Verfahren und Einrichtung zum Messen einer Substanz in einem Material Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Substanz in einem Material.
Bisherige Versuche, Wasser und andere Medien in Papier oder anderen Materialien mit Hilfe von in fraroter Reflektion zu messen, konnten die Koordi nation von Betastrahlendämpfung, Widerstands- oder Dielektrikumsänderungen oder Absorption von Mi krowellenänderung mit der Änderung des Gehaltes der Substanz im Material nicht befriedigend lösen, so dass keins der bekanntgewordenen Verfahren eine kommerzielle Verbreitung finden konnte.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Schaffung eines Verfahrens, welches ein verbessertes Messen der Mediumsmenge in einem Material er laubt, welches ein Berühren des Materials vermeidet, welches leicht und genau anwendbar ist und welches sowohl für industrielle Zwecke wie auch für die Ver wendung in Laboratorien geeignet ist.
Das vorliegende Verfahren zeichnet sich nun aus durch Erzeugung infraroter Strahlen mit zwei abge sonderten Wellenlängenbändern, welche so ausge wählt werden, dass die Intensität der Strahlung des einen Bandes, welche vom Material reflektiert wird, die Menge der vorhandenen Substanz wiedergibt und die Intensität der reflektierten Strahlung des anderen Bandes im wesentlichen von der Änderung der Menge der Substanz unbeinflusst bleibt durch Aus richten der Infrarotstrahlen der Bänder auf das Ma terial durch Aufnahme der Reflektionen vom Ma terial und Feststellung jeder Wellenlängenbandinten sität durch Bilden eines korrespondierenden alternie renden elektrischen Signals und durch Vergleichen dieser Signalwelle, welche mit jedem Strahlungsband korrespondiert.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass die Einrichtung eine Strahlungs- quelle aufweist, welche infrarote Strahlen aussendet, deren Wellenlängen diejenigen einschliessen, welche in den gewünschten, zum Auftreffen auf das Material bestimmten Spektralbändern liegen, wobei die Re- blektion des einen Bandes durch den Substanzbetrag im Material beeinflusst wird und die des anderen Bandes im wesentlichen unbeeinflusst bleibt,
dass ein Strahlendetektor zum Messen der Intensität der durch das Material reflektierten Strahlen jedes Ban des und zur Erzeugung eines elektrischen Signales in Abhängigkeit des festgestellten Substanzbetrages vor gesehen ist, und dass. strahlenaussiebende Mittel zwi schen Quelle und Detektormittel vorgesehen sind, welche die durch die Detektormittel aufzufangenden infraroten Strahlungsbänder aussieben.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfin dung wird unter Substanz Moleküle verstanden, welche in einem Grundmaterial gebunden sind und ihre Identität nicht erkennen lassen. Ferner wird un ter Material das verstanden, in welchem die Sub stanz gebunden ist, derart, dass sie eine Reflektion von auf ihr auftreffenden Strahlen erlaubt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen nachfolgend beispielsweise erläutert Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ein richtung zum Messen einer Substanz in einem flüs sigen oder festen Material, Fig. 2 eine Seitenansicht eines Messkopfes der Messeinrichtung, Fig. 3 ein Detail der Fig. 2, Fig. 4 eine Kurve, welche die Beziehungen zwi schen dem Ausgang einer Photozelle und der Wellen länge der reflektierten Strahlen zeigt, und Fig. 5 und 6 weitere Kurven zur Erläuterung der Erfindung.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Bahn aus feuchtem Ma terial bezeichnet, welche sich mit hoher Geschwin digkeit in Richtung der in der Figur dargestellten Pfeile bewegt, wie dies bei einer Papierherstellungs maschine erfolgt. Distanziert von der Papierbahn 1 befindet sich eine Strahlungsquelle in Form einer Glühbirne 2, welche dauernd das gesamte Spektrum einschliesslich des. Infrarotbandes ausstrahlt.
Die Strahlung der Lampe 2 wird durch eine Linse 3 als ein paralleles Strahlenbündel, welches die unsicht baren und sichtbaren Strahlen umfasst, senkrecht zur Ebene von zwei Bandpassinterferenzfilter 4 und 5 auf diese projiziert. Hierbei ist der Filter 4 im Strah lungsbündel angeordnet dargestellt, beide Filter sind jedoch rotierend mit einer Geschwindigkeit von 600 Umdrehungen pro Minute angeordnet, so dass diese abwechselnd in schneller Folge unter das Strahlungs bündel gelangen und so einzelne Strahlungsbündel impulse hervorbringen, welche durch die Papierbahn mit korrespondierender Frequenz reflektiert werden, welche Frequenz bei diesem Beispiel 10 Perioden pro Sekunde beträgt.
