DE10010213A1 - Optische Meßeinrichtung, insbesondere zur Qualitätsüberwachung bei kontinuierlichen Prozessen - Google Patents
Optische Meßeinrichtung, insbesondere zur Qualitätsüberwachung bei kontinuierlichen ProzessenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßvorrichtung, insbesondere zur Qualitätsüberwachung kontinuierlicher Materialflußprozesse, umfassend einen unmittelbar neben einem Meßobjekt (M) angeordneten Meßkopf (1), eine an dem Meßkopf (1) gehaltene Meßstrahlungsquelle (3) zur Beleuchtung eines Meßfleckes (F) an dem Meßobjekt (M), eine Meßlichtempfangsvorrichtung (6), mindestens ein Spektrometer (SP1, SP2), das über eine Lichtleitervorrichtung (7) mit der Meßlichtempfangsvorrichtung (6) optisch gekoppelt ist, wobei das Spektrometer (SP1, SP2) und die Lichtleitervorrichtung (7) in dem Meßkopf (1) aufgenommen sind und eine Signalaufbereitungsvorrichtung (12), die ebenfalls in dem Meßkopf (1) aufgenommen ist. DOLLAR A Damit ergibt sich eine einfach montierbare, kompakte Vorrichtung zur Reflexionsmessung, die überdies sehr genaue Meßergebnisse liefert. Weiterhin wird eine nach dem Prinzip der Spektroskopie arbeitende Meßvorrichtung zur Transmissionsmessung vorgeschlagen. Außerdem wird eine kombinierte Reflexions- und Transmissionsmessungsvorrichtung beschrieben, die beide Meßvorgänge zeitgleich vornimmt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßvorrichtung
zur Eigenschaftsermittlung an Meßobjekten; sie ist insbe
sondere zur Qualitätsüberwachung bei kontinuierlichem Fluß
bzw. kontinuierlicher Bewegung der Meßobjekte geeignet.
Aus dem Stand der Technik sind nach dem Prinzip der Spek
troskopie arbeitende Meßvorrichtungen bekannt, mit denen
beispielsweise der Reflexionsgrad oder auch der Transmissi
onsgrad von Meßobjekten erfaßt werden kann. Anhand des er
faßten Meßspektrums lassen sich Aussagen sowohl über opti
sche als auch nicht-optische Eigenschaften der Meßobjekte
treffen, welche wiederum zu einer Beurteilung der unter
suchten Meßobjekte verwendet werden.
Durch spektroskopische Untersuchungen lassen sich bei
spielsweise Materialbahnen oder -tafeln hinsichtlich der
Maßhaltigkeit und der Qualitätsparameter überwachen.
Gleichfalls ist auch eine Überwachung von nicht-festen Ma
terialströmen möglich.
Aus dem Stand der Technik ist in diesem Zusammenhang be
kannt, das Reflexionsverhalten der Meßobjekte zu erfassen,
um daraus Beurteilungskriterien für die Qualitätskontrolle
zu erhalten. Bei transparenten Meßobjekten kann mit Hilfe
einer Transmissionsmessung die Transparenz des Meßobjektes
spektroskopisch bestimmt werden.
Herkömmliche Meßvorrichtungen zur Reflexions- oder Trans
missionsmessung verwenden in der Regel einen optischen Meß
kopf, der in unmittelbarer Nähe des Meßobjektes angeordnet
wird. Dieser Meßkopf umfaßt eine Meßlichtquelle zur Be
leuchtung eines Meßfleckes auf dem Meßobjekt. Weiterhin ist
ein Empfänger zum Erfassen von Licht im Bereich des Meß
fleckes unmittelbar neben dem Meßobjekt vorgesehen. Im Fal
le einer Reflektionsmessung befindet sich der Empfänger auf
der Seite der Meßlichtquelle und erfaßt vom Meßobjekt re
flektiertes Licht. Im Falle einer Transmissionsmessung ist
der Empfänger hingegen auf der in bezug auf den Meßfleck
gegenüberliegenden Seite des Meßobjektes angeordnet und er
faßt durch das Meßobjekt hindurchdringendes Licht.
Zur Auswertung des erfaßten Lichtes des Meßfleckes wird ein
Spektrometer verwendet, das abseits des Meßobjektes aufge
stellt ist. Das vom Empfänger erfaßte Licht wird über einen
vergleichsweise langen Weg in der Größenordnung von etwa 20
Metern mittels eines Lichtleiters, der aus einer Vielzahl
von einzelnen Fasern besteht, zu dem Spektrometer geleitet.
Aus der Länge des Übertragungsweges resultieren Einflüsse,
welche die physikalischen Werte des Meßlichtes und damit
die Qualität der zu ermittelnden Aussagen beeinträchtigen.
Beispielsweise kann es zu Transmissionsänderungen des
Lichtleiters infolge mechanischer oder thermischer Beein
flussungen kommen.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß der optische Meßkopf
über bzw. neben dem Meßobjekt verfahrbar sein soll, um auch
breitere Materialbahnen oder -ströme untersuchen zu können.
Hierzu ist dann der Meßkopf auf einer Traversenanordnung
angebracht, die relativ zu dem Meßobjekt bewegbar ist. Um
in derartigen Fällen eine mechanische Beschädigung des
Lichtleiters zu vermeiden, sind technische Vorkehrungen ge
gen einen vorzeitigen Bruch erforderlich. Die Verlegung des
Lichtleiters muß daher mit besonderer Sorgfalt erfolgen.
Neben den optischen und mechanischen Beeinträchtigungen er
gibt sich für die bekannte optische Meßvorrichtung überdies
ein verhältnismäßig hoher Installationsaufwand, da der Meß
kopf mit dem Spektrometer erst vor Ort gekoppelt werden
kann, nachdem der Lichtleiter sorgfältig verlegt worden
ist. Zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse ist deshalb
die Vorrichtung vor Ort auf einen Sollzustand zu justieren.
Diese Justierung wird bei jeder Reinstallation der bekann
ten Vorrichtungen notwendig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine nach
dem Prinzip der Spektroskopie arbeitende optische Meßvor
richtung derart weiterzuentwickeln, die sie zur Quali
tätsüberwachung von kontinuierlich an der Meßvorrichtung
vorüberfließenden und/oder vorüberbewegten Meßobjekten ge
eignet und dabei mit wenig Aufwand montierbar bzw. demon
tierbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Meßvorrich
tung der eingangs genannten Art, umfassend einen unmittel
bar neben einem Meßobjekt anordenbaren Meßkopf, eine an dem
Meßkopf gehaltene Meßlichtquelle zur Beleuchtung eines Meß
fleckes an dem Meßobjekt, einen am Meßkopf vorgesehenen
Meßlichtempfänger zur Erfassung von Licht aus dem Bereich
des Meßfleckes, mindestens ein Spektrometer, das über eine
Lichtleitvorrichtung mit dem Meßlichtempfänger optisch ge
koppelt ist, wobei das Spektrometer und die Lichtleitvor
richtung in dem Meßkopf aufgenommen sind und eine ebenfalls
in dem Meßkopf aufgenommene Signalaufbereitungseinrichtung
zur Verarbeitung der Ausgangsignale des mindestens einen
Spektrometers.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung erlaubt eine einfache
und schnelle Montage nahe dem zu untersuchenden Meßobjekt.
