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Dokumentenidentifikation DE10214584B4 08.07.2004
Titel Verfahren zur Kompensation des Einflusses physikalisch-chemischer, das Resultat einer Flächengewichtsmessung verfälschender Änderungen des Absorptionsvermögens einer Umgebungsatmosphäre in der Nähe geförderter Materialien
Anmelder Mahlo GmbH & Co KG, 93342 Saal, DE
Erfinder Raum, Klaus, Dr., 85356 Freising, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 03.04.2002
DE-Aktenzeichen 10214584
Offenlegungstag 18.09.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.07.2004
IPC-Hauptklasse G01N 27/62
IPC-Nebenklasse G01B 15/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation des Einflusses physikalisch-chemischer, das Resultat einer Flächengewichtsmessung verfälschender Änderungen des Absorptionsvermögens einer Umgebungsatmosphäre in der Nähe geförderter Materialien sowie eine Detektoranordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Flächengewichtsmessungen von Werkstücken und Materialien, z.B. textilen Materialbahnen, die insbesondere dann eingesetzt werden, um z.B. Güteeigenschaften der Materialbahn oder deren Beschichtung zu bestimmen, beruhen unter anderem auf Absorptionsmessungen mit Beta-, Röntgen- oder Gammastrahlung. Zwischen Strahlungsquelle und Materialbahn, sowie zwischen Materialbahn und einem Strahlendetektor des Absorptionsmessverfahrens befindet sich jedoch Umgebungsatmosphäre, z.B. Luft, welche ebenfalls Strahlung absorbiert und somit das Messergebnis nachhaltig beeinflusst. Die Umgebungsatmosphäre ist jedoch hinsichtlich ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften keineswegs konstant und kann insbesondere in einem großtechnischen Produktionsprozess durch Temperatur- und Druckschwankungen, sowie Schwankungen ihrer chemischen Zusammensetzung, sowie ihres Staubanteils zum Teil erhebliche Änderungen ihres Absorptionsvermögens aufweisen, die das Resultat der Flächengewichtsmessung verfälschen können, da eine Eichung für das Absorptionsmessverfahren immer von gewissen Normbedingungen der Umgebungsatmosphäre ausgeht. Ändern sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umgebungsatmosphäre, stimmt die Bezugsbasis und damit das Messergebnis nicht mehr.

Aus der DE 198 38 759 C2 ist ein Verfahren und ein Photoionisationsdetektor zur Spurengasanalyse vorbekannt. Die dortige Lehre zeigt auf, Ionisationsströme zu messen, um die Auswirkung verschiedener bzw. sich ändernder Umgebungsatmosphären auf die Absorption einer ionisierenden Strahlung zu erfassen und dieses Ergebnis dann dazu zu verwenden, um diesen Einfluss auf ein eigentlich interessierendes Meßsignal zu kompensieren.

Bezüglich der Bestimmung und der Kontrolle von Flächenmassen während der Produktion von Materialbahnen unter Nutzung einer Strahlungsquelle sei noch auf die DE 195 45 340 A1 sowie die EP 1 103 783 A1 verwiesen.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem in möglichst einfacher Weise Änderungen der Umgebungsatmosphäre erfasst und zu einer Korrektur oder Kompensation des Messergebnisses der Absorptionsmessungen bei Flächengewichtsmessungen an Materialbahnen genutzt werden können. Das Verfahren soll hierbei in einfacher und kostengünstiger Weise in eine bereits bestehende Absorptionsmesseinrichtung integriert werden können, im großtechnischen Maßstab einsetzbar sein und eine möglichst fortlaufende und selbsttätige Korrektur des Messergebnisses der Absorptionsmessung ermöglichen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Detektoranordnung für ein solches Kompensationsverfahren anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1, sowie durch eine Detektoranordnung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 5 gelöst.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, eine Leitfähigkeits- und/oder eine Stromstärkemessung in der Umgebungsatmosphäre durchzuführen und daraus einen Steuerparameter zu gewinnen, der auf das Meßsystem der Absorptionsmesseinrichtung in der Weise zurückwirkt, dass eine fortlaufende Korrektur des Messergebnisses der Absorptionsmessung bei einer Änderung der Bedingungen in der Umgebungsatmosphäre erfolgt.

