SE453691B - Forfarande for metning av egenskaper i en tverprofil hos en kontinuerlig materialbana under rorelse - Google Patents

Description

453 691 Genom DE-A 3 336 659 är tidigare känd en anordning för mät- ning av fukthalten innefattande en kontinuerligt lysande ljus- källa och framför denna en motordriven filterskiva med maske- rande segment och segment tillåtande passage av vissa ljus- vâglängder. Anordningens detektorenhet bygges på ett optiskt system, som riktar ljus från var och en av ledarna i det andra ledarelementet mot en egen fotocell. Mätvärdena från respektive fotocell behandlas sedan vidare i analysdelen.

Denna tidigare kända anordning blir onödigt dyr och komplice- rad, p g a att den innefattar en fotocell för varje mätpunkt.

Risken för fel på fotocellerna ökar med antalet fotoceller, och ett fel på en av fotocellerna leder antingen till fel- aktiga mätresultat eller ger en komplicerad och tidsödande reparation. En alternativ konstruktion med en enda fotocell, som mekaniskt förflyttas mellan de olika ljusledarna, har den nackdelen, att tiden för mätningen blir avsevärt förlängd.

Vidare kan den mekaniska förflyttningsanordningen drabbas av mekaniska fel.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för mätning av egenskaperna i en tvärgående profil hos en konti- nuerlig materialbana, med vars hjälp nackdelarna förenade med de nuvarande metoderna elimineras. Dessutom är syftet med upp- finningen att åstadkomma ett förfarande, med vars hjälp den tvärgående profilen av den storhet som skall mätas erhålls i realtid både med avseende på redovisning av mätresultat och utförande av justeringsåtgärder. Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande, medelst vilket mätningarna utförs utan några mekaniskt rörliga sonder och som är pålitligt och driftsäkert, samt på vilket ändringar í om- givningsbetingelserna inte utövar något inflytande. 453 691 För att uppnå detta syfte kännetecknas det ovannämnda förfaran- det framför allt av det särdrag, som anges i den kännetecknan- de delen av patentkravet 1.

Medelst uppfinningen erhålls en mycket enkel, billig och drift- sëker konstruktion, som saknar komplicerad optik och rörliga delar andra än de, som erfordras för manövrering av mätbom och analyseringsbom till och från mätläge intill den rörliga banan.

Ytterligare fördelaktiga utföringsformer och särdrag hos uppfin- ningen framgår av underkraven.

I den optiska (ultraviolett, synligt och infrarött ljus) mätmeto- den, som används vid föreliggande uppfinning, erfordras inga me- kaniskt tvärgâende sonder och en tvärgående mätprofil av den stor- het, som skall mätas, erhålls omedelbart.

I det följande förklaras,förfarandet enligt uppfinningen med hän- visning till bifogad ritning, i vilken Fig. l visar ett utföringsexempel med en anordning för genom- förande av förfarandet enligt uppfinningen visad i par- tiell tvërsektion sedd från sidan, och Fig. 2 visar ett blockschema av analysdelen hos anordningen i riga la Den i fig. l visade anordningen innefattar i en inkapsling 2 för strålkällor placerade pulslasrar, en mätbom 7, som är placerad väsentligen i tvärgâende riktning med avseende på en materialbana l, en parallellt med mätbommen anordnad analyseringsbom 8 och en ana- lysdel 6. Ledarelement 3, 5 av ett optiskt ledande material, exem- pelvis optiska fibrer, är placerade inuti bommarna 7, B. Den ljus- avgivande fiberbunten 3 är anordnad för att leda ljuspulser åstad- komna av pulslasrar inuti mätbommen. I fiberbunten och mätbommen är på avstånd från varandra anordnat mellanliggande utloppsöppnin- gar 4 och på analyseringsbommen är på motsvarande ställen anordnat öppningar 9, inuti vilka fibrer tillhörande den ljussamlande fiber- bunten 5 är placerade. Avståndet mellan de mellanliggande utloppen 10 15 20 25 30 35 453 691 4 är valt större än ljusets förflyttningsdistans i fibern under tidrymden för en puls. Mätbommens utloppsöppningar och öppningar- na 9 på analyseringsbommen är i det visade utföringsexemplet skyddade av ljusgenomsläppliga höljen 14.