Dabei kann die Justierung zur Abstimmung des Meßlichtemp
fängers auf das oder die Spektrometer bereits werksseitig
vorgenommen werden, so daß bei der Montage vor Ort mit Aus
nahme der ohnehin erforderlichen Einstellungen des Meßkop
fes in bezug auf das Meßobjekt keine weiteren Justier
schritte anfallen. Hierdurch läßt sich die Erstmontage so
wie auch eine Wiedermontage der Meßvorrichtung erheblich
vereinfachen.
Aus der Anordnung sämtlicher Komponenten in einem Meßkopf
bzw. einem kompakten Meßkopf resultieren überdies kürzeste
Verbindungsstrecken zwischen dem Meßlichtempfänger und dem
oder den Spektrometern. Dies führt nicht nur zu Material-
und Kosteneinsparungen in Hinblick auf die Verwendung von
Lichtleitermaterial. Vielmehr läßt sich auch die von der
Länge der Lichtleitvorrichtung abhängige Meßlichtintensität
verbessern. Überdies werden Transmissionsänderungen verrin
gert und deren Störeinflüsse auf die Meßergebnisse vermin
dert. Weiterhin kann eine mechanische Überbeanspruchung der
empfindlichen Lichtleitvorrichtungen verhindert werden.
Der Begriff "Meßkopf" schließt hier sowohl offene als auch
geschlossene Gehäuse sowie bühnenartige Haltekonstruktionen
mit ein, welche alle vorgenannten Baugruppen tragen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in
dem Meßkopf zwei Spektrometer aufgenommen, die aneinander
angrenzende Wellenlängenbereiche abdecken, wobei beide
Spektrometer mit demselben Meßlichtempfänger zusammenwirken
und mit diesem über einen Y-Lichtleiter optisch gekoppelt
sind. Vorzugsweise deckt die Meßvorrichtung gemeinsam einen
gesamten Wellenlängenbereich von etwa 350 nm bis 2500 nm
ab. Dabei liefert der VIS-Bereich (sichtbares Licht) vor
zugsweise optische Informationen, beispielsweise über Far
beigenschaften sowie Ver- und Entspiegelung, wohingegen der
NIR-Bereich (naher Infrarotbereich) Informationen über Kon
zentrationen von Bestandteilen der Meßobjekte liefert. Vor
zugsweise wird dabei ein Spektrometer für den NIR-Bereich
und ein weiteres Spektrometer für den VIS-Bereich sowie den
UV-Bereich verwendet. Durch diese wellenlängenbezogene Auf
teilung der Spektrometer lassen sich diese besonders kom
pakt bauen und gemeinsam in einem Meßkopf bzw. Gehäuse un
terbringen.
Die Verwendung des Y-Lichtleiters erlaubt eine gleichzeiti
ge Messung über den gesamten, breiten Wellenlängenbereich,
wobei die Qualität der Meßergebnisse durch die unmittelbar
benachbarte Anordnung der Spektrometer zu dem Meßlichtemp
fänger begünstigt wird. Die Länge der Lichtleiter in Y-Form
beträgt dabei bevorzugt weniger als 20 cm.
Vorzugsweise ist an dem Meßkopf eine Datenschnittstelle zur
Verbindung der optischen Meßvorrichtung mit einem externen
Rechner und/oder einer externen Anzeigenvorrichtung vorge
sehen. Diese können beispielsweise vom Meßort entfernt in
einer Schaltwarte untergebracht werden. Die Verbindung wird
über eine elektrische Leitung oder auch über eine Infrarot
fernverbindung bewerkstelligt.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin
dung ist an dem Meßkopf eine Photometerkugel mit einer auf
den Meßfleck gerichteten Öffnung vorgesehen, wobei die Meß
lichtquelle in die Photometerkugel integriert ist, um eine
diffuse, indirekte Beleuchtung des Meßfleckes zu ermögli
chen. Der ebenfalls an der Photometerkugel vorgesehene Meß
lichtempfänger ist durch die Öffnung der Photometerkugel
auf den Meßfleck gerichtet. Damit lassen sich die zur Er
zeugung des Meßlichtes sowie zum Empfang der auszuwertenden
Meßsignale erforderlichen Baugruppen in ein Modul integrie
ren, das beispielsweise für unterschiedliche Gehäusetypen
einer Geräteserie verwendet werden kann.
Zur Kompensation von Intensitätsänderungen der Meßlicht
quelle sowie von systematischen Meßfehlern, insbesondere
bei der Verwendung einer Photometerkugel, ist zu jedem
Spektrometer ein zweites, gleichartiges Spektrometer in dem
Meßkopf vorgesehen, in das synchron zu dem Betrieb des
erstgenannten Spektrometers das Licht einer Referenzfläche
eingeblendet wird. Bei der Verwendung von zwei Spektrome
tern für die vorgenannten Wellenlängenbereiche kommt wie
derum ein kurzer Y-Lichtleiter zum Einsatz. Durch eine Kom
pensationssignalbildung zwischen den jeweils gleichartigen
Spektrometern läßt sich die Relevanz der aus den Meßsigna
len gezogenen Folgerungen weiter verbessern.
Bevorzugt befindet sich die Referenzfläche an einem Innen
wandabschnitt der Photometerkugel, deren Licht durch einen
ebenfalls an der Photometerkugel vorgesehenen Referenzlichtempfänger
erfaßt wird. Zur Vermeidung von Verfälschun
gen ist es zweckmäßig, wenn der Referenzlichtempfänger
nicht direkt vom Meßlicht getroffen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die neben
einer Reflexionsmessung zusätzlich eine Transmissionsmes
sung erlaubt, umfaßt die optische Meßvorrichtung einen un
mittelbar neben dem Meßobjekt in definierter Lage anorden
baren zweiten Meßkopf, der dem ersten Meßkopf in bezug auf
den Meßfleck und das Meßobjekt diametral gegenüberliegt. An
dem zweiten Meßkopf ist ein Meßlichtempfänger zum Erfassen
von Licht aus dem Bereich des Meßfleckes vorgesehen sowie
weiterhin mindestens ein Spektrometer, das über eine Licht
leitvorrichtung mit dem Meßlichtempfänger optisch gekoppelt
ist, sowie schließlich eine Signalaufbereitungseinrichtung
zur Verarbeitung der Ausgangssignale des mindestens einen
Spektrometers des zweiten Meßkopfes.
Diese Anordnung erlaubt eine gleichzeitige Reflexions- und
Transmissionsmessung an demselben Meßort, wodurch eine hohe
Meßgeschwindigkeit verwirklicht werden kann. Die Meßzeit
für die Bewertung eines Meßortes kann dabei deutlich unter
einer Sekunde liegen. Vorzugsweise sind in dem zweiten Meß
kopf zwei Spektrometer aufgenommen, die aneinander angren
zende Wellenlängenbereiche abdecken, wobei beide Spektrome
ter mit demselben Meßlichtempfänger des zweiten Meßkopfes
zusammenwirken und mit diesem über einen Y-Lichtleiter op
tisch gekoppelt sind. Wie bereits im Zusammenhang mit dem
ersten Meßkopf ausgeführt, läßt sich hiermit ein breiter
Wellenlängenbereich, beispielsweise von 350 nm bis 2500 nm,
mit einer einzigen Messung gleichzeitig abdecken, wodurch
sich die Meßeffizienz weiter verbessern läßt.
