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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein System zum Messen
von Eigenschaften sich bewegender Bahnen aus Faserbahnmaterial während
deren Herstellung und insbesondere ein System zum Ausführen von Messungen,
wie z. B. der Trockenflächenmasse, der Flächenmasse und des
Feuchtigkeitsgehaltes der Faserbahnwerkstoffe.
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Bei der Herstellung von Bahnmaterial gehören die Flächenmasse und der
Feuchtigkeitsgehalt zu den wichtigen Parametern für die Prozeß- und
Qualitätssteuerung. Die Flächenmasse wird normalerweise als die Masse pro
Flächeneinheit des Bahnmaterials definiert und in Gramm pro Quadratmeter angegeben.
Die Trockenflächenmasse, eine dazugehörige Maßangabe, die besonders nützlich
für die Herstellung von Faserbahnmaterialien, wie Papier und Pappe, ist, betrifft
die Masse pro Flächeneinheit des Bahnmaterials ohne Feuchtigkeit. Bei der
Papierherstellung entspricht die Trockenflächenmasse der Masse an trockenem
Material, vorrangig Fasern, auf einer bestimmten Fläche einer Papierbahn. Der
Feuchtigkeitsgehalt betrifft die Feuchtigkeitsmenge pro Flächeneinheit einer
Bahn. Diese Parameter gehören insofern zusammen, als bei einer vorgegebenen
Fläche einer Bahn die Flächenmasse abzüglich des Feuchtigkeitsgehaltes der
Trockenflächenmasse entspricht.
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Bekanntlich läßt sich die Trockenflächenmasse durch
Laboruntersuchungen ermitteln, diese Tests haben allerdings verschiedene Nachteile.
Dazu gehört, daß eine beträchtliche Zeit für die Mustererfassung und Analyse
erforderlich ist; während dieser Zeit können aber große Mengen an Bahnmaterial
hergestellt werden und sich die Produktionsbedingungen so ändern, daß bei
Vorliegen der Ergebnisse der Laboruntersuchungen diese möglicherweise nicht
mehr für die Bedingungen des Produktionsprozesses oder für das Produkt
repräsentativ sind. Ein anderer Nachteil von Labortests liegt darin, daß die
Muster, die zur Untersuchung gelangten, vielleicht nicht vollkommen
repräsentativ für das hergestellte Bahnmaterial sind, und zwar, weil oft Muster
nur vom Ende einer Bahnrolle vorgelegt werden und deshalb möglicherweise
nicht repräsentativ für die Papierqualität an Stellen in der Mitte der Rolle sind.
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Um die Zusammensetzung eines Bahnwerkstoffs zu erkennen, wird
bekanntlich ein Lichtstrahl oder eine andere Strahlung bekannter Wellenlänge
auf die Oberfläche eines bestimmten Bereiches des Bahnmaterials gerichtet und
die von der Bahn absorbierte Strahlung gemessen. Allgemein ist die Menge
absorbierter Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge abhängig von der
Zusammensetzung des Bahnmaterials; z. B. wird der Zellulosegehalt von
Papierbahnmaterial durch die Absorption von Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von
etwa 1,5 Mikron angezeigt.
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Verschiedene Vorrichtungen zum Ausführen von
On-line-Parametermessungen von Eigenschaften sich bewegender Bahnen aus Bahnmaterial sind
bereits vorgeschlagen worden. Der Begriff "On-line" betrifft auf diesem
Fachgebiet Messungen, die auf der Papiermaschine durchgeführt werden, während
selbige in Betrieb ist. Die nachfolgend benutzte Formulierung
"Parametermessungen" betrifft Messungen physikalischer Eigenschaften, deren
Werte die Merkmale und Qualität des Bahnmaterials bestimmen. Zu den
Parametermessungen bei Papier und ähnlichen Faserbahnmaterialien können also
die Flächenmasse, die Trockenflächenmasse, der Feuchtigkeitsgehalt, die Dicke
und die spezifische Durchlässigkeit gehören.
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Bei Papierherstellungsverfahren sind On-line-Parametermessungen nur
schwer genau ausführbar. Teilweise liegt es daran, daß moderne
Papiermaschinen groß sind und bei hoher Geschwindigkeit arbeiten. So werden mit
konventionellen Papiermaschinen Bahnen mit 100 bis 400 Zoll (etwa 250 - 1000
cm) Breite bei einer Geschwindigkeit von 20 bis 100 Fuß/Sekunde (etwa 6-30
m/s) hergestellt. Außerdem sind Parametermessungen bei
Papierherstellungsverfahren oft wegen schwieriger Umweltbedingungen problematisch;
beispielsweise kann in der Umgebung einer Papiermaschine eine hohe
Naßstoffkonzentration und eine feuchte Atmosphäre mit Wassertröpfchen und Säure-
oder Alkalipartikeln in der Luft auftreten. Dessen ungeachtet müssen jedoch
praktische On-line-Meßvorrichtungen auf Papiermaschinen längere Zeit
ununterbrochen arbeiten, und ihre Reparatur und Wartung muß sich ohne
erforderliche lange Stillstandszeiten der Papiermaschinen durchführen lassen.
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Zum Ausführen von On-line-Parametermessungen bei Papier und anderen
Faserbahnmaterialien wurden von Fachleuten verschiedene Sensoren
vorgeschlagen, die periodisch in Querrichtung über sich bewegende Bahnen des
Bahnmaterials geführt werden oder diese "abtasten". (Bei der Bahnherstellung
wird die Bewegungsrichtung der Bahn bekanntlich als "Maschinenrichtung" und
die Richtung senkrecht zur Maschinenrichtung als "Querrichtung" bezeichnet.)
Beispielsweise werden in den USA-Patenten 3,641,349; 3,681,595; 3,757,122
und 3,886,036, die an die Measurex Corporation erteilt wurden, Abtast-
Meßgeräte für Flächenmassen erörtert. Auch das an die Insec Corporation erteilte
USA-Patent 4,289,964 geht davon aus, daß Betastrahlen-Meßgeräte zum
Bestimmen der Flächenmasse eine sich bewegende Bahn langsam in
Querrichtung abtasten können. Außerdem wird darin angeführt, daß neben den
Betastrahlen-Meßgeräten Laser-, Infrarot- oder Ultraviolett-Sensoren eingesetzt
werden können, um die spezifische Durchlässigkeit anzuzeigen.
