Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zum Messen der Kapazität eines einen bestimmten Ka pazitätsbereich aufweisenden Kondensators, insbesondere zur Prüfung von Zigarettenfiltern durch Messung deren Kohlenstoffgehaltes. mit einem Transistoroszillator mit abgestimmtem Basiskreis und abgestimmtem Kollektorkreis. Da der Kohlenstoff dabei elektrisch gemessen wird, werden die
Filter nicht zerstört.
Die Hauptbestandteile herkömmlicher Zigarettenfilter sind meistens Stopfen aus Papier oder Zelluloseazetat oder anderen watteartigen oder faserigen Einlagen, Weichmacher und Einwickelpapier. Von diesen Bestandteilen unterliegt die watteartige Einlage Schwankungen, die die Filter ernstlich be einträchtigen können. Um die Filterqualität einzuhalten, ist es üblich das Gewicht der Filterstangen während der Produk tion zu steuern. Hierdurch werden Gewichtsschwankungen der watteartigen Einlage wirksam eingeschränkt und damit auch der Druckabfall über den Filter, bei dem es sich um eine Eigenschaft der fertigen Zigarette handelt, die für den
Verbraucher von entscheidender Bedeutung ist.
Gewisse Rauchfilter weisen Kohlenstoff ebenso wie die oben genannten Bestandteile auf. Im allgemeinen grenzt in derartigen Filtern ein kohlenstoffhaltiger Bereich an mindestens einem Ende an einen nicht kohlenstoffhaltigen Bereich an. Beispielsweise hat ein handelsüblicher Filter dieser Art einen kohlenstoffhaltigen Bereich, der aus einer teilweise mit Aktivkohlekörnchen gefüllten Kammer besteht, an die an jedem Ende ein Stück herkömmlicher watteartiger Zelluloseeinlage angrenzt. Die Herstellung dieser Filter ist schwerer zu steuern, da jetzt zwei Bestandteile, nämlich die watteartige Einlage und der Kohlenstoff vorliegen, von denen der eine oder andere im Gewicht beträchtlich schwanken kann.
Bisher wurden Schwankungen der watteartigen Einlage und des Kohlenstoffs durch ein System zum Steuern des Gesamtgewichts reguliert. Gelegentlich wurden Untersuchungen der watteartigen Einlage vorgenommen, nachdem die Koh lenstoff'ufuhr unterbunden war, und das Gesamtgewicht der Bestandteile, die nicht Kohlenstoff waren, wurde innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs festgesetzt. Dann wurde ein bestimmtes Gewicht an Kohlenstoff hinzugefügt und das Gesamtgewicht der watteartigen Einlage plus Kohlenstoff innerhalb vorgeschriebener Grenzen gehalten. Dieses Steuerungsverfahren war zwar praktisch durchführbar, führte aber zu Schwierigkeiten, denn bei den Untersuchungen fiel nicht verwertbarer Abfall an, so dass die Anzahl der Tests auf ein Minimum eingeschränkt werden musste.
Bei jedem vernünftigen Intervall zwischen einzelnen Untersuchungen mussten aber Änderungen im Gesamtgewicht der watteartigen Einlage und des Kohlenstoffs auftreten. Wenn sich derartige Änderungen zeigten. musste entschieden werden, ob sie auf dem Kohlenstoff oder auf der watteartigen Einlage beruhten und wo deshalb die Korrektur nötig war. Oft gab es nur eine geringe Basis für eine Auswahl in dieser Beziehung, so dass in der Praxis oft eine Verstellung eines Bestandteiles für Schwankungen des falschen Bestandteils vorgenommen wurde. mit dem Ergebnis, dass zwar das Filtergesamtgewicht exakt eingehalten wurde. die einzelnen Gewichte der watteartigen Einlage und des Kohlenstoffs aber stark schwankten.
Natürlich ist es wünschenswert, das Filtergesamtgewicht einzuhalten, aber nur innerhalb ziemlich weiter Grenzen.
Wenn Zigaretten mit Kohlenstoff aufweisenden Rauchfiltern für den Verbraucher gleichmässig erscheinen sollen, ist es wichtiger. das Gewicht der watteartigen Einlage des Filters individuell zu steuern. welches den Druckabfall über den Filter bestimmt oder was man gemeinhin als Zug bezeichnet, und den Kohlenstoffgehalt individuell zu steuern, der die Entfernung der Gasphase durch den Filter bewirkt.
Infolgedessen brauchte man ein neues System zum Steuern für kohlenstoffhaltige Rauchfilter, welches unmittelbar auf diesen den Verbraucher interessierenden Beiwerten basierte. Es sind bereits Verfahren entwickelt worden, um den Filterdruckabfall oder das Gewicht der watteartigen Einlage zu messen, worauf oben hingewiesen wurde. Mit der vorliegenden Erfindung kann der Kohlenstoffgehalt von Rauchfiltern in einer Weise angezeigt werden, bei der die Filter nicht zerstört werden.
Aufgabe der Erfindung ist es also insbesondere, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der der relative Kohlenstoffgehalt in Rauchfiltern beständig und exakt gemessen wird, ohne dass dabei die Filter zerstört werden.
Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden, dass erfindungsgemäss die zu messende Kapazität zum Basiskreis des Transistoroszillators parallel geschaltet wird, dass der Transistoroszillator so bemessen wird, dass der Kollektorstrom im Kapazitätsbereich des Kondensators zur Kapazität praktisch proportional ist, dass als Mass für die Kapazität der Kollektorstrom gemessen wird, wobei dieser mit demjenigen Kollektorstrom verglichen wird, der erzeugt wird, wenn anstelle des genannten Kondensators eine bekannte Kapazität als Bezugskapazität an den abgestimmten Basiskreis geschaltet wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Transistoroszillator, eine Speisestromquelle und eine Einrichtung zum Messen des Kollektorstromes des Transistoroszillators, welcher Oszillator einen abgestimmten Kollektorkreis mit einer ersten Induktivität und einer parallel dazu geschalteten Kapazität und einen abgestimmten Basiskreis mit einer zweiten Induktivität aufweist, wobei parallel zu dieser Induktivität die zu messende Kapazität anschaltbar ist.
Mit einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wird die relative Menge des in einem Rauchfilter vorhandenen Kohlenstoffs gemessen. Dies geschieht unter Verwendung eines Plattenkondensators, zwischen dessen Platten Stangen der Kohlenstoff aufweisenden Rauchfilter eingeführt werden. Durch das Einführen des in den Stangen der Rauchfilter enthaltenden Kohlenstoffs zwischen die Platten des Plattenkondensators wird die Kapazität geändert, die zwischen den Platten gemessen werden kann, wobei die Grösse der Änderung von der Menge des in den Filtern enthaltenen Kohlenstoffes abhängt. Ein solches System wird da.
durch geeicht, dass Filter, die unterschiedliche Kohlenstoffmengen enthalten, zwischen die Platten des Kondensators gebracht werden und die Grösse der für jeden Filter über die parallelen Platten hinweg gemessenen Kapazität aufgezeichnet wird. Dann werden die Filter auseinandergenommen und der Kohlenstoffgehalt unmittelbar festgestellt. Dann wird eine Tabelle aufgestellt, in der der Kohlenstoffgehalt der Kapazitätsänderung gegenübergestellt wird. Hieraus ergibt sich ein Kapazitätsbereich, der dem Bereich des Kohlenstoffgehalts in Rauchfiltern entspricht, wie er für kommerzielle Zwecke akzeptabel ist. Filter, die eine Kapazitätsänderung ausserhalb des festgelegten Bereichs erzeugen, werden aussortiert, da sie einen nicht annehmbaren Kohlenstoffgehalt haben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels zum Prüfen des Kohlenstoffgehalts in Filterstangen mit freier Kohlenstoffüllung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht eines Gehäuses für einen Plattenkondensator mit daran befestigtem Vibrator auf einer Blattfederabstützung und eines Gehäuses für Steuereinrichtungen zum Messen und Anzeigen der Kapazität;
Fig. 2 eine Teilansicht des Plattenkondensatorgehäuses mit geöffneter, oberer, gerippter Platte und darin angeordne ten Stangen kohlenstoffhaltigen Filtermaterials;
Fig. 3 eine Unteransicht des Plattenkondensatorgehäuses, in der die Unterseite der unteren Platte des Plattenkondensators gezeigt ist;
Fig. 4 einen Schnitt durch das Plattenkondensatorgehäuse;
Fig. 5 einen Schnitt durch das Plattenkondensatorgehäuse gemäss Fig. 4 längs der Linie 5-5 in Fig. 4 in Richtung der Pfeile gesehen;
;
Fig. 5a einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 ein Schaltschema einer in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Transistoroszillatorschaltung mit abgestimmter Basis und abgestimmtem Kollektor;
Fig. 7 ein Schaltschema einer Wheatstone-Brückenschaltung, die die in Fig. 6 gezeigte Schaltung umfasst;
Fig. 8 eine grafische Darstellung des Betriebs eines Teils eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 9 ein Schaltschema eines Ausführungsbeispiels der in Fig. 7 gezeigten Schaltung.
In den Zeichnungen, insbesondere in Fig. 1, ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung mit einem Plattenkondensator gezeigt, der zu prüfende Filterstangen mit freier Kohlenstoff-Füllung aufnimmt und an eine Mess- und Anzeigevorrichtung angeschlossen ist, mit der die Kapazität des Plattenkondensators mit darin angeordneten Filterstangen gemessen und angezeigt wird.
Eine beispielsweise aus Holz hergestellte Tischplatte 102 einer Prüfstation trägt ein mit 104 bezeichnetes Plattenkondensatorgehäuse sowie ein Gehäuse 106 für die Kapazitätsmess- und Anzeigesteuerung auf. Das Plattenkondensatorgehäuse 104 hat Seitenwände 108 und 110 sowie Stirnwände 112 und 114, welche hier aus einem metallischen Werkstoff bestehen und durch Schweissen verbunden sind. Das Gehäuse 104 hat einen Boden 116 ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff, der an den Seitenwänden 108 und 110 an den Stirnwänden 112 und 114 durch Verschweissen befestigt ist. Der Boden 116 hat über die Seitenwände 108 und 110 hinausragende Randbereiche 118 und 120. Das Oberteil des Gehäuses 104 weist eine Deckplatte 122 auf, die ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff hergestellt und an den Seitenwänden 108 und 110 sowie den Stirnwänden 112 und 114 mit Metallschrauben 124 befestigt ist.
Eine obere Kondensatorplatte 126 des im Gehäuse 104 aufgenommenen Plattenkondensators ist schwenkbar an der Deckplatte 122 des Gehäuses 104 angebracht. An der Deckplatte 122 sind mit Hilfe von Metallschrauben 131 und 132 Lagergehäuse 128 bzw. 130 befestigt, in denen Präzisionswellen und -lager 133 bzw. 134 aufgenommen sind. In den Lagern 133 und 134 ist ein Block 136 auf einer Welle 138 schwenkbar gelagert, der ausserdem an der Kondensatorplatte 126 mit Schrauben 140 (Fig. 4) befestigt ist. An der
Kondensatorplatte 126 ist ein Riegel 142 in Form eines
Klemmhebels angebracht, der einen Handgriff 144 hat, mit dem der Riegel in Eingriff und ausser Eingriff mit einem ortsfesten Ansatz 146 gebracht wird, welcher mit einer Metallschraube 147 und einem Stift 148 an der Deckplatte 122 des Gehäuses 104 befestigt ist (Fig. 4).
