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Anordnung zur Messung des Feuchtigkeitsgehaltes laufender Bahnen In
der Textil- und Papierindustrie ist die Messung der Restfeuchtigkeit von laufenden
Bahnen am Ausgang von Trocknern von großer Wichtigkeit. Ein bekanntes Verfahren,
auf welches sich diese Erfindung bezieht, ist die Leitfähigkeitsmessung : Das Meßgut
läuft zwischen zwei Elektroden hindurch. An die Elektroden wird eine konstante Spannung
Eo gelegt.
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Der fließende Strom iF und somit die Spannung £0 dividiert durch den
Widerstand des Meßgutes zwischen den Elektroden ist dann ein Maß für die Feuchtigkeit
in der Bahn.
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Beispielsweise ergeben sich für Baumwolle folgende Widerstandswerte
in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit in der Bahn:
| Feuchtigkeitsprozentsatz, ol, |
| 3,5 4,5 5,5 7 9 12 |
| Widerstand, M# 100000 1 10000 1000 100 1101 1 |
Für einen Bereich der Feuchtigkeit von 3,5 bis 120/o ändert sich der Widerstand
zwischen den Elektroden um 5 Zehnerpotenzen. Um zu einem praktisch brauchbaren Meßgerät
zu kommen, muß der Logarithmus des Stromes iF gebildet werden. Dafür benutzt man
die exponentielle Beziehung zwischen Strom und Spannung einer Glühdiode oder einer
Halbleiterdiode. Bei einer Diode besteht innerhalb eines großen Strombereiches zwischen
Strom und Spannung mit den Konstanten 1o und Um die Beziehung
Läßt man wie in F i g. 1 den durch das Meßgut fließenden Strom iF durch eine Diode
D fließen, so wird die daran ohne Belastung zu messende Spannung
In F i g. 1 wird diese Spannung durch eine nachgeschaltete Röhre verstärkt und kann
dann durch ein gewöhnliches Meßinstrument angezeigt werden.
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Diese Methode wird in bekannten Feuchtigkeitsmeßgeräten verwendet.
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Eine andere bisher für Feuchtigkeitsmesser nicht angewendete Schaltung
zeigt F i g. 2. Der Strom in wird einem Gleichstromverstärker mit einer sehr
hohen,
negativen Verstärkung (V oo) zugeführt, der über eine Diode gegengekoppelt ist.
Hier steht die oben angegebene Spannung Up mit umgekehrtem Vorzeichen am Ausgang
zur Verfügung und ist so sehr belastbar, wie der Verstärker es zuläßt. Ein Spannungsmesser,
dem UF zugeführt wird, kann in Feuchtigkeitsprozenten geeicht werden, wobei die
Skala logarithmisch wird.
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Außer den Anordnungen in F i g. 1 und 2 gibt es noch andere Möglichkeiten,
logarithmische Kennlinien herzustellen. Sie sind aus der Technik der elektronischen
Analogrechner bekannt.
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Die Leitfähigkeitsmethode hat nun den bekannten, oft schwerwiegenden
Nachteil, daß der angezeigte Meßwert vom Widerstandswert an der feuchtesten Stelle
bestimmt wird. Ein für die Qualität der Trocknung maßgeblicher Mittelwert über die
Bahnbreite kann nicht gebildet werden, es sei denn, die Feuchtigkeit wäre in der
Bahn völlig gleichmäßig verteilt.
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Leider trifft das nur ausnahmsweise zu.
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Angenommen, die Bahn habe einen Streifen in Längsrichtung mit einer
erhöhten Feuchtigkeit. Dieser Streifen sei, bezogen auf die ganze Breite B, breit
und habe die Feuchtigkeit F2. Entnimmt man den eingangs genannten Werten für diese
Feuchtigkeit den Widerstand RF2, SO hat der Streifen am Gesamtleitwert wert den
Anteil . Der Rest hat die Breite 1-ß RF2 und die Feuchtigkeit F1. Der ganze Leitwert
ist dann 1-ß ß G = + .
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RF1 RF2
Beispiel: Baumwolle; F1 3,50/o und F2 = 120/0.
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Der nasse Streifen habe eine Breite von nur 10/o der Bahn, also ß
= 0,01. Mit den eingesetzten Widerstandswerten ergibt sich
Dies entspricht einer Feuchtigkeit von 70/o, die das Instrument anzeigen würde.
