DE2309278B1

DE2309278B1 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften,zum Beispiel der Feuchtigkeit,bewegter Messgutbahnen mittels Mikrowellenenergie

Info

Publication number: DE2309278B1
Application number: DE2309278A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Kujath
Original assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Current assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1974-05-22
Also published as: GB1434882A; US3913012A; DE2309278C2; SE401737B; FR2219412A1; FR2219412B1

Description

richtet ist, daß in der den Mikrowellensender mit der Sendeantenne verbindenden Zuleitung ein Richtkoppler zur Auskopplung der von der Meßgutbahn in die Sendeantenne zurückreflektierten Mikrowellenenergie vorgesehen ist, weiter eine Einrichtung zur Unterdrückung von Reflexionen der Mikrowellenenergie in der Zuleitung zur Sendeantenne, eine Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne zur Sendeantenne sowie eine Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen auf Grund von Lageänderungen der Meßgutbahn.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Doppelausnutzung der Sendeantenne eine erhebliche Aufwandsverringerung erzielt. Meßtechnisch wird durch die rechtwinklige Einstrahlung der Sendeenergie von vornherein jede Parallelverschiebung des Wellenstrahles durch das Meßgut und damit der Einfluß der Antennencharakteristik auf das Meßergebnis vermieden. Durch die Unterbindung jeglicher Art stehender Wellen in und zwischen den am unmittelbaren Meßvorgang beteiligten Teilen der Meßeinrichtung von Anfang an wird auch der Einfluß solcher stehender Wellen auf das Meßergebnis vermieden. Aus beiden Maßnahmen resultiert eine bei bekannten Vorrichtungen der eingangs genannten Art nicht erzielbare Genauigkeit des Meßwertes und Unabhängigkeit derselben von Lage und Dicke der Meßgutbahn.

Die Verwendung einer bezüglich ihrer Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgutbahn ausgerichteten Sendeantenne ist an sich aus der USA.-Patentschrift 3 622 874 bekannt. Dort wird jedoch mit der Mikrowellenenergie die Dicke einer bewegten Meßgutbahn ermittelt, und es ist Aufgabe, eine möglichst geringe Trägheit der Anordnung zu erreichen, damit eine exakte Messung bei hohen Geschwindigkeiten der Bahn ermöglicht wird.

Dabei ist das Meßgut Bestandteil eines geschlossenen Mikrowellenoszillatorkreises und beeinflußt je nach seiner Dicke die erzeugte Oszillatorfrequenz, indem die elektrische Länge der den Oszillatorkreis bildenden Schleife durch das Meßgut verändert wird. Die Verwendung einer senkrecht zum Meßgut hin gerichteten Antenne zu dem der Erfindung zugrunde liegenden Zweck ist dort nicht entnehmbar, auch nicht andeutungsweise. Diese Literaturstelle konnte daher am Zustandekommen der vorliegenden Erfindung nichts beitragen.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne ein Totalabsorber an Stelle der Meßgutbahn zwischen die Antennen einsetzbar ist, daß die Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne aus einem in dieser Zuleitung angeordneten ersten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom Richtkoppler ausgekoppelte und einem ersten Gleichrichter zugeführte Mikrowellensignal verschwindet, daß die Einrichtung zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne zur Sendeantenne aus einem hinter der Empfangsantenne und zwischen dieser und einem Gleichrichter angeordneten zweiten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter bei Abwesenheit der Meßgutbahn bzw. des Totalabsorbers und bei eingestelltem ersten Anpaßglied abgegebene Signal verschwindet, und daß die Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen auf Grund von Lageänderungen der Meßgutbahn aus einem im Seitenarm des Richtkopplers vor dem ersten Gleichrichter angeordneten dritten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter abgegebene Signal in Anwesenheit der Meßgutbahn zwischen den Antennen einen Maximalwert aufweist, der sich bei Lageänderungen der Meßgutbahn nicht ändert.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in

ίο der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispieles erläutert, welches schematisch den Aufbau einer solchen Vorrichtung zeigt.

