DE3149869C2 - - Google Patents
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Description
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 (λM) und einer Referenzwellenlänge (λR) zeitlich hintereinander auf einen Detektor fallen.The invention relates to a device for determining the moisture of a sample, in particular a paper or film web, by means of two infrared rays directed at the same point on the sample surface and weakened and partially remitted there, each in the form of a periodically pulsed beam with a Measuring wavelength (λ M ) and a reference wavelength (λ R ) fall on one detector in time.
Bei der industriellen Herstellung von Papier und papierähnlichen Produkten wird eine schnell an sprechende, hinreichend selektiv und einfach ar beitende Vorrichtung zur Messung der Feuchte benötigt. 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, ent scheidend. Bei der Bestimmung der Feuchte industrieller Produkte mit Hilfe von Infrarot-Strahlung wird bekannt lich der Effekt ausgenutzt, daß Wasser Absorptions banden im Infrarotbereich aufweist. Dies sind schmale Wellenlängenbereiche, in denen das Absorptionsver mögen der betreffenden Verbindung sehr viel höher ist als bei benachbarten Wellenlängen. In the industrial production of paper and paper-like products will quickly become a speaking, sufficiently selective and simple ar processing device needed to measure the moisture. The accuracy and speed of the Moisture measurement for both the quality of the product, as well as the cost of the drying process, which determines the total manufacturing costs outgoing. When determining the humidity industrial Products with the help of infrared radiation are known Lich exploited the effect that water absorption bands in the infrared range. These are narrow Wavelength ranges in which the Absorptionsver like the connection in question is much higher than at neighboring wavelengths.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 16 386 ist eine Anord nung zur Messung der Lichtabsorption bekannt, bei der als Lichtquelle zum Messen der Lichtabsorption mehrere in unter schiedlichen Wellenlängenbereichen emittierende Leuchtdioden vorgeschlagen werden. Dabei soll die Form des Lichtstrahls durch die Anzahl und/oder Form oder Anordnung mehrerer licht emittierender Halbleiter bestimmt werden. Diese Anordnung kann zum Messen der Lichtabsorption durch Transmission oder Re flexion dienen, wobei als Lichtempfänger beispielsweise Foto zellen oder Sekundärelektronenvervielfacher vorgesehen sind.From the German laid-open specification 21 16 386 is an arrangement known for measuring the light absorption, in which as Light source for measuring light absorption several in below light emitting diodes emitting different wavelength ranges be proposed. The shape of the light beam should be by the number and / or shape or arrangement of several light emitting semiconductor can be determined. This arrangement can for measuring light absorption by transmission or Re serve flexion, with photo as a light receiver cells or secondary electron multipliers are provided.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 25 319 ist weiterhin ein optischer Strahlungsanalysator bekannt, bei dem zur Messung der Konzentration einer Verunreinigung in einer gasförmigen Probe zwei Lumineszenzdioden vorgesehen sind, die in unter schiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Zur Messung einer CO2-Verunreinigung sind Dioden auf der Basis von InAs1-xSbx vorgesehen, deren Emission im Infrarotbereich jedoch außerhalb des für die Messung des Feuchtegehaltes einer Probe geeigneten Wellenlängenbereiches liegt.From the German laid-open specification 22 25 319 an optical radiation analyzer is also known, in which two luminescent diodes are provided for measuring the concentration of an impurity in a gaseous sample, which emit in different wavelength ranges. To measure a CO 2 contamination, diodes based on InAs 1-x Sb x are provided, but their emission in the infrared range lies outside the wavelength range suitable for measuring the moisture content of a sample.
In der deutschen Auslegeschrift 15 98 467 ist ein Gerät zur Messung der Feuchte in bewegten Meßgutbahnen offenbart, das ebenfalls nach einem Zweiwellenlängen-Meßprinzip arbeitet. Das Gerät enthält eine breitbandige Lichtquelle, aus der mit Hilfe einer rotierenden Filterscheibe ein Meß- und ein Referenzstrahl aus jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgewählt wird. Meß- und Referenzstrahlen durchqueren die Meßgutbahn oder werden an dieser reflektiert und werden von einem Detektor in elektrische Signale umgewandelt.In the German Auslegeschrift 15 98 467 a device for Measurement of the moisture in moving material tracks reveals that also works on a two-wavelength measuring principle. The Device contains a broadband light source from which with the help a measuring and a reference beam in a rotating filter disc selected from different wavelength ranges becomes. Measuring and reference beams cross the material path or are reflected on this and are reflected by a detector electrical signals converted.
