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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Glanzsensoren zum Messen der Oberflächeneigenschaften von
Papierlagen und insbesondere die Messung von Glanz unter Verwendung
einer einzelnen Vorrichtung, die eine Kompensation für den Schmutzaufbau bereitstellt.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Bei
einem der beim Bestimmen der Qualität einer Oberfläche verwendeten
Parameter handelt es sich um den Oberflächenschimmer oder den Glanz der
Oberfläche.
Zum Beispiel werden die verschiedenen Papiersorten bei der Papierherstellung
mit unterschiedlichem Oberflächenglanz
versehen, damit sie sich für
bestimmte Anwendungen eignen. Während der
Papierherstellung ist es erwünscht,
den Glanz der Oberfläche
des Papiers periodisch oder kontinuierlich zu messen, um zu gewährleisten,
dass die Papieroberfläche
den gewünschten
Glanz aufweist.
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Typischerweise
wird der Oberflächenglanz des
Papiers während
des letzten Schritts der Papierherstellung vor der Verpackung und
dem Versand des fertigen Papiers unter Verwendung eines Glanzmessgeräts gemessen.
Die Papierrollen werden dann an Hersteller von Papierprodukten versandt, die
die Papierlage entsprechend der beabsichtigten Verwendung verarbeiten.
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Vorrichtungen
zum Bestimmen des Glanzes von Papieroberflächen verwenden ein optisches
System, das die Intensität
eines von einer Papieroberfläche
reflektierten Lichtstrahls misst. Typischerweise wird der Glanz
der Papieroberfläche
bestimmt, indem sein Reflektionsvermögens mit dem Reflektionsvermögen eines
bekannten Glanzstandards, wie einer Glasfliese mit einer polierten
Oberfläche
mit einem bekannten Glanz ver glichen wird.
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Speziell
wird beim Messen des Reflektionsvermögens der Papieroberfläche Licht
auf die Oberfläche
projiziert und ein für
die Lichtintensität
empfindlicher Sensor in Position gebracht, um die Intensität des von
der Papieroberfläche
reflektierten Lichts zu messen. Das Glanzmessgerät misst das Reflektionsvermögen der
Fliesenoberfläche
in derselben Weise, indem die Fliesenoberfläche für die Papieroberfläche ersetzt
wird. Das Reflektionsvermögen
der Papieroberfläche
wird mit dem Reflektionsvermögen der
Fliesenoberfläche
in Bezug gesetzt, wodurch eine Messung des Glanzes der Papieroberfläche bereitgestellt
wird. In der Praxis wird die Messung des Reflektionsvermögens der
Fliesenoberfläche
periodisch, lagenverschoben und zwischen Abtastungen durchgeführt, während das
Glanzmessgerät
die Oberfläche
in Rückwärts- und
Vorwärtsrichtung
abtastet. Das Glanzmessgerät
wird während
einer jeden derartigen Messung mit dem bekannten Reflektionsvermögen der
Fliesenoberfläche
kalibriert.
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Zwei
Glanzsensorstandards wurden unter dieser Technik industriell entwickelt.
Der erste Standard, umrissen unter DIN 54502, für regelmäßige Glanzmessungen spezifiziert,
dass die Messungen unter Verwendung eines Winkels von 75° für den einfallenden
Lichtstrahl von einer zur gemessenen Oberfläche senkrechten Linie durchzuführen sind. Für Hochglanzmessungen
werden die Messungen unter Verwendung eines Winkels von 45° für den einfallenden
Lichtstrahl von einer zur zu messenden Oberfläche senkrechten Linie durchgeführt. Sind
beide Messungen durchzuführen,
werden im Allgemeinen zwei getrennte und gesonderte Sensoren verwendet.
Der zweite Standard, umrissen unter TAPPI T480, spezifiziert, dass
die Messungen nur unter Verwendung eines Winkels von 75° für einen
einfallenden Lichtstrahl von einer zur gemessenen Oberfläche senkrechten
Linie durchzuführen
sind.
