DE19857896C1

DE19857896C1 - Method and device for evaluating spectroscopic measurements on solid materials with spatially and / or temporally varying surfaces

Info

Publication number: DE19857896C1
Application number: DE19857896A
Authority: DE
Inventors: Herbert Furumoto; Uwe Lampe; Jens Muehlsteff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: WO2000036401A1

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.If materials with spatially and / or temporally varying surfaces are present in a spectroscopic measurement, the varying distance gives rise to considerable error influences when the signal intensities are detected and evaluated by the spectra. According to the invention, continuously derived spectra, instead of the intensity or absorption, specifically evaluate their derivatives according to the wavelength, as a result of which the effects of the spatially and / or temporally varying distance of the material surface from the radiation source are eliminated. In addition, a number of mechanical measures are provided to minimize the inevitable varying distances between the sensor and the sample before the measurement.

Description

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 Wellenlängen bereich von einer Meßeinrichtung mit wenigstens einer Stra hlungsquelle in das Material eingestrahlt und nach Wechsel wirkung 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.The invention relates to a method for evaluation of spectroscopic measurements on solid materials spatially and / or temporally varying surfaces, wherein electromagnetic radiation in the specified wavelengths area of a measuring device with at least one street source of radiation irradiated into the material and after changing effect of radiation with the material with at least one Detector the intensity of the interaction signal over a continuous, predetermined wavelength range measured becomes. In addition, the invention also relates to associated Devices for performing the method.

Die Spektroskopie wird zunehmend für industrielle Anwendungen eingesetzt. Meßtechnisch sind dafür eine Strahlungsquelle, mit der elektromagnetische Strahlung in eine Meßprobe ein gestrahlt 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.Spectroscopy is increasingly used for industrial applications used. Technically, there is a radiation source for this, with the electromagnetic radiation in a test sample is blasted, and at least one detector as a sensor with which is reflected by the sample or by the sample transmitted radiation in terms of intensity or absorption tion is evaluated by the sample, necessary.

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 ver änderlichen Abstand zwischen Probe und Sensor ab. Dadurch kommt es zum in der Praxis bekannten Problem der sogenannten Flatteramplitude. In practice, spectroscopic measurements fluctuate Samples of solid material naturally the distance between Sample surface and radiation source. Because the radiation intensity of electromagnetic radiation quadratic with the If the distance decreases, the measured intensities do not depend only from the sample quality, which actually determines should be, but also from the local and / or temporal ver changing distance between sample and sensor. Thereby this leads to the problem known in practice of the so-called Flutter amplitude.

Letzteres Problem ist insbesondere relevant bei spektroskopi schen 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 be schrieben, wobei die Messung jeweils entweder an Ballen oder einer Schüttung des Altpapiers erfolgen kann. In beiden Fäl len wird das Altpapier in einem Pulper transportiert, wo die Auflösung zu einem Papierbrei erfolgt, aus dem Recycling- Papier hergestellt wird.The latter problem is particularly relevant in spectroscopy measurements on bulk materials on conveyor belts where there is naturally a strongly varying surface. This is the case, for example, with fillings of wood chips on a moving conveyor belt Feeding a stove in the manufacture of pulp according to DE 195 10 008 C2. There is another one Example also be spectroscopic measurements on waste paper wrote, the measurement either on bales or a dump of the waste paper can take place. In both cases The waste paper is transported in a pulper, where the Disintegration into a paper pulp takes place from the recycling Paper is made.

Obiges Problem tritt aber auch bei spektroskopischen Messun gen an Materialbahnen auf, bei denen die an sich ebene Mate rialoberfläche 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 A1 Spektren aufgenommen werden sollen.The above problem also occurs with spectroscopic measurements on material webs, in which the flat mate rial surface oscillates in time in the sense of vibrations or at least varies in height. An example of this Phenomenon is one that runs fast in a paper machine Paper web on which, for example, according to DE 198 30 323 A1 Spectra should be recorded.

