DE102018127924A1

DE102018127924A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften eines Tabakstrangs

Info

Publication number: DE102018127924A1
Application number: DE102018127924.8A
Authority: DE
Inventors: Denis Baron; Jürgen Goetz
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20) und ein Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften eines Tabakstrangs (10) sowie eine entsprechende Tabakstrangmaschine. Die Vorrichtung (20) umfasst einen Sender (61) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, einen vom Tabakstrang (10) durchsetzbaren oder durchsetzten Resonator (30), einen Empfänger (88), dem aus dem Resonator (30) ausgekoppelte elektromagnetische Wellen zugeführt werden, und eine Auswertungsvorrichtung (90), die eingerichtet und ausgebildet ist, Signale vom Empfänger (80) im Hinblick auf Materialeigenschaften des Tabakstrangs (10) auszuwerten.Erfindungsgemäß ist der Resonator (30) als Reflexionsresonator, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, mit wenigstens einer reflektierenden Endfläche (48) und einer einzelnen Antenne (32) ausgebildet, mittels der die vom Sender (61) erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Resonator (30) eingekoppelt werden und die in dem Resonator (30) reflektierten elektromagnetischen Wellen ausgekoppelt und dem Empfänger

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie sowie eine Tabakstrangmaschine.
Im Bereich des endlosen Tabakstrangs in der Tabakstrangmaschine ist es bekannt, die Dichte des Tabakstrangs mittels Mikrowellen zu messen, um Tabakinhomogenitäten, beispielsweise Fehlstellen wie Löcher, sogenannte Soft Spots, oder Verdichtungen, sogenannte Hard Spots, usw. zu erkennen. Werden elektromagnetische Wellen, beispielsweise Mikrowellen, auf ein Medium gesendet, so wird ein Teil der Energie im Medium absorbiert, ein weiterer Teil transmittiert und ein Teil reflektiert. Fehlstellen im Tabakmaterial haben somit einen Einfluss darauf, wieviel der Mikrowellen absorbiert werden.
Zur Messung dieser Absorption durchsetzt der Tabakstrang in bekannten Mikrowellenmessvorrichtungen einen zylindrischen Mikrowellenresonator mittig, der in Transmission betrieben wird (sogenannte S₂₁-Messung). Ein solcher zylindrischer Mikrowellenresonator weist aufgrund seiner zylindrischen Geometrie zur Maximierung seiner Empfindlichkeit zwei getrennte Antennen zum Ein- und Auskoppeln der Mikrowellen in den Resonator auf, die gegenüber der zentralen Achse spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Beispiele solcher zylindrischer Mikrowellenresonatoren sind u.a. in DE 10 2010 041 571 A1 und DE 10 2010 041 572 B3 gezeigt, wobei in erstgenannter Patentanmeldung eine Realisierung eines Einseitenbandverfahrens und im letztgenanntem Patent eine Realisierung eines weiteren Heterodynverfahrens zur Signalverarbeitung und Signalauswertung gezeigt sind. Das Messergebnis wird zur Steuerung der Dichte des Tabakstrangs durch Steuerung der Menge von auf einem Saugband aufgeschauertem losem Tabakmaterial verwendet.
Dieses System wird unter anderem im Mikrowellensensorsystem MIDAS der Anmelderin verbaut. Aufgrund der geometrischen Abmessungen kommt es vor, dass der MIDAS-Sensor in bestimmten Anwendungen für eine Messung nicht geeignet ist. Hierzu zählen u.a. Produkte mit einem größeren Produktdurchmesser, wie z.B. Zigarren oder Zigarillos. Weiterhin ist eine Montage bei beengten Räumen, beispielsweise bei Maschinen von Fremdherstellern, nicht ohne weiteres möglich.
