JPS62288554A - 連続材料ウエブの横断面の特性を測定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は連続材料ウェブの横断面の特性を測定する方法
に関するものである。

［従来の技術］ 多くの工業プロセスにおいて、材料は連続ウェブの形で
作られる。かかる材料ウェブはプロセスの間にいろいろ
な点から測定されるが、そこで１つの縦断面が材料ウェ
ブのある１つの横スポットから、または材料ウェブに関
して機械的に操作される前後運動によって横方向に移動
されるプローブの助けによるいくつかのスポットから得
られ、それによって測定情報は横断面と縦断面の両方か
ら得られる。横断面を測定し、測定後に正しい測定結果
を用いて装置を調節することが、例えば紙およびプラス
チック業界において今日ますます尽力されている。測定
すべき特性は、例えば表面被覆の湿度、自乗重量、数■
または品質である。

［発明が解決しようとする問題点］ 既知の方法を適用するとき、問題は、可動プローブの概
念の複雑さと、それらを材料ウェブの近くに置くことと
、プローブの信頼できる作動を困難にする水分およ、び
温度のような周囲条件の因子である。現在の方法では、
材料ウェブの新面方向の異なるいくつかの点から同時に
信頼できる方法で測定を行うことは不可能である。もう
１つの問題として測定結果を得るのが遅れることとそれ
に起因する費用の増大があげられるが、その理由は材料
ウェブの特性の可能な調節と同時に使用すべき測定結果
が利用できなければならないからである。

［発明の目的と構成］ 本発明の目的は、連続材料ウェブの横断面の特性を測定
する方法を提供し、その助けによって現在の方法に関す
る不利を除去することである。本発明のもう１つの目的
は、測定すべき岱の横断面が出力および調節の両方とも
リアル・タイムで得られる方法を提供することである。

さらに本発明のもう１つの目的は、機械的に可動なプロ
ーブを用いないで、作動が信頼できて確実な測定が行わ
れ、周囲条件の変化に少しも影響を受けないような方法
を提供することである。

本発明の目的は、特許請求の範囲に示された特徴を有す
る方法によって達成される。

本発明による光（紫外線、可視光線および赤外線）測定
方法では、曙械的に横動するプローブは不要であり、測
定すべき聞の横断面が即時前られる。

［実施例］ 下記において、本発明による方法が付図に関して説明さ
れる。

第１図に示される機構には、パレス・レーザが置かれる
ソース・ケーシング２と、材料ウェブ１に関して交差方
向に主として置かれる測定ビーム７と、測定ビームと平
行に配列される分析ビーム８と、分析部分６とが含まれ
ている。先導低材料、例えば光ファイバで作られた導伝
素子３，５はビームの内側に置かれている。光源ファイ
バ束３は、測定ビームの内側のパルス・レーザによって
送られたパルスを導くように配列されている。ファイバ
束および測定ビームには相互に間隔を置いて中間出口４
が配列されており、分析ビーム８には対応するスポット
間口９が配列され、その中に収集ファイバ束５のファイ
バが置かれている。中間出口４の間の距離は、パルスの
持続時間でファイバ内の光の進む距離よりら大きく選ば
れている。測定ビームの出口および分析ビームの開口は
、この応用において光透過カバー１４で保護されている
。

導伝素子３は測定ビームの内側で一端から他端にわたる
ように配列され、この応用ではファイバ束の各ファイバ
がビームの一端から他端まで何回も循環するように配列
され、このファイバに対応する中間出口がさらに遠くに
置かれている。こうした状況の下で、第１出口に導かれ
るファイバ束のファイバはビームの他端を介して少しも
循環されず、第２出口に導かれるファイバ束のファイバ
はビームの他端を介して一度循環され、第３出口に導か
れるファイバはビームの他端を介して二度循環され、以
下同様に循環される。このように、各出口にそれぞれ達
するパルスの一定の遅延は前の出口と比較される。

第２の好適な応用では、唯一の光ファイバがビーム内で
その一端から他端まで数回循環される。

ここで、ファイバの表面は各出口で、光の閃光の一部が
表面を通して中間出口に得られるように処理されている
。ファイバの表面の処理されたスポットは上述の方法に
対応する方法で配列され、それによって対応する遅延が
達成される。例えば放射線の約２％を通すような方法で
表面を処理することによって、機能解決が達成される。

