DE2361677A1

DE2361677A1 - METHOD OF MEASURING THE CONCENTRATION OF CERTAIN PROPERTIES, FOR EXAMPLE OF HUMIDITY, OF MOVED MEASUREMENT TRACKS USING MICROWAVE ENERGY

Info

Publication number: DE2361677A1
Application number: DE19732361677
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Kujath
Original assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Current assignee: Frieseke and Hoepfner GmbH
Priority date: 1973-02-24
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1974-09-12
Also published as: DE2361677B2; DE2361677C3

Description

Verfahren zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, zum Beispiel der Feuchtigkeit, bewegter Meßgutbahnen mittels krowellenenergi e Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Konzentration von bestimmten Eigenschaften, wie zum Beispiel der Feuchtigkeit, bewegter Neßgutbahnen mit einem Mikrowellensender und einer daran über eine Zuleitung angeschlossenen Sendeantenne zur Durchstrahlung der Meßgutbahn mit Mikrowellenenergie, mit einer auf der der Sendeantenne abgewandten Seite der Meßgutbahn angeordneten Empfangsantenne zur Aufnahme der durch die Meßgutbahn gedämpften Mikrowellenenergie, welche ein Haß für die zu bestimmende Eigenschaft darstellt, mit Einrichtungen zur Erfassung der von der Meßgutbahn reflektierten Energie und einer Auswerteeinrichtung, in welcher aus der Reflexionsenergie und der Dämpfungsenergie, die über getrennte Kanäle zugeführt werden, der Quotient gebildet wird Eine nach diesem Verfahren arbeitende Einrichtung ist aus der US-Patentschrift 3 644 826 bekannt. Dort ist zur Aufbereitung der Dampfungsenergie in dem zugehörigen Kanal ein mit einer PIN-Diode versehenes einstellbares I)limpfungsglied zwischen der Empfangsantenne für den Dämpfungsmeßwert und dem zugehörigen Mikrowellendetektor eingefügt. Diese PIN-Diode ist Teil eines Regelkreises, bestehend aus ihr, dem Strahlungsdetektor und einer Vergleichsanordnung, welche den von dem Detektor abgegebenen Wert mit einer von dem Mikrowellenossillator abgegebenen Wert vergleicht. Die bei dem Regelvorgang entstehende Stellgröße wird einer der beiden Eingänge des Quotientenbilders zugeführt.Method of measuring the concentration of certain properties, for example moisture, moving material webs by means of microwave energy Invention relates to a method for measuring the concentration of certain Properties, such as moisture, move fresh goods with a Microwave transmitter and a transmitting antenna connected to it via a supply line for irradiating the test material web with microwave energy, with one on the Transmitting antenna facing away from the side of the test material track arranged receiving antenna for recording the attenuated by the test material path microwave energy, which is a hatred for represents defining property, with devices for detecting the from the test material web reflected energy and an evaluation device, in which from the reflection energy and the damping energy, which is supplied via separate channels, the quotient A device operating according to this method is disclosed in US patent specification 3,644,826 known. There is for processing the steaming energy in the associated Channel on with a PIN diode provided adjustable I) limp limb between the receiving antenna for the measured attenuation value and the associated microwave detector inserted. This PIN diode is part of a control circuit consisting of it, the radiation detector and a comparison arrangement, which the value emitted by the detector with compares a value emitted by the microwave ossillator. The one in the control process The resulting manipulated variable is fed to one of the two inputs of the quotient generator.

Der Reflexionsmeßwert wird ebenfalls zusätzlich von der Sendeenergie beeinflußt.The measured reflection value is also derived from the transmission energy influenced.

Diese Anordnung ist sehr aufwendig und unübersichtlich. Durch den PIN-Dioden-Regelkreis ist ein erheblicher Aufwand bedingt.This arrangement is very complex and confusing. Through the PIN diode control circuit requires considerable effort.

