DE3688886T2

DE3688886T2 - Apparat und Methode zur Bestimmung mehrerer Parameter von flächenhaftem Material.

Info

Publication number: DE3688886T2
Application number: DE86118023T
Authority: DE
Inventors: Antonio Khazen; George B Parrent; James P Reilly; Glenn W Zeiders
Original assignee: Hercules LLC
Current assignee: Hercules LLC
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2006-12-24
Also published as: US4789820A; BR8700054A; EP0240610B1; DE3688886D1; AU589729B2; CA1264353A; FI870047A; AU6703386A; EP0240610A2; FI870047A0; EP0240610A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen von Parametern von flächenhaftem Material und insbesondere zum Erfassen von mehreren Parametern von Schichtmaterial, das als eine sich kontinuierlich bewegende Bahn hergestellt wird.
Bei der Herstellung von Materialien ist es oft erwünscht, einen oder mehrere Parameter des herzustellenden Produkts zu überwachen. Bei der Papierherstellung ist es besonders wichtig, konstante Kenntnis der Dicke und des Feuchtigkeitsgehalts der Bahn an der Papierherstell-Maschine zu erhalten. Es ist auch erwünscht, eine kontinuierliche Messung des Grundgewichts des Papiers zu schaffen; d. h. des Gewichts pro Flächeneinheit.
Es sind nach dem Stand der Technik viele Verfahren bekannt, um eine derartige Information zu schaffen. Beispielsweise ist es bekannt, den Feuchtigkeitsgehalt bei einer sich bewegenden Papierbahn durch Mikrowellen-Verfahren zu messen, siehe beispielsweise US-PS 4 484 133. Wie dort beschrieben, kann ein auf den Feuchtigkeitsgehalt bezogenes und mit Mikrowellen-Energie abgeleitetes Signal auf die Dicke des Papiers abgestimmt werden.
Es ist auch nach dem Stand der Technik bekannt, verschiedene Verfahren zum Überwachen der Dicke der Bahn vorzusehen.
Diese Verfahren enthalten die Verwendung von Mikrowellen zum Messen der Dicke einer sich bewegenden Schicht, wie beispielsweise in US-PS 3 737 770 beschrieben. Jedoch ergibt keines der nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren einschließlich der vorerwähnten US-Patente ein zufriedenstellendes Mittel zum gleichzeitigen Erzeugen eines räumlichen Feuchtigkeitsprofils und eines Dickenprofils über die Breite der Bahn. Es ist deswegen wünschenswert, ein solches Simultan-Raumprofil zu schaffen.
Es ist auch nach dem Stand der Technik bekannt, eine Messung des Grundgewichts zu schaffen. Jedoch ergeben die Grundgewichts-Meßverfahren nach dem Stand der Technik kein zufriedenstellendes Mittel zum Erzeugen einer Anzeige eines absoluten Grundgewichts über die Breite der Bahn gleichzeitig mit der Erzeugung eines gleichartigen Bereichs von Messungen für Dicke und Feuchtigkeit. Weiter enthalten die bekannten Verfahren zum Erzeugen von Meßergebnissen für Parameter über die Fläche der Bahn oft komplizierte Abtast-Anordnungen mit sich bewegenden Teilen. Es ist dementsprechend erwünscht, Vorrichtungen und Verfahren zum gleichzeitigen Erzeugen von Raumprofilen von Feuchtigkeit, Dicke und Grundgewicht zu schaffen, welche die Notwendigkeit bewegbarer Bestandteile von Erfassungsvorrichtungen beseitigen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Charakteristiken von Platten- oder Folienmaterial geschaffen mit: einer Strahlungseinrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Bündeln kohärenter elektromagnetischer Strahlung, von denen jedes Bündel eine unterschiedliche Frequenz besitzt und zum Richten der Bündel gegen das Material mit einem entsprechenden Auftreffwinkel. Die Vorrichtung enthält auch eine erste Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen getrennter Reflexions- und Durchlässigkeits-Signale für jedes Bündel proportional zur Intensität jedes Bündels, das von dem Material reflektiert bzw. durch das Material durchgelassen wurde. Schließlich enthält die Vorrichtung eine Verarbeitungseinrichtung zur Erzeugung von Feuchtigkeits- und Dickensignalen, die aus der Vielzahl von Reflexion- und Durchlässigkeit-Signalen errechnet werden. Bei einer bevorzugten Ausführung enthält das Strahlungsmittel eine Vielzahl von Mikrowellen-Oszillatoren, die ein Mikrowellen-Signal mit jeweils einer anderen Frequenz erzeugen. Die Vorrichtung enthält eine Vielzahl von derartigen Strahlungseinrichtungen, die räumlich über die Breite einer sich bewegenden Bahn von flächenhaftem Material verteilt sind. Bei der bevorzugten Ausführung erzeugt die Bearbeitungseinrichtung Verhältniswerte der Reflexion- zu den Durchlässigkeit-Signalen für jede Frequenz und löst eine Reihe von simultanen Gleichungen unter Analyse der aufbauenden und/oder abbauenden Interferenz-Wirkungen der kohärenten Mikrowellen-Strahlung bezüglich des Wassergehalts und des Dikkenverhältnisses der Schicht.
In einer ersten alternativen Ausführung enthält die Vorrichtung zweites Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines Referenzsignals proportional zum Grundgewicht an einer Referenzposition, wobei das Bearbeitungsmittel dann ein Raumprofil des Trockengrundgewichts des Materials erzeugt, errechnet aus dem Referenzsignal und den Feuchtigkeits- und Dicken-Signalen.
Bei einer zweiten und bevorzugten alternativen Ausführung enthält die Vorrichtung Einfallsignal-Erzeugungsmittel zum Erzeugen separater einfallender Signale für jeden Strahl, wobei die einfallenden Signale proportional zur Intensität jedes auf das Material einfallenden Strahles sind. Die Vorrichtung enthält weiter Bearbeitungsmittel zum Erzeugen von Feuchtigkeits-, Dicke- und Grundgewichts-Signalen, die aus der Vielzahl von Einfalls-, Durchlässigkeits- und Reflexions-Signalen errechnet werden. Bei der zweiten alternativen bevorzugten Ausführung enthält die Strahlungseinrichtung eine Vielzahl von Mikrowellen-Oszillatoren, die jeweils ein Mikrowellen-Signal mit unterschiedlicher Frequenz erzeugen.
Die Vorrichtung enthält eine Vielzahl derartiger Strahlungsmittel, die räumlich über die Breite einer sich bewegenden Bahn des flächenhaften Materials verteilt sind, und das Bearbeitungsmittel erzeugt Verhältniswerte von einfallenden zu durchgelassenen Signalen für jede Frequenz und löst eine Reihe von simultanen Gleichungen, welche die aufbauenden (konstruktiven) und/oder abbauenden (destruktiven) Interferenzwirkungen der kohärenten Mikrowellen-Strahlung bezüglich Wassergehalt, Dicke und Grundgewicht des flächenhaften Materials analysieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schaubild, das das Durchlaß- und Reflexionsverhalten eines aufflächenhaftes Material einfallenden Strahls kohärenter Strahlung darstellt;
Fig. 2 ist ein schematisches Schaubild einer bevorzugten Ausführung der Erfindung;
Fig. 3 ist ein schematisches Schaubild einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Erfassungsanordnung, die eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung bildet;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf Reflexion- und Durchlässigkeit-Module der Anordnung aus Fig. 4;
Fig. 6 ist ein schematisches Schaubild, das den Betrieb einer Mikrowellenlinse der Module aus Fig. 5 darstellt;
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm der durch den in Fig. 2 und 3 gezeigten Computer ausgeführten Berechnungen; und
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm ähnlich Fig. 7 für eine alternative Ausführung, bei der das Grundgewicht aus Einfall-, Reflexion- und Durchlässigkeit-Signalen errechnet wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Die vorliegende Erfindung benutzt die Prinzipien der durch Reflexion und Brechung kohärenter Strahlung erzeugten konstruktiven und destruktiven Interferenz (verstärkenden oder abbauenden Interferenz). Eine kurze Diskussion dieser Prinzipien wird deswegen hilfreich sein bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung.