Die obere Kondensatorplatte 126 des im Gehäuse 104 aufgenommenen Plattenkondensators ist also schwenkbar an der Deckplatte 122 des Gehäuses 104 gelagert, so dass bei geschlossener Kondensatorplatte 126 (in Fig. 1 und 4 gezeigt) der Riegel 142 mit dem Ansatz 146 in Eingriff steht und die Oberfläche der Kondensatorplatte 126 an die Ober fläche der Deckplatte 122 des Gehäuses 104 angrenzt.
Das Gehäuse 104 ist an einem ortsfesten Teil des Prüf standes 102 über 4 insgesamt mit 152a, 152b, 152c und 152d bezeichnete Federstützen (von denen in Fig. 1 152b nicht gezeigt ist) befestigt, die sich jeweils von einer Ecke des Bodens 116 des Gehäuses 104 nach unten erstrecken. Jede Federstütze 152a bis d weist eiinen Abstandsblock 154a bis d aus Holz oder einem anderen Werkstoff auf, der an einem Ende an den Ecken des Bodens 116 des Gehäuses 104 mit Schraubbolzen 156a bis d befestigt ist. Am anderen Ende der Abstandsblöcke 154a bis d sind Blattfedern 158a bis d mit ihrem einen Ende mit Schraubbolzen 156a bis d und Muttern 160a bis d befestigt. Die anderen Enden der Blattfedern 158a bis d sind wiederum an einem Ende von Abstandsblökken 162a bis d mit Schraubbolzen 164a bis d befestigt.
An den anderen Enden der Abstandsblöcke 162a bis d sind mit den Schraubbolzen 164a bis d und mit Muttern 168a bis d Blattfedern 166a bis d mit ihrem einen Ende befestigt, während die anderen Enden der Blattfedern 166a bis d an einem Ende von Abstandsblöcken 169a bis d mit Schraubbolzen 170a bis d befestigt sind. Die Abstandsblöcke 169a bis d sind an ihrem anderen Ende an einer Bodenplatte 171 mit den Schraubbolzen 170a bis d und versenkten Muttern an der Unterseite der Platte 171 befestigt (was hier nicht gezeigt ist).
Die Platte 171 ist am ortsfesten Teil des Prüfstandes 102 durch Befestigungsmittel 172 fest angebracht.
Aus weiter unten erklärten Gründen ist an der Unterseite des Bodens 116 des Gehäuses 104 ein Vibrator 174 befestigt. Hierbei handelt es sich z. B. um einen handelsüblichen Vibrator, der von der Syntron Company hergestellt wird und als Syntron Vibrator Modell V4AC bekannt ist. Es sei noch darauf hingewiesen, dass jede beliebige Art von Federstützen 152a bis d, beispielsweise auch flexible Gummifederstützen verwendbar sind.
In dem Gehäuse 106 sind die Schaltungen zum Messen und Anzeigen der Kapazität aufgenommen, die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 6 bis 9 beschrieben werden.
Diese Schaltungen messen und zeigen die Kapazität des im Gehäuse 104 angeordneten Plattenkondensators an. Am Gehäuse 106 ist ein Druckschalter 176 zum Ein- und Ausschalten von Strom vorgesehen, der den Wechselstrom steuert.
Mit einem auf verschiedene Betriebsarten einstellbaren Druckschalter 178 kann das Gerät auf Eichen eingestellt werden, um die Eichung des Geräts zu überprüfen. Dieser Druckschalter 178 kann erneut gedrückt werden, wenn das Gerät auf Betrieb geschaltet werden soll, was die für das tatsächliche Prüfen oder Messen des Kohlenstoffgehalts der Filter mit freier Kohlenstoff-Füllung angewendete Betriebsart ist. Mit einem Druckschalter 180 für den Arbeitszyklus wird der nachfolgend beschriebene selbsttätige Betriebszyklus in Gang gesetzt. Ein Messgerät 182 zeigt die prozentuale Abweichung des Kohlenstoffgehalts des zu prüfenden kohlenstoffhaltigen Filtermaterials von einem vorgeschriebenen Füllzustand, der 0 0% entspricht, an. Eine Nadel 184 am Messgerät 182 liefert die Anzeige der prozentualen Abweichung von dieser Norm.
Mit einem Kippschalter 186 wird der Betrieb des Messgeräts 182 nach rechts oder links von der Nullprozentabweichung verlegt. Die Nadel 184 wird mit Hilfe eines Drehknopfes 188 auf die Nullprozentabweichungsstelle des Messgeräts 182 eingestellt, wenn das Gerät auf Eichen geschaltet ist.
Fig. 2 ist eine Teilansicht des Plattenkondensatorgehäuses 104, bei der die obere, gerippte Kondensatorplatte 126 in geöffneter Stellung gezeigt ist. Fig. 3 zeigt die Unterseite der Deckplatte 122 des Gehäuses 104. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, bildet die untere Kondensatorplatte 190 des im Gehäuse 104 aufgenommenen Plattenkondensators den Boden einer Kammer oder eines Abteils mit Seitenwänden 192 und
194 aus einem isolierenden Werkstoff, die an der Kondensatorplatte 190 mit Befestigungsmitteln 196 fest angebracht sind, und mit Stirnwandabstandsgliedern 198 und 200 aus einem isolierenden Werkstoff, die an einem Ende mit der Deckplatte 122 des Gehäuses 104 mittels Schraubbolzen 202 und an den Enden der Kondensatorplatte 190 mittels der Schraubbolzen 202, isolierender Unterlegscheiben 204 und Muttern 206 befestigt sind (siehe auch Fig. 4 und 5).
