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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erkennung von Fremdkörpern in
einem Produkt, insbesondere in Tabak, Baumwolle oder einem anderen
Faserprodukt, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein entsprechendes Messverfahren.
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Zur
Erkennung von Fremdkörpern
in Tabak ist beispielsweise aus den Dokumenten
DE 100 37 180 C1 ,
DE 101 00 664 A1 ,
EP 1 327 876 B1 ,
EP 1 330 961 A1 die
Verwendung von Mikrowellen-Messvorrichtungen bekannt. Aufgrund der
erforderlichen hohen Messgenauigkeit und der hohen verwendeten Frequenzen
ist der schaltungstechnische Aufwand hoch.
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Aus
der DE-AS 27 00 972 ist eine auf einer Spule beruhenden Hochfrequenz-Messvorrichtung zur
Fremdkörperbestimmung
in einem Textilfaservlies bekannt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine baulich einfache
Messvorrichtung zur Fremdkörperbestimmung
mit hoher Messgenauigkeit bereitzustellen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 28. Durch die Verwendung
eines Kondensators, insbesondere anstelle eines Mikrowellenresonators,
und eines Hochfrequenzfeldes unterhalb des Mikrowellenbereichs kann der
schaltungstechnische Aufwand signifikant reduziert werden. Zudem
kann unter Umständen
mittels eines Kondensators ein homogeneres Feld in dem Produktraum
erzeugt werden als mittels eines Mikrowellenresonators, bei dem
die elektrische Feldstärke an
der Umfangswand verschwindet.
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Der
Begriff „Fremdkörper" bedeutet jedes andersartige
Material, das in dem zu prüfenden
Zweistoffsystem unerwünschterweise
zusätzlich
vorhanden ist. Das zu prüfende
Zweistoffsystem wird insbesondere von Produkt und Feuchte (bzw.
Soße)
gebildet, beispielsweise Tabak und Feuchte (bzw. Soße), oder
Filtermaterial und Triacetin. Die Erfindung unterscheidet sich darin
von bekannten kapazitiven Messvorrichtungen im Hochfrequenzbereich
zur Erkennung von Masse- oder Dichtefehlern beispielsweise in Tabak,
die nur das Zweikomponentensystem von Produkt und Feuchte betreffen.
Ein Fremdkörper
beeinflußt
aufgrund seiner abweichenden dielektrischen Eigenschaften in bestimmter
Weise das Hochfrequenzfeld und daher die ermittelten Meßgrößen. Durch
geeignete Auswertung in der Auswerteeinrichtung kann aus den ermittelten
Meßgrößen ein
Fremdkörper
in dem Produkt erkannt werden, insbesondere wenn der Verlauf einer
Meßgröße eine
von dem Fremdkörper
hervorgerufene Abweichung zeigt.
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Der
Begriff „Hochfrequenz" bedeutet grundsätzlich,
in Abgrenzung vom Mikrowellenbereich, Felder mit einer Frequenz
unterhalb von 100 MHz, vorzugsweise unterhalb von 10 MHz. In der
Regel beträgt
die Frequenz mehr als 10 kHz oder mehr als 100 kHz. In einer bevorzugten
Variante der Erfindung wird ein Hochfrequenzfeld mit einer Frequenz
unterhalb von 5 MHz, vorzugsweise unterhalb von 1 MHz verwendet.
Dies ist überraschend,
da es bezüglich der
Messung der Feuchte und/oder Dichte des Produkts bekannt ist, daß zu niedrigeren
Frequenzen hin eine hinreichend genaue Messung nur in einem zunehmend
einschränkten
Meßbereich
möglich
ist, so daß beispielsweise
für Tabak
eine Meßfrequenz
von mindestens 5 MHz als zweckmäßig gilt.
Für die
Bestimmung von Fremdkörpern
insbesondere in Tabak, Baumwolle und anderen Faserprodukten ergibt
sich jedoch gerade bei niedrigeren Frequenzen eine größere Meßempfindlichkeit.
Eine Erklärung
hierfür
besteht darin, daß bei
niedrigeren Frequenzen die makroskopische Leitung einen zunehmenden
Einfluß hat,
wobei dies jedoch nicht für
typische nicht-leitende Fremdkörper-Materialien
(oder allgemeiner solche mit abweichender makroskopischer Leitfähigkeit) zutrifft,
so daß der
Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten
zwischen Produkt und Fremdkörper
im erfindungsgemäßen Meßbereich
größer ist
als im Mikrowellenbereich.
