DE102008018888B4

DE102008018888B4 - Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts einer Materialbahn oder -platte

Info

Publication number: DE102008018888B4
Application number: DE102008018888.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Klein Albert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: DE102008018888A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts einer Materialbahn oder -platte mittels Hochfrequenz mit einem Hochfrequenz-Einkoppler (13) und einem Hochfrequenz-Auskoppler (23), wobei Hochfrequenz-Einkoppler (13) und Hochfrequenz-Auskoppler (23) bezüglich der Ebene der Materialbahn oder -platte voneinander beabstandet sind und sich auf einer ersten Seite der Materialbahn oder -platte ein erstes elektrisch leitendes Reflektorelement (unterer Reflexionsabschnitt 12) und parallel zum ersten Reflektorelement auf der zweiten Seite der Materialbahn oder -platte ein zweites elektrisch leitfähiges Reflektorelement (oberer Reflexionsabschnitt 32) erstreckt, so dass sich ein Spalt ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die beiden Reflektorelemente definierte Spalt eine Höhe zwischen 3 und 5 cm aufweist und dass durch den Hochfrequenz-Einkoppler (13) eingekoppelte Mikrowellen zum Hochfrequenz-Auskoppler (23) parallel zur Materialbahn oder -platte propagieren und der Hochfrequenz-Einkoppler (13) derart ausgebildet und orientiert ist, dass das E-Feld der im Spalt propagierenden Mikrowellen senkrecht zur Materialbahn oder -platte steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts einer Materialbahn oder -platte mittels Hochfrequenz.
Es ist in der Technik bekannt und weit verbreitet, die dielektrischen Eigenschaften eines Materials, beispielsweise dessen Wassergehalt, durch Verwendung von hochfrequenter Strahlung (Mikrowellen) zu bestimmen. Häufig wird hierzu eine Sende- und eine Empfangsantenne eingesetzt, so dass die zu messende Substanz von Mikrowellen durchstrahlt wird. Hierbei kann man sowohl die Dämpfung als auch die Phasenverschiebung messen, so dass sich das komplexe ε der Probe vollständig bestimmen lässt. Eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 28 08 739 C2 beschrieben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die zu messende Probe in einen Mikrowellen-Resonator einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass sich bei dünnen Proben die Dämpfung sehr gut bestimmen lässt, da durch den Resonanzeffekt der Meßeffekt verstärkt wird. Die komplexe Dielektrizitätskonstante (ε) wird bestimmt, indem die Dämpfung und die Frequenzverschiebung der Resonanzkurve gemessen wird. Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass insbesondere bei offenen Systemen der Resonator an das Material angepasst werden muss. Insbesondere ist zu vermeiden, dass der Resonator Mikrowellenenergie abstrahlt.
Die vorlegende Erfindung setzt sich das Ziel, eine Vorrichtung zu schaffen, welche unter Zuhilfenahme von Mikrowellen, also mit Hilfe einer Hochfrequenzmessung, die Feuchte von dünnen Bahnen oder Platten, beispielsweise Papierbahnen, bestimmen kann. Insbesondere soll die Vorrichtung auch bei sich bewegenden Bahnen oder Platten, also online eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Hochfrequenz-Einkoppler also eine Sendeantenne, und einen Hochfrequenz-Auskoppler, also eine Empfangsantenne auf. Hochfrequenz-Einkoppler und Hochfrequenz-Auskoppler können sich auf derselben Seite der zu messenden Materialbahn befinden, wodurch ihre Anordnung sehr einfach wird. Hochfrequenz-Einkoppler und Hochfrequenz-Auskoppler sind bezüglich der Ebene der zu messenden Materialbahn oder -platte beabstandet. Geometrisch präziser ausgedrückt: Die zur Materialbahn senkrechten Projektionen des Hochfrequenz-Einkopplers und des Hochfrequenz-Auskopplers auf die Materialbahn sind voneinander beabstandet. Auf jeder Seite der zu messenden Materialbahn oder -platte ist ein Reflektorelement