. Bekannt sind Anordnungen mit Planspiegeln zu beiden Seiten des Meßgutes (Measurex Infrand Moisture Sensor 2235). Weiter sind Anordnungen mit konzentrischen Kugelspiegeln und seitlicher Detektoranordnung bekannt, wobei lediglich die gestreute Strahlung erfaßt wird (Feuchtigkeitsmeßanordnung von AccuRay, beschrieben in 'Allg.PapierrmdsilP', Apr.11/12-1978, 271-272). Bei dem Verfahren, nach dem die zuletzt angegebene Anordnung arbeitet, wird im wesentlichen die Oberflächen-Feuchte und nicht die eigentlich interessierende Durchschnitts-Feuchte des Meßgutes angezeigt (P.G. Mercer, UAI4 plex schaut,Apr.24/25-1978, 712-717). Bei einer weiteren Anordnung (Measurex, Single-sided infrared Moisture Sensor 2238) sind Strahler und Empfänger auf der gleichen Seite des Meßgutes angeordnet, wobei die rückgestreute Strahlung gemessen wird. Keine der angegebenen Anordnungen läßt sich mit den jeweils benutzten Komponenten in die für größere Flächengewichte des Meßgutes optimale Einfach-Transmissionsanordnung umwandeln. Bei Umstellung des Fertigungsprogrammes einer Papiermaschine auf Sorten mit wesentlich anderem Flächengewicht des Meßgutes ist daher eine kostspielige und zeitraubende Umrüstung der Feuchte-Meßköpfe erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine Bestimmung sowohl sehr großer als auch sehr kleiner Konzentrationen von strahlungsabsorbierenden Stoffen berührungslos und schnell mit ein und denselben Feuchte-Meßköpfen durchgeführt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Mit einer solchen optischen Meßeinrichtung kann die Feuchte sowohl an dicken, kartonähnlichen Papieren als auch an sehr dünnen "tissue"-Papiersorten berilhrungslos und schnell gemessen werden.
  • Damit die optische Achse des in den Empfänger-Meßkopf eintretenden Strahlenganges parallel zur optischen Achse des aus dem Strahler-Meßkopf austretenden Strahlenganges verläuft, bildet jede der Reflexionseinrichtungen je einen Bereich des Meßgutes, welcher åe um ein ungeradzahliges ganzzahliges Vielfaches des Abstandes a, also (2wn-1)a, vom auf den zugehörigen Meßkopf bezogenen Meßfleck entfernt ist, auf je einen um den Abstand (2'nu) in gleicher Richtung versetzten Bereich des Meßgutes ab, wobei die Richtungen der Bildversetzungen von zu verschiedenen Meßköpfen gehörenden Aeflexionseinrichtungen entgegengesetzt sind.
  • Damit die Winkel der optischen Achsen für die aufeinander abzubildenden Bereiche gleich sind, weisen die Reflexionseinrichtungen gleiche Brennweiten auf.
  • Vorteilhafterweise stehen die optischen Achsen des aus dem Strahler-Meßkopf austretenden und des in den Emp- fänger-Meßkopf eintretenden Strahlenganges senkrecht auf der Meßebene.
  • Werden Strahler- und Empfänger-Meßkopf zu beiden Seiten des Meßgutes derart angeordnet, daß ihre optischen Achsen für Ein- und Austritt des Strahlenganges aus den Meßköpfen koinzidieren, dann sind die Reflexionseinrichtungen unwirksam, und die optische Meßeinrichtung wirkt als einfache Transmissions-Meßeinrichtung. Werden die beiden Meßköpfe derart seitlich um einen Abstand 2pa verschoben, wobei p eine natürliche Zahl ist, daß die einander entsprechenden gegen den jeweiligen zugehörigen Meßkopf versetzten Bildfelder koinzidieren, dann wirkt die optische Meßeinrichtung als (2.p+1)-Transmissions-MeBeinrichtung. Im Falle der Feuchte-Messung läßt sich damit durch bloße Parallelverschiebung zumindest eines der beiden Meßköpfe in neue, vorjustierte Positionen eine beliebige (2-p+1)-fache Transmission des Meßgutes erzielen, wobei an p nur die Bedingung gestellt ist, daß p kleiner oder gleich n, der Zahl der in jedem der beiden Meßköpfe vorhandenen Reflexionseinrichtungen, ist. Falls in jedem der beiden Meßköpfe z.B. nur eine zusätzliche Reflexionseinrichtung vorhanden ist, läßt sich der Meßbereich einer solchen optischen Meßeinrichtung im Falle der Feuchte-Messung bereits bis auf etwa 12 g/m2 nach unten erweitern. Werden in jeden der beiden Meßköpfe mehr als eine Reflexionseinrichtung eingebaut, so läßt sich dieser Meßbereich nach unten praktisch beliebig erweitern.
