DE19705260A1 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines StoffesInfo
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- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen mindestens
einer Eigenschaft eines Stoffes durch Auswertung der durch
die Anwesenheit des Stoffes verursachten Verstimmung eines
HF-Resonators, dem Mikrowellen zugeführt werden, und von dem
ein hochfrequentes, von dem Stoff beeinflußtes Signal abge
nommen wird, dessen Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämp
fung gegenüber einem von dem Stoff unbeeinflußten Signal
erfaßt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zum Erfassen
mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes, mit einem Reso
nator, dem von einem Generator Mikrowellen zuführbar sind,
und von dem ein hochfrequentes von dem Stoff beeinflußtes
Signal zum Erfassen seiner Resonanzfrequenz-Verschiebung und
Dämpfung gegenüber dem von dem Stoff unbeeinflußten Signal
abnehmbar und einer Auswertschaltung zuführbar ist.
Bei der Tabakverarbeitung, insbesondere bei der Zigaretten
herstellung, ist die Erfassung von Tabak-Mengenströmen
bezüglich der Tabakmasse je Mengestromeinheit und/oder der
Tabakfeuchte wichtig. Manchmal ist auch die Erfassung der
Dielektrizitätskonstanten des Tabaks erwünscht.
Aus den Anteilen der Trocken- und Feuchtmassen läßt sich
durch Summierung entsprechender Meßsignale dann auch auf die
Gesamtmasse des Mengenstromes schließen. Besonders interes
sant sind die Feuchte- und Massebestimmungen auch für Nah
rungsmittel, Chemikalien, Textilien, Papier und dergleichen.
Es sind Verfahren und Anordnungen der eingangs genannten Art
bekannt, z. B. durch die DE-PS 40 04 119, bei denen die
Feuchte von Stoffen durch Zuführen von Mikrowellen zu einem
Hohlraumresonator erfaßt wird. Hierbei erlaubt eine bestimm
te Auswahl des Feldverlaufes des Hohlraumresonators im
Bereich einer zu untersuchenden Probe, Materialfeuchte und
Materialdichte unabhängig voneinander für ein bekanntes
Material unter Verwendung einer Kalibrationskurve zu bestim
men, wobei die durch Abfahren der Resonanzkurve ermittelte
Resonanzfrequenz und die Halbwertsbreite der Resonanzlinie
bestimmt und ausgewertet werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
die Eigenschaften der zu vermessenden Stoffe schnell und
genau zu erfassen. Entsprechende Meßsignale können insbeson
dere zur Bestimmung von Teilmengen (z. B. Feuchtemenge oder
Trockenmenge) oder von Gesamtmengen von Stoffen, z. B. eines
bewegten Stranges der tabakverarbeitenden Industrie, insbe
sondere eines Zigaretten- oder Filterstranges, verwendet
werden.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erreicht man dies
dadurch, daß dem Resonator Mikrowellen mit mindestens zwei
unterschiedlichen Frequenzen zugeführt werden, daß die
Resonanzfrequenz-Verschiebungen durch Vergleich der von dem
Stoff unbeeinflußten und beeinflußten Resonanzkurven des
Resonators erfaßt werden und daß die Dämpfung durch Ver
gleich der Amplituden der Resonanzkurven bei den Frequenzen
der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird.
Weitere Verfahrensschritte sowie Weiterbildungen und weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind den untergeordneten
Verfahrensansprüchen zu entnehmen.
Die eingangs genannte Anordnung ist gekennzeichnet durch
eine Zufuhr von Mikrowellen mit mindestens zwei unterschied
lichen Frequenzen von dem Generator zu dem Resonator und
durch Resonanzfrequenz-Verschiebungen durch Vergleich der
von dem Stoff beeinflußten Resonanzkurve gegenüber der von
dem Stoff unbeeinflußten Resonanzkurve sowie die Dämpfung
durch Vergleich der Amplituden der von dem Stoff beeinfluß
ten und unbeeinflußten Resonanzkurven erfassenden Schal
tungsanordnung.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Anordnung
gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Anordnungsan
sprüchen zu entnehmen.
Der mit der Erfindung verbundene Vorteil besteht darin, daß
eine schnelle und genaue sogenannte "on-line" Erfassung der
eingangs genannten Größen insbesondere von mit hohen Ge
schwindigkeiten geförderten Strängen der tabakverarbeitenden
Industrie (Tabak, Filtermaterial) möglich ist.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungs
beispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen
eines Stoffes mit einer im Schnitt dargestellten
von einem Zigarettenstrang durchsetzten Resonator
anordnung, der Mikrowellensignale zweier unter
schiedlicher Frequenzen abwechselnd zugeführt
sind,
Fig. 2 den Verlauf der Resonanzkurven bei leerer und
gefüllter Resonatoranordnung gemäß Fig. 1 ent
sprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen
eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung gemäß
Fig. 1, der ein gewobbeltes Mikrowellensignal
zugeführt ist,
Fig. 4 den Verlauf der Resonatorkurven bei leerer und ge
füllter Resonatoranordnung gemäß Fig. 1 entspre
chend der Schaltungsanordnung nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Trocken
masse und/oder der Feuchtmasse von Inkrementen
eines mit einem Zigarettenpapierstreifen umhüllten
Tabakmengenstromes (Zigarettenstrang) ,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Dielek
trizitätskonstanten von Inkrementen eines Zigaret
tenstranges,
Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen
eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung gemäß
Fig. 1, der drei durch Modulation eines Mikrowel
lensignals erzeugte Signalfrequenzen zugeführt
sind
Fig. 8 den Verlauf des modulierten Mikrowellensignals,
Fig. 9 den Verlauf der Resonanzkurven bei leerer und
gefüllter Resonatoranordnung gemäß Fig. 1
entsprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 7,
Fig. 10 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von zwei der
Resonatoranordnung zugeführten Mikrowellensignalen
durch Modulation und Erfassen charakteristischer
Größen durch Frequenzuntersetzung.
