DE1798449A1 - Verfahren und apparatur zum messen des feuchtigkeitsgehalts eines materials - Google Patents

Description

JCingsbury Technology Inc. . P 17 9Ö 449,3-52

Verfahren und Apparatur zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials.

Beim Umgang mit Werkstoffen ist es oft notwendig, Eigenschaf- M ten wie Feuchtigkeitsgehalt, Zusammensetzung, Dichte und dergleichen zu messen. Beispielsweise beeinflußt der Feuchtigkeitsgehalt das physikalische und chemische Verhalten von Werkstoffen; er trägt auch zum Materialgewicht und damit zum Rechnungswert bei.

Dies ist der Fall in der Papier- und Papierstoff-Industrie, wo das Enderzeugnis für die Verschiffung nach anderen Behandlungszentren oft aus Faserplatten besteht,- Die Blätter, die die Beschaffenheit von schwerem Löschpapier haben, werden Pulpe genannt. Sie verden aufeinandergelegt zwecks Bildung von Ballen. Die Ballen werden zusammengepresst, um ihr Volumen zu verringern und für die Verschiffung umreift. Der Rechnungswert der Ballen ist durch das Gewicht der Trockenfaser mit einer festgesetzten Spanne für den Prozentgehalt an

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Feuchtigkeit bestimmt. Demzufolge gestattet eine genaue Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes eine genaue Festsetzung der Kosten. Überdies werden auch die Verschiffungskosten vom Feuchtigkeitsgehalt beeinflußt, soweit sie auf dem Bruttogewicht beruhen. Außerdem kann die weitere Behandlung , an den Empfangsstellen erfordern, daß der Feuchtigkeitsgehalt in Rechnung gestellt wird, da viele chemische Prozesse nach dem Trockengewicht der zu behandelnden Zellulosefaser geil steuert werden.

Eine der Techniken zur Messung einer selektiven Werkstoffeigenschaft bedient sich der Tatsache, daß eine elektrische Materialkonstante, wie etwa ihre Dielektrizitätskonstante, für die selektive, zu prüfende Eigenschaft maßgeblich sein kann. Beispielsweise ergibt sich bei wachsendem Feuchtigkeitsgehalt eines Werkstoffes unter Konstanthaltung anderer Eigenschaften ein entsprechender Zuwachs der Dielektrizitätskonstante. Bei Anwendung dieser Technik wird gewöhnlich der Werkstoff als Dielektrikum,einer Kapazitäts-Meßzelle verwendet. Die Zelle kann so kalibriert sein, daß eine angezeigte Änderung in der Kapazität ein Maß für die ausgewählte Eigenschaft ist. Gleichzeitig ist dafür Sorge zu tragen, sicherzustellen, daß die angezeigte Änderung in der Kapazität auch zu dem in Prüfung befindlichen Material gehört und nicht merklich durch störende Effekte beeinflußt ist, wie Kapazitäts-

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wechsel im inaktiven Teil, die zur Kapazitäts-Meßzelle gehören und eine Drift in der Nenn-Frequenz eines mit der · Testzelle verwendeten Oszillators.

Bei, Werkstoffen, die auf Stückbasis behandelt werden, wie Ballen von Papierfaser, kann das Dielektrikum ein ganzes Stück, z.B. einen Ballen von 245 kg umfassen, aber auch^ein Muster sein, beispielsweise ein Blatt oder ein Teil eines Blattes aus einem Stück. Die Entnahme von Mustern hat den | Nachteil, daß der Behandlungsvorgang gestört und daß geschickte Arbeit beim Umgang und Prüfen des Musters erforderlich wird. Außerdem braucht ein Muster infolge von Schwankungen innerhalb eines Stücks nieht für die zu bestimmende Eigenschaft repräsentativ zu sein. Diese Bedingung trifft besonders für Ballen von Papierstoff zu. Auf der anderen Seite kann die Verwendung einer ganzen Einheit als Dielektrikum gleichfalls den Behandlungsvorgang komplizieren und hat bei Massen-Ware den Nachteil, daß eine Testzelle im Großmaßstab erforderlich wird. Eine solche Zelle kann infolge ihrer Größe und Ausbildung Streukapazitätß-Effekte zeigen, die die Genauigkeit jeder Messung, die gemacht wird, ernstlich benachteiligen.

Überdies kann das Behandlungsverfahren zu einem Endprodukt

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solchen Zustands führen, daß eine für die Messung ausgewählte Eigenschaft nicht mit ausreichender Präzision isoliert werden kann. Im Falle der Papierfaser werden beispielsweise die Ballen, die oft das Enderzeugnis darstellen, mit Metallbändern umreift. Die Gegenwart der Bänder stört jede Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes, die auf der Verwendung der Ballen als dielektrisches Medium einer Kapazitäts-Meßzelle beruht.

Durch die Erfindung soll demgemäß die Messung selektiver Eigenschaften von Werkstoffen erleichtert werden. Ein damit verbundenes Ziel ist die Durchführung von Präzisionsmessungen des Feuchtigkeitsgehaltes in Test-Materialien.

Weiterhin sollen mit der Erfindung störende Effekte vermieden werden, wie Änderungen, die durch den inaktiven Teil . der Meßeinheit und durch eine Nennwert-Drift in dem in der Meßzelle verwendeten Instrumenten verursacht werden und das angezeigte Maß einer selektiven Eigenschaft des Testmaterials merklich beeinflussen.

Durch die Erfindung soll zudem eine Test~Einheit zur Ver- . fügung gestellt werden, die einem breiten Bereich von Test-Aufgaben angepaßt werden kann, insbesondere einschließlich der Aufgaben, bei denen eine Behandlung erforderlich ist.

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Ein damit verbundener Gegenstand ist die Messung selektiver Material-Eigenschaften während der Behandlung, ohne den Behandlungsvorgang zu stören.