Wenn ein Strahl kohärenter Strahlung wie Mikrowellen-Strahlung auf ein dielektrisches Material von begrenzter Dicke gerichtet wird, treten verschiedene Phänomene auf. Ein Anteil der auffallenden Strahlen wird von der ersten Oberfläche reflektiert und der nichtreflektierte Anteil tritt durch die Oberfläche hindurch und wird teilweise durch das innere Material absorbiert. Der interne Anteil trifft auf die zweite Oberfläche des Dielektrikums auf und wird durch das Material zurück reflektiert. Dieser Vorgang des Durchlassens, der Reflexion und der Absorption wiederholt sich ad infinitum, bis die Mikrowellen-Energie auf Null reduziert ist. Diese Vorgänge treten auf ohne Rücksicht auf den Zustand der einfallenden Strahlung. D.h., ob die Mikrowellen kollimiert oder fokussiert oder diffus sind, es treten die gleichen Phänomene auf. Jedoch ist die Art und Weise, mit der die wiederholt reflektierten oder durchgelassenen Bestandteile miteinander in Wechselwirkung treten, in hohem Maße von dem Zustand der Kohärenz der einfallenden Strahlung abhängig.
Wenn der Strahl nicht diffus ist, sagt man, daß die reflektierten oder durchgelassenen Anteile sich "kohärent addieren". Sowohl konstruktive (verstärkende) als auch destruktive (abschwächende) Interferenz kann stattfinden; d. h. die Komponenten werden entweder phasenrichtig oder mit Fehlphase kombiniert. Auf jeden Fall kombinieren sich die Anteile mit einer festen Phasenbeziehung, die allein durch die Wellenlänge der Mikrowellen, die Dicke, den Brechungsindex und die Geometrie des Dielektrikums bestimmt wird.
Wenn die einfallende Strahlung diffus ist, finden Reflexion und Durchlaß in einem breiten Winkelbereich statt. Das Verhalten der Strahlung hängt in komplizierter Weise nicht nur von der Geometrie des dielektrischen Materials, sondern auch von der detaillierten Beschreibung der Strahlform ab. Wenn ein Mikrowellen-Strahl zum Messen dem Feuchtigkeitsgehalts von z. B. Papier benutzt wird, ist es notwendig, die geometrische Gestaltung der Messung sorgfältig zu analysieren. Jeder durchgelassene Anteil ist durch eine größere Dicke des mit Feuchtigkeit beladenen Materials hindurchgetreten als sein Vorgänger, und für jeden Anteil erscheint das Material dicker als für den vorhergehenden Anteil. Diese Phänomene sind gut bekannt und haben die Auslegung vieler Systeme nach dem Stand der Technik mit Benutzung von Mikrowellenmessung für den Feuchtigkeitsgehalt beeinflußt.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine dielektrische Papierschicht 18 mit der Dicke H mit parallelen Seitenwänden. In allen Figuren der Zeichnungen werden identische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ein kohärenter Strahl der Mikrowellen-Strahlung fällt mit einem Winkel a bezogen auf die Senkrechte ein und ist in Fig. 1 als Einzelstrahl dargestellt. Der Anteil dieses Strahls, der von der Vorderfläche reflektiert wird, ist als Strahl A1 bezeichnet. Der durch das Papier hindurchgelassene und an der anderen Seite austretende Strahl ist mit B1 bezeichnet. Es ist zu bemerken, daß der Strahl B1 einmal durch das Papier hindurchgetreten ist, dar jedoch seine Weglänge durch das Papier nicht gleich H sondern H geteilt durch den Cosinus von a' ist, wobei a' der Winkel ist, den der Strahl B1 mit der Senkrechten bildet, während er durch das Innere der Papierschicht 18 läuft. Der Winkel a' wird durch das Brechungsgesetz (Schnellius'sches Gesetz) bestimmt. Der von der unteren Fläche reflektierte und durch die obere Fläche durchgelassene Anteil des Strahls A wird mit A2 bezeichnet. Man beachte, daß der Strahl A2 zweimal durch das Papier 18 hindurchgetreten ist, so daß er eine Schwächung erlitten hat, die äquivalent dem Durchtritt durch ein Papier mit der doppelten Dicke des Papiers 18 ist. Der Anteil des Strahls A, der von der oberen Fläche reflektiert und durch die untere Fläche durchgelassen wird, wird mit B2 bezeichnet und hat, wie in Fig. 1 zu sehen ist, drei Durchgänge durch das Papier erlitten. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis die durchgelassenen und reflektierten Anteile des Strahls A auf Null reduziert sind.
Aus Fig. 1 ist klar, daß, wenn die gesamte reflektierte Energie mit einem Kollektor gesammelt wird und alle durchgelassene Energie mit einem anderen Kollektor, sowohl die durchgelassene wie die reflektierte Energie komplexe Funktionen der Dicke H des Papiers 18 und des Absorptions-Koeffizienten des Papiers 18 sind. Die Absorption ist eine Funktion des Feuchtigkeitsgehalts im Papier und der dielektrischen Konstanten des trockenen Papiers.
Um ein Mikrowellensystem zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts des Papiers aufzubauen, ist es notwendig, die Dicke in Betracht zu ziehen. Nach dem Stand der Technik war man sich bewußt, daß verschiedene Komponenten vorhanden sind zu Energiemessungen einschließlich der reflektierten, durchgelassenen und absorbierten Komponenten, und Auswirkungen der Mehrfachreflexions-Phänomene. Verfahren nach dem Stand der Technik wurden charakterisiert durch Versuche, entweder die Auswirkungen solcher Phänomene zu minimalisieren oder sie aus zugleichen. Wenn jedoch die Dicke des Papiers sich änderte, entweder willkürlich als Teil des Verfahrens oder von Typ zu Typ durch freie Auswahl, waren die Verfahren nach dem Stand der Technik, die Kompensation und Annahmen der Vereinfachung enthielten, nicht wirksam.
Bei der vorliegenden Erfindung werden keine Versuche gemacht, die Kohärenz-Effekte zu kompensieren, um die Abhängigkeit von der Dicke zu beseitigen. Statt dessen werden derartige Wirkungen ausgenutzt, um gleichzeitig die Dicke und den Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmt, ohne Annahmen über einen Wert dieser beiden Größen zu machen. Diese gleichzeitigen Messungen werden erreicht durch gleichzeitiges Beleuchten des zu messenden Materials mit zwei Strahlen von unterschiedlicher Wellenlänge, so daß sich zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten für jede Stelle ergeben, an der die Durchlässigkeit und die Reflexion gemessen wird. Diese beiden gleichzeitigen oder simultanen Gleichungen werden dann gelöst, so daß man Dicke und Feuchtigkeitsgehalt erhält. Messungen bei einer dritten Wellenlänge können bei bestimmten Anwendungen als eine Überprüfung der Gültigkeit ausgeführt werden.
Die Messungen der reflektierten und der durch das Material durchgelassenen Energie, die analysiert werden müssen, können in ein Verhältnis R/T der reflektierten Leistung zur durchgelassenen Leistung umgeformt werden.
Der Verhältniswert R/T der reflektierten Leistung zur durchgelassenen Leistung reduziert sich auf das Produkt von zwei Funktionen des komplexen Brechungsindex n + ik des feuchten Papiers: eines "Oberflächen"-Faktors S2 und eines "Masse"- oder "Körper"-Faktors sin², wobei:
wobei H = Papierdicke; λ = Wellenlänge; und H und λ die gleichen Einheiten haben.
Es wurde bestimmt, daß für Feuchtigkeitsbereiche von 0,1-1 -60% und Dickenbereiche von 0,001-0,25 das Leistungsverhältnis R/T approximiert werden kann durch:
Papierdicke H und Feuchtigkeitsgehalt M werden so gegeben durch parametrische Lösung der vorstehenden Gleichung nach den zwei Variablen von H und M, wobei M n und k entsprechend der folgenden Beziehungen bestimmt:
n = np (1-M) + nw·M
k = kp (1-M) + kw·M,
wobei np und kp die Real- bzw. Imaginär-Anteile des Brechungsindex des zu messenden trockenen Papiers sind.
Die Werte nw und kw sind der reale und imaginäre Brechungsindex des Wassers und wurden experimentell bestimmt. Sie können angenähert werden durch die nachfolgenden Ausdrücke über den Frequenzbereich von 30-100 GHz (0,3 cm-1,0 cm):
nw = 3,33 λ + 2,667
kw = 4,08 λ - 2,04 λ² + 0,96,
für 0,3 < λ < 1,0 cm.
In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines die Erfindung verkörpernden Systems 10 gezeigt. Ein Paar Oszillatoren 12 und 14 erzeugen elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen f&sub1; bzw. f&sub2;. Die Wellenlänge der höchsten Frequenz sollte mindestens das Vierfache der Dicke des zu analysierenden Materials sein, um Zweideutigkeiten des Ergebnisses zu vermeiden. Bei der bevorzugten Ausführung erzeugen die Oszillatoren 12 und 14 Mikrowellenstrahlung mit den Frequenzen 94 GHz bzw. 47 GHz. Signale von den Oszillatoren 12 und 14 werden einer Sendeantenne 16 zugeführt, die ein Paar Strahlen mit kohärenter Mikrowellenstrahlung erzeugt, die gegen eine Papierschicht 18 in einem Auftreffbereich gerichtet-werden. Die Erfindung enthält so Strahlungsmittel zum Erzeugen einer Vielzahl von Strahlen von kohärenter elektromagnetischer Strahlung, wobei jeder Strahl eine unterschiedliche Frequenz besitzt, und zum Richten der Strahlen gegen Materialschichten in einem Auftreff-Flächenbereich. Wie hier verkörpert, umfaßt die Strahlungseinrichtung oder das Strahlungsmittel Oszillatoren 12 und 14 und eine Antenne 16.
