DE69232697T2

DE69232697T2 - Sensor und methode zur messung ausgewählter bestandteile eines materials

Info

Publication number: DE69232697T2
Application number: DE69232697T
Authority: DE
Inventors: M. Anderson; A. Bossen; Macarthur Chase; Kent Norton
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1991-12-09
Filing date: 1992-12-08
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2012-12-09
Also published as: DE69232697D1; DE69233073D1; JPH07501890A; EP0616690B1; EP0616690A4; FI942722A0; JP3383666B2; FI116319B; FI942722A; CA2125578C; WO1993012417A1; EP0859083A3; CA2125578A1; EP0616690A1; DE69233073T2; EP0859083B1; EP0859083A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(1) Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensoren und Methoden zum Messen von einer oder mehr ausgewählten Komponenten eines Materials. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Messung der Komponenten durch Aussenden von elektromagnetischer Strahlung zu dem Material hin und Erfassen der Menge der bei verschiedenen Stellen austretenden Strahlung. Gemäß der Erfindung können die Komponenten (z. B. die Feuchtigkeit) verschiedener Papiersorten durch Eliminieren der Effekte des Streuvermögens und Bestimmen des Absorptionsvermögens bei jedem für die einzelne Messung notwendigen Band des Spektrums genau gemessen werden.

