CN1542437A - 用于产品密度测量的微波测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过微波测量产品密度的测量装置。该测量装置包括一个第一微波谐振器(1)，在操作中，微波从其中进入生产区域(12)，还涉及一种用于对影响第一微波谐振器(1)测量信号的环境影响和扰动变量进行补偿的装置。根据本发明，补偿装置包含一个第二微波谐振器(2)，它朝向与微波辐射有关的生产区域(12)被屏蔽。

Description

用于产品密度测量的微波测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于通过微波测量产品密度的测量装置，它具有第一微波谐振器，在操作中，微波由第一微波谐振器进入生产区域，以及一种用于对影响第一微波谐振器测量信号的环境影响和内、外部干扰变量进行补偿的装置。
背景技术
在利用这种测量装置测量密度时，采用的测量变量，尤其是谐振频率和谐振曲线宽度，都取决于第一谐振器中不同的环境影响和干扰变量。为了补偿例如谐振器温度对系统测量误差的影响，已知在第一谐振器的某一特定点设置一个温度传感器，并且通过测得的温度进行计算修正。由于第一谐振器中的温度仅仅在某一点被确定，第一谐振器中的补偿精度是有限的，尤其是在空间上非均匀的和/或时间变化的温度分布情况下。
一般地说，例如为了补偿温度的影响，已知使用不同的材料，当前是对于第一谐振器，具有异号的温度系数。然而，除了日益增长的制造成本，不同材料尤其是条筒之间的过渡点在微波技术中具有不利的影响。也已知使用热膨胀系数接近或等于零的特殊合金和复合材料。这也增加了制造成本。
发明内容
本发明基于在上述类型的测量装置中降低由不同环境影响和第一谐振器中内、外部干扰变量引入的测量误差的问题。
为此目的，本发明提供一种包含一个第二微波谐振器的补偿装置，此第二微波谐振器朝向与微波辐射有关的生产区域被屏蔽。
首先解释应用的一些术语：
“谐振器”是指一个空间区域，在其内能够传播一个持续的微波场。谐振器可以是一个封闭的或基本封闭的谐振腔或一个开放的谐振器。
其密度被测量的产品布置在一个被称为“生产区域”的区域内，当传感器工作时，它与第一谐振器的区域具有一个固定的空间关系。生产区域可以部分或完全延伸到第一谐振器区域内；可选择地，它可以在空间上与第一谐振器区域分开。在后一种情况中，生产区域可以与第一谐振器区域邻接；可选择地，它可以在空间上与其远离地布置，并且场可以直接经由一条线路从谐振器引导到生产区域。微波进入生产区域，以便与产品相互作用。通常，微波由此能穿透第一谐振器到达生产区域。产品可以是持续不断和/或连续不断的产品流，例如纤维条、纤维带、短纤维或在纺丝准备机中的各个纤维、或香烟制造机中的烟草束。
根据本发明，通过第二谐振器确定测得的变量—由于它具有对生产区域的微波屏蔽—并不受微波场与介电常数相互作用的影响。因为第一谐振器的测得的变量与第二谐振器的相应测得的变量是相当的，因此能够补偿环境影响和扰动变量对两个谐振器的测量信号的影响。这些环境影响和扰动变量之一是例如环境的热效应，诸如从产品中发射出的热负荷。
本发明已经认识到，例如第一谐振器中的温度分布可以在空间上是非均匀的和/或可随时间变化的。这种认识的结果是，本发明允许测量例如综合温度，也就是一个区域内的平均温度，该区域关于其布置相对于生产区域与第一谐振器区域一致，并由此具有基本上与其相同的温度分布。这与在与第一谐振器区域有关的小范围区域内的温度测量完全不同。
尤其是在随时间改变的情况下，非均匀地发生环境影响和扰动变量，在某一点上常规地测量第一谐振器的温度，例如在特殊情况下可能引起具有较大测量误差的失真测量结果。让我们考虑一个作为装置的实例，其中温度传感器布置在第一谐振器远离热源的一侧上。一旦第一谐振器面向热源的一侧被加热，温度升高就对测量信号产生作用；但直到第一谐振器远离热源的那一侧被加热时，这才能被检测和补偿。在插入期间，没有发生满意的温度补偿。
