FI108812B - Optinen mittausmenetelmä ja laite optisten mittausten suorittamiseksi - Google Patents

Description

108812

Optinen mittausmenetelmä ja laite optisten mittausten suorittamiseksi

Keksinnön kohteena on optinen mittausmenetelmä liikkuvan pape-rirainan sileyden tai karheuden mittaamiseksi, missä menetelmässä käyte-5 tään mittapäätä, jossa on ainakin yksi säteilylähde ja ainakin yksi detektori, tuotetaan mittaussäde, kohdistetaan mittaussäde liikkuvaan paperirainaan ja mitataan detektorilla paperirainan pinnalta heijastuneen säteen leveyttä pa-perirainan sileyden tai karheuden määrittelemiseksi.

Edelleen keksinnön kohteena on laite optisten mittausten suorit-10 tamiseksi, joka laite on sovitettu mittaamaan liikkuvan paperirainan sileys tai karheus heijastusmittauksella, jolloin laitteeseen kuuluu mittapää, johon kuuluu välineet mittaussäteen tuottamiseksi ja ainakin yksi detektori ja välineet mittaussäteen johtamiseksi mittapäässä olevan mittaikkunan läpi paperirainan pintaan ja välineet paperirainan pinnasta heijastuneen mittaussäteen joh-15 tamiseksi mittapäässä olevalle detektorille, joka on sovitettu mittaamaan pa-perirainasta sironneen mittaussäteen leveys.

Paperinvalmistuksen aikana liikkuvasta paperirainasta mitataan . heijastusmittauksella useita ominaisuuksia, kuten sileyttä, neliöpainoa, väriä, I < · · päällysteen määrää jne. US-patenteissa 5,110,212 ja 5,654,799 on esitetty ··.·. 20 tavanomaisia menetelmiä liikkuvan paperirainan sileyden mittaamiseksi. Ky- seisiä menetelmiä ja laitteita käytettäessä ongelmaksi muodostuu anturin mit- • · . . talkkunan pölyyntyminen ja likaantuminen. Kyseinen likaantuminen aiheuttaa vääristymiä ja epätarkkuutta mittauksissa. Ongelmien poistamiseksi mittaik-’ kuna yritetään pitää puhtaana esimerkiksi joko pyyhkimällä se käsin tai käyt- 25 tämällä ilmapuhallusta. Puhdistavat laitteet monimutkaistavat anturin raken-netta ja riittävään puhdistusluotettavuuteen pääseminen on erittäin hankalaa. Mittaikkunan puhdistaminen käsin vaatii huoltohenkilökuntaa ja sen lisäksi anturi on puhdistuksen ajaksi ohjattava pois mitattavan paperirainan päältä.

• · ...t WO-julkaisussa 97/43609 on esitetty menetelmä kaasumaisten 30 näytteiden mittaamiseen käytetyn optisen sensorin kohinan poistoa varten.

• · ·

Kyseisessä menetelmässä säteilylähteen lähettämä säde jaetaan mittaussä-”*i teeksi ja referenssisäteeksi. Mittaussäde johdetaan mitattavan aineen läpi ja referenssisäde johdetaan sen ulkopuolelta. Laitteistoon kuuluu edelleen erilliset detektorit mittasäteen mittaamiseksi ja vastaavasti referenssisäteen mit-35 taamiseksi. Kohinan vaikutus kompensoidaan referenssisäteen mittausta hyödyntäen. Laitteisto on varsin monimutkainen eikä se ole sovellettavaksi 2 108812 käytettäväksi heijastusmittausten yhteydessä, vaan se vaatisi erillisen heijas-tusreferenssin käyttämistä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan yksinkertainen menetelmä ja laite liikkuvan paperirainan ominaisuuksien mittaamiseksi, jois-5 sa edellä mainittuja epäkohtia pystytään välttämään.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että tuotetaan referenssisäde, johdetaan referenssimittauksessa referenssisäde detektorille siten, että referenssisäde kulkee mittapään ulkopuolisen matkan olennaisesti heijastumatta, mitataan referenssimittauksessa detektorilla refe-10 renssisäteen leveyttä ja käytetään sekä mittaussäteen että referenssisäteen leveyden mittaamisessa samaa detektoria.

Edelleen keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, että laitteeseen kuuluu välineet referenssisäteen tuottamiseksi ja välineet referenssisäteen johtamiseksi mittaikkunan läpi detektorille siten, että referens-15 sisäde kulkee mittapään ulkopuolisen osan olennaisesti heijastumatta, että detektori on sovitettu mittaamaan referenssisäteen leveys ja että mittaussäde ja referenssisäde on sovitettu mitattavaksi samaa detektoria 10 käyttäen.