In Fig. 2 sind dreissig Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung zum Prüfen in dem im Zusammenhang mit Fig.
3 beschriebenen Abteil auf der Oberseite der Kondensator platte 190 gezeigt. Ein Teil der isolierenden Abstandsglieder 198 und 200 liegt etwas höher als die Filterstangen 208. Jede der zu prüfenden Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung weist abwechselnd Kohlenstoffkammern 210 und Zellulo sefilterabschnitte 212 auf. Jede Stange ergibt schliesslich sechs Filter mit freier Kohlenstoff-Füllung, von denen jeder Filter einen einzigen kohlenstoffhaltigen Bereich aufweist, bei dem es sich hier um die Kohlenstoffkammer 210 handelt, der an jedem Ende von einem nicht kohlenstoffhaltigen Bereich 212 begrenzt ist. An der Oberfläche der oberen Kondensatorplatte 126 sind Rippen 214 mit Befestigungsmitteln 216 befestigt.
Diese Rippen 214 sind an der Kondensator platte 126 in bezug aufeinander so angeordnet, dass bei ver- riegelter Stellung der Kondensatorplatte 126 mit Hilfe des Riegels 142 und des Ansatzes 146 die Rippen 214 an ihren Enden von den isolierenden Abstandsstücken 198 und 200 abgestützt sind und den Kohlenstoffkammern 210 der Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung benachbart sind, wenn diese Filterstangen auf der unteren Kondensatorplatte 190 angeordnet sind (siehe Fig. 4 und 5). Diese Rippen 214 sind an sich nicht nötig, jedoch bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel aus weiter unten erläuterten Gründen bevorzugt.
Fig. 4 und 5 zeigen die obere Kondensatorplatte 126 in ihrer mit dem Riegel 142 und dem Ansatz 146 verriegelten, geschlossenen Stellung. Die zu prüfenden Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung sind zwischen einem Teil der isolierenden Abstandsglieder 198 und 200 auf der Oberseite der unteren Kondensatorplatte 190 angeordnet. Die Rippen 214 der oberen Kondensatorplatte 126 sind an ihren Enden von einem Teil der isolierenden Abstandsglieder 198 und 200 abgestützt und in der Nähe der Kohlenstoffkammern 210 der Filterstangen 208 angeordnet. Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei in geschlossener Stellung mit Hilfe des Riegels 142 und des Ansatzes 146 verriegelter oberer Kondensatorplatte 126 ein integraler Verschluss mit dem Gehäuse 104 gebildet ist, wodurch die untere Kondensatorplatte 190 völlig umschlossen ist.
Dieses Abschirmen schützt die untere Kondensatorplatte 190 vor Nahwirkungen in der Nähe befindlicher Gegenstände und Personen und schirmt ausserdem jede mögliche HF-Strahlung von dieser heissen Platte ab. Strom wird der unteren Kondensatorplatte 190 über einen elektrischen Stecker 218 zugeführt, der in Fig. 5 als ein koaxialer HF-Stecker gezeigt ist, der an der Bodenplatte 120 des Gehäuses 104 mit Schrauben 220 befestigt und an der Stelle 222 mit der unteren Kondensatorplatte 190 elektrisch verbunden ist.
Fig. 5a zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Kondensators. bei dem zusätzlich zur oberen Kondensatorplatte 126 eine obere Kondensatorplatte 126a verwendet ist. Diese obere Kondensatorplatte 126a hat Rippen 214a, die den nicht kohlenstoffhaltigen Bereichen 212 der Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung benachbart sind, wenn diese andere Kondensatorplatte 126a sich in geschlossener Stellung befindet, wie Fig. 5a zeigt.
Der Betrieb dieser anderen Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben, es sei hier jedoch darauf hingewiesen. dass die obere Kondensatorplatte 126 (mit Rippen in der Nähe der Kohlenstoffkammern) und die obere Kondensatorplatte 126a (mit Rippen in der Nähe der nicht kohlenstoffhaltigen Bereiche) an den entgegengesetzten Enden des Plattenkondensatorgehäuses 104 angelenkt sein können, so dass jeweils die eine oder andere über die Filterstangen 208 geklemmt werden kann.
Um die gleiche Wirkung zu erreichen, wie bei der abwechselnden Verwendung der oberen Kondensatorplatten 126 und 126a kann auch eine einzige, gerippte obere Kondensatorplatte verwendet werden, die längs der Filter um ein festes Ausmass verschiebbar ist, welches nötig ist, um die Rippen dieser oberen Kondensatorplatte aus einer Stellung in der Nähe der Kohlenstoffkammern 210 der Filterstangen 208 in eine Stellung in der Nähe der nicht kohlenstoffhaltigen Bereiche 212 der Filterstangen 208 zu bringen. Ferner kann die Anordnung der Rippen an einer einzigen Platte kombiniert sein und die Umwandlung der Signale von beiden Rippenmustern zu einer einzigen, kompensierten Anzeige elektronisch erfolgen.
