DE19734978A1 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes

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    • A24C5/34Examining cigarettes or the rod, e.g. for regulating the feeding of tobacco; Removing defective cigarettes
    • A24C5/3412Examining cigarettes or the rod, e.g. for regulating the feeding of tobacco; Removing defective cigarettes by means of light, radiation or electrostatic fields

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes durch Auswertung der durch die Anwesenheit des Stoffes verursachten Verstim­ mung eines HF-Resonators, dem Mikrowellen zugeführt werden und von dem ein hochfre­ quentes, von dem Stoff beeinflußtes Signal abgenommen wird, dessen Resonanzfrequenz- Verschiebung und Dämpfung gegenüber einem von dem Stoff unbeeinflußten Signal erfaßt wird, wobei dem Resonator Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequen­ zen 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 Vergleich der Amplituden der Resonanzkurven bei den Frequenzen der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigen­ schaft eines Stoffes, mit einem Resonator, dem von einem Generator Mikrowellen zuführ­ bar sind, und von dem ein hochfrequentes von dem Stoff beeinflußtes Signal zum Erfassen seiner Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung gegenüber dem von dem Stoff un­ beeinflußten Signal abnehmbar und einer Auswertschaltung zuführbar ist, mit einer Zufuhr von Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen von dem Generator zu den 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 Vergleich der Amplituden der von dem Stoff be­ einflußten und unbeeinflußten Resonanzkurven erfassende Schaltungsanordnung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in einer Weiterbildung des Verfah­ rens und der Anordnung gemäß dem Hauptpatent.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung besteht die Lösung darin, daß dem Resonator Mikrowellen von zwei Frequenzen zugeführt werden, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Verfahrensansprüchen zu entnehmen.
Die eingangs genannte Anordnung ist gekennzeichnet durch die Zufuhr von Mikrowellen von zwei Frequenzen, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind, zu dem Resonator.
Weitere Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Anordnungsansprüchen zu entnehmen.
Der mit der Erfindung verbundene Vorteil besteht darin, daß die beiden Werte der rechteck­ förmigen Modulationsschwingung leichter stabil zu halten sind als etwa eine sinusförmige Modulationsschwingung. Außerdem ergeben sich Vorteile bei der Bildung der durch die Modulation erzeugten Auswertsignale.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung, der ein durch eine rechteckförmige Schwingung frequenzmoduliertes Mikrowellensignal zugeführt ist,
Fig. 2 den Verlauf der Resonatorkurven und der Auswertsignale bei leerer und gefüllter Resonatoranordnung entsprechend der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Trockenmasse und/oder der Feuchtmasse von Inkrementen eines mit einem Zigarettenpapierstreifen umhüllten Tabakmengenstromes (Zigarettenstrang).
In den Fig. 1 und 2 wird die Frequenz eines im GHz-Bereich (z. B. bei ca. 6 Ghz) lie­ genden Mikrowellen-Ausgangssignals eines Mikrowellengenerators 3 von einer Frequenz- Steueranordnung 24 periodisch zwischen zwei Werten umgeschaltet. Hierzu kann eine rechteckförmige Wechselspannung von z. B. 100 Khz benutzt werden. Dies zeigt Fig. 2a, in der die zeitlichen Änderungen der Frequenzen f dargestellt sind. Die mittlere Frequenz fm wird entsprechend der rechteckförmigen Kurve s im Frequenzbereich Δf periodisch zwi­ schen zwei Werten f2 und f1 geändert. Das Ausgangssignal von Mikrowellengenerator 3 wird über einen Zirkulator 18 zur Verhinderung einer Rückkopplung einer Hochfrequenz- Resonatoranordnung 1 (HF-Resonator) zugeführt, die von einem umhüllten Tabakstrang, also einem Zigarettenstrang, durchsetzt ist. Die Dichte/Masse oder Feuchte des durch den Resonator hindurch bewegten Tabaks soll mit der im folgenden beschriebenen Schaltungs­ anordnung erfaßt werden. Prinzipiell kann auch ein Strang mit einer anderen Füllung, z. B. ein sogenannter Filterstrang, vermessen werden. Einzelheiten eines für den vorgenannten Zweck sehr vorteilhaften HF-Resonators 1 sind der DE-Anmeldung 197 05 260 vom 12.02.97/der US-Anmeldung 08-799129 vom 13.02.97/EP-Anmeldung 97102166 vom 12.02.97 zu entnehmen.