Er resultiert daraus, daß diese Regelung über einen sehr weiten Bereich, namlich rund drei Dekaden, erfolgen muß. Dies erfordert individuell ausgebildete Regelstufen und für jedes Gerät individuelle Maßnahmen, um über diesen großen Bereich eine hinreichende Linearisierung der an den Quotientenbilder gelieferten Stellgröße zu erreichen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Linearisierung in der Wellenleitung zwischen Empfangsantenne und Detektor erfolgt, weil die genannte PIN-Diode dort eingesetzt ist und gegebenenfalls in wellentechnischer Einsicht eingepaßt werden muß.It results from the fact that this regulation covers a very wide range, namely around three decades. This requires individually trained Control levels and individual measures for each device in order to exceed this large area a sufficient linearization of the manipulated variable supplied to the quotient images to reach. Another disadvantage is that the linearization in the Waveguide between the receiving antenna and the detector takes place because of the aforementioned PIN diode is used there and, if necessary, can be adjusted in terms of shaft technology got to.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wesentlich einfacheres und übersichtlicheres Verfahren zur Weiterverarbeitang der von den Detektoren im Dämpfungskanal und Reflexionsenergiekanal angegebenen Größen anzugeben, welches die Verwendung handelsüblicher und damit wohlfeil erhältlicher Elektronik-Bausteine ermöglicht, ein verbessertes' Abbild der zugrunde liegenden physikalischen Verhältnisse darstellt, keines Eingriffes in die Wellenleitwi-- bedarf, ein computergerechtes Ausgangs signal abgibt und durch eine einfache und breite Anpaßbarkeit die Schaffung eines universell einsetzbaren Mikrowellenfeuchtemeßgerätes ermöglicht.In contrast, it is the object of the present invention to provide an essential simpler and clearer procedure for further processing of the detectors in the attenuation channel and reflection energy channel specified quantities indicate which the usage commercially available and therefore inexpensive electronic components enables an 'improved' representation of the underlying physical conditions represents, no intervention in the waveguide requirement, a computer-compatible one Output signal emits and through a simple and wide adaptability the creation a universally applicable microwave moisture meter.

Die Lösung dieser Aufgabe ist aus dem Kennzeichen des Patentanspruches ersichtlich.The solution to this problem is from the characterizing part of the patent claim evident.

Durch die Multiplikation mit dem Reziprokwert der Sendeleistung in beiden Kanälen und der-Differenzbildung zu 1 im Reflexions- -kanal einerseits und die -einfach vorzunehmende Eliminierung der Gerätekonstanten andererseits werden Größen streng exponentieller Form erhalten, welche- demzufolge,.wie bereits- die genannten- Schritte selbst, mit billigen handelsüblichen-Elektronikbausteinen weiterverarbeitet werden können.By multiplying with the reciprocal of the transmission power in two channels and the formation of the difference to 1 in the reflection channel on the one hand and the easy elimination of the device constants on the other hand Quantities are given a strictly exponential form, which - as a result, as already - the mentioned- steps themselves, further processed with cheap off-the-shelf electronic components can be.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung erläutert. Diese zeigt ein Blockschaltbild für die zur Auswertung eingesetzten elektronischen Bausteine,- wobei zum Zwecke der klaren Kennzeichnung dieser Bausteine in Form mathematischer Beziehungen eingezeichnet ist, was in diesen Bausteinen abläuft. Dabei ist die angelieferte Größe für die Reflexionsenergie mit URw diejenige für die Dämpfungsenergie mit UD, die Sendeleistung mit P, der Reflexionsfaktor mit r und der angestrebte Meßwert für die reine Absorptionsdämpfung im Neßgut mit A bezeichnet.The invention is explained below using an exemplary embodiment explained in the drawing. This shows a block diagram for the evaluation used electronic components, - for the purpose of clear identification of these building blocks in the form of mathematical relationships is what is in these Blocks expires. The supplied quantity is for the reflection energy with URw is that for the damping energy with UD, the transmission power with P, the reflection factor with r and the desired measured value for the pure absorption loss in the fresh food with A denotes.