Wenn die Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung auf die untere Kondensatorplatte 190 zwischen die isolierenden Abstandsglieder 198 und 200 gefüllt werden und die obere Kondensatorplatte 126 mit dem Riegel 142 und dem Ansatz 146 in ihrer Lage verriegelt wird, befindet sich der Kohlenstoff in den Kohlenstoffkammern 210 im allgemeinen in ungeordnetem Zustand. Oft rollen z. B. die Filterstangen 208 noch kurz bevor sie ihre endgültige Stellung erreichen, wodurch die Kohlenstoffoberfläche der Kohlenstoff-Füllung innerhalb der Kohlenstoffkammer 210 unter einem Winkel zur Oberfläche der in der Nähe dieser Filterstangen befindlichen unteren Kondensatorplatte 190 oder zur Oberfläche der Rippen 214 in der Nähe der Filterstangen bleibt.
Da dieser Winkel von Zeit zu Zeit verschieden ist, schwanken infolgedessen auch die bei aufeinanderfolgenden Messungen einer gegebenen Probe von Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung erhaltenen Werte entsprechend. Da mit der Erfindung Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messwerte erreicht werden sollen, darf die Kohlenstoffanordnung oder -ausrichtung sich von einer Messung zur nächsten nicht merklich unterscheiden. Dies wird durch die Befestigung des Vibrators 174 am Gehäuse 104 und die Anordnung flexibler Federstützen 152a bis d zum Abstützen des isolierenden Gehäuses 104 an der Prüfstation 102 erreicht (siehe Fig. 1 und 4). Dass das Gehäuse 104 vor jeder Messung in Schwingung versetzt wird, trägt dazu bei, eine gleichbleibende Kohlenstoffanordnung von einer Messung zur nächsten beizubehalten.
Die Kapazität eines elektrischen Kondensators, wie des Plattenkondensators mit parallelen Kondensatorplatten 126 und 190 ist proportional zur Fläche der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand D zwischen den Platten.
Wenn ein leitender Gegenstand zwischen die Platten gebracht wird, so wird der Plattenabstand der Wirkung noch verringert, und die an den Platten gemessene Kapazität steigt. Wenn die Gestalt des Gegenstandes kompliziert ist, kann es schwierig oder unmöglich sein, die erwartete Kapazitätsänderung über die Platten des Kondensators hinweg beim Einführen des Gegenstandes zwischen den Platten zu berechnen. Trotzdem steht, wenn mehrere derartige Gegenstände von ähnlicher Gestalt aber unterschiedlicher Grösse nacheinander zwischen die Platten des Kondensators gebracht werden, die Kapazitätsänderung an den Kondensatorplatten beim Einführen und Herausnehmen jedes Gegenstandes in Beziehung zur Grösse des Gegenstandes in jedem betreffenden Fall. Der Kohlenstoff in der Kohlenstoffkammer 210 der Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung ist der Wirkung nach ein kleiner leitfähiger Gegenstand.
Wenn die Kohlenstoffkammer 210 eine im wesentlichen gleichbleibende Länge und einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt hat, drücken sich Änderungen der prozentualen
Kohlenstoff-Füllung in Änderungen der Kohlenstoffhöhe aus. Wenn also die Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff
Füllung zwischen den Kondensatorplatten 126 und 190 des
Plattenkondensators angeordnet werden, ist die über die Kon densatorplatten 126 und 190 hinweg von der unten beschrie benen Kapazitätsanzeigeeinrichtung gemessene Kapazitätsän derung proportional zum Kohlenstoffgehalt der gemessenen
Charge Filterstangen mit freier Kohlenstoff-Füllung.
Es sind drei Ausrichtungen der Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung und der Kondensatorplatten 126 und 190 möglich. Die Kondensatorplatten 126 und 190 kön nen senkrecht zu einer Horizontalen und die Filterstangen
208 parallel zu dieser Linie angeordnet sein. Bei dieser An ordnung der Kondensatorplatten 126 und 190 und der Filter stangen 208 ergibt sich die grösstmögliche Empfindlichkeit, wenn die Kohlenstoffkammern 210 ungefähr halbvoll sind.
Bei einer anderen Ausrichtung sind die Kondensatorplatten
126 und 190 und die Filterstangen 208 alle senkrecht zu einer Horizontalen angeordnet. Bei dieser Anordnung der
Kondensatorplatten 126 und 190 und der Filterstangen 208 ist das Ansprechen bei allen Kohlenstoffhöhen linear aber nur mässig. Für das in den Zeichnungen dargestellte Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung ist die dritte Ausrichtung ge wählt, bei der die Kondensatorplatten 126 und 190 und die
Filterstangen 208 sich alle parallel zur Horizontalen erstrek ken. Diese Ausrichtung ergibt eine rasch steigende Empfind lichkeit bei Filtern, die beträchtlich mehr als halbvoll sind.
Es wird diejenige Ausrichtung gewählt, die für die zu messen den Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung am be sten geeignet ist.
Im Betrieb wird der Druckschalter 176 eingeschaltet und der Druckschalter 178 gedrückt, um das Gerät auf Eichen einzustellen. Das Messgerät 182 sollte Null anzeigen (Mitte der Skala), und wenn das nicht der Fall ist, wird das Messge rät mit Hilfe des Drehknopfes 188 so eingestellt, dass die
Nadel in die Nullstelllung kommt. Während das Gerät auf Eichen eingestellt ist, sollte ferner beim Drücken des Kipp schalters 186 nach rechts oder links eine Messgerätanzeige erfolgen, die zwischen paarweise vorgesehenen Bezugsmarken am rechten bzw. linken Ende der Skala des Messgerätes
182 liegt. Als nächstes wird der Druckschalter 178 heruntergedrückt, um das Gerät auf Betrieb zu schalten. Eine Probecharge von Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung wird dann auf die untere Kondensatorplatte 190 gegeben, wie Fig. 2 zeigt.
