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Optische Meßeinrichtung, Verfahren zu ihrem Betrieb
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und ihre Verwendung.
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Die Erfindung betrifft eine optische Meßeinrichtung mit einem Strahlungsquellen-Meßkopf
und einem Empfänger-Meßkopf, mit welcher ein Meßgut in einer Meßebene durchstrahlt
werden kann.
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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Meßeinrichtung
der eingangs genannten Art gelöst, welche die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 aufweist.
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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.
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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.
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Damit die Winkel der optischen Achsen für die aufeinander abzubildenden
Bereiche gleich sind, weisen die Reflexionseinrichtungen gleiche Brennweiten auf.
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Vorteilhafterweise stehen die optischen Achsen des aus dem Strahler-Meßkopf
austretenden und des in den Emp-
fänger-Meßkopf eintretenden Strahlenganges
senkrecht auf der Meßebene.
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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.
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Die Reflexionseinrichtungen können als Ellipsoid-Spiegel, als sphärischer
Spiegel, als Sammellinse mit dahinterliegendem Planspiegel oder auch als rückseitig
verspiegelte Sammellinse ausgeführt werden.
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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.
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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.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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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.
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E,g.2 zeigt die optische Meßeinrichtung von Fig.1 in Position für
Dreifach-Durchstrahlung des Meßgutes.
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Fig.3 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen optischen Meßeinrichtung
für eine optoelektronische Einrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung P 28
36 492.3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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9 Patentansprüche 3 Figuren