DE2362258A1

DE2362258A1 - Vorrichtung zum messen des feuchtigkeitsgehalts

Info

Publication number: DE2362258A1
Application number: DE2362258A
Authority: DE
Inventors: Sydney T Wiles
Original assignee: Electronic Associates of Canada Ltd
Current assignee: Electronic Associates of Canada Ltd
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1974-07-11
Also published as: US3815019A; GB1447896A; DE2362258C3; CA988163A; JPS5847658B2; FR2214376A5; DE2362258B2; JPS4991497A

Description

DR.-INQ. DIPL.-INS. M. SC. DIPL.-PHYS. DR. OIP PHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A i+o 46 3 b

k - 16 3

3. Dezember 19 7 3

Electronic Associates*

of Canada Ltd.

Downsview, Ontario, Ganada

Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts

Die Erfindung betrifft eine.Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere einer Papierbahn.

Es sind Systeme zum Messen der Feuchtigkeit in Geweben oder dergleichen, beispielsweise zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts einer Papierbahn, die durch eine Papiermaschine läuft bekannt, welche von der Tatsache Gebrauch machen, daß freies Wasser aufgrund einer Molekülresonanz Mikrowellenenergie absorbiert. Die größte Dämpfung der Mikrowellenenergie tritt dann ein, wenn die Erregerfrequenz gleich der natürlichen Resonanzfrequenz der Moleküle ist. Beispielsweise tritt eine Absorptionsspitze in dem Frequenzband von 20 bis 2 5 GHz auf.

- 2 - ■

409828/071 1

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73 -JiT-

Insbesondere wird bei den vorbekannte.n Systemen ein Mikrowellensignal durch ein Blatt bzw. ein Gewebe des feuchten Materials gesandt, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Dämpfung zu messen, die dieses Signal nach Durchlaufen des Blattes oder dergleichen erfahren hat, um auf diese Weise ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt zu erhalten. Bei einem verbesserten System wird das Mikrowellensignal dazu veranlaßt, das Blatt zweimal zu durchlaufen, um auf diese Weise die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Während die bekannten Systeme der vorstehend beschriebenen Art zufriedenstellend arbeite^ wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Blattes bzw. des Materials relativ groß ist, beispielsweise auf der "naßen" Seite einer Papiermaschine, arbeiten sie an Einsatzstellen, an denen der Feuchtigkeitsgehalt des Blattes bzw. des Materials relativ niedrig ist, nicht mit der wünschenswerten Effektivität. Dies basiert auf der Tatsache, daß. die Signaldämpfung beim Passieren des Blattes durch die Stärke des Blattes bzw. des Materials bestimmt wird. Es kann leicht gezeigt werden, daß die Wirksamkeit eines Systems, in welchem·das Signal durch das Gewebe bzw. Material gesandt wird, nicht erhöht werden kann, in-dem man einfach die Anzahl der Sendeeinrichtunpen- und der zugeordneten Empfangseinrichtungen erhöht. Um dies zu verdeutlichen, soll beispielsweise eine_Anordnung betrachtet werden, bei der eine Anzahl η von Sendeantennen oder -hörnern vorgesehen ist, die von der gleichen Quelle von Mikrowellenenergie P versorgt werden und von. denen jede geeignet ist, ihr Signal direkt durch ein entsprechendes Teilstück des Blattes zu senden. Es ist offenbar, daß die Energie jedes der im Sendebetrieb arbeitenden Hornstrahler in diesem Fall gleich P/n beträgt. Es soll ferner davon ausgegangen werden, daß eine gleiche Anzahl von im Empfangsbetrieb arbeitenden Kornstrahlern vorgesehen ist, von denen jeder einem entsprechenden im Sendebetrieb arbeitenden Hornstrahler derart zugeordnet ist, daß er ledig-

409828/071 1

A 4o 4 6 3· b

k - 163 ■ .

3. Dezember 1973

lieh von dem Ihm zugeordneten im Sendebetrieb arbeitenden Hornstrahler ein Signal empfängt. Wenn die Dämpfung bzw.'der Verlust L des-»Signals- auf seinem Weg von einem der im Sendebetrieb arbeitenden Hornstrahler zu dem zugehörigen im Empfangsbetrieb arbeitenden Hornstrahler L ist, dann ist der Signal— leistungspegel an jedem im Empfangsbetrieb arbeitenden Hornstrahler folglich LP/n. Wenn schließlich sämtliche im Empfangsbetrieb arbeitenden Hornstrahler mit dem gleichen Detektor verbunden sind, dann ist der Leistungspegel· an dem Detektor η(LP/n) d.h. also LP. Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß die Empfindlichkeit einer solchen, mit Mikrowellen arbeitenden Feuchtigkeitsmesseinrichtung unabhängig von der Zahl der Sende- und Empfangseinrichtungen ist. Aus den gleichen Gründen ist die Empfindlichkeit von Mikrowellenmesseinrichtungen unabhängig von der Strahlungs charakteristik der Sendeeinrichtungen.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand'der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials zu schaffen, welche insbesondere auch bei geringem Feuchtigkeitsgehalt eine ausreichende Empfindlichkeit besitzt: und genaue Meßergebnisse liefert. .. ■ '

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Oberflächen-Wellenleiter vorgesehen ist, daß Führungen vorgesehen sind, um-den Oberflächen-Wellenleiter in vorgegebener V/eise in Kontakt mit der Oberfläche des Materials zu halten, daß ein Mikrowellengenerator vorgesehen ist, daß Speiseeinrichtungen zum Zuführen des Mikrowellensignals zu dem Oberflächen-Wellenleiter vorgesehen sind und daß Empfangseinrichtungen vorgesehen, sind, um das den Oberflachen-Wellenleiter verlassende Mikrowellensignal, dessen Größe ein Faß für den

409 828/0711

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 19 7 3

236225

Feuchtigkeitsgehalt des Materials ist, zu messen.

Eine derartige Vorrichtung ist besonders geeignet, einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt zu ermitteln, beispielsweise den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn an der "trockenen" Seite einer Papiermaschine. Im übrigen bietet das erfindungsgemässe System die Möglichkeit₅ seine Empfindlichkeit ohne weiteres dem jeweiligen Verwendungszweck anzupassen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht_s wie dies weiter unten noch deutlich werden wird, darin, daß sie in ihrer Empfindlichkeit: zumindest weitgehend von der Dicke des feuchten Materials abhängig ist ₅ dessen Feuchtigkeitsgehalt ermittelt werden soll.