. Keksinnön olennainen ajatus on, että liikkuvan paperirainan omi- ·:··· naisuuksia mitataan optisella heijastusmittauksella eli siten, että säteilyläh- 20 teellä tuotetaan säde, jonka säteilynlähteen kanssa samalla puolella paperi-rainaa sijaitseva detektori mittaa. Säteilylähteen tuottama säde jaetaan mitta-ussäteeksi ja referenssisäteeksi, jolloin mittaussäde johdetaan heijastumaan mitattavasta materiaalista. Edelleen olennaista on, että referenssisäde johde-·’ ’ taan mittaussäteen kanssa olennaisesti samaa reittiä mittapään mittaikkunan 25 läpi, mutta siten, että referenssisäde kulkee mittapään ulkopuolisen matkan **: olennaisesti heijastumatta ja mittaussäde ja referenssisäde mitataan samaa detektoria hyödyntäen. Erään edullisen sovellutusmuodon ajatuksena on, et-tä mittari sovitetaan mittaamaan paperirainan sileyttä siten, että detektori mit-taa paperirainan pinnasta sironneen valonsäteen leveyden ja vastaavasti mit-30 talkkunan läpi kulkeneen referenssisäteen leveys mitataan.

Keksinnön etuna on, että menetelmä ja laite on yksinkertainen ja ':: tarkka ja sen avulla pystytään kompensoimaan mittaikkunan pölyyntymisen ja likaantumisen aiheuttama mittaustulosten vääristymä ja epätarkkuus.

Tämän hakemuksen yhteydessä termillä paperiraina tarkoitetaan 35 paperi- tai kartonkirainaa. Edelleen termillä optinen mittaus tarkoitetaan myös näkyvän valon ulkopuolisilla aallonpituusalueilla tapahtuvia käyttötarkoitukseen soveltuvia mittauksia.

3 108812

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1a esittää kaavamaisesti keksinnön mukaista laitetta mittaustilanteessa sivultapäin katsottuna, kuvio 1b esittää kuvion 1a mukaista laitetta referenssimittaustilan- 5 teessä, kuvio 2a esittää kaavamaisesti erästä toista keksinnön mukaista laitetta mittaustilanteessa sivustapäin katsottuna, kuvio 2b esittää kuvion 2a mukaista laitetta referenssimittaustilan- teessa, 10 kuvio 3a esittää kaavamaisesti erästä kolmatta keksinnön mukais ta laitetta mittaustilanteessa sivultapäin katsottuna ja kuvio 3b esittää kuvion 3a mukaista laitetta referenssimittaustilan- teessa.

Kuviossa 1 a on esitetty mittapää 1, joka on sovitettu paperirainan 15 2 yläpuolelle. Paperiraina 2 on sovitettu liikkumaan nuolen A suuntaan, jolloin mittapää 1 mittaa paperirainan 2 ominaisuuksia paperinvalmistusprosessin aikana. Mittapää 1 on sovitettu mittapalkkiin siten, että mittapää 1 pystyy tra-. versoimaan paperirainan 2 kulkusuuntaan A nähden poikittaisessa suunnas- •: · ·: sa. Mittapalkkia ei selvyyden vuoksi ole esitetty oheisessa kuviossa.

20 Mittapäähän 1 kuuluu edelleen säteilylähde 3. Säteilylähde 3 voi olla esimerkiksi puolijohdelaser ja se tuottaa säteen 4. Säde 4 johdetaan sä-teen jakajaan 5, joka jakaa säteen mittaussäteeksi 4a ja referenssisäteeksi 4b. Mittaussäde 4a johdetaan ensimmäiselle peilille 6, joka heijastaa mittaus-’ säteen 4a ensimmäisen mittaikkunan 7 läpi mittapään 1 ulkopuolelle paperi- 25 rainan 2 pintaa kohti loivassa kulmassa paperirainaan 2 nähden. Paperirai-• " naan 2 osuessaan mittaussäde 4a siroaa paperin pinnasta. Mitä karheampaa paperiraina 2 on, sitä enemmän mittaussäde 4a siroaa paperirainasta 2. Si-ronnut mittaussäde 4a kulkeutuu suodattimena varustetun toisen mittaikku-.···, nan 8 läpi toiseen peiliin 9, josta se heijastuu detektoriin 10. Sileyden mittaus 30 perustuu sironneen valonsäteen leveyden mittaamiseen. Detektori 10 voi olla esimerkiksi CCD-detektori, jossa on esimerkiksi 6000 valoherkkää element-tiä. Kuvion 1a mukaisella laitteella pystytään mittaamaan jotain paperirainan 2 pintaominaisuutta, kuten sileyttä, karheutta tai kiiltoa tai jotain muuta vastaavaa ominaisuutta.

