WO2000036401A1 - Verfahren und vorrichtung zur auswertung von spektroskopischen messungen an festen materialien mit räumlich und/oder zeitlich variierenden oberflächen - Google Patents

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Uwe Lampe
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    • G01N33/46—Wood

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating spectroscopic measurements on solid materials with spatially and / or temporally varying surfaces, wherein electromagnetic radiation in the predetermined wavelength range is radiated into the material by a measuring device with at least one radiation source and after interaction of the radiation with the material the intensity of the interaction signal is measured over at least one detector over a continuous, predetermined wavelength range.
  • the invention also relates to associated devices for carrying out the method.
  • Spectroscopy is increasingly used for industrial applications.
  • a radiation source with which electromagnetic radiation is radiated into a measurement sample and at least one detector as a sensor with which the radiation reflected by the sample or transmitted by the sample is evaluated with regard to intensity or absorption by the sample. necessary.
  • the distance between the sample surface and the radiation source naturally fluctuates in spectroscopic measurements on samples made of solid material. Since the radiation intensity of electromagnetic radiation decreases quadratically with the distance, the measured intensities depend not only on the nature of the sample that is actually to be determined, but also on the spatially and / or temporally variable distance between the sample and the sensor. This leads to the so-called flutter amplitude problem known in practice. The latter problem is particularly relevant in the case of spectroscopic measurements on material beds on conveyor belts, where there is naturally a widely varying surface. This is the case, for example, when filling wood chips on a moving conveyor belt
  • the object of the invention is therefore to propose methods of the type mentioned at the outset and to provide associated devices with which material-specific results are measured in the case of spatially and / or temporally changing distances between the radiation source or detector and sample surface and in which the disturbing metrological boundary conditions are thus eliminated .
  • the object is achieved with regard to the method by the measure of claim 1 and with respect to the associated device by the entirety of the features of claim 12. Further training is specified in the respective subclaims.
  • the invention it is achieved in particular by means of evaluation technology that the problem of “flattera plitude *”, which has so far not been solved satisfactorily, can be neglected. It has surprisingly been found that by using the derivatives of intensity according to the wavelength, ⁇ out-of-focus' positions can be compensated for, since the relative intensity ratios remain the same.
  • other mathematical methods such as vector normalization, minimum-maximum normalization, as well as scaling and / or centering measures and also the use of so-called wavelets can be used. Such measures known from the prior art prove to be effective for the claimed solution to the problem.
  • the setup for the measurement including the material guidance, by appropriate mechanical means.
  • a moving guide - such as conveyor belts or the like.
  • the material management can be designed so that undesirable sources of error are already minimized.
  • unwanted surface movements of material webs running through can be minimized by suitable mechanical guidance of the material web, for example by rolling in front of and behind the measuring device.
  • FIG. 1 shows a measuring arrangement for measuring optical spectra on a bulk material on conveyor belts
  • FIG. 2 measurement curves of continuous NIR spectra of two different wood materials
  • FIG. 3 shows the second derivatives of the absorption curves derived from the spectra from FIG. 2 according to the wavelength
  • FIG. 4 shows a top view of an arrangement especially for measuring wood chips
  • FIG. 5 shows a schematic illustration with a transmission array on one side and a measuring array on the other side of a paper web for transmission measurement in the transverse direction of the running paper web
  • FIG. 6 shows an alternative measuring device to FIG. 5 for traversing measurement over a paper web
  • FIG. 7 shows an intensity spectrum of paper in the NIR range with an additional laser intensity peak at a discrete wavelength
  • a material fill is denoted by 1, which is located on a transport device, for example conveyor belt 4, which moves perpendicular to the paper plane.
  • the individual parts of the material bed 1 on the conveyor belt 4 can e.g. Wood chips that are to be transported to a pulp cooker.
  • the material bed 1 has, after the filling onto the conveyor belt 4, a spatial formation caused by the bed and / or material properties and thus a locally varying surface. Since the material bed 1 is moved with the conveyor belt 4, the material surface, in particular the distance to a measuring device, can also change over time.
  • Spectroscopic measurements are to be carried out on the bulk material 1 in order to obtain response signals which provide information about the material properties of the bulk material 1.
  • two light sources 10 and 20 with which light emitted in a predetermined spectral range via lenses 11 and 21 into the bulk material 1 is irradiated.
  • the emitted radiation is detected.
  • a lens 31 is provided, with which the radiation reflected from the material is fed to a spectrometer 50 for outputting continuous absorption spectra in the predetermined wavelength range, for example via a glass fiber 30.
  • the spectrometer 50 in FIG. 1 contains detectors (not shown in detail) for measuring the radiation intensity, from which the absorption caused by the material results as a complementary measurement variable.
  • a computer for example a PC 100, can be present for evaluating the spectra.
