DE69521613T2 - Methode zur bestimmung des dichteprofils eines scheibenförmigen materials - Google Patents

Methode zur bestimmung des dichteprofils eines scheibenförmigen materials

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Dichteprofils eines plattenförmigen Materials mit einer Dichte, die diskret oder kontinuierlich über die Plattendicke variiert, während die Dichte in einer speziellen Tiefe der Platte als vorzugsweise konstant angenommen wird, wie z. B. Platten auf Holzbasis, mittels Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen von einer parallel gerichteten Quelle, die auf einer Seite der Platte platziert ist.
    • Hintergrund bildender Stand der Technik
  • Solch eine Detektion kann z. B., aber nicht ausschließlich bei der Produktion von Platten angewendet werden, die auf Holzbasis sind und durch Zusammenkleben von Holzpartikeln variierender Größe hergestellt werden, d. h. aus einzelnen Schichten hergestelltes Sperrholz, OSB (Oriented Strand Boards) aus großen Holzstreifen, Spanplatten (hergestellt aus einer Matte von Schichten von großen und kleinen Spänen, die gewöhnlich in Schichten getrennt sind) und Faserplatten aus Holzfasern.
  • Bei der Herstellung dieser Platten wird ein in Wärme aushärtendes Bindemittel auf die Partikel aufgebracht, wobei das Bindemittel ausgelegt oder gestreut wird auf Platten oder Bänder in Form einer laminierten oder homogenen Matte und anschließend einem kontinuierlichen oder nicht-kontinuierlichen Prozess in einer Heißpresse unterworfen wird, um gepresst und ausgehärtet zu werden.
  • Die Parameter des Prozesses und insbesondere die Charakteristika der Presse haben einen Einfluss auf die typischen Eigenschaften der fertiggestellten Platte. Letzteres ist insbesondere offensichtlich im Zusammenhang mit dem Dichteprofil der Platte, d. h. der Variation der Dichte über die Dicke, die demgemäß ein Indikator sowohl der Betriebsbedingungen der Produktionsanlage als auch der Verwendungseigenschaften der Platte ist.
  • Gemäß dem Stand der Technik ist es möglich, durch Zerstörung das Dichteprofil in Labortests zu bestimmen, entweder gravimetrisch mittels eines Herausfräsens und Wiegens in Schichten oder mittels eines Isotopen-Transmissions-Scannens an einer Testprobe in der Fläche der Platte. Basierend auf diesen Ergebnissen kann der Prozess eingestellt werden, aber nicht ohne eine damit verbundene Zeitverzögerung von zumindest 1 bis 2 Stunden.
  • Es besteht ein Bedarf für eine Möglichkeit einer nicht-zerstörerischen In-Betrieb-Bestimmung des Dichteproflls der Platte in solch einer Weise, dass es möglich ist, den Prozess sehr schnell einzustellen, typischerweise in wenigen Minuten ohne den Prozess zu unterbrechen und ohne das Mitsichbringen eines Probentests und eines Labortests.
  • Die deutsche Patentschrift Nr. 4 243 454 offenbart eine Art des Messens des Dichteprofils entlang des Randes einer Platte mittels eines Strahlenbündels und einer Vielzahl von Detektoren, die unterhalb der Platte angeordnet sind. Das Strahlenbündel wird schräg von der Seite nach Innen entlang des Plattenrandes ausgesandt. Ein sich ergebender Vorteil ist, dass nichts außer der Schwächung in der untersten Schicht mittels einer ersten Portion des Strahlenbündels gemessen wird, wonach die Schwächung in der untersten und der Schicht über der untersten Schicht mittels eines weiteren Teils des Strahlenbündels gemessen wird, usw. Folglich ist es möglich, die Schwächung in jeder Schicht zu berechnen. Dieses Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil belastet, dass es sehr unzuverlässig ist. Ferner beinhaltet es lediglich ein Messen entlang der Kante, was nicht immer ausreichend repräsentativ ist.
