DE2910673C2

DE2910673C2 - Verfahren zum berührungslosen Messen des absoluten Gehaltes eines Stoffes(Beisubstanz) in einer die Form eines dünnen Filmes aufweisenden Mischung(Hauptsubstanz und Beisubstanz) mehrerer Stoffe, insbesondere zum Messen des absoluten Gehaltes von Wasser in Papier

Info

Publication number: DE2910673C2
Application number: DE2910673A
Authority: DE
Inventors: Peter G. 5475 Burgbrohl Mercer
Original assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH
Current assignee: Paul Lippke & Co Kg 5450 Neuwied De GmbH
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1979-03-19
Publication date: 1985-08-08
Also published as: FR2452099B1; GB2044443B; GB2044443A; NO156105B; NO156105C; FR2452099A1; SE441217B; SE7906518L; DE2910673A1; NO800638L; BR7903020A; DK114080A

Description

beiden stark absorbierten Meßwellenlängen (Ai für Wasser, A3 für Cellulose) und der schwach absorbierten Vergleichswellenlänge (A2) erzeugt Diese Strahlungsimpulse durchdringen das betreffende Material und werden von Detektoren empfangen und in Meß- bzw. Vergleichssignale umgeformt. Nach Verstärkung werden die Meßsignale für Wasser und Cellulose — zusammen jeweils mit dem Vergleichssignal — dem einen bzw. anderen von zwei Quotientenmeßwerken bzw. Quotientenbildnern zugeführt, der aus den erhaltenen Signalen deren Verhältnis ermittelt und ggfs. anzeigt.

Vorausgesetzt, daß die Vergleichswellenlänge im Spektrum nicht zu weit von der Meßwellenlänge entfernt liegt, bietet dieses Meßverfahren grundsätzlich folgende Vorteile gegenüber einer an sich auch möglichen Messung allein mit Strahlung der betreffenden Meßwellenlänge:

Irgendwelche aus der Führung des zu messenden Materials gegenüber der Meßstelle resultierenden Veränderungen des Abstandes zwischen Strahlungsquelle und Empfänger bzw. Meßgut werden bezüglich des Meßergebnisses eliminiert;
eventuelle Verunreinigungen, die in disperser Form im Wasser des Papiers oder eines ähnlichen Materials enthalten sind, wirken sich etwa gleichmäßig auf Strahlungsverluste aus und beeinflussen daher wenigerden ermittelten Quotienten;
eventuelle Änderungen der Empfindlichkeit des Detektors durch insbesondere Temperaturschwankungen werden reduziert und
eventuelle Änderungen des Verstärkungsfaktors im Meßverstärker werden ebenfalls eliminiert.

Als Vergleichswellenlänge bei Messungen des Gehaltes von Wasser in Papier kann z. B. eine Wellenlänge bei /2= 1.8 μ verwendet werden. Mit diesem geringen Abstand zur Meßwellenlänge bei A = 1.94 μ in der Größenordnung von etwa ΛΑ=0Λ4μ liegen Meßwellenlänge und Vergleichswellenlänge nahe genug nebeneinander, um das Reduzieren der vorstehend genannten Störeinflüsse wenigstens zu einem erheblichen Anteil zu gewährleisten.

Mit Hilfe des aus den beiden vorerwähnten Druckschriften her bekannten Meßverfahrens kann sowohl der Gehalt von Wasser als auch von Cellulose dann recht genau ermittelt werden, wenn es sich um Zellglas oder um eine Zellglas ähnliche Materialbahn aus möglichst transparenter Cellulose handelt. Je mehr jedoch die Cellulose unter Berücksichtigung der hier für die Messung angewendeten Ultrarot-Strahlung in eine opake Zustandsform übergeht und damit Ultrarot-Strahlung mehr oder weniger stark in verschiedenen Richtungen — auch und insbesondere innerhalb der Materialbahn — streut, umso größer werden die mit diesem Meßverfahren nicht vermeidbaren Meßwertverfälschungen. Derartige, durch innere — und nur durch innere — Streuung der Strahlung verursachte Meßwertverfälschungen können, wie die Praxis zeigt, bis zum 20ig-fachen des tatsächlichen Wertes gehen (dabei sind noch nicht diejenigen Meßwertverfälschungen berücksichtigt, die infolge der bekannten, Wellenlängen-abhängigen Streuung der Ultrarot-Strahlung zu erwarten sind.)

Im Zusammenhang mit Meßwertverfälschungen durch Streuung der angewendeten Ultrarot-Strahlung innerhalb des zu messenden Materials kann einem in MELLIAND, Heft 10/1958, Seiten 1157 bis 1160, erschienenen Aufsatz ein Hinweis darauf entnommen werden, daß im Fall der Messung des Wassergehaltes von Textilien für gleichen Wassergehalt durchaus sehr unterschiedliche Meßwerte gefunden werden können, während bekanntlich bei durchsichtigen Stoffen wie insbesondere transparenter Cellulose (Zellglas), stets einheitliche Meßwerte für den Wassergehalt erhalten werden. Die unterschiedlichen Meßergebnisse bei Textilien werden mit einer sogenannten »mittleren Eindringtiefe« bzw. mit unterschiedlicher Streuweglängenverteilung« der jeweiligen Ultrarot-Strahlung begründet. — Diese Zusammenhänge sind nachfolgend noch näher erläutert.

Dem erwähnten Aufsatz in MELLIAND kann weiter

entnommen werden, daß man bereits früher versucht hat, die im Vergleich zu transparenter Cellulose strukturell komplexen Eigenarten von Materialien wie opaker Cellulose (Papier) oder Textilien in'einem mathematischen Ausdruck so zu erfassen, daß auch an solchen Stoffen befriedigende Meßergebnisse erzielt werden können. Diese Versuche haben jedoch bisher nicht zum Erfolg geführt.