Wie in Fig. 2 gesehen werden kann, wird ein Anteil der durch die Antenne 16 gerichteten Strahlen durch Papier 18 zu einer Reflexions-Empfangsantenne 20 gerichtet. Der erste und der zweite Strahl mit Frequenzen f&sub1; bzw. f&sub2; werden auf erste bzw. zweite Reflexionsdetektoren 22 bzw. 24 gerichtet. Die Detektoren 22 und 24 erzeugen Reflexionssignale als Ausgang, und die Reflexionssignale sind proportional zur Intensität jedes von dem Papier 18 reflektierten Strahls der jeweiligen Frequenzen.
Eine Durchlaß-Empfangsantenne 26 ist unter dem Papier 18 positioniert und sammelt den Anteil des ersten und des zweiten Strahls von der Antenne 16, die durch das Papier 18 hindurchtreten. Die Antenne 26 richtet die durchgelassenen Strahlen mit Frequenzen von f&sub1; und f&sub2; zu den ersten bzw. zweiten Durchlässigkeits-Detektoren 28 bzw. 30. Die Detektoren 28 und 30 erzeugen Durchlässigkeits-Signale, die proportional der Intensität jedes durch das Papier 18 durchgelassenen Strahls sind.
Die Erfindung enthält deshalb eine erste Signalgenerator-Einrichtung zum Erzeugen separater Reflexions- und Durchlässigkeits-Signale für jeden Strahl, wobei die Signale proportional zur Intensität jedes Strahles sind, der von dem zu analysierenden Material reflektiert bzw. durch es durchgelassen wird. Wie hier ausgeführt, umfaßt die erste Signalerzeugungseinrichtung eine Durchlässigkeits-Empfangsantenne 26, erste und zweite Durchlässigkeits-Detektoren 28 bzw. 30, eine Antenne 20, und erste und zweite Reflexions-Detektoren 22 bzw. 24.
Die Reflexions- und die Durchlässigkeits-Signale von den Detektoren 22, 24, 28 und 30 werden einem Signalprozessor 32 zugeführt, der Verhältnissignale Rf1/Tf1 bzw. Rf2/Tf2 erzeugt. Die Verhältnissignale sind Signale mit einem Wert, der proportional dem Verhältnis der Intensitäten der Mikrowellenstrahlung der ersten und der zweiten Frequenz ist, die von dem Papier 18 reflektiert bzw. durch es durchgelassen wird. Die Verhältnissignale werden dann einem Computer 34 zugeleitet, bei dem durch Lösen der Gleichung (4) aus den Verhältnissignalen Feuchtigkeits- und Dickensignale erzeugt werden. Der Computer 34 erzeugt dann Signale, die für den Feuchtigkeitsgehalt und die Dicke repräsentativ sind und führt diese Signale zu einem Anzeigegerät 36.
Verschiedene Ausgestaltungen sind für den Signalprozessor 32, den Computer 34 und das Anzeigegerät 36 möglich. Beispielsweise kann der Signalprozessor 32 eine Vielzahl von Analog/Digital-Wandlern umfassen zum Wandeln der Reflexions- und Durchlässigkeits-Signale von den Detektoren 22, 24, 28 und 30 in Digitalsignale, und einen Mikrocomputer zum Errechnen der digitalen Verhältnissignale R/T. Der Computer 34 kann ein Computer mit mittlerer Bearbeitungsleistung sein wie ein Personalcomputer, z. B. ein IBM-PC. Das Anzeigegerät 36 kann eine Bildschirmanzeige umfassen, bei der Feuchtigkeitsgehalts- und Dickenwerte als alphanumerische Zeichen angezeigt werden. Alternativ kann das Anzeigegerät 36 eine Vielzahl von großen numerischen digitalen Auslesegeräten umfassen. Die Funktionen des Signalprozessors 32 und des Computers 34 können alternativ durch eine Vielzahl von Analog/Digital-Wandlern ausgeführt werden, welche Ausgangssignale direkt zu einem Computer zum Errechnen von Verhältnissignalen und zur Lösung der vorher besprochenen Gleichung (4) zuleiten.
Die Oszillatoren 12 und 14, die Sendeantenne 16, die Reflexions-Empfangsantenne 20 und die Detektoren 22 und 24 bilden zusammen eine Reflektanz-Einheit 38 zur Erzeugung von Reflexionssignalen. Die Durchlässigkeits-Empfangsantenne 26 und die Detektoren 28 und 30 bilden zusammen eine Durchlässigkeits-Einheit zur Erzeugung von Durchlässigkeits-Signalen.
In Fig. 3 ist nun ein Blockschaltbild einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung gezeigt. Wie in Fig. 3 zu sehen, sind eine Vielzahl von Reflexions-Einheiten 38 und Durchlässigkeits-Einheiten 40 an entgegengesetzt liegenden Seiten einer sich bewegenden Papierbahn 18 angeordnet, die an einer Fourdrinier-Papierherstell-Maschine hergestellt wurde und sich in der durch Pfeil 42 bezeichneten Richtung bewegt. Die Reflexions- und Durchlässigkeits-Signale der beiden Frequenzen, die in Fig. 3 durch It bzw. Ir bezeichnet sind, werden Signalprozessoren 32 zugeleitet. Wie in Fig. 3 gezeigt, können verschiedene Einheiten 38 oder 40 zu einem einzigen Signalprozessor 32 verbunden sein. Der Signalprozessor 32 erzeugt Digitalsignale, die für Intensitäten von Mikrowellenstrahlung repräsentativ sind, die von der Papierbahn reflektiert bzw. durch sie durchgelassen wurde bei jeder Frequenz an verschiedenen Positionen quer über die Bahn. Die Intensitätssignale werden dann dem Computer 34 zugeführt, in dem Verhältnissignale R/T errechnet werden. Alternativ kann es bei manchen Anwendungen erwünscht sein, Signalprozessoren 32 an die Ausgänge sowohl einer Reflexions- Einheit 38 als auch einer Durchlässigkeits-Einheit 40 anzuschließen, um R/T-Signale in den Signalprozessoren 32 zu errechnen.
Ebenfalls ist in Fig. 3 ein Grundgewicht-Monitor 44 dargestellt, der ein dem Grundgewicht der sich bewegenden Bahn 18 an einer bezüglich der Kante der Bahn 18 festgelegten Position proportionales Signal erzeugt. Das Ausgangssignal des Grundgewicht-Monitors 44 wird einem zweiten Signalprozessor 46 zugeführt, der ein durch den Monitor 44 erzeugtes Analogsignal in ein Digitalsignal wandelt und entsprechende Skalierfunktionen ausführt, bevor er ein Digitalsignal zum Computer 34 weiterleitet. Der Grundgewicht-Monitor 44 ist in einer bevorzugten Ausführung ein Monitor Typ 1000, der von der Firma Ohmart Corporation im Handel erhältlich ist. Der Monitor Typ 1000 erzeugt einen Strom von Betastrahlung von einer radioaktiven Cäsiumquelle und mißt die durch die sich bewegende Bahn 18 hindurch übertragene Betastrahlung unter Benutzung eines Strahlendetektors, der ein analoges Ausgangssignal proportional zu dem aufgenommenen Elektronenfluß erzeugt. Andere Typen von Grundgewicht-Monitoren können benutzt werden einschließlich beispielsweise einer Kombination aus Elektronenkanone und -Detektor.
Das durch den Signalprozessor 46 bearbeitete Signal vom Monitor 44 wird durch den Computer 34 in ein für das Umgebungsgrundgewicht des feuchten Papiers an einer Referenzposition mit einem Abstand von der Kante der Bahn 18 umgewandelt, der durch die Position des Monitors 44 bezüglich der rechten Kante der Bahn 18 gezeigt ist.
Reflexions- und Durchlässigkeits-Einheiten 38 und 40 erzeugen Intensitätssignale Ir und It, die durch den Computer 34 zur Erzeugung von Verhältnissignalen R/T an einer Vielzahl von Positionen über die Bahn 18 senkrecht zur Richtung des Pfeils 42 benutzt werden. Diese Verhältnissignale für die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; werden benutzt, um Feuchtigkeitsgehalt- und Dickenwerte für die jeweiligen Positionen quer zur Bahn in der vorher beschriebenen Weise zu errechnen. Der Wert des Feuchtigkeitsgehalts der Bahn an der Position des Grundgewicht-Monitors 44 wird mit dem Feucht-Grundgewichtswert kombiniert, der vom Monitor 44 erhalten wurde, und so ein Trokken-Grundgewicht für die Monitorposition nach der folgenden Formel abgeleitet:
Trockengrundgewicht (Monitor) = Umgebungsfeuchtigkeit-Grundgewicht (Monitor) · (1-Feuchtigkeit).
Die Dickenwerte quer zur Bahn können mit dem Trockengrundgewichtswert an der Monitorposition benutzt werden, um ein Raumprofil des Trockengrundgewichts quer zur Bahn zu erhalten.
In Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer 32Position-Erfassungsanordnung 46 gezeigt, die Feuchtigkeits-, Dicken- und Grundgewichts-Profile über die Breite einer durch eine 300 Zoll Fourdrinier-Papierherstell-Maschine ausgegebene Papierbahn 18' erzeugt. Es sind Überdeckungsspalten zwischen den Positionen der Anordnung vorhanden, jedoch wird der größte Teil des Papiers über die Breite der Bahn durch die 32Positionen-Anordnung 46 überwacht, und bei vielen Anwendungen sind derartige Spalten nicht bedeutsam. Bei gewissen Anwendungen kann es erwünscht sein, engere Überdeckungsspalte vorzusehen, und so können mehr Positionen in der Anordnung 46 verwendet werden. Wenn genug Positionen hinzugefügt werden, kann die Überdeckung im wesentlichen kontinuierlich über die Breite der Bahn sein.