Außerdem soll die erfindungsgemäße Meßeinheit, die besonders für die Messung ausgewählter Material-Eigenschaften gemäß der Erfindung geeignet ist, gleichwohl dem Gebrauch mit konventionellen Testeinheiten angepaßt werden können«

Die Erfindung ermöglicht unterschiedliche Messungen*- die mit einer elektrischen Eigenschaft wie der Kapazität für eine Mehrzahl von verschiedenen.Ausführungsformen einer Meßeinheit verknüpft- sind. Da die.Meßeinheit verschiedene Ausbildungsformen annehmen kann, kann sie sowohl der Behandlung wie auch.der Prüfung angepaßt werden. Bei einer solchen Einheit in Form einer Kapazitäts-Meßselle, werden Kapazitätsmessungen -für zwei verschiedene Trenn-Abstände von zueinander verschieblichen Platten-Gliedern- gemacht. Die diesbezüglichen Messungen können mit leerer Testzelle oder mit von Untersuchungsmaterial besetzter- Zelle gemacht werde&i oder die Messungen können für"verschiedene Dichte-Zustände des Materials innerhalb der- Testzelle durchgeführt werden»-Da die Platten-Glieder relativ zueinander ■iverschieblich-sind, können sie "so angeordnet werden_f cLaß fte? Luftspalt in Bezug-auf die. Tremunaterialien beseitigt

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Gemäß Erfindung dient eine der Messungen als Bezugspunkt, der zusammen mit einer der anderen Messungen einen Differenzwert, der ein Maß für die ausgewählte Eigenschaft des in Prüfung befindlichen Materials ist, bildet. Der .verbleibende Anzeigewert kann aus den Messungen durch Differenzbildung erhalten werden. Alternativ kann eine der Messungen zur Kalibrierung einer Meß-Einheit verwendet werden, worauf eine andere Messung den gewünschten Endwert ergibt. Da ein Endwert vorgesehen ist, wird der inaktive Teil . der Kapazität der Testzelle aufgehoben, ebenso wie die Wirkung einer Nennwert-Drift des Oszillators.

In einer .Ausführungsform der Erfindung nimmt die Testzelle die Form einer kapazitiven Meßzelle an, die mit einem ■ elektrischen Feld benutzt wird um potentielle Energie in dem in Prüfung befindlichen Material zu speichern. Die Test-Einheit wird ihrerseits mit einer Meß-Einheit gekuppelt und, unter Umständen, mit eine?Abgleich-Einheit. Die letztere ; j w;Lrd zur Feststellung, einjpr ersten Messung benutzt und ' zur Kompensation von Stretieff ekten.

Wenn eine dimensionsmäßig

veränderliche Testzelle verwendet

wird, wird sie vorteilhaftere! se in eine .Behandlung-Einheit als integrierender Teil eingebaut, die man erwünschterweise im regulären Verlauf der :behandlung verwendet. So' können

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selektive Eigenschaften des zu behandelnden Materials gleichlauf end mit der Behandlung gemessen werden, womit die Notwendigkeit separater Messungen in· einem Behandlungsablauf •beseitigt

Bei der allgemeinen Verwendung einer dimensioneil veränderlichen Test-Zelle sind wenigstens zwei Glieder der Zelle relativ zueinander verschiebbar. Zu diesem Zweck kann eines oder beide der zueinander verschieblichen Glieder be- ™ weglich seih lind das andere stationär. Die relative Verschiebung der beiden Glieder zueinander gestattet Messungen in unterschiedlichen Trenn-Abständen. Beispielsweise kann bei zwei Gliedern, die relativ gegeneinander verschieblich sind, eine erste auf eine ausgewählte Eigenschaft des zu prüfenden Materials bezogene Anzeige erhalten werden, wenn das Material unter Druck steht und die Meßglieder ,in einem ersten Trennabstand; eine zweite, auf die ausgewählte Eigenschaft bezogene Anzeige kann man erhalten, wenn das Materal in einem weiteren ä Kompressionszustand und die Meßglieder in einem zweiten, engeren Trennabstand sind. Solche Anzeigewerte stellen verschiedene Messungen der ausgewählten Eigenschaft dar. In einem anderen Beispiel wird eine Kalibrierungsmessung ohne Material zwischen den verschieblichen Platten-Gliedern gemacht, wonach eine weitere Messung mit Material zwischen

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den gegeneinander verschobenen Meßgliedern gemacht wird. So wird je nach Meßeinheit und Kalibrierung die gewählte Eigenschaft als Differenz zweier Anzeigen gemessen. Es ist noch festzuhalten, daß die Reihenfolge, in der die Messungen gemacht werden, untereinander vertauscht werden kann.

Für eine AusfUhrungsform der Erfindung, bei der das Behandeln im Zusammenpressen und Ballenbildung von Rohstoffen wie Platten von Pulpe vor der Verschiffung besteht, ist die Testzelle integral mit den Pressenteilen verbunden, die zur Komprimierung der Materialien verwendet werden. Ein Bauteil der Presse ist ein beweglicher Stempel, der gemäß der Erfindung eine isolierte Elektrode enthält, die als eine Platte einer kapazitiven Meßzelle dient. Das andere Teil.der Presse ist stationär und dient als Grundplatte der Meßzelle. Wenn das bewegliche Teil eine vorbestimmte Höhe in Bezug auf die Grundplatte erreicht, so betätigt ein Schalter die Meßeinheit, deren Abgabewert vorzugsweise als Feuchtigkeitsgehalt kalibriert ist. Eine solche Kalibrierung wird durch die Tatsache erleichtert, daß eine Kapa-

zitätsmessung tür eine zuvor festgesetzte Trennung der die Testzelle bildenden Elektroden genau der Dielektrizitätskonstante proportional ist. Für eine hier zu betrachtende komprimierende Behandlungseinheit ist die Di-

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elektrizitätskonstante in gegebener Höhe primär eine Konstante des Feuchtigkeitsgehaltes. Da überdies der Feuchtigkeitsgehalt gemessen wird, während die Werkstoffe unter Durck stehen, was mit einem regulären Arbeitsgang in der Behandlungsfolge zusammenfällt, befindet sich kein Luft- * spalt zwischen den Elektroden der Testzelle, der Irrtümer einführt. Überdies wird die Messung vor der Umreifung durchgeführt, womit ihre Gegenwart als zusätzliche Fehlerquelle beseitigt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich aus durch die Zählung der Schwingungen eines Ausgangssignals eines Schwingsystems für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei das Schwingsystem mit der Meßzelle verbunden ist, die im

