DE112007001465T5

DE112007001465T5 - Verfahren und Vorrichtung für eine Messung mittels hochfrequenter Strahlung

Info

Publication number: DE112007001465T5
Application number: DE112007001465T
Authority: DE
Inventors: Pekka Jakkula; Mikko Vuolteenaho; Mika VÄISÄNEN
Original assignee: SENFIT Oy
Current assignee: SENFIT Oy
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: FI20065439A0; DE112007001465B4; WO2007147937A1; US20090278552A1; FI20065439A; US7982469B2; FI121195B

Abstract

Verfahren zum Messen eines zu messenden Objekts (110) mittels einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung, das umfasst:
Anlegen (1100) einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung an wenigstens einem Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010), dessen Resonanzfrequenz durch eine gemessene Eigenschaft des zu messenden Objekts (110) beeinflusst wird,
Empfangen (1102) einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung von dem wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010), und
Durchsuchen (1104) des empfangenen Frequenzbands nach einer Resonanzfrequenz des wenigstens einen Resonators (108, 302, 332, 1004 bis 1010), um eine zu messende Eigenschaft zu messen, gekennzeichnet durch:
Abtasten (1200) der an dem wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010) angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband unter Verwendung von diskreten Messfrequenzen, für deren Bildung eine digitale Synthese verwendet wird.

Description

Erfindungsfeld
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Messung eines Objekts mittels hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung.
Hintergrund der Erfindung
Für die Messung mit hochfrequenter Strahlung und Mikrowellen kann ein Resonator als Sensor verwendet werden, der derart aufgebaut ist, dass die Eigenschaften des zu messenden Objekts die Resonanzfrequenz des Resonators beeinflussen. Weil allgemein nur eine Eigenschaft gemessen wird, besteht die Zielsetzung darin, dass das zu messende Objekt wenigstens annähernd nur einen Faktor aufweist, der die Resonanzfrequenz beeinflusst. Wenn die Frequenz der an dem Resonator anzulegenden elektromagnetischen Strahlung über ein für die Messung verwendetes Frequenzband geführt wird, kann in dem von dem Resonator empfangenen Antwortsignal nach einer Resonanzfrequenz gesucht werden. Damit die gewünschte Eigenschaft eines zu messenden Objekts mittels der Resonanzfrequenz bestimmt werden kann, müssen vor der tatsächlichen Messung Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden, in denen die gemessenen Objekte vorbestimmte Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann eine Korrelation zwischen verschiedenen Resonanzfrequenzwerten und den zu messenden Eigenschaftswerten hergestellt werden.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Messung derart durchgeführt, dass ein zu messendes Band unter Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO-Oszillators) oder eines Yttrium-Eisen-Granat-Oszillators (YIG-Oszillators) abgetastet wird. Die Resonatorausgabe wird erfasst, verstärkt und von analog zu digital gewandelt. Aus einem digitalen Signal können die Mittelfrequenz, die Halbwertbreite, der Q-Wert und/oder der Signalpegel des Resonators bestimmt werden.
Die Messung bringt jedoch mehrere Probleme mit sich. Zum einen ist die Messung direkt nach der Kalibrierung am genauesten, wobei jedoch der Messfehler umso größer wird, je mehr Zeit nach der Kalibrierung vergangen ist oder je mehr Messungen nach der Kalibrierung durchgeführt werden. Der Fehler kann reduziert werden, wenn die Kalibrierung häufiger durchgeführt wird, wobei jedoch dadurch der praktische Wert der Messungen vermindert wird, weil die Messungen verlangsamt oder sogar gestört werden. Das durch den VCO- oder YIG-Oszillator abgetastete Messband ist für viele Messungen zu schmal. Außerdem dauert die Abtastung des Messbands für viele Anwendungen zu lange.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung für eine Messung anzugeben. Dazu umfasst ein Verfahren zum Messen eines Objekts mittels einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung folgende Schritte: Anlegen einer hochfrequenten Strahlung an wenigstens einem Resonator, dessen Resonanzfrequenz durch eine gemessene Eigenschaft des zu messenden Objekts beeinflusst wird; Empfangen der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung von dem wenigstens eine Resonator; und Durchsuchen des empfangenen Frequenzbandes nach einer Resonanzfrequenz des wenigstens einen Resonators, um eine zu messende Eigenschaft zu messen. Das Verfahren verschiebt die Frequenz der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband, indem es diskrete Messfrequenzen verwendet, für deren Bildung eine digitale Synthese verwendet wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung zum Messen eines Objekts mittels einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung anzugeben. Dazu umfasst eine Messvorrichtung: einen Generator zum Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung; wenigstens einen Resonator, der konfiguriert ist, um eine durch den Generator erzeugte Strahlung zu empfangen, wobei die Resonanzfrequenz des Resonators durch die gemessene Eigenschaft des zu messenden Objekts beeinflusst wird; einen Empfänger, der konfiguriert ist, um die hochfrequente elektromagnetische Strahlung von dem wenigstens einen Resonator zu empfangen; und eine Signalverarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um das empfangene Frequenzband nach einer Resonanzfrequenz des wenigstens einen Resonators zu durchsuchen, um eine zu messende Eigenschaft zu messen. Der Generator umfasst einen digitalen Frequenzsynthetisierer, der die Frequenz der an dem wenigstens einen Resonator angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband führt, indem er diskrete Messfrequenzen verwendet.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren und das System gemäß der Erfindung erzielen mehrere Vorteile. Die Genauigkeit der Messung bleibt hinsichtlich der Messfrequenz und der Zeit beinahe unverändert, weil die Signalerzeugung dieser Lösung auf einem genauen und temperaturstabilen Kristall beruht. Deshalb besteht hier wenig Bedarf für eine externe Kalibrierung. Das Messband kann unter Umständen breit sein. Außerdem kann die Abtastung des Messbandes schnell erfolgen. Dieses Messkonzept kann in Anwendungen verwendet werden in denen die Fortpflanzungszeit, die Phase, die Dämpfung oder ähnliches gemessen werden.
Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Messvorrichtung.
2A zeigt einen Mischer.
2B zeigt einen Frequenzmultiplizierer.
3 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Plattendicke.
4A zeigt eine Abtastung der Messfrequenzen von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz.
4B zeigt die Stärke des gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Messzeit von oberhalb des zu messenden Objekts.
4C zeigt die Stärke des gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Messzeit von unterhalb des zu messenden Objekts.
4D zeigt eine Abtastung der Messfrequenzen von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz.
4E zeigt die Stärke eines gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Messzeit von oberhalb des zu messenden Objekts.
4F zeigt die Stärke des gemessenen Signals in Abhängigkeit von der Messzeit von unterhalb des zu messenden Objekts.
4G zeigt eine Abtastung der Messfrequenzen von einer hohen Frequenz zu einer niedrigen Frequenz.
5 zeigt eine Entwässerungselement als Resonator.
6 zeigt eine Wellenführerhohlraum.
7 zeigt einen Koaxialresonator.
8 zeigt ein Schlitzresonatorfeld in einem zu messenden Objekt.
9 zeigt einen Wellenleiterhohlraum, der einen aktiven Teil und einen passiven Teil umfasst.
10 zeigt eine Messung durch eine Vielzahl von Resonatoren.
11 ist ein Flussdiagramm zu dem Verfahren.
12 ist ein Flussdiagramm zu der Abtastung.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine Messvorrichtung, die eine digitale Signalverarbeitungseinheit 100, einen Generator 101 zum Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung, einen Resonator 108 und einen Empfänger 120 umfasst. Der Generator 101 kann einen digitalen Frequenzsynthetisierer 102, einen Frequenzwandler 104 und ein Filter 106 umfassen. Der Empfänger 120 kann wiederum einen Vorverstärker 112, einen Detektor 114, einen Verstärker 116 und einen A/D-Wandler 118, der ein analoges Signal zu einem digitalen Signal wandelt, umfassen.
Die digitale Signalverarbeitungseinheit 100 kann ein Computer wie etwa ein PC (Personal Computer) oder ein Signalprozessor sein, der einen Prozessor, einen Speicher und eine Computersoftware für die Signalverarbeitung umfasst. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 100 kann wenigstens einen Parameter in dem digitalen Frequenzsynthetisierer 102 steuern, der auf dem DDS-Prinzip (DDS = direkte digitale Synthese) betrieben werden kann.
Der auf dem DDS-Prinzip betriebene Frequenzsynthetisierer umfasst einen Speicher, der digitale Abtastungswerte von Wellenformen speichert, die mit den zu synthetisierenden Frequenzen assoziiert sind. Wenn eine Wellenform zu einem Ausgangssignal des Frequenzsynthetisierers 102 synthetisiert wird, werden die Abtastwerte einer gewünschten Wellenform aus dem Speicher abgerufen und wird eine entsprechende Wellenform genau so erzeugt, wie wenn eine Sinuswelle mittels einer Nachschlagetabelle erzeugt wird. Wenn eine Abtastung über ein vorbestimmtes Frequenzband durchgeführt wird, wird die Wellenform derart geändert, dass die Ausgabefrequenz des Frequenzsynthetisierers 102 von einer diskreten Frequenz zu einer nächsten diskreten Frequenz wechselt.