また、他の値および応用も遅延をもたらすように使用す
ることができる。

測定点当たりのファイバが１つまたはそれ未満でさえも
、測定ビームの透過ファイバ束を極めて薄りシ得るのは
、小さなファイバ束の端でレーザによる効果を発展させ
ることができるからであるが、さらに分析ビームの収集
ファイバも輝度の所要収集効率の理由でより厚く作られ
なければならない。この厚さ要求はいろいろであり、そ
れはレーザの効果に依存するとともに分析ずべき材料ウ
ェブの吸収または透過に依存する。

パルス・レーザによって、パルスは透過ファイバ束に送
り込まれるが、その持続時間は１マイクロ秒以下であり
、実際には電子の見地から約１０〜１００ナノ秒である
。

本発明による方法および組立てられた装置の機能は一例
として紙ウェブの湿度測定を用いて説明される。

紙ウェブの湿度はしばしば水の吸収ピークから測定され
るが、そのピークは閉赤外線範囲の１〜２μｍである。

測定の場合１．４μｍの水の吸収ピークが選択され、基
準波長は１．３０μｍに選択される。選択は、これらの
波長について半導電パルス・レーザが利用し得るととも
に、範囲について検出計器用の高速（立上り時間〜１ｎ
Ｓ）（インジウム砒化ガリウム）ダイオードが利用され
るが、他の適当な波長も加えることができる。提供され
た応用では、組立てのソース・ケーシング２に測定レー
１ｆ（１，４０μｌ）および基準レーザ（１，３０μｍ
）の両方がある。まず、測定レーザによって、パルスが
上昇と下降との間で平レベルの少なくとも１０ｎｓであ
る約３Ｑｎｓの長いレーザ・パルスがファイバ束３に打
ち込まれるが、そのある部分は第１分析点１５に取られ
る。かかる方法では、光の一部は測定および分析ビーム
の光透過保護カバー１４の間の空間に入れられる。第１
分析点１５におけるビーム間には紙がなく、この点はレ
ーザ光線の定格輝度すなわちピロ値Ｉ。

の決定に使用される。次の点または実際の分析点までは
例えば端を介して測定ビームの回りにパルスを導くこと
によって達せられる。ビームの長さが例えば約５ｍであ
るならば、光は約 ２　ｘ　５　ｘ　”の時間後にこの分析点まで達し、ま
た光ファイバ（ガラス）の屈折指数ｎが１．５５であり
、公式の中のＣが真空中の光の速度であるならば、この
遅延時間は上記公式に基づいて５ＱｎＳが計算される。

透過束はパルス間の遅延を形成するように測定ビームの
端から進むようにされ、それによってパルスはビームの
端から特別リンクでそれらを計算することによってかか
る方法で送信機側に移され、また光源点は各中間出口４
のスポットに来る。これらの点の譬は変化することがあ
り、例えば５０Ｃ１）Ｓであり、それによって紙ウェブ
１の横断前について４９の分析点が達成されたり、５７
７Ｌトラツクの断面提供が１０ｃｍの分解能で測定され
る。

紙の湿度断面を測定するとき、ビームは第１図に従って
材料ウェブの対向側に置かれなければならない。光がカ
バー１４の間に置かれる紙トラック１を通って透過の点
４から進むとき、それは分析ビームの収集ファイバに当
たり、収集ファイバ束５においてパルスの連続列が観測
されるが、この列は５Ｑｎｓおきに５０個のパルスで構
成されている。収集束において、パルスは下記の方法で
分析部分６に向けられる。分析指令を得てから、増幅器
の増幅はそれが光ファイバ３に生じる減衰に対応したり
、ファイバ束が異なる分析点に一様に分けられてファイ
バの最大長さ５００ｍが使用波長の９０％である場合、
これによって増幅器の増幅が５０　Ｘ　５０　ｎｓの間
すなわち２．５μｓの１０倍の間に上界する、ような方
法で上昇し始める。