. Abstand angeordnete Elektroden aufweist, derart.,, daß die Frequenz des Ausgangssignals von dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials zwischen den Elektroden abhängt, wobei die Zählung daraus besteht, daß der Zustand der Zelle von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand geändert wird, um die Dielektrizitätskonstante des Inhalts der Zelle meßbar zu ändern und um die Frequenz des Ausgangssignals zu ändern,

;■daß das Ausgangssignal für ein vorbestimmtes Zeitintervall in einen umkehrbaren Frequenzzähler geleitet wird, wenn sich die Zelle im ersten Zustand befindet, um eine erste Zählung in der einen Richtung vorzunehmen, daß weiterhin der Zähler

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für ein vorbestimmtes Zeitintervall· mit dem Ausgangssignal verbunden wird, wenn die Zelle sich im zweiten Zustand befindet, um eine zweite Zählung in entgegengesetzter Richtung vorzunehmen und um hierdurch die Differenz zwischen den Zählungen zu bilden, daß der Zähler durch Bildung der Differenz der Zählungen, die durch die Änderung desi Zustandes entstehen, für eine Vielzahl von bekannten Feuchtigkeitsgehalten des Materials geeicht dementsprechend markiert wird.

Dieses Verfahren kann mit einer Apparatur nach der: Erfindung durchgeführt werden, die gekennzeichnet ist durch eine Meßzelle mit in Abstand geordneten Elektroden, einem Schwingsystem, das mit der Meßzelle verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, dessen Frequenz von dem Feuchtigkeitsgehalt eines Materials zwischen den Elektroden abhängt, einen umkehrbaren Frequenzzähler, der so eingerichtet ist, daß er mit dem Schwingsystem verbunden werden kann, um die Schwingungen des während eines vorbestimmten Zeitintervalls empfangenen Signals zu zählen, Mittel, um den Zähler mit dem System für das vorbestimmte Zeitintervall zu verbinden, wenn sich die Zelle in einem ersten Zustand befindet, um eine erste Zählung der Schwingungen des Signals in der einen Richtung vorzunehmen, Mittel, die auf eine vorbestimmten

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Änderung des Zustande der Zelle ansprechen und die bewirken, daß die Frequenz des Ausgangssignals geändert wird, und daß eine meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstante des Zelleninhalts bewirkt wird, um den Zähler für das vorbe- * stimmte Zeitintervall mit dem System zu verbinden, um eine zweite Zählung der Schwingungen des Signals in entgegengesetzter Richtung vorzunehmen und um hierdurch die Differenz zwischen den Zählungen zu bilden, wobei der Zähler in Bezug auf die Zelle so geeicht ist, daß die Differenz der Zählungen ein Maß des Feuchtigkeitsgehalts des Materials ist.

Nach einer Möglichkeit der Erfindung kann die Meßeinheit von einer Abgleich-Einheit begleitet sein, die automatisch einen "Trimm"-Kondensator parallel zur Testzelle zu Beginn jedes Behandlungsvorgangs justiert, Wenn die Testzelle

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leer ist. Alternativ kann der Trimm-Kondensator während der Behandlung justiert werden, wenn jdie Behandlungßapparatur einen vorher festgelegten Punkt des Arbeitsspiels erreicht, beispielsweise wenn die Meßglieder dejr Testzelle in einem vorbestimmten Trennabstand sind. Eine^ Messung während des Abgleichens dient so als Bezugspunkt,; in Bezug auf welchen eine Netto-Messung einer ausgewählten Eigenschaft des in Prüfung befindlichen Materials erhalten wird»

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Die erfindungsgemäße Apparatur weist so einen variablen Einfrequenz-Oszillator auf, dessen Frequenz von der Kapazität der Testzelle bestimmt wird. Der Oszillator ist über ein Stromtor und unter Steuerung durch die Behandlungseinheit mit einem Zähler verbunden und erbringt einen wachsenden Wert für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wenn die Kondensator-Platten in einem ersten, vorbestimmten Abstand stehen, worauf eine !abnehmende Zählung folgt, wenn die Kondensatorplatten in einem zweiten, vorgeschriebenen Abstand stehen. Der verbleibende Zahlwert, der auf dem Zähler am Ende jedes Behandlungsschrittes stehenbleibt, ist ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt des zu behandelnden Materials. Da der restliche Zählwert durch Subtraktion zweier getrennter Meßwerte in verschiedenen Trennabständen der Platten der Testzelle erhalten wird, kommen die gewöhnlichen Streu- und Drift-Wirkungen in Fortfall.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß eine Meßeinheit gemäß der Erfindung, wie eine Einheit mit einem variablen Einfrequenz-Oszillator und mit Stromtor versehenem Zähler mit Testzellen üblicher Art verwendet werden kann, wie sie bei der Bestimmung von Materialeigenschaften benutzt werden. Solche Testzellen üblicher Art enthalten Standard-Bauteile und andere, wie'sie in den US-Patentschriften 3 090 004, 3 028 548, 3 025 465, 3 012 193 und 2 993 168 unter anderen

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beschrieben sind. Alle diese Testzellen können dem Gebrauch mit einem variablen Einfrequenz-Oszillator angepaßt werden. Für diesen Verwendungszweck wird die Meßeinheit für ein vorher festgelegtes Zeitintervall mit leerer Zelle betätigt _r und danach zur Änderung der Zählrichtung für das gleiche Zeitintervall bei in die Zelle eingesetztem Prüfmaterial veranlaßt. Der auf dem Zähler verbleibende Differenzwert am Schluß des Testvorgangs ist ein Maß für die zu prüfende Eigenschaft.