当它与充满电介质的第一谐振器组合时，本发明带来特殊的优点。在此“电介质”意味着介电常数至少为2，最好至少为5。因此，例如第一谐振器测得的变量对温度的依赖关系由绝缘材料的介电常数对温度的依赖关系来决定。由于介质材料的导热性通常很差，空间上非均匀的温度分布或随时间改变的热负荷具有特别强的影响，因为它需要花费很长时间用于形成静态的温度分布。第二谐振器因此最好同样填充有相应的电介质，它在每个测量瞬时都与第一谐振器的绝缘材料具有类似的温度分布。
第二谐振器在对环境影响和扰动变量的响应方面，最好具有与第一谐振器类似的特性。例如它应用于谐振器的尺寸和材料(权利要求3)，例如在导热性、热渗透值、热传递、热传导、热容量、热膨胀和/或其它与热相关的变量的方面。当待补偿的第一谐振器的特性由一种材料、例如绝缘材料来自导时，这大体上足够符合与这种材料相关的适当特性。
第一和第二谐振器最好彼此邻近布置(权利要求6)和/或形成一个模块单元(权利要求7)；由此可以确保两个谐振器受到相同的环境影响和扰动变量。但可选择的是，两个谐振器可以空间上彼此分开地布置。
本发明另一更大的优点是，第二谐振器有利地也可以用于同时补偿其他扰动变量的影响，例如较长时间的电子漂移或者由于老化原因引起的材料变化。
由于产品介电常数对温度的依赖关系，产品温度对测量信号有直接影响。由此装置能有利地包含另一个温度传感器，例如PT-100元件或无接触的温度计，用于产品温度的直接和快速测量，以便能够以本身已知的方式相应地修正测量信号。
本发明基本上能够用于以下两种情况，即，基于透射测定法操作第一谐振器和基于反射测定法操作第一谐振器。
本发明还包括一个有利的装置，用于按照本发明使用和/或用于实施按照本发明的测量方法，尤其是用于测量至少一根纺织纤维，例如棉、合成纤维或类似物的条状物的密度，其中，微波测量装置用来控制和/或调节至少一根纺织纤维条用的加工装置。
微波测量装置有利地布置在梳理机的输出端。至少一个微波测量装置优选地布置在并条机(draw frame)牵伸系统的馈入端和/或输出端。牵伸系统有利地是在梳理机输出端处的梳理机牵伸系统。纺织纤维条最好是粗梳条子。纺织纤维条最好地是并条机条子。微波测量装置优选地与电子控制和调节装置、例如机器控制和调节装置相连。控制和调节装置有利地与至少一个致动器(actuator)、例如驱动马达相连接，用于改变纤维条的密度。用于显示纤维条的密度或密度变化的显示设备，例如显示屏、打印机或类似物，优选与控制和调节装置相连接。微波测量装置有利地用于监测在梳理机或并条机上制成的条子的密度。
另一个应用实例是在香烟制造机上制造香烟的过程中测量顶部压缩(香烟中烟草密度较高的区域)。
附图说明
以下通过示例性的实施例并借助于附图解释本发明，附图中：
图1是根据本发明的测量装置构造的横截面图，它具有空间上分开的谐振器；
图2是根据本发明的测量装置构造的横截面图，其中两个谐振器彼此邻接并且形成一个模块单元；
图3是带有根据本发明的微波测量装置的梳理机的示意侧视图；
图4示出带有根据本发明的微波测量装置的包括纤维条筒的圈条器，其中纤维条筒具有自调匀整炼条装置；
图5是具有根据本发明的作为输入和输出测量元件的微波测量装置的自调匀整并条机的示意侧视图；
图6示出具有闭合的控制回路(闭环控制)和根据本发明的测量装置的自调匀整并条机；
图7示出具有开环控制回路(开环控制)的自调匀整并条机；
图8示出具有开环与闭环控制回路组合(参比变量输入)和根据本发明的两个测量装置的自调匀整并条机。
具体实施方式
在图1和图2中示出示例性的实施例，其中，在图1中是间隔开的测量装置，在图2中是模块化的测量装置，它包含微波传感器1(测量谐振器)和补偿装置2(基准谐振器)。
产品通过两个开孔引导穿过微波传感器1。