Anschliessend wird die obere Kondensatorplatte 126 mit Hilfe des Riegels 142 und des Ansatzes 146 in ihrer Lage verriegelt, wie Fig. 4 zeigt. Durch Herunterdrücken des Druckschalters 180 für den Arbeitszyklus wird dann der selbsttätige Arbeitszyklus in Gang gesetzt, der von einem hier nicht gezeigten Nockenzeitgeber gesteuert ist.
Der Vibrator 174 versetzt das Gehäuse 104 für kurze Zeit, beispielsweise 5 Sekunden, in Schwingung, wodurch sich der Kohlenstoff in den Kohlenstoffkammern 210 der Filterstangen 208 absetzt. Dann wird der Vibrator 174 selbsttätig abgeschaltet und das Anzeigemessgerät 182 kurzfristig, beispielsweise 5 Sekunden lang eingeschaltet, und während dieser Zeit erfolgt die Ablesung. Am Ende dieses 10 Sekunden langen Zyklus wird das Messgerät wieder abgeschaltet. Dann wird der Riegel 142 ausser Eingriff mit dem Ansatz 146 gebracht und die obere Kondensatorplatte 126 geöffnet.
Als Beispiel der hier beschriebenen Betriebsweise wurde die Messvorrichtung so eingestellt, dass sich eine Nullabweichung (Mitte der Skala) für Filter ergab, deren Kammern zu 63% mit Kohlenstoffkörnchen gefüllt waren. Dann wurden Gruppen von Filterstangen vorbereitet, von denen jede Gruppe einen anderen Kohlenstoffgehalt hatte. Mit dem oben beschriebenen Gerät wurde dann eine Anzeige für jede Gruppe erarbeitet. Anschliessend wurden die Filter aufgeschnitten und der tatsächliche Kohlenstoffgehalt unmittelbar festgestellt.
Typische Ergebnisse waren dabei wie folgt: Durchschnittlicher Messgerätanzeige, relativer C-Gehalt Abweichung in 0/0 der Filter, von 630/obiger Füllung Füllung in /o 60,2 -2,7 61,3 -0,9 61,7 -0,8 62,4 -0,8 62,4 0,0 62,8 -0,1 62,6 0,5 62,9 0,3 63,4 0,1 64,1 0,3 63,5 0,7 64,6 0,6 65,4 2,3 65,9 2,6 65,6 3,3 67,1 4,7 67,4 4,3 67,6 4,6 68,1 4,5 67,9 5,6
Trägt man die obigen Daten in eine Kurve ein, so liegen alle Punkte innerhalb 1 Ole Füllung einer Durschnittslinie.
Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung nur eine bestimmte Anwendung der Erfindung wiedergibt.
Ferner weist bei dem in Fig. 2, 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die obere Kondensatorplatte 126 Rippen 214 auf. Wie bereits erwähnt, kann die obere Kondensatorplatte 126 auch ohne Rippen ausgeführt sein. Die Rippen 214 sind an der oberen Kondensatorplatte 126 vorgesehen, um dazu beizutragen, das Ansprechen des Plattenkondensators auf Feuchtigkeitsschwankungen der nicht kohlenstoffhaltigen Bereiche 212 der Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung auszuschalten. Da die Rippen 214 der oberen Kondensatorplatte 216 den Kohlenstoffkammern 210 benachbart sind, wie Fig. 5 zeigt, wird die Auswirkung der nicht kohlenstoffhaltigen Bereiche 212 dadurch geringer gemacht, dass der Abstand zwischen der oberen Kondensatorplatte 126 und der unteren Kondensatorplatte 190 in diesen Bereichen vergrössert wird.
Eine weitere Reduzierung lässt sich mit einer anderen Konstruktion der unteren Kondensatorplatte erzielen, die mit Rippen in der Nähe der Kohlenstoffkammern 210 versehen ist. Andererseits kann die Vorrichtung zusätzlich zur oberen Kondensatorplatte 126 mit den Rippen in der Nähe der Kohlenstoffkammern 210 bei geschlossener Platte eine zweite obere Kondensatorplatte 126a aufweisen, die mit Rippen versehen ist, welche den nicht kohlenstoffhaltigen Bereichen 212 benachbart sind, wenn die zweite Platte sich in geschlossener Stellung befindet, wie Fig. 5a zeigt. Die Kondensatorplatte 126 ist sehr empfindlich für den Kohlenstoff in den Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung, spricht aber auch geringfügig auf die Stoffe in den Filterstangen an, die nicht aus Kohlenstoff sind.
Die Platte 126a andererseits spricht minimal auf den Kohlenstoff in den Kohlenstoffkammern 210 und maximal auf die nicht kohlenstoffhaltigen Bereiche 212 an. So wird die Kapazität am Plattenkondensator für eine gegebene Charge Filterstangen 208 mit freier Kohlenstoff-Füllung einmal gemessen, wenn die obere Kondensatorplatte 126 geschlossen ist und erneut, wenn die obere Kondensatorplatte 126a geschlossen ist. Diese beiden Kapazitätswerte R, bzw. R2 werden dann zur Anzeige R-R < -KR2 kombiniert, die unabhängig von Feuchtigkeit ist.
R, ist die Anzeige der Kapazität bei geschlossener oberer Kondensatorplatte 126, während R2 die Anzeige der Kapazität bei geschlossener oberer Kondensatorplatte 126a ist. K ist eine Konstante, die empirisch festgelegt wird, um die Kombination R < -KR2 feuchtigkeitsunabhängig zu machen.
