DE2362258B2

DE2362258B2 - Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere einer Papierbahn

Info

Publication number: DE2362258B2
Application number: DE2362258A
Authority: DE
Inventors: Sydney T. Mississauga Ontario Wiles (Kanada)
Original assignee: Sentrol Systems Ltd
Current assignee: Sentrol Systems Ltd
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1978-04-06
Also published as: CA988163A; JPS4991497A; DE2362258C3; GB1447896A; FR2214376A5; DE2362258A1; JPS5847658B2; US3815019A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere einer Papierbahn, mit einem Mikrowellensender und einer Einrichtung zur Bestimmung der durch den Feuchtigkeitsgehalt bewirkten Dämpfung der Mikrowellenenergie, bei der ein Oberflächenwellenleiter, dessen eine Seite über einen Wellenleiterkoppler mit dem Mikrowellensender verbunden ist, in Kontakt mit dem zu untersuchenden Material gebracht wird.

Eine solche Vorrichtung ist bekannt aus der US-PS 30 79 551. Bei der bekannten Vorrichtung wird zur

ίο Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in Materialien, Geweben oder Papierbahnen von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß freies Wasser aufgrund einer Molekülresonanz Mikrowellenenergie absorbiert. Die größte Dämpfung der zugeführten Mikrowellenenergie tritt dann ein, wenn die Erregerfrequenz gleich der natürlichen Resonanzfrequenz der Moleküle ist. Eine Absorptionsspitze ergibt r.ich beispielsweise im Frequenzband von 20 bis 25 GHz.

Die Mikrowellenenergie wird von einem geeigneten Sender erzeugt und über einen Wellenleiter einem Koppler zugeführt, der beispielsweise als Hornstrahler ausgebildet sein kann und seinerseits die Energie dann auf einen sogenannten offenen Wellenleiter überträgt. Dieser Wellenleiter kann ein Draht von runder oder sonstiger rechteckförmiger Form sein mit einer äußeren Oberfläche, die ein guter elektrischer Leiter ist; Halbleiter oder Isolatoren werden nicht verwendet. Zur Verhinderung einer übermäßigen Abnutzung des offenen Wellenleiters kann dieser aus gehärtetem, mit der laufenden Papierbahn in gleitendem Kontakt stehenden Stahl bestehen oder eine dünne Beschichtung eines Materials geeigneter Härte, beispielsweise aus keramischem Aluminiumoxyd aufweisen. Die Mikrowellenenergie umgibt einen solchen offenen Drahtwellenleiter und erstreckt sich etwa um die Distanz einer Wellenlänge von der äußeren Oberfläche des Leiters.

In dieser US-PS 30 79 551 ist ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Mikrowellenenergie längs dieses offenen Wellenleiters wandert und das dielektrische Eigenschaften aufweisende Beschichtungsmaterial die Mikrowellenenergie in einwandfreier Zuordnung zum diese übertragenden Draht aufrecht erhält.

Die Messung der Dämpfung erfolgt über Sonden längs des metallischen offenen Wellenleiters, wobei die am anderen Ende ankommende Energie in einer Absorptionseinheit, beispielsweise einem Wasserbehälter vernichtet wird.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen ergibt sich ein zufriedenstellender Betrieb lediglich dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des zu untersuchenden Materials vergleichsweise hoch ist, wie dies beispielsweise auf der »nassen« Seite einer Papiermaschine der Fall ist. Bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt ergeben sich Fehlmessungen, da die Signaldämpfung beim Passieren des zu messenden Materials auch beeinflußt wird von der Stärke oder Dicke des Materials.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die auf der Basis einer Messung der Dämpfung von Mikrowellenenergie in der Lage ist, den Feuchtigkeitsgehalt beliebiger Materialien zu messen, ohne daß die jeweilige Materialdicke beim Meßwert in Erscheinung tritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Vorrichtung und besteht

b5 erfindungsgemäß darin, daß die Einkopplung der Mikrowellenenergie über den einen Wellenleiterkoppler auf einen Teil des Oberflächenwellenleiters erfolgt, der aus einem Streifen aus dielektrischem Material

besteht, der auf der zur Materialbahn abgewandten Seite auf einem metallischen, elektrisch leitenden, nicht allseitig von einem Dielektrikum umschlossenen Träger aufgebracht ist, der weiterhin auf seiner anderen Seite unmittelbar mit der Materialbahn in Kontakt steht und dessen der Einkopplungsstelle gegenüberliegendes Ende mit einem weiteren Wellenleiterkoppler verbunden ist, der zu den die Dämpfung bestimmenden Empfangseinrichtungen führt.