  • Die Reflexionseinrichtungen können als Ellipsoid-Spiegel, als sphärischer Spiegel, als Sammellinse mit dahinterliegendem Planspiegel oder auch als rückseitig verspiegelte Sammellinse ausgeführt werden.
  • Bei Umstellung des Fertigungsprogrammes einer Produktionseinrichtung auf ein Meßgut mit wesentlich anderem Flächengewicht wird eine erfindungsgemäße optische Meßeinrichtung vorteilhafterweise durch bloße Verschiebung mindestens eines der beiden Meßköpfe parallel zur Meßebene zwischen vorjustierten Positionen zwischen Einfach- bzw. Mehrfach-Durchstrahlungsbetrieb umgeschaltet.
  • Vorteilhafterweise finden erfindungsgemäße optische Meßeinrichtungen Verwendung für 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 Tergleichswellenlänge, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 28 36 492.3 angegeben ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
  • Fig.1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Meßeinrichtung mit einer zusätzlichen Reflexionseinrichtung in jedem der beiden Meßköpfe, und zwar in Position für Einfach-Durchstrahlung des Meßgutes.
  • E,g.2 zeigt die optische Meßeinrichtung von Fig.1 in Position für Dreifach-Durchstrahlung des Meßgutes.
  • Fig.3 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung für eine optoelektronische Einrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28 36 492.3.
  • Fig.1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Meßeinrichtung mit einem Strahlungsquellen-Meßkopf Q und einem Empfänger-Meßkopf E in Position fUr Einfach-l)urchstrahlung des Meßgutes M. Im Strahlungsquellen-Meßkopf Q ist außer der Lampe L eine einfache Drehfilter-Anordnung F eingezeichnet, wie sie in handelsüblichen Zwei-Wellenlängen-Meßgeräten zur Feuchte-Messung benutzt werden. Die zusätzlichen Reflexionseinrichtungen bestehen im gezeichneten Beispiel in Fig.1 aus den sphärischen Spiegeln SQ und SE. Die Krtimmungsmittelpunkte dieser beiden sphärischen Spiegel liegen in der Ebene des Meßgutes M, wobei sich diese Krümmungsmittelpunkte im Abstand 3/2a von den optischen Achsen entfernt befinden.
  • Der Strahlungsquellen-Meßkopf Q und der Empfänger-Meßkopf E sind so gegeneinander justiert, daß ihre optischen Achsen für Strahlungs-Austritt bzw. Strahlungs-Eintritt koinzidieren. In dieser Lage sind die zusätzlichen Reflexionseinrichtungen, in diesem Falle die sphärischen Spiegel SQ und SE, unwirksam.
  • Fig.2 zeigt dieselbe optische Meßeinrichtung wie Fig.1, wobei jedoch der Empfänger-Meßkopf E gegenüber der in Fig.1 gezeigten Anordnung um die Strecke 2-a nach links verschoben ist. Die vom Strahlungsquellen-Meßkopf Q emittierte Strahlung muß dreimal die Ebene des Meßgutes M durchqueren, ehe sie auf den Detektor des Empfänger-Meßkopfes E gelangt. Die sphärischen Spiegel SE und erzeugen dabei je ein neues Bild der Strahlungsquelle in der Ebene des Meßgutes M.
  • Würden in jedem der beiden Meßköpfe der in Fig.1 und Fig.2 dargestellten optischen Meßeinrichtung n sphärische Spiegel als zusätzliche Reflexionseinrichtungen starr angebracht, so würden die Krümmungsmittelpunkte dieser n sphärischen Spiegel in der Ebene des Meßgutes M in erfindungsgemäßer Weise im Abstand (2*n-1/2)a von den optischen Achsen für Strahlungs-Austritt bzw. Strahlungs-Eintritt in die zugehörigen Meßköpfe entfernt liegen.