In dem digitalen Frequenzsynthetisierer 102 kann der wenigstens eine zu steuernde Parameter einer der folgenden Parameter sein: das Band des Frequenzsynthetisierers, der Wert jeder diskreten Frequenz des Frequenzsynthetisierers, die Anzahl der Frequenzen in dem Band, die Auflösung der Frequenzen, die Erzeugungsreihenfolge der Frequenzen. Das Band kann zum Beispiel zwischen 0 und 400 MHZ liegen, wobei das Band aber auch schmäler oder breiten sein kann und auch bei einer anderen Frequenz als 0 Hz beginnen kann. Die diskreten Frequenzen können zum Beispiel mit gleichen Intervallen bestimmt werden, wobei das Intervall z. B. 10 Hz betragen kann, was auch der Auflösung der Frequenzen entspricht. Die Frequenzen können zum Beispiel iterativ auf folgende Weise bestimmt werden: f_k+1 = f_k + Δf, wobei f die Frequenz ist, k der Index der Frequenz f ist und Δf das Frequenzintervall ist. Wenn das Band B 400 MHz breit ist und das Frequenzintervall 10 Hz ist, werden B/Δt Frequenzen erhalten. Das heißt, in diesem Beispiel werden 40 000 000 diskrete Punktfrequenzen für die Messung verwendet. Die diskreten Frequenzen müssen nicht mit gleichen Intervallen erzeugt werden, wobei sich das Intervall zwischen den Frequenzen in Abhängigkeit von der Zeit ändern kann, sodass z. B. die Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Frequenzen Δf = f_k-1 – f_k in den niedrigen Frequenzen kleiner ist als in den hohen Frequenzen. Es sind aber auch andere Frequenzdifferenzen möglich. Die Frequenzen können in dem digitalen Frequenzsynthetisierer 102 in einer Reihenfolge von der niedrigsten zu der höchsten oder von der höchsten zu der niedrigsten Frequenz erzeugt werden. Die Frequenzen können auch in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Funktion oder in einer zufälligen Reihenfolge erzeugt werden. Die Frequenzen bleiben mit großer Genauigkeit hinsichtlich der Anzahl von Messungen und der Zeit unverändert, weil die Signalerzeugung in dieser Lösung auf einem genauen und temperaturstabilen Kristall beruht.
Die durch den digitalen Frequenzsynthetisierer 102 erzeugten Frequenzen können direkt in der Messung verwendet werden, wobei die durch den digitalen Frequenzsynthetisierer 102 erzeugten Frequenzen aber auch Vorfrequezen sein können, die durch einen Frequenzwandler 104 von dem durch den digitalen Frequenzsynthetisierer 102 erzeugten Frequenzband zu diskreten Messfrequenzen in einem gewünschten Frequenzband verschoben werden können. Der Frequenzwandler 104 kann ein Mischer, ein Frequenzmultiplizierer oder eine Kombination aus den denselben sein, wobei der Betrieb durch eine digitale Signalverarbeitungseinheit 100 gesteuert werden kann. Die an dem Resonator 108 anzulegenden Messfrequenzen können dann innerhalb eines Bereichs von 0 Hz bis 300 GHz liegen.
2A zeigt eine Mischerkopplung 200, in der ein Signal der Frequenz f₀ aus dem Oszillator 204 und ein Signal aus dem digitalen Frequenzsynthetisierer 104, dessen Frequenz der Einfachheit halber durch die Variable f_d wiedergegeben werden kann, an dem Mischer 202 angelegt werden. Der Mischer 202 mischt die Signale, wobei Signale mit den Frequenzen (f₀ + f_d) und (f₀ – f_d) erzeugt werden. Von diesen Signalen kann das Signal mit der Differenzfrequenz (f₀ – f_d) durch ein Filter 106 gelöscht werden, sodass das Messfrequenzband gleich dem durch den digitalen Frequenzsynthetisierer 104 erzeugten Frequenzband ist, aber eine höhere Frequenz aufweist. Auf diese Weise kann das gesamte durch den digitalen Frequenzsynthetisierer 104 erzeugte Frequenzband zu einem gewünschten Frequenzband verschoben werden.
2B zeigt einen Frequenzmultiplizierer 220. Der Frequenzmultiplizierer ist eine nicht-lineare Komponente, die aktiv oder passiv sein kann, wobei die Ausgabesignalfrequenz höher als die Eingabesignalfrequenz ist. Der Frequenzmultiplizier kann zum Beispiel derart implementiert sein, dass eine übergesteuerte Diode harmonische Frequenzen erzeugt, wobei die anderen als die gewünschte Frequenz herausgefiltert werden. Der Frequenzmultiplizierer 220 multipliziert die Frequenz des eingegebenen Signals mit einem Faktor N, der eine reelle Zahl wie zum Beispiel eine positive Ganzzahl sein kann.