Hierbei wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, dass die Leitfähigkeit eines Gases vom Druck, der Temperatur und dessen chemischer Zusammensetzung abhängt. Ist eine Normleitfähigkeit oder -stromstärke vorgegeben und weicht eine aktuell bestimmte Leitfähigkeit oder Stromstärke davon ab, kann die Abweichungsgröße zur Korrektur in weiteren Qualitätsprüfungsverfahren, insbesondere Flächengewichtsmessungen, die von den Eigenschaften der Umgebungsatmosphäre beeinflusst werden, herangezogen werden.

Da im allgemeinen Gase nicht inhärent leitfähig sind, ist es zunächst notwendig, für eine Stromstärkemessung innerhalb des Gases Ladungsträger zu erzeugen. Dies geschieht, indem mittels ionisierender Strahlung, insbesondere Röntgen-, Gamma oder Teilchenstrahlung, wie beispielsweise Beta-Strahlung, das zu untersuchende Gasvolumen teilweise ionisiert wird. Der Ionisationsgrad ist wiederum von den physikalisch-chemischen Bedingungen der Gasatmosphäre abhängig und schlägt sich unmittelbar in einem messbaren Strom nieder. Der Einsatz ionisierender Strahlung erweist sich vor allem dann als zweckmäßig, wenn die eigentliche Absorptionsmesseinrichtung ohnehin derartige Strahlung nutzt. Der Ionisationsgrad ist dann ein Maß für die Absorption der Strahlung durch die Luft. In diesem Falle ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren als ergänzende Komponente bei der Flächengewichtsbestimmung mit ionisierender Strahlung anzuwenden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Stromstärke- bzw. Leitfähigkeitsmessung zwischen einer Signalelektrode und einer dieser zugeordneten Gegenelektrode, die ein elektrisches Feld erzeugen. Um die Elektrodenanordnung von Signalelektrode und Gegenelektrode gegen störende Einflüsse abzuschirmen, wird ein Verfahren nach Art einer Guarding-Technik angewendet. Hierzu ist die Signalelektrode von räumlich benachbarten Guarding-Elektroden umgeben, die auf Erdpotential liegen. Es führen die Guardingelektroden zu einer Stabilisierung und Homogenisierung des elektrischen Feldes.

Üblicherweise befindet sich bei einer Flächengewichtsmessanordnung mit ionisierender Strahlung der Messdetektor auf der Seite der Materialbahn, die der Strahlenquelle entgegengesetzt liegt. Da die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umgebungsatmosphäre auf beiden Seiten der Materialbahn verschieden sein können, ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren beidseitig der Materialbahn einzusetzen und aus einer beidseitigen Messung Korrekturparameter zu gewinnen.

Eine Detektoranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, flächigen oder halbzylindrischen Elektroden, deren Oberflächen im wesentlichen parallel zum Verlauf der ionisierenden Strahlung orientiert sind. Zwischen den Elektroden wird durch eine Spannungsquelle ein elektrisches Feld erzeugt, welches über die erzeugten Ladungsträger zu einem Stromfluss führt. Der Stromfluss wird mittels eines hochohmigen Operationsverstärkers ausgewertet. Die Anzahl der freien Ladungsträger pro Zeiteinheit bestimmt die Größe des Stroms und steht in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften der umgebenden Luft.

Die Elektrodenanordnung besteht aus einer Signalelektrode und mindestens einer dieser gegenüberliegenden Gegenelektrode.

Der Operationsverstärker ist bei einer ersten Ausführungsform als invertierender Transimpedanzverstärker ausgebildet. Bei einer zweiten Ausführungsform kann dieser durch einen Integrator ersetzt werden.

Als Quelle ionisierender Strahlung kann insbesondere eine solche eingesetzt werden, die bereits als Detektionsstrahlung innerhalb der Absorptionsmesseinrichtung Verwendung findet. Insbesondere kommen elektromagnetische Strahlungsquellen für beispielsweise Gamma- oder Röntgenstrahlung oder Teilchenstrahlung mit einer ausreichenden Durchdringungsfähigkeit, beispielsweise Beta-Strahlung in Frage. Um eine Bündelung zu erreichen, wird die ionisierende Strahlung durch einen der Strahlungsquelle nachgeschalteten Kollimator geformt.

