WO2000077493A2 - Vorrichtung zur messung von feuchtigkeit und reflexionsvermögen von oberflächen - Google Patents

Vorrichtung zur messung von feuchtigkeit und reflexionsvermögen von oberflächen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for measuring moisture
  • the object of the invention is a device of the e. G. Provide a way that enables accurate measurements even with rapidly changing distance of the measurement object. This object is achieved by the features of patent claim 1.
  • the subclaims describe advantageous configurations of the device.
  • the claim 9 relates to an advantageous use of the device.
  • a particular advantage of the invention is that in addition to moisture measurement with the aid of the tiltable mirror 7, a gloss determination can be carried out.
  • This mirror enables internal calibration.
  • the use of this mirror enables a compact, flat structure, since all measuring beams within the measuring device run in one plane parallel to the measuring plane.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a device according to the invention and FIG. 2 shows a section perpendicular to it.
  • the lamp 1 shows the lamp 1 at the top left.
  • the light from the lamp 1 is coupled into a fiber-optic fiber 16 using suitable optics.
  • the output of the fiber optic is with a converging lens via the beam splitter 2 (the reflected portion), the mirror 3 (the surfaces are painted by mirror 3 and beam splitter 2 are parallel and lie in one plane with the incident beam) and the deflecting mirror 7 the measuring spot 9, shown in the maximum permissible distance between the device and the measuring surface. This ensures that the measuring spot 9 can only be smaller in diameter with smaller distances between the arrangement and the measuring surface.
  • the output of the light guide 16 is imaged by the beam splitter 2 (transmitted portion) and via the deflecting mirror 7 onto the measuring spot 8.
  • the image is blurred at all smaller distances, but the illumination of the measurement spot is homogeneous (with a suitable fiber-optic light guide 17, for example a statistically mixed fiber bundle).
  • the converging lens 6 sees the measuring spots 8 and 9 via the deflecting mirror 7, the beam splitter 2 and the deflecting mirror 3 and images them on the detector level, possibly with the aid of further lenses.
  • the middle image is the image of the measuring spot 9 over the deflecting mirror 7, the mirror 3 through the beam splitter 2 through with the help of the lens 6, superimposed by the image of the measuring spot 8, over the deflecting mirror 7, the beam splitter 2 and the lens 6.
  • the two outer images are the images of the measuring spot 8 via the mirror 3 and the image of the measuring spot 9 above the mirror 2, the wider beam path is described above. These two disturbing images are masked out, since the angle of incidence, and thus the measurement signal, would change as the distance between the device and the measurement surface changes, and the measurement system could therefore no longer be used independently of the distance.
  • the aperture required for this is not shown here.
  • the remaining image is divided between the two detectors 4, 5 by a beam splitter 10, which preferably consists of a dichroic mirror (color splitter).
  • Dichroic mirrors have the advantage over simple beam splitters that a significantly higher usable intensity is available for the detectors. When using a short or long pass filter as beam splitter 10, the gain in intensity is somewhat less.
  • Filters 11 and 12 limit the spectral ranges to the desired limits.
  • the difference 15 of the two logarithmic detector signals 13, 14 results in the quotient from the two measured radiation intensities. If the optical conditions are the same for both channels, differences in brightness are reduced due to changes in the distance between the device and the test object and due to contamination.
  • two light-emitting diodes with suitable emission spectra can also be used. These can be modulated with different frequencies.
  • the light emitted by the two diodes can advantageously be combined with a corresponding statistically mixed fork light guide or a dichroic mirror. This means that a single detector can be used as a detection device for the measuring radiation.
  • the filters 11, 12 and the color splitter 10 are omitted.
  • the sectional view of FIG. 2 shows the effect of the tiltable mirror 7 on the incident measuring beam from the lamp 1, via the light guide 17, the lens 16 and the beam splitter 2 on the measuring surface 8.
  • the gloss of the surface can be determined. Deviations from this angle enable the diffuse reflection to be recorded, from which the moisture of the surface can be determined.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von Oberflächen mit Hilfe von Licht. Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung so auszugestalten, daß sie genaue Messungen auch bei schnell veränderlichem Abstand und schneller Bewegung des Meßojekts ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Beleuchtungsvorrichtung, deren Emissionsspektrum zwei Bereiche enthält, wobei der eine Bereich Teile einer Wasserabsorptionsbande und der andere Bereich einen benachbarten Teil davon umfaßt, einen Strahlteiler zur Aufteilung des Lichts in zwei Teilstrahlen zum Bestrahlen der Oberfläche in zwei Meßflächen, einen Spiegel, der den am Strahlteiler reflektierten Teilstrahl parallel zum durchgehenden Strahl umlenkt, und ein Nachweisgerät für den gleichzeitigen Nachweis der beiden Bereiche.

