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Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenresonator zum Anschließen an eine Messeinrichtung zur Messung der Masse und/oder der Feuchtigkeit von kontinuierlich durch den Resonatorraum gefördertem Fasermaterial sowie eine Textilmaschine mit einem derartigen Mikrowellenresonator.
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Die Messung von Fasereigenschaften in der Textilindustrie ist unabdingbare Voraussetzung zur Produktion von hochwertigen Textilien. So ist beispielsweise die Messung von Faserbandmassen insbesondere zum Zwecke der Ausregulierung von Ungleichmäßigkeiten von einem oder mehreren einer Spinnereivorbereitungsmaschine vorgelegten Faserbändern unabdingbar. Gleichfalls ist zur Qualitätskontrolle des verstreckten Materials am Maschinenausgang eine derartige Messung wünschenswert und sogar erforderlich. Messwerte zur Faserbandmasse (es sind auch die Bezeichnungen Bandquerschnitt oder Banddicke gebräuchlich; die Bezeichnungen sind im Rahmen dieser Darstellung als äquivalent zu betrachten) werden neben der genannten Qualitätskontrolle auch zum Abstellen der Maschine herangezogen, wenn vorgegebene Massen- oder Dickengrenzwerte über- oder unterschritten werden und somit kein hochwertiges Produkt mehr erhalten wird.
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Bisher werden überwiegend mechanisch abtastende Sensoren zur Ermittlung der Bandmasse bzw. -dicke von dem bzw. den Faserbändern eingesetzt. Auch sind kapazitive Messorgane bekannt. Eine neue Methode zur Messung der Faserbandmasse stellt hingegen die Verwendung von Mikrowellen dar. Hierbei werden von einem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellen, deren Frequenzen bevorzugt von einem Rechner innerhalb gewisser Grenzen verändert werden, in einen Resonatorraum eines Mikrowellenresonators eingekoppelt, durch welches auch das zu vermessende Fasermaterial kontinuierlich hindurchgeführt wird. Entsprechend dem Fasermaterial, der Bandmasse und der Bandfeuchtigkeit tritt bei einer charakteristischen Mikrowellenfrequenz ein Resonanzsignal auf, welches nach Auskopplung zur Ermittlung der Bandmasse und/oder der Bandfeuchtigkeit auswertbar von einem Rechner ist. Eine derartige Methode für andere Anwendungszwecke ist beispielsweise in der
EP 0468023 B1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit explizit eingeschlossen wird. Die Vorteile eines derartigen Messverfahrens mittels Mikrowellen liegen insbesondere darin, daß ein hochpräzises, berührungsloses Abtasten des Fasermaterials möglich sind. Mechanische Beeinträchtigungen des Bandes sowie Messungenauigkeiten aufgrund der Trägheit von mechanischen Messelementen scheiden aus.
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Es hat sich herausgestellt, daß diverse Probleme bezüglich des Zusammenspiels des Resonators und des hindurch geführten Fasermaterials bestehen. Insbesondere bei der Wahl des Materials, mit welchem das oder die Faserbänder beim Hindurchführen durch den Hohlraumresonator in Kontakt kommen bzw. an dem sie vorbeigeführt werden, sind Probleme aufgetreten, die zu Messungenauigkeiten, Messschwankungen und Drifts führen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Mikrowellenresonator zur Messung von Dicke bzw. Masse und/oder Feuchte von hindurch gefördertem Fasermaterial zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Mikrowellenresonator der eingangs genannten Art durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 8, 10 und 11 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch eine Textilmaschine mit einem derartigen Resonator gelöst. In einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Dielektrikum für einen solchen Resonator gelöst.
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Der Resonator weist gemäß einem ersten Erfindungsaspekt mindestens ein Dielektrikum (also eine elektrisch nicht leitende Raumeinheit) – einteilig oder mehrteilig – auf, welches gegen die Aufnahme von Feuchte geschützt ausgebildet ist. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß durch die Aufnahme von Feuchte und insbesondere Wasser seitens der Resonatorelemente, die das hindurch geführte Fasermaterial gegenüber den übrigen Bereichen des Hohlraumresonators abschirmen, keine hinreichend stabilen Messergebnisse resultieren. Insbesondere ist ein Drift der Resonanzsignale in Abhängigkeit von der Wasseraufnahme seitens dieser abschirmenden bzw. das oder die Faserbänder führenden Elemente bzw. Dielektrika beobachtet worden. Als Grund hat sich herausgestellt, daß aufgrund der großen Dielektrizitätskonstante von Wasser (⎕ = 80) gegenüber Fasermaterial (⎕ = 2–3) schon eine Aufnahme von geringsten Mengen Feuchte im Bereich von beispielsweise 0,05% einen bis zu 40-fachen Fehler (80/2) in der Messgenauigkeit produzieren, also im Bereich von 2%. Es ist jedoch z. B. bei Regulierstrecken eine Messgenauigkeit im Bereich von 0,1% angestrebt!
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Entsprechend dieser Erkenntnis ist gemäß dem ersten Erfindungsaspekt mindestens ein Dielektrikum im Durchtrittsbereich des Fasermaterials derart ausgebildet, daß eine Aufnahme von Feuchte im wesentlichen vollständig verhindert wird. Mittels einer derartigen Ausgestaltung konnte erreicht werden, daß die Resonanzsignale auch über einen längeren Zeitraum präzise und aussagekräftig hinsichtlich der Bandmasse bzw. Banddicke und/oder der Feuchtigkeit des Textilmaterials sind.
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Als besonders effektiv hat es sich erwiesen, wenn das mindestens eine Dielektrikum zumindest abschnittsweise an mit dem Fasermaterial in Berührung kommenden Stellen poliert oder geschliffen ausgebildet ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß Feuchte aus dem Fasermaterial insbesondere von Mikrorissen in dem Dielektrikum aufgenommen wird. Auch kann keine Raumfeuchte im nennenswerten Maß eindringen. Daher ist es bevorzugt, wenn die gesamte exponierte Fläche des Dielektrikums poliert oder geschliffen ist.