Wie in der Fig. 4 ganz rechts gesehen werden kann, sind ein Paar Reflexions-Einheiten 38 an gegenüberliegenden Seiten einer Reflexions-Befestigungstafel 46 angebracht zur Bildung eines Reflexions-Moduls 50. Ein Paar Durchlässigkeits-Einheiten 40 sind an gegenüberliegenden Seiten einer Durchlässigkeits-Befestigungstafel 52 angebracht, um einen Durchlässigkeits-Modul 54 zu bilden. Die Anordnung 46 enthält 16 Reflexions-Module 50, die jeweils in einem Reflexions-Rahmen 56 angebracht sind, der aus einer Vielzahl von horizontalen oberen Reflexions-Stützbalken 58 und unteren Reflexions- Stützbalken 60 gebildet ist. Der Reflexions-Rahmen 56 stützt jeden Reflexions-Modul 50 einander gegenüber ab, d. h. nebeneinander angeordnet in einer horizontalen Ebene.
Die Anordnung 46 enthält auch einen Durchlässigkeits-Rahmen 62, der durch eine Vielzahl von horizontalen oberen Durchlässigkeits-Stützbalken 64 und unteren Durchlässigkeits-Stützbalken 66 gebildet ist. Der Durchlässigkeits-Rahmen 62 stützt die Durchlässigkeits-Module 52 ab, die dicht nebeneinander parallel zur horizontalen Ebene der Reflexions-Module 50 angeordnet sind.
Die Anordnung 46 umfaßt weiter vertikale Stützglieder 68, welche die Durchlässigkeits-Rahmen 62 und Reflexions-Rahmen 56 in einer Weise halten, daß eine längliche Öffnung dazwischen bestimmt wird, durch das die sich bewegende zu analysierende Papierbahn 18' hindurchtritt. Vertikale Stützen 68 stützen so jeden Reflexions-Modul 50 in vertikaler Ausrichtung mit einem entsprechenden Durchlässigkeits-Modul 54 so ab, daß ein miteinander ausgerichtetes Parr aus Reflexions- Einheit 68 und Durchlässigkeits-Einheit 40 einer vorbestimmten Einfallfläche zugeordnet sind, die mit gleichem Abstand über die sich bewegende Bahn 18' vorgesehen ist. Die Erfindung umfaßt so Mittel zum Abstützen der Reflexions- und Durchlässigkeits-Rahmen in einer solchen Weise, daß eine längliche Öffnung dazwischen parallel zur horizontalen Ebene der Reflexions- und Durchlässigkeits-Module bestimmt wird, die ausgelegt ist, eine sich bewegende Bahn des zu analysierenden Materials aufzunehmen, wobei das Abstützmittel jeweils die Reflexions-Module in vertikaler Ausrichtung mit einem entsprechenden Durchlässigkeits-Modul hält. Wie hier verkörpert, umfaßt das Stützmittel vertikale Stützen 68.
Kabelfächer sind zwischen den oberen Reflexions-Stützbalken 58 und unter den Durchlässigkeits-Rahmen 62 gebildet und enthalten eine Vielzahl von Kabel 72, die mit jeder Reflexions- und Durchlässigkeits-Einheit 40 verbunden ist. Die Kabel 72 sind mit Stromzuführ-Modulen 74 verbunden, welche die Reflexions- und die Durchlässigkeits-Einheiten 38 bzw. 40 mit Betriebsstrom versorgen. Die Kabel 72 sind auch mit dem Computer 34 verbunden, der an einer vorteilhaften Stellung entfernt von der Anordnung 46 positioniert ist. Der Computer 34 und das Anzeigegerät 36 sind dementsprechend in Fig. 4 nicht dargestellt. Die Kabel 72 sind durch Signalprozessoren 32 an den jeweiligen Reflexions- und Durchlässigkeits-Modulen 50 bzw. 54 angeschlossen mit den jeweiligen Durchlässigkeits- und Reflexions-Detektoren 22, 24, 28 und 30. Die Erfindung umfaßt so Mittel zur Verbindung der jeweiligen Durchlässigkeits- und Reflexions-Detektoren mit der Bearbeitungseinrichtung. Wie hier verkörpert, umfassen derartige Verbindungsmittel Signalprozessoren 32 und Kabel 72.
Bei alternativen Ausführungen können auch mehr oder weniger als zwei Reflexions-Einheiten 38 oder Durchlässigkeits-Einheiten 40 die jeweilige Reflexions-Module 50 oder Durchlässigkeits-Module 54 bilden. Die Auslegungsbetrachtungen umfassen die Kosten und die Bearbeitungsleistung des Signalprozessors 32 und schließen Abwägungen ein, die dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt sind.
Der Aufbau der Reflexions-Einheit 38 und der Durchlässigkeits-Einheit 40 ist klarer in Fig. 5 gezeigt. Der Oszillator 12 umfaßt einen Gunndioden-Oszillator, der eine Mikrowellen-Trägerfrequenz von 47 GHz erzeugt. Ein FM-Modulator ist innerhalb des Gehäuses des Oszillators 12 angebracht und in Fig. 5 nicht sichtbar. Der dem Oszillator 12 zugeordnet Modulator ergibt eine FM-Modulation mit einer Frequenz von 20 kHz. Das Ausgangssignal des Oszillators 12 ist mit einer Kegelhornantenne 80 gekoppelt, um einen Strahl 81 zu bilden.
Der Oszillator 14 umfaßt einen Gunndioden-Oszillator, der eine Mikrowellen-Trägerfrequenz von 94 GHz erzeugt. Ein in Fig. 5 nicht sichtbarer Modulator ist innerhalb des Gehäuses des Oszillators 14 angebracht und ergibt FM-Modulation der Trägerfrequenz des Oszillators 14 mit einer Frequenz von 21 kHz. Das Ausgangssignal des Oszillators 14 ist mit einer Kegelhornantenne 82 gekoppelt, um einen senkrecht zum Strahl 81 polarisierten Strahl 83 zu bilden. Die Oszillatoren 12 und 14 können Gunndioden-Mikrowellenquellen vom Typ GDM sein, die im Handel von der Firma Millitech, South Deerfield, Massachusetts, erhältlich sind.
Die Strahlen 81 und 83 werden durch Spiegel 85 und 87 zu einem dielektrisch abgestützten Gitterfilter 84 reflektiert, das als Strahlkombinierer funktioniert. Die Spiegel 85 und 87 können achsenversetzte parabolische Spiegel sein, wie der von Millitech erhältlich Typ GMP. Die Polarisation der Oszillatoren 12 und 14 und die Ausrichtung- des Gitterfilters 84 sind so, daß der Strahl 81 von einer Fläche des Filters 84 reflektiert wird und Strahl 83 im wesentlichen ungehindert durch das Filter 84 hindurchtritt, so daß die Strahlen 81 und 83 in einen gemeinsamen Weg kombiniert werden. Die kombinierten Strahlen werden dann durch eine Millimeter-Mikrowellen-Planohyperbolische Linse 86 aus dielektrischem Material hindurchgeleitet, wie es durch die Handelsmarken REXOLITE, TEFLON oder TPX identifiziert wird. Die kombinierten Strahlen 81, 83 treten durch die Linse 86 und ein Fenster 88 und werden auf eine Einfallsfläche 90 an der Bahn 18' fokussiert.
Die Erfindung enthält so erstes Fokussierungsmittel abstromseitig vom Filter 84 (das als Strahlkombinierer funktioniert) zum Kollimieren erster und zweiter Strahlen 81 und 83 und zum Fokussieren erster und zweiter Strahlen 81 und 83 auf das zu analysierenden Material 18'. Wie hier ausgeführt, umfaßt das erste Fokussierungsmittel die Linse 86.
Die Reflexions-Einheit 38 enthält auch eine zweite Linse 92, die den von der Bahn 18' reflektierten Anteil der Strahlen 81 und 83 empfängt. Die durch die Linse 92 hindurchtretenden Strahlen 81 und 83 werden auf einen Reflexions-Strahlteiler 94 fokussiert, der auch ein dielektrisch gestütztes Gitterfilter umfaßt. Die Gitterfilter 84 und 94 können beispielsweise die von Millitech erhältlichen Filter Typ GDS sein. Die Reflexions-Einheit 38 enthält auch erste und zweite Reflexions-Detektoren 22 und 24. Die Detektoren 22 und 24 umfassen Polarisations-empfindliche Mikrowellen-Detektoren, welche in der bevorzugten Ausführung Schottky-Tor- Strahlführungsdioden zum Aufnehmen von Frequenzen von 47 GHz bzw. 94 GHz benutzen können. Die Detektoren 22 und 24 können Planardetektoren vom Typ DXP sein, die im Handel von Millitech erhältlich sind.
Die Ausrichtung der Detektoren 22 und 24 und das Reflexions- Strahlteilers 94 ist so, daß der erste Strahl 91 vom Reflexions-Strahlteiler 94 in den Detektor 22 reflektiert wird. Der Strahl 83 tritt im wesentlichen ungehindert durch den Reflexions-Strahlteiler 94 in den Detektor 24.
Die Erfindung enthält so zweites Fokussierungsmittel zum Aufnehmen des ersten und des zweiten Strahls, welche von dem zu analysierenden Material reflektiert sind. Wie hier verkörpert, umfaßt die zweite Fokussierungseinrichtung die Linse 92.
