DE2939554A1

DE2939554A1 - Feuchteprofil-messanordnung mit mikrowellen

Info

Publication number: DE2939554A1
Application number: DE19792939554
Authority: DE
Inventors: Walter Wyslouzil
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5559333A; FI792964A; CA1124326A; US4193027A; GB2033090B; GB2033090A

Description

Die Erfindung betrifft eine Feuchte-Meßvorrichtung für Bahnen oder Schichten und insbesondere eine mit Mikrowellen betriebene abtastende Feuchte-Meßvorrichtung, mit der ein Feuchteprofil der Bahn oder Schicht erzeugt werden soll.

Bei der Steuerung von Papiererzeugungsmaschinen ist es vorteilhaft, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des erzeugten Papiers bei den verschiedenen Herstellungsstufen bestimmt wird. Um dies zu erreichen, sind entweder feststehende oder abtastende Mikrowellen-Feuchtedetektoren im Gebrauch, um den Feuchtegehalt der Bahn oder Schicht zu erfassen, die sich mit einer Geschwindigkeit zwischen etwa 30 m/min bis zu mehr als 300 m/min (= 100 ft.p.m. bis einigen Tausend ft.p.m.) bewegt. Eine Sensorart, die zu diesem Zweck benutzt werden kann, besteht aus einem Streufeld-Sensorkopf, der in Berührung mit einer Seite der Bahn steht. Das Streufeld tritt mit der Bahn in Wechselwirkung und es wird Mikrowellenleistung absorbiert. Die Leistungsabschwächung oder der Leistungsverlust beim Sensorkopf ist damit eine Funktion der in der Bahn vorhandenen Feuchtigkeit. Eine andere Sensorart besteht aus einem Sendetrichter oder -horn an einer Seite der Bahn und einem Empfängertrichter oder -horn an der anderen Seite. Dadurch wird ein berührungsloser Sensor gebildet und ein bestimmter Anteil der durch die Bahn übertragenen Mikrowellenleistung wird durch die in der Bahn vorhandene Feuchtigkeit absorbiert. Damit ist die durch das Empfängerhorn oder den Empfängertrichter aufgenommene Leistung eine Funktion des Feuchtigkeitsgehalts der Bahn.

Es ist in vielen Fällen sehr wünschenswert oder vorteilhaft, die Bahn oder Schicht über ihre Gesamtbreite abzutasten, so daß ein Feuchteprofil der Bahn erhalten wird. Es sind zwei Arten von Abtastsystemen im Gebrauch, eine mechanische Ab-

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tastvorrichtung und eine weitere, bei der elektronische Schaltungen benutzt werden. Bei dem mechanischen System, dem einzigen zur Zeit gebräuchlichen System, wird der Sensor körperlich über die Gesamtbreite der Bahn bewegt. Durch die dazu nötigen Bewegungsführungen ergibt sich ein ziemlich kompliziertes Gerät; das erhaltene Profil wird durch die Bewegungsrichtung der Bahn oder Schicht geändert. Bei dem elektronischen System nach US-PS 3 55k 260 wird die Hochfrequenzleistung von einem Sensor auf den anderen umgeschaltet und es sind ausgeklügelte Steuersysteme nötig. In der US-PS 3 470 3h3 ist ein System beschrieben, bei dem mechanische Abtastung und elektronische Verarbeitung des Ausgangssignals einer Anordnung einzelner Feuchte-Meßsensoren verwendet wird.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Abtast-Feuchteerfassungssystem mit Mikrowellen zum Messen des Feuchtigkeitsprofils einer Schicht oder Bahn zu schaffen. Dieses Ziel wird neben anderen mit einer Erfassungsvorrichtung erreicht, bei der eine vorbestimmte Anzahl von Feuchtesensoren so voneinander mit Abstand angeordnet sind, daß die Gesamtbreite einer Bahn oder einer Schicht überspannt wird, so daß im erregten Zustand jeder Sensor einen begrenzten Flächenbereich der Bahn mit Mikrowellenenergie beaufschlagt. Mit dem Eingang jedes Sensors ist ein erstes Filter gekoppelt, während ein zweites Filter mit dem Ausgang jedes Sensors gekoppelt ist. Diese beiden, ein Filterpaar bildenden Filter, die einem bestimmten Sensor zugeordnet sind, sind auf die gleiche Frequenz abgestimmt, während die verschiedenen Filterpaare auf verschiedene vorbestimmte Frequenzen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes abgestimmt sind. So arbeiten die Sensoren bei bestimmten, unterschiedlichen Frequenzen in im wesentlichen einander nicht überdeckenden Frequenzbereichen. Eine Mikrowellenquelle ist mit den Ein-

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gangs filtern gekoppelt und wird so gesteuert, daß sie das gewählte Frequenzband durchläuft und so nacheinander jeden Sensor beaufschlagt. Mit den Ausgangsfiltern ist ein Detektor gekoppelt, der die aufeinanderfolgenden Energieabgabesignale der Sensoren erfaßt, welche eine Funktion des Feuchtigkeitsgehalts der einzelnen begrenzten Flächenbereiche der Bahn sind, die mit den einzelnen Sensoren in Beziehung stehen.