  • Die US-PS Nr. 5 195 116 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren der Separationsschichten in einer laminierten Platte mittels Röntgenstrahlen. Ein schmales Strahlenbündel von Röntgenstrahlen wird infolge des Compton-Effekts gestreut. Ein Detektor, der zu einem Messvolumen hin ausgerichtet ist, detektiert die von diesem gestreute Strahlung, wobei die Strahlung die Elektronendichte und folglich die Dichte in dem Messvolumen repräsentiert. Eine Verschiebung der Quelle bzw. des Detektors in einer Richtung nach oben oder nach unten relativ zu der Platte macht es möglich, Informationen über die Struktur der Schichten und über mögliche Fehler in dem Material zu erlangen. Dieses Messsystem ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Intensität des Signals und der von dem speziellen Messvolumen gestreuten Strahlung außer von der Dichte auch von der Dicke und der Dichte aller überlagernder Schichten abhängt. Diese Werte können im Prinzip bestimmt werden. Letzteres würde jedoch umfangreiche Kalibrierungsmessungen an bekannten Gegenständen erfordern. Zusätzlich werden mögliche Messfehler von allen einzelnen Schichten bis zu dem momentanen Messvolumen akkumuliert.
  • Die US-PS Nr. 4 228 351 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Massendichte eines homogenen Materials. Dieses Verfahren ist jedoch nur für leichtgewichtiges Material geeignet, da es voraussetzt, dass der lineare Schwächungskoeffizient für die gestreute Strahlung als gleich dem linearen Schwächungskoeffizienten für die ungestreute Strahlung angenommen werden kann. Darüber hinaus ist das bekannte Verfahren nicht dazu in der Lage, das Dichteprofil des Materials zu messen.
  • Aus der US-PS Nr. 5 195 117 ist ein Verfahren zum Erhalten eines Dichteprofils einer Probe bekannt, bei dem ein Detektor in solch einer Weise bewegt wird, dass er Tiefen untersucht.
    • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des Dichteprofils eines plattenförmigen Materials zur Verfügung zu stellen, welches ein Minimum an Kalibrierung mit sich bringt und welches auch bei schwergewichtigen Materialien angewendet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • In dieser Weise macht es eine geeignete Wahl der Aussenderichtung und der Detektionsrichtung möglich, eine Messung der Dichte in einem speziellen Messvolumen einfach durch Dividieren der Zählzahl des zweiten Detektors durch die Zählzahl des ersten Detektors zu liefern. Als Ergebnis ist die Schwächung in dem Material fortgelassen.
  • Der zweite und bewegbare Detektor kann erfindungsgemäß optional ersetzt werden durch eine mechanisch stillstehende Anordnung von Detektoren, wobei die einzelnen Detektoren in der Anordnung gleichzeitig oder aufeinanderfolgend Messwerte während der Bewegung der Platte detektieren.
  • Der zweite und bewegbare Detektor kann so erweitert werden, dass er eine große Anzahl von Detektoren umfasst, die alle gemäß einem vorbestimmten Muster und mit einer vorbestimmten Winkeländerung bewegt werden.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert, wobei
  • Fig. 1 zeigt, wie die Quelle und die Detektoren relativ zu der Platte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angeordnet sind,
  • Fig. 2 zeigt, wie das Messen des Dichteprofils durch eine geeignete Wahl der Aussenderichtung und der Detektionsrichtungen relativ zu der Platte optimiert wird,
  • Fig. 3 verschiedene optimale Wahlen der Aussenderichtung und der Detektionsrichtungen einiger Plattenmaterialien zeigt und
  • Fig. 4 ein Beispiel eines Dichteprofils zeigt, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahren erhalten worden ist.
    • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren es möglich macht, sowohl durchgehende Strahlung zu messen als auch vorwärts gestreute (Comptongestreute) Strahlung zu messen. Röntgen- und Gammastrahlung werden bevorzugt als Folge des Compton-Effekts von den Elektronen der Atome in alle Richtungen gestreut, abgesehen von isotropischer Streuung. In Bezug auf den Streuwinkel θ werden die folgenden Ausdrücke oft verwendet, nämlich "Rückwärtsstreuung" für (θ ≥ 90º) und "Vorwärtsstreuung" für (0 ≤ 90º). Die Messtechnik verwendet den Ausdruck "Rückwärtsstreung" oder rückwärtsgestreute Strahlung für Messsituationen, in denen die Quelle und der Detektor auf der selben Seite des Messtargets platziert sind, unabhängig von dem Streuwinkel, der weniger als 90º betragen kann. Dementsprechend wird der Ausdruck "Vorwärtsstreuung" oder Vorwärtsstrahlung für Messsituationen verwendet, in denen die Quelle und der Detektor auf jeweils einer der Seiten des Messtargets platziert sind. Diese Erfindung kann nur ausgeführt werden, wenn die Quelle und die Detektoren auf jeweils einer Seite eines typischen, plattenförmigen Messtargets platziert sind. Hinsichtlich des Anwendungsgebiets ist die Erfindung daher im Vergleich zu den gut bekannten "Rückstreu"-Techniken beschränkt, aber innerhalb des begrenzten Anwendungsgebiets, nämlich den plattenförmigen Materialien, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, ein Messsignal zu erhalten, welches proportional zu der Dichte in einem Partialvolumen ist, unabhängig von den Dichten und Dicken der umgebenden Schichten.
  • In Fig. 1 ist K eine radioaktive Quelle oder eine Röntgenröhre, die Strahlung zu einem Detektor T aussendet, der die Strahlungstransmission durch eine Platte M hindurch misst. Ein Detektor F ist so parallel gerichtet, dass er nur gestreute Strahlung von einem kleinen Partialvolumen um einen Streuort P herum empfängt. Der Detektor F kann so verschoben werden, dass der beobachtete Streuort P sich entlang der Linie P-Q verschiebt.
  • Soweit plattenförmige Materialien betroffen sind, deren Dichte nur senkrecht zu der Ebene der Platte M wesentlich variiert, kann das nadelförmige Strahlenbündel im Prinzip durch ein fächerförmiges Strahlenbündel ersetzt werden. Folglich können die Orte P und Q als langgestreckte Messvolumina senkrecht zu der Zeichenebene angesehen werden. In dieser Weise wird ein sehr starkes Messsignal für eine spezifische Intensität der Quelle erhalten. Dann braucht der Kollimator vor dem Detektor F nur so strukturiert zu sein, dass er ein Gesichtsfeld aufweist, das über die maximale Breite des fächerförmigen Strahlenbündels in der Platte M hinausgeht.
  • Der Detektor F kann mehrere bewegbare Detektoren aufweisen, um eine höhere Messempfindlichkeit zu erhalten, oder mehr bewegbare Detektoren können Partialbereiche in solch einer Weise scannen, dass ein vollständiges Dichteprofil sehr schnell erhalten wird, oder in solch einer Weise, dass nur die Bereiche untersucht werden, die aus produktionstechnischer Sicht am meisten interessieren. Die Untersuchung von interessierenden Partialbereichen liefert eine exakte Eigenschaft, die nur durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird. Die bekannten "Rückstreu"-Prinzipien machen ein Messen aller Partialbereiche zwischen der Oberfläche und den gewünschten Messbereichen erforderlich, um eine Berechnung der Verteilung der Dichte in einer speziellen Tiefe der Platte zu ermöglichen.