Diesem Stand der Technik gegenüber liegt die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, die Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie zu verbessern, wobei insbesondere bei weniger Raumforderung als bisher größere Strangdurchmesser angewendet werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie, umfassend einen Sender zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, einen vom Tabakstrang durchsetzbaren oder durchsetzten Resonator, einen Empfänger, dem aus dem Resonator ausgekoppelte elektromagnetische Wellen zugeführt werden, und eine Auswertungsvorrichtung, die eingerichtet und ausgebildet ist, Signale vom Empfänger im Hinblick auf Materialeigenschaften des Tabakstrangs auszuwerten, gelöst, die dadurch weitergebildet ist, dass der Resonator als Reflexionsresonator, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, mit wenigstens einer reflektierenden Endfläche und einer einzelnen Antenne ausgebildet ist, mittels der die vom Sender erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Resonator eingekoppelt werden und die in dem Resonator reflektierten elektromagnetischen Wellen ausgekoppelt und dem Empfänger zugeführt werden, wobei der Resonator zwischen der Antenne und der reflektierenden Endfläche eine vom Tabakstrang durchsetzte oder durchsetzbare Durchlassöffnung aufweist, wobei der Sender, der Empfänger und die Antenne zur Entkopplung der einlaufenden und der auslaufenden elektromagnetischen Wellen voneinander mit einem Richtkoppler verbunden sind.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, von der bisher praktizierten S₂₁-Messung mit einem zylindrischen Mikrowellenresonator und zwei Antennen abzugehen und stattdessen einen Reflektionsresonator mit rechteckigem Querschnitt einzusetzen. Dieser Übergang von einem Resonatortyp auf den anderen mit gleichzeitiger Änderung des Messprinzips von einer S₂₁-Messung auf eine echte Reflexionsmessung bedeutet eine Verkleinerung der Bauform des Resonators bei hoher Sensibilität.
Diese Bauform von Mikrowellenresonatoren ist bislang in Verbindung mit der Überprüfung der Qualität von queraxial geförderten Zigaretten in der Filteransetzmaschine beschrieben worden. So ist hierzu aus DE 10 2015 119 722 A1 bekannt, an queraxial geförderten Zigaretten die Zigarettenkopfqualität mittels einer Mikrowellenmessvorrichtung zu überprüfen, durch die die Kopfenden der Zigaretten durchgeschleust werden. Hierbei handelt es sich um einen Reflexionsresonator mit rechteckigem Querschnitt, der wie ein Mikrowellenhohlleiter konfiguriert ist und eine reflektierende Endfläche und einen Durchtrittskanal für die queraxial geförderten Zigaretten aufweist. Das Ein- und Auskoppeln der Mikrowellen in den Reflexionsresonator erfolgt mittels einer einzelnen Antenne, die vom eigentlichen Resonatorhohlraum mittels einer querschnittsverengenden Blende separiert ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt der Frequenzbereich des Messsignals im Mikrowellenresonator bevorzugt zwischen 1 GHz und 20 GHz, insbesondere zwischen 10 bis 15 GHz.
Eine besonders hohe Messgenauigkeit wird erreicht, wenn die Schaltung aus Sender, Resonator und Empfänger eine Heterodynschaltung, beispielsweise eine Einseitenbandschaltung, bildet. Solche Schaltungen sind prinzipiell etwa aus DE 10 2010 041 571 A1 und DE 10 2010 041 572 B3 bekannt und können für die jeweiligen Messanforderungen, u.a. in Bezug auf die Abmessungen des Reflexionsresonators, angepasst werden.
Vorzugsweise weist der Resonator zwischen der Antenne und der Durchlassöffnung eine Blende auf, die den Querschnitt des Resonators an der Stelle der Blende verengt. Die Aufrechterhaltung der Messgenauigkeit wird sichergestellt, wenn der Resonator mittels eines für Mikrowellen durchlässigen Rohrs oder mittels für Mikrowellen durchlässiger Fenster vor Verschmutzung durch den Tabakstrang oder durch herumfliegenden Staub geschützt ist.
Vorteilhafterweise weist der Empfänger einen AD-Wandler zur Digitalisierung der empfangenen Signale auf. In diesem Fall erfolgt die Auswertung ebenfalls digital, beispielsweise mittels eines Computers, gegebenenfalls einer zentralen Maschinensteuerung.