Bei einer besonders bevorzugten Vorrichtung gemäss der Erfindung, die zur Ermittlung eines niedrigen Feuchtigkeitsgehalts bestimmt ist, wird ein Kikrowellensignal an ein Ende eines langgestreckter Wellenleiterabschnitts angelegt, welcher einen Streifen eines dielektrischen Materials umfaßt₃ welches von einem leitenden Material getragen wird und welches in engem Kontakt "mit einem feuchten Material₅ insbesondere einem Gewebe oder einer Papierbahn gehalten wird_s wobei die Dämpfung des Mikrowellensignals bei seinem Weg längs des Wellenleiterabschnitts ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt des Materials ist»

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche„ In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäss der Erfindung;

Fig, 2 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufs an verschiedenen Punkten der Vorrichtung gemäss Fig= I; '

Q ™

098 2 8/071 1

BAD ORIGINAL

A ito 463 b

k - 163

3.· Dezember 1973 - ff

Fig. 3 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Wellenleiterabschnitts für eine Vorrichtung gemäss Fig. 1 sowie die Zuordnung des Wellenleiter-. abschnitts zu dem Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt ermittelt werden soll;

Fig. M- einen Teilschnitt durch den Wellenleiterabschnitt gemäß Fig. 3 längs der Linie 4-t" in dieser Figur;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf den Wellenleiterabschnitt gemäß Fig.- 3;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Wellenleiterabschnitts für eine Vorrichtung . gemäß der Erfindung und dessen Zuordnung zu dem Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll;

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Stirnansicht des Wellenleiterabschnitts gemäss Fig. 6;

Fig. 8 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf den Wellenleiterabschnitt gemäß Fig. 6; . ■

Fig. 9 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Darstellung des Wellenleiterabschnitts gemäß Fig. 6 zur Erläuterung der Ausbreitung der Mikrowellen in demselben und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Detektors für eine Vorrichtung gemäß "der Erfindung.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 1 der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugs zeichen Io bezeichnet und. umfaßt einen Meßkopf 12', dessen Bestandteile in Fig. 1 von. einer gestrichelten Linie umrandet sind und der in eine Meßstellung"gegenüber dem Material gebracht werden kann, dessen Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll. Das Material, wie z.B. eine Gewebebahn oder dergleichen, soll nachstehend entsprechend dem bevorzugten Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgehend als

409828/0711

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 1973 - f-

Papierbahn 14 bezeichnet werden. Die" Mikrowellenexnrxchtung des Meßkopfs 12 d.er Vorrichtung umfaßt einen Mikrowellenoszillator bzw. -generator 16, beispielsweise eine Gunn-Diode, welche ein Ausgangssignal im Frequenzbereich zwischen 20 und 2 5 GHzliefert. Ein Wellenleiterabschnitt 18 führt das Signal von dem Mikrowellengenerator 16 einem Eichtkoppler 2o zu, welcher ungefähr 16% der Ausgangssignalleistunj? des Mikrowellengenerators 16 einem Detektor 2 2 zuführt und welcher die restlichen 84% einem Wellenleiter 24 zuführt, welcher das Signal einem Wellenleiterabschnitt in Form eines Oberflächen-Wellenleiters 26 zuführt, der weiter unten noch näher beschrieben werden soll. Ein Wellenleiterabschnitt 28 führt das Ausgangssignal des Oberflächen Wellenleiters 26 einem zweiten Detektor 3o zu»

Die beiden Detektoren 22 und 3c- können von beliebigem, an sich bekanntem Aufbau sein. Vorzugsweise wird jedoch, wie dies Fig.Io zeigt, ein Thermistor 134 verwendet, welcher in einem Fechteckwellenleiter 138 montiert ist;^ der* mit einem geeigneten Flansch 14o versehen ist, um seine Verbindung mit einem anderen Wellenleiter zu ermöglichen, und zwar derart, d-aß die gesamte Mikrowellenenergie in dem Wellenleiter absorbiert wird. Ein sogenannter BNC-Verbinder, welcher insgesamt mit dem Bezugszeichen 136 bezeichnet ist, gestattet die Verbindung mit der äußeren Schaltung. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist ein Thermistor lediglich ein temperaturempfindlicher Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden* - -wie dies weiter unten noch näher erläutert wird - die beiden Thermistoren enthaltenden Detektoren 22 und 3o so gespeist, daß sich ein Nenn- oder Basiswert des Widerstandes von jeweils 200 Ohm ergibt.

Betrachtet man nun wieder die Fig. 1 so erkennt man, daß die Vorrichtung zwei Brückenschaltupgen 32 und 34 umfaßt, die dazu

— 7 —

409828/0711

A 4o 46 3 b

k - 16 3 .

.3. Dezember 1973

382258

dienen, den Detektoren 22 bzw. 3o Signale zuzuführen bzw* zu entnehmen.■ Ein Oszillator¹ 36 ₃ welcher mit einer Frequenz von 3o Hz arbeitet.» liefert ein Rechteck-Ausgangs signal auf einem Kanal 3 8 zur Betätigung des Mikrowellengenerators 16. Ein ... komplementäres -Recnteck-iftiasgangssignal auf einem Kanal 42 wird einem Burst-Modulator ho zugeführt_s welchem an einem Eingang ein Signal von einem Oszillator 46 zugeführt wird, welcher mit einer Frequenz von Io KHz arbeitet₃ und zwar über eine Dämpfungsanordnung 44. Das Aus gangs signal des ersten Detektors 2 2 wird über die Brückenschaltung 32 einem Phasendetektor 48 zugeführt, der sein Bezugsphasensignal über den Kanal 38 erhält. Das Ausgangssignal des Phasendeüektors 48 wird einer Verstärker- und Integrationsschaltung 5o zugeführt, welche den Betrieb der Dämpfungsvorrichtung UH steuert. Die vorstehend beschriebenen Schaltkreisteile bilden die Bezugssignalschleife der Vorrichtung gemäß der Erfindung." - .-.-.*

Die Bezugssignalschleife liefert ein. Maß für die Leistungsdifferenz zwischen der Mikrowellenquelle und dem" Io KHz-Signal. Dieses Maß_s welches durch das Ausgangssignal der Verstärkerund Integrationsschaltung So geliefert wird, steuert die Io KHz-Dämpfungsvorrichtung so, da.S> deren Leistung gleich der von der Mikrowellenquelle bzw. dem Mikrowellengenerator 16 gelieferten Leistung ist. Die zweite Brückenschaltung 32 liefert diejenige Menge von Gleichstromenergie₅ die erforderlich ist, um den Unterschied zwischen der aus der Umgebung zugeführten Wärmeenergie einerseits und der von dem Mikrowellengenerator 16 oder dem Burst-Modulator Ho andererseits zugeführten Leistung auszugleichen und damit den Miderstandswert des Thermistors 134 konstant zu halten» Dies heißt mit anderen Worten₉ daß die Brüekenschaltung eine ausreichende Gleichstromleistung liefert, · um den Thermistor 134· auf einer solchen Temperatur zu halten., daß sein Widerstandswert stets 200 Ohm beträgt. Das Ausgangssignal des Burst-Modulatoi^s 4o wird der Meßschleife zugeführt,

409828/071 1 .... '■-...

bad

A 4o 463 b ■ . ■■■

k - 163

3- Dezember 1973 ■ - .6Γ

die nachstehend noch beschrieben werden soll, so daß das System unabhängig von der umgebungstemperatur und von Schwankungen des Mikrowellen-lieistungspegels ist.