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Bei
einem mit den erhältlichen
Glanzsensoren verbundenen Problem handelt es sich um deren Unvermögen, richtig
zu arbeiten, wenn die Sensorfenster schmutzig werden. Zum Beispiel
wird während
der Herstellung ein feiner Papierstaub erzeugt. Dieser feine Papierstaub überzieht
die Bezugsfliese oder die Sensorfenster, wodurch eine ungenaue Ablesung
erzeugt wird, wenn der Sensor durch Abtasten der Bezugsfliese zurückgesetzt
wird oder wenn ein Lichtstrahl durch schmutzige Sensorfenster läuft. Deshalb
wird der Glanz des Papiers nicht hinreichend nachgewiesen.
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Deshalb
besteht Bedarf für
einen Glanzsensor, der unabhängig
vom Schmutzaufbau während der
Herstellung genaue Glanzmessungsergebnisse erzeugen kann.
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Es
besteht auch Bedarf für
einen Glanzsensor, der kompakter ist und weniger Teile verwendet, wodurch
er weniger Wartung erfordert, als gegenwärtig erhältliche Sensoren.
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US 4 124 803 offenbart einen
Oberflächenfinish-Monitor,
der zum Anzeigen der Oberflächeneigenschaften,
wie Glätte
und daraus resultierende Bedruckbarkeit, eines sich schnell bewegenden
Materialstreifens, wie Papier, angeordnet ist. Zum Erzielen dessen
wird das Herstellungsverfahren ohne Fehler aufgrund von Umweltbedingungen,
wie Staub und Schmutz auf optischen Oberflächen, Temperatureinflüssen, Lampenschwächung usw.
kontinuierlich überwacht.
Ein Hinweis auf die Bedruckbarkeit in Bezug auf die Glätte wird
durch Integrieren der Plateauflächen
im optischen Gesichtsfeld erhalten. Eine Kombination von Zugangswinkel,
ausgewählter
Wellenlänge
der Infrarotstrahlung, horizontaler Polarisation eines Suchstrahls
und Verwendung von vier optischen Wegen zum Erhalt einer mathematischen Modelläquivalenz
wird eingesetzt.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt einen wie durch Anspruch 1 definierten Glanzsensor
bereit.
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Der
Sensor kann die Merkmale von einem oder mehreren beliebigen der
abhängigen
Ansprüche
2 bis 12 einschließen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
detaillierter beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht
sind, in welchen gleiche Elemente gleiche Bezugsnummern tragen und
wobei:
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1 eine
schematische Veranschaulichung des Glanzsensors der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
schematische Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform
eines Aufbaukorrektursystems für
den Glanzsensor der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 ein
Funktionsdiagramm des Schmutzaufbaukorrekturmechanismus der vorliegenden
Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Das
in 1 veranschaulichte schematische Diagramm ist ein
Diagramm eines Glanzsensorsystems, das zum Durchführen von
DIN-Glanzmessungen in Position gebracht ist.
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In
Bezug nun auf 1 ist hier ein Diagramm eines
Glanzsensors 100 der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der Glanzsensor 100 schließt einen ersten Kollimator 102,
einen Strahlenteiler 160, einen ersten Spiegel 165,
eine Mehrzahl von Fenstern 162 und 162', einen zweiten
Spiegel 165',
einen Prismenreflektor 150, einen zweiten Kollimator 104 und
eine Luftwirbelklemme 170 ein. Zudem kann der Glanzsensor 100 mit
einem abgedichteten Gehäuse 90 versehen
sein, wodurch der gesamte Glanzsensor 100 vor Kontamination
abgeschirmt ist.
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Der
erste Kollimator 102 schließt eine Beleuchtungsquelle 110,
einen Bezugsdetektor 120, einen Diffusor 130 und
ein Diaphragma 140 ein. Der zweite Kollimator 104 schließt einen
Filter 135 und einen Detektor 127 ein. Der erste
Kollimator 102 und der zweite Kollimator 104 sind
gemäß den Standards von
DIN 54502 konstruiert.
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Die
Lichtquelle 110 kann eine Glühlampe, eine Metallhalogenidlichtquelle,
eine Xenonlichtquelle oder stärker
bevorzugt eine zusätzliche
Helllicht emittierende Diode (LED) umfassen. Die Lichtquelle 110 wird
derart elektronisch reguliert, dass eine starke Strahlung im sichtbaren
(450-650 nm) Bereich mit einer Spitzenintensität von etwa 540-550 nm erzeugt wird.