Diese abwechselnde Verwendung von zwei oberen Kondensatorplatten ergibt einen geringfügigen Verlust an Kohlenstoffempfindlichkeit gegenüber der Verwendung nur einer einzigen oberen Kondensatorplatte 126, aber die Genauigkeit des Ansprechens auf Kohlenstoff ist deutlich grösser.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde hier zwar im Zusammenhang mit dem Messen des Kohlenstoffgehalts in Filterstangen mit freier Kohlenstoff-Fül lung oeschrieben, die abwechselnd Kohlenstoffkammern und nicht kohlenstoffhaltige Bereiche aufweisen. Aber die Vorrichtung kann auch zur Bestimmung des Kohlenstoffgehalts in Filtern verwendet werden, die mit Kohlenstoff imprägniertes Azetat aufweisen, bei denen die kohlenstoffhaltigen Bereiche aus in einer Stange aus Zelluloseazetatfiltermaterial dispergierten Kohlenstoffkörnchen bestehen. Bei dieser Messung ist der Vibrator 174 nicht nötig, und die obere Kondensatorplatte 126 kann eben sein und braucht keine Rippen 214 aufzuweisen.
Ferner hat die Ausrichtung der Kondensatorplatten und Filterstangen keine Auswirkung auf das Ansprechen des Geräts auf Kohlenstoff, sondern ist lediglich eine Frage der Zweckmässigkeit. Der in Fig. 1 bis 5 gezeigte Plattenkondensator wurde mit einem abgewandelten Messgerät 182 zum Messen des Kohlenstoffgehalts von Filtern aus mit Kohlenstoff imprägniertem Azetat, in denen kein Weichmacher enthalten war, verwendet, und in denen der Kohlenstoff eine Siebgrösse von 1190 x 373 ,um (14 x 40 Tylormesh) hatte.
Typische Ergebnisse waren folgende: Probe C-Gehait C-Messgerätanzeige (gel00 Stangen) 1 0 37,5 2 0 38,0 3 33,1 94,5 4 33.4 94,0 5 12,50 56,5 6 14,05 58,5 7 57,5 142 8 57,1 140
Wenn man die obigen Daten in eine Kurve einträgt, liegen alle Punkte innerhalb 1,0 g/100 Filterstangen einer durchschnittlichen, nahezu linearen Kurve.
Wie bereits erwähnt, ist im Gehäuse 106 eine Kapazitätsanzeigeeinrichtung aufgenommen, die die Kapazität des Plattenkondensators mit den Kondensatorplatten 126 und 190 misst. Diese Kapazitätsanzeigeeinrichtung kann eine belie bige Einrichtung sein, die über die Kondensatorplatten 126 und 190 des Plattenkondensators geschaltet ist und auf Kapazitätsänderungen bis herunter zu 7o Pikofarad anspricht. Eine solche Kapazitätsanzeigeeinrichtung ist in den Fig. 6 bis 9 dargestellt.
Fig. 6 zeigt einen insgesamt mit 302 bezeichneten Oszilla tor, der als Transistoroszillator mit abgestimmtem Kollek tor- und abgestimmtem Basiskreis ausgebildet und in der Ka pazitätsanzeigeeinrichtung verwendet wird. Der Oszillator
302 weist einen Transistor 304 auf, der bei einem bevorzug ten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein von der General
Electric Company hergestellter Transistor des Typs 2N2925 ist. Der Transistor 304 weist einen Kollektor 306, einen Emit ter 308 und eine Basis 310 auf. Der insgesamt mit 316 be zeichnete abgestimmte Kollektorkreis des Oszillators 302 weist eine Induktivität 312 auf, die mit einer Kapazität 314 parallel geschaltet ist. Der insgesamt mit 322 bezeichnete abgestimmte Basiskreis weist eine Induktivität 318 auf, die mit einer Kapazität 320 (Kondensator) parallel geschaltet ist.
Ein den abgestimmten Kollektorkreis 316 mit der Basis 310 des Transistors 304 verbindender Widerstand 324 dient als Basis-Vorspannwiderstand. Der Basiskreis 322 ist mit der Basis 310 über Kapazität 326 verbunden.
Die Kollektorinduktivität 312 und die Basisinduktivität 318 sind induktiv gekoppelt.
Der abgestimmte Basiskreis hat nahezu die gleiche Resonanzfrequenz wie der abgestimmte Kollektorkreis. Da der abgestimmte Basiskreis 322 durch Hinzufügen von Kapazität zur Kapazität 320 verstimmt wird, ändert sich der Strom des Kollektors 306 des Transistors 304 im wesentlichen S-förmig als Funktion der der Kapazität 320 hinzugefügten Kapazität.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung des relativen Stroms am Kollektor 306 als Funktion der der Kapazität 320 im abgestimmten Basiskreis 322 hinzugefügten Kapazität. Auf die Achse x wird die dem Basiskreis 322 hingefügte Kapazität und auf die Achse y der relative Strom am Kollektor 306 aufgetragen. Im mittleren, in der Fig. 8 gezeigten Bereich der S-förmigen Kurve ist der relative Strom am Kollektor 306 annähernd linear - Linie z - in bezug auf kleine Kapazitätsschwankungen 320 im abgestimmten Basiskreis 322. Dies lässt sich wie folgt ausdrücken: hlC=Kc ACh, wobei Alc eine Änderung im relativen Strom am Kollektor 306 und ACb eine Änderung in der Kapazität 320 und Kc eine Proportionalitätskonstante in bezug auf die Kapazität ist.
Der Oszillator 302 wirkt also innerhalb des oben beschriebenen linearen Arbeitsbereiches als eine Stromquelle, die einen Strom (am Kollektor 306) erzeugt, der proportional zu der zu messenden Kapazität ansteigt, die dem abgestimmten Basiskreis 322 hinzugefügt wird.