Fig. 1 zeigt eine Hochfrequenz(HF)-Resonatoranordnung 1
gemäß der Erfindung, die einen Resonator 21 innerhalb eines
im Schnitt dargestellten Gehäuses 2 aufweist. Das Gehäuse 2
ist rotationssymmetrisch, in dem Beispiel zylinderförmig,
ausgebildet und besteht aus elektrisch leitendem Material
wie Kupfer. Es kann aber auch andere rotationssymmetrische
Formen oder davon abweichende Formen, z. B. die Form von
Polygonen aufweisen und aus anderem Material bestehen. Zur
Einkopplung eines elektromagnetischen Hochfrequenz(HF)-
Signals, vorzugsweise eines Mikrowellensignals, von einem
Generator 3 und zur Auskopplung des HF-Feldes (Mikrowellen)
zu einer Auswertanordnung 11 dienen bekannte Koaxialkabel 4
bzw. 6, die nicht dargestellte aber bekannte Koppelschleifen
aufweisen. Der aus dielektrischem Material wie Keramik oder
Kunststoff mit hoher Dielektrizitätskonstante (z. B. aus
BaO-PbO-Nd₂ O₃-TiO₂) bestehende Resonator 21 ist als Hohlzy
linder ausgebildet und durch nicht dargestellte Abstandshal
ter in dem Gehäuse 2 fixiert. Er weist einen Teil 21a auf,
der relativ zu ihm verschiebbar ist, z. B. um die Resonanz
frequenz ermitteln und/oder einstellen zu können. Durch den
dielektrischen Resonator 21 kann die Empfindlichkeit und
Genauigkeit der Messung erhöht werden.
Das Gehäuse 2 weist eine Einlaßöffnung 7 sowie eine Auslaß
öffnung 9 auf. Ein Zigarettenstrang 12, bestehend aus von
Umhüllungsmaterial 12a (insbesondere einem Zigarettenpapier
streifen) umgebenem Rauchmaterial 12b (insbesondere einem
Strang aus Tabakfasern), von dem nach Verlassen des Gehäuses
2 in bekannter Weise Zigaretten abgeschnitten werden, wird
zur Erfassung seiner Trockenmasse und/oder Feuchtmasse
und/oder Gesamtmasse oder seiner Dielektrizitätskonstanten
in einer rohrförmigen Führung 13 aus elektrisch nichtleiten
dem Material, z. B. Quarz, entsprechend dem Pfeil 15 durch
das Gehäuse 2 geführt. Hierdurch wird vermieden, daß Tabak
teilchen, Staub oder dgl. in das Gehäuse 2 gelangen und
dabei Störungen verursachen. Rohrförmige Stutzen 14a, 14b
aus leitfähigem Material wie Metall verhindern ein Abstrah
len des Hochfrequenzfeldes in störendem Ausmaß durch die
Ein- und Auslaßöffnungen des Gehäuses 2.
Durch die besondere konzentrische Anordnung der Führung 13
und damit des Zigarettenstranges 12 bezüglich der Gehäuse
achse 17 und dem Resonator 21 ergibt sich ein symmetrischer
Aufbau mit optimalen Meßeigenschaften. Da die Führung 13 und
damit der Zigarettenstrang 12 durch einen Durchlaß 20
hindurch den Resonator 21 durchsetzt, wird die Empfindlich
keit und Genauigkeit der Messung am Zigarettenstrang 12 noch
erhöht.
Über das Koaxialkabel 4 werden von dem Generator 3 abgegebe
ne Mikrowellensignale zweier vorzugsweise im GHz-Bereich, z. B.
ca. 6 GHz liegender Frequenzen über einen bekannten
Zirkulator 18 zur Verhinderung einer Rückkopplung des Reso
nators 21 auf den Generator 3 der Resonatoranordnung 1
zugeführt. In Fig. 1 sind es Mikrowellensignale mit den
Frequenzen f1, f2, die symmetrisch zu der Resonanzfrequenz
fo einer in Fig. 2 mit uo bezeichneten Resonanzkurve für
ein von Tabak freies Gehäuse 2 liegen. Die Frequenzen f1, f2
werden entweder nacheinander durch periodisches Umschalten
des Generators 3 von einer niedrigen Frequenz f1 auf eine
höhere Frequenz f2 und zurück auf f1 usw. erzeugt. Sie
können auch von zwei Generatoren mit geringfügig unter
schiedlichen Frequenzen aufeinanderfolgend zugeführt werden,
wobei die Generatoren aufeinanderfolgend abwechselnd ein-
und ausgeschaltet werden. Schließlich ist es auch möglich,
symmetrisch um die Resonanzfrequenz fo frequenzmodulierte
Mikrowellensignale zuzuführen (Wobbeln), wobei zum Messen
nur die Frequenzen f1 und f2 herangezogen werden.