Der Erfindung gelingt die Eliminierung des Einflusses κι von Materialeigenschaften auf den Meßwert aufgrund der Erkenntnis, daß auch ein Streifen aus dielektrischem Material, der sich auf einer leitenden Oberfläche befindet, ein Mikrowellensignal weiterleiten kann, wobei das Mikrowellensignal von dem dielektrischen Streifenmaterial, nicht aber von der leitenden Oberfläche transportiert wird. Demgemäß wird bei der Messung des Materials, beispielsweise einer in ihrem Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmenden Papierbahn, die ein Dielektrikum ist, diese selbst Teil des dielektrischen 2ü Wellenleiters, so daß sich die Mikrowellen auch im Papier ausbreiten und daher nicht geschwächt werden, ganz gleich, wie dick die Papierbahn tatsächlich ist. Eine Dämpfung der Mikrowellenenergie tritt nur dann auf, wenn sich der Feuchtigkeitsgehalt des Papiers ändert, denn dann trifft die Erregerfrequenz auf natürliche Resonanzfrequenzen der Wassermoleküle.

In diesem Zusammenhang nimmt die Erfindung in Kauf, daß wegen der Positionierung des dielektrischen Wellenleiters und seiner Lagerung auf einem metallisehen, sonst freien Träger eine Grundschwächung dei übertragenen Signals eintreten kann, welches aber in einfacher Weise als Nullpegel ausgeglichen werden kann, so daß die effektiven Messungen absolut unabhängig von der jeweiligen Papierdicke gemacht )=. werden können.

Die Gewinnung des endseitigen Meßergebnisses erfolgt dann durch einwandfreie Auskopplung der mittels des dielektrischen Streifens übertragenen Mikrowellenenergie mit einem Wellenleiterkoppler, woraufhin das Signal dann mit Hilfe einer einen Thermistor umfassenden Detektoreinheit erfaßt wird.

Bekannt ist im übrigen aus der US-PS 31 36 946 eine weitere Vorrichtung zur Messung von Materialeigenschaften mit Hilfe einer Einrichtung, die die Dämpfung -t > von dem zu untersuchenden Material zugeführter Mikrowellenenergie bestimmt. Hierzu sind eine Verbindungsleitung und eine geerdete Leitung vorgesehen, zwischen denen sich ein Streifen aus dielektrischem Material befindet, der jedoch lediglich der Abstützung dient und ein Distanzelement zwischen den beiden Leitern bildet, längs welcher die Ausbreitung der Mikrowellenenergie erfolgt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Aufbau und Wirkungsweise im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum ω Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials;

F i g. 2 eine schematische Darstellung des Spannungsverlaufs an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß F i g. 1;

F i g. 3 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausfüh- fas rungsform eines Wellenleiterabschnitts für eine Vorrichtung gemäß F i g. 1 sowie die Zuordnung des Wellenleiterabschnitts zu dem Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt ermittelt werden soll;

Fig.4 einen Teilschnitt durch den Wellenleiterabschnitt gemäß F i g. 3 längs der Linie 4-4 in dieser Figur;

F i g. 5 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf den Wellenloiterabschnitt gemäß F i g. 3;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Welienleiterabschnitts und dessen Zuordnung zu dem Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll;

Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer Stirnansicht des Wellenleiterabschnitts gemäß F i g. 6;

F i g. 8 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf den Wellenleiterabschnitt gemäß F i g. 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.

Die Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts ist in F i g. 1 der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 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 Vorrichtung durchgehend als Papierbahn 14 bezeichnet werden. Die Mikrowelleneinrichtung des Meßkopfs 12 der Vorrichtung umfaßt einen Mikrowellenoszillator bzw. -generator 16, beispielsweise eine Gunn-Diode, welche ein Ausgangssignal im Frequenzbereich zwischen 20 und 25 GHz liefert. Ein Wellenleiterabschnitt 18 führt das Signal von dem Mikrowellengenerator 16 einem Richtkoppler 20 zu, welcher ungefähr 16% der Ausgangssignalleistung des Mikrowellengenerators 16 einem Detektor 22 zuführt und welcher die restlichen 84% einem Wellenleiterkoppler 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 Detektor30zu.