(2) Beschreibung der verwandten Technik

Da Papier als eine Folie aus einer wässerigen Suspension, die Zellstoffasern, Baumwollefasern und verschiedene Chemikalien umfaßt, hergestellt wird, enthält es anfänglich eine beträchtliche Menge Feuchtigkeit. Der größte Teil dieser Feuchtigkeit wird während der Papierherstellung entfernt. Aus vielen verschiedenen Gründen ist es jedoch oft wünschenswert, mindestens eine gewisse Feuchtigkeit in das Papier einzuschließen. Wenn das Papier zum Beispiel zu trocken ist, wird es dazu tendieren, sich an den Rändern einzurollen, oder es kann die Herstellungskosten erhöhen.
Eine Papierfolie wird gewöhnlich durch Führen um erhitzte Trockentrommeln getrocknet. Dies führt jedoch dazu, daß die Papierfolie über ihre Querrichtungs-Breite ungleichmäßig getrocknet wird, wodurch Papier von ungleichmäßiger Qualität erhalten wird. Es wurden Vorrichtungen entwickelt, um die Querrichtungsabschnitte der Folie in selektiver Weise zu befeuchten oder zu trocken. In dem US-Patent 5020469 von Boissevain et al., das an die Measurex Corporation abgetreten wurde, wird eine solche Vorrichtung beschrieben. Gewöhnlich erfolgt das Befeuchten oder Trocknen, nachdem die Folie um die Trockentrommeln geführt wurde. Natürlich muß die Bedienungsperson oder der Prozeßsteuerungscomputer in der Papierfabrik das Querrichtungs-Feuchtigkeitsprofil der Folie bestimmen, bevor diese Vorrichtungen wirksam verwendet werden können. Folglich wurden Feuchtigkeitssensoren entwickelt, um das Querrichtungs-Feuchtigkeitsprofil zu messen.
Wasser absorbiert elektromagnetische Strahlung über das infrarote Spektrum als eine Funktion der Wellenlänge. Einige Feuchtigkeitssensoren nutzen dieses Phänomen aus durch Aussenden von infraroter Strahlung zu der Folie hin und Erfassen der Menge der durch die Folie hindurchgehenden oder von der Folie reflektierten Strahlung bei oder nahe bei dem Wasserabsorptionspeak. Je mehr Feuchtigkeit in der Folie ist, desto weniger Strahlung wird bei oder nahe bei dem Wasserabsorptionspeak durch die Folie hindurchgehen oder von der Folie reflektiert werden.
Ein Infrarot-Feuchtigkeitssensor kann mit einer auf einer Seite der Folie gelegenen Infrarot- Strahlungsquelle und zwei auf der entgegengesetzten Seite gelegenen Detektoren aufgebaut werden. Jeder Detektor hat ein zugehöriges Bandpaßfilter, das zwischen der Quelle und dem Detektor angeordnet ist, so daß der Detektor nur in einem ausgewählten Band des Spektrums Strahlung empfängt. Ein erstes Bandpaßfilter läßt den Bereich der Strahlung, der nahe bei einem Wasserabsorptionspeak liegt, nach einem ersten Detektor hindurch. Folglich ist der erste Detektor hauptsächlich auf die Wassermenge in der Folie empfindlich, und er empfängt mehr infrarote Strahlung, wenn die Folie trocken ist, und weniger infrarote Strahlung, wenn die Folie feucht ist.
Ein zweites Bandpaßfilter läßt Strahlung in einem Band des Spektrums hindurch, in dem weniger Feuchtigkeitsabsorption erfolgt. In diesem Band erfolgt der größte Teil der Absorption durch Folienfasern anstatt durch Feuchtigkeit in der Folie. Wenn das Basisgewicht (d. h., das Gewicht pro Flächeneinheit) der Folienfasern zunimmt, empfängt der zweite Detektor folglich weniger infrarote Strahlung. Das Ausgangssignal des zweiten Detektors korrigiert Änderungen des Basisgewichts der Folienfasern. Wenn die Ausgangssignale von diesen zwei Detektoren in geeigneter Weise kombiniert werden, ergibt der Sensor eine genaue Messung der Feuchtigkeit in der Folie, so daß die Änderungen des Basisgewichts der Folienfasern die Feuchtigkeitsmessung nicht beeinflussen.
In dem US-Patent 4928013 von Howarth et al., das an die Measurex Corporation abgetreten wurde, wird ein Infrarot-Feuchtigkeitssensor dieses Typs beschrieben, mit zwei Bandpaßfiltern, die ausgewählt sind, um Folientemperaturänderungen, die das Absorptionsspektrum nach entweder kleineren oder größeren Wellenlängen verschieben, zu kompensieren. Bei diesem Sensor wird ein erstes Bandpaßfilter, das mit einem Meßwertdetektor kombiniert ist, so ausgewählt, daß es den Wasserabsorptionspeak bei ungefähr 1,93 Mikron umgibt. Wenn die Folientemperatur zunimmt, nimmt die Intensität der Strahlung auf der langwelligen Seite des Bandpaßfilters zu, während eine ungefähr gleiche Abnahme auf der kurzwelligen Seite erfolgt. Daher bleibt die Menge der den Meßwertdetektor erreichenden, infraroten Strahlung im wesentlichen konstant, wenn sich die Folientemperatur ändert. Ein zweites Bandpaßfilter, das mit einem Bezugswertdetektor kombiniert ist, wird so ausgewählt, daß es in einem Band des infraroten Spektrums liegt, das vorwiegend von den Folienfasern absorbiert wird. Die Intensität der von dem Bezugswertdetektor erfaßten Strahlung gibt hauptsächlich das Basisgewicht der Folie an.
Die Intensität der erfaßten Strahlung ist jedoch nicht nur von der Feuchtigkeit, dem Basisgewicht und der Temperatur der Folie abhängig. Jede Foliensorte hat ihr Streuvermögen und ihr Absorptionsvermögen, die die Intensität der erfaßten Strahlung beeinflussen. Das Streuvermögen eines Materials definiert seine Fähigkeit, die Richtung des auf das Material auffallenden Lichtes zu ändern von entweder der Einfallslinie, wenn das Licht durch das Material hindurchgeht, oder von der Spiegelrichtung, wenn das Licht von dem Material reflektiert wird. Das Absorptionsvermögen definiert die Fähigkeit des Materials, das auffallende Licht zu absorbieren, anstatt es durch die Folie hindurchzulassen oder an der Folie zu reflektieren.
Die Quelle der zur Herstellung von Papierprodukten verwendeten Holzfaser kann den Wert des Streukoeffizienten und/oder der Breitband-Absorptionskoeffizienten beeinflussen. Dies kann wiederum die Genauigkeit eines Infrarot-Feuchtigkeitssensors beeinflussen. Änderungen des Streuvermögens von Papier werden oft hervorgerufen, wenn sich die Quelle des Zellstoffs von einer Holzart nach einer anderen, oder von neuer nach recycelter Faser ändert. Eine Breitbandabsorptionsänderung kann durch den Ruß in Druckerfarben, die bei recyceltem Papier verwendet wurden oder zu gefärbtem Papier hinzugefügt wurden, hervorgerufen werden.
In dem US-Patent 3793524 von Howarth, das an die Measurex Corporation abgetreten wurde, wird ein Infrarot-Feuchtigkeitssensor zum Messen der Feuchtigkeit einer Folie aus einem Material wie Papier beschrieben. Der Feuchtigkeitssensor umfaßt eine Infrarotquelle, die infrarote Strahlung aus einer Öffnung heraus durch Papier und in einer andere Öffnung hinein bis zu einem Detektor richtet. Die Quellenöffnung und die Detektoröffnung sind in einander gegenüberliegenden reflektierenden Papierführungen gelegen, die auf den beiden Seiten des Papiers angeordnet sind, und sie sind gegeneinander versetzt, so daß die Strahlung auf ihrem Weg von der Quellenöffnung bis zu der Detektoröffnung zwischen den Papierführungen wiederholt hin- und herreflektiert wird (Fig. 2a). Die versetzte Geometrie hat eine relativ niedrige Empfindlichkeit auf das Streuvermögen des Papiers zur Folge, aber kann eine Eichung erfordern, um verschiedene Papiersorten zu messen.
In dem US-Patent 4345150 von Tamura et al. ("Tamura") wird ein Feuchtigkeitsmesser beschrieben, der obere und untere Köpfe mit reflektierenden Oberflächen aufweist, die einen Zwischenraum dazwischen definieren, um Papier oder dergleichen aufzunehmen. In den reflektierenden Oberflächen sind Öffnungen vorgesehen, um Licht auszusenden/zu erfassen, wobei das Licht infolge Reflexion an den reflektierenden Oberflächen vielfache Wechselwirkungen mit dem Papier hervorruft. Wie zum Beispiel in der Fig. 8A gezeigt ist, weist der Feuchtigkeitsmesser eine Bestrahlungsöffnung 4 auf, die eine optische Achse hat, die entsprechend derjenigen der Einfallsöffnung 5, aber nicht entsprechend derjenigen der Einfallsöffnung 5' ausgerichtet ist (oder gegen die Einfallsöffnung 5' versetzt ist). Als Folge davon werden die Signale Rt und Mt aus dem Licht erzeugt, das auf die Öffnung 5 eingefallen ist und Signale Rn und Mn aus dem Licht erzeugt, das auf die Öffnung 5' eingefallen ist.
Da Papier sowohl Elemente, die Licht streuen, als auch Elemente, die Licht absorbieren, aufweist, sind die Signale Rt, Mt, Rn, und Mn empfindlich auf sowohl das Streuvermögen, als auch das Absorptionsvermögen des zu messenden Papiers. Tamura erkennt nicht das Problem des Streuvermögens, das diese Signale und dadurch die Messungen beeinflußt, und er beschreibt keine Technik zum alleinigen Bestimmen des Absorptionsvermögens des Papiers.
Der Feuchtigkeitsmesser von Tamura würde daher eine gewisse Anzahl von Eichungen erfordern, um alle Papiersorten zu messen; andernfalls beeinflußt das Streuvermögen die Genauigkeit der Feuchtigkeitsmessungen. Es wäre sehr wünschenswert, einen Feuchtigkeitssensor zu haben, der eine einzige Eichung für einen großen Bereich von Papiersorten hat. Um dieses Ziel zu erreichen, muß jegliche Empfindlichkeit auf das Streuvermögen eliminiert werden.
Das US-Patent 4743775 bezieht sich auf ein Absorptions-Meßgerät zum Bestimmen der Dicke, des Feuchtigkeitsgehalts oder anderer Parameter eines Films oder einer Beschichtung, die elektromagnetische Strahlung durchlassen können. Das Meßgerät umfaßt eine Quelle, die zu dem Film hin gerichtete Strahlung aussendet. Der durch den Film hindurchgelassene Teil der Strahlung wird von einem ersten Detektor erfaßt, der ein Signal "a" erzeugt. Der Teil der Strahlung, der von dem Film reflektiert wird, wird danach von einem dritten optischen System reflektiert, das die Strahlung durch den Film nach einem zweiten Detektor lenkt, der ein Signal "b" erzeugt. Das Meßgerät kombiniert die Signale gemäß der Formel [a/(1- b/a)], wodurch angeblich Fehler der optischen Interferenz unterdrückt werden. Folglich sind die beiden Signale "a" und "b" in einem gewissen unbekannten Grade offensichtlich abhängig von sowohl dem Absorptionsvermögen, als auch dem Streuvermögen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor und eine Methode zum Messen von einer oder mehr ausgewählten Komponenten (z. B. der Feuchtigkeit) eines Materials durch Aussenden von Strahlung zu dem Material hin und Erfassen der Menge der bei von der Strahlungsquelle verschiedenen Stellen aus dem Material austretenden Strahlung, nachdem die Strahlung vielfache Wechselwirkungen mit dem Material hervorgerufen hat.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor verwirklicht zum Messen von einer oder mehr ausgewählten Komponenten einer Folie, aufweisend:
eine Strahlungsquelle, um Strahlung nach der Folie auszusenden;
eine Vielzahl von Erfassungsmitteln zum Erfassen der Strahlung nach der Wechselwirkung mit der Folie, wobei mindestens ein Erfassungsmittel gegen die Quelle versetzt ist;
Richtmittel, um die Strahlung so zu richten, daß sie auf ihrem Weg von der Quelle zu den Erfassungsmitteln mehrere Wechselwirkungen mit der Folie hervorruft, wobei die Richtmittel einen ersten Reflektor umfassen, der eine Quellenöffnung zum Aussenden von Strahlung hat;
wobei die Richtmittel einen zweiten Reflektor aufweisen, um Strahlung nach mindestens einem Erfassungsmittel zu richten, wobei ein Folienzwischenraum zum Aufnehmen der Folie zwischen dem ersten und zweiten Reflektor definiert ist, wobei der zweite Reflektor eine erste Detektoröffnung und eine zweite Detektoröffnung umfaßt, wobei mindestens eine Detektoröffnung gegen die Quellenöffnung versetzt ist;
und weiterhin Berechnungsmittel, die ausgelegt sind, um (a) Verhältnisse der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn keine Folie in dem Folienzwischenraum vorhanden ist, zu der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn die Folie den Folienzwischenraum einnimmt, zu berechnen, um (b) die Verhältnisse zu verwenden, um sowohl das Absorptionsvermögen, als auch das Streuvermögen der Folie aus der bei der ersten und zweiten Detektoröffnung empfangenen Strahlung zu berechnen, und um (c) unter Verwendung der Signale von der Vielzahl von Erfassungsmitteln die ausgewählten Komponenten zu berechnen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode verwirklicht zum Messen der Menge einer ausgewählten Komponente einer Folie, wobei die Methode die Schritte aufweist, bei denen:
Strahlung von einer Quelle nach der Folie ausgesandt wird;