Nun könnte man zwar für ein bestimmtes, gegebenes Papier empirisch einen (konstanten) Korrekturfaktor einführen. Dennoch wäre es dann aber noch immer nicht möglich, die ständigen Änderungen der strukturellen Eigenschaften der Cellulose im Verlauf der Herstellung des Papiers bei der Bildung des Meßergebnisses für den absoluten Feuchtigkeitsgehalt mit zu erfassen und damit auf das Meßergebnis korrigierend einwirken zu können.

Nach wie vor besteht demnach bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier und bei ähnlichen Meßaufgaben das Problem, daß der Meßwert für den Wassergehalt bei unverändertem Wassergehalt des Papiers dennoch eine Änderung erfährt, wenn sich physikalische oder strukturelle Eigenarten der übrigen Stoffe des Papiers, insbesondere der Cellulose, aber auch von Füllstoffen wie beispielsweise Titandioxid, während eines Herstellungsprozesses ändern.

Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Messungen des absoluten Gehaltes einer Beisubstanz in folienartigen, laufenden Bahnen aus einer Grundsubstanz, z. B. von Wasser in Papier, den tatsächlichen Verhältnissen entsprechende Meßwerte zu erhalten unabhängig von strukturellen Eigenarten der miteinander gemischten Stoffe des Materials. Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Anspruch 1 angegebene Erfindung vorgeschlagen.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung für die Messung des absoluten Gehaltes einer Beisubstanz in folienartigen Materialien, z. B. von Wasser in Papier, wird neben Ultrarot-Strahlung eine völlig andersartige Strahlung verwendet, nämlich Beta-Strahlung. Als Korpuskularstrahlung wird Beta-Strahlung durch die erwähnten strukturellen Eigenartigen von beispielsweise Papier nicht beeinflußt. Allerdings wird mit Hilfe von Beta-Strahlung in diesem Anwendungsfall bei Messung an Papier auch nicht nur allein der Celluloseanteil, sondern gleichzeitig auch der Wasseranteil des Papiers gemessen, so daß letztlich mit Hilfe von Beta-Strahlung dessen gesamtes Flächengewicht ermittelt wird.

Die im Fall des erfindungsgemäßen Lösungsvorschlages außerdem verwendete Ultrarot-Strahlung betrifft die Anwendung einer (Meß-) Wellenlänge (Ai), die von der Hauptsubstanz absorbiert wird und deswegen bei

den vorbekannten Verfahren, beispielsweise nach der DE-AS 17 73489, zur Bestimmung des Gehaltes der Beisubstanz gar nicht benötigt und hierfür auch nicht angewendet wird.

Vorteile

Mit dem erfindungsgemäßen Meßverfahren ist es durch zusätzliche Anwendung einer (beispielsweise im Fall von Zellglas) grundsätzlich nicht benötigten Meßwellenlänge für die Hauptsubstanz (Grundmaterial) und gleichzeitige Anwendung der physikalisch völlig andersartigen Beta-Strahlung nunmehr möglich, z. B. bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier von physikalischen oder strukturellen Eigenarten bzw. Änderungen solcher Eigenarten der übrigen Stoffe des Papiers unabhängige Meßergebnisse zu erzielen. Die Formgebung oder Änderung der Formgebung von Cellulosefasern und/oder Füllstoffpartikeln wirken sich nicht mehr verfälschend auf das Meßergebnis aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von der experimentell ermittelten Tatsache aus, daß sich die Tiefe der Absorptionsbanden des zu messenden und eines weiteren Stoffes, ζ. B. Wasser und Cellulose, proportional mit dem Flächengewicht des Materials bzw. der Cellulose und insbesondere den physikalischen oder strukturellen Eigenarten der Stoffanteile des Materials ändert. Diese Änderung kann durch die Theorie erklärt werden, nach der die Länge des Weges, den die Ultrarot-Strahlung vom Eintritt in das Material bis zum Austritt aus dem Material zurückzulegen hat, abhängig ist vom strukturellen Aufbau und vom Flächengewicht des Materials. Dieser Weg der Strahlung durch ein Material entspricht in den seltensten Fällen wenigstens annähernd dem Weg der Strahlung durch ein gleich dickes, jedoch glasklares Medium, wie z. B. Zellglas. — Je länger der Weg ist, den die Ultrarot-Strahlung bei gleicher Dicke des Materials durch dieses hindurch zurückzulegen hat, umso größer ist die Absorption von Ultrarot-Strahlungsenergie im Bereich der Absorptionsbanden der Stoffe des Materials. Dementsprechend sind die Absorptionsbanden bei einem Material mit vielmaliger Umlenkung der Strahlung an Teilchen wie Fasern, Füllstoffpigmenten und dg!, erheblich stärker ausgeprägt (tiefer) als bei einem Material, das zwar in gleichen Mengen diesselben Stoffanteile enthält, in optischer Hinsicht Strahlung jedoch unbehindert passieren läßt wie z. B. im Fall von Zellglas. Eine genauere Beschreibung dieses Effektes dürfte wegen der komplizierten und sehr unterschiedlichen Form der die Strahlung brechenden und/oder streuenden Partikel, z. B. der von Wasser umgebenen Cellulosefasern im Fall von Papier, kaum möglich sein.

