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Anordnung zur Feuchtemessung an festen Materialien Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Bestimmen der in einem festen Material enthaltenen oder auf ihm
vorhandenen Feuchtigkeit.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet einer derartigen Anordnung ergibt
sich bei der Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Papier und Papiererzeugnissen.
Man kann die Anordnung z. B. benutzen, um den Feuchtigkeitsgehalt einer Papierbahn
in einer Papiermaschine sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite
des Trocknerteils der Maschine zu ermitteln. Während man sich früher bei der Bestimmung
des Feuchtigkeitsgehaltes hauptsächlich auf das »Gefühl« der Bedienungsperson verlassen
hat, ist man in den letzten Jahren dazu übergegangen, Betastrahlenmeßgeräte zur
Messung zu verwenden, bei denen die von radioaktiven Stoffen ausgesandte Betastrahlung
ausgenutzt wird. Ferner hat man in Papiermaschinen Geräte eingebaut, die auf der
Basis der Änderung des elektrischen Widerstandes infolge der Feuchtigkeit oder der
Änderung der elektrischen Kapazität arbeiten. Bei jedem dieser Geräte haben sich
jedoch bestimmte Nachteile ergeben, hauptsächlich deshalb, weil bei ihnen in die
Messung die Änderungen der Dicke und des Gewichtes oder der Zusammensetzung des
Papiers selbst eingehen und nicht die Feuchtigkeitsmenge allein gemessen wird. Die
Messung mit dem Betameßgerät umfaßt z. B. auch die Änderung der Strahlung infolge
der Änderung der in dem Meßspalt vorhandenen Gesamtmasse. Für die Bestimmung des
Feuchtigkeitsgehalts allein ist es daher erforderlich, zwei oder mehr Meßgeräte
zu Vergleichszwecken zu benutzen, doch sind beide Meßgeräte den gleichen Fehlern
unterworfen, und die Meßergebnisse sind sehr ungenau.
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Eine genaue Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Papier erhält man,
wenn man im Laboratorium eine Probe aus der Papiermaschine wiegt, die Probe im Ofen
trocknet und sie danach erneut wiegt. Der sich hierbei ergebende Gewichtsunterschied
entspricht dem Feuchtigkeitsanteil. Hierbei handelt es sich um ein umständliches
und zeitraubendes Verfahren, dessen Ergebnisse oft zu spät zur Verfügung stehen,
um für den Betrieb der Papiermaschine von wirklichem Wert zu sein.
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Es ist weiter bekannt, die Feuchtmessung an festen Materialien mit
Hilfe eines Mikrowellensignals zu messen, das in den Raum abgestrahlt wird. Ein
Maß für die Feuchte des Materials ist dabei die Größe des Anteils der Mikrowellenenergie,
die von dem zu untersuchenden Material absorbiert wird. Bei einer bekannten Anordnung
dieser Art wird die Mikro-
wellenenergie mittels eines Antennenhorns in einen Raumwinkel
frei abgestrahlt, in dem sich das zu untersuchende Material befindet. Ein entsprechendes
Antennenhorn befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Materials und empfängt
die den Raum passierende Wellenenergie. Man hat diese Verfahrensweise auch bereits
bei durchlaufenden Bahnen eines faserigen Materials angewendet. Diese bekannte Anordnung
vermeidet zwar die Nachteile der bekannten Feuchtemeßmethoden. Sie führt jedoch
in der Praxis oft zu recht ungenauen Ergebnissen, da in vielen Fällen nicht genau
vorauszusehen ist, durch welche weiteren Faktoren und Umgebungseinflüsse die in
den Raum frei abgestrahlte Mikrowellen energie beeinflußt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Feuchtemessung an
festen Materialien zu schaffen, bei der die Vorteile einer Messung mit Hilfe von
Mikrowellen energie voll ausgenutzt werden können, ohne daß eine nicht leicht überschaubare
Beeinflussung der Mikrowellenenergie durch andere Größen als die Feuchtigkeit des
zu untersuchenden Materials zu befürchten ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das MikroweIlensignal
bei seinem Einwirken auf das zu untersuchende Material entgegen der bekannten freien
Abstrahlung in den Raum ständig
mittels einer Oberflächenwellenführung
geführt ist und das zu untersuchende Material sich außerhalb der Führung in dem
Feld der geführten Oberflächenwelle befindet. Es hat sich nämlich gezeigt, daß man
Fremdeinflüsse dann vermeiden kann, wenn man die Mikrowellenenergie in Form von
Oberflächenwellen ständig, d. h. vor allem auch während ihres Einwirkens auf das
zu untersuchende Material, entlang einer offenen Wellenführung zwangläufig führt.