bei einer Vielzahl von Erfassungsmitteln mit ungleicher Versetzung gegen die Strahlungsquelle eine Vielzahl von Signalen erfaßt und erzeugt wird, die die Intensität der von der Folie ausgehenden Strahlung angeben;
die Strahlung so gerichtet wird, daß sie auf ihrem Weg von der Quelle nach mindestens einem der Erfassungsmittel mehrere Wechselwirkungen mit der Folie hervorruft; und
(a) Verhältnisse der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn keine Folie in dem Folienzwischenraum vorhanden ist, zu der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn die Folie vorhanden ist, berechnet werden, (b) die Verhältnisse verwendet werden, um sowohl das Absorptionsvermögen, als auch das Streuvermögen der Folie aus der bei der ersten und zweiten Detektoröffnung empfangenen Strahlung zu berechnen, und (c) unter Verwendung der Signale von der Vielzahl von Erfassungsmitteln die ausgewählten Komponenten berechnet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich werden, wobei die beigefügten Zeichnungen Folgendes darstellen:
Die Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht eines Sensors, der auf einem Scanner angebracht ist, der sich in der Querrichtung über die Folie hin- und herbewegt.
Die Fig. 2a ist eine schematische Vorderansicht, die eine Ausführungsform eines Sensors der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die Fig. 2b ist eine schematische Vorderansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Sensors der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die Fig. 3a veranschaulicht eine reflektierende Papierführung des unteren Kopfes des Sensors mit einer Quellenöffnung.
Die Fig. 3b veranschaulicht eine reflektierende Papierführung des oberen Kopfes des Sensors mit zwei Detektoröffnungen.
Die Fig. 3c veranschaulicht eine reflektierende Papierführung des unteren Kopfes des Sensors mit einer Quellenöffnung und einer Detektoröffnung.
Die Fig. 3d veranschaulicht eine reflektierende Papierführung des oberen Kopfes des Sensors mit einer Detektoröffnung.
Die Fig. 4 veranschaulicht die Infrarot-Transmissionsspektren einer Papierfolie von geringem Gewicht, die Feuchtigkeit enthält, bei verschiedenen Temperaturen, mit Angabe von geeigneten erfaßten Wellenlängenbändern für den Meßwert, den Bezugswert, die Temperaturkorrektur, die Zellulose und den Kunststoff.
Die Fig. 5 veranschaulicht die Infrarot-Transmissionsspektren einer Papierfolie von mittlerem Gewicht, die Feuchtigkeit enthält, bei zwei verschiedenen Temperaturen, mit Angabe der geeigneten erfaßten Wellenlängenbänder für den Meßwert, den Bezugswert, die Temperaturkorrektur und die Zellulose.
Die Fig. 6 veranschaulicht die Infrarot-Transmissionsspektren einer Papierfolie von großem Gewicht, die Feuchtigkeit enthält, bei zwei verschiedenen Temperaturen, mit Angabe der geeigneten erfaßten Wellenlängenbänder für den Meßwert, den Bezugswert, die Temperaturkorrektur, die Zellulose und den zweiten Bezugswert.
Die Fig. 7 veranschaulicht die Geometrie und Nomenklatur, die für die Analyse der Lichtverteilung auf zwei parallelen Ebenen verwendet werden.
Die Fig. 8a gibt eine graphische Darstellung des Absorptionsvermögens und des Streuvermögens einer Papierfolie wieder, aufgetragen als Funktion des Reziprokwertes der Intensität der Strahlung, die bei einem geradlinigen und einem versetzten Transmissionsdetektor einzeln erfaßt wurde.
Die Fig. 8b gibt eine graphische Darstellung des Absorptionsvermögens und des Streuvermögens einer Papierfolie wieder, aufgetragen als Funktion des Reziprokwertes der Intensität der Strahlung, die bei einem Transmissionsdetektor und einem Reflexionsdetektor, die in gleichem Maße gegen eine Infrarot- Strahlungsquelle versetzt sind, einzeln erfaßt wird.
Die Fig. 9a veranschaulicht eine alternative Ausführungsform für die Quellen- und Detektoröffnungen der reflektierenden Papierführungen, und eine mögliche Variation für die Oberfläche der Papierführungen.
Die Fig. 9b veranschaulicht eine weitere alternative Ausführungsform für die Quellen- und Detektoröffnungen der reflektierenden Papierführungen, und eine mögliche Variation für die Oberfläche der Papierführungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Beschreibung umfaßt die beste Ausführungsart der Erfindung. Zur Vereinfachung wird die Erfindung in erster Linie für die Messung der Feuchtigkeitsmenge in einer Papierfolie mittels infraroter Strahlung beschrieben. Dies wird jedoch nur getan, um die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen, und sollte nicht in einem begrenzenden Sinn verstanden werden. Die Prinzipien der Erfindung können auch verwendet werden, um andere ausgewählte Komponenten oder physikalische Eigenschaften (z. B. das Basisgewicht) einer Folie aus anderen Materialarten (z. B. Kunststoffilm) mit anderen Arten elektromagnetischer Strahlung (z. B. ultraviolettem und sichtbarem Licht) zu messen. Daher wird der Geltungsbereich der Erfindung am besten unter Bezugnahme auf die angefügten Patentansprüche festgelegt.
Die Fig. 1 veranschaulicht einen Scanner 10, der ein Rahmenwerk 12 umfaßt, aus einem oberen und unteren Balken 14 und 16, die in einem gewissen Abstand parallel zueinander angeordnet sind und sich in der Querrichtung über die Folie aus Material oder Papier 18 erstrecken. Das Papier 18 bewegt sich in der durch den Pfeil 20 angegebenen Richtung durch den Scanner 10. Ein unterer und oberer Meßkopf 22 und 24 sind auf dem Rahmenwerk 12 vorgesehen und bewegen sich in der Längsrichtung des Rahmenwerks 12 und in der Querrichtung des Papiers 18.
Die Fig. 2a veranschaulicht einen Infrarot-Feuchtigkeitssensor 32. Der Sensor 32 umfaßt einen unteren Kopf 22 mit einer Strahlungsquelle, um infrarote Strahlung 42 durch eine Quellenöffnung 34 auf das Papier 18 zu richten. Günstige Ergebnisse wurden erreicht bei Verwendung einer Strahlungsquelle aus einer Glühlampe 38 und einem elliptischen Reflektor 40, mit einer Quellenöffnung 34 von ungefähr 1/2 Zoll im Durchmesser. Vorzugsweise wird die von der Lampe 38 ausgesandte und auf das Papier 18 auffallende Strahlung mit einer bekannten Frequenz moduliert, wobei dies jedoch nicht notwendig für die Erfindung ist.
Diese Modulation kann durch irgendeine von mehreren Vorrichtungen ausgeführt werden. Zum Beispiel können die Zinken 44 einer Stimmgabel 46 in dem Pfad der Strahlung 42 angeordnet werden. Die vibrierenden Zinken 44 modulieren die Strahlung 42, wenn sie sich abwechselnd in den Pfad der Strahlung 42 hineinbewegen und aus dem Pfad der Strahlung 42 hinausbewegen. In alternativer Weise kann eine undurchsichtige Scheibe (nicht wiedergegeben), die eine Vielzahl von in gleichen Abständen angeordneten Schlitzen hat, in dem Pfad der Strahlung gedreht werden, so daß die Strahlung abwechselnd durch die Schlitze hindurchgelassen wird und durch die undurchsichtigen Bereiche der Scheibe blockiert wird. Bei jeder Vorrichtung wird die Strahlung 42 mit einer bekannten Frequenz moduliert. Der Grund für die Modulation der Strahlung wird unten angegeben.
Der untere und obere Kopf 22 und 24 umfassen einander gegenüberliegende Oberflächen, die als Papierführungen 28 und 30 dienen. Jede der Führungen 28 und 30 umfaßt eine reflektierende Beschichtung 48 (Fig. 3a und 3b), um Strahlung von einer Quellenöffnung 34 nach der Detektoröffnung 36 zu lenken. Die Fig. 3a veranschaulicht, daß die Führung 28 eine reflektierende Beschichtung 48 und eine Quellenöffnung 34 umfaßt. Die Fig. 3b veranschaulicht, daß die Führung 30 eine ähnliche reflektierende Beschichtung 48 und Detektoröffnungen 36 und 37 hat.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt jede der Führungen 28 und 30 eine reflektierende Beschichtung 48 (Fig. 3c und 3d), um Strahlung von der Quellenöffnung 34 nach den Detektoröffnungen 36 und 37 zu lenken. Die Fig. 3c veranschaulicht, daß die Führung 28 eine reflektierende Beschichtung 48, eine Quellenöffnung 34 und eine Detektoröffnung 37 umfaßt. Die Fig. 3d veranschaulicht, daß die Führung 30 eine ähnliche reflektierende Beschichtung 48 und eine Detektoröffnung 36 hat.
Bei jeder Ausführungsform ist die reflektierende Beschichtung 48 vorzugsweise eine nicht- spiegelnde oder diffuse, reflektierende Oberfläche. Zum Beispiel kann die Beschichtung 48 aus einer Schicht aus durchscheinendem Quarz oder durchscheinender Glaskeramik sein, auf deren Rückseite ein reflektierendes Material aufgebracht ist. Um eine leicht zu reinigende Oberfläche zu haben, können die Oberflächen der Führungen 28 und 30 aus eloxiertem Aluminium sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die Führungen 28 und 30 aus zwei diffusen, reflektierenden, parallelen Platten bestehen, die in einem Abstand von ungefähr 0,4 Zoll voneinander angeordnet sind.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2a wird die Strahlung 42 zwischen der unteren und oberen Führung 28, 30 hin- und herreflektiert, bevor sie in die Detektoröffnung 36 eindringt. In gleicher Weise wird bei der Ausführungsform der Fig. 2b die Strahlung 42 zwischen der oberen und unteren Führung 28, 30 hin- und herreflektiert, bevor sie in die Detektoröffnungen 36 und 37 eindringt. Bei jeder Ausführungsform stellt dies sicher, daß die Strahlung 42 mehrfache Wechselwirkungen mit dem Papier 18 hervorruft, d. h., mehrere Male durch das Papier 18 hindurchgeht.
Die mehrfachen Wechselwirkungen ergeben gewisse Vorteile bei der Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von sehr leichten Papiersorten, wie Seidenpapier, und sehr schweren Papiersorten. Diese Technik und die Vorteile solcher mehrfacher Wechselwirkungen mit der Papierfolie sind ausführlicher diskutiert in dem US-Patent 3793524 von Howarth, das an die Measurex Corporation abgetreten wurde.
Die Strahlung 42 von der Quellenöffnung 34 erreicht die Detektoröffnung 36 (Fig. 2a) oder die Detektoröffnungen 36 und 37 (Fig. 2b) über einen ein wenig komplexe Folge von Pfaden, die durch die gestrichelten Linien teilweise veranschaulicht sind. Die Strahlung 42 trifft anfänglich auf das Papier 18 auf, wobei ein Teil der Strahlung 42 hindurchgeht, und ein Teil von dem Papier 18 reflektiert wird. Die Führungen 28 und 30 reflektieren diese Strahlung 42 nach dem Papier 18 zurück, wo sie dem gleichen Prozeß der teilweisen Transmission und Reflexion unterworfen wird. Außerdem bewirkt das Papier 18, da es durchscheinend ist, eine Streuung der Strahlung 42, wodurch die Anzahl der Pfade zunimmt.
Die mittlere Anzahl der Durchgänge der Strahlung 42 durch das Papier 18 auf ihrem Weg von der Quellenöffnung 34 bis zu der Detektoröffnung 36 (Fig. 2a) oder bis zu den Detektoröffnungen 36 und 37 (Fig. 2b) kann durch Einstellen der Geometrie des Sensors 32 leicht gesteuert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß das Papier 18 dicker zu sein scheint als seine tatsächliche Dicke.
Wie bei der Ausführungsform der Fig. 2a gezeigt ist, erreicht die Strahlung 42 von der Quellenöffnung 34 die Detektoröffnung 37 über einen einzigen Pfad, der durch die gestrichelte Linie veranschaulicht ist. Folglich hat die in die Detektoröffnung 36 eindringende Strahlung 42 eine größere Wechselwirkung mit dem Papier 18 als die in die Detektoröffnung 37 eindringende Strahlung.
Bei jeder Ausführungsform dringt die Strahlung 42 über die Detektoröffnung 36 in den oberen Kopf 24 ein. Der obere Kopf 24 umfaßt ein Lichtrohr 50, das die Strahlung 42 bis zu einer Linse 52 führt, die die Strahlung parallel ausrichtet. Der erste Strahlteiler 54 teilt die Strahlung 42 in drei getrennte Strahlen 56, 58 und 60 auf. Die Bandpaßfilter 62 und 64 sind in den jeweiligen Pfaden der Strahlen 56 und 60 positioniert. Die Linsen 66 und 68 fokussieren die Strahlung auf einen Temperaturdetektor 70 und einen Kunststoffdetektor 72. Die Detektoren 70 und 72 können von dem Bleisulfidtyp sein. Jedes Filter 62 und 64 ist ausgelegt, um Strahlung in einem ausgewählten spektralen Band hindurchzulassen. Die Strahlung, die nicht innerhalb des Durchlaßbandes der Filter 62 und 64 liegt, wird von diesen Filtern nach dem Strahlteiler 54 reflektiert und erreicht den Temperaturdetektor 70 oder den Kunststoffdetektor 72 nicht.
