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Anordnung zum Feuchtemessen an festen Materialien Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Messen der Feuchte an festen Materialien, bei der ein von einem
Mikrowellengenerator erzeugtes Signal in der Weise ausgestaltet wird, daß es das
zu untersuchende Material durchdringt.
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Derartige Anordnungen sind bekannt. Bei einer solchen bekannten Anordnung,
die dazu dient, den Feuchtigkeitsgehalt eines Materials mit Hilfe der Mikrowellenenergie
zu messen, wird das zu untersuchende Material zwischen einem Wellenabstrahler und
einem Wellenempfänger angeordnet bzw. hindurchgeführt. Der Empfänger leitet die
aufgenommene Wellenenergie zu einer Meßeinrichtung, mit deren Hilfe der Feuchtigkeitsgehalt
des zu untersuchenden Stoffes auf Grund der im zu untersuchenden Stoff absorbierten
Energie festgestellt wird.
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Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei der Untersuchung von Stoffen,
die in Richtung der Ausstrahlung der Wellen nur relativ geringe Abmessungen aufweisen,
der Anteil der von dem zu untersuchenden Material absorbierten Energie sehr gering
ist, so daß eine Feststellung von bestimmten Bestandteilen nur mit sehr großem Aufwand
oder überhaupt nicht möglich ist.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, daß im
Wege des Mikrowellensignals hinter dem zu untersuchenden Material eine das Signal
reflektierende Fläche angeordnet ist und die Einrichtung bzw. der Detektor zum Feststellen
des im Material absorbierten Energieanteils auf der gleichen Seite des zu untersuchenden
Materials liegt wie der Wellenstrahler. Durch diese Anordnung wird das Wellensignal
gezwungen, das zu untersuchende Material wenigstens zweimal zu durchsetzen. Dadurch
vergrößert sich der im Material absorbierte Energieinhalt ganz erheblich, so daß
auch bei dünnen Stoffen, wie dünnen Bändern, eine zur Untersuchung ausreichende
Absorption vorhanden ist. Die Anordnung bietet weiterhin den Vorteil, daß die wesentlichen
Elemente der Untersuchungsanordnung auf der gleichen Seite des zu untersuchenden
Materials angeordnet werden können, was die Anlage und das Untersuchungsverfahren
in vielen Fällen wesentlich vereinfacht. Besonders einfache Verhältnisse erhält
man, wenn man gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung eine das zu untersuchende
Material führende Mantelfläche einer Walze oder eines Zylinders reflektierende Fläche
verwendet.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert: In der Figur ist die erfindungsgemäße Anordnung
bei der Untersuchung
des Feuchtigkeitsgehaltes einer wandernden Bahn 10 aus Papier od. dgl. dargestellt.
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Die Papierbahn kann in Richtung des angedeuteten Pfeiles 11 mit Hilfe
von Führungs- und Antriebsrollen 12, 13 bzw. 15, 16 kontinuierlich an der Meßanordnung
vorbeigeführt werden. Die Mikrowellenenergie wird in einem Generator 30 erzeugt,
der von der Stromquelle 80 gespeist wird. Der Mikrowellengenerator ist mit einer
verstellbaren Dämpfungseinrichtung 32 über die Leitung 31 gekoppelt. Das Mikrowellensignal
wird einem Abstrahler für Mikrowellenenergie, beispielsweise einem homförmigen Strahler
150 zugeführt, der die Mikrowellenenergie in den Raum 151 durch den die Papierbahn
10 geführt wird, abstrahlt. Die in den Raum abgestrahlte Energie durchdringt die
Papierbahn 10 und trifft auf der anderen Seite auf eine reflektierende Fläche 152.
Die reflektierte Energie durchdringt die Papierbahn ein zweites Mal in entgegengesetzter
Richtung und wird im dargestellten Beispiel von dem hornförmigen Strahler 150 wieder
aufgenommen.
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Die Wellenführung 152, 153 und 154 zwischen der Dämpfungseinrichtung
32 und dem Strahler 150 sind mit entsprechenden Koppeleinrichtungen 156 und 157
versehen, die jeweils nur in eine Richtung wirksam sind. Die Kopplungseinrichtung
156, die die ausgehende Mikrowellenenergie dem Hornstrahler 150 zuleitet, hat die
Aufgabe einen Teil der als Signal auszustrahlenden Wellenenergie in eine Wellenführung
159
einzukoppeln, während die zweite Kopplungseinrichtung die empfangene Wellenenergie
in eine andere Wellenführung 160 einzukoppeln hat.
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Mit den beiden Wellenleitern 159 und 160 sind jeweils zwei Mikrowellendetektoren
73 und 74 verbunden, deren Ausgang mit einem entsprechenden Komparator78, z. B.
einem Quotientenmesser, verbunden sind.
