DE19635431A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Orientierung von Fasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Faserorientierung in gewebe- und/oder faserhaltigen Werkstoffen gemäß dem Ober­ begriff der Patentansprüche 1 und 4.

Solche Verfahren und Vorrichtungen finden beispielsweise bei der Herstellung von Papier eine Anwendung.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen die Ausrichtung der Fasern im Pa­ pier mit Hilfe von Mikrowellen erfolgt. Für die Messungen werden Mikrowellen mit niedrigen Frequenzen im Bereich von 2 bis 3 GHz verwendet. Sie haben deshalb ei­ ne geringe Empfindlichkeit. Außerdem muß das zu untersuchende Papier mit Hilfe von mechanischen Vorrichtungen zur Erzielung der notwendigen Polarisationsrich­ tung gedreht werden. Diese Vorrichtungen sind störanfällig und langsam. Die Meß­ datenerfassung ist deshalb sehr langsam und liegt unter 1000 Messungen/sec.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine schnelle Bestimmung der Faserorientierung in gewebe- und/oder faserhaltigen Werk­ stoffen ermöglicht wird, sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann und die zudem einen einfa­ chen Aufbau aufweist.

Der erste Teil der Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der zweite Teil der Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet im Mikrowellenbereich. Dabei wird auch hier die Tatsache genutzt, daß elektromagnetische Wellen bei der Transmission oder Reflexion an zellulosehaltigen Werkstoffen Energie verlieren. Werden Mikrowellen so durch Zellulose geleitet, daß die elektrischen Feldvektoren parallel zu den Fasern verlaufen, so ist die Absorption größer als bei einer vertikalen Ausrichtung. Bei Papier ist die Eindringtiefe von Mikrowellen groß im Vergleich zur Papierdicke. Es erfolgt hierbei also eine Volumen- und keine Oberflächenmessung. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Mikrowellen durchgeführt, die vorzugsweise eine Frequenz von 100 GHz und eine Vakuumwellenlänge λ = 3 mm aufweisen. Dadurch wird eine be­ sonders gute Wechselwirkung mit den Fasern im Papier erzielt. Dabei können Reso­ nanzeffekte auftreten, da die halbe Wellenlänge der Mikrowellen oder ein vielfaches davon der Faserlänge entspricht, die etwa 2 bis 4 mm beträgt.

Die zur Ausbildung der Vorrichtung verwendeten Bauteile, die im Millimeterwellenbe­ reich arbeiten, zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, so daß das Sensorsystem auch nachträglich in vorhandene Meßaufnehmer integriert werden kann.

Die Drehung der Polarisationsebene der Feldvektoren erfolgt mit Hilfe von elektri­ schen Bauelementen wie beispielsweise Faraday-Drehern oder phasengesteuerten Antennen-Arrays. Die Mikrowellen werden zur Auswertung der Meßergebnisse in Gleichspannungssignale gewandelt. Die Erhöhung der Meßgenauigkeit dieser Meß­ signale wird durch das Unterdrücken von Rauschanteilen und Gleichspannungsan­ teilen dieser niederfrequenten Detektorsignale erreicht. Hiermit lassen sich sehr klei­ ne Signaländerungen detektieren, die im Bereich von 10^-5 bis 10^-7 liegen.

Sowohl die Amplitude des transmittierten als auch des reflektierten Signals ist ab­ hängig vom Feuchtegehalt des Papiers. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann deshalb sowohl zur Bestimmung der Faserorientierung als auch zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in einem Werkstoff benutzt werden. Da sich auch gewebehaltige Materialen und Polymerfolien bezüglich Mikrowellen ebenso verhalten wie Papier, ist es möglich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Untersuchung dieser Werk­ stoffe zu verwenden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 den zeitlicher Verlauf des Spulenstroms,