Ladarelementet 3 är anordnat för att sträcka sig inuti mätbommen från den ena änden till den andra och ledas runt i denna på så sätt, att varje fiber i fiberbunten är anordnad för att ledas runt allt fler gånger från en ände av bommen till den andra, ju längre bort den mellanliggande öppningen motsvarande denna fiber är belägen från bommens ena ände, exempelvis fiberbuntens inträ- desände. Under dessa omständigheter är den fiber i fiberbunten, som är förd till den första utloppsöppningen, inte alls ledd runt via den andra änden av bommen, den fiber i fiberbunten, som är ledd till andra öppningen, har letts runt en gång via den andra änden av bommen, den fiber, som är ledd till den tredje öppnin- gen, har letts runt två gånger via den andra änden av bommen osv.

På detta sätt åstadkoms en viss tidsförskjutning mellan ankomsten av ljuspulser till var och en av öppningarna jämfört med den när- mast föregående öppningen. Denna tidsfördröjning kan göras längre genom att leda runt fibrerna mer än en gång mera än fíbern i när- mast föregående öppning.

I en andra fördelaktig utföringsform leds endast en enda optisk fiber runt inuti bommen från den ena änden till den andra flera gånger. Härvid har ytan på fibern vid varje utloppsöppning behand- lats på sådant sätt, att en del av ljusstrålen passerar igenom ytan in i den mellanliggande utloppsöppningen. De behandlade punkterna på fiberns yta är anordnade på motsvarande sätt, som be- skrivs ovan, varvid en motsvarande tidsfördröjning erhålls. Genom att exempelvis behandla ytan på så sätt, att den släpper igenom omkring 2 % av strålningen, åstadkoms en fungerande lösning. Även andra värden och tillämpningar kan användas för att åstadkomma tidsfördröjningen.

Den ljusavgivande fíberbunten i mätbommen kan vara mycket tunn, t o m bara en enda fiber eller mindre per mätpunkt, eftersom det l0 15 20 25 30 35 453 691 5 är möjligt att öka effekten med lasrar i änden på en liten fiber- bunt, medan å andra sidan de ljussamlande fibrerna i analyserings- bommen måste göras tjockare p g a den erforderliga intensiteten hos det uppsamlade ljuset. Denna erforderliga tjocklek kan variera och den beror på lasrarnas effekt och på absorptionen eller genom- släppligheten hos den analyserade materialbanan.

Medelst en pulslaser eller pulslasrar matas ljuspulser in i den ljusledande fiberbunten 3, vilka ljuspulser med avseende på sin varaktighet understiger en mikrosekund, i praktiken med hänsyn till elektroniken omkring 10-100 nanosekunder.

Förfarandet enligt uppfinningen och funktionen hos anordningen förklaras genom att använda mätningen av fuktigheten hos en pap- persbana som exempel.

Fuktigheten hos en pappersbana mäts ofta genom användning_av ab- sorptionstopparna hos vatten, vilka ligger i det infraröda områ- det l-2 um. För mätning har valts vattnets absorptionstopp vid l,ü um och som referensvåglängd har valts 1,30 pm. Valen beror på det faktum, att för dessa våglängder finns det tillgängligt halvledande pulslasrar såväl som det i detta intervall finns en snabb (rise-time »dl ns) (indium-gallium-arsenik)-diod såsom avkännande instrument. Även andra lämpliga våglängder kan utnytt- jas. I den visade tillämpningen finns det i anordningens strål- källeinkapsling 2 både en mätlaser (l,40 pm) och en referensla- ser (l,30 pm). Med mätlasern skjuts först en omkring 30 ns lång laserpuls, vilken uppvisar åtminstone 10 ns med jämn höjd mellan den uppåtgående och nedåtgående delen, in i fiberbunten 3, av vil- ken en viss del tas till den första mätpunkten 15. På så sätt bringas en del av ljuset in i det tomma utrymmet mellan de ljus- genomsläppliga skyddshöljena 14 på mätbommen och analyserings- bommen. Mellan bommarna är det vid denna första mätpunkt 15 inte något papper och denna punkt används för bestämning av den rela- tiva storleken hos laserljusets intensitet eller nollvärde lo.

Till den nästa eller till den faktiska mätpunkten kommer man exempelvis genom att leda ljuspulsen runt mätbommen via dess ändar. 0m bommens längd är exempelvis omkring 5 m, anländer ljuset ef- ter en tid av omkring 2 x 5 x g till denna mätpufikt, Och om bryt- 10 15 20 25 30 35 453 691 6 ningsindex n för den optiska fibern (glas) är 1,55 och c i for- meln är ljusets hastighet i vakuum, kan denna fördröjningstid på basis av ovanstående formel beräknas till 50 ns. Den ljusledande fiberbunten leds runt via ändarna på mätbommen för att åstadkom- ma nämnda fördröjning mellan pulserna, varvid pulserna befordras på den ljusutsändande sidan på så sätt, att de cirkuleras ett extra varv via ändarna på bommen för varje mätpunkt och ljus- källepunkter är anordnade i var och en av de mellanliggande ut- loppsöppníngarna 4. Antalet sådana punkter kan variera och är t ex 50 st, varvid 49 mätpunkter erhålls för den tvärgâende profilen av pappersbanan l, dvs mätprofílen för ett S m brett band kan upp- mätas med 10 cm upplösning.

