DE2361677B2

DE2361677B2 - Device for measuring certain properties, e.g. moisture, moving material webs by means of microwave energy. Excretion from: 2309278

Info

Publication number: DE2361677B2
Application number: DE19732361677
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8520 Erlangen 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: 1974-11-21
Also published as: DE2361677A1; DE2361677C3

Description

fnergie π* ^u^ ^d^ Sendeleistung mit P, derenergy π * ^u ^ ^d ^ transmission power with P, the

Heflesionsfaktor mit r und der angestrebte MeßwertReadiness factor with r and the desired measured value

for die reine AbsorptionsdBmpfung im Meßgut mit Λ bezeichnet.for the pure absorption damping in the material to be measured is denoted by Λ .

• Der Reflexionsraeßwert U_K wird einer Multiplika- s• The reflection coefficient U _K becomes a multiplica- s

tfonsstufe 1 zugeführt. In ihr wird ϋ_Λ mit dem Reziprokwert der Sendeleistung, nämlich ^- multipliziert.tfonsstufe 1 supplied. In it, ϋ _Λ is multiplied by the reciprocal of the transmission power, namely ^ -.

Per letztgenannte Wert ist einstellbar, wie durch 2 veranschaulicht Die gleichen Maßnahmen werden beim Därapfungsmeßwert U₀ vorgenommen. Hierzu dienen die Multiplikationsstufe 3 und das Einstellglied 4. Der so erhaltene Wert für U_D wird dem Quotientenbilder 5 unmittelbar zugeführt. Hingegen wird der in der Multiplikationsstufe 1 erhaltene Wert für JJ_R vorher noch dem Differenzverstärker 6 zugeleitet Dort wird mit dem Wert von U_R die Differenz zu 1 gebildet, wie durch 7 veranschaulicht. Am Ausgang des Difierenzverstärkerso ist ein Anzeigeinstruments angeschlossen; ein weiteres Anzeigeinstrumenf 9, liegt ao am Ausgang des QuotientenbLlders 5.The last-mentioned value can be set, as illustrated by FIG. 2. The same measures are taken for the Därapfungsmeßwert U _0. The multiplication stage 3 and the setting element 4 are used for this purpose. The value for U _D thus obtained is fed directly to the quotient generator 5. In contrast, the value for JJ _R obtained in multiplication stage 1 is first fed to differential amplifier 6. There, the difference to 1 is formed with the value of U _{R, as illustrated by FIG.} A display instrument is connected to the output of the differential amplifier 0; Another display instrument 9 is located at the output of the quotient screen 5.

Wie ersichtlich, werden in den Sf-ifen 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 U₀ angeglichen. Infolge der so erhaltenen gleichen mathematischen Formen kann nunmehr aus U_R und U₀ in der Stufe 5 der Quotient gebildet werden. Dadurch fällt r heraus, und es resultiert der angestrebte Ausdruck für die Absorptionsdämpfung A in einer elektronischAs can be seen, the amounts corresponding to the transmission power P are eliminated in steps 1 and 3. In the differential amplifier 6, the expression for r is adjusted in its mathematical form to the corresponding expression for r in the branch U _0. As a result of the same mathematical forms obtained in this way, the quotient can now be formed from U _R and U ₀ in stage 5. As a result, r drops out, and the desired expression for the absorption loss A results in an electronic one

leicht weiterverarbeitbaren Form, nämlich —r · easily processable form, namely -r ·

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 exai. en Meßwertes noch die Nachschaltung einer Logarithmierstufe 10 an den Quotientenbilder S erforderlich. Es leuchtet ein, daß die Logarithmierung auch vor den Eingängen der Stufe S erfolgen könnte; in diesem Fall wäre letztere als Differenzverstärker auszubilden. Die vorstehend genannte Wahl der Stufenfolge hat jedoch den Vorteil der besseren Übersichtlichkeit. Since the absorption loss A is in a known manner in a logarithmic relationship to the microwave power on both sides of the material to be measured, is a correspondingly exai to achieve. The subsequent connection of a logarithmic stage 10 to the quotient generator S is necessary for the measured value. It is clear that the logarithm could also take place before the inputs of stage S; in this case the latter would have to be designed as a differential amplifier. The above-mentioned choice of the sequence of steps, however, has the advantage of better clarity.