Weiterhin ist aus der DE 195 10 008 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prozeßführung bei der Zellstoff- und/oder Papierherstellung bekannt, bei denen an den Ausgangsstoffen gemessen wird und insbesondere zur Messung an Holz-Hack schnitzeloberflächen und/oder Altpapieroberflächen das auf Bändern zugeführte Material mittels mechanischer Einrichtun gen vergleichmäßig wird. Desweiteren ist aus der DE 197 09 963 A1 ein Verfahren zur Überwachung der Produktion von Flachmaterial mittels eines im nahen Infrarot arbeitenden Spektrometers eine zugehörige Vorrichtung bekannt, bei der das Flachmaterial speziell eine laufende Papierbahn ist und über der Papierbahn in Querrichtung eine Meßeinrichtung mit einer Anzahl von Lichtleitfasern vorhanden ist, mit denen speziell reflektiertes Licht über der Bahn erfaßt und aus gewertet wird. Gemessen wird hier im Bereich einer Walze für das Papier, so daß sich hier das Problem der variierenden Oberfläche im Normalfall nicht stellt.Furthermore, DE 195 10 008 C2 describes one method and one Process control device for pulp and / or Papermaking known in which the raw materials is measured and especially for measurement on wood chopping chip surfaces and / or waste paper surfaces Material fed to tapes by means of mechanical devices gene becomes comparable. Furthermore, from DE 197 09 963 A1 a process for monitoring the production of Flat material using a near infrared Spectrometer an associated device is known in which the flat material is especially a running paper web and a measuring device in the transverse direction above the paper web a number of optical fibers are present with which Specially reflected light is detected above and off the web is evaluated. Measurements are taken in the area of a roller for the paper so that here the problem of varying Surface does not normally provide.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, Verfahren der ein gangs genannten Art vorzuschlagen und zugehörige Vorrichtun gen 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.In contrast, the object of the invention is a method of propose the type mentioned above and associated devices to create conditions with those at local and / or temporal changing distances between radiation source or Detector and sample surface material specific results measured and thus the disturbing metrological Boundary conditions can be switched off.

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. The task is according to the invention with regard to the method by the measure of claim 1 and with respect to associated device through the entirety of the features of Claim 12 solved. Further training is in each given subclaims.

Mit der Erfindung wird insbesondere durch auswertetechnische Mittel erreicht, daß die bisher nicht befriedigend lösbare Problematik "Flatteramplitude" vernachlässigt werden kann. Neben den auswertetechnischen Maßnahmen wird weiterhin vorge schlagen, den Aufbau zur Messung einschließlich der Material führungen durch entsprechende mechanische Mittel zu verbes sern. Insbesondere dann, wenn an Materialschüttungen auf einer sich bewegenden Führung - wie Förderbändern od. dgl. - gemessen wird, kann die Materialführung so gestaltet werden, daß unerwünschte Fehlerquellen bereits minimiert werden. Gleichermaßen können unerwünschte Oberflächenbewegungen von durchlaufenden Materialbahnen durch eine geeignete mechani sche Führung der Materialbahn, beispielsweise durch Walzen vor und hinter der Meßeinrichtung, minimiert werden.With the invention in particular by evaluation Means achieved that the so far not satisfactorily solvable Problem "flutter amplitude" can be neglected. In addition to the technical evaluation measures, work is still ongoing suggest the setup for measurement including the material guides by appropriate mechanical means to verbes ser. Especially when there is material on a moving guide - such as conveyor belts or the like - is measured, the material guide can be designed so that undesirable sources of error are already minimized. Likewise, unwanted surface movements of continuous material webs by a suitable mechani cal guidance of the material web, for example by rolling in front of and behind the measuring device.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigenFurther details and advantages of the invention emerge from the following description of the figures of the embodiment play with the drawing in connection with others Subclaims. Show it

Fig. 1 eine Meßanordnung zur Messung von optischen Spektren an einer Materialschüttung auf Förderbändern, Fig. 1 shows a measuring arrangement for measuring optical spectra in a bed of material on conveyor belts,

Fig. 2 Meßkurven von kontinuierlichen NIR-Spektren zweier verschiedener Holzmaterialien, Fig. 2 traces of continuous NIR spectra of two different wood materials,

Fig. 3 die zweiten Ableitungen der aus Spektren aus Fig. 2 abgeleiteten Absorptionskurven nach der Wellenlänge, Fig. 3 shows the second derivatives of the spectra derived from FIG. 2 absorption curves with respect to wavelength,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Anordnung speziell zur Mes sung an Holzhackschnitzelschüttungen, Fig. 4 is a plan view of an arrangement especially for Mes solution to wood chips beds,

Fig. 5 eine schematische Darstellung mit einem Meßarray zur Messung in Querrichtung zu einer Papierbahn, Fig. 5 is a schematic representation with a Meßarray for measurement in the transverse direction to a paper web,