Bei einer derartigen Anordnung, bei der als Wellenführung beispielsweise ein Draht
dient, ist die Größe des Raumes, die von der Wellenenergie erfüllt ist, im wesentlichen
genau bekannt, so daß man auch eventuelle weitere Einflüsse auf die Energie leicht
abschätzen kann. Vor allem aber ist es auch möglich, die Wellenenergie nach allen
Seiten weitgehend gegen Einflüsse von außen abzuschirmen und nur auf einer Seite
freien Zutritt zu dem zu untersuchenden Material zu geben. Durch die neue Anordnung
ergibt sich eine wesentlich genauere und besser zu überschauende Messung der Feuchte
an festen Materialien als dies mit der bekannten Anordnung möglich ist.
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Die Erfindung wird an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;
F i g. 2 ist ein Schnitt, der die Einzelheiten der bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 verwendeten Wellenführung erkennen läßt ; F i g. 3 ist ein Schnitt ähnlich
dem in F i g. 2 durch eine abgewandelte Wellenführung zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1; Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der neuen Anordnung; Fig.
5 und 6 veranschaulichen weitere Abwandlungen der Erfindung.
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Unter »Mikrowellen« werden hier elektromagnetische Wellen verstanden,
deren Wellenlänge kleiner ist als einige Meter. Insbesondere eignet sich die neue
Anordnung für Wellen einer Wellenlänge in der Größenordnung von etwa 2,5 cm oder
weniger, z. B. Wellenlängen von 1,35 cm und 0,164 cm, die sehr empfindlich auf das
Vorhandensein von Feuchtigkeit in festen Stoffen wie Papierbahnen ansprechen.
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Gemäß F i g. 1 wird die Mikrowellenenergie durch eine geeignete Quelle,
z. B. ein Klystron 10, erzeugt und mittels einer Wellenführung 11 zu einem geeigneten
Koppler oder Speiser 13 überführt, um die Energie längs einer offenen Wellenführung
15 weiterzugeben. Die Wellenführung 15 kann einen elektrisch leitenden Draht umfassen,
der vollständig in ein geeignetes festes Dielektrikum, z. B. das unter Bezeichnung
»Teflon« erhältliche Material od. dgl., eingebettet ist. In jedem Fall jedoch ist
die offene Wellenführung so ausgebildet, daß ein erheblicher Teil der Wellenenergie
gezwungen wird, längs eines Bereichs fortzuschreiten, der mit dem freien Raum in
Verbindung steht, in den man den Körper, dessen Feuchtigkeitsgehalt bestimmt werden
soll, einbringen kann. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann man das dielektrische Material,
das durch die gestrichelte Umrißlinie 16 angedeutet ist, in der bei 17 angedeuteten
Weise ausschneiden, so daß an dieser Stelle eine sich bewegende Bahn 18 aus Papier
oder einem anderen Material aufgenommen werden kann. Bei einer offenen Wellenführung
mit einem Draht umgibt die
Mikrowellenenergie die Führung 15 und erstreckt sich annähernd
bis auf eine Wellenlänge von der Führungsfläche weg.
