DE2421299A1

DE2421299A1 - Verfahren und anordnung zur messung der optischen opazitaet

Info

Publication number: DE2421299A1
Application number: DE2421299A
Authority: DE
Inventors: Boong Cho
Original assignee: Industrial Nucleonics Corp
Current assignee: Industrial Nucleonics Corp
Priority date: 1973-05-09
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1974-12-19
Also published as: JPS5032982A; FR2229062B1; US3827808A; SE407981B; IE39867B1; GB1473233A; FR2229062A1; DE2421299C2; CA1010263A; FI58400C; FI58400B; IT1012219B; BR7403765D0; JPS5741689B2; IE39867L; AU6845374A

Description

2421?cm Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

nachqereicht

Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXIII/KS 8 MÜNCHEN 86, DEN f B. Sep.

POSTFACH 860 820 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Industrial Nucleonics Corporation, 650 Ackerman Road, Columbus, Ohio 43202, T.St.A.

Verfahren und Anordnung zur Messung der optischen Opazität

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der optischen Opazität eines sich bewegenden Papierstreifens. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei die Erfassung von durch den Papierstreifen geschicktem Licht und die Kompensation eines erfaßten Ansprechwertes für das Reflektionsvermogen des Materials, wodurch eine Opazitätsmessung möglich wird, welche unabhängig von Änderungen der Zusammensetzung des Materials ist.

Das Reflektionsvermogen von Papier ist als die relative Idchtmenge definiert, welche von einer großen Anzahl von aufeinander-

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gestapelten Papierstreifen reflektiert wird. Das Reflexionsvermögen des Papiers hängt eng mit dessen Glanz zusammen.

Bei der Herstellung und/oder Beschichtung von Papier ist es wichtig, den Grad zu messen und damit zu steuern, mit dem ein Druck auf der Rückseite eines Blattes oder auf nachfolgenden Blättern durch das erste Blatt sichtbar ist. Dies hängt sowohl von der Dicke als auch vom Reflektionsvermögen des Papiers ab, wobei das Reflektionsvermögen durch die Papierzusammensetzung beeinflußt wird.

Die generelle klassische Definition der Opazität als reziproker Wert der Durchlässigkeit ist nicht geeignet an das gewöhnliche menschliche Beobachtungsvermögen der Deckfähigkeit angepaßt. Daher hat die Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI) eine spezielle Definition der Opazität als Kontrastverhältnis Rq/Rq qq angegeben. Dabei bedeuten R_Q den Reflexionsgrad eines Papierblattes vor einem schwarzem Hintergrund und Rq oq cLen Reflexionsgrad vor einem weißen Hintergrund in !form von mit Magnesiumkarbonat beschichtetem Glas.

In der Industrie wird als Standardmeßinstrument ein von der Bausch and Lomb Optical Company hergestelltes Gerät verwendet, das im Grundsatz in der US-Patentschrift 1 950 975 beschrieben ist. Dieses Instrument wird mit Normproben, die vom Bureau of Standards erhältlich sind, geeicht. Mit diesem Instrument werden zwar für Laborzwecke ausgezeichnete Ergebnisse erzielt. Papierhersteller benötigen jedoch ein On-line-Meßinstrument, mit dem bei der Materialherstellung auf der Ausgangsseite von Papierherstellungs- oder BeSchichtungsmaschinen kontinuierlich gemessen werden kann. Mit einem derartigen Instrument kann der Herstellungsprozeß während seines Ablaufes manuell oder automatisch gesteuert werden, wodurch beträchtliche Mengen an Rohmaterialien einsparbar sind und die Qualität des Papiers verbessert werden kann.

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Beispielsweise durch in den US-Patentschriften 3 455 637 3 4-76 482 beschriebenes Instrument können Labormessungen der Opazität auf einer kontinuierlichen und automtatischen Basis simuliert werden. Die Möglichkeiten dieses Instrumentes werden auch in einem Artikel·mit dem Titel "A Noncontact Contrast-Ratio Opacimeter for On-Machine Measurements", in TAPPI, Volume 50, Nr. 2, Februar 1967, Seiten 65A bis 7OA beschrieben. Dort wird angegeben, daß dieses Instrument für kurze Zeitperioden ausgezeichnet arbeitet. Es scheint jedoch, daß es aufgrund von Nichtlinearitäten und großer Komplexität für Fabrikzwecke nicht praktisch ist, da Fabrikpersonal ein derartiges Instrument nicht richtig sauber halten und genau eichen kann.

Eine weitere Möglichkeit für eine On-L'ine-Messung der Opazität wird in einem Artikel mit dem'Titel "A Light Transmission Type On-Line Opacity Meter", in TAPPI, Volume 54, Nr. 3, März 1971» Seiten 411 bis 412 beschrieben. Dieses Instrument mißt lediglich die Durchlässigkeit des Papiers, wobei sich auf der einen Seite des Papiers eine Lichtquelle und auf der anderen Seite ein Photodetektor befindet. Aufgrund seiner Einfachheit eignet sich ein derartiges Instrument für Fabrikzwecke. Leider ist jedoch die optische Opazität keine eindeutige Funktion der Durchlässigkeit. Gemäß der TAPPI-Definition ist die Opazität durch die Beziehung

op = -~-2 (1)

*9

Die Opazität ist also das Verhältnis von zwei Reflektionswerten, wobei R₀ den Reflexionsgrad des Papiers auf weißem Hintergrund (eine Platte mit einem Reflektionsvermögen von weniger als 0,005) und Rq.89 ^den Reflexionsgrad <3-^es Papiers auf einem Hintergrund mit einem Reflektionsvermögen R von 0,89

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(Hintergrund aus Magnesiumkarbonat) bedeutetn. Gemäß der (Theorie von Kubelka-Munk ist der Reflectionsgrad von Papier durch die Beziehung

R = R₀ + -= S^ (2)

worin T_Q die Durchlässigkeit von Papier auf schwarzem Hintergrund bedeutet.
Die TAPPI-Opazität ergibt sich daher zu

op

0,89T₀
1 +

(1-0,89R₀) R₀

Diese Beziehung zeigt, daß die Opazität keine eindeutige Funktion der Durchlässigkeit ist, und läßt erkennen, warum eine Opazitäteichung, welche ausschließlich auf einer einfachen Durchlässigkeitsmessung beruht, einen Zusammensetzungsfehler aufgrund der Abhängigkeit der Opazität vom Reflexionsvermögen des Papiers nicht berücksichtigt. Aus diesem Grunde müssen bei derartigen Opazitätseichungen die Werte durch einen empirisch bestimmten Faktor korrigiert werden, welcher für jede Papierart festzulegen ist, um Unterschiede in der Papierzusammensetzung in bezug auf eine festgelegte oder willkürliche Standardzusammenetzung zu berücksichtigen. Wenn die sich im Reflexionsvermögen ausdrückende Papierzusammensetzung während der Herstellung einer Papierart konstant bleibt, so kann die einfacheDurchlässigkeitseichung unter Verwendung einer Schalteranordnung eleXrisch kompensiert werden. In der Praxis sind jedoch in vielen Fällen beträchtliche Variationen innerhalb einer speziellen Papierart vorhanden. Diese Variationen können während eines Produktionslaufs auf-grund von Unterschieden des der Maschine zugeführten Materials unvorhersehbar auftreten.