Unter Ausnutzung des erwähnten physikalischen Phänomens der im gleichen Verhältnis entstehenden stimmen des absoluten Gehaltes von Cellulose mittels Ultrarot-Strahlung aus der DE-AS 17 73 489 bekannte Messung; die andere Messung ist die für die Bestimmung des gesamten Flächengewichtes einer Materialbahn an sich bekannte Beta-Strahlungsmessung.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei der Messung des Gehaltes von Wasser in Papier vorteilhaft einsetzbar, sondern allgemein bei allen Messungen an dünnen Materialfilmen bzw. dünnen Materialbahnen, bei denen der Gehalt eines Stoffes im Material gemessen werden soll, welcher Stoff mit den übrigen Stoffen des Materials gemischt vorliegt und wobei derjenige weitere Stoff, von dem eine Meßwertverfälschung ausgehen kann, ebenfalls wie der zu messende Stoff eine ausgeprägte Absorptionsbande für Ultrarot-Strahlung hat

Im Fall des erwähnten Zweistrahl-Meßverfahrens werden die Meßwerte bei Meßwellenlänge zu einem Vergleichswert in Relation gesetzt. Dieser Vergleichswert kann z. B. durch eine gesonderte Ultrarot-Strah-Iungsmessung bei aus dem Meßspalt zwischen Strahler und Detektor entferntem Material — also ohne Material — und ebenfalls bei Meßwellenlänge erfolgen. Bei kontinuierlichen Meßverfahren ist eine Entfernung des zu messenden Materials aus dem Meßspalt jedoch nicht möglich. Deshalb wird der Vergleichswert durch einen Meßwert gebildet, der unter Anwendung einer im Spektrum benachbarten Vergleichwellenlänge erhalten wird. Denn ein solcher Meßwert weicht in manchen Anwendungsfällen (z. B. Messung an Zellglas) kaum von demjenigen Meßwert ab, der bei aus dem Meßspalt entferntem Material erhalten würde.

Im Fall der Lösung nach Anspruch 1 werden die beiden Meßwellenlängen λ\ und λζ ebenfalls zu einer Vergleichswellenlänge λχ aus den bekannten Gründen in Relation gebracht, die in spektraler Nachbarschaft zu den beiden Meßwellenlängen Äi und Λ3 liegt

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 1 führt jedoch bei der Messung an Materialien, die Ultrarot-Strahlung erheblich streuen, zu falschen Ergebnissen. Diese unbekannten, durch unter einem gewissen Raumwinkel vom Meßgut her in den Raum erfolgende Streuung verursachten Strahlungsverluste (die von der eingangs erwähnten, innerhalb des Meßgutes erfolgenden Streuung zu unterscheiden sind) ändern sich bekanntermaßen mit der vierten Potenz der Wellenlänge. Spektrogramme solcher Ultrarot-Strahlung streuender Materialien sind daher je nach Intensität der Streuung der Strahlung mehr oder weniger stark geneigt gegenüber einem Spektrogramm für ein Material gleicher chemischer und mengenmäßiger Stoffzusammensetzung, jedoch die Strahlung optisch praktisch nicht beeinflussendem Material wie z. B. Zellglas. Bei Anwendung des bei

Meßwertverfälschungen für Hauptsubstanz und Bei- 55 der Vergleichswellenlänge erhaltenen Meßwertes als substanz wird damit eine genaue Messung z. B. des ab- konstanter Bezugswert bzw. zur Bildung einer von der

soluten Wassergehaltes von Papier — also einem von Zellglas strukturell erheblich abweichenden, jedoch ebenfalls cellulosehaltigen Stoff — möglich, bei der gegenüber dem bekannten Meßverfahren nach der DE-AS 17 73 489 zum Messen des Gehalts der Beisubstanz zwei zusätzliche Messungen durchgeführt werden (eine Ultrarot-Strahlungsmessung und eine Beta-Strahlungsmessung) und aufgrund eines Vergleiches der beiden daraus erhaltenen zusätzlichen Meßsignalc das aus der Ultrarot-Strahlungsmessung für die Beisubstanz erhaltene Meßergebnis korrigiert wird. — Die eine dieser beiden zusätzlichen Messungen ist dabei die zum BeWellenlänge unabhängigen Basislinie für die Messungen bei den Meßwellenlängen muß in solchen Fällen falsche Meßergebnisse zur Folge haben.

Um auch bei der Messung an Ultrarot-Strahlung streuenden Materialien befriedigende Meßergebnisse zu erhalten» wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 2 weitergebildet.

Unier Anwendung der Lösung nach Anspruch 2 werden den Meßwellenlängen A\ und Äy zugeordnete Bezugswerte errechnet Die Errechnung dieser Bezugswerte erfolgt auf der Grundlage einer Extrapolation

eines den Meßwellenlängen A\ und A3 benachbarten, die Vergleichswellenlängen Λ2 und A4 umfassenden Bereiehes der Funktion I= f (A) in den Bereich der Wellenlängen A\ und A3. Diese Bezugswerte stellen demnach keine Meßwerte dar, sondern dienen der exakten Ermittlung der Tiefe der betreffenden Absorptionsbanden von Materialien mit streuenden Eigenschaften der Stoffe dieser Materialien.

Mit Hiife des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 ist eine bisher unerreicht genaue Messung des Anteils eines Stoffes in einer Materialbahn bzw. einem Materialfilm möglich, und zwar eine Messung, die unabhängig ist von physikalischen oder strukturellen Änderungen der Stoffe des Materials.

Erläuterung der Erfindung

15

Anhand der F i g. 1 bis 9 der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden noch weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mögliche Meßeinrichtung,

F i g. 2 ein Diagramm mit Strahlungsimpulsen, wie sie vom Detektor der Meßeinrichtung nach F i g. 1 nacheinander erhalten werden,

F i g. 3 ein Diagramm (Spektrogramm), in dem idealisiert für ein bestimmtes Material das von einem Detektor abgegebene Meßsignal / in Abhängigkeit von der Wellenlänge angegeben ist,

F i g. 4 das Diagramm nach F i g. 3 zusammen mit weiteren Kurvenverläufen für weitere Materialien in größerem Maßstab,

F i g. 5 bis 7 den grob schematisiert dargestellten Verlauf von Ultrarot-Strahlung in drei unterschiedlichen, den Spektrogrammen nach F i g. 4 zugeordneten Materialien,

F i g. 8 den grob schematisiert dargestellten Verlauf der Ultrarot-Strahlung in einem weiteren Material und

Fig.9 Spektrogramme für die Materialien nach den Fig.5,6und8.

