DE19705260B4

DE19705260B4 - Anordnung zum Erfassen mindestens einer dielektrischen Eigenschaft eines Stoffes

Info

Publication number: DE19705260B4
Application number: DE19705260A
Authority: DE
Inventors: Henning Dr. Möller; Jörg Tobias; Andreas Noack
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: EP0791823A2; CN1204394C; JP4054083B2; CN1670515A; JPH09325123A; CN1186953A; DE19705260A1; EP0791823A3; CN1670515B

Abstract

Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes mit einem Generator und einem Resonator, dem von dem Generator Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen 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 ist, und mit einer Auswertschaltung, der das Signal zuführbar ist, welche eine 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 beeinflussten und unbeeinflussten Resonanzkurven erfassende Schaltungsanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (21) einen in einem Gehäuse (2) aus Metall angeordneten dielektrischen Festkörperresonator (21) umfasst, wobei das Gehäuse (2) jeweils eine Einlassöffnung (7) und eine Auslassöffnung (9) zum Durchleiten eines Stranges der Tabak verarbeitenden Industrie aufweist und der Festkörperresonator (21) mit einem Durchlass (23) für den Strang versehen ist, und dass...

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung gegenüber dem von dem Stoff unbeeinflußten Signal abnehmbar und einer Auswertschaltung zuführbar ist.
Bei der Tabakverarbeitung, insbesondere bei der Zigarettenherstellung, 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 interessant sind die Feuchte- und Massebestimmungen auch für Nahrungsmittel, Chemikalien, Textilien, Papier und dergleichen.
Es sind Verfahren und Anordnungen der eingangs genannten Art bekannt, z. B. durch die DE 40 04 119 C2 , bei denen die Feuchte von Stoffen durch Zuführen von Mikrowellen zu einem Hohlraumresonator erfaßt wird. Hierbei erlaubt eine bestimmte 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 bestimmen, wobei die durch Abfahren der Resonanzkurve ermittelte Resonanzfrequenz und die Halbwertsbreite der Resonanzlinie bestimmt und ausgewertet werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, mit welcher die Eigenschaften der zu vermessenden Stoffe schnell und genau erfasst werden können. Entsprechende Meßsignale können insbesondere zur Bestimmung von Teilmengen (z. B. Feuchtemenge oder Trockenmenge) oder von Gesamtmengen von Stoffen, z. B. eines bewegten Stranges der tabakverarbeitenden Industrie, insbesondere eines Zigaretten- oder Filterstranges, verwendet werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.
Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Anordnungsansprüchen 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 Geschwindigkeiten geförderten Strängen der tabakverarbeitenden Industrie (Tabak, Filtermaterial) möglich ist.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen eines Stoffes mit einer im Schnitt dargestellten von einem Zigarettenstrang durchsetzten Resonatoranordnung, der Mikrowellensignale zweier unterschiedlicher Frequenzen abwechselnd zugeführt sind,
2 den Verlauf der Resonanzkurven bei leerer und gefüllter Resonatoranordnung gemäß 1 entsprechend der Schaltungsanordnung nach 1,
3 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung gemäß 1, der ein gewobbeltes Mikrowellensignal zugeführt ist,
4 den Verlauf der Resonator kurven bei leerer und gefüllter Resonatoranordnung gemäß 1 entsprechend der Schaltungsanordnung nach 3,
5 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Trockenmasse und/oder der Feuchtmasse von Inkrementen eines mit einem Zigarettenpapierstreifen umhüllten Tabakmengenstromes (Zigarettenstrang),
6 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Dielektrizitätskonstanten von Inkrementen eines Zigarettenstranges,
7 eine Schaltunganordnung zum Erfassen von Größen eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung gemäß 1, der drei durch Modulation eines Mikrowellensignals erzeugte Signalfrequenzen zugeführt sind,