När man mäter fuktighetsprofilen för en pappersbana, måste bommar- na vara placerade i enlighet med fig. l på motsatta sidor av mate- rialbanan. När ljuset har lämnat de ljusöverförande punkterna 4 genom pappersbanan l mellan höljena 14, träffar det de ljusuppsam- lande fibrerna på analyseringsbommen och i den ljussamlande fiber- bunten 5 observeras en konsekutiv följd av pulser, som består av 50 pulser med 50 ns intervall. I den ljussamlande fiberbunten leds pulserna till en analyseringsdel 13 på följande sätt: Efter att ha erhållit ett analyseringskommando startar förstärkarens förstärk- ning på så sätt, att det motsvarar den i de optiska fibrerna 3 uppträdande dämpningen eller, om fiberbunten är jämnt uppdelad i de olika analyseringspunkterna och dämpningen för den maximala fiberlängden 500 m är 9D % stärkarens förstärkning härvid under 50 x 50 ns eller 2,5 ps exponentiellt 10-faldigt. för den använda våglängden, ökar för- Dessutom är förstärkaren förspänd på så sätt, att för 8-bits modem är spänningsnivån expanderad på så sätt, att det högsta värdet och det lägsta värdet inställs för den övre och den nedre gränsen för analysområdet. Därefter fortsätter pulsföljden, som skall ana- lyseras, till fasthållningsströmkretsar 17 med en inställningstid av omkring 10 ns, vilka avläsas och kanaliseras med multiplexo- rer 18 till en signalprocessor 19. Mikroprocessorns kontrolldel 13 tar hand om multiplexningen och analyseringen av dessa fyra signal- processorer på så sätt, att de matar in mätresultaten med interval- 10 15 20 25 30 35 453 691 7 ler på 50 ns till s k FIFO-minnen ll i sekvensordning. Den tid som passerar för en 8-bits A/D-transformering och minnesregistre- ring på en signalprocessor är 200 ns, vilket är orsaken till den parallella användningen av fyra processorer i detta exempel.

Omedelbart efter detta eller omkring 3 ps från avfyrandet av föregående laserpuls avfyras en puls med referenslasern till den optiska fiberbunten 3, varvid processförloppet är detsamma som med mätlasern och resultaten registreras igen i FIFO-minnet som en fortsättning av den föregående analysen. Sedan samlar hu- vudprocessorkortet 13 först upp resultaten från mätlasern och be- räknar dem beroende på IÛ-värdet i kanal l och resultaten av re- ferenslasermätningarna på motsvarande sätt i förhållande till dess eget 10. Fuktighetsvärdena löses 13 som normalt från rela- tionen mellan referens- och mätkanalen med hjälp av kalibrerings- prov. Under en mätning under 3 ps förflyttar sig pappersbanan i praktiken knappast något alls, så att referens- och mätvärdena erhålls från samma punkt på banan, eftersom analyseringsområdet är S-8 cm i diameter och pappersmaskinens pappersbana under 3 us förflyttas högst 0,1 mm.

I praktiken görs mätanordningen färdig för användning på följande sätt: Mätbommen och analyeeringsbommen flyttas bort på betryggan- de avstånd från varannan sträckning under den tid, då pappersba- nan förs igenom. Detta kan ske med en godtyckligt känd metod, exempelvis medelst tryckluftcylindrar 2l. Vid mätning placeras bommarna 7, 8 tätt intill banan med ett kvarstående mellanrum på l-2 cm. Under kontroll av processorkortet börjar mätningen med intervall på l míllisekund och först sänks den undre gränsen hos förspänningsförstärkaren till nära 0 och förstärkningen till ett minimum, då höjderna på alla pulser med säkerhet är bríngade på avläsningsfönstret hos 8-bitsmodemet. Efter detta följs endast den aktuella mätvåglängden belägen vid vattenabsorptionstoppen och den första IG-kanalen tas bort från redovisningen. Förspän- ningsbegränsningen hos förspänningsförstärkaren börjar stiga upp- åt, tills dess att det lägsta möjliga värdet börjar närma sig och det lägre gränsvärdet lämnas här. Därpå ökas förstärkningen på så sätt, att det högsta möjliga mätvärdet är nära den övre grän- sen för det analog/digitala modemet. På så sätt bringas upplös- 10 15 20 25 30 35 455 691 8 ningskapaciteten hos det analog/digitala modemet till sitt maxi- mum. Efter detta drivs intensiteten hos I0-kanalen med en s k neutral kil automatiskt till halva vägen av det förut inställda analyseringsfönstret. Den neutrala kilen är placerad omedelbart framför den ingående fibern på 10-kanalen. Slutligen justeras med mätprocessorn IÛ hos referensvåglängdslasern med hjälp av I 0 att mätvärdena också träffar fönstret hos det analog/digitala -kanalen halvvägs på analyseringsfönstret och det kontrolleras, modemet.