  • Fig. 2 erläutert, wie das Dichteprofil mathematisch aus den gemessenen Größen abgeleitet wird. K, T und F haben dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1, und hier sind sie nur in Form von Aussenderichtungen dargestellt. M ist die Platte, die sich typischerweise unter dem kontaktlosen Messen bewegt. Die Dichte variiert kontinuierlich oder diskret senkrecht zu der Ebene der Platte M, hier durch eine X-Achse dargestellt. Die Strahlung von der Quelle K trifft die Platte M an dem Ort A unter einem Einfallswinkel V. In dem Beobachtungsort C wird die Strahlung gestreut, und der Detektor F detektiert nur den Teil der gestreuten Strahlung, der unter einem Winkel θ gestreut wird. Der Reflektionswinkel ist mit W bezeichnet. Der ausgesandte Strahl verlässt die Platte M bei B, und der beobachtete gestreute Strahl verlässt die Platte M bei D.
  • Wenn angenommen wird, dass eine diskrete Dichteverteilung vorliegt, kann die Intensität des Strahlungstrahls IFS von einem Volumenelement Vi bei Xi ausgedrückt werden als IFS(Xi) =
  • wobei
  • Si = σ(θ,E) · ρ · Vi · D
  • α1 = 1/sinV; α&sub2; = 1/sin(180-θ-V) = 1/sin(θ + V)
  • Die Gleichung enthält die Intensität der Strahlung I&sub0; der Quelle K, die Schwächung entlang A-C, die Schwächung entlang C-D, wobei der Absorptionskoeffizient u' > u ist, da die Energie E' der Compton-gestreuten Strahlung geringer ist als die Energie E der Primärstrahlung der Quelle K. Si enthält die Streuwahrscheinlichkeit σ, die von der Energie E und dem Streuwinkel θ sowie von der Dichte ρi in dem Volumenelement Vi abhängt, deren Größe sowie einen von dem Raumwinkel und dem Wirkungsgrad abhängigen Kombinationsfaktor εD für den Detektor F.
  • Durch Einsetzen der Identität u' α&sub2; = u' α&sub2; + u α&sub1; - u α&sub1; folgt, dass
  • oder IFS (Xi) = T · Si · K.
  • Es ist ersichtlich, dass der Faktor T die Intensität der ausgesandten Strahlung bei IT = I&sub0; - e-u< &rho;> ·L, wobei < &rho;> = 1/N &Sigma;&rho;i
  • die Durchschnittsdichte der Platte ist, und L = t/sinV = t · &alpha;&sub1; = N · &Delta;X · &alpha;&sub1; die Wegstrecke des Strahls in der Platte M ist.
  • Der Ausdruck K beträgt 1 für u &alpha;&sub1; = u' &alpha;&sub2;, was erhalten wird für
  • sin(V + &theta;)/sinV = u'/u > 1
  • Die Gleichung beruht wie erwähnt auf der Compton-Beziehung E' =
  • Mit anderen Worten ist E' < E und demzufolge u' > u für einen sehr großen Bereich von Strahlungsenergien und Materialien.
  • Die Dichte in den Volumenelementen Vi für K = 1 ist mit anderen Worten durch das Verhältnis IFS (Xi)/IT unabhängig von dem Dichteprofil bestimmt. Die Parameter, die Teil von Si sind, sind Apparaturkonstanten, &sigma;(&theta;, E) wird für die Strahlungsenergie E gefunden, und der Streuwinkel &theta; wird durch den Querschnitt des Strahls bestimmt, und der Kollimator und &epsi;D werden durch die Kollimatoröffnung, den Wirkungsgrad des Detektors und den Abstand zwischen dem Detektor und dem Streuort gefunden.
  • Die Winkelbeziehung kann alternativ durch die Tatsache ausgedrückt werden, dass die Strecke CD kürzer sein muss als die Strecke CB (wobei dieselbe Schwächung der Strahlung entlang dieser Wege vorliegen muss. Der Absorptionskoeffizient ist jedoch entlang CD größer).
  • Der Einfallswinkel V muss daher immer kleiner als 90º sein.