Der Richtkoppler ist vorzugsweise als Viertor-Koppler ausgebildet, wobei insbesondere ein Tor mit einem Abschlusswiderstand, insbesondere von 50 Ω, abgeschlossen ist, der eine Reflexion von Wellen an diesem Tor unterdrückt. Diese Bauweise des Richtkopplers sorgt für eine besonders gute Trennung der ein- und auslaufenden Mikrowellen voneinander.
Der Sender ist vorteilhafterweise zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen wenigstens einer diskreten Frequenz ausgebildet. Ferner vorzugsweise ist die Auswertungsvorrichtung zur Verarbeitung einer Resonanzkurve des Resonators hinsichtlich Resonanzfrequenz, Güte und/oder Amplitude ausgebildet. Diese Maßnahmen stellen ein hohes Maß an Stabilität der Messung sicher.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch eine Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie mit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, wobei der Resonator in der Tabakstrangmaschine am bereits geformten, insbesondere mit Umhüllungspapier umhüllten, Tabakstrang angeordnet ist. Diese Tabakstrangmaschine weist die der Erfindung innewohnenden Eigenschaften, Merkmale und Vorteile ebenso auf wie die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Teil der Tabakstrangmaschine ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie mit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst mit den folgenden Schritten:

a) Fördern eines Tabakstrangs durch den Resonator,
b) Erzeugen von elektromagnetischen Wellen im Sender, insbesondere im Mikrowellenbereich,
c) Zuführen und Einkoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Resonator mittels der Antenne,
d) Auskoppeln der im Resonator reflektierten Wellen aus dem Resonator mittels der Antenne und Zuführen der ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen zum Empfänger,
e) Zuführen von digitalisierten Signalen vom Empfänger zur Auswertungsvorrichtung und
f) Auswerten der digitalisierten Signale in der Auswertungsvorrichtung in Bezug auf Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, des Tabakstrangs.

Auch das Verfahren verwirklicht somit die gleichen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile wie die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Vorzugsweise erzeugt der Sender wenigstens eine diskrete Frequenz.
Vorteilhafterweise werden über eine Dämpfung des aus dem Resonator ausgekoppelten Signals Fehler im Strangaufbau detektiert.
In einer Ausführungsform werden mehrere diskrete Frequenzen zyklisch wiederholend nacheinander erzeugt und anhand der Dämpfung bei den mehreren diskreten Frequenzen eine momentane Resonanzkurve berechnet. Hierdurch wird der momentane Verlauf der Resonanzkurve im Reflexionsresonator abgetastet.
In alternativen Ausführungsformen werden in einem Heterodynverfahren, beispielsweise einem Einseitenbandverfahren, frequenzstabile Signale erzeugt, die beim Eintritt in den Resonator im Mikrowellenbereich liegen und bei der Digitalisierung im Empfänger in einen Frequenzbereich herabgesetzt sind, für den ein AD-Wandler des Empfängers ausgelegt ist. Diese Verfahren stellen eine hohe Messgenauigkeit und eine schnelle Auswertung sicher.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

1a), 1b) perspektivisch-schematische Schnittdarstellungen durch einen bekannten Reflexionsresonator,
2 eine perspektivisch-schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 ein Ausführungsbeispiel einer Einseitenbandbeschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
1 zeigt perspektivisch-schematisch zwei Schnittdarstellungen durch einen bekannten Reflexionsresonator, wie er aus DE 10 2010 041 572 B3 beispielsweise bekannt ist. In 1a) erstreckt sich die Schnittebene quer zur Transportrichtung 12 der queraxial geförderten Zigaretten 2, während sie sich in 1 b) in Richtung der Transportrichtung 12 erstreckt. Die Zigaretten 2 weisen in diesem Fall einen schematisch dargestellten Filter 4 sowie einen Tabakstock 6 mit einem verdichteten Kopfende 8 auf, dessen Dichte mit dem Resonator 30 gemessen wird. Auf diese Weise wird die Qualität des Kopfendes der Zigarette 2 überprüft.