Die vom Papier 1 reflektierten Strahlungsimpulse werden durch eine lichtempfindliche Vorrichtung in Form einer Bleisulfidphotozelle 6 aufgenommen, die auf einen integrierenden Ring 7 gerichtet ist. Das von jedem Filter abwechselnd auf das Papier 1 ein fallende Bündel gelangt hierbei zunächst durch ein infrarotdurchlässiges Fenster 8 obenseitig des Ringes 7 und dann durch ein gegenüberliegendes, vorzugs weise grösseres Fenster 9 am Boden des Ringes 7. Nach dem Auftreffen der Strahlenbündel auf das Papier 1 werden diese diffus durch das Bodenfenster 9 zurückgeworfen und gelangen auf die Innenfläche des Ringes 7, von wo sie reflektiert werden, so dass eine gleichmässige Verteilung der Strahlung resul tiert.
Die Photozelle 6 wandelt die Strahlungsimpulse von unterschiedlicher Intensität in korrespondierende elektrische Impulse, welche an den Eingang eines Vorverstärkers 10 gelangen. Die Impulse werden weiter zu einem Gleichstromausgangssignal verarbei tet, welches mit dem Wassergehalt korrespondiert, wie das nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Selbstverständlich ist es hierbei auch möglich, die Filter 4 und 5 in der Bahn des Strahlungsbündels zwischen der Papierbahn 1 und der lichtempfind lichen Vorrichtung 6 anzuordnen.
Die Filter 4 und 5 sind so beschaffen, dass diese voneinander verschiedene Wellenlängen- oder Spek tralbänder hindurchlassen, was vom Material und dem zu messenden Bestandteil abhängig ist. Bei die sem Beispiel, bei welchem der Betrag des sorbierten Wassers im Papier zu bestimmen ist, ist ein Filter 4 vorgesehen, welcher vorzugsweise ein Bandpasszen- trum von 1,94 Micron aufweist, das einer Wellen länge des Spektrums entspricht. Diese Wellenlänge stellt ein kräftiges Absorptionsband dar, was deut liche Schwankungen des Reflexionsvermögens von infraroten Strahlungen durch das Wasser im Papier bedeutet.
Das Bandpassfilterzentrum kann etwas ab- weichen, da noch gute Resultate mit einem Filter erreicht werden können, dessen Zentrum bei etwa 1,91 Micron liegt und dessen Bandbreite der halben Maximalamplitude mit einer Spitze von 0,08 Micron beträgt. Eine Wellenlänge von etwa 2,67 Micron kann in besonderen Fällen ebenfalls für die Feuch tigkeitsmessung an Papier verwendet werden.
Der Filter 5, welcher nur die Bezugsstrahlungs wellenlänge durchlässt, ist vorzugsweise so ausgebil det, dass sein Band gänzlich ausserhalb des Absorp tionsbandes vom Filter 4 oder jedes anderen Absorp tionsbandes für das Medium liegt. Für die Feuchtig keitsmessung vom Papier hat sich eine Bezugswellen länge von 1,63 Micron als am besten geeignet erwie sen. Es sind aber weitere, durch die Wasseränderun gen nicht beeinflussbare Bezugswellenlängen von etwa 1,0, 1,2 oder 2,2 Micron verwendbar.
Die vom Filter 4 bzw. 5 ausgehende Strahlung mit Wellenlängen von 1,94 und 1,63 Micron wird nach der Reflektion vom Papier 1 von der Photo zelle 6 impulsförmig aufgefangen. Der Photozellen ausgang ist hierbei in Form einer Kurve in Fig. 5 dargestellt. Der erste durch die Strahlung mit 1,94 Micron, welche den Filter 4 passiert und vom Pa pier reflektiert wurde, hervorgerufene Impuls ist mit 4a bezeichnet, welcher eine grössere Amplitude als die durch die Intensität der Strahlung mit 1,63 Mi- cron vom Filter 5 herrührende Kurve 5a aufweist.