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so daß beträchtliche Fehler in der Opazitätsmessung vorhanden sein können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur kontinuierlichen On-Line-Opazitätsmessung anzugeben, wobei die Messung an allen Stellen über der Länge eines sich bewegenden Streifens vollständig mit Kontrastverhältniswerten korreliert ist. Die Messung soll dabei nicht nur genau sondern auch einfach und zuverlässig sein, um in einer Fabrik kontinuierlich durchgeführt werden zu können. Fehler aufgrund von Zusammensetzungsunterschieden oder anderen Änderungen im Streifen, welche das Reflexionsvermögen beeinflussen sollen dabei nicht auftreten. Weiterhin sollen auch Differenzen des Oberflächenreflektionsvermögens oder der Oberflächenbeschaffenheit kompensierbar sein. Schließlich soll eine Opazitätsmessung in bestimmten Opazitätsbereichen möglich sein, wenn zu erwarten ist, daß der Eeflektionsgrad des Papiers konstant bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Strahl sichtbaren Lichtes von einer Seite durch den Papierstreifen geschickt wird, daß der Lichtstrahl auf der anderen Seite des Papierstreifens zur Bildung eines Ansprechwertes, der ein Maß für die Intensität des durch den Papierstreifen gehenden Lichtes ist, erfaßt wird, daß der Ansprechwert als Funktion des Reflektionsvermögens des Papierstreifens modifiziert wird, indem zusätzlich eine vom Papierstreifen reflektierte Lichtmenge erfaßt wird, und daß der modifizierte Ansprechwert mit der optischen Opazität korreliert wird, um eine von Änderungen der Papierstreifen-Zusammensetzung unabhängige Opazitätsmessung zu erhalten.

Das erfindungsgemäßeVerfahren beruht grundsätelich auf einer Durchlässigkeitsmessung, wobei jedoch eine Kompensation

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des Durchlässigkeitssignals in bezug auf das Reflexionsvermögen des Papiers erfolgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Durchlässigkeitsmessung, welche durch eine Lichtquelle auf der einen Seite des Papierstreifens und einen Photodetektor auf der anderen Seite des Papierstreifens erfolgt, so modifiziert, daß ein Teilreflektor mit einem effektiven Reflexionsgrad zwischen etwa 20# und 7Q# zwischen dem Papierstreifen und dem Photodetektor angeordnet ist. Hinsichtlich der Durchlässigkeitsmessung dämpft der Reflektor den durch den Papierstreifen tretenden Lichtstrahl, so daß das Ausgangssignal des Photodetektors um einen vorgegebenen Prozentsatz gesenkt wird. Licht, das durcheLn gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehenes teilreüßktierendes Fenster reflektiert wird, wird jedoch auf die Detektorseite des Papierstreifens zurückgeführt und kann von diesem mindestens einmal erneut reflektiert werden. Speziell im !"alle eines Papierstreifens mit großem Reflexionsvermögen fällt möglicherweise der größte Teils dieses reflektierenden Lichtes auf den Detektor auf, wodurch das Ansprechen des Detektors auf die durch den Papierstreifen geschickte Strahlung an sich modifiziert und speziell verstärkt wird. Pur eine vorgegebene Durchlässigkeit des Papiers ist ein Streifen mit großem Reflexionsvermögen weniger durchlässig als ein Streifen mit kleinerem Reflexionsvermögen, so daß der Grad . der Beeinflussung des Detektor-Ausgangssignals als Funktion des Reflexionsvermögens erfolgt. Für einen Streifen aus stark absorbierendem Material, was einem entsprechend kleinem Reflexionsvermögen entspricht, wird das von dem teilreflektierendem Fenster auf den Papierstreifen reflektierte Licht ohne wesentliche Reflexion und Erfassung durch den Detektor weitestgehend durch den Papierstreifen absorbiert. Daher ist der Grad der Beeinflussung des Signals bei einem Papierstreifen mit geringerem Reflexionsvermögen kleiner.

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Bei einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher das teilreflektierende Fenster fehlt, ist zusätzlich zum Lichtdetektor, der auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Papierstreifens angeordnet ist, ein zweiter Detektor auf der Seite der Lichtquelle vorgesehen. Dieser zweite Detektor erfaßt Licht des auf den Papierstreifen auffallenden Lichtstrahls, das vom Papierstreifen reflektiert wird. Das Signal dieses zweiten Detektors"dient zur Modifizierung - speziell zur Verstärkung - des Signals vom ersten Detektor, wodurch ebenfalls eine Kompensation des Ansprechwertes des Durchsichtigkeitssignals im Hinblick auf das Reflektionsvermögen des Papierstreifens erfolgt.

In jedem Fall ist der modifizierte Ansprechwert vom Lichtdetektor mit der Opazität des Papierstreifens korreliert, wodurch ein Ausgangssignal erzeugt wird, das ein Maß für die Opazität und unabhängig von Unterschieden in der Reflektionscharakteristik des Papierstreifens ist, welche sich aus Zusammensetzüngsunterschieden des Ausgangsmaterials für den Papierstreifen ergeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine, beispeilsweise einer Papierherstellungsmaschine zusammen mit einer Opazitätsmeßanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Opazitätsmeßkopfes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform

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einer Anordnung zur Korrelierung des Detektor-Ausgangssignals mit der optischen Opazität;

IPig. 4 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Teilreflektor;

eine grafische Darstellung von Änderungen eines Zusammensetzungsfaktors F als Punktion des Reflektionsgrades R_Q für teilreflektierende Fenster mit unterschiedlichen Refklektionsgraden R-,;

ein Opazitäts-Diagramm zurErläuterung der theoretischen und praktischen Grundlagen des Verfahrens und der Anordnung gemäß der Erfindung;

Hg. 7 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung;

3?ig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung;

Pig. 9 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem zweiten Detektor zur Kompensation der Durchlässigkeitsmessungen als Funktion von Unterschieden im Reflektionsvermögen des Materials;

Fig. 10 eine vereinfachte Darstellung des Opazitätsdiagramms nach Fig. 6, in das eine Folge von Kurven gleichen Durchlässigkeitsvermögen eingetragen sind;

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines in der Anordnung nach Fig. 9 verwendeten Rechners; und

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines komplizierteren Analogrechners zur Verwendung in einer Anordnung nach Fig. 9

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In Fig. 1 ist ein Materialstreifen 10, beispielsweise ein Papierstreifen dargestellt, der aus einer Verarbeitungsmaschine 12, beispielsweise einer Papierherstellungs- und/oder Beschichtungsmaschine austritt. Um die Opazität des Streifens 10 im erfindungsgemäßen Sinne zu messen, wird der Streifen kontinuierlich durch einen Meßkopf 14 geführt. Dieser Meßkopf 14 umfaßt ein über dem Streifen 10 angeordnetes Lampengehäuse 16 (Fig. 2) sowie ein unter dem Streifen angeordnetes Detektorgehäuse. In Fig. 2 ist dieses Detektorgehäuse schematisch durch eine gestrichelte Erfassung 18 dargestellt.

Der Opazitätsmeßkopf ist in einer Meßanordnung angeordnet, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 668 401 beschrieben ist. Das Lampengehäuse und das Detektorgehäuse sind auf einer durch eine gestrichelte Linie 20 angedeuteten Querführungsstruktur montiert, welche mit einer konventionellen Querfübungsvorrichtung 22 gekoppelt ist, wodurch der Opazitätsmeßkopf über die Breite des Streifens, beispielsweise in eine gestrichelt dargestellte Stellung 14a bewegt werden kann. Der Meßkopf kann weiterhin auch zum Zwecke der Eichung der Anordnung in eine durch einen gestrichelten Kreis 14b dargestellte Stellung über den Streifen hinaus bewegt werden. Die Querfübungsvorrichtung wird durch ein konventionelles Steuer-/ Folgesteuer-Logiksystem 24 gesteuert.

Der Meßkopf 14 liefert über eine Leitung 26 ein Signal zu einem Meß- und Eichsystem 28. Das Ausgangssignal dieses Meß- und Eichsystems wird in ein Opazitäts-Aufzeichnungsgerät JO eingespeist. Das Meß- und Eichsystem 28 wird ebenso wie die Querführungsvorrichtung 22 durch das Steuer-/ Folge-Logiksystem 24 gesteuert. Weiterhin steuert das logische System 24 ein Verschlußsteuersystem 32 zum öffnen und Schließen einer Blende 80 im Meßkopf 14. Abgesehen vom Meßkopf 14 und von einigen geringfügigen, noch zu beschreibenden Änderungen

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entspricht die insoweit erläuterte Meßanordnung einer Anordnung, wie sie in der US-Patentschrift 3 668 401 beschrieben ist.