Die Ausgangssignale der Resonatoranordnung 1 werden über das
Koaxialkabel 6 und einen Zirkulator 19 einer Mikrowellen
diode 22 zugeführt, die vom Typ HP 8472B der Firma Hewlett-
Packard, 71034 Böblingen, Herrenberger Straße 130, DE, sein
kann, und das Mikrowellensignal in ein Gleichspannungssignal
umsetzt. Das Ausgangssignal U von Diode 22 in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Frequenzen f des dem Resonator 21
zugeführten Mikrowellensignals zeigt die Resonanzkurve uo
für einen Betriebszustand ohne Zigarettenstrang 12 im Gehäu
se 2, die Resonanzkurve u für einen Betriebszustand mit
Zigarettenstrang 12. Der Zirkulator 19 dient zur Verhinde
rung einer Rückkopplung der Diode 22 auf den Resonator 21.
Da die Frequenzen f1, f2 symmetrisch zur Resonanzfrequenz fo
liegen, sind die von der Mikrowellendiode 22 abgegebenen
Signale U1o, U2o gleich groß, ihre Differenzen also null.
Enthält das Gehäuse 2 Meßgut, also z. B. einen Zigaretten
strang 12, so ergibt sich sowohl eine Verschiebung der Re
sonanzfrequenz zu niedrigeren Werten f als auch eine Verrin
gerung der Amplitude, wie sich aus der entsprechenden Kurve
u in Fig. 2 ergibt. Die bei den Frequenzen f1, f2 von der
Diode 22 abgegebenen Signale U1, U2 haben nun unterschiedli
che Größen, so daß die Differenzen nicht mehr null, sondern
um so größer sind, je größer die Resonanzfrequenz-Verschie
bung ist. Aus den bei beiden Frequenzen f1, f2 gemessenen
Signale lassen sich die Dämpfung und die Resonanzfrequenz-
Verschiebung berechnen. Damit können wie bei allen HF-Meß
verfahren die Masse/Dichte (feuchteunabhängig) und die
Feuchte (dichteunabhängig) sowie die Dielektrizitätskonstan
te in der Auswertanordnung 11 bestimmt werden. Werden ent
sprechende Signale summiert, so läßt sich die Gesamtmasse,
bestehend aus Trockenmasse und Feuchtmasse, ermitteln.
Von der Diode 22 gelangen die Ausgangssignale über einen
A/D-Umsetzer 23 zu der Auswertanordnung 11. Der A/D-
Umsetzer, z. B. vom Typ MX 7672-03 der Firma Maxim Inte
grated Products, 120 San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA,
94086, digitalisiert die Ausgangssignale der Diode 22.
Außerdem wirkt er als Torschaltung, da er Signale nur pas
sieren läßt, wenn er von einer Frequenzsteueranordnung 24
über Leitung 25 einen Freigabeimpuls erhält. Die Frequenz
steueranordnung 24 beaufschlagt den Generator 3 mit Span
nungsimpulsen unterschiedlicher Höhe, die die Frequenzen der
Ausgangssignale beeinflussen, d. h. sie von höheren (f2) zu
niederen (f1) und wieder zu höheren (f2) Werten umschalten.
Um Übergangserscheinungen auszuschließen, erhält der A/D-
Umsetzer 23 nur dann Freigabesignale, wenn die höhere oder
niedrigere Frequenz f2 oder f1 wirklich an der Resonatoran
ordnung 1 anliegt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Variante der Erfindung, bei
der die Frequenz des im Gigahertzbereich (z. B. bei ca. 6
GHz) liegenden Mikrowellen-Ausgangssignals eines Generators
3 von einer Frequenzsteueranordnung 24 sinusförmig perio
disch geändert wird. Dies zeigt Fig. 4a, in der die zeitli
chen Änderungen der Frequenzen f dargestellt sind. Die
mittlere Frequenz fm wird entsprechend der sinusförmigen
Kurve s, die selbst eine Frequenz von z. B. einigen hundert
KHz haben kann, im Frequenzbereich Δf konstant geändert.
Die mittlere Frequenz fm liegt, wie Fig. 4b zeigt, vorzugs
weise im Wendepunkt Uow der Resonanzkurve uo, die ohne Tabak
im Gehäuse 2 ermittelt wurde. Das Ausgangssignal U der Diode
22, der die Mikrowellen-Signale des Generators 3 über einen
Zirkulator 18, eine Resonatoranordnung 1 und einen Zirkula
tor 19 zugeführt sind, schwankt bei einer Resonatoranordnung
ohne Tabak zwischen den Werten Uomin und Uomax. Im belaste
ten Zustand, also mit Tabak gefüllter Resonatoranordnung 1,
bildet sich die Dämpfungskurve u mit den Werten Umin, Umax
aus. Uomit und Umit sind Mittelwerte, die bei der Frequenz
fm abnehmbar sind. fo ist wieder die Resonanzfrequenz in
unbelastetem Zustand der Resonatoranordnung 1,f in belaste
tem Zustand.