Beispielsweise ist bei der Testzelle des US-Patents 3 028 ein einzelner abgeglichener Oszillator isoliert in einem Testgehäuse mit Prüfgliedern verbunden, deren Potentialniveau dasselbe ist wie der Gleichgewichtspunkt des Oszillators, so daß die Potentiale der Meßplatten in Bezug auf den Gleichgewichtspunkt gleich und entgegengesetzt sind. Bei der Anwendung der Erfindung wird bei leerer Meßzelle der Oszillator über ein Stromtor mit einem Zähler verbunden, um einen an- " wachsenden Zahlenwert für ein zuvor festgesetztes Zeitintervall zu erzeugen, wonach die P_rüfmaterialien in der ,Kammer untergebracht werden. Der Oszillator wird wieder über ein Stromtor an den Zähler angeschlossen, um diesmal einen abnehmenden Zahlenwert für eine zweite, zuvor festgesetzte Zeitspanne zu erzeugen. Je nach den Kalibrierungsbedingungen können die beiden Intervalle genau gleich sein. Der auf dem

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Zähler verbleibende Restwert ist das Maß für eine Eigenschaft des zu prüfenden Materials, etwa den Feuchtigkeitsgehalt.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß die Messung einer ausgewählten Materialeigenschaft unter Verwendung einer Testzelle mit festen Abmessungen durchgeführt werden kann, indem man den gesamten Inhalt an Material in der Testzelle in wachsendem oder sinkendem Maße ändert und so die gewünschte Änderung der Dichte für Meßzwecke hervorbringt.

Die vorstehenden sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren 1-3 der Zeichnung an einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Apparatur;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Behandlungseinheit mit integrierter Test- bzw. Meßzelle . nach dem System der Fig. 1; und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Apparatur nach der Erfindung-.

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In der Zeichnung stellt Fig. 1 ein allgemeines Meßsystem gemäß der Erfindung dar. Bas System besteht aus drei Grund-Einheiten, nämlich einer Testeinheit 100, einer Abgleich-Einheit 200 und einer Meß-Einheit 300.

Die Test-Einheit 100 enthält eingebaut eine Meß- bzw. Test-Zelle, die in Fig. 2 mit mehr Einzelheiten gezeigt ist. Obwohl die Einheit 100 vorteilhafterweise eine reguläre Behandlungsfunktion hat, kann sie unter Umständen nur einer Meß- bzw. Test-Funktion dienen. In jedem Fall kann eine Test-Einheit 100 der in Fig. 2 gezeigten Art als ein variabler Kondensator betrachtet werden, dessen Dielektrikum vom Material zwischen seinen Platten bestimmt wird und dessen Kapazität sowohl vom Dielektrikum als auch vom Abstand der Platten abhängt, beispielsweise dem Schließungsgrad einer Ballenpresse, die die Meß- bzw, Test-Zelle enthält.

Um die Kapazität der Test-Zelle zu messen, die einen integrierten Teil der Behandlungseinheit darstellt, wird die letztere direkt mit der Meß-Einheit 300 verbunden»

In der Meßeinheit 300 ist, wie im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist, ein Oszillator variabler Frequenz eingebaut, dessen Abgabe-Frequenz zum Teil von der Kapazität der Behandlungseinheit 100 bestimmt wird. Änderungen in der Kapazität, wie sie durch Änderungen in der Frequenz angezeigt

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werden, werden von der Meßeinheit in Werten einer ausgewählten Eigenschaft des zu prüfenden Materials, wie Feuchtigkeitsgehalt, umgewandelt.

Das Meßsystem der Fig. 1 enthält auch eine im einzelnen in ^aFig.. 3 gezeigte Abgleich-Einheit 200, um eine Dauerdrift zu kompensieren. Die Drift ist die Abweichung von einem Gleichgewichts-Arbeitsniveau, das in erster Linie auf Umgebungs- und Bestandteils-Änderungen berührt. Die Abgleich-Einheit 200 erhält wünschenswerterweise einen Fühler zur Überwachung der Meßeinheit 300 und eine Vorrichtung zur Justierung der Kapazität der. Behandlungs-Einheit 100 wenn eine Abweichung von einem vorher eingestellten Bezugsniveau besteht. Das Bezugsniveau kann ein Gleichgewichts-Niveau zu Beginn eines Arbeitsspiels bei leerer Testzelle sein, das bei einer ersten Messung für die Testzelle in vorbestimmter Stellung festgesetzt wird, etwa indem die erste Messung stattfindet, wenn die Platten der kapazitiven Meßzelle in einem vorgeschriebenen Trennabstand sind oder dies geschieht bei einer zuvor eingestellten Lage während eines Arbeitsspiels.

In Fig. 1 werden gleichfalls gestrichelt gezeichnete Steuerleitungen gezeigt, die von der Behandlungseinheit 100 zur Ab-

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gleich-Einheit 200 und zur Meßeinheit 300 verlaufen. Diese Steuerleitungen zeigen an,.daß bestimmte Antwort-(Signale) sowohl von der Abgleicheinheit 200 als auch der Meßeinheit .300 von dem Maße abhängen, bis zu welchem die Behandlung vollendet ist. Für einen Typ von Behandlung werden Schalter, * wie in Fig. 2 gezeigt, je nach dem Behandlungsgrad betätigt.

In Fig. 2 zeigt die abgebildete Behandlungs-Einheit eine hydraulische Presse der gewöhnlich in der Pulpe-Industrie verwendeten Art, um Pulpe zu Ballen zu pressen. Die Presse enthält ein stationäres Bodenteil 101, das gewöhnlich mit dem Boden des Behandlungsraums durch Bolasn verbunden ist und ein bewegliches Oberteil 102, dessen Stellung von einem hydraulischen Stempel 103 gesteuert wird. Die zu behandelnden Werkstoffe,. etwa Blätter von Pulpefaser, werden ,zwischen Ober- und Unterteil 101 und 102 gelegt. Dann wird durch den Stempel 103 Druck angelegt, um das Oberteil 102 relativ zum festen Bodenteil 101 zu verschieben, um den Stapel oder Ballen vor dem Umreifen und nachfolgenden Verschiffen zusammenzupressen. Die Bewegung jedes Ballens vor und nach dem Zusammenpressen wird durch Pfeile angezeigt, die auf der Kompressionsachse der Einheit 100 senkrecht stehen.