Jeder Sensor besteht aus einem ersten Horn, das mit dem ersten Filter verbunden ist und Mikrowellen energie ausstrahlt sowie einem zweiten Horn, das mit dem zweiten Filter gekoppelt ist und Mikrowellenenergie empfängt. Das erste und das zweite Horn sind jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht oder Bahn angeordnet, so daß sich ein Mikrowellenweg durch die Schicht oder Bahn ergibt, in der Mikrowellenenergie in Abhängigkeit vom vorhandenen Feuchtigkeitsgehalt absorbiert wird. Zusätzlich können die Filter Richtungsfilter sein, um Signalverluste gering zu halten und Reflexion im wesentlichen zu verhindern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematisc,he Darstellung der abtastenden Feuchte-Erfassungsvorrichtung mit Mikrowellen,

Figur 2 die Anordnung der Mikrowellen-Sende- oder -Empfangshörner oder-Hornantennen an einem Wellenleiter, und

Figur 3 den Aufbau der Richtungsfilter für die Sende- und Empfangs-Hornantennen.

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Das Mikrowellen-Feuchte-Meßsystem in Fig. 1 besteht aus eine* Oszillator 1 mit variabler Frequenz, der durch einen Sägezahnspannungs-Generator 2 so gesteuert wird, daß sich ein frequenz-gewoppeltes Ausgangssignal ergibt. Es kann auch eine andere bekannte Steuerungsart verwendet werden. Der Oszillator ist über einen Wellenleiter 3 mit einer Anzahl Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d ... gekoppelt, die so ausgelegt sind, daß sie mit einer Bahn oder Schicht in Wechselwirkung treten, in der der Feuchtewert zu bestimmen ist. Um jeden Sensor auf eine bestimmte Frequenz abzustimmen, ist je ein Filter 5&» 5*>» 5c, 5d ... zwischen dem Eingangswellenleiter 3 und einem jeweiligen Sensor 4a, 4b, 4c, 4d ... angeordnet. Um den Sensor und sein Ausgangssignal vollständig abzutrennen, ist je ein weiteres Richtungsfilter 6a, 6b, 6c, 6d ... zwischen jeweils einem Sensor 4a, 4b, 4c, 4d ... und einem Ausgangswellenleiter 7 eingesetzt. Die einzelnen Filterpaare 5a-6a, 5b - 6b, 5c - 6c, 5d - 6d ... sind jeweils auf unterschiedliche Frequenzen in einem vorbestimmten Frequenzbandbereich abgestimmt, wobei sich die Durchlaßbänder nicht überdecken.

Das Ausgangssignal des Wellenleiters 7 wird durch einen Detektor 8 erfaßt, dessen Ausgangssignal proportional der Mikrowellenenergie ist, die der Reihe nach die einzelnen Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d ... durchläuft. Infolge der Kopplung mit der Bahn oder Schicht ist die durch die Schicht absorbierte Energiemenge jeweils direkt proportional dem Feuchtigkeitsgehalt der Fläche oder des Flächenbereiches, der jeweils angekoppelt oder beaufschlagt ist und damit ist das durch den Detektor 8 erfaßte Ausgangssignal jeweils umgekehrt proportional dem erfaßten Feuchtigkeitsgehalt; das bedeutet, daß das erfaßte Ausgangssignal am Detektor 8 mit einem Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts abnimmt.

Das Ausgangssignal des Detektors 8 kann beispielsweise mit einem Bildschirmgerät 9 oder auf andere übliche Weise ange-

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zeigt lind aufgezeichnet werden. Es ist auch möglich, das Ausgangssignal einem Rechner zuzuführen, der direkt den Herstellungsvorgang der Bahn oder Schicht beeinflußt. Zusätzlich kann die Anzeige 9 mit dem Sägezahngenerator 2 verbunden werden, um den Frequenzdurchlauf mit der Anzeige zu synchronisieren. Schließlich kann ein Isolator 10 in die Mikrowellenschaltung zwischen dem Oszillator 1 und der y/ellenleitung 3 aufgenommen werden, um Reflexionen vom Oszillator 1 fernzuhalten.