Die mittlere Frequenz fm liegt, wie Fig. 2b zeigt, vorzugsweise im Wendepunkt der Reso­ nanzkurve u0, die ohne Tabak in dem Resonator 1 für unterschiedliche Frequenzen der zugeführten Mikrowellen ermittelt wurde. Den Verlauf der Resonanzkurve bei das Meßgut enthaltendem Resonator 1 zeigt u in Fig. 2b. f0 und f sind die Resonanzfrequenzen bei leerem bzw. gefülltem Resonator 1. Die Ausgangssignale des Resonators 1, also die Re­ sonanzsignale bei dem niedrigeren (f1) und dem höheren (f2) Modulationswert, werden über einen weiteren Zirkulator 19 zur Unterdrückung einer unerwünschten Rückkopplung einer Mikrowellendiode 22 (z. B. vom Typ HP 8472 B der Firma Hewlett-Packard) zuge­ führt, die das Mikrowellensignal in ein Gleichspannungssignal umsetzt. Dieses Signal wird einer Abtastanordnung 51 zugeführt, die von einer Synchronisieranordnung 52 in Abhän­ gigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung der Frequenz-Steueranordnung 24 gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt derart, daß die Spannungswerte des Resonators 1 gerade dann abgefragt werden, wenn der Mikrowellengenerator 3 Mikrowellen mit den hö­ heren oder niedrigeren Frequenzwerten f2 bzw. f1 der Modulationsschwingung s dem Re­ sonator 1 zuführt. Auf diene Weise können die Werte Uf2 und Uf1 gewonnen werden, die in Kurzzeitspeicher 53 bzw. 54 überführt werden. Deren Ausgangssignale werden einem Summierglied 56, das den Wert ½ (Uf2+Uf1) = Ug bildet, sowie einem Subtraktionsglied 57 zugeführt, das die Differenz Uf2-Uf1 = Ua beider Ausgangssignale bildet. Diese Signale werden einer in Fig. 3 beschriebenen Auswertanordnung 11 zugeführt, in der die Dich­ te/Massewerte oder die Feuchtewerte, insbesondere des Tabaks in dem Zigarettenstrang, ermittelt werden.
Durch eine besondere Schaltungsanordnung kann dafür gesorgt werden, daß der Mikrowel­ lengenerator 3 über Leitung 31 ein Korrektursignal erhält, sobald die mittlere Frequenz fm aus dem Wendepunkt der Resonanzkurve u0 auswandert. Durch das Korrektursignal wird die Frequenz fm des Ausgangssignals des Generators wieder auf den Wert gebracht, der dem Wendepunkt der Resonanzkurve entspricht.
Fig. 3 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua, Ug aus den Fig. 1 und 2 in der Auswertanordnung 11 zur Ermittlung der Masse/Dichtewerte. Die Signale werden zu­ nächst in digitalisierter Form in Speichern SUg, SUa abgespeichert. Diese Signale werden von einer Abtastanordnung in einer Folge abgefragt, die bestimmten Inkrementen des den Resonator 1 durchsetzenden Zigarettenstranges, z. B. 1 mm, entsprechen. Dies bedeutet, daß bei einer Produktionsgeschwindigkeit des Zigarettenstranges von 10 000 jeweils 60 mm langen Zigaretten/Min. die Abtastrate bei 100 Mikrosekunden liegt, also alle 100 Mi­ krosekunden 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 Parametrie­ rung ermittelt, bei der Zigaretten mit durch Wiegen genau ermittelten Massen/Dichten be­ züglich 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 Verwen­ dung finden.
Die Ausgangssignale Ag; und Aa werden einem Additionsglied Ad zugeführt, dessen Aus­ gangssignal Ae der Dichte/Masse entspricht. Weicht das von Ad abgegebene 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 Aus­ gangssignal Aed dem Dichte/Massewert des Tabakstranges noch genauer entspricht.
Eine Auswertung der Meßsignale nach der Tabakfeuchte des Tabakstranges kann prinzi­ piell 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.