  • E' < E bedeutet, dass u' > u. Da &alpha; < 1, ist es in vielen Fällen möglich, u' · &alpha; = u zu wählen, wobei die Dichte in dem beobachteten Volumen Vi durch die gemessenen Strahlungsintensitäten IT und IFS ausgedrückt werden kann. Es gibt zwei Lösungen, da u = &Delta;S/&Delta;X symmetrisch um V = 45º ist. In der Praxis wird &theta; = 90º als der Winkel gewählt, der die beste Lösung liefert. Die Energie des Primärstrahls muss jedoch immer so relativ zu der Dicke, der Durchschnittsdichte und der Zusammensetzung des Messtargets gewählt werden, dass die Schwächung ungefähr 10 bis 70% beträgt, was 0,1 < u&rho;M · t < 1 entspricht. Man hat z. B. für ein Material mit &rho;M fast gleich 1 g/cm³ und t = 2 cm die Gleichung 0,05 cm²/g < u < 0,5 cm²/g. Eine Gammaquelle K mit einer Energie von 60 keV oder eine Röntgenstrahlenquelle mit einer Anode mit einer Spannung von 100 keV, was einer Photonenenergie von ungefähr 70 keV entspricht, haben sich als geeignet für Materialien auf Holz- oder Kunststoffbasis (u = 0,165 cm²/g für Kohlenstoff bei 70 keV) herausgestellt. In Verbindung mit einem geeigneten Streuwinkel 0 = 90º wird die folgende Gleichung für E = 70 keV gefunden
  • Die Änderung in u kann durch Entnahme aus Tabellen als ungefähr 0,01 cm²/g betragend gefunden werden, wonach
  • u'/u = 0,174/0,165 = 1,05
  • Obige Beziehung wird durch die Winkelrelation erfüllt, wenn der Einfallswinkel V = 43,5º ist. Wenn der Einfallswinkel V gleich 45º gewählt wird, beträgt der entsprechende Streuwinkel &theta; = 87º.
  • Eine vollständige Winkelbeziehung bedeutet mit anderen Worten IFS (Xi) = IT · Si · 1 mit Si = &sigma; · &rho;i · Vi · &epsi;D oder &rho;i = Konstante · IFS(X)/IT.
  • Wenn Tests mit V = 45º durchgeführt werden, sollte der verwendete Streuwinkel &theta; wie oben erwähnt 87º anstelle von 90º betragen. Der Unterschied ist jedoch fast irrelevant und darüber hinaus rechtfertigt ein Effekt einen Streuwinkel von 90º.
  • Wenn eine Röntgenstrahlenröhre anstelle einer Gammaquelle verwendet wird, findet eine Strahlenhärtung in Vorwärtsrichtung durch das Material hindurch statt, die einer etwas höheren Durchschnittsenergie in dem Ort B, vgl. Fig. 2, als der Durchschnittsenergie der Strahlung in dem Ort A entspricht. Die Streuwahrscheinlichkeit &sigma; in dem Ort B ist daher geringfügig kleiner als in dem Ort A. Umgekehrt ist der Korrekturfaktor
  • K = exp [(u&alpha;&sub1; - u'&alpha;&sub2;) · &Delta;X · &rho;p] = 1
  • in dem Ort B (&sigma; = verbleibendes Plattengewicht für gestreute Strahlung = 0) und wenige Prozente geringer in dem Ort A. In der Praxis neutralisieren sich diese Effekte gegeneinander mehr oder weniger, und gewöhnlich wird &theta; = 90º anstelle von &theta; = 87º gewählt. Bei allen Bedingungen sind die Effekte unerheblich, und das Bild ändert sich nicht, auch wenn mehrere Schlitzkollimatoren verwendet werden, was bedeutet, dass ein größerer Winkelbereich abgedeckt wird.
  • Soweit leichte Materialien betroffen sind, werden vorteilhafterweise Energien von 50 bis 100 keV, wie erwähnt, verwendet, wobei die Compton-Änderung gering ist und der Absorptionskoeffizient für IFS daher nur wenige Prozente höher ist als für IT. Daher bestimmt die Winkelbeziehung, dass der Reflektionswinkel W fast gleich dem Einfallswinkel V sein muss. Beispiele des letzteren sind aus Fig. 3 ersichtlich.