Fig. 3 zwei Diagramme A und B mit Auswerteergebnissen,

Fig. 4 eine Variante der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Generator zur Erzeugung von Mikrowellen 2, zwei Hohlleitertransformer 2A, zwei Vorrichtungen zum Drehen der elektrischen Feldvektoren von Mikrowellen 3 und 4, zwei Antennen 5 und 6, einen Detektor 7, einen Sägezahn-Stromgenerator 9, einen Modulator 10, einen Multiplizie­ rer 11, eine Auswerteeinheit 12 und eine Anzeigevorrichtung 13 auf. Bei der hier dar­ gestellten Vorrichtung 1 werden die Mikrowellen mit Hilfe eines als Oszillators 2 die­ nenden Mikrowellengenerators erzeugt. Der als Mikrowellengenerator 2 dienende Gunn-Oszillator ist so ausgebildet, daß mit ihm Mikrowellen (hier nicht dargestellt) mit einer Frequenz von größer 90 GHz, vorzugsweise von 100 GHz und einer Vakuum- Wellenlänge λ = 3 mm erzeugt werden können. Dem Oszillators 2 ist einer der beiden Hohlleitertransformer 2A nachgeschaltet. Dieser wandelt die elektromagnetische TE₁₀-Grundwelle in der rechteckigen Auskopplung des Oszillators in eine TE₁₁-Grund­ welle für einen Hohlleiter mit Kreisquerschnitt beispielsweise einen Rundhohl­ leiter um. Dem Hohlleitertransformer 2A ist eine Vorrichtung 3 zum Drehen der Pola­ risationsrichtung der elektrischen Feldvektoren der TE₁₁-Grundwelle von Mikrowellen nachgeschaltet. Mit dieser Vorrichtung können die elektrischen Feldvektoren aus ih­ rer augenblicklichen Polarisationsebene vorzugsweise um ± 90° gedreht werden. Diese Vorrichtung 3 ist als Faraday-Dreher ausgebildet, der einen nichtreziproken Rotationsphasenschieber für TE₁₁-Wellen im Rundhohlleiter darstellt. An den Signal­ ausgang dieses Faraday-Drehers 3 ist eine Antenne 5 angeschlossen, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Hornantenne ausgebildet ist. Diese ist auf den zu untersuchenden Werkstoff 100 gerichtet, bei dem es sich in diesem Fall um ein Blatt Papier handelt. Dieses ist in einer Halterung (hier nicht dargestellt) fest ein­ gespannt und vorzugsweise in einem Abstand von 5 bis 10 mm vor der Hornantenne 5 angeordnet. Die Ebene des Papiers 100 ist senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen ausgerichtet. Auf der Rückseite des Papiers 100 ist die zweite Antenne 6, die ebenfalls als Hornantenne ausgebildet ist installiert. Sie ist in gleichem Ab­ stand wie die erste Hornantenne 5 von dem zu untersuchenden Werkstoff 100 ange­ ordnet. Bei den Hornantennen 5 und 6 handelt es sich um skalare Kegelhörner mit kleinem Öffnungswinkel. Diese Art von Antennen hat eine sehr symmetrische Strah­ lungscharakteristik was für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft ist, da hierbei die übertragene Mikrowellenleistung unabhängig von der Polarisationsrichtung ist. Die zweite Hornantenne 6 ist an den Signaleingang der zweiten Vorrichtung 4 zum Drehen elektrischer Feldvektoren 4 angeschlossen. Es handelt sich auch hierbei um einen Faraday-Dreher, der über den zweiten Hohlleiter­ transformer 2A mit dem Detektor 7 verbunden ist.

Für die Drehung der Polarisationsrichtung können auch phasengesteuerte Antennen- Arrays verwendet werden. Dabei handelt es sich um elektronisch durchstimmbare Antennenfelder, bei denen sich die Polarisationsrichtung der abgestrahlten Welle durch elektronisch steuerbare Phasenschieber, die sich an jedem einzelnen Element befinden, kontinuierlich verändern lassen. Je ein Array übernimmt auf der Sender und Empfängerseite in diesem Fall die Funktionen des Faraday-Drehers 3, 4 und der Hornantenne 5, 6.

Um die elektrischen Feldvektoren der Mikrowellen aus ihrer augenblicklichen Polari­ sationsebene drehen zu können, und zudem die Empfindlichkeit der Meßsignale zu erhöhen ist der Sägezahnstromgenerator 9 und der mit ihm in Reihe geschaltete Modulator 10 vorgesehen. Durch diese Reihenschaltung wird der Spulenstrom der beiden Spulen 3S und 4S geleitet, die zu den beiden Faraday-Drehern 3 und 4 gehö­ ren. Mit Hilfe des Sägezahn-Stromgenerators 9 werden diese Spulenströme so ver­ ändert, daß sie beide den in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf haben.

Mit Hilfe dieses so veränderten Spulenstroms werden die Feldvektoren der Mikrowel­ len im Faraday-Dreher 3 in eine horizontale Polarisationsebene gedreht, während sie im zweiten Faraday-Dreher 4 wegen des ebenfalls veränderten Spulenstroms und der nichtreziproken Übertragungseigenschaften wieder in eine vertikale Polarisation­ sebene zurück gedreht werden. In dieser Position weist der Detektor 7 die größte Empfindlichkeit auf. Ist der Spulenstrom null so sind die Feldvektoren vertikal ausge­ richtet. Hat der Betrag des Spulenstroms seinen maximalen Wert erreicht, so liegt ei­ ne horizontale Polarisierung der Feldvektoren vor. Die Drehung der Feldvektoren um ± 90° erfolgt bei dieser erfindungsgemaßen Vorrichtung innerhalb von 1 ms. Der Si­ gnalverlauf im Bereich zwischen 180° ± 90° kann aus Symmetrieüberlegungen herlei­ ten werden. Wird in der Polardarstellung von einer Funktion ausgegangen, die sich annähernd durch eine Ellipse beschreiben läßt, so reichen praktisch drei Meßwerte beispielsweise 0°, 45° und 90° aus, um das Anisotropie-Verhältnis und den Faser­ winkel zu ermitteln.

