DE3149869A1 - Device for rapidly determining the moisture content of a sample with the aid of infrared luminescence diodes - Google Patents
Device for rapidly determining the moisture content of a sample with the aid of infrared luminescence diodesInfo
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Abstract
Description
Vorrichtung zur schnellen Bestimmung der FeuchteDevice for quick determination of humidity
einer Probe mit Hilfe von Infrarot-Lumineszenzdioden Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe, insbesondere einer Papier- oder Folienbahn, mittels zweier auf die gleiche Stelle der Probenoberfläche gerichteter und dort geschwächter und teilweise remittierter Infrarot-Strahlen,die jeweils in Form eines periodisch gepulsten Strahls mit einer Meßwellenlänge (; M) und einer Referenzwellenlänge ( R) zeitlich hintereinander auf einen Detektor fallen.a sample with the aid of infrared light-emitting diodes. The invention relates to a device for determining the moisture content of a sample, in particular a paper or film web, by means of two on the same point on the sample surface directed and weakened and partially remitted infrared rays that each in the form of a periodically pulsed beam with a measuring wavelength (; M) and a reference wavelength (R) fall one behind the other on a detector.
Bei der industriellen Herstellung von Papier und papierähnlichen Produkten wird eine schnell ansprechende, hinreichend selektiv und einfach arbeitende Vorrichtung zur Messung der Feuchte benötigt.In the industrial manufacture of paper and paper-like products becomes a responsive, sufficiently selective and simply working device needed to measure the humidity.
Dabei sind die Genauigkeit und Schnelligkeit der Feuchtemessung sowohl für die Qualität des Produktes, als auch für die Kosten des Trocknungsprozesses, welcher die Gesamtherstellungskosten bestimmt, entscheidend. Bei der Bestimmung der Feuchte industrieller Produkte mit Hilfe von Infrarot-8trahlung wird bekanntlicht der Effekt ausgenutzt, daß Wasser Absorptionsbanden im Infrarotbereich aufweist. Dies sind schmale Wellenlängenbereiche, in denen das Absorptionsvermögen der betreffenden Verbindung sehr viel höher ist als bei benachbarten Wellenlängen.The accuracy and speed of the moisture measurement are both for the quality of the product as well as for the costs of the drying process, which determines the total production costs, is decisive. In determining the humidity of industrial products with the help of infrared radiation is well known exploited the effect that water has absorption bands in the infrared range. These are narrow wavelength ranges in which the absorptivity of the relevant Connection is much higher than at neighboring wavelengths.
Es ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von dünnen, flächenhaften Materialien bekannt, die nach dem Zweiwellenlängen-Meßverfahren arbeitet, bei dem außer Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem Wassergehalt besonders stark absorbiert wird, der sogenannten Meßwellenlänge, noch zusätzlich eine Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt, nämlich die sogenannte Referenzwellenlänge XR. Das Licht einer strichförmigen Lichtquelle wird mittels einer Optik auf eine rotierende Scheibe, die in einzelnen Sektoren abwechselnd mit Spiegeln und Öffnungen und dazwischen mit je einem undurchlässigen Steg versehen ist, radial zu deren Achse versetzt abgebildet.It is a device for determining the moisture content of thin, planar Materials known that works according to the two-wavelength measurement method in which except infrared radiation with a wavelength that depends on the water content in particular is strongly absorbed, the so-called measuring wavelength, an additional infrared radiation with a wavelength that is outside the absorption band of water lies, namely the so-called reference wavelength XR. The light of a line-shaped Light source is by means of optics on a rotating disk, which in individual Sectors alternating with mirrors and openings and with one opaque in between Web is provided, shown offset radially to the axis thereof.
