DE2626144C3

DE2626144C3 - Eichverfahren für ein Meßgerät zur Bestimmung der Menge einer von einer laufenden Materialbahn transportierten Substanz aus der Absorption optischer Strahlung

Info

Publication number: DE2626144C3
Application number: DE2626144A
Authority: DE
Inventors: John Joseph Monte Sereno Calif. Howarth (V.St.A.)
Original assignee: Measurex Corp
Current assignee: Honeywell Measurex Corp
Priority date: 1975-06-12
Filing date: 1976-06-11
Publication date: 1979-01-25
Also published as: CA1038193A; SE7606652L; SE416497B; JPS51151598A; US4006358A; FR2314493B1; DE2626144A1; FI761672A; FR2314493A1; FI59170B; DE2626144B2; FI59170C; GB1511418A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Eichverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Verrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Messung des Feuchtigkeitsgehalts von -Papierbahnen unter Ausnutzung einer Dual-Wellenlängentechnik sind bekannt (US-PS 36 41 349 und 36 75 019). Normalerweise enthält eine solche Meßeinrichtung eine Infrarotstrahlungsquelle, welche Strahlung in zwei Spektralbändern aussendet Das erste Band von 1,7 Mikron trifft auf das Papier auf und die durch das Papier hindurchtretende oder von ihm reflektierte Strahlungsintensität ist eine Funktion bestimmter Parameter des Materials. Es ist bekannt, daß bei einem 1,7 Mikron oder 1,8 Mikron umfassenden Spektralband dieser Wellenlängenbereich relativ unempfindlich für den Feuchtigkeitsgehalt des Papiers ist Dagegegen liegt ein Spektralband, das den Wert 134 Mikron enthält, innerhalb des Absorptionsbandes von in dem Papier enthaltenem Wasser oder Feuchtigkeit und ist vergleichsweise empfindlich. Somit ist das Verhältnis der beiden Spektralbänder eine Funktion der Menge des in dem Papier enthaltenen Wassers. Nach der schon erwähnten US-PS 36 41 349 (Spalte 4, Zeile 42) ist es bekannt, bei der Eichung ein Filter in den Weg einer Lichtstrahlung mit der Wellenlänge 1,94 Mikron einzuführen, welches einen bestimmten Wassergehalt simuliert

Wie in den genannten Druckschriften erläutert, tragen normalerweise verschiedene Faktoren zu Meßungenauigkeiten bei. Dazu gehören die elektrische Drift sowie Einflüsse einer verschmutzten Umgebung, in der die Feuchtigkeitsmeßeinrichtung arbeitet Solche Faktoren machten verschiedene Standardisierungs- und/oder Eichschemata notwendig. Aber auch dann noch ergaben sich merkliche Fehler bei der Messung des Feuchtigkeitsgehaltes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, über das bisher Mögliche hinaus eine wesentliche Verbesserung der erzielbaren Genauigkeit beim Messen der mit einer beweglichen Materialbahn verbundenen Menge einer Substanz zu erreichen und insbesondere Störeinflüsse zu eliminieren, die auf die während des Betriebs in zunehmendem Maße auftretende Verschmutzung des Meßgeräts durch die nachzuweisende Substanz zurückzuführen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Eine Vorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens sowie Möglichkeiten zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2-6 angegeben.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschemä mit Teilsehnittansieht einer Einrichtung zur Messung von Wasser in einer Materialbahn,

F i g. 1A eine Grundrißdarstellung eines der Elemente von Fig. 1,

F i g. 2A — 2C zeigen charakteristische Durchlaßbandbzw. Dämpfungskurven und

F i g. 3A und 3B Kurvenbilder zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Das in F i g. 1 dargestellte optische System ist ähnlich demjenigen, das in dem erwähnten US-Patent 36 41 349 gezeigt ist, mit Ausnahme der Anwendung des noch näher zu erörternden Wasser simulierenden Filters. Die in einem oberen, die bewegliche Materialbahn 14 in siner Papiermaschine bestreichenden Meßkopf enthaltenen Bestandteile sind in einem Schwenkbügel 17 und die des unteren Meßkopfes in einem Schwenkbügel 18 zusammengefaßt dargestellt Der untere Meßkopf 18 enthält eine Lichtquelle in Form einer Glühlampe 21 mit Wolframfaden, der einer Fadenspannungsquelle 22 zugeordnet ist Dadurch wird eine Strahlung sowohl in einem 1,7 Mikron enthaltenden Spektralband als auch in einem 1,94· Mikron enthaltenden Spektralband erzeugt Die Strahlung wird durch ein schematisch mit 23 bezeichnetes optisches System gesammelt Der Strahlungsweg ist durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet, die durch eine öffnung 26 und anschließend durch eine rotierende Lochscheibe 27 hindurchgeht