Die beiden Detektoren 22 und 30 können von beliebigem, an sich bekanntem Aufbau sein. Vorzugsweise wird jedoch, wie dies Fig. 10 zeigt, ein Thermistor 134 verwendet, welcher in einem Rechteckwellenleiter 138 montiert ist, der mit einem geeigneten Flansch 140 versehen ist, um seine Verbindung mit einem anderen Wellenleiter zu ermöglichen, und zwar derart, daß 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 ein temperaturempfindlicher Widerstand mit einem negativen Tempcraturkoeffizienten. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden — wie dies weiter unten noch näher erläutert wird — die beiden Thermistoren enthaltenden Detektoren 22 und 30 so gespeist, daß sich ein Nenn- oder Basiswert des Widerstandes von jeweils 200 Ohm ergibt.

Betrachtet man nun wieder die F i g. 1 so erkennt man, daß die Vorrichtung zwei Brückenschaltungen 32 und 34 umfaßt, die dazu dienen, den Detektoren 22 bzw. 30 Signale zuzuführen bzw. zu entnehmen. Ein

Oszillator 36, welcher mit einer Frequenz von 30 Hz arbeitet, liefert ein Rechteck-Ausgangssignal auf einem Kanal 38 zur Betätigung des Mikrowellengenerators 16. Ein komplementäres Rechteck-Ausgangssignal auf einem Kanal 42 wird einem Burst-Modulator 40 zugeführt, welchem an einem Eingang ein Signal von einem Oszillator 46 zugeführt wird, welcher mit einer Frequenz von 1OkHz arbeitet, und zwar über eine Dämpfungsanordnung 44. Das Ausgangssingal des ersten Detektors 22 wird über die Brückenschaltung 32 einem Phasendetektor 48 zugeführt, der sein Bezugsphasensignal über den Kanal 38 erhält. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 48 wird einer Verstärkerund Integrationsschaltung 50 zugeführt, welche den Betrieb der Dämpfungsvorrichtung 44 steuert. Die vorstehend beschriebenen Schaltkreisteile bilden die Bezugssignalschleife der Vorrichtung.

Die Bezugssignalschleife liefert ein Maß für die Leistungsdifferenz zwischen der Mikrowellenquelle und dem 10-kHz-Signal. Dieses Maß, welches durch das Ausgangssignal der Verstärker- und Integrationsschaltung 50 geliefert wird, steuert die 10 kHz-Dämpfungsvorrichtung so, daß deren Leistung gleich der von der Mikrowellenquelle bzw. dem Mikrowellengenerator 16 gelieferten Leistung ist. Die zweite Brückenschaltung 32 liefert diejenige Menge von Gleichstromenergie, die erforderlich ist, um den Unterschied zwischen der aus der Umgebung zugeführten Wärmeenergie einerseits und der von dem Mikrowellengenerator 16 oder dem Burst-Modulator 40 andererseits zugeführten Leistung auszugleichen und damit den Widerstandswert des Thermistors 134 konstant zu halten. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Brückenschaltung eine ausreichende Gleichstromleistung liefert, um den Thermistor 134 auf einer solchen Temperatur zu halten, daß sein Widerstandsweit stets 200Ohm beträgt. Das Ausgangssignal des Burst-Modulators 40 wird der Meßschleife zugeführt, die nachstehend noch beschrieben werden soll, so daß das System unabhängig von der Umgebungstemperatur und von Schwankungen des Mikrowelien-Leistungspegels ist.

Das Ausgangssignal der Verstärker- und Integrationsschaltung 50 steuert die Dämpfungsvorrichtung 44 derart, daß das 10-kHz-Burst-Signal gleich dem Mikrowellensignal an dem als Referenzsignal-Detektor dienenden ersten Detektor 22 ist. Das Ausgangssignal des Burst-Modulators 40 folgt dem Ausgangssignal des Mikrowellengenerators 16 unabhängig von der Temperatur des Sensors.