Die Behandlungseinheit 100 der Fig. 2 ist so ausgeführt, daß sie gemäß der Erfindung Messungen ausgewählter Eigenschaften

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während des Behandlungsganges gestattet. Zu diesem Zweck enthält das bewegliche Teil 102 eine Metallplatte 110, die als eine Elektrode einer Kapazitätsmeßzelle dient. Die Metallplatte 110 ist vom beweglichen Teil 102 und vom Ballen ^ durch diesbezügliche Isolierteile 113 isoliert. Die andere Elektrode der Meßzelle ist das Bodenteil 101, das elektrisch geerdet ist. In der Konstruktion hat die Platte 110 eine größere Fläche als der Querschnitt des größten zu komprimierenden Ballens, kann aber kleiner als die untere Fläche des Teils 102 sein. Bei einem Arbeitsmodell der Erfindung shd die Platte 110 und die Isolierteile 113 auf Flächen innerhalb der Tragsäulen der Behandlungseinheit 100 beschränkt. Dementsprechend besteht ein praktisch gleichförmiges elektrisches Feld zwischen der Platte 110 und dem Bodenteil 101, das eine genaue Messung der Dielektrizitätskonstante gestattet. Die Isolierglieder 113 für die Platte 110 können aus Phenolhärz oder ähnlichem Material bestehen, das einer Drucklast von mehr als 210 kg/cm widerstehen kann. Die Platte 110 ist in Wirklichkeit in die Isolation zum Schutz eingebettet und so angeordnet, daß jeglicher Kontakt mit irgendwelchen geerdeten Bauteilen verhindert wird.

Eine Seite der Platte 110 hat eine elektrische Verbindung 111, die zu einem elektronischen Schaltschrank 112 führt,

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der erwünschterweise an der Seite des beweglichen Teils 102 montiert ist. Der Schaltschrank 112 kann alle oder einen Teil der Bestandteile derAbgleich-Einheit 200 und der Meßeinheit 300 enthalten, wie·in Fig. 3 gezeigt. Die Metallplatte 110 und das Bodenteil 101 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität durch Gleichung (1) wiedergegeben wird:

₌ 0,22A

Hierin . ist C die Kapazität in Mikrofarad zwischen der oberen Platte 110- des beweglichen Teils 102 und der entsprechenden unteren Platte des Unterteils 101; A ist die Fläche der Platte 110 in Quadratzoll; ■ Ιψ ist der Trennabstand zwischen den Platten 110 und 101, wie in Fig. 2 während der Messung der Testkapazität; E ist die zusammengesetzte Dielektrizitätskonstante des Materials, das den Bereich zwischen ,den Platten 110 und 101 anfüllt; und ■

C₀ ist der inaktive Teil der gesamten Kapazität in Mikrofarad und enthält die Kapazitätseffekte der Drahtführungen und der Abgleich-Einheit 200 (Fig. 3).

Wenn daher die Höhe H-und die Kapazität /C in Gleichung (1) mit Genauigkeit bekannt sind, so steht eine Kapazitätsmessung in direkter Beziehung zur Dielektrizitätskonstanten E und ist

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daher ein Maß für eine zu prüfende, ausgewählte Eigenschaft wie Feuchtigkeitsgehalt.

Der Einfluß von Veränderungen im inaktiven Teil C der Gesamtkapazität in Gleichung (1) wird ebenso wie andere stö- *rende Effekte durch die gemäß der Erfindung angewandte Vielfach-Meßtechnik beseitigt.

Die Technik sieht eine erste Kapazitätsmessung in einem Trennabstand h1 der Bauteile 101 und 102 der Meßzelle in Fig. 2 vor und eine zweite Messung der Kapazität in einem zweiten Trennabstand h2 für die Teile der Meßzelle. Die entstandene Änderung in der Kapazität Δ C der beiden Messungen kann aus Gleichung (1) abgeleitet werden und wird von Gleichung (2) wiedergegeben:

E E UC = C1 - C2 = 0,22 A (jjf- - tf=~ ) (2)

Hierin ist E1 die Dielektrizitätskonstante der Meßzelle mit ihren Platten in einem ersten Trennabstand hl, und E2 ist die Dielektrizitätskonstante der Meßzelle mit ihren Platten in einem zweiten Trennabstand h2j

C1 ist die Kapazität für eine Dielektrizitätskonstante E1 bei einem Trennabstand h1 der -Platten der Meßzelle;

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C2 ist die Kapazität für eine Dielektrizitätskonstante E2 bei einem Trennabstand h2 der Platten der Meßzelle und A ist die Fläche der aktiven Platte der Meßzelle.

_x Die Kapazitätsänderung ^C, die gemäß Gleichung (2) ange- . zeigt wird, erfordert, daß die Trennabstände hl und h2 der Meßzelle mit Präzision festgesetzt werden.

Um Messungen in genauen Höhen durchzuführen, wie auch um andere Kontrollvorgänge durchzuführen, besitzt die Behandlungseinheit 100 der Fig. 2 verschiedene Schalter SY/-1 bis SW-5 sowie ein Paar von Fotozellen 125-1 und 125-2. Die Fotozellen werden benutzt um anzuzeigen, ob die Meßzelle besetzt ist. Die mit den Schalter verbundenen Kontrollfunktionen werden in Verbindung mit der nachfolgenden, ins ' einzelne gehenden Beschreibung der Abgleieh-Einheit 200 und der Meßeinheit 300 der Fig. 3 besser verständlich sein. Der Genauigkeit halber sind die Schalter von hoher Empfindlichkeit bei geringer Bewegungstoleranz oder Schaltwegen. In einem Versuchsmodell der Erfindung wurden Schalter mit einer maximalen Bewegungsdifferenz von 0,013 mm verwendet. Für diese Art von Genauigkeit wurden die Schalter und der zugehörige Schaltarm 123 in einer Lagerung geführt und voll gekapselt (nicht dargestellt).

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Aus Fig. 2 ersieht man, daß der Schalter SW-1 in Verbindung mit einem Anschlagstift 121 arbeitet, der an einer der Tragsäulen der Presse befestigt ist. Die übrigen Schalter SW-2 bis SW-5 sind in einem zweiten Gehäuse 122 enthalten, das an der Grundplatte 102 befestigt ist. Der erste Schalter SW-1 *ist nur geschlossen, wenn das bewegliche obere Bauteil 102 in seiner anfänglichen Ruhestellung ist. Die anderen Schalter werden nacheinander durch einen Schaltarm 123 betätigt, der fest am beweglichen Bauteil 102 angebracht ist. Während der Bewegung der beweglichen oberen Platte erfaßt der Schaltarm nacheinander die Schalter SW-2 bis SW-5. Die Wirkung der Schalter SW-1 bis SW-5 gestattet die Vornahme von Kontrollvorgängen für verschiedene Niveaus der Abstände der beiden Platten 110 und 101. So wird der erste Schalter SW-1 betätigt, wenn der Trennabstand ein Maximum ist, der zweite Schalter arbeitet bei einem verringerten Trennabstand usw.