Der Reflexionsmeßwert UR wird einer NdltiplikationsstuSe 1 zugeführt. In ihr wird UR mit dem Reziprokwert der Sendeleistung, nämlich p multipliziert. Der letztgenannte Wert ist einstellbar, wie durch 2 veranschaulicht. Die gleichen MaBnahmen werden beim Dämpfungsmeßwert UD vorgenommen. Hierzu dienen die Miltiplikationestufe 3 und das Einstellglied 4. Der so erhaltene Wert für UD wird dem Quotientenbilder 5 unmittelbar zugeführt. Hingegen wird der in der NhltiplikationsstuSe 1 erhaltene Wert für ER vorher noch dem Differenzverstärker 6 zugeleitet. Dort wird mit dem Wert von UR die Differenz zu 1 gebildet, wie durch 7 veranschaulicht. Am Ausgang des Differenzverstärkers 6 ist ein Anzeigeinstrument 8 angeschlossen; ein weiteres Anzeigeinstrument, 9, liegt am Ausgang des Quotientenbilders 5.The measured reflection value UR is fed to a multiplication stage 1. In it, UR is multiplied by the reciprocal of the transmission power, namely p. The latter value is adjustable as illustrated by FIG. The same Measures are taken for the measured attenuation value UD. The multiplication level is used for this 3 and the setting element 4. The value for UD obtained in this way is used as the quotient image 5 supplied immediately. In contrast, the one obtained in the multiplication stage 1 is obtained The value for ER was previously fed to the differential amplifier 6. There is with the Value of UR formed the difference to 1, as illustrated by 7. At the exit a display instrument 8 is connected to the differential amplifier 6; another one Display instrument, 9, is at the output of the quotient generator 5.

Wie ersichtlich, werden in den Stufen 1 und 3 die der Sendeleistung P entsprechenden Beträge eliminiert. In dem Differenzverstärker 6 wird der Ausdruck für r in seiner mathematischen Form an den entsprechenden Ausdruck für r im Zweig UD angeglichen.As can be seen, levels 1 and 3 are those of the transmission power P corresponding amounts eliminated. In the differential amplifier 6, the expression for r in its mathematical form to the corresponding expression for r in the branch UD aligned.

Infolge der so erhaltenen gleichen mathematischen Formen kann nunmehr aus ER und UD in der Stufe 5 der Quotient gebildet werden.As a result of the same mathematical forms obtained in this way, now the quotient is formed from ER and UD in stage 5.

Dadurch fällt r heraus und es resultiert der angestrebte Ausdruck für die Absorptionsdämpfung A in einer elektronisch leicht weiterverarbeitbaren Form, nämlich 1.As a result, r drops out and the desired expression results for the absorption attenuation A in an electronically easy to process Shape, namely 1.

A Weil die Absorptionsdämpfung A in bekannter Weise in einem logarithmischen Zusammenhang zu den Mikrowellenleistungen auf beiden Seiten des Meßgutes steht, ist zur Erzielung eines entsprechend exakten Meßwertes noch die Nachschaltung einer Logarithmierstufe 10 an den Quotientenbilder 5 erforderlich. Es leuchtet ein, daß die Logarithmierung auch vor den Eingängen der Stufe 5 erfolgen könnte; in diesem Fall wäre letztere als Differenzverstärker auszubilden. Die vorstehend genannte Wahl der Stufenfolge hat adoch den Vorteil der besseren Ubersichtlichkeit. A Because the absorption loss A in a known manner in a logarithmic There is a connection to the microwave power on both sides of the material to be measured, To achieve a correspondingly exact measured value, the downstream connection of a Logarithmic step 10 on the quotient generator 5 is required. It stands to reason that the logarithm could also take place before the inputs of level 5; in this The latter would have to be designed as a differential amplifier. The above The choice of the sequence of steps also has the advantage of better clarity.