ざら増幅Ｎ１２は、８ビツト・モデムについて電圧レベ
ルが拡大され、最高値および最低値が分析範囲の上限な
らびに下限用にセットされるような方法でバイアスされ
る。次に、分析すべきパレス列は、マルヂブレク号１８
によって読み出され信号処理装置１つにヂＡ７ンネル化
される約１００Ｓのセット時間を持つ保持回路１７に進
む。マイクロプロセッサの制御部分１３は、これら４個
の信号処理装置の多重化および分析を制御するので、そ
れらは５Ｑｎｓの間隔でいわゆるＦＩＦＯ（先入れ先出
し）記憶装置！１１に測定結果を順次読み取る。８ビツ
トのＡ／Ｄ　（アナログ／ディジタル）変換および１個
の信号処理装置の記憶に要する時間は２００ｎＳである
が、これは本例の４個の処理装置の並列使用による。こ
の後直ちにまたは前のレーザ・パルスの基準レーザによ
る作動から約３μｓ後に、光ファイバ３に対するパルス
が発射され、それによってプロセスの進行は測定レーデ
と同じであり、結果は前の分析の継続としてＦＩＦＯ記
憶装置に再び記録される。次に、主プロセツサ・カード
１３は測定レーザの結果をまず収集してそれらをチャネ
ル１１ｏによって評価し、さらに自らの■。に応じて基
準レーザの結果を収集する。湿度値は、校正サンプルの
助けによって基準チャネルと測定チャネルとの間の関係
から常時１３回算出される。３μｓの間の１つの測定で
は、紙トラックは実際にほとんど動かず、したがって基
準および測定値はトラックの同じ点から１９られるが、
その理由は分析範囲がその直径に対して５〜８１であり
かつ紙機械のトラックが３μｓの問に最大０．１ｍ移動
されるからである。

実際に測定装置の組立ては下記の方法で作動準備を整え
る。測定および分析ビームは例えばトラックから十分離
れた圧縮空気シリンダ２１を持つ既知の方法でトラック
に先んじる時間のあいだ引き離され、測定時にそれらは
トラックの近くに置かれ、中間に１〜２ｃｍの空間を残
す。プロセッサ・カードにより制御される測定は１Ｔｒ
ＬＳおきに始まり、まずバイアス増幅器の下限はゼロに
近く下げられ、すべてのパルスの高さが８ビツト・モデ
ルの読み出し窓に確実に達するとき増幅は最小になる。

この後でのみ水吸収ピークに置かれた測定波長が生じ、
それから第１１゜チャネルが考慮される。バイアス増幅
器のバイアス限度は、最低可能値に接近して下限が得ら
れるまで上方に上り始める。下記の通り、増幅は上げら
れ、最高可能測値はアナログ／ディジタル・モデムの上
限に接近する。かかる方法において、アナログ／ディジ
タル・モデムの分解能力は最大に発揮される。この後、
１ｏチヤネルの強さは前にセットされた分析窓の自動的
に半分のいわゆる中立−ウェッジによって駆動される。

中立ウェッジはＩ。チャネルの入口ファイバのすぐ前に
置かれる。最後に測定処理装置によって、基準波長レー
ザの１゜は分析窓の半分のチャネルの助けによって調節
され、測定値もアナ［Ｉグ／ディジタル・モデムの窓に
当たることが検査される。

かくて、測定装置組立ての校正が行われ、連続測定が開
始される。かかる校正の所要時間はわずか二、三秒に過
ぎない。測定装置は、ある測定値がアナログ／ディジタ
ル測定窓を越えたり下回ったりする場合、また常に調整
可能な間隔であるならば、その後かならず校正される。

各分析点（４９Ｃｆ１Ｓ）からの水の伍は測定レーザの
強さく１．４０ｕｓ）と基準レーザの強さく１．３μｍ
の間の関係から計算される。

第２図には、中立ウェッジの調節２２およびパルス・レ
ーザの１つの有効な調節２３ならびに表示、報告、調節
用の準備断面の出口２４も見られる。

測定結果からの湿度百分率の計算は、機械のどこかに置
かれる正確な自乗ｆｆ１ｆｆｉ計またはシステムに加え
られるベータ自乗重最計によって測定される与えられた
平均乾自乗重量の助けによって行われ、それによって自
乗型Ｍは分析スポットの１つのスポットから測定され、
他の分析点の自乗重量は校正の助けによる基準光線の減
衰から得られる。