Zur Kompensation von Intensitätsänderungen der Meßlicht
quelle sowie ggf. auftretender systematischer Fehler kann
auch bei der Transmissionsmessung eine Signalkompensation
vorgenommen werden. Hierzu wird bevorzugt das gleiche Kom
pensationssignal wie bei der Reflexionsmessung verwendet.
Zur Signalkompensation ist es vorteilhaft, wenn an dem
zweiten Meßkopf ebenfalls eine Datenschnittstelle zur Ver
bindung der optischen Meßvorrichtung mit einem externen
Rechner und/oder einer externen Anzeigevorrichtung vorgese
hen ist. Der für die Signalkompensation erforderliche Da
tenaustausch kann dann über den externen Rechner erfolgen,
so daß eine Verbindungsleitung zwischen den einzelnen Meß
köpfen nicht nötig wird. Durch die doppelte Verwendung der
Kompensations-Spektrometer in dem ersten Meßkopf kann der
apparative Aufwand für eine zusätzliche Kompensation bei
der Transmissionsmessung gering gehalten werden. Die Er
mittlung der kompensierten Signale kann dabei in jedem Meß
kopf sowie auch in dem externen Rechner erfolgen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine optische
Meßvorrichtung gelöst, die allein zur Transmissionsmessung
ausgelegt ist. Hierzu umfaßt diese einen unmittelbar neben
einem Meßobjekt in definierter Lage anordenbaren ersten
Meßkopf, eine an dem ersten Meßkopf gehaltene Meßlichtquel
le zur Beleuchtung eines Meßfleckes an dem Meßobjekt, einen
unmittelbar neben dem Meßobjekt in definierter Lage anor
denbaren zweiten Meßkopf, der dem ersten Meßkopf in bezug
auf den Meßfleck auf der anderen Seite des Meßobjektes dia
metral gegenüberliegt, einen an dem zweiten Meßkopf vorge
sehenen Meßlichtempfänger zur Erfassung von Licht aus dem
Bereich des Meßfleckes, mindestens ein Spektrometer, das
über eine Lichtleitvorrichtung mit dem Meßlichtempfänger
optisch gekoppelt ist, wobei das Spektrometer und die
Lichtleitvorrichtung in dem zweiten Meßkopf aufgenommen
sind, und eine Signalaufbereitungseinrichtung zur Verarbei
tung der Ausgangssignale des mindestens einen Spektrometers
des zweiten Meßkopfes.
Hiermit ergeben sich die bereits oben erläuterten Vorteile
im Zusammenhang mit der Reflexionsmessung.
Wie dort können auch bei einer auf die Transmissionsmessung
ausgelegten Meßvorrichtung in dem zweiten Meßkopf zwei
Spektrometer vorgesehen sein, die aneinander angrenzende
Wellenlängenbereiche abdecken, wobei beide Spektrometer mit
demselben Meßlichtempfänger des zweiten Meßkopfes zusammen
wirken und mit diesem über einen Y-Lichtleiter optisch ge
koppelt sind. Damit läßt sich auch bei der Transmissions
messung mit einem einzigen Meßvorgang ein breiter Wellen
längenbereich abdecken, der den Bereichen UV, VIS sowie
einschließlich IR entspricht, beispielsweise der Gesamt-
Wellenlängenbereich von etwa 350 nm bis 2500 nm.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist zu jedem
Spektrometer in dem zweiten Meßkopf ein zweites, gleichar
tiges Spektrometer in dem ersten Meßkopf vorgesehen, in das
synchron zu dem Betrieb des erstgenannten Spektrometers das
Licht einer Referenzfläche eingeblendet wird. Hiermit las
sen sich wiederum Intensitätsänderungen der Meßlichtquellen
sowie systematische Fehler während des Messens kompensie
ren.
Desweiteren kann die bereits oben erwähnte Photometerkugel
im ersten Meßkopf eingesetzt werden, wobei an dieser im
Fall der reinen Transmissionsmessung ein Meßlichtempfänger
nicht erforderlich ist und damit weggelassen werden kann.
Bei Verwendung einer einheitlichen Photometerkugel in einer
Geräteserie kann eine an entsprechender Stelle vorgesehene
Aufnahmeöffnung für den Meßlichtempfänger unbesetzt blei
ben. Vorzugsweise wird die entsprechende Öffnung durch eine
Kappe verschlossen.
Zur Kommunikation mit einem externen Rechner und/oder einer
externen Anzeigevorrichtung ist an beiden Meßköpfen jeweils
eine Datenschnittstelle vorgesehen, wobei die Datenübertra
gung über eine elektrische Leitung oder auch über eine In
frarotfernverbindung erfolgt. Sofern in dem ersten Meßkopf
bzw. Gehäuse keine Spektrometer zur Signalkompensation ver
wendet werden, kann die Datenschnittstelle an dem ersten
Meßkopf auch entfallen.
Zur weiteren Vereinfachung der Meßvorrichtung ist es vor
teilhaft, die Lichtleitvorrichtung aus Lichtleitfasern zu
bilden, deren freie Enden zu dem Meßobjekt hin gleichzeitig
den Meßlichtempfänger bilden.
Eine besonders kompakte Bauweise der Meßköpfe bzw. der Ge
häuse läßt sich dann erzielen, wenn die verwendeten Spek
trometer jeweils als Miniaturspektrometer mit Diodenzeilen-
Empfängern ausgebildet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Meß
lichtquelle zum Zwecke der Signalbildung ein- und aus
schaltbar. Damit können im Gegensatz zu der Verwendung einer
Konstantlichtquelle bewegte Shutter vermieden werden,
die dort zur Dunkelmessung erforderlich sind, so daß die
Meßvorrichtung weiter vereinfacht wird. Überdies werden Er
schütterungen, die aus der Bewegung der Shutter resultie
ren, vermieden, so daß die Abstände zwischen den einzelnen
Messungen sehr kurz gehalten werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer spektrosko
pischen Meßvorrichtung zur Reflexionsmessung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer spektro
skopischen Meßvorrichtung zur Reflexionsmessung,
bei dem eine Signalkompensation erfolgt,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer spektro
skopischen Meßvorrichtung, das eine gleichzeiti
ge Reflexions- und Transmissionsmessung in einem
Spektral-Teilbereich (UV oder VIS oder NIR) mit
Kompensation erlaubt, und in
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer spektro
skopischen Meßvorrichtung zur Transmissionsmes
sung im Spektralbereich UV, VIS und NIR mit Si
gnalkompensation.
Das erste Ausführungsbeispiel in Fig. 1 zeigt eine spektro
skopische Meßvorrichtung zur Reflexionsmessung mit einem
Meßkopf 1 in Form eines kompakten Gehäuses, der vor oder
über einem Meßobjekt M in definiertem Abstand anordenbar
ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Meß
vorrichtung zur Qualitätskontrolle an einer Materialbahn
oder Materialtafel eingesetzt. Sie kann jedoch auch für andere
feste Meßobjekte sowie auch für Materialströme ohne
feste Form verwendet werden.
Bevorzugt wird der Meßkopf 1 an einer quer zu dem Meßobjekt
M bzw. der Materialbahn verfahrbaren Traverse befestigt, so
daß die Eigenschaftsermittlung über die gesamte Breite der
Materialbahn, der Materialtafel oder des Materialstromes
vorgenommen werden kann, da der von der Meßvorrichtung ge
nutzte Teil des Meßfleckes F in der Regel deutlich kleiner
ist als dessen Gesamtausdehnung.