Fig. 6 eine alternative Meßvorrichtung zu Fig. 5 zur tra versierenden Messung über einer Papierbahn und Fig. 6 shows an alternative measuring device to Fig. 5 for traversing measurement over a paper web and

Fig. 7 ein Intensitätsspektrum von Papier im NIR-Bereich mit einem zusätzlichen Laser-Intensitätspeak bei diskre ter Wellenlänge Fig. 7 shows an intensity spectrum of paper in the NIR range with an additional laser intensity peak at discre ter wavelength

In den Figuren sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.The same or corresponding parts are shown in the figures provided with the same reference numerals. The figures become partial described together.

In Fig. 1 ist eine Materialschüttung mit 1 bezeichnet, die sich auf einer senkrecht zur Papierebene bewegenden Trans porteinrichtung, beispielsweise Förderband 4, befindet. Die einzelnen Teile der Materialschüttung 1 auf dem Förderband 4 können z. B. Holzhackschnitzel sein, die zu einem Zellstoff kocher transportiert werden sollen.In Fig. 1, a material fill is denoted by 1, which is located on a trans port device moving perpendicularly to the paper plane, for example conveyor belt 4 . The individual parts of the material bed 1 on the conveyor belt 4 can, for. B. wood chips that are to be transported to a pulp cooker.

Die Materialschüttung 1 hat nach der Aufschüttung auf das Förderband 4 eine von der Schüttung und/oder Materialbeschaf fenheit ursächlich bewirkte, räumliche Ausbildung und damit eine örtlich variierende Oberfläche. Da die Materialschüttung 1 mit dem Förderband 4 bewegt wird, kann sich zudem die Mate rialoberfläche, insbesondere der Abstand zu einer Meßeinrich tung, auch noch zeitlich ändern.The material bed 1 has, after the filling onto the conveyor belt 4, a spatial formation caused by the bed and / or material procurement, and thus a locally varying surface. Since the material bed 1 is moved with the conveyor belt 4 , the mate rial surface, in particular the distance to a measuring device, can also change over time.

Am Schüttgut 1 sollen spektroskopische Messungen zur Erzie lung von Response-Signalen, die Aufschluß über die Material beschaffenheit des Schüttgutes 1 geben, durchgeführt werden. Dafür sind beispielsweise zwei Lichtquellen 10 und 20 vor handen, 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 Absorptions spektren im vorgegebenen Wellenlängenbereich zugeführt wird. Das Spektrometer 50 enthält in Fig. 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. On the bulk material 1 , spectroscopic measurements for the development of response signals which provide information about the material properties of the bulk material 1 are to be carried out. For this purpose, for example, two light sources 10 and 20 are present, with which light emitted in a predetermined spectral range is radiated into the bulk material 1 via lenses 11 and 21 . After interaction with the material of the bulk material 1 , the emitted radiation is detected. For this purpose, 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 contains in Fig. 1 detectors not shown in detail for measuring the radiation intensity, from which results as a complementary quantity, the absorption caused by the material. A computer, for example a PC 100 , can be present for evaluating the spectra.

In Fig. 2 sind Absorptionsspektren 22 und 23 von zwei unter schiedlichen 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 Be standteile des Holzes spezifisch und daher in der Grobstruk tur bei beiden Spektren 22 und 23 ähnlich.In Fig. 2 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 microns: with 22 a spectrum of eucalyptus ("eucalyptus globulus") and with 23 a spectrum of pine ("pinus pinaster "). 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 constituents of the wood and is therefore similar in the rough structure for both spectra 22 and 23 .

Durch Untersuchung der Feinstruktur über einen gewissen Wellenlängenbereich der beiden Absorptionsspektren 22 und 23 kann allein aus den Spektren zwischen Holzsorten unterschie den werden. Wesentlich ist dabei, die Spektren kontinuierlich zu erfassen.By examining the fine structure over a certain wavelength range of the two absorption spectra 22 and 23 , the spectra alone can be used to distinguish between types of wood. It is essential to continuously record the spectra.

