DE3149869A1

DE3149869A1 - "vorrichtung zur schnellen bestimmung der feuchte einer probe mit hilfe von infrarot-lumineszenzdioden"

Info

Publication number: DE3149869A1
Application number: DE19813149869
Authority: DE
Inventors: Bernt Dr. 8520 Erlangen Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-16
Filing date: 1981-12-16
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE3149869C2

Description

Vorrichtung zur schnellen Bestimmung der Feuchte
einer Probe mit Hilfe von Infrarot-Lumineszenzdioden 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 (; M) und einer Referenzwellenlänge ( R) zeitlich hintereinander auf einen Detektor fallen.
Bei der industriellen Herstellung von Papier und papierähnlichen Produkten wird eine schnell ansprechende, hinreichend selektiv und einfach arbeitende 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, entscheidend. Bei der Bestimmung der Feuchte industrieller Produkte mit Hilfe von Infrarot-8trahlung wird bekanntlicht der Effekt ausgenutzt, daß Wasser Absorptionsbanden im Infrarotbereich aufweist. Dies sind schmale Wellenlängenbereiche, in denen das Absorptionsvermögen der betreffenden Verbindung sehr viel höher ist als bei benachbarten Wellenlängen.
Es ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte von dünnen, flächenhaften Materialien bekannt, die nach dem Zweiwellenlängen-Meßverfahren arbeitet, bei dem außer Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge, die von dem Wassergehalt besonders stark absorbiert wird, der sogenannten Meßwellenlänge, noch zusätzlich eine Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge verwendet wird, die außerhalb der Absorptionsbande des Wassers liegt, nämlich die sogenannte Referenzwellenlänge XR. Das Licht einer strichförmigen Lichtquelle wird mittels einer Optik auf eine rotierende Scheibe, die in einzelnen Sektoren abwechselnd mit Spiegeln und Öffnungen und dazwischen mit je einem undurchlässigen Steg versehen ist, radial zu deren Achse versetzt abgebildet.
Die durchtretende 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 von dort zum Detektor. Das Verhältnis der abwechselnd vom Detektor für die Meßwellenlänge; M und die Referenzwellenlänge 2 R erzeugten Signalgrößen wird als Maß für die Feuchte verwendet (deutsche Auslegeschrift 1 303 819).
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 werden. 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-Ubergangs der Lumineszenzdiode für die Meßstrahlung wird erreicht, daß diese Lumineszenzdiode eine Meßwellenlänge > M ausstrahlt, bei der Wasser eine Absorptionsbande aufweist. Außerdem wird durch diese Arsenkonzentration y im Bereich des pn-Uberganges der Lumineszenzdiode für die Referenzatrahlung erreicht, daß diese zweite Lumineszenzdiode eine Referenzwellenlänge 9 ausstrahlt, 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 MeßwellenlEnge um und der Referenzwellenlänge \ wechselnde Emission. Die Frequenz für den Wellenlängenwechsel bei diesem Betrieb der beiden Lumineszenzdioden ist klein gegenüber der Grenzfrequenz des Detektors.Ut thermische Uberlastung der Lumineszenzdioden zu vermeiden, können diese unahhängig von der den Wellenlängenwechsel bestimmenden Frequenz in bekannter Weise mit einer hochfrequenten Impulsfolge betrieben werden. Durch voneinander unabhängige Einstellung der Stromamplituden für die beiden Lumineszenzdioden können die bei der Meßwellenlänge 2M und der Referenzwellenlänge #R emittierten Strahlungsleistungen unabhängig voneinander eingestellt werden. Dadurch läßt sich die Emission rein elektronisch 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 Zeilenform ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Lumineszenzdioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen. In diesem Fall muß zunächst die Diode für die Meßwellenlänge N auf dem Basiskristall aufgewachsen werden, darüber dann die Diode für die Referenzwellenlänge 4 , 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 Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Feuchte einer Probe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Figur 1 zeigt ein integriertes Bauelement. In Figur 2 ist ein Meßkopf zur Feuchtemessung dargestellt und in Figur 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Meßkopfes zur Feuchtemessung veranschaulicht.
In Figur 1 ist ein integriertes Bauelement 2 dargestellt, das sowohl zwei Lumineszenzdioden 4 und 6, die auf einem Peltier-Kühler 10 angeordnet sind, als auch zwei Detektoren enthält, die vorzugsweise Bleisulfid-Detektoren sein können und als PbS-Detektoren bezeichnet werden und deren PbS-Detektoren mit 8 bezeichnet sind. Die beiden Lumineszenzdioden 4, 6 sind dicht nebeneinander auf einer gemeinsamen Elektrode 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 Strahlungsanteil 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 angeordnet. Dadurch genügt eine geringe Unschärfe der Autokollimationsabbildung zur Ausleuchtung des aus der Parallelschaltung der PbS-Detektorflächen 8 gebildeten Detektors.