  • Die Erfindung basiert auf einer Kombination von gestreuter Strahlung und Strahlung, die durch ein plattenförmiges Material mit über die Dicke variierender Dichte hindurchgeht, wobei es durch eine geeignete Wahl von Winkeln und Strahlungsenergie möglich ist, eine kalibrierungsfreie Messung des Dichteprofils zu erhalten.
  • Das fragliche Target ist nicht notwendigerweise plattenförmig. Es kann auch andere Formen haben, z. B. keilförmig oder mit einer gekrümmten Oberfläche geformt sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung des Dichteprofils eines plattenförmigen Materials (M) mit einer Dichte, die diskret oder kontinuierlich über die Plattendicke variiert, während die Dichte in einer speziellen Tiefe der Platte als vorzugsweise konstant angenommen wird, wie z. B. Platten auf Holzbasis, mittels Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen von einer parallel gerichteten Quelle (K) , die auf einer Seite der Platte (M) platziert ist, wobei wenigstens ein erster Detektor (T) und ein zweiter Detektor (F) auf der anderen Seite der vorzugsweise endlosen Platte (M) angeordnet sind, wobei die ungestreute, durch die Platte (M) hindurchgehende Strahlung mit dem ersten Detektor (T), der in der Aussenderichtung der Quelle (K) platziert ist, gemessen wird und die unter einem Streuwinkel (&theta;) von Partialvolumina entlang der Aussenderichtung der Quelle (K) in eine Detektionsrichtung gestreute Strahlung mit wenigstens einem zweiten Detektor (F), der außerhalb der Aussenderichtung der Quelle (K) platziert ist, gemessen wird, wobei die Platte (M) zwischen der Quelle (K) und den Detektoren (T), (F) parallel zu der Ebene der Platte (M) fortbewegt wird und wobei der zweite Detektor (F) relativ zu dem ersten Detektor (T) und parallel zu der Aussenderichtung der Quelle (K) verschoben wird, während die Detektionsrichtung beibehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und bewegbare Detektor durch eine mechanisch still stehende Anordnung von Detektoren ersetzt ist, wobei die einzelnen Detektoren in der Anordnung denselben Bereich abdecken, der durch den zweiten Detektor während seiner Bewegung überstrichen wird, und die Messwerte gleichzeitig oder nacheinander während der Fortbewegung der Platte (M) detektieren.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (V) im Wesentlichen identisch mit dem Winkel zwischen der Ebene der Platte und der Richtung der detektierten gestreuten Strahlung (W) ist, unter dem die gestreute Strahlung die Platte (M) verlässt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (V) ungefähr 60º beträgt, während der Winkel zwischen der Ebene der Platte und der Richtung der detektierten gestreuten Strahlung (W) ungefähr 65º beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (V) ungefähr 45º beträgt, während der Winkel zwischen der Ebene der Platte und der Richtung der detektierten gestreuten Strahlung (W) ungefähr 48º beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (V) ungefähr 30º beträgt, während der Winkel zwischen der Ebene der Platte und der Richtung der detektierten gestreuten Strahlung (W) ungefähr 31º beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsrichtung des zweiten Detektors (F) ungefähr 87º relativ zu der Aussenderichtung der Quelle (K) beträgt, wenn die Aussenderichtung einen Winkel von ungefähr 45º mit der Oberfläche der Platte bildet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verwendete Strahlungsquelle (K) eine Röntgenröhre ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensation für Strahlenhärtung durch Verwendung eines Streuwinkels (&theta;) durchgeführt wird, der geringfügig verschieden ist von dem Streuwinkel (&theta;), der im Fall von keiner Strahlenhärtung verwendet wird.
DE69521613T 1994-06-20 1995-06-15 Methode zur bestimmung des dichteprofils eines scheibenförmigen materials Expired - Lifetime DE69521613T4 (de)

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