  • absorption spectra 22 and 23 of two different types of wood are plotted as a function of the wavelength in the infrared range between 1 and 2 ⁇ m: with 22 there is a spectrum of eucalyptus (“eucalyptus globulus *) and with 23 a spectrum of pine (“ pinus pinaster * ) reproduced. It can be seen that the individual spectra 22 and 23 each have a significant profile over the applied wavelength. This course is specific for the organic components of the wood and is therefore similar in the rough structure for both spectra 22 and 23.
  • the absorption spectra 22 and 23 of FIG. 2 also show that the specific differences between the individual types of wood can be very small.
  • this has in particular the consequence that the metrological boundary conditions have a determining influence on the measurement results and that different, possibly inaccurate results can be obtained in the event of unstable external measurement conditions.
  • due to the quadratic dependence of the absorption tion of the distance between the measuring point and the radiation source or radiation detector of the sensor can result in considerable falsifications.
  • FIG. 3 specifically shows the second derivatives of the absorption spectra 22, 23 from FIG. 2 according to the wavelength ⁇ , i.e. the quotients of the differential absorption dA after the differential wavelength change d ⁇ (so-called differential quotient).
  • the individual derivatives in FIG. 3 gave the reference numerals 32, 32 ', 32 ′′ corresponding to spectrum 22 from FIG. 2 and 33, 33 ′, 33 ′′ corresponding to spectrum 23 from FIG. 2 for the respective materials, despite different absolute intensities of the output spectra especially in the second derivatives of curves 32, 32 ', 32' ', ... and 33, 33', 33 '', ... the same maxima or minima, which are characteristic of the wood types, even with different boundary conditions.
  • the results obtained in this way can in particular be used to model the wood texture or wood quality in a woodchip mixture in order to derive control variables for the process control, for example of a pulp cooker.
  • the evaluation of the intensities or absorptions can be completely dispensed with. If necessary, the intensities can be used as a sensitive distance signal: probe - sensor in addition to the leads.
  • the second derivative of the measured spectra is particularly well suited for modeling the wood properties, since in Figure 3 the differences between the types of wood can be seen particularly clearly. Modeling with the second derivative delivers better results in practice than modeling with the original spectra.
  • FIG. 4 shows how work can be carried out specifically for proper measurement of bulk goods, such as wood chips.
  • a woodchip fill 40 is shown in particular, which after filling is carried on a first conveyor belt 41 of a predetermined width.
  • the fill naturally has a varying width and height profile with a characteristic surface, which is only indicated in FIG. 4.
  • One or more rollers 45, 45 ',... follow on the conveyor belt 42, intensify the above effect and further level the surface of the fill.
  • the continuous spectra are then measured in a measuring device 46, at which advantageously have several light sources and sensors according to FIG. 1 in the direction transverse to the conveyor belt 42.
  • the wipers 43 and 44 well in front of the actual measuring point 46 level the material to be measured with a defined material height and cover the conveyor belt 42 evenly.
  • the wipers 43 and 44 are arranged in a V-shape opposite to the material flow.
  • the conveyor belt 42 is wider in the area of the measuring point 46 than along the rest of the transport route 41 in order to provide the required transport performance. It is thus achieved that in the area of the measuring point 46 the material web is covered as completely and evenly as possible.
  • rollers can also be present behind the scrapers 43 and 44, which run at the same speed as the conveyor belt 42.
  • Waste paper can be processed, the waste paper is available as a bale or bulk of flat particles. Here, only smoothing and / or pressing takes place, which is carried out in the same way as described above.
  • Another approach to the measurement problem described above is spectroscopic measurements through a window made of scratch-resistant glass that is transparent to the spectrum, for example in the side wall of a funnel or in the side boundary walls of a conveyor belt.
  • the construction and the position of the window must ensure that the bulk material covers the window and that the distance between the object to be measured and the sensor fluctuates only slightly.
  • the latter embodiment is particularly advantageous for the measurement of granular goods with small dimensions relative to the size of the window, such as wood chips or flat goods, such as waste paper, which are compressed by their own weight.
  • the measuring device makes sense to illuminate the material with several light sources with high intensities.
  • the light is to be guided in parallel, for which purpose light sources with converging lenses are used as condensers.
  • the largest possible proportion of the light reflected by the bulk material is evaluated.
  • the measuring surface is illuminated selectively with a laser with a wavelength at which there are no or only negligible absorptions.
  • the radiation intensity of the laser is measured directly.
  • the detector is then a direct measure of the distance between the detector and the bulk material. Such a signal can be used to correct the measured spectra 22 and 23.
  • the latter is particularly useful in an alternative application of the procedure described with reference to FIGS. 1 to 3 for spectroscopic measurements on rapidly moving material webs.
  • the surface of the paper web running fast in a paper machine which is designated 70 in FIG. 5 and FIG. 6, swings in the vertical direction.
  • rollers correspond to roller 45 from FIG. 4, as shown in detail in FIGS. 6 and 7.
  • 71, 71, 71 , ⁇ Mean radiation sources for electromagnetic radiation, with which the paper web 70 is illuminated in particular with parallel light radiation.
  • To record the interaction signals there is an arrangement of individual light-sensitive detectors 72, 72, 72 , ⁇ ,... Behind the radiation sources 71, 71 x , 71, with which an intensity or absorption spectrum is recorded.