Description

Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von Oberflächen. Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und
Reflexionsvermögen von Oberflächen mit Hilfe von Licht.
Aus K. Hoffmann, Feuchtemessung durch Infrarotreflexion, Chemie-Ing.-Techn. 35, 55-62
(1963) ist ein optisches Feuchtemeßgerät bekannt, bei dem die beiden Spektralbereiche mit rotierenden Filtern, also zeitlich sequentiell, erzeugt werden. Dies führt bei rasch veränderlichen Objekten zu starken Verfälschungen der Meßwerte.
Bei modernen Hochgeschwindigkeitsdruckmaschinen sind während des Druckprozesses
Messungen der Feuchtigkeit des Druckpapiers mit einer sequentiellen Meßmethode nicht möglich, da sich der Meßabstand wegen des Flattems des Papiers bei schneller
Vorwärtsbewegung ständig schnell ändert.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung der e. g. Art bereitzustellen, welche genaue Messungen auch bei schnell veränderlichem Abstand des Meßobjekts ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung. Der Anspruch 9 betrifft eine vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben der Feuchtemessung mit Hilfe des kippbaren Spiegels 7 eine Glanzermittlung durchgeführt werden kann. Dieser Spiegel ermöglicht eine interne Eichung. Die Verwendung dieses Spiegels ermöglicht einen kompakten flachen Aufbau, da alle Meßstrahlen innerhalb der Meßvorrichtung in einer Ebene parallel zur Meßebene verlaufen.
Die Lichtausbeute und damit die Messempfindlichkeit wird durch Verwendung eines Spiegels 3 nahezu verdoppelt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt die Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und die Fig 2 einen senkrecht dazu liegenden Schnitt.
Die Fig. 1 zeigt oben links die Lampe 1. Das Licht der Lampe 1 wird mit einer geeigneten Optik in einen Faserlichtleiter 16 eingekoppelt. Der Ausgang des Faserlichtleiters wird mit einer Sammellinse über den Strahlteiler 2 (der reflektierte Anteil), den Spiegel 3 (dabei sind die Flächenno malen von Spiegel 3 und Strahlteiler 2 parallel und liegen in einer Ebene mit dem einfallenden Strahl) und den Umlenkspiegel 7 , auf den Meßfleck 9, im weitest zulässigen Abstand zwischen Vorrichtung und Meßoberfläche abgebildet.. Dadurch ist gewährleistet, daß der Meßfleck 9 bei kleineren Abständen zwischen Anordnung und Meßfläche im Durchmesser nur kleiner werden kann. Ebenso wird der Ausgang des Lichtleiters 16 durch den Strahlteiler 2 (transmittierter Anteil) und über den Umlenkspiegel 7, auf den Meßfleck 8 abgebildet. Bei allen kleineren Abständen ist zwar das Bild unscharf, aber die Ausleuchtung des Meßfleckes homogen (bei geeignetem Faserlichtleiter 17, z. B. einem statistisch gemischten Faserbündel). Die Sammellinse 6 sieht die Meßflecken 8 und 9 über den Umlenkspiegel 7, den Strahlteiler 2 und den Umlenkspiegel 3 und bildet sie auf der Detektorebene ab, eventuell mit Hilfe von weiteren Linsen. Es entstehen in dieser Ebene drei nebeneinander liegende Bilder, die je nach Abstand zwischen der Vorrichtung und der Meßoberfläche mehr oder weniger weit voneinander entfernt sind (das mittlere Bild ist die Abbildung des Bildes des Meßfleckes 9 über den Umlenkspiegel 7, den Spiegel 3 durch den Strahlteiler 2 hindurch mit Hilfe der Linse 6, überlagert von der Abbildung des Meßfleckes 8, über den Umlenkspiegel 7, den Strahlteiler 2 und der Linse 6. Die beiden äußeren Bilder sind die Abbildungen des Meßfleckes 8 über Spiegel 3 und die Abbildung des Meßfleckes 9 über den Spiegel 2, der weiter Strahlengang ist oben beschrieben. Diese beiden störenden Abbildungen werden ausgeblendet, da sich mit sich änderndem Abstand zwischen Vorrichtung und Meßoberfläche, die Einstrahlungswinkel, und damit das Meßsignal ändern würde, und damit das Meßsystem nicht mehr unabhängig vom Abstand einsetzbar wäre. Die dazu notwendige Blende ist hier nicht dargestellt. Durch einen Strahlteiler 10, der vorzugsweise aus einem dichroidischen Spiegel (Farbteiler) besteht, wird die verbleibende Abbildung auf die beiden Detektoren 4, 5 aufgeteilt. Dichroitische Spiegel haben gegenüber von einfachen Strahlteilern den Vorteil, daß für die Detektoren jeweils eine deutlich höhere nutzbare Intensität zur Verfügung steht. Bei Verwendung eines Kurz- oder Langpassfilters als Strahlteiler 10 ist der Intensitätsgewinn etwas geringer.