Der Detektor 7 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Schottky-Diode ausgebildet. In ihm werden die empfangenen Mikrowellen in Gleichspannungssignale umgewandelt. Um die Genauigkeit dieser Meßsignale zu erhöhen, wird der sagezahn­ förmige Spulenstrom der Spulen 3S und 4S in dem Modulator 10 mit einem sinusför­ migen Signal kleiner Amplitude (hier nicht dargestellt) moduliert, dessen Frequenz (ω deutlich größer ist als Wiederholfrequenz des Sägezahngenerators mit 1 kHz. Vor­ zugsweise beträgt die Frequenz ω dieses Signals 50 kHz. Dem Detektor 7 ist der Multiplizierer 11 nachgeschaltet. Seine Aufgabe ist es, das Ausgangssignal des De­ tektors 7 mit einem Signal der Frequenz 2 ω zu mischen. Dieses Signal erhält der Multiplizierer 11 von dem Modulator 10. Zu diesem Zweck ist sein zweiter Signalein­ gang 11B mit dem zweiten Signalausgang 10B des Modulators 10 verbunden. An­ stelle des Multiplizierer 11 kann auch ein frequenzselektiver Voltmeter (hier nicht dargestellt) verwendet werden, der auf die Frequenz 2 ω abgestimmt wird. Das Aus­ gangssignal des Multiplizierers 11 wird der Auswerteeinheit 12 zugeführt die bei­ spielsweise als Prozeßrechner ausgebildet ist. Die ermittelten Meßwerte können an der Anzeigevorrichtung 13 abgelesen werden. Hier werden unter anderem die Dia­ gramme A und B angezeigt, die in Fig. 3 dargestellt sind. An Hand dieser Diagramme läßt sich ablesen, ob beispielsweise ein Absorptionsmaximum vorliegt. Da der Spu­ lenstrom mit einem Signal der Frequenz ω moduliert ist, weisen die Meßsignale wie das Diagramm A in Fig. 3 zeigt, für den Fall, daß ein Absorptionsmaximum der Mikrowellen im Papier 100 erreicht wird, eine Signalkomponente aus, deren Frequenz 2 ω beträgt. In allen übrigen Fällen ist die Amplitude dieser Frequenzkomponente kleiner, wie dem Diagramm B in Fig. 2 zu entnehmen ist.

Fig. 4 zeigt eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1. Diese Vorrichtung 1 ist im wesentlichen genau so aufgebaut. Gleiche Bauteile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Unterschiede bestehen darin, daß zwischen den Oszil­ lator 2 und den Faraday-Dreher 3 eine Auskopplungsvorrichtung 14 geschaltet ist, deren Signalausgang an den Signaleingang eines zweiten Detektors 70 angeschlos­ sen ist. Bei der Auskopplungsvorrichtung 14 handelt es sich um einen Recht­ eckhohlleiter-Richtungskoppler, der einen Teil der vom Werkstoff 100 reflektierten Leistung aus der Hauptleitung auskoppelt. Die beiden Detektoren 7 und 70 sind auch hierbei als Schottky-Dioden ausgebildet, und dafür vorgesehen die Mikrowellen in Gleichspannungssignale zu wandeln. Die Ausgangssignale der beiden Detektoren 7 und 70 werden über einen Analog/Digital-Wandler 15 der Auswerteeinheit 12 zuge­ führt, die mit dem Analog/Digital Wandlers über eine Signalleitung verbunden ist. Die Auswerteeinheit 12 ist auch bei dieser Ausführungsform als Prozeßrechner aus­ gebildet. Mit ihm kann ist eine Anzeigevorrichtung (hier nicht dargestellt) verbunden werden, an der in analoger Weise wie für die oben beschriebene Anzeigevorrichtung die Meßwerte abgelesen werden können. Die Funktion des Sägezahn-Stromgenera­ tors 9 gemäß Fig. 1 wird bei dieser Ausführungsform von der Auswerteeinheit 12 übernommen, beispielsweise durch Verwendung eines Digital/Analog Wanders mit Stromausgang (hier nicht dargestellt). Zu diesem Zweck steht ein Signalausgang der Auswerteeinheit 12 mit den Spulen 4S und 4S in Verbindung. Die in Fig. 3 dargestellt Vorrichtung erlaubt nicht nur die Auswertung der transmittierten Mikrowellen sondern auch der reflektierten Mikrowellen. Die vom Werkstoff 100 reflektierten Mikrowellen werden von der Hornantenne 5 empfangen und durch den Faraday-Dreher 3 geleitet, wo die elektrischen Feldvektoren der Mikrowellen wieder in eine vertikale Polarisati­ onsebene zurückgedreht werden. In der Auskopplungsvorrichtung 14 werden sie richtungsselektiv abgelenkt und dem Detektor 70 zugeführt, wo sie in Gleichspan­ nungssignale gewandelt werden. Von dort werden die Gleichspannungssignale über den Analog/Digital Wandler 15 der Auswerteeinheit 12 zugeführt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Orientierung von Fasern in gewebe- und/oder faserhaltigen Werkstoffen (100) mit Hilfe von Mikrowellen einer definierten Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Feldvektoren der Mikrowel­ len aus ihrer Polarisationsebene um mindestens ± 90° gedreht und auf den in einer festen Position angeordneten Werkstoff (100) geleitet werden, daß die elektrischen Feldvektoren der von dem Werkstoff (100) reflektierten und/oder transmittierten Mikrowellen in ihre ursprüngliche Polarisationsebene zurückgedreht und diese Mikrowellen in Gleichspannungssignale gewandelt werden, und daß aus der Größe der von dem Werkstoff (100) absorbierten und/oder reflektierten Energie der Mikro­ wellen die Faserorientierung in den untersuchten Bereichen des Werkstoffs (100) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß für die Be­ stimmung der Faserorientierung Mikrowellen mit einer Frequenz größer als 90 GHz und einer Wellenlänge λ = 3 mm im Vakuum verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung sehr kleiner Signaländerungen das Rauschen und der Gleich­ spannungsanteil der niederfrequenten Detektorsignale reduziert wird.