微波是通过适合的装置10(微波发生器)产生的，并且通过接线3馈送到谐振器1。以特定的频率在谐振器1中引发驻波。在图1和图2中示意地示出场强在谐振器1区域内的分布。微波进入生产区域12并且能与位于那里的产品9相互作用。微波通过接线4输出并且传到下游的估算装置11(微波产生器)。基准谐振器2直接与测量谐振器1邻接布置。
最好通过开关7从横切(infeed)10中分接出的微波经由接线5和6注入和馈送到基准谐振器2中。微波经由开关8传到估算装置11。开关7和8的开关频率可以越高越好。因为基准谐振器和测量谐振器结构是相同，在两个谐振器1、2中获得的状态在任何时候都是相同的，例如温度分布是近似相同的。
为了进行测量，谐振器1中的场频是通过包含特定、单独的谐振范围来驱动的。待通过的范围特别是取决于在上述所讨论的那个产品并且取决于实际发生的含水量和温度值(由于在其中发生的大量的谐振变换(resonance shift))。谐振频率f1和测量到的谐振的半值宽度Γ1是由起始信号在估算装置中测定的。这样的测量和估算循环可以在几分之一秒内进行。
在特定的时间，相应的测量值在基准谐振器2中产生。基准谐振器2中的场频通过包含有一特定、独立的谐振器的范围驱动；谐振频率f2和半值宽度Γ2同样也被测定。f2、Γ2值通过基准谐振器2的布置与产品密度无关。f2、Γ2值接下来基于存储在估算装置中的两个校准曲线转换成相应的f0、Γ0值。f0、Γ0值分别表示不带有产品的谐振器1(不带负载测量)的谐振频率和半值宽度。这些校准曲线清楚地确定了对于一个特定的产品材料的变量f2和f0之间以及变量Γ2和Γ0之间的相互关系，它们起初通过在实际发生的范围之内的环境影响和特定的扰动变量的变化、在相应的校准量测中被确定。在操作中，然后可以省略用来确定变量f0、Γ0的无负载测量，它在对产品流(productstream)进行测量时尤其是有利的，其中，无载测量只有在产品流被中断时才是可能的。
由上述的变量，以本身已知的方式得出一变量Ψ(A)＝f((f1-f0)；(Γ1-Γ0)仅取决于材料密度A，并且由于本发明既不取决于材料含水量也不取决于环境影响和特定的扰动变量。材料密度A通过存储在估算装置中的校准曲线由变量Ψ确定。此校准曲线，它清楚地限定对于特定的产品材料的A和Ψ之间的关系，并且首先通过实际发生的范围之内的产品密度的变化、在相应的校准量测中被确定。
为了避免扩散影响，在测量谐振器1和基准谐振器2中的测量最好以比较近似的频率进行。基准谐振器2的尺寸最好这样确定，使得就测量谐振器1和基准谐振器2来说，待通过的频率范围具有小于1GHz，优选少于100MHz，还最好少于10MHz的平均间隔。在优选从0.1-20GHz，另外优选在1-5GHz，还优选在2-3GHz，还优选在2.4-2.5GHz的范围内进行测量。
图3示出了一台梳理机54，例如Truetzschler高性能梳理机DK903，具有进料辊13、进料盘14、刺辊151、152、153、滚筒16、小滚筒17、剥取辊18、压辊19、20、料幅导向部件21、料幅漏斗22、送出辊23、24、梳理机旋转顶盖25、圈条器26和条筒27。各辊子的旋转方向由相应的曲线箭头示出。送出辊23、24抽出粗梳条子28，它经过导辊29、30到圈条器26，并从那里存放在条筒27中。根据本发明的微波测量装置31(如图1、2)布置在送出辊23、24和导辊29之间。微波测量装置31与电子控制和调节装置32连接，例如一台微型计算机，它通过变速驱动马达33改变进料辊13的旋转速度。通过这种方式，能够以高速例如200m/min或更高速度离开送出辊23、24的粗梳条子28的密度被调整。字母A表示工作方向。
参看图4，牵伸系统(drawing system)34安装在圈条器26之上，并与在图5中示出的牵伸系统相对应；参考对图5中的牵伸系统的描述。在牵伸系统34的馈入端和输出端有一个相应的微波测量装置48、49，它们与电子控制和调节装置32连接，后者还与用于牵伸系统34的驱动马达46、47以及与用于条筒转盘的驱动马达21连接。
