DE1598467B1 - Geraet zur beruehrungslosen messung der feuchte oder der konzentration anderer substanzen in bewegten messguthaben - Google Patents

Description

• Auf der anderen Seite des Meßgutes befindet sich ein Breitband-Interferenzfilter 9, eine Sammellinse 10 sowie ein Strahlungsempfänger 11. Bei Drehung des Motors 3 wird das Meßgut und der Strahlungsempfänger 11 je nach Art der Interferenzfilter 4 und 5 von Strahlungen unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt.
• Als Meß- und Vergleichsstrahlung werden in an sich bekannter Weise zwei diskrete Ultrarot-Linien von 1950 nm und etwa 1700 nm verwendet. Die erstgenannte Linie wird spezifisch vom Wasser- bzw.
• Wasserstoffanteil im Meßgut und je nach dessen Konzentration absorbiert (Meßstrahlung), während die zweitgenannte Linie vom Wasserstoffanteil praktisch nicht beeinflußt wird (Vergleichsstrahlung). Somit liefert der Strahlungsempfänger 11 bei Drehung des Filterträgers 2 aufeinanderfolgende Spannungsimpulse, von denen einer immer ein Abbild für die durchgelassene Meßstrahlung und der nachfolgende ein Abbild für die durchgelassene Vergleichsstrahlung usf. ist.
• Diese Impulsfolge wird über einen Kondensator 12 einem gemeinsamen Verstärker 13 zugeführt, der beide Impulse linear verstärkt. Sie erscheinen daher am Verstärkerausgang im gleichen Amplitudenverhältnis wie am Eingang.
• Von dem Motor 3 wird in Zwangskopplung eine Lichtschranke betrieben. Diese besteht aus einer Lichtquelle 14, einem Strahlungsempfänger 15 und einem Abblendhalbring 16, der auf einer motorisch angetriebenen Scheibe 17 sitzt. Bei Drehung des Filterträgers 2 und damit auch der Scheibe 17 wird vom Strahlungsempfänger 15 winkelstarr zu den Filterscheiben 4 und 5 ein Ja/Nein-Signal an einen elektronischen Umschalter 18 geliefert. Bestandteile von diesem sind Transistoren 19 und 20. Sie schließen abwechselnd die hinter Längswiderständen 21 und 22 stehenden Spannungsimpulse nach Masse kurz. Damit wird bewirkt, daß an dem Eingang eines Hilfsverstärkers 23 nur Impulse der Vergleichsspannung uv und am Eingang eines Hilfsverstärkers 24 nur Impulse der Meßspannung um liegen. Verstärkte Impulse von uv stehen auch am Ausgang des Hilfsverstärkers 23 und liegen mithin auch am oberen Ende eines Potentiometers 25.
• Der Verstärker 24 ist ein Differenzverstärker. Er erfaßt die Spannungsdifferenz zwischen dem Schleifer des Potentiometers 25 und der entsprechend verstärkten Meßspannung um. Die verstärkte Spannungsdifferenz von Vergleichsspannung und Meßspannung wird, erforderlichenfalls nach einer linearen Zwischenverstärkung, in an sich bekannter Weise einem mechanisch mit dem Schleifer des Potentiometers 25 gekoppelten Motor 26 zugeführt. Dieser verschiebt nun den Schleifer so lange, bis keine Spannungsdifferenz mehr besteht. Der hierbei erforderliche Drehwinkel des Potentiometers 25 könnte demgemäß als Maß für die Feuchte im Meßgut verwendet und dem Potentiometer 25 eine in Feuchtewerten beschriftete Skala zugeordnet werden.
• Im vorliegenden Fall erfolgt die Anzeige über ein Instrument 27. Dieses liegt zusammen mit einer nicht dargestellten Hilfsspannungsquelle an einem Potentiometer 28, dessen Schleifer ebenfalls mit dem Motor 26 gekoppelt ist. Entsprechend der Stellung des Schleifers vom Potentiometer 25 gibt die Stellung des Schleifer am Potentiometer 28 einen bestimmten Widerstand in den Stromkreis, der einen entsprechenden Strom durch das Instrument 27 bewirkt. Dieses kann demgemäß ebenfalls in Feuchtewerten geeicht werden.
• Die Teile 2 bis 8 und 14 bis 17 befinden sich in der Praxis in einem oberhalb des Meßgutes angeordneten Gehäuse, während die Teile 9 bis 11 in einem Gehäuse unterhalb des Meßgutes untergebracht sind.
• Die Gehäuse können auch örtlich vertauscht sein.