Im Betrieb erzeugt der Oszillator 1 Energie mit einer sich ändernden Frequenz. Die Sensoren 4a, 4b, 4c, 4^ ··· werden, einzeln der Reihe nach beaufschlagt, wenn die Frequenz des Oszillators die Bandbereiche der Filter 5a, 5b, 5c, 5d ... durchläuft. Es wird je nach dem vorhandenen Feuchtigkeitsgehalt in den jeweiligen Sensoren 4a, 4b, 4c, 4d ... Energie absorbiert, deren Menge von der Feuchte in dem jeweiligen beaufschlagten Gebiet der Bahn oder Schicht in der Nähe des Sensors abhängt. Die verbleibende oder durchgelassene Energie von jedem der aufeinanderfolgenden Sensoren 4a, 4t>» 4c, 4d ... wird an den Ausgangswellenleiter 7 über Filter 6a, 6b, 6c, 6d ... weitergegeben und sie wird dort erfaßt und die Anzeige erfolgt in Form von aufeinanderfolgenden Impulsen oder Wellenzügen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Bandpaßfilter 6a, 6b, 6c, 6d isolieren die Sensoren wirksam gegeneinander und stellen sicher, daß im wesentlichen das gesamte empfangene Signal an den Detektor 8 weitergegeben wird.

In Fig. 2 und 3 sind bevorzugte Ausführungen für die Wellenleiter 3 und 7, die Filter 5a, 5b, 5c, 5d ... und 6a, 6b, 6c, 6d ... sowie für die Sensoren 4a, 4*>, 4c, 4d dargestellt. Die letzteren bestehen jeweils aus zwei Horn- oder Trichterantennen, die zu beiden Seiten der zu untersuchenden Bahn oder Schicht

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angeordnet sind, so daß die jeweils eine Horn- oder Trichterantenne Energie durch die Schicht oder Bahn hindurch aussendet, während die zweite Horn- oder Trichterantenne die durchgelassene Mikrowellenenergie empfängt. Die Sendeseite des Wellenleiters, der Filter und Sensoren ist identisch mit der Empfangsseite.

Der Wellenleiter 13 (3 oder 7 in ^Fig. 1) ist ein Standard-Wellenleiter vom Typ WR/+2 mit den Außenabmessungen 12,7 mm χ 6,35 mm (0,5 "x 0,25") mit einer Wandstärke von 1,016 mm (0,OZfO") für K-Bandbetrieb (11 - 33 GHz). Mit Abstand voneinander sind Stellen 16 am Wellenleiter 13 ausgewählt, an denen ein Filter 15 und das Sensorhorn oder der Sensortrichter I4 angebracht sind. Die Sensoranzahl hängt von der Breite der zu untersuchenden Schicht oder Bahn ab und von dem erwünschten Abstand zwischen den einzelnen Sensoren. Typischerweise wird für die Messung einer Schicht oder Bahn mit einer Breite von 10,16 m (/+00") ein System mit 60 Sensoren verwendet.

Das Filter 15 besteht aus einem zylindrischen Hohlraum, wie er in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Der Hohlraum besteht aus einem Zylinder 17 mit einem Innendurchmesser von 10,16 mm (0,4 ") und einer Wandstärke von 1,27 mm (0,05 "), der durch mit Einschnitten versehene Scheiben 18 und 19 abgedeckt ist. Die Scheiben 18 und 19 besitzen Kopplungs-Mittelöffnungen 20 bzw. 21 und sind jeweils an dem Wellenleiter 22 bzw. am Wellenleiter 13 befestigt. Um eine Richtungsabhängigkeit zu erhalten, werden die Kopplungsöffnungen für den Hohlraum 20 und 21 jeweils nach einer Seite der Wellenleiter 22 und versetzt. Die Mittenfrequenz der Filter 15 hängt von der Länge der Zylinder 17 ab, wobei eine Feinabstimmung mit den Abstimmschrauben 23 und 24 vorgenommen wird, während die Bandbreite

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von der Größe der Kopplungsöffnungen 20 und 21 abhängt. Richtungsfilter sind in der Veröffentlichung "Mikrovvave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures" von Matthei, Young and Jones,erschienen im Verlag McGraw-Hill 1964, auf Seiten 8*t7 - 859 beschrieben. Der Wellenleiter ZZ wird auf einer Seite vorzugsweise durch eine angepaßte Last 25 und an der anderen Seite durch die Hornantenne oder den Hornempfanger M+ begrenzt.

Dieses System ist insbesondere vorteilhaft bei der Bestimmung des Feuchteprofils einer Bahn oder Schicht einzusetzen, da keine bewegten Teile beim Abtasten der Schicht oder Bahn nötig sind und da der Aufbau der Mikrowellenbestandteile einfach und unkompliziert ist. Da eine bestimmte Frequenz der Mittenfrequenz eines Filterpaares entspricht, wird so gut wie das gesamte Signal auf das Sendehorn gegeben und so gut wie das gesamte, das Empfangshorn erreichende Signal wird an den Detektor weitergeleitet; auf diese V/eise werden Verluste so minimal wie möglich gehalten. Da benachbarte Ubertragungswege der Anordnung bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, findet keine Kreuzkopplung zwischen benachbarten Hornantennen und -sendern statt.