Die durchtretende und reflektierte Strahlung gelangt über Spiegel und zwei festeingebaute Filter mit einer Wellenlängendurchlässigkeit für die Meß-und Referenzwellenlänge auf die gleiche Stelle der Probenoberfläche und von dort zum Detektor. Das Verhältnis der abwechselnd vom Detektor für die Meßwellenlänge; M und die Referenzwellenlänge 2 R erzeugten Signalgrößen wird als Maß für die Feuchte verwendet (deutsche Auslegeschrift 1 303 819).The transmitted and reflected radiation reaches mirrors and two built-in filters with a wavelength permeability for measuring and Reference wavelength to the same point on the sample surface and from there to Detector. The ratio of the alternate from the detector for the measurement wavelength; M. and the reference wavelength 2 R generated signal quantities is used as a measure of the moisture used (German Auslegeschrift 1 303 819).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der Strahlungsquelle erheblich zu vereinfachen, insbesondere soll die Strahlungsquelle kleiner und leichter werden und dadurch der Einsatz mehrerer Meßsysteme in Zeilenform ermöglicht werden. Außerdem soll eine einfache elektronische Anpassung an unterschiedliche Flächengewichte des Meßgutes ermöglicht werden.The invention is now based on the object of the structure of the radiation source to simplify considerably, in particular the radiation source should be smaller and lighter and thereby the use of several measuring systems in line form are made possible. In addition, a simple electronic adaptation to different weights per unit area should be possible of the material to be measured are made possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Ubergangs der Lumineszenzdiode für die Meßstrahlung wird erreicht, daß diese Lumineszenzdiode eine Meßwellenlänge > M ausstrahlt, bei der Wasser eine Absorptionsbande aufweist. Außerdem wird durch diese Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Uberganges der Lumineszenzdiode für die Referenzatrahlung erreicht, daß diese zweite Lumineszenzdiode eine Referenzwellenlänge 9 ausstrahlt, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt. Da die beiden Wellenlängenbänder durch die Emission zweier Lumineszenzdioden erzeugt werden, kann man durch abwechselndes Pulsen der Stromzufuhr einen periodischen Wechsel der Emissionswellenlänge erzeugen. Durch dazwischengelegte Strompausen für beide Lumineszenzdioden gemeinsam erhält man in rein elektronischer Weise eine gechoppte und zwischen der MeßwellenlEnge um und der Referenzwellenlänge \ wechselnde Emission. Die Frequenz für den Wellenlängenwechsel bei diesem Betrieb der beiden Lumineszenzdioden ist klein gegenüber der Grenzfrequenz des Detektors.Ut thermische Uberlastung der Lumineszenzdioden zu vermeiden, können diese unahhängig von der den Wellenlängenwechsel bestimmenden Frequenz in bekannter Weise mit einer hochfrequenten Impulsfolge betrieben werden. Durch voneinander unabhängige Einstellung der Stromamplituden für die beiden Lumineszenzdioden können die bei der Meßwellenlänge 2M und der Referenzwellenlänge #R emittierten Strahlungsleistungen unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch läßt sich die Emission rein elektronisch sowohl an eine bestimmte Probe, als auch an ein bestimmtes Flächengewicht anpassen.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. Due to the arsenic concentration y in the area of the pn junction the light emitting diode for the measurement radiation is achieved that this light emitting diode emits a measurement wavelength> M, at which water has an absorption band. In addition, due to this arsenic concentration y in the area of the pn junction the Light-emitting diode for the reference radiation achieves that this second light-emitting diode emits a reference wavelength 9 which is outside the absorption band of water lies. Since the two wavelength bands are caused by the emission of two light emitting diodes can be generated by alternately pulsing the power supply a periodic Generate change of emission wavelength. Intermediate power breaks for Both luminescent diodes together give a chopped one in a purely electronic manner and between the measurement wavelength and the reference wavelength \ changing emission. The frequency for the wavelength change during this operation of the two light-emitting diodes is small compared to the cut-off frequency of the detector.Ut thermal overload of the To avoid luminescence diodes, these can be used independently of the change in wavelength determining frequency operated in a known manner with a high-frequency pulse train will. By setting the current amplitudes for the two independently of one another Luminescence diodes can be used at the measuring wavelength 2M and the reference wavelength #R emitted radiation powers can be set independently of each other. Through this the emission can be transmitted purely electronically to a specific sample as well adapt to a specific basis weight.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden unmittelbar nebeneinander auf einer gemeinsamen Elektrode auf einem Peltier-Kühler montiert und zu einem einzigen Bauelement vereinigt. Dadurch erhält man einen einfachen Aufbau der Strahlungsquelle, die den Einsatz mehrerer derartiger Systeme in Zeilenform ermöglicht.In a preferred embodiment, the two are luminescent diodes directly next to each other on a common electrode on a Peltier cooler assembled and combined into a single component. This gives you a simple one Structure of the radiation source, which allows the use of several such systems in line form enables.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen. In diesem Fall muß zunächst die Diode für die Meßwellenlänge N auf dem Basiskristall aufgewachsen werden, darüber dann die Diode für die Referenzwellenlänge 4 , so daß jeweils längerwellige Strahlung Kristallmaterial mit einer weiter im Kurzwelligen liegenden Absorptionskante durchqueren kann.In an advantageous embodiment, the two luminescence diodes Grown on top of each other on a common base crystal. In this case must first the diode for the measurement wavelength N is grown on the base crystal, over it then the diode for the reference wavelength 4, so that each longer wave Radiation Crystal material with an absorption edge lying further in the short-wave range can traverse.