  • Each detector 72, 72, 72 ⁇ ... is assigned a laser 73, 73, 73 ⁇ , ... for measuring the intensity at the characteristic wavelength.
  • a laser 73 can be, for example, a laser diode in which a device for intensity measurement is integrated (monitor diode). The laser should expediently irradiate at a wavelength at which there is no appreciable absorption by the material to be measured.
  • the measuring device in FIG. 5 is designed as a fixed array arrangement with a transmitting array on one side and a measuring array on the other side of the paper web 70. This enables transmission measurements on the running paper web with an array fixed in a measuring frame over the entire web width.
  • the measuring device is designed as a measuring head for reflection measurements traversing over the paper web 70. None changes in the actual signal recording or signal evaluation.
  • FIG. 7 shows an intensity spectrum 81 measured with the measuring arrangements corresponding to FIG. 5 or FIG. 6, which additionally has a characteristic laser intensity peak 82.
  • a characteristic curve of the spectrum 81 for paper from which the absorption spectrum with the In this regard, derivations according to the wavelength for the purpose of switching off the “flutter amplitude *” can be used to correct the distance, the laser intensity peak 82, the height of which is directly proportional to the distance between the sample and the sensor.

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Abstract

Wenn bei einer spektroskopischen Messung Materialien mit räumlich und/oder zeitlich variierenden Oberflächen vorliegen, ergeben sich durch den variierenden Abstand erhebliche Fehlereinflussmöglichkeiten dann, wenn von den Spektren die Signalintensitäten erfasst und ausgewertet werden. Erfindungsgemäss werden von kontinuierlich erfassten Spektren statt der Intensität oder Absorption speziell deren Ableitungen nach der Wellenlänge ausgewertet, wodurch die Auswirkungen des räumlich und/oder zeitlich variierenden Abstandes der Materialoberfläche zur Strahlungsquelle beseitigt werden. Zusätzlich sind eine Reihe von mechanischen Massnahmen vorgesehen, mit denen die unvermeidlichen variierenden Abstände zwischen Sensor und Probe bereits vor der Messung minimiert werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung von spektroskopischen Messungen an festen Materialien mit räumlich und/oder zeitlich variierenden Oberflächen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auswertung von spektroskopischen Messungen an festen Materialien mit räumlich und/oder zeitlich variierenden Oberflächen, wobei elektromagnetische Strahlung im vorgegebenen Wellenlängenbereich von einer Meßeinrichtung mit wenigstens einer Strahlungsquelle in das Material eingestrahlt und nach Wechselwirkung der Strahlung mit dem Material mit wenigstens einem Detektor die Intensität des Wechselwirkungssignals über einen kontinuierlichen, vorgegebenen Wellenlängenbereich gemessen wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf zugehörige Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Die Spektroskopie wird zunehmend für industrielle Anwendungen eingesetzt. Meßtechnisch sind dafür eine Strahlungsquelle, mit der elektromagnetische Strahlung in eine Meßprobe eingestrahlt wird, und wenigstens ein Detektor als Sensor, mit dem die von der Probe reflektierte bzw. durch die Probe transmittierte Strahlung hinsichtlich Intensität bzw. Absorp- tion durch die Probe ausgewertet wird, notwendig.
In der Praxis schwankt bei spektroskopischen Messungen an Proben aus festem Material naturgemäß die Entfernung zwischen Probenoberfläche und Strahlungsquelle. Da die Strahlungs- intensität elektromagnetischer Strahlung quadratisch mit der Entfernung abnimmt, hängen die gemessenen Intensitäten nicht nur von der Probenbeschaffenheit, welche eigentlich ermittelt werden soll, sondern auch vom örtlich und/oder zeitlich veränderlichen Abstand zwischen Probe und Sensor ab. Dadurch kommt es zum in der Praxis bekannten Problem der sogenannten Flatteramplitude . Letzteres Problem ist insbesondere relevant bei spektroskopischen Messungen an Materialschüttungen auf Förderbändern, wo sich naturgemäß eine stark variierende Oberfläche ergibt. Dies ist beispielsweise der Fall bei Schüttungen von Holz- hackschnitzeln auf einem sich bewegenden Förderband zur
Beschickung eines Kochers bei der Herstellung von Zellstoff entsprechend der DE 195 10 008 C2. Dort sind als weiteres Beispiel auch spektroskopische Messungen an Altpapier beschrieben, wobei die Messung jeweils entweder an Ballen oder einer Schüttung des Altpapiers erfolgen kann. In beiden Fällen wird das Altpapier in einem Pulper transportiert, wo die Auflösung zu einem Papierbrei erfolgt, aus dem Recycling- Papier hergestellt wird.