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Ein bevorzugter Werkstoff, der an seiner Oberfläche zumindest abschnittsweise poliert oder geschliffen ist, stellt Keramik dar. Es hat sich herausgestellt, daß eine derartige Behandlung die Feuchtigkeitsaufnahme reduziert und somit zu präziseren und verlässlicheren Messergebnissen führt.
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Ein weiterer Werkstoff für das mindestens eine das Dielektrikum stellt Makrolon® dar. Dieses Kunststoffpolymer hat sich ebenfalls als geeignetes Abschirm- und Führungselement im Sinne des erfindungsgemäßen das Dielektrikums und insbesondere als im wesentlichen wasserfest erwiesen. Zudem hat Makrolon® den Vorteil, daß es relativ preiswert ist. Allerdings ist Makrolon® nicht in dem wünschenswerten Maße abriebfest, so daß eine Beschichtung mit Keramik o. ä. ratsam ist (s. unten).
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In einer weiteren Alternative ist das mindestens eine Dielektrikum aus einer Kunststofflegierung gefertigt, welche die erforderliche Eigenschaft der sehr geringen bis nicht vorhandenen Feuchteaufnahme bietet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens zwei elektrisch nicht leitende Teileinheiten sandwichartig zueinander angeordnet und bilden zusammen ein erfindungsgemäßes Dielektrikum. Auf der einen Seite dieser zumindest zweilagigen Anordnung wird das Fasermaterial berührend geführt. Eine derartige Sandwichanordnung hat den Vorteil, daß die fasermaterialabgewandte – und somit vorteilhafterweise einem abgeschlossenen Resonatorraumbereich zugewandte – Teileinheit beispielsweise günstige dielektrische Eigenschaften aufweisen kann (beispielsweise im wesentlichen temperaturunabhängige Dielektrizitätskonstante und dielektrischen Verlustfaktor in einem Temperaturbereich von beispielsweise 10°C bis 100°C sowie im Gigahertz-Frequenzbereich), während die dem Fasermaterial zugewandte Teileinheit den erfindungsgemäßen Schutz gegen Feuchteaufnahme garantiert. Es muss demnach nicht ein einziger Werkstoff für das Dielektrikum gesucht werden, der idealerweise für alle Anforderungen optimale Eigenschaften aufweisen müsste.
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In einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung besteht die dem Fasermaterial abgewandte Teileinheit aus Kunststoff, auf der eine dem Fasermaterial zugewandte abdeckende Teileinheit angeordnet ist. In einer Alternative ist die dem Fasermaterial abgewandte Teileinheit aus Keramik gefertigt, auf der ebenfalls eine abdeckende Teileinheit angeordnet ist. Die abdeckende Einheit ist in beiden Fällen besonders bevorzugt als feuchteversiegelnde Schicht ausgebildet, welche vorteilhafterweise von einer Keramikschicht oder einer Kunststoffschicht gebildet ist. Diese Schicht kann wiederum poliert oder geschliffen ausgebildet sein. Als Material für die Keramikschicht bietet sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform als Hauptbestandteil Aluminiumoxid (Al2O3) an, dessen Prozentanteil bei oberhalb von 95% und bevorzugt oberhalb von 98% liegen kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung wird als Hauptbestandteil Siliziumnitrid verwendet und bevorzugt Si3N4-Y2O3. Im Falle einer Kunststoffschicht kann diese aus einem Polykarbonat gefertigt sein.
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Die feuchteversiegelnde Schicht kann als dünne Schicht oder plattenförmig ausgebildet sein, so daß in diesem letzteren Fall das mindestens eine Dielektrikum auch von zwei sandwichartig angeordneten Keramikplatten gebildet sein kann. Gemäß dem oben Gesagten kann die dem Fasermaterial zugewandte Teileinheit auch als Platte ausgebildet sein, bestehend im wesentlichen aus wasserdichtem Aluminiumoxid oder ggf. auch Siliziumnitrid.
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Auch wenn keine sandwichartige Anordnung von mindestens zwei Teileinheiten vorgesehen ist, kann das mindestens eine Dielektrikum ebenfalls im wesentlichen aus Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid bestehen.
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Gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ist die Dielektrizitätskonstante und/oder der dielektrische Verlustfaktor mindestens eines Dielektrikums im Hohlraumresonator eines Mikrowellensensors bei dem im Gigahertzbereich liegenden Messbereich im wesentlichen konstant. Sind mehrere derartige Teileinheiten zu einem Dielektrikum zusammengefasst, beispielsweise in dem zuvor genannten sandwichartigen Aufbau, ist deren gemeinsame Dielektrizitätskonstante und/oder deren dielektrischer Verlustfaktor im obigen Sinne im wesentlichen konstant. Der genannte Frequenzbereich im Gigahertz-Bereich von 1–10 GHz hat sich als geeignet erwiesen, um Resonanzsignale an einem Fasermaterial zu messen. Da es sich anbietet, die Frequenz in einem geeigneten Frequenzbereich zum Ermitteln der Resonanzfrequenz zu variieren, ist es daher von Vorteil, daß sich die dielektrischen Eigenschaften über diesen Frequenzbereich und insbesondere in der Bandbreite des Messbereichs im wesentlichen nicht verändern.
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Des weiteren hat sich gemäß dem dritten Erfindungsaspekt gezeigt, daß es von äußerster Wichtigkeit ist, daß sich das mindestens eine Dielektrikum bei Temperaturschwankungen im wesentlichen nicht verformt. Mit anderen Worten ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des mindestens einen Dielektrikums möglichst gering. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Verformungen ebenfalls eine Resonanzfrequenzverstimmung zur Folge haben. Der Längenausdehnungskoeffizient ist vorteilhafterweise in einem Temperaturbereich von ca. 10°C bis 100°C kleiner als 10 und bevorzugt kleiner als 5.