Analog zu jedem anderen Meßgerät ist auch bei den Teilen 1 bis 5 eine einmalige Justierung zur Eliminierung sonstiger Gerätekonstaeten erforderlich. Dies geschieht im Ausführungsbei spiel auf sehr einfache Weise. Zunächst wird in den Meßspalt ein möglichst idealer Mikrowellenreflektor eingesetzt, beispielsweise eine ebene Aluminiumplatte beliebiger Stärke. Daraufhin wird der Einsteller 2 so eingestellt, daß am Ausgang des Differenzverstärkers 6 von Instrument 8 der Wert Null angezeigt- wird.Similar to any other measuring device, parts 1 to 5 also have a One-time adjustment to eliminate other device constants required. this happens in the Ausführungsbei game in a very simple way. First, in the Measuring gap used a microwave reflector that is as ideal as possible, for example one flat aluminum plate of any thickness. The adjuster 2 is then set so that that at the output of the differential amplifier 6 of instrument 8 the value zero is displayed. will.

Hernach wird anstelle des Mikrowellenreflektors eine möglichst verlustarme Platte eingesetzt. Diese soll trotz ihrer Verlustarmut eine gute Reflexion der Mikrowellenenergie bewirken. Daher wird die Dicke dieser Platte so gewählt, daß sie einem Viertel der sich in ihr einstellenden Wellenlänge der zur Anwendung kommenden Mikrowellenfrequenz entspricht. Beispielsweise kann als Material eine Polystyrolplatte von 2 mm oder besser eine Quarzglasplatte von 1,7 mm Dicke gewählt werden, wenn die Wellenlänge bzw. Frequenz der Mikrowellenenergie so gewählt ist, daß sie bei dem späteren betrieblichen Einsatz der Einrichtung von der Feuchte in einer Meßgutbahn besonders stark absorbiert werden soll. Nach Einfügung der so beschaffenen Platte wird der Einsteller 4 so verstellt, daß vom Instrument 9 am Ausgang des Quotientenbilders 5 der Wert Null angezeigt wird. Damit ist die Justierung beendet. Da diese Justierung, ebenso wie die weiter oben erlauterte Grundjustierung, einmalig bei der Installation einer derartigen Einrichtung vorzunehmen ist, sind die Meßinstrumente 8 und 9 nicht notwendigerweise fester Bestandteil dieser Einrichtung.Afterwards, instead of the microwave reflector, a low-loss one is used Plate inserted. This should despite its low loss a good Cause reflection of microwave energy. Therefore, the thickness of this plate becomes like this chosen that it is a quarter of the wavelength that is established in it Application corresponds to the coming microwave frequency. For example, as a material a polystyrene plate of 2 mm or better a quartz glass plate of 1.7 mm thick be chosen if the wavelength or frequency of the microwave energy is chosen is that it is affected by the moisture in the later operational use of the device is to be absorbed particularly strongly in a web of material to be measured. After inserting the so procured plate, the adjuster 4 is adjusted so that the instrument 9 on Output of the quotient generator 5 the value zero is displayed. This is the adjustment completed. Since this adjustment, like the basic adjustment explained above, must be carried out once when installing such a device the measuring instruments 8 and 9 are not necessarily an integral part of this device.

Die Einsteller 2 und 4 werden in der apparativen Praxis durch einfache Trimmpotentiometer in den ohnehin wohlfeil im Handel erhältlichen Bausteinen 1, 3, 5 und 6 realisiert.The adjusters 2 and 4 are used in practice by simple Trimming potentiometer in the already inexpensive commercially available components 1, 3, 5 and 6 implemented.

Am Ausgang der Logarithmierstufe 10 steht der Meßwert für die zu erfassende Konzentration als Ergebnis methodisch richtiger und vorteilhafter Operationen zur Verfügung. Ein Anzeigeinstrument für den Konzentrationsmeßwert wäre lediglich noch vor der Messung der Meßgutbahn auf den Wert Null der zu messenden Konzentration einzustellen. Dies kann elektrisch oder mechanisch erfolgen.At the output of the logarithmizing stage 10 is the measured value for the one to be recorded Concentration as a result of methodically correct and beneficial operations Disposal. A display instrument for the measured concentration value would only be Before measuring the web of material to be measured, to the value zero of the concentration to be measured to adjust. This can be done electrically or mechanically.

