DE1573968C3

DE1573968C3 - Vorrichtung zum Messen einer MateriaJeigenschaft

Info

Publication number: DE1573968C3
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: 1974-05-30
Also published as: US3458808A; DE1573968B2; DE1573968A1; GB1106185A; FR1434867A; CH430281A; FI45901C; FI45901B

Description

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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 Entf erspielsweise 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 F i g. 4 zeigt, wie diese Maßnahme tung zum Anzeigen der gewünschten Eigenschaft auf. io bewirkt, daß die Frequenzdifferenz Δ j 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 <5 von ungefähr benachbarte, jedoch gut voneinander getrennte Fre- 3,5 mm bleibt Af annähernd konstant,
quenzen aufweist. Wäre der Resonanzkreis als Hohl- Die F i g. 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 Hohlkörperhälf ten angeordnet sind.
Modi, etwa TjE₀₁₁ und TM₁₁₁, für diese beiden Modi Die F i g. 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 20 mungen sind in den beiden Hälften einander gleich, beiden Resonanzfrequenzen etwas voneinander ver- Die Abmessungen dieser Verformungen können in schieden sind, wie aus der F i g. 1 zu ersehen ist. Der einigen Fällen bestimmt werden aus den Gleichuneine der beiden Modi, TE₀₁₁, weist eine gut ausgebil- gen:

dete Resonanzfrequenz auf, während der andere Mo- 2Z₁ + I=X, (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- * ^sm TT" ~ ' ^)
prägte Resonanzeigenschaften für zwei benachbarte,

jedoch gut voneinander getrennte Frequenzen auf- wobei die Größen Z₁, 1, L, d und r in der F i g. 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 ö 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 hindurchgeführt 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 F i g. 3 nicht dargestellt). Aus der F i g. 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 P1 und P O 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 Wobbelintervall

TE₀₁₁ 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 Strecke δ 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 Δ 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 Fig.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 Pl 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 i₂ — 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 F i g. 8 benutzt werden, in wel-13 wird ein Maß für t₂ — t_± 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. TE₀₁₁ und TM₁₁₁, 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. 4° 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

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen einer Materialeigenschaft, wie z.B. der Feuchtigkeit, der Dicke oder der Reinheit eines Stoffes, mit einer Hochfrequenzquelle, einer zur Aufnahme des zu untersuchenden Materials geeigneten Meßzelle, die als Hochfrequenzresonanzkreis ausgebildet ist, so daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises vom eingebrachten Material beeinflußt wird, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer Bezugsfrequenz, aus deren Abstand zur Resonanzfrequenz des Resonanzkreises die zu untersuchende Materialeigenschaft bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Wobbelung der Frequenz der Hochfrequenzquelle in einem bestimmten, die Resonanzfrequenz und die Bezugsfrequenz enthaltenden Intervall vorgesehen sind, daß Einrichtungen (12, 17) zur Erzeugung jeweils eines Signals vorhanden sind, wenn die Frequenz der HF-Quelle gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises bzw. gleich der Bezugsfrequenz ist, und daß eine Schaltung (15, 13) zur Bestimmung der gesuchten Materialeigenschaft aus dem zeitlichen Abstand der beiden letztgenannten Signale vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonanzkreis ein bimodaler Resonator ist, der für zwei verschiedene Schwingungsmoden Resonanzen aufweist, deren eine die Resonanzfrequenz und deren andere die Bezugsfrequenz festlegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Bezugsfrequenz aus einem zusätzlichen Hochfrequenzresonanzkreis besteht, der elektrisch mit der Energiequelle verbunden ist und eine Resonanz bei der Bezugsfrequenz aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzresonanzkreis aus einem Kreiszylinder besteht, der in zwei Hohlraumteile durch eine zur Achse des Zylinders senkrecht stehende Ebene aufgeteilt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlraumteile etwa in den Abmessungen gleich sind und einer der beiden Hohlraumteile vom elektrischen Standpunkt aus ein die Symmetrie störendes Element aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraumteil so, ausgebildet ist, daß Frequenzdifferenzen in der Resonanzfrequenz und der Bezugsfrequenz auf Grund kleiner Änderungen der Abmessungen der Öffnung zwischen den Hohlraumteilen praktisch ausgeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Elimination des Einflusses von anderen als der zu bestimmenden Materialeigenschaft auf das Meßergebnis, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, deren Resonanz- und Bezugsfrequenz verschieden sind von denen der ersten Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Materialeigenschaft, wie z. B. der Feuchtigkeit, der Dicke oder der Reinheit eines Stoffes, mit einer Hochfrequenzquelle, einer zur Aufnähme des zu untersuchenden Materials geeigneten Meßzelle, die als Hochfrequenz-Resonanzkreis ausgebildet ist, so daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises vom eingebrachten Material beeinflußt wird, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung einer ίο Bezugsfrequenz, aus deren Abstand zur Resonanzfrequenz des Resonanzkreises die zu untersuchende Materialeigenschaft bestimmt wird.

Aus der schweizerischen Patentschrift 365 562 ist eine Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit eines Gegenstandes bekannt, bei der das zu untersuchende Material in eine Meßzelle gebracht wird, die Bestandteil des Resonanzkreises eines Hochfrequenzoszillators ist, so daß die Resonanzfrequenz dieses Kreises und damit die Ausgangsfrequenz des Hochfrequenzoszillators durch das eingebrachte Material beeinflußt wird.

Aus der USA.-Patentschrift 2 792 548 ist eine Vorrichtung zur Gasanalyse bekannt, die einen Hohlraumresonator als Meßzelle besitzt und nach dem gleichen Prinzip arbeitet wie das Gerät der genannten schweizerischen Patentschrift.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen kleiner Feuchtigkeitsänderungen in Materialien zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Mittel zur Wobbelung der Frequenz der Hochfrequenzquelle in einem bestimmten, die Resonanzfrequenz und die Bezugsfrequenz enthaltenden Intervall vorgesehen sind, daß Einrichtungen zur Erzeugung jeweils eines Signals vorhanden sind, wenn die Frequenz der Hochfrequenzquelle gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises bzw. gleich der Bezugsfrequenz ist, und daß eine Schaltung zur Bestimmung der gesuchten Materialeigenschaft aus dem zeitlichen Abstand der beiden letztgenannten Signale vorgesehen ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1, 2 je ein Frequenzdiagramm,

F i g. 3 einen Schnitt durch einen die Meßzelle bildenden Hochfrequenzresonanzkreis, der in der Zeichnung beispielhaft als Hohlraumresonator ausgebildet ist,

Fig. 4 eine graphische Darstellung von Kurven für eine Frequenzdifferenz Δ f als eine Funktion eines Luftspaltes δ zwischen zwei Hälften des beispielhaften Hohlraumresonators,

F i g. 5 einen Schnitt durch einen anderen Hohlkörper,

F i g. 6 eine Darstellung einiger Abmessungen des als Beispiel gewählten Hohlraumresonators nach der Fig.3,

F i g. 7 eine der F i g. 4 ähnliche Kurvendarstellung,

F i g. 8 eine schematische Darstellung des Prinzips der Vorrichtung,

Fig.9, 10 je eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach F i g. 8,

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