vorgesehen, so dass sich ein Spalt ergibt, durch den vom Hochfrequenz-Einkoppler (13) eingekoppelte Mikrowellen zum Hochfrequenz-Auskoppler (23) im wesentlichen parallel zur Materialbahn oder -platte propagieren. Hierbei verhalten sich die Mikrowellen nahezu wie in einem Hohlleiter. Am Ende des Spaltes koppelt zumindest ein Teil der Mikrowellen in den Hochfrequenz-Auskoppler ein, so dass eine entsprechende Messstrecke zwischen Hochfrequenz-Einkoppler und Hochfrequenz-Auskoppler entsteht. Hierbei wird die zwischen den beiden Reflektorelementen verlaufende Materialbahn über die gesamte Länge der Messstrecke durchstrahlt, wodurch die durch die Materialbahn verursachte Phasenverschiebung und Dämpfung gegenüber einer nur einfachen Durchstrahlung entsprechend vergrößert ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass alle aktiven Bauelemente auf einer Seite der zu messenden Bahn liegen können, was die Anordnung entsprechend vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 8 werden die von einem Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen derart in den Hochfrequenz-Einkoppler eingekoppelt, dass das E-Feld im Spalt, welcher durch die beiden Reflektorelemente gebildet wird, senkrecht zu diesen und somit auch im wesentlichen senkrecht zur gemessenen Materialbahn steht. Hierdurch wird das Messergebnis unabhängig von der Lage der Materialbahn innerhalb des Spaltes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere auch zur Messung an sich bewegenden Materialbahnen, also zur online-Messung. Hierbei kann sich die Messstrecke in Förderrichtung oder quer zu dieser erstrecken.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen aus denen nun mit Bezug auf die Figuren näher dargestellten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, sowie die an sie angeschlossenen notwendigen Aggregate,
2 das Detail D aus 1,
3 das in 2 gezeigte aus Blickrichtung R1,
4 das in 1 gezeigte aus Blickrichtung R2,
5 ein Schnitt entlang der Ebene A-A aus 4,
6 eine Alternative zu dem in 5 Gezeigten und
7 eine Alternative zu dem in 4 Gezeigten,
8 eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 zeigt das Detail D aus 1. Die Vorrichtung dient dazu, den Feuchtegehalt einer Bahn, beispielsweise einer Papierbahn 50, welche über Rollen 52 transportiert wird, zu bestimmen. Die Vorrichtung basiert auf einer Mikrowellen-Transmissionsrichtung, wobei die eingesetzten Mikrowellen die Bahn durchlaufen. Wie bei jeder Mikrowellen-Transmissionsmessstrecke ist ein Hochfrequenz-Generator 34, Hochfrequenz-Empfänger 36 und ein Komperator 38 vorhanden, welcher sowohl mit dem Hochfrequenz-Generator 34 als auch mit dem Hochfrequenz-Empfänger 36 verbunden ist und die Phasenverschiebung und die Dämpfung ermittelt.
Es ist ein unteres Bauteil 10 und ein oberes Bauteil 30 vorhanden. Diese beiden Bauteile sind nicht miteinander verbunden, so dass sich das Papierband 50 zwischen den beiden Bauteilen 10, 30 bewegen kann. Das obere Bauteil 30 hat einen einzigen funktionalen Abschnitt, nämlich den oberen Reflexionsabschnitt 32. Es ist aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, gefertigt. Das untere Bauteil 10 hat drei funktionale Abschnitte, nämlich den Hochfrequenz-Einkoppler 13, den Hochfrequenz-Auskoppler 23 und den sich dazwischen erstreckenden unteren Reflexionsabschnitt 12. Das untere Bauteil 10 ist als einstückiges Bauteil aus Metall, vorzugsweise aus Stahl gefertigt, dies ist jedoch nicht zwingend. Zwingend ist jedoch, dass die funktionalen Abschnitte des oberen und des unteren Bauteils elektrisch leitfähig sind. Unterer Reflexionsabschnitt 12 und oberer Reflexionsabschnitt 32 sind im ersten Ausführungsbeispiel ebene Platten, welche einen Spalt konstanter Höhe h definieren. Die Höhe des Spaltes beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 5 cm. Die Breite der plattenförmigen Reflexionsabschnitte beträgt vorzugsweise zwischen 6 und 10 cm.