Der Resonator 30 ist mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet, somit einem Hohlleiter oder Wellenleiter für Mikrowellen ähnlich. In einem unteren Teil wird die Wandung des Resonators 30 für eine Antenne 32 durchbrochen, mittels der Mikrowellen in den Resonator 30 eingekoppelt und ausgekoppelt werden. Die Antenne 32 ist von dem Rest der Wandung des Resonators 30 isoliert. Der Teil des Resonators 30, in den die Mikrowellen mittels der Antenne 32 eingekoppelt werden, bildet bis zu einer Blende 36 einen Einkopplungshohlraum 34. Die Blende 36 weist insbesondere eine ovale Durchgangsöffnung auf, die eine Einkopplung des Mikrowellenmessfelds in den Hohlraum des Resonators 30 bewirkt. So können sich je nach Dimensionierung der Blende 36 unterschiedliche Induktivitäten und Kapazitäten innerhalb des Hohlleiters ergeben, die einen Reihenschwingkreis ausbilden und damit zu einer Resonanz führen. Der Hohlleiter ist dann mit einem Kurzschluss an einer Reflexionsebene abgeschlossen, die durch die Resonatorendfläche 48 gebildet wird, sodass die Mikrowellen in umgekehrter Richtung ein zweites Mal durch das Messfenster bzw. den Messbereich laufen.
Der restliche Teil des Resonators 30 ist im Prinzip dreigeteilt. An die Blende 36 schließt sich ein erster Teilresonatorhohlraum 38 an, der mittels eines Fensters 40, das für Mikrowellen durchlässig ist, von einer Durchlassöffnung 42 für die queraxial geförderten Zigaretten 2 getrennt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zigarette 2 schließt sich ein weiteres Fenster 44 und ein zweiter Teilresonatorhohlraum 46 an, der mit einer reflektierenden metallischen oder metallisch beschichteten Resonatorendfläche 48 abgeschlossen ist. Der erste Teilresonatorhohlraum 38 und der zweite Teilresonatorhohlraum 46 bilden zusammen mit der Durchlassöffnung 42 einen gemeinsamen Resonatorhohlraum, der an der Stelle der Durchlassöffnung 42 seitlich durchbrochen ist. Mikrowellen gelangen aus dem Einkopplungshohlraum 34 durch die Blende 36 in den wellenleiterförmigen Resonatorhohlraum mit rechteckigem Querschnitt, der aus erstem Teilresonatorhohlraum 38, Durchlassöffnung 42 und zweitem Teilresonatorhohlraum 46 gebildet ist. Absorption in dem Kopfende 8 der Zigarette 2 findet bei Durchgang der Mikrowellen durch das Kopfende 8 statt. Die Mikrowellen werden an der Resonatorendfläche 48 reflektiert und gelangen durch das Kopfende 8 der Zigarette 2 und die Blende 36 in den Einkopplungshohlraum 34 zur Antenne 32 zurück. Es findet somit eine zweifache Absorption der Mikrowellen in der Zigarette 2 statt. Ob eine Blende 36 notwendig ist oder wie sie zu dimensionieren ist, hängt von den geometrischen Gegebenheiten des Resonators 30 ab.
Zur Fokussierung des Feldes, zur Verringerung ungewünschter Abstrahlung, zur mechanischen Unterstützung und zum Schutz vor Verschmutzung aus der Umgebung erweitert sich der Resonator 30 im Bereich der Durchlassöffnung 42 zu einer Gabel, gebildet aus Gabelseitenwänden 52 und 54 sowie eine Gabelendwand 56, die einen Gabelhohlraum 50 umschließen. Dieser Gabelhohlraum 50 ist sinnvollerweise so bemessen, dass queraxial geförderte Produkte verschiedener Abmessungen durch den Resonator 30 und den Gabelhohlraum 50 transportiert werden können.
