DE1573968B2

DE1573968B2 - Vorrichtung zum Messen einer Material eigenschaft

Info

Publication number: DE1573968B2
Application number: DE1573968A
Authority: DE
Inventors: Nils Bertil Danderyd Agdur (Schweden)
Original assignee: SKANDINAVISKA PROCESSINSTRUMENT STOCKHOLM AB
Current assignee: SKANDINAVISKA PROCESSINSTRUMENT STOCKHOLM AB
Priority date: 1964-05-29
Filing date: 1965-05-28
Publication date: 1973-10-31
Also published as: GB1106185A; FI45901B; DE1573968C3; DE1573968A1; US3458808A; CH430281A; FR1434867A; FI45901C

Description

3 ■ . 4

Fig. 12 eine graphische Darstellung, die zur Er- ändert. Um diesen ungünstigen Einfluß noch stärker

läuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach einzuschränken, kann der Hohlkörper nach einer

F i g. 11 dient. Weiterentwicklung der Erfindung mit einem Element

Wie bereits erwähnt, weist die Vorrichtung einen in Form einer Scheibe, eines Ringes, einer Kugel od. elektrischen Hochfrequenzgenerator, eine Meßzelle 5 dgl. ausgestattet werden, wodurch fehlerhafte Mesin Form eines Hochfrequenzresonanzkreises, bei- sungen auf Grund von Veränderungen der Entferspielsweise einen Hohlraumresonator, mit einer Öff- nung δ der beiden Hohlkörperhälften voneinander nung, durch die das Material durch den Resonanz- gänzlich oder teilweise ausgeschaltet werden. Die kreis hindurchgeführt werden kann, und eine Schal- Kurve 42 in der Fig.4 zeigt, wie diese Maßnahme tung zum Anzeigen der gewünschten Eigenschaft auf. io bewirkt, daß die Frequenzdifferenz A f mit einem Die Meßzelle ist derart als Hochfrequenzresonanz- veränderlichen δ sich in viel weniger großem Auskreis ausgestaltet, daß sie Eigenresonanzen für zwei maß verändert. Bei einem Abstand δ von ungefähr benachbarte, jedoch gut voneinander getrennte Fre- 3,5 mm bleibt A f annähernd konstant,
quenzen aufweist. Wäre der Resonanzkreis als Hohl- Die Fig. 5 zeigt, wie diese Wirkung mit Hilfe von raumresonator in zwei einander gleiche Hälften un- 15 dielektrischen Scheiben 51 und 52 erzielt wird, die in terteilt, so würde der Hohlraum bei Erregung in zwei den beiden Hohlkörperhälften angeordnet sind.
Modi, etwa TE_0n und TM₁₁₁, für diese beiden Modi Die Fig. 6 zeigt, wie derselbe Effekt durch kreisbei derselben Frequenz Resonanzeigenschaften auf- runde Verformungen 61 und 62 an den Wandungen weisen. In der Praxis sind die beiden Hälften des der Hohlkörperhälften erreicht wird. Diese Verfor-Hohlraumes einander nicht genau gleich, so daß die ao mungen sind in den beiden Hälften einander gleich, beiden Resonanzfrequenzen etwas voneinander ver- Die Abmessungen dieser Verformungen können in schieden sind, wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist. Der einigen Fällen bestimmt werden aus den Gleichun- -' eine der beiden Modi, TE₀₁₁, weist eine gut ausgebil- gen:

dete Resonanzfrequenz auf, während der andere Mo- 2Z₁ + I = L (1)
dus TM₁₁₁ eine doppelte Spitze besitzt, die die Be- 25

Stimmung der Resonanzfrequenz erschwert. Experi- d . πΐ _ . .