Das Ausgangssignal der Verstärker- und Integrationsschaltung 5o steuert die Dämpfungsvorrichtung 44 derart, daß das Io KHz-Burst-Signal gleich dem Mikrowellensignal an dem als Referenzsignal-Detektor dienenden ersten Detektor 2 2 ist. Das Ausgangssignal des Burst-Modulators 4o folgt dem Ausgangssignal des Mikrowellengenerators 16 unabhängig won der Temperatur des Sensors.

Die Meßsignalschleife des Systems enthält ein 3o Hz-Eandpassfilter 52, welches das Ausgangssignal des zweiten Detektors 3o über die Brückenschaltung 3U erhält. Da das Meßsignal über einen breiten Bereich von etwa 35 db schwanken kann, ist es erforderlich, die Auswirkungen eines Streurauschens und anderer Interferenzen für den Fall einer hohen Dämpfung in dem Oberflächen-Wellenleiter 26 zu verringern. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des Bandpassfilters 52 einem Verstärker· 54 mit umschaltbarer Verstärkung zugeführt,_ welcher, wie dies nachstehend noch erläutert wird, die Verstärkung der Meßschleife erhöht, wenn das Ausgangssignal der' Brückenschaltung 34 bei ansteigender Dämpfung des Oberflächen-Wellenleiters 26 infolge der Feuchtigkeit der Papierbahn 14 kleiner wird. Die Verstärkung des Verstärkers 54 wird in Schritten von jeweils 3,2 db verändert. Das Ausgangssignal des Verstärkers 54 wird .einem Phasendetektor 56 zugeführt, welchem die Ausgangssignale des Oszillators 36 über die Kanäle 3 8 und 42 als Bezugsphasensignale zugeführt werden. Das. Ausgangssignal des Detektors 56 ist ein Gleichspannungspegel, dessen Polarität anzeigt, ob an dem zweiten Detektor 3o das Mikrowellensignal oder das Io KHz-Burst-Signal größer ist. Der Pegel des Ausgangssignals des Detektors 56 zeigt ferner, die Größe der Differenz zwischen den Signalen

409828/0711

Λ-Uo 46 3 b

k - 163

3. Dezember 1973

an. Das Ausgangssignal des Detektors 56 dient dazu, die Auf—AbSteuerung 58 eines Dezibel-Zählers 6o zu steuern, d.h. dazu, den Zähler 6o zu veranlassen, in Abhängigkeit davon," ob das Io KHz-Burst-Signal am'zweiten Detektor 3o größer oder kleiner ist als das Mikrowellensignal, in Schritten aufwärts oder abwärts zu zählen. Wie aus der Zeichnung deutlich wird, werden an die Steuereingänge des Verstärkers 54 mindestens zweistellige Ausgangs signale des Zählers 6o angelegt.

Der Ausgang des Zählers 6o ist ferner mit einer logarithmischen Dämpfungsvorrichtung 62 verbunden, der das Ausgangssignal des Io KHz-Burst-Modulators ho zugeführt wird. Die Dämpfungsvorrichtung 62 ändert den Pegel des Ausgangssignals des Burst-Modulators in Abhängigkeit vom Zählerstand des Zählers 6o, welcher, wie vorstehend ausgeführt, dem Ausgangssignal, des Mikrowellengenerators 16 unabhängig von der Temperatur des Sensors "folgt. Wenn der Zähler beispielsweise den 'Zählerstand l'hat., dämpft die Dämpfungsvorrichtung 6 2 das Ausgangssignal· des Burst-Modulators Uo um genau o,o5 db. Die .Meßschleife ist also eine Präzisions-Dämpfungsvorrichtung, welche mit einer Genauigkeit von o,o5 db über den gesamten Bereich von O bis 51,15 db arbeitet. ·

Die Beziehung zwischen dem Zählerstand des Zählers.6o und der Dämpfung des Io KHz-Signals des Burst-Modulators 4o durch die Dämpfungsvorrichtung 6 2 erfolgt entsprechend der folgenden Tabelle: ,

Zählerstand Dämpfung in db

1 ο , ο 5

2 O₅Io 4 o,2o '5 ■ ο , 2 5 8 o,4o

16 .. ο, 80

32 - l,6o

Io23 51,15

409828/071 1

A 4o 463 b

k - 163 ■

3. Dezember 19 73

Das Ausgangssignal der Dämpfungsvorrichtung 6 2 wird der dem ~ zweiten Detektor 3o zugeordneten Brückenschaltung 3'4 zugeführt.

In Fig. 2 sind verschiedene Spannungsverläufe an einzelnen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Spannungsverlauf a entspricht dem Ausgangssignal des Oszillators 36 auf dem Kanal 38. Das Ausgangssignal des Mikrowellengenerators 16, welches dem Wellenleiterabschnitt 18 zugeführt wird, ist als Spannungsverlauf b dargestellt. Der Spannungsverlauf c zeigt das Ausgangssignal des Burst-Modulators 4o in Abhängigkeit von dem komplementären Signal auf dem Kanal H2. Dieses Signal wird über die Brückenschaltungen 3 2 und 34 gemeinsam mit den Gleichstromleistungen den Detektoren 22 und 3o zugeführt, Man erkennt, daß das Mikrowellensignal von dem Mikrowellengenerator 16 und das Io KHz-Burst-Signal niemals gleichzeitig an einem der beiden Detektoren anliegen. Wie oben ausgeführt wurde, besteht der Zweck der Brückenschaltungen 32 und 34 darin, die Detektoren 22 und 3o so zu speisen, daß die den Thermistoren derselben zugeführte Heizleistung die Differenz zwischen derjenigen Wärme ausgleicht, die durch die Menge zugeführt wird und derjenigen Wärme, die entweder durch das Mikrowellensignal oder das Io KHz-Burst-Signal zugeführt wird, um den·Widerstandswert des Detektors konstant auf 200 Ohm zu halten. Dies wird -durch den Spannungsverlauf d dargestellt, v/elcher dem Gleichspannungsausgang einer der Brücken entspricht unter der Annahme, daß das Io KHz-Burst-Signal größer ist und daß die Brückenschaltung ihren Gleichspannungspegel verringern muß, so lange das Io KHz-Burst-Signal vorliegt. Wenn das als Spannungsverlauf d dargestellte Gleichstromsignal der Brücke an ein Bandpassfilter angelegt wird, ergibt sich ein Wechselspannungssignal, welches als Spannungsverlauf e dargestellt ist und welches sinusförmig verläuft und eine Amplitude besitzt, welche der Differenz des Io KHz-Burst-Signals und des Mikrowellensignals am Detektor entspricht und dessen Phase, bezogen auf das 3o Hz-Signal auf dem

anzeigt
Kanal 3 8^ welches Signal kleiner ist als dasjenige, welches den

- 11 -

409828/0711

BAD ORIGINAL

A Ho 463 b

k - 163' . . - ■

3. Dezember 19 7 3 ' -

Widerstänäswert des Detektors auf 200 Ohm bringt. Diese Betriebsweise ist unabhängig von der Temperatur. Es spielt auch keine Rolle j ob der Detektor 22 und der Detektor- 3ο eine verschiedene Temperatur haben. , · .