In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden gemeinsam mit einem Bleisulfid-Detektor auf einen Peltier-Kühler montiert und zu einem Bauelement vereinigt. Dadurch erhält man eine besonders einfache Remissions-Feuchtemeßanordnung.In a particular embodiment, the two are luminescent diodes together with a lead sulfide detector mounted on a Peltier cooler and closed united in one component. This results in a particularly simple remission moisture measuring arrangement.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Feuchte einer Probe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.For further explanation, reference is made to the drawing, in one embodiment of a device for measuring the moisture of a sample is illustrated schematically according to the invention.
Figur 1 zeigt ein integriertes Bauelement. In Figur 2 ist ein Meßkopf zur Feuchtemessung dargestellt und in Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßkopfes zur Feuchtemessung veranschaulicht.Figure 1 shows an integrated component. In Figure 2 is a measuring head shown for moisture measurement and in Figure 3 is a preferred embodiment a measuring head for humidity measurement illustrated.
In Figur 1 ist ein integriertes Bauelement 2 dargestellt, das sowohl zwei Lumineszenzdioden 4 und 6, die auf einem Peltier-Kühler 10 angeordnet sind, als auch zwei Detektoren enthält, die vorzugsweise Bleisulfid-Detektoren sein können und als PbS-Detektoren bezeichnet werden und deren PbS-Detektoren mit 8 bezeichnet sind. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 sind dicht nebeneinander auf einer gemeinsamen Elektrode 12 angeordnet. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 werden von einem Rahmen 14 umschlossen, der als Streulichtschild und Wärmeleiter dient. Der Rahmen 14 soll verhindern, daß ein unzulässig großer Strahlungsanteil direkt auf die beiden benachbarten PbS-Detektorflächen 8 fällt.In Figure 1, an integrated component 2 is shown, which both two luminescence diodes 4 and 6, which are arranged on a Peltier cooler 10, as well as two detectors, which can preferably be lead sulfide detectors and are designated as PbS detectors and their PbS detectors are designated by 8 are. The two luminescent diodes 4, 6 are close to one another on a common Electrode 12 arranged. The two light emitting diodes 4, 6 are surrounded by a frame 14, which serves as a flare shield and heat conductor. The frame 14 is intended prevent an impermissibly large proportion of radiation from directly affecting the two neighboring ones PbS detector surfaces 8 falls.
Die beiden PbS-Detektorflächen 8 sind dicht neben der Elektrode 12 und innerhalb eines konzentrischen Kreises von beispielsweise 5 mm Durchmesser angeordnet. Dadurch genügt eine geringe Unschärfe der Autokollimationsabbildung zur Ausleuchtung des aus der Parallelschaltung der PbS-Detektorflächen 8 gebildeten Detektors.The two PbS detector surfaces 8 are close to the electrode 12 and arranged within a concentric circle of, for example, 5 mm in diameter. As a result, a slight blurring of the autocollimation image is sufficient for illumination of the detector formed from the parallel connection of the PbS detector surfaces 8.
Mit Hilfe dieses integrierten Bauelements 2 erhält man eine wesentlich vereinfachte und in ihrer Reproduzierbarkeit auch verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe. Die dadurch erreichte geringe Baugröße des Meßkopfes ermöglicht den Einsatz in Zeilenanordnung.With the help of this integrated component 2, one obtains a substantial one simplified and reproducibility improved device for determination the moisture content of a sample. The small size of the measuring head achieved in this way makes it possible use in line arrangement.