Die Durchlässigkeits-Einheit 40 enthält eine Linse 100, die so ausgerichtet ist, daß sie den Anteil der Strahlen 81 und 83 aufnimmt, welcher durch die Bahn 18' hindurchgelassen wird. Die Linse 100 ist vom gleichen Typ wie die Linsen 86 und 82, die alle von Millitech im Handel erhältliche Linsen vom Typ MML sein können. Der durchgelassene Anteil der Strahlen 81 und 83 tritt durch die Linse 100 zum Durchlaß-Strahlteiler 102, der in der bevorzugten Ausführung ein dielektrisch abgestütztes Gitter wie vom Typ GDS von Millitech sein kann. Die Durchlässigkeits-Einheit 40 enthält auch Durchlässigkeits-Detektoren 28 und 30, die identisch zu den Reflexions-Detektoren 22 bzw. 24 und mit Bezug auf den Durchlässigkeits-Strahlteiler 102 so ausgerichtet sind, daß der durchgelassene Anteil des Strahls 81 vom Strahlteiler 102 durch die Antenne 104 zum Detektor 28 reflektiert wird und der durchgelassene Anteil des Strahls 83 im wesentlichen ungehindert durch den Strahlteiler 102 durch die Antenne 106 zum Detektor 30 hindurchtritt.
Die Reflexions-Einheit 38 und die Durchlässigkeits-Einheit 40-bilden ein Gauss'sches Mikrowellensystem, in welchem die Strafen 81 und 83 eine Gauss'sche Verteilung des elektrischen Feldes senkrecht zur Fortpflanzungsachse besitzen. Ein derartiger Gauss'scher Strahl behält seine Form bei, wenn er sich von Bereichen fortpflanzt, an denen sein Durchmesser minimal ist, d. h. von der Strahltaille. Strahltaillen können durch Linsen wie die Linsen 86 und 89, wie in Fig. 6 gezeigt, wieder abgebildet werden. Die Charakteristiken der Eingangs- und Ausgangstaillen, wie in Fig. 6 gezeigt, werden durch die besondere physikalische Gestaltung und die Krümmungsachsen solcher Linsen bestimmt. Bei der bevorzugten Ausführung fokussiert die Linse 86 die kombinierten Strahlen 81 und 83 so, daß sie eine Ausgangstaille im Auftreffbereich 90 der Bahn 18' bilden. Die Linse 92 ist so geformt, daß die Eingangstaille der Linse 92 größer als die Ausgangstaille der Linse 86 ist. Auf diese Weise sind durch die Einheiten 38 und 40 erhaltenen Werte der Reflexions- und Durchlässigkeits-Signale weniger gegen Kippen der Ebene der Bahn 18' empfindlich. Bei der bevorzugten Ausführung betragen die Ausgangstaillen der Linse 86 0,6 und 1,5 cm, und die Eingangstaillen der Linse 92 sind 2,5 cm.
Es ist nicht absolut notwendig, daß die Strahlen 81 und 83 moduliert und orthogonal polarisiert sind. Jedoch können, wenn derartig modulierte Strahlen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen und Polarisation vorgesehen sind, genauere Werte der Verhältnissignale R/T erhalten werden. Dazu kann durch Auswahl unterschiedlicher Modulationsfrequenzen für die Oszillatoren 12 in benachbarten Reflexions-Einheiten und für darin enthaltenen Oszillatoren 14 eine bessere Isolation zwischen Reflexions-Modulen erhalten werden, wodurch eine größere Gesamtzahl solcher Module bei einer bestimmten Breite der Bahn 18' zugelassen werden kann und eine detailliertere Analyse der Parameter über der Bahn geschaffen wird.
Um die Vorteile der Erfindung mit den geringsten Kosten zu schaffen, sind jedoch alle Durchlässigkeits- und Reflexions- Module identisch. Die Modulatoren jedes solchen Moduls besitzen eine veränderbare Modulationsfrequenz. Jeder Modul enthält als Teil des Signalprozessors 32 separate Mikroprozessoren 32a und 32b, die an der Befestigungstafel jedes Reflexions- bzw. Durchlässigkeits-Moduls angebracht sind. Jeder Modul ist in seinem zugehörigen Rahmen in einer Einschiebe- und Einsteckweise angebracht. Jeder Schlitz der Durchlässigkeits- und Reflexions-Rahmen wird während der Herstellung der Anordnung einer bestimmten Modulationsfrequenz zugeordnet, die für maximale Isolation benachbarter Module ausgewählt ist. Der Schlitz enthält kodierte Verbindungsmittel wie eine 8Stift-Steckbuchse, wobei jeder Stift des Stechverbinders mit einer Spannungsquelle von logisch hoher oder logisch tiefer Spannung verbunden ist. Jeder Durchlässigkeits- und Reflexions-Modul enthält einen 8Stift-Steckverbinder 110, der mit der Verbinderbuchse jedes Schlitzes kompatibel ist. Wenn der Modul fest und vollständig in seinem zugehörigen Schlitz angebracht ist, ist der Steckverbinder jedes Moduls so mit einem Muster von logisch hohen und logisch tiefen Signalen verbunden. Mikroprozessoren 32a und 32b an jedem Modul sind mit dem zugehörigen 8Stift-Steckverbinder 110 verbunden und deuten das daran befindliche Logikmuster auf festgesetzte Modulationsfrequenzen von mit den Modulatoren 12 und 14 jedes Durchlässigkeits-Moduls zugeordneten Modulatoren 12 und 14. Auf diese Weise wird der Betrieb mit optimaler Modulationsfrequenz für maximales Verhalten und maximale Isolation erhalten unter Beibehaltung der Vorteile identischer Hardware in jedem Modul.
Verschiedene Modifikationen sind selbstverständlich bei der vorliegenden Erfindung möglich. Beispielsweise schafft die in Fig. 4 gezeigte Ausführung über der sich bewegenden Bahn angebrachte Reflexions-Module und darunter befestigte Durchlässigkeits-Module. Bei bestimmten Einrichtungen kann leicht die umgekehrte Gestaltung vorgesehen werden. Weiter ist es nicht notwendig, daß die Durchlässigkeits- und Reflexions- Rahmen, wie in Fig. 4 gezeigt, körperlich miteinander verbunden sind. Es kann bei bestimmten Anwendungen erwünscht sein, den Reflexions-Rahmen unter der sich bewegenden Bahn vorzusehen und den Durchlässigkeits-Rahmen mit einem beträchtlichen Abstand über der sich bewegenden Bahn anzubringen. Bei richtiger Auslegung können die Durchlässigkeits-Module an der Decke angebracht sein, solange eine angemessene Ausrichtung zwischen den zusammenwirkenden Durchlässigkeits- und Reflexions-Modulen gehalten wird.
Bei gewissen Umgebungen kann es erwünscht sein, ein bei einer dritten Frequenz gemessenes Verhältnissignal zu schaffen. Insbesondere kann es erwünscht sein, eine derartige Messung bei einer dritten Frequenz an der gleichen Position relativ zur Kante der Bahn durchzuführen wie die mit dem Grundgewichts-Monitor 44. Gleichzeitige Messungen werden vorgenommen, um gleichzeitig ein Verhältnissignal R/T bei ersten und zweiten Frequenzen f&sub1; und f&sub2; mit Abstand quer zur Bahn zu schaffen, ein Verhältnissignal R/T bei einer dritten Frequenz zu schaffen und eine Messung der Elektronenabsorption an der Stelle der dritten Frequenz zu schaffen, um eine Messung des feuchtigkeitsabhängigen Grundgewichts an dieser Position zu erhalten.
Der zweite Schritt ist, die vorher aufgestellte Gleichung (4) nach Real- und Imaginär-Komponenten des Brechungsindex des feuchten Papiers zu lösen und die Ergebnisse dieser Lösung zusammen mit den Verhältnissignalen R/T der Frequenzen f&sub1; und f&sub2; quer zur Bahn zu benutzen, um für den Feuchtigkeitsgehalt und die Dicke repräsentative Signale zu schaffen. Schließlich werden diese Ergebnisse benutzt, um Dichte- und Grundgewicht-Werte zu errechnen, um sowohl Umgebungs- Grundgewichts- als auch Knochentrocken-Grundgewichts-Werte zu erhalten, um Raumprofile dieser Werte über die Bahn zu schaffen.
In Fig. 7 ist ein Flußdiagramm der durch den Computer 34 geschaffenen Bearbeitung gezeigt. Im Block 400 werden die Durchlaßsignal-Intensitätswerte It von allen Durchlässigkeits-Einheiten 40 abgelesen. Eine Bestimmung wird im Block 402 getroffen, ob die Ablesungen gültig sind. Falls das der Fall ist, werden die Reflexions-Intensitätssignale Ir für jede Wellenlänge an jeder Position abgelesen, wie sie durch die Reflexions-Einheiten 38 erzeugt sind. Eine Bestimmung wird im Block 406 getroffen, ob die Reflexions-Ablesungen gültig sind.
Gültige Ablesungen werden dann im Block 408 benutzt, um R/T- Verhältniswerte für zwei Wellenlängen in allen Positionen zu errechnen. Wiederum werden im Block 410 Gültigkeits-Überprüfungen ausgeführt. Wenn alle Verhältniswerte gültig sind, werden Reflexions- und Durchlässigkeits-Intensitätswerte bei der dritten Wellenlänge abgelesen, gemessen an der Position des Grundgewicht-Monitors 44. Gültigkeits-Überprüfungen werden an diesen Werten ausgeführt und, falls sie gültig sind, Werte für den Brechungsindex n an jeder Position im Block 416 aus den R/T-Verhältniswerten bei allen drei Wellenlängen errechnet. Wenn diese Werte gültig sind, wie im Block 418 bestimmt, werden Feuchtigkeit und Dicke bei jeder Position durch Lösen der Gleichung (4) im Block 420 errechnet.
Im Block 422 wird eine Umgebungs-Grundgewichtsmessung durch den Monitor 44 durchgeführt. Knochentrocken-Grundgewicht an der Position des Monitors 44 wird dann im Block 424 aus Feuchtigkeits- und Umgebungs-Grundgewichtswert an der Position des Monitors 4 errechnet. Im Block 426 wird die Dichte aus der Dicke und dem Trockengrundgewicht errechnet. Knochentrocken-Grundgewicht wird dann an allen Stellen im Block 428 aus Feuchtigkeits-, Dicke- und Dichtewerten errechnet. Diese Information wird dann im Block 430 angezeigt.