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung' enthält eine Schleife zur Anzeige des prozentualen feuehtigTceitsgehälts des Materials bzw. der Papierbahn, deren Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll. Der Zähler 6o betätigt einen Dezibel-Digital-Analog-Umsetzer 64., welcher eine Ausgangsspannung erzeugt, die eine lineare Funktion der Dezibel ist. Diese Spannung wird durch eine Bereiehseinheit 66 geleitet, an welcher verschiedene Papiersorten einstellbar sind. Von der Bereichseinheit 66 wird das Signal einer Summiereinheit 6 8 zugeführt ·, welche lediglich'der gemeinsame Verbindungspunkt einer Anzahl von Widerständen sein kann, durch welche Striöme zum Eingang eines Operationsverstärkers fließen. FunktionsmäMg besteht keine Wechselwirkung zwischen irgend zwei der Strome, die dem Verbxndungspunkt zugeführt werden, und das Ausgangssignal des Verstärkers ist von der Summe der Ströme, die dem gemeinsamen Verbindungspunkt zugeführt werden, abhängig. -Die Summiereinheit 68 steuert den Betrieb einer BCD (binarycoded-decimaD-Zählersteuerung 7o, welche einen BCD-Zähler 72 steuert und welche diesen Zähler 72 veranlaßt, aufwärts zu zählen, wenn sich .am gemeinsamen Verbindungspunkt ein resultierendes negatives Signal ergibt und abwärts zu zählen, wenn sich ein resultierendes positives Signal ergibt. Das' Ausgangssignal des BCD-Zählers 72 wird_eeinem nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzer 74 zugeführt, welcher eine positive Spannung auf einem Kanal 76 erzeugt, die eine nichtlineare Funktion des Zählerausgangs ist. Die Spannung entspricht der Beziehung zwischen der Dämpfung in Dezibel, welche von dem dem Oberflächen-Wellenleiter 26 zugeordneten Detektor ermittelt wurde, und dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn 14, welche den

- 12 -

409828/0711

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73

Oberflächen-Wellenleiter 26 berührt. Mit anderen Worten ist also der Digital-Analog-Umsetzer 74 eine Eichvorrichtung, die den Zusammenhang zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt in Prozent und der Dämpfung in db festlegt. Das Ausgangssignal auf Kanal 76 wird zu der Summiereinheit 6 8 als ein Signal zurückgeführt, welches die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Polarität wie das Signal besitzt, das der Summiereinheit 6 8 von der Bereichseinheit 66 in Abhängigkeit vom Eingangssignal des Digital-Analog-Umsetzers 64 zugeführt wird. Wenn diese Signale einander kompensieren, stoppt die BCD-Zählersteuerung 7o, so daß der Zählerstand des Zählers 72 dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn entspricht. Dieses Ausgangssignal kann dann einer geeigneten Anzeigeeinrichtung 9 6 zugeführt werden.

Das Ausgangssignal des BCD-Zählers 72 wird ferner einem Digital-Analog-Umsetzer 77 zugeführt, dessen Ausgangssignal ein Gleichspannungssignal ist, welches eine lineare Funktion des Eingangssignals ist, das dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalt entspricht. Dieses Signal wird zusammen mit einem Signal von einem Temperaturfühler 79 geeigneter bekannter Bauart, welcher der Papierbahn 14 zugeordnet ist, den Eingängen einer Temperaturkompensations-Recheneinheit 7 8 zugeführt, welche die Abweichung der Temperatur der Papierbahn 14 von einer Temperatur von etwa 65,6 C feststellt und diese Abweichung mit einer Funktion des prozentualen Feuchtigkeitsgehalts multipliziert, welche ein Maximum bei 10% einen Wert von 0,1 des Maximums bei 0,00 % und einen Wert von 0,75 des Maximums bei 15% hat. Das Ausgangssignal der Temperaturkompensations-Recheneinheit 7 8 ist eine Spannung, welche direkt um Null schwankt, wenn die Temperatur zwischen den Extremwerten von etwa 37,8 C und 93,3 C. um den Mittelwert von 65,6°C schwankt. Dieses Ausgangssipnal wird als zusätzlicher Strom der Summiereinheit 6 8 zugeführt, um das dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalt entsprechende Ausgangssignal

- 13 -

409828/0711

A 4o 463 b
•k - 163
3. Dezember 19 7 3

des BCD-Zählers 72 zu modifizieren, wenn die Temperatur von einem Wert von ca, 65,6 C abweicht und der Feuchtigkeitsgehalt sich zwischen 0 und 15% ändert. Die vorstehend beschriebenen Schaltkreisteile bilden eine Temperaturkompensationsschleife· der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Wenn das Gewicht der Fasern der- Papierbahn 14- konstant bliebe, würde die angezeigte prozentuale Feuchtigkeit lediglich in Abhängigkeit von der Wassermenge pro Flächeneinheit der Papierbahn schwanken, da Temperaturänderungen mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Temperaturkompensationsschleife kompensiert werden. Wenn dies also.der Fall wäre, würde die Anzeige eine genaue Information bezüglich des prozentualen Feuchtigkeitsge- halts darstellen. In der Praxis ändert sich jedoch das Fasergewicht während der Produktion, und diese Änderungen müssen ermittelt "und kompensiert werden, wenn genaue Ergebnisse erhalten werden sollen. Aus diesem Grunde wird das Ausgangssignal des BCD-Zählers mit einem Basis-Bewichtungssignal auf einem Kanal 82 in einem Multiplizierer 8o gemischt. Das Basis-Bewichtungssignal kann mittels- einer üblichen bekannten Einrichtung erhalten werden.. Da derartige Einrichtungen keinen selbständi- * gen Bestandteil der vorliegenden Erfindung bilden, sollen sie auch nicht in den Einzelheiten beschrieben werden. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 8o auf einem Kanal 84 entspricht dem Feuchtigkeitsgewicht in Pfund (lbs) Wasser. Das Signal ist also, das Ergebnis einer Multiplikation des Basisgewichts mit dem prozentualen Feuchtigkeitsgehalts pro Flächeneinheit bei gegebenem Feuchtigkeitsgewicht pro Flächeneinheit. Es kann als die Basisgewicht-Meßeinrichtung (nicht dargestellt) zurückgegeben werden, um. das Fasergewicht zu ermitteln. Das Wassergewichts-Signal wird ferner auf dem Kanal 84 über einen Inverter 86 einem Addierer 88 zugeführt, wo es zu dem Signal auf Kanal 82 addiert wird, wobei außerdem ein Signal auf einem Kanal 9o

