DE19734978B4

DE19734978B4 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes

Info

Publication number: DE19734978B4
Application number: DE1997134978
Authority: DE
Inventors: Dr. Möller Henning; Jörg Tobias; Andreas Noack
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-08-13
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2017-08-14
Also published as: DE19734978A1

Abstract

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 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, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind, wobei die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges Umschalten von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten periodisch geändert werden, wobei die Mikrowellen mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung frequenzmoduliert werden und wobei eine Abtastanordnung von einer Synchronisieranordnung in Abhängigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung gesteuert wird, wobei die Resonanzfrequenz- Verschiebungen durch Vergleich der von dem Stoff unbeeinflußten und beeinflußten Resonanzkurven des Resonators erfaßt werden, und wobei die Dämpfung durch Vergleich der Amplituden der Resonanzkurven bei den Frequenzen der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Resonator abgegebenen gleichgerichteten Signale gerade dann erfaßt werden, wenn dem Resonator Mikrowellen mit der höheren oder der niedrigeren Frequenz zugeführt werden und aus den gleichgerichteten Signalen Auswertsignale gebildet werden und daß aus dem der Summe der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Mittelwertsignal und aus dem der Differenz der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Differenzsignal gebildet wird und daß beide Signale jeweils einer Rechenstufe zugeführt werden, in der die Signale in Polynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die durch Addition den Endwert ergeben.

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 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, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind, wobei die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges Umschalten von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten periodisch geändert werden, wobei die Mikrowellen mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung frequenzmoduliert werden und dass eine Abtastanordnung von einer Synchronisieranordnung in Abhängigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung gesteuert wird, 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 Eigenschaft eines Stoffes, mit einem Generator und einem Resonator, dem von einem dem Generator Mikrowellen mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen zuführbar sind, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet 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 und einer Umschaltanordnung zum ständigen Umschalten der Frequenzen der Mikrowellen von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten zwecks periodischer Frequenzänderungen, und mit einer die Mikrowellen mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung modulierende Frequenzmodulationsanordnung, eine Synchronisieranordnung und mit einer Abtastanordnung, wobei die Abtastanordnung in Abhängigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung steuerbar ist, und die Abtastanordnung, zur Bildung von Auswertsignalen, die von dem Resonator abgegebenen Signale bei maximalen und minimalen Werten der Modulationsfrequenz erfasst.
Aus der US 4 885 527 A ist eine Anordnung zum Erfassen mindestens einer Eigenschaft eines Stoffes mit einem Mikrowellenresonator bekannt, mit der die Resonanzfrequenzverschiebung und die Dämpfung eines Mikrowellensignals bei verschiedenen Frequenzen bei Anwesenheit des Stoffes im Resonator bestimmt und mit den entsprechenden Werten ohne den zu untersuchenden Stoff verglichen werden kann.
Aus der EP 0 325 341 A2 sind ein Verfahren und eine weitere Vorrichtung zum Erfassen mindestens einer Eigenschafft eines Stoffes mit einem Mikrowellenresonator bekannt, wobei die Verwendung von zwei diskreten Mikrowellenfrequenzen, die einer abfallenden Flanke einer Resonanzkurve zugeordnet sind, für die Stoffuntersuchung dargestellt ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in einer Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung gemäß dem Hauptpatent, welches auf die DE-Anmeldung 197 05 260 zurückgeht, nämlich die Eigenschaften der zu vermessenden Stoffe schnell und genau zu erfassen.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung besteht die Lösung darin, daß die von dem Resonator abgegebenen gleichgerichteten Signale gerade dann erfaßt werden, wenn dem Resonator Mikrowellen mit der höheren oder der niedrigeren Frequenz zugeführt werden und aus den gleichgerichteten Signalen Auswertsignale gebildet werden und daß aus dem der Summe der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Mittelwertsignal und aus dem der Differenz der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Differenzsignal gebildet wird und daß beide Signale jeweils einer Rechenstufe zugeführt werden, in der die Signale in Polynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die durch Addition den Endwert ergeben.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Verfahrensansprüchen zu entnehmen.
Die eingangs genannte Anordnung ist gekennzeichnet durch die Zufuhr von Abtastsignalen zu einer Summier- und einer Differenzbildungsschaltung, 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.
Weitere Ausgestaltungen der Anordnung gemäß der Erfindung sind den untergeordneten Anordnungsansprüchen zu entnehmen.
Der mit der Erfindung verbundene Vorteil besteht darin, daß sich aufgrund der rechteckförmigen Modulationsschwingung Vorteile bei der Bildung der durch die Modulation erzeugten Auswertsignale ergeben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Parametrierung ermittelte Konstanten der Endwert noch genauer dem Dichte-/Massewert des Tabakstrangs entspricht.
In der Zeichnung wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen von Größen eines Stoffes mit einer Resonatoranordnung, der ein durch eine rechteckförmige Schwingung frequenzmoduliertes Mikrowellensignal zugeführt ist,
2 den Verlauf der Resonatorkurven und der Auswertsignale bei leerer und gefüllter Resonatoranordnung entsprechend der Schaltungsanordnung nach 1,
3 eine Schaltungsanordnung zum Erfassen der Trockenmasse und/oder der Feuchtmasse von Inkrementen eines mit einem Zigarettenpapierstreifen umhüllten Tabakmengenstromes (Zigarettenstrang),
In den 1 und 2 wird die Frequenz eines im GHz-Bereich (z. B. bei ca. 6 GHz) liegenden 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 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 zwischen 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 hindurchbewegten Tabaks soll mit der im folgenden beschriebenen Schaltungsanordnung 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 2b zeigt, vorzugsweise im Wendepunkt der Resonanzkurve 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 2b. f0 und f sind die Resonanzfrequenzen bei leerem bzw. gefülltem Resonator 1. Die Ausgangssignale des Resonators 1, also die Resonanzsignale 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) zugeführt, die das Mikrowellensignal in ein Gleichspannungssignal umsetzt. Dieses Signal wird einer Abtastanordnung 51 zugeführt, die von einer Synchronisieranordnung 52 in Abhängigkeit 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 höheren oder niedrigeren Frequenzwerten f2 bzw. f1 der Modulationsschwingung s dem Resonator 1 zuführt. Auf diese 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 3 beschriebenen Auswertanordnung 11 zugeführt, in der die Dichte/Massewerte oder die Feuchtewerte, insbesondere des Tabaks in dem Zigarettenstrang, ermittelt werden.
Durch eine besondere Schaltungsanordnung kann dafür gesorgt werden, daß der Mikrowellengenerator 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.
3 zeigt schematisch die Verarbeitung der Signale Ua, Ug aus den 1 und 2 in der Auswertanordnung 11 zur Ermittlung der Masse/Dichtewerte. 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 den Resonator 1 durchsetzenden Zigarettenstranges, 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 Mikorsekunden 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 zugordneten 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 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 Ausgangssignal Aed dem Dichte/Massewert des Tabakstranges noch genauer entspricht.
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.

