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Einrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften geschichteter oder gefaserter Stoffe durch Bestimmung der Kapazität eines den Stoff als Dielektrikum enthaltenden Kondensators.
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gefaserter Stoffe, wie z. B. gummierte Gewebebahn, Papier, Schnur, Tuch usw. Mit der neuen Einrichtung kann z. B. die Dicke der einzelnen Schichten bestimmt werden, die einen zusammengesetzten flächen- haften Körper bilden, oder man kann damit die Feuchtigkeit derartiger Stoffe bestimmen. Letzteres geschieht bisher schon in der Weise, dass man den zu untersuchenden Stoff als Dielektrikum zwischen den beiden Elektroden eines Kondensators hindurchführt. Die Kapazität des Kondensators ist dann abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt des zwischen den Elektroden befindlichen Stoffes, da die Dielektrizitätskonstante, z.
B. des Wassers, sehr viel grösser ist, als die des Stoffes. Bei dieser Anordnung zeigt sich der Nachteil, dass geringe Dickenschwankungen des Stoffes die Kapazität ebenso stark beeinflussen, wie
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Die Einrichtung gemäss der Erfindung besteht nun aus einer Anordnung der Elektroden des Kondensators, bei welcher das zur Messung dienende elektrische Feld in dem Stoff parallel zur Schichtbzw. Faserriehtung verläuft. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei diesen geschichteten Stoffen Wasser-mit Stoffschichten abwechseln, so dass bei der Richtung des Feldes senkrecht zur Schichtung sich die Kapazität des Kondensators wie die von hintereinander geschalteten Teilkondensatoren berechnet, die abwechselnd Stoff und Wasser als Dielektrikum enthalten. Dabei überwiegen die Stoffkondensatoren als diejenigen mit der kleineren Kapazität, so dass die Empfindlichkeit der Einrichtung gegen Dickenschwankungen gross und gegen Feuchtigkeitsschwankungen klein ist. Liegt dagegen das Feld parallel zur Schicht-bzw.
Faserrichtung, so berechnet sieh die Kapazität des Kondensators wie die von parallel geschalteten Teilkondensatoren, wobei die Wasserkondensatoren als diejenigen mit der grösseren Dielektrizitätskonstanten gegenüber den Stoffkondensatoren wesentlich stärker als bei der bekannten Einrichtung ins Gewicht fallen. Die Empfindlichkeit der neuen Einrichtung ist daher gegenüber der bekannten etwa im Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit zu der des Stoffes gesteigert, so dass also die Einrichtung gemäss der Erfindung für die Bestimmung des Wassergehaltes besonders vorteilhaft ist.
Das gleiche gilt für die Bestimmung irgendwelcher Einschlüsse, wenn die Dielektrizitätskonstante des Stoffes kleiner ist als die des eingeschlossenen Materials.
Soll ein Kondensator gemäss der Erfindung zur Bestimmung der Dicke einzelner Schichten, die einen im wesentlichen flächenhaften Körper zusammensetzen, benutzt werden, so wird der zu untersuchende Körper als Dielektrikum eines Kondensators angeordnet, bei dem sich alle Elektroden auf der einen Seite des Dielektrikums befinden. Die Kapazität eines derartigen Kondensators ist von der Dicke der den Körper zusammensetzenden Schichten abhängig, wenn diese Schichten aus Stoffen verschiedener Dielektrizitätskonstante bestehen. Besteht der Körper aus mehr als zwei Schichten, so wird zweckmässig eine der Sehichtanzahl entsprechende Anzahl von Kondensatoren benutzt, die in weiter unten näher auseinander zu setzender Weise derart angeordnet sind, dass sie gestatten, die Dicke einer jeden Schicht einzeln zu bestimmen.
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Einrichtungen gemäss der Erfindung können ferner auch zur Prüfung von präparierten Stoffen, z. B. von paraffiniertem Papier, getränkten Hölzern od. dgl. dienen. Es kann z. B. insbesondere bestimmt werden, wieviel von einem Tränkungsmittel der Stoff enthält, oder wie dick die Schicht eines aufgetragenen Präparates ist.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1-4 Schnitte durch Kondensatoren gemäss der Erfindung. Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen aus verschiedenen Stoffschichten bestehenden Körper, zu dessen Schichtdickenprüfung die Einrichtung gemäss der Erfindung besonders geeignet ist. Fig. 6 zeigt die Schaltung einer Messeinrichtung, die zur Betriebsüberwaehung bei der Herstellung geschichteter Stoffe benutzt werden kann. In Fig. 7 ist ein Teil der in Fig. 6 dargestellten Schaltung ausführlicher gezeichnet. Fig. 8 stellt eine Kurve dar, wie sie bei Kapazitätsmessungen mit der Einrichtung gemäss der Erfindung aufgenommen wird.