Die Meßsignalschleife des Systems enthält ein 30-Hz-Bandpaßfilter 52, welches das Ausgangssignal des zweiten Deiektors 30 über die Brückenschaltung 34 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 Schrillen 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 38 und 42 als Bezugsphasensignale zugeführt werden. Das Ausgangssignal des Detektors 56 ist ein Gleichspannungspegel, dessen Polarität anzeigt ob an dem zweiten Detektor 30 das Mikrowellensignal 5 oder das 10-kHz-Burst-Signal größer ist. Der Pegel des Ausgangssignals des Detektors 56 zeigt ferner die Größe der Differenz zwischen den Signalen an. Das Ausgangssignal des Detektors 56 dient dazu, die Auf-Ab-Steuerung 58 eines Dezibel-Zählers 60 zu

ίο steuern, d.h. dazu, den Zähler 60 zu veranlassen, in Abhängigkeit davon, ob das 10-kHz-Burst-Signal am zweiten Detektor 30 größer oder kleiner ist als das Mikrowellensignal, in Schritten aufwärts oder abwärts zu zählen. Wie aus der Zeichnung deutlich wird, werden

π an die Steuereingänge des Verstärkers 54 mindestens zweistellige Ausgangssignale des Zählers 60 angelegt.

Der Ausgang des Zählers 60 ist ferner mit einer logarithmischen Dämpfungsvorrichtung 62 verbunden der das Ausgangssignal des 10-kHz-Burst-Modulators 40 zugeführt wird. Die Dämpfungsvorrichtung 62 änderl den Pegel des Ausgangssignals des Burst-Modulators in Abhängigkeit vom Zählerstand des Zählers 60, welcher wie vorstehend ausgeführt, dem Ausgangssignal de« Mikrowellengenerators 16 unabhängig von der Temperatur des Sensors folgt. Wenn der Zähler beispielsweise den Zählerstand 1 hat, dämpft die Dämpfungsvorrichtung 62 das Ausgangssignal des Burst-Modulators 40 urr genau 0,05 db. Die Meßschleife ist also eine Präzisions-Dämpfungsvorrichtung, welche mit einer Genauigkeii

«ι von 0,05 db über den gesamten Bereich von 0 bis 51,5 dt arbeitet.

Die Beziehung zwischen dem Zählerstand des Zählen 60 und der Dämpfung des 10-kHz-Signals de; Burst-Modulators 40 durch die Dämpfungsvorrichtung 62 erfolgt entsprechend der folgenden Tabelle:

Zählerstand	Dämpfung in db
1	0,05
2	0,10
4	0,20
5	0,25
8	0,40
16	0,80
32	1,60

1023

51,15

Das Ausgangssignal der Dämpfungsvorrichtung 6; wird der dem zweiten Detektor 30 zugeordneter Brückenschaltung 34 zugeführt.

In F i g. 2 sind verschiedene Spannungsverläufe ar einzelnen Punkten der Schaltung gemäß Fig.; dargestellt. Der Spannungsverlauf a entspricht den 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 Spannungs verlauf c zeigt das Ausgangssignal des Burst-Modula tors 40 in Abhängigkeit von dem komplementärer Signal auf dem Kanal 42. Dieses Signal wird über di< Brückenschaltungen 32 und 34 gemeinsam mit der Gleichstromleistungen den Detektoren 22 und 3( zugeführt. Man erkennt, daß das Mikrowellcnsignal voi dem Mikrowellengenerator 16 und das 10-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 30 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 10-kHz-Burst-Signal zugeführt wird, um den Widerstandswert des Detektors konstant auf 200 0hm ι ο zu halten. Dies wird durch den Spannungsverlauf d dargestellt, welcher dem Gleichspannungsausgang einer der Brücken entspricht unter der Annahme, daß das 10-kHz-Burst-Signal größer ist und daß die Brückenschaltung ihren Gleichspannungspegel verringern muß, so lange das 10-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 10-kHz-Burst-Signals und des Mikrowellensignals am Detektor entspricht und dessen Phase, bezogen auf das 30-Hz-Signal auf dem Kanal 38 anzeigt, welches Signal kleiner ist als dasjenige, welches den Widerstandswert des Detektors auf 200 Ohm bringt. Diese Betriebsweise ist unabhängig von der Temperatur. Es spielt auch keine Rolle, ob der Detektor 22 und der Detektor 30 eine verschiedene Temperatur haben.