Analog zu jedem anderen Meßgerät ist auch bei den Teilen 1 bis 5 eine einmalige Justierung zur EIiminicrung sonniger Gcrätckcnstanten erforderlich. Dies geschieht im Ausführungsbeispiel 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 vom Instrument 8 der Wert Null angezeigt wird.As with any other measuring device, parts 1 to 5 also have a one-time adjustment for elimination sunny equipment required. This is done in a very simple way in the exemplary embodiment. First, a As ideal a microwave reflector as possible used, for example a flat aluminum plate of any desired Strength. Then the adjuster 2 is set so that at the output of the differential amplifier 6 from the instrument 8 the value zero is displayed.

Hernach wird an Stelle 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 tine Pol>styrolplatte vra 2 mm oder besser eine Quarzglasplatte von 1,7 mm Dicke gewählt werden, wenn die Wellenlänge Vtw. Frequenz der Mikrowellenenergie so gewählt ist, daß sie bei dem späteren betrieblichen Einsatz der Einrichtung von der Feuchte in einerAfter this, a plate with as little loss as possible is used in place of the microwave reflector. These should cause a good reflection of the microwave energy despite its low loss. Hence the thickness this plate is chosen so that it is a quarter of the wavelength of the used in it corresponds to the coming microwave frequency. For example, tine polystyrene plate can be used as the material vra 2 mm or better a quartz glass plate 1.7 mm thick can be selected if the Wavelength Vtw. Frequency of the microwave energy is chosen so that it is operational at the later Use of the facility from the humidity in a

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 Quotientenbüders 5 der Wert Null angezeigt wird. Damit ist die Justierung beendet Da diese Justierung, ebenso wie die weiter "*beu erläuterte Grundjustierung, einmalig bei der Installation einer derartigen Einrichtung vorzunehmen ist, sind die Meßinstrumente 8 und 9 nicht notwendigerweise fester Bestandteil dieser Einrichtung. Die Einsteller 2 und 4 werden in der apparativen Praxis durch einfache Trimmpotentiometer in den ohnehin wohlfeil im Handel erhältlichen Bausteinen 1, 3, S und 6 realisiertMeasurement material web is to be absorbed particularly strongly. After inserting the plate made in this way, the adjuster 4 is adjusted so that the instrument 9 displays the value zero at the output of the quotient beam 5. This completes the adjustment. Since this adjustment, like the basic adjustment explained further on, has to be carried out once when installing such a device, the measuring instruments 8 and 9 are not necessarily an integral part of this device Apparative practice realized by simple trimming potentiometers in the already inexpensive commercially available modules 1, 3, S and 6

Am Ausgang der Logarithmierstufe 10 steht der Meßwert für die zu erfassende Konzentration als Ergebnis methodisch richtiger und vorteilhafter Operationen zur Verfugung. 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 ;rfolgen. 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.At the output of the logarithmic stage 10, the result is the measured value for the concentration to be recorded methodically correct and more advantageous operations available. A display instrument for the The measured concentration value would only be before the measurement of the material path to the value zero measuring concentration. This can be done electrically or mechanically. In the simplest Case in that a material to be measured free of the concentration to be detected is brought into the measuring gap becomes and afterwards the measuring mechanism of the measuring instrument as such so far around the axis of rotation of its pointer is twisted, the latter plays on the zero point of the scale. In the case of the exemplary embodiment this is done in an advantageous manner that makes it possible to determine the initial value of a thickness or Introduce basis weight measuring system of any known type in the measurement.

Hierzu wird von der bekannten Modellvorstellung ausgegangen, wonach die Konzentration K sich gemäß folgender Beziehung zusammensetztThis is based on the known model, according to which the concentration K is composed according to the following relationship

0ί_Μ · 0ί _Μ ·

ίψ. ίψ .