35 Säteen jakajalta 5 referenssisäde 4b johdetaan kolmanteen peiliin 11. Mittapäähän 1 kuuluu edelleen suljin 12, joka kuvion 1 esittämässä mitta- 108812 i 4 ustilanteessa on käännetty estämään referenssisäteen 4b eteneminen sulki-melta 12 eteenpäin.

Kuviossa 1b on suljin 12 käännetty estämään mittaussäteen 4a kulkeutuminen ensimmäiselle peilille 6. Tässä tilanteessa sen sijaan refe-5 renssisäde 4b pääsee esteettä kulkemaan ensimmäiselle peilille 6. Suljinta 12 ohjaamalla pystytään siis valitsemaan kumpi valonsäde mittaussäde 4a vai referenssisäde 4b lähetetään eteenpäin detektorille 10 saakka.

Kolmas peili 11 ja ensimmäinen peili 6 on sovitettu sellaisiin kulmiin, että referenssisäde 4b heijastuu niistä siten, että se kulkee olennaisesti 10 suoraan ensimmäiseltä peililtä 6 toiselle peilille 9 ensimmäisen mittaikkunan 7 ja toisen mittaikkunan 8 läpi olennaisesti heijastumatta ollessaan mittapään 1 ulkopuolella. Toiselta peililtä 9 referenssisäde 4b heijastuu detektorille 10. Myös referenssimittauksessa detektorilla 10 mitataan säteen eli tässä tapauksessa referenssisäteen 4b leveys. Mittaikkunoiden 7 ja 8 pinnassa oleva 15 pöly ja lika aiheuttaa valonsäteen siroamista, mikä aiheuttaa mittausvirhettä varsinaisessa sileysmittauksessakin. Referenssimittauksella mitatulla referenssisäteen 4b leveyden muutoksella kompensoidaan varsinaisessa sileys-mittauksessa mittaikkunoiden 7 ja 8 likaisuudesta johtuvaa vääristymää. Ha-·:··: luttaessa voidaan joku tai kaikki peileistä 6, 9 ja/tai 11 sovittaa käännettäväk- 20 si, jolloin peiliä tai peilejä kääntämällä pystytään säteitä suuntaamaan ja koh- ....: distamaan halutulla tavalla.

* ·

Laitteeseen kuuluu edelleen ohjausyksikkö 13. Detektorin 10 mit- taustulokset sekä mittaustilanteesta että referenssimittauksesta johdetaan ·1 ’ ohjausyksikköön 13, joka referenssimittauksen avulla kompensoi mittaikku- 25 noiden 7 ja 8 likaisuuden aiheuttaman virheen.

* · 1 Säteilylähde 3 voidaan sovittaa lähettämään säde 4 tietyin väliajoin esimerkiksi jaksottaisesti. Samalla voidaan detektori 10 kuitenkin sovittaa an-tamaan mittaustulos jatkuvasti. Tällöin detektori 10 siis mittaa myös silloin, .···. kun säteilylähde 3 ei valaise näytettä eikä lähetä referenssisädettä 4b. Tällä ' 30 tavoin saadaan taustavalon vaikutus eliminoitua mittaustuloksesta.

Kuviossa 2a ja 2b on esitetty muuten kuvioita 1a ja 1b vastaava ratkaisu, mutta mittapäähän 1 rakennetta on muutettu siten, että peilejä tarvitaan aikaisempaa vähemmän. Kuvion 2a tilanteessa, missä mitataan paperi-rainan 2 ominaisuuksia ei mittaussädettä 4a tarvitse johtaa yhdenkään peilin 35 kautta. Kuvion 2b referenssimittaustilanteessa taas referenssisäde 4b johdetaan ainoastaan yhden peilin 6 kautta. Toiminnaltaan ja periaatteeltaan kuvi- i c 108812 5 oiden 2a ja 2b mukainen ratkaisu vastaa muuten täysin kuvioiden 1a ja 1b mukaista ratkaisua.