Obiges Problem tritt aber auch bei spektroskopischen Messungen an Materialbahnen auf, bei denen die an sich ebene Materialoberfläche zeitlich im Sinne von Schwingungen oszilliert od. zumindest in der Höhe variiert. Ein Beispiel für dieses Phänomen ist eine in einer Papiermaschine schnell laufende Papierbahn, an der beispielsweise gemäß der DE 198 30 323 AI Spektren aufgenommen werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen und zugehörige Vorrichtungen zu schaffen , mit denen bei örtlich und/oder zeitlich sich verändernden Abständen zwischen Strahlungsquelle bzw. Detektor und Probenoberfläche materialspezifische Ergebnisse gemessen und bei denen somit die störenden meßtechnischen Randbedingungen ausgeschaltet werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens durch die Maßnahme des Patentanspruches 1 und bezüglich der zugehörigen Vorrichtung durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 12 gelöst. Weiterbildungen sind in den je- weiligen Unteransprüchen angegeben. Mit der Erfindung wird insbesondere durch auswertetechnische Mittel erreicht, daß die bisher nicht befriedigend losbare Problematik „Flattera plitude* vernachlässigt werden kann. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß sich durch die Verwendung der Ableitungen der Intensität nach der Wel- lenlange^out-of-focus'-Lagen ausgleichen lassen, da die relativen Intensitatsverhaltnisse gleich bleiben. Ergänzend können weitere mathematische Methoden, wie Vektor-Normierung, Minimum-Maximum-Normierung, sowie Maßnahmen des Skalierens und/oder Zentrierens und auch die Nutzung von sog. Wavelets eingesetzt werden. Derartige vom Stand der Technik bekannte Maßnahmen erweisen sich für die beanspruchte Problemlosung als wirkungsvoll.
Neben den auswertetechnischen Maßnahmen wird weiterhin vorgeschlagen, den Aufbau zur Messung einschließlich der Material- fuhrungen durch entsprechende mechanische Mittel zu verbessern. Insbesondere dann, wenn an Materialschuttungen auf einer sich bewegenden Fuhrung - wie Förderbändern od. dgl . - gemessen wird, kann die Materialfuhrung so gestaltet werden, daß unerwünschte Fehlerquellen bereits minimiert werden. Gleichermaßen können unerwünschte Oberflachenbewegungen von durchlaufenden Materialbahnen durch eine geeignete mechanische Fuhrung der Materialbahn, beispielsweise durch Walzen vor und hinter der Meßeinrichtung, minimiert werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausfuhrungsbei- spielen anhand der Zeichnung m Verbindung mit weiteren Unteranspruchen. Es zeigen
Figur 1 eine Meßanordnung zur Messung von optischen Spektren an einer Mateπalschuttung auf Förderbändern,
Figur 2 Meßkurven von kontinuierlichen NIR-Spektren zweier verschiedener Holzmateπalien,
Figur 3 die zweiten Ableitungen der aus Spektren aus Figur 2 abgeleiteten Absorptionskurven nach der Wellenlange, Figur 4 eine Draufsicht auf eine Anordnung speziell zur Messung an Holzhackschnitzelschüttungen,
Figur 5 eine schematische Darstellung mit einem Sendearray auf der einen Seite und einem Meßarray auf der anderen Seite einer Papierbahn zur Transmissionsmessung in Querrichtung der laufenden Papierbahn,
Figur 6 eine alternative Meßvorrichtung zu Figur 5 zur tra- versierenden Messung über einer Papierbahn und
Figur 7 ein Intensitätsspektrum von Papier im NIR-Bereich mit einem zusätzlichen Laser-Intensitätspeak bei diskreter Wellenlänge
In den Figuren sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.
In Figur 1 ist eine Materialschüttung mit 1 bezeichnet, die sich auf einer senkrecht zur Papierebene bewegenden Transporteinrichtung, beispielsweise Förderband 4, befindet. Die einzelnen Teile der Materialschüttung 1 auf dem Förderband 4 können z.B. Holzhackschnitzel sein, die zu einem Zellstoffkocher transportiert werden sollen.
Die Materialschüttung 1 hat nach der Aufschüttung auf das Förderband 4 eine von der Schüttung und/oder Materialbeschaffenheit ursächlich bewirkte, räumliche Ausbildung und damit eine örtlich variierende Oberfläche. Da die Materialschüttung 1 mit dem Förderband 4 bewegt wird, kann sich zudem die Materialoberfläche, insbesondere der Abstand zu einer Meßeinrich- tung, auch noch zeitlich ändern.
Am Schüttgut 1 sollen spektroskopische Messungen zur Erzielung von Response-Signalen, die Aufschluß über die Materialbeschaffenheit des Schüttgutes 1 geben, durchgeführt werden. Dafür sind beispielsweise zwei Lichtquellen 10 und 20 vorhanden, mit denen in einem vorgegebenen Spektralbereich emittiertes Licht über Linsen 11 und 21 in das Schüttgut 1 eingestrahlt wird. Nach Wechselwirkung mit dem Material des Schüttgutes 1 wird die emittierte Strahlung erfaßt. Dazu ist eine Linse 31 vorhanden, mit der über beispielsweise eine Glasfaser 30 die vom Material reflektierte Strahlung einem Spektrometer 50 zur Ausgabe von kontinuierlichen Absorptionsspektren im vorgegebenen Wellenlängenbereich zugeführt wird. Das Spektrometer 50 enthält in Figur 1 nicht im einzelnen dargestellte Detektoren zur Messung der Strahlungsintensität, aus der sich als komplementäre Meßgröße die durch das Mate- rial bewirkte Absorption ergibt. Zur Auswertung der Spektren kann ein Rechner, beispielsweise ein PC 100, vorhanden sein.