Nach Fig. 1 sind die Kondensatorelektroden B und B'als stabförmige Verdickungen oder Höcker der Metallplatten 0 und 0'ausgebildet und die Platten sind so gegenüber gestellt, dass die Verdickung der einen Platte einer Vertiefung der anderen Platte gegenübersteht. Der Stoff A, dessen Schichtrichtung parallel zu seiner Längsausdehnung verläuft, wird zwischen den Platten hindurchgeführt.
Nach Fig. 2 befinden sich die Elektroden B und B'auf derselben Seite des Stoffes A Sie sind abwechselnd miteinander verbunden, so dass das elektrische Feld wieder parallel zur Schichtung verläuft. Um das Feld dort zusammen zu drängen, wo sich der Stoff befindet, sind die Elektroden polschuhartig
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zweite Belegung etwas zurückgestellt werden, so dass der Stoff nur die eine Elektrode des Kondensators berührt. Die Anordnung der Elektroden auf einer Seite der Stoffbahn hat den Vorteil, dass ein solcher Kondensator nicht an den Rand der Stoffbahn gebunden ist, sondern leicht an jede beliebige Stelle gebracht werden kann.
Gemäss Fig. 3 ist die Anordnung nach Fig. 2 auf der anderen Seite des Stoffes wiederholt, wobei die einander gegenüberstehenden Elektroden miteinander verbunden sind. Die Kapazität kann nach bekannten Verfahren, z. B. mit statisch angelegter Spannung, vorzugsweise aber mit Wechselstrom gemessen werden. Dabei kann der durch die Kapazität des Kondensators beeinflusste Strom dazu dienen, selbsttätig eine den Stoff trocknende oder anfeuchtende Vorrichtung, z. B. elektrisch beheizte Trockentrommeln, so zu regeln, dass der Stoff einen bestimmten Feuchtigkeitsgehalt aufweist.
Gemäss Fig. 4 soll der zu untersuchende Körper aus den Schichten 1, 2,3 und 4 zusammengesetzt sein. Jeweils zwei aneinander grenzende Schichten mögen verschiedene Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Der Körper wird auf den aus den Elektroden 5 und 6 bestehenden Kondensator aufgelegt und man bestimmt die Kapazität dieses Kondensators. Das Prinzip dieser Kapazitätsbestimmung wird deutlich durch die Kurve der Fig. 8. In dieser Figur sind die Kapazitäten als Ordinaten aufgetragen, die man mit einem derartigen Kondensator gemessen hat, wenn das Dielektrikum aus einer einzigen Schicht, aber veränderlicher Dicke besteht, wobei die Dicke der Schicht als Abszisse aufgetragen ist. Die Kurve verläuft anfangs geradlinig, macht dann einen Knick und läuft wesentlich flacher weiter. Man erkennt daraus, dass das elektrische Feld im wesentlichen nur bis zu einer gewissen Tiefe in das Dielektrikum eindringt, die durch die Stelle des Knickes gegeben ist.
Die Eindringtiefe hängt von dem Kantenabstand der polschuhartigen Elektroden ab, aus denen der Kondensator nach Fig. 4 besteht. Soll daher nun z. B. bei dem in Fig. 4 dargestellten Körper die Dicke der Schicht 1 bestimmt werden, so wählt man den Abstand der Elektroden 5 und 6 voneinander so, dass die Eindringtiefe des elektrischen Feldes nur wenig grösser ist als die grösste Dicke der Schicht 1. Bei einer derartigen Bemessung machen sich Schwankungen in der Dicke dieser Schicht am stärksten als Kapazitätsschwankungen des Kondensators bemerkbar. Soll auch die Dicke der Schicht 2 bestimmt werden, so wird ein zweiter Kondensator derart angeordnet, dass sein Feld etwas tiefer in den Körper 1-4 eindringt, als die Dicke der Schichten 1 und 2 zusammengenommen beträgt.
Besonders geeignet für die Messung sind Körper, bei denen die Dielektrizitätskonstante der tiefer liegenden Schicht wesentlich kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante der Oberflächenschicht. Dieses ist z. B. der Fall bei der in der Fig. 5 im Schnitt dargestellten, gummierten Gewebebahn. Es handelt sich dabei um eine aus parallelen Cordfäden bestehende Bahn, die beiderseitig gummiert ist und bei der Autoreifenerzeugung Verwendung findet. Die Fäden'1 dienen als Träger für die beiden Gummischichten 8 und 9, die z. B. auf die Cordschicht mittels eines Vierwalzenkalanders aufgetragen werden. In diesem Falle ist die Dielektrizitätskonstante des Gummis wesentlich höher als die des Faserstoffes.