Der Teil der Strahlung 42, der durch den ersten Strahlteiler 54 hindurchgeht, das heißt, der Strahl 58, trifft auf einen zweiten Strahlteiler 74 auf. Der zweite Strahlteiler 74 teilt den Strahl 58 in drei Strahlen 76, 84 und 92 auf. Die Bandpaßfilter 78, 86 und 94 sind in dem jeweiligen Pfad der Strahlen 76, 84 und 92 positioniert. Die Linsen 80, 88 und 96 fokussieren die Strahlung auf einen Zellulosedetektor 82, einen Meßwertdetektor 90 und einen Bezugswertdetektor 98. Die Detektoren 82, 90 und 98 können auch von dem Bleisulfidtyp sein. Jedes Filter 78, 86 und 94 wird so ausgewählt, daß es Strahlung in einem verschiedenen Band des Spektrums durchläßt. Folglich dringt die Strahlung 42 durch die Detektoröffnung 36 in den oberen Kopf 24 ein, aber die Optiken in dem oberen Kopf 24 teilen die Strahlung 42 in fünf Strahlen 56, 60, 76, 84 und 92 auf, von denen jeder von einem zugehörigen Infrarotdetektor 70, 72, 82, 90 und 98 erfaßt wird.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2a umfaßt der obere Kopf 24 in gleicher Weise eine Detektoröffnung 37, ein Lichtrohr 51, das die Strahlung 42 bis zu einer parallel ausrichtenden Linse 53 führt, die zwischen dem Lichtrohr 51 und einem ersten Strahlteiler 55 angeordnet ist. Der erste Strahlteiler 55 teilt die Strahlung 42 in drei getrennte Strahlen 57, 59 und 61 auf. Die Bandpaßfilter 63 und 65 sind in dem jeweiligen Pfad der Strahlen 57 und 61 positioniert. Die Linsen 67 und 69 fokussieren die Strahlung auf einen Temperaturdetektor 71 und einen Kunststoffdetektor 73. Die Detektoren 71 und 73 können von dem Bleisulfidtyp sein. Jedes Filter 63 und 65 wird so ausgewählt, daß es Strahlung in einem verschiedenen Band des Spektrums durchläßt. Die Strahlung, die nicht innerhalb des Durchlaßbandes der Filter 63 und 65 liegt, wird von diesen Filtern nach dem ersten Strahlteiler 55 reflektiert und erreicht den Temperaturdetektor 71 oder den Kunststoffdetektor 73 nicht.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2b umfaßt der untere Kopf 22 ein Lichtrohr 51, das die Strahlung 42 bis zu einer parallel ausrichtenden Linse 53 führt, die zwischen dem Lichtrohr 51 und einem ersten Strahlteiler 55 angeordnet ist. Der erste Strahlteiler 55 teilt die Strahlung 42 in drei getrennte Strahlen 57, 59 und 61 auf. Die Bandpaßfilter 63 und 65 sind in dem jeweiligen Pfad der Strahlen 57 und 61 positioniert. Die Linsen 67 und 69 fokussieren die Strahlung auf einen Temperaturdetektor 71 und einen Kunststoffdetektor 73. Die Detektoren 71 und 73 können von dem Bleisulfidtyp sein. Jedes Filter 63 und 65 wird so ausgewählt, daß es die Strahlung in einem verschiedenen Band des Spektrums hindurchläßt. Die Strahlung, die nicht innerhalb des Durchlaßbandes der Filter 63 und 65 liegt, wird von diesen Filtern nach dem ersten Strahlteiler 55 reflektiert und erreicht den Temperaturdetektor 71 oder den Kunststoffdetektor 73 nicht.
Der Teil der Strahlung 42, der durch den ersten Strahlteiler 55 hindurchgeht, das heißt, der Strahl 59, trifft auf einen zweiten Strahlteiler 75 auf. Der zweite Strahlteiler 75 teilt den Strahl 59 in drei getrennte Strahlen 77, 85 und 93 auf. Die Bandpaßfilter 79, 87 und 95 sind in dem jeweiligen Pfad der Strahlen 77, 85 und 93 positioniert. Die Linsen 81, 89 und 97 fokussieren die Strahlung auf einen Zellulosedetektor 83, einen Meßwertdetektor 91 und einen Bezugswertdetektor 99. Die Detektoren 83, 91 und 99 können von dem Bleisulfidtyp sein. Jedes Filter 79, 87 und 95 wird so ausgewählt, daß es die Strahlung in einem verschiedenen Band des Spektrums hindurchläßt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2a dringt die Strahlung 42 durch die Öffnung 37 in den oberen Kopf 24 ein, aber die Optiken in dem oberen Kopf 24 teilen die Strahlung 42 in fünf Strahlen 57, 61, 77, 85 und 93 auf, von denen jeder von einem zugehörigen Detektor 71, 73, 83, 91 und 99 erfaßt wird.
Die Bandpaßfilter, die jeder Detektoröffnung 36 und 37 zugeordnet sind, sind vorzugsweise im wesentlichen gleichartig. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind folglich die Filter 62 und 63 im wesentlichen gleichartig; die Filter 64 und 65 gleichartig; die Filter 78 und 79 gleichartig; die Filter 86 und 87 gleichartig; und die Filter 94 und 95 gleichartig.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2b dringt die Strahlung 42 durch die Detektoröffnung 37 in den unteren Kopf 22 ein, aber die Optiken in dem unteren Kopf 22 teilen die Strahlung 42 in fünf Strahlen 57, 61, 77, 85 und 93 auf, von denen jeder von einem zugehörigen Detektor 71, 73, 83, 91 und 99 erfaßt wird.
Die Bandpaßfilter in dem oberen Kopf 24 und die Filter mit der gleichen Funktion in dem unteren Band 22 sind so ausgelegt, daß sie im wesentlichen gleichartig sind. Folglich sind die Filter 62 und 63 im wesentlichen gleichartig; die Filter 64 und 65 gleichartig; die Filter 78 und 79 gleichartig; die Filter 86 und 87 gleichartig; und die Filter 94 und 95 gleichartig.
Die Fig. 9a veranschaulicht eine alternative Anordnung für die Quellenöffnung 34 und die Detektoröffnungen 36 und 37. Die Quellenöffnung 34 und die Detektoröffnung 37 sind in der Führung 28 gebildet und um "A" gegeneinander versetzt, während die Detektoröffnung 36 in der Führung 30 gebildet ist und um "B" gegen die Quellenöffnung 34 versetzt ist.
Die Ausführungsform der Fig. 9a veranschaulicht nur, daß die Detektoröffnungen 36 und 37 in den Führungen 28 und/oder 30 angeordnet sein können, solange ihre Versetzung gegen die Quellenöffnung 34 verschieden ist. Wie in der Fig. 9a gezeigt ist, umfassen die Führungen 28 und 30 gewöhnlich eine Quarzschicht 120, 122 und 124 mit einer reflektierenden Rückseitenschicht (nicht wiedergegeben) und einem strahlungsabsorbierenden Medium 118.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Abhängigkeit von dem durchgelassenen Teil der Strahlung, der die Detektoröffnung 37 erreicht, verringert ist, und dadurch die Abhängigkeit von der Streuung vergrößert ist. Der größte Vorteil ist die Verringerung der Anzahl der Papiersortengruppen, die erforderlich ist, um den Sensor 32 zu eichen.
Die Fig. 9b veranschaulicht noch eine weitere alternative Anordnung für die Quellenöffnung 34 und die Detektoröffnungen 36 und 37. Die Quellenöffnung 34 und die Detektoröffnung 37 haben die gleiche Lage wie in der Fig. 2b, aber die Detektoröffnung 36 ist nach rechts verschoben. Dennoch haben die Detektoröffnungen 36 und 37 im wesentlichen noch die gleiche Versetzung D gegen die Quellenöffnung 34. Wie in der Fig. 9b gezeigt ist, umfassen die Führungen 28 und 38 eine Quarzschicht 120, 122 und 124 mit einer reflektierenden Rückseitenschicht (nicht wiedergegeben) und ein strahlungsabsorbierendes Medium 118.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die Abhängigkeit von dem durchgelassenen Teil der Strahlung, der die Detektoröffnung 37 erreicht, verringert ist, und dadurch die Abhängigkeit von der Streuung vergrößert ist. Der größte Vorteil ist die Verringerung der Anzahl der Papiersortengruppen, die erforderlich ist, um den Sensor 32 zu eichen.
Die Fig. 4 veranschaulicht das Infrarot-Transmissionsspektrum 101 einer Papierfolie von geringem Gewicht, z. B. 70 Gramm/Quadratmeter (g/m²), die Feuchtigkeit enthält, bei einer Temperatur von ungefähr 22ºC und 60ºC. Die mit MES, REF, CORR, CEL und SYN bezeichneten, schraffierten Flächen geben die Wellenlängenbänder an, die von dem Meßwertdetektor 90, dem Bezugswertdetektor 98, dem Temperaturkorrekturdetektor 70, dem Zellulosedetektor 82 und dem Kunststoffdetektor 72 in dem oberen Kopf 24 (Fig. 2a) erfaßt werden. In ähnlicher Weise geben die schraffierten Flächen MES, REF, CORR, CEL und SYN die Wellenlängenbänder an, die von dem Meßwertdetektor 91, dem Bezugswertdetektor 99, dem Temperaturkorrekturdetektor 71, dem Zellulosedetektor 83 und dem Kunststoffdetektor 73 in dem oberen Kopf 24 (Fig. 2a) und dem unteren Kopf 22 (Fig. 2b) erfaßt werden.
Um die Daten für das Infrarot-Transmissionsspektrum 101 zu erhalten, werden zwei Glasplatten auf den entgegengesetzten Seiten einer Papierfolie angeordnet, wobei die Glasplatten bewirken, daß ein Feuchtigkeitsverlust während der Erwärmung auf die gewünschten Temperaturen verhindert wird. Die Glasplatten dienen nicht nur dazu, konstante Feuchtigkeitswerte während der Messungen aufrechtzuerhalten, sondern auch dazu, eine thermische Masse zu bilden, die die Papierfolientemperatur aufrechterhält, um eventuelle Messungen bei Temperaturen über der Umgebungstemperatur oder bei einer niedrigeren Temperatur zu machen. Dazu wird die von Glas umgebene Papierfolie zuerst erwärmt, und dann werden die Messungen der Infrarottransmission durch das Glas, das die Papierfolie umgibt, bei der höheren und niedrigeren Temperatur gemacht.
Das Infrarot-Absorptionsspektrum von Wasser und Papier weist die Besonderheit auf, daß die Absorptionscharakteristiken des gesamten Spektrums nach kleineren Wellenlängen verschoben werden, wenn die Papierfolientemperatur erhöht wird, und nach größeren Wellenlängen verschoben werden, wenn die Papierfolientemperatur verringert wird. In der Fig. 4 ist das Infrarotspektrum der Papierfolie von geringem Gewicht bei der höheren Temperatur durch die gestrichelte Linie 102 wiedergegeben. Das Infrarotspektrum bei der niedrigeren Temperatur ist durch die ausgezogene Linie 104 wiedergegeben. Natürlich hat das Infrarotspektrum 102 der Papierfolie bei der höheren Temperatur ungefähr die gleiche Absorptionscharakteristik wie bei der niedrigeren Temperatur, aber bei kleineren Wellenlängen.
Das Infrarotspektrum wird von der Absorption durch sowohl Wasser, als auch Papierfasern beeinflußt. In dem Band um 1,93 Mikron ist Wasser bei der Absorption von infraroter Strahlung viel wirksamer als Papierfasern. Folglich wird in diesem Band des Spektrums die Absorption durch den Wassergehalt des Papiers 18 am stärksten beeinflußt.
Wie in der Fig. 4 gezeigt ist, kann für eine Papierfolie von geringem Gewicht (z. B. 70 g/m²) ein Infrarot-Bandpaßfilter 86 (Fig. 2a), das mit einem Meßwertdetektor 90 kombiniert ist, sein Durchlaßband 112 ungefähr um den Wasserabsorptionspeak 106, zum Beispiel bei ungefähr 1,93 Mikron, zentriert haben. Für diesen Zweck können wir ein Bandpaßfilter 86 (Fig. 2a oder 2b) mit einem Bereich von 1,92 bis 1,95 Mikron verwenden, wobei dies die untere und obere Wellenlänge ist, bei der die Transmission den halben Wert des Transmissionspeaks erreicht.
Wenn die Folientemperatur zunimmt, nimmt daher die Intensität der erfaßten infraroten Strahlung in dem MES-Band auf der langwelligen Seite des Bandes zu, während eine ungefähr gleich große Abnahme der erfaßten infraroten Strahlung auf der entgegengesetzten, kurzwelligen Seite des Bandes erfolgt. Bei dieser Technik ist die Gesamtmenge der den Meßwertdetektor 90 erreichenden, infraroten Strahlung sehr empfindlich auf den Feuchtigkeitsgehalt, und im wesentlichen unempfindlich auf die Folientemperatur. Folglich ergibt das Signal von dem Meßwertdetektor 90 (das "MES"-Signal) einen ungefähren Meßwert für den Feuchtigkeitsgehalt der Folie, wobei dieser Meßwert im wesentlichen unempfindlich auf eine Temperaturänderung ist.
Wie oben erwähnt wurde, beeinflußt das Basisgewicht des Papiers 18 ebenfalls das Infrarot- Transmissionsspektrum. Um ein Signal zu erhalten, das auf das Basisgewicht empfindlich ist, wird, wie in der Fig. 2a oder 2b gezeigt ist, ein Bandpaßfilter 94 vor einem Bezugswertdetektor 98 angeordnet. Das Filter 94 hat ein Durchlaßband 110 (Fig. 4), das ein REF-Band definiert, das weniger empfindlich auf Wasser, und im wesentlichen unempfindlich auf die Folientemperatur ist. Zum Beispiel weist ein Filter mit einem Durchlaßbereich von 1,82 bis 1,86 Mikron (senkrechter Einfall) beide Eigenschaften auf. Da das Durchlaßband 110 des Filters unter 1,9 Mikron liegt, ist es empfindlich auf das Basisgewicht des Papiers 18. Wenn das Basisgewicht zunimmt, nimmt daher die Menge der durch die Folie hindurchgehenden, infraroten Strahlung ab. Folglich ergibt das Signal von dem Detektor 98 (das "REF"-Signal) einen ungefähren Meßwert für das Basisgewicht des Papiers.
