DE3149869C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe, insbesondere einer Papier- oder Folienbahn, mittels zweier auf die gleiche Stelle der Probenoberfläche gerichteter und dort geschwächter und teilweise remittierter Infrarot-Strahlen, die jeweils in Form eines periodisch gepulsten Strahls mit einer Meßwellenlänge (λM) und einer Referenzwellenlänge (λR) zeitlich hintereinander auf einen Detektor fallen.
Bei der industriellen Herstellung von Papier und papierähnlichen Produkten wird eine schnell an­ sprechende, hinreichend selektiv und einfach ar­ beitende Vorrichtung zur Messung der Feuchte benötigt. Dabei sind die Genauigkeit und Schnelligkeit der Feuchtemessung sowohl für die Qualität des Produktes, als auch für die Kosten des Trocknungsprozesses, welcher die Gesamtherstellungskosten bestimmt, ent­ scheidend. Bei der Bestimmung der Feuchte industrieller Produkte mit Hilfe von Infrarot-Strahlung wird bekannt­ lich der Effekt ausgenutzt, daß Wasser Absorptions­ banden im Infrarotbereich aufweist. Dies sind schmale Wellenlängenbereiche, in denen das Absorptionsver­ mögen der betreffenden Verbindung sehr viel höher ist als bei benachbarten Wellenlängen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 16 386 ist eine Anord­ nung zur Messung der Lichtabsorption bekannt, bei der als Lichtquelle zum Messen der Lichtabsorption mehrere in unter­ schiedlichen Wellenlängenbereichen emittierende Leuchtdioden vorgeschlagen werden. Dabei soll die Form des Lichtstrahls durch die Anzahl und/oder Form oder Anordnung mehrerer licht­ emittierender Halbleiter bestimmt werden. Diese Anordnung kann zum Messen der Lichtabsorption durch Transmission oder Re­ flexion dienen, wobei als Lichtempfänger beispielsweise Foto­ zellen oder Sekundärelektronenvervielfacher vorgesehen sind.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 25 319 ist weiterhin ein optischer Strahlungsanalysator bekannt, bei dem zur Messung der Konzentration einer Verunreinigung in einer gasförmigen Probe zwei Lumineszenzdioden vorgesehen sind, die in unter­ schiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Zur Messung einer CO2-Verunreinigung sind Dioden auf der Basis von InAs1-xSbx vorgesehen, deren Emission im Infrarotbereich jedoch außerhalb des für die Messung des Feuchtegehaltes einer Probe geeigneten Wellenlängenbereiches liegt.
In der deutschen Auslegeschrift 15 98 467 ist ein Gerät zur Messung der Feuchte in bewegten Meßgutbahnen offenbart, das ebenfalls nach einem Zweiwellenlängen-Meßprinzip arbeitet. Das Gerät enthält eine breitbandige Lichtquelle, aus der mit Hilfe einer rotierenden Filterscheibe ein Meß- und ein Referenzstrahl aus jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgewählt wird. Meß- und Referenzstrahlen durchqueren die Meßgutbahn oder werden an dieser reflektiert und werden von einem Detektor in elektrische Signale umgewandelt.
Aus der deutschen Auslegeschrift 13 03 819 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von dünnen, flächenhaften Materia­ lien bekannt, die nach dem Zweiwellenlängen-Meßverfahren ar­ beitet, bei dem außer Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem Wassergehalt besonders stark absorbiert wird, der sogenannten Meßwellenlänge λM, noch zusätzlich eine Infrarot- Strahlung mit einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt, nämlich die sogenannte Referenzwellenlänge λR. Das Licht einer strichförmigen Licht­ quelle wird mittels einer Optik auf eine rotierende Scheibe, die in einzelnen Sektoren abwechselnd mit Spiegeln und Öffnun­ gen und dazwischen mit je einem undurchlässigen Steg versehen ist, radial zu deren Achse versetzt abgebildet. Die durchtre­ tende und reflektierte Strahlung gelangt über Spiegel und zwei festeingebaute Filter mit einer Wellenlängendurchlässigkeit für die Meß- und Referenzwellenlänge auf die gleiche Stelle der Probenoberfläche und vondort zum Detektor. Das Verhältnis der abwechselnd vom Detektor für die Meßwellenlänge λM und die Re­ ferenzwellenlänge λR erzeugten Signalgrößen wird als Maß für die Feuchte verwendet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der Strahlungsquelle erheblich zu vereinfachen, insbesondere soll die Strahlungsquelle kleiner und leichter werden und dadurch der Einsatz mehrerer Meßsysteme in Zeilenform ermöglicht wer­ den. Außerdem soll eine einfache elektronische Anpassung an unterschiedliche Flächengewichte des Meßgutes ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Übergangs der Lumineszenzdiode für die Meßstrahlung wird erreicht, daß diese Lumineszenzdiode eine Meßwellenlänge λM ausstrahlt, bei der Wasser eine Absorptionsbande auf­ weist. Außerdem wird durch diese Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Überganges der Lumineszenzdiode für die Referenzstrahlung erreicht, daß diese zweite Lumineszenzdiode eine Referenzwellenlänge