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Gemäß dem vierten Erfindungsaspekt liegt mindestens ein Dielektrikum an einer Resonatorwand an, wobei die Wärmeausdehnungen beider Elemente im wesentlichen gleich groß sind. Durch diese Ausgestaltung lassen sich im – wenn auch nicht erwünschten – Fall von Wärmeausdehnungen relative Schubspannungen aufgrund der großer interlaminaren Scherfestigkeit unterdrücken. In diesem Fall sind auch Materialien für die elektrisch leitenden Resonatorwände verwendbar, die eine relativ große Wärmeausdehnung aufweisen, beispielsweise Aluminium.
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Gemäß dem fünften Erfindungsaspekt ist die Dicke des mindestens einen Dielektrikums bzw. die Gesamtdicke im Falle von mehreren zusammenwirkenden Dielektrika im Bereich des Fasermaterialdurchtritts derart gewählt, daß die Ortsauflösung des Mikrowellenresonanzsignals, welche zudem von der Arbeitsfrequenz bestimmt wird, nicht schlechter ist als ca. 1–2 cm. Bei einem Hohlraumresonator, der im Frequenzbereich zwischen ca. 2–3 GHz betrieben wird, kann mittels einer oder mehreren Dielektrika mit der genannten Dicke eine Fokussierung des Mikrowellenfeldes im Bereich einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von ca. 1 cm erzielt werden. Falls keine derartige Fokussierung vorgenommen würde, wäre aufgrund der Resonatoreigenschaften (räumliche Abmessungen, Betriebsfrequenz) die Ortsauflösung deutlich schlechter.
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Die Dielektrizitätskonstante des mindestens einen Dielektrikums ist bei maschinenbetriebsüblichen Bedingungen vorteilhafterweise kleiner als 20 und bevorzugt kleiner als 10, wobei sie vorteilhafterweise zudem im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Eine derartig kleine Dielektrizitätskonstante ist vorteilhaft, wenn sich trotz sorgfältiger Materialwahl Temperaturschwankungen und Frequenzveränderungen auf die dielektrischen Eigenschaften auswirken. In diesem Fall verursacht eine kleine Dielektrizitätskonstante auch nur kleine Abweichungen im Resonanzsignal, so daß die Resonanzsignale noch die geforderte Genauigkeit haben.
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In einer bevorzugten und oben schon erwähnten Ausführungsform der Erfindung schließt das mindestens eine Dielektrikum Teile des Resonatorraums ab, um insbesondere zu verhindern, daß Staub oder lose Fasern in diese Hohlraumbereiche eindringen und die Messungen durch Resonanzverschiebungen stören können.
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Wie ebenfalls schon zuvor angedeutet, ist das mindestens eine Dielektrikum des weiteren bevorzugt zur passiven Führung des Fasermaterials durch den Resonatorraum ausgebildet und angeordnet. Gemäß dem oben Gesagten ist daher zumindest ein Teil des mindestens einen Dielektrikums als Führungselement ausgebildet. Auf diese Weise kann einerseits bei entsprechendem Abschluss der übrige Resonatorraum vor Faserflug und Staub geschützt werden, andererseits ist eine präzise Führung des Fasermaterials durch den Resonatorraum erreichbar. Des weiteren kann durch entsprechende Materialwahl (siehe oben) eine Fokussierung des Mikrowellenfeldes zum Zwecke einer Ortsauflösung in der Größenordnung von ca. 1–2 cm erzielt werden.
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Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Dielektrikum entlang des Transportweges des Fasermaterials durch den Resonator angeordnet. Beispielsweise überdeckt das Material hierbei einen Raumbereich zwischen zwei Randabschnitten des Resonators in der Art einer Brücke oder eines Stegs, der vom Resonatoreinlauf bis zum Auslauf reichen kann.
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In einer diesbezüglichen speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist der Mikrowellenresonator im wesentlichen von hohlen, parallel und beabstandet zueinander angeordneten Halbzylindern gebildet, zwischen denen das Fasermaterial in Zylinderquerrichtung hindurch transportiert wird. Die Resonatorwände werden hierbei von den gebogenen, die Halbzylinder begrenzenden Halbschalen gebildet, während die zueinander gewandten, vorzugsweisen geraden Begrenzungsflächen der Halbzylinder von jeweils parallel und beabstandet zueinander angeordneten Dielektrika gebildet sind, zwischen denen das Fasermaterial hindurchgeführt wird.
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Eine diesbezügliche Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Dielektrikum als an beiden Stirnseiten offenes, ein- oder mehrstückiges Rechteckrohr ausgebildet ist.
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Insbesondere am Auslauf eines Streckwerks kann der Resonatorraum als flacher Hohlzylinder ausgebildet sein, der quer zur Faserbandtransportrichtung randseitig geschlossen ausgebildet ist (im Gegensatz zu den beiden vorher erwähnten Halbzylindern). Bei dieser Ausführungsform wird das Fasermaterial durch den Zylinderhohlraum in Richtung seiner Längsachse geführt. Dementsprechend erstreckt sich das mindestens eine Dielektrikum ebenfalls in Transportrichtung des Fasermaterials und ist bevorzugt als an beiden Stirnseiten offenes, ein- oder mehrstückiges Zylinderrohr ausgebildet. Dieses kann eine erweiterte, vorteilhafterweise konisch ausgebildete Eintrittsöffnung aufweisen. In diesem Fall kann das Fasermaterial für ein nachfolgendes Kalanderwalzenpaar schon zu einem bestimmten Grad verdichtet werden. Diese Ausführungsform kann z. B. dann von Vorteil sein, wenn lediglich ein einziges Faserband durch den Resonator geführt wird, da hier der runde Rohrquerschnitt dem Faserbandquerschnitt anpassbar ist. Über den geometrischen Messbereich ist der Rohrquerschnitt allerdings vorteilhafterweise zylindrisch ausgebildet.
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Ein wie zuvor beschriebener Resonator lässt sich beispielsweise am Ausgang eines Streckwerks oder am Einlauf einer Strecke, welche ein einziges Band von einer vorgeschalteten Karde erhält, einsetzen.