ここで紙トラックなしでずべての点のゼロ値を記憶中に
測定しなければならなず、それとの比較によって各測定
点の減衰またはいわゆる外形因子が算出される。かかる
配列を得ることによって、さらに多くの測定の平均値が
算出されるとき、リアル・タイムの正確な湿度測定が得
られ、ここでアナログ信号は１マイル当たり１以上の精
度で測定され、０．１％単位以下の精度の湿度が最終的
に測定される。

本発明による方法によって、有機および無機表面被覆ま
たは例えば蛍光物質も測定される。ここでビームは、分
析すべき表面から散乱された光がビーム内の開口のスボ
ッ１−上の分析ビームの表前に当たるような角度で、相
互に傾斜した材料ウェブの同じ側に冒かれる。表面被覆
を吊鉤に測定するとき、光の反射は被覆および材料ウェ
ブの分離表面から生じる。表面被覆が波長の１つを他よ
りも良く吸収すると、パルス・レーずはこれらの波長に
セットされ、各測定点から反射の関係が測定され、そこ
で表面被覆の横断面が既知サンプルに基づく校正の助け
で計算される。

蛍光物質は１個のパルス・レーザの助けにより、また収
集ファイバ束５と検出器１０との間に測定用の蛍光波長
のみが分析されるフィルタを置くことによって測定され
る。既知のサンプルに基づく校正の助けによって異なる
測定点の蛍光のこうして得られた量から、蛍光物質の吊
または材料ウェブ内のその濃度が算出される。

紫外線範囲で測定するとき、例えば異なるフィルタによ
ってファイバ３に適した波長が取られる２個の窒素レー
ザを使用する必要がある。１μまでの黒色、可視および
赤外線の光では、検出器として正常のシリコン・ベース
・ダイオードを使用することができる。一般にファイバ
法は、２０ｎｌ〜４μｌの光波長が処理される範囲の今
日利用できる材料に適しているが、両制限の近くでは長
いファイバが既に強さの点で顕茗な吸収を持っている。

分析ビームの分析点間の距離差から遅延が本方法にも入
るが、これは分析すべきパルス列におけるパルス間隔の
追加の遅延と考えられる。当然、分析側にも追加の遅延
がやはりファイバの良さに対して配列されるので、出力
側の遅延ラインは最小限に短かくすることができる。し
かしこれが感じられないのは、分析側での分析すべき強
さがファイバ束の厚さと共に増加されるからである。

