DE2724919C3 - Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit HiUe von Ultrarot-Strahlung, z.B. zur Dickenmessung oder Feuchtigkeitsmessung - Google Patents
Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften dünner Körper mit HiUe von Ultrarot-Strahlung, z.B. zur Dickenmessung oder FeuchtigkeitsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I sowie eine Hinrichtung
und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Messung verschiedener physikalischer Eigenschaften dunner Korper mil I lilfc von I Ilirarol-Strahlimg gehört
seil längerer Zeit zum Stand der Technik. Dabei wird
der Hffekl ausgenutzt, daß für derartige Messungen geeignete Materialien eine besonders starke Absorption
gewisser, dem jeweiligen Material zugeordneter WeI-lenlfingenbereiehe
von Ultrarot-Strahlung aufweisen.
Mit Hilfe von Ultraroi-Strahlung wird /- B,. Pickenmessung
an Kunststoffolien durchgeführt, ferner ist es bekannt, an Papierbahnen oder dgl. mit Hilfe von
Llltrarot-Strahlung Feuchtigkeiisntessungen durchzuführen.
Weiterhin ist es in der Praxis seit einiger Zeit bekannt, mit I lilfe von Ulirarpt-Strahlung die Dicke von
Überzügen auf Bahnen aus Papier, Kunststoff oder dgl. zu messen.
Wie z. B. die DH-AS I J OJ 819 beschreibt, wird bei der
Messung mit Hilfe von Ultraroi-Strahliing aus Gründen
größtmöglicher Unabhängigkeit gegenüber Änderungen in oder an Geräleteilen zumeist nach dem
sogenannten Zweistrahl-Meßverfahren gearbeitet, bei
i^m außer Uliraroi-Strahlung mit einer Wellenlänge,
die von dem betreffenden Material besonders stark absorbiert wird (Meßwellenlänge Ai), noch zusätzlich
eine UliraroiStrahlung mil einer Wellenlänge verwendet
wird, die außerhalb der sogenannten Absorpiionsbanden
des betreffenden Materials liegt (Vergleiehswel-IcnläPgeAj).
Es ist bekannt, daß mit Hüie von Ultraroi-Stnihlung
erzielbare Meßergebnis.se von verschiedenen Störfaktoren beeinflußt werden können. Einige Störfaktoren
sind dabei wellenlängenabhängig. Zu diesen wcllenlängenabhängigcn
Störfaktoren gehört insbesondere die Streuung von Strahlung, die z. B. durch im Grundmaterial
enthaltene Füllstoffe, wie z. B. Pigmente, verursacht werden kann oder die von rauhen Oberflächen eines zu
messenden dünnen Körpers herrühren kann. Im Fall der
erwähnten Streuung ist es bekannt, daß diese umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge
ist. Dies ist auch ein (!rund dafür, daß man beim erwähnten Zweislrahl-Meßverfahren Meßwellenlange
Ai und Vergleichswellenlänge Aj möglichst dicht benachbart
wählt, um auf diese Weise Fehlmessungeii wegen unterschiedlich starker Streuung der Strahlungen mit
Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlange Aj mich
Möglichkeit /\\ vermeiden oder wc» -j'stens in kleinen
Grenzen zu hallen. Bei sich änderndem Anteil an Füllstoffen in einer Papierbahn, einer Kunststoffolie
oder dgl. oder auch bei sich ändernder Rauhigkeit der Oberfläche einer solchen Bahn wird sich nämlich (his
Verhältnis der Intensität der Strahlung mit MeUvsellenlänge
Ai zur Intensität der Strahlung mit Vergleichswellenlänge
Aj um so mehr verändern, je größer wellenlängenmäßig der Abstand zwischen Meßwellenlänge
Ai und Vergleichswellenlange Aj ist, und /war bei
gleichbleibender Dicke der Bahn.