Wie in 1, speziell 1b), zu sehen ist, erstreckt sich das Messfenster, welches etwa durch die Geometrie der mikrowellendurchlässigen Fenster 40, 44, erkennbar ist, mehr in Richtung der Förderung der queraxial geförderten Produkte als quer zur Förderrichtung, also in Längsrichtung der Zigaretten 2. Auf diese Weise wird eine genaue Fokussierung des Mikrowellenmessfelds auf die Kopfenden 8 der Zigaretten 2 bewirkt, während gleichzeitig die Messung während der queraxialen Förderung der Zigaretten 2 durch eine entsprechende Zeitdauer, in der jede Zigarette 2 sich im Mikrowellenmessfelds befindet, an Messgenauigkeit gewinnt.
In 2 ist perspektivisch-schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 gezeigt, in der ein entsprechender Resonator 30, der als Reflexionsresonator wie in dem Beispiel der 1 mit rechteckigem Querschnitt und einer Antenne 32 ausgebildet ist, an einem Tabakstrang 10 in einer Tabakstrangmaschine angeordnet ist. Der Tabakstrang 10 wird in einer Förderrichtung 12 längsaxial gefördert und bewegt sich auf seinem Förderweg durch ein Messfeld des Resonators 30, der wiederum in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Durchlassöffnung 42 ausgebildet ist, die sich zu einer Gabel mit Gabelseitenwänden 52, 54 und Gabelendwand 56 öffnet, die einen Gabelhohlraum 50 umschließen. Im Vergleich zu der Darstellung in 1 hat sich in 2 vor allem geändert, dass der Resonator 30 nunmehr horizontal orientiert dargestellt wird anstelle von vertikal orientiert. Die Orientierung des Resonators 30 ist frei wählbar und kann an die Gegebenheiten in einer Tabakstrangmaschine angepasst werden. Die weiteren Bestandteile des Resonators 30 sind die gleichen wie oben in Bezug auf 1 erläutert. Das Fenster 40, das dem Fenster 44 gegenüber liegt, ist perspektivisch abgedeckt und daher nicht gezeigt.
Die Antenne 32, die zum Einkoppeln und zum Auskoppeln von Mikrowellen in den Resonator 30 und aus dem Resonator 30 heraus dient, ist mit einer Messelektronik 60 verbunden, die Komponenten zur Erzeugung von Mikrowellen sowie zur Einkopplung von Mikrowellen in die Antenne 32 und zur Verarbeitung von ausgekoppelten Mikrowellen umfasst. Anstelle von Mikrowellen können auch elektromagnetische Wellen anderer Frequenzen, die zur Dichtemessung an Tabaksträngen geeignet sind, verwendet werden, beispielsweise HF-Frequenzen.
Die Orientierung des Messfensters des Resonators 30, dargestellt unter anderem durch das mikrowellendurchlässige Fenster 44, erstreckt sich mit seiner größeren Ausdehnung parallel zur Ausrichtung des Tabakstrangs 10. Hierdurch wird die Ortsauflösung im Tabakstrang 10 gegenüber einer schmaleren Ausführungsform verschlechtert, jedoch die Messgenauigkeit insgesamt für einen Tabakstrang 10 auf akzeptablem Niveau gehalten. Eine Anordnung, in der das Messfenster nicht, wie in 2 gezeigt, entlang der Transportrichtung 12 des Tabakstrangs ausgerichtet ist, sondern quer dazu, ist ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Hierdurch wird die Ortsauflösung verbessert.
3 zeigt eine beispielhafte Messelektronik 60, mit der ein Resonator 30 mit Mikrowellen beschickt wird und Mikrowellen auch ausgekoppelt und verarbeitet werden. Die Schaltung weist einen Sender 61 und einen Empfänger 80 auf, die über einen Viertor-Richtkoppler 76 mit dem Resonator 30 verbunden sind. Der Resonator 30, der in 3 rein schematisch symbolisiert ist, ist beispielhaft ausgeführt wie in 2 dargestellt.