Die Absorptionsspektren 22 und 23 der Fig. 2 zeigen aller dings auch, daß die spezifischen Unterschiede der einzelnen Holzsorten sehr gering sein können. Dies hat aber insbeson dere zur Folge, daß die meßtechnischen Randbedingungen einen bestimmenden Einfluß auf die Meßergebnisse haben und daß dadurch bei instabilen äußeren Meßbedingungen unterschied liche, 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 Ver fälschungen ergeben.However, 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. However, 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 with unstable external measurement conditions. Particularly due to the quadratic dependence of the absorption on the distance between the measuring point and the radiation source or radiation detector of the sensor, considerable falsifications can result.

In Fig. 3 sind speziell die zweiten Ableitungen der Absorp tionsspektren 22, 23 aus Fig. 2 nach der Wellenlänge λ, d. h. die Quotienten der differentiellen Absorption dA nach der differentiellen Wellenlängenänderung dλ (sog. Differential quotient), gebildet. Die einzelnen Ableitungen haben in der Fig. 3 für die jeweiligen Materialien die Bezugszeichen 32, 32', 32" entsprechend Spektrum 22 aus Fig. 2 und 33, 33', 33" entsprechend Spektrum 23 aus Fig. 2. Trotz verschiede ner Absolutintensitäten der Ausgangsspektren ergeben sich speziell in den zweiten Ableitungen der Kurven 32, 32', 32", und 33, 33', 33", . . . auch bei unterschiedlichen Rand bedingungen jeweils gleiche, für die Holzsorten charakteri stische Maxima bzw. Minima.In Fig. 3, the second derivatives of the absorption spectra 22 , 23 from Fig. 2 are formed according to the wavelength λ, ie the quotient of the differential absorption dA after the differential wavelength change dλ (so-called differential quotient). The individual derivatives in FIG. 3 have 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 . In spite of various absolute intensities of the Output spectra result especially in the second derivatives of the curves 32 , 32 ', 32 ", and 33 , 33 ', 33 " ,. . . Even with different boundary conditions, the same maxima or minima characteristic of the wood types.

Aus dem Vergleich von Fig. 2 und Fig. 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.From the comparison of Fig. 2 and Fig. 3 it can be seen that the problem of flutter amplitude is avoided if not the intensities themselves, but the first, second or higher derivatives are evaluated. Since the intensities at the different wavelengths are weakened in the same way by the distance, the differentiated signals in particular no longer depend on the distance between the sample and the sensor.

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 ver zichtet werden. Gegebenenfalls können die Intensitäten als empfindliches Abstandssignal: Probe - Sensor neben den Ab leitungen mit verwertet werden.With the results obtained in this way a Modeling the wood quality or quality in a wood chips mixture to control and Process control variables, for example one Derive cellulose stove. You can click on the evaluation the intensities or absorptions in principle completely ver to be waived. If necessary, the intensities can be as sensitive distance signal: probe - sensor next to the Ab lines are recycled.

Speziell für die Modellierung der Holzeigenschaften hat sich insbesondere die zweite Ableitung der gemessenen Spektren besonders gut geeignet, da in Fig. 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 Originalspektren.The second derivative of the measured spectra in particular has been particularly well suited for modeling the wood properties, since the differences in the types of wood can be seen particularly clearly in FIG. 3. Modeling with the second derivative delivers better results in practice than modeling with the original spectra.

Neben der Sensorik und der diesbezüglichen Auswertung mittels chemometrischer Methoden ist bei dem beschriebenen Meßproblem aber auch die Materialführung von besonderer Bedeutung. Hier zu ist in Fig. 4 gezeigt, wie speziell zur sachgerechten Messung bei Schüttgütern, wie beispielsweise Holzhackschnit zeln, gearbeitet werden kann.In addition to the sensors and the related evaluation using chemometric methods, the material management is also of particular importance in the measurement problem described. To this is shown in Fig. 4, how to work specifically for proper measurement of bulk goods, such as wood chips.

In der Draufsicht der Fig. 4 ist speziell eine Hackschnit zelschüttung 40 gezeigt, die nach Aufschüttung auf einem ersten Förderband 41 vorgegebener Breite geführt wird. Die Schüttung hat naturgemäß ein variierendes Breiten- und Höhen profil mit charakteristischer Oberfläche, was in Fig. 4 nur angedeutet ist.In the plan view of FIG. 4, a wood chip fill 40 is shown, which is carried out after filling on a first conveyor belt 41 of a predetermined width. The bed naturally has a varying width and height profile with a characteristic surface, which is only indicated in Fig. 4.