Da das MES-Signal und das REF-Signal auf die Folientemperatur empfindlich sein können, wird gemäß der Erfindung für die Temperaturkorrektur ein Temperaturkorrekturdetektor 70 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 42 vorgesehen. Das Signal von diesem Temperaturkorrekturdetektor 70 (das "CORR"-Signal) kann verwendet werden, um den Meßwert des Sensors 32 für die Effekte der variierenden Folientemperatur zu korrigieren, wie unten beschrieben wird. Das für dieses Filter 62 gewählte Durchlaßband 108 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, wobei die Amplitude des Signals von dem Temperaturkorrekturdetektor 70 auf Änderungen der Folientemperatur empfindlich ist. Die Änderungen bei dem CORR-Signal von dem Temperaturkorrekturdetektor 70 werden verwendet, um von der Temperatur hervorgerufene Änderungen bei dem MES-Signal und/oder REF-Signal zu kompensieren.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CORR-Band oder Durchlaßband 108 dieses Filters ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,68 bis 1,72 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von geringem Gewicht erreicht wurde.
Gemäß der Erfindung kann ein Zellulosedetektor 82 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 78 vorgesehen werden. Das Signal von diesem Zellulosedetektor 82 (das "CEL"-Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung für einen variierenden Zellulosegehalt zu korrigieren, oder um einen Meßwert für den Feuchtigkeitsgehalt als ein Prozentsatz des Gesamtgewichts der Folie zu erhalten. Das für dieses Filter 78 gewählte Durchlaßband 114 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, das empfindlich auf den Zellulosegehalt des Papiers 18 ist.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CEL-Band oder Durchlaßband 114 dieses Filters ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 2,06 bis 2,10 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von geringem Gewicht erreicht wurde.
Gemäß der Erfindung kann auch ein Kunststoffdetektor 72 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 64 vorgesehen werden. Das Signal von diesem Kunststoffdetektor 72 (das "SYN"-Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung für einen variierenden Kunststoffgehalt zu korrigieren. Obwohl dies bei Papierprodukten weniger üblich ist, können Kunststoffasern (z. B. Polyesterfasern und Polyethylenfasern) in Produkte aus Papier von geringem Gewicht (z. B. Teebeutel) eingeschlossen werden, um Bersten der Produkte zu vermeiden, wenn sie naß sind. Das für dieses Filter 72 gewählte Durchlaßband 116 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, das empfindlich auf den Kunststoffasergehalt des Papiers 18 ist.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte SYN-Band oder Durchlaßband 116 dieses Filters ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 2,33 bis 2,37 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Kunststofferfassung für Papier von geringem Gewicht erreicht wurde.
Vorzugsweise wird ein identischer Satz Bandpaßfilter in gleicher Weise für die Detektoröffnung 37 des oberen Kopfes 24 (Fig. 2a) oder des unteren Kopfes 22 (Fig. 2b) angeordnet.
Die Fig. 5 veranschaulicht das Infrarot-Transmissionsspektrum 101 für eine Papierfolie von mittlerem Gewicht (z. B. Deckkarton von 205 g/m²), die Feuchtigkeit enthält, bei einer Temperatur von ungefähr 22ºC und 60ºC. Das infrarote Spektrum der Folie bei der höheren Temperatur ist durch die gestrichelte Linie 102 wiedergegeben. Das infrarote Spektrum der Folie bei der niedrigeren Temperatur ist durch die ausgezogene Linie 104 wiedergegeben. Um das infrarote Spektrum zu erhalten, wurde die Papierfolie zwischen zwei Glasplatten versiegelt, um einen Feuchtigkeitsverlust während der Erwärmung zu verhindern. Dann wurden Messungen der Infrarotpenetration durch die zwischen Glas eingeschlossenen Folien bei der höheren und der niedrigeren Temperatur gemacht. Die mit MES, REF, CORR und CEL bezeichneten, schraffierten Flächen veranschaulichen die verschiedenen Wellenlängenbänder, die durch die jeweiligen Filter hindurchgehen und erfaßt werden.
Wie weiter oben erwähnt wurde, enthält ein Papierprodukt von größerem Gewicht gewöhnlich mehr Feuchtigkeit als ein Papier von geringem Gewicht. Wenn die Feuchtigkeitsmenge zunimmt, nimmt der Wasserabsorptionspeak in der Höhe zu, und er wird auch breiter in der Wellenlängenrichtung. Wie durch die Fig. 5 veranschaulicht wird, tendieren beide Effekte dazu, die Menge der durch die Folie hindurchgelassenen Strahlung zu verringern. In der Tat, bei und um den Wasserabsorptionspeak können die starke Wasser- und Zelluloseabsorption einer Papiersorte mit größerem Gewicht in wirksamer Weise einen großen Teil der infraroten Strahlung absorbieren, die von der Infrarotquelle auf die Folie gerichtet wird. Folglich kann das schmale Bandpaßfilter, das für das weiter oben diskutierte Papier von geringem Gewicht verwendet wird, völlig ungeeignet sein, um die erforderliche Strahlungsmenge nach dem Detektor hindurchzulassen.
Anstatt ein solches schmales Bandpaßfilter auszuwählen, um infrarote Strahlung in einem an den Wasserabsorptionspeak angrenzenden Band hindurchzulassen, wird gemäß der Erfindung das Problem der relativ niedrigen Transmission dadurch gelöst, daß ein relativ breites Bandpaßfilter um den Wasserabsorptionspeak vorgesehen wird. Dies minimiert auch die Temperaturempfindlichkeit, da sichergestellt wird, daß die integrierten Flächen unterhalb des Infrarot-Transmissionsspektrums für einen großen Temperaturbereich ungefähr gleich groß bleiben, und daß der Wasserabsorptionspeak innerhalb der Filterbegrenzungskurve bleibt.
Für diese Papierfolie von mittlerem Gewicht kann ein Infrarot-Bandpaßfilter 86 (Fig. 2a oder 2b), das mit dem Meßwertdetektor 90 kombiniert ist, ein Durchlaßband 112 um den Wasserabsorptionspeak 106 haben. Für diesen Zweck können wir ein Bandpaßfilter 86 (Fig. 2a oder 2b) mit einem Bereich von 1,88 bis 2,04 Mikron (bei senkrechtem Einfall) verwenden.
Auf diese Weise bleibt der Absorptionspeak innerhalb des Durchlaßbandes 112, wenn die Temperatur zunimmt, und die Intensität der erfaßten infraroten Strahlung in dem MES-Band nimmt auf der langwelligen Seite des Bandes zu, während eine ungefähr gleich große Abnahme der erfaßten infraroten Strahlung auf der entgegengesetzten, kurzwelligen Seite des Bandes erfolgt. Bei dieser Technik ist die Gesamtmenge der den Meßwertdetektor 90 erreichenden, infraroten Strahlung sehr empfindlich auf den Feuchtigkeitsgehalt, und im wesentlichen unempfindlich auf die Folientemperatur. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Gesamtmenge der den Meßwertdetektor 90 erreichenden, infraroten Strahlung proportional zu der integrierten Fläche unter der Transmissionskurve ist. Folglich ergibt das Signal von dem Meßwertdetektor 90 (das "MES"-Signal) einen ungefähren Meßwert für den Feuchtigkeitsgehalt der Folie, wobei dieser Meßwert im wesentlichen temperaturunempfindlich ist.
Wie oben erwähnt wurde, wird das Infrarot-Absorptionsspektrum auch von dem Basisgewicht des Papiers 18 beeinflußt. Um ein von dem Basisgewicht des Papiers 18 abhängiges Signal zu erhalten, wird ein Bandpaßfilter 94 vor einem Bezugswertdetektor 98 positioniert. Wie in der Fig. 5 gezeigt ist, hat dieses Filter 94 sein Durchlaßband 110 bei einem Wellenlängenband, das weniger empfindlich auf Wasser, und im wesentlichen unempfindlich auf die Folientemperatur ist. Zum Beispiel weist ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,82 bis 1,86 Mikron (senkrechter Einfall) beide Eigenschaften auf. Da das Durchlaßband 110 dieses Filters 94 unter 1,9 Mikron liegt, ist es auch auf das Basisgewicht des Papiers 18 empfindlich. Daher nimmt die Menge der durch das Papier 18 hindurchgehenden, infraroten Strahlung ab, wenn das Basisgewicht zunimmt. Folglich ergibt das Signal von diesem Bezugswertdetektor 98 (das "REF"-Signal) einen ungefähren Meßwert für das Basisgewicht des Papiers.
Da das MES-Signal und das REF-Signal immer noch empfindlich auf die Folientemperatur sein können, wird wie bei der Messung des Papiers von geringem Gewicht gemäß der Erfindung ein Temperaturkorrekturdetektor 70 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Infrarot-Bandpaßfilter 62 für die Temperaturkorrektur vorgesehen. Das Signal von diesem Temperaturkorrekturdetektor 70 (das "CORR"- Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung des Sensors 32 für die Effekte der variierenden Folientemperatur zu korrigieren. Das für dieses Filter 62 gewählte Durchlaßband 108 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, wobei die Amplitude des Signals von dem Temperaturkorrekturdetektor 70 empfindlich auf Änderungen der Folientemperatur ist. Die Änderungen bei dem CORR-Signal von dem Temperaturkorrekturdetektor werden verwendet, um die durch die Temperatur hervorgerufenen Änderungen bei dem MES-Signal zu kompensieren.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CORR-Band oder Durchlaßband 108 dieses Filters ist in der Fig. 5 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,68 bis 1,72 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von mittlerem Gewicht erreicht wird.
Gemäß der Erfindung kann auch ein Zellulosedetektor 82 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 78 vorgesehen werden. Das Signal von diesem Zellulosedetektor 82 (das "CEL"- Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung für einen variierenden Zellulosegehalt zu korrigieren. Das für dieses Filter 78 gewählte Durchlaßband 114 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, das empfindlich auf den Zellulosegehalt des Papiers 18 ist.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CEL-Band oder Durchlaßband 114 dieses. Filters ist in der Fig. 5 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 2,06 bis 2,10 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von mittlerem Gewicht erreicht wurde.
Wiederum wird vorzugsweise ein identischer Satz Bandpaßfilter in der gleichen Weise für die Detektoröffnung 37 angeordnet.
Die Fig. 6 veranschaulicht das Infrarot-Transmissionsspektrum 101 für eine Papierfolie von großem Gewicht (z. B. Deckkarton von 345 g/m²), die Feuchtigkeit enthält, bei einer Temperatur von ungefähr 22ºC und 60ºC. Wie in den Fig. 4-5 ist das infrarote Spektrum der Folie bei der höheren Temperatur durch die gestrichelte Linie 102 wiedergegeben. Das infrarote Spektrum der Folie bei der niedrigeren Temperatur ist wiederum durch die ausgezogene Linie 104 wiedergegeben. Um das infrarote Spektrum zu erhalten, wurde die Papierfolie wiederum zwischen zwei Glasplatten versiegelt, um einen Feuchtigkeitsverlust während der Erwärmung zu verhindern. Dann wurden die Messungen der Infrarotpenetration durch die zwischen Glas eingeschlossenen Folien bei der höheren Temperatur und bei der Umgebungs- oder Raumtemperatur gemacht. Die mit MES, REF, CORR und CEL und REF2 bezeichneten, schraffierten Flächen veranschaulichen die verschiedenen Wellenlängenbänder, die durch die jeweiligen Filter hindurchgehen und erfaßt werden.
Wie weiter oben erwähnt wurde, enthält eine Papiersorte von größerem Gewicht gewöhnlich mehr Feuchtigkeit als eine Papiersorte von geringerem Gewicht. Da die Feuchtigkeitsmenge noch größer ist als bei einer Papierfolie von mittlerem Gewicht, nimmt der Wasserabsorptionspeak in der Höhe weiter zu, und er wird auch noch breiter in der Wellenlängenrichtung. Wie durch die Fig. 6 veranschaulicht wird, tendieren beide Effekte dazu, die Menge der durch die Folie hindurchgelassenen Strahlung weiter zu verringern. In der Tat, bei dem Wasserabsorptionspeak absorbiert die starke Wasser- und Zelluloseabsorption der Papiersorten von größerem Gewicht einen großen Teil der infraroten Strahlung, die von der Infrarotquelle auf die Folie gerichtet wird. Folglich kann ein schmales Bandpaßfilter, wie es für das Papier von geringem Gewicht spezifiziert wurde, oder sogar das breitere Bandpaßfilter, das für das Papier von mittlerem Gewicht spezifiziert wurde, ungeeignet sein, um die erforderliche Strahlungsmenge nach dem Detektor hindurchzulassen.
Gemäß der Erfindung wird das Problem der relativ niedrigen Durchlässigkeit dadurch gelöst, daß ein noch breiteres Bandpaßfilter um den Wasserabsorptionspeak als bei den in den Fig. 4 und 5 veranschaulichten Situationen vorgesehen wird. Dies verringert auch die Temperaturempfindlichkeit, da sichergestellt wird, daß der Wasserabsorptionspeak innerhalb der Filterbegrenzungskurve bleibt.