Claims (19)

1. Verfahren zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes durch Auswer­ tung der durch die Anwesenheit des Stoffes verursachten Verstimmung eines HF-Reso­ nators, dem Mikrowellen zugeführt werden, und von dem ein hochfrequentes, von dem Stoff beeinflußtes Signal abgenommen wird, dessen Resonanzfrequenz-Verschiebung und Dämpfung gegenüber einem von dem Stoff unbeeinflußten Signal erfaßt wird, wobei 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 Vergleich der Amplituden der Resonanzkurven bei den Frequenzen der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird, Zusatz zu Patent . . . (Patentanmeldung 197 05 260 vom 12.02.1997, innere Priorität vom 20.02.1996), dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator Mikrowellen von zwei Frequenzen zugeführt werden, die beide einer abfallen­ den Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges Umschalten von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten periodisch geändert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowel­ len mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung frequenzmoduliert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei maximalen und minimalen Werten der Modulationsschwingung von dem Resonator abgegebenen gleich­ gerichteten Signale erfaßt und aus den maximalen und minimalen Signalen Auswertsignale gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem der Summe der maximalen und minimalen Signale entsprechenden Signal ein Mittelwertsignal und aus dem der Differenz der Signale entsprechenden Signal ein Differenzsignal gebildet wird und daß beide Signale jeweils einer Rechenstufe zugeführt werden, in der die Signale in Po­ lynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die durch Addition den Endwert ergeben.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Kon­ stanten durch Parametrierung anhand von Referenzwerten des Stoffes erfolgt, der - je nach zu ermittelnder Größe (z. B. Dichte/Masse, Feuchte) - vermessen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichte/Masse von Schnittabak, insbesondere in einem Zigaret­ tenstrang, erfaßt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Feuchte von Schnittabak, insbesondere in einem Zigarettenstrang, erfaßt wird.
9. Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes, mit einem Resonator, dem von einem Generator Mikrowellen zuführbar sind, und von dem ein hoch­ frequentes von dem Stoff beeinflußtes Signal zum Erfassen seiner Resonanzfrequenz- Verschiebung und Dämpfung gegenüber dem von dem Stoff unbeeinflußten Signal ab­ nehmbar und einer Auswertschaltung zuführbar ist, mit einer Zufuhr von Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen von dem Generator zu dem Resonator und durch eine Resonanzfrequenz-Verschiebungen durch Vergleich der von dem Stoff beein­ flußten Resonanzkurve gegenüber der von dem Stoff unbeeinflußten Resonanzkurve sowie die Dämpfung durch Vergleich der Amplituden der von dem Stoff beeinflußten und unbeein­ flußten Resonanzkurven erfassende Schaltungsanordnung, Zusatz zu Patent . . . (Patentanmeldung 197 05 260 vom 12.02.97, innere Priorität vom 20.02.96), gekennzeich­ net durch die Zufuhr von Mikrowellen von zwei Frequenzen, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind, zu dem Resonator.
10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Umschaltanordnung zum ständigen Umschalten der Frequenzen der Mikrowellen von niederen zu höheren und wie­ der zurück zu niederen Werten zwecks periodischer Frequenzänderungen.
11. Anordnung nach Anspruch 9 und/oder 10, gekennzeichnet durch eine die Mikrowel­ len mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung modulierende Fre­ quenzmodulationsanordnung.
12. Anordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine die bei maximalen und minimalen Werten der Modulationsfrequenz von dem Resonator abgegebenen Signale er­ fassende Abtastanordnung zur Bildung von Auswertsignalen.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastsignale ei­ ner Summier- und einer Differenzbildungsschaltung zugeführt sind, deren Ausgangssignale jeweils eine Rechenstufe beaufschlagen, in der die Signale in Polynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die einem Additionsglied zum Bilden des Endwerts zugeführt sind.
14. Anordnung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Ermittlung der Konstanten mittels Parametrierung anhand von Referenzwerten des Stoffes, der - je nach zu ermitteln­ der Größe (z. B. Dichte/Masse, Feuchte) - vermessen wird.
15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonator in einem Gehäuse aus Metall angeordnet ist, das jeweils eine Einlaßöffnung sowie eine Auslaßöffnung zum Durchleiten eines Stranges der tabakverar­ beitenden Industrie, insbesondere eines Zigarettenstranges, aufweist.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse rotati­ onssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch, ausgebildet ist.
17. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Gehäuse ein dielektrischer Festkörperresonator angeordnet ist.
18. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Dichte/Masse von Schnittabak, insbesondere in einem Zigaret­ tenstrang.
19. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch eine Erfassung der Feuchte von Schnittabak, insbesondere in einem Zigaret­ tenstrang.
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