Gemäß 3?ig. 2 enthält das Lampengehäuse 16 eine kleine 12 Volt-Lampe 3^» welche an eine geregelte Lampen-Energieversorgung 36 (üg· 1) angeschlossen ist. Das Lampengehäuse ist im Inneren zur weitestgehenden Reduzierung von Reflektionen mattschwarz ausgekleidet. Das direkt von der Lampe 34- ausgesandte Licht wird durch eine Linsenanordnung in Form einer konvexen Linse 38 auf den Papierstreifen 10 geführt. Diese Linse bildet ein parallels Lichtbündel, wobei das Licht derart durch den Streifen. 10 läuft, daß Effekte vertikaler Ablenkung, d.h. Änderungen im Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Detektor so klein wie möglich gehalten werden.

Der Streifen läuft über eine polierte Platte 40 aus rostfreiem Stahl, welche über dem Detektorgehäuse 18 angeordnet ist. Im Bedaretfsfalle kann diese Platte 40 mit einer Oberflächenschicht aus reibungsarmem Material, beispielsweise einer harten Seflan-Yerbindung beschichtet sein. Der Streifen 10 wird normalerweise durch Saugwirkung in leicht gleitendem Kontakt auf der Platte 40 gehalten. Diese Saugwirkung wird durch einen King von Löchern, wie beispielsweise Löcher 42 und 44 erzeugt. Diese Löcher münden in einen ringförmig, exzentrisch abgeschrägten Krümmer 46.

Das Innere des Krümmers 46 wird durch eine Vakuumpumpe 48 auf einem unter atmosphärem Druck liegenden Druck gehalten, wobei für diese Pumpe ein Typ in Frage kommt, wie er in einer schwebenden Anmeldung der Anmelderin (Aktenzeichen der US-Patentanmeldung 286 075) beschrieben ist.· Diese Pumpe erzeugt den Unterdruck im Krümmer 46 dadurch, daß pro Zeiteinheit eine geringe Luftmenge aus einer Luftzufuhrvorrichtung 51 gemäß Hg. 1 mit relativ großem positivem Meßdruck durch ein Rohr 50

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und eine Düse 52 direkt nach unten durch mehrere aufeinanderfolgend größer werdende konische Venturi-Körper geblasen wird. Diese Körper werden durch einen Ständer 55 innerhalb eines Standrohres 56, das durch den Boden des Detektorgehäuses 18 offen ist, gehalten. Durch diese Maßnahme wird der geringe Strom von unter relativ hohem Druck stehender Luft in einen großvolumigen Luftstrom mit Unterdruck transformiert, welcher an der Unterseite des Standrohres 56 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.Auf diese Weise wird im Krümmer 46 ein Unterdruck erzeugt.

Die Saugwirkung auf der Unterseite des Papierstreifens 10 dient nicht nur dazu, den sich bewegenden Streifen zur Vermeidung von Flattern in leicht reibender Verbindung mit der Platte 40 zu halten. Die Saugwirkung übt darüber hinaus einen Unterdruck-Eeinigungseffekt aus, um Staub und andere kleine Teilchen von der Unterseite de.s Streifens zu entfernen, wodurch eine Ansammlung dieses Materials auf einem Detektorfenster 60 vermieden wird. Die Oberseite dieses Fensters liegt in einem Abstand von etwa 0,o38 mm unter der Oberfläche der Platte 40, um zu vermeiden, daß der Streifen 10 direkt auf dem Fenster reibt, wodurch Ablagerungen, eine Verfärbung oder Änderungen der optischen Eigenschaften des Fensters vermieden werden, welche auftreten würden, wenn das Fenster bündig in der Oberseite der Platte 40 liegen würde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das Fenster 60 den oben erwähnten Teilreflektor. Speziell besteht dieses Fenster aus Opalglas mit einem Reflexionsfaktor von etwa 0,5- Das Opalglas ist mit seiner durchscheinenden milchigen Oberfläche nach unten innerhalb des Detektorgehäuses vom Papierstreifen 10 abgewandt angeordnet.

Als Detektor findet eine Silizium-Photozelle 62 Verwendung, welche mit ihrem elektrischen Zuleitungen 64 innerhalb eines

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Ofens 66 mit Temperaturregelung angeordnet ist. Die Photozelle uncLder Ofen sind ihrerseits in einem Photozellengehäuse 68 mit einer Öffnung 70 montiert, welche mit einem abgedichteten dünnen Glasfenster 72 bedeckt ist.

Zwischen der Photozelle 62 sowie der Lichtquelle 34 und dem Fenster 60 ist ein Bandpaßfilter 74 vorgesehen, durch das die Spectralcharakteristik der Photozelle so eingestellt wird, daß sie lediglich auf Licht im sichtbaren Bereich anspricht. Diese Maßnahme ist zweckmäßig, da die "Deckeigenschaft" und die TAPPI-Opazität auf Werte im sichtbaren Bereich bezogen sind. Das Filter 74 ist im Ende eines langgestreckten Kurebstoffrohres 76 montiert, dessen anderes Ende an das Fenster 60 anstößt. Die Länge dieses Rohres 76 und des darin befindlichen Luftraumes sind so gewählt, daß die Photozelle 62 vom Streifen 10 und von der Außenatmosphäre thermisch isoliert ist. Diese Maßnahme ist zusätzlich zu einer konventionellen (nicht dargestellten) Isolation vorgesehen, welche das Photozellengehäuse 68 umgibt. Das Rohr 64 ist vorzugsweise mit einer Goldfolie ausgelegt, um Weitwinkelstrahlung auf den Photodetektor zu reflektieren.

Im Detektorgehäuse 18 ist weiterhin ein Hubdrehmagnet 78 vorgesehen, welcher auf seiner Welle eine schwarze undurchsichtige Blende 80 trägt. Bei Erregung durch das Verschlußsteuersystem 32 (Fig. 1) bewegt der Magnet 78 die Blende 80 in eine gestrichelt dargestellte Schließstellung 80a. In dieser Stellung verhindert die Blende, daß Licht auf den Photodetektor 62 auftrifft. Wie oben ausgeführt, wird als Meß- und Eichsystem 28 ein in der US-Patentschrift 3 668 401 beschriebenes System verwendet, in dem seinerseits ein Elektrometerkreis mit MOS-Feldeffekttransistoren gemäß der US-Patentschrift 3 654 468 verwendet wird. Die beiden genannten Patentschriften beschreiben speziell eine Meßanordnung mit einer beispielsweise Betastrahlung aussendenden Kernstrahlungs-

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quelle und einer Ionisationskammer als Detektor. Im Falle einer Ionisationskammer 'besitzt der Detektor-Lastwiderstand

11 einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10 Ohm, während der Widerstand für eine Silizium-Photozelle 100 Kiloohm beträgt. Wenn der Kreis .im Falle einer Ionsationskammer gemäß der US-Patentschrift 3 668 40.1 auf null gestellt ist, so ist der Elektrometer-Eingang von der Ionisationskammer abgeschaltet, wobei diese stattdessen an Erde geschaltet ist. Die Blende für die Kernstrahlungsquelle wird in Übereinstimmung mit den Strahlungs-Sicherheitsbedingungen geschlossen. Bei der Ausführungsform der Anordnung gemäß vorliegender Erfindung mit einem Photodetektor bleibt dieser während der Null-Eichung an den Elektrometer-Eingang angeschlossen. Da die Blende gemäß Fig. 2 auch bei der Null-Eichung geschlossen bleibt, wird der Kreis bei angeschaltetem Photodetektor an das Elektrometer auf null eingestellt, so daß durch die Null-Eichung der Effekt des Dunkelstroms des Photodetektors eliminiert wird.

