DE2410571C2

DE2410571C2 - Einrichtung zur Messung bestimmter Eigenschaften, z.B. der Feuchtigkeit, bewegter MeBgutbahnen mit einem Mikrowellensender

Info

Publication number: DE2410571C2
Application number: DE19742410571
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Kujath
Original assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Current assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Priority date: 1974-03-06
Filing date: 1974-03-06
Publication date: 1975-12-11
Also published as: DE2410571B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung bestimmter 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, mit Einrichtungen zur Erfassung dtr von der Meßgutbahn reflektierten Energie, und einer Auswerteschaltung mit einer Divisionsstufe zur Ableitung eines dem Verhältnis aus gedämpfter und reflektierter Mikrowellenenergie entsprechenden Signals, wobei der Divisionsstufe je eine Multiplikationsstufe zur Multiplikation der gedämpften bzw. der reflektierten Mikrowellenenergie mit dem Reziprokwert der Senderleistung sowie Gerätekonstanten vorgeschaltet ist, ein Einstellorgan zur Einstellung des der Multiplikationsstufe für die reflektierte Mikrowellenenergie zugeführten Reziprokwertes der Senderleistung vorgesehen ist, mit dem das Ausgangssignal der Divisionsstufe bei Anwesenheit eines total reflektierenden Meßgutes zum Verschwinden gebracht werden kann, weiter ein Einstellorgan zur Einstellung des der Multiplikationsstufe für die gedämpfte Mikrowellenenergie zugeführten Reziprokwertes der Senderleistung vorgesehen ist, mit dem das Ausgangssignal der Divisionsstufe bei Anwesenheit eines verlustarmen Meßgutes der Dicke einer Viertelwellenlänge der Mikrowellenenergie zum Verschwinden gebracht werden kann, zwischen der Multiplikationsstufe für die reflektierte Mikrowellenenergie und der Divisionsstufe ein Differenzverstärker angeordnet ist, in dem die auf die Senderleistung normierte reflektierte Energie von einem Signal der Größe 1 subtrahiert wird, der Divisionsstufe eine Logarithmierstufe nachgeschaltet ist, sowie ein weiterer Differenzverstärker vorgesehen ist, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Ausgangssignal der Logarithmierstufe und dessen invertierender Eingang zur Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Meßgutarten und Meßgutdicken durch Funktionsgeneratoren mit die charakteristische Dämpfungskonstante des Trägermaterials einerseits und die Dicke der Materialbahn andererseits abbildenden Korrektursignalen beaufschlagbar ist. Eine derartige Einrichtung ist in dem Patent 23 61 677 vorgeschlagen.

Durch die genannten Funktionsgeneratoren zur Abgabe der Korrekturwerte ist eine sehr einfache Möglichkeit gegeben, sowohl die charakteristische Dämpfungskonstante, d. h. die Grunddämpfung des Trägermaterials, als auch die Dicke der Trägermaterialbahn einzustellen und damit das Gerät an unterschiedliche Meßprobleme und Meßgüter anzupassen.

Auf das nicht minder bedeutsame Problem einer reitet und dem anderen Eingang der Auswertestufe 3

optimalen Korrektur der Temperaturabhängigkeiten zugeführt. Die Auswertestufe bildet den Quotienten

in einem derartigen Mikrowellenftachtemeßgerät aus der Reflexionsenergie U_R und der Dämpf ungs-

wurde im Hauptpatent aus Gründen der Systematik energie U₀. Der Quotientenbilder umfaßt dabei

nicht eingegangen. 5 Logarithmierglieder, die entweder als Einzelstufe

Es ist bekannt, hierzu die Temperatur des Meß- dem Quotientenbilder selbst nachgeschaltet oder je-

objektes zu messen und damit den Dämpfungswert, weils in die Zweige U_R bzw. U₀ getrennt eingefügt

welcher eine Funktion der Feuchte ist, mit den Tem- sind; im letzten Fall kann der Quotientenbilder als

peratur-Mo3wert zu korrigieren; vgl. schweizerische einfacher Differenzverstärker ausgebildet sein.