mente haben gezeigt, daß der Hohlraum gut ausge- ~jT^sm ~^£ ~~ ' ' '
prägte Resonanzeigenschaften für zwei benachbarte,

jedoch gut voneinander getrennte Frequenzen auf- wobei die GrößenZ₁, 1, L, d und r in der Fig. 6 beweist, wenn bei einer der Hohlraumhälften ein die 30 zeichnet sind, während die Größe A gleich der Steilelektrische Symmetrie störendes Element, z.B. eine heit der Kurve in der Fig.7 ist, die zeigt, wie die Schraube, ein Ansatz od. dgl., vorgesehen wird. Dies normalisierte Frequenzdifferenz sich mit der ist in der F i g. 2 dargestellt, die die Resonanzkurve Strecke δ für einen gewöhnlichen Hohlraum veränfür den Modus TM₁₁₁ zeigt, die nunmehr zwei geson- dert.
derte Spitzen TM₁₁₁ und TM₁₁₁" aufweist. 35 Die F i g. 8 zeigt eine Vorrichtung mit einer elek-

Die F i g. 3 zeigt einen Hohlkörper der genannten irischen Hochfrequenzenergiequelle 10, deren Fre-Art. Der Hohlkörper weist die Form eines kreisrun- quenz innerhalb eines bestimmten Frequenzintervalls den Zylinders auf, der längs einer zur Symmetrie- gewobbelt wird, mit einer Meßzelle 11, die als bimoachse des Zylinders senkrechten Ebene in zwei Half- daler Resonanzkreis oder Resonator ausgebildet ist, ten 31 und 32 aufgeteilt ist, deren Abstand voneinan- 40 d. h. Resonanzfrequenzspitzen in zwei-verschiedenen der gleich δ ist. Der Halbhohlkörper 31 weist Mittel Schwingungsarten aufweist, und durch die das zu zum Ein- und Auskoppeln 33 und 34 auf sowie eine messende Material 14 hindurchgefühlt wird, mit Schraube 35, die als ein die elektrische Symmetrie einem Detektor 12, der der Meßzelle 11 nachgeschalstörendes Element wirkt. Das zu messende Material tet ist und Signale aus der Meßzelle ableitet, gleichwird zwischen die beiden Hälften 31 und 32 einge- 45 richtet, verstärkt und begrenzt, und mit einer aus führt, und um dieses Einführen zu erleichtern, sind einem Flipflop 15 und einem Anzeigegerät 13 bebeide Hohlkörperhälften mit den Flanschen 36 und stehenden Anzeigeschaltung, die z.B. den Feuchtig-37 versehen, die das Material führen. Beim Messen keitsgehalt eines Materials in Abhängigkeit von dem gewisser Arten von Material, z. B. Papier, besteht die zeitlichen Abstand der Signale aus dem Detektor 12 Gefahr, daß sich Materialteilchen in den Hohlraum- 50 anzeigt.

hälften ansammeln, so daß es ratsam ist, beide Hohl- Der Detektor 12 formt aus den Signalen gemäß raumhälften z.B. mit Luft auszublasen. Öffnungen Fig.2, die von der als Resonanzkreis ausgebildeten für die Blasluft können in der Nähe der waagerech- Meßzelle 11 abgenommen werden, in an sich beten Kante der Flansche 36 und 37 vorgesehen wer- kannter Weise durch Differenzierung, Beseitigung den (in der Fig.3 nicht dargestellt). Aus der Fig. 3 55 der positiven Komponente, Verstärkung, durch weiist zu ersehen, daß jede Hohlkörperhälfte im Innern tere Differenzierung, Beseitigung der positiven Koman der Zylinderwandung mit einem kreisrunden Vor- ponente und Inversion Impulse P 1 und P 0 gemäß sprung versehen ist. Dieser wird an Hand der F i g. 6 F i g. 9 zu den Zeitpunkten der Resonanzfrequenznoch beschrieben. spitzen für die beiden verschiedenen Schwingungsar-

Die Benutzung von zwei verschiedenen Modi wie 60 ten, die in der Meßzelle in einem Wobbeiintervall

TjE₀₁₁ und TM₁₁₁ bei der Messung beseitigt in gewis- der Hochfrequenzenergiequelle 10 angeregt werden,

sem Ausmaß den ungünstigen Einfluß, den Schwan- Diese beiden Impulse Pl und PO werden auf ein Flip-

kungen der Strecket zwischen den Hohlkörperhälf- flop gegeben, an dessen Ausgang ein Rechteckim-

ten auf die Messung ausüben, welcher Einfluß jedoch puls nach Fig. 10 erhalten wird. Die Reihe der

nicht gänzlich beseitigt werden kann. Dies ist in der 65 Rechteckimpulse wird zum Anzeigegerät 13 geleitet,