Für diese Papierfolie von großem Gewicht kann das Durchlaßband 112 eines mit dem Meßwertdetektor 90 kombinierten Infrarot-Bandpaßfilters 86 (Fig. 2a oder 2b) um den Wasserabsorptionspeak 106 liegen. Für diesen Zweck können wir ein Bandpaßfilter 86 (Fig. 2a oder 2b) mit einem Bereich von 1,88 bis 2,04 Mikron (bei senkrechtem Einfall) verwenden.
Wenn die Folientemperatur zunimmt, bleibt auf diese Weise der Peak innerhalb des Durchlaßbandes, und die Intensität der infraroten Strahlung nimmt in der langwelligen Hälfte des Filters 86 zu, während in der entgegengesetzten kurzwelligen Hälfte des Filters 86 eine Abnahme der Intensität der infraroten Strahlung erfolgt. Diese Technik hat jedoch keine Temperaturunempfindlichkeit zur Folge, weil es sein kann, daß die Gesamtmenge der den Maßwertdetektor 90 erreichenden, infraroten Strahlung für die hohen und niedrigen Temperaturen nicht im wesentlichen gleich groß ist. Folglich ist der Meßwertdetektor 90 nicht nur stark abhängig von dem Feuchtigkeitsgehalt des Papiers 18, sondern er kann auch empfindlich auf die Folientemperatur sein. Folglich ergibt das Signal von dem Meßwertdetektor 90 (das "MES"-Signal) eine Feuchtigkeitsmessung, die temperaturempfindlich sein kann.
Das Infrarot-Absorptionsspektrum wird von dem Basisgewicht des Papiers 18 beeinflußt. Um ein auf das Basisgewicht des Papiers 18 empfindliches Signal zu erhalten, wird ein Bandpaßfilter 94 vor einem Bezugswertdetektor 98 positioniert. Um eine eventuelle Temperaturempfindlichkeit des MES-Signals zu kompensieren, hat das Filter 94 ein Durchlaßband 110, das ein REF-Band definiert, das weniger empfindlich auf das Wasser in der Folie ist als das den Wasserabsorptionspeak umgebende MES-Band, aber empfindlich auf die Folientemperatur ist. Zum Beispiel weist ein Filter mit einem Durchlaßbereich von 1,82 bis 1,86 Mikron (senkrechter Einfall) diese Eigenschaften auf. Da das Durchlaßband 110 dieses Filters 94 unter 1,9 Mikron liegt, ist es auch empfindlich auf das Basisgewicht des Papiers 18. Wenn das Basisgewicht zunimmt, nimmt daher die Menge der durch das Papier 18 hindurchgehenden, infraroten Strahlung ab. Folglich ergibt das Signal von diesem Detektor 98 (das "REF"-Signal) einen ungefähren Meßwert für das Basisgewicht des Papiers.
Da das MES-Signal und das REF-Signal empfindlich auf die Folientemperatur sein können, wird gemäß der Erfindung ein Temperaturkorrekturdetektor 70 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 62 für die Temperaturkorrektur vorgesehen. Das Signal von diesem Temperaturkorrekturdetektor 70 (das "CORR"-Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung des Sensors 32 für die Effekte der variierenden Folientemperatur zu korrigieren. Das für dieses Filter 62 gewählte Durchlaßband 108 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, wobei die Amplitude des Signals von dem Temperaturkorrekturdetektor 70 empfindlich auf Änderungen der Folientemperatur ist. Die Änderungen bei dem CORR-Signal von dem Temperaturkorrekturdetektor werden verwendet, um die durch die Temperatur hervorgerufenen Änderungen bei dem MES-Signal zu kompensieren.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CORR-Band oder Durchlaßband 108 dieses Filters ist in der Fig. 6 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,68 bis 1,72 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von großem Gewicht erreicht wird.
Gemäß der Erfindung kann auch ein Zellulosedetektor 82 (Fig. 2a oder 2b) mit einem zugehörigen Bandpaßfilter 78 vorgesehen werden. Das Signal von diesem Zellulosedetektor 82 (das "CEL"- Signal) kann verwendet werden, um die Feuchtigkeitsmessung für einen variierenden Zellulosegehalt zu korrigieren. Das für dieses Filter 78 gewählte Durchlaßband 114 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, das empfindlich auf den Zellulosegehalt des Papiers 18 ist.
Eine bevorzugte Position für das erfaßte CEL-Band oder Durchlaßband 114 dieses Filters ist in der Fig. 6 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,47 bis 1,53 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo eine günstige Temperaturkorrektur für Papier von hohem Gewicht erreicht wird.
Schließlich kann gemäß der Erfindung auch ein zweiter Bezugswertdetektor mit einem zugehörigen Bandpaßfilter vorgesehen werden. Obwohl der zweite Bezugswertdetektor in der Fig. 2a oder 2b nicht wiedergegeben ist, könnten der zweite Bezugswertdetektor und das zugehörige Filter an der gleichen physischen Stelle wie der Kunststoffdetektor 72 und das Filter 78 angeordnet werden. Das für dieses Filter gewählte REF2-Band oder Durchlaßband 126 läßt Strahlung in einem Band des Transmissionsspektrums 101 hindurch, das weniger empfindlich auf die Zellulose als das Band für den Zellulosedetektor 82 ist. Folglich dient der Zellulose-Bezugswertdetektor als Bezugswert.
Eine bevorzugte Position für das REF2-Band oder Durchlaßband 126 dieses Filters ist in der Fig. 6 wiedergegeben. Zum Beispiel läßt ein Bandpaßfilter mit einem Bereich von 1,30 bis 1,34 Mikron ein Band des infraroten Spektrums hindurch, wo günstige Ergebnisse für Papier von hohem Gewicht erreicht werden.
Vorzugsweise wird ein identischer Satz Bandpaßfilter in der gleichen Weise für die Detektoröffnung 37 (Fig. 2a oder unterer Kopf 22 (Fig. 2b)) angeordnet.
Die Tabelle 1 gibt die geeigneten Bandpaßfilter für Basisgewichte bis zu 550 g/m² wieder. Die Durchlaßbereiche sind ausgedrückt als die untere und obere Wellenlänge, bei der die Durchlässigkeit den halben Wert des Transmissionspeaks erreicht. Tabelle 1:
Die Spalte "Maximales Basisgewicht" spezifiziert das maximale Basisgewicht in g/m² des Papierprodukts, für das der Filtersatz verwendet werden sollte. Das maximale Wassergewicht ist ungefähr nicht mehr als 10% für jede Papierprodukt-Sorte. Für einen bestimmten Fall spezifiziert der Kunde daher das maximale Basisgewicht und die maximale prozentuale Feuchtigkeit für das herzustellende Papier, und dann werden die geeigneten Filtersätze, die beide Bedingungen erfüllen, aus der Tabelle 1 ausgewählt.
Wie in der Fig. 2a oder 2b gezeigt ist, wird die von der Lampe 38 ausgesandte, infrarote Strahlung durch die Zacken 44 der vibrierenden Stimmgabel 46 moduliert. Zur Vereinfachung wird die Modulation der Strahlung 42 nur für die Detektoröffnung 36 erklärt. Die gleiche Anordnung wird jedoch auch für die Detektoröffnung 37 der Fig. 2a, und den unteren Kopf 22 der Fig. 2b bevorzugt. Bei jeder dieser Ausführungsformen wird das Ausgangssignals jedes Detektors 70, 72, 82, 90 und 98 mit der gleichen Frequenz und Phase wie die erfaßten Infrarotstrahlen 56, 60, 76, 84 und 92 sinusförmig moduliert. Die infrarote Strahlung von dem Papier 18 selbst und von anderen externen Quellen (nicht wiedergegeben) erreicht jedoch auch die Detektoren. Folglich umfaßt jedes Detektorsignal auch eine GS-Komponente.
Das Ausgangssignal von jedem der fünf Detektoren 70, 72, 82, 90 und 98 wird nach der Signalverarbeitungsschaltung 45 übertragen. Die Schaltung 45 ist ausgelegt, um die GS-Komponente der Detektorsignale auszufiltern. Die gefilterten Detektorsignale werden dann nach einer phasensynchronen Demodulationsschaltung weitergeleitet, die in der Signalverarbeitungsschaltung 45 enthalten ist. Der Zweck des phasensynchronen Demodulators ist, Änderungen bei den Signalen von den Detektoren 70, 72, 82, 90 und 98, die nicht durch die variierende Infrarotabsorption des Papiers 18 verursacht werden, auszufiltern. Zum Beispiel wird der 60 Hz-Netzbrumm in den Detektorsignalen durch die Demodulatorschaltung ausgefiltert, wie unten erklärt wird.
Ein Sinuswellenoszillator 43 treibt die Zinken 44 der Stimmgabel 46 mit ihrer Resonanzfrequenz an. Das Ausgangssignal dieses Oszillators 43 wird in eine Rechteckwelle mit der gleichen Frequenz und Phase wie die Sinuswellen, die die Stimmgabel 46 antreiben, umgewandelt. Dieses Rechteckwellen- Ausgangssignal 41 wird, zusammen mit den gefilterten Signalen von jedem der fünf Detektoren 70, 72, 82, 90 und 98, auf den Bereich der Signalverarbeitungsschaltung 45, der den phasensynchronen Demodulator enthält, gegeben. Natürlich sind die gefilterten Signale mit der gleichen Frequenz und Phase wie das Ausgangssignal des Oszillators 43 moduliert. Durch Demodulieren der Ausgangssignale von jedem der Detektoren 70, 72, 82, 90 und 98 mit einer Rechteckwelle, die die gleiche Frequenz und Phase wie das Ausgangssignal des Oszillators 43 hat und Bildung des Mittelwertes der demodulierten Ausgangssignale über eine gewisse Anzahl von Zyklen filtert der Sensor 32 aus Änderungen der Intensität von externen Infrarotquellen oder fremden Signalen, wie der 60 Hz-Netzspannung, Detektorsignaländerungen aus. Diese Filterungstechnik, bei der eine phasensynchronisierte Demodulationsschaltung verwendet wird, ist bekannt. Dies ergibt weniger fehlerhafte Feuchtigkeitsmessungen. Das Ausgangssignal jedes Detektors gibt die Intensität der durch das zugehörige Bandpaßfilter hindurchgehenden Strahlung 42 an.
Gemäß der Erfindung wird aufgrund einer mathematischen Analyse eine in der Fig. 8a wiedergegebene graphische Darstellung erhalten, um das Streuvermögen und das Absorptionsvermögen von diffusen Medien, wie Papier zu bestimmen. Es wird festgestellt, daß das Streuvermögen und das Absorptionsvermögen eine Funktion der Intensität der erfaßten Strahlung bei sowohl dem unteren, als auch dem oberen Kopf des Feuchtigkeitssensors sind. Die folgende Analyse hängt zum Teil von der Kubelka- Munk-Theorie ab. Diese Theorie beschreibt das Verhalten von Licht bei Wechselwirkung mit diffusen Medien, wie Papier, und ergibt eine mathematische Analyse zur Bestimmung der Menge des durch das Papier hindurchgelassenen Lichts und des von dem Papier reflektierten Lichts. W. Wendlandt und H. Hecht, Reflectance Spectroscopy, Kapitel III (1966), geben eine Beschreibung der Kubelka-Munk-Theorie, die hier durch Verweisung einbezogen wird.
Wie in der Fig. 7 gezeigt ist, wird die Technik am besten durch ein Beispiel veranschaulicht, bei dem es zwei parallele Ebenen, S und P, gibt. Es wird angenommen, daß die Ebenen als Lambertsche Oberflächen wirken, das heißt, daß sie vollkommene Strahlungsdiffusoren sind und das Lambertsche Gesetz erfüllen:
I(Φ) = I&sub0;cos(Φ)
wobei bedeutet:
Φ = der Winkel zwischen der Senkrechten auf die Oberfläche und der Richtung des Lichts, das die Oberfläche verläßt
I(Φ) = die Intensität des Lichts pro räumliche Winkeleinheit, die die Oberfläche in der Richtung Φ verläßt
I&sub0; = die Intensität des Lichts pro räumliche Winkeleinheit, die die Oberfläche in der senkrechten Richtung verläßt.
Außerdem wird angenommen, daß eine Strahlungsquelle auf der Ebene S angeordnet ist und symmetrisch um eine Achse verteilt ist, die senkrecht zu den Oberflächen der Ebenen ist und in der Mitte der beleuchteten Fläche der Ebene zentriert ist. Schließlich wird angenommen, daß die zu messende Folie als ein streuendes Material, wie Papier wirkt, und von der Theorie von Kubelka und Munk beschriebene Reflexions- und Transmissionseigenschaften hat.
Der erste Schritt bei der Analyse ist, bei Licht, das von der Quellenebene kommt, die Verteilung des Lichts zu bestimmen, das auf die der Quelle gegenüberliegende Oberfläche der parallelen Folie auffällt.
Der verwendete Prozeß besteht darin, daß für jeden Punkt auf der parallelen Folie die gesamte Intensität des Lichts, das ihn von jedem Punkt auf der Quellenebene erreicht, berechnet wird.
Die Fig. 7 gibt die zwei parallelen Ebenen S und P wieder. Wir betrachten ein Flächenelement das bei einem Punkt in der S-Ebene, der in einer radialen Entfernung rs und bei einem Winkel θs, bezüglich der Y-Achse gelegen ist. Die Intensität des Lichts pro Flächeneinheit pro räumliche Winkeleinheit, die bei diesem Punkt die Oberfläche senkrecht zu der Oberfläche verläßt, wird wiedergegeben durch is(rs) (Watt/cm²·sr). Die gesamte Lichtintensität, die ein Flächenelement dap auf der Ebene P bei rp und θp von das erreicht, wird wiedergegeben durch:
d²F(rp, rs, θs, θp, Φ) = is(rs) cos(Φ) das (dap cos(Φ)/r²) (Watt)
wobei r die Entfernung zwischen das und dap ist. Der erste cos(Φ)-Ausdruck auf der rechten Seite ergibt sich bei Anwendung des Lambertschen Gesetzes. Der Ausdruck in Klammer auf der rechten Seite ist der von dap begrenzte, räumliche Winkel. Der Winkel Φ liegt zwischen der Senkrechten auf die Ebenen und einer zwischen das und dap gelegenen Linie. Die von das auf dap auffallende Intensität pro Flächeneinheit ist:
df(rp, rs, θs, θp, Φ) = is(rs) (das cos²(Φ)/r²) (Watt/cm²)
Der Wert von cos(Φ) kann durch den Abstand (1) zwischen den Ebenen und r ausgedrückt werden:
cos(Φ) = 1/r
Für die Intensität pro Flächeneinheit ergibt sich:
df(rp, rs, θs, θp, Φ) = is(rs) das (l²/r²) (Watt/cm²)
Der Wert von r kann durch die Positionsvariablen rp, rs, θs und θp ausgedrückt werden:
r = Quadratwurzel aus (l² + rs² + rp² - 2rsrp cos(θs - θp))
Die inkrementale Fläche das kann auch durch die Positionsvariablen rs und θs ausgedrückt werden:
das = rs drs dθs
Bei Kombination erhalten wir die nur durch die Positionsvariablen ausgedrückte Intensität pro Flächeneinheit:
df(rp, rs, θs, θp, Φ) = is (rs)rs l² drs dθs/(l² + rs² + rp² - 2rsrp cos(θs - θp))&sup4; Watt/cm²)
Um die gesamte Intensität pro Flächeneinheit bei dem Flächenelement dap auf der Ebene P von der gesamten Oberfläche der Ebene S zu erhalten, muß die obige Gleichung über die gesamte Oberfläche von rs = 0 bis rs = rsmax, dem maximalen Radius der Ebene S, und von θs = 0 bis 2π integriert werden:
Dieses Integral wird am besten nach einer numerischen Methode gelöst. Eine geeignete Methode ist die Trapezmethode. Um die Verteilung der auffallenden Intensität auf der Ebene P zu erhalten, muß das Integral bei allen Positionen von rp und θp gelöst werden.
Wenn die Ebene P eine Folie aus streuendem Material zwischen zwei Ebenen, S und T (nicht wiedergegeben) repräsentiert, kann die Verteilung des auffallenden Lichts auf der Ebene P benutzt werden, um die Intensität des reflektierten und des durchgelassenen Lichts zu berechnen. Wenn die Folie Papier ist, ergibt die Theorie von Kubelka-Munk eine genaue Methode, um das reflektierte und das durchgelassene Licht zu berechnen, wenn der Absorptionskoeffizient und der Streukoeffizient bekannt sind. Die aufgrund der Kubelka-Munk-Theorie berechnete Transmission, multipliziert mit der Verteilung des auffallenden Lichts auf der Ebene P, ist nun eine Quellenverteilung für die Ebene T. In ähnlicher Weise ist die aufgrund der Kubelka-Munk-Theorie berechnete Reflexion, multipliziert mit der Verteilung des auffallenden Lichts auf der Ebene P, nun eine Quellenverteilung für die Ebene S.
Die gleiche Methode wird wiederum benutzt, um die Verteilung des auffallenden Lichts auf der Ebene T zu bestimmen. Die Verteilung des auffallenden Lichts auf der Ebene T wird zurückreflektiert, wobei sie zu einer Quellenverteilung des Lichts wird, das auf die Rückseite der Ebene P auftrifft. Dieses Licht wird von der Ebene P reflektiert und durchgelassen, wie oben beschrieben wurde. Das so durchgelassene Licht kommt zu dem Licht hinzu, das von der Ebene S auffiel und von der Ebene P zurückreflektiert wird. Dies bildet eine neue Verteilung des Lichts, das jetzt auf die Ebene S auffällt.
Die neue Verteilung des Lichts auf der Ebene S ist das zurückreflektierte, auffallende Licht von der Ebene P plus die ursprüngliche beleuchtete Fläche. Bei dieser neuen Quellenverteilung werden die Berechnungen wiederholt, um neue Verteilungen auf allen Ebenen zu finden. Nach mehreren Iterationen gibt es keine Änderung mehr, das heißt, die Ergebnisse haben zu einem Endwert hin konvergiert, und zusätzliche Iterationen der Berechnungen ergeben keine verschiedenen Ergebnisse.
Wenn die Lichtverteilung für die Ebenen S und T einmal bekannt ist, kann die berechnete Lichtintensität für einen Detektor bestimmt werden, der irgendwo auf der Ebene S oder auf der Ebene T angeordnet ist. Drei Positionen wurden ausführlich analysiert, aber die gleiche Methode würde bei irgendeiner Position anwendbar sein. Die analysierten Positionen sind: (1) der Detektor ist auf der Ebene T, und gegen die beleuchtete Fläche versetzt; (2) der Detektor ist auf der Ebene T, und entsprechend der Lichtquelle oder der beleuchteten Fläche ausgerichtet; und (3) der Detektor ist auf der Ebene S und um die gleiche Entfernung gegen die Lichtquelle oder die beleuchtete Fläche versetzt. Die Position (1) wird als ein versetzter Transmissionsdetektor bezeichnet, die Position (2) wird als ein geradliniger Transmissionsdetektor bezeichnet, und die Position (3) wird als ein Reflexionsdetektor bezeichnet.
Bis zu diesem Punkt haben wir gezeigt, daß dann, wenn der Absorptionskoeffizient und der Streukoeffizient der Folie bekannt sind, die Intensitätsverteilung des Lichts auf allen Ebene berechnet werden kann. Beim Betrieb würde ein Sensor angeordnet, um die Intensität bei zwei oder mehr Detektorstellen zu messen, und würden der Absorptionskoeffizient und der Streukoeffizient bestimmt. Um diese Technik auszuführen, werden die Intensitätsverteilungen für alle wahrscheinlich anzutreffenden Werte des Absorptionskoeffizienten und des Streukoeffizienten berechnet.
Die Fig. 8a gibt eine graphische Darstellung des Absorptionsvermögens und des Streuvermögens einer Papierfolie wieder, aufgetragen als eine Funktion der Intensität der bei einem versetzten Transmissionsdetektor und einem geradlinigen Transmissionsdetektor einzeln erfaßten Strahlung. Die Ordinate der graphischen Darstellung wird bestimmt durch Berechnung eines Intensitätsverhältnisses bei dem auf der Ebene T gelegenen, versetzten Transmissionsdetektor. Die Abszisse wird bestimmt durch Berechnung eines Intensitätsverhältnisses bei dem auf der Ebene T gelegenen, geradlinigen Transmissionsdetektor. Das Intensitätsverhältnis für beide Detektoren ist definiert als das Verhältnis der Intensität ohne Materialfolie zwischen den Ebenen S und T zu der Intensität, wenn die Materialfolie dazwischen angeordnet ist. Die Umrißlinien verbinden gleiche Absorptionsvermögen und gleiche Streuvermögen, die mit diesen Verhältnissen verknüpft sind.
Die Fig. 8b gibt eine graphische Darstellung des Absorptionsvermögens und des Streuvermögens einer Papierfolie wieder, aufgetragen als eine Funktion der Intensität der Strahlung, die bei einem Transmissions- und einem Reflexionsdetektor, die um die gleiche Entfernung gegen eine Infrarot- Strahlungsquelle versetzt sind, einzeln erfaßt wurde. Die Ordinate der graphischen Darstellung wird bestimmt durch Berechnung eines Intensitätsverhältnisses bei dem auf der Ebene T gelegenen Transmissionsdetektor. Die Abszisse wird bestimmt durch Berechnung eines Intensitätsverhältnisses bei dem auf der Ebene S gelegenen Reflexionsdetektor. Das Intensitätsverhältnis für beide Detektoren ist definiert als das Verhältnis der Intensität ohne Materialfolie zwischen den Ebenen S und T zu der Intensität, wenn die Materialfolie dazwischen angeordnet ist. Die Umrißlinien verbinden gleiche Absorptionsvermögen und gleiche Streuvermögen, die mit diesen Verhältnissen verknüpft sind.
Um eine graphische Darstellung, wie sie in der Fig. 8a oder der Fig. 8b wiedergegeben ist, zu benutzen, wird die zu messende Folie zwischen den Ebenen S und T angeordnet. Die Intensität eines ausgewählten Signals, wie des MES-Signals, wird mittels der Detektoren bei den zwei Stellen gemessen. Als nächstes wird die Intensität bestimmt, wenn keine Folie zwischen den Ebenen S und T angeordnet ist. Das Intensitätsverhältnis, das heißt, die Intensität ohne dazwischen angeordnete Folie, dividiert durch die Intensität mit der dazwischen angeordneten Folie, wird dann berechnet. Die Intensitätsverhältnisse werden dann verwendet, um das Absorptionsvermögen und das Streuvermögen der Folie zu finden. Natürlich kann durch Interpolation zwischen den Umrißlinien gleicher Absorptionsvermögen und gleicher Streuvermögen der tatsächliche Wert des Absorptionskoeffizienten und des Streukoeffizienten bestimmt werden.
Zwei Methoden können benutzt werden, um den Temperaturfehler bei den Absorptionsmessungen zu korrigieren. Bei der ersten Methode können wir annehmen, daß der temperaturabhängige Teil des Absorptionskoeffizienten abgetrennt werden kann:
ki(T) = ki0fi(T) (1)
wobei T = Temperatur;
fi(T) ist eine Funktion, die nur von der Temperatur abhängt;
und
ki0 = Absorptionskoeffizient des Signals i bei der Eichtemperatur.
Wir können ebenfalls annehmen, daß die Temperaturfunktion für irgendein Signal eine lineare Funktion der Temperaturfunktion des Korrektursignals ist:
fi(T) = αfcorr(T) + β (2)
Durch Kombination von (1) und (2) erhalten wir:
Für jedes Signal ist dann der korrigierte Absorptionskoeffizient:
und αi und βi würden experimentell bestimmt.
Eine zweite Methode zum Beseitigen des Temperaturfehlers besteht darin, die Verhältnisse zu korrigieren, bevor die Absorptionskoeffizienten bestimmt werden. Für jede Wellenlänge haben wir ein Signal, gemessen ohne Folie, bei Eichung, REFS, und ein Signal mit Folie, REF. Wir berechnen dann ein Verhältnis für diese Wellenlänge:
RREF = REFS/REF,
RMES = MESS/MES,
RCEL = CELS/CEL, und
RCORR = CORRS/CORR.
Wir berechnen ein Temperaturkorrekturverhältnis:
Die Koeffizienten C1, C2 und C3 werden so gewählt, daß RT bei der Eichtemperatur ungefähr Null ist. Wir verwenden diesen Wert, um das Signal für jede Wellenlänge zu korrigieren:
RREFcor = RREF·(1 + C4·RT),
RMEScor = RMES·(1 + C5·RT), und
RCELcor = RCEL·(1 + C6·RT).
Wenn die Absorptionskoeffizienten für die Feuchtigkeit und die Bezugswellenlängen einmal bekannt sind, ist die Feuchtigkeitsberechnung einfach. Für den einfachen Fall von unbeschichtetem Papier ohne Füllstoffe oder Breitbandabsorber gilt:
k = kwater·%MOI/100 + kfiber·(1 - %MOI/100)
wobei bedeutet
k = Absorptionskoeffizient von Papier bei 1,94 Mikron, bestimmt nach dem oben beschriebenen Prozeß.
kwater = Absorptionskoeffizient von Wasser, eine bekannte Konstante
kfiber = Absorptionskoeffizient der Faser, eine bekannte Konstante
%MOI = prozentuale Feuchtigkeit in Papier.
Bei Auflösung nach %MOI ergibt sich:
%MOI = (k - kfiber)·100/(kwater - kfiber) = ak + b
wobei a eine Konstante ist, die gleich 100/(kwater - ksber) ist, und b eine Konstante ist, die gleich -kfiber·a ist.
Folglich genügt im Prinzip eine einzige Wellenlänge, um die Feuchtigkeit in dem einfachsten Fall zu bestimmen.
In dem realistischeren Fall, in dem Breitbandabsorber vorhanden sind, sind zwei Wellenlängen erforderlich:
kmes = kmeswater·%MOI/100 + kmesfiber·(1 - %MOI/100) + kmesbb·bbwt
und
kref = krefwater·%MOI/100 + krefiber·(1 - %MOI/100) + krefbb·bbwt
wobei bedeutet
kmes = Absorptionskoeffizient von Papier bei 1,94 Mikron
kmeswater = Absorptionskoeffizient von Wasser bei 1,94 Mikron
kmesfiber = Absorptionskoeffizient der Faser bei 1,94 Mikron
kmesbb = Absorptionskoeffizient des Breitbandabsorbers bei 1,94 Mikron
kref = Absorptionskoeffizient von Papier bei 1,8 Mikron
krefwater = Absorptionskoeffizient von Wasser bei 1,8 Mikron
kreffiber = Absorptionskoeffizient der Faser bei 1,8 Mikron
krefbb = Absorptionskoeffizient des Breitbandabsorbers bei 1,8 Mikron
bbwt = Basisgewicht des Breitbandabsorbers.
Da die Absorptionskoeffizienten, des Breitbandabsorbers bei der Mes-Wellenlänge und der Ref- Wellenlänge gleich groß sind, gibt die Differenz zwischen kmes und kref die Feuchtigkeit ohne den Effekt der Breitbandabsorption wieder:
%MOI = (dk - dkfiber)·100/(dkwater - dkfiber) = adk + b
wobei bedeutet
dk = kmes - kref;
a = 100/dkwater - dkfiber); und
b = -dkfiber - a
Manchmal wird eine bessere Näherung erhalten, wenn ein Polynom von dk verwendet wird, wobei gilt
%MOI = adk + b(dk)² + c
Aufgrund dieser Messungen kann eine Folienfeuchtigkeitskorrektur manuell ausgeführt werden. Viele modernen Papierfabriken sind jedoch in hohem Maße automatisiert. In diesen Papierfabriken werden die von dem Sensor 32 erzeugten Signale vorzugsweise auf einen Computer 47 gegeben, der unter Verwendung der Signale von den Detektoren das Folienfeuchtigkeitsprofil berechnet, und dann aufgrund dieser Berechnung eine oder mehr bekannte Vorrichtungen 49 in selektiver Weise aktiviert, um den Feuchtigkeitsgehalt bestimmter Bereiche des Papiers 18 zu verändern. Es gibt viele solche Vorrichtungen 49 zum Verändern der Folienfeuchtigkeitsprofils, einschließlich Vorrichtungen, wie selektiv steuerbare Wasserduschen zum Erhöhen des Feuchtigkeitsgehalts von ausgewählten Querrichtungsabschnitten des Papiers 18 und/oder Infrarotheizkörper zum selektiven Trocknen solcher Abschnitte des Papiers 18.