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Trotz zahlreicher Vorteile der Abtast-Meßgeräte bei der Bahnherstellung
haben diese auch ihre Grenzen. Zum Beispiel kann es bei den beweglichen Teilen
der Abtast-Meßgeräte zu Reparatur- und Wartungsproblemen kommen.
Außerdem sind derartige Geräte, die relativ lange Zeit für aufeinanderfolgende
Messungen benötigen, nicht optimal für Steuerungszwecke, die eine verhältnismäßig
große Anzahl von Messungen über recht kurze Zeiträume erfordern. Z.B.
benötigen konventionelle Abtast-Meßgeräte zum Erfassen der Flächenmasse und
des Feuchtigkeitsgehaltes von Faserbahnmaterialien normalerweise etwa dreißig
Sekunden, um eine Meßserie in Querrichtung auf einer sich bewegenden Bahn
zu erhalten. (Mit einer solchen Meßserie in Querrichtung wird sozusagen ein
"Profil" der Bahn geschaffen.)
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In Anbetracht der Beschränkungen der Abtastgeräte wurde vorgeschlagen,
eine Vielzahl befestigter Sensoren anzubringen, um Parameter an Stellen zu
erfassen, die in Querrichtung über eine sich bewegende Bahn aus
Faserbahnmaterial verteilt sind. Insbesondere wird im USA-Patent 3,806,730 ein Meßgerät
vorgeschlagen, welches eine Reihe von Röhren aufweist, mit denen in
Querrichtung Licht auf eine Oberfläche einer sich bewegenden Bahn verstreut wird.
Nach diesem Patent sind die Röhren rechteckige Aluminiumrohre mit hellen
Innenflächen zum Übertragen des Lichts. Eine Gruppe ähnlicher Röhren ist
vorgesehen, um das durch die Bahn durchfallende Licht zu empfangen und zu
erfassen. Das in dem Patent beschriebene Gerät soll sich für die Messung von
Parametern, wie z. B. der Flächenmasse und des Feuchtigkeitsgehalts von
Papierbahnmaterialien, eignen.
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Darüber hinaus ist in US-A-4 577 104 die Verwendung einer Quelle
vorgeschlagen worden, die zwei Gruppen von Infrarotstrahlungs-Wellenlängen
auf eine Papierbahn richtet. Die Strahlungen werden von einer
Erfassungseinrichtung erfaßt, die zu einem Datenerfassungssystem gehört. Dieses
Dokument bildet die Grundlage für die Einleitung von Anspruch 1.
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In US-A-4 300 049 wurde die Verwendung einer Strahlungsquelle
vorgeschlagen, die aufgrund der Drehung eines Filterrades Strahlungen mit zwei
verschiedenen Wellenlängen schafft. Diese Strahlungsquelle ist in einem
Gehäuse angebracht, das sich gegenüber einem Detektorgehäuse mit zwei darin
enthaltenen Erfassungseinrichtungen befindet.
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Schließlich zeigt GB-A-2 015 724 ein System zum Erfassen von Löchern
in sich bewegenden Bahnen auf. Dieses System umfaßt eine Reihe einzeln und
seitlich versetzt zueinander angebrachter stufenförmiger Spiegelstreifen in
Kombination mit einem Abtastgerät über den einzelnen Spiegeln jedes Streifens,
um einen auf die Oberfläche der Bahn gerichteten Abtastlichtvorhang zu
erzeugen.
ZIELE DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im allgemeinen besteht ein Ziel und Vorteil der Erfindung in der
Schaffung eines verbesserten Systems zum Erfassen von Eigenschaften sich
bewegender Bahnen aus Bahnmaterial zur Verwendung in einem
Überwachungssteuerungssystem für eine Papiermaschine.
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Speziell besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung eines verbesserten
Systems zur Ausführung von Parametermessungen von Eigenschaften, wie z. B.
der Trockenflächenmasse und des Feuchtigkeitsgehalts, quer über die Profile sich
bewegender Bahnen aus Bahnmaterial, ohne dabei die Bahnen abzutasten.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch ein System gemäß Definition
aus Anspruch 1 erreicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung der Außenseite eines Gehäuses einer
erfindungsgemäß arbeitenden Maschine, wobei einige Innenteile der Maschine
allgemein durch Strichlinien angezeigt sind.
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Fig. 2 ist ein allgemeines schematisches Diagramm einer
erfindungsgemäß arbeitenden Maschine, welches einen vertikalen Querschnitt längs durch
die Maschine aus Fig. 1 zeigt.
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Fig. 3 ist eine zur Verdeutlichung vergrößerte bildliche Darstellung
bestimmter Teile der Maschine aus Fig. 1.
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Fig. 4 ist eine bildliche Darstellung einer Ausführungsform einer
Spiegelanordnung für die Maschine aus Fig. 1.
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Fig. 5 ist eine fragmentarische bildliche Darstellung bestimmter
Innenteile der Maschine aus Fig. 1. Darin sind die Teile in verschobenen Positionen
durch Strichlinien gekennzeichnet.
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Fig. 6 ist eine auseinandergezogene bildliche Darstellung von Teilen
mit einer Lichtquellenvorrichtung für die Maschine aus Fig. 1.
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Fig. 7 ist eine zur Erläuterung vergrößerte Detailansicht einer
Lichterfassungsvorrichtung für die Maschine aus Fig. 1.
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Fig. 8 ist ein Funktionsdiagramm eines elektronischen Systems zur
Verarbeitung der Signale aus der Maschine aus Fig. 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Fig. 1 zeigt eine Maschine, allgemein durch die Ziffer 7
gekennzeichnet, zur Ausführung von Parametermessungen an einer Bahn 9 aus
Bahnmaterial, die sich horizontal in Pfeilrichtung durch die Maschine bewegt.