Kalibreringen av mätanordningen har således utförts och en konti- nuerlig mätning kan påbörjas. Tidsåtgången för en sådan kalibre- ring är endast några få sekunder. Mätsystemet kalibreras hädan- efter alltid, om något mätvärde överskrider eller går under det analog/digitala mätfönstret, och det är alltid möjligt att justera med intervall. Vattenmängden från varje mätpunkt (49 st) beräknas från förhållandet mellan de åstadkomna intensi- teterna hos mätlasern (l,40 pm) och referenslasern (1,3 pm).

På fig. 2 kan man även se justeringen 22 av den neutrala kilen och effektjusteringen 23 av en av pulslasrsrna samt av utgången Zh för den färdiga profilen för åskådliggörande, rapportering och justering.

Beräkningen av fukthalten ur mätresultaten sker antingen med hjälp av en given genomsnittlig torr ytvikt, vilken mäts med en någon annanstans på maskinen belägen noggrann ytviktsmätare, eller också är en beta-ytviktsmätare anbringad på systemet, med vilken mätare ytvikten mäta från platsen för en av mätpunkterna och ytvikten för de andra mätpunkterna erhålls från dämpningen av referensstrâlen med hjälp av kalibrering. Härvid måste noll- värdena för alla punkterna utan någon pappersbana mätas och lag- ras i minnet genom jämförelse med dämpningen för varje mätpunkt eller kan den s k geometriska faktorn beräknas. Genom ett sådant arrangemang uppnås, när genomsnittsvärdena av ännu fler mätnin- gar är beräknade, en noggrann realtidsmätning av fuktigheten, där de analoga signalerna mäts med en noggrannhet av mer än l promille och den slutliga bestämningen av fuktigheten med en noggrannhet av under 1,0 procentenhet. 1.1, 10 15 20 25 30 3.5 40 453 691 9 Med metoden enligt uppfinningen mäts också organiska och inorga- niska ytbeläggningar eller exempelvis fluorescerande substanser.

Bommarna är härvid placerade på samma sida av materialbanan luta- de i förhållande till varandra med en sådan vinkel, att det ljus, som sprids från den för mätning avsedda ytan, träffar ytan på analyseringsbommen på de ställen, där den har sina öppningar. När man kvantitativt mäter ytbeläggningen, äger reflektionen rum vid gränsytan mellan beläggningen och materialbanan. Eftersom ytbe- läggningen absorberar en av våglängderna bättre än den andra, är pulslasrarna inställda på dessa våglängder och vid varje mätpunkt mäts förhållandet mellan reflektionerna, varpå tvärprofilen för ytbeläggningen kan beräknas med hjälp av en kalibrering gjord ba- serad på ett känt prov.

Fluorescerande substanser mäts med hjälp av en pulslaser och genom att placera ett filter mellan den ljussamlande fiberbunten 5 och en detektor 10, medelst vilket filter mätningen endast analyseras för den fluorescerande våglängden. Ur den på detta sätt erhållna mängden av fluorescerande ljus i de olika mätpunkterna beräknas med hjälp av en utförd kalibrering på basis av ett känt prov mängden av fluorescerande substans eller dess koncentration i materialbanan.

När man mäter inom det ultravioletta området, är det nödvändigt att använda exempelvis två nitrogenlasrar, från vilka med olika filter lämpliga våglängder tas till fibern 3. I mörker, synligt och infrsrött ljus upp till l um kan normala kiselbaserade dioder användas. Generellt sett är fibermetoden lämplig för nu tillgäng- liga material inom det område, där ljusvåglängder på 200 nm 4 pm används, även om de långa fibrerna i närheten av de båda ändvär- dena redan har en avsevärd absorption av intensiteten.