In Figur 2 sind Absorptionsspektren 22 und 23 von zwei unterschiedlichen Holzsorten als Funktion der Wellenlänge im Infrarotbereich zwischen 1 und 2 μm aufgetragen: Mit 22 ist ein Spektrum von Eukalyptus („eucalyptus globulus* ) und mit 23 ein Spektrum von Kiefer („pinus pinaster* ) wiedergegeben. Es ist erkennbar, daß die einzelnen Spektren 22 und 23 über der aufgetragenen Wellenlänge einen jeweils signifikanten Verlauf haben. Dieser Verlauf ist für die organischen Bestandteile des Holzes spezifisch und daher in der Grobstruktur bei beiden Spektren 22 und 23 ähnlich.
Durch Untersuchung der Feinstruktur über einen gewissen Wellenlängenbereich der beiden Absorptionsspektren 22 und 23 kann allein aus den Spektren zwischen Holzsorten unterschieden werden. Wesentlich ist dabei, die Spektren kontinuierlich zu erfassen.
Die Absorptionsspektren 22 und 23 der Figur 2 zeigen allerdings auch, daß die spezifischen Unterschiede der einzelnen Holzsorten sehr gering sein können. Dies hat aber insbesondere zur Folge, daß die meßtechnischen Randbedingungen einen bestimmenden Einfluß auf die Meßergebnisse haben und daß dadurch bei instabilen äußeren Meßbedingungen unterschiedliche, ggf. unzutreffende Ergebnisse erhalten werden können. Insbesondere durch die quadratische Abhängigkeit der Absorp- tion vom Abstand zwischen Meßpunkt und Strahlungsquelle bzw. Strahlungsdetektor des Sensors können sich erhebliche Verfälschungen ergeben.
In Figur 3 sind speziell die zweiten Ableitungen der Absorptionsspektren 22, 23 aus Figur 2 nach der Wellenlänge λ, d.h. die Quotienten der differentiellen Absorption dA nach der differentiellen Wellenlängenänderung dλ (sog. Differentialquotient), gebildet. Die einzelnen Ableitungen haben in der Figur 3 für die jeweiligen Materialien die Bezugszeichen 32, 32', 32'' entsprechend Spektrum 22 aus Figur 2 und 33, 33', 33'' entsprechend Spektrum 23 aus Figur 2. Trotz verschiedener Absolutintensitäten der Ausgangsspektren ergeben sich speziell in den zweiten Ableitungen der Kurven 32, 32', 32'', ... und 33, 33', 33'', ... auch bei unterschiedlichen Randbedingungen jeweils gleiche, für die Holzsorten charakteristische Maxima bzw. Minima .
Aus dem Vergleich von Figur 2 und Figur 3 ist also entnehm- bar, daß dem Problem der Flatteramplitude dann aus dem Weg gegangen wird, wenn nicht die Intensitäten selbst, sondern die erste, zweite oder höhere Ableitungen ausgewertet werden. Da die Intensitäten bei den verschiedenen Wellenlängen in gleicher Weise von der Entfernung geschwächt werden, hängen insbesondere die differenzierten Signale nicht mehr von der Entfernung zwischen Probe und Sensor ab.
Mit den so erhaltenen Ergebnissen kann insbesondere eine Modellierung der Holzbeschaffenheit bzw. Holzqualität in einer Holzhackschnitzelmischung erfolgen, um Steuer- und Regelgrößen für die Prozeßführung beispielsweise eines Zellstoffkochers abzuleiten. Dabei kann auf die Auswertung der Intensitäten bzw. Absorptionen im Prinzip vollkommen verzichtet werden. Gegebenenfalls können die Intensitäten als empfindliches Abstandssignal: Probe - Sensor neben den Ableitungen mit verwertet werden. Speziell für die Modellierung der Holzeigenschaften hat sich insbesondere die zweite Ableitung der gemessenen Spektren besonders gut geeignet, da m Figur 3 die Unterschiede der Holzarten besonders klar zu erkennen sind. Die Modellierung mit der zweiten Ableitung liefert für die Praxis bessere Ergebnisse als die Modellierung mit den Origmalspektren.
Neben der Sensorik und der diesbezüglichen Auswertung mittels chemometrischer Methoden ist bei dem beschriebenen Meßproblem aber auch die Materialfuhrung von besonderer Bedeutung. Hierzu ist m Figur 4 gezeigt, wie speziell zur sachgerechten Messung bei Schüttgütern, wie beispielsweise Holzhackschnit- zeln, gearbeitet werden kann.
