DE2309278B1 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften,zum Beispiel der Feuchtigkeit,bewegter Messgutbahnen mittels Mikrowellenenergie - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften,zum Beispiel der Feuchtigkeit,bewegter Messgutbahnen mittels MikrowellenenergieInfo
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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
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.
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 Un dar. Beide Meßwerte stehen nunmehr
zur Quotientenbildung zur Verfügung.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
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-
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