Unterer und oberer Reflexionsabschnitt 12, 32 sind gleich lang und gleich breit und erstrecken sich in der Längserstreckung über den Hochfrequenz-Einkoppler 13 und den Hochfrequenz-Auskoppler 23 hinaus. Hochfrequenz-Einkoppler 13 und Hochfrequenz-Auskoppler 23 sind symmetrisch zueinander ausgebildet. Sie besitzen jeweils einen quaderförmigen Hohlraum-Abschnitt 14, 24 und einen sich hieran anschließenden sich gegenüber dem Quader leicht trichterförmig aufweitenden Austritts-Abschnitt 18 mit Austritts-Öffnung 18a beziehungsweise Eintritts-Abschnitt 28 mit Eintritts-Öffnung 28a. Die quaderförmigen Hohlraum-Abschnitte 14, 24 sind nach allen Seiten hin geschlossen, außer natürlich zu den Austritts- beziehungsweise Eintritts-Abschnitten 18, 28 hin. Somit weist jeder Hohlraum-Abschnitt 14 vier Seitenwände 14a, 24a und eine Stirnwand 14b, 24b auf. Die Längsachsen L1 und L2 der Hohlraum-Abschnitte 14, 24 sind gegen die Ebene des unteren Reflexionsabschnittes 12 geneigt und weisen einen Schnittpunkt auf – sie liegen also in einer Ebene. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, einen anders geformten Hohlraum, beispielsweise einen zylindrischen, vorzusehen.
Die Hohlraum-Abschnitte 14, 24 weisen jeweils einen Ankopplungsstutzen 16, 26 auf, welche mittels Hochfrequenz-Leitern 41, 42 mit dem Hochfrequenz-Generator 34 bzw. mit dem Hochfrequenz-Empfänger 36 verbunden sind. Vorzugsweise wird die Einkopplung mit einem Hochfrequenzstecker kombiniert, wie dies von Koaxial-Hohlleiter-Adaptern bekannt ist. Als Hochfrequenzleiter können dann Koaxialkabel verwendet werden. Die Ankopplungsstutzen 16 sind hierbei jeweils auf der nach innen weisenden Seitenwand 14a', 24a' der Hohlraum-Abschnitte 14, 24 angeordnet.
Wird vom Hochfrequenz-Generator 34 Hochfrequenz, vorzugsweise in einem Frequenzbereich zwischen 10 und 30 GHz, erzeugt, so propagieren Mikrowellen vom Hohlraum-Abschnitt 14 des Hochfrequenz-Einkopplers 13 über den Austritts-Abschnitt 18 durch den durch den unteren Reflexionsabschnitt 12 und den oberen Reflexionsabschnitt 32 gebildeten Spalt im wesentlichen parallel zur Ebene der Papierbahn 50 in Richtung des Hochfrequenz-Auskopplers 23, wo ein Teil dieser Mikrowellen über den Eintritts-Abschnitt 28, den Hohlraum-Abschnitt 24 und der Hochfrequenz-Leiter 42 bis zum Hochfrequenz-Empfänger 36 gelangt. Aufgrund der gewählten Geometrie steht hierbei das E-Feld der im Spalt propagierenden Welle senkrecht zu den Reflexionsabschnitten 12, 32 und damit auch im wesentlichen senkrecht zu dem Papierband 50, wie dies in 1 angedeutet ist.