Hierbei bezeichnen a_M die charakteristische Dämpfungskonstante bzw. Absorptionskoeffizient des Trägermaterial der Materialbahn, beispielsweise von Pappe, d_M die Dicke dieser Materialbahn, &_w die charakteristische Dämpfungskonstante bzw. Absorptionskoeffizient für Wasser und d_w 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 von a_M, während das Einstellglied 13 zur Einstellung von d_M vorgesehen ist.Here, a _M denotes the characteristic damping constant or absorption coefficient of the carrier material of the material web, for example of cardboard, d _M the thickness of this material web, & _w the characteristic damping constant or absorption coefficient for water and d _w the "thickness" of the water component in the imaginary layer Material web. This relationship is indicated at the output of the logarithmic stage 10. Its output value is fed to one output of the differential amplifier 11. Its other output is connected to setting members 12 and 13. The setting member 12 is used to take a _M into account, while the setting member 13 is provided for setting d _M.

Ist beispielsweise die Meßeinrichtung zur Feuchtemessung an Pappe einerseits "jder 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 d_M so eingestellt, daß das Anzeigeinstmmeut 14 am Ausgang des Diöerenzverstärkers 11 den Wert Null anzeigt. Damit ist die charakteristische Dämpfungskonstante der Pappe sowie die Dicke der zu messenden Pappbahn in die Anzeigevorrichtung eingegeben, und nach Einführung der zu prüfenden Meßgutbahn in den Meßspalt zeigt dasIf, for example, the measuring device is provided for measuring the moisture on cardboard on the one hand, or the textile fabric on the other, the following procedure is followed: It is assumed that the moisture in a cardboard web is to be determined , which in this case can be designed as a simple toggle switch, is set to the mark "cardboard." Then the adjuster d _M is set so that the display unit 14 at the output of the diereerence amplifier 11 shows the value zero. This is the characteristic attenuation constant of the cardboard as well as the thickness of the cardboard web to be measured entered into the display device, and this shows after the introduction of the test material web to be tested into the measuring gap

Instrument 14 die Konzentration des Wassers in der Meßgutbahn, also deren Feuchte, an. Es ist offensichtlich, daß an Stelle der manuellen Einstellung des Einstellers 13 dieser auch unmittelbar von einem Dicken- bzw. Flächeingewichtsmeßgerät 15 gesteuert werden kann.Instrument 14 shows the concentration of the water in the material path, i.e. its moisture. It is obvious, that instead of the manual setting of the adjuster 13 this also directly from a Thickness or surface weight measuring device 15 can be controlled.

Mit der Vorrichtung wird eine Meßeinrichtung erhalten; deren Meßwert von der Dicke d der Meßgutbahn und den im Betrieb auftretenden Schwankungen einer laufenden Meßgutbahn um eine MittellageA measuring device is obtained with the device; their measured value on the thickness d of the web of material to be measured and the fluctuations in operation of a moving material path around a central position