Im Folgenden wird erneut auf 1 Bezug genommen. Wenn eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung an einem Resonator 108 angelegt wird, beeinflusst das zu messende Objekt 110 die Resonanzfrequenz des Resonators 108. Die hochfrequente elektromagnetische Strahlung aus dem Resonator 108 wird empfangen und kann in einem Vorverstärker 112 verstärkt werden. Der Vorverstärker ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Danach pflanzt sich das verstärkte Signal zu einem Detektor 114 fort, wobei der Gleichspannungswert an dem Ausgang desselben von der Stärke des empfangenen Signals abhängt. Die Gleichspannung kann in einem Verstärker 116 weiter verstärkt werden, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Schließlich wird das sich in der Empfangskette fortpflanzende Analogsignal in einem Wandler 118 zu einem digitalen Signal gewandelt und an einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 100 angelegt, wo nach einer Resonanzfrequenz gesucht wird. Auf der Basis der gefundenen Resonanzfrequenz kann eine Eigenschaft des zu messenden Objekts 110 gemessen werden.
3 zeigt das Prinzip der Lösung für die Messung der Dicke dx einer Platte. Diese Lösung verwendet zwei offene Resonatoren, die aufeinander gerichtet sind und zwischen denen sich während der Messung die zu messende Platte platziert wird. Damit die Platte die auf sie gerichtete hochfrequente Strahlung reflektiert, ist die Platte aus einem gut leitenden Material wie etwa einem Metall ausgebildet. Zwei aufeinander gerichtete Resonatoren bilden ein Resonatorpaar. Wenn das zu messende Objekt 110 zwischen die aufeinander gerichteten Resonatorspiegel 300, 330 geführt wird, werden zwei Resonatoren 302, 332 gebildet. Jeder der Resonatoren 302, 332 kann einen spezifischen Resonator 320, 322 aufweisen. Die Resonanzfrequenz des Resonators wird zum Beispiel durch die Distanz d1 zwischen dem Resonatorspiegel 300 und der oberen Fläche 312 des zu messenden Objekts 110 gebildet. Entsprechend wird die Resonanzfrequenz des Resonators 332 durch eine Distanz d2 zwischen dem Resonatorspiegel 330 und der unteren Fläche des zu messenden Objekts 110 gebildet. Die Distanz zwischen den Resonatorspiegeln 300, 302 ist bekannt, wobei die Dicke dx der Platte zum Beispiel wie folgt definiert sein kann: dx = D – (d1 + d2). Diese Messung weist den Vorteil auf, dass die Messung auf verschiedenen Seiten der Platte (beinahe) gleichzeitig erfolgt, damit die Messung nicht durch eine Vibration der Platte und/oder eine andere Bewegung gestört wird.
4A bis 4G zeigen, wie die Reihenfolge der Frequenzmessung den Messzeitpunkt beeinflusst, wenn die Messanordnung von 3 verwendet wird. In 4A, 4D und 4G gibt die vertikale Achse die Frequenz f wieder und gibt die horizontale Achse die Zeit t wieder. In 4B, 4C, 4E und 4F gibt die vertikale Achse die Stärke P des Messsignals wieder, und gibt die horizontale Achse die Zeit t wieder. 4A zeigt eine Situation, in der eine Frequenzabtastung des Resonators 302 oberhalb des zu messenden Objekts und eine Frequenzabtastung des Resonators 332 unterhalb des zu messenden Objekts in der gleichen Richtung durchgeführt werden. Die Abtastung über ein Messband kann zu dem Zeitpunkt t₀ von der niedrigsten Frequenz f₁ beginnen und zu dem Zeitpunkt t₁ an der höchsten Frequenz f_h enden.
Wenn wir annehmen, dass die Oberfläche des zu messenden Objekts 110 näher an dem Resonator 302 oberhalb des zu messenden Objekts 110 ist als der Resonator 332 unterhalb des zu messenden Objekts 110, ist die Resonanzfrequenz in dem Resonator 302 über dem zu messenden Objekt 110 höher als in dem Resonator 332 unterhalb des zu messenden Objekts 110. 4B zeigt eine Resonanzspitze 400 des Resonators 302 oberhalb des zu messenden Objekts 110. 4C zeigt eine Resonanzspitze 402 des Resonators 332 unterhalb des zu messenden Objekts 110. 4B und 4C sind jeweils derart beschaffen, dass die Differenz Δt in den Suchzeiten zwischen den Resonanzfrequenzen 400, 302 erkannt werden kann. Die Differenz Δt kann durch eine Abtastgeschwindigkeit v_p und die Differenz in den Resonanzfrequenzen Δf = f_r1 – f_r2, Δt = Δf/v_p bestimmt werden, wobei die Differenz Δt von der Dicke der zu messenden Platte abhängt.