Die DH-OS 24 JB 869 weist bereits auf das Problem
der Beeinflussung eines nach dem Zweistrahl-Meßverfahren erhaltenen Meßergebnisses durch Streuung am
im zu messenden Körper enthaltenen Pigmenten und dgl. hin. Für die Dickenmessung an im wesentlichen
klaren Kunststoffolien mit spiegelnd reflektierenden Oberflächen wird zur Lösung des angesprochenen
Problems vorgeschlagen, neben einem die an der Vorder- bzw. Rückseite des Films spiegelnd reflektierte
Strahlung empfangenden Detektor einen weiteren Detektor vorzusehen, der nur z. B. von im Film
enthaltenen Pigmenten gestreute Strahlung empfangen soll. Diese beiden Detektoren sind in einer elektrischen
.Schaltungsanordnung derart miteinander verbunden, daß sich ihre Ausgangssignale voneinander mehr oder
weniger subtrahieren. Dies soll gemäß dem Vorschlag nach dieser Offenlcgungsschrift jedoch nur fur dieienigen
Signale erfolgen, die die Detektoren durch
Beaufschlagung mit Strahlung ein und derselben Wrgleichswellenlänge abgeben. Im Fall der Strahlung
mit Meßwellenlänge findet eine derartige Subtraktion nicht statt. Die Änderung der Strahlung mit Meßwellenlänge
infolge von im zu messenden Körper enthaltenen streuenden Pigmenten bleibt unberücksichtigt. Aus
diesem Grund ändert sich der in bekannter Weise ermittelte Quotient aus Meßstrahlungssignal und
Vergleichssirahlungssignal mit sich ändernder Ansammlung
von streuenden Pigmenten in der Folie. Ein befriedigendes, von Streuung bzw. sich ändernder
Streuung weitgehend unabhängiges Meßergebnis kann nach diesem bekannten Verfahren und mit dieser
bekannten Einrichtung nicht erwartet werden. — Von dem erwähnten, grundsätzlichen Mantel abgesehen, ist
auch der apparatemäßige Aufwand wegen der Anordnung eines weiteren Detektors mit Filter erheblich. Im
übrigen trifft die Annahme, daß sich die .Streustrahlung inlcnsitätsmäßig etwa halbkugelfömiig über der zu
messenden Folie ausbreite, nur in ganz schönen Ausnahmefällen annähernd zu. Aus diesem Cirund wird
der nach der DE-OS 24 38 869 vorgesehene weitere Detektor praktisch niemals dieselbe Intensität an
Sireustrahlung erhalten, wie der für das Zweisirahl-Meßverfahrcn
ohnehin vorgesehene erste Detektor erhält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit
welchem ein von wcllcnlängcnabhängigen Störfaktoren, insbesondere von der Streuung der Strahlung
unabhängiges Meßergebnis erreicht wird. Auch größere Änderungen im Streuvcrhaltcn des zu messenden
Körpers sollen das Mcßcrgcbnis nicht nennenswert beeinflussen.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil iles Anspruches I angegebenen Merkmalen gelöst.
Es sind /war schon verschiedene Meßeinrichtungen bekannt, die mit Hilfe von Ullrarot-.Sirahlting arbeiten
und bei denen mehr als zwei Wellenlängen von llllrarot-Strahliing Anwendung finden. Hei diesen
bekannten Einrichtungen dient die Verwendung verschiedener Wellenlängen jedoch der Ermittlung verschiedener
Komponenten eines Stoffes und nicht wie im Fall der vorliegenden Erfindung dem Eliminieren von
wellcnlängcnabhüngigcn Störfakiorcn, /. B. dem Eliminieren
des Einflusses der Streuung der Strahlung auf das Meßcrgebnis.
Beispielsweise für den Fall der Dickenmessung an Kunststoffolien ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens nunmehr gleichgültig, in welchem Maß irgendwelche Streuung verursachenden Füllstoffe,
wie z. B. Pigmente, im zu messenden Material enthalten sind und/oder in welchem Maß durch Unebenheiten der
Oberflächen der Folien Streuung der angewendeten Strahlung verursacht wird. Dieser mit der Erfindung
erzielte Vorteil ist unabhängig davon, ob im sogenannten Durchslrahl-Verfahren oder im Reflexionsverfahrcn
gemessen wird und weiter unabhängig davon, in welcher Weise und an welchem Ort im Verlauf des Strahlcnganges
die Aufteilung der von der Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung in Strahlung mit Meß- bzw.
Vcrgleichswellenlängen vorgenommen wird. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei der Feuchtigkeitsmessung
an Papierbahnen oder dgl. einsetzbar. Dies deswegen, weil im Fall von Papierbahnen und dgl. die in
der Bahn enthaltenen Fduer- bzw. Füllstoffe und weitere
ggfs. vorhandene Stoffe aus der Sicht des erfindungsgemäßen Verfahrens als Streuung verursachende Komponenten
anzusehen sind, deren Einfluß auf die Bildiir.g eines Meßwertes für den Feuchtigkeitsgehalt der
betreffenden Bahn vollständig eliminiert werden kann. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in diesem Fall demnach praktisch ausschließlich die Dicke bzw. das Flächengewicht einer dem Feuchtigkeitsgehalt
der betreffenden Papierbahn entsprechenden Wasserschicht gemessen.