Die Filter 11 und 12 begrenzen die spektralen Bereiche auf die gewünschten Grenzen. Die Differenz 15 der beiden logarithmierten Detektorsignale 13, 14 ergibt den Quotienten aus den beiden gemessenen Strahlungsintensitäten. Dabei kürzen sich, wenn die optischen Verhältnisse für beide Kanäle gleich sind, Helligkeitunterschiede durch Abstandsänderungen zwischen Vorrichtung und Meßobjekt und durch Verunreinigungen heraus. Anstelle der Lampe können auch zwei lichtemittierende Dioden mit geeigneten Emissionsspektren verwendet werden. Diese können mit verschiedenen Frequenzen moduliert werden. Das emittierte Licht der beiden Dioden kann vorteilhaft mit einem entsprechenden statistisch gemischten Gabellichtleiter oder einen dichroitischen Spiegel vereinigt werden, Dadurch kann als Nachweisgerät für die Meßstrahlung ein einziger Detektor verwendet werden, Die Filter 11, 12 und der Farbteiler 10 entfallen.
Die Schnittdarstellung von Fig. 2 zeigt die Wirkung des kippbaren Spiegels 7 auf den einfallenden Meßstrahl von der Lampe 1, über den Lichtleiter 17, die Linse 16 und den Strahlteiler 2 auf die Meßfläche 8. Beim eingezeichneten Winkel von 45° kann der Glanz der Oberfläche ermittelt werden. Abweichungen von diesem Winkel ermöglichen das Erfassen der diffusen Reflexion, aus welcher die Feuchtigkeit der Oberfläche ermittelt werden kann. Durch eine senkrechte Stellung des Spiegels 7 in Fig. 2, kann die Vorrichtung auf einfache weise geeicht werden, da dann die Lichtquelle direkt ( über alle optischen Bauteile) von den Detektoren gesehen wird.
Bezugszeichenliste
1 B eleuchtungseinrichtung
2 Strahlteiler
3 Spiegel 4 Detektor
5 Detektor
6 Linse
7 Kippbarer Spiegel 8 Meßfläche
9 Meßfläche
10 Strahlteiler
11 Interferenzfilter
12 Interferenzfilter
13 Logarithmierverstärker
14 Logarithmierverstärker
15 Differenzverstärker
16 Linse
17 Lichtleiter

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit und Reflexionsvermögen von Oberflächen mit Hilfe von Licht, bestehend aus a) einer Beleuchtungsvorrichtung (1), deren Emissionsspektrum zwei Bereiche enthält, wobei der eine Bereich Teile einer Wasserabsorptionsbande und der andere Bereich einen benachbarten Teil davon umfaßt, b) einem Strahlteiler (2) zur Aufteilung des Lichts in zwei Teilstrahlen zum Bestrahlen der Oberfläche in zwei Meßflächen (8,9), c) ein Spiegel (3), der den am Strahlteiler (2) reflektierten Teilstrahl parallel zum durchgehenden Strahl umlenkt, wobei der Spiegel (3) und der Strahlteiler (2) die optischen Achsen der Teilstrahlen nach deren Auftreffen auf die Oberfläche vereinen und d) ein Nachweisgerät für den gleichzeitigen Nachweis der beiden Bereiche.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Linse (6) zwischen dem Strahlteiler (2) und zwei Detektoren (4,5), welche als Nachweisgerät dienen, zur Erhöhung der Lichtausbeute.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen kippbaren Spiegel (7) zwischen dem Spiegel (3), dem Strahlteiler (2) und der Oberfläche, wodurch der Auftreffwinkel der beiden Teilstrahlen auf die Oberfläche mit den Meßflächen (8,9) identisch verändert werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung aus einer Leuchte deren Licht in eine Faseroptik eingekoppelt wird und einer Sammellinse besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Detektoren (4,5) ein jeweils den spektralen Bereichen entsprechendes Interferenzfilter (11,12) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (10) zwischen dem Spiegel (2) und den beiden Detektoren (4,5).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (10) ein dichroidischer Farbteiler ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (10) ein Kurz- oder Langpassfilter ist.
9. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 8 in Druckmaschinen.
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