Wie gezeigt, ist der Impuls der 1,94 Micron-Strah- lung grösser als der Impuls der 1,63 Micron-Strah- lung, da die Intensität des ersteren grösser ist als die Intensität des zweiten Impulses. Wenn der Was seranteil im Papier grösser wird, nimmt der Impuls 4a entsprechend der erhöhten Absorption und der geringeren Reflektion ab, während die Höhe des Im pulses 5a im wesentlichen konstant bleibt.
Wenn die Vorspannung an der Photozelle 6 va riiert, oder wenn die Intensität der Lichtquelle 2 schwankt, wechseln die Impulshöhen ebenfalls, be halten aber ihren gleichen Betrag bei. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht, welche das Ändern des Photozellenstromes mit der Wellenlänge zeigt, wenn die infrarote Strahlung durch das Papier reflektiert wird. Die ausgezogene Kurve 11 zeigt den Ausgangs strom in Abhängigkeit der Intensität. Wie die Kurve 11 zeigt, ist der Ausgangsstrom über den grössten Teil des Spektrums gleichförmig. Bei 1,94 Micron hingegen fällt mit zunehmender Absorption durch das Wasser im Papier der Ausgangsstrom steil ab.
Die Tiefe der reziproken Spitze in 1,94 Micron-Ab- sorptionsband ist hierbei abhängig von dem Wasser anteil im Material. Die gestrichelte Linie 12 zeigt hingegen, wie der Ausgangsstrom der Photozelle 6 abfällt, wenn beispielsweise die Intensität der Licht quelle abfällt.
Obwohl aber die Kurve 12 eine andere Höhe aufweist als die Kurve 11, erfolgt dennoch der gleiche relative Wechsel am Photozellenausgang bei 1,94 Micron im Vergleich mit der Referenzwellen- länge von 1,63 Micron. Das bedeutet, dass diese denselben Wert der Amplitudenspitze der Impulse 4a und 5a in Fig. 5 aufweisen, wenn der Betrag des Wassers konstant bleibt.
Es wurde gezeigt, dass die Amplitude des Impulses 4a, welcher von der Reflek- tion der 1,94 Micron-Strahlung abhängig ist, mit dem Wechsel des Wasseranteiles und anderen Fakto ren variiert, während die Amplitude des alternieren den Impulses 5a, welcher von der Reflektion der 1,63 Micron-Referenzwellenlänge abhängig ist, nur mit den anderen Faktoren variiert. Hieraus geht her vor, dass der Wechsel des Wasserinhaltes bestimm bar ist.
Die in Fig. 5 gezeigte alternierende Kurvenform gelangt von der Photozelle 6 zum Vorverstärker 10, welcher die Kurve glättet. Der Ausgang des Vorver stärkers 10 speist einen stabilen Resonanzverstärker 13 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor, welcher für Veränderliche wie die Intensität der Licht quelle 2, die Vorspannung der Photozelle und die Leiterspannung, bei Abgabe eines Signals mit kon stantem Mittelwert von 30 Volt in diesem Beispiel, elektronisch kompensiert ist.
Dieses Verfahren ermöglicht eine konstante Dif ferenz zwischen den Spitzenamplituden der Impulse 4a und 5a gemäss Fig. 5 und einem konstanten Am plitudenwert. Der Eingangspegel für den Verstärker 13 ist etwa 0,2 bis 10 Volt. Der Verstärker 13 wird durch einen Rückkopplungskreis gesteuert, welcher einen Teil des Ausgangssignales des Verstärkers 13 diesem über einen Gleichrichter 14 und einem Ver stärker 15 wieder zuführt. Der Ausgang des Ver stärkers 13 wird einem Resonanzverstärker 16 zuge führt, in welchem die gewünschte Frequenzkompo nente, welche die Filterfrequenz von 10 Perioden pro Sekunde ist, verstärkt wird, was in einer Wellenform gemäss Fig. 6 resultiert.