Aus der deutschen Auslegeschrift 13 03 819 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von dünnen, flächenhaften Materia lien bekannt, die nach dem Zweiwellenlängen-Meßverfahren ar beitet, bei dem außer Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem Wassergehalt besonders stark absorbiert wird, der sogenannten Meßwellenlänge λM, noch zusätzlich eine Infrarot- Strahlung mit einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt, nämlich die sogenannte Referenzwellenlänge λR. Das Licht einer strichförmigen Licht quelle wird mittels einer Optik auf eine rotierende Scheibe, die in einzelnen Sektoren abwechselnd mit Spiegeln und Öffnun gen und dazwischen mit je einem undurchlässigen Steg versehen ist, radial zu deren Achse versetzt abgebildet. Die durchtre tende 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 vondort zum Detektor. Das Verhältnis der abwechselnd vom Detektor für die Meßwellenlänge λM und die Re ferenzwellenlänge λR erzeugten Signalgrößen wird als Maß für die Feuchte verwendet.From the German patent specification 13 03 819 a device for determining the moisture of thin, flat materials is known, which works according to the two-wavelength measurement method, in which, apart from infrared radiation with a wavelength that is particularly strongly absorbed by the water content, the so-called measuring wavelength λ M , an infrared radiation with a wavelength that lies outside the absorption band of water is used, namely the so-called reference wavelength λ R. The light from a line-shaped light source is imaged radially to its axis by means of optics on a rotating disc, which is alternately provided with mirrors and openings in individual sectors and each with an impermeable web. The penetrating and reflected radiation passes through mirrors and two built-in filters with a wavelength transmittance for the measuring and reference wavelength to the same point on the sample surface and from there to the detector. The ratio of the signal quantities alternately generated by the detector for the measuring wavelength λ M and the reference wavelength λ R is used as a measure of the moisture.
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 wer den. Außerdem soll eine einfache elektronische Anpassung an unterschiedliche Flächengewichte des Meßgutes ermöglicht werden. The invention is based on the object, the structure of the Radiation source should be simplified considerably, in particular the radiation source become smaller and lighter and thereby the use of several measuring systems in line form enables who the. It also aims to provide a simple electronic adjustment allows different basis weights of the material to be measured will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode für die Meßstrahlung wird erreicht, daß diese Lumineszenzdiode eine Meßwellenlänge λM ausstrahlt, bei der Wasser eine Absorptionsbande auf weist. Außerdem wird durch diese Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Überganges der Lumineszenzdiode für die Referenzstrahlung erreicht, daß diese zweite Lumineszenzdiode eine Referenzwellenlänge λR aus strahlt, 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 Meßwellenlänge λM und der Referenzwellenlänge λR wechselnde Emission. Die Frequenz für den Wellen längenwechsel bei diesem Betrieb der beiden Lumineszenz dioden ist klein gegenüber der Grenzfrequenz des Detektors. Um thermische Überlastung der Lumineszenz dioden zu vermeiden, können diese unabhängig von der den Wellenlängenwechsel bestimmenden Frequenz in bekannter Weise mit einer hochfrequenten Impuls folge betrieben werden. Durch voneinander unabhängige Einstellung der Stromamplituden für die beiden Lumineszenzdioden können die bei der Meßwellenlänge λM und der Referenzwellenlänge λR emittierten Strah lungsleistungen unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch läßt sich die Emission rein elek tronisch 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. The arsenic concentration y in the region of the pn junction of the luminescent diode for the measuring radiation ensures that this luminescent diode emits a measuring wavelength λ M at which water has an absorption band. In addition, this arsenic concentration y in the region of the pn junction of the luminescence diode for the reference radiation ensures that this second luminescence diode emits a reference wavelength λ R which lies outside the absorption band of the water. Since the two wavelength bands are generated by the emission of two light-emitting diodes, a periodic change in the emission wavelength can be generated by alternately pulsing the current supply. By interposing current pauses for both luminescent diodes together, a chopped and alternating between the measuring wavelength λ M and the reference wavelength λ R is obtained in a purely electronic manner. The frequency for