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Infolge
der bevorzugten Verwendung einer laufenden Hochfrequenzwelle und
einer im wesentlichen nicht-resonanten Schaltungseinrichtung, bei der
also der Meßkondensator
nicht frequenzbestimmender Teil eines Meß-Schwingkreises ist, kann
auf die Verwendung einer gegenüber
Temperatureinflüssen
empfindlichen Schwingkreis-Spule verzichtet werden. „Im wesentlichen" bedeutet, daß resonante Feldkomponenten
nicht ausgeschlossen sind, solange das Meßprinzip im wesentlichen auf
einer fortschreitenden Welle beruht. Da keine Resonanzbedingung
für einen
Meßschwingkreis
eingehalten werden muß,
kann der Meßkondensator
eine gegenüber dem
Stand der Technik verringerte Kapazität von vorzugsweise weniger
als 10 pF aufweisen, was den Aufwand und die Baugröße reduziert.
Die geschilderte bevorzugte Ausführungsform
unterscheidet sich daher von bekannten kapazitiven Meßvorrichtungen im
Hochfrequenzbereich zur Erkennung von Masse- oder Dichtefehlern
in Tabak, bei denen ein Meßkondensator
und eine Spule als frequenzbestimmende Teile in einem Hochfrequenz-Schwingkreis
geschaltet sind, wobei als Meßgrößen beispielsweise
die von dem Produkt beeinflußte
Resonanzfrequenz und Resonanzamplitude des Hochfrequenzfeldes bestimmt werden.
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Vorzugsweise
beruht die Fremdkörpererkennung
darauf, daß zwei
unabhängige
Meßgrößen, insbesondere
eine von der Kapazität
des Meßkondensators
abhängige
Meßgröße und eine
vom Verlustfaktor des Meßkondensators
abhängige
Meßgröße, in einem
von dem erwarteten Verlauf abweichenden Verhältnis stehen. Vorzugsweise
ist daher die Messung zweier unabhängiger Meßgrößen vorgesehen. Vorteilhafterweise
werden dabei zwei von der Amplitude und der Phase der Hochfrequenzwelle
abhängige
Meßgrößen bestimmt.
Grundsätzlich
ist daher die Erzeugung einer Hochfrequenzwelle ausreichend, was
den Aufwand gegenüber
solchen Vorrichtungen reduziert, die auf der Verwendung mehrerer
Hochfrequenzwellen unterschiedlicher Hochfrequenzen beruhen. Die
Bestimmung zweier unabhängiger
Meßgrößen ist
aber nicht zwingend; es ist auch denkbar, eine Fremdkörpererkennung
aus dem Verlauf lediglich einer Meßgröße vorzunehmen.
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Der
zur Bestimmung der Meßgrößen dienende
Teil der Schaltungseinrichtung ist in der Regel der eigentlichen
Meßschaltung,
die den Meßkondensator umfaßt, nachgeschaltet.
Während
die Meßschaltung in
der Regel einen Ausgang für
das von dem Produkt beeinflußte
Hochfrequenzfeld aufweist, weist die Meßgrößenbestimmungseinrichtung in
der Regel eine der Zahl der zu bestimmenden Meßgrößen entsprechende Zahl von
Ausgängen,
vorzugsweise daher zwei Ausgänge
auf. Es ist auch möglich,
daß die Meßschaltung
und die Meßgrößenbestimmungseinrichtung
eine Einheit bilden. Die Meßgrößenbestimmungseinrichtung
ist der eigentlichen Auswerteeinrichtung zur Fremdkörpererkennung
durch Auswerten des Meßsignals
vorgeschaltet. Es ist auch möglich,
daß die
Meßgrößenbestimmungseinrichtung und
die Auswerteeinrichtung eine Einheit bilden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der zur Bestimmung der Meßgröße bzw.
Meßgrößen dienende
Teil der Schaltungseinrichtung digitalelektronisch ausgeführt. Dies
ermöglicht
die Verwendung einfacher Verfahren zur Bestimmung der gewünschten
Meßgröße, beispielsweise
des kapazitiven Anteils und/oder des Verlustanteils des Ausgangsspannungswertes
der Meßschaltung.