Eine anschauliche Benutzung der Behandlungs-Einheit 100 der Fig. 2 ergibt sich in Verbindung mit detaillierten Ausführungsformen der Abgleich-Einheit 200 und der Meß-Einheit 300 durch das Diagramm der Fig. 3. Die Meßeinheit 300 enthält einen Oszillator 301 mit variabler Frequenz sowie eine Stromtoreinheit 310, welche von der Behandlungseinheit 100 gesteuert wird, wie durch gestrichelt gezeichnete Steuer- · leitungen angedeutet ist.

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Es sei darauf hingewiesen, daß Änderungen in der Kapazität der Meßzelle, die z.B. einem dielektrischen Material mit relativ hohem Feuchtigkeitsgehalt zuzuschreiben sind, eine Frequenänderung bis zu 20 000 Hz im Oszillator 301 mit variabler Frequenz verursachen können, wobei der Oszillator 301 beispielsweise im Bereich von etwa 2 Megahertz arbeiten kann. - .

Die Frequenzänderung eines Oszillators, wie etwa des Oszillators 301', ist bei kleinen Änderungen auf eine Kapazitätsänderung seines abgestimmten Kreises bezogen, wie in Gleichung (3) gezeigt wird:

(3)

so daß

AC = kAf

Darin ist f die Frequenz, in der die Änderung stattfindet; C die Kapazität, in der die Veränderung stattfindet} k eine Kalibrierungskonstante und '

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die angezeigte Frequenzänderung, die mit der Kapazitätsänderung /\C verknüpft ist.

Somit ist für alle praktischen Zwecke, die angezeigte Frquenzänderung ein Maß für die"zugehörige Kapazitätsänderung. Um-' gekehrt ist eine Änderung in der Kapazität mit der Dielektrizitätskonstante verbunden, wie in Gleichung (2) gezeigt.

Die Stromtor-Einheit 310 enthält ein elektronisches Tor 322, welches bei Betätigung einen geschlossenen Sc,haltweg vom Oszillator 301 zu einem Zähler 313 in der Stromtor-Einheit 310 für einen vorbestimmten Zeitabschnitt erzeugt. Das Tor 322 hat zwei äußere Schalter 323 und 324, welche der Schalter SW-2 bzw. SW-4 der Behandlungs-Einheit 100 sein können oder von diesen gesteuert werden. Ein geeignetes Tor 311 hat die Form eines Schalters, wie etwa irgendeines bekannten elektronischen Tors, das für einen vorbestimmten Zeitabschnitt ™ nach dem Schalten geschlossen bleibt. Der Impulszähler 333 ist ein aufwärts und abwärts gehender Hähler und besitzt zwei äußere Schalter 334 und 335. Der Schalter 334 löscht die entstandene Ablesung des Zählers zu Beginn pedes Behandlungsspiels. Der Schalter 334 kann der Schalter SW-1 der Behandlungs-Einheit 100 sein oder von ihm gesteuert werden.

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Der Schalter 335 dient dazu, den Lauf des Zähler 333 umzukehren. Der Schalter 334 kann der Schalter SW-3 sein oder von diesem gesteuert werden. Schließlich ist in der Meßeinheit 300 ein Drucker 341 enthalten, der den verbleibenden Zählwert aufzeichnet. Dieser Drucker weist einen "* Schalter 342 auf, mit dem er gesteuert, z.B. in Betrieb gesetzt werden kann." Der Schalter 342 kann der Schalter SW-5 sein oder von diesem gesteuert werden.

Daß Meßsystem nach Fig. 3 sieht auch eine Anzeige der ' Dielektrizitätskonstante eines Materials vor, indem die Kapazität für zwei unterschiedliche Abstände der Platten , einer Meßzelle gemessen werden. Indessen lann bei beiden Messungen der Bereich zx^ischen den Platten der Meßzelle" von dem zu prüfenden Material angefüllt sein.

In diese Lage gehören die Dielektrizitätskonstanten E1 und E2 der Gleichung (2) zu dem Prüfmaterial in verschiedenen Trennabständen h1 und h2 der Meßplatten 101 und 110. Die experimentelle Prüfung hat angezeigt, daß im allgemeinen eine einzige Beziehung zwischen den beiden Dielektrizitätskonstanten E1 und E2 besteht, so daß die Kapazitätsänderung AC für die zwei Meßabstände h1 und h2 eine Funktion der effektiven Elektrizitätskonstanten E des Prüfmaterials ist, wie in Gleichung (4) gezeigt: :

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A C (hi - h2J= k f(E) (4)

Hierin ist Δ C (hi - h2) die Kapazitätsänderung für die "beiden Trennabstände hi und h2 der Platten der Meßzelle; k ist eine Kalibrierungskonstante, und f(E) ist eine einzige Funktion der effektiven Dielektrizitätskonstante E des zu prüfenden Materials.

Um eine Kapazitätsmessung in zwei unterschiedlichen und vorbestimmten Plattenabständen h1 und h2 zu gestatten, hat die Behandlungs einheit 100 der Fig. 3 die Schalter SW-2 und SW-4. Die Einheit 100 enthält auch einen Schalter SW-3, um den Zähler zu reversieren und einen Schalter SW-5 zur Steuerung des Druckers.

Dementsprechend wird für zwei Meßabstände h1 und h2 das Stromtor 322 der Meßeinheit 300 mit zwei äußeren Schaltern 323 und 324 gezeigt, die mit den SW-2 bzw. SW-4 verknüpft fe sind. Für den Auf- und Abwärtszähler 333 ist ein äußerer Schalter 335 mit Schalter SW-3 verknüpft. Außerdem hat der

Zähler einen äußeren Schalter 334, der dem erwähnten Zweck dient. Der Endschalter SW-5 der Behandlungs einheit 100 ist mit dem äußeren Schalter 342 des Druckers 341 verbunden.