Im einfachsten Fall dadurch, daß in den Meßspalt ein von der zu erfassenden Konzentration freies Meßgut gebracht wird und hernach das Meßwerk des Meßinstrumentes als solches so weit um die Drehachse seines Zeigers verdreht wird, das letzterer auf den Nullpunkt der Skala einspielt. Im Falle des Ausführungsbeispieles erfolgt dies in einer vorteilhaften Weise, die es ermöglicht, den Ausgangswert einer Dicken- oder Flächengewichtsmeßanlage an sich beliebiger und bekannter Art in die Messung einzuführen.In the simplest case by the fact that one of the to be detected in the measuring gap Concentration-free material to be measured is brought and then the measuring mechanism of the measuring instrument as such is rotated so far about the axis of rotation of its pointer, the latter hits the zero point of the scale. In the case of the exemplary embodiment takes place this in an advantageous way that makes it possible to determine the initial value of a thickness or basis weight measuring system of any known type in the measurement to introduce.

Hierzu wird von der bekannten Modellvorstellung ausgegangen, wonach die Konzentration K sich gemäß folgender Beziehung zusammensetzt K dX dM W o( w dW Hierbei bezeichnen CtM die charakteristische Dämpfungskonstante bzw. Absorptionskoeffizient des Drägermaterials der Materialbahn, beispielsweise von Pappe, dM die Dicke dieser Materialbahn, dW die charakteristische Dämpfungskonstante bzw. Absorptionskoeffizient für Wasser und dW die "Dicke" des als Schicht gedachten Wasseranteiles in der Materialbahn. Diese Beziehung ist am Ausgang der Logarithmierstufe 10 angegeben. Ihr Ausgangswert wird dem einen Ausgang des Differenzverstärkers 11 zugeführt. Sein anderer Ausgang ist mit Einstellgliedern 12 und 13 verbunden. Das Einstellglied 12 dient zur Berücksichtigung vom während das Einstellglied 13 zur Einstellung von dM vorgesehen ist Ist beispielsweise die Meßeinrichtung zur Feuchtemessung an Pappe einerseits oder Textilgewebe andererseits vorgesehen, so wird folgendermaßen vorgegangen: Es sei angenommen, daß die Feuchte in einer Pappbahn ermittelt werden soll. Dann wird ein absolut trockenes Probestück dieser Pappbahn in den Meßspalt gebracht und der Einsteller 12, der in diesem Fall als einfacher Umschalter ausgebildet sein kann, auf die Marke "Pappe" eingestellt. Sodann wird der Einsteller dM so eingestellt, daß das Anzeigeinstrument 14 am Ausgang des Differenzverstärkers 11 den Wert Null anzeigt. Damit ist die charakteristische Dan"pfungsonstante der Pappe sowie die Dicke der zu messenden Pappbahn in die Anzeigevorrichtung eingegeben und nach Einführung der zu prüfenden Meßgutbahn in den Meßspalt zeigt das Instrument 14 die Eonzentration des Wassers in der Meßgutbahn, also deren Feuchte, an. Es ist offensichtlich, daß anstelle der manuellen Einstellung des Einstellers 13 dieser auch unmittelbar von einem Dicken- bzw. Flächengewichtsmeßgerät 15 gesteuert werden kann.This is based on the known model, according to which the concentration K is composed according to the following relationship K dX dM W o (w dW Here, CtM denote the characteristic damping constant or absorption coefficient of the carrier material of the material web, for example of cardboard, dM the thickness of this Material web, dW the characteristic damping constant or absorption coefficient for water and dW the "thickness" of the water content in the material web, which is intended as a layer. This relationship is indicated at the output of the logarithmic stage 10. Your baseline is fed to one output of the differential amplifier 11. His different exit is connected to adjusting members 12 and 13. The setting member 12 is used for consideration from while the adjusting member 13 is provided for adjusting dM is For example, the measuring device for moisture measurement on cardboard on the one hand or textile fabric on the other hand, the procedure is as follows: It is assumed that that the moisture is to be determined in a cardboard web. Then an absolutely dry one Test piece of this cardboard web placed in the measuring gap and the adjuster 12, which in this case can be designed as a simple toggle switch on the brand "cardboard" set. The adjuster dM is then set so that the display instrument 14 at the output of the differential amplifier 11 indicates the value zero. This is the characteristic Dan "Pfungsonstante the cardboard as well as the thickness of the cardboard web to be measured in the display device entered and shows after introduction of the test material web to be tested in the measuring gap the instrument 14 the concentration of the water in the material path, i.e. its moisture, at. It is obvious that instead of manually adjusting the adjuster 13 this is also controlled directly by a thickness or basis weight measuring device 15 can be.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art erhalten, dessen Meßwert von der Dicke d der Meßgutbahn und den im Betrieb auftretenden Schwankungen einer laufenden Meßgutbahn um eine Mittellage praktisch unabhängig ist. Zur Bedienung der Einrichtung ist bei unterschiedlichen Materialbahnen nur der Wert 4 M und i einzustellen, was von ungelerntem Personal erfolgen kann. Bei gleichbleibendem Material, etwa der Pappenherstellung und -Konfektion, braucht nur noch dem eingestellt zu werden.With the method according to the invention, a measuring device is the initially mentioned type, whose measured value depends on the thickness d of the web of material to be measured and the im Fluctuations occurring during operation of a running web of material to be measured around a central position is practically independent. To operate the facility is different Material webs only set the value 4 M and i, something unskilled Personnel can be done. With the same material, such as cardboard production and assembly, just needs to be adjusted.