the wavelength change in this operation of the two luminescent diodes is small compared to the cutoff frequency of the detector. In order to avoid thermal overloading of the luminescence diodes, they can be operated in a known manner with a high-frequency pulse sequence regardless of the frequency that determines the wavelength change. By independently adjusting the current amplitudes for the two luminescent diodes, the radiation powers emitted at the measuring wavelength λ M and the reference wavelength λ R can be set independently of one another. As a result, the emission can be adjusted purely electronically both to a specific sample and 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 Zeilen form ermöglicht.In a preferred embodiment, the two are Luminescent diodes next to each other on one common electrode mounted on a Peltier cooler and combined into a single component. Thereby you get a simple structure of the radiation source, the use of several such systems in rows form enables.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen. In diesem Fall muß zu nächst die Diode für die Meßwellenlänge λM auf dem Basiskristall aufgewachsen werden, darüber dann die Diode für die Referenzwellenlänge λR, so daß jeweils längerwellige Strahlung Kristallmaterial mit einer weiter im Kurzwelligen liegenden Absorptionskante durchqueren kann.In an advantageous embodiment, the two luminescent diodes are grown one above the other on a common base crystal. In this case, the diode for the measurement wavelength λ M must first be grown on the base crystal, then the diode for the reference wavelength λ R , so that longer-wave radiation can traverse crystal material with an absorption edge that is further in the short-wave range.
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 special embodiment, the two are Luminescent diodes together with a lead sulfide Detector mounted on a Peltier cooler and closed united one component. This gives you one particularly simple remission moisture measurement arrangement.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Be zug 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 Be taken in which an embodiment of a Device for measuring the moisture of a sample is illustrated schematically according to the invention.
Fig. 1 zeigt ein integriertes Bauelement. In Fig. 1 shows an integrated device. In
Fig. 2 ist ein Meßkopf zur Feuchtemessung darge stellt und in Fig. 2 is a measuring head for moisture measurement Darge and in
Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßkopfes zur Feuchtemessung veranschaulicht. Fig. 3 illustrates a preferred embodiment of a measuring head for moisture measurement.
In Fig. 1 ist ein integriertes Bauelement 2 darge stellt, das sowohl zwei Lumineszenzdioden 4 und 6, die auf einem Peltier-Kühler 10 angeordnet sind, als auch zwei Detektoren enthält, die vorzugsweise Blei sulfid-Detektoren sein können und als PbS-Detektoren bezeichnet werden und deren PbS-Detektoren mit 8 be zeichnet sind. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 sind dicht nebeneinander auf einer gemeinsamen Elek trode 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 Strah lungsanteil direkt auf die beiden benachbarten PbS- Detektorflächen 8 fällt.In Fig. 1, an integrated component 2 is Darge, which contains two luminescent 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 referred to as PbS detectors are and their PbS detectors are marked with 8 be. The two luminescent diodes 4, 6 are arranged close together on a common electrode 12 . The two luminescent diodes 4, 6 are enclosed by a frame 14 , which serves as a diffuse shield and heat conductor. The frame 14 is intended to prevent an impermissibly large radiation component from falling directly onto the two adjacent PbS detector surfaces 8 .
Die beiden PbS-Detektorflächen 8 sind dicht neben der Elektrode 12 und innerhalb eines konzentrischen Kreises von beispielsweise 5 mm Durchmesser ange ordnet. Dadurch genügt eine geringe Unschärfe der Autokollimationsabbildung zur Ausleuchtung des aus der Parallelschaltung der PbS-Detektorflächen 8 ge bildeten Detektors.The two PbS detector surfaces 8 are arranged close to the electrode 12 and within a concentric circle of, for example, 5 mm in diameter. As a result, a slight blurring of the autocollimation image is sufficient to illuminate 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 Re produzierbarkeit auch verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe. Die dadurch er reichte geringe Baugröße des Meßkopfes ermöglicht den Einsatz in Zeilenanordnung.With the aid of this integrated component 2 , a device for determining the moisture content of a sample is obtained which is considerably simplified and whose reproducibility is also improved. The resulting small size of the measuring head enables use in a row arrangement.