Ein besonderes Merkmal der Maschine 7 ist, daß Parametermessungen der Bahn
9. wie z. B. Flächenmasse, Trockenflächenmasse und Feuchtigkeitsgehalt, für ein
vollständiges Profil der Bahn 9 ohne Abtasten ausgeführt werden können. Die
Maschine 7 umfaßt im allgemeinen ein Gehäuse zum Schutz der Meßinstrumente
und Bauteile in den Kanälen 15 und 17. Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die Kanäle 15 und 17 an deren gegenüberliegenden Enden durch aufrecht
stehende Stützen 18 gelagert. Bei typischen Anlagen haben die Kanäle 15 und 17
eine Länge von etwa 100 bis 400 Zoll (250 - 1000 cm) und sind vertikal um etwa
acht Zoll (20 cm) zueinander beabstandet, so daß sich die Bahn 9 zwischen den
Kanälen entlangbewegen kann. Wenngleich die Maschine 7 an jeder beliebigen
Stelle einer Papiermaschine zwischen einem ersten Pressenabschnitt und einer
Aufwickelrolle angebracht werden kann, so ist deren Gehäuse doch besonders für
den Aufbau nahe dem ersten Pressenabschnitt geeignet.
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In der Praxis wird vorzugsweise kontinuierlich Warmluft in die Kanäle 15
und 17 eingeleitet. Bei den Ausführungsformen der Maschine 7 in den
Fig. 1, 2 und 5 weisen die Kanäle 15 und 17 demnach eine
Gasströmungsverbindung zu einem Querkanal 19 auf, und über den Einlaßkanal 20 wird
Druckluft zu den Kanälen zugeführt. Thermostat-Steuerungen 21 und
Heizeinrichtungen 22, schematisch in Fig. 2 dargestellt, sind im Gehäuse 11
vorgesehen, um Warmluft mit Temperaturen oberhalb des Taupunkts
(normalerweise etwa 100ºF = 37,7ºC) bereitzustellen und dadurch eine
Kondensation auf den Oberflächen der Kanäle 15 und 17 zu verhindern. In der
Praxis reagiert die Thermostat-Steuerung 21 auf die Ausgangssignale aus einem
konventionellen Thermistor 21A, und die Heizeinrichtung 22 ist ein
herkömmlicher Elektroheizer, der durch den Thermistor 21A proportional
gesteuert wird.
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Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die Kanäle 15 und 17
lichtdurchlässige Wände 23 bzw. 25 auf, die eine optische Sichtlinienverbindung
zwischen dem Innern der Kanäle schaffen. Anders ausgedrückt, sowohl die
untere horizontale Wand 23 des Kanals 15 als auch die obere horizontale Wand
25 des Kanals 17 sind lichtdurchlässig, so daß das Innere des einen Kanals vom
Innern des anderen Kanals aus sichtbar ist, wenn sich keine Bahn 9 dazwischen
befindet. Eine solche Sichtlinienverbindung zwischen den Kanälen ist
schematisch durch die vertikalen Pfeile in Fig. 2 angedeutet. Bei der
bevorzugten Ausführungsform umfaßt jede der lichtdurchlässigen Wände 23 und
25 nur eine einzige Glasplatte, jedoch kann auch eine Reihe separater Fenster aus
Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Werkstoff verwendet werden. In der
Praxis sind die lichtdurchlässigen Wände 23 und 25 etwa drei Zoll (7,5 cm) breit.
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Für den Einsatz der Maschine 7 bei der Papierherstellung müssen die
lichtdurchlässigen Wände 23 und 25 im wesentlichen frei von Staub oder
anderen Teilchenansammlungen gehalten werden, die den Lichtdurchlaß durch
die Wände beeinträchtigen könnten. Eine geeignete Vorrichtung zum Entfernen
derartiger Teilchen und zum Verhindern von Ansammlungen ist an der
lichtdurchlässigen Wand 25 in Fig. 3 veranschaulicht. Natürlich ist eine
gleiche Vorrichtung vorgesehen, um die lichtdurchlässige Wand 23 von
Teilchenansammlungen freizuhalten. Allgemein läßt sich sagen, daß die
Vorrichtung zur Teilchenentfernung in Fig. 3 Luftströmungen erzeugt, durch
die gekrümmten Pfeile angegeben, die sich ununterbrochen über die Außenseiten
der lichtdurchlässigen Wand 25 bewegen. Speziell umfaßt die
Teilchenentfernungsvorrichtung Kanäle 29 mit offenem Ende, die in einem länglichen
Rahmenteil 30, das eine Seite der Wand 25 lagert, zueinander beabstandet sind.
Die offenen Außenenden der Kanäle 29 richten die Druckluftströmungen auf die
Außenfläche der Wand 25, wie dargestellt. Die offenen Innenenden der Kanäle
29 haben eine Gasströmungsverbindung zum Innern des Kanals 17 für die
Aufnahme der Luftströmung, welche mit Hilfe der Druckluft angetrieben und
durch den Kanal befördert wird. Vorzugsweise sind die Kanäle 29 auf der
gesamten Länge der lichtdurchlässigen Wände 23 und 25 zueinander beabstandet
vorgesehen und die lichtdurchlässigen Wände 23 und 25 leicht zur Horizontalen
geneigt, um das Ablaufen von Wasser von deren Oberflächen zu fördern.
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Für den Einsatz der Maschine 7 bei der Papierherstellung ist außerdem ein
problemloser Zugriff zu deren Bauteilen zwecks Reparatur und Wartung zu
schaffen. Bei der Ausführungsform aus Fig. 1 sind Türen 32 entlang der
Kanäle 15 vorgesehen, um einen Zugriff zum Innern des Kanals zu
gewährleisten. Bei der Ausführungsform aus Fig. 5 sind zusätzlich
schubkastenartige Vorrichtungen 33 befestigt, die sich längs innerhalb des oberen
und unteren Kanals 15 und 17 erstrecken und die Meßinstrumente und Bauteile
tragen. Die schubkastenartigen Vorrichtungen 33 sind jeweils kastenförmig
aufgebaut und umfassen Gleitschienen oder dergleichen zum Führen der
Vorrichtungen innerhalb der Kanäle 15 und 17. Um Zugriff zu den Instrumenten
und Bauteilen zu haben, werden die Enden der Kanäle 15 und 17 geöffnet und
die schubkastenartigen Vorrichtungen 33 herausgezogen, wie durch die
Strichlinien in Fig. 5 angegeben.