Ein besonders einfaches und daher bevorzugtes Verfahren beruht auf der
Orthogonalität
der Sinus- und Kosinusanteile und umfaßt die Messung einer diskreten
Anzahl von n Meßwerten,
beispielsweise Spannungswerten, über jede
Schwingungsperiode des Hochfrequenzfeldes, separate Multiplikation
der n Meßwerte
mit entsprechenden Sinus- und Kosinus-Werten und separate Aufsummierung
dieser Sinus- und Kosinus-Produkte. Die erhaltenen Summen stellen
die Meßgrößen dar oder
können
zur Ermittlung der Meßgrößen weiterverarbeitet
werden.
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Eine
besonders einfache Form einer Meßschaltung, d.h. den Meßkondensator
umfassenden Teil der Schaltungseinrichtung, ist ein RC-Glied, vorzugsweise
mit einem Operationsverstärker.
Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein RC-Differenzierglied,
es kann aber beispielsweise auch ein RC-Integrierglied verwendet
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
bestehen Teile des Sensors aus einem Material mit geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten,
um die Einflüsse
von Temperaturschwankungen auf die Meßgenauigkeit möglichst
gering zu halten. Zu dem gleichen Zweck kann der Sensor eine zusätzliche Einrichtung
zur Konstanthaltung der Temperatur des Meßkondensators aufweisen. Auch
eine zusätzliche Einrichtung
zur Messung der Temperatur des Meßkondensators, beispielsweise
ein Temperaturfühler, ist
denkbar, um das Meßsignal
entsprechend korrigieren zu können.
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Vorzugsweise
ist der Kondensator im wesentlichen senkrecht zu der Transportrichtung
des Produkts angeordnet. Bei einem Plattenkondensator sind also
die Kondensatorplatten senkrecht zu der Transportrichtung angeordnet.
Dies ermöglicht
es, die Elektroden in einem kurzen Abstand voneinander, beispielsweise
unterhalb der Strangdicke des Produkts, anzuordnen. Hierdurch kann
eine verbesserte Auflösung
bezüglich
der Fremdkörpererkennung
in Längsrichtung,
und damit eine Steigerung der Nachweisemp findlichkeit, erreicht
werden.
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Der
Sensor ist zur Durchführung
des Produkts durch den zwischen den Elektroden des Meßkondensators
gebildeten Raum eingerichtet, um eine möglichst vollständige und
gleichmäßige Erfassung des
Produkts zu ermöglichen.
Es handelt sich also vorzugsweise nicht um einen Streufeldsensor.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform betrifft
die Messung eines relativ breiten Produkts, beispielsweise einer
Tabak- oder Tow-Bahn oder einem Baumwollvlies, oder einer Mehrzahl
nebeneinander liegender Produktstränge. Dabei umfaßt der Sensor
eine Mehrzahl von über
die Breite des Produkts angeordneten Meßkondensatoren. Diese Anordnung
gestattet auf einfache Weise eine laterale Positionsbestimmung eines
detektierten Fremdkörpers.
Die mit der Hochfrequenzfeld-Erzeugungseinrichtung verbundenen Elektroden
sind auf gleichem Potential gehalten, beispielsweise einfach kurzgeschlossen,
um das Übersprechen
zwischen den Meßkondensatoren
zu minimieren. Zum gleichen Zweck sind vorzugsweise auch die anderen
Elektroden jeweils mittels invertierender Operationsverstärker virtuell
auf dem gleichem Potential gehalten.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung
vorteilhafter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen hervor. Es zeigen:
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1:
eine schematische Schaltung einer im wesentlichen analogen Meßvorrichtung;
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2:
eine Differenzier-Meßschaltung
für eine
Meßvorrichtung;
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3:
eine Integrier-Meßschaltung
für eine Meßvorrichtung;
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4:
eine Längsschnittsansicht
eines kapazitiven Sensors;
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5:
eine Querschnittsansicht eines kapazitiven Sensors in einer weiteren
Ausführungsform;
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6:
eine schematische Schaltung einer im wesentlichen digitalen Meßvorrichtung;
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7:
eine schematische Schaltung einer Meßvorrichtung für die Messung
an einem breiten Produkt; und
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8:
einen Operationsverstärker
für eine Differenzier-Meßschaltung
für die
Meßvorrichtung aus 7.