Es hat sich gezeigt, daß es zunächst einmal nützlich ist, das Schüttgut 40 in Querrichtung zur Richtung der Fortbewegung zu verbreitern. Dafür ist ein zweites, gegenüber Förderband 41 breiteres Förderband 42 vorhanden, auf dem nacheinander meh rere V-förmige Abstreifer 43 und 44 mit jeweils unterschied lich einstellbarer Höhe und Ausrichtung angebracht sind. Da bei ist beispielsweise Abstreifer 43 einteilig, während bei Abstreifer 44 jeweils zwei Teile relativ nahe hintereinander angeordnet sind. Somit wird das zugeführte Material in der Breite verteilt und werden bereits damit vorhandene Ober flächenschwankungen in erheblichem Maße ausgeglichen.It has been shown that it is useful first of all to widen the bulk material 40 in the direction transverse to the direction of locomotion. For this purpose, there is a second conveyor belt 42 which is wider than the conveyor belt 41 and on which a plurality of V-shaped wipers 43 and 44 , each with a differently adjustable height and orientation, are attached in succession. Since, for example, scraper 43 is in one piece, while in the case of scraper 44 two parts are arranged relatively closely one behind the other. Thus, the supplied material is distributed in the width and already existing surface fluctuations are compensated to a considerable extent.

Auf dem Förderband 42 folgen eine oder mehrere Walzen 45, 45', . . ., die obigen Effekt verstärken und die Oberfläche der Schüttung weiter einebnen. Anschließend erfolgt die Messung der kontinuierlichen Spektren in einer Meßeinrichtung 46, bei der vorteilhafterweise in Querrichtung zum Förderband 42 mehrere Lichtquellen und Sensoren gemäß Fig. 1 vorhanden sind.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 , in which several light sources and sensors according to FIG. 1 are advantageously present in the direction transverse to the conveyor belt 42 .

Mit der Anordnung gemäß Fig. 4 wird erreicht, daß bei Schüttgütern die Abstreifer 43 und 44 gut vor der eigent lichen Meßstelle 46 das zu messende Material mit einer defi nierten Materialhöhe einebnen und das Förderband 42 gleich mäßig 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 ange bracht. Zur Anpassung der Transportleistung an die Produk tionserfordernisse 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 ab nehmende Höhe in Richtung des Materialflusses vorzusehen.With the arrangement of FIG. 4 it is achieved that with bulk goods, the scrapers 43 and 44 well-leveled before the OWNER handy measuring point 46 material to be measured with a defi ned height of material and the conveyor belt 42 uniformly cover. In order to achieve uniform coverage of the conveyor belt 42 with the bulk material, the wipers 43 and 44 are introduced in a V-shape opposite to the material flow. In order to adapt the transport performance to the production requirements in practice, it is also possible to specify the height variation of the material wipers 43 and 44 . If several wipers 43 and 44 are used , the wiping heights can be different. It is favorable to provide a decreasing height in the direction of the material flow.

Wie bereits erwähnt, ist im Bereich der Meßstelle 46 das Förderband 42 breiter als entlang der übrigen Transport strecke 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.As already mentioned, in the area of the measuring point 46, the conveyor belt 42 is wider than along the rest of the transport route 41 , so as 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. In addition to the roller 45 , rollers can also be present behind the scrapers 43 and 44 , which run at the same speed as the conveyor belt 42 .

In Abwandlung zu Fig. 4 ist auch ein Verzicht auf die Ver breiterung 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.In a modification to Fig. 4, a waiver on the Ver widening of the conveyor belts is possible. For example, for the application that waste paper can be processed for the production of recycled paper, the waste paper is present as a bale or bed of flat particles. Here, only smoothing and / or pressing takes place, which is carried out in the same way as described above.

Ein weiterer Lösungsansatz für das oben beschriebene Meß problem sind spektroskopische Messungen durch ein für das Spektrum durchlässiges Fenster aus kratzfestem Glas, z. B. in der Seitenwand eines Trichters oder in den seitlichen Be grenzungswänden 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.Another approach to the measurement described above problem are spectroscopic measurements by one for the Spectrum transparent window made of scratch-resistant glass, e.g. B. in the side wall of a funnel or in the side loading boundary walls of a conveyor belt. It must go through the Construction and the position of the window must be ensured that the bulk material covers the window and thus the distance voltage fluctuates only slightly between the test object and the sensor.

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. The latter embodiment is particularly advantageous for the Measurement of granular goods with relative to the size of the window small dimensions such as wood chips or flat goods, such as waste paper, through the Dead weight are compressed.