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Die Koppel einrichtungen 156 und 157 können in bekannter Weise ausgeführt
sein. Sie haben die Aufgabe, jeweils nur diejenige Mikrowellenenergie auszuwählen,
die sich in einer vorbestimmten Richtung (in der Figur durch Pfeile angedeutet)
längs der Wellenführung 152, 153, 154 bewegt, während sie die in entgegengesetzter
Richtung sich fortpflanzende Energie nicht beeinflussen.
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Bei der dargestellten Anordnung wird ein bestimmter Anteil der von
dem Strahler 150 ausgestrahlten Energie von der Papierbahn 10 absorbiert. ehe die
Energie auf die reflektierende Fläche 152 trifft. Auf ihrem Rückweg zum Strahler
150 wird von der reflektierten Wellenenergie ein weiterer, im wesentlichen gleich
großer Anteil wie beim ersten Durchgang von der Papierbahn absorbiert, so daß eine
zweimalige Energieabsorption durch die Papier bahn erfolgt. Im Komparator 78 wird
die Größe der abgestrahlten und die Größe der empfangenen Energie verglichen und
aus der Differenz der beiden Energien auf den von der Papierbahn absorbierten Anteil
geschlossen. Aus diesem Anteil kann dann in bekannter Weise der Feuchtigkeitsgehalt
der untersuchten Bahn bestimmt und mit Hilfe einer entsprechend gerichteten Anzeigevorrichtung
angezeigt werden.
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Die neue Anordnung läßt sich bevorzugt bei verhältnismäßig dünnen
Papierbahnen mit einem Gewicht von bis zu etwa 450 g/m2 anwenden.
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Besonders vorteilhafte Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn man
als reflektierende Fläche 152 die Metalloberfläche einer Walze verwendet, über die
die Bahn 10 hinwegläuft. Dabei soll die Walze einen ausreichend großen Durchmesser
aufweisen, damit eine genügend starke Reflexion der Mikrowellenenergie in Richtung
auf den Empfänger 150 gewährleistet ist.
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Der Strahler 150 kann in der Weise ausgebildet und angeordnet sein,
daß der von ihm erfaßte Raumwinkel nur einen Teil der Fläche des zu untersuchenden
Materials umfaßt, so daß nur in diesem erfaßten Bereich die gewünschte Untersuchung
vorgenommen wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß man den Feuchtigkeitsgehalt
bei Papierbahnen od. dgl. in verschiedenen Breitenzonen der Bahn untersuchen und
entsprechende Maßnahmen zur Veränderung des Feuchtigkeitsgehaltes in diesen Bereichen
vornehmen kann.
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Der Abstand bzw. die Lage der Papierbahn vom Strahler bzw. innerhalb
des vom Strahler und der reflektierten Fläche begrenzten Raumes ist nicht kritisch.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß man bei einer Wellenlänge von etwa 1,35 cm den Strahler
150 zweckmäßigerweise in einem Abstand von etwa 75 mm von der reflektierenden Fläche
152 anordnen sollte, um besonders gute Ergebnisse zu erhalten.
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Es hat sich weiterhin gezeigt, daß die prozentuale Reflexion sehr
empfindlich von der Wellenlänge abhängt. So betrug die Reflexion bei Kartonmaterial
mit einem Gewicht von etwa 4,40 g/m- etwa 22 0/o bei einer Wellenlänge von 1,05
cm, S,50/o bei einer
Wellenlänge von etwa 1,2 cm, 28 ovo bei einer Wellenlänge von
etwa 1,25 cm und 3,40/0 bei einer Wellenlänge von 1,35°/o. Als Wert für die Reflexion
wurde in diesem Fall das Verhältnis der stehenden Spannungswelle -1 zu den stehenden
Spannungswellen + 1 benutzt. Die Absorption besitzt damit bei einer Wellenlänge
von 1,35 cm ein Maximum und ist für verschiedene Feuchtigkeitsgehalte des Papiers
stabil.
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Bei der Ermittlung des günstigsten Abstandes zwischen Strahler 150
und dem Reflektor 152 zeigte es sich, daß die maximale Empfindlichkeit für die Feuchtigkeit
bei einem Abstand von etwa 40 mm zwischen dem Strahler 150 und dem Reflektor gegeben
ist. An diesem Punkt bewirkt eine Anderung des Abstandes um etwa 1,25 mm eine Änderung
der Reflexion um etwa 10/o. Wenn man den Abstand auf etwa 75 mm vergrößert, führt
eine Anderung des Abstandes um etwa 1,25 mm zu einer Änderung der Reflexion um weniger
als 0,5 O/o. Die Empfindlichkeit gegenüber der Feuchtigkeit beträgt an diesem letzteren
Punkt bei Feuchtigkeitsgehalten von mehr als 100/o eine Änderung der Reflexion um
5 bis 70/a bei einer Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes um 100/0.