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Die
kapazitive Meßvorrichtung 10 gemäß den 1 bis 6 umfaßt eine
Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 zur Erzeugung einer
Hochfrequenzwelle, die über
eine Eingangsleitung 14 an eine Schaltungseinrichtung 28 gespeist
wird. Die Schaltungseinrichtung 28 umfaßt einen Meßkondensator 11, durch
den das zu messende, im vorliegenden Fall strangförmige Produkt 12 geführt wird.
Die von der Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 erzeugte
Hochfrequenzwelle wird an eine Elektrode 15 des Meßkondensators 11 geleitet,
um darin ein Hochfrequenzfeld zu erzeugen, das mit dem Produkt 12 in Wechselwirkung
steht. Die von der anderen Elektrode 16 des Meßkondensators 11 auslaufende,
von dem Produkt 12 beeinflußte Hochfrequenzwelle wird mittels
der Schaltungseinrichtung 28 verarbeitet, um mindestens
eine, vorzugsweise zwei voneinander unabhängige, von der Amplitude und/oder
der Phase der von dem Produkt 12 beeinflußten Hochfrequenzwelle
abhängige
Meßgrößen zu bestimmen. Dabei
handelt es sich vorzugsweise um zwei von der Kapazität und dem
Verlustfaktor des Meßkondensators 11 abhängige Meßgrößen. Den
Meßgrößen entsprechende
Meßsignale
werden an die Auswerteeinrichtung 21, beispielsweise einen
entsprechend programmierten Computer, geleitet.
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In
dem Produkt 12 kann ein unerwünschter Fremdkörper 90 auftreten,
beispielsweise ein Kunststoff- oder Metallpartikel. Aufgrund abweichender
dielektrischer Eigenschaften beeinflußt der Fremdkörper 90 in
bestimmter Weise die Amplitude und Phase der Hochfrequenzwelle und
hierdurch auch die ermittelten Meßgrößen. Durch geeignete Auswertung
in der Auswerteeinrichtung 21 kann aus den ermittelten Meßgrößen ein
Fremdkörper 90 in
dem Produkt 12 nachgewiesen werden, insbesondere wenn der
Verlauf einer Meßgröße eine
von dem Fremdkörper 90 hervorgerufene
Abweichung zeigt. Beispielsweise können von einem Fremdkörper 90 Ausschläge (spikes)
in einer Meß kurve
hervorgerufen werden; die Auswerteeinrichtung ist dann zweckmäßigerweise
zur Erkennung derartiger Ausschläge
in der Meßkurve
eingerichtet. Bewährt
für die
Fremdkörpererkennung
ist die Auswertung des Verhältnisses
zweier voneinander unabhängiger
Meßgrößen. Die
Auswerteeinrichtung 21 kann gegebenenfalls ein Entfernungsmittel 91,
beispielsweise eine Blasdüse,
zur Entfernung eines Teils des Produkts 12, in dem ein Fremdkörper 90 detektiert
wird, steuern.
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Die
Ausführungsform
gemäß 1 betrifft eine
im wesentlichen analoge Meßvorrichtung.
Die Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 umfaßt einen
harmonischen Oszillator 22 zur Erzeugung einer Hochfrequenzwelle.
Die Spannungsamplitude Ue der erzeugten
Hochfrequenzwelle wird vorzugsweise mittels einer Regeleinrichtung 23–26 konstant
gehalten, um eine von Schwankungen der Eingangsamplitude unbeeinflußte Messung
zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck wird die von dem harmonischen Oszillator 22 erzeugte
Hochfrequenzwelle in einen steuerbaren Verstärker 23 gespeist.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 23 wird
in einen Gleichrichter 24 gespeist, dessen Ausgangssignal über das
Tiefpaßfilter 25 an
einen Regler 26 weitergeleitet wird. Der Regler 26 steuert
den Verstärker 23 in
der Weise, daß die Amplitude
Ue der harmonischen Schwingung am Ausgang
des Verstärkers 23 einen
konstanten Wert aufweist.