Damit ergibt sich eine abtastende Mikrowellen-Erfassungsvorrichtung, mit der ein Feuchteprofil über die Breite einer vorbestimmten Probe, beispielsweise einer Schicht oder einer Bahn,bestimmt werden kann. Die Vorrichtung enthält eine Anzahl von Feuchtesensoren, die mit Abstand voneinander über die Breite der Probe so angeordnet sind, daß jeder Sensor einen begrenzten Flächenbereich der Probe mit Mikrowellenenergie beaufschlagt. Jeder Sensor besteht vorzugsweise aus zwei Horn- oder Trichterantennen, die an beiden Seiten der Probe angeordnet sind und einen Mikrowellenweg durch die Probe bestimmen. Ein erstes Filter ist mit dem Eingang jedes

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Sensors und ein zweites Filter mit dem Ausgang jedes Sensors verbunden. Die Filterpaare, die mit jeweils einem Sensor verbunden sind, sind auf die jeweils gleiche Frequenz abgestimmt, wobei sich die Abstimmfrequenzen der Filterpaare unterscheiden. Damit ist jedes Filterpaar auf eine unterschiedliche vorbestimmte Frequenz innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes so abgestimmt, daß die Sensoren bei unterschiedlichen Frequenzen innerhalb im wesentlichen einander nicht überdeckender Frequenzbandbereiche arbeiten, ^ie Filter sind vorzugsweise Richtungsfilter. Eine Mikrowellenquelle ist mit den Eingangsfiltern gekoppelt und wird so gesteuert, daß sie das ausgewählte Frequenzband immer wieder durchläuft, um so der Reihe nach die einzelnen Sensoren zu erregen. Mit den Ausgangsfiltern ist ein Detektor gekoppelt, der die nacheinander erscheinenden Energieausgangssignale der Sensoren erfaßt. Diese nacheinander erscheinenden Ausr;angssignale sind eine Funktion des Feuchtigkeitsgehalts der begrenzten Flächenbereiche der Probe, die den jeweiligen Sensoren zugeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche

) Mikrowellenabtastanordnung zur Erzeugung eines Feuchte- ^— profils über die Breite einer Meßprobe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl voneinander mit Abstand versehener Feuchtesensoren (4a, 4b, 4c, 4d ...) vorgesehen ist, wobei jeder Sensor zur Ankopplung von Mikrowellenenergie an einem begrenzten Bereich der Probe ausgelegt ist, daß jeder Sensor (4a, 4b, 4c, 4d ...) mit einem ersten Filter (5&, 5h, 5c, 5d ...) an seinem Eingang und einem zweiten Filter (6a, 6b, 6c, 6d ...) an seinem Ausgang gekoppelt ist, daß die zugehörigen ersten (5a» 5b, 5c» 5d ...) und zweiten (6a, 6b, 6c, 6d ...) Filter in ihrer Zuordnung zu einem Sensor ein Filterpaar bilden und jeweils auf eine Frequenz abgestimmt sind, daß die einzelnen Filterpaare (5a - 6a, 5b - 6b, 5c - 6c, 5d - 6d) auf jeweils unterschiedliche vorbestimmte Frequenzen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbandes so abgestimmt sind, daß sich einander

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ORIGINAL INSPECTH)

im wesentlichen nicht überdeckende Frequenzbandbereiche ergeben, daß eine Mikrowellenquelle (1) vorgesehen ist, die so gesteuert wird, daß sie die Frequenzen in dem ausgewählten Frequenzband durchläuft, daß die Mikrowellenquelle (1) mit den Eingangsfiltern (5&, 5b, 5c, 5d) gekoppelt ist und daß eine Detektoreinrichtung (8) mit den Ausgangsfiltern (6a, 6b, 6c, 6d ...) gekoppelt ist, um der Reihe nach die Energieabgaben der Sensoren (^a, ^b, i+c, ^d) zu erfassen, die eine Funktion des Feuchtegehalts der Probe sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (^a, l±b, J+c, ifd ...) eine erste, mit dem ersten Filter (5a, 5b, 5c, 5d) gekoppelte Mikrowellen-Sendehornantenne zur Aussendung von Mikrowellenenergie und eine zweite, mit dem zweiten Filter (6a, 6b, 6c, 6d) gekoppelte Mikrowellen-Hornempfangsantenne zum Empfang von Mikrowellenenergie umfaßt und daß die erste und die zweite Hornantenne an entgegengesetzt liegenden Seiten der Probe angeordnet sind und einen Mikrowellenweg durch die Probe bilden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (5, 6) Richtungsfilter sind.

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