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Bei Feuchtigkeitsgehalten von 100/o und darunter ruft eine Änderung
des Feuchtigkeitsgehaltes um 1 "/e eine Änderung der Reflexion um 10/o hervor. Diese
Änderung reicht für die Erfüllung der Genauigkeitsanforderungen aus, und sie ist
von Änderungen des Abstandes relativ unabhängig, wenn sich diese Änderungen in engen
Grenzen halten. Man erkennt somit, daß der optimale Abstand für die Zwecke des Ausv
führungsbeispiels bei etwa 75 mm liegt.
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Wenn der Abstand der reflektierenden Fläche 152 von dem Strahl er
etwa 75 mm beträgt, variiert die prozentuale Reflexion bei Papier mit einem Gewicht
von etwa 50 g/m2 in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt bei einer Wellenlänge von
1,35 cm allgemein wie folgt:
| Feuchtigkeitsgehalt Reflexion |
| 150/0 340/o |
| 3O0/o 32°/o |
| 45 ovo 300/0 |
| 60 °/o 28 ovo |
| 75 o/0 26 °/n |
| 9O0/o 24 ovo |
Bei dem System erhält man bei einer Wellenlänge von 1,35 cm und einem etwas größeren
Abstand zwischen Strahler 150 und der Fläche 152 für Papierproben der angegebenen
Gewichte die nachstehend aufgeführten Ergebnisse: Probe: 50 g/m4
| Feuchtigkeitsgehalt 1 Reflexion |
| O O/o 17,1 ovo |
| 16°/o 15,60/0 |
| 63 ovo 14,9 ovo |
Probe: 200g/m2
| Feuchtigkeitsgehalt 1 Reflexion |
| 19 ovo 15,3 ovo |
| 44°/o 10,70/0 |
| 56 O/o 10,4 O/o |
| 84°lo 10°/o |
Probe: 450 g/m2
| Feuchtigkeitsgehalt | Reflexion |
| 32 ovo 12,8 °/o |
| 41% 10 ovo |
| 48<)/o 9,6 ovo |
| 60 ovo 9,1o |
Probe: Paraffinkarton
| Feuchtigkeitsgehalt | Reflexion |
| 190/o 12,40/o |
| 32% 5,3 via |
| 420:0 4,7 ovo |
| 56 ovo 3,9 oil |
Im allgemeinen zeigt es sich, daß die prozentuale Reflexion nicht eine lineare Funktion
des Feuchtigkeitsgehalts im K-Band (0,91 bis 2,73 cm) ist und daß sich der Reflexionsprozentsatz
bei niedrigem prozentualem Feuchtigkeitsgehalt relativ schnell ändert.
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Zum Bestimmen der Empfindlichkeit der Anordnung wurde ein hornförmiger
Strahler wie der bei 150 angedeutete in einem Ofen angeordnet, so daß das Papier
trocken gehalten werden konnte. Die mit dieser Anordnung gewonnenen Werte zeigten,
daß sich nur geringe Unterschiede ergaben bzw. daß keinerlei Wirkung auftrat, wenn
man das Papier zwischen den Strahler und den Metallreflektor brachte. Bei der Probe
mit einem Gewicht von etwa 50 g/m2 zeigte sich kein Unterschied in der Reflexion,
doch trat bei den schwereren Papiersorten ein geringer Unterschied auf, wobei sich
der größte Unterschied bei Papier mit einem Gewicht von etwa 450 gjm2 ergab. Hier
betrug der Unterschied in der
Reflexion beim Vorhandensein bzw. beim Nichtvorhandensein
des trockenen Papiers zwischen dem Strahler und dem Metallreflektor 1,5 0/o.
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Es zeigte sich, daß dann, wenn man Mikrowellenenergie längs einer
offenen Wellenführung überträgt und man einen festen Körper, z. B. eine Papierbahn,
in unmittelbare Nähe der Wellenführung bringt, die gegebenenfalls von der Papierbahn
mitgeführte Feuchtigkeit einen Energieverlust hervorruft, der ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt
der Bahn bietet.
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Wie bereits erwähnt, wurde entdeckt, daß bei bestimmten kritischen
Wellenlängen im Mikrowellenbereich, z. B. bei 1,35 cm, die längs einer offenen Wellenführung
übertragene Mikrowellenenergie von der Dicke der Papierbahn relativ unbeeinflußt
bleibt und daß hierbei eine kritische Empfindlichkeit gegenüber dem Feuchtigkeitsgehalt
des Materials, d. h. hier des Papiers, besteht.