Zur gleichzeitigen Überwachung einer gleichmässigen Dicke beider Gummischichten bei ihrer Herstellung kann eine Einrichtung gemäss Fig. 6 dienen. Die beiderseits gummierte Cordbahn 10 läuft in der Pfeilrichtung zunächst an den Elektroden 11 und 12 des Kondensators 13 und dann an den Elek- troden 14 und 15 des Kondensators 16 vorbei. Darauf geht sie zwischen den Elektroden 1'/und 18 eines dritten Kondensators 19 hindurch. Bei der praktischen Durchführung sind die Kondensatoren 13 und 16 vorteilhaft so anzuordnen, dass die stabförmigen Elektroden parallel zu den Fäden des Cordgewebes liegen.
Dadurch erreicht man eine grössere Messgenauigkeit, da das elektrische Feld in diesem Falle parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 5 und senkrecht zur Fadenrichtung verläuft und infolgedessen
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die Dielektrizitätskonstante der Gesamtheit der Fasern kleiner ist. als wenn das elektrische Feld parallel zur Richtung der Faser läuft.
Die Kondensatoren 13 und 16 sind in zwei entsprechende Zweige einer Wechselstrommesbrücke 20 geschaltet, in deren beiden anderen Zweigen sich die Kondensatoren 21 und 22 befinden. Die Messspannung wird von einer Wechselstromquelle 23 geliefert, die z. B. mit einer Frequenz von 800 Hertz betrieben werden kann. Der eine Diagonalpunkt 3. 7' der Messbrücke ist geerdet und in den Diagonalzweig ist ein Verstärker 24 üblicher Bauart geschaltet.
Sind die beiden Gummischichten gleich stark, so sind die Kapazitäten der Kondensatoren 13 und 16 gleich gross und die Brücke ist im Gleichgewicht. Eine Störung dieses Gleichgewichtes zeigt an, dass die eine Gummischicht stärker als die andere ist. Um eine derartige Abweichung zu erkennen zu geben, ist an den Verstärker 24 eine Gleiehrichterbrüeke 25 geschaltet, deren Messstrom durch das Galvanometer 26 angezeigt wird, das gewissermassen ein Symmetriezeiger ist, da es die Abweichungen von der gleichmässigen Verteilung des Gummis auf die beiden Seiten der Cordbahn anzeigte.
An Stelle der Brücke 20 könnte auch eine andere symmetrische Schaltung der beiden Kondensatoren benutzt werden, so dass das Messgerät Ausschläge bei verschiedenen Kapazitäten der Kondensatoren 13 und 16 zeigt. Man könnte z. B. die Kondensatoren mit je einer Spule eines Kreuzspulenmessgerätes, z. B. in Reihe schalten. Auch könnte man durch die Kapazität die Frequenz der von einem Generator erzeugten Schwingung verändern und als Anzeigegerät z. B. ein Resonanzrelais verwenden. Dieselbe Einrichtung kann auch verwendet werden, wenn z. B. die eine Gummischicht die doppelte Stärke wie die andere haben soll, indem dann in der Brücke 20 die Kapazität des einen Kondensators 20 oder 22 entsprechend grösser sein müsste, als die des andern.
Um jedoch nicht nur die Abweichungen von der Symmetrie, sondern auch die absolute Dicke der Gummischichten zu überwachen, ist der Kondensator 19 vorgesehen. Dieser, gekürzt als Gummiwaage bezeichnet, ist in den einen Zweig einer Weehselstrommessbrücke 27 geschaltet, in deren anderen Zweigen
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Diagonalzweig ist der Verstärker 32 geschaltet. Den Messstrom liefert die Wechselstromquelle 33. Zum Anzeigen kann wieder eine an 32 und 33 angeschlossene Gleichrichterbrücke 34 dienen, an die ein Galvanometer 33 angeschlossen ist.
Eine beispielsweise Ausführung der Gleiehriehterbrüeke 25 und 34 ist in Fig. 7 dargestellt. Die Brücke besteht aus den Gleichrichtern 36 und 36'mit der Durchlassrichtung der Pfeile und den beiden Widerständen 37 und 38, die für die Wechselkomponente der Kreise durch die Kondensatoren 43 und 44 überbrückt sind. Die Gleichrichter sind an die Sekundäre eines Übertragers 39 angeschlossen, dessen Primäre an die Weehselstromquelle angeschlossen wird. In der Mitte der Sekundären des Übertragers 39 ist die eine Zuleitung zur Sekundären eines zweiten Übertragers 40 abgegriffen, deren anderes Ende zwischen den Widerständen 37 und 38 angeschlossen ist. An die Primäre des Übertragers 40 wird die zu messende Spannung angelegt.