Die Lichtquelle kann ferner derart reguliert werden, dass eine Lichtenergie
mit ersten und zweiten Frequenzen bereitgestellt wird. Die Lichtenergie
der ersten Frequenz ist dazu geeignet, um durch den Strahlenteiler 160 zu
laufen, während
die Lichtenergie, wie detaillierter nachstehend beschrieben, der zweiten
Frequenz in einer zweiten Richtung vom Strahlenteiler 160 reflektiert
wird. Die Verwendung einer einzelnen Lichtquelle und eines Strahlenteilers 160 ermöglicht einen
kompakteren Glanzsensor 100. Zudem können die Gesamtkosten des Glanzsensors 100 aufgrund
des weniger komplexen Aufbaus des Glanzsensors der vorliegenden
Erfindung geringer sein als diejenigen der gegenwärtig bekannten
vergleichbaren Glanzsensoren.
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Zum
Bereitstellen von Glanzmessungen nach DIN (75°) gemäß dem Standard DIN 54502 wird die
durch die Lichtquelle 110 erzeugte Lichtenergie durch den
ersten Kollimator 102 zu einem parallelen Strahl 115 kollimiert.
Wie vorstehend erklärt,
enthält die
durch die Lichtquelle erzeugte Lichtenergie Lichtenergie einer ersten
und einer zweiten Frequenz. Der innerhalb des ersten Kollimators 102 angeordnete
Bezugsdetektor 120 überträgt ein Signal 125,
das Informationen hinsichtlich der Eigenschaften der durch die Lichtquelle 110 erzeugten
Lichtenergie enthält.
Das Bezugssignal 125 wird zum Vergleichen des Reflektionsvermögens der
Papieroberfläche
mit der Intensität
der durch die Lichtquelle 110 erzeugten Lichtenergie mit
der in 3 dargestellten und nachstehend detaillierter
beschriebenen Aufbaukompensationsapparatur verwendet.
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Wie
in 1 dargestellt, läuft der parallele Strahl 115 durch
den Strahlenteiler 160, wo die Lichtenergie der zweiten
Frequenz von dem parallelen Strahl 115 in den Strahl 117 aufgeteilt
und mit einem Winkel von etwa 90° zu
dem parallelen Strahl 115 zurückgelenkt wird. Der parallele
Strahl 115 enthält nach
dem Durchleiten durch den Strahlenteiler 160 die Lichtenergie
der ersten Frequenz, die vom Spiegel 165 durch Fenster 162 zum
Papier 105 reflektiert wird. Der Spiegel 165 ist
mit einem Winkel von etwa 37,5° in
Bezug auf die zur gemessenen Oberfläche senkrechte Linie eingestellt,
wodurch der parallele Strahl 115 zum Papier 105 auf
das Papier 105 gelenkt wird. Der parallele Strahl 115 wird
dann vom Papier 105 reflektiert, wobei die Stärke der
von der Papieroberfläche
reflektierten Lichtenergie den Glanz der Papieroberfläche darstellt.
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Der
vom Papier 105 reflektierte parallele Strahl 115 wird
durch Fenster 162' vom
zweiten Spiegel 165' empfangen.
Der zweite Spiegel 165' ist
mit einem Winkel von etwa 37,5° positioniert
und dadurch dazu geeignet, den Strahl 115 zum zweiten Kollimator 104 zu
lenken. Der zweite Kollimator 104 kondensiert die Lichtenergie
des parallelen Strahls 115 auf den Detektor 127,
nachdem er durch den Filter 135 geleitet wurde. Wie in 1 dargestellt,
wird der parallele Strahl 115 mit einem Winkel von etwa 75° in Bezug
auf die zur Papierebene senkrechten Linie auf das Papier 105 gelenkt.
Der Reflektionskoeffizient von der Papieroberfläche 105 ist proportional zum
Papierglanz.
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Der
Glanzsensor 100 der vorliegenden Erfindung schließt ferner
eine Schmutzaufbaukompensationsvorrichtung ein. Die Schmutzaufbaukompensationsvorrichtung
umfasst einen Prismenreflektor 150, einen Fensterdetektor 124 und
eine Mehrzahl von Kombinationsvorrichtungen 310, 320 und 330 (die Kombinationsvorrichtungen 310, 320 und 330 sind
in 3 dargestellt). Wie in 1 dargestellt,
teilt der Strahlenteiler 160 die im parallelen Strahl 115 enthaltene
Lichtenergie der zweiten Frequenz in einen Strahlenanteil 117 auf,
der zum parallelen Strahl 115 mit einem Winkel von etwa
90° vorliegt.