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Da das Rohr bevorzugt auswechselbar ausgestaltet ist, kann beispielsweise je nach Bandfeinheit ein passendes Rohr mit modifiziertem Innendurchmesser gewählt werden. Zweckmäßigerweise ist die Auswertung der ausgekoppelten Mikrowellensignale auf das jeweils verwendete Rohr abzustimmen. Ein derartiger Neuabgleich der Auswertungssoftware kann sich erübrigen, wenn die Massen der verschiedenen Rohre im Bereich der Mikrowellenausbreitung im wesentlichen gleich groß gewählt werden. Dies bedingt eine entsprechend geeignete Geometriewahl der Rohre.
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Die vorstehende Ausführungsform betrifft unter anderem den Fall, daß lediglich jeweils ein Rohr den Resonatorraum durchsetzt, d. h. der Außendurchmesser der jeweiligen Rohre ist bei unterschiedlichem Innendurchmesser gleich. Bei alternativen Ausführungsformen sind mindestens zwei Rohre vorgesehen, wobei ein inneres Rohr in einem äußeren Rohr berührungslos oder berührend angeordnet, beispielsweise eingeschoben, ist. Das Fasermaterial wird hierbei im inneren Rohr geführt. In diesem Fall können ebenfalls verschiedene innere Rohre mit verschiedenen Innendurchmessern wechselweise in das vorzugsweise selbe äußere Rohr eingesetzt werden. Das äußere Rohr dient vornehmlich zur Aufnahme des inneren Rohres sowie der Reinhaltung der übrigen Resonatorbereiche und ist bevorzugt in geeigneter Weise am Resonator angeordnet, beispielsweise mit einer randseitigen Außenwulst eingehängt. Die Genauigkeit der Resonanzsignalauswertung für die verschiedenen inneren Rohre kann bei dieser Ausführungsform ebenfalls durch Neuabgleich der Auswertungssoftware und/oder durch gleiche Masse der inneren Rohre im Mikrowellenausbreitungsbereich gewährleistet werden.
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Gemäß einem sechsten Erfindungsaspekt füllen eine oder mehrere Dielektrika aus bevorzugt Keramik den Resonatorraum im wesentlichen aus. Auf ihren Außenseiten sind die Dielektrika von einer elektrisch leitenden Schicht oder Wand umgeben, um im Innenraum das Mikrowellenfeld entstehen lassen zu können. Da sich im Resonatorraum statt Luft nunmehr Keramik oder ein anderes geeignetes Material befindet, kann die Ortsauflösung gesteigert werden bzw. ein sehr kompakter Resonator gebaut werden. Gemäß einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Resonator zwei halbzylinderförmige Dielektrika, zwischen denen das Fasermaterial hindurchgeführt wird.
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Im übrigen sei angemerkt, daß die Dielektrika zumindest auf ihrer dem Fasermaterial zugewandten Seite bevorzugt und gemäß einem unabhängigen Erfindungsaspekt abriebfest ausgebildet sind, um einem Verschleiß durch Faserreibung entgegenzuwirken. Dies wird bevorzugt durch geeignete Materialwahl erreicht, beispielsweise eine Keramik mit dem Hauptbestandteil Aluminiumoxid.
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Die Erfindung betrifft gleichsam eine Textilmaschine, insbesondere eine Karde, Strecke oder Kämmmaschine mit mindestens einem der genannten Mikrowellenresonatoren. Gleichfalls umfasst die Erfindung auch die jeweiligen Dielektrika für derartige Mikrowellenresonatoren. Im übrigen lässt sich der erfindungsgemäße Mikrowellenresonator auch für andere Maschinen und Apparate bzw. einsetzen, die nicht dem Textilbereich entstammen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Mikrowellenresonator gemäß einer ersten Ausführungsform, geschnitten entlang I-I gemäß der 2;
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2a, 2b, 2c ein Rohr für den Mikrowellenresonator in Seitenansicht, im Längsschnitt sowie in Aufsicht;
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3 den Mikrowellenresonator der 1 von oben gesehen in verkleinerter Darstellung (Vliesführungsdüse entfernt);
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4 einen Mikrowellenresonator gemäß einer zweiten Ausführungsform (gleiche Ansicht wie 1);
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5 einen Mikrowellenresonator gemäß einer dritten Ausführungsform in Aufsicht;
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6 den Mikrowellenresonator gemäß der 5 in geschnittener Seitenansicht (Vertikalschnitt längs durch den Resonator entlang der Transportrichtung des Faserbandes FB);
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6a einen Ausschnitt zweier sandwichartig aufgebauten Dielektrika.
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7 den Mikrowellenresonator gemäß der 5 und 6 in Rückansicht (Schnitt entlang I-I in 5);
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8 einen Mikrowellenresonator gemäß einer vierten Ausführungsform (gleiche Ansicht wie 5);
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9 einen Mikrowellenresonator gemäß einer fünften Ausführungsform in Explosionsdarstellung, und
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10 einen Mikrowellenresonator gemäß einer sechsten Ausführungsform.
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In den 1 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrowellenresonators 30 im Schnitt und von oben dargestellt. Der Resonator 30 ist in einer plattenförmigen Trägerkonstruktion 21 angeordnet. Die Trägerkonstruktion 21 weist hierzu eine zentrale Vertiefung 32 auf, die in der dargestellten Ausführungsform zylinderförmig ausgebildet ist, wie der Aufsicht der 3 zu entnehmen ist. Auf die Vertiefung 32 ist ein Wandelement 46 aufgesetzt, das in der dargestellten Ausführungsform als flache Zylinderscheibe ausgebildet ist und randseitig Schraubenaufnahmen 36a aufweist, die mit entsprechenden Sackbohrungen 36b in der Trägerkonstruktion 21 fluchten. Wie in der 3 dargestellt, können in diese Bohrungen 36a, 36b, welche jeweils Innengewinde aufweisen, Sechskantschrauben 36 eingeschraubt werden, um das Wandelement 46 mit der Trägerkonstruktion 21 zu verschrauben (die Schrauben sind in 1 nicht dargestellt). In einer nicht dargestellten Alternative kann das Wandelement 46 in einer Ausnehmung in der Trägerkonstruktion 21 planparallel mit der Oberseite der Trägerkonstruktion 21 eingepasst und verschraubt sein.