- 14 -

409828/0711

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73 . - 3r*f*"-

hinzu addiert wird, welcher mit einem Ausgang der Bereichseinheit 66 verbunden-ist, wobei das Signal auf dem Kanal 9o einem Einstellpunkt der Ofentrocknung entspricht, so daß der Addierer ein Ausgangssignal liefert, welches der Abweichung des Fasergewichts von dem Einstellpunkt pro Flächeneinheit entspricht. Dieses Signal wird zusammen mit dem Ausgangssignal des BCD-Zählers 72 einem zweiten nichtlinearen Digital-Analog-Umsetzer 9 2 zugeführt, welcher die beiden Eingangssignale in der Weise kombiniert, daß er an seinem Ausgang ein lineares Korrektursignal erzeugt, welches mit der von der Dämpfung in db abhängigen Spannung kompatibel ist, und welches über einen Kanal 94, über den Digital-Analog-Umsetzer 6 4 und die Bereichseinheit 66 der Summiereinheit 6 8 zugeführt wird. Der Wert des Korrektursignals beeinflußt also über den Ausgang der Summiereinheit 6 8 das System im Sinne einer Stabilisierung an einem neuen Punkt , um einen endgültig korrigierten Wert des prozentualen Feuchtigkeitsgehalts zu erzielen.

Bei Betrachtung der Figuren 3 bis 5 wird deutlich, daß ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß der Oberflächen-Wellenleiter 2 6 vorgesehen ist, welcher einen Streifen 96 aus dielektrischem Material enthält, dessen Enden Übergangsbereiche 9 8 und loo aufweisen, um den Streifen 9 6 an. die Enden des eingarigsseitigen rechteckigen Wellenleiterabschnitts 24 und des ausgangsseitigen rechteckigen Wellenleiterabschnitts 2 8 anzukoppeln. Der Streifen 96 wird bei der in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Ausführungsform eines Oberflächen-Wellenleiters gemäß der Erfindung von einem metallischen Träger Io2 getragen.

Es ist bekannt, daß ein Streifen aus dielektrischem Material, welcher sich auf einer leitenden Oberfläche befindet, ein Mikrowellensignal weiterleitet. Bei dem erfindimgsgemäßen

- 15

409828/0711

A Uo 463 b

k - 163 ' -

3. Dezember 19 7 3

Oberflächen-Wellenleiter 26 werden die Mikrowellen von dem Streifen so lange verlustfrei weitergeleitet, wie der Streifen 96 nicht in Kontakt mit einem dämpfenden Material steht. Wenn der Streifen 9 6 gegen das feuchte Material, bzw. die Papierbahn berührt, dann wird das Papier, welches selbst ein Dielektrikum ist, tatsächlich ein Teil des Wellenleiters und die Mikrowellen breiten sich auch in dem Papier aus. Die in der Papierbahn enthaltene Feuchtigkeit dämpft je'doch das Mikrowellensignal, so daß der Pegel des Ausgangssignal sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt ändert. -

Daß die Dicke des Papiers" keinen Einfluß auf die Energieabsorbtion hat, kann ohne weiteres gezeigt werden, wenn man nacheinander mehrere Papierblatter über den Streifen legt und dabei darauf "achtet,daß zwischen den Blättern keine Lücken verbleiben. Dabei kann man beobachten, daß die Änderung des Signalpegels zwischen dem Eingang und dem Ausgang bei So Blättern die gleiche ist, wie bei einem Blatt. Dies ist auf-die Tatsache zurückzuführen, daß das dielektrische Papier ein integrierter Bestandteil des Mikrowellenausbreitungspfades wird.

In den Wellenleiterabschnitten 24- und 28 breitet sich die Energie in dem bekannten TE_1Q~Mode aus. Die Impedanz des Oberflächen-Weilenleiters mit dem dielektrischen Streifen 96 und die Oberfläche des leitenden Trägers Io2 ist der Impedanz des eingangsseitigen und des ausgangsseitigen Wellenleiters 24 bzw. 2 8 durch die Länge 1 des Streifens 9 6 angepaßt, welche in jeden der Wellenleiterabschnitte hineinragt und außerdem durch einen kapazitiven Zapfen Io4 in den Wellenleiterabschnitten. Man erkennt, daß eine solche Impedanzanpassung notwendig ist, um eine optimale Mikrowellenenergieübertragung von dem Wellenleiterabschnitt 24 zu dem Oberflächen-Wellenleiter 26 und von . diesem zu dem ausgangsseitigen Wellenleiterabschnitt 2 8 zu

- -16 -

409828/071 1

A 4o 463 b ·

k - 163

3. Dezember 19 73 . - -

gewährleisten. Aus der Zeichnung wird ferner 'deutlich, daß in jedem der Übergangsbereiche 98, loo in der Nähe des Endes der Wellenleiterabschnitte 24 und 28 zur Verbesserung der Schwingungsmodeumwandlung in den Übergangsbereichen 9 8 und loo jeweils eine metallische Scheibe Io6 vorgesehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Wellenleiterabschnitte -24 und 28 Innenabmessungen von etwa 43,18 mm Höhe und etwa Io6,7 mm Breite. Diejenigen Teile des Streifens 96, die in die beiden Wellenleiterabschnitte 24 bzw. 28 hineinragen, haben die gleichen Abmessungen. Ausgehend von diesen Bereichen ändert sich die Höhe des Streifens 9 6 über die Länge der Übergangsbereiche 9 8 und ioo auf eine-Höhe von etwa 24,3 8 mm im mittleren Bereich des Streifens, welcher in noch näher zu beschreibender Weise in Kontakt mit der Papierbahn 14 steht. Lage und Abmessungen der Zapfen Io4 und der Scheiben Io6, sowie die Länge 1, mit welcher jeder der Übergangsbereiche in die Wellenleiterabschnitte hineinragt,' können zum Zwecke einer genauen Impedanzanpassung ohne weiteres ermittelt werden. Der dielektrische Streifen 96 kann aus jedem geeigneten Material bestehen. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel wurde ein Streifen 96 aus Polyäthylen mit einem extrem hohen Molekulargewicht verwendet.