Der Strahl 117 wird durch den Prismenreflektor 150 zum
Spiegel 165 reflektiert. Der Strahl 117 wird dann
vom Spiegel 165 durch die beiden Fenster 162, 162' reflektiert. Der
Strahl 117 wird dann vom Spiegel 165' derart reflektiert,
dass der Strahl 117 vom Prismenreflektor 150 empfangen
und zum Fensterdetektor 124 reflektiert wird. Der Fensterdetektor 124 bildet
zur wie detailliert nachstehend beschriebenen Verwendung ein Schmutzaufbaukompensationssignal 126 aus.
Der Prismenreflektor 150 ist innerhalb des Glanzsensors 100 derart
einstellbar, dass die Reflektionswinkel des zweiten Strahls 117 entsprechend
eingestellt werden können.
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Wie
in 1 dargestellt, werden durch den Glanzsensor 100 der
vorliegenden Erfindung drei unterschiedliche Signale ausgebildet,
die zwei Bezugssignale und ein Messsignal einschließen. Das
erste Bezugssignal 125 wird innerhalb des ersten Kollimators 102 ausgebildet.
Das zweite Bezugssignal wird durch den Fensterdetektor 124 als
Schmutzaufbaukompensationssignal 126 ausgebildet. Wie in 1 dargestellt,
stammt das Signal 126 vom Strahl 117 und wird
zum Messen der Schmutzaufbaumenge auf den Fenstern 162, 162' verwendet.
Ein drittes Signal 129 ist ein Messsignal, das innerhalb
des zweiten Kollimators 104 durch den Detektor 127 ausgebildet wird.
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In
Bezug nun auf 2 ist eine alternative Ausführungsform
des Schmutzaufbaukorrekturmechanismus 300 der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Wie in 2 dargestellt,
wurde der Prismenreflektor 150 des Glanzsensors 100 durch
Spiegel 250 und 252 ersetzt. Die Spiegel 250 und 252 sind
derart einstellbar, dass der richtige Reflektionswinkel des Strahls 117 entsprechend
eingestellt werden kann.
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In
Bezug nun auf 3 ist ein Funktionsdiagramm
dargestellt, das die Funktion der Schmutzaufbaukorrekturvorrichtung 300 der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Korrekturvorrichtung 300 schließt eine
erste Kombinationsvorrichtung 310, eine zweite Kombinationsvorrichtung 320 und
eine dritte Kombinationsvorrichtung 330 ein. Jede der Kombinationsvorrichtungen 310, 320 und 330 ist dazu
geeignet, die durch die Detektoren des Glanzsensors 100 gebildeten
Signale zu empfangen. Wie in 3 dargestellt,
empfängt
die erste Kombinationsvorrichtung 310 das erhaltene Messsignal 129 und
das erste Bezugssignal 125. Die Signale 129 und 125 werden
durch die Kombinationsvorrichtung 310 kombiniert und als
Signal 340 ausgegeben. Das ausgegebene Signal 340 stellt
die Messung des unkorrigierten Glanzes des Papiers 105 dar.
Die zweite Kombinationsvorrichtung 320 ist dazu geeignet,
das auf den Schmutzaufbau auf den Fenstern 162 und 162' hinweisende
Schmutzaufbaukompensationssignal 126 und das erste Bezugssignal 125 zu
empfangen. Die Signale 126 und 125 werden durch
die zweite Kombinationsvorrichtung 320 kombiniert und als Schmutzkorrektursignal 360 ausgegeben.
Das unkorrigierte Glanzsignal 340 und das Schmutzkorrektursignal 360 werden
dann von der Kombinationsvorrichtung 330 empfangen und
als korrigiertes Glanzsignal 370 ausge geben.
