DE19734978A1 - 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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- A24C5/3412—Examining 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
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