Die Vorrichtung enthält schließlich noch eine Schleife zur Anzeige des prozentualen Feuchtigkeitsgehalts des Materials bzw. der Papierbahn, deren Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll, auf die jedoch im folgenden nicht weiter eingegangen zu werden braucht, da der Kern vorliegender Erfindung, wie aus den F i g. 3 bis 5 J5 hervorgeht, darin besteht, daß der Oberflächen-Wellenleiter 26 einen Streifen 96 aus dielektrischem Material enthält, dessen Enden Übergangsbereiche 98 und 100 aufweisen, um den Streifen 96 an die Enden des eingangsseitigen rechteckigen Wellenleiterabschnitts 24 und des ausgangsseitigen rechteckigen Wellenleiterabschnitts 28 anzukoppeln. Der Streifen 96 wird bei der in den F i g. 3 bis 5 dargestellten Ausführungsform eines Oberflächen-Wellenleiters gemäß der Erfindung von einem metallischen Träger 102 getragen.

Es ist bekannt, daß ein Streifen aus dielektrischem Material, welcher sich auf einer leitenden Oberfläche befindet, ein Mikrowellensignal weiterleitet. Bei diesem Oberflächen-Wellenleiter 26 werden die Mikrowellen von dem aus dielektrischem Material bestehenden Streifen so lange verlustfrei weitergeleitet, wie der Streifen 96 nicht in Kontakt mit einem dämpfenden Material steht. Wenn der Streifen 96 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 dann jedoch das Mikrowellensignal, so daß der Pegel des Ausgangssignals sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt ändert, und zwar bo ausschließlich mit diesem.

Daß die Dicke des Papiers keinen Einfluß auf die Energieabsorption hat, kann ohne weiteres gezeigt werden, wenn man nacheinander mehrere Papierblätter 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 50 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 TEio-Mode aus. Die Impedanz des Oberflächen-Wellenleiters mit dem dielektrischen Streifen 96 und die Oberfläche des leitenden Trägers 102 ist der Impedanz des eingangsseitigen und des ausgangsseitigen Wellenleiterkopplers 24 bzw. 28 durch die Länge / des Streifens 96 angepaßt, welche in jeden der Wellenleiterabschnitte hineinragt und außerdem durch einen kapazitiven Zapfen 104 in den Wellenleiterabschnitten. Man erkennt, daß eine solche Impedanzanpassung notwendig ist, um eine optimale Mikrowellenenergieübertragung von dem Wellenleiterkoppler 24 zu dem Oberflächen-Wellenleiter 26 und von diesem zu dem ausgangsseitigen Wellenleiterkoppler 28 zu gewährleisten. Aus der Zeichnung wird ferner deutlich, daß in jedem der Übergangsbereiche 98, 100 in der Nähe des Endes der Wellenleiterabschnitte oder -koppler 24 und 28 zur Verbesserung der Schwingungsmodeumwandlung in den Übergangsbereichen 98 und 100 jeweils eine metallische Scheibe 106 vorgesehen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Wellenleiterkoppler 24 und 28 Innenabmessungen von etwa 43,18 mm Höhe und etwa 106,7 mm Breite. Diejenigen Teile des Streifens 96, die in die beiden Wellenleiterkoppler 24 bzw. 28 hineinragen, haben die gleichen Abmessungen. Ausgehend von diesen Bereichen ändert sich die Höhe des Streifens 96 über die Länge der Übergangsbereiche 98 und 100 auf eine Höhe von etwa 24,38 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 104 und der Scheiben 106, sowie die Länge 1, mit welcher jeder der Übergangsbereiche in die Weüenleiterabschnitte 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 Fachmann bekannt ist, bestimmt die Verteilung der elektrischen und magnetischen Komponenten der elektromagnetischen Welle bzw. des Mikrowellensignals, welches sich längs des Oberflächen-Wellenleiters 26 ausbreitet, den Ausbreitungsmode. In den Fig.4 und 5 sind die Komponenten des elektromagnetischen 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 Papiers in Fig.3 und 5 liegen und senkrecht zur Ebene des Papiers in F i g. 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 dämpfen-