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Das
durch die Fenster 162 und 162' geleitete Schmutzaufbaukompensationssignal 126 enthält Informationen
hinsichtlich des Aufbaus von Schmutz auf den Fenstern. Zum Beispiel
kann sich während des
Papierherstellungsverfahrens Staub auf den Fenstern 162 und 162' aufbauen; und
deshalb würde das
Messsignal 129 die Glanzmessung nicht genau repräsentieren,
wenn das Glanzmesssignal nicht für diesen
Staubaufbau korrigiert worden ist. Signal 126 kompensiert
auch den Staub in der Luft, der die Messung von Signal 129 abändern kann.
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Infolge
der Schmutzkompensationsvorrichtung 300 benötigt der
Glanzsensor 100 der vorliegenden Erfindung keinen wie detaillierter
nachstehend beschriebenen Standardisierungsvorgang. Weiterhin erfordert
der Glanzsensor 100 keine mechanische Standardisierungseinheit;
weshalb der Glanzsensor 100 kompakter gemacht werden kann,
als schon bestehende Sensoren mit typischerweise in gegenwärtig bekannten
Glanzsensoren zu findenden weniger beweglichen Teilen.
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Typischerweise
kann eine Standardisierungseinheit (nicht dargestellt) aus einer
bekannten glänzenden
Oberfläche
zusammengesetzt sein, wobei der Glanzsensor oder die bekannte glänzende Oberfläche derart
bewegt wird, dass der Glanzsensor eine Ablesung der bekannten glänzenden
Oberfläche
durchführt.
Zum Beispiel kann die bekannte glänzende Oberfläche eine
Fliese umfassen, wobei der Glanzsensor von einer über einer
Papieroberfläche
angeordneten Position zu einer über
der glänzenden
Oberfläche
angeordneten Position bewegt wird, wobei der Glanzsensor entsprechend
der bekannten glänzenden
Oberfläche
kalibriert werden würde.
Alternativ dazu kann die Standardisierungseinheit eine zweite Lichtquelle
oder eine Lichtleitung, die von der ersten Lichtquelle entspringt,
umfassen, wobei die Lichtquelle mit einem Winkel auf die bekannte
glänzende Oberfläche gelenkt
wird, wobei die Reflektion von einem Detektor empfangen wird. Dieses
Signal wird dann zum entsprechenden Kalibrieren des Glanzsensors
verwendet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
(nicht dargestellt) können
der parallele Strahl 115 und der Strahl 117 mit
zwei verschiedenen Frequenzen f1 und f2 moduliert werden, um die Glanz- und Schmutzaufbaumessungen
zu trennen.
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Der
Glanzsensor 100 der vorliegenden Erfindung kann auch zum
genauen Messen der Glätte
der Papieroberfläche
verwendet werden. Es ist dem Fachmann klar, dass die Glätte einer
Papieroberfläche
auch mit dem Glanz des Papiers in Beziehung gesetzt werden kann.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung für
einen Sensor zur Durchführung
einer Hochglanzmessung (75° in
Bezug auf eine zur Papierebene senkrechte Linie) beschrieben worden
ist, können
die Apparatur und die Verfahren der vorliegenden Erfindung ferner
auch effektiv zur Durchführung
von standardmäßigen Glanzmessungen
verwendet werden. Standardmäßige Glanzmessungen
werden mit einem Winkel von 45° in
Bezug auf eine zur Papierebene senkrechte Linie durch Umpositionieren
und/oder Umlokalisieren der Spiegel 165, 165', derart, dass der
parallele Strahl 115 mit einem Winkel von 45° in Bezug
auf eine zur Papierebene 105 senkrechte Linie gelenkt und
vereinigt wird, durchgeführt.
Zudem können
die Elemente des Glanzsensors 100 der vorliegenden Erfindung
dupliziert werden, wodurch ein Glanzsensor hergestellt wird, der
sowohl Glanz(45°)- als
auch Hoch-glanz(75°)-Messungen
gleichzeitig oder mit einer zyklischen Geschwindigkeit durchführen kann.
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Es
ist dem Fachmann klar, dass der Glanzsensor 100 der vorliegenden
Erfindung ferner derart modifiziert werden kann, dass Glanzmessungen
bei 20°,
60° und
80° gemäß den Standards
von ISO 2.813 oder TAPPI-75°-Messungen gemäß dem Standard
von TAPPI T480 bereitgestellt werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezifische Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann klar, dass verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen innerhalb des Umfangs der anhängigen Ansprüche ohne
Abweichen von der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden
können.