F i g. 1 zeigt einen Sender 1 für Ultrarot-Strahlung, vor dessen Strahlungsauslaß 2 ein Filterrad 3 in bekannter Weise rotiert. Im Filterrad 3 sind Filter 4,5,6 und 7 über den Umfang des Filterrades 3 verteilt vorgesehen. In Strahlungsrichtung des Senders 1 ist mit gewissem Abstand von diesem ein Detektor 8 vorgesehen. Der Detektor 8 wandelt die vom Sender 1 erhaltene Strahlung (Strahlungsimpulse) in elektrische Meßsignale / um. Zwischen dem Filterrad 3 und dem Detektor 8 befindet sich verhältnismäßig dünnes filmartiges bzw. bahnförmiges Material 9. Infolge der Rotation des Filterrades 3 gelangen nacheinander Strahlungsimpulse 11 auf bzw. in das Material 9. Die Strahlungsimpulse 11 sind entsprechend der Rotation des Filterrades 3 verschiedenen Wellenlängen entsprechend den aufeinanderfolgenden Filtern 4 bis 7 zugeordnet.

Nach Beeinflussung durch das Material 9 gelangen mehr oder weniger geschwächte Strahlungsimpulse 12 auf den Detektor 8. Die vom Detektor 8 erhaltenen, den angewendeten Wellenlängen zugeordneten Strahlungsimpulse 12 werden in elektrische Meßsignale / umgeformt (s. auch F i g. 2) und zur weiteren Verarbeitung an eine nicht dargestellte, an sich bekannte elektrische Auswerteeinrichtung gegeben. Die vom Detektor 8 abgegebenen Meßsignale / können dabei z. B. die Form und Größe der im Diagramm nach F i g. 2 dargestellten Meßsignale 14,15,16 bzw. 17 haben.

F i g. 3 zeigt ein Diagramm (Spektrogramm), in dem für ein Material A das vom Detektor 8 abgegebene Meßsignal / in der Dimension [A] \n Abhängigkeit von der Wellenlänge in der Dimension [μ] der Ultrarot-Strahlung dargestellt ist. Das Material A entspricht bezüglich der Beeinflussung der Ultrarot-Strahlung dem bekannten Zellglas und beeinflußt Ultrarot-Strahlung so, wie F i g. 5 grob schematisiert zeigt. Demnach wird die das Material A durchdringende Ultrarot-Strahlung auf dem Weg durch das Material A zum Detektor 8 praktisch weder abgelenkt noch gestreut. Die Darstellung der Abhängigkeit des Meßsignals /von der Wellenlänge A in Fig.3 ist idealisiert. In Wirklichkeit weisen Spektrogramme der meisten Materialien keine derart ausgedehnten geradlinigen Bereiche wie die Kurve nach F i g. 3 auf, sondern die geradlinig dargestellten Bereiche sind in Wirklichkeit meistens mehröder weniger stark gekrümmte Kurvenverläufe. Bei Wahl eines geeigneten Maßstabs, z. B. eines solchen Maßstabs, bei dem auf der Abszisse nicht die Wellenlänge A, sondern linear A" aufgetragen ist, erhält man jedoch in guter Annäherung etwa eine Geradlinigkeit der erwähnten Bereiche solcher Spektrogramme.

Aus F i g. 3 ist erkennbar, daß außer einem im wesentlichen geradlinigen und etwa horizontalen Teil des dargestellten Kurvenverlaufs Bereiche mit verhältnismäßig tiefen Einschnitten vorhanden sind. Diese Bereiche entsprechen verschiedenen Absorptionsbanden des Materials Α'. Bei der Wellenlänge A = 2.92 μ besitzt freies Wasser die sogenannte Valenzschwingung. Ferner besitzt freies Wasser bei der Wellenlänge A= 1.94 μ eine Kombinationsschwingung. Die aus dieser Kombinationsschwingung resultierende Absorptionsbande wird zur Messung des Gehaltes von Wasser im Material A verwendet, und zwar bisher — wie an sich bekannt — auf der Grundlage eines Zweistrahl-Meßverfahrens bei empirisch ermittelter Korrektur der durch Flächengewicht und Struktur des betreffenden Materials bewirkten Verfälschung der erhaltenen Meßsignale.

Das Spektrogramm nach F i g. 3 zeigt ferner eine weitere Absorptionsbande, die bei einer Wellenlänge /ί = 2.10μ liegt und die der Cellulose des Materials A zugeordnet ist.

F i g. 4 zeigt ein Spektrogramm, in dem der strichpunktiert umrissene Bereich des Spektrogramms nach F i g. 3 in größerem Maßstab dargestellt ist. Ferner zeigt Fig. 4 spektrografische Kurvenverläufe für weitere Materialien B und C. Während das Material B Ultrarot-Strahlung etwa so beeinflußt, wie F i g. 6 grob schematisiert wiedergibt, beeinflußt das Material C Ultrarot-Strahlung etwa entsprechend der Darstellung in Fig. 7. — Gegenüber dem in Fig.5 dargestellten Strahlungsverlauf der Ultrarot-Strahlung nimmt die Länge des Weges, den die Ultrarot-Strahlung durch das Material bis zum Detektor 8 zurückzulegen hat, bei den Materialien ,8 und Cerheblich zu, obwohl es sich bei den Materialien B und C um solche handelt, die bezüglich der Gewichtsanteile pro Flächeneinheit (Flächengewicht) von Wasser und Cellulose dem Material A entsprechen.