Diese Wellenform wird einem Demodulator 19 zugeführt, ebenso wie ein Re ferenzsignal, welches von einer anderen lichtempfind lichen Vorrichtung in Form einer Photozelle 18 (Fig. 1) gewonnen wird. Photozelle 18 erzeugt Recht eckimpulse mit einer Frequenz von 10 Perioden. Die Form der Referenzimpulse und ihr Impulsverhältnis in bezug auf die Impulse 4b und 5b sind als Kurve 17 in Fig. 6 gezeigt. Während des Zeitintervalles von 0 bis t integriert der Demodulator 19 die Fläche der Impulse 4b. Während des Zeitintervalles von t bis 2 t integriert der Demodulator 19 die Fläche der Im pulse 5b. Um dieses durchzuführen, wird die Wellen form von Fig. 6 dem Gitter einer Vakuumtriode (nicht gezeigt) zugeführt, deren Anodenwiderstand und Kathodenwiderstand den gleichen Wert aufwei sen.
Die Spannung durch den Anodenwiderstand ist gegenüber der Spannung durch den Kathodenwider stand 180o phasenverschoben. Das in Fig. 6 gezeigte Referenzsignal 17 wird zum Betrieb eines Relais ver wendet (nicht gezeigt), welches alternativ die am Anodenwiderstand und am Kathodenwiderstand auf tretende Spannung auf ein Siebnetzwerk schaltet, welches den Mittelwert der Flächen der beiden Kom ponenten 4b und 5b bildet. Ein Gleichstromaus gangssignal ist zur Anzeige der prozentualen Feuch- tigkeit im Papier kalibriert. Das dem Rechteckim- puls synchrone Signal, welches über Leitung 20 dem Demodulator 19 zugeführt wird, kann auf verschie dene Wege hergeleitet sein.
Im vorliegenden Fall wird hierfür die Photozelle 18 verwendet, welche ge- mäss Fig. 1 so angeordnet ist, dass sie Licht von der Quelle 2 durch einen im wesentlichen halbkreisför migen Schlitz 21 in einer Scheibe 22, welche gleich zeitig mit den Filtern 4 und 5 rotiert, aufnehmen kann. Die Anordnung ist in Fig. 3 näher dargestellt. Während einer halben Umdrehung der Scheibe 22 ist die Photozelle 18 durch den Schlitz 21 hindurch angestrahlt, was mit der Periode zwischen 0 und t der Zeitachse gemäss Fig. 6 übereinstimmt. Gleich zeitig ist der Filter 4 leitend.
Während der nächsten halben Umdrehung wird der Lichtstrahl von der Lichtquelle zur Photozelle 18 durch den geschlosse nen Teil der Scheibe 22 geschnitten, in welcher Zeit der Filter 5 leitend ist.
Die Scheibe 22 ist konzentrisch zu einem Rad 23 angeordnet, an welchem es durch Schrauben 24 be festigt ist, welche sich durch längliche Schlitze 25 hindurch erstrecken. Diese Anordnung erlaubt ein Einstellen der Scheibe 22, derart, dass der Schlitz 21 den Strahl genau dann schneidet, wenn einer der Filter vom Strahl abgewendet und der andere Filter sich im Strahl befindet.
Für die Erzeugung des synchronen Signals kann die Ausführung gemäss Fig. 3 andere geeignete For men aufweisen. Beispielsweise sind anstelle des Schlitzes 21 einzelne Öffnungen denkbar, so dass kurze Lichtimpulse auf die Photozelle auftreffen, welches Impulsbild über einen Multivibrator oder ähnliche Einrichtung in den elektrischen Impuls um gewandelt wird. Eine weitere Lösung wäre, am Rad 23 einen Permanentmagneten anzuordnen, welcher in einer stationären Spule eine Spannung induziert.
Gemäss Fig. 2 ist der Messkopf der Messeinrich- tung von einem Gehäuse 26 aus Metall umgeben, was in der Darstellung durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Messkopf umfasst die Licht quelle 2, Kollektivlinse 3, Filter 4 und 5, welche für eine Kreisbahnbewegung am Rad 23 angeordnet sind, Synchronscheibe 22 und integrierenden Ring 7. Ferner sind im Gehäuse 26 die lichtempfindlichen Vorrichtungen 6 und 18 angeordnet. Die Vorver stärker 10 und 27, welche mit den Vorrichtungen 6 und 18 verbunden sind, können gleichfalls in dem Gehäuse 26 angeordnet sein.