4. Vorrichtung zur Bestimmung der Orientierung von Fasern in gewebe- und/oder faserhaltigen Werkstoffen (100) mit einem Mikrowellengenerator (2), da­ durch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (2) über einen ersten Hohllei­ tertransformer (2A) mit einer Vorrichtung (3) zum Drehen der elektrischen Feldvekto­ ren von Mikrowellen verbunden ist, von der aus die Mikrowellen mit einer Antenne (5) auf den fest positionierten Werkstoff (100) leitbar sind, daß dem Werkstoff (100) eine zweite Antenne (6) und eine zweite Vorrichtung (4) zum Drehen der Feldvektoren von Mikrowellen nachgeschaltet sind, und daß der Signalausgang der zweiten Vorrich­ tung (4) zum Drehen der Feldvektoren über einen zweiten Hohlleitertransformer (2A) und einen Detektor (7) mit einer Auswerteeinheit (12) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulen­ strom der beiden Faraday-Dreher (3 und 4) durch einen Sägezahn-Stromgenerator (9) und einen Modulator (10) geführt und ein zweiter Signalausgang (10B) des Modu­ lators (10) an den zweiten Signaleingang (11B) eines Multiplizierers (11) ange­ schlossen ist, dessen erster Signaleingang (11A) an den Signalausgang des ersten Detektors (7) angeschlossen ist, und daß der Signalausgang des Multiplizierers (11) an die Auswerteeinheit (12) angeschlossen ist, dem eine Anzeigevorrichtung (13) nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die transmit­ tierten Mikrowellen von der zweiten Vorrichtung zum Drehen der Feldvektoren (4) über den zweiten Hohlleitertransformer (2A) dem ersten Detektor (7) zuführbar sind, daß die reflektierten Mikrowellen von der ersten Vorrichtung (3) zum Drehen der elektrischen Feldvektoren über den ersten Hohlleitertransformer (2A) sowie einer Auskopplungsvorrichtung (14), die zwischen den Mikrowellengenerator (2) und den ersten Hohlleitertransformer (2A) geschaltet ist, einem zweiten Detektor (70) zufuhr­ bar sind, und daß der erste und der zweite Detektor (7, 70) als Schottky-Dioden aus­ gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Signalausgang (12B) der Auswerteinheit (12) mit den Spulen (3S und 4S) der Fara­ day-Dreher (3 und 4) in Verbindung steht, und daß die Signalausgänge der beiden Detektoren (7 und 70) über einen Analog/Digital Wandler (15) an die Auswerteeinheit (12) angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit als Prozeßrechner ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (2) als Gunn-Oszillator, die Antennen (5, 6) als Hornantennen und die Vorrichtungen (3, 4) zum Drehen der Feldvektoren als Fara­ day-Dreher ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, an Stelle der Antennen (5, 6) und der Vorrichtungen (3, 4) zum Drehen der Feldvekto­ ren phasengesteuerte Antennen-Arrays vorgesehen sind.