Ein Blockschaltbild einer Opazitäts*—Meßanordnung gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Das Ausgangssignal des Photοdetektors 62 wird in einen Elektrometer- und Sfferverstärker 82 eingespeist, welcher auf einer Leitung 84· eine geeichte Ausgangsspannung für einen Regelverstärker 86 liefert. Dieser Rege!verstärker liefert seinerseits eine geeichte Spannung für das Aufzeichnungsgerät 30 über eine Leitung 88.

Die über die Leitung 88 in das Aufzeichnungsgerät 30 eingespeiste Spannung wird dadurch mit der optischen Kontrastverhältnis-Opazität, speziell der TAPPI-Opazitat des Papierstreifens 10 korreliert, daß ein Unterdrückungs-Digital-Analogkonverter 90 und ein Meßbereichs-Digital-Analogfeonverter 92 mit entsprechenden Eicheinstellung versehen sind. Die Anordnung kann dadurch geeicht werden, daß der Meßkopf 14 in die außerhalb

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des Papierstreifens liegende Stellung 14b (Fig. 1) gebracht wird imd daß Papier-Meßproben in die Anordnung eingesetzt werden, deren Opazität durch ein Meßgerät mit Labornorm bestimmt worden sind. Die Einstellungen der Digital-Analοg-Konverter 90 und 92 dienen dabei zur Korrelierung der Anzeigewerte auf dem Aufzeichnungsgerät mit den labormäßig bestimmten Opazitätswerten.

Bei dem vorgenannten Korrelationsverfahren handelt es sich um ein an sich bekanntes Verfahren zur Eichung derartiger Meßanordnungen. Der Unterdrückungs-Digital-Analog-Konverter 90 liefert dabei eine dem Signal am Ausgang 84 des Pufferverstärkers entgegengerichtete Spannung, so daß ein spezieller Ausgangswert der Ausgangsspannung zu null wird und das Aufzeichnungsgerät JO einen speziellen Wert für einen speziell vorgegebenen Opazitätswert ausliest. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann eine auf die Spannung am Ausgang 88 bezogene Eichkurve vertikal verschoben werden, um einen vorgegebenen Opazitätswert an einer vorgegebenen Stelle, beispielsweise am linken Ende oder im Mittelpunkt der Aufzeichnungsskala (Fig. 1) anzuzeigen. Durch die Einstellung des Meßbereichs-Digital-Analogkonverters 92 wird die Verstärkung des Regelverstärkers 68 gesteuert, wodurch die Steigung der auf die Spannung au^r^ejüusgang. 88 bezogenen Opazitätswertkurve so eingestellt werden kann, daß sich eine vorgegebene Änderung der Auslesewerte am Aufzeichnungsgerät für eine gegebene Änderung des Opazitätswertes ergibt.

Im Zusammenhang mit der vorstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungs-gemäßen Anordnung seien die theoretischen Grundlagen für das erfindungsgemäße Verfahren und die Kriterien zur Auswahl des Teilreflektors näher betrachtet. Die Darstellung nach Fig. 4 dient zur vereinfachten Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung nach

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Pig. 2. Γα Fig. 4 sind der Papierstreifen, das teilreflektierende Fenster und der Photodetektor ebenfalls mit den Bezugszeichen 10, 60 bzw. 62 bezeichnet. Gemäß dieser Darstellung tritt ein Lichtbündel 94 durch den Papierstreifen 10 hindurch. Das Fenster 60 besitzt einen Reflexionsfaktor von 0,5, so daß eine mit 94a bezeichnete Hälfte des Lichtbündels durch das Fenster 60 hindurchtritt, während die andere Hälfte vom Fenster reflektiert wird. Der durch das teilreflektierende Fenster 60 hindurchtretende Teil 94a des Lichtbündels trifft auf den Photodetektor 62 auf, so daß dieser einen Anzeigewert liefert, welcher ein Maß für die Intensität des durch den Papierstreifen 10 hindurchtretenden Lichtes ist. Die andere Hälfte des Lichtbündels, welche vom Fenster 60 reflektiert wird, trägt natürlich zu diesem Meßergebnis nicht bei. Der vom Teilreflektor 60 reflektierte Teil des Lichtbündels 94 enthält einen Lichtstrahl 96, welcher vom Papierstreifen 10 absorbiert wird.-Ein weiterer Strahl 98 tritt vollständig durch den Papierstreifen 10 hindurch. Ein dritter Strahl 100 wird von der Unterseite des Papierstreifens 10 reflektiert, tritt erneut durch das Fenster 60 hindurch und fällt auf den Photodetektor 62 auf. Damit wird das durch die Strahlen 94a erzeugte Grund-Durchlässigkeitssignal verstärkt, wodurch das durch das Heflektionsvermögen des Papiers 10 erzeugte Signal kompensiert wird.

Falls das Papier ein größeres Heflektionsvermögen besitzt, liegt ersichtlich eine größere Wahrseheinlichtkeit vor, daß einer der Strahlen 96 und 98 ebenfalls vom Papier reflektiert wird, wodurch der Detektor-Ansprechwert weiter verstärkt wird.

Um eine Vorstellung über die Art der Kompensation zu gewinnen, seien zwei Papierstreifen mit derselben Opazität und unterschiedlichem Eeflektionsvermögen betrachtet. Es sei angenommen, daß das Papier mit geringerem Eeflektionsvermögen zuerst ge-

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messen wird, wobei ein Signal gewonnen wird, das der Intensität der auf den Detektor 62 fallenden Strahlen 94a proportional ist. Wird nun das stärker reflektierende Papier in die Meßanordnung eingesetzt, so wird zunächst ein Teil des einfallenden Strahlenbündels 94 von der Oberseite des Papierstreifens 10 reflektiert, so daß weniger Strahlung 94a auf den Detektor auffällt, wodurch wiederum das Detektor-Ausgangssignal kleiner wird. Aufgrund der Wirkung des teilreflektierenden Fensters 60 und des höheren Reflektionsvermögens des Papierstreifens wird gedoch eine relativ größere Anzahl von Strahlen 100 von der Unterseite des Papierstreifens reflektiert, so daß das Ausgangssignal des Detektors 62 nahezu konstant bleibt. Es ist dabei jedoch zu bemerken, daß die Halte der von der Unterseite des Papierstreifens 10 reflektierten Strahlen vom Fenster 60 erneut reflektiert wird und daß daher im großen Maß Mehrfachreflektionen auftreten. Daraus ergibt sich eine Tendenz zur wirksameren Ausnutzung des Teilreflektors zwecks Kompensation des Reflektionsvermögens. Diese Phänomene sind natürlich komplizierter als die zur Erläuterung herangezogene vereinfachte Darstellung.

Gemäß der oben angegebenen Gleichung (3) gilt der Durchlässigkeitswert T₀ für einen schwarzen Hintergrund. Befindet sich das Papier auf einer Hintergrundsplatte mit dem Reflexionsvermögen R^, so kann gezeigt v/erden, daß Tq = (1-RqR^)T gilt. Daher kann die TAPPI-Opazitätsgleichung auch folgendermaßen geschrieben v/erden

op =

089 (1 -

R₀ ( 1 - 0,89R₀) (4)

Diese Gleichung (4) zeigt, daß die TAPPI-Opazität aufgrund des Faktors _P

R₀ (1 - 0,89R₀) (5)

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nicht nur eine !Punktion der Durchlässigkeit selbst ist.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm für den Faktor F, welcher als Zusammensetzungsfaktor als Funktion des Wertes Rq und des Reflektionsgrades des Papiers bei schwarzem Hintergrund für verschiedene Werte von R-, bezeichnet w-erden kann. Das Diagramm zeigt, daß es durch Wahl eines geeigneten Wertes für R, möglich ist, den Punkt mit der Steigung null in der F-Funktion mit einem speziellen Wert von R_Q im Bereich von 0,6 bis 0,9 oder, größer zusammenfallenzulassen. Der Wert R₀ kann daher in einem beträchtlichem Bereich über oder unter einem speziellen Wert liegen, ohne daß sich eine wesentliche Änderung für den Wert F ergibt. Solange der Faktor F im wesentlichen konstant bleibt, ist sein V/ert unkritisch, da er in die Eichung der Anordnung einbezogen ist.

Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines an sich bekannten Reflektionsgrad-Opazitätsdiagramms, das gemäß der Formel nach Kubelka-Munk konstruiert ist. Zur näheren Erläuterung der Ableitung dieses Diagramms wird auf die Veröffentlichung Color in Business, Science, and Industry, John V/iley and Son, inc., 1952, Fig. 100 auf Seite 519 hingewiesen. Im Diagramm nach Fig. 6 sind die nach rechts ansteigenden Kurven Kurven konstanten Reflektionsvermögens R _lJO . Der Wert R _v„ wird durch Messung des Rilektionsvermögens eines Papierstreifens über einem undurchsichtigen Stapel gleichartiger Papierstreifen anstelle einer Messung auf einer schwarzen Platte oder einer Platte aus Magnesiumkarbonat bestimmt. Die nach links ansteigenden Kurven sind Kurven konstanter Streuenergie sVJ, wobei s den Streukoeffizdenten und W das Grundgewicht des Papiers tedeuten.

Normalerweise besteht kein praktisches Bedürfnis für eine On-Line-Opatzitätsmessung für Papier mit Reflektionswerten außerhalb des Bereiches von etwa 0,75 bis 0,95. Für jeden zu

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messenden Wert der Τ,ΑΡΡΙ-Opazität ist daher lediglich ein bestimmter begrenzter Bereich für Werte von R_Q vorhanden, indem die Messung richtig ablaufen muß. Diese Werte können aus dem in Fig. 6 dargestellten Diagramm ermittelt werden. Beispielsweise bei einer Opazität von 0,95 und einem Reflexionsvermögen S^s- von 0,75 liegt der entsprechende Reflexionsgrad Rq bei etwa 0,73· Bei gleicher Opazität und einem Reflexionsvermögen von 0,95 liegt der entsprechende Reflexionsgrad R_Q bei etwa 0,88. Entsprechende Bereiche von R_Q für andere Opazitätswerte sind in Spalte (2) der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.

	Tabelle	(2)	1	(3)	(4)	(5)
(1)	Bereich von ^E0	angenäherter Optimalwert für konstan ten F-Wert	Optimales R, für ein deutige Opazität	gemessener Opazitäts bereich für
Opazität	0,73-0,88 0,70-0,83 0,67-0,78 0,64-0,73 0,60-0,68	0,7 0,65 0,6 0,4 0,3	0,6 0,5 0,4 0,3 0,2	94,8-95,2 89,9-90,1 84,7-85,3
0,95 0,90 0,85 0,80 0,75

In Spalte (3) dieser Tabelle sind angenäherte Optimalwerte von R. angegeben, für welche die F-ffunktion bei den in Spalte (1) angegebenen Opazitätswerten eine Null-Steigung besitzt. Wenn das FeE&er 60 gemäß Fig. 2 ein Reflexionsvermögen von 0,7 besitzt, so kann ein Papierstreifen 10 mit einer Opazität von 0,95 mit einem Eehler von null gemessen werden. Da die Steigung des Zusammensetzungsfaktors F bei einer Opazität von 0,95 gleich null ist, können Opazitätswerte, v/elche um geringe Beträge über oder unter dem Wert von 0,95 liegen, mit sehr geringen Eehlertoleranzen gemessen v/erden.

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Bei der praktischen Auslegung der Anordnung ist jedoch auch in Betracht zu ziehen, daß die Opazität bei höheren Werten stärker von der Durchlässigkeit T abhängt. Daher kann eine weit größere Abweichung des Zusammensetzungsfaktors Έ zugelassen werden, wenn mit der Anordnung ein Papier höherer Opazität gemessen wird. Aus Opazitätsberechnungen durch Computer-Analyse der Meßparameter ergeben sich die in Spalte (4) angegegeben optimalen Werte für E-,. Diese Werte liegen etwas tiefer als die in Spalte (3) angegebenen Vierte. Es ist jedoch zu bemerken, daß diese Werte durch Vergleich mit gewöhnlichen Fenstermaterialien gesichert sind. Gewöhnliches Fensterglas besitzt beispielsweise ein Reflexionsvermögen von lediglich etwa 0,05·

Bei den meisten Papierherstellungs- oder Beschichtungsverfahren, bei denen Opazifcätsmessungen erforderlich sind, liegt die Opazität generell im Bereich von 85 bis 95 "Punkten". Die Opazität in Punkten wird durch Multiplikation der in Spalte (1) angegebenen Opazitätswerte mit 100 erhalten. Das Reflektionsvermögen Rc*-, von durch diese Verfahren hergestelltem Papier kann wie oben erwähnt im Bereich von 0,75 bi^s 0,95 liegen. J¹Ur die überwiegende Anzahl von Opazitätsmessungen kann das teilreflektierende Fenster der bevorzugten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung daher einen festen Wert des Reflektionsvermögens von etwa 0,5 besitzen. In Spalte (5) der Tabelle Ί ist die Änderung der gemessenen Opazität in Punkten für drei Opazitätszielwerte aufgrund einer Änderung des Reflektionsvermögens des Papiers von 0,75 auf 0,95 angegeben. Die maximale Zusammensizungsverschiebung beträgt lediglich +0,3 Punkte. Es ist unwahrscheinlich, daß durch irgendeine Maschine hergestelltes Papier Reflektionsgrade besitzt, welche sich in einem derartig weiten Bereich ändern. In der Praxis liegt daher der tatsächlich auftretende maximale Zusammensetzungsfehler lediglich in der Größenordnung von etwa 0,1 Punkten.

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Mir den Ausnahmefall, in dem extrem große Änderungen des Reflektionsvermögens und/oder der Opazität auftreten, können Vorkehrungen zur Änderung von R^ zur Anpassung an derartige Materialerfordernisse getroffen werden. Eine Ausführungsform für diesen Zweck ist· in Fig. 7 dargestellt.

In dieser Anordnung nach Fig. 7 dient eine Revolverscheibe zur Aufnahme mehrerer teilreflektierender Fenster 60a, 60b und 60c. Diese teilreflektierenden Fenster mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen werden durch einen EensterverSchiebungsmechanismus 102 selektiv in die Stellung zwischen dem Lampengehäuse 16 und dem Photozellengehäuse 68 gebracht. Eine derartige Anordnung aus Revolverscheie und Verschiebungsmechanismus ist in der Strahlungsmeßtechnik an sich bekannt. Eine spezielle Einrichtung dieser Art wird beispielsweise in Westinghouse Descriptive Bulletin IJo. 404-100, September 1950 für eine Dickenmessung mit Röntgenstrahlen beschrieben. Der Fensterverschiebungsmechanismus 102 wird zweckmäßigerweise durch ein Bereichsschalt-Logiksystem 104 gesteuert, das auch die Digital-Analogkonverter 90 und 92 in einer in der US-Patentschrift 5 668 401 beschriebenen V/eise steuert.

Gemäß Fig. 8 ist es auch möglich, einen sich kontinuierlich ändernden R,-Wert vorzugeben. Wie diese Figur zeigt, ist das teilreflektierende Fenster 60 durch ein ebenes Glasfenster 110 ersetzt, über welches der Streifen 10 zwecks Messung läuft. Unter dem ebenen Glasfenster ist ein teilreflektierendes Fenster 6Od montiert. Dieses teilreflektierende Fenster 6Od sitzt in einem Träger 112, v/elcher über Stellschrauben 114 durch Aufwärts- und Abwärtsschrauben eingestellt v/erden kann. Die Stellschrauben drehen sich in Lagern 116, welche die Schrauben von der den Streifen 10 führenden Platte nach unten richten.