Wie dem lachmann bekannt ist, bestimmt die Verteilung der elektrischen und magnetischen Komponenten der elektromagnetischen Welle bzw. des Mikrowellensignals, welches sich längs des Oberflächen-Wellenleiters 2 6 ausbreitet, den Ausbreitungsmode. In den Figuren 4 und 5 sind die Komponenten des elektromagnet!- ■ sehen Feldes in üblicher Weise in ausgezogenen Linien und die Komponenten des Magnetfeldes in gestrichelten Linien dargestellt. Da sowohl magnetische als auch elektrische Feldkomponenten in Ausbreitungsrichtung vorhanden sind, die in der Ebene des

- 17 -

409828/0711

A 4o 463 b

k - 16 3 . ' '

3. Dezember 19 73 .. - -J_-?

Papiers in Figur 3 und 5 liegen und senkrecht zur Ebene des Papiers in Figur 4, wird deutlich, daß der Ausbreitungsmode, weder bezüglich der elektrischen Welle noch bezüglich der magnetischen Welle rein transversal ist. Aus diesem Grund ist der Ausbreitungsmode als. ein HE-Mode einzustufen, und zwar im Unterschied zu dem TEM-Mode im freien Raum, bei welchem die Energie von dem Oberflächen-Wellenleiter abgestrahlt würde. Da der Oberflächen-Wellenleiter gemäß der Erfindung keine Energie in den freien Raum abstrahlt, läßt sich keine Dämpfung des Mikrowellensignals beobachten, so lange kein dämpfendes Material mit der Oberfläche des Streifens 9 6 in Kontakt steht. Wenn dagegen ein Gewebe bzw. eine Papierbahn IU aus feuchtigkeitshaltigem Material die Oberfläche des Streifens 96 berührt, dringen Komponenten des elektrischen Feldes in dieses Material ein und das elektromagnetische Feld breitet sich auch in dem Material aus, da dieses, wie z.B. Papier, ebenfalls dielektrisch ist. Jede Wechselwirkung zwischen der Papierbahn'und der elektrischen Feldkomponente muß von einer entsprechenden Wechselwirkung mit der magnetischen Feldkomponente begleitet sein. Somit wird die Papierbahn 14 aus feuchtigkeitshaltigem Material ein integraler Bestandteil des Oberflächen-Wellenleiters 26 und das elektromagnetische Feld breitet-sich sowohl in. dem dielektrischen Streifen 9 6 als auch in der Papierbahn 14 aus, und zwar unabhängig davon, wie stark das feuchtigkeitshaltige Material ist. ' ·

Hinzu kommt, daß aufgrund der Tatsache, daß die Papierbahn in Richtung der Ausbreitung des Mikrowellensignals über den Oberflächen-Wellenleiter 26 verläuft, die festgestellten Verluste bzw. die Dämpfung des Signals sowohl von der gesamten Wassermenge in dem Papierstreifen, als auch von der Länge bestimmt wird, über welche der Oberflächen-Wellenleiter 26 in Kontakt mit der Papierbahn 14 steht. Aus dieser Tatsache wird deutlich,

- 18 -

409328/071 1

A 4o 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73

daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche den erfindungsgemäßen Oberflächen-Wellenleiter enthält, in einfacher Weise an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden kann, indem man einfach die Lange ändert, über welche der Oberflächen-Wellenleiter in Kontaikt mit der Papierbahn steht. Bei Erhöhen der Länge des Wellenleiters wird also die Empfindlichkeit des Systems erhöht..

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispxel des in den Figuren 3 bis 5 gezeigten Oberflächen-Wellenleiters 26 ist dessen Mittelstück zwischen den Übergangsbereichen 98 und loo gekrümmt oder gewölbt., so daß es über die Ebene der Führungen Io8 und Ho für die Papierbahn vorsteht. Diese Führungen verhindern, daß die Papierbahn den dielektrischen Streifen in den Übergangs bereichen 9 8 und loo berührt.

Die Figuren 6 bis 9 der Zeichnung zeigen'ein abgewandeltes Ausführungsbeispxel eines Oberflächen-Wellenleiters, welcher insgesamt mit'dem Bezugszeichen 111 bezeichnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein dielektrischer* Streifen 112 aus geschmolzenem Quarz oder aus Polyäthylen extrem hohen Molekulargewichts in einem Schlitz 114 vorgesehen, der in einem leitenden Träger 116 angebracht ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß'die Oberseite des Streifens -112 in einer Ebene mit der Oberseite des Trägers 116 liegt, so daß der dielektrische Streifen in intimen Kontakt mit der· Unterseite der Papierbahn 14 gebracht v/erden kann. Bei dieser· Ausgestaltung des Oberflächen-Wellenleiters sind die Wellenleiterabschnitte 24 und 2 8 auf der Eingangs- bzw. Ausgangsseite an den Enden des Schlitzes 114 mit dem Träger 116 verbunden, dessen Basis mit öffnungen 118 und 12o versehen ist, die zu den Wellenleiterabschnitten 2 4 und 2 8 führen. Die Enden des Schlitzes 114 können durch leitende Platten 122 und 124 geschlossen sein. Darüber hinaus können Teile des Schlitzes 11t* oberhalb der Wellenleiter-

- 19 -

409828/0711

A 4o 463 b

k - 16 3

3. Dezember 1973

abschnitte 24 und 28 mittels Platten 12 6 .und 12 8 verschlossen sein. Man erkennt, daß die Oberseite des Streifens 112 in der Nähe der Enden desselben mit Aussparungen zur Aufnahme der Platten 12 6 und 12 8 versehen sein kann, um sicherzustellen, daß die Oberfläche des Streifens 112 die Papierbahn berühren kann. Zusätzlich können in den Öffnungen 118 und 12o,die zu den Wellenleiterabschnitten 24 und 26 führen, kapazitive Zapfen und 132 vorgesehen sein. Zweck der vorstehend beschriebenen Struktur ist es in erster Linie, den TE.„-Kode _y der sich in den rechteckigen Wellenleiterabschnitten ausbreitet, zu verzerren, um den Aufbau des oben beschriebenen Oberflächen-Wellenleiter-Modes zu erleichtern. Der zweite Zweck besteht darin, eine Anpassung der Impedanz des Oberflächen-Wellenleiters 111 an diejenige der rechteckigen Wellenleiterabschnitte zu erzielen, und somit eine optimale Leistungsübertragung zu erreichen. Die Abschnitte des Oberflächen-Wellenleiters unterhalb der Platten 126 und 12 8 bilden Übergangsbereiche, in welchen die Mode-Umsetzung von dem TE.. ~-Mode in jedem der beiden rechteckigen Wellenleiterabschnitte in den HE-Oberflächenwellen-Mode des Oberflächen-Wellenleiters' erfolgt. Da die Obergangsbereiche bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel unterhalb der leitenden Platten liegen_s kann man die Papierbahn die gesamte Oberfläche des Oberflächen-Wellenleiters ill berühren lassen, ohne die Funktion der Übergangsbereiche ungünstig zu beeinflußen. Ferner wird deutlich, daß die konstruktive Ausgestaltung des "zuletzt betrachteten Ausführungsbeispiels gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 bis 5 zu einer beträchtlichen Raumersparnis führt. ' : · ■