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Die Teile der Maschine 7 zum Ausführen optischer Messungen an einer
sich bewegenden Bahn aus Bahnmaterial sind am besten in den Fig. 2, 4
und 7 dargestellt. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfassen die optischen Bauteile eine
Lichtquelle 41 an einem Ende des Kanals 17, eine Spiegelanordnung 43, die
entlang des Kanals 17 zum Reflektieren des Quellenlichts durch die
lichtdurchlässige Wand 25 im wesentlichen über die gesamte Querausdehnung der
Bahn 9 hinweg angebracht ist, sowie Gruppen 45 von
Lichterfassungsvorrichtungen im Kanal 15 zum Empfangen des durch die lichtdurchlässige
Wand 23 durchgelassenen Lichts. Praktisch ist die Lichtquelle 41 so angeordnet,
daß sie mindestens zwei Strahlenbündel von im wesentlichen kollimiertem Licht
durch den Kanal 17, im allgemeinen parallel zu deren Längsmittellinie,
ausrichtet, und eine Spiegelanordnung 43 ist stationär im Kanal 17 angebracht,
um die kollimierten Strahlen aufzunehmen und zu zerlegen und somit parallele
Strahlen zu schaffen, die nach oben, durch die lichtdurchlässige Wand 25
hindurch und im allgemeinen senkrecht zur Oberfläche der Bahn 9, im
wesentlichen auf deren gesamte Breite, gerichtet sind. Im Kanal 15 sind die
Gruppen 45 von Lichterfassungsvorrichtungen in Serie angebracht, wie teilweise
in Fig. 7 dargestellt, wobei sie im wesentlichen über die gesamte Breite der
Bahn 9 um etwa drei bis sechs Zoll (7,5 - 15 cm) zueinander beabstandet sind.
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Eine Ausführungsform der Spiegelanordnung 43 ist in Fig. 4
aufgezeigt. Dabei umfaßt die Spiegelanordnung 43 geneigte Spiegelabschnitte
44, die auf einer im wesentlichen ebenen Grundplatte derart befestigt sind, daß
die Spiegelabschnitte 44 im Profil eine kontinuierliche sägezahnartige Form
haben. Praktisch beträgt der Winkel jedes Spiegelabschnitts 44 etwa 43º zur
Grundplatte der Anordnung, und in zusammengebautem Zustand ist die ebene
Grundplatte im Kanal 17 in einem geringen Winkel, gewöhnlich etwa 2º, zur
Horizontalen geneigt. In zusammengebautem Zustand bildet die
Spiegelanordnung also eine durchgehende Rampe entlang des Kanals 17 auf dem Weg
der Lichtstrahlen von der Quelle 41, und aufgrund der zuvor erwähnten Winkel
ist jeder einzelne Spiegelabschnitt 44 um etwa 45º zur Horizontalen geneigt. Als
Ergebnis dieses Strukturverhältnisses, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt,
werden die kollimierten Lichtstrahlen, die im allgemeinen horizontal auf die
versetzten Neigungsabschnitte 44 entlang der Spiegelanordnung 43 auftreffen, in
parallele, im wesentlichen vertikal gerichtete Strahlen zerlegt. Wenn die Bahn 9
breiter als etwa achtzehn Fuß (etwa 550 cm) ist, werden zwei
Spiegelanordnungen verwendet, und an jedem Ende des Kanals 17 ist eine Lichtquelle
vorgesehen.
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In Fig. 6 ist eine Vorrichtung mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Lichtquelle 41 dargestellt, die zwei am Ende des Kanals 17 fest verankerte
Beleuchtungseinrichtungen 61 aufweist. In der Praxis sind die
Beleuchtungseinrichtungen 61 konventionelle Glühlampen, von denen jede ein
Parabolreflektorelement umfaßt, welches einen kollimierten Strahl aus im allgemeinen
parallelen Einzelstrahlen bildet, die durch eine geeignete Linse an der Öffnung
des Reflektors emittiert werden. Vorzugsweise sind die
Beleuchtungseinrichtungen 61 Glühlampen, die ein breites Band sichtbaren und infraroten
Lichts, einschließlich Licht mit einem Wellenlängenband zwischen 1,3 und 2,1
Mikron, emittieren.
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Fig. 6 zeigt des weiteren eine Einrichtung zum Modulieren der
Lichtstrahlen aus den Beleuchtungseinrichtungen 61. Bei der dargestellten
Ausführungsform weist die Moduliereinrichtung ein Rotorelement 73 mit drei
symmetrischen Flügeln 75A, 75B und 75C auf, die radial in Abständen von 120º
vom Drehpunkt des Rotorelements ausgehen. In der Maschine 7 wird das
Rotorelement 73 drehend durch den Motor 59 angetrieben, so daß die Flügel 75A, 75B
und 75C je nach deren Winkelposition gleichzeitig das Licht aus den
Beleuchtungseinrichtungen 61 blockieren oder durchlassen. Wie auch aus
Fig. 6 hervorgeht, kann eine stationär befestigte
Positionserfassungseinrichtung 81 zum Erfassen der Drehposition der Flügel 75A, 75B und 75C
vorgesehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um eine zusammen mit einem
Fototransistor (siehe Fig. 8) angebrachte Leuchtdiode handeln, die das Licht
erfaßt, das durch eine kleine Öffnung in einem der Flügel in einer vorbestimmten
Position hindurchtritt. Ausgangssignale aus der Positionserfassungseinrichtung
81 werden zur Zeitschaltung und Synchronisierung eingesetzt, wie später genau
erläutert wird.