Der Strahlungsweg 24 durchsetzt die bewegliche Papierbahn 14. Die Strahlung wird dabei in b'-kannter, annähernd dem Beerschen Gesetz entsprechender Weise gedämpft Wie schon erwähnt, ist die Strahlung bei der Wellenlänge von 134 Mikron bedeutend empfindlicher gegen Feuchtigkeit in dem Papier als die Strahlung mit der Wellenlänge 1,7 Mikron. Sie wird nach dem Durchdringen des Papiers 14 mittels der oberen Detektoreinheit 17 festgestellt welche eine Sammellinse 31 im Strahlengang 24 enthält Natürlich braucht die Infrarotstrahlung nicht von der einen Seite des Papiers 14 zu der anderen hindurchzugehen, vielmehr können auch die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor auf der gleichen Seite der Papierbahn angeordnet sein, und es kann ein Reflexionsverfahren angewendet werden. Außerdem können zwecks besonders genauer Messung für manche Papierarten Diffusionsfenster benutzt werden, wie sie in dem US-Patent 37 93 524 beschrieben sind.

Die Strahlrng verläuft längs des Strahlungswegs 24 durch eine Filtervorrichtung 32, die beim normalen Betrieb ein offenes Fenster 30 aufweist das dem Strahl den freien Durchgang zu einem Strahlteiler 34 eröffnet Von da aus geht ein Teil 36 des geteilten Strahls durch ein Bandfilter 37, welches ein Durchgangsband aufweist, in dessen Mitte die Wellenlänge 1,34 Mikron liegt, worauf der Strahl von einer Bleisulfidzelle 38 als Detektor aufgenommen wird. Der andere Teil des Strahls 39 geht durch ein Bandfilter 41, in dessen Mitte die Wellenlänge 1,7 Mikror. liegt, und trifft dann auf eine zweite Blsisulfidzelle 42 als Detektor.

Die rührvorrichtung ist in Fig. IA als Draufsicht dargestellt Sie besteht in einer Lochscheibe mit Fensteröffnungen 30 und einem als Filter 33 ausgebildeten Fenster sowie mit einer Antriebseinrichtung 43. Statt dessen kann die umlaufende Filterscheibe 32 auch durch einen Elektromotor ersetzt werden, der wahlweise das Filter 33 in den Strahlungsweg und aus ihm herausbringt

Im folgenden ist die erwünschte Spektralcharakteristik des Filters 33 anhand der Fig.2A-2C erläutert. Wie F i g. 2A zeigt, gibt die voll ausgezogene Kurve 46 die Durchlässigkeiten von trockenem Papier im Infrarot-Wellenlängenbereich wieder. Die gestrichelte Kurvenschar 47 veranschaulicht, wie sich diese Charakteristik ändert wenn mehr oder weniger Wasser dem trockenen Papier zugesetzt wird. Wie an sich bekannt, tritt der niedrigste Punkt, d.h. die stärkste Strahlungsabsorption durch Wasser, bei etwa 1,94 Mikron auf. Die halben Höhen (d. h. 50% Durchlässig · keit) der Wasserkurven ergeben sich etwa entlang einer senkrechten Linie bei 1,895 Mikron. Daher wird das Filter 33, wie mit der Filtercharakteristik 33' in F i g. 2C angegeben, so gewählt daß der Halbwert seiner Durchlässigkeit 1,895 ±0,01 Mikron beträgt Andere, etwas weniger genaue Werte sind 90% Durchlässigkeit bei 1,85 Mikron und 10% Durchlässigkeit bei 135 Mikron, d. h, die Steilheit der Filtercharakteristik muß annähernd richtig sein.

F i g. 2C veranschaulicht eine Filtercharakteristik 33' für einen Hochpaß, die ideal sein dürfte, und einen im Bereich von 1,7 Mikron flachen Verlauf aufweist Statt dessen kann auch, wie mit der Kurve 33" angegeben, ein Bandfilter benutzt werden, da hier, wie in Fig.2B gezeigt, wegen des 1,7 Mikron Bandfilters 37 (vgl. F ι g. 1 und F i g. 2B) kürzere Wellenlängen nicht relevant sind. Die Durchlaßbandcharakteristik 37' des 1,7 Mikron Filters 37 ist nicht kritisch. Dagegen h*. das Durchlaßband 41' für das 1,94 Mikron-Filter 41 kritisch da die wirksame Sperre an dem niederfrequenten Ende der Filtercharakteristik mit der Sperre der Tiefpaß-Band-Hltercharakteristik 33' zusammenpassen sollte. Somit ist die entgegengesetzte Flanke oder Hälfte der Wasser-Kurve 48 in F i g. 2C irrelevant, da das 1,94-Durchgangsband sich im wesentlichen nur bis zu dem untersten Teil 49 der Wasser-Kurve erstreckt Es braucht daher jo praktisch nur die eine Hälfte der Wasser-Kurve effektiv zu passen.