Wie Fig. 4c zeigt, sind an der Diode 22 für den unbelaste
ten Zustand und den belasteten Zustand der Resonatoranord
nung 1 Signale U über der Zeit t abnehmbar, die jeweils ei
nen Gleichanteil Uog bzw. Ug und einen Wechselanteil uoa
bzw. ua aufweisen.
Aus Fig. 3 geht hervor, daß mit dem bei mit Tabak gefüllter
Resonatoranordnung 1 von der Diode 22 abgegebenen Signal ein
Gleichanteilfilter 26 und Wechselanteilfilter 27 beauf
schlagt werden. Über nachgeschaltete A/D-Umsetzer 28 und 29
werden die Ausgangssignale der Filter 26 bzw. 27 digitali
siert und der Auswertanordnung 11 zugeführt.
Durch eine besondere Schaltungsanordnung kann dafür gesorgt
werden, daß die Frequenzsteueranordnung 24 über Leitung 31
ein Korrektursignal erhält, sobald die mittlere Frequenz fm
aus dem Wendepunkt der Resonanzkurve uo auswandert. Durch
das Korrektursignal wird die Frequenz fm des Ausgangssignals
des Generators wieder auf den Wert Uow gebracht, der dem
Wendepunkt der Resonanzkurve uo entspricht.
Durch Vergleich zwischen den Gleichanteilen Uog und Ug sowie
zwischen den Wechselanteilen uoa und ua in mit Tabak unbela
stetem und belastetem Zustand der Resonatoranordnung 1 läßt
sich in der Auswertanordnung 11 auf die Eigenschaften des
Tabaks (seine Feucht- und Trockenmasse und seine Dielektri
zitätskontante) schließen, wie in den Fig. 5 und 6 erläu
tert wird.
Fig. 5 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua,
Ug aus den Fig. 4a bis 4c in der Auswertanordnung 11
gemäß Fig. 3 zur Ermittlung der Masse/Dichtewerte. Das
Signal Ua entspricht im folgenden dem Gleichrichtwert des in
Fig. 4c dargestellten Wechselanteils ua. Die Signale werden
zunächst in digitalisierter Form in Speichern SUg, SUa
abgespeichert. Diese Signale werden von einer Abtastanord
nung in einer Folge abgefragt, die bestimmten Inkrementen
des Zigarettenstranges 12, z. B. 1 mm, entsprechen. Dies
bedeutet, daß bei einer Produktionsgeschwindigkeit des
Zigarettenstranges von 10000 jeweils 60 mm langen Zigaret
ten/Min. die Abtastrate bei 100 Mikrosekunden liegt, also
alle 100 Mikrosekunden die Werte (Signale) in den Speichern
SUg und SUa abgetastet werden. Mit noch kürzeren Übertra
gungsimpulsen Ig und Ia werden die Werte in Rechenstufen Rg
und Ra übertragen, in denen sie mit Konstanten zu Ausgangs
werten Ag und Aa verrechnet werden. Die Verrechnung kann in
einem einfachen Fall durch Polynome vom Typ a + b Ug = Ag
bzw. c + d Ua = Aa erfolgen. Die Konstanten a, b, c und d
werden durch Parametrierung ermittelt, bei der Zigaretten
mit durch Wiegen genau ermittelten Massen/Dichten bezüglich
der zugeordneten Ug- und Ua-Werte vermessen werden. Aus den
Beziehungen zwischen unterschiedlichen Dichten/Massen und
den zugehörigen Werten von Ug und Ua lassen sich die Kon
stanten ermitteln.
Prinzipiell können auch Polynome höherer Ordnung oder auch
andere Funktionen Verwendung finden.
Die Ausgangssignale Ag und Aa werden einem Additionsglied Ad
zugeführt, dessen Ausgangssignal Ae der Dichte/Masse
entspricht. Weicht das von Ad abgebene Signal Ae von dem
genauen Wert der Masse/Dichte ab, so kann ein Korrektur
glied Kg ein empirisch ermitteltes Korrektursignal Ak an ein
weiteres Additionsglied Add abgeben, dessen Ausgangssignal
Aed dem Dichte/Massewert des Tabakstranges noch genauer
entspricht.
In der gleichen Weise kann die Auswertung gemäß einer Schal
tungsanordnung der Fig. 1 erfolgen, bei der der Mikrowel
lengenerator 3 zwei Frequenzen f1 und f2 aufeinanderfolgend
der Resonatoranordnung 1 zuführt. Die nacheinander abgege
benen Signale können dann wieder in Speichern entsprechend
SUg, SUa zur Abtastung gespeichert werden.
Die Auswertung gemäß einer Schaltungsanordnung der Fig. 5
läßt sich durch das Zuschalten eines dritten Speichers SU3
realisieren, wobei den Speichern SUg = SU1 und SUa = SU2 die
Signale U1, U2 (Fig. 7) zugeführt werden. Die Rechenstufen
sind mit R1, R2, R3, ihre Ausgangssignale mit r1, r2, r3
bezeichnet. Die Übertragungsimpulse sind mit I1, I2, I3
bezeichnet.