Patentschrift 4 42 809, USA.-Patentschrift 36 44 826. io Am Ausgang der Auswertestufe steht die Konzen-

In beiden Fällen wird von einem in bezug auf die trationK in einem linearen und leicht weiter zu ver-

Temperaturkompensation homogenen Material einer arbeitenden Ausdruck zur Verfügung, wie einge-

einzigen Art ausgegangen. zeichnet. Hierin bedeuten d_M die Dicke der auszu-

Diese Methode führt zu beträchtlichen und nicht messenden Materialbahn, α_Λ1 die charakteristische tolerierbaren Meßfehlern, denn die Temperaturkoeffi- 15 Dämpfungskonstante des Materials der Meßgutbahn, z!2nten der' Dämpfungsbeiwerte von Wasser und / (&) den Temperaturgang der charakteristischen Trägermaterial weichen stark voneinander ab. Das im Dämpfungskonstante des Materials der Meßgutbahn, affgemeinen nicht polare Trägermaterial besitzt dabei d_w die Dicke des als Schicht gedachten Wassereinen kleinen linearen positiven oder negativen Tem- anteils in der Meßgutbahn, x_w die charakteristische peraturkoeffizienten, Wasser hingegen einen großen 20 Dämpfungskonstante von Wasser und φ (ϋ) den Temperaturkoeffizienten von ausgesprochen nicht- Temperaturgang der charakteristischen Dämpfungslinearem Verlauf. Wird, wie bei den bekannten Ein- konstante von Wasser.

richtungen, daß Meßgut als homogenes Material auf- Die Auswertestufe 3 ist mit dem nicht invertierengefaßt, so kann eine Korrektur immer nur für je- den Eingang 6 des Differenzverstärkers 7 verbunden, weils eine bestimmte Zusammensetzung des Meßgutes 25 An dem invertierenden Eingang 8 ist ein Umschalerfolgen. Bei änderer Materialzusammensetzung, ins- ter 9 mit den Schaltkontakten 10 und 11 angeschlosbesondere aber anderer Feuchte, führt diese Tem- sen. Hierbei ist der Kontakt Il mit Masse verbunperaturkompensation zu den erwähnten großen Ab- den, während der Kontakt 10 in Verbindung steht weichungen. mit verschiedenen einstellbaren Funktionsgenera-

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine 30 toren.

Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, Der Funktionsgenerator 12 dient zur Berücksichti-

welche die geschilderten Nachteile nicht aufweist. gung von i_M, während der Funktionsgenerator 13 zur

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen im Einstellung von d_M vorgesehen ist. In ähnlicher Weise Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Eine zweck ist der Funktionsgenerator 14 zur Realisierung des mäßige Ausgestaltung ist im Unteranspruch ange- 35 Temperaturganges der charakteristischen Dämpfungsgeben, konstante λ_Λ( des Trägermaterials der Meßgutbahn

Gegenüber der Hauptpatentanmeldung ist es mit- vorgesehen.

hin zur Lösung der geschilderten Aufgabe im Prinzip Die Temperatur der Materialbahn wird durch den nur erforderlich, zwei weitere Funktionsgeneratoren, Fühler 15, beispielsweise einem Strahlungspyrometer, welche die Temperaturkoeffizienten des Trägermate- 40 gemessen. A. η Stelle des vorher genannten Generators rials einerseits und des Wassers andererseits abbilden, 13 für die Dicke der Meßgutbahn kann auch eine ergänzend zu den Generatoren vorzusehen, welche Flächengewichtsmeßanlage 16 eingesetzt sein,
die charakteristischen Dämpfungskonstanten des An dem Differenzverstärker 7 ist ein Quotienten-Trägermaterials einerseits und des als Schicht ge- bilder 17 über seinen Eingang 18 angeschlossen, dachten Wassers andererseits repräsentieren. Da, wie 45 ^Sein anderer Eingang 19 ist mit einem Generator 20 aus der Hauptpatentanmeldung entnehtnbar, durch verbunden. Letzterer liefert einen elektrischen Wert, das dort gezeigte Auswerteverfahren ein lineares, welcher den Temperaturgang der charakteristischen computergerechtes Ausgangssignal erhalten wird, ge- Dämpfungskonstante λ_λ, des Wassers nachbildet. Der staltet sich die erfindungsgemäße Art der Tempe- Fühler 21 mißt die Temperatur des Wassers im MdJ-raturkompensation sowohl schaltungstechnisch als 50 gut. Diese ist daher mit der Temperatur des Materials auch aufwandsmäßig recht einfach und bedient sich der Meßgutbahn identisch. Daher kann auch für die üblicher und bekannter, zumeist wohlfeil im Handel Teile 15 und 21 ein gemeinsamer Temperaturfühler erhältlicher Bausteine der Elektronik. vorgesehen werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in Zwischen dem Differenzverstärker 7 und dem