In Fig. 2 ist ein gemeinsames Gehäuse 16 des Meß kopfes 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 λM und λR gemeinsam mit einem Peltier- Kühler in einem Bauelement vereinigt, das einen Doppel strahler 24 bildet. Die von den Lumineszenzdioden ab wechselnd emittierte Strahlung wird über einen teil durchlässig verspiegelten Strahlungsteiler 26, bei spielsweise 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 rück gestreute Strahlung wird mit der gleichen Optik in Autokollimation auf dem PbS-Detektor 34 abgebildet, wobei die vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teil intensität genutzt wird.In Fig. 2, a common housing 16 of the measuring head 18 is divided into two rooms. The electronics (not shown in the figure) are arranged in the room 20 and the optics are arranged in the room 22 . The two luminescent diodes are combined for emission in the wavelength ranges λ M and λ R together with a Peltier cooler in a component that forms a double radiator 24 . The radiation emitted alternately by the luminescent diodes is deflected via a partially transmissive mirrored radiation splitter 26 , for example an evaporated glass plate. The radiation passes through a filter 28 serving as external light protection and is focused on the measuring surface 32 with a condenser lens 30 . The radiation backscattered from the material to be measured is imaged with the same optics in autocollimation on the PbS detector 34 , the intensity passed by the radiation divider 26 being used.
Ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Strah lungsteiler-Spiegelfläche außerhalb der begrenzten elliptischen Fläche mit einer undurchlässigen, vor zugsweise schwarzen Schicht 36 bedeckt, so wirkt der Strahlungsteiler 26 zugleich als Streulichtfilter. 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 her rührende Bestrahlung des PbS-Detektors 34. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenz wellenlänge λR undurchlässigen Material her, bei spielsweise aus Silizium, so übernimmt die Kondensor linse 30 zugleich die Funktion des Filters 28. Der Filter 28 wird nur dann benötigt, wenn die Kondensor linse 30 aus Glas besteht.If, in a preferred embodiment, the radiation splitter mirror surface outside the limited elliptical surface is covered with an opaque, preferably black, layer 36 , the radiation splitter 26 also acts as a scattered light filter. An additional blackened absorber plate 38 , which is arranged opposite the double radiator 24 , also absorbs the partial intensity coming from the two luminescence diodes and transmitted through the radiation splitter 26 and prevents direct radiation of the PbS detector 34 that does not originate from the measured material. If the condenser lens 30 is made of a material that is opaque below the reference wavelength λ R , for example made of silicon, the condenser lens 30 also takes over 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 × 90 mm × 42 mm.This design gives a small and light measuring head 18 which is simplified for the alternating emission of the two wavelength bands. From the measurement of the measuring head is, for example, 150 mm × 90 mm × 42 mm.
Mit der Ausführungsform nach Fig. 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 Strah lung gelangt über die Kondensorlinse 30 und ein Siliziumfenster 40, das als Fremdlichtfilter dient, auf die Meßoberfläche 32. Die vom Meßgut rückgestreute Strahlung erleuchtet durch die gleiche Optik die beiden PbS-Detektorflächen des integrierten Bauelements 2 aus. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge λR undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so kann die Kondensorlinse 30 zugleich als Fremdlichtfilter dienen.With the embodiment according to FIG. 3, a simple construction of the device is obtained in that the double radiator 24 is combined with the PbS detector 34 in the integrated component 2 . The radiation emitted alternately by the luminescent diodes reaches the measuring surface 32 via the condenser lens 30 and a silicon window 40 , which serves as an external light filter. The radiation backscattered from the material to be measured illuminates the two PbS detector surfaces of the integrated component 2 through the same optics. If the condenser lens 30 is made from a material which is opaque below the reference wavelength λ R , for example silicon, the condenser lens 30 can also serve as an external light filter.
Claims (20)
- a) einer Einrichtung zum Richten gepulster Infrarotstrahlung abwechselnd it einer Meßwellenlänge (λM) in einem Absorp tionsmaximum und einer Referenzwellenlänge (λR) in einem Absorptionsminimum auf die gleiche Stelle der Probe,
- b) einer Einrichtung zum Detektieren der remittierten Strah lungspulse und
- c) einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung,
- a) a device for directing pulsed infrared radiation alternating with a measuring wavelength (λ M ) in an absorption maximum and a reference wavelength (λ R ) in an absorption minimum at the same point on the sample,
- b) a device for detecting the remitted radiation pulses and
- c) a downstream evaluation device,
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Also Published As
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| DE3149869A1 (en) | 1983-06-23 |
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