In der Draufsicht der Figur 4 ist speziell eine Hackschnit- zelschuttung 40 gezeigt, die nach Aufschüttung auf einem ersten Forderband 41 vorgegebener Breite gefuhrt wird. Die Schuttung hat naturgemäß ein variierendes Breiten- und Hohen- profil mit charakteristischer Oberflache, was m Figur 4 nur angedeutet ist.
Es hat sich gezeigt, daß es zunächst einmal nützlich ist, das Schuttgut 40 m Querrichtung zur Richtung der Fortbewegung zu verbreitern. Dafür ist ein zweites, gegenüber Forderband 41 breiteres Forderband 42 vorhanden, auf dem nacheinander mehrere V-formige Abstreifer 43 und 44 mit jeweils unterschiedlich einstellbarer Hohe und Ausrichtung angebracht sind. Dabei ist beispielsweise Abstreifer 43 einteilig, wahrend bei Abstreifer 44 jeweils zwei Teile relativ nahe hintereinander angeordnet sind. Somit wird das zugefuhrte Material m der Breite verteilt und werden bereits damit vorhandene Oberflachenschwankungen m erheblichem Maße ausgeglichen.
Auf dem Forderband 42 folgen eine oder mehrere Walzen 45, 45', ..., die obigen Effekt verstarken und die Oberflache der Schuttung weiter einebnen. Anschließend erfolgt die Messung der kontinuierlichen Spektren m einer Meßeinrichtung 46, bei der vorteilhafterweise in Querrichtung zum Förderband 42 mehrere Lichtquellen und Sensoren gemäß Figur 1 vorhanden sind.
Mit der Anordnung gemäß Figur 4 wird erreicht, daß bei
Schüttgütern die Abstreifer 43 und 44 gut vor der eigentlichen Meßstelle 46 das zu messende Material mit einer definierten Materialhöhe einebnen und das Förderband 42 gleichmäßig bedecken. Um die gleichmäßige Bedeckung des Förderban- des 42 mit dem Schüttgut zu erreichen, sind die Abstreifer 43 und 44 in V-Form entgegengesetzt zum Materialstrom angebracht. Zur Anpassung der Transportleistung an die Produktionserfordernisse in der Praxis ist weiterhin eine Vorgabe der Höhenvariation der Materialabstreifer 43 und 44 möglich. Beim Einsatz von mehreren Abstreifern 43 und 44 können die Abstreifhöhen unterschiedlich sein. Günstig ist, eine abnehmende Höhe in Richtung des Materialflusses vorzusehen.
Wie bereits erwähnt, ist im Bereich der Meßstelle 46 das Förderband 42 breiter als entlang der übrigen Transportstrecke 41, um so die erforderliche Transportleistung zu erbringen. Somit ist erreicht, daß im Bereich der Meßstelle 46 eine möglichst vollständige und gleichmäßige Bedeckung der Materialbahn vorliegt. Neben der Walze 45 können weiterhin Walzen hinter den Abstreifern 43 und 44 vorhanden sein, die mit gleicher Geschwindigkeit wie das Förderband 42 mitlaufen.
In Abwandlung zu Figur 4 ist auch ein Verzicht auf die Verbreiterung der Förderbänder möglich. Beispielsweise für den Anwendungsfall, daß zur Herstellung von Recycling-Papier
Altpapier verarbeitet werden kann, liegt das Altpapier als Ballen oder Schüttung aus ebenen Teilchen vor. Hier erfolgt allein ein Glätten und/oder Anpressen, was in der gleichen Weise durchgeführt wird wie oben beschrieben.
Ein weiterer Lösungsansatz für das oben beschriebene Meßproblem sind spektroskopische Messungen durch ein für das Spektrum durchlässiges Fenster aus kratzfestem Glas, z.B. in der Seitenwand eines Trichters oder in den seitlichen Begrenzungswänden eines Transportbandes. Dabei muß durch die Konstruktion und die Lage des Fensters sichergestellt sein, daß das Schüttgut das Fenster bedeckt und damit die Entfer- nung zwischen Meßobjekt und Sensor nur geringfügig schwankt.
Letztere Ausführungsform ist besonders vorteilhaft für die Messung an körnigen Gütern mit relativ zur Größe des Fensters kleinen Abmessungen wie zum Beispiel Hackschnitzel oder flächigen Gütern, wie zum Beispiel Altpapier, die durch das Eigengewicht zusammengedrückt werden.
Zur Optimierung der Meßeinrichtung und der Detektoren ist es sinnvoll, das Material mit mehreren Lichtquellen mit hohen Intensitäten auszuleuchten. Dabei ist entsprechend Figur 1 das Licht parallel zu führen, wozu Lichtquellen mit Sammellinsen als Kondensoren verwendet werden. Um eine hohe Lichtstärke am Detektor zu erreichen, wird ein möglichst großer Anteil des vom Schüttgut reflektierten Lichtes ausgewertet.