In dem Meßkopf 1, der nicht notwendigerweise nach allen
Seiten geschlossen sein muß, sondern beispielsweise auch
eine Haltebühne sein kann, ist eine Meßeinheit 2 vorgese
hen, die eine Meßlichtquelle 3 umfaßt. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Halogenlampe verwen
det. Es ist jedoch auch möglich, an dieser Stelle eine Deu
teriumlampe zu verwenden, oder auch eine Halogenlampe zu
sammen mit einer Deuteriumlampe.
Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, umfaßt die Meßeinheit 2
weiterhin eine Kondensorlinse 4 zur senkrechten Projektion
des Meßlichtes der Meßlichtquelle 3 auf das Meßobjekt M.
Durch die Verwendung der Linse 4 ergibt sich eine gleichmä
ßige Ausleuchtung des Meßfleckes F auf dem Meßobjekt M. Die
Meßeinheit 2 wird an ihrem zu dem Meßobjekt M gerichteten
Ende durch ein lichtdurchlässiges Schutzglas 5 verschlos
sen.
Zur Erfassung des im Bereich des Meßfleckes F vom Meßobjekt
M reflektierten Lichtes ist ein Meßlichtempfänger 6 vorge
sehen, der durch freie Enden von radialsymmetrisch um die
Mittelachse der Meßeinheit 2 angeordnete Monolichtleitfa
sern gebildet wird. Die freien Enden der Monolichtleitfa
sern sind hier unter einem Winkel von 45° zu der Oberfläche
des Meßobjektes M geneigt. Der Abstand der einzelnen Enden
zu dem Meßfleck F ist dabei derart gewählt, daß der Be
trachtungskegel jeder einzelnen Monolichtleitfaser den
gleichen Abschnitt F' des Meßfleckes F erfaßt. Dieser Ab
schnitt F' ist etwas kleiner als der ausgeleuchtete Meß
fleck F, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung gegen
über Schwankungen des Abstandes der Meßeinheit 2 zu dem
Meßobjekt M stark verringert werden kann. Meßobjektbedingte
Abweichungen von der räumlichen Gleichmäßigkeit des reflek
tierten Lichtes werden durch die Anordnung ausgeglichen.
Die Monolichtleitfasern werden zu einem Bündel zusammenge
faßt und an einer Koppelstelle im Bereich eines rückseiti
gen Sockels der Meßeinheit 2 an einen Y-Lichtleiter 8 ange
koppelt. Über diesen erfolgt die Verteilung des von dem
Meßlichtempfänger 6 erfaßten Meßlichtes in zwei Spektrome
ter SP1 und SP2. Diese sind jeweils als Miniaturspektrome
ter mit einem Diodenzeilen-Empfänger 15 ausgebildet. Dabei
deckt ein Spektrometer SP1 den UV-Bereich sowie den Bereich
des sichtbaren Lichtes ab, während das zweite Spektrometer
SP2 im langwelligen Bereich an den Wellenlängenbereich des
ersten Spektrometers SP1 anschließt, folglich den nahen In
frarotbereich erfaßt. Gemeinsam decken die beiden Spektro
meter SP1 und SP2 einen Wellenlängenbereich von 350 nm bis
2500 nm ab.
In den Spektrometern SP1, SP2 werden für unterschiedliche
Wellenlängenbereiche jeweils proportionale elektrische Si
gnale gebildet, die an eine in dem Meßkopf 1 aufgenommene
Elektronik-Einheit 9 weitergeleitet werden. In dieser Elek
tronik-Einheit 9 ist eine Signalaufbereitungseinrichtung 12
vorgesehen, in der eine Verarbeitung und ggf. auch Digita
lisierung der von den Spektrometern SP1 und SP2 erhaltenen
Signale erfolgt. Weiterhin ist in der Elektronik-Einheit 9
eine Schnittstelle 13 zur Verbindung der Meßvorrichtung mit
einem externen Rechner und/oder einer externen Anzeigevor
richtung vorgesehen. Die Übertragung der aufbereiteten Si
gnale kann über eine geeignete Signalleitung oder auch
durch eine Infrarotfernübertragung erfolgen. Der externe
Rechner wird beispielsweise in einer Meßwarte fernab des
Meßortes aufgestellt. In dem externen Rechner können weite
re Auswertungsaufgaben vorgenommen werden. Sofern nur Mo
mentanwerte für das zu untersuchende Meßobjekt M benötigt
werden, kann auch eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung
des Meßergebnisses genügen, wobei dann die erforderlichen
Auswertungsoperationen in der Signalaufbreitungseinrichtung
12 am Meßort selbst vorgenommen werden.
Die Elektronik-Einheit 9 umfaßt weiterhin eine Vorrichtung
zur stabilisierten Spannungsversorgung 10 für die Meßlicht
quelle 3, sowie einen Anschluß zu einer Stromversorgung 14.
Die Steuerung der einzelnen Komponenten sowie das Ein- und
Ausschalten der Meßlichtquelle 3 zur Durchführung einer
Messung wird durch einen ebenfalls in der Elektronik-
Einheit 9 aufgenommenen Mikroprozessor 11 gesteuert.
Der Meßablauf für die spektrale Signalgewinnung bei einer
Reflexionsmessung ohne Kompensationssignal erfolgt mikro
prozessorgesteuert unter Bestimmung der folgenden Signale.
Bei ausgeschalteter Lampe wird synchron eine Dunkelmessung
in den zwei Spektrometern SP1 und SP2 vorgenommen:
SD1; SD2.
Bei eingeschalteter Lampe und eingebrachtem Weißstandard
erfolgt synchron eine Hellmessung in den zwei Spektrometern
SP1 und SP2:
SW1; SW2.
Bei eingeschalteter Lampe und je nach methodischer Forde
rung ohne Probe oder mit eingebrachter Schwarzprobe erfolgt
synchron eine weitere Hellmessung in beiden Spektrometern:
SS1; SS2.
Weiterhin wird bei eingeschalteter Lampe in beiden Spektro
metern SP1 und SP2 synchron eine Hellmessung an einer ein
gebrachten Meßprobe vorgenommen:
SP1; SP2.
Die Meßergebnisse werden wie nachfolgend erläutert gebil
det.
Zunächst erfolgt eine Dunkelkorrektur durch Differenzbil
dung aus den spektralen Signalen der Hellmessung und der
möglichst unmittelbar vorangegangenen Dunkelmessung für je
des Spektrometer, wobei bei beiden Messungen die gleiche
Probe eingebracht ist:
Skorr,i = Si - SDi.
Der Laufindex i beschreibt sowohl die Nummer des betrachte
ten Spektrometers als auch die gemeinsame Probenart (W, S,
P).