In Figur 2 ist ein gemeinsames Gehäuse 16 des Meßkopfes 18:in zwei Räume aufgeteilt. Im Raum 20 ist die in der Figur nicht dargestellte Elektronik und im Raum 22 ist die Optik angeordnet. Die beiden Lumineszenzdioden sind zur Emission in den Wellen- längenbereichen ; M und 2 R gemeinsam mit einem Peltier-Kühler in einem Bauelement vereinigt, das einen Doppelstrahler 24 bildet. Die von den Lumineszenzdioden abwechselnd emittierte Strahlung wird über einen teildurchlässig verspiegelten Strahlungsteiler 26, beispielsweise eine bedampfte Glasplatte, abgelenkt. Die Strahlung durchquert ein als Fremdlichtschutz dienendes Filter 28 und wird mit einer Kondensatorlinse 30 auf die Meßoberfläche 32 fokussiert. Die vom Meßgut rückgestreute Strahlung wird mit der gleichen Optik in Autokollimation auf dem PbS-Detektor 34 abgebildet, wobei die vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teilintensität genutzt wird.In Figure 2 is a common housing 16 of the measuring head 18: in two Divided rooms. The electronics, not shown in the figure, are in space 20 and the optics are arranged in space 22. The two light emitting diodes are for emission in the waves length ranges; M and 2 rows together with one Peltier cooler combined in one component that forms a double radiator 24. The radiation emitted alternately by the luminescence diodes becomes partially transparent via a mirrored radiation splitter 26, for example a vapor-coated glass plate, deflected. The radiation passes through a filter 28 serving as protection against external light and is with it a condenser lens 30 focused on the measuring surface 32. The backscattered from the material to be measured Radiation is autocollimated on the PbS detector 34 with the same optics shown, the partial intensity transmitted by the beam splitter 26 being used will.
Ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Strahlungsteiler-Spiegelfläche außerhalb der begrenzten elliptischen Fläche mit einer undurchlässigen, vorzugsweise schwarzen Schicht 36 bedeckt, so wirkt der Strahlungsteiler 26 zugleich als Streulichtfilter.In a preferred embodiment, it is the beam splitter mirror surface outside the limited elliptical area with an impermeable, preferably If the black layer 36 is covered, the radiation splitter 26 also acts as a scattered light filter.
Eine zusätzliche geschwärzte Absorberplatte 38, die gegenüber dem Doppelstrahler 24 angeordnet ist, nimmt außerdem die von den beiden Lumineszenzdioden kommende, vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teilintensität auf und verhindert eine direkte, nicht vom Meßgut herrührende Bestrahlung des PbS-Detektors 34. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge rl- R undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so übernimmt die Kondensorlinse 30 zugleich die Funktion des Filters 28. Der Filter 28 wird nur dann benötigt, wenn die Kondensorlinse 30 aus Glas besteht.An additional blackened absorber plate 38, which is opposite the Double emitter 24 is arranged, also takes the from the two light emitting diodes incoming partial intensity let through by the beam splitter 26 and prevents it direct irradiation of the PbS detector 34 that does not originate from the material to be measured the condenser lens 30 from a below the reference wavelength rl-R opaque Material, for example silicon, is used by the condenser lens 30 at the same time the function of the filter 28. The filter 28 is only required if the condenser lens 30 is made of glass.
Durch diese Gestaltung erhält man einen kleinen und leichten Meßkopf 18, der für die alternierende Emission der beiden Wellenlängenbänder vereinfacht ist. Die Ab- messung des Meßkopfes ist beispielsweise 150 mm x 90 mm x 42 mm.This design results in a small and light measuring head 18, which simplifies the alternating emission of the two wavelength bands is. The Ab- measurement of the measuring head is for example 150 mm x 90mm x 42mm.
Mit der Ausfirungsform nach Figur 3 erhält man einen einfachen Aufbau der Vorrichtung dadurch, daß der Doppelstrahler 24 mit dem PbS-Detektor 34 in dem integrierten Bauelement 2 vereinigt ist. Die von den Lumineszenzdioden alternierend emittierte Strahlung gelangt über die Kondensorlinse 30 und ein Siliziumfenster 40, das als Fremdlichtfilter dient, auf die Meßoberfläche 32. Die vom Meßgut rückgestreute Strahlung leuchtet durch die gleiche Optik die beiden PbS-Detektorflächen des integrierten Bauelements 2 aus. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge B undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so kann die Kondensorlinse 30 zugleich als Fremdlichtfilter dienen.With the embodiment according to FIG. 3, a simple structure is obtained the device in that the double emitter 24 with the PbS detector 34 in the integrated component 2 is combined. The alternating of the light emitting diodes emitted radiation passes through the condenser lens 30 and a silicon window 40, which serves as an extraneous light filter, onto the measurement surface 32. The backscattered from the material to be measured Radiation shines through the same optics the two PbS detector surfaces of the integrated Component 2 from. If one puts the condenser lens 30 from one below the reference wavelength B an impermeable material, for example silicon, so the condenser lens 30 also serve as an extraneous light filter.
19 Patentansprüche 3 Figuren19 claims 3 figures
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