Zwischen der Sendeantenne 1 und der Empfangsantenne 2 ist die Meßgutbahn 2 angeordnet. Wie ersichtlich, strahlt die Sendeantenne 1, in der Regel eine Hornantenne, senkrecht auf das Meßgut 2, dasselbe trifft für die Anordnung der Empfangsantenne 3 für die Dämpfungsenergie zu.
Die Sendeantenne 1 wird von dem Oszillator 4 über die Richtungsleitung 5 und die einstellbaren Anpassungselemente 6 gespeist. Letztere bestehen in bekannter Weise aus Stiften, Schrauben, Blenden u. dgl.

An die Verbindungsleitung zwischen Richtungsleitung 5 und Anpassungselementen 6 ist der Richtkoppler 7 angeschlossen. Und zwar so, daß er nur Energie vom Teil 6 in Richtung Teil 5, also zurücklaufende Energie, weiterleitet. Der Richtkoppler 7 ist über einstellbare Anpassungselemente 8 an den Gleichrichter9 mit quadratischer Kennlinie angeschlossen, der auf der anderen Seite mit der Abstimmleitung 10 abgeschlossen ist. Diese dient in bekannter Weise dazu, den Gleichrichter 10 mit maximaler Energie zu beaufschlagen.

In ähnlicher Weise ist die Empfangsantenne 3 über einstellbare Anpassungselemente 11 an den Gleichrichter 12 mit ebenfalls quadratischer Kennlinie angeschlossen, der seinerseits mit der Abstimmleitung 13 versehen ist. Wie nach Vorstehendem ohne weiteres ersichtlich, steht am Ausgang des Gleichrichters 9 der Reflexionsmeßwert und am Ausgang des Gleichrichters 12 der Dämpfungsmeßwert zur Verfügung.

Zur Justierung der in der Figur skizzierten Meßeinrichtung zwecks Unterbindung stehender Wellen zwischen den Antennen wird im Ausführungsbeispiel folgendermaßen vorgegangen:

Zunächst wird ein Toalabsorber an Stelle des später auszumessenden Meßgutes 2 zwischen die Antennen 1 und 3 gebracht. Solche Totalabsorber sind bekannt. Mit ihnen wird bewirkt, daß die von der Sendeantenne 1 abgestrahlte Leistung nicht von außen her wieder teilweise in die Antenne zurückgestrahlt werden kann. In der Leitungsverbindung zwischen Sender 4 und Antenne 1 zurücklaufende Wellen können daher nur von innerer Reflexion im Leitungssystem herrühren. Die Anpassungselemente 6 werden nun so verstellt, daß die vom Richtkoppler 7 ausgekoppelte Energie zu Null wird. Dies wird am Ausgang des Gleichrichters 9 angezeigt. Selbstverständlich ist bei alledem die Abstimmleitung 10 so einzustellen, daß der Gleichrichter 9 an sich mit maximaler Energie beaufschlagt wird. Ist die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 Null, so bedeutet das, daß die innere Reflexion im System Sender 4—Antenne 1 ebenfalls Null ist.

Hernach wird der Totalabsorber zwischen den Antennen 1 und 3 entfernt. Bei sonst unveränderten

Verhältnissen zwischen den Teilen 4 und 1 zeigt nunmehr der Gleichrichter 9 einen gewissen Ausgangswert an. Dieser rührt von derjenigen Energie her, welche von der Empfangsantenne 3 in die Sendeantenne 1 zurückgestrahlt wird und in der Wellenleitung zur Richtungsleitung 5 zurückläuft.

Damit die Reflexion des Empfangssystems, bestehend aus den Teilen 3, 11, 12, 13, zu Null wird, dieses mithin als idealer Mikrowellenabsorber oder schwarzer Strahler wirkt, werden die Anpassungselemente 11 in Verbindung mit der Abstimmleitung 13 so eingestellt, daß die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 wieder zu Null wird. Die Verstellung der Teile 11 und 13 bewirkt hierbei, daß dem Gleichrichter 12 eine maximale Energie zugeführt wird.