4D entspricht 4A. 4G zeigt eine Situation, in der eine Frequenzabtastung des Resonators unterhalb des zu messenden Objekts 110 von der höchsten Frequenz im Band zu der niedrigsten Frequenz im Band durchgeführt wird. 4E entspricht 4B. 4F zeigt die Resonanzfrequenz 404 des Resonators 332 unterhalb des zu messenden Objekts 110. Weil Abtastungen in verschiedenen Richtungen durchgeführt wurden, ist die Differenz Δt in den Messzeitpunkten viel kleiner als wenn die Abtastung in der gleichen Richtung durchgeführt wird. Diese Differenz ist in den Figuren sichtbar, weil die Zeitachsen 4D bis 4G entsprechend angeordnet wurden.
Anstatt oder zusätzlich zu der Messung der Plattendicke gestattet die vorliegende Lösung auch eine Messung des Wassergehalts in einer Materialbahn (mit einem Draht) bei der Herstellung von Papier, Pappe oder Karton. Die Messung kann zum Beispiel in dem Drahtabschnitt der Papiermaschine durch ein in 5 gezeigtes Entwässerungselement durchgeführt werden. Die Messung des Wassergehalts ist jedoch nicht auf diese beispielhafte Anwendung beschränkt. Allgemein kann ein beliebiges Material gemessen werden, dessen Durchlässigkeit sich in Abhängigkeit von einem beliebigen Parameter ändert.
Das Entwässerungselement 500 ist in Kontakt mit dem zu messenden Objekt 110, das wenigstens eine Materialbahn 504 und eine Draht 506 umfasst. An der Materialbahn 504 kann auch noch ein weiterer Draht vorgesehen sein. Die Materialbahn 504 kann ein wasserhaltiger Holzbrei sein, der für die Herstellung von Papier oder Pappe verwendet wird. In dem vorausgehenden Abschnitt der Papiermaschine wird das Wasser aus der Materialbahn 504 entfernt, sodass eine Messung des Wassergehalts in der Maschinenrichtung oder in einer Richtung quer zu der Maschinenrichtung nützlich ist. Das Entwässerungselement 500 kann mit Metall oder einem anderen leitenden Material 508 auf allen Flächen mit Ausnahme der mit dem zu messenden Objekt 110 in Kontakt kommenden Fläche beschichtet sein. Das Entwässerungselement 500 kann ansonsten aus Keramik mit einer Durchlässigkeit von mehr als 75 bei der für die Messung verwendeten Frequenz bestehen. Die Durchlässigkeit kann zum Beispiel zwischen 80 und 100 betragen. Das durch das Entwässerungselement 500 gebildete Nahfeld kann sich wie durch die Pfeile angegeben bis zu dem zu messenden Objekt 110 erstrecken.
6 zeigt eine Lösung, in der der Resonator 108 wie ein Wellenführer betrieben werden kann. Das Äußere 600 des Resonators 106, der einen Kurzschluss in dem unteren Teil erzeugen kann, kann aus Metall oder einem anderen leitenden Material bestehen, wobei das Innere 602 aus zum Beispiel Keramik bestehen kann. Die Feldlinien eines elektrischen Nahfelds können von der Mitte des Resonators 108 nach oben gekrümmt zu dem Äußeren 600 des zu messenden Objekts 110 verlaufen. Das Wasser in dem zu messenden Objekt kann also die zu erzeugende Resonanzfrequenz beeinflussen. Der Resonator 108 kann durch eine nicht-strahlende Wellenform TM₀₁ oder durch eine Wellenform TM₁₁ betrieben werden.
7 zeigt eine Lösung, in der der Resonator 108 wie ein Koaxialresonator betrieben wird. In dieser Lösung ist ein Metall oder ein anderes leitendes Material 700 in der Mitte des Resonators 108 vorgesehen. Um das leitende Material 700 herum kann eine Keramik 702 vorgesehen sein. Der Außenumfang 704 des Koaxialresonators ist wiederum wie der mittlere Teil aus einem leitenden Material ausgebildet. Auch in dieser Lösung können die Feldlinien des elektrischen Nahfelds von der Mitte des Resonators 108 gekrümmt durch das zu messende Objekt 110 zu den Kanten verlaufen. Das Wasser in dem zu messenden Objekt kann also die zu erzeugende Resonanzfrequenz beeinflussen.