Zur Optimierung der Meßeinrichtung und der Detektoren ist es sinnvoll, das Material mit mehreren Lichtquellen mit hohen Intensitäten auszuleuchten. Dabei ist entsprechend Fig. 1 das Licht parallel zu führen, wozu Lichtquellen mit Sammel linsen als Kondensoren verwendet werden. Um eine hohe Licht stärke am Detektor zu erreichen, wird ein möglichst großer Anteil des vom Schüttgut reflektierten Lichtes ausgewertet.To optimize the measuring device and the detectors, it makes sense to illuminate the material with several light sources with high intensities. Here, 1 is shown in FIG., The light guiding in parallel, to which light sources with convergent lenses are used as condensers. In order to achieve a high light intensity at the detector, the largest possible proportion of the light reflected by the bulk material is evaluated.

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.In addition, it is also possible to carry out an optical distance measurement in the sensor. For this purpose, 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 change in the intensity of the incident wavelength at 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 .

Letzteres ist insbesondere sinnvoll bei einer alternativen Anwendung der anhand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Vor gehensweise für spektroskopische Messungen an sich schnell bewegenden Materialbahnen. Beispielsweise schwingt die Ober fläche der in einer Papiermaschine schnellaufenden Papier bahn, die in Fig. 5 und Fig. 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 mini mieren. Derartige Walzen entsprechen Walze 45 aus Fig. 4, wie in Fig. 6 und 7 im einzelnen dargestellt werden.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. For example, the upper surface of the paper web moving at high speed in a paper machine, which is designated 70 in FIG. 5 and FIG. 6, swings in the vertical direction. In order to enable distance-sensitive measurements on such webs 70 , it is customary to minimize the oscillation or so-called fluttering of the material surface with a plurality of rollers before and after the measuring device. Such rollers correspond to roller 45 from FIG. 4, as shown in detail in FIGS. 6 and 7.

In den Fig. 5 und 6 bedeuten 71, 71', 71", . . . Strah lungsquellen für elektromagnetische Strahlung, mit denen die Papierbahn 70 insbesondere mit paralleler Lichtstrahlung beleuchtet wird. Zur Erfassung der Wechselwirkungssignale ist hinter den Strahlungsquellen 71, 71', 71", . . . eine Anordnung aus einzelnen lichtempfindlichen Detektoren 72, 72', 72", . . ., mit denen ein Intensitäts- bzw. Absorptionspektren auf genommen wird. Jedem Detektor 72, 72', 72", . . . ist ein Laser 73, 73', 73", . . . 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). Zweck mäßigerweise sollte der Laser mit einer Wellenlänge einstrah len, bei der keine nennenswerte Absorption durch das zu mes sende Material erfolgt.'.., 71 ",. Radia tion sources for electromagnetic radiation with which the paper web 70 is illuminated, in particular with parallel light radiation. To detect the interaction signals is behind the radiation sources 71, 71' in Figs. 5 and 6 represent 71, 71, 71 ",. . . an arrangement of individual light-sensitive detectors 72 , 72 ', 72 ",... with which an intensity or absorption spectrum is recorded. Each detector 72 , 72 ', 72 " ,. . . is assigned a laser 73 , 73 ', 73 ",... for intensity measurement at the characteristic wavelength. Such a laser 73 can, for example, be a laser diode into which a device for intensity measurement is integrated (monitor diode) radiate the laser with a wavelength at which there is no appreciable absorption by the material to be measured.

Im einzelnen ist die Meßeinrichtung in Fig. 5 als festste hende Arrayanordnung und in Fig. 6 als über der Papierbahn 70 traversierender Meßkopf ausgebildet. An der eigentlichen Signalaufnahme bzw. Signalauswertung ändert sich dadurch nichts.In particular, the measuring device in FIG. 5 is designed as a fixed array arrangement and in FIG. 6 as a measuring head traversing over the paper web 70 . Nothing changes in the actual signal recording or signal evaluation.

In Fig. 7 ist ein mit den Meßanordnungen entsprechen Fig. 5 oder Fig. 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 Aus schaltung 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. 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 . In addition to the characteristic curve of the spectrum 81 for paper, from which the absorption spectrum with the relevant derivatives according to the wavelength for the purpose of switching off the "flutter amplitude" is formed, the laser intensity peak 82 , the height of which is directly proportional to the distance between the sample and the sensor , use for distance correction.

