-
Vorrichtung zum Feststellen von Materialeigenschaften an bewegten,
festen Materialien Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Feststellen
von Materialeigenschaften an bewegten festen Materialien, beispielsweise zur fortlaufenden
Feuchtigkeitsmessung.
-
Es ist bereits bekannt, die Feuchtigkeitsmessung an festen Materialien
mit Hilfe eines Mikrowellensignals zu messen, das in den Raum abgestrahlt wird.
Ein Maß für die Feuchtigkeit 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 Mikrowellenenergie
mittels eines Antennenhorus in einen Raumwinkel frei abgestrahlt, in dem sich das
zu untersuchende Material befindet. Ein entsprechendes Antennenhom 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 führt jedoch in der
Praxis zu recht ungenauen Ergebnissen, da in vielen Fällen nicht genau vorauszusehen
ist, durch welche weiteren Faktoren Umgebungseinflüsse die in den Raum frei abgestrahlte
Mikrowellenenergie beeinflußt wird.
-
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das Mikrowellensignal bei
seinem Einwirken auf das zu untersuchende Material ständig mittels einer Oberflächenwellenführung
zu führen, wobei das zu untersuchende Material sich außerhalb der Führung in dem
Feld der geführten Oberflächenwelle befindet Bei einem Ausführungsbeispiel einer
derartigen Meßanordnung unter Verwendung einer Oberflächenwellenführung besitzt
die Wellenführung die Form eines flachen Stabes, der mit einer flachen Seite in
Richtung auf das zu untersuchende Material weist Ferner ist eine Abschirmung aus
einem festen Dielektrikum vorgesehen, welche die Wellenführung nach allen Seiten
mit Ausnahme derjenigen Seite abschirmt, auf der das zu untersuchende Material angeordnet
ist. Die Wellenführung müßte so nahe wie möglich an dem zu untersuchenden Material
angeordnet werden.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß bei einer derartigen Meßanordnung nach
diesem älteren Vorschlag weiterhin noch Energieverluste auftreten, welche durch
die Beeinflussung der Wellenenergie durch das auf der einen Seite der Wellenführung
angeordnete feste Dielektrikum verursacht werden.
-
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, durch besondere Maßnahmen diese
noch verbleibenden Verluste bei einer Oberflächenwellenleitung mit symmetrischer
Feldverteilung zu verringern oder ganz auszuschalten.
-
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung nach dem älteren
Vorschlag, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Oberflächenwellen mit zur Längsachse
der Wellen führung rotationssymmetrischer Feldverteilung entweder auf der dem festen
Dielektrikum abgewandten Seite des langgestreckten Wellenleiters eine gegenüber
dem festen Dielektrikum sehr dünne Schicht aus einem dielektrischen Material vorgesehen
ist, dessen Dielektrizitätskonstante groß gegenüber der des festen Dielektrikums
ist, oder der langgestreckte Wellenleiter auf der dem festen Dielektrikum abgewandten
Seite quer zur Fortleitungsrichtung verlaufende Vertiefungen aufweist, die vorzugsweise
mit dielektrischem Material ausgefüllt sind, und daß bei Oberflächenwellen mit zur
Längsmittelebene des Wellenleiters symmetrischer Feldverteilung der Wellenleiter
in Längsrichtung durch einen Spalt in zwei parallele Leiterabschnitte unterteilt
ist, von denen nur der eine in dem festen Dielektrikum eingebettet ist und der andere
dem zu untersuchenden Material zugewandt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht
wesentlich genauere Meßergebnisse, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellenenergie
längs des Drahtes vergleichmäßigt wird.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es fernerhin, daß das dem
zu untersuchenden Material zugewandte und mit diesem in gleitender Berührung
stehende
dielektrische Material von hoher Verschleißfestigkeit, vorzugsweise aus einem keramischen
Material, gewählt werden kann, so daß auch die Lebensdauer einer erfindungsgemäßen
Anordnung durch die vorgeschlagene Maßnahme wesentlich erhöht werden kann. Bei einem
erfindungsgemäß längsgeteilteu Wellenleiter kann der Längsspalt schließlich noch
wenigstens teilweise mit einem festen Dielektrikum ausgefüllt sein.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
F i g. 1 zeigt an einem Ausführungsbeispiel das bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung angewendete Meßprinzip; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt der Wellenführung
nach F i g. 1 längs der Linie III-III; F i g. 3 und 4 zeigen weitere mögliche Ausführungsbeispiele;
F i g. 5 bis 8 zeigen Längsschnitte des Leiters nach F i g. 4 längs der Linie IV-IV;
Fig. 9 zeigt den Teilschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel; F i g. 10 zeigt
die Speisung einer Wellenführung nach Fig. 9; Fig. 11 zeigt einen Querschnitt längs
der Linie XII-SIt nach F i g. 10 sowie die Verteilung der Mikrowellenenergie gegnüber
der Wellenführung; Fig. 12 zeigt den Teilschnitt einer weiteren Abwandlung.