Der wirkliche Mittelwert liegt aber dicht bei 3,5 0/o; angezeigt werden jedoch 70/o.
Wenn die Feuchtigkeit mit Hilfe des Meßgerätes am Trocknerausgang selbsttätig geregelt
werden soll, so würde dieser schmale Naßstreifen zur Folge haben, daß 990/o der
Bahnbreite auf 3,5 0/o übertrocknet und damit die Qualitätseigenschaften des Gutes
nachteilig oder schädigend beeinflußt würden, wobei außerdem noch Trocknungsenergie
unnütz verschwendet wird.
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Die Ursache für dieses ungünstige Verhalten liegt in der Charakteristik
für die Widerstands-Feuchtigkeits-Abhängigkeit. Sie hat notwendigermaßen zur Folge,
daß kleine Naßstellen weit überbewertet werden und deshalb ein einigermaßen richtiger
Mittelwert über die Bahnbreite nicht zustande kommt.
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Ein Verfahren zur Behebung dieses Mangels ist im deutschen Patent
1 038 312 angegeben worden. Dabei wird statt der über die ganze Breite aufliegenden
Meßwalze oder mehrerer Meßrollen beispielsweise eine Walze benutzt, die eine Elektrode
in Form besonderer Spiralen oder Segmente trägt. Dabei wird dann stets nur ein kleiner
Teil der Bahnbreite gleichzeitig erfaßt, und der Meßbereich verschiebt sich bei
rotierender Walze quer über die Bahn. Mittelt man die Messung dabei über die Zeit
einer Meßwalzenumdrehung, so hat man den echten Mittelwert der Feuchtigkeit über
die Bahnbreite. Der Nachteil dieses verbesserten Verfahrens besteht darin, daß nicht
alle Punkte der Warenbahn erfaßt werden. Mit den Walzen mit Kontaktwendeln mißt
man z. B. Schrägstreifen der Bahn, die gegeneinander den Abstand eines Meßwalzenumfanges
haben.
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Andere Vorschläge zur Bildung von Durchschnittswerten sind für verschiedenartige
spiralförmige Meßwalzen im deutschen Patent 728 195 gemacht worden.
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Nach der Patentschrift 495 994 sollen die an Trägern befestigten Meßkontakte
über die Bahnbreite verschoben werden, um den Feuchtigkeitsgehalt an jeder Stelle
der Bahn zu bestimmen und daraus einen Mittelwert festzustellen.
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Auch aus anderen einschlägigen Literaturstellen (z. B. Melliand Textilberichte,
36 [1955, S. 654 bis 657, 38 [1957], S. 937 bis 939 und 1177 bis 1180, 38 [1957],
S. 1067; Textil-Praxis, 11 [1956], S. 482) ergibt sich nach dem Stand der Technik
keine einfache und technisch befriedigende Methode, die bei der Leitfähigkeitsmessung
von Feuchtigkeiten immer wieder aufgestellte Forderung einer Mittelwertsbildung
durch Integration der Augenblickswerte über die Bahnbreite betriebsgerecht zu erfüllen.
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Die erfindungsgemäß hier vorgeschlagene neue Methode bringt wesentliche
Vorteile gegenüber diesen bekannten Schaltungen. Sie besteht aus einer Anordnung
zur Anzeige des logarithmischen Mittels der in einer bewegten Materialbahn in einem
Querschnitt senkrecht zu deren Laufrichtung herrschenden elektrischen Leitfähigkeit
als eines Maßes für die durch-
schnittliche Feuchte der Bahn mit Meßelektroden in
einer Anzahl, die mit der Zahl der Meßabschnitte übereinstimmt, in die die Bahn
in Richtung ihrer Breitenerstreckung unterteilt ist, und ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß jede Meßelektrode mit je einer aus elektrischen Schaltmitteln
aufgebauten Logarithmiereinrichtung elektrisch verbunden ist und daß ferner die
Logarithmiereinrichtungen gemeinsam mit einer aus elektrischen Schaltmitteln aufgebauten
Summiereinrichtung elektrisch verbunden sind.
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Es können beliebige materialgerechte Elektrodenformen benutzt werden.