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Die
Meßschaltung 27 ist
der unmittelbar mit dem Meßkondensator 11 geschaltete
Teil der Schaltungseinrichtung 28. Geeignet ist hierbei
jede Meßschaltung,
die zur Erzeugung einer hinreichenden Amplituden- und Phasenveränderung
der Hochfrequenzwelle infolge des durch den Meßkondensator 11 laufenden
Produkts 12 eingerichtet ist. Zwei bevorzugte Ausführungsformen
der Meßschaltung 27 sind
in den 2 und 3 gezeigt, wobei der Meßkondensator 11,
ein Widerstand 29 und ein invertierender Operationsverstärker 30 in
einer Differenzieranordnung gemäß 2 bzw.
einer Integrieranordnung gemäß 3 geschaltet
sind. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 ist zweckmäßigerweise
auf Masse gelegt. Bei der Integrieranordnung gemäß 3 ist ein
zusätzlicher
Widerstand 31 vorgesehen, um gegebenenfalls zu verhindern,
daß das
Ausgangssignal in die Begrenzung läuft. Das der auslaufenden Hochfrequenzwelle
entsprechende Ausgangssignal der Meßschaltung 27 erfährt aufgrund
der Wechselwirkung mit dem Produkt 12 eine gegenüber der
Eingangsamplitude Ue geänderte Span nungsamplitude Ua sowie eine Phasenverschiebung von δ gegenüber dem
Eingangssignal.
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Die
durch den Meßkondensator 11 laufende Hochfrequenzwelle
wird über
die Ausgangsleitung 17 der Meßschaltung 27 an die
Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 geleitet.
Die Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 bestimmt
aus dem Hochfrequenzsignal geeignete Meßgrößen. Hierzu wird in der Ausführungsform
gemäß 1 das
Ausgangssignal der Meßschaltung 27 einem
Gleichrichter 32 zugeführt
und in einem Tiefpaßfilter 33 geglättet. Das somit
erhaltene Signal ist proportional zur Ausgangsamplitude Ua. Der Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 wird
weiterhin das von der Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 erzeugte
Eingangssignal über
die Leitung 34 zugeführt.
Im allgemeinen wird zweckmäßigerweise
ein von der erzeugten Hochfrequenzwelle abhängiges Signal über eine
zusätzlich
zu der Meßleitung über den
Meßkondensator 11 vorgesehene
Leitung 34, 234 an die Schaltungseinrichtung 28 geleitet,
um die Phaseninformation des Eingangssignals für die Bestimmung der Phasenverschiebung
des Ausgangssignals nutzen zu können.
Im vorliegenden Fall wird das Eingangssignal des Meßkondensators 11 über die
Leitung 34 und das Ausgangssignal des Meßkondensators 11 bzw. der
Meßschaltung 27 über eine
Leitung 35 an den Multiplikationsverstärker 36 geleitet,
darin miteinander multipliziert und mittels eines Tiefpaßfilters 37 geglättet. Das
somit erhaltene Signal ist proportional zur Ausgangsamplitude Ua mal dem Sinus (oder Kosinus) der Phasenverschiebung δ. Aus dem
Verlauf der mittels der Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 bestimmten
Meßgrößen, insbesondere
aus einem entsprechend gebildeten Verhältnis, und Vergleich mit einem
zu erwartenden Verlauf, lassen sich bei Feststellung einer Abweichung
etwaige in dem Produkt 12 enthaltene Fremdkörper 90 nachweisen.
Zur entsprechenden Auswertung werden die Meßsignale über die Ausgangsleitungen 19, 20 an
die Auswerteeinrichtung 21 geleitet, in der die Auswertung
beispielsweise mittels eines darin gespeicherten Computerprogramms
durchgeführt
wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines Hochfrequenzsensors 38 ist in 4 gezeigt.
Der Sensor 38 ist im wesentlichen rotationssymmetrisch um
die Längsachse
L aufgebaut. Durch eine mittige Längsbohrung 39 des
Sensors 38 wird in Transportrichtung T, die mit der Längsrichtung
L zusammenfällt,
der Produktstrang 12, beispielsweise ein Tabakstrang geführt. Der
Sensor umfaßt
zwei rotationssymmetrische, scheibenförmige, senkrecht zur Längsrichtung
L orientierte Grundkörper 40, 41,
die mittels eines äußeren, ringförmigen,
nichtleitenden Begrenzungskörpers 44 voneinander
beabstandet sind und die jeweils eine zentrale Durchgangsbohrung 39 für den Produktstrang
aufweisen. An den senkrecht zur Längsrichtung L orientierten
Innenflächen
der Grundkörper 40, 41 ist
jeweils eine Elektrode 15, 16 des Meßkondensators 11 in
Form einer metallischen Oberfläche,
etwa einer metallischen Beschichtung, beispielsweise durch Goldbedampfung, aufgebracht.