Eine Auswertung der Meßsignale nach der Tabakfeuchte des
Tabakstranges kann prinzipiell auf die gleiche Weise
erfolgen. Anstatt mit bestimmten bekannten Gewichten
(Dichte/Masse) werden dann Zigaretten mit bestimmten bekann
ten Feuchtmassen, also mit unterschiedlichen Werten der re
lativen Feuchte, zur Parametrierung verwendet.
Fig. 6 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua,
Ug aus den Fig. 4a bis 4c in der Auswertanordnung 11
gemäß Fig. 3 zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten ε
des Zigarettenstranges 12. Hierzu werden die Signale Ug und
Ua zunächst in den Speichern SUg und SUa zwischengespei
chert. Sie werden, wie bei Fig. 3 beschrieben, periodisch
und in kurzen Zeitabständen abgetastet, d. h. die Speicher
inhalte werden mittels Übertragungsimpulsen Ig und Ia zu den
Rechenstufen übertragen. Dabei werden die Werte aus SUg in
die Rechenstufe R′g für den Realteil und in die Rechenstufe
R′′g für den Imaginärteil überführt. In ähnlicher Weise
gelangen die Werte aus SUa in die Rechenstufe R′a für den
Realteil und R′′a für den Imaginärteil. In den Rechenstufen
werden die übertragenen Werte mit Konstanten zu Ausgangswer
ten E′g (Realteil) und E′′g (Imaginärteil) sowie E′a (Real
teil und E′′a (Imaginärteil) verrechnet. Die Verrechnung er
folgt in den Rechenstufen mittels Polynomen, deren Konstante
durch Vermessung von Musterzigaretten nach Realteil und
Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten bestimmt werden.
Die Realteilen entsprechenden Ausgangssignale E′g und E′a
werden zu einem Additionsglied A′d, die Imaginärteile E′′g
und E′′a zu einem Additionsglied A′′d geführt. Die addierten
Signale ergeben den Realteil der Dielektrizitätskonstanten
ε′ bzw. deren Imaginärteil ε′′. Mit V ist ein an sich be
kannte Schaltung zur Bildung der komplexen Größe ε aus ε′
und ε′′ bezeichnet. Durch ein nicht dargestelltes Korrek
turglied entsprechend Kg in Fig. 5 können im Bedarfsfall
empirisch ermittelte Korrektursignale abgegeben werden. Der
Wert der komplexen Dielektrizitätskonstanten läßt sich durch
vektorielle Addition von ε′ und ε′′ ermitteln.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine Variante der Erfindung, bei
der ein Generator 3 ein Mikrowellensignal, vorzugsweise im
GHz-Bereich, z. B. bei ca. 6 GHz, abgibt, das als Trägerfre
quenz einer Modulationsanordnung 36 zugeführt ist, in der
das Mikrowellensignal mit mindestens einem von einem Geber
37 abgegebenen sinusförmigen Signal von erheblich niedrige
rer Frequenz amplitudenmoduliert wird. Als Modulator 36 zur
Erzeugung eines Zweitfrequenzsignals durch Amplitudenmodula
tion eignet sich das Bauteil MDC-177 der Fa. Adams Russel
Anzac Division, 80 Cambridge Street, Burlington, Maryland,
USA. Zahlenbeispiel: 5,8 GHz mit 10 MHz moduliert, ergeben
5,790 GHz und 5,810 GHz. Das gleiche Bauteil kann auch als
Mischer 47 verwendet werden, um die GHz-Frequenz herunterzu
mischen. Zahlenbeispiel: Die Eingangsfrequenzen 5,790 GHz
und 5,810 GHz gemischt mit 5,765 GHz ergeben 25 MHz und 45
MHz.
Der Verlauf des amplitudenmodulierten Mikrowellensignals
Umod ist in Fig. 8 über der Zeit dargestellt. Es besteht
aus den hochfrequenten Mikrowellenschwingungen u des Genera
tors 3 und der überlagerten Modulationsschwingung, die eine
sinusförmige Hüllkurve h bildet. Das amplitudenmodulierte
Mikrowellensignal gelangt über einen Zirkulator 18, eine
Resonatoranordnung 1 und einen Zirkulator 19 zu einem Ein
gang e einer Signalteilungsanordnung 38, z. B. vom Typ HP
Power Splitter 11667B der Firma Hewlett-Packard, Herrenber
ger Straße 130, 71034 Böblingen, DE. Das amplitudenmodulier
te Signal ergibt, wie in Fig. 9 dargestellt, in dem Bei
spiel drei Frequenzbänder, nämlich ein Grundfrequenzband f2
und Nebenfrequenzbänder f1, f3. Das Grundfrequenzband wird
bezüglich der Resonanzkurve uo für eine leere Resonatoran
ordnung 1 vorzugsweise so eingestellt, daß sie auf dem
Wendepunkt Uw von uo liegt. Die entsprechenden Signale U1,
U2 und U3 auf der durch Tabak in der Resonatoranordnung
gedämpften Resonanzkurve u, die auch bezüglich ihrer Reso
nanzfrequenz verschoben ist, werden dadurch ermittelt, daß
das Eingangssignal von der Signalteilungsanordnung 38 über
drei Ausgänge a, b, c Filteranordnungen 39a, 39b, 39c zuge
führt wird, die so eingestellt sind, daß sie jeweils ein
Signal eines Frequenzbandes f1, f2, f3 passieren lassen. Die
Filteranordnungen können vom Typ MAX 274 Maxim Integrated
Products, 120 San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA 94086, sein.