-
Wenn sich Mikrowellenenergie längs einer Wellenführung und eines
Körpers aus festem Material, z. B. längs einer Papierbahn, die in unmittelbarer
Nähe der Wellenführung angeordnet ist, fortpflanzt, zeigt es sich, daß die von der
Papierbahn mitgeführte Feuchtigkeit einen Energieverlust hervorruft, der ein Maß
für den Feuchtigkeitsgehalt der Bahn bildet. Der Ausdruck »Mikrowellen« bezeichnet
im folgenden Hochfrequenzwellenlängen in der Größenordnung von einigen Metern oder
darunter. Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren wird insbesondere mit Wellenlängen
von 2,5 cm oder weniger innerhalb des Hochfrequenzspektrums gearbeitet. Es wurde
entdeckt, daß die längs einer Wellenführung ausgesandte Mikrowellenenergie bei bestimmten
kritischen Frequenzen im Mikrowellenbereich, z. B. bei 22235 MHz, von der Dicke
der Papierbahn verhältnismäßig unbeeinflußt bleibt, während sie für den Feuchtigkeitsgehalt
des Körpers in kritischer Weise empfindlich ist. Diejenigen kritischen Frequenzen,
bei denen die auf die Feuchtigkeit oder einen anderen Bestandteil zurückzuführende
Absorption ein Maximum ist, werden nachstehend als »Resonanzabsorptionsfrequenzen«
bezeichnet.
-
In Fig. list das Meßprinzip schematisch angedeutet. Bei der gezeigten
Einrichtung wird Mikrowellenenergie durch eine geeignete Quelle 44 erzeugt und mit
Hilfe einer Wellenführung 45 an eine geeignete Kopplungs- oder Wellenzuführungseinrichtung
47 abgegeben, damit die Energie längs einer offenen Wellenführung 30 abgestrahlt
wird. Die Wellenführung 30 kann aus einem Draht bestehen, dessen Außenfläche vorzugsweise
einen guten elektrischen Leiter bildet und nicht etwa einen Halbleiter oder Isolator.
Der Draht kann z. B. aus gehärtetem Stahl bestehen und sich in gleitender Berührung
mit einel laufenden Papierbahn38 befinden. Alternativ kann die Wellenführung einen
aus Metall hergestellten
Leiter umfassen, der mit einem dünnen Überzug aus verschleißfestem
Material versehen ist, welcher in gleitender Berührung mit der Bahn steht; ein geeignetes
Überzugsmaterial ist ein keramischer Aluminiumoxydkörper, der unter der Bezeichnung
»Rockide« erhältlich ist. Bei einer derartigen, durch einen offenen Draht gebildeten
Wellenführung umgibt die Mikrowellenenergie die Führung bis zu einem Abstand von
etwa einer Wellenlänge von der Außenseite der Führung.
-
Um eine elektrische Anzeige der von der Papierbahn 38 absorbierten
Energiemenge und damit eine Anzeige des Feuchtigkeitsgehalts der Papierbahn zu erhalten,
kann man geeignete Fühlmittel 20 und 21 für Mikrowellenenergie so anordnen, daß
sie mit der Wellenführung 30 gekoppelt sind, wobei sie unter Berücksichtigung des
zu messenden Energieverlustes in einem geeigneten Abstand angeordnet sind. Als solche
Fühlmittel kann man Bolometer, Kristalldetektoren od. dgl. verwenden, die mit der
sich längs der Wellenführung fortpflanzenden Mikrowellenenergie kapazitiv oder induktiv
gekoppelt sind. Die Ausgangssignale der Fühlmittel 20 und 21 können durch beliebige
geeignete elektrische Mittel verglichen werden, damit man ein Maß für die durch
den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn absorbierte Energie erhält. Man kann die
Ausgangssignale der Fühlmittel 20 und 21 z.B. an ein geeignetes Quotientenmeßgerät
oder eine Brückenschaltung anlegen, wie man sie gewöhnlich zum Messen der Verhältnisse
von stehenden Mikrowellen benutzt. Jenseits des zweiten Fühlgeräts 21 kann man geeignete
Absorptionsmittel 25, z. B. Wasser, anordnen, um eine Reflexion der Mikrowellenenergie
zu verhindern.
-
Der Draht 30 ist in ein erstes dielektrisches Material eingebettet,
das teilweise durch die gestrichelten Linien 32 und 33 sowie teilweise durch den
Schnitt 34 wiedergegeben ist. Zwischen dem Draht 30 und der Papierbahn 38 ist erfindungsgemäß
ein zweites dielektrisches Material 36 angeordnet, das mit der Bahn in gleitender
Berührung steht. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, kann die Bahn 38 durch geeignete
Fördervorrichtungen 42 und 43 in Richtung des Pfeils 40 bewegt werden.