Durch die eben geschilderten beiden Maßnahmen ist die Bildung stehender Wellen zwischen den Antennen 1 und 3 unterbunden. Durch Einfügen einer nicht total reflektierenden Probe, die auch das Meßgut selbst sein kann, in den Meßspalt zwischen die Antennen 1 und 3 werden die Verhältnisse etwas beeinflußt, so daß in geringem Maße sich wieder stehende Wellen ausbilden können, und zwar hauptsächlich zwischen Sendeantenne 1 und Probe. Um für diesen Fall die Meßgenauigkeit weiter zu erhöhen, sind die Anpassungselemente 8 vorgesehen. Diese werden so eingestellt, daß sich bei einer Lageänderung der Probe 2, die dem unvermeidlichen

ίο Flattern des Meßgutes in der Praxis entsprechen würde, die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 prozentual am wenigsten ändert. Wurde als Probe für diesen Feineinstellungsvorgang bereits ein Flächenelement des späteren Meßgutes verwendet, so stellen die Ausgangsgröße des Gleichrichters 9 den Reflexionsmeßwert Ur dar. In analoger Weise stellt die Ausgangsgröße des Gleichrichters 12 den Dämpfungsmeßwert U_n dar. Beide Meßwerte stehen nunmehr zur Quotientenbildung zur Verfügung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, wie z. B. der Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen, mit einem Mikrowellensender und einer daran über eine Zuleitung angeschlossenen Sendeantenne zur Durchstrahlung der Meßgutbahn mit Mikrowellenenergie, mit einer auf der der Sendeantenne abgewandten Seite der Meßgutbahn angeordneten Empfangsantenne zur Aufnahme der durch die Meßgutbahn gedämpften Mikrowellenenergie, die ein Maß für die zu bestimmende Eigenschaft darstellt, mit Einrichtungen zur Erfassung der von der Meßgutbahn reflektierten Energie und einer Auswerteeinrichtung, in der die hinter der Meßgutbahn empfangene Energie durch Quotientenbildung mit der reflektierten Energie von Störeinflüssen befreit wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne (1) bezüglich ihrer Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgutbahn ausgerichtet ist, daß in der den Mikrowellensender (4) mit der Sendeantenne (1) verbindenden Zuleitung ein Richtkoppler (7) zur Auskopplung der von der Meßgutbahn (2) in die Sendeantenne zurückreflektierten Mikrowellenenergie vorgesehen ist, weiter eine Einrichtung (6) zur Unterdrückung von Reflexionen der Mikrowellenenergie in der Zuleitung zur Sendeantenne, eine Einrichtung (11) zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne (3) zur Sendeantenne (1) sowie eine Einrichtung (8) zur Kompensation von Reflexionen auf Grund von Lageveränderungen der Meßgurtbahn (2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne (1) ein Totalabsorber an Stelle der Meßgutbahn zwischen die Antennen (1, 3) einsetzbar ist, daß die Einrichtung (6) zur Unterdrückung der Reflexionen in der Zuleitung zur Sendeantenne (1) aus einem in dieser Zuleitung angeordneten ersten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom Richtkoppler (7) ausgekoppelte und einem ersten Gleichrichter (9) zugeführte Mikrowellensignal verschwindet, daß die Einrichtung (11) zur Unterdrückung der Reflexionen von der Empfangsantenne (3) zur Sendeantenne (1) aus einem hinter der Empfangsantenne (3) und zwischen dieser und einem Gleichrichter (12) angeordneten zweiten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter bei Abwesenheit der Meßgutbahn bzw. des Totalabsorbers und bei eingestelltem ersten Anpaßglied (6) abgegebene Signal verschwindet, und daß die Einrichtung (8) zur Kompensation von Reflexionen auf Grund von Lageänderungen der Meßgutbahn aus einem im Seitenarm des Richtkopplers (7) vor dem ersten Gleichrichter (9) angeordneten dritten Anpaßglied besteht, das derart einstellbar ist, daß das vom ersten Gleichrichter (9) abgegebene Signal in Anwesenheit der Meßgutbahn (2) zwischen den Antennen (1, 3) einen Maximalwert aufweist, der sich bei Lageänderungen der Meßgutbahn (2) nicht ändert.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, wie z. B. der Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen, mit einem Mikrowellensender und einer daran über eine Zuleitung angeschlossenen Sendeantenne zur Durchstrahlung der Meßgutbahn mit Mikrowellenenergie, mit einer auf der der Sendeantenne abgewandten Seite der Meßgutbahn angeordneten Empfangsantenne zur Aufnahme der