Eine jeweils nachgeschaltete Diode 22a, 22b, 22c formt ein
Gleichspannungssignal, das jeweils über einen A/D-Umsetzer
41a, 41b, 41c digitalisiert und einer Auswertanordnung 11
zugeleitet wird.
Prinzipiell genügen zwei auf die vorbeschriebene Art ermit
telte Signale (U1 U2, U1 U3, U2 U3) der gedämpften Resona
torkurve u für die Bestimmung der Feuchtemasse oder der
Trockenmasse. Es können aber hierzu auch drei Signale ver
wendet werden. Es ist außerdem möglich, mehr als zwei Neben
frequenzbänder durch Modulation zu bilden und die entspre
chenden Signale auszuwerten.
Die Variante gemäß den Fig. 7 bis 9 kann so abgewandelt
werden, daß die Mittelfrequenz f2 nicht auf der Flanke der
Resonanzkurve uo, sondern auf deren Spitze, also bei fo
liegt. In diesem Fall liegen die Nebenfrequenzen f1 und f2
symmetrisch dazu, so daß die zugehörigen Signale U1, U3 ent
sprechend der Anordnung gemäß Fig. 10 ausgewertet werden
können.
Fig. 10 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der ein
Generator 3 ein Mikrowellensignal mit im GHz-Bereich liegen
der Frequenz abgibt. In einem Modulator 36 wird das Signal
ähnlich wie bei Fig. 5 und 6 beschrieben durch ein an
Eingang a zugeführtes Modulationssignal moduliert, wodurch
mehrere Mikrowellensignale mit dicht beieinanderliegenden
Frequenzen auftreten, die über einen Verstärker 46 der
Resonatoranordnung 1 zugeführt sind. Die Mikrowellensignale
liegen, wie anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben, symme
trisch zu der Resonanzfrequenz für die leere Resonatoranord
nung 1. Prinzipiell ist es aber auch möglich, von zwei
Generatoren getrennte Mikrowellensignale unterschiedlicher
Frequenzen zuzuführen. Die Entkopplung kann wieder über
nicht dargestellte Zirkulatoren (entsprechend 18 und 19 in
den vorhergehenden Figuren) erfolgen.
Nach Beeinflussung der Mikrowellensignale in der von dem
Zigarettenstrang durchsetzten Resonatoranordnung 1 werden
die hohen Frequenzen der Mikrowellensignale in einem soge
nannten Mischer 47 durch ein an seinem Eingang a zugeführtes
Signal erheblich herabgesetzt. Zwei ausgewählte charakteri
sche Signale mit erheblich niedrigeren Frequenzen werden
über Filteranordnungen 39a, 39b Dioden 22a, 22b zugeführt,
die entsprechende Gleichspannungen abgeben. Diese werden
durch A/D-Umsetzer 41a, 41b digitalisiert und danach einer
Auswertanordnung 11 zugeführt. Durch die Frequenzerniedri
gung können einfachere und schärfere Filter für die ausge
wählten Frequenzbänder eingesetzt werden.
Die Signale der Mikrowellendioden 22 sind von der Tabaktemp
eratur abhängig. Zur Kompensation kann gemäß der Erfindung
die Tabaktemperatur mit einem bekannten Verfahren abgetastet
werden, z. B. mittels eines Temperaturfühlers in der Resona
toranordnung 1. Der Temperaturfühler kann aber auch in einem
vorgeordneten Bereich der Zigarettenmaschine, in der der
Tabakstrang 12 erzeugt wird, z. B. in deren Verteiler,
eingebaut sein. Es kann sogar ein IR-Strahlungsthermometer
verwendet werden, das auf die Enden der Zigaretten nach
deren Abschneiden von dem Zigarettenstrang gerichtet ist und
die Temperatur des Tabaks direkt erfaßt.
Zur Vermeidung von Wasserkondensation in der Resonatoranord
nung kann gemäß der Erfindung letztere beheizt werden.
Eine Drift des Meßsystems kann gemäß der Erfindung durch
Referenzdioden oder, falls notwendig, durch eine zusätzliche
Resonatoranordnung kompensiert werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Abwandlung der
Resonatoranordnung 1, bei der das metallische Gehäuse 2
nicht geschlossen ist, sondern mindestens eine für Mikrowel
len durchlässige Fläche, z. B. aus Keramik, aufweist, durch
die Mikrowellen in ein angrenzendes Medium, das z. B. aus
Schnittabak bestehen kann, gelangen kann. Auf diese Weise
lassen sich auch Stoffe, die nicht in geschlossenen mit
Hüllmaterial umhüllten Strängen wie der Zigarettenstrang 12
vorliegen, sondern z. B. als Schüttgut, bezüglich ihrer
Masse/Dichte und/oder ihrer Feuchte oder ihre Dielektrizi
tätskonstanten vermessen.