Mit Hilfe dieses integrierten Bauelements 2 erhält man eine wesentlich vereinfachte und in ihrer Reproduzierbarkeit auch verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte einer Probe. Die dadurch erreichte geringe Baugröße des Meßkopfes ermöglicht den Einsatz in Zeilenanordnung.
In Figur 2 ist ein gemeinsames Gehäuse 16 des Meßkopfes 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 ; M und 2 R gemeinsam mit einem Peltier-Kühler in einem Bauelement vereinigt, das einen Doppelstrahler 24 bildet. Die von den Lumineszenzdioden abwechselnd emittierte Strahlung wird über einen teildurchlässig verspiegelten Strahlungsteiler 26, beispielsweise 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 rückgestreute Strahlung wird mit der gleichen Optik in Autokollimation auf dem PbS-Detektor 34 abgebildet, wobei die vom Strahlungsteiler 26 durchgelassene Teilintensität genutzt wird.
Ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Strahlungsteiler-Spiegelfläche außerhalb der begrenzten elliptischen Fläche mit einer undurchlässigen, vorzugsweise 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 herrührende Bestrahlung des PbS-Detektors 34. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge rl- R undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so übernimmt die Kondensorlinse 30 zugleich die Funktion des Filters 28. Der Filter 28 wird nur dann benötigt, wenn die Kondensorlinse 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 x 90 mm x 42 mm.
Mit der Ausfirungsform nach Figur 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 Strahlung gelangt über die Kondensorlinse 30 und ein Siliziumfenster 40, das als Fremdlichtfilter dient, auf die Meßoberfläche 32. Die vom Meßgut rückgestreute Strahlung leuchtet durch die gleiche Optik die beiden PbS-Detektorflächen des integrierten Bauelements 2 aus. Stellt man die Kondensorlinse 30 aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge B undurchlässigen Material her, beispielsweise aus Silizium, so kann die Kondensorlinse 30 zugleich als Fremdlichtfilter dienen.
19 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansorüche 4 Vorrichtung zur schnellen Bestimmung der Feuchte einer Probe, insbesondere einer Papier- oder Folienbahn, mittels zweier auf die gleiche Stelle der Probenoberfläche (32) gerichteter und dort geschwächter und teilweise remittierter Infrarot-Strahlen,die jeweils in Form eines periodisch gepulsten Strahls mit einer Meßwellenlänge () und einer Referenzwellenlänge zeitlich hintereinander auf einen Detektor (34) fallen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß für die MeßwellenlEnge (; M) und die Referenzwellenlänge (; R) jeweils eine Lumineszenzdiode (4 bzw. 6) mit einem Halbleiterkörper aus der Mischkristallreihe Indium-Arsen-Phosphor in der Zusammensetzung InAsyP1~y vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Meßwellenlänge (#M) eine Lumineszenzdiode vorgesehen ist, deren aktive Zone durch eine Arsenkonzentration 0,65 ys 0,75 bestimmt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Referenzwellenlänge (; R) eine Lumineszenzdiode vorgesehen ist, deren aktive Zone durch eine Arsenkonzentration 0,55( ys 0,65 bestimmt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßwellenlänge etwa 1,93 /um beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzwellenlänge etwa 1,75 jum beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) auf einer gemeinsamen Elektrode (12) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Dioden übereinander auf einem gemeinsamen Basiskristall aufgewachsen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) auf einem Peltier-Kühler (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (42) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) gemeinsam mit dem PbS-Detektor auf einem Peltier-Kühler (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (42) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stromamplituden für die beiden Lumineszenzdioden (4, 6) unabhängig voneinander einstellbar sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Ablenkung der emittierten Strahlung der beiden Lumineszenzdioden (4, 6) ein teildurchlässig verspiegelter Strahlungsteiler (26) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spiegelfläche des 5trahlungsteilers (26) außerhalb der für den Strahlendurchgang erforderlichen elliptischen Fläche mit einer schwarzen Schicht (36) bedeckt ist,
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strahlungsteiler (26) als Streulichtfilter vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a dur c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Detektor ein Bleisulfid-Detektor (34) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Filter (28) als Fremdlichtschutz vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Strahlungsrichtung gegenüber den beiden Lumineszenzdioden (4, 6) eine schwarze Absorberplatte (38) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß im Strahlengang eine Kondensorlinse (30) aus einem unterhalb der Referenzwellenlänge ( XR) undurchlässigen Material vorgesehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kondensorlinse (30) aus Silizium besteht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kondensorlinse (30) als Fremdlichtfilter vorgesehen ist.