praktisch unabhängig ist. Zur Bedienung der Einrichtung ist bei unterschiedlichen Materialbahnen nur der Wert <x_M und d_M einzustellen, was von ungelerntem Personal erfolgen kann. Bei gleichbleibendem Material, etwa der Pappenherstellung und -Konfektion, braucht nur noch d_M eingestellt zu werdem. Wird der Einsteiler 13 unmittelbar von einer Dickefl- oder Flächengewichtsmeßanlage 15 gesteuert, so ist auch eine manuelle Nachstellung von d_M bei Wechsel der Dicke der Meßgutbahn entbehrlich.is practically independent. To operate the device, only the value <x _M and d _M needs to be set for different material webs, which can be done by unskilled personnel. If the material remains the same, for example cardboard production and packaging, only d _M needs to be set. If the divider 13 is controlled directly by a thickness or basis weight measuring system 15, manual readjustment of d _M when changing the thickness of the web of material to be measured is also unnecessary.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Disdain for Mcssuog bcsttomter properties, such as moisture, moving in Meögutbahnen with a Mücroweliensender and a transmission antenna connected to it via a feed line for the transmission of the test material path with microwave energy, with a receiving antenna arranged on the side of the test material path facing away from the transmission antenna for receiving the through the path of the measured material attenuated microwave energy, with devices for detecting the energy reflected from the path of the material to be measured and an evaluation circuit with a division stage for deriving a signal corresponding to the ratio of damped and reflected microwave energy, characterized in that the division stage (5) has one Multiplication stage (1 or 3) to multiply so the attenuated or the reflected microwave energy with the reciprocal value (-1 of the transmitter power and device constants is upstream that a setting element (2) for setting the multiplication stage (1) for the reflected microwave energy supplied to the reciprocal is provided transmitter power, mil which the division stage (5) can be brought in the presence of a total reflecting material to be measured for Verichwinden the training "angssignal that further comprises a setting member (4) for adjustment of the multiplication stage (3) for the attenuated microwave energy supplied reciprocal of the transmitter power is provided, with which the output signal of the division stage (5) can be made to disappear in the presence of a low-loss material of the thickness of a quarter wavelength of the microwave energy that between the multiplication stage (1) for the reflected microwave energy and A differential amplifier (6) is arranged in the division stage (5), in which the reflected energy normalized to the transmitter power is subtracted from a signal of size 1, so that the division stage (5) is followed by a logarithmic stage (10) and a further differential amplifier (11 ), of sen one input with the output signal of the logarithmic stage (10) and the other input for adapting the device to pattern """hicd !! cbp test material types and test material thicknesses with correction signals characteristic of the test material.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that to obtain the furtheru Correction signal supplied to the differential amplifier (11) a known thickness or basis weight measuring device is provided.

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The invention relates to a device 6s for measuring certain properties, such as moisture, moving material webs 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 micro wave energy, with one on the one facing away from the transmitting antenna Side of the test material track arranged receiving antenna for receiving the through the metal track Steamed microwave energy, with facilities for recording the energy reflected by the test material and an evaluation circuit with a division stage to derive a corresponding to the ratio of attenuated and reflected microwave energy Signal.

Such a device is known from the United States patent 3 644 826 known There is for processing the damping energy in the associated channel an adjustable attenuator provided with a PIN diode between the receiving antenna for eng Attenuation measured value and the associated microwave detector inserted This PIN diode is Part of a control loop, consisting of you, the radiation detector and a comparison arrangement, which the value emitted by the detector is heated compares the value output by the microwave oscillator. The resulting from the control process The manipulated variable is fed to one of the two inputs of the quotient generator. The R.eflexionsmeßwert becomes also influenced by the transmission energy.

The PIN diode control loop is a significant one Effort required. It results from the fact that this regulation covers a very wide area, namely in practice around three decades. This requires individually trained control levels and individual measures for each device in order to achieve adequate linearization over this large area to achieve the manipulated variable supplied to the quotient images. There is another disadvantage in that the linearization takes place in the waveguide between receiving antenna and detector because said PIN diode is used there and, if necessary, fitted in from a wave point of view must become.

In contrast, it is the object of the present invention to provide a much simpler device for further processing of the energy emitted by the detectors in the attenuation channel and reflection energy channel Specify sizes that indicate the use of commercially available and therefore inexpensive electronic components made possible without the need to intervene in the waveguide.

The solution to this problem can be seen from the characterizing part of the patent claim.

By multiplying with the reciprocal value of the transmission power in both channels and forming the difference to 1 in the reflection channel on the one hand and the easy elimination of the device constants on the other hand, sizes of strictly exponential form are obtained, which consequently, as already the steps mentioned themselves, processed further with cheap, commercially available electronic components can be.

The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing. This shows a block diagram for the electronic components used for the evaluation, whereby for the purpose of clear identification of these components it is shown in the form of mathematical relationships what takes place in these components. The supplied quantity for the reflection energy is U _R , that for the attenuation