Wenn im Block 402 eine ungültige Ablesung erfaßt wird, wird diese Ablesung im Block 404 beseitigt. Derartige Beseitigungen werden im Block 432 gezählt und akkumuliert und im Block 434 summiert. Gleichartige Beseitigungszählungen werden in den Blöcken 406, 436, 438; den Blöcken 410, 440 und 442 und den Blöcken 414, 444 und 442 erzielt. Alle Beseitigungen werden im Block 434 summiert. Wenn die Gesamtzahl von Beseitigungen einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird im Block 445 eine Fehleranzeige erzeugt. Diese Information wird dann zur Anzeige zum Block 430 geleitet.
In einer zweiten alternativen Ausführung werden für das Grundgewicht bezeichnende Signale direkt aus Strahlungssignalen in der gleichen Weise wie Feuchtigkeit und Dicke errechnet. Insbesondere werden solche Grundgewichtssignale errechnet aus den Verhältniswerten Durchlässigkeit zu einfallender Strahlung und Reflexion zu einfallender Strahlung bezüglich der Bahn 18.
In einer analogen Form zur Gleichung (4) können die Verhältniswerte der Reflexion zu einfallender Strahlung und Durchlässigkeit zu einfallender in strengerer Form dargelegt werden als:
Die Indices der Gleichung (5) können in gleicher Weise in strengerer Form dargestellt werden als:
n = αnw + βnp + 1-α-β
K = αKw + βKp,
wobei α die Dickenfraktion des Wassers,
β die Dickenfraktion der Papiermasse (Pulpe), und (1-a+b die Dickenfraktion von Luft ist.
Eine Lösung dieser Gleichungen ergibt Werte von Feuchtigkeit, Dicke und Grundgewicht. Die theoretische Grundlage dieser Gleichungen wird im Anhang dargelegt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, enthalten die Oszillatoren 12 und 14 jeweils Temperatursensoren 13 bzw. 15. Die Temperatursensoren 13 und 15 erzeugen Signale proportional zur Temperatur ihrer jeweiligen Gunndioden-Oszillatoren und sind am Signalprozessor 32 angeschlossen, um Signale zu schaffen, die für die auf die Bahn 18 auftreffende Strahlung bezeichnend ist. Die Temperatursensoren 13 und 15 bilden so Einfallssignal- Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines getrennten Einfallssignals für jeden durch die Oszillatoren 12 und 14 zugeleiteten Strahl, wobei die Einfallssignale proportional zu der auf die Bahn 18 auftreffenden Energie sind. Andere Mittel zum Zuführen eines Einfallssignals können selbstverständlich auch benutzt werden. Der Signalprozessor 32 erzeugt dann bin Signal, das für das Verhältnis Durchlässigkeit/Einfall und Reflexion/Einfall bezeichnend ist.
Die Bearbeitung der Werte durch den Computer 34 in der alternativen Ausführung ist in Fig. 8 dargestellt. Dieses Flußdiagramm ist ähnlich dem in Fig. 7; so werden nur die Unterschiede diskutiert.
Nachdem die Durchlässigkeits-Sensoren im Block 400 gelesen sind, wird ein für die auf die Bahn 18 auftreffende Leistung bezeichnendes Signal im Block 401 gelesen. Die Bearbeitung geht weiter wie in Fig. 7 bis zum Block 409, wo die Verhältniswerte Reflexion/Einfall (R/I) und Durchlässigkeit/Einfall (T/I) errechnet werden. Der weitere Fluß geht dann weiter zum Block 421, in dem Feuchtigkeit, Dicke und Grundgewicht errechnet werden. In jeder anderen Hinsicht ist der Logikfluß wie vorher mit Bezug auf Fig. 7 dargelegt.
Der Fachmann wird erkennen, daß andere Änderungen und Abwandlungen bei der beschriebenen Ausführung ohne Abweichen von dem Bereich der Erfindung ausgeführt werden können, so daß dieser Bereich nur durch den Umfang der angefügten Ansprüche begrenzt sein soll.
Es sei A die Amplitude der einfallenden Welle A nach Fig. 1, die eine komplexe Größe darstellt. Für jedes Teil A1, A2, AN, B1, B2, . . . BN von der reflektierten oder der durchgelassenen Wellenreihe unterscheidet sich der veränderliche Teil der Phase der Wellenfunktion von der des vorhergehenden Gliedes um eine Größe, die einer Doppeldurchquerung des Mediums entspricht. Diese Phasendifferenz ist
wobei H die Dicke des Mediums, λ die Wellenlänge in Luft und Ñ der komplexe Brechungsindex des Mediums ist.
Wenn alle reflektierten Wellen überlagert werden, wird die Amplitude der reflektierten Welle gegeben durch den Ausdruck
wobei
α : 2πh/λ ist,
N : der Realteil des Brechungsindex ist,
K : der Imaginärteil des Brechungsindex (Absorption) ist, auch ñ = Ñ cosR'. Die Beziehungen zwischen ñ und Ñ sind wie folgt:
Ñ cosR' = ñ = n - jk
Ñ sin R' = sin R sin R' = sin R/Ñ sin² R' = sin² R/Ñ
cos²R' = 1 - sin²R' = Ñ²-sin²R/Ñ² Ñ² cos²R' = Ñ² - sin² R
Ñ cos R' = n - jk (n - jk)² = (N - jk)² - sin² R
n² - k2 - 2 jnk = N² - K² - 2 jNK - sin² R
Gleichsetzen der Real- und Imaginärteile ergibt:
n² - k² = N² - K² - sin² R
nk = NK N²K² = n²k², so k² = N²K²/n²
n NK = N K sinV r nnNKsinV - N²K²=O
Das Lösen der unmittelbar vorhergehenden Gleichung ergibt:
und
In einer gleichartigen Weise
Die Leistung R der reflektierten Welle wird gegeben durch:
Auf gleichartige Weise wird, wenn die gesamten ausgesendeten Wellen überlagert werden, die Amplitude der ausgesendeten Welle erhalten durch den Ausdruck:
Die Leistung T der ausgesendeten Welle ist gegeben durch:
T = A(t) A(t) *
Falls der elektrische Vektor senkrecht auf der Auffallebene steht (Te-Welle: Fall bei 47 GHz):
Die Phase von r² ist:
Die abschließende Form des Verhältniswertes der Leistung der reflektierten Welle zu der der auftreffenden Welle ist:
In gleicher Weise ist das Leistungsverhältnis der durchgelassenen Welle zur auftreffenden Welle:
Das Leistungsverhältnis der reflektierten Welle und der durchgelassenen Welle kann auch errechnet werden als:
Für eine TM-Welle, bei der der elektrische Vektor parallel zur Auftreffebene liegt:
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Medium Papier. Das Papier ist zusammengesetzt aus einem Gemisch aus Wasser, Luft, Pulpe und Füllstoffen. Der optische Weg kann als Modell angenommen werden als die Summe der optischen Wege durch das Papier, d. h.
wobei L der optische Weg, Hj die Dicke des j-ten Materials und Ñj der komplexe Brechungsindex des j-ten Materials ist. Damit ist die Gesamtdicke H gleich
Es sei N der Brechungsindex des Papiers
Ñ H = Hw Ñw + Hp Ñp + Ha Ña,
wobei w bedeutet Wasser,
p bedeutet Pulpe,
a bedeutet Luft,
jedoch
Ñ = N - jK; Ñw = Nw - jKw; Ñp = Np - jKp; Ña = Na - jKa,
H(N - jk) = Hw (Nw - jKw) + Hp (Np - jKp) + Ha (Na - jKa)
HN jHK = Hw Nw + HpNp + HaNa j hwKw + HpKp + HaKa
So sind die Realteile gleich N H = Nw Hw + Hp Np + Na Ha
und n =
Der Brechungsindex der Luft ist bekannterweise Na = 1 und Ka = 0.
Wenn angenommen wird, daß = Hw/H und 1 - (α + β) = ha/H,
dann ist N = α Nw + β N + (1 - (α + β)),
wobei α der Dickenanteil des Wassers,
βß der Dickenanteil der Pulpe ist.
Die gleiche Form gilt für den imaginären Teil des Brechungsindex
K = α Kw + β Kp + 1 - (α + β) Ka,
jedoch Ka = 0
K = α Kw + β Kp
Die Indices von Wasser und Pulpe sind experimentell erhaltene Werte, so sind nw, np, Kw, Kp bei den beiden Frequenzen 94 GHz und 47 GHz bekannt. Kennt man die Gleichung für R/I und T/I, so wird das Ersetzen der Indices des Mediums durch die Indices des Papiers zugelassen, welche sind
N = α Nw + β Np + 1 - 4a - β
K = α Kw + β Kp
In den Gleichungen für R/I und T/I sind drei Unbekannte, nämlich α, β, H.
Arbeitet man mit zwei unterschiedlichen Frequenzen von 94 GHz und 47 GHz, so können vier Messungen R&sub1;/I&sub1;, R&sub2;/I&sub2;, T&sub1;/I&sub1;, T&sub2;/I&sub2; durchgeführt werden.
Das Lösen dieser vier Gleichungen für die drei Unbekannten ergibt:
α den Anteil (die Dicke) des Wassers
β den Dickenanteil der Pulpe
H die Dicke des Papiers.
Das Trockengrundgewicht des Papiers ist
Bd = ρp Hp + ρa Ha
Bd = ρp βH + ρa (1 - (α + β)) H
wobei ρp die Dichte der Pulpe und ρa die Dichte der Luft (sehr klein) ist.
Das Grundgewicht des Wassers ist
Bw = ρw α H, wobei ρw die Dichte des Wassers ist.
Nach Berechnen des Grundgewichts des trockenen Materials und der Feuchtigkeit kann der Prozentanteil der Feuchtigkeit errechnet werden als:
M = Bw/Bw + Bd · 100 = Feuchtigkeit in %.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen der Charakteristiken von Platten- oder Folienmaterial, mit:

einer Strahlungseinrichtung (12, 14, 16) zum Erzeugen und Richten von Bündeln kohärenter elektromagnetischer Strahlung gegen das Material in einem Einfallsbereich;

einer ersten Signalerzeugungseinrichtung (20, 22, 24, 26, 28, 30) zum Erzeugen getrennter Reflexions- und Durchlässigkeitssignale entsprechend der erzeugten elektromagnetischen Strahlung, wobei die Signale proportional zu der Intensität der von dem Material reflektierten bzw. durchgelassenen Strahlung sind; und

einer Verarbeitungseinrichtung (32, 34) zum Erzeugen eines Signals, das den Feuchtigkeitsgehalt des Materials anzeigt und aus dem Reflexions- und Durchlässigkeitssignal berechnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Strahlungseinrichtung eine Vielzahl von Bündeln kohärenter elektromagnetischer Strahlung erzeugt, daß die Strahlung von jedem der Bündel eine unterschiedliche Frequenz aufweist; und daß die erste Signalerzeugungseinrichtung getrennte Reflexions- und Durchlässigkeitssignale für jedes der jeweiligen Bündel erzeugt; und daß die Verarbeitungsseinrichtung ferner ein Dickensignal erzeugt, welches die Materialdicke anzeigt, wobei das Feuchtigkeits- und Dickensignal aus der Vielzahl von getrennten, für die jeweiligen Bündel erzeugten Reflexions- und Durchlässigkeitssignalen berechnet worden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bündeln stationär sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Vielzahl von den Strahlungseinrichtungen, von denen jede ihre zugeordnete Vielzahl von Bündeln gegen einen anderen Einfallsbereich richtet, wobei die getrennten Einfallsbereiche über das Material räumlich verteilt sind,

wobei die Verarbeitungseinrichtung getrennte Feuchtigkeits- und Dickensignale für jede von den Strahlungseinrichtungen erzeugt, und

wobei räumliche Profile von Feuchtigkeits- und Dickencharakteristiken für das Material erzeugt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Strahlungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung eine Strahlung mit einer Wellenlänge größer als viermal die Dicke des Materials erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit einer zweiten Erzeugungseinrichtung (44, 46) zum Erzeugen eines Referenzsignals proportional zum Basisgewicht an einer Referenzposition, wobei die Verarbeitungseinrichtung ein räumliches Profil des Basisgewichts des Materials, das aus dem Referenzsignal und den Feuchtigkeits- und Dickensignalen berechnet ist, erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Strahlungseinrichtung Sendeantennen (16) und Reflexionsempfangsantennen (20) in einer stationären Position auf einer Seite der Ebene einer sich bewegenden Bahn (18') des Materials und Transmissionsempfangsantennen (26) in einer stationären Position auf der gegenüberliegenden Seite der Ebene von der sich bewegenden Bahn des Materials umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zweite Erzeugungseinrichtung (44, 46) eine Einrichtung zum Erzeugen eines Partikelstrahls umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zweite Erzeugungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zweite Erzeugungseinrichtung eine radioaktive Betastrahlungsquelle umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zweite Erzeugungseinrichtung eine Elektronenbeschleunigungseinrichtung umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Reflexions- und Durchlässigkeitssignal jeweils proportional zu der Intensität von jedem der von dem Material reflektierten und hindurchgelassenen Strahlenbündel ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinrichtung (32) eine Einrichtung zum Lösen von Simultangleichungen umfaßt, welche Funktionen des Feuchtigkeitsgehalts, der Dicke und des komplexen Brechungsindex des Materials enthalten.

14. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Verarbeitungseinrichtung (32) eine Einrichtung zum Lösen einer Vielzahl von Simultangleichungen umfaßt, welche Funktionen des Feuchtigkeitsgehalts, der Dicke und des komplexen Brechungsindex des Materials bei den Frequenzen der Strahlenbündel enthalten.

15. Ein Verfahren zum gleichzeitigen Erfassen einer Vielzahl von Charakteristiken von Platten- oder Folienmaterial, mit den Verfahrensschritten:

Erzeugen von Strahlen kohärenter elektromagnetischer Strahlung;

Richten der elektromagnetischen Strahlung gegen das Material in einem Einfallsbereich;

Erzeugen getrennter Reflexions- und Durchlässigkeitssignale proportional zur Menge von von dem Material refektierter bzw. durchgelassener Strahlung; und

Berechnen des Feuchtigkeitsgehaltes aus den Reflexions- und Durchlässigkeitssignalen;

dadurch gekennzeichnet, daß

beim Schritt der Erzeugung von Strahlen kohärenter elektromagnetischer Strahlung eine Vielzahl von Strahlenbündeln kohärenter elektromagnetischer Strahlung erzeugt wird, wobei die Strahlung von jedem der Strahlenbündel eine unterschiedliche Frequenz aufweist; und daß die Vielzahl von Strahlenbündeln gegen das Material in einem Einfallsbereich gerichtet wird, und

daß getrennte Reflexions-, und Durchlässigkeits- bzw. Transmissionssignale für jedes der jeweiligen Strahlbündel erzeugt werden; und daß ferner der Schritt der Berechnung sowohl der Dicke des Materials als auch des Feuchtigkeitsgehaltes aus den von der Vielzahl von Strahlenbündeln erzeugten Reflexions- und Durchlässigkeitssignalen vorgesehen ist.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 15 mit den zusätzlichen Verfahrensschritten:

Erzeugen einer Vielzahl von der Vielzahl von Strahlenbündeln kohärenter elektromagnetischer Strahlung;

Richten jeder Vielzahl von Strahlenbündeln gegen das Material in unterschiedlichen Einfallsbereichen;

Erzeugen, für jede Vielzahl von Strahlenbündeln, separater Reflexions- und Durchlässigkeitssignale für jedes von den Strahlenbündeln proportional zur Intensität von jedem der jeweiligen von dem Material reflektierten bzw. hindurchgelassenen Strahlenbündel, und

Berechnen von für den Feuchtigkeitsgehalt und die Dicke des Materials repräsentativen Werten aus der Vielzahl von Reflexions- und Durchlässigkeitssignalen in jedem der Einfallsbereiche, um ein räumliches Profils des Feuchtigkeitsgehalts und der Dicke des Materials zu erzeugen.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 16, mit den zusätzlichen Verfahrensschritten:

Erzeugen eines Referenzsignals proportional zum Basisgewicht (Basisflächengewicht) des Materials bei einem von den Einfallbereichen; und

Berechnen einer Vielzahl von Basisgewichtswerten aus dem Referenzsignal und den für die Feuchtigkeit und die Dicke repräsentativen Werten, um ein räumliches Profil des Basisgewichts von dem Material zu erzeugen.

18. Ein Verfahren nach Anspruch 17, wobei bei der Erzeugung eines Referenzsignals durch das Material ein Elektronenstrahl geschickt wird und der Betrag der durch das Material hindurchgetretenen Elektronenstrahlenergie gemessen wird.

19. Ein Verfahren nach Anspruch 17, welches den Schritt der Erzeugung einer Vielzahl von Trockenbasisgewichtssignalen aus den Basisgewichtswerten und den Feuchtigkeitsgehaltswerten umfaßt, um ein räumliches Profil des Trockenbasisgewichts für das Material zu erzeugen.

20. Ein Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt der Erzeugung einer Vielzahl von der Vielzahl von Bündeln elektromagnetischer Strahlung den Schritt der Erzeugung einer Vielzahl von Mikrowellensignalen umfaßt.