• Die Anordnung des Filterträgers 2 zwischen der Strahlungsquelle 6 und dem Meßgut hat den Vorteil, daß auf das Meßgut fallendes Gleichlicht, insbesondere das schwankende Tageslicht, keinen Einfluß auf daß Meßergebnis hat. Wäre nämlich der Filterträger unterhalb des Meßgutes angeordnet, so würden die Ultrarot-Anteile des Tageslichts das Meßgut ebenso durchsetzen wie die Strahlung der Lichtquelle 6. Die von den Filtern 4 und 5 hernach auszusiebenden Wellenlängenbereiche wären also von vornherein additiv mit dem Tageslicht und dessen Schwankungen moduliert. Diese Modulation kann auf keine Weise von den Nutzsignalen wieder getrennt werden.
• Bei der Erfindung hingegen gelangen zwar auch die störenden Wellenlängen des Tageslichts auf den Strahlungsempfänger 11. Da sich ihre Amplitude aber nur vergleichsweise langsam ändert, werden sie nicht durch den Kondensator 12 auf den Verstärker 13 übertragen.
• Im praktischen Einsatz wird das Meßgut auch noch von Wechsellicht hoher Amplitude beaufschlagt. Dieses stammt überwiegend von den weitgehend verwendeten Leuchtstofflampen, deren Licht mit 100 Hz nahezu 1000/oig moduliert ist. Das Breitband-Interferenzfilter 9 unterhalb des Meßgutes hat die Aufgabe, die Auswirkung dieses Wechsellichtes auf das Meßergebnis zu unterbinden. Das Filter 9 läßt deswegen nur die Wellenlänge der Meßstrahlung und der Vergleichsstrahlung und eventuell noch die dazwischenliegenden Wellenlängen durch, nicht aber Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Das störende Wechsellicht, dessen Wellenlängen meist außerhalb vom Bereich der Meß- und Vergleichsstrahlung liegen, kann daher gar nicht erst zum Strahlungsempfänger 11 gelangen. Glühlampenlicht hat zwar auch Ultrarot-Anteile, diese stören aber weniger, weil einmal der Anteil relativ gering ist und außerdem das Glühlampenlicht wegen der Trägheit der Fäden optisch nur sehr kleine Amplituden hat.
• Durch die Zwangskopplung der Lichtschranke 14, 15, 16 mit dem Filterträger 2 wird in Verbindung mit dem elektronischen Schalter ermöglicht, daß für den Motor 3 jede Motortype verwendet werden kann, gewünschtenfalls auch ein Gleichstrommotor. Auch kann die Motordrehzahl in relativ weiten Grenzen beliebig gewählt werden. Der Konstrukteur hat dadurch verschiedene Freiheitsgrade in der Wahl der Motordaten. Diese Freiheit wäre beispielsweise nicht gegeben, wenn man - wie denkbar - den elektronischen Schalter etwa als von der Netzfrequenz gesteuerte Walter-Brücke und dementsprechend den Motor als Synchronmotor wählen würde.
• Die freie Wahl des Motors 3 kann bei der Erfindung noch dadurch vergrößert werden, daß der Verstärker 13, der bei nicht so hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit durchaus ein Wechselspannungsverstärker sein könnte, als Gleichspannungsverstärker ausgebildet wird. Da dieser von Haus aus keine CR-Koppelglieder aufweist, kann er auch keine phasendrehende Wirkung auf die an seinem Eingang liegenden Impulse ausüben. Da die Impulse auf Grund der optischen Beschaffenheit der Schmalband-Interferenzfilter 4 und 5 nicht exakt die gleiche Länge und auch nicht die gleiche Form aufweisen, ist dieser Vorteil bei hohen Meßgenauigkeiten von Belang.
• Für die Quotientenbildung aus den Amplituden der Vergleichs- und der Meßspannung spielen die Absolutwerte beider Spannungen, wenn sie nur eine gewisse Mindesthöhe haben, keine Rolle. Da Quotientenbildungsstufen, im vorliegenden Fall besonders der Motor 26, eine bestimmte Ansprechempfindlichkeit haben, wäre aber die Einstell- und Anzeigegenauigkeit, also die Meßunsicherheit bei kleinen Amplituden von uv und Um größer als bei großen Werten dieser Spannungen.
• Da nun in der Praxis Meßgut unterschiedlicher Dicke gemessen werden soll, haben auch die vom Strahlungsempfänger 11 abgegebenen Impulse unterschiedliche Amplitude. Um ihre Auswirkung auf die Meßunsicherheit auszuschalten, kann man dem an der Vergleichsspannung liegenden Potentiometer 25 ein Meßinstrument parallel schalten und dem Detektor 11 oder dem Verstärker 13 einen Empfindlichkeitseinsteller zuordnen. Letzterer wird dann so eingestellt, daß das Instrument für uv stets den gleichen Wert anzeigt. Eleganter ist jedoch, entsprechend dem Ausführungsbeispiel, zwischen dem Schaltungspunkt, an dem uv steht, und dem Strahlungsempfänger als Stellort eine Regelstrecke 29 vorzusehen. Dadurch wird der Einfluß der Meßgutdicke und anderer gleichwirkender Größen in einem sehr weiten Bereich selbsttätig eliminiert.