Die dunkelkorrigierten Signale der Meß- und der Weißprobe
werden um die dunkelkorrigierten Signale der Schwarzprobe
verringert und die Meßsignaldifferenz durch die Weißsignal
differenz dividiert. Der Quotient ist der Reflexionsgrad
der Meßprobe bezogen auf den der Weißprobe:
Das zweite Ausführungsbeispiel in Fig. 2 zeigt eine weitere
optische Meßvorrichtung, die nach dem Prinzip der Spektro
skopie arbeitet. Diese wird wie in dem ersten Ausführungs
beispiel zur Reflexionsmessung eingesetzt und unterscheidet
sich von diesem vor allem durch die Ausbildung der Meßein
heit 2 sowie die zusätzliche Verwendung von zwei weiteren
Spektrometern SP3 und SP4 zur Kompensation von Lichtinten
sitätsschwankungen der Meßlichtquelle 3 sowie systemati
scher Fehler bei der Messung.
Die Meßeinheit 2 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist
als Photometerkugel 16 ausgebildet, die sich mit einer auf
das Objekt M gerichteten Öffnung 19 in einem definierten
Abstand zu dem Meßobjekt M befindet. In die Photometerkugel
16 ist eine Meßlichtquelle 3 in Form einer Halogenlampe in
tegriert, und solchermaßen angeordnet, daß durch die Öff
nung 19 eine gleichmäßig diffuse Beleuchtung des Meßfleckes
F auf das Meßobjekt M erfolgt. Weiterhin ist ein Meßlichtempfänger
6 an der Photometerkugel 16 angeordnet, die durch
die Öffnung 19 auf den Meßfleck F blickt. Dabei ist die
Empfangsrichtung des Meßlichtempfängers 6 vorzugsweise un
ter einem Winkel von 8° gegenüber der Normalen auf das Meß
objekt M angestellt. Das in dem Meßlichtempfänger 6 aufge
fangene Meßlicht führt ein Y-Lichtleiter 7 gleichzeitig in
zwei Miniaturspektrometer SP1 und SP2, die jeweils einen
Diodenzeilenempfänger 15 zur Meßsignalgewinnung aufweisen.
Die Anordnung und Aufteilung nach Spektralbereichen ent
spricht dabei derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
Zusätzlich zu dem Meßlichtempfänger 6 ist an der Photome
terkugel 16 eine weitere Empfangsvorrichtung 17 vorgesehen,
die direkt weder die Meßlichtquelle 3 noch das Meßobjekt M
sieht. Vielmehr ist die zusätzliche Empfangsvorrichtung 17
auf eine Referenzfläche 18 an der Innenwand der Photometer
kugel 16 gerichtet. Das von der Empfangsvorrichtung 17 er
faßte Referenzlicht wird wiederum über einen Y-Lichtleiter
20 an zwei Spektrometer SP3 und SP4 übermittelt. Die Spek
trometer SP3 und SP4 entsprechen in ihrer Auslegung den
Spektrometern SP1 und SP2, so daß die an dem Spektrometer
SP3 erhaltenen Signale zur Kompensation der von dem Spek
trometer SP1 erhaltenen Signale und die von dem Spektrome
ter SP4 erhaltenen Signale zur Kompensation der von dem
Spektrometer SP2 erhaltenen Signale verwendet werden. Sämt
liche, an den Spektrometern erhaltenen Signale werden an
eine Elektronik-Einheit 9 übertragen, die in gleicher Art
und Weise wie in dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet
ist. Die Bildung der Meßergebnisse kann dabei in dem be
reits erwähnten externen Rechner erfolgen. Es ist jedoch
auch möglich, diese Operationen in die Signalaufbreitungs
einrichtung 12 der Elektronik-Einheit 9 zu verlegen.
Zur Signalgewinnung bei einer Reflexionsmessung mit Kompen
sationssignalbildung werden folgende Messungen durchge
führt:
Bei ausgeschalteter Lampe erfolgt synchron eine Dunkelmes
sung in den zwei Spektrometern SP1 und SP2 und in den zwei
Spektrometern SP3 und SP4:
SD1; SD2; SD3; SD4.
Mit eingeschalteter Lampe und eingebrachter Weißprobe er
folgt eine weitere Hellmessung in allen vier Spektrometern:
SW1; SW2; SW3; SW4.
Mit eingeschalteter Lampe und je nach methodischer Forde
rung ohne Probe (mit Luft) oder mit Schwarzprobe erfolgt
die Hellmessung in allen vier Spektrometern:
SS1; SS2; SS3; SS4.
Schließlich wird mit eingeschalteter Lampe eine synchrone
Hellmessung in allen vier Spektrometern an einer einge
brachten Meßprobe vorgenommen:
SP1; SP2; SP3; SP4.
Die Meßergebnisse werden wie folgt gebildet:
Zunächst erfolgt eine Dunkelkorrektur durch Differenzbil
dung aus den spektralen Signalen der Hellmessung und der
möglichst unmittelbar vorangegangenen Dunkelmessung für je
des Spektrometer und derselben Probe:
Skorr,i = Si - SDi
Der Laufindex i beschreibt wieder die Spektrometer-Nummer
und die gemeinsame Probenart (W; P; S).
Die dunkelkorrigierten Meßsignale von Spektrometer SP1 wer
den auf die dunkelkorrigierten Kompensationssignale von
Spektrometer SP3 und die von Spektrometer SP2 auf die von
SP4 normiert. Dabei handelt es sich jeweils um Messungen
mit einheitlicher Probe:
Aus dem Quotienten der zu jedem spektralen Teilbereich ge
hörenden Spektrometer wird der Reflexionsgrad für jeden
Teilbereich berechnet:
Das dritte Ausführungsbeispiel in Fig. 3 zeigt eine spek
troskopische Meßvorrichtung zur gleichzeitigen Reflexions-
und Transmissionsmessung, die zwei in bezug auf einen Meß
fleck F an dem Meßobjekt einander gegenüberliegende Emp
fangsvorrichtungen aufweist, wobei eine der Reflexionsmes
sung dient, die andere hingegen der Transmissionsmessung
dient. Für die Reflexionsmessung kann hierbei eine Meßvorrichtung
verwendet werden, wie sie in dem ersten oder zwei
ten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, wobei zur
Weitbereichsmessung zwei Spektrometer eingesetzt werden.
Dies ist prinzipiell auch bei dem dritten Ausführungsbei
spiel möglich. Zur Vereinfachung der Darstellung wird die
ses hier jedoch mit jeweils einem einzigen Spektrometer für
die Reflexionsmessung und einem einzigen Spektrometer für
die Transmissionsmessung beschrieben. Ein drittes Spektro
meter ist zu Kompensationszwecken vorgesehen.
Die Meßvorrichtung umfaßt einen ersten Meßkopf 1 mit einer
Photometerkugel 16, deren Öffnung 18 in definiertem Abstand
zu einem Meßfleck F an einem Meßobjekt anordenbar ist. In
der Photometerkugel 16 ist eine Meßlichtquelle 3 angeord
net, um den Meßfleck F diffus zu beleuchten. Entsprechend
dem benötigten Spektralbereich kann als Meßlichtquelle 3
eine Halogenlampe, eine Xenonlampe oder eine Deuteriumlampe
verwendet werden, die zu Meßzwecken phasenweise eingeschal
tet wird. In den Pausen erfolgt eine Dunkelmessung, die zur
Kompensation eines unvermeidlichen elektronischen Off-Sets
sowie eventueller Fremdlichteinflüsse benötigt wird. In
gleicher Weise ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel, wie
bei den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen,
auch eine Xenon-Blitzlampe einsetzbar. In beiden Fällen
wird ein mechanischer Shutter für die Dunkelmessung nicht
mehr benötigt.