Wird der Einsteller 17 unmittelbar von einer Dicken- oder Flächengewichtsmeßanlage 15 gesteuert, so ist auch eine manuelle Nachstellung von dM bei Wechsel der Dicke der Meßgutbahn entbehrlich.If the adjuster 17 is obtained directly from a thickness or basis weight measuring system 15 controlled, so is a manual readjustment of dM when changing the thickness dispensable for the material to be measured.

Claims

Patent claim

Method of measuring the concentration of certain properties, such as the humidity, moving Meßgatbahnen with a microwave transmitter and a transmitting antenna connected to it via a feed line for transmission the path of the material to be measured with microwave energy, with one on the one facing away from the transmitting antenna Side of the material path arranged receiving antenna for receiving the through the path of material to be measured attenuated microwave energy, which is a measure of the property to be determined represents, with devices for detecting the reflected from the test material web Energy and an evaluation device, in which from the reflection energy and of the damping energy, which are supplied via separate channels, the quotient is formed it is shown that before the quotient image (5) the electrical values of the reflection energy and the damping energy with the reciprocal value the transmission power and the associated device constants are multiplied (1, 3) that in addition to the measured value for the reflection energy in a differential amplifier (6) the difference to 1 is formed so that the quotient image has a logarithmic step (10) downstream or two logarithmic steps assigned to the individual channels are preceded that to undertake these steps first a totally reflective The sample is brought into the measuring gap and an adjustment element (2) for the reciprocal of the Transmission power in the reflection energy channel like this is set that the output voltage of the differential amplifier (6) is zero and then one if possible Low-loss sample with a thickness of a quarter wavelength of the microwave energy is brought into the measuring gap and an adjusting element (4) for the reciprocal of the Transmission power in the attenuation energy channel is set so that the output voltage of the quotient former (5) is zero, and that for adapting one according to this method working device on different test material thicknesses and / or test material types a correction the quantity given by the quotient image by linear application of the an input of a differential amplifier connected downstream of the quotient generator with characteristic values for the deviating material being measured, whose other input is acted upon by the output of the quotient generator.

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