* Figur 9 zeigt die Verteilung der elektrischen und magnetischen Feldkomponenten bei der anhand der Figuren 6 bis 9 erläuterten Ausführungsform der Erfindung. Man erkennt, daß der Ausbreitungsmode bei-dieser Ausführungsform dem Ausbreitungsmode bei der

- '20 -

409828/0711

A 4ο 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73

Ausführungsform gemäß Figur 3 bis 5 ziemlich ähnlich ist. Die Wechselwirkung zwischen dem Mikrowellensignal in dem Oberflächen-Wellenleiter und der Feuchtigkeit in der Papierbahn ist somit die gleiche, wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. ·

Die Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Oberflächen-Wellenleiter gemäß Figur 6 bis 9 kann in gleicher Weise geändert werden, wie diejenige der /*usführungsform gemäß Figur 3 bis 5. Dies bedeutet, daß dann,, wenn eine größere Empfindlichkeit erförderlich ist, um die Fähigkeiten der Vorrichtung zu erhöhen, kleinere Feuchtigkeitsgehalte zu messen, bei beiden Ausführungsformen lediglich die Länge des Oberflächen-Wellenleiters erhöht werden muß. Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung beispielsweise einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 0 und 15 % einer Papierbahn am trockenen Ende einer Zeichenkartonmaschine messen soll und wenn die Vorrichtung mit einem Oberflächen-Wellenleiter 26 gemäß der ersten Ausführungsform ausgerüstet ist, dann würden die Übergangsbereiche 98 und loo etwa 3,56 cm lang und die aktiven Bereiche zwischen den Übergangsbereichen, die sich in Kontakt mit der Papierbahn 14 befinden, würden etwa 8,89 cm lang. Zwei derartige Oberflächen-Wellenleiter könnten in Serie miteinander geschaltet werden, indem man den Wellenleiterabschnitt 28 eines der Oberflächen-Wellenleiter mit einem Wellenleiterabschnitt 28 eines zweiten Oberflächen-Wellenleiters 26 verbinden würde, . welcher neben dem ersten Oberflächen-Wellenleiter lind parallel zu diesem angeordnet sein kennte, und zwar in einem Abstand von etwa 1,9 cm. In diesem Fall wird die Mikrowellenenergie dem Wellenleiterabschnitt 24 eines der beiden Oberflächen-Wellenleiter 26 von dem Richtkoppler 2o zugeführt und der Detektor 3o ist mit dem Wellenleiterabschnitt 24 des zweiten Oberlächen-Wellenleiters 2 6 verbunden. Bei dieser Anordnung liegt die

- 21 -

0982870711

A 4o 46 3-b - -

k - 16 3 ■ ' .

3. Dezember 1973 · -

Empfindlichkeit der Vorrichtung zwischen etwa 10 und 7,5 χ 10 kg/m . Die Vorrichtung besitzt eine sehr hohe

Empfindlichkeit von 1400 db pro 5 kg Wasser pro m . Für den gleichen Anwendungszweck würde bei Verwendung des Oberflächen-Wellenleiters 111 gemäß Figur 6 bis 9 die Länge des Oberflächen-Wellenleiters etwa 17,7 8 cm betragen und es würde nur ein Oberflächen-Wellenleiter' 111·benötigt, um.die gleiche Empfindlichkeit zu erreichen. Es kann jede geeignete Einrichtung verwendet werden, .um den tießkopf 12 über die Oberfläche der Papierbahn;14 zu führen.

Die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts eines dielektrischen Materials, insbesondere einer Papierbahn mit einem niedrigen Feuchtigkeitsgehalt, wie sie z.B. auf der trockenen: Seite· einer Papiermaschine -vorliegt, wird aus der obigen Beschreibung deutlich. Die Bezugssignalschleife, welcher ein Anteil des Ausgangssignals "des Mikrowellengenerators 16 zugeführt wird, und zwar über den Richtkoppler 2o, liefert über den Burst-Modulator 4o ein Bezugssignal, welches dem Ausgangssignal des Mikrowellengenerators 16, unabhängig von der Temperatur folgt. Das Bezugssignal wird der Dämpfungsvorrichtung 62 in der Meßschleife zugeführt und dort entsprechend dem .Zählerstand des Dezibel-Zählers" 6o gedämpft. Das Mikrowellensignal, welches dem Oberflächen-Wellenleiter 26 zugefüh'rt wird, breitet sich längs" des dielektrischen Streifens 96 und in der Papierbahn 14 aus, welche den. Streifen 9 6 berührt. Im Verlauf seiner Ausbreitung durch die Papierbahn 14 wird das Mikrowellensignal in Abhängigkeit von dem Feuchtigkeitsgehalt des Papierstreifens gedämpft. Das gedämpfte Mikrowellensignal wird von dem Detektor 3o empfangen ■ und gelangt zu der Brückenschaltung 34, deren Ausgangssignal durch das 30 Hz-Bandpassfilter- 52- hindurchläuft und in dem Verstärker 54 verstärkt wird .und" dessen Phase anschliessend in

- 22 -

098 28/07 11
BAD ORfQjNAL

A Mo 1+63 b

k - 163

3. Dezember 19 7 3

dem Phasendetektor 5 6 ermittelt wird, der ein Ausgangssignal liefert, dessen Polarität anzeigt, ob das Mikrowellensignal oder das 10 KHz-Burst-Signal am Detektor 3o größer ist. Der Pegel bzw. die Größe dieses Signals zeigt dabei das Ausmaß der Differenz zwischen den beiden Signalen an. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 5 6 steuert den Betrieb des Dezibel-Zählers 6o, welcher seinerseits die Dämpfungsvorrichtung 64 steuert, die das Bezugssignal von dem Burst-Modulator Ho empfängt. Auf diese Weise wird die Meßschleife abgeglichen.

In Abhängigkeit vom Zählerstand des Dezibel-Zählers 6o erzeugt der Digital-Analog-Umsetzer 64 ein Ausgangssignal, .welches über die Bereichseinheit 66 der Summiereinheit 6 8 zugeführt wird, und zwar zusammen mit einem Temperaturkompensationssignal von der TemperaturkoiRpensationssehaltung 78. Hierdurch wird der BCD-Zähler 72 veranlaßt, ein Ausgangssignal zu liefern, welches eine Anzeige des prozentualen Feuchtigkeitsgehalts der Papierbahn darstellt. Das Signal auf dem Kanal 9o wird dem Digital-Analog-Umsetzer 64 zugeführt, um eine Kompensation bezüglich der Änderungen des Fasergewichts zu erreichen.