Kuvioiden 3a ja 3b mukaisessa ratkaisussa mittaussäde 4a tuotetaan mittaussäteen tuottavalla säteilylähteellä 3a. Mittapään 1 rakenne on 5 sovitettu sellaiseksi, että mittaussäteen tuottava säteilylähde 3a suuntaa mittaussäteen 4a olennaisesti suoraan paperirainan 2 pintaan ja paperirainan 2 pinnasta sironnut mittaussäde 4a johdetaan olennaisesti muuttamatta sen suuntaa sironnan jälkeen detektorille 10. Referenssisäde 4b tuotetaan refe-renssisäteen tuottavalla säteilylähteellä 3b. Mittapään 1 rakenne on sellainen, 10 että referenssisäteen tuottavasta säteilylähteestä 3b on mittaikkunoiden 7 ja 8 läpi olennaisesti suora yhteys detektorille 10, jolloin referenssisäteen 4b ei tarvitse edes mittapään 1 sisällä muuttaa suuntaansa.

Referenssimittaus voidaan suorittaa aina haluttaessa ja myös esimerkiksi mittapään 1 ollessa paperirainan 2 päällä. Tyypillisesti referenssimit-15 taus suoritetaan samanaikaisesti mittarin standardisoinnin yhteydessä esimerkiksi noin kerran tunnissa.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollis-* tamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patentti- :”i vaatimusten puitteissa. Niinpä mittalaite voidaan sovittaa pintaominaisuuksi- ,‘v: 20 en lisäksi mittaamaan myös jotain muuta paperirainan 2 ominaisuutta, joka ·;··: voidaan mitata heijastusmittauksella, kuten neliöpaino, väri, päällysteen mää- . ·. ·. rä tai jokin muu vastaava ominaisuus.

> » » 1 »

Claims (6)

1. Optinen mittausmenetelmä liikkuvan paperirainan (2) sileyden tai karheuden mittaamiseksi, missä menetelmässä käytetään mittapäätä (1), 5 jossa on ainakin yksi säteilylähde (3, 3a, 3b) ja ainakin yksi detektori (10), tuotetaan mittaussäde (4a), kohdistetaan mittaussäde (4a) liikkuvaan paperi-rainaan (2) ja mitataan detektorilla (10) paperirainan (2) pinnalta heijastuneen säteen leveyttä paperirainan (2) sileyden tai karheuden määrittelemiseksi, tunnettu siitä, että tuotetaan referenssisäde (4b), johdetaan referenssi- 10 mittauksessa referenssisäde (4b) detektorille (10) siten, että referenssisäde (4b) kulkee mittapään (1) ulkopuolisen matkan olennaisesti heijastumatta, mitataan referenssimittauksessa detektorilla (10) referenssisäteen (4b) leveyttä ja käytetään sekä mittaussäteen (4a) että referenssisäteen (4b) leveyden mittaamisessa samaa detektoria (10).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetetään säde (4) tietyn väliajoin ja mitataan detektorilla (10) jatkuva- • : : toimisesti.

* · # · ·;··· 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaussäde (4a) ja referenssisäde (4b) tuotetaan jakamalla säteily- » · 20 lähteellä (3) tuotettu säde (4) mittaussäteeksi (4a) ja referenssisäteeksi (4b).

4. Laite optisten mittausten suorittamiseksi, joka laite on sovitettu I :.! mittaamaan liikkuvan paperirainan (2) sileys tai karheus heijastusmittauksel- la, jolloin laitteeseen kuuluu mittapää (1), johon kuuluu välineet mittaussäteen I (4a) tuottamiseksi ja ainakin yksi detektori (10) ja välineet mittaussäteen (4a) j · ’·1 25 johtamiseksi mittapäässä (1) olevan mittaikkunan (7, 8) läpi paperirainan (2) pintaan ja välineet paperirainan (2) pinnasta heijastuneen mittaussäteen (4a) johtamiseksi mittapäässä (1) olevalle detektorille (10), joka on sovitettu mit- / · ·. taamaan paperirainasta (2) sironneen mittaussäteen (4a) leveys, tunnet tu siitä, että laitteeseen kuuluu välineet referenssisäteen (4b) tuottamiseksi 30 ja välineet referenssisäteen (4b) johtamiseksi mittaikkunan (7, 8) läpi detekto-rille (10) siten, että referenssisäde (4b) kulkee mittapään (1) ulkopuolisen osan olennaisesti heijastumatta, että detektori (10) on sovitettu mittaamaan referenssisäteen (4b) leveys ja että mittaussäde (4a) ja referenssisäde (4b) on sovitettu mitattavaksi samaa detektoria 10 käyttäen. 35 7 108812

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu ainakin yksi säteilylähde (3) säteen (4) tuottamiseksi ja sä-teenjakaja (5) säteen (4) jakamiseksi mittaussäteeksi (4a) ja referens-sisäteeksi (4b).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu suljin (12) mittaussäteen (4a) ja referenssisäteen (4b) vuorottaiseksi päästämiseksi detektorille (10). 1 · • · · • ·» 8 108812 !