Weil im Fall der Erfindung die Korrektur des als Quotient aus Meßstrahlung und Vergleichsstrahlung
gebildeten Meßwertes durch Einführung eines die jeweilige Streuung berücksichtigenden Faktors vorgenommen
wird — der somit sowohl das Meßslrahliiiigssignal
als auch das Vcrglcichsstrahlungssignal, und /war porportional. beeinflußt —, haben nicht nur auch
größere Änderungen des Streuverhaltens des zu messenden Körpers keinen nennenswerten Einfluß auf
die Genauigkeit des Meßwertes, sondern es ist darüber hinaus nunmehr auch möglich, dat^ie Vcrgleichswclienlänge
A> wcllcnlängcnmaßig einen grüüeren Abstand
als bisher von der Mcßwcllcnlängc Ai haben kann. Denn
unterschiedliche Beeinflussung der Strahlungen mit Meßwellenlänge Ai bzw. Vergleichswellenlänge A.
infolge Streuung werden mit dem crfindungsgemäßen Verfahren kompensiert.
Die Erfindung schlägt auch eine Einrichtung /um Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 vor, mit
einer Strahleinrichtung für Ultrarot-Strahlung. Filtermitteln
für Strahlung mit Meß- und Vcrgleiehswellenlänge und Dctcktormittcln für die vom zu messenden
Körper beeinflußte Strahlung, wobei die Filtermittel wenigstens drei Filier aufweisen, von denen zwei Filter
/um Ausfiltern von Strahlung mit den Vcrgleichswellenlängen Aj und Ai dienen, die einer Meßwellenlänge Ai
zugeordnet sind. In Weiterbildung dieser Einrichtung sind die Filter in an sich bekannter Weise in einem im
Strahlengang rotierenden Filterrad angeordnet. Eine andere mögliche Weiterbildung zeichnet sich dadurch
aus. daß die Filter ortsfest in der Einrichtung angeordnet sind und mit Strahlungsteilermilleln bzw. Sirahlungsvertcilermitlcln
kombiniert sind. Derartige Sirahliiiigstcilcrmitlel
bzw. Strahlungsverteilcrmittcl können /.. B. entsprechend angeordnete, teildurchlässige Spiegel
oder ein rotierbarer Polygonspiegel sein.
Ferner schlägt die Erfindung auch eine elektrische Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens
nach Anspruch I vor, die sich dadurch kennzeichnet, daß ein Detektor für die Strahlung mit dem Eingang
eines Quotientengencrators elektrisch verbunden ist, an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der
Strahlung mit Meßwel'enlänge Ai und mit einer der
beid",! Vergleichswellenlängen, z. B. A?, gebildeter
Quotient Q I ansteht und an dessen anderem Ausgang ein aus den Intensitäten der Strahlung mit -den beiden
Vcrgleichswellenlängen λι und Aj gebildeter Quotient
Q2 ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder,
z. B. Linearisierungsmittel, mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korrekturglicdcs.
z. B, eines Multiplikators, elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes Meßergebnis ansteht.
Für eincd Fachmann ist es dabei ohne besondere erfinderische Überlegungen möglich, die oben beschriebene
Schaltungsanordnung durch ein digital arbeitendes Rechnersystem zu ersetzen.
Anhand der Fig. I bis 3 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt
Fig. I ein Diagramm, in dem die Durchlässigkeit zweier unterschiedlicher Kunststoffolien für Ultrarot-
Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der
I Jlirarot-Slrahlung dargestellt ist,
I' i g. 2 eine mögliche Aiisführungsform einer Finriehlung
zum Durchführen des erfindungsgemäßeii Verfahrens.
Γ ig. J eine elektrische Schaltungsanordnung /um
Durchfuhren des erfindungsgemäßen Verfahrens in schcmatischcr Darstellung.