参看图5，并条机55，例如Truetzschler并条机HSR，具有牵伸系统34，其上流是牵伸系统入口34a而其下流是牵伸系统出口34b，纤维条35从条筒(未示出)进入导条器36并且被送出辊牵拉，输送到牵伸系统34。牵伸系统34设计为4/3牵伸系统，也就是说，它由三个底辊I、II、III(I是输出底辊，II是中间底辊，III是进料底辊)和4个顶辊33、38、39、40组成。包括多根纤维条35的复合纤维条的牵伸(draft)35``在牵伸系统34中进行。牵伸包括初级牵伸和主牵伸。辊对40/III和39/II形成初级牵伸区，而辊对39/II和38、31/I形成主牵伸区。被牵拉的纤维条35```在牵伸系统输出口处到达导幅器(web guide)41，并且由送出辊42、43牵拉、穿过导条喇叭头44，在那里它们冷凝成纤维条45，它接下来沉积在条筒中(未示出)。字母C表示工作方向，并且35``表示在牵伸系统中的纤维条。例如通过带齿带机械连接的送出辊、进料底辊III和中间底辊II，通过变速马达驱动，它可以预先设置一个期望值。(相关的顶辊39和40共同旋转)。输出底辊I和送出辊42、43由主电动机47驱动。在向牵伸系统的入口34a处，与输入的纤维条35的密度成比例的变量，通过根据发明的进料侧测量装置48测量。在牵伸系统34的出口34b处，纤维条的密度通过根据发明的与导条喇叭头44有关的出料侧测量装置49来获得。中央计算机单元50(控制和调节装置)，例如一台具有微处理器的微型计算机，确定用于变速马达46被调整的变量的设置。两个测量装置48和49测得的变量在并条过程中被发送到中央计算机单元50。由进料侧测量装置48测得的变量中和从用于排出的纤维条45的密度的期望值，在中央计算机单元50中确定变速马达46的调整值。出料侧测量装置49测得的变量用来监测排出的纤维条45(监测输出的纤维条)。通过这种控制系统，输入的纤维条35的密度的波动可以通过对牵伸过程进行相应调整来补偿，并且纤维条可以被整平。附图标记51表示一个显示屏，52表示一个接口以及53表示一个输入装置。
图6、7和8示出了用于调整纤维条密度具有不同结构的并条机的牵伸系统的基本布置。图6示出了闭环控制回路，其中微波测量装置49安装在牵伸系统的输出端。离开牵伸系统的纤维材料通过测量装置49，其输出信号在电子控制装置50中与期望值比较，并且被转换成使相应的控制信号被提供给用于辊子II的致动器(变速马达46。参见图5)。与排出的纤维材料密度对应的输出信号，由此影响牵伸辊对39/II和38/I的速度，在某种意义上是使纤维材料整平。在此，微波测量装置48位于纤维材料35接近牵伸系统的区域内，并测量纤维材料的密度，以及相应的测量信号在电子控制50中转换成供给用于辊子II的致动器的控制信号(变速马达46，参见图5)。纤维材料35从测量装置48运行到牵伸系统所花费的时间可以用电子地测出。图8示出了开环与闭环控制回路的结合，其中测量装置49的测量信号叠加在测量装置48的测量信号上。
在一专用机床上，例如用于控制和/或调整的梳理机54(图3)和并条机55(图5)，也用于监测制成的纤维条28和45的均匀性，环境影响的补偿和扰动变量可以由基准谐振器2来实现，优选在生产中定期暂停和在机器停止期间，例如可以改变，其中不需要通过测量谐振器1进行测量。基准谐振器2中的基准测量以定期或非定期的间隔进行。如果环境影响或干扰变量仅有较缓慢的影响，在几分钟后、优选最迟在几小时后，就可以足够在基准调整器2中进行测量。由此不影响机器的效率。
当开关7和8转接(图1和2)以及谐振器1和2中的电场的稳定可以在短时间内实现时，微波测量装置的补偿可以在相对短的时间内完成。通过这种方式，环境影响和扰动变量可以在加工机器进行生产的过程中得到补偿。