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Das auf die Vertiefung 32 aufgesetzte Wandelement 46 lässt einen Resonatorraum 31 des Mikrowellenresonators 30 entstehen, in den Mikrowellen mit Hilfe eines Einkoppelelements 58 eingekoppelt und mit Hilfe eines Auskoppelelements 59 ausgekoppelt werden können, s. 3. Beide beispielsweise stabförmig ausgebildeten Koppelelemente 58, 59 ragen durch entsprechende Bohrungen in dem Wandelement 46 von außen in den Resonatorraum 31. Das Einkoppelelement 58 ist über ein Kabel 57 an einen schematisch angedeuteten Mikrowellengenerator 56 angeschlossen, dessen Frequenz mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuereinheit (vorzugsweise ein Mikroprozessor) variiert werden kann. Das Auskoppelelement 59 ist seinerseits über ein Kabel 55 mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden. Das Auskoppelelement 59 empfängt die im Resonatorraum 31 sich ausbildenden Mikrowellensignale und leitet sie an die Auswerteeinheit weiter, so daß diese zu aufeinander folgenden Zeitpunkten die jeweilige Resonanzfrequenz und die dazugehörige Signalbreite ermittelt werden kann. Aus diesen Informationen kann dann die Bandmasse bzw. Banddicke sowie die Bandfeuchtigkeit des jeweils gerade den Resonatorraum 31 durchlaufenden Fasermaterials ermittelt werden.
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In den Resonatorraum 31 ist ein im wesentlichen als hohlzylinderförmiges Führungsrohr ausgebildetes Dielektrikum 60 eingesetzt, das aus einem elektrisch nicht leitendem Material besteht. Das Dielektrikum 60, das in den 2a–2c genauer dargestellt ist, weist stirnseitig jeweils einen Außenwulst auf, mit denen es in einer Durchgangsöffnung des Wandelements 446 einerseits und einer Durchgangsöffnung in der Trägerkonstruktion 21 andererseits anliegt. Das nur schematisch als Pfeil dargestellte Faserband FB wird linear durch den Resonatorraum 31 und anschließend durch einen Bandtrichter 26 mit einem schnabelförmigem Endabschnitt direkt in den Klemmspalt zwischen zwei nachgeordneten Kalanderwalzen 11, 12 geführt. Der Bandtrichter 26 wird in einer Ringwulst der Trägerkonstruktion 21 gehalten und weist zu diesem Zwecke eine Ringnut auf.
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Das Führungsrohr bzw. das Dielektrikum 60 ist aus einem Material gefertigt, dessen Dielektrizitätskonstante und dessen dielektrischer Verlustfaktor bei dem im Gigahertzbereich liegenden Messbereich im wesentlichen konstant bleibt. Zudem bleibt zudem die Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlustfaktor bei den maschinenbetriebsüblichen Temperaturschwankungen – typischerweise zwischen 20°C und 70°C – im wesentlichen unverändert. Somit verändert sich die Leerresonanzfrequenz des Resonators 30 vom Zeitpunkt des Austritts eines Bandendes bis zum neuerlichen Einführen von Faserband – unabhängig von der dazwischen liegenden Zeitdauer – so daß keine neue Kalibrierung des Mikrowellensensors vorgenommen werden muss.
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Das Dielektrikum 60 gemäß einem Erfindungsaspekt ist derart ausgebildet, daß sie sich bei Temperaturschwankungen im wesentlichen nicht verformt, d. h. einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Weiterhin ist das Material des Dielektrikums 60 vorteilhafterweise im wesentlichen abriebfest ausgebildet.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt ist das Dielektrikum 60 gegen die Aufnahme von Feuchte geschützt ausgebildet. Um dieses Ziel zu erreichen, sind verschiedene Vorgehensweisen möglich. Zum einen kann die nach innen weisende Oberfläche des Dielektrikums 60 geschliffen oder poliert ausgebildet sein, um die Feuchtigkeitsaufnahme aus der Umgebung und aus dem Faserband FB über Mikrorisse in dem Material zu verhindern. Als geeignetes Material hat sich hier eine Keramik mit dem Hauptbestandteil Aluminiumoxid (Al2O3) erwiesen.
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Bei entsprechender Wahl kann auch ein unbehandeltes, feuchteresistentes Material verwendet werden. So existieren Keramiken aus ebenfalls im wesentlichen Aluminiumoxid (Al2O3), die ohne Behandlung schon brauchbar sind. Auch können Siliziumnitrid-Keramiken u. U. eingesetzt werden, z. B. Si3N4-Y2O3.
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Es hat sich gezeigt, daß Aluminiumoxid (Al2O3) zudem eine hohe Abriebfestigkeit und im übrigen eine Dielektrizitätskonstante von kleiner als 10 bei den üblichen Betriebstemperaturen und bei Messfrequenzen im Bereich von ca. 1–10 GHz aufweisen. Auch ihr Längenausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von ca. 20–100°C liegt unterhalb von 10, im Falle von Si3N4-Y2O3 sogar im Bereich von 3.
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Wie der 1 des weiteren zu entnehmen ist, ist oberhalb des Wandelements 46 eine Vliesführungsdüse 23 angeordnet, die eine Bohrung 70 aufweist, in die ein Vliesdüseneinsatz 24 eingesetzt und mittels einem nicht dargestellten Zentrierstift gehalten ist. Auf der dem Dielektrikum bzw. dem Führungsrohr 60 abgewandten Seite ist der Vliesdüseneinsatz 24 umfangseitig gerundet ausgebildet, um ein schonendes Einführen des Faserbandes FB in das Führungsrohr 60 zu gewährleisten. Die Vliesführungsdüse 23 ist derart an der Trägerkonstruktion angelenkt, daß sie in Richtung des Doppelpfeils 27 verschwenkbar ist, insbesondere im Falle eines Bandstaus an der Düse 23. Die Anlenkstellen der Vliesführungsdüse 23 an den Schmalseiten der Trägerkonstruktion 21 sind nicht dargestellt.