Der Meßkondensator 11 ist
daher als Plattenkondensator mit plattenförmigen Elektroden 15, 16 ausgeführt, die
kreisscheibenförmig
und senkrecht zur Längsrichtung
L orientiert sind und eine zentrale Durchgangsöffnung für den Produktstrang 12 aufweisen.
In dieser Anordnung verlaufen die Feldlinien im wesentlichen parallel
zur Transportrichtung. Zwischen den Grundkörpern 40, 41 ist
ein felderfüllter
Raum 45 gebildet, der von dem Begrenzungskörper 44 radial
nach außen
abgeschlossen wird. Das Hochfrequenzfeld erstreckt sich in den zentralen
Produktraum 46 hinein und befindet sich dort mit dem Produkt 12 in
Wechselwirkung. Die Platten 15, 16 weisen einen
geringeren Radius auf als die Grundkörper 40, 41,
um eine Austritt des Hochfrequenzfeldes in die Umgebung des Sensors
zu verhindern. Die Platten 15, 16 des Plattenkondensators 11 können in
einem geringen Abstand d voneinander angeordnet sein, um die Meßauflösung in
Längsrichtung
L zu verbessern. Der Abstand d kann insbesondere geringer sein als
der Durchmesser des Produktstrangs 12 und beispielsweise
weniger als 8 mm, vorzugsweise weniger als 4 mm betragen. Es sind
weiterhin leitende Verbindungen 42, 43 der Elektroden 15, 16 mit
externen elektrischen Anschlüssen
vorgesehen. Die Grundkörper 40, 41 weisen
jeweils einen röhrenförmigen,
sich axial nach außen
erstreckenden, den Produktstrang umfassenden Fortsatz 47, 48 auf.
Die Fortsätze 47, 48 weisen
eine innenwandige metallische Oberfläche bzw. Beschichtung 49 auf, die
zweckmäßigerweise
mit den Elektroden 15, 16 verbunden ist. Die metallische
Beschichtung 49 bildet einen metallischen Kamin, um ein
Herauslecken des Feldes aus den Produktdurchführungsöffnungen des Kondensators 11 zu
verhindern. Weiterhin ist eine den Produktstrang 12 unmittelbar
umgebende und diesen führende,
sich über
die gesamte Länge des
Sensors erstreckende Röhre 50 aus
nichtleitendem Material vorgesehen, die eine Verunreinigung des
Sensorinneren durch Produktreste verhindert. In einer weiteren Ausführungsform
kann der zwischen den Elektroden 15, 16 gebildete
felderfüllte
Raum 45 zur positiven Beeinflussung des Feldverlaufs teilweise
oder vollständig,
abgesehen von dem Produktraum, mit einem dielektrischen Material
gefüllt
sein.
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Die
Körper 40, 41, 44 des
Sensors 38 bestehen vorzugsweise aus einem nichtleitenden
Material mit sehr geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten, beispielsweise
Zerodur, um eine erhöhte Formstabilität des Sensors 38 gegen
Temperatureinflüsse
zu erreichen. Aufgrund der verringerten Abhängigkeit der Kapazitätseigenschaften
des Meßkondensators 11 von
der Umgebungstemperatur kann eine verbesserte Meßgenauigkeit erreicht werden.
Zu dem selben Zweck ist vorzugsweise eine nicht gezeigte Regeleinrichtung
zur Konstanthaltung der Sensortemperatur vorgesehen. Es ist auch
denkbar, daß die
Grundkörper 40, 41 des
Sensors 38 vollständig
oder teilweise aus Metall bestehen.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Sensors 38 ist in 5 gezeigt,
wobei einander entsprechende Teile durch entsprechende 100er-Bezugsziffern bezeichnet
sind. Die Elektroden 15, 16 werden von Platten
gebildet, die parallel zu der senkrecht zur Papierebene orientierten
Transportrichtung angeordnet sind. Die Feldlinien verlaufen in diesem
Beispiel im wesentlichen senkrecht zu der Transportrichtung. Die Platten 15, 16 sind
vorzugsweise um den Produktstrang 12 herum angeordnet und
zu diesem Zweck vorzugsweise gewölbt
geformt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Meßvorrichtung 10 ist
in 6 gezeigt, wobei einander entsprechende Teile
durch entsprechende 200er-Bezugsziffern bezeichnet sind. Im Gegensatz zu
der Ausführungsform
gemäß 1 ist
insbesondere die Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 digitalelektronisch
ausgeführt.