Das sich im Spalt befindende Papierband 50 hat, sofern es eine Restfeuchtigkeit aufweist, ein komplexes ε, welches von dem von Luft wesentlich verschieden ist. Somit beeinflusst das Papierband die im Spalt propagierende Mikrowelle sowohl hinsichtlich der Dämpfung als auch hinsichtlich der Phasenverschiebung. Aufgrund der gewählten Geometrie und der damit verbundenen Orientierung der Schwingungsebene des E-Feldes der Mikrowelle ist dieser Effekt unabhängig von der genauen Position des Bandes innerhalb des Spaltes. Dies ist wichtig, da die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz in industriellen Produktionsanlagen vorgesehen ist, und hier das Papierband 50 zwischen den Rollen 52 etwas ”flattern” kann, es wird in Praxis niemals die exakt gleiche Höhenposition aufweisen.
Aufgrund der bekannten dielektrischen Eigenschaften von Wasser beeinflusst das Papierband bei gegebener Messgeometrie die Dämpfung und die Phasenverschiebung um so stärker, je mehr Feuchtigkeit sie enthält. Mittels vorheriger Kalibrierung ist somit das vom Komperator 38 ausgegebene Signal ein Maß für die Feuchtigkeit des Papierbandes 50.
4 ist eine Draufsicht auf das in 1 Gezeigte aus Richtung R2. Wie man sieht, sind die Reflexionsabschnitte 12, 22 in Längsrichtung zum Papierband 50 orientiert. Mit anderen Worten: Propagationsrichtung der der Mikrowellen ist parallel zur Bewegungsrichtung der Papierbahn. Wie die 5 zeigt, kann jedoch auch eine andere Orientierung gewählt sein, bespielsweise eine senkrechte. Insbesondere bei Orientierung in Längssrichtung (7) kann es sinnvoll sein, die gesamte Vorrichtung in Querrichtung zum Papierband 50 beweglich zu machen, so dass an verschiedenen Stellen des Bandes gemessen werden kann. Das obere Bauteil 30 ist, beispielsweise mittels Haltearmen, starr gehalten. Eine insgesamt starre Konstruktion ist wichtig, damit die Spaltgeometrie genau definiert ist.
Die 5 zeigt ein Schnitt entlang der Linie A-A aus 4. Man sieht, das hier unterer und oberer Reflexionsabschnitt 12, 32 als ebene Platten ausgebildet sind. 6 zeigt eine Variation hierzu, hier sind die beiden Reflexionsabschnitte 12, 32 als konkave Rinnen ausgeführt, wodurch sich der grundsätzlich unvermeidliche Verlust von Strahlung verkleinern lässt.
Da die beschriebene Vorrichtung zum Einsatz unter industriellen Bedingungen vorgesehen ist, ist es weiterhin vorgesehen, die Ein- und die Austrittsöffnung 18a, 28a mit einem nichtleitenden Fenster zu verschließen. Alternativ kann kann man den Hohlraum auch komplett ausgießen, um zu vermeiden, dass Schmutz und Papierbrei in den Hohlraum gelangt.
In der gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung liegen Hochfrequenz-Einkoppler und Hochfrequenz-Auskoppler unterhalb der Papierbahn. Sie können natürlich auch oberhalb liegen.
Wie man der 8, welche eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt, entnimmt, ist es grundsätzlich auch möglich, Hochfrequenz-Einkoppler 13 und Hochfrequenz-Auskoppler 23 auf unterschiedlichen Seiten der Papierbahn 50 anzuordnen, so dass die Anordnung aus zwei identischen Bauteilen, nämlich dem unteren Bauteil 10 mit Hochfrequenz-Einkoppler 13 und unterem Reflexionsabschnitt 12 und dem oberen Bauteil 30 mit Hochfrequenz-Auskoppler 23 und oberem Reflexionsabschnitt 32 besteht. An der physikalischen Wirkungsweise ändert sich nichts: Auch hier sind Hochfrequenz-Einkoppler 13 und Hochfrequenz-Auskoppler bezogen auf die Ebene der Papierbahn 50 voneinander beabstandet, so dass sich ein Spalt ergibt, durch den vom Hochfrequenz-Einkoppler 13 eingekoppelte Mikrowellen zum Hochfrequenz-Auskoppler 23 im wesentlichen parallel zur Papierbahn (50) propagieren.