λR aus­ strahlt, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt. Da die beiden Wellenlängenbänder durch die Emission zweier Lumineszenzdioden erzeugt werden, kann man durch abwechselndes Pulsen der Stromzufuhr einen periodischen Wechsel der Emissionswellenlänge erzeugen. Durch dazwischengelegte Strompausen für beide Lumineszenzdioden gemeinsam erhält man in rein elektronischer Weise eine gechoppte und zwischen der Meßwellenlänge λM und der Referenzwellenlänge λR wechselnde Emission. Die Frequenz für den Wellen­ längenwechsel bei diesem Betrieb der beiden Lumineszenz­ dioden ist klein gegenüber der Grenzfrequenz des Detektors. Um thermische Überlastung der Lumineszenz­ dioden zu vermeiden, können diese unabhängig von der den Wellenlängenwechsel bestimmenden Frequenz in bekannter Weise mit einer hochfrequenten Impuls­ folge betrieben werden. Durch voneinander unabhängige Einstellung der Stromamplituden für die beiden Lumineszenzdioden können die bei der Meßwellenlänge λM und der Referenzwellenlänge λR emittierten Strah­ lungsleistungen unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch läßt sich die Emission rein elek­ tronisch sowohl an eine bestimmte Probe, als auch an ein bestimmtes Flächengewicht anpassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden unmittelbar nebeneinander auf einer gemeinsamen Elektrode auf einem Peltier-Kühler montiert und zu einem einzigen Bauelement vereinigt. Dadurch erhält man einen einfachen Aufbau der Strahlungsquelle, die den Einsatz mehrerer derartiger Systeme in Zeilen­ form ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen. In diesem Fall muß zu­ nächst die Diode für die Meßwellenlänge λM auf dem Basiskristall aufgewachsen werden, darüber dann die Diode für die Referenzwellenlänge λR, so daß jeweils längerwellige Strahlung Kristallmaterial mit einer weiter im Kurzwelligen liegenden Absorptionskante durchqueren kann.
In einer besonderen Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden gemeinsam mit einem Bleisulfid- Detektor auf einen Peltier-Kühler montiert und zu einem Bauelement vereinigt. Dadurch erhält man eine besonders einfache Remissions-Feuchtemeßanordnung.
Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Be­ zug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Feuchte einer Probe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Fig. 1 zeigt ein integriertes Bauelement. In
Fig. 2 ist ein Meßkopf zur Feuchtemessung darge­ stellt und in
Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßkopfes zur Feuchtemessung veranschaulicht.
In Fig. 1 ist ein integriertes Bauelement 2 darge­ stellt, das sowohl zwei Lumineszenzdioden 4 und 6, die auf einem Peltier-Kühler 10 angeordnet sind, als auch zwei Detektoren enthält, die vorzugsweise Blei­ sulfid-Detektoren sein können und als PbS-Detektoren bezeichnet werden und deren PbS-Detektoren mit 8 be­ zeichnet sind. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 sind dicht nebeneinander auf einer gemeinsamen Elek­ trode 12 angeordnet. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 werden von einem Rahmen 14 umschlossen, der als Streulichtschild und Wärmeleiter dient. Der Rahmen 14 soll verhindern, daß ein unzulässig großer Strah­ lungsanteil direkt auf die beiden benachbarten PbS- Detektorflächen 8 fällt.
Die beiden PbS-Detektorflächen 8 sind dicht neben der Elektrode 12 und innerhalb eines konzentrischen Kreises von beispielsweise 5 mm Durchmesser ange­ ordnet. Dadurch genügt eine geringe Unschärfe der Autokollimationsabbildung zur Ausleuchtung des aus der Parallelschaltung der PbS-Detektorflächen 8 ge­ bildeten Detektors.
Mit Hilfe dieses integrierten Bauelements 2 erhält man eine wesentlich vereinfachte und in ihrer Re­ produzierbarkeit auch verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe. Die dadurch er­ reichte geringe Baugröße des Meßkopfes ermöglicht den Einsatz in Zeilenanordnung.
In Fig. 2 ist ein gemeinsames Gehäuse 16 des Meß­ kopfes 18 in zwei Räume aufgeteilt. Im Raum 20 ist die in der Figur nicht dargestellte Elektronik und im Raum 22 ist die Optik angeordnet. Die beiden Lumineszenzdioden sind zur Emission in den Wellen­ längenbereichen λM und λR gemeinsam mit einem Peltier- Kühler in einem Bauelement vereinigt, das einen Doppel­ strahler 24 bildet. Die von den Lumineszenzdioden ab­ wechselnd emittierte Strahlung wird über einen teil­ durchlässig verspiegelten Strahlungsteiler 26, bei­ spielsweise eine bedampfte Glasplatte, abgelenkt. Die Strahlung durchquert ein als Fremdlichtschutz dienendes Filter 28 und wird mit einer Kondensatorlinse 30 auf die Meßoberfläche 32 fokussiert. Die vom Meßgut rück­ gestreute Strahlung wird mit der gleichen Optik in Autokollimation auf dem PbS-Detektor 34 abgebildet, wobei die vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teil­ intensität genutzt wird.
Ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Strah­ lungsteiler-Spiegelfläche außerhalb der begrenzten elliptischen Fläche mit einer undurchlässigen, vor­ zugsweise schwarzen Schicht 36 bedeckt, so wirkt der Strahlungsteiler 26 zugleich als Streulichtfilter. Eine zusätzliche geschwärzte Absorberplatte 38, die gegenüber dem Doppelstrahler 24 angeordnet ist, nimmt außerdem die von den beiden Lumineszenzdioden kommende, vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teilintensität auf und verhindert eine direkte, nicht vom Meßgut her­ rührende Bestrahlung des PbS-Detektors 34. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenz­ wellenlänge λR undurchlässigen Material her, bei­ spielsweise aus Silizium, so übernimmt die Kondensor­ linse 30 zugleich die Funktion des Filters 28. Der Filter 28 wird nur dann benötigt, wenn die Kondensor­ linse 30 aus Glas besteht.
Durch diese Gestaltung erhält man einen kleinen und leichten Meßkopf 18, der für die alternierende Emission der beiden Wellenlängenbänder vereinfacht ist. Die Ab­ messung des Meßkopfes ist beispielsweise 150 mm × 90 mm × 42 mm.
Mit der Ausführungsform nach Fig. 3 erhält man einen einfachen Aufbau der Vorrichtung dadurch, daß der Doppelstrahler 24 mit dem PbS-Detektor 34 in dem integrierten Bauelement 2 vereinigt ist. Die von den Lumineszenzdioden alternierend emittierte Strah­ lung gelangt über die Kondensorlinse 30 und ein Siliziumfenster 40, das als Fremdlichtfilter dient, auf die Meßoberfläche 32. Die vom Meßgut rückgestreute Strahlung erleuchtet durch die gleiche Optik die beiden PbS-Detektorflächen des integrierten Bauelements 2 aus. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge λR undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so kann die Kondensorlinse 30 zugleich als Fremdlichtfilter dienen.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe, insbe­ sondere einer Papier- oder Folienbahn, mit
  • a) einer Einrichtung zum Richten gepulster Infrarotstrahlung abwechselnd it einer Meßwellenlänge (λM) in einem Absorp­ tionsmaximum und einer Referenzwellenlänge (λR) in einem Absorptionsminimum auf die gleiche Stelle der Probe,
  • b) einer Einrichtung zum Detektieren der remittierten Strah­ lungspulse und
  • c) einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßwellenlänge (λM) und die Referenzwellenlänge (λR) jeweils eine Lumineszenzdiode (4 bzw. 6) mit einem Halbleiterkörper aus der Mischkristallreihe Indium-Arsen-Phosphor in der Zusammen­ setzung InAsyP1-y vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meß­ wellenlänge (λM) eine Lumineszenzdiode vorgesehen ist, deren aktive Zone durch eine Arsenkonzentration 0,65 y 0,75 bestimmt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Referenz­ wellenlänge (λR) eine Lumineszenzdiode vorgesehen ist, deren aktive Zone durch eine Arsenkonzentration 0,55 y 0,65 bestimmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellen­ länge etwa 1,93 µm beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz­ wellenlänge etwa 1,75 µm beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) auf einer gemeinsamen Elektrode (12) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lumines­ zenzdioden (4, 6) auf einem Peltier-Kühler (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (42) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) gemeinsam mit dem PbS- Detektor auf einem Peltier-Kühler (10) in einem ge­ meinsamen Gehäuse (42) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromam­ plituden für die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) unabhängig voneinander einstellbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung der emittierten Strahlung der beiden Lumineszenz­ dioden (4, 6) ein teildurchlässig verspiegelter Strahlungsteiler (26) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelfläche des Strahlungsteilers (26) außerhalb der für den Strahlendurchgang erforderlichen elliptischen Fläche mit einer schwarzen Schicht (36) bedeckt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungs­ teiler (26) als Streulichtfilter vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein Bleisulfid-Detektor (34) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung mach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter (28) als Fremdlichtschutz vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strah­ lungsrichtung gegenüber den beiden Lumineszenzdioden (4, 6) eine schwarze Absorberplatte (38) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eine Kondensorlinse (30) aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge (λR) undurch­ lässigen Material vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensor­ linse (30) aus Silizium besteht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensor­ linse (30) als Fremdlichtfilter vorgesehen ist.
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