An der Wand der Photometerkugel 16 sind wiederum, wie in
dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Meßlichtempfänger 6 so
wie eine Empfangsvorrichtung 17 vorgesehen, die jeweils
über eine eigene Lichtleitvorrichtung 23 mit einem Spektro
meter SP1 bzw. SP3 verbunden sind. Zur Erzielung einer hohen
Signalgüte sind die Lichtleitvorrichtungen 23 wiederum
kurz, bevorzugt unter einer Länge von 20 cm gehalten. Als
Spektrometer SP1, SP3 kommen auch hier wiederum Miniatur
spektrometer mit Dioden-Zeilenempfängern 15 zum Einsatz,
die wie die Photometerkugel 16 und die Lichtleitvorrichtun
gen 23 in dem ersten Meßkopf 1 angeordnet sind.
Zur Ansteuerung der Meßlichtquelle 3 sowie zur Signalaufbe
reitung und zur Verbindung mit einem externen Rechner bzw.
einer externen Anzeigevorrichtung ist weiterhin eine Elek
tronik-Einheit 9 in dem Meßkopf 1 angeordnet, die entspre
chend derjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels ausgebil
det ist.
Für die Transmissionsmessung ist ein zweiter Meßkopf 21
vorgesehen, der einen weiteren, auf den Meßfleck F gerich
teten Meßlichtempfänger 22 aufweist. Dieser liegt während
eines Meßvorganges auf der der Öffnung 19 der Photometerku
gel 16 gegenüberliegenden Seite des Meßfleckes F. Das Meß
licht des Meßlichtempfängers 22 des zweiten Meßkopfs 21
wird in ein gesondertes, in dem zweiten Meßkopf 21 angeord
netes Spektrometer SP1' mit Diodenzeilenempfänger 15 einge
leitet, wobei die optische Kopplung über eine Lichtleitvor
richtung 23 erfolgt. In dem zweiten Meßkopf 21 ist eine
Elektronik-Einheit 9 vorgesehen, die neben einer Signalauf
bereitungseinrichtung und einer Schnittstelle zur Daten
übertragung zu einem externen Rechner und/oder einer exter
nen Anzeigevorrichtung weiterhin einen Mikroprozessor zur
Steuerung der Kommunikation mit dem externen Rechner bzw.
der externen Anzeigevorrichtung aufweist (nicht im Detail
dargestellt).
Die beiden Meßköpfe 1 und 21 sind zueinander in einem fe
sten Gestell justiert oder in einer Doppeltraverse synchron
bewegbar. Durch die Miniaturisierung der Spektrometer
bleibt die Masse der einzelnen Meßköpfe gering, so daß bei
geringen Beschleunigungskräften eine hohe Meßdynamik ge
währleistet wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel steuert der be
reits erwähnte externe Rechner das Zusammenwirken der bei
den Meßköpfe 1 und 21 bei den Meßabläufen, speichert die
erfaßten und in den Meßköpfen aufbereiteten Meßsignale und
erzeugt aus diesen die Meßergebnisse.
Für eine kombinierte Reflexions- und Transmissionsmessung
werden zunächst die nachfolgenden Signale erfaßt.
Bei ausgeschalteter Lampe (oder ggf. kein Blitz) erfolgt
synchron eine Dunkelmessung in den drei Spektrometern SP1,
SP3 und SP1' beider Meßköpfe 1 und 21. Sie kann zur ständi
gen Aktualisierung beliebig oft (im Prinzip vor jeder Hell
messung) erfolgen:
SD1; SD1'; SD3.
Bei eingeschalteter Lampe (oder ggf. während des Blitzens)
im Reflexionsmeßkopf und ohne Probe (Luft) erfolgt synchron
eine Hellmessung in den drei Spektrometern beider Meßköpfe:
SH1; SH1'; SH3.
Bei eingeschalteter Lampe und eingebrachtem Weißstandard
erfolgt synchron eine weitere Hellmessung mit den zwei
Spektrometern SP1 und SP3 des Reflexionsmeßkopfes:
SW1; SW3.
Bei spezieller methodischer Forderung erfolgt mit einge
schalteter Lampe und eingebrachtem Schwarzstandard synchron
eine Hellmessung mit den zwei Spektrometern des Reflexions
meßkopfes:
SS1; SS3.
Schließlich wird bei eingeschalteter Lampe und eingebrach
ter Meßprobe eine synchrone Hellmessung in den drei Spek
trometern beider Meßköpfe vorgenommen:
SP1, SP1'; SP3.
Die Meßergebnisse werden dann wie folgt gebildet:
Zunächst erfolgt wieder eine Dunkelkorrektur durch Diffe
renzbildung aus den spektralen Signalen der Hellmessung und
der unmittelbar vorangegangenen Dunkelmessung des jeweili
gen Spektrometers. Eine exakte Korrektur ist dann gewähr
leistet, wenn jeder Hellmessung eine Dunkelmessung mit
gleicher Probe (Luft, Weiß, Schwarz, Meß) unmittelbar vor
ausgeht. Damit ist die größtmögliche Aktualität der Dunkel
signale gewährleistet:
Skoor,i = Si - SDi
(i steht für verschiedene Proben und Spektrometer).
Die dunkelkorrigierten Meßsignale in beiden Meßköpfen bei
der Messung ohne Probe (Luft) werden auf das dunkelkorri
gierte Kompensationssignal normiert (Quotientenbildung).
Die normierten Signale enthalten generell keine zeitlichen
Intensitätsschwankung der Lampe und kompensieren bei der
Reflexionsmessung den unvermeidlichen systematischen Kugel
fehler. Das normierte Signal der Transmissionsmessung wird
im weiteren als Referenzsignal (100% T) für die nachfolgen
den Transmissions-Probenmessungen verwendet. Das normierte
Signal der Reflexionsmessung kann im weiteren als Schwarz-
Referenzsignal (0% R)verwendet werden.
Das dunkelkorrigierte Meßsignal des Reflexionsmeßkopfes bei
der Messung mit Weißstandard wird auf das zugehörige dun
kelkorrigierte Kompensationssignal normiert. Das normierte
Signal der Reflexionsmessung wird im weiteren als Weiß-
Referenzsignal (100% R) verwendet:
Bei spezieller methodischer Forderung kann das dunkelkorri
gierte Meßsignal bei der Messung mit Schwarzstandard auf
das zugehörige dunkelkorrigierte Kompensationssignal nor
miert und für die Reflexionsmessung als spezielles Schwarz-
Referenzsignal (0% R) verwendet werden.
Die dunkelkorrigierten Meßsignale in beiden Meßköpfen bei
der Probenmessung werden auf das dunkelkorrigierte Kompen
sationssignal normiert. Das normierte Signal der Transmis
sionsmessung wird auf das gespeicherte Referenzsignal (100%
T) bezogen. Der Quotient stellt den Transmissionsgrad der
Probe bezogen auf Luft dar. Das normierte Signal der Refle
xionsmessung wird um das Schwarz-Referenzsignal vermindert
(Differenzbildung) und auf die Differenz der gespeicherten
Weiß- und Schwarz-Referenzsignale bezogen. Der Quotient
stellt den Reflexionsgrad der Probe bezogen auf die verwen
deten Weiß- und Schwarzstandards dar:
Das vierte Ausführungsbeispiel in Fig. 4 zeigt eine spek
troskopische Meßvorrichtung zur Transmissionsmessung mit
Kompensationssignalgewinnung. Sie umfaßt zwei Meßköpfe 1
und 21, die beiderseits eines Meßobjektes M angeordnet
sind. Dabei ist der Beleuchtungsteil einschließlich der
Komponenten für die Kompensationsmessung in einem ersten
Meßkopf 1 untergebracht, während der zweite Meßkopf 21 die
Komponenten für die Meßlichterfassung und Analyse aufweist.