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.In addition to the formation of the derivatives, the measured intensities and the associated standards continue to strive for the spectra in as possible several times in a short time and in a predetermined time interval be recorded and before the derivations are formed according to the Wavelengths averaging the detected signals he follows.

Claims

1. 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 emitted by a measuring device with at least one radiation source in the material and wherein after interaction of the radiation with the material with at least a detector, the intensity of the interaction signal is measured over a continuous, pre-given wavelength range, characterized in that only the derivatives of the intensity according to the wavelength are used for evaluation instead of the signal intensity of the continuously recorded spectra, whereby the effects of spatially and / or temporally Varying distance of the material surface to the radiation source can be eliminated.

2. The method according to claim 1, characterized records that derivatives of the intensity formed specific absorption according to the wavelength ver be applied.

3. The method according to claim 1 or claim 2, characterized characterized in that as derivatives of Intensity or specific absorption according to the waves length the first, second and / or higher differential quotient be formed.

4. The method according to claim 2 or claim 3, characterized characterized in that for modeling Properties specifically of wood the second derivative of the Intensity according to the wavelength is used.

5. The method according to any one of the preceding claims characterized by that several Radiation sources that emit parallel radiation, ver be applied.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for Ab level measurement additionally at least one laser with discrete Wavelength is used.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the continuous spectrum in the area of infrared (IR), measured especially in the area of near infrared (NIR) becomes.

8. The method according to any one of the preceding claims, marked in the application for material fillings, in particular of wood chips fillings on conveyor belts.

9. The method according to any one of the preceding claims, featured in the ongoing application Material webs, especially paper webs.

10. The method according to any one of the preceding claims, featured in the application on flat Goods, especially on bales of waste paper and waste paper on conveyor belts.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in one predetermined time interval is measured several times, and that the measured intensities and / or those derived therefrom Absorptions are averaged before evaluation.

12. An apparatus for performing the method according to claim 1 or one of claims 2 to 11, with a measuring device from a spectrometer ( 50 ) with at least one radiation source ( 10 , 20 ; 71 , 71 ', ...) and at least one detector ( 30 , 72 , 72 ',...) And an associated computer ( 100 ) with means ( 41 to 44 , 45 ) for evaluating the measurement signals in such a way that spatially and / or temporally varying distances of the material surface are compensated for by the measuring device .

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the spectrometer ( 50 ) is assigned a plurality of radiation sources ( 10 , 20 , 71 , 71 ', ... ) Which emit parallel radiation.

14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the spectrometer ( 50 ) is assigned at least one laser ( 73 , 73 ',..) With integrated intensity measuring device.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the laser is a laser diode ( 73 , 73 ',...) That radiates into the material at a wavelength at which the material to be measured has no or only negligible absorptions.

16. The apparatus according to claim 14 or claim 15, characterized in that each detector ( 72 , 72 ', 72 ",...) Is assigned its own laser ( 73 , 73 ', 73 ", ... ).

17. The apparatus according to claim 12, characterized in that the means ( 41 to 44 , 45 ) for compensating the spatially and / or temporally varying distance of the material surface from the measuring device are of a mechanical type.

18. The apparatus according to claim 12, wherein measurement is carried out on bulk material on at least one running conveyor belt, characterized in that a second, wider conveyor belt ( 42 ) is assigned to a first conveyor belt ( 41 ) for the bulk material ( 42 ).

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that in the direction of the material movement on the second conveyor belt ( 42 ) V-shaped ausgebil Dete wipers ( 43 , 44 ) are arranged, the orientation and / or height is adjustable.

20. The apparatus according to claim 17, characterized in that as a mechanical means to compensate for the spatial and / or temporally varying state of the material surface from the measuring device little least a height-adjustable roller ( 45 , 45 '...) Is available.

21. The apparatus of claim 20, wherein is measured on flat, temporally with its surface in height varying material webs, characterized in that several rollers ( 45 , 45 ',...) Are present before and after the measuring device ( 46 ) that minimize vibration of the material surface at the measuring location.

22. The apparatus according to claim 17, characterized ge indicates that the mechanical means for Keeping the distance between the material surface and Measuring device from a spectrally transparent window consist of that in the side wall of a funnel or in the Sidewall is housed on a conveyor belt on which the Conveying flow of the measured material is passed in a suitable manner becomes.