Zu diesem Zweck weist die Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18 einen A/D-Wandler 66 auf,
zu dem das von der Meßschaltung 27 ausgegebene
Meßsignal
geleitet wird. Der A/D-Wandler 66 ist mit einer Abtastfrequenz
getaktet, die um einen Faktor n höher ist als die Frequenz der Hochfrequenzwelle,
wobei n eine natürliche
Zahl größer 1 ist.
Das Taktsignal für
den A/D-Wandler 66 wird mittels des Quarzoszillators 222 in
Form eines Rechteckschwingungssignals mit einer Frequenz von beispielsweise
50 MHz erzeugt, so daß im
vorliegenden Beispiel n = 10 ist. Im allgemeinen besitzt daher die Meßvorrichtung 10 eine
Einrichtung 222 zur Erzeugung eines Abtastsignals mit einer
Abtastfrequenz, die um einen Faktor n höher ist als die Frequenz der Hochfrequenzwelle.
Das Abtastsignal wird über
die Leitung 70 an den A/D-Wandler 66 geleitet.
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Die
mittels des A/D-Wandlers 66 abgetasteten Meßwerte werden
an die digitale Verarbeitungseinrichtung 67 geleitet, die
zur Ermittlung geeigneter, voneinander unabhängiger Meßgrößen programmiert ist. Bei einem
bevorzugten Meßgrößenermittlungsverfahren
wird jeder abgetastete Meßwert
einerseits mit dem entsprechenden Wert der Sinusfunktion und andererseits
mit dem entsprechenden Wert der Kosinusfunktion multipliziert. Zu
diesem Zweck wird das Abtastsignal über die Leitung 70 an die
Verarbeitungseinrichtung 67 geleitet. Die Sinus- und Kosinuswerte
können
beispielsweise aus entsprechenden tabellarischen Speichern 68, 69 entnommen
werden. Die auf diese Weise erhaltenen n Sinuswerte und n Kosinuswerte
werden dann getrennt über
eine Periode des Hochfrequenzfeldes aufsummiert, so daß zwei Summen
erhalten werden. Zu diesem Zweck wird das Hochfrequenzeingangssignal über die
Leitung 234 an die Verarbeitungseinrichtung 67 geleitet,
so daß diese
phasengleich mit der Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 arbeitet. Aus
den erhaltenen Summen lassen sich aufgrund bestimmter Orthogonalitätsbeziehungen
die zwei gewünschten,
von der Amplitude und der Phase des von dem Produkt 12 beeinflußten Meßsignals
abhängige
Meßgrößen eindeutig
ermitteln. Zur entsprechenden Auswertung werden die Meßsignale über die
Ausgangsleitungen 19, 20 an die Auswerteeinrichtung 21 geleitet,
in der die Auswertung beispielsweise mittels eines darin gespeicherten
Computerprogramms durchgeführt
wird.
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Zweckmäßigerweise
kann das von der Hochfrequenzquelle 222 erzeugte Signal
ebenfalls zur Erzeugung der für
die Messung verwendeten Hochfrequenzwelle verwendet werden. Zu diesem Zweck
wird das von der Hochfrequenzquelle 222 erzeugte Signal
mittels der Teilerstufe 60 um den Faktor n auf eine phasensynchrone
Rechteckschwingung mit der Meßfrequenz
von im vorliegenden Fall 5 MHz heruntergeteilt und anschließend mittels
der PLL-Schaltung 61 in ein phasensynchrones sinusförmiges Signal
mit der gleichen Frequenz umgewandelt.
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Auch
die Regeleinrichtung 223, 62–64, 226 zur
Konstanthaltung der Spannungsamplitude Ue der von
dem Verstärker 223 ausgegebenen
Hochfrequenzwelle kann digitalelek tronisch ausgeführt sein. In
diesem Fall wird das Ausgangssignal des Verstärkers 223 in einen
A/D-Wandler 62 gespeist, der über eine Leitung 65 mit
dem Abtastsignal von 50 MHz angesteuert wird, wodurch pro Periode
n Abtastwerte des von dem Verstärker 223 ausgegebenen
Signals erzeugt werden. Die mittels des A/D-Wandlers 62 abgetasteten
Meßwerte
werden an die digitale Verarbeitungseinrichtung 63 geleitet.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird jeder abgetastete Spannungswert mit
dem entsprechenden Wert der Kosinusfunktion multipliziert. Zu diesem
Zweck wird das Abtastsignal über
die Leitung 65 an die Verarbeitungseinrichtung 63 geleitet.