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Auf der dem Resonator 30 abgewandten Seite des Wandelements 46 ist eine erste, elektrische Heizfolie 80 angebracht, während auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerkonstruktion 21 außenseitig eine zweite Heizfolie 85 angeordnet ist. Beide Heizfolien 80, 85 sind über Anschlussdrähte 81, 82 bzw. 86, 87 mit einer nicht dargestellten Heizquelle verbunden. Die Heizleistung wird vorteilhafterweise geregelt, beispielsweise auf 70°C für den dargestellten Auslaufsensor (und ca. 35°C für einen Einlaufsensor). Hierfür sind zweckmäßigerweise ein oder mehrere nicht dargestellte Temperaturmesseinrichtungen vorgesehen, die beispielsweise in einer bzw. mehreren, nahe an den Resonatorraum 31 heranreichenden, seitlichen Bohrungen in der Trägerkonstruktion 21 angeordnet sein können. Eine thermische Hüllisolation, welche beispielsweise die gesamte Trägerkonstruktion – mit entsprechenden Öffnungen für das Fasermaterial – umgibt, kann zur Verhinderung des Einflusses von Temperaturschwankungen in der Umgebung sowie zur Verhinderung eines Heizleistungsverlustes gleichfalls vorgesehen sein.
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Weitere zusätzliche oder alternative Maßnahmen zur Temperaturstabilisierung können darin bestehen, daß die den Resonatorraum 31 umgebenden Elemente aus einem Material mit geringer Wärmeausdehnung gefertigt sind, beispielsweise aus einem Stahl mit hohem Nickelanteil, vorzugsweise Ni36-Stahl und hierbei z. B. Invar®-Stahl.
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Die Innenwandung des Resonators 30 kann eine leitfähige Beschichtung aus beispielsweise sauerstoffarmem Kupfer aufweisen, da der Invar®-Stahl des Wandelements 46 und der Trägerkonstruktion 21 eine nur relativ geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Mikrowellenresonanzen mit genügender Signalstärke könnten sich ohne eine solche leitfähige Beschichtung ggf. nicht ausbilden. Um eine Korrosion der Beschichtung zu verhindern, ist auf dieser zusätzlich eine korrosionsbeständige Beschichtung aus beispielsweise Gold oder Silber aufgebracht. Alternativ kann eine Keramik oder ein Verbundstoff mit eingebetteter Keramik als Beschichtung oder Abdeckung eingesetzt werden.
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Der Resonator 30 mit dem als Führungsrohr ausgebildeten Dielektrikum 60 kann vorteilhafterweise hinter einem Streckwerk angeordnet werden. Das das Streckwerk verlassende Faservlies wird zu einem Band FB geformt und anschließend in den Resonator 30 eingeführt. In einer Alternative kann der Resonator 30 zwischen einer Karde und einer Strecke angeordnet sein, wobei das die Karde verlassende Fasermaterial ohne eine Zwischenablage in eine Kanne in das Streckwerk der Strecke transportiert wird.
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In der 4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators dargestellt, deren einziger Unterschied gegenüber derjenigen der 1 und 3 darin besteht, daß zwei konzentrisch angeordnete Rohre als Dielektrika 160, 161 vorgesehen sind, ein inneres Rohr 160 und ein äußeres Rohr 161. Während das innere Rohr bzw. das innere Dielektrikum 160 im wesentlichen derjenigen gemäß der 2a–2c gleicht, ist das äußere Rohr bzw. das äußere Dielektrikum 161 kürzer ausgebildet und in jeweils einer stufenförmigen Ringausnehmung 163, 164 im Wandelement 46 bzw. in der Trägerkonstruktion 21 gelagert. Das äußere Dielektrikum 161 verhindert ein Eindringen von Staub und Feuchte in die außermittigen Raumbereiche des Resonatorraums 31, wenn das innere Dielektrikum 160 ausgewechselt wird, so daß auf eine Korrosionsschutzschicht der inneren Resonatorwände verzichtet werden kann. Ein solches Auswechseln des Rohrs 160 ist vorteilhaft, wenn innere Dielektrika mit verschiedenen Innendurchmessern, z. B. bei einem Wechsel des zu verarbeitendem Fasermaterials, verwendet werden sollen. Vorteilhafterweise ist hierbei die Gesamtmasse von innerem und äußerem Dielektrikum 160, 161 im Bereich der Mikrowellenausbreitung im Resonatorraum 31 im wesentlichen konstant, da in diesem Fall die Leerresonanzfrequenz unverändert bleibt und sich Neukalibrierungen erübrigen. Die Innenwand des äußeren Rohres 161 ist bevorzugt feuchteresistent ausgebildet, beispielsweise durch Polieren oder Schleifen zum Beseitigen von Mikrorissen und/oder durch Aufbringen einer feuchteresistente Schicht (beispielsweise Al2O3).
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In den 5–7 ist ein weiterer Mikrowellenresonator 300 – abgebildet ohne Mikrowellengenerator– mit vorgeschaltetem Trichter 318 und Kalanderwalzen 335, 336 dargestellt, wobei das Kalanderwalzenpaar mindestens ein Faserband FB durch den Trichter 318 und den Resonator 300 zieht. In den 5 und 6 ist das mindestens eine Faserband FB lediglich durch einen punktierten Pfeil angedeutet; in der 7 ist das Faserband FB im Querschnitt als Verbund vieler einzelner Fasern dargestellt. Wenn mehrere Faserbänder FB durch den Resonator 300 transportiert werden, liegen diese vorteilhafterweise nebeneinander. In der 7 sind nicht der Trichter 318 und die Kalanderwalzen 335, 336 abgebildet. Im übrigen können die Walzen 335, 336 auch als Verzugswalzen eines Streckwerks dienen, so daß sie eine Doppelfunktion (Transport durch Resonator 300 und Verzug) übernehmen.