Man erkennt, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung unabhängig von Schwankungen des Ausgangssignals des Mikrowellengenerators 16 ist. Außerdem findet eine Temperaturkompensation hinsichtlich der TemperaturSchwankungen der Papierbahn statt, deren Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll. Aus der Beschreibung wird ferner deutlich, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeitet. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung kann in einfacher Weise geändert werden, indem man die Länge des dielektrischen Streifens, beispielsweise des Streifens 96₃ ändert. Wenn eine erhöhte Empfindlichkeit gewünscht wird_? kann die Länge des Streifens erhöht werden«

- 23 -

409828/0711

BAD ORIGINAL

Λ Uo 463 b

k - 163 ,

a. Dezember 1973

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß die eingangs gestellte Aufgabe gelöst wurde. Es wird eine Vorrichtung zur Messung eines niedrigen Feuchtigkeitsgehalts vorgeschlagen, welche mit Mikrowellen arbeitet und welche speziell zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts an der trockenen Seite von Papiermaschinen und bei ähnlichen Einrichtungen geeignet Ist. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung Ist .empfindlicher als die vorbekannten Systeme und unabhängig von der Dicke der Materialbahn. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung kann ferner ohne weiteres dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werfen.

Es versteht sich, daß verschiedene Merkmale und Uhterkojnbinationen der vorstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorrichtung nützlich, sind und ohne Bezugnahme auf andere Merkmale und Unterkombinationen Anwendung finden können* Es versteht sich auch, daß bezüglich der Einzelheiten' verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Insbesondere versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten des betrachteten Ausführungsbeispiels beschränkt ist.

409828/0 71 1

Claims

A 4o 463 b
k - 163
3. Dezember 19 7 3

Patentansprüche :

Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere einer Papierbahn, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberflächen-Wellenleiter (26,111) vorgesehen ist, daß Führungen (Io8,llo) vorgesehen sind, um den Oberflächen-Wellenleiter (26) in vorgegebener Weise in Kontakt mit der Oberfläche des Materials (Papierbahn IU) zu halten, daß ein Mikrowellengenerator (16) vorgesehen ist, daß Speiseeinrichtungen (18, 2o, 24) zum Zuführen des Mikrowellensignals zu dem Oberflächen-Wellenleiter C26 , 111) vorgesehen sind und daß Empfangseinrichtungen (28,3o) vorgesehen sind, um das den Oberflächen-Wellenleiter (2fi, 111) verlassende Mikrowellensignal, dessen Größe ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt des Materials (Papierbahn 14) ist, zu messen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächen-Wellenleiter 026; 111) dielektrisches Material (Streifen 96) umfaßt, sowie einen leitenden Träger (Io2;116) für das dielektrische Material. '-'"■-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächen-Wellenleiter (26; 111) einen langgestreckten Streifen (9 60 aus dielektrischem Material umfaßt, welcher mit dem feuchten Material (Papierbahn 14) in Berührung bringbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (96) aus dielektrischem Material in den leitenden Träger (116) eingebettet ist.

- 25 -

409828/07 11

BAD ORIGINAL

A Uo 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73 . ■
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (96) ein Mittelstück besitzt, welches in Kontakt mit dem feuchten Material (Papierbahn 14) bringbar ist, sowie Obergangsbereiche (9 8, loo) an seinen Enden und daß Einrichtungen (Führungen Io8, Ho) vorgesehen sind, um die Übergangsbereiche (9 8, loo) außer Kontakt mit dem feuchten Material (Papierbahn 14) zu halten.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseeinrichtungen (18, 2o, 24) und die Empfangseinrichtungen (28, 3o) rechteckige Wellenleiterabschnitte (24, 28) umfaßen, die dazu dienen, die Enden der Übergangsbereiche (9 8, loo) aufzunehmen.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem leitenden Träger (116) des Oberflächen-Wellenleiters (111) ein Schlitz (114) zur Aufnahme von dielektrischem Material (Streifen 96) vorgesehen ist, daß an der Unterseite des Schlitzes und in der Nähe seiner Enden jeweils eine

- Öffnung (118, 12o) vorgesehen ist, und daß die Speiseeinrichtungen einen Wellenleiterabschnitt (24).umfaßen, der in die eine Öffnung (118) hineinführt und daß die Empfangseinrichtungen einen Wellenleiterabschnitt (28)-umfaßen , der in die andere Öffnung (12o) hineinführt.
8. Vorrichtung nach einem öder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß Bezugssignalerzeugungseinrichtungen (2o, 22, 32, 36 bis 5o) vergesehen sind, um ein Bezugssignal zu erzeugen, welches ein Maß für die von dem Mikrowellengenerator (16) abgegebene Mikrowellenenergie ist- und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die mit den Bezugssignalerzeugungseinrichtungen (2o, 22, 32, 36 bis 5o) einerseits und mit den Empfangs-

- 26 -

409828/07 11

,smrnm am

A Uo 463 b

k - 163

3. Dezember 19 73

■ einrichtungen (28, 3o) andererseits verbunden sind, um ein .dem gemessenen.Feuchtigkeitsgehalt in dem Material (Papierbahn 14) entsprechendes Signal zu liefern.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (Io8, Ho) den Oberflächen-Wellenleiter (26, 111) im engen Kontakt mit dem feuchten Material (Papierbahn 14) halten.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Mikrowellengenerator (16) Einrichtungen (Oszillator 36) verbunden sind, um das Mikrowellensignal mit einer Frequenz von maximal etwa 100 Hz ein- und auszuschalten.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtungen (28, 3o) einen Detektor (3o) umfaßen, der einen Thermistor (134) enthält und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Temperatur des Thermistors (134) im wesentlichen konstant zu halten.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal aus einem Wechselstromstoß-Signal mit einer Frequenz besteht, welche deutlich geringer als die des Mikrowellensignals ist und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die Wechselstromstoß-Signale und die Mikrowellensignale alternierend an den Thermistor (134) anzulegen.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, welche auf die Empfangseinrichtungen einerseits und die

- 27 -

409828/071 1

A 4o 46 3 -b k - 163 · .

3.--Dezember 1973 ■ -

Bezugssignalerzeugungseinrichtungen andererseits ansprechen, Einrichtungen zur Erzeugung eines Steuersignals umfaßen, dessen Phasenlage bezüglich des Bezugssignals -ein Maß für die" relative Größe des Mikrowellen-und des Bezugssignals ist.

409828 /07.1 1