Der Sender 61 umfasst zwei Signalgeneratoren, nämlich einerseits einen VCO-Generator 62 und einen DDS-Generator 72. Der VCO-Generator 62 (VCO steht für „voltage-controlled oscillator“) erzeugt als Lokaloszillator ein phasentreues Trägersignal f₀ im Mikrowellenbereich, während der DDS-Generator 72 (DDS steht für „direct digital synthesis“) ein in Bezug auf Frequenz und Amplitude hochstabiles Signal mit deutlich niedrigerer Zwischenfrequenz f_IM im Bereich bis zu wenigen MHz erzeugt. Während der DDS-Generator 72 typischerweise ein Zwischensignal einer einzelnen Frequenz erzeugt, kann der VCO-Generator 62 als Lokaloszillator auch mehrere verschiedene Frequenzen nacheinander erzeugen, um beispielsweise die Resonanzkurve des Resonators 30 abzutasten. Das vom VCO-Generator 62 generierte hochfrequente Signal wird über einen Verstärker 64 einem Wilkinsonteiler 66 zugeleitet, welcher das Signal in zwei, insbesondere gleich große, Zweige aufteilt. Ein Zweig führt zu einem Verstärker 68 und nachfolgend zu einem Mischer 70, in welchem das Trägersignal f₀ mit einem vom DDS-Generator 72 generierten Signal der Zwischenfrequenz f_IM gemischt wird. Durch die Mischung ergeben sich zwei Seitenbänder mit den Frequenzen f₀±f_IM, oder, abhängig vom Mischer, auch nur ein Seitenband. Hierbei werden eine ggf. vorhandene Spiegelfrequenz und die Trägerfrequenz unterdrückt. Diese in den Mikrowellenbereich hochgemischten Signale werden durch einen Bandpassfilter 74 geleitet, der ungewünschte Oberwellen oberhalb des gewünschten Frequenzbandes herausfiltert, die in dem Bandpassfilter 74 maximale Dämpfung erfahren. Der Bandpassfilter 74 kann beispielsweise in Mikrostreifentechnik ausgeführt sein.
Dieses Signal wird über den Viertor-Richtkoppler 76 zum Resonator 30 geführt und dort über eine Antenne 32 eingekoppelt, die induktiv oder kapazitiv ausgestattet sein kann. Auch der Viertor-Richtkoppler 76 kann in Mikrostreifentechnik ausgeführt sein. Der Viertor-Richtkoppler 76 ist an einem seiner Tore mit einem Abschlusswiderstand 78 abgeschlossen, der in dem Ausführungsbeispiel einen Widerstand von 50 Ω aufweist. Dieser sorgt dafür, dass an diesem Tor keine Mikrowellen reflektiert werden und somit keine störenden Anteile in die anderen Tore des Viertor-Richtkopplers 76 gelangen. Auf diese Weise wird für eine besonders gute Trennung der in den Resonator 30 einlaufenden Mikrowellen von den aus dem Resonator 30 auslaufenden Mikrowellen erreicht. Die Antenne 32 koppelt die Mikrowellen beispielsweise von einem als PCB („printed circuit board“) ausgeführten Mikrowellenleiter in den Hohlleiter des Resonators 30 ein.
Das reflektierte Signal, welches durch den Tabakstrang 10 entsprechend dessen Dichte und Dielektrizitätskonstanten zweifach abgeschwächt wurde, oder anders ausgedrückt, aufgrund der Verstimmung des Schwingkreises im Resonator durch die Anwesenheit des Tabakstrangs 10 im Resonator 30 gegenüber dem eingekoppelten Signal gedämpft wurde, wird über dieselbe Antenne 32 ausgekoppelt und dem Viertor-Richtkoppler 76 zugeführt, welcher das zurückgeführte Signal dem Empfänger 80 zuleitet. Dieser verstärkt das Signal zunächst in einem Verstärker 81, um eine eindeutige Auswertung und Ausnutzung des Dynamikbereichs im Empfänger 80 zu ermöglichen, und mischt dieses dann im Mischer 84 mit dem in einem Verstärker 69 des Senders verstärkten Trägersignal aus dem zweiten Zweig des Wilkinsonteilers 66. Hierdurch ergeben sich Signale mit der Frequenz der ursprünglichen Zwischenfrequenz f_IM, welche anschließend durch einen Tiefpassfilter 86 von den hochfrequenten Anteilen gesäubert werden und einem Analog-Digital-Wandler 88 zugeführt werden. Da die Zwischenfrequenz, die der Analog-Digital-Wandler 88 zu digitalisieren hat, nur noch bis zu wenigen MHz beträgt, ist der A/D-Wandler 88 in der Lage, das Signal mit hoher Auflösung zu digitalisieren und einer Auswertungsvorrichtung 90 zuzuleiten, welche das digitalisierte Signal in hoher Geschwindigkeit auswerten kann.