Was den 1,7-DurchIässigkeitspunkt des Filters 33 betrifft, so können Schwankungen von ±10% leicht toleriert werden. Außerdem ist praktisch an dieser J5 Stelle eine recht gute Durchlässigkeit in den Bereichen von 80—90% vorhanden. Somit zeigen die Bandstreifen 51 und 52 in F i g. 2C die Filterbänder, die getroffen oder eingehalten werden sollten.

Die Wirkung des Filters 33 läßt sich am besten anhand von Fig.3A und Fig.3B erläutern. Um die Kurven der F i g. 3A zu zeichnen, wird von mehreren Proben Bandmaterial mit unterschiedlichen bekannten Feuchtigkeitsmengen ausgegangen. Wie in der Technik der Papierherstellung bekannt, werden solche Proben unter Verwendung klar durchsichtiger wasserdichter Kunststoffbeutel hergestellt, so daß die Proben einen über eine angemessene Zeitdauer konstanten Feuchtigkeitsgehalt behalten. Danach werden die erwähnten Proben zwischen die Strahlungsquelle und die Detektoren gebracht und für jede Probe ein Durchlaßverhältnis für das 1,7-Spektralband im Vergleich zu dem 1,9-Spektralband gemessen, was die mit »sauberes Meßgerät« bezeichnete Kurve ergibt Dabei wird der Verhältniswert als Ordinate und das Wassergewicht als Abszisse aufgetragen. Dann wird das wassersimulierende Filter 33 in den Strahlungsweg eingesetzt und eine mit Frcbezeichnete Verhältniswertablesung vorgenommen. Dieser Verhältniswert liegt dann, wie hier angenommen wird, auf der Kurve »sauberes Meßgerät«. Da diese Kurve, von Wassergewicht Null ausgehend, als gerade Linie verläuft, braucht praktisch nur eine einzige Feuchtigkeitsprobe benutzt zu werden.

Eine befeuchtete Gewebelage, die eine Lage von feuchtem Schmutz simuliert, wird als Band über eine öffnung in dem unteren Meßkopf — räumlich neben der Bahn 14 — laufengeli.'sen, wobei sie die Möglichkeit erhält ihren Feuchtigkeitsgehalt zu stabilisieren. Dann werden Verhältniswerte der verschiedenen Proben

sowie das Filter 33 gemessen, um die Kurve 1 für eine feuchte Schmutzschicht aufzunehmen.

Die vorstehenden Schritte werden dann für zwei feuchte Schmutzlagen und danach für drei solche Lagen wiederholt, wobei sich jedesmal eine Kurve, wie in F i g. 3A eingetragen, ergibt. Jede feuchte Schmutzlage besteht, allgemein gesprochen, aus einem Träger, insbesondere einem Gewebe, das eine stabile Menge von Fremdsubstanz, insbesondere Feuchtigkeit, enthält, die auf diese Weise gemessen wird. Die Wasser-Filter-Verhältnismeßpunkte sowie die Verhältnismeßwerte der verschiedenen Proben liegen alle auf einer senkrechten Linie, da das Wassergewicht bestimmungsgemäß nicht verändert wurde. Jedoch ist zu beachten, daß die Kurven, wie in Fig. 3A aufgetragen, zeigen, in welcher Weise die normale Standardisierung oder Eichung in einem Feuchtigkeitsmeßsystem nicht total wirksam ist. Die Meßfehler, die sich aufgrund von Veränderungen in der als Strahlungsquelle dienenden Lampe, in den Detektoren oder in der tiektronik ergeben, sollen von den Fehlern, die auf den Aufbau eines Wasserfilms auf der Meßeinheit selbst zurückzuführen sind, unterschieden werden. Die Schichten aus feuchtem Schmutz entsprechen einem solchen Aufbau.