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In Fig. 7 ist aufgezeigt, daß jede Gruppe 45 von
Lichterfassungseinrichtungen eine Vorrichtung zum Kollimieren, Filtern und Erfassen der
Lichtstrahlen umfaßt, die durch die Bahn 9, im allgemeinen senkrecht zur
Bahnoberfläche, durchgelassen werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform
weisen die Kollimierteile der Lichterfassungseinrichtungen Sammellinsen 47 und
49 und Aperturplatten 48 auf. In den Erfassungseinrichtungen sind die
Aperturplatten 48 stationär befestigt, im allgemeinen an den Brennpunkten der Linsen
47; wobei die zweiten Sammellinsen 49 über den Aperturplatten 48 angebracht
sind, und zwar in Abständen, die ungefähr der Brennweite der Linsen 49
entsprechen. Die Linsen 47 und 49 können beispielsweise Fresnel-Linsen sein.
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Wie oben erwähnt, umfaßt jede Gruppe 45 von
Lichterfassungseinrichtungen in Fig. 1 Teile zum Filtern und Erfassen von Licht. In Fig. 7
sind diese allgemein durch die Klammer 50 angegeben, und jede einzelne
Baugruppe 50 weist je vier optische Bandfilter 53A-D und vier fotoelektrische
Wandler 54A-D auf. Die Bandfilter 53A-D unterscheiden sich voneinander im
Hinblick auf die Lichtwellenlängenbänder, die sie durchlassen. Bei der
Herstellung von Faserbahnwerkstoffen, z. B. in der Papierherstellung, ist das
Infrarotspektrum normalerweise von vorrangigem Interesse. Speziell bei der
Papierherstellung wird der Bandfilter 53A zum Durchlassen des Lichts in einem
schmalen Wellenlängenband mit einem Mittelwert von 1,5 Mikron ausgewählt,
Bandfilter 53B für einen schmalen Wellenlängenbereich mit einem Mittelwert
von 1,3 Mikron, Bandfilter 53C für jenen mit einem Mittelwert von 1,9 Mikron
und Bandfilter 53D für ein schmales Wellenlängenband mit einem Mittelwert
von 1,8 Mikron. Aus praktischen Gründen sind diese und andere Werte in der
nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.
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Bandfilter Durchgelassene Wellenlänge
(Mittelwert)
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53A 1,5 oder 2,1 Mikron
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53B 1,3 oder 1,8 Mikron
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53C 1,9 Mikron
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53D 1,8 Mikron
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In der nun folgenden Erörterung werden jene Lichtwellenlängen, die von den
Bandfiltern 53A und 53C durchgelassen werden, als "Meßwellenlängen" und die
Wellenlängen, die von den Bandfiltern 53B und 53D durchgelassen werden, als
"Referenzwellenlängen" bezeichnet. In der Praxis werden die Meßwellenlängen
zur bevorzugten Absorption durch das Bahnmaterial der Bahn 9 und die
Referenzwellenlängen für eine geringere Absorption ausgewählt. Handelt es sich
bei der Bahn 9 beispielsweise um ein Papierbahnmaterial, so wird normalerweise
eine Meßwellenlänge zur spezifischen Absorption durch Zellulosefasern gewählt
sowie eine Referenzwellenlänge, die nahe, jedoch außerhalb des
Resonanzabsorptionsbandes von Zellulose liegt.
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Die fotoelektrischen Wandler 54A-D in den Gruppen 45 von
Lichterfassungseinrichtungen aus Fig. 7 sind im wesentlichen identisch. Sie
können beispielsweise aus Bleisulfid hergestellt sein. Im zusammengebauten
Zustand sind die Wandler 54A derart an den Bandfiltern 53A befestigt, daß das
gesamte zu den Wandlern gelangende Licht durch die Filter tritt. Genauso sind
die Wandler 54B derart an den Bandfiltern 53B angebracht, daß das gesamte zum
Wandler gelangende Licht die Bandfilter passiert. Die Wandler-Filter-Paare 53C-
54C und 53D-54D sind in gleicher Weise zueinander angeordnet. Wenn also die
Bandfilter 53A und 53C Licht mit Meßwellenlängen durchlassen, nehmen die
Wandler 54A und 54C nur Licht mit Meßwellenlänge auf; genauso wie in dem
Fall, da Bandfilter 53B und 53D Licht mit Referenzwellenlänge durchlassen, die
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Wandler 54B und 54D nur Licht mit Referenzwellenlängen aufnehmen. In den
Fig. 2 und 7 sind die Paare der Bandfilter und fotoelektrischen Wandler in
Querrichtung nebeneinander angebracht, sie könnten allerdings auch anders
gruppiert sein.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Gruppen 45 von
Lichterfassungseinrichtungen aus Fig. 7 sind Lichtdiffusoren 56 quer über den
Öffnungen 58 in der Aperturplatte 48 zum Mischen der durch die Öffnungen 58
gelangten Lichtstrahlen befestigt. Dies sind normalerweise dünne Teflonfolien.
Es können aber auch Streulinsen zum Vermischen dieser durch die Öffnungen 58
tretenden Lichtstrahlen verwendet werden.
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In Fig. 8 ist schematisch ein System zum Verarbeiten der elektrischen
Signale dargestellt, die durch die Gruppen fotoelektrischer Wandler 54A-54D
erzeugt werden. Der Zweck des elektronischen Systems besteht darin,
Ausgangssignale zu schaffen, die optische Eigenschaften der untersuchten Profile
sich bewegender Bahnen angeben. Das System aus Fig. 8 umfaßt eine
Positionserfassungseinrichtung 81, die Ausgangssignale erzeugt, welche die
Drehposition des Rotors 73 angeben. Bei dem dargestellten System werden die
Ausgangssignale aus der Positionserfassungseinrichtung 81 zu einem
Impulswandler 82 weitergeleitet, der die Signale in Rechteckwellensignale umwandelt,
um dadurch die Synchronisierung der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu
erleichtern.