Die Dämpfung des Signals im Resonator 30 aufgrund der Anwesenheit des Tabakstrangs 10 wird im Empfänger 80 als Veränderung der Amplitude detektiert. Wird eine einzelne Frequenz zur Auswertung verwendet, so wird über die Dämpfung des Messsignals auf Fehler im Strangaufbau geschlossen, wie zum Beispiel Löcher oder Verdichtungen.
Werden mehrere Frequenzen nacheinander eingestellt, so ist die Interpolation der physikalischen Resonanzkurve des Resonators 30 möglich. Aufgrund der unterschiedlichen Dämpfung der Messsignale auf unterschiedlichen diskreten Frequenzen wird die Resonanzkurve berechnet. Anhand der berechneten Resonanzkurve werden komplexere Analysen durchgeführt wie zum Beispiel die Auswertung der Güte, der Resonanzfrequenz oder der Resonanzamplitude, welche dann auf eine Veränderung im Strangaufbau und damit eine Veränderung der effektiven Permittivität schließen lassen. So wird eine exakte Analyse der Fehler im Strangaufbau möglich.
Anstelle einer Einseitenband-Beschaltung, wie sie in 3 gezeigt ist, lässt sich auch eine andere Heterodynschaltung verwenden, wie sie beispielsweise aus DE 10 2010 041 572 B3 bekannt ist. Dieses unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Einseitenbandverfahren vornehmlich in der Reihenfolge der Mischungen der verschiedenen ursprünglich erzeugten Frequenzen. Auch andere herkömmlich bekannte Verfahren zur Erzeugung und Auswertung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen im HF- oder Mikrowellenbereich, die bislang bereits in Tabakstrangmaschinen verwendet werden, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

2: Zigarette
4: Filter
6: Tabakstock
8: Kopfende
10: Tabakstrang
12: Förderrichtung
20: Vorrichtung
30: Resonator
32: Antenne
34: Einkopplungshohlraum
36: Blende
38: erster Teilresonatorhohlraum
40: Fenster
42: Durchlassöffnung
44: Fenster
46: zweiter Teilresonatorhohlraum
48: reflektierende Resonatorendfläche
50: Gabelhohlraum
52, 54: Gabelseitenwand
56: Gabelendwand
60: Leistungs- und Messelektronik
61: Sender
62: VCO-Generator
64: Verstärker
66: Wilkinson-Teiler
68: Verstärker
69: Verstärker
70: Mischer
72: DDS-Generator
74: Bandpassfilter
76: Viertor-Richtkoppler
78: Abschlusswiderstand
80: Empfänger
81: Verstärker
82: Verstärker
84: Mischer
86: Tiefpassfilter
88: AD-Wandler
90: Auswertungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010041571 A1 [0003, 0010]
DE 102010041572 B3 [0003, 0010, 0025, 0039]
DE 102015119722 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (20) zur Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs (10) in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie, umfassend einen Sender (61) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, einen vom Tabakstrang (10) durchsetzbaren oder durchsetzten Resonator (30), einen Empfänger (88), dem aus dem Resonator (30) ausgekoppelte elektromagnetische Wellen zugeführt werden, und eine Auswertungsvorrichtung (90), die eingerichtet und ausgebildet ist, Signale vom Empfänger (80) im Hinblick auf Materialeigenschaften des Tabakstrangs (10) auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (30) als Reflexionsresonator, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, mit wenigstens einer reflektierenden Endfläche (48) und einer einzelnen Antenne (32) ausgebildet ist, mittels der die vom Sender (61) erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Resonator (30) eingekoppelt werden und die in dem Resonator (30) reflektierten elektromagnetischen Wellen ausgekoppelt und dem Empfänger (80) zugeführt werden, wobei der Resonator (30) zwischen der Antenne (32) und der reflektierenden Endfläche (48) eine vom Tabakstrang (10) durchsetzte oder durchsetzbare Durchlassöffnung (42) aufweist, wobei der Sender (61), der Empfänger (80) und die Antenne (32) zur Entkopplung der einlaufenden und der auslaufenden elektromagnetischen Wellen voneinander mit einem Richtkoppler (76) verbunden sind.