Das Diagramm nach F-"ig. I zeigt idealisiert eine
Kurve t.die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines
bestimmten Körpers, z. I). einer Kunststoffolie, in Abhängigkeit von der Wellenlänge A der verwendeten
Ullraroi-Slrahlung zeigt. Der Verlauf der Kurve I hat
im Hereich der MeDwcllcnlänge Ai ein Minimum, denn
im Bereich dieser Meßwellenlänge λ{ befindet sich eine
von evtl. mehreren möglichen Absorplionsbanden des
betreffenden Materials. Im Bereich der Verglcichswellcnlimge
A> geht die Kurve 1 in Richtung zu niedrigeren
Wellenlangen hin wieder in einen etwa geradlinigen Teil mit bestimmter Steigung üuci.
ferner zeigt das Diagramm nach Fi g. 1 in gestrichelter
Darstellung eine Kurve 2. die die Abhängigkeit der Durchlässigkeit eines anderen Körpers mit gegenüber
dem vorgenannten Fall mehr Streuung verursachenden Komponenten, z. B. einer aus dem gleichen Grundmaterial
bestehenden, jedoch einen größeren Anteil an Pigmenten aufweisenden Kunststoffolie, wiederum in
Abhängigkeit von der Wellenlänge A darstellt. Auch der
Verlauf der Kurve 2 hat im Bereich der Meßwcllenlänge Ai ein Minimum wegen des gleichen Grundmaterial des
betreffenden Körpers, jedoch ist die Kurve 2 gegenüber der Kurve 1 um ein gewisses Maß abgesenkt bzw. um
einen hier nicht näher zu definierenden Punkt geschwenkt (Pfeil 3). Der geradlinige Teil der Kurve 2
hat auch eine andere Steigung als der betreffende geradlinige Teil der Kurve 1. Dies ist eine Folge der
größeren Streuung der Strahlung an den Oberflächen dieses Körpers und an im Material dieses Körpers
enthaltenen Komponenten (z. B. Pigmenten). In Fig. ι
ist weiterhin eine zweite Vergleichswellenlänge Aj
angegeben.
l:.s ist einzusehen, daß bei diesen Verhältnissen auf der
Grundlage des bekannten Zweistrahl-Meßverfahrens oder ähnlicher Meßverfahren exakte Meßergebnisse
nicht mehr erwartet werde-i können, wenn im Verlauf der Fertigung des betreffenden Produktes wellenlängenabhängige
Störfaktoren den Kurvenverlauf ändern. Der betreffende, z. B. durch Quotientenbildung ermittelte.
Meßwert weicht um so mehr vom tatsächlichen Meßwert ab, je größer der Abstand zwischen
Meßwellcnlänge Ai und Vergleichswellenlänge Aj ist.
Das erfindungsgcmäße Verfahren schafft hier Abhilfe.
Durch Frmittlung der Steigung des erwähnten geradlinigen Teiles der dargestellten Kurven 1 b/w. 2 kann ein
Korrekturfaklor für das Meßergebnis eingeführt werden, wobei der Quotient der Intensitäten der Strahlung
mit den beiden Vcrgleichswellcnlängen A2 und A, ein
Maß für die von der jeweiligen Materialzusammensetzung abhängige Steigung des betreffenden Kurvenieils
ist und dieser Quotient als Faktor (Korreklurfaklor) im Meßergebnis enthalten ist. F.ine während der Produktion,
/.. B. einer Kunststoffolie, eintretende Änderung der Zugabe von Pigmenten oder dgl. und eine damit
verbundene Änderung des Kurvenverlaufs der Durchlässigkeitskiirve
des Materials bleibt somit auf d.is Meßergebnis wcitestgehend ohne flinfluß.
F ig. 2 zeigt in schemalischer Darstellung eine mögliche Ausführiingsforin einer Finrichiung /um
Durchfuhren des erfindungsgemäßcn Verfahrens. Diese einrichtung besteht im wesentlichen aus einer .Strahler·
ι e ,' u ~ ii',, i„ t I *y ■
eiiil iLiiiüiig J. OpüSCriCri MlüCln S 'J!',l! /. t'ÜVJiii
rotierenden lilterrad 8 mit drei /wivkniaUigerweise
gleichmäßig über den Umfang des Filterrades verteilten Filtern, von denen die Darstellung lediglich das Filier 9
zeigt, sowie einem Detektor 10. Die drei im I ilierrad 8
befestigten Filter sind jeweils der Mcßwellcnlängc Ai
und zwei Verglcichswcllenläiigen Ai und Ai zugeordnet.