Die Kosinuswerte können
beispielsweise aus einem entsprechenden tabellarischen Speicher 64 entnommen
werden. Die auf diese Weise erhaltenen n Kosinuswerte werden dann über eine
Periode des Hochfrequenzfeldes aufsummiert. Zu diesem Zweck wird
das Hochfrequenzeingangssignal über eine
Leitung 71 an die Verarbeitungseinrichtung 63 geleitet,
so daß diese
phasengleich mit der Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 arbeitet.
Das Ausgangssignal der Verarbeitungseinrichtung 63 wird
an den Regler 226 weitergeleitet, der den Verstärker 223 in
der Weise steuert, daß das
Ausgangssignal der Verarbeitungseinrichtung 63 und damit
die Amplitude Ue der Schwingung am Ausgang
des Verstärkers 223 einen
konstanten Wert aufweist.
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Die
Ausführungsform
gemäß 7 dient insbesondere
zur Messung an einem breiten, bahnförmigen Produkt 312,
beispielsweise einer Tabakbahn, einer Tow-Bahn oder einem Baumwollvlies, dessen
Breite B wesentlich größer ist,
beispielsweise mindestens um einen Faktor 3, als seine Höhe H. Eine
andere Anwendung betrifft die Messung an einer Mehrzahl nebeneinander
liegender Produktstränge,
beispielsweise Tabakstränge.
In 7 verläuft die
Transportrichtung senkrecht zur Papierebene. Einander entsprechende
Teile sind durch entsprechende 300er-Bezugsziffern bezeichnet. Bei
dieser Ausführungsform
wird eine Mehrzahl von Meßkondensatoren 311A, 311B,
... verwendet, hier beispielsweise sechs, die über die Breite des Produkts
angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine Bestimmung der
lateralen Position eines Fremdkörpers, oder,
bei einer Mehrzahl nebeneinander liegender Produktstränge, den
den Fremdkörper
enthaltenden Produktstrang. Die Meßkondensatoren 311A, 311B, ...
werden zweckmäßigerweise
von derselben Hochfrequenzerzeugungseinrichtung 13 gespeist.
Vorzugsweise sind sämtliche
Eingangselektroden 315 der Meßkondensatoren 311A, 311B,
... auf gleiches Potential gelegt, am einfachsten durch Kurzschließen der
Elektroden, wie in 7 gezeigt. Hierdurch wird das Übersprechen
zwischen den Meßkondensatoren 311A, 311B,
... minimiert. Die Ausgangselektrode 316A, 316B,
... jedes Meßkondensators 311A, 311B,
... ist jeweils mit einer Meßschaltung 80A, 80B, ...
verbunden. Die Meßschaltung 80A, 80B,
... ist vorzugsweise wie in 8 gezeigt
ausgeführt
und bildet dann gemeinsam mit dem jeweiligen Meßkondensator 311A, 311B,
... eine Differenzier-Meßschaltung 27 wie
in 2 gezeigt. Die Verwendung jeweils eines dem Meßkondensator 311A, 311B,
... nachgeschalteten invertierenden Operationsverstärkers 330 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
besonders vorteilhaft, da hierdurch die Ausgangselektroden 316A, 316B,
... sämtlicher
Meßkondensatoren 311A, 311B,
... virtuell auf das gleiche Potential, insbesondere Masse gelegt
werden. Hierdurch wird das Übersprechen
zwischen den Meßkondensatoren 311A, 311B,
... minimiert. Der Ausgang jeder Meßschaltung 80A, 80B,
... ist zweckmäßigerweise
jeweils mit einer Meßgrößenbestimmungseinrichtung 18A, 18B,
... verbunden, die insbesondere digitalelektronisch, beispielsweise wie
in 6 gezeigt, ausgeführt sein können. Die Meßgrößenbestimmungseinrichtungen 18A, 18B,
... sind zweckmäßigerweise
mit der Auswerteeinrichtung 21 zur Fremdkörpererkennung
verbunden. Die entsprechenden Verfahren zur Bestimmung der Meßgrößen und
zur Fremdkörpererkennung
werden vorzugsweise wie zuvor beschrieben durchgeführt.