Aus den Spektrogrammen in F i g. 4 ist erkennbar, daß die Tiefe der Absorptionsbanden bei den Wellenlängen A\ und Az für die Materialien A, B und C sehr unterschiedlich ist und umso stärker ausgeprägt ist, je länger der Weg der Ultrarot-Strahlung ist, den diese beim Durchdringen des Materials A, B bzw. C bis zum Detektor 8 hin zurückzulegen hat. Dementsprechend unterschiedlich fallen auch die Meßsignale IA\ und IA3 bei den Meßwellenlängen A\ und A^ aus. Da sich jedoch

9 10

die Meßsignale ΙΛζ bei der Vergleichswellenlänge X₂ für c· _ __m—b w E = —In ^¹ (4)

die drei erwähnten Materialien A, B und C praktisch /o * Uz '

kaum ändern (der besseren Erkennbarkeit wegen sind

die geradlinigen Kurvenbereiche mit größerem als dem lautet die Gleichung 3 dann folgendermaßen: tatsächlichen Abstand untereinander gezeichnet), muß 5

demnach eine Messung des Gehaltes von Wasser in den ^ _ .£»■ (5)

Materialien A, B und C auf der Grundlage der bekann- " _ÜK

ten Zweistrahl-Messung trotz gleichen Wassergehaltes

in den erwähnten Materialien zu unterschiedlichen In der vorstehenden Gleichung 5 bezeichnen E_n die

Meßergebnissen führen. Dies wird aus den folgenden io natürliche Extinktion bei der betreffenden Absorptions-Erläuterungen noch weiter deutlich. bande des Wassers, M^das Flächengewicht des Wassers Bei der Bestimmung des Wassergehaltes in Papier (Wassergehalt) und a„,den Absorptionskoeffizienten für wie auch z. B. bei der Bestimmung eines bestimmten, Wasser.

eine Absorptionsbande im Ultrarot-Strahlungsgebiet Während im Fall des Materials A auf der Grundlage

aufweisenden Füllstoffes oder Zusatzes in einer Kunst- 15 der Gleichung 3 bzw. 5 ein richtiges Meßergebnis zu stoffolie wird grundsätzlich von folgendem mathemati- erhalten ist, entspricht das Meßergebnis im Fall der Maschen Zusammenhang ausgegangen: terialien B und C jedoch nicht den tatsächlichen Werten.

Während nämlich das Meßergebnis M_w für das Material

^ _ —μ (\\ /4 (Zellglas) mit einem im Labor gravimetrisch ermiUel-

~h ~ ^e ' ' 20 ten Meßergebnis übereinstimmt und als exakt betrach

tet werden kann, fallen die Meßergebnisse M_n für die

In der vorstehenden Gleichung 1 bedeuten »/« die Materialien B und C mehr oder weniger höher als das Stärke des vom Detektor 8 abgegebenen Meßsignals Meßergebnis fürdas Material A aus,obwohl tatsächlich z. B. in der Dimension [Ajnach Beeinflussung der ange- in allen drei Fällen gleiche Mengen an Wasser vorhanwendeten Ultrarot-Strahlung mit Meßwellenlänge (also 25 den sind. Dies wird ohne weiteres auch aus den Spektroim Bereich einer Absorptionsbande) durch den betref- grammen der Materialien A, B und Cin F i g. 4 deutlich, fenden, zu messenden Stoff des Materials, »/o« das vom In Abwandlung der Gleichung 5 soll für Materialien

Detektor 8 abgegebene Meßsignal in derselben Dirnen- wie die Materialien B, C und ähnliche folgende Formel sion bei M=O, »a« den Absorptionskoeffizienten des gelten:
betreffenden Stoffes des Materials bei der gewählten 30

Meßwellenlänge der Ultrarot-Strahlung und »M« das ,,, _ E'_K ^

Flächengewicht des betreffenden Stoffes des Materials. "" _Om.

Da im Fall einer Messung des Gehaltes von Wasser in

Papier entsprechend den Spektrogrammen nach F i g. 3 In der vorstehenden Formel 6 bedeuten M'_w das —

und Fig.4 Ultrarot-Strahlung der (Meß-)WelIenIänge 35 falsche — Meßergebnis für den Wassergehalt (Flächen- λ\ angewendet wird, während zur Bildung eines Ver- gewicht des Wassers), £'„· die durch physikalische oder gleichswertes bei im Meßspalt befindlichem Material strukturelle Eigenarten der Stoffe des Material erhöhte die dort angegebene (Vergleichs-)Wellenlänge Λ2 ange- Extinktion und a_n- den Absorptionskoeffizienten für wendet wird, wird im folgenden die Gleichung 1 durch Wasser.

Einführung entsprechender Indizes für die betreffenden 40 Die erwähnten falschen Meßergebnisse M'_w für den Wellenlängen ergänzt, so daß die Gleichung dann fol- Wassergehalt in den Materialien B, C und ähnlichen gendermaßen lautet: Materialien sind auf eine Änderung des Meßsignals IA\

bei der Meßwellenlänge λ\ zurückzuführen. Diese Än-

IÄ\ _ __aM . . derung resultiert aus den gegenüber dem Material A

U2 ~ ^e ' ' 45 nach Fig.5 veränderten Bedingungen für den Verlauf

der Ultrarot-Strahlung in bzw. durch Materialien wie

In der vorstehenden Gleichung 2 entspricht das Meß- den Materialien B und C.

signal//ij, welches bei der Vergleichswellenlänge/?2 vom Experimentell wurde gefunden, daß die veränderte

Detektor 8 erhalten wird, praktisch dem in Gleichung 1 natürliche Extinktion E nicht nur die Absorptionsbande genannten Meßsignal /0- Ferner ist noch zu bemerken, 50 des Wassers betrifft, sondern ebenso, nämlich propordaß der Absorptionskoeffizient »a« selbstverständlich tional, auch für die Absorptionsbande der in den Materider betreffenden Meßwellenlänge λ\ zugeordnet ist Für alien B, Cund ähnlichen Materialien jeweils enthaltenen den Fall einer auch möglichen Messung bei einer ande- Cellulose gilt.

ren geeigneten Meßwellenlänge würde ein anderer. Abgestellt auf die Messung und Errechnung des CeI-

nämlich ein dieser anderen Meßwellenlänge zugeordne- 55 lulosegehaltes im betreffenden Material (Gewicht der ter Absorptionskoeffizient »a« der Gleichung 1 bzw. 2 Cellulose) lautet Gleichung 5 bzw. 6 nach Einführung zugrundegelegt werden müssen. entsprechender Indizes dann wie folgt:

Nach Umformung der Gleichung 2 ergibt sich für das
Flächengewicht des betreffenden, zu messenden Stoffes £

des Materials folgender mathematischer Zusammen- 60 ^- ⁼ ~- (^

hang: ^a'

bzw.

b5

In den vorstehenden Gleichungen 7 und 8 bedeuten

Mit Einführung des physikalischen Begriffs der »na- M,-das richtige und M'_t-das falsche Flächengewichl des lürlichen« Extinktion Ei jeweils ermittelten Cellulosegehaltes des Materials. /;",

die normale und E'_c die durch einen besonderen physi kalischen oder strukturellen Aufbau des Materials ver änderte natürliche Extinktion und a_c den Absorptionskoeffizienten von Cellulose bei der verwendeten Meßwellenlänge /Zj.

Wegen der erwähnten Proportionalität zwischen den Veränderungen des Meßergebnisses M_w bzw. M'_w bei Wasser und M_c bzw. M'_c bei Cellulose gilt dann folgender Zusammenhang:

F' F'

Umstellung der vorstehenden Gleichung 9 führt zu folgender Formel:

F=F "' E_K K .

(10)

Durch Substitution mit den Gleichungen 5 und 7 ergibt sich aus der vorstehenden Gleichung 10 folgender Zusammenhang:

(ID

25

Anstelle der vorstehenden Formel 11 kann auch folgendes geschrieben werden:

30

M_w = M_c

(12)

35

Während in der vorstehenden Gleichung 11 die Extinktionen £"'„, und E'c aufgrund der erhaltenen Meßsignale //Zi, IAz und IA₂ bekannt sind und darüberhinaus auch die Absorptionskoeffizienten a_K für Wasser und a_c für Cellulose bekannt sind, ist das Flächengewicht M_c der Cellulose zunächst unbekannt. Das Flächengewicht Mc der Cellulose wird — wie eingangs schon erwähnt — mit Hilfe einer gesondert durchgeführten Messung, insbesondere mit Hilfe einer an sich bekannten Beta-Strahlungsmessung ermittelt. — In eine derartige Beta-Strahlungsmessung geht außer dem Flächengewicht der Cellulose zwar auch das im betreffenden Material enthaltene Wasser ein, wegen des prozentual geringen Anteils des Wassers am gesamten Flächengewicht des betreffenden Materials ist der hieraus resultierende Fehler jedoch vernachlässigbar klein. Unter Anwendung mathematischer Iteration, insbesondere mit Hilfe eines Rechners, kann dieser an sich schon kleine Fehler beliebig klein gemacht werden und praktisch auf Null geführt werden. Im übrigen wird diese Messung von besonderen Eigenarten des physikalischen oder strukturellen Aufbaus des betreffenden Materials nicht beeinflußt.

Das mit Gleichung 11 errechnete Flächengewicht des Wassers in einem zu messenden Material ist demnach unabhängig vom strukturellen Aufbau bzw. von Änderungen des strukturellen Aufbaus des betreffenden Materials und auch unabhängig vom Flächengewicht bzw. von Flächengewichtsänderungen des Materials. Das errechnete Flächengewicht des Wassers entspricht somit dem tatsächlichen Flächengewicht des Wassers.

Auf der Grundlage der vorstehenden Gleichung 11 ist es also nun möglich, nach Durchführung von Ultrarot-Strahlungsmessungen auch an Materialien wie den Materialien B, Cund ähnlichen im Bereich der Absorptionsbanden für Wasser (/Zi) und für Cellulose (/£3) sowie bei einer Vergleichswellenlänge (/Z₂) aufgrund der jeweils erhaltenen Meßsignale IAi, IA₃ bzw. IA₂ den tatsächlichen Wassergehalt im Material B, Coder einem ähnlichen Material zu errechnen.

Die im zu messenden Material enthaltenen Fasern, Füllstoffpigmente u. dgl. werden außer einer den Weg der Strahlung durch das Material mehr oder weniger verlängernden Umlenkung vielfach auch eine mehr oder weniger starke Streuung der für die Messungen verwendeten Ultrarot-Strahlungen bewirken. Die daraus resultierenden Strahlungsverluste werfen weitere Probleme bei der Messung auf.

Fig.8 zeigt grob schematisiert den Verlauf von Ultrarot-Strahlung in einem Material D. Der Strahlungsverlauf durch das Material D zum Detektor 8 hin entspricht etwa dem Strahlungsverlauf durch das Material Cnach Fig.7. Darüberhinaus tritt im Material Dnoch eine verhältnismäßig starke Streuung der Ultrarot-Strahlung an Fasern, Füllstoffpigmenten u. dgl. auf, verbunden mit entsprechenden Strahlungsverlusten durch Streuung.

F i g. 9 zeigt außer einem Spektrogramm für das Material A nach F i g. 5 ein Spektrogramm für das Material D nach F i g. 8. Es ist erkennbar, daß der den Absorptionsbanden bei /Zi und A₃ der von der chemischen und mengenmäßigen Zusammensetzung her gesehen gleichen Materialien A und D benachbarte, in den Spektrogrammen als geradlinig verlaufende dargestellte Bereich des Spektrogramms im Fall des Material D geneigt ist gegenüber dem entsprechenden Bereich des Spektrogramms für das Material A. Die Neigung dieses Bereiches des Spektrogramms für das Material D ist auf die vorerwähnten Verluste von Ultrarot-Strahlung durch Streuung im Material D (s. F i g. 8) — und ähnlichen Materialien — zurückzuführen. Diese Strahlungsverluste sind wie erwähnt der vierten Potenz der Wellenlänge proportional.