der Zeichnung als Blockschaltbild dargestellten Aus- 55 Quotientenbilder 17 ist ein Meßinstrument 22 ange-

führungsbeispieles der erfindungsgemäßen Einrich- schlossen. Ein weiteres Meßinstrument 23 liegt am

tung erläutert. Die eingezeichneten Ausdrücke stellen Ausgang des Quotientenbilders.

dabei kein Rechenprogramm dar, sondern dienen Die Justierung der erfindungsgemäßen Einrich-

lediglich zum leichteren Verständnis des Sinnzusam- tung besteht im Prinzip aus zwei Schritten. Einmal

menhanges. 60 muß der Temperaturgang der charakteristischen

Eine symbolisch angedeutete Mikrowellenantenne Dämpfungskonstantc von Wasser mittels des Funk-

1 empfängt den vom Meßgut reflektierten Anteil der tionsgenerators 20 nachgebildet werden. Da dieser

Mikrowellenenergie. Dieser wird in einer Zwischen- Temperaturgang bekannt ist, erstreckt sich dieser

stufe2 aufbereitet und der Auswertestufe3 zugeführt. Justiervorgang auf eine entsprechende Anpassung

In ähnlicher Weise wird von der Antenne 4 der 65 bzw. Einstellung des Funktionsgenerators 20 oder

durch das Meßgut hindurchtretende Teil der Mikro- eine Auswahl aus einem Sortiment handelsüblicher

wellenenergie, nämlich die Dämpfungsenergie emp- derartiger Generatoren,

fanoen. Dieser wird in einer Zwischenstufe 5 aufbe- Zum anderen ist für einen vorgegebenen Anwen-

dungsfall der Temperaturkoeffizient c des Träger- lineare, von der Temperatur des Meßgutes unabhän-

materials zu ermitteln — falls dieser nicht anderwei- gige Größe an.

tig bekannt ist — und der ermittelte Wert sodann am Bei eine;· anderen Methode der Justierung des

Funktionsgenerator 14 einzustellen. Funktionsgenerators 14 kann der Umschalter 9 weg-

. 5 gelassen werden. Hierzu bringt man die absolut trok-

Hierzugilt: <x_u-J W - «mU ± ^€ϋ)· kene Probe bei einer bestimmten Temperatur, bei-

Zur Ermittlung dieses Temperaturkoeffizienten c spielsweise 0° C, in den Meßspalt und verstellt die

legt man den Eingang 8 des Differenzverstärkers 7 Einstellorgane für a_M (12) und d_M (13) so, daß das

über den Schalter 9 an den Kontakt 11 und damit an Instrument 22 den Wert Null anzeigt. Sodann wird

Masse und bringt hernach eine absolut trockene io die Temperatur der Probe in bestimmtem, definiertem

Probe des Trägermaterials bei zwei verschiedenen Maße erhöht und jetzt der Funktionsgenerator 14 se

Temperaturen in den Meßspalt der Mikrowellenmeß- verstellt, daß das Instrument 22 wiederum Null an-

einrichtung. Am Ausgang des Differenzverstärkers 7 zeigt. Damit ist der Justiervorgang beendet. Diese

erscheint dann ein Wert, der dem Ausdruck zweitgenannte Methode hat den Vorteil, daß man der

a_Md_M-f (ϋ) entspricht. Weil der Temperaturkoef- 15 Temperaturkoeffizienten c des Trägermaterial nichi

fizient eines Trägermaterials eine lineare Funktion aus zwei Werten berechnen muß und daß man gleich-

der Temperatur ist, kann aus diesen beiden Werten zeitig damit die Grunddämpfung, die durch das Trä

leicht der Temperaturkoeffizient c des Trägermate- germaterial hervorgerufen wird, selbsttätig mit be

rials berechnet werden. Der so ermittelte Wert von c rücksichtigt.