Es lässt sich experimentiell zeigen, dass die Abweichungen von der Linearität gering sind, wenn ein genau geeichter veränderlicher Kondensator, z. B. ein Kondensator des Typs 722-S54 der General Radio Co. Ltd. mit dem abgestimmten Basiskreis 322 parallel geschaltet wird. Dies ge schah bei einem Ausführungsbeispiel der hier beschriebenen
Schaltung. Diese Schaltung wurde so eingestellt, dass ein vol ler Ausschlag eines Messgeräts 338 einer Kapazitätsände rung von 10,00 Pikofarad entsprach.
Dann wurden bekannte
Kapazitätsänderungen mit den Anzeigen des Messgeräts
338 verglichen wie folgt: a b
Wahre Kapazitäts- vom Messgerät angezeigte Fehler änderung, Kapazitätsänderung. b-a
Pikofarad lineare Skala
0,00 0,00 0,00
1,00 0.95 -0,05
2,00 1,98 -0,02
3,00 2,99 -0,01
4,00 3,96 -0,04
5,00 4,96 -0,04
6,00 5,96 -0,04
7,00 6,97 -0,03
8,00 8,00 0,00
9,00 9,01 0,01
10,00 10,00 0,00
Der durchschnittliche Fehler beträgt weniger als 1 /0.
von dem nur ein Teil der Nichtlinearität zuzuschreiben ist.
Der Oszillator 302 könnte auch zum Messen einer Indukti vität verwendet werden, die dem abgestimmten Basiskreis 322 hinzugefügt wird, indem die entsprechende Proportionalitätskonstante Kc oder Ki festgelegt und die sich ergebende Änderung im Strom am Kollektor 306 gemessen wird, was jedoch im vorliegenden Fall nicht von Interesse ist.
Fig. 7 und 9 zeigen den Oszillator 302 in einer Wheatstone-Brückenschaltung. Die Wheatstone-Brückenschaltung gemäss Fig. 7 und 9 ist von allgemein üblicher Bauart und weist HF-Überbrückungskondensatoren 328 und 330 auf. Ferner weist die Wheatstone-Brückenschaltung Brückenwiderstände 332, 334 und 336 auf. Das Messgerät 338 misst die Dia gonalarmspannung der Brückenschaltung, und ein Potentio meter 340 dient zum Einstellen der Empfindlichkeit des Messgeräts. Das in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendete Messgerät 338 ist ein Erzeugnis der Assembly Products Inc., Modell 502, welches einen 100-Mikroampere-Bereich hat. Um das Messgerät 328 auf Null einzustellen, dient ein Potentiometer 342.
Wie oben bereits beschrieben, wirkt der Oszillator 302 als eine Stromquelle, die eine Spannung über den Brückenwiderstand 332 entwickelt
Bei einem in der Praxis angewandten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kapazitätsanzeigeeinrichtung geeignet, Änderungen von null bis zehn Pikofarad auf der Messskala des Messgeräts 338 anzuzeigen. Andererseits kann aber auch zusätzlich ein Dekadenschalter vorgese hen sein, um Kapazität aus der Schaltung in aufeinanderfolgenden Stufen von je zehn Pikofarad herauszuschalten. Dies ermöglicht es, mit der Kapazitätsanzeigeeinrichtung bei den unten angegebenen Werten der Bauelemente Änderungen bis zu ungefähr 100 Pikofarad zu messen und dabei doch die Genauigkeit und Auflösung der Zehn-Pikofarad-Vorrichtung beizubehalten.
In ihrer Anwendung als Zehn-Pikofard-Vorrichtung weist die Kapazitätsanzeigeeinrichtung eine veränderliche Kapazität 344 auf, die mit der Kapazität 320 des abgestimmten Basiskreises 322 parallel geschaltet ist. Die veränderliche Kapazität 344 wird auf eine Nullstrom-Messgerätanzeige am Messgerät 338 eingestellt, wenn keine äussere Kapazität dem abgestimmten Basiskreis 322 hinzugefügt wird, und das Potentiometer 340 wird auf eine Vollstrom-Messgerätanzeige am Messgerät 338 eingestellt, wenn eine Zehn-Pikofarad-Kapazität dem abgestimmten Basiskreis 322 hinzugefügt wird, der zu den Kapazitäten 320 und 344 parallelgeschaltet ist. Die Werte der einzelnen Bauelemente sind dabei z.
B. wie folgt gewählt: Induktivität 312 - ca. 8,2 Mikrohenry, Kapazität 314 - ca. 220 Pikofarad, Induktivität 318 - ca. 8,2 Mikrohenry, Kapazität 320 - ca. 40 Pikofarad, Basis-Vorspannwiderstand 324 - ca. 560 kQ, Basis-Koppelkondensator 326 - ca.
0,01 Mikrofarad. Die veränderliche Kapazität 344, die zum Abstimmen des abgestimmten Basiskreises 322 beiträgt, ist so gewählt, dass sie über einen Bereich von ca. 1 bis 12 Pikofarad veränderbar ist.
Wie bereits erwähnt, wird der Strom am Kollektor 306 des Transistors 304 in einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen. Bei der oben getroffenen Wahl der Werte der Bauelemente des Oszillators 302 werden Brückenwiderstände 332, 334 und 336 mit einem Wert von 2,4 kQ gewählt. Das Potentiometer 340 hat einen Bereich von ca. 5 kQ, und das Potentiometer 342 einen Bereich von ca. 100 Q. Die beiden HF-Uberbrückungskondensatoren 328 und 330 haben Werte von ca. 0,05 bzw. 0,01 Mikrofarad.