Claims (43)
1. Verfahren zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft
eines Stoffes durch Auswertung der durch die Anwesenheit des
Stoffes verursachten Verstimmung eines HF-Resonators, dem
Mikrowellen zugeführt werden, und von dem ein hochfrequen
tes, von dem Stoff beeinflußtes Signal abgenommen wird,
dessen Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung gegenüber
einem von dem Stoff unbeeinflußten Signal erfaßt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator Mikrowellen mit
mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen zugeführt
werden, daß die Resonanzfrequenz-Verschiebungen durch Ver
gleich der von dem Stoff unbeeinflußten und beeinflußten
Resonanzkurven des Resonators erfaßt werden und daß die
Dämpfung durch Vergleich der Amplituden der Resonanzkurven
bei den Frequenzen der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Resonator Mikrowellen von mindestens zwei Frequenzen
ständig zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzen der Mikrowellen periodisch geändert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges Umschalten
von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten
periodisch geändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges und kontinu
ierliches Ändern von niederen zu höheren und wieder zurück
zu niederen Werten (Wobbeln) mit geringerer Frequenz geän
dert werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator Mikro
wellen von mindestens zwei Frequenzen zugeführt werden, die
symmetrisch zu der von dem Stoff unbeeinflußten Resonanzfre
quenz den abfallenden Flanken der Resonanzkurve zugeordnet
sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Resonator Mikrowellen von mindestens zwei Frequenzen
zugeführt werden, die beide einer abfallenden Flanke der
Resonanzkurve zugeordnet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die zwischen Grenzwerten ständig kontinuierlich geänderten
Frequenzen der Mikrowellen vorzugsweise sinusförmig mit
geringerer Frequenz geändert(gewobbelt) werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verschiebung der Resonanzkurve und der in einer Amplitu
denverringerung zum Ausdruck kommenden Dämpfung durch Aus
gangssignale ermittelt werden, die einen Gleichanteil und
einen mit der vorzugsweise sinusförmigen Wobbelfrequenz sich
ändernden Wechselanteil aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das einem Gleichanteil entsprechende Ausgangssignal (Ug)
sowie das dem Wechselanteil entsprechende Ausgangssignal
(Ua) jeweils einer Rechenstufe zugeführt wird, in der die
Signale in Polynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen
verrechnet werden, die durch Addition den Endwert ergeben.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ermittlung der Konstanten durch Parametrierung anhand
von Referenzwerten des Stoffes erfolgt, der - je nach zu
ermittelnder Größe - bezüglich seiner Dichte/Masse oder
seiner Feuchte oder seiner Dielektrizitätskonstanten vermes
sen wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenzen der
Mikrowellen, deren Frequenzen ständig und kontinuierlich von
niederen zu höheren und wieder zu niederen Werten geändert
(gewobbelt) werden, zumindest annähernd symmetrisch zu einem
Wendepunkt einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve gehal
ten werden.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen
Frequenzen der Mikrowellen dadurch erzeugt werden, daß die
Amplitude einer Mikrowellenschwingung vorzugsweise sinusför
mig mit geringerer Frequenz moduliert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Grundfrequenz der sich ergebenden Frequenzbänder auf
einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve, vorzugsweise in
deren Wendepunkt, gehalten wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator Mikro
wellen zweier vorzugsweise durch Modulation erzeugter Fre
quenzen ständig zugeführt werden, daß danach die Mikrowel
lenfrequenzen erheblich untersetzt werden und daß anschlie
ßend durch Filtern ausgewählter unterschiedlicher Frequenz
bereiche Größen, die für die durch den Stoff beeinflußte
Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung charakteristisch
sind, ermittelt werden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte/Masse von
Schnittabak, insbesondere in einem Zigarettenstrang, erfaßt
wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchte/Masse von
Schnittabak, insbesondere in einem Zigarettenstrang, erfaßt
wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitäts
konstante (ε) von Schnittabak, insbesondere in einem
Zigarettenstrang, erfaßt wird.
19. Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft
eines Stoffes, mit einem Resonator, dem von einem Generator
Mikrowellen zuführbar sind, und von dem ein hochfrequentes
von dem Stoff beeinflußtes Signal zum Erfassen seiner Reso
nanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung gegenüber dem von dem
Stoff unbeeinflußten Signal abnehmbar und einer Auswert
schaltung zuführbar ist, gekennzeichnet durch eine Zufuhr
von Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Fre
quenzen von dem Generator zu dem Resonator und durch eine
Resonanzfrequenz-Verschiebungen durch Vergleich der von dem
Stoff beeinflußten Resonanzkurve gegenüber der von dem Stoff
unbeeinflußten Resonanzkurve sowie die Dämpfung durch Ver
gleich der Amplituden der von dem Stoff beeinflußten und
unbeeinflußten Resonanz kurven erfassende Schaltungsanord
nung.
20. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine
ständige Zufuhr von Mikrowellen mit mindestens zwei
Frequenzen von dem Generator zu dem Resonator.
21. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine
periodische Änderung der Frequenzen der Mikrowellen.
22. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine
Umschaltanordnung zum ständigen Umschalten der Frequen
zen der Mikrowellen von niederen zu höheren und wieder zu
zurück zu niederen Werten zwecks periodischer Frequenzände
rungen.
23. Anordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine
Wobbelanordnung zum ständigen und kontinuierlichen Ändern
der Frequenzen der Mikrowellen von niederen zu höheren
und wieder zu zurück zu niederen Werten (Wobbeln).
24. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
23, gekennzeichnet durch die Zufuhr von Mikrowellen von
mindestens zwei Frequenzen zu dem Resonator, die symmetrisch
zu der von dem Stoff unbeeinflußten Resonanzfrequenz den
abfallenden Flanken der Resonanzkurve zugeordnet sind.
25. Anordnung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch die
Zufuhr von Mikrowellen von mindestens zwei Frequenzen zu dem
Resonator, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanz
kurve zugeordnet sind.
26. Anordnung nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine
Wobbelanordnung zum vorzugsweise sinusförmigen Ändern
der Frequenzen der Mikrowellen zwischen Grenzwerten.
27. Anordnung nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch eine
Schaltungsanordnung zum Erfassen von Gleichanteilen und
Wechselanteilen des abgenommenen der Resonanzfrequenz-Ver
schiebung und der Dämpfung entsprechenden Signals.
28. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 25 bis
27, gekennzeichnet durch eine Lage der Grenzfrequenzen der
Mikrowellen, deren Frequenzen ständig und kontinuierlich von
niederen zu höheren und wieder zu niederen Werten geändert
(gewobbelt) werden, die zumindest annähernd symmetrisch zu
einem Wendepunkt einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve.
29. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 23 bis
28, gekennzeichnet durch von dem einem Gleichanteil entspre
chenden Ausgangssignal (Ug) und dem einem Wechselanteil
entsprechenden Ausgangssignal (Ua) beaufschlagte Rechenstu
fen (Rg, Ra), in denen die Signale in Polynomen zusammen mit
Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die durch
Addition den Endwert ergeben.
30. Anordnung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch Er
mittlung der Konstanten mittels Parametrierung anhand von
Referenzwerten des Stoffes, der - je nach zu ermittelnder
Größe - bezüglich seiner Dichte/Masse oder seiner Feuchte
oder seiner Dielektrizitätskonstanten vermessen wird.
31. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
30, gekennzeichnet durch eine Modulationsanordnung zum
vorzugsweise sinusförmigen Modulieren der Frequenzen der
Mikrowellen mit geringerer Frequenz.
32. Anordnung nach Anspruch 31, gekennzeichnet durch eine
Grundfrequenz der sich durch die Modulation ergebenden
Frequenzbänder auf einer abfallenden Flanke der Resonanzkur
ve, vorzugsweise in deren Wendepunkt.
33. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
32, gekennzeichnet durch eine ständige Zufuhr von Mikrowel
len zweier vorzugsweise durch Modulation erzeugter Frequen
zen, durch eine nachgeschaltete Frequenzuntersetzungsstufe
für die beiden Signale und durch eine nachgeschaltete Fil
teranordnung zum Filtern ausgewählter untersetzter Frequenz
bereiche zur Ermittlung von Größen, die für die von dem
Stoff beeinflußte Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung
charakteristisch sind.
34. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
33, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21) in einem
Gehäuse (2) aus Metall angeordnet ist, das jeweils eine
Einlaßöffnung (7) sowie eine Auslaßöffnung (9) zum Durchlei
ten eines Stranges der tabakverarbeitenden Industrie, insbe
sondere eines Zigarettenstranges (12), aufweist.
35. Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (2) rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylin
drisch, ausgebildet ist.
36. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
35, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) ein
dielektrischer Festkörperresonator (21) angeordnet ist.
37. Anordnung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß
der Festkörperresonator (21) mit einem Durchlaß (23) für den
Zigarettenstrang (12) versehen ist.
38. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß eine das Gehäuse (2) und
gegebenenfalls den Festkörperresonator (21) durchsetzende
geschlossene rohrartige Führung (13) für den Zigaretten
strang (12) vorgesehen ist.
39. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
38, dadurch gekennzeichnet, daß rohrförmige Stutzen (14a,
14b) aus leitfähigem Material, insbesondere Metall, die
Rohrführung an dem Ein- und Auslaß des Gehäuses (2) umgeben.
40. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
39, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer baugleicher,
vorzugsweise in einem gleichartigen Gehäuse angeordneter
Resonator vorgesehen ist, der in gleicher Weise mit Mi
krowellen beaufschlagt ist und von dem ein von einem Refe
renzmedium beeinflußtes Mikrowellensignal zwecks Kompensa
tion von Störgrößen abnehmbar ist.
41. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
40, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Dichte/Masse von
Schnittabak, insbesondere von einem Zigarettenstrang.
42. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
40, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Feuchte von
Schnittabak, insbesondere in einem Zigarettenstrang.
43. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis
42, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Dielektrizitäts
konstanten (ε) von Schnittabak, insbesondere in einem Zi
garettenstrang.
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