Aus dem Spektrogramm für das Material D in F i g. 9 ist ohne weiteres erkennbar, daß die Errechnung des tatsächlichen Flächengewichtes M des Wassers (des Wassergehaltes) im Material D auf der Grundlage der Gleichung 11 mit dem bei der Messung erhaltenen Meßsignalen IAu IA3 und IA₂ zu falschen Ergebnissen führen muß. Dies deswegen, weil wegen der wellenlängen-abhängigen Strahlungsverluste durch Streuung das Meßsignal IA₂ bei Vergleichswellenlänge nicht mehr mit dem eingangs erwähnten Meßsignal k gleichgesetzt werden kann. Das heißt, daß das bei der Vergleichswellenlänge Aj erhaltene Meßsignal IA₂ nicht mehr zur Ermittlung der Tiefe der Absorptionsbande bei der Wellenlänge A\ bzw. der Wellenlänge A3 verwendet werden kann. Die Ausdrücke

1 IAt , , IA\

— In -rj- und — In -pf-

IA₂ IA₂

entsprechen also nicht mehr der tatsächlichen Extinktion E_w bzw. jE'«. und E_c bzw. E'_c.

Zur Lösung des vorstehend erläuterten Problems bei der Ermittlung der tatsächlichen Werte für den Wassergehalt bei Materialien mit stark streuenden Eigenschaften der Stoffe des betreffenden Materials werden unter Anwendung von Ultrarot-Strahlung mit einer weiteren Vergleichswellenlänge den Meßwellenlängen A\ und A3 zugeordnete Bezugswerte errechnet, die zur Ermittlung

der tatsächlichen Tiefe der Absorptionsbanden bei den Meßwellenlängen A_t und A% dienen.

In die Messung an streuenden Materialien wie z. B. dem Material D nach Fi g. 8 wird außer der erwähnten Vergleichswellenlänge A₂ eine weitere Vergleichswellenlänge A₄ eingeführt Diese weitere Vergleichswellenlänge A₄ fällt ebenso wie die Vergleichswellenlänge A₂ in den den Absorptionsbanden bei A\ und Az benachbarten, geradlinig verlaufend dargestellten Bereich des Spektrogramms, s. hierzu F i g. 9. ι ο

Bei der weiteren Vergleichswellenlänge A₄ wird ein Meßsignal IA₄ erhalten. Mit Hilfe der Meßsignale IA₂ und IAa, bei den Vergleichswellenlängen A₂ und A4 können auf einer die durch Streuung von Strahlung verursachte Neigung des Spektrogramms eines Materials einbeziehenden, als Bezugslinie anzusehenden Basislinie liegende Bezugswerte IoA\ und I0A3 errechnet werden, die der Absorptionsbande bei der Meßwellenlänge λ\ bzw. A3 des Materials D zugeordnet sind. Die Errechnung dieser Bezugswerte IqAi und I0A3 erfolgt näherungsweise nach den folgenden Gleichungen:

ten eliminiert oder wenigstens weitgehend reduziert werden, die sich aus dem Flächengewicht bzw. Flächengewichtsänderungen des betreffenden Materials, aus der Struktur bzw. Strukturänderungen und aus dem Streuverhalten des betreffenden Materials ergeben.

I₀A₁ = IA₂+ X₁[IA₂-IA₄), I0A3 = IA₂ + X-AIA₂ — IA₄).

(13) (14)

Die Größen x\ und X₂ in den vorstehenden Gleichungen 13 und 14 errechnen sich wie folgt:

oder X₁ =

An -in 2 ~~>M ι Λ7

(15)

30 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

X, =

h-h

oder AT₂ =

-X₂

(16)

35

Da der Verlauf der Basislinie vom gewählten Maßstab abhängt und selten ganz geradlinig ist, sind die so errechneten Bezugswerte nur Näherungswerte. Bei Einführung gewisser mathematischer Korrekturen kann eine weitere Annäherung an den jeweils korrekten Bezugswert erreicht werden.

Zur Ermittlung des Flächengewichtes des Wassers (Wassergehalt) in einem Material mit erheblicher Streuung von Strahlung wie im Material D lautet demnach die mit den Gleichungen 13 bis 16 korrigierte Gleichung 12 folgendermaßen:

-In

IX₁

-In-

50

Die Ausdrücke

—In

I<yi\

55

und —In

IA3 I₀A₃

entsprechen praktisch der tatsächlichen Extinktion E'_w bzw. E'c bei der betreffenden Wellenlänge der Strahlung.

Eine Messung und Errechnung des Wassergehaltes in Papier, des Anteils eines eine Absorptionsbande aufweisenden Füllstoffes in einer Kunststoffolie oder ein ähnliches Meßproblem kann auf der Grundlage der vorstehend angegebenen Gleichung 17 mit einer bisher unerreicht hohen Genauigkeit gelöst werden, wobei sämtliche bei der Messung bisher auftretenden Schwierigkei-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum berührungslosen Messen des absoluten Gehaltes eines Stoffes (Beisubstanz) in einer die Form eines dünnen Filmes aufweisenden Mischung (Hauptsubstanz und Beisubstanz) mehrerer Stoffe insbesondere zum Messen des absoluten Gehaltes von Wasser in Papier, bei dem Ultrarot-Strahlung mit einer von der Beisubstanz, z. B. vom freien, (chemisch ungebundenen) Wasser des Papiers, absorbierten Meßwellenlänge Ä\ und mit einer sowohl von der Beisubstanz als auch von der Hauptsubstanz im wesentlichen nicht absorbierten Vergleichswellenlänge y?2 angewendet wird, deren entsprechende Strahlungsintensitäten nach Beeinflussung durch den zu messenden Stoff miteinander verglichen werden,

dadurch gekennzeichnet,

a) daß in an sich bekannter Weise Ultrarot-Strahlung mit einer von der Hauptsubstanz (Grundmaterial) absorbierten Meßwellenlänge λ% angewendet wird, deren Strahlungsintensität mit der Strahlungsintensität der Vergleichswellenlänge Ä2 verglichen wird,