8 den Verlauf des modulierten Mikrowellensignals,
9 den Verlauf der Resonanzkurven bei leerer und gefüllter Resonatoranordnung gemäß 1 entsprechend der Schaltungsanordnung nach 7,
10 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von zwei der Resonatoranordnung zugeführten Mikrowellensignalen durch Modulation und Erfassen charakteristischer Größen durch Frequenzuntersetzung.
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-Nd₂O₃-TiO₂) bestehende Resonator 21 ist als Hohlzylinder ausgebildet und durch nicht dargestellte Abstandshalter in dem Gehäuse 2 fixiert. Er weist einen Teil 21a auf, der relativ zu ihm verschiebbar ist, z. B. um die Resonanzfrequenz 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 Auslaßöffnung 9 auf. Ein Zigarettenstrang 12, bestehend aus von Umhüllungsmaterial 12a (insbesondere einem Zigarettenpapierstreifen) 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 nichtleitendem Material, z. B. Quarz, entsprechend dem Pfeil 15 durch das Gehäuse 2 geführt. Hierdurch wird vermieden, daß Tabakteilchen, Staub oder dgl. in das Gehäuse 2 gelangen und dabei Störungen verursachen. Rohrförmige Stutzen 14a, 14b aus leitfähigem Material wie Metall verhindern ein Abstrahlen 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 Gehäuseachse 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 Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung am Zigarettenstrang 12 noch erhöht.
Über das Koaxialkabel 4 werden von dem Generator 3 abgegebene Mikrowellensignale zweier vorzugsweise im GHz-Bereich, z. B. ca. 6 GHz liegender Frequenzen über einen bekannten Zirkulator 18 zur Verhinderung einer Rückkopplung des Resonators 21 auf den Generator 3 der Resonatoranordnung 1 zugeführt. In 1 sind es Mikrowellensignale mit den Frequenzen f1, f2, die symmetrisch zu der Resonanzfrequenz fo einer in 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 unterschiedlichen 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 Mikrowellendiode 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 Gehäuse 2, die Resonanzkurve u für einen Betriebszustand mit Zigarettenstrang 12. Der Zirkulator 19 dient zur Verhinderung 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 Zigarettenstrang 12, so ergibt sich sowohl eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zu niedrigeren Werten f als auch eine Verringerung der Amplitude, wie sich aus der entsprechenden Kurve u in 2 ergibt. Die bei den Frequenzen f1, f2 von der Diode 22 abgegebenen Signale U1, U2 haben nun unterschiedliche Größen, so daß die Differenzen nicht mehr null, sondern um so größer sind, je größer die Resonanzfrequenz-Verschiebung 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-Meßverfahren die Masse/Dichte (feuchteunabhängig) und die Feuchte (dichteunabhängig) sowie die Dielektrizitätskonstante in der Auswertanordnung 11 bestimmt werden. Werden entsprechende 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 Integrated Products, 120 San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA, 94086, digitalisiert die Ausgangssignale der Diode 22.
Außerdem wirkt er als Torschaltung, da er Signale nur passieren läßt, wenn er von einer Frequenzsteueranordnung 24 über Leitung 25 einen Freigabeimpuls erhält. Die Frequenzsteueranordnung 24 beaufschlagt den Generator 3 mit Spannungsimpulsen 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 Resonatoranordnung 1 anliegt.
Die 3 und 4 zeigen eine Schaltungsanordnung, bei der die Frequenz des im Gigahertzbereich (z. B. bei ca. 6 GHz) liegenden Mikrowellen-Ausgangssignals eines Generators 3 von einer Frequenzsteueranordnung 24 sinusförmig periodisch geändert wird. Dies zeigt 4a, in der die zeitlichen 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 4b zeigt, vorzugsweise 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 Zirkulator 19 zugeführt sind, schwankt bei einer Resonatoranordnung ohne Tabak zwischen den Werten Uomin und Uomax. Im belasteten 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 belastetem Zustand.