• In manchen Fällen sind die am Eingang des Verstärkers 13 ankommenden Amplituden kein lineares Abbild der Konzentration im Meßgut. Sie können etwa nach höheren Werten zusammengedrängt sein.
• Demgemäß wären bei einem linearen Potentiometer 25 die Skalenwerte bei höheren Meßwerten ebenfalls zusammengedrängt. Aus Gründen der Ablesegenauigkeit oder einer guten Weiterverarbeitung in einer Regelstrecke sollen jedoch die Skalenwerte in gleichmäßigem Abstand aufeinanderfolgen. Manchmal kann dies durch entsprechende Wahl der Charakteristik des Potentiometers 25 und/oder des Potentiometers 28 erfolgen, falls die benötigte Charakteristik handelsüblich ist. Um größere Freiheit zu haben, wählt man besser, in Ausgestaltung der Erfindung, die Potentiometer 25 und 28 als lineare Typen, wobei eines, z. B. 25, mit Anzapfungen a bis e versehen ist. Durch Beschaltung dieser Anzapfungen mit Ohmschen Widerständen wird dann in an sich bekannter Weise die gewünschte Entzerrungscharakteristik erhalten.
• Die vorbeschriebene Einrichtung ist eine Durchstrahlungsmeßanlage. Sie ist daher für bewegte Filme u. dgl. verwendbar, die noch hinreichend lichtdurchlässig sind. Die einzelnen Bausteine sind aber ohne weiteres auch für dickere Meßgutschichten, z. B. Förderbänder, zu verwenden, wenn von dem Rückstrahlprinzip Gebrauch gemacht wird. Hierzu ist beim Ausführungsbeispiel eine Einheit 30 vorgesehen. Sie enthält eine Weitwinkeloptik 31, ein Breitband-Interferenzfilter 32, welches dem Filter 9 der Durchstrahleinrichtung entspricht, sowie einen Strahlungsempfänger 33, der an den Kondensator 12 anzuschließen wäre. Auf nähere Einzelheiten braucht nicht eingegangen zu werden, da die physikalischen Gegebenheiten bekannt sind.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Gerät zur berührungslosen Messung der Feuchte oder der Konzentration anderer Substanzen in bewegten Meßgutbahnen durch Beaufschlagung des Meßgutes mit von der Meßsubstanz absorbierbarer Lichtstrahlung (Meßstrahlung) und nicht absorbierbarer Lichtstrahlung (Vergleichsstrahlung) sowie in einer in einem Strahlungsempfänger angeschlossenen Auswerteeinheit erfolgenden Ermittlung der vom Meßgut beeinflußten Anteile dieser Strahlungen, wobei zur Erzeugung von Meß- und Vergleichsstrahlung eine kontinuierliche Lichtquelle und ein motorisch angetriebener rotierender Filterträger mit zwei Filtern vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Kombination, daß zur Eliminierung des vom Strahlungsempfänger (11) aufgenommenen Umgebungsgleichlichtes der Filterträger (2) in an sich bekannter Weise zwischen Strahlungsquelle (6) und Meßgut (1) angeordnet und im tZbertragungsweg zwischen dem Strahlungsempfänger und der Auswerteeinheit (13 bis 28) ein Koppelkondensator (12) angeordnet ist.
2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Übertragungsweg zwischen Strahlungsempfänger und der Auswerteeinheit ein Gleichstromverstärker (13) angeordnet ist, der an dem Strahlungsempfänger über einen Koppelkondensator angeschlossen ist.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßgut und Strahlungsempfänger ein Breitband-Interferenzfilter (9) angeordnet ist, welches nur den von der Meßstrahlung einerseits und der Vergleichsstrahlung andererseits begrenzten Wellenlängenbereich durchläßt.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur berührungslosen Messung der Feuchte oder der Konzentration anderer Substanzen in bewegten Meßgutbahnen durch Beaufschlagung des Meßgutes mit von der Meßsubstanz absorbierbarer Lichtstrahlung (Meßstrahlung) und nicht absorbierbarer Lichtstrahlung (Vergleichsstrahlung), sowie in einer an einem Strahlungsempfänger angeschlossenen Auswerteeinheit erfolgenden Ermittlung der vom Meßgut beeinflußten Anteile dieser Strahlungen, wobei zur Erzeugung von Meß- und Vergleichsstrahlung eine kontinuierliche Lichtquelle und ein motorisch angetriebener rotierender Filterträger mit zwei Filtern vorgesehen ist. Ein derartiges Gerät ist beispielsweise aus der österreichischen Patentschrift 238 970 bekannt.

   Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät der genannten Art anzugeben, das weitgehend gegen die in der rauhen betrieblichen Praxis vorkommenden Stör-Lichtstrahlen unempfindlich ist. Als Störlicht ist in erster Linie an das von der Umgebung stammende, sich langsam ändernde Gleichlicht zu denken, beispielsweise das Tageslicht, welches in Abhängigkeit vom Bewölkungszustand großen Schwankungen unterworfen ist. Durch Lösung dieser Auf- gabe kann auf Lichtabschirmungen oder Einhaltung einer überdeckenden hohen künstlichen Beleuchtungsstärke, was in der betrieblichen Praxis sehr hinderlich ist, verzichtet werden.

   Zur Lösung dieser Aufgabe ist das neue Gerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Kombination, daß zur Eliminierung des vom Strahlungsempfänger aufgenommenen Umgebungsgleichlichtes der Filterträger in an sich bekannter Weise zwischen Strahlungsquelle und Meßgut angeordnet und im Übertragungsweg zwischen dem Strahlungsempfänger und der Auswerteeinheit ein Koppelkondensator angeordnet ist. Die Anordnung des Filterträgers zwischen Strahlungsquelle und Meßgut ist aus der Zeitschrift Melliand, 39 (1958), Heft 10, S. 1157 bis 1160, bekannt. Dort wird jedoch über den Einfluß des Wassergehaltes auf die Reflexionsspektren, wie z. B. von Textilien, Papier, Leder, berichtet. Die Aufgabe, ein Meßgerät der eingangs genannten Art unempfindlich gegen störendes Umgebungslicht und damit für die rauhe betriebliche Praxis geeignet zu machen, wird dort überhaupt nicht angeschnitten.

   In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Übertragungsweg zwischen Strahlungsempfänger und der Auswerteeinheit ein Gleichstromverstärker angeordnet, der an dem Strahlungsempfänger über einen Koppelkondensator angeschlossen ist. Hiermit wird eine besonders hohe Meßgenauigkeit erzielt.

   In manchen Fällen tritt außer der Beeinflussung der Messung durch störendes Gleichlicht noch eine Beeinflussung durch Wechsellicht auf, was vor allem von Leuchtstofflampen emittiert wird. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung läßt sich durch ein sehr einfaches zusätzliches Mittel auch dieser Störeinfluß ausschalten, indem zwischen Meßgut und Strahlungsempfänger ein Breitband-Interferenzfilter angeordnet wird, welches nur den von der Meßstrahlung einerseits und der Vergleichsstrahlung andererseits begrenzten Wellenlängenbereich durchläßt. Dadurch sind auch für das störende Wechsellicht Abschirmungen oder dergleichen bzw. ein Austausch vorhandener Leuchtstofflampen gegen- Glühlampen entbehrlich, und es wird ein Gerät erhalten, welches gegen jegliche Art von optischer Störstrahlung unempfindlich ist.

   Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der Zeichnung teils schematisch, teils als Blockschaltbild veranschaulichten Ausführungsbeispieles erläutert.

   Über dem Meßgut 1 ist ein drehbarer Filterträger 2 angeordnet, der vom Motor 3 angetrieben wird. Der Filterträger ist mit zwei Schmalband-Interferenzfiltern 4 und 5 versehen. Durch den Motor 3 können die Filter abwechselnd für kurze Zeit in den Strahlengang der Meß- bzw. Vergleichsstrahlung gebracht werden. Diese werden erzeugt von der Lichtquelle 6, die nach hinten mit einem Reflektor 7 versehen ist. Zum Filterträger 2 hin ist ein Kondensor 8 zwischengeschaltet. Wie ersichtlich, ist der Filterträger zwischen Strahlungsquelle und Meßgut angeordnet.