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Statt einem Trichter 318 können auch andere Bandführungselemente eingesetzt werden, beispielsweise waagerecht und/oder senkrecht angeordnete Umlenkstäbe, die beispielsweise auch konkave Führungsflächen aufweisen können, um das mindestens eine Faserband FB zentriert in den Resonator 300 einlaufen zu lassen. Weiterhin können die Kalanderwalzen 335, 336 um 90° oder jeden anderen beliebigen Winkel gedreht angeordnet sein.
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Der Resonator 300 weist zwei durch einen Spalt 310 getrennte, geschlossene hohle Halbzylinder 301, 305 auf, wobei die äußeren Wände 302, 306 der Halbzylinder 301, 305 aus Metall gefertigt sind. Die inneren, zum Faserband FB orientierten Wände sind als Dielektrika 303, 307 im Sinne dieser Erfindung ausgebildet. Das Material für diese plattenförmigen Dielektrika 303, 307 sind beispielsweise aus einer Keramik mit dem Hauptbestandteil Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Material gefertigt, wobei hier auf die obigen Ausführungen zum Führungsrohr 60 verwiesen wird. Die Mikrowellenresonanz bildet sich im Resonatorinnenraum zwischen den Wänden 302, 306 aus. Die Dicken der Dielektrika 303, 307 sind dabei so gewählt, daß die Ortsauflösung des Mikrowellenresonanzsignales nicht schlechter ist als ca. 1–2 cm ist. Gleiches gilt vorzugsweise auch für die Ausgestaltung der Dielektrika 60, 160, 161 der Ausführungsformen gemäß der 1–4.
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Die plattenförmigen Dielektrika 303, 307 sind vorzugsweise auswechselbar ausgebildet und können bei beispielsweise Beschädigung leicht erneuert werden. Beispielsweise sind die Dielektrika 303, 307 randseitig mit den Resonatorwänden 302 bzw. 306 verklebt, nichtsdestotrotz aber nach Säubern der Klebestellen relativ einfach auszuwechseln.
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Das Fasermaterial FB wird entlang der abgerundeten Ecken 309 der Resonatorwände 303, 307 und weiter entlang der Dielektrika 303, 307 passiv geführt, s. 7. Da die jeweiligen Innenräume der Halbzylinder 301, 305 gegen die Umgebung abgeschlossen sind, kann vorteilhafterweise kein Staub, Faserflug o. dgl. in sie eindringen. In diese Innenräume ragen die der Übersichtlichkeit halber nur in 6 dargestellten Einkoppelelement 358 und Auskoppelelement 359.
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In Faserbandlaufrichtung kann zu beiden Seiten des oder der Faserbänder FB ein Luftstrom 350 durch den Spalt 310 geleitet werden, der in den 3 und 4 gestrichelt und in der 5 als Kreis mit darin eingezeichneten, gekreuzten Linien dargestellt ist (Luftströmrichtung vom Betrachter weggerichtet). Der Luftstrom bzw. die Luftströme 350, von denen auch mehrere über die Resonatorbreite verteilt sein können, können mehrere Funktionen übernehmen. Einerseits sorgen sie für eine weitgehend homogene Temperaturverteilung in dem Spalt 310, andererseits verhindern sie eine Ablagerung von insbesondere Fasern an den Dielektrika 303, 307 sowie am Ausgang des Resonators 300 bzw. am Übergang zu den Kalanderwalzen 335, 336. Derartige Schmutzablagerungen würden den Resonator 300 verstimmen und zu Messungenauigkeiten führen.
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Weiterhin kann der Luftstrom 350 zur gezielten Temperatureinstellung insbesondere der Resonatorwände 302, 306 herangezogen werden. Insbesondere ist es möglich, kühlende Luft zu verwenden, um die Resonatorwände auf eine im Vergleich zum Normalbetrieb tiefere, möglichst konstante Temperatur abzukühlen.
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Wie schon bei den Dielektrika 60, 160 können die Dielektrika 303, 307 zumindest auf ihrer dem Fasermaterial FB zugewandten Seite geschliffen oder poliert ausgebildet sein, um das Eindringen von Feuchte zu verhindern. Auch die übrigen obigen Ausführungen zur Materialwahl gelten entsprechend.
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Des weiteren bietet es sich an, die Dielektrika 303, 307 aus mehreren sandwichartigen Lagen bzw. Teileinheiten aufzubauen, wie dies in 6a vergrößerten dargestellt ist. Die dem jeweiligen hohlen Halbzylinder 301, 305 zugewandte Teileinheit 307a kann hierbei optimale dielektrische Eigenschaften aufweisen, beispielsweise eine im wesentlichen konstante Dielektrizitätskonstante und einen im wesentlichen konstanten dielektrischen Verlustfaktor bei Temperaturschwankungen und in Messfrequenzbereichen im Gigahertzbereich. Die dem Spalt 310 zugewandte Teileinheit 307b kann insbesondere derart ausgebildet sein, daß eine Feuchteaufnahme sowie ein Abrieb aufgrund des durchlaufenden Fasermaterials im wesentlichen verhindert wird. Dementsprechend kann beispielsweise für die dem jeweiligen hohlen Halbzylinder 301, 305 zugewandte Teileinheit 307a eine Keramik wie beispielsweise TMM® (ein Hydrokarbon-Keramik-Verbundwerkstoff mit einer sehr guten Temperaturstabilität und insbesondere einer gegenüber Temperaturschwankungen sehr stabilen Dielektrizitätskonstanten) oder ein Kunststoff (beispielsweise Makrolon®) oder eine Kunststofflegierung gewählt werden, während für die dem Spalt 310 zugewandte und entweder schicht- oder plattenförmig ausgebildete Teileinheit 307b aus einer Keramik aus Aluminiumoxid als jeweiligem Hauptbestandteil besteht. Diese Keramik kann wiederum geschliffen oder poliert sein.