Wie 4c zeigt, sind an der Diode 22 für den unbelasteten Zustand und den belasteten Zustand der Resonatoranordnung 1 Signale U über der Zeit t abnehmbar, die jeweils einen Gleichanteil Uog bzw. Ug und einen Wechselanteil uoa bzw. ua aufweisen.
Aus 3 geht hervor, daß mit dem bei mit Tabak gefüllter Resonatoranordnung 1 von der Diode 22 abgegebenen Signal ein Gleichanteilfilter 26 und Wechselanteilfilter 27 beaufschlagt werden. Über nachgeschaltete A/D-Umsetzer 28 und 29 werden die Ausgangssignale der Filter 26 bzw. 27 digitalisiert 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 unbelastetem und belastetem Zustand der Resonatoranordnung 1 läßt sich in der Auswertanordnung 11 auf die Eigenschaften des Tabaks (seine Feucht- und Trockenmasse und seine Dielektrizitätskontante) schließen, wie in den 5 und 6 erläutert wird.
5 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua, Ug aus den 4a bis 4c in der Auswertanordnung 11 gemäß 3 zur Ermittlung der Masse/Dichtewerte. Das Signal Ua entspricht im folgenden dem Gleichrichtwert des in 4c dargestellten Wechselanteils ua. Die Signale werden zunächst in digitalisierter Form in Speichern SUg, SUa abgespeichert. Diese Signale werden von einer Abtastanordnung 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 Zigaretten/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 Übertragungsimpulsen Ig und Ia werden die Werte in Rechenstufen Rg und Ra übertragen, in denen sie mit Konstanten zu Ausgangswerten 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 Konstanten 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 Korrekturglied 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 Schaltungsanordnung der 1 erfolgen, bei der der Mikrowellengenerator 3 zwei Frequenzen f1 und f2 aufeinanderfolgend der Resonatoranordnung 1 zuführt. Die nacheinander abgegebenen Signale können dann wieder in Speichern entsprechend SUg, SUa zur Abtastung gespeichert werden.
Die Auswertung gemäß einer Schaltungsanordnung der 5 läßt sich durch das Zuschalten eines dritten Speichers SU3 realisieren, wobei den Speichern SUg = SU1 und SUa = SU2 die Signale U1, U2 (7). zugeführt werden. Die Rechenstufen sind mit R1, R2, R3, ihre Ausgangssignale mit r1, r2, r3 bezeichnet. Die Übertragungsimpulse sind mit II, 12, 13 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 bekannten Feuchtmassen, also mit unterschiedlichen Werten der relativen Feuchte, zur Parametrierung verwendet.
6 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua, Ug aus den 4a bis 4c in der Auswertanordnung 11 gemäß 3 zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten ε des Zigarettenstranges 12. Hierzu werden die Signale Ug und Ua zunächst in den Speichern SUg und SUa zwischengespeichert. Sie werden, wie bei 3 beschrieben, periodisch und in kurzen Zeitabständen abgetastet, d. h. die Speicherinhalte 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 Ausgangswerten E'g (Realteil) und E''g (Imaginärteil) sowie E'a (Realteil und E'a (Imaginärteil) verrechnet. Die Verrechnung erfolgt in den Rechenstufen mittels Polynomen, deren Konstante durch Vermessung von Musterzigaretten nach Realteil und Imaginärteil der Dielektrizitätskonstanten bestimmt werden. Die Realteilen entsprechendn 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 bekannte Schaltung zur Bildung der komplexen Größe ε aus ε' und ε'' bezeichnet. Durch ein nicht dargestelltes Korrekturglied entsprechend Kg in 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 7 bis 9 zeigen eine Schaltungsanordnung, bei der ein Generator 3 ein Mikrowellensignal, vorzugsweise im GHz-Bereich, z. B. bei ca. 6 GHz, abgibt, das als Trägerfrequenz einer Modulationsanordnung 36 zugeführt ist, in der das Mikrowellensignal mit mindestens einem von einem Geber 37 abgegebenen sinusförmigen Signal von erheblich niedrigerer Frequenz amplitudenmoduliert wird. Als Modulator 36 zur Erzeugung eines Zweitfrequenzsignals durch Amplitudenmodulation eignet sich das Bauteil MDC-177 der Fa. Adams Rüssel 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 herunterzumischen. 