Das Rad 23 ist auf einer Achse 28 angeordnet, welche sich ihrerseits auf einem Arm 29 befindet, welche beide so angeordnet sind, dass sie die ein farbigen Infrarotstrahlen auf ihrem Weg nach Durch dringung der Filter 4 und 5 zum Fenster 8 des Rin ges 7 nicht behindern. Das Rad 23 ist ferner als Seilscheibe mit einer Ringnut 30 zur Aufnahme des Transmissionsriemens 31 ausgebildet, der um eine von einem Motor 33 angetriebenen Scheibe 32 her umgeführt ist. Bei diesem Beispiel ist die Motorge schwindigkeit so gewählt, dass die Filter 4 und 5 mit 600 Umdrehungen pro Minute rotieren.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Rotationsge schwindigkeit von den anderen, für den Betrieb der anderen elektronischen Komponenten des Systems gewählten Parametern abhängig ist.
Es ist von Vorteil, wenn die lichtempfindliche Vorrichtung 6, wie erwähnt, eine Bleisulfidphotozelle ist. Es können aber auch andere Arten verwendet werden, wie Bolometer, Sperrschichtzellen oder Photokonduktoren oder andere, deren Ausgangs signal sich in Übereinstimmung mit der Intensität der auf die empfindliche Schicht auftreffenden infra roten Strahlen ändert.
Es lassen sich aber auch mehrere, in diesem Falle parallel geschaltete lichtempfindliche Vorrich tungen 6 verwenden. Dies ist bei Verwendung von Photokonduktoren vorteilhaft, deren durch ihre grössere Flächenschicht bedingter grösserer Rausch wert auf diese Weise verringerbar ist. Jede lichtemp findliche Vorrichtung ist dabei so angeordnet, dass ihre empfindlichen Elemente ein Maximum der von der Innenfläche des Ringes 7 reflektierten Strahlun gen aufnehmen können.
Der integrierende Ring 7 kann aus dünnwandi gem Aluminiumblech hergestellt sein, dessen Innen fläche für eine diffuse Streuung der an der Innen fläche reflektierten Strahlungen durch Sandstrah lung aufgerauht ist. Das Einlassfenster 8 für das pa rallele Strahlenbündel infraroter Strahlen von den Filtern 4 und 5 her ist aus einem infrarotdurchlässi gen Material wie Glas oder einer dünnen Schicht aus Polyäthylen hergestellt. Das Fenster 8 muss in je dem Falle aber kleiner sein als das Fenster 9, um den eintretenden Strahl gegenüber dem austretenden so klein wie möglich zu halten.
In der Praxis hat sich ein Eintrittsfenster 8 mit 18 mm Durchmesser und ein Austrittsfenster 9 mit 38 mm Durchmesser bei einem Ringinnendurchmesser von 16 mm des Ringes 7 bewährt.
Das Fenster 9 stellt ferner den Eingang für die von der Papieroberfläche, welches Papier 1 sich etwa mit 800 Meter pro Minute bewegt, diffus reflektier ten Strahlen dar. Hierbei sei erwähnt, dass die Pa pierbahn auch eine geringe Neigung zum einfallenden Strahlenbündel aufweisen kann, so dass die Möglich keit vermieden wird, dass von der Papieroberfläche direkt reflektierte Strahlen entlang ihrer ursprüng lichen Einfallbahn wieder durch das Eingangsfenster 8 austreten können, wodurch ein maximales Aus gangssignal erzielt wird. Für die Filter 4 und 5 sind ferner auch andere monochromatische Vorrichtun gen, wie optische Raster, Prismen, Blenden oder monochromatische Reflektoren verwendbar.
Das Ausgangssignal der Einrichtung kann beispielsweise einer Steuervorrichtung eingespeist oder mittels einem Messinstrument 34 (Fig. 1) gemessen werden.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung sind aber nicht nur zur Bestimmung des Wasser gehaltes von Papier verwendbar. Beispielsweise kann auch ein Medium, wie Wasser, in einem anderen or- ganischen oder zellulosen Material bestimmt werden. Zum Messen des Wassergehaltes in Baumwoll- materialien beispielsweise haben sich Einrichtungen mit 1,94 Micron-Infrarotstrahlen, welche auf die Wassergehaltsänderung reagieren und mit 1,63 Mi- cron-Infrarotstrahlen als Referenzstrahlung bewährt.
Selbstverständlich können noch andere Spektral bänder für die Wasserbestimmung verwendet wer den, und ferner ist es möglich, für jede Messung von variablen Bestandteilen in variablen Materialien die geeigneten Spektralbänderpaare auszuwählen.