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In der Ausführungsform der Fig. 3 enthält die Abgleich-Einheit 200 nur einen manuell justierbaren Kondensator 215. Diese Art Justierung reicht wegen der Fehlerkompensation aus, die dem Meßsystem nach Fig. 3 von Natur aus zukommt.

Die Betätigung des Meßsystems nach Fig. 3 erfolgt in folgender Weise:

Zu Beginn wird der Schalter SW-I der Behandlungseinheit betätigt, was den Auf- und Abwärtszähler 333 in die Nullstellung bringt. Wenn die Behandlung vor sich geht, z.B. mit einem Ballen von Papierfaser im Raum zwischen den Elektroden der Testzelle, erreicht das bewegliche Teil 102 einen Trennabstand h1 bezüglich des festen Teil 101. In diesem Punkt betätigt der Schalterarm 123 den Schalter SW-2, der das Tor 322 für einen vorbestimmten Zeitabschnitt schließt, beispielsweise für 1/10 bis 1/100 Sekunde. Während dieses -

Intervalls zählt der Zähler 333 ^^e Schwingungen des Oszillators 301 mit variabler Frequenz.

Wenn die Kompression des Ballens weiter fortschreitet, betätigt der Schaltarm 123 den Schalter SW-3, um den Lauf . des Zählers 533 umzukehren. Anschließend schreitet die Behandlung zu einem Punkt fort, in dem der Trennabstand der Platten gleich h2 ist und der vierte Schalter SW-4 in

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Tätigkeit tritt, um wieder den Oszillator über das Tor an den Zähler für die gleiche Zeitspanne anzuschließen. Weil der Zähler diesmal jedoch durch Aktion des dritten Schalters SW-3 reversiert worden ist, wird der zuvor aufgelaufene Wert um eine Einheit für jede gezählte Schwingung während dieses zweiten über das Tor laufenden Intervalls vermindert. Im Ergebnis ist der Nettowert des Zählers am Ende des Behandlungsvorgangs ein Maß für die Kapazitätsdifferenz AC in Gleichung (3). So kann der vom Zähler angezeigte Differenzwert direkt in Einheiten der Dielektrizitätskonstante klaibriert werden, und. stellt somit den Feuchtigkeitsgehalt des in Behandlung befindlichen Materials dar.

Da die Zählung differentiell und durch differentielle bination zweier Frequenzen erfolgt, werden die normalerweise auftretende Drift oder Steuereffekte praktisch dank der Subtraktion ausgeschaltet. Fehler infolge einer Brutto-Frequenzänderung im Oszillator 301, wie sie durch die Zählung für den ersten Trennabstand h1 angezeigt werden, werden durch gelegentliche Prüfung der Oszillatorfrequenz und Justierung der Abgleicheinheit 200 vermieden.

Die für das System nach Fig. 3 erläuterte. Differential-Meßtechnik kann auch auf Messungen angewandt werden, in

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denen die Prüfung in zwei Stufen erfolgt mit einem Abstand hi während der ersten Stufe und einem Abstand h2 der Meßzelle während der zweiten Stufe. Der erste .Trennabstand h.1 .kann dem zweiten Trennabstand h2 gleich sein. Die Zelle ist während der ersten S"6ufe leer und während der zweiten ^Λ Stufe ist der Bereich zwischen den Elektroden mit Prüfmaterial besetzt. In einem Beispiel dieser Meßart, ergibt die Meßeinheit 300 einen ersten Zählwert bei leerer Testzelle während der ersten Meßstufe und wechselt die Zählung bei besetzter Meßzelle während der zweiten Prüfstufe. Der restliche Zählwert auf dem Zähler 333 ist ein Maß für die ausgewählte Eigenschaft des in Prüfung befindlichen Materials.

Der erste Zählwert kann durch die Tätigkeit der Einheit .bei leerer Meßzelle in einem ersten, vorbestimmten Trennabstand der Teile 101 und 102 festgesetzt sein. Dieser erste vorbestimmte Trennabstand kann der Trennabstand im Gleichgewicht bei völlig zurückgezogenem Teil 102 sein, oder es kann jeder andere passende Trennabstand sein. Ist der erste Zählwert festgestellt, so werden die zu prüfenden Materialien zwischen die aufnehmenden Teile 101 und 102 eingesetzt und der Abstand zwisdren ihnen verringert, vorzugsweise bis zu einem Punkt, wo das dielektrische Medium der Meßzelle praktisch aus Prüfmaterial besteht. Beispielsweise kann das Teil 102 auf Teil 101 zu bewegt werden bis

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zu einem zweiten Trennabstand h.2, in welchem Punki? eine zweite Zählung erfolgt und differentlell auf dem Zäler 333 mit Bezug auf die.erste Zählung registriert wird.

*Die Meßeinheit 300 nach Fig. 3 kann auch unabhängig von der Behandlungseinheit 100 zur Kapazitätsmessung von Standardmeßζeilen oder irgendwelchen anderen Meßzellen benutzt werden, die speziell zur Messung selektiver Materialfe eigenschaften entworfen sind, wie die in den US-Patentschriften 3 090 004, 3 028 548, 3 025 465, 3 012 193 und 2 993 168 beschriebenen.

Bei einer veranschaulichten Benutzung der Meßeinheit 300 mit einer Standard-Meßzelle mit festen Platten erhält man eine Ablesung bei leerer Meßzelle und eine weitere Ab-/ lesung mit eingesetztem Prüfmaterial. Wegen des Differenzcharakters des vom Auf- und Abwärtszähler bewirkten Zähl- ^ wertes, ist die entstandene Anzeige weitgehend unabhängig von jeder Drift des Oszillators mit variabler Frequenz und ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt des in Prüfung befindlichen Materials. Im allgemeinen wird das Prüfmaterial, wie ein Ballen von Papierfaser, nicht den gesamten Zwischenraum h in Anspruch nehmen. In diesem Fall erstreckt es sich von der Basisplatte 101 bis zu einer Distanz, d, welche

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kleiner· ist als der Trennäbstand h. Die Änderung in der Kapazität AC wird dann genau von Gleichung (5) wiedergegeben:

-A-C = C₂ -C₁ = 0,22A ( > 1 ) (5)

E ^h

Hierin ist C₂ die Kapazität der Meßzelle, wenn sie teilweise von Prüfmaterial besetzt ist j

C₁ ist die Kapazität der leeren Meßzelle; A ist die wirksame Fläche der festen Meßplatten; h ist der feste Trennabstand der Meßplatten; d ist die wirksame Höhe des Prüfmaterials innerhalb der Trennspanne der. Meßplatten; und

E ist die wirksame Dielektrizitätskonstante der Prüfmaterial!en.