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 8 über der Zeit dargestellt. Es besteht aus den hochfrequenten Mikrowellenschwingungen u des Generators 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 Eingang e einer Signalteilungsanordnung 38, z. B. vom Typ HP Power Splitter 11667B der Firma Hewlett-Packard, Herrenberger Straße 130, 71034 Böblingen, DE. Das amplitudenmodulierte Signal ergibt, wie in 9 dargestellt, in dem Beispiel drei Frequenzbänder, nämlich ein Grundfrequenzband f2 und Nebenfrequenzbänder f1, f3. Das Grundfrequenzband wird bezüglich der Resonanzkurve uo für eine leere Resonatoranordnung 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 Resonanzfrequenz verschoben ist, werden dadurch ermittelt, daß das Eingangssignal von der Signalteilungsanordnung 38 über drei Ausgänge a, b, c Filteranordnungen 39a, 39b, 39c zugeführt 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 ermittelte Signale (U1 U2, U1 U3, U2 U3) der gedämpften Resonatorkurve u für die Bestimmung der Feuchtemasse oder der Trockenmasse. Es können aber hierzu auch drei Signale verwendet werden. Es ist außerdem möglich, mehr als zwei Nebenfrequenzbänder durch Modulation zu bilden und die entsprechenden Signale auszuwerten.
Die Variante gemäß den 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 entsprechend der Anordnung gemäß 10 ausgewertet werden können.
10 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der ein Generator 3 ein Mikrowellensignal mit im GHz-Bereich liegender Frequenz abgibt. In einem Modulator 36 wird das Signal ähnlich wie bei 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 1 und 2 beschrieben, symmetrisch zu der Resonanzfrequenz für die leere Resonatoranordnung 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 sogenannten Mischer 47 durch ein an seinem Eingang a zugeführtes Signal erheblich herabgesetzt. Zwei ausgewählte charakterische 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 Frequenzerniedrigung können einfachere und schärfere Filter für die ausgewählten Frequenzbänder eingesetzt werden.
Die Signale der Mikrowellendioden 22 sind von der Tabaktemeratur abhängig. Zur Kompensation kann die Tabaktemperatur mit einem bekannten Verfahren abgetastet werden, z. B. mittels eines Temperaturfühlers in der Resonatoranordnung 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 Resonatoranordnung kann gemäß der Erfindung letztere beheizt werden.
Eine Drift des Meßsystems kann durch Referenzdioden oder, falls notwendig, durch eine zusätzliche Resonatoranordnung kompensiert werden.

Claims

Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes mit einem Generator und einem Resonator, dem von dem Generator Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen 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 ist, und mit einer Auswertschaltung, der das Signal zuführbar ist, welche eine 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 beeinflussten und unbeeinflussten Resonanzkurven erfassende Schaltungsanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (21) einen in einem Gehäuse (2) aus Metall angeordneten dielektrischen Festkörperresonator (21) umfasst, wobei das Gehäuse (2) jeweils eine Einlassöffnung (7) und eine Auslassöffnung (9) zum Durchleiten eines Stranges der Tabak verarbeitenden Industrie aufweist und der Festkörperresonator (21) mit einem Durchlass (23) für den Strang versehen ist, und dass die Resonatoranordnung (2, 21) zur Vermeidung von Wasserkondensation beheizt werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Gehäuse (2) und den Festkörperresonator (21) durchsetzende geschlossene rohrartige Führung (13) für den Zigarettenstrang (12) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Stutzen (14a, 14b) aus leitfähigem Material, insbesondere Metall, die Rohrführung an dem Ein- und Auslass des Gehäuses (2) umgeben.