Fig. 3A zeigt, daß die Meßwertverhältnisse (1,7/1,9) bei einer bestimmten Höhe, nämlich bei 1, beginnen und linear zunehmen, während die Wa^iergewichte bei Null Hcpinnen. Es ist ersichtlich, daß einheitliche oder steigende Zunahmen an Wassergewicht eine zunehmend kleiner werdende Menge der Restenergie der Strahlung absorbieren. Das bedeutet, daß durch Hinzufügen gleicher Wassermengeeinheiten jeweils eine ungleiche Energieabsorption erfolgt. Wenn also die optischen Signale durch feuchten Schmutz geschwächt werden, so normalisiert zwar die übliche Standardisierung oder Eichung das Signal, um den Nullpunkt zu korrigieren, aber sie korrigiert nicht die vorstehend erwähnte ungleiche Absorption. Eine solche Korrektur wird erst durch die Anwendung einer neuen Eichkennlinie gemäß F i g. 3B ermöglicht.

Die Information aus Fig. 3A, die bei der Fabrikeichung erhalten wird, wird dazu benutzt, die Kurve gemäß Fig. 3B zu zeichnen. Mit anderen Worten: Die Änderungen Rf der Filterverhältniswerte aufgrund der Anbringung aufeinanderfolgender feuchter Schmutz- ■ schichten werden auf die gleichartige Änderung der Proben-Verhältniswerte bezogen. Speziell in Fig.3B gibt die Ordinate Rp das Verhältnis der Steilheit des Verlaufs der reinen Meßwerte zu der Steilheit des Verlaufs der Schmutzmeßwerte mit den verschiedenen Schichten feuchten Schmutzes wieder. In ähnlicher Weise ist das Filti.rverhältnis Rf ein Verhältnis der Reinheits- zu den Verschmutzungsmeßwerten. Die Kurven 1, 2, 3 sind daher mit der Kurve für reine Meßwerte normalisiert Ausgangspunkt für F i g. 3B ist : also praktisch die Kurve für reine Meßwerte sowie ein Verhältniswert von 1 für Ordinate und Abszisse. Danach kann für verschiedene, mit 0, I, 2 und 3 bezeichnete Schmutzschichten die Kurve gemäß Fig.3B aufgetragen werden. Diese Kurve ist praktisch eine gerade Linie. Mit ihrer Hilfe wird auf einfache Weise eine Bestimmung der endgültig berichtigten Filter-Meßwertverhältnisse ermöglicht. Je nach Art des Meßsystems kann aber diese Kurve auch einen anderen Verlauf als den einer geraden Linie haben.

In jedem Fall kann mit Hilfe einer linearen Kurve mit konstanter Steilheit A, wie sie in F i g. 3B gezeigt ist, ein berichtigter Durchlässigkeits-Verhältniswert gebildet werden, der zur Erzielung einer genauen Feuchtigkeitsmessung verwertet werden kann. Mathematisch geschieht dies wie folgt. Die Steilheit A läßt sich gemäß der Gleichung(l) berechnen:

R₁. I

R₁ - I

U.,

Darin bedeutet

Sm -

Probenverhältniswert bei sauberem Meßgerät, gemessener Probenverhältniswert,
Steilheit der Verhältniskurve ^Probe/zlFilter,
Filterverhältniswert bei sauberem Meßgerät,
letzter Filterverhältniswert.

Das bec'iutet: Jedes Paar von Rp- und /?#>Wtrten ist um den Wert I zu vermindern und ergibt dann die Steilheit, da der Ausgangspunkt der Kurve 1,1 ist Der berichtigte Probenverhältniswert beträgt

S_K, ---- I + (-Vr

ir;:D-}]·

Mit dem · berichtigten Probenverhältniswert Src ergibt die reine Meßkurve gemäß F i g. 3A das genaue Wassergewicht.

Zusammenfassend ist festzustellen: Die Feuchtigkeitsmeßvorrichtung wird zunächst in der Fabrik geeicht, indem die Steilheit A der Kurve gemäß F i g. 3B mit dem anfänglichen Filterverhältniswert Frcgeliefert wird. Wenn das Meßgerät an Ort und Stelle installiert ist, wird das geeichte Durchlaßverhältnis S_RT der zu messenden Materialbahn zusammen mit dem vorhandenen Filterverhältnis F_RT und durch Anwendung der einfachen Beziehung der Gleichung (2) für Ssc-bestimmt Schließlich wird aus der reinen Meßwert-Kurve von F i g. 3A, die in einer Speichertafel in einem Rechengerät ihren Ausdruck finden kann, das tatsächliche Wassergewicht bestimmt.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wurde eine Gewebeprobe mit einem bestimmten Grundgewicht mit unterschiedlichen Mengen von Wasser gemessen, wobei sich folgende Werte ergaben:

Wassergehalt	Meßwertverhältnis	verschmutzt	Ablesefehler alt,	Berichtigtes Wasser-	Ablese
in%	rein	1,12765	in%	Filter-Verhältnis	fehler neu, in%
2	1,14313	1,18494	10,81	1,1412	1,35
4	1,19229	1,25308	7,20	1,20457	2,65
6	1,28107	1,32332	9,96	1,27993	4,06
8	1,36166	1,38159	10,60	1,35763	1,11
10	1.42862	10,97	1,42209	1,52

Die letzte Spalte »Ablesefehler neu« zeigt im Vergleich zum Stande der Technik mit den Werten »Ablesefehler alt« eine Verbesserung um fast eine volle Größenordnung. Alle Ablesungen sind standardisiert oder geeicht

Die Erfindung ist auch brauchbar zur Bestimmung des Gewichts von auf Papier aufgebrachten Belägen wie z. B. solchen aus Polyäthylen. Solche Beläge haben normti-.Tweise eine Charakteristik ähnlich wie sie in

F i g. 2A für Wasser gezeigt ist Bei Anwesenheit von Verunreinigungen, die etwas von dem Belagmaterial — analog zu feuchtem Schmutz — enthalten, treten ähnliche Fehler auf.

Da das Belagmaterial stabiler ist als Wasser, kann das Filter die Fremdsubstanz oder das Material durch Verwendung eines tatsächlichen Stücks dieses Materials, wie z. B. Polyäthylen simulieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

809 684/319

Claims

Patentansprüche:

1. Eichverfahren für ein Meßgerät zur Bestimmung der Menge einer von einer laufenden Materialbahn transportierten Substanz aus der Absorption optischer Strahlung, be; dem wenigstens eine mit einer bekannten Menge der Substanz versehene Eichprobe der Materialbahn in den Strahlung substanzunspezifischer und substanzspezifischer Wellenlängen führenden Strahlengang des ι ο Meßgeräts gebracht und ein dem Verhältnis der reflektierten oder transmittierten Intensitäten von substanzspezifischer und substanzunspezifischer Strahlung entsprechendes erstes elektrisches Verhältnissignal gemessen wird und bei dem ein la entsprechendes zweites Verhältnissignal bei Anwesenheit eines einen bestimmten Substanzgehalt simulierenden Riters im Strahlengang gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik des Filters an die Absorptionscharakteristikdsr Substanz angepaßt gewählt wird, daß die Messung des ersten und zweiten Verhältnissignals jeweils bei zusätzlicher Anwesenheit unterschiedlicher Anzahlen von die Substanz enthaltenden Trägermaterialschichten wiederholt wird und daß aus den in Abhängigkeit von der Anzahl der Trägermaterialschichten festgestellten jeweiligen Änderungen des ersten und zweiten Verhältnissignals eine Korrekturgröße für das an einer unbekannten Materialbahn für die substanzspezifi- x> sehen und substanzunspezifischen Wellenlängen gewonnene Verhältnissignal abgeleitet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 m'u einer in dem Meßgerät enthaltenen optischen Strahlungsquelle zur Beauf- J5 schlagung einer Meßstrecke mit. trahlung substanzspezifischer und substanzunspezifischer Wellenlängen, mit je einem photoelektrischen Wandler zum Empfang der substanzspezifischen bzw. der substanzunspezifischen, von der Meßstrecke ausgehen- den Strahlung, mit einer an die Wandler angeschlossenen Auswerteschaltung zur Erzeugung von dem Verhältnis der empfangenen Intensitäten von substanzspezifischer und substanzunspezifischer Strahlung entsprechenden Verhältnissignalen und mit einem einen bestimmten Substanzgehalt simulierenden Filter, dadurch gekennzeichnet, daß Filter (33) eine der Absorptionscharakteristik (49) der Substanz entsprechende Absorptionscharaktcristik (33', 33") aufweist und in einen der substanzspezifisehen und der substanzunspezifischen Strahlung gemeinsamen Teil des Strahlengangs (24) einbringbar angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (33) ein Hochpaßfilter (33') ist, dessen Flanke mit der einen Flanke der Absorptionslinie (49) der Substanz zumindest teilweise zusammenfällt

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (33) ein Bandfilter (33") ist, dessen niederfrequente Flanke mit der hochfrequenten Planke der Absorptionslinie (49) der Substanz zusammenfällt

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Bestimmung von in einer Materialbahn transportiertem Wasser die Mitte der Flanke des Filters (33) bei 1,895 μπι liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (33) aus einer Kombination eines Hochpaßfilters (33') und einem Bandpaßfilter (33") besteht