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung aus Sender (61), Resonator (30) und Empfänger (80) eine Heterodynschaltung, insbesondere eine Einseitenbandschaltung, bildet.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (30) zwischen der Antenne (32) und der Durchlassöffnung (42) eine Blende (36) aufweist, die den Querschnitt des Resonators (30) an der Stelle der Blende (36) verengt.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (30) mittels eines für Mikrowellen durchlässigen Rohrs oder mittels für Mikrowellen durchlässiger Fenster (40, 44) vor Verschmutzung durch den Tabakstrang (10) oder durch herumfliegenden Staub geschützt ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (80) einen AD-Wandler (88) zur Digitalisierung der empfangenen Signale aufweist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (76) als Viertor-Koppler ausgebildet ist, wobei insbesondere ein Tor mit einem Abschlusswiderstand (78), insbesondere von 50 Ω, abgeschlossen ist, der eine Reflexion von Wellen an diesem Tor unterdrückt.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (61) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen wenigstens einer diskreten Frequenz ausgebildet ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsvorrichtung (90) zur Verarbeitung einer Resonanzkurve des Resonators (30) hinsichtlich Resonanzfrequenz, Güte und/oder Amplitude ausgebildet ist.
Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie mit einer Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator in der Tabakstrangmaschine am bereits geformten, insbesondere mit Umhüllungsmaterial umhüllten, Tabakstrang angeordnet ist.
Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, eines Tabakstrangs (10) in einer Tabakstrangmaschine der Tabak verarbeitenden Industrie mit einer Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den folgenden Schritten: a) Fördern eines Tabakstrangs (10) durch den Resonator (30), b) Erzeugen von elektromagnetischen Wellen im Sender (61), insbesondere im Mikrowellenbereich, c) Zuführen und Einkoppeln der erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Resonator (30) mittels der Antenne (32), d) Auskoppeln der im Resonator (30) reflektierten Wellen aus dem Resonator (30) mittels der Antenne (32) und Zuführen der ausgekoppelten elektromagnetischen Wellen zum Empfänger (80), e) Zuführen von digitalisierten Signalen vom Empfänger (80) zur Auswertungsvorrichtung (90) und f) Auswerten der digitalisierten Signale in der Auswertungsvorrichtung (90) in Bezug auf Materialeigenschaften, insbesondere Dichte und Homogenität, des Tabakstrangs (10).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (61) wenigstens eine diskrete Frequenz erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Dämpfung des aus dem Resonator (30) ausgekoppelten Signals Fehler im Strangaufbau detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere diskrete Frequenzen zyklisch wiederholend nacheinander erzeugt werden und anhand der Dämpfung bei den mehreren diskreten Frequenzen eine momentane Resonanzkurve berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Heterodynverfahren, insbesondere einem Einseitenbandverfahren, frequenzstabile Signale erzeugt werden, die beim Eintritt in den Resonator (30) im Mikrowellenbereich liegen und bei der Digitalisierung im Empfänger (80) in einen Frequenzbereich herabgesetzt sind, für den ein AD-Wandler (88) des Empfängers (80) ausgelegt ist.