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Um eine elektrische Anzeige des von der Papierbahn 18 absorbierten
Energieanteils und damit eine Anzeige des Feuchtigkeitsgehalts der Bahn zu erhalten,
kann man geeignete Meßfühler 20 und 21 für Mikrowellenenergie, die mit der Wellenführung
15 gekoppelt sind, auf den entgegengesetzten Seiten des zu untersuchenden Körpers
18 anordnen. Als Fühler können Bolometer, Kristalldetektoren od. dgl. dienen, die
mit der sich längs der Wellenführung 15 fortpflanzenden Mikrowellenenergie kapazitiv
oder induktiv gekoppelt sind. Die Ausgangssignale der Fühler 20 und 21 können mit
Hilfe bekannter elektronischer Einrichtungen verglichen werden, um ein Maß für die
Energie zu erhalten, die von der in der Papierbahn 18 enthaltenen Feuchtigkeit absorbiert
wird. Beispielsweise kann man die Ausgangssignale der Fühler 20 und 21 einem geeigneten
Quotientenmesser oder einer Brücke zuleiten, wie man sie gewöhnlich benutzt, um
Verhältnisse zwischen stehenden Mikrowellen zu messen. Jenseits des zweiten Fühlers
21 kann man ein Absorptionsmittel, z. B.
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Wasser, anordnen, um eine Reflexion der Mikrowellenenergie zu vermeiden.
Bei 23 ist ein Meßgerät angedeutet, das mit einer Skala versehen sein kann, um einen
Zahlenwert anzuzeigen, der in Beziehung zu der von dem Papier 18 absorbierten Energie
steht, z. B. die Differenz oder das Verhältnis zwischen der Ausgangsgröße des Fühlers
20 und der Ausgangsgröße des Fühlers 21. Diese Ausgangsgröße der Brücke kann man
mit derjenigen Ausgangsgröße vergleichen, die man erhält, wenn sich keine Bahn 18
oder aber eine völlig trockene Bahn in der Aussparung 17 befindet, so daß man ein
Maß für den Feuchtigkeitsgehalt der Bahn erhält.
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F i g. 2 veranschaulicht eine Möglichkeit, bei der der zylindrische
leitende Draht 15, der als Wellenführung dient, vollständig in das dielektrische
Material 16 eingebettet ist, das die Aufgabe hat, die Ausbreitung der Mikrowellenenergie
im wesentlichen auf einen Bereich in der Größenordnung einer Wellenlänge in der
Umgebung der Leitoberfläche zu begrenzen. Die Bahn 18 wird durch Vorschubwalzen
28 und 29 in Richtung des Pfeils 19 bewegt und gleitet an der Unterseite 16a in
gekoppelter Beziehung zu der von der Wellenführung 15 fortgeleiteten Mikrowellenenergie
entlang. Es können Hilfseinrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um eine
gleichmäßige Berührung zwischen der Bahn 18 und der Fläche 16a während der Bewegung
der Bahn zu gewährleisten, so daß stets ein gleichmäßiges Volumen der Bahn 18 in
Kopplung mit der Wellenführung 15 gehalten wird. Die Bahn 18 kann sich vollständig
innerhalb einer Entfernung von der Oberfläche des Drahtes 15 befinden, die einer
Wellenlänge entspricht, oder es kann sich ein vorbestimmter Teil der Dicke der Bahn
18 innerhalb dieses Abstandes von der Wellenführung 15 befinden.
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Fig. 3 zeigt eine etwas abgewandelte Wellenführung, bei der ein flacher
leitender Stab 30 in ein dielektrisches Material 31 eingebettet ist, und bei der
sich die Bahn 18 an einer Flachseite des Stabes 30 vorbeibewegt. In diesem Fall
kann der Koppler 13 statt der Form eines zylindrischen Horns, wie man es bei dem
zylindrischen Draht 15 nach F i g. 2 verwenden würde, die Form eines rechteckigen
Horns
annehmen. Im übrigen ist das Ausführungsbeispiel nach Fig.
3 mit demjenigen nach Fig. 1 und 2 gleich, so daß sich eine weitere Erläuterung
erübrigen dürfte.