Das teilreflektierende Fenster 6Od soll typischerweise ein Reflektionsvermögen von mindestens 0,6 besitzen. Wenn diese durchscheinende Platte .6Od nahe beim Fenster 110 steht, so

409851 /0688 ~ ²¹ ~

liegt der Reflexionsgrad des Detektorkopfes nahe beim Reiflßktionsgrad dieser Pensterplatte 6Od. Wenn der Abstand durch Drehen der Schrauben 114 zwecks Absenkens der durchscheinenden Platte fortschreitend größer gemacht wird, nimmt der effektive Reflexionsgrad des Detektorkopfes graduell ab.

Die Einstellung der Stellschrauben 114 kann manuell erfolgen, wenn nicht periodische Änderungen erforderlich sind. Da die beweglich durchscheinende Platte jedoch ein unbegrenzt variables effektives Reflektionsvermogen R, ermöglicht, können die Einstellungen automatisch durch einen Servomechanismus 118 durchgeführt v/erden, welcher von dem durch das Meß- und Eichsystem 28a gelieferten Opazitäts-Ausgangssignal gesteuert wird.

S'ig. 9 zeigt eine Anordnung zur Messung der Kontrastverhältnis-Opazität ohne die Verwendung eines Teilrefiektors auf der Detektorseite des Streifens 10. Bei dieser Anordnung strahlt die Lichtquelle 34 durch ein Lichteingangsfenster 120 einer integrierenden Kugel 122, welche eine sehr gleichförmige Beleuchtung eines Teils des Streifens 10 durch ein Lichtausgangsfenster 124 gewährleistet. Der Lichtdetektor 62 ist innerhalb eines Gehäuses 128 in einem schwarzen Behälter 126 montiert. In einem Lichtdurchlaß in Form eines Flaschenhal>ansatzes 132 der integrierenden Kugel ist ein Detektor 130 für reflektieres Licht angeordnet, welcher den beleuchteten Teil des Streifens 10 auf der anderen Seite des schwarzen Behälters durch das Fenster 124 erfaßt.

Der Ausgang des Detektors 130 ist mit einem konventionellen Meß- und Eichsystem 28a gekoppelt, das ein ein Maß für den Reflexionsgrad R_Q darstellendes Ausgangssignal liefert. Entsprechend ist der Ausgang des Detektors 62 mit einem Meß- und Eichsystem 28b gekoppelt, das ein ein Maß für die Durchlässigkeit T₀ darstellendes Ausgangssignal liefert. Diese beiden Ausgangs-

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signale für ß_Q und T„ v/erden in einem Rechner 134 eingespeist, welcher ein ein Maß für die Opazität op darstellendes Ausgangssignal liefert. Dieses Ausgangssignal ist unabhängig vom Reflektionsvermögen des Papierstreifens 10.

Die Wirkungsweise des Rechners 134 läßt sich anhand der grafischen Darstellung nach Fig. 10 erläutern. Diese Darstellung entspricht im wesentlichen der Darstellung nach Fig. 6, wobei jedoch Teile, die für den hier zu diskutierenden EaIl nicht erforderlich sind, nicht dargestellt sind. In dieses Diagramm nach Fig. 10 ist eine Folge von Kurven gleicher Durchlässigkeit eingezeichnet, welche in Form von stark ausgezogenen Linien generell vertikal verlaufen undin der Zeichenebene nach oben links gering abgebogen sind.

Beispielsweise die Punkte der in der Zeichenebene rechten Kurve 140 gleicher Durchl ässigkeit v/erden durch Annahme eines konstanten Wertes von T_Q = 0,12 und Berechnung der Opazität aus Gleichung (3) für eine Anzahl von entsprechenden Werten R_Q gewonnen. Die Punkte der weiteren Kurven gleicher Durchlässigkeit v/erden unter Annahme von konstanten Werten für T_Q von 0,18, 0,24, 0,30, 0,36 und 0,42 gewonnen.

Für die Fälle, in denen die stark ausgezogenen Kurven gleicher Durchlässigkeit parallel zu dünn ausgezogenen, vertikal verlaufenden Geraden gleicher Opazität (wobei die TAPPI-Opazitätwerte gleich 0,95» o9o, 0,85, usw. sind) verlaufen, ist keine Kompensation des einfachen Detektors 62 der Anordnung nach Fig. 9 für Änderungen des Reflektionsvermögens erforderlich. Obwohl die Durchlässigkeit im gekrümmten Teil beispielsweise der Kurve 140 gleicher Durchlässigkeit bei großen Werten des Reflektionsvermögens konstant bleibt, nimmt die Opazität mit zunehmenden R_Q ab; daher muß das Op azibäts signal, das ein Maß für das konstante Ausgangssignal des Detektors 62 ist, abgestuft

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werden, um die Opazitätsabnahme anzuzeigen. Offensichtlich muß das Ausgangssignal des Detektors 62 zunehmen, wenn die Opazität abnimmt. Die erforderliche Korrektur simuliert daher eine Zunahme des Ausgangssignals des Detektors 62,vienn das Reflexionsvermögen bei konstanter Durchlässigkeit zunimmt. Dieser Effekt wird beispielsweise durch Verwendung des leilreflßktors 60 nach Fig. 2 erreicht.

Ein Eechner zur Addition eines einfachen linearen Korrekturterms zum Opazitätswert, welcher" direkt von der Durchlässigkeit T₀ ableitbar ist, ist in Fig. 11 dargestellt. Insgesamt wird die Opazität aus der Durchlässigkeit über die Beziehung op = A (1 - BT₀) gewonnen, worin A und B Eichkonstanten darstellen. Diese Beziehung gilt in Bereichen des Diagramms nach Fig. 10, in denen die Kurven gleicher Durchlässigkeit parallel zu den Geraden gleicher Opazität verlaufen. Das Durchlässigkeitssignal T~ vom Meß- und Eichsystem 28b wird in eine Multiplikationsstufe 136 eingespeist, in der es mit der über einen manuell einstellbaren Signaleingang eingespeisten Konstante B multipliziert wird. Das Produktausgangssignal BT₀ der Multiplikationsstufe 136 wird in eine Summationsstufe 138 eingespeist, und dort von einer eins darstellenden Konstanten subtrahiert, die über einen weiteren manuell einstellbaren Eingang eingespeist wird. Das Ausgangssignal der Summationsstufe 138 wird in eine Multiplikationsstufe 141 eingespeist und dort mit der Eichkonstanten A multipliziert, welche an einem weiteren manuell einstellbar». Eingang eingespeist wird. Das Ausgangssignal der MuItiplikationsstufe 141 wird auf eine Summationsstufe 142 gegeben, in der die Addition mit einem Reflektionskorrekturterm C_R erfolgt, um am Ausgang dieser Summationsstufe 142 ein Opazitätssignal zu erzeugen, das im Hinblick auf das Reflexionsvermögen des Papiers korrigiert ist.

In Bereichen, in denen Opazitätsmessungen normalerweise erforderlich sind, verlaufen die Kurven gleicher Durchlässigkeit, wie beispielsweise die Kurve 140 gemäß Fig. 10 parallel zu den

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Geraden gleicher Opazität bei kleinen Werten von R_Q, wobei sie bei einem bestimmten Wert ß voneinander abzuweichen beginnen. Generell kann der Wert ß für gewöhnliche Opazir-ätsmessungen zu 0,6 angenommen werden, da für kleinere Werte von R₀ keine ins Gewicht fallende Kompensation erforderlich ist.