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Das System aus Fig. 8 umfaßt weiterhin einen fotoelektrischen
Wandler 54, der an einen herkömmlichen Vorverstärker 83 angeschlossen ist,
welcher die elektrischen Ausgangssignale aus dem Wandler verstärkt. Als
Wandler 54 wird ein beliebiger von den oben beschriebenen Wandlern 54A-D
bezeichnet. Ein Demodulator 85. der die Rechteckwellen-Positionssignale vom
Wandler 82 für Synchronisierungszwecke nutzt, ist zum Demodulieren der
Ausgangssignale für den Vorverstärker 83 und zur Bereitstellung von
Gleichstromsignalen angeschlossen, deren Amplituden proportional zur Intensität des
vom fotoelektrischen Wandler 54 empfangenen Lichts sind. Wie außerdem aus
Fig. 8 hervorgeht, werden die demodulierten Signale von einem der Wandler
54 mit den Ausgangssignalen von einem anderen Wandler 54 (nicht dargestellt)
durch eine Multiplexiereinrichtung 87 multiplexiert. Die multiplexierten Signale
werden mittels eines herkömmlichen Analog-Digital-Wandlers 89 zur weiteren
Verarbeitung in digitale Form gebracht. Bei den elektronischen Bauteilen des
Systems aus Fig. 8 (d. h. Impulswandler 82, Vorverstärker 83, Demodulator
85, Multiplexiereinrichtung 87 und Analog-Digital-Wandler 89) handelt es sich
um konventionelle Ausführungen. Aufgrund der Schmalbandfilter 53A-D und da
die Modulation durch das Rotorelement 73 mit dem Impulswandler 82
koordiniert wird, werden die analogen Signale aus den Gruppen von Wandlern
54A-D im wesentlichen von äußeren Lichtquellen nicht gestört.
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Jetzt wird die gesamte Funktionsweise der Maschine 7 aus Fig. 1
beschrieben, wobei anfangs die Betonung auf jenen Aspekten der Maschine liegt,
durch die sie auch unter schwierigen Bedingungen einsetzbar wird, wie z. B. in
der Nähe des ersten Pressenabschnitts einer Papiermaschine. Bei Betriebsbeginn
der Maschine wird Druckluft über den Einlaßkanal 20 eingeleitet und über den
Querkanal 19 zu den Kanälen 15 und 17 verteilt. Die Luft in den Kanälen 15 und
17 wird mittels Thermostat-Steuerung 21 und Heizeinrichtung 22 oberhalb der
Umgebungstemperatur aufrechterhalten. Die in den Kanal 15 eingeleitete Luft
schafft eine Konvektionskühlung der Lichterfassungseinrichtungen 45 und führt
zur Erwärmung der Wände von Kanal 1 5, um unter normalen
Betriebsbedingungen in einer Papierfabrik die Kondensation von Wasserdampf an den
Wandflächen zu verhindern. Praktisch wird dadurch verhindert, daß das
Kondensationswasser von den Kanalwänden 15 auf die Bahn 9 tropft oder
anderweitig die Funktionsweise der Maschine 7 beeinträchtigt. Außerdem schafft
die in die Kanäle 15 und 17 eingeleitete Luft einen ausreichenden positiven
Druck zur Erzeugung einer Luftströmung, die über die Oberflächen der
lichtdurchlässigen Wände 23 und 25 hinwegzieht, wie in Fig. 3 gezeigt, um die
Ansammlung von Teilchen auf jenen Wänden zu verhindern. Darüber hinaus hält
die Luft die Spiegelanordnung 43 staubfrei, indem ein ausreichender Druck
geschaffen wird, um das Eindringen von Staubpartikeln in die Kanäle 15 und 17
zu verhindern.
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Anhand der Fig. 7 wird jetzt die Messung von optischen Eigenschaften
einer sich bewegenden Bahn 9 aus Bahnmaterial im Zusammenhang mit der
Ausführung von Parametermessungen, wie z. B. Flächenmasse.
Feuchtigkeitsgehalt und Trockenflächenmasse, beschrieben. Um solche Messungen
auszuführen, wird der Rotor 73 zum Modulieren der emittierten Lichtstrahlen aus
den Beleuchtungseinrichtungen 61 drehbar angetrieben. Wenn dieses Licht nicht
durch die Flügel des Rotors 73 blockiert wird, verlaufen die Strahlenbündel
durch den Kanal 17 und werden durch den versetzten Neigungsabschnitt 44 der
Spiegelanordnung 43 zerlegt und reflektiert. Die zerlegten Strahlenbündel bilden
parallele Strahlen, die nach oben, durch die lichtdurchlässige Wand 25, entlang
der gesamten Länge der Spiegelanordnung 43, im allgemeinen senkrecht zur
Oberfläche der Bahn 9 ausgerichtet sind. Wie in Fig. 7 dargestellt, hat die
Ausrichtung der parallelen Strahlen senkrecht zur Bahn 9 unter anderem zur
Folge, daß optische Messungen der Durchlässigkeit der Bahn unabhängig von
deren vertikaler Stellung zwischen den Kanälen 15 und 17 sind. Wenn
demgegenüber die auf die Bahn 9 auftreffenden Strahlen nicht senkrecht zu
deren Oberfläche ausgerichtet wären, könnte die durch die fotoelektrischen
Detektoren 54 erfaßte Lichtmenge je nach der Höhe der Bahnoberfläche
schwanken. Solche Abweichungen könnten zum Beispiel durch Flattern der Bahn
hervorgerufen werden und die genaue Bestimmung der optischen Eigenschaften
der Bahn erschweren.
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Von den Strahlen, die die Bahn 9 durchqueren, treten einige im
allgemeinen senkrecht zur Bahnoberfläche (d. h. vertikal) aus dieser hervor,
andere werden in verschiedenen Winkeln zur Vertikalen gestreut. Die
nachfolgende Erörterung betrifft jene Strahlen, die im allgemeinen vertikal aus
der Bahnoberfläche 9 hervortreten und anschließend durch die lichtdurchlässige
Wand 23 des oberen Kanals 15 gelangen. Nach Durchquerung der Wand 23
werden die vertikalen parallelen Strahlen durch die Sammellinsen 47 zu den
Öffnungen 56 in den Platten 48 fokussiert. Die Öffnungen wählen jene parallelen
Lichtstrahlen aus, die aus dem Bahnbereich direkt unter den Linsen 49 stammen.