F i g. 4 schematisch dargestellt, in der die Kurve 41 das so ausgestaltet und geeicht ist, daß es den Feuch-

zeigt, wie die Frequenzdifferenz A f zwischen den tigkeitsgehalt des Papiers anzeigt,

beiden Resonanzfrequenzen sich mit der Strecke δ Die Fig. 11 zeigt eine Abwandlung der Vorrich-

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tung. Diese Vorrichtung enthält gleich der Vorrich- Wie bereits erwähnt, wird aus der Anzeigevorrichtung nach der F i g. 8 die Einheiten 10, 11, 12, 13 tung 13 eine Information über z. B. den Feuchtig- und 15 sowie einen Bezugsresonanzkreis 16, der an keitsgehalt eines durch die Meßzelle hindurchgeleiteden Ausgang der gewobbelten Hochfrequenzenergie- ten Papiers erhalten. Hierbei wurde stillschweigend quelle 10 angeschlossen ist, und einen Detektor 17, 5 vorausgesetzt, daß das Papier eine gleichbleibende der dem Detektor 12 gleicht. Der Detektor 17 ist Dicke aufweist. Trifft dies nicht zu, so könnte die zwischen den Bezugsresonanzkreis 16 und das Flip- Vorrichtung 13 denselben Prozentsatz für zwei Paflop 15 geschaltet, dem ein Impuls P1 aus der piere mit verschiedenen Dicken und mit unterschied-Meßzelle 11, durch die das Papier 14 hindurchgelei- lichem Feuchtigkeitsgehalt pro Volumeinheit anzeitet wird, sowie ein Impuls P 2 aus dem Bezugsreso- io gen oder zwei verschiedene Prozentsätze für zwei nanzkreis 16 zugeführt wird. Das Flipflop 15 leitet verschieden starke Papiere, die denselben Feuchtigzum Anzeigegerät 13 eine Reihe von Impulsen, von keitsgehalt pro Volumeinheit aufweisen,
denen jeder eine Dauer gleich t₂ — t_t nach der Zum Messen des Feuchtigkeitsgehaltes eines Pa-Fig. 12 aufweist. Durch Messen des Gleichstrom- piers mit unbekannter Dicke können zwei Vorrichwertes der Reihe von Impulsen in dem Anzeigegerät 15 tungen nach z.B. der Fig. 8 benutzt werden, in wel-13 wird ein Maß für t₂ — t_x und damit ein Maß für chem Falle der die Meßzelle bildende Resonanzkreis den Feuchtigkeitsgehalt des Papiers erhalten. der einen Meßeinrichtung ausgeprägte Resonanzei-

Muß aus Gründen der Praxis die als Hohlkörper genschaften für zwei benachbarte, jedoch gut vonein-

ausgebildete Meßzelle geöffnet werden, wenn das ander getrennte Frequenzen aufweist, während der

Material eingeführt werden soll, so besteht die Ge- 20 Resonanzkreis der anderen Meßeinrichtung ausge-

fahr, daß die Genauigkeit der Messung weitgehend prägte Resonanzeigenschaften für zwei benachbarte,

von der Genauigkeit abhängt, mit der der Abstand jedoch gut voneinander getrennte Frequenzen auf-

der Hälften des Hohlkörpers eingestellt wird. Dieser weist, die sich jedoch von den Resonanzfrequenzen

Nachteil wird z. B. durch einen Hohlkörper vermie- des erstgenannten Resonanzkreises wesentlich unter-

den werden, der ausgeprägte Resonanzeigenschaften 25 scheiden. Der Feuchtigkeitsgehalt kann dann durch

für die Energie nach zwei verschiedenen Schwin- Kombinieren der Ergebnisse aus den beiden Meßein-

gungsmodi, z. B. TJE₀₁₁ und T¹M₁₁₁, aufweist. Befin- richtungen miteinander bestimmt werden,

det sich zwischen den Hohlkörperhälften kein Fest- Der Anmeldungsgegenstand wurde bisher in der

stoff, so ist die Resonanzfrequenz für beide Modi Hauptsache im Zusammenhang mit der Messung des

gleich. Wird z.B. ein Papier zwischen die beiden 30 Wassergehaltes im Papier beschrieben. Der Einfluß,