Für Werte von R_n, welche kleiner als ß sind, ist der Kompensationsterm C₁-, gleich null. Bei größeren Werten von R₀ wird

XL U

der Korrekturterm gemäß der Beziehung C_R = Oi/ ( R₀ - ß ) berechnet. Zu diesem Zweck ist eine Summationsstufe 144 vorgesehen, welche ein ein Maß für den Wert R_Q darstellendes Signal vom Meß- und Eichsystem 28a und ein ein Maß für den Wert von ß darstellendes, manuell einstellbares Eingangssignal aufnimmt. Wie oben erwähnt, ist ein typischer Wert für ß = 0,6. In der Summationsstufe 144 wird der Wert ß vom Wert R₀ subtrahiert j wobei die Differenz in eine Multiplizierstufe 146 eingespeist wird, in der dieses Differenzsignal mit der Eichkonstantenc* multipliziert wird. Die Eichkonstante <X wird dabei über einen manuell einstellbaren Eingang eingespeist. Das Ausgangssignal der Multiplizierstufe 146 repräsentiert den Wert C_R und wird in ein Gatter 148 eingespeist. Dieses Gatter überträgt das C^-Signal auf die Summationsstufe 142 solange, bis an einem anderen Gattereingang 150 ein Sperrsignal auftritt. Dieses Sperrsignal am Eingang 150 wird vom Ausgang eines Triggers 152 geliefert. Der Trigger vergleicht die Amplituden der Signale ß und R₀ und liefert das Absehaltsignal am Ausgang 150 für das Gatter 148, wenn R_Q kleiner als. ß wird.

Der Rechner nach Pig. 11 stellt die einfachste Form eines Analogrechners .134 zur Verwendung in der Anordnung nach Fig. dar. Dieser Rechner berechnet die Opazität gemäß der Beziehung

op = A(1 - BT₀) + C_R

worin C_R #(^R0 " ^ß> wenn R_Q> ß (^ 0 wenn E₀ > B

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Eine vielseitigere und genauere Anordnung zur Messung der Opazität gemäß Fig. 9 ergibt sich bei Verwendung eines etwas komplexeren Rechners gemäß Fig. 12. Dieser Eechner berechnet die Opazität gemäß der Beziehung

ρ = A(1 -	BT₀)	"⁰R	^ß0	Rq	(7)	ß
	^γό( (R₀ -	ß) wenn	^ und T_n	^T0	1
	^το -
worin ΟΛ =		wenn	β
	0	oder

Der Rechner gemäß Fig. 12 enthält Computerelemente 136, 138, 141, 142, 144, 146 und 152, welche die gleichen Funktionen wie die entsprechenden Elemente im Rechner nach Fig. 11 ausführen. Darüber hinaus werden aber das Durchlässigkeitssignal Tq und eine Eichkonstante Y_t durch Summationsstufe 156 summiert, welche die Konstante tf vom Wert T_n subtrahiert. Das Ausgangssignal der Multiplikationsstufe 146, das wiederum die Größec< (Rq - ß) repräsentiert, wird in einer Teilerstufe 158 durch ein Ausgangssignal der Summationsstufe 156 dividiert, das die Größe T_Q - y repräsentiert. Das Ausgangssignal der Teilerstufe 158 wird durch ein modifiziertes Gatter 148a in die Summationsstufe 142 eingespeist. Dieses Gatter 148a entspricht dem Gatter 148 nach Fig. 11 mit der Ausnahme, daß es ein zweites Abschaltsignal von einem zweiten Trigger 160 aufnimmt. Dieser Trigger 160 bestimmt die Amplitude des Durchlässigkeitssignals T_Q und liefert immer dann ein Abschaltsignal, zum Gatter 148a, wenn T_Q größer als )( ist. Der Reflektionskorrekturterm C', v/elcher in der Summationsstufe 142 zum Opazitätssignal erster Ordnung summiert wird, ist immer dann null, wenn R_Q kleiner als ß oder wenn das Durchlässigkeitssignal T_Q größer als /

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Die vorstehend beschriebenöiAusführungsformen der Erfindung sind selbstverständlich auch noch abwandelbar. Beispielsweise werden in den Anordnungen nach den Fig. 2, 7 und 8 teilreflektierende Fenster 60 bis 6Od in einem Bereich von Reflektionsgraden zwischen etwa 0,2 und 0,7 verwendet. Aus der Anordnung nach Fig. 8 ist jedoch ersichtlich, daB auch Fenster mit tatsächlich höherem Reflektionsvermogen als etwa 0,7 entweder fest oder justierbar unter dem Öffnungsfenster 110 verwendbar sind, um effektive Eeflektionsgrade im obengenannten Bereich zu resLisieren.

Es ist weiterhin natürlich auch möglich, einen Teilreflektor durch eine Reihe von transparenten und total reflektierenden Elementen zu bilden. Eine Möglichkeit für eine derartige Ausgestaltung besteht darin, einfach Löcher in einen Spiegel zu bohren, die etwa die Hälfte der Spiegelfläche einnehmen. Ein derartiger perforierter Spiegel kann beispielsweise anstelle des Teilreflektors 60 b aus Opalglas gemäß Fig. 8 verwendet werden, so daß etwa die Hälfte des durch den Streifen 10 durchgelassenen Lichtes oder von ihm reflektieren Lichtes durch die Löcher tritt und auf den Detektor 62 auftrifft. Eine derartige Anordnung ist zwar möglicherweise gegenüber einem Reflektor jais Opalglas weniger zweckmäßig, was speziell für die Eichung gilt, wenn der Streifen nicht gemessen wird. Im Falle eines Reflektors aus Opalgjas wird das von der Lampe kommende Licht auch in dem Fall, in dem sich der Papierstreifen nicht im Meßspalt befindet difus über den Detektor verteilt, während bei einem perforiertem Spiegel wenigstens Teile des Detektors direkt von der Lichtquelle bestrahlt werden. Das kann dazu führen, daß das Eichsignal aufgrund von geringen Positionsverschiebungen des Lampen- und Detektorgehäuses einer Änderung unterliegt, so daß das Detektor-Ausgangssignal beim Eichvorgang wesentlich größer als beim Meßvorgang ist.

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Der Computer 1$4 nach Fig. 9 ist in den Figuren 11 und 12 in einer Ausführungsform als einfacher Analogrechner dargestellt. Stattdessen können jedoch auch Digitalrechner, welche gewöhnlich zu Gewichts- und Feuchtigkeit sme ssungen bei der Papierherstellung verwendet werden, so programmiert werden, daß Opazitätswerte aus Kessungen der Werte Eq und T_Q oder sogar aus den Ausgangssignalen der Detektoren 62 und 1JO berechnet v/erden können. Offensichtlich können bei Verwendung von Digitalrechnern die oben beschriebenen Korrekturterme durch kompliziertere Funktionen, wie beispielsweise parabolische Korrekturfunktionen oder Berechnungen unter Verwendung von Tabellenwerten ersetzt werden. Im Bedarfsfalle können daher die Opazitätsmessungen wesentlich genauer durchgeführt v/erden.

Wie in einem Artikel "The Meaning and Measurement of Opacity", in TAPPI, Mai 1967, Volume 50, Seiten 41a bis 45a ausgeführt wird, ist auch vorgeschlagen worden, die heutige Kontrastverhältnis-Definition der Opazität durch ein Kontrastverhältnis zu ersetzen, das zieht auf dem willkürlichen Wert R₀ on sondern auf dem Eeflektionsvermogen E ^ von Papier basiert. Bei dieser Definition kann die Teilreflektoranordnung nach den Fig. 2, 7 und 8 unzweckmäßig werden, so daß die Anordnung nach Fig. 9 mit einem Digitalrechner dann eine bevorzugte Ausführungsform darstellt.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung der optischen Opazität eines sich bewegenden Papierstreifens, dadurch gekennzeich-

■ net, daß ein Strahl sichtbaren Lichtes von einer Seite durch den Papierstreifen geschickt wird, daß der Lichtstrahl auf der anderen Seite des Papierstreifens zur Bildung eines Ansprechwertes, der ein Maß für die Intensität des durch den Papierstreifen gehenden Lichtes ist, erfaßt wird, daß der Ansprechwert als Funktion des Eeflektionsvermogens des Papierstreifens modifiziert wird, indem zusätzlich eine vom Papierstreifen reflektierte Lichtmenge erfaßt wird, und daß der modifizierte Ansprechwert mit der optischen Opazität korreliert wird, um eine von Änderungen der Papierstreifen-Zusammensetzung unabhängige Opazitätsmessung zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des modifizierten Ansprechwertes ein Teil des durch den Papierstreifen geschickten Lichtes auf den Papierstreifen zurückreflektiert wird, so daß es von diesem wiederreflektiert wird, und daß wenigstens ein Teil dieses reflektierten Lichtes erfaßt wird.

J. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des modifizierten Ansprechwertes auf der einen Seite des Papierstreifens ein Teil des durch den Papierstreifen geschickten Lichtstrahles, der von diesem reflektiert v/ird, erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche Λ bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Papierstreifen zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor für sichtbares Licht durchgeführt wird, wobei der Detektor den ein Maß für die Intensität des durch den Papierstreifen geschickten Lichtes darstellenden Ansprechwertes liefert.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der !Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes, welcher durch den Papierstreifen geschickt wird und auf den Detektor fällt, gefiltert wird.

6. Verfahren nach einem.der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechwert mit dem Kontrastverhältnis Rq/R korreliert wird, wobei R₀ den Reflexionsgrad des Papierstreifens gemessen auf einem schwarzen Hintergrund und R den Reflexionsgrad des Papierstreifens gemessen auf einem weißen Hintergrund

bedeuten.

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansprechwert mit dem Kontrastverhältnis Eq/Rq «9 ko^eüe¹* wird, wobei R₀ on cLen Reflexionsgrad des Papierstreifens gemessen auf einem Hintergrund aus Magnesxumkarbonat bedeutet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennz eichnet, daß wenigstens der jeweils erfaßte Teil des durch den Papierstreifen geschickten Lichtes und des vom Papierstreifen reflektierten Lichtes derart gefiltert wird, daß der Ansprechwert die Charakteristik des menschlichen Auges simuliert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Papierstreifen rückreflektierte Teil des durch den Papierstreifen geschickten Lichtes 20 bis 70# wenigstens des Teils des durch den Papierstreifen geschickten Lichtes beträgt, welcher effektiv zum Ansprechwert beiträgt.

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10.Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9» gekennzeichnet durch eine auf der einen Seite des Papierstreifens (10) angeordnete Quelle (34-) für sichtbares Licht und einen auf der anderen Seite des Papierstreifens (10) angeordneten, sichtbares Licht erfassenden Detektor: (62), eine an den Detektor (62) angekoppelte Schaltung zur Erzeugung des Ansprechwertes der ein Maß für die Intensität des durch den Papierstreifen (10) gestrahlten und durch den Detektor (62) erfaßten Lichtes ist, eine Einrichtung zur Modifizierung des-Ansprechwertes als !funktion des vom Papierstreifen (10) reflektierten Lichtes und durch eine Einrichtung zur Korrelierung des modifizierten Ansprechwertes mit der optischen Opazität des Papierstreifens.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung einen Reflektor (60,6oa bis d) zur Rückreflektion eines Seils des durch den Papierstreifen (10) gestrahlten Lichtes auf den Papierstreifen umfaßt, und daß das durchgestrahlte Licht und das reflektierte Licht durch den Detektor (62) erfaßbar ist.

12.Anordnung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (60a bis d) zur Reflektion eines variablen Teils des durchgestrahlten Lichtes ausgebildet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennz ei chne t, daß der Reflektor mehrere diskrete teilreflektierende Körper (60a bis d) umfaßt und daß eine Einrichtung (102,104) zur Auswahl eines der reflektierenden Körper zwecks Festlegung des variablen Lichtanteils vorgesehen ist.

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14. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (28a, 6Od, 112, 114, 116, 118) zur kontinuierlichen variablen Einstellung des variablen Lichtanteils.

15. Anordnung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen im Abstand vom Papierstreifen (10) angeordneten teilreflektierenden Körper (6Od) und durch eine Einrichtung (28a, 112, 114, 116, 118) zur Justierung des Abstandes zwischen dem teilreflektierenden Körper und dem Papierstreifen (10).

16. Anordnung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (28a, 112, 114, 116, 118) zur Justierung des Abstandes zwischen den teilreflektierenden Körper (6Od) und dem Papierstreifen (10) einen vom Detektor (62) gesteuerten Servomechanismus (118) aufweist.

17»Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifizierungseinrichtung einen zweiten, in bezug auf die Lichtquelle (34-, 122) auf derselben Seite des J^apierstreifens (10) angeordneten Detektor (130) zur Bildung eines zweiten Ansprechwertes aufweist, der ein Maß für die Intensität des vom Papierstreifen (10) reflektierten Lichtes ist, und daß eine Schaltung (28a, 28b, 134) zur Beeinflussung des dem dürchgestrahlten Licht entsprechenden Ansprechwertes als !"unktion des dem reflektierten Licht entsprechenden Ansprechwertes vorgesehen ist.

18.Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (28a, 28b, 134) einen an die das durchgestrahlte und das reflektierte Licht erfassenden Detektoren (62,130) angekoppelten Rechner (134) enthält,

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der ein ein Maß für die Kontrastverhältnis-Opazität darstellendes Ausgangssignal liefert.

19.Anordnung nach Anspruch 17 und 18, dadurch g e k e η nz ei chnet, daß der Rechner (134) cLie Opazität in Eorm der Beziehung R_n/R berechnet, wobei

υ g

R₀ den Reflexionsgrad des Papierstreifens (1O) gemessen auf einem schwarzen Hintergrund und R den Reflexionsgrad des Papierstreifens gemessen auf

S
einem weißen Hintergrund

bedeuten.

20. Anordnung nach den Ansprüchen 17 bis 19? dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (34,122) eine integrierende Kugel (122) mit einem Lichteingang (120)j einem ersten Lichtausgang (124) im Bereich des Papierstreifens (10) und einem zweiten, dem ersten Lichteingang diametral gegenüberliegenden Lichtausgang (132) aufweist und daß der zweite Detektor (130) im zweiten Lichtausgang (132) angeordnet ist.

21.Anordnung nach den Ansprüchen 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der das durchgestrahlte Licht erfassende Detektor (62) in einem schwarzen Behälter (128) angeordnet ist und daß der zweite Detektor (130) in einer Stellung angeordnet ist, in der er von dem Teil des Papierstreifens (10) reflektiertes Licht erfaßt, der im Bereich des schwarzen Behälters liegt.

22.Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationseinrichtung das hinsichtlich des Reflektionsvermögens des Papierstreifens (10) modifizierte Ansprechsignal mit der optischen Kontrastverhältnis-Opazität des Papierstreifens korreliert.

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23.Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor als durchscheinendes, teilreflektierendes Fenster (60,6Od) mit einem effektiven Eeflektionsvermogen im Bereich von etwa 20 bis 70$ ausgebildet ist.

24.Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das teilreflektierende Fenster (60, 6Od) aus Opalglas hergestellt ist und daß seine reflektierende Seite dem Papierstreifen (10) zugekehrt ist.

25,Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 24, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (40) durch welche der Papierstreifen (10) in bezug auf das teilreflektierende Fenster (60,6Od) in einer fest beabstandeten Ebene gehalten ist.

26.Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 25, gekennzeichnet durch eine Luftdruckvorrichtung (46,48, 50,51) zur Entfernung von Fremdstoffen vom Papierstreifen (10) im Bereich des Fensters (beispielsweise 60) zwecks Vermeidung der Ablagerung von Fremdstoffen auf dem Fenster.

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