Der Resonator 108, mit dem der Wassergehalt gemessen wird, kann auch einen Strahlungsschlitz in einer Metallplatte umfassen, die zum Beispiel die Plattierung einer Leiterplatte sein kann. Der gekrümmte Schlitz kann einen (nahen) Kreis bilden, durch den das zu einem Fernfeld gestrahlte elektrische Feld (beinahe) vollständig aufgehoben wird. Die Mittellinie des Schlitzes kann eine Kurve bilden, die in Abschnitten linear ist. Die Mittellinie des Schlitzes kann auch eine Kurve mit einer kontinuierlichen Krümmung wie in einer nicht-linearen Funktion mit einer kontinuierlichen Ableitung bilden. Die Mittellinie des Schlitzes kann auch eine nicht sich selbst kreuzende gekrümmte Kurve bilden. 8 zeigt die Nahfeldlinien eines Nahfelds, das an dem Schlitz beginnt und sich nach oben zu dem zu messenden Objekt 110 erstreckt. Das Wasser in dem zu messenden Objekt kann also die zu erzeugende Resonanzfrequenz beeinflussen.
9 zeigt einen Wellenformhohlraum beispielsweise für eine Messung des Wasserinhalts. Der tatsächliche aktive Resonatorteil 900, der sich auf einer Seite des zu messenden Objekts 110 befindet, umfasst auf seiner Außenfläche 901 mit Ausnahme der zu dem zu messenden Objekt 110 gerichteten Fläche oder der mit dem zu messenden Objekt 110 in Kontakt kommenden Fläche ein Metall. Das Innere 902 des aktiven Resonatorteils 900 kann ein isolierendes Material wie etwa Teflon oder Keramik sein. Der aktive Resonatorteil 900 umfasst weiterhin einen Eingangskontakt TX und einen Ausgangskontakt RX für eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung. Auf der anderen Seite des zu messenden Objekts 110 kann ein passiver Teil 904 des Resonators 108 angeordnet sein, dessen Außenfläche 906 aus Metall ist und dessen Inneres 908 aus einem isolierenden Material wie etwa Teflon oder Keramik ist. Die Strahlung wird nicht an dem passiven Teil 904 angelegt oder von demselben empfangen. Der aktive Teil und der passive Teil des Resonators können dieselbe Form aufweisen und können jeweils derart ausgerichtet sein, dass sie einander spiegeln. Ein Resonator dieser Art strahlt nicht zu einem Fernfeld, sodass er andere Messungen oder Einrichtungen nicht stört. In 9 verlaufen die Feldlinien symmetrisch zu dem aktiven Resonatorteil 900 und dem passiven Resonatorteil 904. Weil die Durchlässigkeit in dem aktiven Resonatorteil 900 und in dem passiven Resonatorteil 904 höher als in der Umgebungsluft des zu messenden Objekts 110 ist, ist die Leistung des elektromagnetischen Felds in dem zu messenden Objekt (relativ) gleichmäßig. Die Feuchtigkeit in dem zu messenden Objekt 110 kann auch ohne den passiven Teil 904 gemessen werden. In diesem Fall umfasst der Resonator nur den aktiven Resonatorteil 900.
10 zeigt eine Lösung, in der eine Vielzahl von Resonatoren als Sensoren verwendet werden. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 100 steuert einen Messfrequenzgenerator 1000, der Messfrequenzen mittels eines digitalen Frequenzsynthetisierers erzeugt. Der Messfrequenzgenerator 1000 kann die Blöcke 102 bis 106 von 1 umfassen. Die für die Messung verwendete Strahlung wird durch eine Schalteinheit 1002 zu den Resonatoren 1004 bis 1010 geschaltet. Wenn Strahlung von den Resonatoren 1004 bis 1010 empfangen wird, schaltet die Schalteinheit 1002 die Strahlung von jedem Resonator 1004 bis 1010 zu einer Empfängereinheit 1012, die die Blöcke 112 bis 118 von 1 umfassen kann. Die Empfängereinheit 1012 leitet das Messsignal zu der digitalen Signalverarbeitungseinheit 100 weiter, um Messoperationen durchzuführen. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 100 kann den Betrieb der Schalteinheit 1002 steuern.
In der Messung von 10 können N Resonatoren 1004 bis 1010 verwendet werden, von denen eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung gleichzeitig zu M Resonatoren zugeführt wird. Dabei ist N eine positive Ganzzahl größer als eins und ist M eine positive Ganzzahl kleiner als N. In diesem Beispiel kann eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung derart zu den Resonatoren 1004 bis 1010 zugeführt werden, dass sich zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Resonatoren, die die elektromagnetische Strahlung empfangen, wenigstens ein Resonator befindet, der keine elektromagnetische Strahlung empfängt. Wenn die Resonatoren in einer Linie quer zu der Maschinenrichtung angeordnet sind und zum Beispiel den Wassergehalt einer Materialbahn messen, kann die Messung jeweils gleichzeitig mit jedem vierten Resonator durchgeführt werden. Wenn die Messung zuerst mit den ersten aller vierten Resonatoren durchgeführt wird, wird die nächste Messung mit den zweiten aller vierten Resonatoren durchgeführt. Wenn dies entsprechend fortgesetzt wird, können die Messergebnisse aller Resonatoren nach vier Messungen erhalten werden.