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Fig. 4 gibt ein Ausführungsbeispiel wieder, das dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 1 oder 3 völlig gleichen kann, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Draht-
oder Stabwellenführung 35 und das dielektrische Material 36 eine etwas gekrümmte
Bahn bilden, so daß die Mikrowellenenergie an einem geeigneten Körper 37 vorbeigeleitet
wird, dessen Feuchtigkeitsgehalt ermittelt werden soll. Bei dem Körper 37 kann es
sich um eine sich bewegende Bahn oder von einer Fördereinrichtung geführte einzelne
Gegenstände handeln. Denjenigen Teilen, die denen in Fig. 1 entsprechen, wurden
jeweils gleiche Bezugsziffern beigefügt, so daß sich eine weitere Beschreibung des
Ausführungsbeispiels nach F i g. 4 erübrigt.
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Fig. 5 zeigt ein etwas abgeändertes System, bei dem eine Materialbahn
18 od. dgl. in Energie aufnehmender Beziehung zu der Mikrowellenenergie angeordnet
ist, die längs einer Wellenführung40 fortgeleitet wird. Die Wellenführung 40 kann
z. B. ein Element aus einem Material mit unvollkommener Leitfähigkeit, z. B. einen
Draht, eine Stange oder einen Stab aus nichtrostendem Stahl od. dgl. sein, das dazu
dient, die Ausbreitung der Mikrowellenenergie im wesentlichen auf eine Strecke von
der Größenordnung einer Wellenlänge von dem Leiter aus zu begrenzen, wie es bereits
weiter oben beschrieben wurde. Das Zuführen von Mikrowellenenergie zu der Wellenführung
40 kann mittels einer vollständig geschlossenen Wellenführung 42 erfolgen, die mit
einem Zweiwegekoppler 43 verbunden ist, um einen vorbestimmten Teil der von der
Quelle 10 gelieferten Energie mit einer Wellenführung 44, einer verstellbaren Dämpfungseinrichtung
45, Mikrowellenenergiefühleinrichtung 47 und einem absorbierenden Abschluß zu koppeln,
welch letzterer dazu dient, die Energie zu absorbieren und eine Reflexion zu verhindern.
Die Fühleinrichtung 47 für die Mikrowellenenergie kann einen Kristall, einen Thermodetektor
oder ein Bolometer umfassen, und sie kann eine Gleichstrom- oder Zwischenfrequenzausgangsgröße
mittels eines Leiters 50 an ein Vergleichsgerät 52 abgeben. Ein Teil der von der
Quelle 10 gelieferten Energie wird durch den Koppler43 und eine Wellenführung 55
zu einem Koppler 57 übertragen, um die Energie längs der offenen Wellenführung 40
fortzupflanzen. Die von dem Material 18 nicht absorbierte Energie kann durch z.
B. einen Kristalldetektor, einen Thermodetektor oder ein Bolometer 60 gefühlt werden,
und die Ausgangsgröße dieser Fühler wird durch einen Leiter 61 an die Vergleichsschaltung
52 abgegeben, bei der es sich um eine geeignete Gleichstrom- oder Zwischenfrequenzbrückenschaltung
handeln kann, welche eine Ausgangsgröße liefert, die den Unterschied oder das Verhältnis
zwischen den über die Leiter 50 und 61 zugeführten Eingangsgrößen wiedergibt. Bei
63 ist ein geeigneter Abschluß zum Absorbieren der Mikrowellenenergie und zum Verhindern
einer Reflexion angedeutet. Durch Vergleichen der Ablesungen an dem Meßgerät 52
für eine feuchte Bahn 18 und eine vollständig trockene Bahn, die jeweils mit der
Wellenführung 40 gekoppelt ist, erhält man eine Anzeige der Energie, die von der
in der Bahn enthaltenen Feuchtigkeit absorbiert wird.
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Es sei bemerkt, daß man bei der Anordnung nach F i g. 5 den unvollkommenen
Leiter 40 frei im Raum anordnen kann, ohne daß er von einem festen Dielektrikum
umgeben ist, und daß man geeignete Mittel vorsehen kann, um das Material 18 in stabiler
Energieaufnahmebeziehung zu der sich längs des Drahtes 40 fortpflanzenden Energie
zu halten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 können der Mikrowellengenerator
10, die Wellenführung 11 und der Koppler 13 den bei der Anordnung nach F i g. 1
verwendeten Elementen ähneln, während die offene Wellenführung 80 z. B. einen Draht
oder Stab aus einem Material mit unvollkommener Leitfähigkeit umfassen kann, der
frei im Raum angeordnet ist.