ίο durch die Meßgutbahn gedämpften Mikrowellenenergie, welche ein Maß für die zu bestimmende Eigenschaft darstellt, mit Einrichtungen zur Erfassung der von der Meßgutbahn reflektierten Energie und einer Auswerteeinrichtung, in der die hinter der Meßgutbahn empfangene Energie durch Quotientenbildung mit der reflektierten Energie von Störeinflüssen befreit wird.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der USA.-Patentschrift 3 644 826 bekannt. Dort wird zur Erfassung der Reflexionsenergie eine besondere Antenne, genannt Streuantenne, verwendet, die schräg auf die Meßgutbahn gerichtet ist. In gleicher Weise ist die Sendeantenne schräg auf das Meßgut gerichtet. Diese Methode hat verschiedene Nachteile.

Durch die Notwendigkeit zweier Antennen auf der Welleneinfallsseite des Meßgutes ist ein relativ hoher Aufwand bedingt, besonders, wenn man die damit zusammenhängenden Bauteile, z. B. Wellenleitungen, mit in die Betrachtung einbezieht. Insbesondere ist jedoch nachteilig, daß die Erfassung der Dämpfungsenergie und der Reflexionsenergie bei der bekannten Vorrichtung mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist, die zu entsprechend geringer Genauigkeit beim erhaltenen Feuchte-Meßwert führen.

Bei der schrägen Durchstrahlung des Meßgutes tritt, wie sich zeigen läßt, eine Parallelverschiebung zwischen einfallendem Wellenstrahl und Ausgangsstrahl auf, welche mit der Schichtdicke und dem Feuchtegehalt wächst und beträchtliche Werte annehmen kann. In das Meßergebnis gehen daher die Charakteristiken von Sendeantenne und Empfangsantenne (Besselfunktionen) ein, die zu entsprechenden Nichtlinearitäten führen. In ähnlicher Weise ist die empfangene Reflexionsenergie mit großen Un-Sicherheiten behaftet. Durch die schräge Ausrichtung der Streuantenne auf das Meßgut gelangt nur ein an der der Sendeantenne zugewandten Meßgutseite reflektierter proportionaler Energieanteil in die Streuantenne, wohingegen der von der der Sendeantenne abgewandten Meßgutseite reflektierte Strahl zur Streuantenne parallel verschoben zurückläuft und mit der Antennencharakteristik bewertet wird. Der die reflektierte Sendeenergie beschreibende Reflexionsfaktor, der sich aus der Überlagerung beider Teilwellen ergibt, wird daher nur fehlerhaft erfaßt. Dies wirkt sich besonders bei großen Meßgutdicken und geringer Feuchte aus. Weiterhin bewirken die zwischen Sendeantenne, Meßgut und Streuantenne existierenden stehenden Wellen eine beträchtliche Lageabhängigkeit der gemessenen Reflexionsenergie, so daß hieraus ein weiterer Fehler resultiert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die vorstehend geschilderten Nachteile nicht aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne bezüglich ihrer Strahlungsrichtung senkrecht zur Meßgutbahn ausge-