  • Fig.3 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung für umschaltbare Einfach- und Dreifach-Durchstrahlung eines Meßgutes M für eine optoelektronische Einrichtung zur Messung der Konzentration einer Meßsubstanz gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28 36 492.3. Die in Fig.3 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der der genannten Anmeldeschrift entnommenen Anordnung lediglich durch ein breiteres Fenster und durch den nach der in den Fig.1 und 2 genannten Vorschrift eingesetzten sphärischen Spiegel SQ.
  • Entsprechend der erfindungsgemäßen Erweiterung eines Strahlungsquellen-Meßkopfes Q, wie er in Fig.1 der deutschen Patentanmeldung 28 36 492.3 beschrieben worden ist, muß auch der korrespondierende Empfänger-Meßkopf ein breiteres Fenster und einen sphärischen Spiegel SE erhalten, wobei dieser sphärische Spiegel SE entsprechend der in Fig.1 und Fig.2 angegebenen Vorschrift angebracht ist. Weitere Einzelheiten betreffend eine Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung für eine optoelektronische Einrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 28 36 492.3 können der Veröffentlichung "A Novel Technique for Infrared Moisture Measurement in Paper Ills", Siemens-Forschungs- und Entwicklungsberichte Bd.9 (1980), Nr.2, 105-110, entnommen werden. Die obengenannte deutsche Patentanmeldung ist als deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 28 36 492 vereffe-ntlicht.
  • 9 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (9)

  1. Patentansprüche: y. Optische Meßeinrichtung mit einem Strahlungsquellen-Meßkopf und einem Empfänger-Meßkopf, mit welcher ein Meßgut in einer Meßebene durchstrahlt werden kann, g e -k e n n z e i c h n e t durch n Reflexionseinrichtungen in jedem der beiden Meßköpfe, wobei n eine natürliche Zahl ist, wobei mindestens einer der beiden Meßköpfe zwischen mehreren vorjustierten Positionen verschiebbar ist, wobei die jeweilige vorjustierte Position die Anzahl der Durchstrahlungen des Meßgutes festlegt.
  2. 2. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verschiebung mindestens eines der beiden Meßköpfe parallel zur Meßebene erfolgt.
  3. 3. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß åede der Reflexionselnrichtungen je einen Bereich des Meßgutes, welcher je um ein ungeradzahliges ganzzahliges Vielfaches des Abstandes a, also (2jn-1)a, vom auf den zugehörigen Meßkopf bezogenen Meßfleck entfernt ist, auf äe einen um den Abstand (2na) in gleicher Richtung versetzten Bereich des Meßgutes abbilden, wobei die Richtungen der Bildversetzungen von zu verschiedenen Meßköpfen gehörenden Reflexionseinrichtungen entgegengesetzt sind.
  4. 4. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brennweiten der Reflexionseinrichtungen gleich sind.
  5. 5. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die optische Achse des aus dem Strahler-Meßkopf austretenden bzw. des in den Empfänger-Meßkopf eintretenden Strahlenganges senkrecht auf der Meßebene steht.
  6. 6. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e k e n n z ei c h n e t , daß die optischen Achsen des aus dem Strahler-Meßkopf austretenden und des in den EmpSänger-MeEkopf eintretenden Strahlenganges zusammenfallen oder einen Abstand von 2pa aufweisen, wobei p eine natürliche Zahl ist.
  7. 7. Optische Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Reflexionseinrichtungen als Ellipsoid-Spiegel oder als sphärische Spiegel oder als Sammellinse mit dahinterliegenden Planspiegeln oder als rückseitig verspiegelte Sammellinse ausgeführt sind.
  8. 8. Verfahren zum Betrieb einer optischen Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß durch bloße Verschiebung mindestens eines der Meßköpfe parallel zur Meßebene zwischen vorjustierten Positionen zwischen Einfach- bzw. Mehrfach-Durchstrahlungen umgeschaltet wird.
  9. 9. Verwendung einer optischen Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8 für 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 nach der deutschen Patentanmeldung 28 36 492.3.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2028573A1 (de) * 1969-06-11 1971-03-04 Cary Instruments Lichtzelle mit mehrfachem Strahlen
DE1598089A1 (de) * 1965-03-01 1972-02-24 Beckman Instruments Inc Optisches Analysegeraet

Patent Citations (2)

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