Da, wie bereits erwähnt, die Umgebungsatmosphäre auf beiden Seiten der Materialbahn unterschiedlich beschaffen sein kann, ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Detektoranordnung beidseitig der Materialbahn vorzusehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Detektoranordnung soll anhand eines Anwendungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

1 eine Detektoranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Elektrodenanordnung und Verstärkerschaltung;

2 eine Detektoranordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Elektrodenanordnung und einer Integratorschaltung sowie

3 einen Kompensationsaufbau aus zwei beidseitig einer Materialbahn befindlichen Detektoranordnungen und entsprechenden Verstärkerschaltungen.

Die erfindungsgemäße Detektoranordnung besteht aus einer Strahlungsquelle 1, die Teil einer nicht bildlich dargestellten Anordnung zum Messen von Flächengewichten von Materialbahnen, Werkstücken und dergleichen weiterer zu prüfender Messobjekte sein kann. Je nach Art der eingesetzten ionisierenden Strahlung kann diese als eine Röntgenstrahlungsquelle, beispielsweise einer Röntgenröhre der bekannten Bauarten, oder als eine radioaktive Strahlungsquelle, insbesondere mit einem beta- und/oder gammastrahlendem Material ausgeführt sein. Die Elektrodenanordnung besteht aus mindestens einer jeweils flächigen Signalelektrode 2, Gegenelektrode 3 und beidseitig in Strahl- sowie entgegen der Strahlrichtung in der Umgebung der Signalelektrode 2 angeordneten Guard-Elektroden 4 zur aktiven Abschirmung der Messanordnung.

Die Messanordnung wird von einer Spannungsquelle 5 mit Spannung versorgt, um ein ausreichendes elektrisches Feld zwischen den Elektroden zu erreichen. Der zwischen Signalelektrode 2 und Gegenelektrode 3 durch freie Ladungsträger bedingte Strom wird mittels eines Transimpedanzverstärkers 6 ausgewertet und als Korrekturgröße herangezogen.

Die Elektrodenanordnung umschließt mindestens einen Teil der Umgebungsatmosphäre der Materialbahn, die von einem Detektorstrahl 7 ionisiert wird. Der Detektorstrahl 7 erfüllt gleichzeitig zwei Funktionen. Zum einen trifft er auf die Materialbahn 9 und wird von dieser absorbiert, wobei aus dem Absorptionsgrad das Flächengewicht der Materialbahn, beispielsweise bei einem Trocknungsprüfverfahren bestimmt werden kann. Zum anderen ionisiert dieser zwischen der Elektrodenanordnung 2, 3 und 4 die hier befindliche Umgebungsatmosphäre teilweise und erzeugt freie Ladungsträger, die über das elektrische Feld von den Elektroden abgesaugt werden und somit zu einem Stromfluß führen. Da der Ionisationsgrad innerhalb des von den Elektroden umschlossenen Gasvolumens von der Dichte das Gases, und damit von dessen Druck sowie dessen chemischer Zusammensetzung abhängig ist, verändert sich der Stromfluß entsprechend im Sinne einer Indikatorfunktion.

Die beidseitig der Signalelektrode 2 angeordneten Guard-Elektroden 4 liegen auf Erdpotential und führen zu einer Feldhomogenisierung und Stabilisierung. Alternativ ist eine Signalauswertung auch mittels der in 2 dargestellten Integratorschaltung 6a möglich.

In 3 ist eine Anordnung aus zwei erfindungsgemäßen Detektoranordnungen dargestellt, die beidseitig der Materialbahn 9 befindlich sind. Die ionisierende Strahlung tritt aus der Strahlungsquelle 1 aus, durchläuft eine linksseitige Elektrodenanordnung, durchdringt die Materialbahn und trifft auf eine Blende 11 sowie einen Strahlendetektor 12. Dabei durchläuft der ionisierende Strahl in bereits beschriebener Weise die linksseitige Elektrodenanordnung wobei eine linksseitige Messung der physikalisch-chemischen Umgebungsparameter stattfindet und eine zweite, rechtsseitige Detektoranordnung, deren Elektroden im wesentlichen spiegelbildlich zur ersten Detektoranordnung ausgeführt sind. Hier findet ebenfalls eine Messung physikalisch-chemischer Umgebungsparameter, jedoch auf der Materialrückseite statt.