Nachdem die ausgewählten Strahlen durch die Öffnungen 58 gelangt sind,
divergieren sie bis zu den Sammellinsen 49, die die Strahlen erneut fokussieren,
und zwar parallel zueinander. Die parallelen Strahlen fallen dann auf die
Bandfilter 53A-D und werden durch die fotoelektrischen Wandler 54A-D mit jeweils
vier verschiedenen schmalen Wellenlängenbändern erfaßt. Diffusionsfolien 56 an
den Öffnungen 58 gewährleisten, daß die Strahlen, die zu den Wandlern 54A-D
gelangen, zerstreut werden und deshalb im wesentlichen repräsentativ für diesen
untersuchten Bereich der Bahn 9 sind. Jetzt wird auch verständlich, daß aufgrund
der Tatsache, daß die Sammellinsen 47, Aperturplatten 48 und Sammellinsen 49
im allgemeinen nur parallele Strahlen sammeln, die im wesentlichen senkrecht
zur Bahnoberfläche 9 aus dieser hervortreten. Messungen der Durchlässigkeit der
Bahn 9 mit dem oben beschriebenen System im wesentlichen unabhängig von der
Höhe der Bahn in bezug auf die fotoelektrischen Wandler 54 sind und daher
durch ein Flattern der Bahn nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
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Typische Formeln zur Berechnung der Trockenflächenmasse (DBW), der
Flächenmasse (BW) und des Feuchtigkeitsgehalts (MC) der Bahn 9 lauten wie
folgt, wobei die Sternchen eine Multiplikation anzeigen:
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DBW = AO + A1
1n(MES1) - A2*1n(REF1) + A3*1n(MES2) -
A4*1n(REF2).
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BW = B0 + B1*1n(MES1) - B2*1n(REF1) + B3*1n(MES2) -
B4*1n(REF2).
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MC = C0 + C1*1n(MES1) - C2*1n(REF1) + C3*1n(MES2)-
C4*1n(REF2).
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% Feuchtigkeit = 100*MC/BW.
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Im Hinblick auf die vorstehenden Gleichungen kann das Signal, welches
festlegt, wann eine Bahn 9 vorhanden ist, als "On-sheet"-Signal, und das Signal,
welches angibt, wann keine Bahn 9 vorhanden ist, als "Off-sheet"-Signal
bezeichnet werden. MES1 ist also das On-sheet-Signal bei der ersten
Meßwellenlänge, dividiert durch das Off-sheet-Signal der gleichen Wellenlänge.
Gleichermaßen ist REF1 der On-sheet-Signalpegel bei der ersten Referenzwellenlänge,
dividiert durch den Off-sheet-Signalpegel der gleichen Wellenlänge. Ebenso ist
MES2 der On-sheet-Signalpegel bei der zweiten Meßwellenlänge, dividiert durch
den Off-sheet-Signalpegel der gleichen Wellenlänge. Schließlich ist REF2 der
On-sheet-Signalpegel bei der zweiten Referenzwellenlänge, dividiert durch den
Off-sheet-Signalpegel der gleichen Wellenlänge.
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Des weiteren sind die Koeffizienten A0, A1, A2, A3 und A4 in den obigen
Formeln Konstanten in bezug auf die Trockenflächenmasse. Normalerweise
haben die Koeffizienten AI und A2 beide ein positives Vorzeichen und sind etwa
gleich groß und die Koeffizienten A3 und A4 sind kleiner als A1 und A2.
Gleichermaßen sind die Koeffizienten B0, B1, B2, B3 und B4 Eichkonstanten in
bezug auf die Flächenmasse. Die Koeffizienten B1 und B2 haben normalerweise
beide ein positives Vorzeichen und sind etwa gleich groß, und die Koeffizienten
B3 und B4 sind kleiner als B1 und B2. Ebenso sind die Koeffizienten C0, C1,
C2, C3 und C4 Eichkonstanten zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts.
Normalerweise haben die Koeffizienten C3 und C4 beide ein positives
Vorzeichen und sind etwa gleich groß, während C1 und C2 kleiner als C3 und C4
sind.
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Die Wellenlängen für die MES1-Messungen werden so ausgewählt, daß
sie vorrangig gegenüber der Trockenflächenmasse des Papiers sensitiv sind. In
der Praxis umfassen solche Wellenlängen nicht nur ein schmales
Wellenlängenband mit einem Mittelwert von 1,5 Mikron, sondern auch eines mit einem
Mittelwert von 2,1 Mikron. Die REF1-Wellenlängen werden gewöhnlich in
einem schmalen Wellenlängenband mit einem Mittelwert von etwa 1,3 oder 1,8
Mikron ausgewählt und verwendet, um die Flächenmassen-Maße aufgrund
anderer Eigenschaften des Papiers und aufgrund der Auswirkungen von
Teilchen, die auf die optischen Oberflächen im System fallen können, zu
korrigieren. Die MES2-Wellenlängen werden gewöhnlich in einem schmalen
Wellenlängenband mit einem Mittelwert von etwa 1,9 Mikron ausgewählt und
sind vor allem gegenüber dem Wassergehalt des Papiers sensitiv. Die REF2-
Wellenlängen werden in einem schmalen Wellenlängenband mit einem
Mittelwert von etwa 1,8 Mikron ausgewählt und zum Korrigieren der
Feuchtigkeitsmaße aufgrund anderer Eigenschaften des Papiers und jeglicher
Verunreinigungen auf den freiliegenden optischen Oberflächen verwendet.
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Natürlich werden Messungen gemäß der vorstehenden Gleichungen für
jede Gruppe von Wandlern 54A-D quer über die Bahn 9 hinweg ausgeführt.
Entsprechend dem System aus Fig. 8 ergibt die Gesamtheit derartiger
Messungen über einen bestimmten Querschnitt der Bahn 9 hinweg eine
vorbestimmte Sequenz an Ausgabedaten aus einem Analog-Digital-Wandler 89,
die ein solches Profil der Bahn schafft, daß jede Meßstelle problemlos bestimmt
werden kann. So kann beispielsweise eine Messung im Abstand von 4.5 Fuß (ca.