-
Versuche haben gezeigt, daß ein großer Teil der Mikrowellenenergie
verlorengeht, wenn man ein Dielektrikum nur auf einer Seite einer durch einen einzigen
Leiter gebildeten Oberflächenwellenführung für Mikrowellenenergie anordnet. Vermutlich
ist dies darauf zurückzuführen, daß das Dielektrikum eine Verzögerung der Welle
innerhalb des Dielektrikums hervorruft, so daß sich die Welle in dem Dielektrikum
auf der einen Seite des Leiters langsamer fortpflanzt als in der auf der anderen
Seite vorhandenen Luft; die Welle wird hierbei von dem Leiter weg in das Dielektrikum
hinein gebrochen, und zwar genauso wie Licht an einer Trennfläche zwischen Luft
und Glas gebrochen wird. Um auf der der Bahn 38 benachbarten Seite des Leiters eine
Verzögerung der Welle hervorzurufen, die mit derjenigen vergleichbar ist, welche
durch das Dielektrikum 34 verursacht wird, sieht man erfindungsgemäß ein zweites
Dielektrikum 36 in Form eines verhältnismäßig dünnen Überzuges vor, der eine wesentlich
höhere Dielektrizitätskonstante aufweist als das verhältnismäßig massive Dielektrikum
34 auf der von der Bahn 38 abgewandten Seite des Leiters 30. Durch die Verwendung
eines dielektrischen Materials zwischen dem
Draht 30 und der Bahn
38 wird nicht nur die Mikrowellenenergie in richtiger Zuordnung zu dem Draht gehalten,
sondern man erzielt den zusätzlichen Vorteil, daß man ein Material mit hoher Verschleißfestigkeit
wählen kann. Beispielsweise kann man für den Überzug 36 ein sehr hartes keramisches
Material oder ein Tonerdematerial verwenden, wie es unter der Bezeichnung »Rockide«
erhältlich ist. Der Draht 30 kann z. B. aus Kupfer bestehen, während als dielektrisches
Matenal bei 32, 33 und 34 das unter der Bezeichnung »Teflon« bekannte Tetrafluoräthylen-Polymerisat
verwendet wird. Bei einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,2 cm kann das
Material 36 eine Dicke in der Größenordnung von 0,0545 cm und eine Dielektrizitätskonstante
in der Größenordnung von 80 aufweisen.
-
Die Störungen, die auf stehende Wellen zurückzuführen sind, welche
von reflektierter Mikrowellenenergie herrühren, sind bei Oberflächenwelleniibertragungsleitungen
mit einem einzigen Leiter offenbar nicht schwerwiegend, doch kann es zweckmäßig
sein, mit einer Frequenzmodulation des Mikrowellensignals zu arbeiten, um alle möglicherweise
vorhandenen kleinen Effekte auszumitteln. Da die Frequenz die Dicke des erforderlichen
dielektrischen Überzugs 36 bestimmt, wird diese Dicke durch die Anwendung der Frequenzmodulation
weniger kritisch, und die Wirkungen von Änderungen dieser Dicke werden vermindert.
-
Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 ist ebenso ausgebildet wie
dasjenige nach Fig. 1 und 2, abgesehen davon, daß in das erste Dielektrikum 61 ein
flacher Stab 60 aus einem elektrisch leitenden Mater rial eingebettet ist, wobei
dieser Stab mit einer flachen streifenförmigen Auflage 62 aus einem Dielektrikum
versehen ist, welche die laufende Bahn 38 berührt.
-
Bei der Anordnung nach F i g. 4 und 5 wird nicht eine dünne Schicht
aus einem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet, wie es bei den
Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 3 der Fall ist, sondern ein flacher stabförmiger
Leiter 70 aus Metall ist in ein dielektrisches Material 71 eingebettet; dieser Stab
besitzt mehrere Quernuten, die in Fig. 5 bei 70a angedeutet sind, um die Geschwindigkeit
der Oberflächenwelle herabzusetzen, die an dem Stab 70 auf dessen der Bahn 38 benachbarter
Seite entlangwandert, so daß die Geschwindigkeit der Welle auf dieser Seite des
Stabes 70 derjenigen auf der dem Dielektrikum 71 benachbarten Seite entspricht.
-
F i g. 6 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausbildungsform nach
F i g. 5, bei der die Nuten 70 a mit einem Dielektrikum 72 gefüllt sind, bei dem
es sich um das gleiche Material handeln kann, wie es in Fig.4 bei 71 angedeutet
ist; es kann jedoch auch ein Material verwendet werden, das sich von dem Dielektrikum
auf der anderen Seite des Leiters 70 unterscheidet.