wird sodann am Funktionsgenerator 14 eingestellt 20 Nach Vorstehendem ist offensichtlich, daß die»

und der Eingang 8 des Differenzverstärkers 7 wieder Justierung oder Anpassung der Einrichtung an an

mit dem Kontakt 10 verbunden. Nun kann der Prüf- dere Meßgüter leicht auch vom Personal des Benut

ling in den Meßspalt eingeführt werden und das In- zers der Einrichtung an Hand einer einfachen Vor

strument 23 zeigt seinen absoluten Wassergehalt als schrift vorgenommen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 24 571

1. Einrichtung zur Messung bestimmter Eigenschaften, wie z. B. der Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen, mit einem Mikrowellensendcr 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, mit Einrichtungen zur Erfassung der von der Meßgutbahn reflektierten Energie, und einer Auswerteschaltung mit einer Divisionsstufe zur Ableitung eines dem Verhältnis aus gedämpfter und reflektierter Mikrowellenenergie entsprechenden Signals, wobei nach Patent 23 61 677 der Divisionsstufe je eine Multiplikationsstufe zur Multiplikation der gedämpften bzw. der reflektierten Mikrowellenenergie mit dem Reziprokwert der Senderleistung sowie Gerätekonstanten vorgeschaltet ist, ein Einstellorgan zur Einstellung des der Multiplikationsstufe für die reflektierte Mikrowellenenergie zugeführten Reziprokwertes der Senderleistung vorgesehen ist, mit dem das Ausgangssignal der Divisionsstufe bei Anwesenheit eines total reflektierenden Meßgutes zum Verschwinden gebracht werden kann, weiter ein Einstellorgan zur Einstellung des der Multiplikationsstufe für die gedämpfte Mikrowellenenergie zugeführten Reziprokwertes der Senderleistung vorgesehen ist, mit dem das Ausgangssignal der Divisionsstufe bei Anwesenheit eines verlustarmen Meßgutes der Dicke einer Viertel wellenlänge der Mikrowellenenergie zum Verschwinden gebracht werden kann, zwischen der Multiplikationsstufe für die reflektierte Mikrowellenenergie und der Divisionsstufe ein Differenzverstärker angeordnet ist, in dem die auf die Senderleistung normierte reflektierte Energie von einem Signal der Größe 1 iubtrahiert wird, der Divisionsstufe eine Logarithmierstufe nachgeschaltet ist, sowie ein weiterer Differenzverstärker vorgesehen ist, dessen nicht invertierender Eingang mit dem Ausgangssignal der Logarithmierstufe und dessen invertierender Eingang zur Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Meßgutarten und Meßguidicken durch Funktionsgeneratoren mit die charakteristische Dämpfungskonstante des Trägermaterials einerseits und die Dicke der Materialbahn andererseits abbildenden Korrektursignalen beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich an dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (7) ein den Temperaturgang der charakteristischen Dämpfungskonstante dts Trägermaterials abbildender Funktionsgenerator (14) angeschlossen ist und daß zwischen dem genannten Differenzverstärker und der An-Zeigevorrichtung (23) eine weitere Divisionsstufe (17) eingefügt ist, an deren zweiten Eingang (19) ein Funktionsgenerator (20) für einen den Temperaturkoeffizienten der zu messenden Eigenschaft abbildenden Korrekturwert angeschlossen ist.

2. Verfahren zur Justierung einer Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der zu messenden Substanz absolut freie Probe des Meßgutes in den Meßspalt der Einrichtung gebracht wird und daß aus den am Ausgang des Differenzverstärkers (7) bei verschiedenen Meßguttemperaturen auftretenden Meßwerten der Temperaturgang der charakteristischen Dämpfungskonstante des Trägermaterials der Meßgutbahn ermittelt wird.