11 ist ein Flussdiagramm zu dem Verfahren. In Schritt 1100 wird eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung an wenigstens einem Resonator angelegt, dessen Resonanzfrequenz durch eine Eigenschaft des zu messenden Objekts beeinflusst wird. In Schritt 1102 wird eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung aus wenigstens einem Resonator empfangen In Schritt 1104 wird das empfangene Resonanzband nach einer Resonanzfrequenz wenigstens eines Resonators durchsucht, um die zu messende Eigenschaft zu messen.
12 zeigt einen Ablauf, der in dem Schritt 1100 von 11 auszuführen ist. In Schritt 1200 wird die Frequenz der an wenigstens einem Resonator angelegten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband unter Verwendung von diskreten Messfrequenzen abgetastet, für deren Erzeugung eine digitale Synthese verwendet wird.
Die Erfindung wurde vorstehend mit Bezug auf das in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Beispiel erläutert, wobei jedoch deutlich sein sollte, das die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern auf verschiedene Weise innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindungsumfangs modifiziert werden kann.
Zusammenfassung
Ein zu messendes Objekt (110) wird in oder in der Nähe eines elektromagnetischen Resonators (108) platziert, dessen Resonanzfrequenz durch eine physikalische Eigenschaft des Objekts verschoben wird. Eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung wird durch einen Generator (101) vorgesehen, in den Resonator (108) gerichtet und weiterhin durch eine Empfängereinheit (120) gemessen. Eine Signalverarbeitungseinheit (100) sucht nach der Resonanzfrequenz des Resonators (108), um zu messende Eigenschaft zu bestimmen. Der Generator (101) umfasst einen digitalen Frequenzsynthetisierer (102) zum Abtastender Frequenz der elektromagnetischen Strahlung über das für bestimmte Anwendungen relevante Frequenzband. Das Verfahren und die Vorrichtung können für die Bestimmung von z. B. der Dicke einer Platte oder des Wassergehalts einer Materialbahn bei der Papier- oder Kartonherstellung verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Messen eines zu messenden Objekts (110) mittels einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung, das umfasst: Anlegen (1100) einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung an wenigstens einem Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010), dessen Resonanzfrequenz durch eine gemessene Eigenschaft des zu messenden Objekts (110) beeinflusst wird, Empfangen (1102) einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung von dem wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010), und Durchsuchen (1104) des empfangenen Frequenzbands nach einer Resonanzfrequenz des wenigstens einen Resonators (108, 302, 332, 1004 bis 1010), um eine zu messende Eigenschaft zu messen, gekennzeichnet durch: Abtasten (1200) der an dem wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010) angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband unter Verwendung von diskreten Messfrequenzen, für deren Bildung eine digitale Synthese verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Erzeugen von diskreten Vorfrequenzen für ein vorbestimmtes Frequenzband durch eine direkte digitale Synthese, und Verschieben der diskreten Vorfrequenzen von dem vorbestimmten Frequenzband zu den diskreten Messfrequenzen des gewünschten Frequenzbands mittels eines Frequenzmultiplizierers (220).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Erzeugen von diskreten Vorfrequenzen für ein vorbestimmtes Frequenzband durch eine direkte digitale Synthese, und Verschieben der diskreten Vorfrequenzen von dem vorbestimmten Frequenzband zu den diskreten Messfrequenzen des gewünschten Frequenzbands mittels eines Mischers (220).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Steuern der Erzeugung der diskreten Messfrequenzen durch das Bestimmen des Werts jeder Messfrequenz, der Anzahl der Messfrequenzen in einem gewünschten Frequenzband, der Auflösung der Messfrequenzen und/oder der Erzeugungsreihenfolge der Messfrequenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei Resonatoren (108, 302, 332) für die Messung, die aufeinander gerichtet sind und zwischen denen das zu messende Objekt (110) platziert wird, und Steuern eines Resonators (302), sodass die Abtastung von einer niedrigen zu einer hohen Frequenz fortschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von N Resonatoren (1004 bis 1010) für die Messung, wobei N eine positive Ganzzahl größer als eins ist, und Anlegen der hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung an gleichzeitig M Resonatoren, wobei M eine positive Ganzzahl kleiner als N ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequente elektromagnetische Strahlung derart an den Resonatoren (1004 bis 1010) angelegt wird, dass sich zwischen zwei aufeinander folgenden Resonatoren, die elektromagnetische Strahlung empfangen, wenigstens ein Resonator befindet, der keine elektromagnetische Strahlung empfängt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wellenführerhohlraums (900), der nicht in die Umgebung strahlt und einen aktiven Resonatorteil (901) und einen passiven Resonatorteil (904) umfasst, die aufeinander gerichtet sind, wobei das zu messende Objekt (110) zwischen dem aktiven Resonatorteil (901) und dem passiven Resonatorteil (902) platziert wird.