Zwischen den in Fig.3 beispielsweise als Walzen dargestellten Elektroden 1 und 2
läuft das Meßgut 3. Die Walze 2 ist z. B. in n (hier gleich fünf) voneinander isolierte
Teile geteilt.
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Je nach der örtlichen Feuchtigkeit führen die Einzelelektroden die
n Ströme iF,, in2... iFn als Folge der angelegten SpannungE0. Diese werden je einer
Dioden, bis D5 zugeführt, so daß n verschiedene Diodenspannungen entstehen, die
dem Logarithmus des jeweiligen Einzelstromes proportional sind. Jede dieser Teilspannungen
ist ein Maß für die Feuchtigkeit im entsprechenden Teilstreifen der Bahn. Die Mittelung
über die n Spannungen gibt ein viel besseres Maß für die mittlere Feuchtigkeit über
die Bahnbreite. Dabei wird der wirkliche Mittelwert um so besser erfaßt, je mehr
Einzelströme erfaßt werden, je größer also n ist. Die Mittelung über die n Diodenspannungen
wird in Fig.3 dadurch erreicht, daß die Diodenspannungen über sehr hohe Widerstände
R1, £2 ... £n dem Gitter einer gemeinsamen Verstärkerröhre zugeführt werden. Die
Änderung der Röhrenausgangsspannung d U ist dann entsprechend der in F i g. 3 rechts
angeschriebenen Formel gleich der Summe der logarithmierten Leitfähigkeitsanteile
der einzelnen Bahnstreifen und damit dem Mittel aller logarithmierten Ströme proportional.
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In der F i g. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Die Ströme iFl bis iF5 der angenommenen fünf Meßelektroden werden ebensoviel
Gleichstromverstärkern V1 bis Vó zugeführt. Deren Gegenkopplung vom Ausgang auf
den Eingang über die Dioden D1 bis D5 führt in der oben beschriebenen Weise zu einem
logarithmischen Verhalten, so daß die Ausgangsspannungen der Gleichstromverstärker
proportional dem Logarithmus der zugeführten Elektrodenströme sind und damit ein
gutes Maß für die Feuchte innerhalb des Bahnstreifens, welche jede der Elektroden
bedeckt. Diese Spannungen werden fünf Eingängen einer elektrischen Summiereinrichtung
z zugeführt. Die Ausgangsspannung U der elektrischen Summiereinrichtung ist dann
entsprechend der in F i g. 4 rechts angeschriebenen Formel gleich der Summe der
logarithmischen Leitfähigkeitsanteile der einzelnen Bahnstreifen und damit dem Mittelwert
der Ausgangsspannungen der Logarithmiereinrichtungen proportional. Sie kann einem
in Feuchte geeichten Meßinstrument und einem automatischen Feuchteregler zugeführt
werden.
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Die Erfindung besteht also darin, daß man nicht wie im ursprünglichen
Feuchtigkeitsmeßverfahren den Summenstrom der erfaßten Bahnbreite logarithmiert,
sondern die Teilströme der n Elektroden, wobei dann über die Logarithmen der Ströme
gemittelt oder summiert wird. Hat eine der n Sektionen einen Naßstreifen, so verfälscht
dieser das Meßergebnis um so weniger, je größer n ist.
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Für 71 gleich 5 sei der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung an
Hand des obigen Beispiels, bei dem die Bahn mit Fl 3,5 0/o einen 1 0/o breiten Naßstreifen
mit F2 120/o hatte, errechnet. Dann haben die vier Elektroden im trockenen Teil
der Bahn den Leitwert von je 0,2#10-5µs. Der nasse Streifen unter der fünften Elektrode
ergibt den Leitwert 0,01 µs.
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Die Ströme sind den Leitwerten proportional. Die Logarithmen der
Leitwerte sind - 5,7 und 2. Der Mittelwert der Logarithmen über die fünf Sektionen
ist also -(4#5,7 +2)/5 = -4,96. Geht man von diesem Logarithmus auf den Leitwert
zurück, so ergibt sich 1,110-5. Die Mittelung über die logarithmierten Leitwerte
wirkt also so, als ob jeder Streifen im Mittel einen Leitwert von 1,1#10-5µs, die
ganze Bahn also 5,5 10-SFs Leitwert hätte. Dafür ergibt sich eine Feuchtigkeit von
F= 40/o. Das ist der Wert für n= - 5, den das Anzeigeinstrument bei diesem Verfahren
anzeigen würde. Der Fehler ist bei diesem Beispiel also nur noch 0,5 oder 14°/o
des wahren Wertes, während bei der bekannten Schaltung mit nur einer logarithmierenden
Diode der Fehler der Anzeige 100°/o betrug.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die nichtlineare Beziehung zwischen
dem Strom einer Meßelektrode und der daraus abgeleiteten Spannung nicht exakt logarithmisch
zu sein braucht; alle n Charakteristiken müssen aber untereinander gleich sein.