Hälften eingeführt, so ändern sich die Resonanzfre- den die Dicke des Papiers auf die Messung ausübt,

quenzen für die beiden Schwingungsmodi verschie- zeigt jedoch, daß der Anmeldungsgegenstand ebenso-

den, und die Differenz zwischen den beiden Reso- gut auch zum Messen der Stärke von Papier ange-

nanzfrequenzen wird zu einem Maß für den Feuchtig- wendet werden kann, in welchem Falle der Einfluß

keitsgehalt des Papiers. 35 eines unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehaltes besei-

Wird der Abstand zwischen den beiden Hohlkör- tigt werden kann. Der Anmeldungsgegenstand kann

perhälften etwas verändert, so werden beide Reso- in allen Fällen angewendet werden, wenn Eigen-

nanzfrequenzen ungefähr um denselben Wert verscho- schäften eines Materials gemessen werden sollen, die

ben, so daß der Fehler bei der Messung als Folge die Resonanz in einem Hochfrequenzresonanzkreis

solcher Änderungen verhältnismäßig klein wird. 40 beeinflussen.

Weist ein Resonanzkreis ausgeprägte Resonanzei- Daß das Material aus einem »Feststoff« bestehen

genschaften für zwei verschiedene Schwingungsmodi soll, bedeutet lediglich, daß es in eine Meßzelle ein-

auf, so kann es unter gewissen Umständen vorteilhaft geführt und aus dieser wieder herausgeführt werden

sein, die Resonanzfrequenzen für den leeren Reso- kann.

nanzkreis sehr nahe beieinanderliegend zu bemessen. 45 Ein Material in Form eines in einer dünnen Um-

Hierdurch wird die Messung von z. B. verhältnismä- hüllung befindlichen Pulvers kann daher auch als ein

ßig kleinen Feuchtigkeitsgraden erleichtert. Feststoff angesehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrich- Patentansprüche: tung zum Messen einer Materialeigenschaft, wie z. B. der Feuchtigkeit, der Dicke oder der Reinheit eines

1. Vorrichtung zum Messen einer Materialei- Stoffes, mit einer Hochfrequenzquelle, einer zur Aufgenschaft, wie z.B. der Feuchtigkeit, der Dicke 5 nähme des zu untersuchenden Materials geeigneten oder der Reinheit eines Stoffes, mit einer Hoch- Meßzelle, die als Hochfrequenz-Resonanzkreis ausfrequenzquelle, einer zur Aufnahme des zu unter- gebildet ist, so daß die Resonanzfrequenz des Resosuchenden Materials geeigneten Meßzelle, die als nanzkreises vom eingebrachten Material beeinflußt Hochfrequenzresonanzkreis ausgebildet ist, so wird, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises io Bezugsfrequenz, aus deren Abstand zur Resonanzfrevom eingebrachten Material beeinflußt wird, und quenz des Resonanzkreises die zu untersuchende mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Be- Materialeigenschaft bestimmt wird,
zugsfrequenz, aus deren Abstand zur Resonanz- Aus der schweizerischen Patentschrift 365 562 ist frequenz des Resonanzkreises die zu untersu- eine Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit eines chende Materialeigenschaft bestimmt wird, d a - 15 Gegenstandes bekannt, bei der das zu untersuchende durch gekennzeichnet, daß Mittel zur Material in eine Meßzelle gebracht wird, die Be-Wobbelung der Frequenz der Hochfrequenz- standteil des Resonanzkreises eines Hochfrequenzosquelle in einem bestimmten, die Resonanzfre- zillators ist, so daß die Resonanzfrequenz dieses quenz und die Bezugsfrequenz enthaltenden In- Kreises und damit die Ausgangsfrequenz des Hochtervall vorgesehen sind, daß Einrichtungen (12, 20 frequenzosziUators durch das eingebrachte Material 17) zur Erzeugung jeweils eines Signals vorhan- beeinflußt wird.