21. Vorrichtung zum Analysieren von Platten- oder Folienmaterial, mit:

einer Reflexionseinheit (38), welche umfaßt:

eine erste Strahlungsquelle (12) zum Erzeugen eines ersten Strahlenbündels kohärenter elektromagnetischer Strahlung;

eine zweite Strahlungsquelle (14) zum Erzeugen eines zweiten Strahlenbündels kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit eine Frequenz unterschiedlich zu der derjenigen des ersten Strahlenbündels

einer ersten Fokussiereinrichtung (86) zum Kollimieren des ersten und zweiten Strahlenbündels und zum Richten des ersten und zweiten Strahlenbündels gegen das zu analysierende Material

einer zweiten Fokussiereinrichtung (92) zum Empfangen des ersten und zweiten, von dem zu analysierenden Material reflektierten Strahlenbündels; und

einer ersten und zweiten Reflexionsdetektoreinrichtung (22, 24) zum Erzeugen eines ersten und zweiten Reflexionssignals in Reaktion auf die Intensität des reflektierten ersten bzw. zweiten Strahlenbündels;

einer Transmissionseinheit (40), die dazu vorgesehen ist, auf der der Reflexionseinheit gegenüberliegenden Seite des zu analysierenden Materials angebracht zu werden, wobei die Transmissionseinheit eine erste und zweite Transmissionsdetektoreinrichtung (28, 30) zum Erzeugen eines ersten bzw. zweiten Durchlässigkeitssignals entsprechend der Intensität des ersten und zweiten, durch das zu analysierende Material hindurchgetretenen Strahlbündels umfaßt; und

einer Einrichtung (32a, 32b) zum Verarbeiten der Reflexions- und Durchlässigkeitssignale, um für Charakteristiken des zu analysierenden Materials repräsentative Signale zu erzeugen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, welche eine Strahlkombiniereinrichtung (84) stromabwärts von den Strahlungsquellen umfaßt, welche das erste und zweite Bündel elektromagnetischer Strahlung entlang eines gemeinsamen Weges ausrichtet.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, mit:

einer Reflexionsstrahlteilereinrichtung (94) stromabwärts von der zweiten Fokussiereinrichtung (92), welche das reflektierte erste und zweite Strahlenbündel auf die erste bzw. zweite Reflexionsdetektoreinrichtung richtet; und

einer Transmissionsstrahlteilereinrichtung (102) stromabwärts von einer Transmissionsfokussiereinrichtung (100), welche das hindurchgelassene erste und zweite Strahlenbündel auf die erste bzw. zweite Transmissionsdetektoreinrichtung richtet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Reflexionseinheit (38) eine Reflexionseinrichtung (85, 87) zum Reflektieren von wenigstens einem von dem ersten und zweiten Strahlenbündel von seiner jeweiligen Strahlungsquelle zu der Strahlkombiniereinrichtung (84) umfaßt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Reflexionseinrichtung (85, 87) das erste und zweite Strahlenbündel von dessen jeweiliger Strahlungsquelle zu der Strahlkombiniereinrichtung (84) reflektiert.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Reflexionseinrichtung einen achsenversetzten Paraboloidspiegel umfaßt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die erste und zweite Reflexionsfokussiereinrichtung (86, 92) jeweils eine Linse aus dielektrischem Material umfaßt, wobei die Linse (86) der ersten Reflexionsfokussiereinrichtung einen anderen Umfang des Ausgangsstrahls an der engstens Stelle als der Umfang des Eingangsstrahls an der engstens Stelle der Linse (92) der zweiten Reflexionsfokussiereinrichtung aufweist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Linse (86) der ersten Reflexionsfokussiereinrichtung einen größeren Ausgangsstrahlumfang an der engsten Stelle als der Eingangsstrahlumfang an der engsten Stelle von der Linse (92) der zweiten Reflexionsfokussiereinrichtung aufweist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 23, welcher eine Transmissionsmontagetafel (52) und ein Paar von den Transmissionseinheiten (40) montiert auf gegenüberliegenden Seiten der Transmissionsmontagetafel umfaßt, um einen Transmissionsmodul (54) zu bilden.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, welche eine Reflexionsmontagetafel (48) und ein Paar von den Reflexionseinheiten (38) montiert auf gegenüberliegenden Seiten der Reflexionsmontagetafel umfaßt, um einen Reflexionsmodul (50) zu bilden.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, mit:

einer Vielzahl von den Transmissionsmodulen (54),

einer Vielzahl von den Reflexionsmodulen (50) in der Anzahl gleich der Anzahl der Transmissionsmodule,

einer Einrichtung (32, 72) zum Verbinden jedes der Transmissions- und Reflexionsdetektoren mit der Verarbeitungseinrichtung,

einem Transmissionsrahmen (62) , der die Transmissionsmodule beieinander angeordnet in einer horizontalen Ebene trägt, einem Reflexionsrahmen (56) der die Reflexionsmodule beieinander angeordnet in einer horizontalen Ebene trägt, und

einer Einrichtung (58, 60, 64, 66, 68) zum Haltern der Reflexions- und Transmissionsrahmen in einer Weise, daß eine längliche Öffnung dazwischen parallel zu der horizontalen Ebene gebildet wird, die dazu vorgesehen ist, eine sich bewegende Bahn von zu analysierendem Material aufzunehmen, wobei die Halterungseinrichtung jeden der Reflexionsmodule in vertikaler Ausrichtung zu einem entsprechenden Transmissionsmodul von den Transmissionsmodulen haltert.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die Transmissionsmodule (54) oberhalb der länglichen Öffnung und die Reflexionsmodule (50) unterhalb der länglichen Öffnung angeordnet sind.

33. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei jede der Reflexionseinheiten (38) einen ersten Modulator, welcher eine Modulation von einem ersten Modulationstyp an dem ersten Strahlenbündel erzeugt, und einen zweiten Modulator' welcher einen zweiten Modulationstyp an dem zweiten Strahlbündel erzeugt, umfaßt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die ersten Modulatoren der angrenzenden Reflexionseinheiten eine Modulation unterschiedlicher Frequenzen erzeugen.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei der Reflexionsrahmen (56) eine Vielzahl von Steuereinrichtungen umfaßt, wobei jede der Steuereinrichtungen abnehmbar mit einer von den Reflexionseinheiten verbunden ist, und die Modulatoren auf die Steuereinrichtungen reagieren, um die Modulationsfrequenz von jedem der Modulatoren zu bilden.

36. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner umfaßt:

eine Einfallssignalerzeugungseinrichtung (13, 15) zum Erzeugen eines getrennten Einfallssignals für jedes der Strahlenbündel, wobei das Einfallssignal proportional zur auf das Material einfallenden Energie ist; und

wobei die Verarbeitungseinrichtung Feuchtigkeits-, Dicken- und Basisgewichtssignale, die aus der Vielzahl von Reflexions-, Transmissions- und Einfallssignalen berechnet sind, erzeugt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Strahlenbündel stationär sind.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, welche eine Vielzahl der Strahlungseinrichtungen umfaßt, von denen jede ihre zugehörige Vielzahl von Strahlenbündeln gegen einen anderen Einfallsbereich richtet, wobei die getrennten Einfallsbereiche räumlich über das Material verteilt sind,

wobei die Verarbeitungseinrichtung getrennte Feuchtigkeits-, Dicken- und Basisgewichtssignale für jede der Strahlungseinrichtungen erzeugt, und

wobei räumliche Profile von Feuchtigkeits-, Dicken- und Basisgewichtscharakteristiken für das Material erzeugt werden.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei die Strahlungseinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung umfaßt.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Einrichtung zum Erzeugen von Mikrowellenstrahlung eine Strahlung mit einer Wellenlänge erzeugt, die viermal größer als die Dicke des Materials ist.

41. Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Reflexions- und Transmissionssignale proportional zu der Intensität von jedem der kohärent von dem Material reflektierten und durch das Material hindurchgelassenen Strahlbündel sind.

42. Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Lösen von Simultangleichungen umfaßt, welche Funktionen des Feuchtigkeitsgehalts, der Dicke und des komplexen Brechungsindex von dem Material enthalten.

43. Vorrichtung nach Anspruch 39, wobei die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Lösen einer Vielzahl von Simultangleichungen umfaßt, welche Funktionen des Feuchtigkeitsgehalts, der Dicke und des komplexen Brechungsindex des Materials bei der Frequenz der Strahlenbündel enthalten.

44. Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Strahlenbündel eine unterschiedliche Polarisation aufweisen.

45. Vorrichtung nach Anspruch 44, wobei die Strahlungseinrichtung ein Paar von orthogonal polarisierten Strahlenbündeln erzeugt.

46. Ein Verfahren nach Anspruch 15, welches ferner die Schritte umfaßt:

Erzeugen getrennter Einfallssignale für jedes von den Strahlenbündeln proportional zur Stärke von jedem der jeweiligen auf das Material gerichteten Strahlenbündel; und

Berechnen von Feuchtigkeitsgehalt, Dicke und Basisgewicht aus den Einfalls-, Reflexions- und Transmissionssignalen.

47. Ein Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner die Schritte enthält:

Erzeugen getrennter Einfallssignale für die Strahlenbündel proportional zu der Intensität von jedem der jeweiligen auf das Material gerichteten Strahlenbündel; und

Berechnen von für den Feuchtigkeitsgehalt, die Dicke und das Basisgewicht des Materials repräsentativen Werten aus den Einfalls-, Reflexions- und Transmissionssignalen an jedem der Einfallsbereiche, um ein räumliches Profil des Feuchtigkeitsgehalts, der Dicke und des Basisgewichts des Materials zu erzeugen.

48. Ein Verfahren nach Anspruch 47, wobei der Schritt der Erzeugung einer Vielzahl von Gruppen von Strahlenbündeln elektromagnetischer Strahlung den Schritt der Erzeugung einer Vielzahl von Mikrowellensignalen umfaßt.

49. Vorrichtung nach Anspruch 21, welche ferner umfaßt:

eine Einrichtung (13, 15) zum Erzeugen erster und zweiter Einfallssignale, welche die Intensität der ersten und zweiten auf das Material gerichteten Strahlenbündel anzeigen; und

wobei die Bearbeitungseinrichtung die Einfalls-, Reflexions- und Transmissionssignaie verarbeitet, um für Charakteristiken des zu analysierenden Materials repräsentative Signale zu erzeugen.