Hinsichtlich der Installation dürfte die erste Ausführungsform in der Regel zu bevorzugen sein, die zweite zweite Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, dass Sie aus zwei identischen Bauteilen besteht.
Die Erfindung wurde anhand der Messung an einer Papierbahn erläutert. Es ist jedoch klar, dass auch die Feuchtigkeit anderer Materialbahnen oder auch von Materialplatten mit der beschriebenen Vorrichtung gemessen werden können. Als Beispiel seinen Textil- und Kunststoffbahnen, sowie Gips- und Preßholzplatten genannt.
Bezugszeichenliste

10: unteres Bauteil
12: unterer Reflexionsabschnitt
13: Hochfrequenz-Einkoppler
14: Hohlraum-Abschnitt
14a, 14a': Seitenwand
14b: Stirnwand
16: Ankopplungsstutzen
18: Austritts-Abschnitt
18a: Austritts-Öffnung
23: Hochfrequenz-Auskoppler
24: Hohlraum-Abschnitt
24a, 24a': Seitenwand
24b: Stirnwand
26: Ankopplungsstutzen
28: Eintritts-Abschnitt
28a: Eintritts-Öffnung
32: oberer Reflexionsabschnitt
34: Hochfrequenz-Generator
36: Hochfrequenz-Empfänger
38: Komperator
41, 42: Hochfrequenz-Leiter
50: Papierbahn
52: Rolle
60: Haltearm

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts einer Materialbahn oder -platte mittels Hochfrequenz mit einem Hochfrequenz-Einkoppler (13) und einem Hochfrequenz-Auskoppler (23), wobei Hochfrequenz-Einkoppler (13) und Hochfrequenz-Auskoppler (23) bezüglich der Ebene der Materialbahn oder -platte voneinander beabstandet sind und sich auf einer ersten Seite der Materialbahn oder -platte ein erstes elektrisch leitendes Reflektorelement (unterer Reflexionsabschnitt 12) und parallel zum ersten Reflektorelement auf der zweiten Seite der Materialbahn oder -platte ein zweites elektrisch leitfähiges Reflektorelement (oberer Reflexionsabschnitt 32) erstreckt, so dass sich ein Spalt ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die beiden Reflektorelemente definierte Spalt eine Höhe zwischen 3 und 5 cm aufweist und dass durch den Hochfrequenz-Einkoppler (13) eingekoppelte Mikrowellen zum Hochfrequenz-Auskoppler (23) parallel zur Materialbahn oder -platte propagieren und der Hochfrequenz-Einkoppler (13) derart ausgebildet und orientiert ist, dass das E-Feld der im Spalt propagierenden Mikrowellen senkrecht zur Materialbahn oder -platte steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Hochfrequenz-Einkoppler (13) und Hochfrequenz-Auskoppler (23) auf der selben Seite der Materialbahn liegen und wobei sich zwischen Hochfrequenz-Einkoppler (13) und Hochfrequenz-Auskoppler (23) das erste elektrisch leitende Reflektorelement (unterer Reflexionsabschnitt 12) und jenseits der Materialbahn parallel zum ersten Reflektorelement das zweite elektrisch leitfähige Reflektorelement (oberer Reflexionsabschnitt 32) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt, der durch die beiden Reflektorelemente definiert ist, nach allen Seiten offen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die beiden Reflektorelemente ebene Platten sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Einkoppler (13) eine Austritts-Öffnung (18a) und der Hochfrequenz-Auskoppler (18) eine Eintritts-Öffnung (28a) aufweist und sowohl Austritts-Öffnung (18a) als auch Eintritts-Öffnung (28a) mittels eines nichtleitenden Materials verschlossen sind.