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Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann man die Bahn 18
in stabiler Energieabsorptionsbeziehung an dem Draht oder Stab vorbeiführen. Mit
der Wellenführung 80 ist eine Fühleinrichtung 82 gekoppelt, deren Ausgangsgröße
über einen Mittel-oder Niederfrequenzverstärker 83, eine geeichte Mittel- oder Niederfrequenz-Dämpfungseinrichtung
84 einem Pegelanzeiger 85 zugeführt wird. Ferner kann ein absorbierender Abschluß87
für die Wellenführung 80 vorgesehen sein, um Reflexionserscheinungen zu verhindern.
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Bei diesem System kann man einen Ausgangspegel mittels des Pegelanzeigers
85 wählen, während eine völlig trockene Bahn die Lage der Bahn 18 einnimmt. Danach,
wenn sich die Bahn 18 in der aus F i g. 6 ersichtlichen Lage befindet, verstellt
man die Dämpfungseinrichtung 84, um an dem Anzeigegerät 85 den vorherigen Pegel
wieder einzustellen, woraufhin die Einstellung der Dämpfungseinrichtung 84 eine
zahlenmäßige Anzeige der Energie liefert, die von der in der Bahn 18 enthaltenen
Feuchtigkeit absorbiert wird.
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Es sei bemerkt, daß man bei jedem der Ausführungsbeispiele nach Fig.
1 bis 6 die Mikrowellenenergie über die gesamte Breite der wandernden Bahn od. dgl.
fortleiten kann, so daß man einen Mittelwert des Feuchtigkeitsgehalts über die Breite
der Bahn erhält. Bevorzugt verwendet man Wellenführungsmittel, die ein relativ gleichmäßiges
Feld innerhalb eines vorbestimmten Gebietes des zu untersuchenden Körpers erzeugen,
und aus diesem Grunde wird die aus F i g. 3 ersichtliche Stabform bei flachen Bahnen,
die in einer Ebene liegen, vorgezogen.
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Unter dem Ausdruck »Oberflächenwelle« wird eine Wellenenergie verstanden,
die längs einer Fläche fortgeleitet wird, die zwei Medien mit unterschiedlichen
elektrischen Eigenschaften scharf voneinander trennt, so daß auf die elektromagnetische
Welle eine Führungswirkung ausgeübt wird. Man kann hierbei diejenige Fläche verwenden,
die einen Leiter von einem Isolator trennt, oder eine Fläche, die zwei verschiedene
Isolatoren mit sich stark unterscheidenden Dielektrizitätskonstanten voneinander
trennt. Der Ausdruck »Feuchtigkeitsgehalt« bezeichnet hierbei Feuchtigkeit, die
auf der Oberfläche des Materials oder in dem Material oder sowohl auf der Oberfläche
als auch im Inneren des Materials vorhanden ist. Die Anordnung nach der Erfindung
ist insbesondere anwendbar, um den Feuchtigkeitsgehalt von Zellulosematerialien
zu ermitteln, denn in diesem Fall sind die Resonanzabsorptionsfrequenzen gegenüber
dem Vorhandensein des festen Materials relativ unempfindlich, so daß man eine sehr
empfindliche Anzeige des Vorhandenseins von Feuchtigkeit in solchen
Materialien
erhält. Allgemein ist eine Anwendbarkeit der Erfindung bei nichtmetallischen anorganischen
Stoffen sowie bei organischen Stoffen gegeben. Ein besonderes Anwendungsgebiet der
Erfindung dürfte sich hinsichtlich der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von Getreideerzeugnissen,
getrockneten Nahrungsmitteln, Mehl, Frühstücksnahrungsmitteln, Gemischen für Backzwecke,
entwässerten Proteinen, Kohlehydraten und Zellulosemateralien ergeben.