Claims

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 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, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet sind, wobei die Frequenzen der Mikrowellen durch ständiges Umschalten von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten periodisch geändert werden, wobei die Mikrowellen mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung frequenzmoduliert werden und wobei eine Abtastanordnung von einer Synchronisieranordnung in Abhängigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung gesteuert wird, wobei die Resonanzfrequenz- Verschiebungen durch Vergleich der von dem Stoff unbeeinflußten und beeinflußten Resonanzkurven des Resonators erfaßt werden, und wobei die Dämpfung durch Vergleich der Amplituden der Resonanzkurven bei den Frequenzen der zugeführten Mikrowellen erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Resonator abgegebenen gleichgerichteten Signale gerade dann erfaßt werden, wenn dem Resonator Mikrowellen mit der höheren oder der niedrigeren Frequenz zugeführt werden und aus den gleichgerichteten Signalen Auswertsignale gebildet werden und daß aus dem der Summe der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Mittelwertsignal und aus dem der Differenz der Auswertsignale entsprechenden Signal ein Differenzsignal gebildet wird und daß beide Signale jeweils einer Rechenstufe zugeführt werden, in der die Signale in Polynomen zusammen mit Konstanten zu Teilsignalen verrechnet werden, die durch Addition den Endwert ergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Konstanten durch Parametrierung anhand von Referenzwerten des Stoffes erfolgt, der – je nach zu ermittelnder Größe – vermessen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte/Masse von Schnitttabak erfaßt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchte von Schnitttabak erfaßt wird.
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, die beide einer abfallenden Flanke der Resonanzkurve zugeordnet 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 erfassenden Schaltungsanordnung aufweist und mit einer Umschaltanordnung zum ständigen Umschalten der Frequenzen der Mikrowellen von niederen zu höheren und wieder zurück zu niederen Werten zwecks periodischer Frequenzänderungen, und mit einer die Mikrowellen mit einer niederfrequenteren rechteckförmigen Wechselspannung modulierende Frequenzmodulationsanordnung, eine Synchronisieranordnung und mit einer Abtastanordnung, wobei die Abtastanordnung in Abhängigkeit von der rechteckförmigen Wechselspannung steuerbar ist, und die Abtastanordnung, zur Bildung von Auswertsignalen, die von dem Resonator abgegebenen Signale bei maximalen und minimalen Werten der Modulationsfrequenz erfasst, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastsignale einer 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.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator in einem Gehäuse aus Metall angeordnet ist, das jeweils eine Einlaßöffnung sowie eine Auslaßöffnung zum Durchleiten eines Stranges der tabakverarbeitenden Industrie aufweist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse ein dielektrischer Festkörperresonator angeordnet ist.