Zusätzlich ist es auch möglich, eine optische Abstandsmessung im Sensor vorzunehmen. Dazu wird die Meßoberfläche punktuell mit einem Laser mit einer solchen Wellenlänge beleuchtet, bei der keine oder nur vernachlässigbare Absorptionen vorliegen. Die Strahlungsintensität des Lasers wird direkt gemessen. Die Änderung der Intensität der eingestrahlten Wellenlänge am
Detektor ist dann ein direktes Maß für den Abstand zwischen Detektor und Schüttgut. Mit einem solchen Signal kann eine Korrektur der gemessenen Spektren 22 und 23 veranlaßt werden.
Letzteres ist insbesondere sinnvoll bei einer alternativen Anwendung der anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Vorgehensweise für spektroskopische Messungen an sich schnellbewegenden Materialbahnen. Beispielsweise schwingt die Oberfläche der in einer Papiermaschine Schnellaufenden Papier- bahn, die in Figur 5 und Figur 6 mit 70 bezeichnet ist, in senkrechter Richtung. Um an solchen Bahnen 70 abstands- empfindliche Messungen zu ermöglichen, ist es üblich, mit einer Mehrzahl von Walzen vor und nach der Meßeinrichtung das Schwingen bzw. sog. Flattern der Materialoberfläche zu minimieren. Derartige Walzen entsprechen Walze 45 aus Figur 4, wie in Figur 6 und 7 im einzelnen dargestellt werden.
In den Figuren 5 und 6 bedeuten 71, 71 , 71,λ, ... Strahlungsquellen für elektromagnetische Strahlung, mit denen die Papierbahn 70 insbesondere mit paralleler Lichtstrahlung beleuchtet wird. Zur Erfassung der Wechselwirkungssignale ist hinter den Strahlungsquellen 71. 71 x, 71 ..eine Anordnung aus einzelnen lichtempfindlichen Detektoren 72, 72 , 72,λ, ..., mit denen ein Intensitäts- bzw. Absorptionspektren aufgenommen wird. Jedem Detektor 72, 72 , 72 λ ... ist ein Laser 73, 73 , 73 λλ, ... zur Intensitätsmessung bei der charakteristischen Wellenlänge zugeordnet. Ein solcher Laser 73 kann z.B. eine Laserdiode sein, in die eine Einrichtung zur Intensitätsmessung integriert ist (Monitordiode) . Zweckmäßigerweise sollte der Laser mit einer Wellenlänge einstrahlen, bei der keine nennenswerte Absorption durch das zu mes- sende Material erfolgt.
Im einzelnen ist die Meßeinrichtung in Figur 5 als feststehende Arrayanordnung mit einem Sendearray auf der einen Seite und einem Meßarray auf der anderen Seite der Papierbahn 70 ausgebildet. Damit sind Transmissionsmessungen an der laufenden Papierbahn mit in einem Meßrahmen feststehendem Array über die gesamte Bahnbreite möglich. In Figur 6 ist die Meßeinrichtung dagegen als über der Papierbahn 70 traversieren- der Meßkopf für Reflexionsmessungen ausgebildet. An der eigentlichen Signalaufnahme bzw. Signalauswertung ändert sich dadurch nichts.
In Figur 7 ist ein mit den Meßanordnungen entsprechen Figur 5 oder Figur 6 gemessenes Intensitätsspektrum 81 dargestellt, das zusätzlich einen charakteristischen Laser-Intensitätspeak 82 aufweist. Neben dem für Papier charakteristischen Verlauf des Spektrums 81, aus dem das Absorptionsspektrum mit den diesbezüglichen Ableitungen nach der Wellenlänge zwecks Ausschaltung der „Flatteramplitude* gebildet wird, läßt sich der Laser-Intensitätspeak 82, dessen Höhe dem Abstand zwischen Probe und Sensor direkt proportional ist, zur Abstandskorrek- tur verwenden.
Bei der Auswertung kann neben der Bildung der Ableitungen der gemessenen Intensitäten und der zugehörigen Normierungen weiterhin angestrebt werden, daß die Spektren in möglichst kurzer Zeit und in einem vorgegebenen Zeitintervall mehrfach erfaßt werden und vor der Bildung der Ableitungen nach den Wellenlängen eine Mittelwertbildung der erfaßten Signale erfolgt. Weitere mathematische Maßnahmen, die bei der Auswertung eingesetzt werden können, um Intensitätsänderungen durch Abstandsschwankungen auszugleichen, sind einzeln oder in Kombination:
- Vektor-Normierung,
- Minimum-Maximum-Normierung,
- Zentrierung, - Zentrierung und Skalierung,
- Benutzen von Wavelets.