En fördröjning införs också i metoden genom avståndsskillnaden melan mätpunkterna på analyseringsbommen, vilket avstånd kan be- traktas som en ytterligare fördröjning av pulsintervallerna i den pulsföljd, som skall analyseras. Naturligtvis kan även på ana- lyseringssidan en ytterligare fördröjning anordnas genom val av längd på fibrerna, t o m så att fördröjningsledningen på den från lasrarna utgående ledningen kan kortas till ett minimum. Emeller- tid är inte detta särskilt förståndigt, eftersom på analyssidan

Claims (4)

453 691 10 kan den analyserade ljusintensiteten ökas genom att öka tjockle- ken på fibetbunten. Uppfinningen är inte begränsad till det visade utföringsexemplet utan kan varieras inom ramen för de följande patentkraven. Exem- pelvis måste de optiska fibrerna inte nödvändigtvis dras fram och tillbaka mellan bommen eller bommarnas ändar för att uppnå tidsfördröjningen, utan fiberbuntarna kan dras i slingor på nå- got annat sätt, exempelvis i runda slingor. P A T E N T K R-A V
1. l. Förfarande för mätning_av egenskaper i en tvärprofil hos en kontinuerlig materialbana (l) under rörelse, vid vilket förfarande ljuspulser vid vissa våglängder matas in i ett första inuti en mätbom (7) placerat ledarelement (3) Qjort av ett optiskt ledande material anordnat huvudsakligen i mate- rialbanans tvärriktning, varvid pulserna sänds ut från det första ledarelementet genom utloppsöppningar (4), vilka öpp- nar sig i riktning mot materialbanan och är anordnade på av- stånd från varandra, varvid de genom materialbanan passerande eller från materialbanan spridda pulserna uppsamlaa med hjälp av ett andra ledarelement (5), som innefattar åtskilda ledare till öppningarna (4) motsvarande öppningar (9) på en analyse- ringsbom (B) och är anordnat väsentligen parallellt med det för- sta ledarelementet (3), och leds till en analysdel (6), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , a t t medelst åtmin- stone en pulslaser matas pulser i sekvens in i det Första le- darelementet (3), varvid ljus sänds ut i riktning mot materi- albanan genom utloppsöppningarna (4) i det första elementet (3), varvid avståndet mellan två intilliggande utloppsöppningar (4) är större än ljusets förflyttningsdistans i ledarelementet un- der varaktigheten för en puls, så att det åstadkoms en detek- terbar tidsförskjutning mellan ankomsten av ljuspulser till var och en av utloppsöppníngarna (4) i mätbommen (7) jämfört med den närmast föregående öppningen (4), och att de med hjälp av det andra ledarelcmentet (5) i öppningarna (9) upp- samlade, tidsförskjutna pulserna anländer som pulser i sekvens f, 453 691. ll till analysdelen (6), där de var och en för sig förstärks be- roende på normeringsintensiteten, och storheten, som skall mätas, beräknas genom jämförelse av intensíteterna hos pulser- na med resultat erhållna genom kalibrering av den tvärgâende profilen.
2. 2. Förfarande enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v , a t t pulserna leds till en detektor (10) belä- gen i analyseringsdelen (6), varefter beroende på de olika av ljuset passerade sträckorna i ledarelementen (3, 5) signaler i Form av en följd av inkommande pulser förstärks och analyse- ras, varvid från varje efter varandra kommande mätpunkt ett eget pulshöjdsvärde åstadkoms i ett minne (ll) hos mätan- ordningen, varifrån resultaten utmatas och beräknas.
3. 3. Förfarande enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v , a t t absorptionen av ljus från pulslasrarna både i den ljusavgivande fibern (5) och den ljus- samlande fibern (5) korrigeras med en förstärkare inbyggd i en förstärkníngsenhet (12), varvid förstärkarens förstärkning ökar exponcntiellt med samma tidskonstant som våglängderna dämpas vid passage genom fibrerna före analysen och öknin- gen i förstärkning påbörjas med hjälp av en mikroprocessor- innehållande kontrollenhet (13), när den Första laserljuspul- sen leds från den närmaste mätpunkten.
4. 4. Förfarande enligt något av patentkraven l-4, k ä n n e - tecknat därav, att som förstärkare (lniana- lyseringsdelen används en förspänd förstärkare, varvid från början kalibrering av området för ett analog-digitalt modem begränsas automatiskt till variationsområdet för mätsignaler- na, och det från fibern till normeringsmätpunkten inkommande ljuset justeras inom dessa mätgränscr med en automatiskt rör- lig,neutral kil, och att medelst de så erhållna mätresultaten, som tar hänsyn till förspänningen, beräknas värdena av den öns- kade mâtstorleken för åskådliggörande av en tvärprofil av mate- rialbanan.