Dementsprechend wird der Detektor 10 bei rotierendem
lilterrad 8 aufeinanderfolgend elektrische Spannungsini;· .\lse Ll \. i/2 und i'3 abgeben, welche der
Meßwellenlängc Ai, der Vergleichswellenlänge A.>
bzw. der Verglcichswellenlänge Ai zugeordnet sind. Die erwähnten Spannungsimpulsc wclcn (s. F i g. 3) dem
Eingang eines Quolicnlengencratjrs Il zugeführt. In
diesem Quotientengenerator 11 wird in bekannter Weise der Quotient Q 1 aus den erhaltenen elektrischen
Spannungsimpulsen gebildet. Darüber hinaus wird in diesem Quolientengcneralor ein weiterer Quotient Q 2
aus den beiden den Vergleichswellenlängcn A> und Ai
zugeordneten elektrischen Spannungsimpulsen U 2 und U3 gebildet. Während der erstgenannte Quoiient Q\
ι. B. über Linearisicrungsmittel 12 dem einen umgang
eines Korrekturgliedes 14 zugeführt wird, wird der letztgenannte Quotient Q2 z.B. über Lincarisierungsmittel
!.J dem anderen tingangdes KorreKturgiiedes i4
zugeführt. Dieses Korrckturglied 14 kann z. B. ein Multiplikator sein. Am Ausgang des Korrekturgliedes
14 sieht dann ein Meßergebnis der jeweils zu ermittelnden Größe des zu messenden Körpers an.
welches ein Produkt darstellt aus den erwähnten ι Quotienten Q 1 und Q 2.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zum Messen physikalischer Eigenschaften
dünner Körper mit Hilfe von Ultrami-.Sirahlimg,
z. 13. /ur Dickenmessung "der Feuchtigkeitsmessung,
insbesondere bei dem einer von dein /ii messenden Körper absorbieren Wellenlänge
(Mellwellenlange A)) eine von dem zu messenden
Korper im wesentlichen nicht absorbierte Wellenlange
(Vergleichswellenlänge Aj) zugeordnet ist, deren entsprechende Strahlungsintensitäten nach
Beeinflussung durch den zu messenden Körper miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet,
daß auUer der Meßwellenlänge (Ai) noch wenigstens zwei Vergleichswellenlängen
(Aj und Ai) verwendet werden und zum Bilden eines
Korrekturfaktors für das Meßergebnis der Quotient
(Q 2) der Intensitäten der -Strahlung der beiden Vergleichswellenlängen(Ajund Ai)ermittelt wird.
2. r.inrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch I, mit einer Strahlereinrichtung für
liltrarut-Strahlung. Filtermitteln für Strahlung mit
Meß· bzw. Vergleichswellenlänge und Detektormit-IeIn
für die vom zu messenden Körper beeinflußte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermittel
(8) wenigstens drei Filter aufweise·!, von denen zwei Filter Vergleichswellenlüngen (Aj und Ai)
zugeordnet sind.
3. Hinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Filter in an sich bekannter Weise in einem im Strahlengang rotierenden
Filierrad (8) zugeordnet sind.
4. Hinrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet,
daß die drei Filter ortsfest angeordnet sind iiikI mit Slrahlungs.leilermiueln b/w. Slrahlungsverteilcrmittcln,
wie /.. Ii. tcildtirci.lassigen Spiegeln,
rotierbaren Polygonspiegeln und dgl. kombiniert sind.
5. Schaltungsanordnung zum Durchführen des
Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (10) mit dem Hingang eines
Quotieniengenerators (I I) elektrisch verbunden ist. an dessen einem Ausgang ein aus der Intensität der
Strahlung mit Mcßwcllcnlängc (Ai) und einer der beiden Verglcichswcllenlängen (z. B. Aj) gebildeter
Quotient (Qi) ansteht und an dessen anderem
Ausgang ein auf den Intensitäten der Strahlung mit den beiden Verglcichswellcnliingen (λι und Ai)
gebildeter Quotient (Q 2) ansteht, wobei die Ausgänge ggfs. über Zwischenglieder, /.. B. Linearisierungsmiltel
(12 b/w. 13) mit dem einen bzw. anderen von zwei Eingängen eines Korreklurglicdes.
z.B. eines Multiplikators (14), elektrisch verbunden sind, an dessen Ausgang ein korrigiertes
Meßergebnis ansteht.
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