Messvorrichtung zum Messen eines zu messenden Objekts (110) mittels hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, wobei die Messvorrichtung umfasst: einen Generator (101) zum Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung, wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010), der konfiguriert ist, um die durch den Generator (101) erzeugte Strahlung zu empfangen, und dessen Resonanzfrequenz durch eine Eigenschaft des zu messenden Objekts (110) beeinflusst wird, einen Empfänger (120), der konfiguriert ist, um eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung von dem wenigstens einen Resonator (108, 302, 332, 1004 bis 1010) zu empfangen, und eine Signalverarbeitungseinheit (100), die konfiguriert ist, um das empfangene Frequenzband nach einer Resonanzfrequenz wenigstens eines Resonators (108, 302, 332, 1004 bis 1010) für das Messen einer zu messenden Eigenschaft zu durchsuchen, dadurch gekennzeichnet, dass: der Generator (101) einen digitalen Frequenzsynthetisierer (102) zum Abtasten einer Frequenz der an wenigstens einem Resonator angelegten hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung über ein gewünschtes Frequenzband unter Verwendung von diskreten Messfrequenzen umfasst.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Frequenzsynthetisierer (102) konfiguriert ist, um mittels einer direkten digitalen Synthese diskrete Vorfrequenzen für ein vorbestimmtes Frequenzband zu erzeugen, wobei die Messvorrichtung einen Frequenzwandler (104) umfasst, der ein Frequenzmultiplizierer (220) ist und konfiguriert ist, um die diskreten Vorfrequenzen von dem vorbestimmten Frequenzband zu den diskreten Messfrequenzen des gewünschten Frequenzbandes zu verschieben.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Frequenzsynthetisierer (102) konfiguriert ist, um mittels einer direkten digitalen Synthese Vorfrequenzen für ein vorbestimmtes Frequenzband zu erzeugen, und die Messvorrichtung einen Frequenzwandler (104) umfasst, der ein Mischer ist und konfiguriert ist, um die diskreten Vorfrequenzen von dem vorbestimmten Frequenzband zu den diskreten Messfrequenzen des gewünschten Frequenzbandes zu verschieben.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung eine digitale Signalverarbeitungseinheit (100) umfasst, die konfiguriert ist, um die Erzeugung von diskreten Messfrequenzen zu steuern, indem sie den Wert jeder Messfrequenz, die Anzahl der Messfrequenzen in einem gewünschten Frequenzband, die Auflösung der Messfrequenzen und/oder die Erzeugungsreihenfolge der Messfrequenzen bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zwei Resonatoren (108, 302, 332) umfasst, die aufeinander gerichtet sind und zwischen denen das zu messende Objekt (110) platziert wird, wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit (100) konfiguriert ist, um einen Resonator (302) derart zu steuern, dass die Abtastung von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz fortschreitet, und um den zweiten Resonator (332) derart zu steuern, dass die Abtastung von einer hohen Frequenz zu einer niedrigen Frequenz fortschreitet.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung in der Messvorrichtung N Resonatoren (108, 1004 bis 1010) verwendet, wobei N eine positive Ganzzahl größer als eins ist, und die hochfrequente elektromagnetische Strahlung gleichzeitig an M Resonatoren angelegt wird, wobei M eine positive Ganzzahl kleiner als N ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalverarbeitungseinheit (100) konfiguriert ist, um das Anlegen einer hochfrequenten elektromagnetischen Strahlung an den Resonatoren (108, 1004 bis 1010) derart zu steuern, dass sich zu jedem Zeitpunkt zwischen zwei aufeinander folgenden Resonatoren, die elektromagnetische Strahlung empfangen, wenigstens ein Resonator befindet, der keine elektromagnetische Strahlung empfängt.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, das die Messvorrichtung wenigstens einen Wellenführerhohlraum (900) umfasst, der nicht in die Umgebung strahlt und einen aktiven Resonatorteil (901) und einen passiven Resonatorteil (904) umfasst, die aufeinander gerichtet sind, wobei das zu messende Objekt (110) zwischen dem aktiven Resonatorteil (900) und dem passiven Resonatorteil (904) platziert wird.