Beim Anwendungsbeispiel nach 3 werden die Ströme beider Detektoranordnungen über getrennte Transimpedanzverstärker ausgewertet, die jeweils ein Messsignal der linksseitigen als auch der die rechtsseitigen Umgebungsatmosphäre liefern und an eine der eigentlichen Flächengewichtsmessung dienende Auswerteeinrichtung 13 führen, um eine Korrektur oder Kompensation zu ermöglichen.

1 Strahlungsquelle 2 Signalelektrode 3 Gegenelektrode 4 Guard-Elektrode 5 Spannungsquelle 6 Transimpedanzverstärker 6a Integrator 7 ionisierender Strahl 8 Kollimator 9 Materialbahn 10 Masse 11 Blende 12 Strahlendetektor 13 Auswerteeinheit

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Kompensation des Einflusses physikalisch-chemischer, das Resultat einer Flächengewichtsmessung verfälschender Änderungen des Absorptionsvermögens einer Umgebungsatmosphäre in der Nähe geförderter Materialbahnen zum Zweck der Korrektur bei einer Absorptionsmessung, bei der die Absorption eines durch eine Materialbahn (9) hindurchgehenden Detektorstrahles (7) gemessen wird, wobei

    – eine Leitfähigkeits- und/oder eine Stromstärkemessung mindestens eines mittels ionisierender Strahlung teilweise ionisierten Bereichs der Umgebungsatmosphäre erfolgt und

    – daraus ein auf die bekannte Absorptionsmesseinrichtung zurückwirkender Steuerparameter erzeugt wird, wobei weiterhin

    – eine Abweichungsgröße der aktuell bestimmten Leitfähigkeit oder Stromstärke von einer vorgegebenen Normleitfähigkeit oder -stromstärke zur fortlaufenden Korrektur des Messergebnisses der Absorptionsmessung bei einer Änderung relevanter Eigenschaften der Umgebungsatmosphäre herangezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsatmosphäre mittels Strahlung, insbesondere hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, ionisiert wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschirmung der zur Leitfähigkeitsmessung dienenden Elektrodenanordnung Guarding-Elektroden eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeits- und/oder Stromstärkemessung auf beiden Seiten der Umgebung der flächigen Materialbahn durchgeführt wird.
  5. Detektoranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer im wesentlichen senkrecht zur geförderten Materialbahn (9) orientierten Strahlungsrichtung einer ionisierenden Strahlungsquelle (1) eine im wesentlichen parallel verlaufende Anordnung von Elektroden (2, 3, 4) mit im wesentlichen planer oder halbzylindrischer Oberfläche vorgesehen ist, die mit einer Spannungsquelle (5) in Verbindung stehen, wobei der Ionisationsstrom über eine Saugelektrode (2) und einen Verstärker (6) bestimmt wird.
  6. Detektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung aus einer Saug- oder Signalelektrode (2) und mindestens einer im wesentlichen dieser parallel gegenüber angeordneten Gegenelektrode (3) besteht, wobei beidseitig der Signalelektrode (2) in Längsrichtung der Anordnung Guard-Elektroden (4) angeordnet sind, welche in Verbindung mit der Gegenelektrode (3) ein elektrisches Feld erzeugen.
  7. Detektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker wahlweise als invertierender Transimpedanzverstärker (6) oder als Integrator (6a) ausgebildet ist.
  8. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierende Strahlung von einer hochenergetischen elektromagnetischen Strahlungs-, insbesondere als Gamma- oder Röntgenstrahlungs- und/oder Teilchenstrahlungsquelle, insbesondere Betastrahlungsquelle (1) erzeugt wird, deren Strahlquerschnitt mittels eines nachgeschalteten Kollimators (8) geformt ist.
  9. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese beidseitig in unmittelbarer Nähe einer flächigen Materialbahn (9), insbesondere einer textilen Bahn, angeordnet ist.
  10. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Strahlungsquelle (1) austretende Detektorstrahl (7) gleichzeitig die zwischen der Elektrodenanordnung (2, 3, 4) befindliche Umgebungsatmosphäre teilweise ionisiert.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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