b) daß ferner eine durch strukturelle Eigenschaften der Hauptsubstanz nicht beeinflußte Strahlung, insbesondere an sich bekannte Beta-Strahlung angewendet wird,

c) und daß zum Bilden eines die strukturellen Eigenschaften der Mischung von Hauptsubstanz und Beisubstanz berücksichtigenden Korrekturfaktors für das mittels Ultrarot-Strahlung mit Meßwellenlänge λ\ und Vergleichswellenlänge /?2 erhaltene Meßergebnis für den absoluten Gehalt der Beisubstanz die aus den beiden Messungen, nämlich einerseits des absoluten Gehaltes der Hauptsubstanz mittels Ultrarot-Strahlung mit Meßwellenlänge λι und Vergleichswellenlänge /?2 und andererseits des gesamten Flächengewichtes des Filmes bzw. der Mischung mittels Beta-Strahlung erhaltenen Meßergebnisse miteinander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eliminieren der durch Wellenlängen abhängige Streuverluste von Ultrarot-Strahlung in Kombination mit der ersten Vergleichswellenlänge y?2 eine weitere, ebenfalls sowohl vom zu ermittelnden Stoff, z. B. vom freien Wasser in Papier, als auch von anderen Stoffen des betreffenden Materials im wesentlichen nicht absorbierte Vergleichswellenlänge Aa, angewendet wird zum Ermitteln eines korrigierten Bezugswertes für die aus den Meßwellenlängen λ\ und /?3 erhaltenen Meßsignale IA, und

Stand der Technik

Zur Durchführung berührungsfreier Messungen physikalischer Eigenschaften dünner Körper sind verschiedene Strahlungsmeßverfahren bekannt. Dabei haben Strahlungsmeßverfahren, die mit Hilfe von Ultrarot-Strahlung arbeiten, in der jüngsten Zeit erhebliche Fortschritte in der Meßtechnik und im Meßerfolg gebracht.

Die DE-AS 2055 708 beispielsweise beschreibt ein Meßverfahren, bei dem Ultrarot-Strahlung angewendet wird, um mit Hilfe einer sogenannten Zweistrahl-Messung im Reflexions-Verfahrens die Dicke eines dünnen strahlungsdurchlässigen Filmes zu messen. Im Fall dieser bekannten Zweistrahl-Messung werden eine Zweistrahl-Ultrarot-Strahlungsquelle, eine Strahlungsempfangssonde (Detektor) und ein Signalverstärker- und analysatorkreis verwendet, bei welcher Einrichtung die Strahlungsquelle zwei diskrete Strahlenbündel im Ultrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen λ\ und Ä2 erzeugt, von denen die eine Wellenlänge (Meßwellenlänge) λΛ so gewählt ist, daß sie in bezug auf das FiImmaterial mehr Absorption zeigt als die sogenannte Bezugswellenlänge (Vergleichswellenlänge /fe)-

Nicht nur für Kunststoffe wie im Fall der vorerwähnten DE-AS 20 55 708, sondern auch z. B. für Wasser und weitere Stoffe ist es bekannt, daß deren Eigenschaften im Hinblick auf Beeinflussung auf Ultrarot-Strahlung in erheblichem Maß von der Wellenlänge der Ultrarot-Strahlung abhängig sind. Dieses optisch anormale Verhalten des jeweils zu messenden Stoffes im Ultrarot-Strahlungsgebiet erklärt sich aus dem Aufbau der Moleküle solcher Stoffe, auf welche Zusammenhänge im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht näher eingegangen zu werden braucht, weil sie allgemein bekannt sind.

Ferner ist es bekannt, daß bei Wasser die stärkste Absorption von Strahlungsenergie im nahen Ultrarot-Strahlungsgebiet stattfindet, und zwar im Bereich der sogenannten Valenzschwingung bei ,2=2.92 μ. Zur Absorptionsmessung an sehr geringen Wassermengen bzw. sehr dünnen Wasserschichten wäre diese Wellenlänge daher gut geeignet. Zur Messung des Gehaltes von Wasser in organischen Substanzen wie z. B. Papier muß man allerdings auf die wesentlich schwächere Kombinationsschwingup.g bei -ί=1.94μ zurückgreifen. Dies deswegen, weil alle Hydrokarbonate ebenfalls in der Nähe von /?=23 μ eine Resonanzstelle der CH-Bindung besitzen und die Meßgröße damit von der Trägersubstanz abhängig würde. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß aber auch bei Anwendung dieser wesentlieh schwächeren Kombinationsschwingung/i=1.94 μ aus dem Absorptionsverhalten des betreffenden Stoffes Rückschlüsse auf den Wassergehalt des Stoffes gezogen werden können.

Weiterhin ist es bekannt, daß Cellulose, die z. B. in Papier in erheblichem Maß vorhanden ist, starke Absorption in einem Wellenlängenbereich λ—2.1 μ zeigt.

Zum Messen des Gehaltes sowohl von Wasser als auch von Cellulose in Papier und ähnlichen Materialien, bei denen das Wasser bzw. die Cellulose in feiner Verteilung mit den übrigen Stoffen des betreffenden Materials gemischt vorliegt, wurde bisher ebenfalls das spektrale Vergleichsverfahren (Zweistrahl-Meßverfahren) nach der erwähnten DE-AS 20 55 708 angewandt, und zwar sowohl als Transmissionsverfahren als auch als Reflexionsverfahren.

So ist beispielsweise der DE-AS 17 73 489 eine Vorrichtung zu entnehmen, mit der laufende Bahnen z. B. aus Papier auf ihren Inhalt an sowohl Cellulose als auch Wasser untersucht werden können, und zwar unter alleiniger bzw. ausschließlicher Anwendung von Ultrarot-Strahlung. — Bei dem Meßverfahren nach der DE-AS 17 73 485 werden mit Hilfe einer optischen Zerhakkereinrichtung wechselweise Strahlungsimpulse der