Beide Meßköpfe 1 und 21 sind zueinander justiert in einem
festen Gestell oder in einer querbeweglichen Doppeltraverse
angeordnet. Dabei entspricht der erste Meßkopf 1 im wesent
lichen dem ersten Meßkopf des zweiten Ausführungsbeispie
les, wobei lediglich die zur Reflexionsmessung benötigten
Spektrometer SP1 und SP2 sowie der zugehörige Meßlichtemp
fänger 6 weggelassen sind.
Folglich umfaßt die an dem ersten Meßkopf 1 vorgesehene
Photometerkugel 16 lediglich eine Meßlichtquelle 3 sowie
eine Empfangsvorrichtung 17, die auf eine Referenzfläche 18
an der Innenoberfläche der Photometerkugel gerichtet ist.
Das erfaßte Licht der Referenzfläche 18 wird über einen
kurzen Y-Lichtleiter 20 in zwei Spektrometer SP3 und SP4
eingeblendet, wobei das erstere den UV-Bereich sowie den
Bereich des sichtbaren Lichtes abdeckt, das letztere hinge
gen den nahen Infrarotbereich. Weiterhin ist in dem ersten
Meßkopf 1 wiederum eine Elektronik-Einheit 9 mit einer
Signalaufbereitungseinrichtung 12, einer Schnittstelle 13,
und einer stabilisierenden Spannungsversorgung (10) der
Meßlichtquelle 3 vorgesehen, die von einem Mikroprozessor
11 verwaltet werden.
Die Erfassung des eigentlichen Meßlichtes, das durch die
Öffnung 19 der Photometerkugel 16 auf den Meßlichtfleck F
gestrahlt wird, erfolgt durch einen an dem zweiten Meßkopf
21 koaxial zu der Öffnung 19 angeordneten Meßlichtempfänger
22. Das von diesem erfaßte Meßlicht wird über eine Licht
leitvorrichtung 23 in Form eines kurzen Y-Lichtleiters si
multan in zwei Spektrometer SP1 und SP2 eingekoppelt, die
hier wiederum als Miniaturspektrometer mit Diodenzeilen-
Empfänger 15 ausgebildet sind. Dabei deckt das erste Spek
trometer SP1 den gleichen Frequenzbereich ab, wie das zugehörige
Spektrometer SP3 in dem ersten Meßkopf 1. Gleiches
gilt für das zweite Spektrometer SP2 in bezug auf das in
dem ersten Meßkopf 1 angeordnete Spektrometer SP4.
Die in dem zweiten Meßkopf 21 vorgesehene Elektronik-
Einheit 9 leistet hier die Signalaufbereitung sowie die
Kommunikation mit einem externen Rechner und/oder einer ex
ternen Anzeigevorrichtung, wobei die Signalaufbereitung und
die Externkommunikation durch den Mikroprozessor 11 gesteu
ert ist. Die Abstimmung der beiden Elektronik-Einheiten 9
erfolgt über den externen Rechner.
Dabei gestaltet sich die Signalgewinnung wie folgt:
Bei ausgeschalteter Lampe erfolgt synchron eine Dunkelmes
sung in den zwei Spektrometern SP1 und SP2 und in den zwei
Spektrometern SP3 und SP4:
SD1; SD2; SD3; SD4.
Bei eingeschalteter Lampe erfolgt je nach methodischer For
derung in Luft (ohne Probe) oder mit vorgegebener Referenz
probe synchron eine Hellmessung in allen vier Spektrome
tern:
SH1; SH2; SH3; SH4.
Bei eingeschalteter Lampe und eingebrachter Meßprobe er
folgt synchron eine weitere Hellmessung in allen vier Spek
trometern:
SP1; SP2; SP3; SP4
Die Meßergebnisse werden dann wie folgt gebildet:
Zunächst erfolgt eine Dunkelkorrektur durch Differenzbil
dung aus den spektralen Signalen der Hellmessung und der
möglichst unmittelbar vorangegangenen Dunkelmessung für je
des Spektrometer, wobei bei beiden Messungen die gleiche
Probe eingebracht ist:
Skorr,i = Si - SDi
Der Laufindex i beschreibt sowohl die Spektrometer-Nummer
als auch die gemeinsame Probenart (H, P)
Die dunkelkorrigierten Meßsignale von Spektrometer SP1 wer
den auf die dunkelkorrigierten Kompensationssignale von
Spektrometer SP3 und die von Spektrometer SP2 auf die von
Spektrometer SP4 normiert. Dabei werden die Signale einer
gemeinsamen Probenart betrachtet:
Aus den Quotienten der zu jedem spektralen Teilbereich ge
hörenden Spektrometer wird schließlich der Transmissions
grad der Probe für die Teilbereiche berechnet:
1
Meßkopf
2
Meßeinheit
3
Meßlichtquelle
4
Kondensorlinse, Linse
5
Schutzglas
6
Meßlichtempfänger
7
Y-Lichtleiter
8
Y-Lichtleiter
9
Elektronik-Einheit
10
Spannungsversorgung
11
Mikroprozessor
12
Signalaufbereitungseinrichtung
13
Schnittstelle
14
Stromversorgung
15
Diodenzeilen-Empfänger
16
Photometerkugel
17
Empfangsvorrichtung
18
Referenzfläche
19
Öffnung
20
Y-Lichtleiter
21
Meßkopf
22
Meßlichtempfänger
23
Lichtleitvorrichtung
M Meßobjekt
F Meßfleck
SP1, SP2, Spektrometer
SP3, SP4 Spektrometer
M Meßobjekt
F Meßfleck
SP1, SP2, Spektrometer
SP3, SP4 Spektrometer
Claims (18)
1. Optische Meßvorrichtung zur Ermittlung von Eigenschaf
ten von Meßobjekten, insbesondere zur Qualitätsüberwa
chung kontinuierlich an der Meßvorrichtung vorüber
fließender und/oder vorüberbewegter Meßobjekte, umfas
send:
- - einen in definierter Lage zum Meßobjekt (M) positio nierten Meßkopf (1),
- - eine mit dem Meßkopf (1) verbundene Meßlichtquelle (3) zur Beleuchtung eines Meßfleckes (F) am Meßobjekt (M),
- - einen im Meßkopf (1) vorgesehenen Meßlichtempfänger (6) zur Erfassung von Licht aus dem Bereich des Meßfleckes (F),
- - mindestens ein mit dem Meßlichtempfänger (6) optisch gekoppeltes, in den Meßkopf (1) integriertes Spektrome ter und
- - eine ebenfalls in den Meßkopf (1) integrierte Signal aufbereitungseinrichtung (12) zur Verarbeitung der Aus gangssignale des mindestens einen Spektrometers.
2. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Meßkopf (1) zwei Spektrometer
(SP1, SP2) enthält, die für aneinander angrenzende Wel
lenlängenbereiche ausgebildet sind, wodurch vorzugswei
se Wellenlängen von 350 nm bis 2500 nm lückenlos bewer
tet werden können und wobei beide Spektrometer (SP1,
SP2) mit demselben Meßlichtempfänger (6) zusammenwirken
und mit diesem über einen Y-Lichtleiter (8) optisch ge
koppelt sind.
3. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß an dem Meßkopf (1) eine Schnitt
stelle (13) zu einem externen Rechner und/oder einer
externen Anzeigevorrichtung vorgesehen ist.
4. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkopf (1) eine Pho
tometerkugel (16) mit einer auf den Meßfleck (F) ge
richteten Öffnung (19) vorgesehen ist, wobei Meßlicht
quelle (3) und Meßlichtempfänger (6) mit der Photome
terkugel (16) so verbunden sind, daß das Meßlicht indi
rekt durch die Öffnung (19) hindurch auf den Meßfleck
(F) und das vom Meßfleck (F) ausgehende Licht direkt
auf die Empfangsfläche des Meßlichtempfängers (6) ge
richtet ist.
5. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem vorhandenen Spek
trometer (SP1, SP2) zusätzlich ein zweites, bezüglich
der Meßbereiche gleichartiges Spektrometer (SP3, SP4)
zugeordnet ist, wobei die zusätzlichen Spektrometer
(SP3, SP4) zur Auswertung des von einer Referenzfläche
(18) kommenden Lichtes vorgesehen sind.
6. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich die Referenzfläche (18) an einem
Innenwandabschnitt der Photometerkugel (16) befindet
und die zusätzlichen Spektrometer (SP3, SP4) über einen
Y-Lichtleiter (20) mit einer Empfangsvorrichtung (17)
optisch gekoppelt sind.
7. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, gekennzeichnet durch
- - einen in definierter Lage zum Meßobjekt (M) positio nierten zweiten Meßkopf (21), wobei sich erster Meßkopf (1) und zweiter Meßkopf (21) diametral in bezug auf den Meßfleck (F) gegenüberstehen und der zweite Meßkopf (21) mit einem zweiten Meßlichtempfänger (22) zum Emp fang des im Bereich des Meßfleckes (F) vom Meßobjekt (M) transmittierten Lichtes vorgesehen ist,
- - mindestens ein weiteres in dem zweiten Meßkopf (21) aufgenommenes Spektrometer (SP1', SP2'), das über eine Lichtleitvorrichtung (23) mit dem Meßlichtempfänger (22) optisch gekoppelt ist, und
- - eine ebenfalls in den zweiten Meßkopf (21) integrierte Signalaufbereitungseinrichtung zur Verarbeitung der von dem weiteren Spektrometer (SP1', SP2') ausgegebenen Si gnale.
8. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß in dem zweiten Meßkopf (21) zwei
Spektrometer (SP1', SP2') aufgenommen sind, die für an
einander angrenzende Wellenlängenbereiche ausgebildet
sind, wodurch vorzugsweise Wellenlängen von 350 nm bis
2500 nm lückenlos bewertet werden können und wobei bei
de Spektrometer (SP1', SP2') mit demselben Meßlichtemp
fänger (22) zusammenwirken und mit diesem über eine
Lichtleitvorrichtung (23) optisch gekoppelt sind.
9. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß an dem zweiten Meßkopf (21) eine
Datenschnittstelle (13) zu einem externen Rechner
und/oder einer externen Anzeigevorrichtung vorgesehen
ist.
10. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der
zusätzlichen Spektrometer (SP3, SP4) im ersten Meßkopf
(1) zwecks Signalkompensation mit den Signalen der in
dem zweiten Meßkopf (21) befindlichen weiteren Spektro
meter (SP1', SP2') verknüpft werden.
11. Optische Meßvorrichtung zur Ermittlung von Eigenschaf
ten von Meßobjekten, insbesondere zur Qualitätsüberwa
chung kontinuierlich an der Meßvorrichtung vorüber
fließender und/oder vorüberbewegter Meßobjekte, umfas
send:
- - einen in definierter Lage zum Meßobjekt (M) positio nierten ersten Meßkopf (1),
- - eine mit dem ersten Meßkopf (1) verbundene Meßlicht quelle (3) zur Beleuchtung eines Meßfleckes (F) an den Meßobjekt (M),
- - einen in definierter Lage zum Meßobjekt (M) positio nierten zweiten Meßkopf (21), der dem ersten Meßkopf (1) in bezug auf den Meßfleck (F) diametral gegenüber steht,
- - einen an dem zweiten Meßkopf (21) vorgesehenen Meß lichtempfänger (22) zur Erfassung von Licht im Bereich des Meßfleckes (F),
- - mindestens ein in den zweiten Meßkopf (21) integrier tes, mit dem Meßlichtempfänger (22) optisch gekoppeltes Spektrometer (SP1', SP2'), und
- - eine ebenfalls in den zweiten Meßkopf (21) integrierte Signalaufbereitungseinrichtung (12) zur Verarbeitung der Ausgangssignale des mindestens einen Spektrometers (SP1', SP2').
12. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß in dem zweiten Meßkopf (21) zwei
Spektrometer (SP1', SP2') aufgenommen sind, die für an
einander angrenzende Wellenlängenbereiche ausgebildet
sind, wodurch vorzugsweise Wellenlängen von 350 nm bis
2500 nm lückenlos bewertet werden können und wobei bei
de Spektrometer (SP1', SP2') mit demselben Meßlichtemp
fänger (22) zusammenwirken und mit diesem über eine
Lichtleitvorrichtung (23) optisch gekoppelt sind.
13. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, da
durch gekennzeichnet, daß zu jedem Spektrometer (SP1',
SP2') in dem zweiten Meßkopf (21) zusätzlich ein zwei
tes, bezüglich des Meßbereiches gleichartiges Spektro
meter (SP3, SP4) in dem ersten Meßkopf (1) vorgesehen
ist, wobei die zusätzlichen Spektrometer (SP3, SP4) zur
Auswertung des von einer Referenzfläche (18) kommenden
Lichtes vorgesehen sind.
14. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkopf (1) eine
Photometerkugel (16) mit einer auf den Meßfleck (F) ge
richteten Öffnung (19) vorgesehen ist, wobei Meßlicht
quelle (3) und Meßlichtempfänger (6) mit der Photome
terkugel (16) so verbunden sind, daß das Meßlicht indi
rekt durch die Öffnung (19) hindurch auf den Meßfleck
(F), und daß an der Photometerkugel (16) weiterhin eine
Empfangsvorrichtung (17) vorgesehen ist, die über einen
Y-Lichtleiter (20) mit den Spektrometern (SP3, SP4) optisch
gekoppelt ist und sich die Referenzfläche (18) an
einem Innenwandabschnitt der Photometerkugel (16) be
findet.
15. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Meßköpfen (1,
21) jeweils eine Schnittstelle (13) zu einem externen
Rechner und/oder einer externen Anzeigevorrichtung vor
gesehen ist.
16. Optische Meßvorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitvorrichtungen
(23) aus Lichtleitfasern gebildet sind.
17. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrometer (SP1,
SP2, SP3, SP4, SP1', SP2') als Miniaturspektrometer mit
Diodenzeilen-Empfängern (15) ausgebildet sind.
18. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlichtquelle (3)
ein- und ausschaltbar ist.
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