Sie lassen sich durch Abweichungen vom exakt logarithmischen Verlauf auch anders
wählen, um bezüglich des in Feuchtegraden geeichten Anzeigeinstrumentes eine gewünschte
Teilung, z. B. eine lineare oder logarithmische, zu erzielen.
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Die erfundene Anordnung besonders in der Ausführung nach Fig.4 hat
noch weitere Vorteile. An den Ausgängen der Verstärker V1 bis Vn stehen Spannungen,
die ein Maß der Feuchtigkeit der einzelnen Bahn streifen sind. Sie können hinter
den Verstärkern ohne weiteres einzeln gemessen oder signalisiert werden und ergeben
dann eine Übersicht über die Gleichmäßigkeit des Trocknungsprozesses quer zur Bahn.
Man kann daraus außer dem Mittelwert noch weitere statistische Angaben für Kontroll-
und Regelzwecke gewinnen. Diese werden um so bedeutsamer, je mehr man sich in letzter
Zeit bemüht, Trocknungsvorgängen und Restfeuchtigkeiten definierte, möglichst konstante
Qualitätsbegriffe zuzuordnen. Mit den bekannten Schaltungen zur Messung der Restfeuchtigkeit
nach der Leitfähigkeitsmethode ist das nicht möglich.
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Eine besonders wichtige Größe zur Gewinnung statistischer Merkmale
ist beispielsweise neben der durchschnittlichen Feuchte die maximale Feuchte oder
die Differenz zwischen diesen, weil damit unmittelbar die Güte des Trocknungsprozesses
beurteilbar ist. Mit Hilfe der Erfindung kann diese Größe in einer Anordnung nach
F i g. 5 ermittelt werden.
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Wieder sind wie in Fig. 4 fünf Meßelektroden mit den Strömen iF1 bis
iF5 angeommen, die getrennt den Logarithmiereinrichtungen aus V1 bis V5 und Dl bis
D5 zugeführt werden. Die Summiereinrichtung Zl bildet in der schon beschriebenen
Weise den logarithmisch bewerteten Mittelwert über die Elektrodenströme. Gleichzeitig
werden aber die Ausgangsspannungen der Logarithmiereinrichtungen über fünf andere
Dioden D6 bis Dlo einem Umkehrverstärker 2 mit hochohmigem Eingang zugeführt.
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Die Polung ist so zu wählen, daß die Dioden Strom
ziehen bei der Polarität
der hier negativ angenommenen Spannungen am Ausgang der Logarithmiereinrichtungen.
Nur diejenige Diode, der die maximale Spannung zugeführt wird, ist geöffnet; sie
sperrt alle anderen. Damit wird die Ausgangsspannung des Umkehrverstärkers ein Maß
für die Feuchte des nassesten Materialstreifens. Bei passender Wahl der Verstärkung
des IJmkehrverstärkers zur Verstärkung der Summiereinrichtung rl zeigt dann das
am Ausgang des Summierungsverstärkers gegen Masse geschaltete Anzeigeinstrument
(il) den Mittelwert der Feuchtigkeit tnd das am Ausgang des Umkehrverstärkers liegende
Anzeigeinstrument (i2) den Maximalwert der Feuchtigkeit an. Zur Differenzbildung
zwischen maximaler und mittlerer Feuchtigkeit (Toleranzbreite) braucht nur ein drittes
Anzeigeinstrument (i3) vom Ausgang des Summierungsverstärkers zum Ausgang des Umkehrverstärkers
angeschlossen zu werden.
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Das ist nur ein Beispiel für die Ermittlung statistischer Angaben
aus den Ausgangsspannungen der Logarithmiereinrichtungen. In ähnlicher Weise ließe
sich z. B. die Feuchte des trockensten Streifens oder die Streuung der Feuchte um
den Mittelwert bestimmen.