Claims

1. Sensor zum Messen von einer oder mehreren ausgewählten Komponenten einer Folie (18), aufweisend:

eine Strahlungsquelle (34, 38, 40), um Strahlung nach der Folie auszusenden;

eine Vielzahl von Erfassungsmitteln (36, 70, 72, 82, 90; 37, 71, 73, 83, 91, 99) zum Erfassen der Strahlung nach der Wechselwirkung mit der Folie (18), wobei mindestens ein Erfassungsmittel (36, 70, 72, 82, 90, 98) gegen die Quelle versetzt ist;

Richtmittel (28, 30, 48), um die Strahlung so zu richten, daß sie auf ihrem Weg von der Quelle zu den Erfassungsmitteln mehrere Wechselwirkungen mit der Folie hervorruft, wobei die Richtmittel einen ersten Reflektor (28, 48) umfassen, der eine Quellenöffnung (34) zum Aussenden von Strahlung hat;

wobei die Richtmittel einen zweiten Reflektor (30, 48) aufweisen, um Strahlung nach mindestens einem Erfassungsmittel (70, 72, 82, 90, 98) zu richten, wobei ein Folienzwischenraum zum Aufnehmen der Folie (18) zwischen dem ersten und zweiten Reflektor definiert ist, wobei der zweite Reflektor (30, 48) eine erste Detektoröffnung (36) und eine zweite Detektoröffnung (37) umfaßt, wobei mindestens eine Detektoröffnung (36) gegen die Quellenöffnung (34) versetzt ist;

und weiterhin Berechnungsmittel (47), die ausgelegt sind, um (a) Verhältnisse der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn keine Folie (18) in dem Folienzwischenraum vorhanden ist, zu der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn die Folie (18) den Folienzwischenraum einnimmt, zu berechnen, um (b) die Verhältnisse zu verwenden, um sowohl das Absorptionsvermögen, als auch das Streuvermögen der Folie (18) aus der bei der ersten und zweiten Detektoröffnung (36, 37) empfangenen Strahlung zu berechnen, und um (c) unter Verwendung der Signale von der Vielzahl von Erfassungsmitteln die einer oder mehrere ausgewählten Komponenten zu berechnen.

2. Sensor von Anspruch 1, wobei der erste und zweite Reflektor (28, 48; 30, 48) diffuse Oberflächen (48) umfassen, die der Folie (18) gegenüberliegen und im wesentlichen parallel zu der Folie (18) sind.

3. Sensor von Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Berechnungsmittel (47) ein erstes Verhältnis berechnen, das auf der bei der ersten Detektoröffnung (36) empfangenen Strahlung basiert, und ein zweites Verhältnis berechnen, das auf der bei der zweiten Öffnung (37) empfangenen Strahlung basiert.

4. Sensor von Anspruch 3, wobei die Berechnungsmittel (47) aus dem ersten und zweiten Intensitätsverhältnis ein Absorptions- und Streuvermögen der Folie (18) berechnen.

5. Sensor von irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Erfassungsmittel einen ersten Detektor (68; 82; 90) umfassen, um ein erstes Signal zu erfassen und zu erzeugen, das die Intensität der Strahlung in einem ersten Band des Spektrums angibt, das empfindlich auf eine erste Komponente der Folie ist.

6. Sensor von Anspruch 5, wobei die Erfassungsmittel einen zweiten Detektor (68; 82; 90) umfassen, um ein zweites Signals zu erfassen und zu erzeugen, das die Intensität der Strahlung in einem zweiten Band des Spektrums angibt, das weniger empfindlich auf die erste Komponente als das erste Band ist.

7. Sensor von Anspruch 6, wobei die Erfassungsmittel einen dritten Detektor (70) umfassen, um ein drittes Signal zu erfassen und zu erzeugen, das die Intensität der Strahlung in einem dritten Band des Spektrums angibt, das empfindlich auf die Temperatur ist.

8. Sensor von Anspruch 7, der weiterhin Mittel (47) aufweist, um aufgrund des ersten, zweiten und dritten Signals ein erstes, zweites und drittes Absorptionsvermögen der Folie (18) zu berechnen.

9. Sensor von Anspruch 7, der weiterhin Mittel aufweist, um aufgrund des dritten Absorptionsvermögens das erste und zweite Absorptionsvermögen für die Temperatur der Folie (18) zu korrigieren.

10. Sensor von Anspruch 7, wobei die Erfassungsmittel einen vierten Detektor (72; 82; 90; 98) umfassen, um ein viertes Signal zu erfassen und zu erzeugen, das die Intensität der Strahlung in einem vierten Band des Spektrums angibt, das auf eine zweite Komponente der Folie empfindlich ist.

11. Sensor von Anspruch 10, wobei die Erfassungsmittel einen fünften Detektor (72; 82; 90; 98) umfassen, um ein fünftes Signal zu erfassen und zu erzeugen, das die Intensität der Strahlung in einem fünften Band des Spektrums angibt, das auf eine dritte Komponente der Folie empfindlich ist.

12. Sensor von Anspruch 10, der weiterhin Mittel (47) aufweist, um aus dem vierten Signal ein viertes Absorptionsvermögen der Folie zu berechnen.

13. Sensor von Anspruch 12, der weiterhin Mittel (47) aufweist, um aus dem fünften Signal ein fünftes Absorptionsvermögen der Folie zu berechnen.

14. Sensor von Anspruch 11, der weiterhin Mittel (47) aufweist, um das vierte und fünfte Absorptionsvermögen aufgrund des dritten Absorptionsvermögens für die Folientemperatur zu korrigieren.

15. Sensor von irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Folie (18) Papier ist, eine erste zu messende Komponente Feuchtigkeit ist, eine zweite Komponente Zellulose ist, eine dritte Komponente Synthesefaser ist, und die Strahlung in dem infraroten Spektrum liegt.

16. Methode zum Messen der Menge einer ausgewählten Komponente einer Folie, aufweisend die Schritte, bei denen:

Strahlung von einer Quelle nach der Folie ausgesandt wird;

bei einer Vielzahl von Erfassungsmitteln mit ungleicher Versetzung gegen die Strahlungsquelle eine Vielzahl von Signalen erfaßt und erzeugt wird, die die Intensität der von der Folie ausgehenden Strahlung angeben;

die Strahlung so gerichtet wird, daß sie auf ihrem Weg von der Quelle nach mindestens einem der Erfassungsmittel mehrere Wechselwirkungen mit der Folie hervorruft; und

(a) Verhältnisse der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn keine Folie in dem Strahlungsweg vorhanden ist, zu der Intensität der erfaßten Strahlung, wenn die Folie vorhanden ist, berechnet werden, (b) die Verhältnisse verwendet werden, um sowohl das Absorptionsvermögen, als auch das Streuvermögen der Folie aus der bei der ersten und zweiten Detektoröffnung empfangenen Strahlung zu berechnen, und (c) unter Verwendung der Signale von der Vielzahl von Erfassungsmitteln die eine oder mehrere ausgewählten Komponenten berechnet werden.

17. Methode von Anspruch 16, die weiterhin den Schritt aufweist, bei dem unter Verwendung der Vielzahl von Signalen die Menge der ausgewählten Komponente mit einem Computer berechnet wird.