本発明は提供された応用に制限されず、特許請求の範囲
内で変化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は側部から見た一部断面の本発明による方法の実
施例の組立ての１つの応用図、第２図は第１図による組
立ての分析部分のブロック図である。 ［符号の説明］ １・・・・・・連続材料ウェブ、２・・・・・・ソース
・ケーシング、３．５・・・・・・光導伝素子、４・・
・・・・中間出口、６・・・・・・分析部分、７・・・
・・・測定ビーム、８・・・・・・分析ビーム、９・・
・・・・開口、１０・・・・・・検出器、１１・・・・
・・記憶装置、１２・・・・・・増幅器、１３・・・・
・・制御ユニットテ、１４・・・・・・カバー、１５・
・・・・・第１分析点、１７・・・・・・保持回路、１
８・・・・・・マルチプレクサ、１９・・・・・・信号
処理装置、２１・・・・・・圧縮空気シリンダ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続材料ウェブ（１）の横断面の特性を測定する
   方法において、一定の波長を持つ光パルスが主として材
   料ウェブを構成する光導伝素子（３）に対して交差位置
   に作られた光導伝材料に送り込まれ、パルスは材料ウェ
   ブの方向の中間出口（４）を通つて光導伝素子から出さ
   れ、材料ウェブを通つたり材料ウェブから散乱されたパ
   ルスは主として光導伝素子（３）と平行に配列された第
   ２光導伝素子（５）の助けにより収集され、分析部分（
   ６）に導かれる前記方法であつて、少なくとも１個のパ
   ルス・レーザによりパルスは光導伝素子（３）が置かれ
   る測定ビーム（７）の内側に順次送り込まれ、光はパル
   スの持続時間中に素子内の光の通過した距離よりも大き
   な距離を通る材料ウェブの方向に向けられ、相互に配列
   された中間出口（４）からのパルスは分析ビーム（８）
   の開口（９）に置かれた光導伝素子（５）の助けによつ
   て収集され、かつ分析部分に導かれ、そこで中間出口を
   通つて出されるパルスは順次パルスとして分析部分に進
   み、ここでそれらは定格輝度によつて増幅され、またパ
   ルスの輝度を校正から得られた結果と比較することによ
   つて測定すべき特性の横断面が口出されることを特徴と
   する前記方法。
2. （２）パルスが分析部分（６）に置かれる検出器（１０
   ）に導かれ、その後パルス列の形で光導伝素子（３、５
   ）内の異なる進行距離により、入つて来る信号が増幅さ
   れ分析され、そこで各結果の分析点から自らのパルス高
   さが測定装置の記憶装置（１１）に得られ、それから結
   果が読み出され算出される、ことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載による方法。
3. （３）光源ファイバ（３）および収集ファイバ（５）の
   両方におけるパルス・レーザからの光の吸収が増幅ユニ
   ット（１２）に組み込まれた増幅器によつて整えられ、
   その増幅は分析の前にファイバの中を進行するとき減衰
   される波長と同じ時定数で指数的に増加し、またその増
   幅の増加は第１レーザ・パルス光が最寄りの分析点から
   導かれるときマイクロプロセッサを含む制御ユニット（
   １３）の助けによつて開始される、ことを特徴とする特
   許請求の範囲１項または第２項記載による方法。
4. （４）分析部分の増幅器（１２）がバイアス増幅器とし
   て使用され、それによつて校正開始の際にアナログ−デ
   ィジタル・モデムの範囲が測定信号の変化範囲に自動的
   に制限され、またファイバから定格測定点までの自動的
   に移動可能な中立ウェッジにより入つて来る光はこれら
   の測定制限内で調節されること、およびバイアスを考慮
   に入れて、こうして得られた測定結果から、所望の測定
   量の値が材料ウェブの横断面の露出について算出される
   こと、を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のどれでも１つの記載による方法。
5. （５）片方の波長が水の吸収ピークの波長に相当し、他
   の波長が基準波長として用いられる２つの閉赤外線範囲
   レーザによつて紙ウェブの湿度百分率を測定し、そこで
   紙の正方形重量が基準光線の吸収から測定され、水の量
   がこれら２つの光線の輝度関係から測定される、ことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のどれで
   も１つの記載による方法。
6. （６）材料ウェブの表面被覆量の横断面は、分析すべき
   表面から散乱された光が開口（９）のスポット上の分析
   ビーム（８）の表面に当たるような角度で相互に傾斜し
   た材料ウェブの同じ側にビーム（７、８）を置くことに
   よつて測定され、そこで表面は自らのパルス・レーザが
   セットされる波長の１つを他よりも良く吸収し、また各
   測定点から、表面被覆と露出した材料ウェブとの間の分
   離表面から生じる反射の関係が測定され、それによつて
   既知サンプルに基づく校正の助けによつて表面被覆の横
   断面が算出される、ことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項ないし第４項のどれでも１つの記載による方法。
7. （７）螢光表面被覆または充填材料が１個のパルス・レ
   ーザと同調する波長を光源ファイバ束（３）に発射する
   ことにより、また収集ファイバ束（５）と検出器（１０
   ）との間に螢光のみを通過させるフィルタを置くことに
   よつて測定されること、および異なる測定点からのこう
   して得られた螢光の量から、螢光物質の量または材料ウ
   ェブ中のその含有量が既知サンプルに基づいて行われる
   校正の助けにより算出されること、を特徴とする特許請
   求の範囲１項ないし第４項のどれでも１つの記載による
   方法。