den sind, wenn die Frequenz der HF-Quelle Aus der USA.-Patentschrift 2 792 548 ist eine gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzkrei- Vorrichtung zur Gasanalyse bekannt, die einen ses bzw. gleich der Bezugsfrequenz ist, und daß Hohlraumresonator als Meßzelle besitzt und nach eine Schaltung (15, 13) zur Bestimmung der ge- 25 dem gleichen Prinzip arbeitet wie das Gerät der gesuchten Materialeigenschaft aus dem zeitlichen nannten schweizerischen Patentschrift.
Abstand der beiden letztgenannten Signale vorge- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sehen ist. eine verbesserte Vorrichtung zum Messen kleiner

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Feuchtigkeitsänderungen in Materialien zu schaffen,
kennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonanz- 30 Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gekreis ein bimodaler Resonator ist, der für zwei löst, daß Mittel zur Wobbelung der Frequenz der verschiedene Schwingungsmoden Resonanzen Hochfrequenzquelle in einem bestimmten, die Reaufweist, deren eine die Resonanzfrequenz und sonanzfrequenz und die Bezugsfrequenz enthaltenderen andere die Bezugsfrequenz festlegt. den Intervall vorgesehen sind, daß Einrichtungen zur

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 Erzeugung jeweils eines Signals vorhanden sind, kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung wenn die Frequenz der Hochfrequenzquelle gleich der Bezugsfrequenz aus einem zusätzlichen der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises bzw. Hochfrequenzresonanzkreis besteht, der elek- gleich der Bezugsfrequenz ist, und daß eine Schaltrisch mit der Energiequelle verbunden ist und tung zur Bestimmung der gesuchten Materialeigeneine Resonanz bei der Bezugsfrequenz aufweist. 40 schaft aus dem zeitlichen Abstand der beiden letztge-

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- nannten Signale vorgesehen ist.

durch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzre- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in

sonanzkreis aus einem Kreiszylinder besteht, der den Unteransprüchen gekennzeichnet,

in zwei Hohlraumteile durch eine zur Achse des Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in

Zylinders senkrecht stehende Ebene aufgeteilt ist. 45 den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen nä-

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge- her erläutert. Es zeigen
kennzeichnet, daß die beiden Hohlraumteile etwa F i g. 1, 2 je ein Frequenzdiagramm,

in den Abmessungen gleich sind und einer der F i g. 3 einen Schnitt durch einen die Meßzelle bil-

beiden Hohlraumteile vom elektrischen Stand- denden Hochfrequenzresonanzkreis, der in der punkt aus ein die Symmetrie störendes Element 50 Zeichnung beispielhaft als Hohlraumresonator ausaufweist, gebildet ist,

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, da- F i g. 4 eine graphische Darstellung von Kurven für durch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraumteil so^ eine Frequenzdifferenz Af als eine Funktion eines ausgebildet ist, daß Frequenzdifferenzen in der Luftspaltes δ zwischen zwei Hälften des beispielhaf-Resonanzfrequenz und der Bezugsfrequenz auf 55 ten Hohlraumresonators,

Grund kleiner Änderungen der Abmessungen der F i g. 5 einen Schnitt durch einen anderen Hohlöffnung zwischen den Hohlraumteilen praktisch körper,
ausgeschlossen sind. F i g. 6 eine Darstellung einiger Abmessungen des

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden als Beispiel gewählten Hohlraumresonators nach der Ansprüche zur Elimination des Einflusses von 60 F i g. 3,

anderen als der zu bestimmenden Materialeigen- F i g. 7 eine der F i g. 4 ähnliche Kurvendarstel-

schaft auf das Meßergebnis, dadurch gekenn- lung,

zeichnet, daß eine weitere Vorrichtung nach F i g. 8 eine schematische Darstellung des Prinzips

einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen der Vorrichtung,

ist, deren Resonanz- und Bezugsfrequenz ver- 65 Fig. 9, 10 je eine graphische Darstellung der Ar-

schieden sind von denen der ersten Vorrichtung. beitsweise der Vorrichtung nach F i g. 8,

F i g. 11 eine Darstellung einer Abwandlung der Vorrichtung nach der F i g. 8,