Diese Methoden zur mathematischen Bearbeitung von Meßdaten sind für sich jeweils vom Stand der Technik bekannt und erweisen sich im Zusammenhang mit der Auswertung von konti- nuierlichen Spektren als wirkungsvoll bei der Modellierung von Eigenschaften.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Auswertung von spektroskopischen Messungen an festen Materialien mit räumlich und/oder zeitlich variie- renden Oberflächen, wobei elektromagnetische Strahlung im vorgegebenen Wellenlängenbereich von einer Meßeinrichtung mit wenigstens einer Strahlungsquelle in das Material eingestrahlt und wobei nach Wechselwirkung der Strahlung mit dem Material mit wenigstens einem Detektor die Intensität des Wechselwirkungssignals über einen kontinuierlichen, vorgegebenen Wellenlängenbereich gemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Auswertung statt der Signalintensität der kontinuierlich erfaßten Spektren nur die Ableitungen der Intensität nach der Wellenlänge verwendet werden, wodurch die Auswirkungen des räumlich und/oder zeitlich variierenden Abstandes der Materialoberfläche zur Strahlungsquelle beseitigt werden.
2. Verfahren 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 Ableitungen der aus der Intensität gebildeten spezifischen Absorption nach der Wellenlänge verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Ableitungen der
Intensität oder der spezifischen Absorption nach der Wellenlänge der erste, zweite und/oder höhere Differentialquotienten gebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Modellierung von Eigenschaften speziell von Holz die zweite Ableitung der Intensität nach der Wellenlänge verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Modellierung von Eigenschaften die erste und/oder die zweite Ableitung der Intensitäten nach der Wellenlänge mit folgenden mathematischen Maßnahmen normiert werden:
- Vektornormierung und/oder
- Minimum-Maximum-Normierung und/oder - Zentrierung und/oder
- Zentrierung und Skalierung.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Modellierung von Eigenschaften sog. Wavelets verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Strahlungsquellen, die parallele Strahlung emittieren, verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Ab- Standsmessung zusätzlich wenigstens ein Laser mit diskreter Wellenlänge verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das kontinuierliche Spektrum im Bereich des Infrarots (IR), insbesondere im Bereich des nahen Infrarots (NIR) gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t in der Anwendung bei Material- schüttungen, insbesondere von Holzhackschnitzelschüttungen auf Förderbändern.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t in der Anwendung an laufenden Materialbahnen, insbesondere Papierbahnen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t m der Anwendung auf flachige Guter, insbesondere auf Altpapierballen und Altpapierschut- tungen auf Förderbändern.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß m einem vorgegebenen Zeitmtervall mehrfach gemessen wird, und daß die gemessenen Intensitäten und/oder die daraus abgeleiteten Absorptionen vor der Auswertung gemittelt werden.
14. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 11, mit einer Meßeinrichtung aus einem Spektrometer (50) mit wenigstens einer Strahlungs- quelle (10, 20; 71, 71 , ...) und wenigstens einem Detektor (30, 72, 72 ...) und einem zugehörigen Rechner (100) mit Mitteln (41 bis 44, 45) zur Auswertung der Meßsignale derart, daß raumlich und/oder zeitlich variierende Abstände der Materialoberflache von der Meßeinrichtung ausgeglichen werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Spektrometer (50) mehrere Strahlungsquellen (10, 20, 71, 71 x, ...), die parallele Strahlung emittieren, zugeordnet sind
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Spektrometer (50) wenigstens ein Laser (73, 73 λ, ..) mit integierter Inten- sitatsmeßemπchtung zugeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laser eine Laserdiode (73, 73 ..j ist, die mit einer Wellenlange in das Material einstrahlt, bei der das zu messende Material keine oder nur vernachlassigbare Absorptionen aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß j ede Detektor ( 72, 72 \ 72 λ\ ...) ein eigener Laser (73, 73 73, , ...) zugeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel (41 bis 44, 45) zum Ausgleich des räumlich und/oder zeitlich variierenden Abstandes der Materialoberfläche von der Meßeinrichtung mechanischer Art sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei an Schüttgut auf wenigstens einem laufenden Förderband gemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß einem ersten Förderband (41) für das Schüttgut (42) ein zweites, breiteres Förderband (42) zugeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in Richtung der Material- bewegung auf dem zweiten Förderband (42) V-förmig ausgebildete Abstreifer (43, 44) angeordnet sind, deren Ausrichtung und/oder Höhe verstellbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß als mechanisches Mittel zum
Ausgleich des räumlich und/oder zeitlich variierenden Abstandes der Materialoberfläche von der Meßeinrichtung wenigstens eine höhenverstellbare Walze (45, 45 ...) vorhanden ist .
23. Verrichtung nach Anspruch 22, wobei an ebenen, zeitlich mit ihrer Oberfläche in der Höhe variierenden Materialbahnen gemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Walzen (45, 45', ...) vor und nach der Meßeinrichtung (46) vorhanden sind, die ein Schwingen der Materialoberfläche am Meßort minimieren.
24. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mechanischen Mittel zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen Materialoberfläche und Meßeinrichtung aus einem spektralliniendurchlässigen Fenster bestehen, das in der Seitenwand eines Trichters oder in der Seitenwand an einem Förderband untergebracht wird, an dem der Förderstrom des Meßgutes in geeigneter Weise vorbeigeführt wird.
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