Gemessen wird mit Hilfe eines Galvanometers, welches an die Klemmen 41 und 42 angelegt werden kann, die parallel zu den Widerständen 37 und 38 liegen. An Stelle der Anzeigegeräte 26 und 35 oder zugleich mit diesen können Relais angeordnet werden, von denen die Walzen des gummierten Kalanders selbsttätig so gesteuert werden, dass beide Gummisehichten stets die gewünschte Dicke haben.
Zur Regelung der Dicke der beiden Gummischichten werden die Kalanderwalzen auf verschiedene Abstände eingestellt, z. B. mit Hilfe von Elektromotoren, deren Antriebsströme durch Relais gesteuert werden, die in Verbindung mit den beschriebenen Schaltungsanordnungen stehen. Für jedes Kalanderwalzenpaar ist ein eigener Motor vorgesehen, und dieser verringert beim Vorwärts-und vergrössert beim Rüekwärtslaufen den Abstand zwischen den Walzen. Zur Steuerung dieser Motoren sind parallel zu den Anzeigegeräten 26 und 35 die polarisierten Relais 45 bzw. 46 geschaltet (Fig. 6). Diese betätigen die Kontakte 47-54, zum Schliessen von Stromkreisen, in die die Spannungsquelle 55, der Schalter 66 und die Relaiswicklungen 57--60 geschaltet sind.
Jeder Anker der Relais 57-60 dient zur Betätigung von je zwei Schaltern 61--8. Diese schliesslich dienen zum Einsehalten der von einer Netzleitung 69 abgenommenen Ströme, die die Motoren 10 und 71 in Bewegung setzen. Durch die Spulen 72 und 73 sind die Ständerwicklungen der Motoren angedeutet.
In dem Falle z. B., dass der Symmetriezeiger auf Null steht (dass also beide Gummischichten gleich stark sind) und die Gummiwaage eine zu grosse Gummidicke anzeigt, wird das Relais 57 betätigt und schliesst die Kontakte 47 und 48. Dadurch wird ein Strom in den Spulen 67 und 59 erzeugt, der zur Betätigung der Schalter 61 und 62 bzw. 65 und 66 dient. Infolgedessen fliesst durch die Ankerwieklungen der Motoren ein Strom derart, dass die Motoren den Abstand der Kalanderwalzen verringern. Zeigt anderseits die Gummiwaage eine richtige Gesamtstärke beider Gummisehiehten an und ist die eine der Schichten stärker als die andere, so bleibt das Relais 46 in Ruhe und das Relais 45 wird betätigt, z. B. derart, dass es die Kontakte 51 und 52 schliesst.
In diesem Falle werden die Spulen 58 und 59 erregt und die Schalter 63 und 64 bzw. 65 und 66 betätigt, so dass der Motor 71 derart in Bewegung gesetzt wird, dass er die Kalanderwalzen, die die zu dicke Schicht geliefert haben, auf einen geringeren Abstand einregelt, während der Motor 70 den Abstand der beiden anderen Kalanderwalzen vergrössert.
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Schliesslich kann auch der Fall eintreten, dass sowohl die Guiuliwaagen als auch der Symmetrie- zeiger eine Abweichung von der normalen Stellung zeigen. Es werden dann durch die Relais 45 und 46 sowohl die Kontakte 47 und 48 als auch 51 und 52 betätigt. Die dadurch erregten Wicklungen 57, 58 und 59 betätigen die Schalter 61 und 62, 63 und 64 und 65 und 66. Infolgedessen bleibt der Motor 70 stromlos und der Motor 71 wird so in Bewegung gesetzt, dass er wieder den Abstand zweier Kalanderwalzen verringert.
Er bleibt so lange in Tätigkeit, bis entweder der Symmetriezeiger oder die Gummiwaage wieder auf ihre Normalstellung zurückkehren, worauf einer der vorher beschriebenen Regelvorgänge eintritt.
Mit der beschriebenen Einrichtung kann man auch z. B. die Dicke einer verlegten Linoleumschicht feststellen, indem auf das Linoleum ein Kondensator nach Fig. 2 oder 4 gesetzt und dessen Kapazität bestimmt wird. Auf diese Weise lassen sich auch in andesen Fällen die Dicken von Schichten isolierender Stoffe, die nicht von beiden Seiten zugänglich sind, bestimmen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften geschichteter oder gefaserter Stoffe durch Bestimmung der Kapazität eines den Stoff als Dielektrikum enthaltenden Kondensators, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Kondensators derart gegenüber dem Stoff angeordnet sind, dass das elektrische Feld im Dielektrikum ganz oder teilweise parallel zur Schicht-bzw. Faserrichtung verläuft.