Claims (19)

1.使用具有一个第一微波谐振器(1)的微波测量装置，在操作中，微波从所述第一微波谐振器(1)进入生产区域(12)，以及一种对环境影响和扰动变量、尤其是温度，在测量信号上进行补偿的装置，其中，所述补偿装置包含一个第二微波谐振器(2)，它朝向与微波辐射有关的生产区域(12)被屏蔽，用于测量除布置在生产区域内的产品(9)的含水量外的材料特性，尤其是密度或其它介电性能。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，它被设置用于对并纤维束进行测量，例如在纺丝准备机上对纤维条(26；35)或者就香烟制造机来说对烟草束进行测量。
3.如权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和第二谐振器(2)基本上有相同的结构。
4.如权利要求1到3之一所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和第二谐振器(2)至少部分填充有电介质(εr＞2)。
5.如权利要求1到4之一所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和第二谐振器(2)供给相同频率的微波。
6.如权利要求1到5之一所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和第二谐振器(2)彼此邻近地布置。
7.如权利要求1到6之一所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和第二谐振器(2)形成一个模块单元。
8.如权利要求1到7之一所述的测量方法，其特征在于，产品(9)贯穿第一谐振器(1)。
9.如权利要求1到8之一所述的测量方法，其特征在于，第一谐振器(1)和/或第二谐振器(2)基本上完全屏蔽带有用于试样进入的开孔的谐振腔。
10.用于使用和/或实施如权利要求1到9之一所述测量方法的装置，尤其是用于测量至少一种纺织纤维条例如棉条、合成纤维或类似物的密度，其特征在于，微波测量装置(1、2；31；48、49)用于控制和/或调整用于至少一根纺织纤维条的加工设备(9；28，35)。
11.如权利要求书1到10之一所述的装置，其特征在于，微波测量装置(31)设置在梳理机(54)的输出端。
12.如权利要求书1到11之一所述的装置，其特征在于，至少一个微波测量装置(35，36；48、49)设置在并条机(55)的牵伸系统(34)的馈入端和/或输出端。
13.如权利要求书1到12之一所述的装置，其特征在于，所述牵伸系统(34)是在梳理机(54)输出端处的一个梳理机牵伸系统。
14.如权利要求书1到13之一所述的装置，其特征在于，纺织纤维条(9)是粗梳条子(28)。
15.如权利要求书1到14之一所述的装置，其特征在于，纺织纤维条(9)是并条机条子(35)。
16.如权利要求书1到15之一所述的装置，其特征在于，微波测量装置(1、2；31；48、49)与电子控制和补偿装置(32；50)、例如机器控制和补偿装置连接。
17.如权利要求书1到16之一所述的装置，其特征在于，用于改变纤维条(9；28；38)密度的至少一个致动器，例如变速驱动马达(33，46)与控制和补偿装置(32；50)连接。
18.如权利要求书1到17之一所述的装置，其特征在于，用于显示纤维条(9；28；35)密度的显示装置，例如显示屏(51)、打印机或类似物，与控制和补偿装置(32；50)连接。
19.如权利要求书1到18之一所述的装置，其特征在于，微波测量装置(1、2；31；48、49)用来监测在梳理机或并条机上生产的条子密度。
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