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Es sei angemerkt, daß alle in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Dielektrika sandwichartig aus zwei oder mehr Lagen aufgebaut sein können.
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Die Ausführungsform des Mikrowellenresonator 400 gemäß der 8 (Schnittdarstellung wie in 6 unter Weglassung vor- und nachgelagerter Elemente) unterscheidet sich von derjenigen gemäß der 5–7 dadurch, daß hier die Dielektrika 403, 407 sich über die gesamte Transportlänge des Fasermaterials FB durch den Resonator 400 erstrecken und an ihren Eingangs- und Ausgangsenden 409 abgerundet sind, um einen abrupten Übergang für das Fasermaterial zu vermeiden. Die Resonatorwände 402, 406 dienen bei dieser Ausführungsform als ebene Auflagefläche, auf denen die Dielektrika 403, 407 bevorzugt aufgeklebt sind. Die Dielektrika 403, 407 können in Bezug auf Material und Behandlung wie die Dielektrika 303, 307 ausgebildet sein.
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Bei der Ausführung des Mikrowellenresonators 500 gemäß der 9 sind zwei Resonatorwände 502, 506 sowie ein dazwischen anzuordnendes, erfindungsgemäßes Dielektrikum 503 aus bevorzugt Keramik in Explosionsdarstellung wiedergegeben. Auch dieser Resonator 500 weist zwei hohle, in der Dicke des Dielektrikus 503 voneinander beabstandete Halbzylinder 501, 505 auf, die zusammen mit dem Dielektrikum 503 den Resonatorraum 531 bilden. Das Dielektrikum 503 liegt auf den umlaufendem Rändern der jeweilige Wände 502, 506 auf, welche über schematisch dargestellte Bohrungen miteinander verschraubt werden können. Das Dielektrikum 503 weist bevorzugt abgerundete Eintritts- und Austrittskanten 509 auf. Antennenanschlüsse sind in der 9 nicht dargestellt.
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In 10 ist eine Hälfte einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators 600 dargestellt. Dieser Resonator besitzt zwei halbzylinderförmige Dielektrika 603, 607 aus bevorzugt Keramik, zwischen denen das Fasermaterial FB wie bei den Resonatoren der 5–9 hindurchgeführt wird. Auf der gewölbten Außenseite der Dielektrika 603, 607 ist eine elektrisch leitende Schicht aufgetragen, beispielsweise aus Kupfer. In einer Alternative sind starre Metallwände statt der Schichten vorgesehen. Die Schichten oder Wände können auf der Außenseite mit einer Korrosionsschicht versehen sein, beispielsweise einer Kupferschicht; unbedingt notwendig ist diese Schicht nicht, da sich das Mikrowellenfeld im Innenraum des Resonators 600 ausbildet. An einer Stirnseite der Dielektrika 603, 607 sind Antennenanschlüsse 608a, 608b zum Einkoppeln zum Auskoppeln von Mikrowellen vorhanden. Auf der dem Fasermaterial zugewandten Seite sind bevorzugt Maßnahmen zur Verhinderung des Eindringens von Feuchte ergriffen (Schleifen, Polieren, Beschichten etc., s. oben).
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Mittels des die zwei voluminösen Dielektrika 603, 607 umfassenden Resonators 600 mit jeweils elektrisch leitender Schicht oder Wand an der Außenseite lässt sich eine Fokussierung des Mikrowellenfeldes (bei Verwendung von Messfrequenzen im GHz-Bereich) auf wenige Millimeter im Messbereich des Fasermaterialdurchtritts erreichen. Die Ortsauflösung kann mit einem derartigen Resonator also gegenüber denjenigen der 5–9 noch gesteigert werden, da jene statt der festen Dielektrika Luft beinhalten. Außerdem kann der Resonator 600 durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sehr kompakt gebaut sein.
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Für Materialart und evtl. Behandlung der Oberflächen der Dielektrika 603, 607 gelten die obigen Ausführungen zu den anderen beschriebenen Mikrowellenresonatoren. Die Dielektrika 603, 607 können demnach beispielsweise jeweils aus einem größeren halbzylinderförmigen Keramik- oder Kunststoffblock mit temperatur- und frequenzstabiler sowie möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante bestehen, welcher mit einer feuchteresistenten und im wesentlichen abriebfesten Keramikschicht aus Aluminiumoxid versehen ist.
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Bei allen vorbesprochenen Ausführungsformen sind Berührungsflächen zwischen den Dielektrika und den Resonatorwänden vorhanden, die vorzugsweise zumindest abschnittsweise als Klebeflächen dienen. Hierzu wird bevorzugt ein Klebstoff mit geringer Feuchteaufnahme verwendet. Gemäß einem Erfindungsaspekt sind die Wärmeausdehnungen des mindestens einen Dielektrikums und der mindestens einen Resonatorwand im wesentlichen gleich groß, so daß keine relativen Schubspannungen zwischen Dielektrikum und Resonatorwand auftreten, die zu Rissen und Undichtigkeiten und somit zu Messverfälschungen führen.
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Es ist zudem selbstverständlich vorteilhaft, wenn die Verlustbehaftung des mindestens einen erfindungsgemäßen elektrisch nicht leitenden Dielektrikums gemäß den verschiedenen Erfindungsaspekten möglichst gering ist, das Dielektrikum also einem idealen Nicht-Leiter möglichst nahe kommt.
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Die beschriebenen Mikrowellenresonatoren mit Mikrowellengenerator können beispielsweise an einer Strecke mit einem regulierten oder unregulierten Streckwerk eingesetzt werden. Bei einem regulierten Streckwerk kann ein Mikrowellensensor vor und nach dem Streckwerk angeordnet sein. Die Erfindung lässt sich beispielsweise ebenfalls ohne Einschränkung bei einer Karde oder einer Kämmmaschine einsetzen.