Nach Gleichung (3) ist die Frequenzänderung Af der durch die Gleichung (5) gegebenen Kapazitätsänderung &C proporational. Daher kann die Frequenzänderung A£ als Maß einer Eigenschaft des Prüfmaterials kalibriert werden, die die wirksame Dielektrizitätskonstante E beeinflußt.

Ein besonders Beispiel der Benutzung einer Meßeinheit 300 mit einer bekannten Meßzelle wird von der Kombination der Meßzelle 300 mit der in der US-Patentschrift 3 028 548 beschriebenen Meßzelle geliefert. Dies wird durch Verwendung der Meßzelle 7 der US-Patentschrift 3 028 548 anstelle der

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" ³² " 1798U9

'Behandlungseinheit 100 der Fig. 3 erreicht. Außerdem ist der variable Oszillator 21 der US-Patentschrift 3 028 548 durch den variablen Oszillator 301 der Fig. 3 ersetzt, Das Prüfen erfolgt dann unter Verwendung der Stromtor-Einheit 310 der Fig. 3 indem der Zähler 333 über das Stromtor bei leerer Zelle angeschlossen, der Zähler reversiert, das Prüfmaterial eingesetzt und der Zähler über das Stromtor bei gefüllter Zelle angeschlossen wird. Die Arbeitsgänge der Einschaltung des Stromtors.und der Reversierung können entweder von Hand oder automatischen vom Prüfsystem bewirkt werden.

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Claims (4)

1. Pa t e n't a η s ρ r ü c h e

   Verfahren zum Erhalten eines Maßes des Feuchtigkeitsgehaltes eines Materials,
   g e k e η η ζ e i c h η e t d u r c h die Zählung der Schwingungen eines Ausgangssignals eines Schwingsystems für ein vorbestimmtes Zeitintervall, wobei das Schwingsystem mit der Meßzelle verbunden ist, die im Abstand angeordnete Elektroden aufweist, derart, daß die Frequenz des Ausgangssignals von dem Feuchtigkeitsgehalt des Materials zwischen den Elektroden abhängt, wobei die Zählung daraus besteht, daß der Zustand der Zelle von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustanc geändert wird, um die Dielektrizitätskonstante des In-" halts-der Zelle meßbar zu ändern und um die Frequenz des Ausgangssignals zu ändern, daß das Ausgangssignal für ein vorbestimmtes Zeitintervall in einen umkehrbaren Frequenzzähler geleitet wird, wenn sich die Zelle im ersten Zustand befindet, um eine erste Zählung in der einen Richtung vorzunehmen, daß weiterhin der Zähler für ein vorbestimmtes Zeitintervall mit dem Ausgangssignal verbunden wird, wenn die Zelle sich im zweiten Zustand befindet, um eine zweite Zählung in entgegengesetzter Richtung vorzunehmen und um hierdurch die Differenz .zwischen den Zählungen zu bilden, daß der Zähler durch Bildung der

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   Differenz der Zählungen, die durch die Änderung des Zuötandes entstehen, für eine Vielzahl von bekannton Feuchtigkeitsgehalten des Materials geeicht dementsprechend markiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,

   dad u r ch gekennzeichnet, daß der erste Zustand der Zelle derart ist, daß die Zelle leer ist und daß der zweite geänderte Zustand dadurch hervorgebracht wird, daß das Material in die Zelle eingebracht wird.
3. 3. Apparatur zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, zum Erhalten eines Maßes des Feuchtigkeitsgehaltes eines Materials,
   gekennzeichnet durch eine Meßzelle mit in Abstand geordneten Elektroden (101, ~110),---einem Schwingsystem (301), das mit der Meßzelle verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, dessen Frequenz von dem Feuchtigkeitsgehalt eines Materials zwischen den Elektroden abhängt, einem umkehrbaren Frequenzzähler (333) der so eingerichtet ist, daß er mit dem Schwingsystem verbunden werden kann, um die Schwingungen des während eines vorbestimmten ZeitintervalIs empfangenen Signals zu zählen, Mittel (32.2), um den

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   Zähler (333) mit dem System für das vorbestimmte Zeitintervall· zu verbinden, wenn sich die Zelle in einem ersten Zustand befindet, um eine erste-Zählung der Schwingungen des Signals in der einen Richtung vorzunehmen, Mittel, die auf eine vorbestimmte Änderung des Zustands der Zelle ansprechen und die bewirken; daß die Frequenz des Ausgangssignals geändert wird, und daß eine meßbare Änderung der Dielektrizitätskonstante des Zelleninhalts bewirkt wird, um den Zähler für das vorbestimmte Zeitintervall mit dem System zu verbinden, um eine zweite Zählung der Schwingungen des Signals in entgegengesetzter"Richtung vorzunehmen und um hierdurch die Differenz zwischen den Zählungen zu bilden, wobei der Zähler in Bezug auf die Zelle so geeicht ist, daß die Differenz der Zählungen ein Maß des Feuchtigkeitsgehaltes des Materials ist. ■
4. 4. Apparatur nach Anspruch 3»

   dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel eine Vielzahl von Schaltern (323, 324) enthält, die nacheinander und automatisch betätigt werden, um die erste Zählung in der einen Richtung vorzunehmen, wobei die Zelle leer ist, um den Zähler (333) nach Vornahme der ersten Zählung umzukehren und die zweite Zählung in der entgegengesetzten Rieh-• tung vorzunehmen, wobei die Meßzelle von dem Material eingenommen wird. .

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