137 cm) vom linken Rand der Bahn 9 ohne weiteres identifiziert werden. Die
Identifizierung der Meßstellen ermöglicht die genaue Steuerung der
Produktionsbedingungen an identifizierten Querschnittsstellen, z. B. die automatische
Steuerung der Ausflußschlitzöffnung an den Stoffauflaufkästen.
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An dieser Stelle sollte noch einmal hervorgehoben werden, daß das oben
beschriebene System die gleichzeitige Ausführung von Messungen über die
gesamte Breite der Bahn 9 ermöglicht. Dieses Merkmal unterscheidet das System
von den Abtastgeräten, die nacheinander einzelne Messungen quer über eine
Bahn hinweg vornehmen. Ein Ergebnis der Schaffung von nicht abtastenden
Sensoren besteht darin, daß die Sequenz des Auslesens der Daten aus der
Gesamtheit der Erfassungseinrichtungen im Verhältnis zu den Abtastsensoren
schneller erfolgen kann. Beispielsweise können die oben beschriebenen nicht
abtastenden Sensoren ein vollständiges Profil der Bahn 9 in fünf Sekunden oder
weniger erzeugen. Die Fähigkeit, schnelle Profilmessungen ausführen zu können,
ermöglicht den Einsatz schneller Stellglieder und schafft viel kürzere
Maschinensteuerzyklen. Dies ist wichtig während der Anlaufphase, bei
Qualitätsänderungen und Störungen, kann aber auch Abweichungen der
Maschinenrichtung im Beharrungszustand und die Anfälligkeit gegenüber periodisch
instabilen Zuständen verringern.
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Bei einigen Systemen kann der Einsatz von nur zwei Filter- und
Erfassungselementen an jeder Meßstelle in Querrichtung erwünscht sein. (Nach
Fig. 7 würde ein solches System z. B. nur die Bandfilter 53A und 53B sowie
die Wandler 54A und 54B umfassen.) Bei einem solchen System kann die
Trockenflächenmasse mit Hilfe von zwei erfaßten Wellenlängen wie folgt zum
Ausdruck gebracht werden:
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wobei:
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DBW die Trockenflächenmasse des untersuchten Bereiches des
Bahnmaterials ist;
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A, B und C Konstanten sind;
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"1n" die natürliche Logarithmusfunktion angibt;
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"REF on sheet" das Ausgabesignal einer Referenzerfassungseinrichtung
ist, wenn sich das Bahnmaterial in dem Spalt zwischen den Kanälen 15
und 17 befindet;
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"REF no sheet" das Ausgabesignal einer Referenzerfassungseinrichtung
ist, wenn sich kein Bahnmaterial im Spalt zwischen den Kanälen 15 und
17 befindet;
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"MEAS on sheet" das Ausgabesignal einer Meßerfassungseinrichtung ist,
wenn sich das Bahnmaterial in dem Spalt zwischen den Kanälen 15 und
17 befindet;
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"MEAS no sheet" das Ausgabesignal einer Meßerfassungseinrichtung ist,
wenn sich das Bahnmaterial nicht im Spalt zwischen den Kanälen 15 und
17 befindet.
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Wenngleich die Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die
bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, so ergeben sich für Fachleute
auf dem Gebiet nach dem Lesen der vorangegangenen Offenbarung ohne Zweifel
andere Ausführungsformen und Varianten. So kann beispielsweise die
Zirkulation von Druckluft durch die Kanäle 15 und 17 getrennt erfolgen, und
somit kann der Querkanal 19 eliminiert werden. Außerdem kann die Maschine 7
Lichtkollimiervorrichtungen, wie z. B. sogenannte Honigwabenfilter, zur
zusätzlichen Kollimierung des durch die lichtdurchlässigen Wände 23 und 25
gelangenden Lichts aufweisen, wobei derartige Filter Abweichungen infolge des
Flatterns oder anderer Höhenänderungen der Bahn 9 innerhalb des vertikalen
Spalts zwischen den Kanälen 15 und 17 minimieren können. Obwohl die
vorangehende Beschreibung nur eine einzige Spiegelanordnung 43 vorsieht,
kann auch eine Vielzahl von Spiegelanordnungen verwendet werden. Darüber
hinaus können zusätzliche Messungen der Flächenmasse und der
Bahnfeuchtigkeit am tatsächlichen Ende einer Papiermaschine ausgeführt werden und
für Eichungszwecke und zum Korrigieren bei einer langfristigen
Signalabweichung verwendet werden. Als eine andere Variante können die
Beleuchtungseinrichtungen 61 angebracht werden, um die Lichtstrahlenbündel
senkrecht zur Seite des Gehäuses 11 auszurichten, wobei Ablenkspiegel zum
Ablenken der Strahlen und zu deren Ausrichtung im allgemeinen parallel zur
Mittellinie des Kanals 17 zur Spiegelanordnung 43 hin angeordnet werden. Als
eine weitere Abwandlung können auch andere Moduliervorrichtungen als der
dargestellte Rotor 73 eingesetzt werden um das Licht aus den Lampen 61 zu
modulieren. Die Moduliervorrichtungen können optische Filter aufweisen, so daß
das modulierte Licht nacheinander mit verschiedenen Wellenlängen emittiert
wird; z. B. könnten optische Filter an der Moduliervorrichtung Licht bereitstellen,
das zuerst mit einem schmalen Wellenlängenband mit einem Mittelwert von etwa
1,5 Mikron gefiltert wurde anschließend Licht, das mit einem schmalen
Wellenlängenband mit einem Mittelwert von etwa 1,3 Mikron, dann mit 1,9 und
schließlich mit 1,8 Mikron gefiltert wurde. Bei einem derartigen System, bei dem
das modulierte Licht nacheinander mit vier verschiedenen Wellenlängen gefiltert
wird, könnten die Gruppen 45 von Lichterfassungseinrichtungen auch nur einen
einzigen optischen Bandfilter umfassen.