-
Fig.7 zeigt einen Stab 80 mit annähernd dreieckigen Schlitzen 80
a, die sich über die Breite des Stabes erstrecken und mit einem Dielektrikum 81
gefüllt sind; Fig. 8 zeigt dagegen einen leitenden Stab 85 mit annähernd kreisrunden
Nuten 85 a, die mit einem Dielektrikum 86 gefüllt sind und die den gleichen Zweck
erfüllen wie die Nuten 70 a in F i g. 4 bis 6. Bei den Ausbildungsformen nach F
i g. 7 und 8 bilden die Nuten 80a bzw. 85 a ebenso wie bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 5 und 6 dielek-
trische Spalte in den Flächen 80 b bzw. 85 b, die mit der
Bahn 38 (F i g. 4) in Berührung stehen.
-
In Fig 9 bis 11 ist eine weitere abgewandelte Ausbildungsform der
Erfindung dargestellt, bei der die Schwierigkeiten berücksichtigt sind, die sich
infolge der Beugung der Mikrowellenenergie ergeben, wenn auf einer Seite der Wellenführung
ein festes dielektrisches Medium vorhanden ist. Gemäß F i g. 9 ist die Wellenführung
95 in zwei Abschnitte 95n und 95b unterteilt; der Abschnitt 95 a ist in ein festes
dielektrisches Medium 97 eingebettet, während die der Luft ausgesetzte Außenfläche
des Abschnitts 95b in gleitender Berührung mit der Bahn 38 steht. Bei dieser Ausbildungsform
sind die Abschnitte 95 a und 95 b der Wellenführung durch einen Abschnitt 97 a des
Dielektrikums 97 getrennt. Bei dieser Ausbildungsform wird die Mikrowellenenergie
mit Hilfe eines in F i g. 10 angedeuteten Hornstrahlers 100 in der Weise an die
Wellenführung95 abgegeben, daß derjenige Teil der Energie, der die Bahn 38 schneidet,
von der in dem Dielektrikum 97 weiterwandernden Mikrowellenenergie im wesentlichen
unabhängig ist. Beispielsweise kann die Energie im EI (TMii) oder EL2- (TM1,-) Wellentyp
abgestrahlt werden; der E13-Wellentyp (TM11) ist in Fig. 11 dargestellt. Die beschriebene
Anordnung ermöglicht es, die Welle auf den beiden Seiten des Leiters in zwei oder
mehr Teile zu zerlegen. Der in F i g. 11 dargestellte Wellenverlauf läßt sich beispielsweise
durch Erregung des koaxialen Strahlers 100 zur Ausbildung einer E -Welle (TMii)
erreichen.
-
Da bei der Energieverteilung nach Fig. 11 keine in der Umfangsrichtung
fließenden elektrischen Ströme vorhanden sind, wird die Übertragung der Welle nicht
dadurch beeinflußt, daß man den Leiter in der gezeigten Weise in zwei Hälften unterteilt,
und zwar ohne Rücksicht darauf, ob zwischen den beiden Hälften eine dünne Schicht
eines Dielektrikums angeordnet ist oder nicht. Wenn man auf einer Seite des geteilten
Leiters ein Dielektrikum anordnet, z. B. gemäß Fig. 9 das Dielektrikum 97, wird
die Wellenkomponente auf dieser Seite (in Fig. 11 insgesamt mit 102 bezeichnet)
verlangsamt, doch wird die mit 103 bezeichnete Wellenkomponente auf der entgegengesetzten
Seite des Leiters nur wenig beeinflußt, da weder die elektrischen Feldlinien (Vollinien
in Fig. 11) noch die magnetischen Feldlinien (gestrichelte Linien in Fig. 11) den
ganzen Leiter umgeben.
-
Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß die Abmessungen und die
Anordnung der Zuführungsleitung 106 und der Speiseeinrichtung 100 entsprechend der
Energieverteilung gewählt werden, mit welcher sich die Welle längs des Leiters 95
fortpflanzt.
-
Bei einem flachen streifenförmigen Leiter 113 nach F i g. 12, der
parallele Hälften 113 a und 113 b umfaßt, würde man eine ovale oder rechteckige
Speiseeinrichtung verwenden, um eine Energieverteilung ähnlich der VerteilungsformTM
zu erzielen. Der Abschnitt 113 a kann wie zuvor in ein Dielektrikum 115 eingebettet
sein, doch kann man kleine massive dielektrische Abstandsstücke 118 an Stelle eines
massiven dielektrischen Abstandsstücks vorsehen, das den gesamten Spalt zwischen
den Abschnitten einnimmt, um für eine ausreichende mechanische Starrheit zu sorgen,
und um gleichzeitig die Verluste in dem Dielektrikum herabzusetzen.