des Material mit der Oberfläche.des Streifens 96 in Kontakt steht. Wenn dagegen ein Gewebe bzw. eine Papierbahn 14 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 96 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, daß die Empfindlichkeit der Vorrichtung welche den Oberflächen-Wellenleiter enthalt, in einfacher Weise an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden kann, indem man einfach die Länge ändert, über welche der Oberflächen-Wellenlei- jo ter in Kontakt mit der Papierbahn steht. Bei Erhöhen der Länge des Wellenleiters wird also die Empfindlichkeit des Systems erhöht.

Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel des in den F i g. 3 bis 5 gezeigten Oberflächen-Wellenleiters 26 ist dessen Mittelstück zwischen den Übergangsbereichen 98 und 100 gekrümmt oder gewölbt, so daß es über die Ebene der Führungen 108 und 110 für die Papierbahn vorsteht. Diese Führungen verhindern, daß die Papierbahn den dielektrischen Streifen in den Übergangsbereichen 98 und 100 berührt.

Die F i g. 6 bis 9 der Zeichnung zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel 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 innigem Kontakt mit der Unterseite der Papierbahn 14 gebracht werden kann. Bei dieser Ausgestaltung des Oberflächen-Wellenleiters sind die Wellenleiterkoppler 24 und 28 auf der Eingangs- bzw. Ausgangsseite an den Enden des Schlitzes 114 mit dem Träger 116 verbunden, dessen Basis mit öffnungen 118 und 120 versehen ist, die zu den Wellenleiterabschnitten 24 und 28 führen. Die Enden des Schlitzes 114 können durch leitende Platten 122 und bo 124 geschlossen sein. Darüber hinaus können Teile des Schlitzes 114 oberhalb der Wellenleiterkoppler 24 und 28 mittels Platten 126 und 128 verschlossen sein. Man erkennt, daß die Oberseite des Streifens 112 in der Nähe der Enden desselben mit Aussparungen zur Aufnahme der Platten 126 und 128 versehen sein kann, um sicherzustellen, daß die Oberfläche des Streifens 112 die Papierbahn berühren kann. Zusätzlich können in den öffnungen 118 und 120, die zu den Wellenleiterkopplern 24 und 26 führen, kapazitive Zapfen 130 und 132 vorgesehen sein. Zweck der vorstehend beschriebenen Struktur ist es in erster Linie, den TEio-Mode, 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 128 bilden Übergangsbereiche, in welchen die Mode-Umsetzung von dem TEio-Mode in jedem der beiden rechteckigen Wellenleiterabschnitte in den HE-Oberflächenwellen-Mode des Oberflächen-Wellenleiters erfolgt. Da die Übergangsbereiche bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel unterhalb der leitenden Platten liegen, kann man die Papierbahn die gesamte Oberfläche des Oberflächen-Wellenleiters 111 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 Fig.3 bis 5 zu einer beträchtlichen Raumersparnis führt.

F i g. 9 zeigt die Verteilung der elektrischen und magnetischen Feldkomponenten bei der anhand der F i g. 6 bis 9 erläuterten Ausführungsform. Man erkennt, daß der Ausbreitungsmode bei dieser Ausführungsform dem Ausbreitungsmode bei der Ausführungsform gemäß F i g. 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 der Vorrichtung mit einem Oberflächen-Wellenleiter gemäß Fig.6 bis 9 kann in gleicher Weise geändert werden, wie diejenige der Ausführungsform gemäß F i g. 3 bis 5. Dies bedeutet, daß dann, wenn eine größere Empfindlichkeit erforderlich 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 100 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 Wellenleiterkoppler 28 eines der Oberflächen-Wellenleiter mit einem Wellenleiterkoppler 28 eines zweiten Oberflächen-Wellenleiters 26 verbinden würde, welcher neben dem ersten Oberflächen-Wellenleiter und parallel zu diesem angeordnet sein könnte, und zwar in einem Abstand von etwa 1,9 cm. In diesem Fall wird die Mikrowellenenergie dem Wellenleiterkoppler 24 eines der beiden Oberflächen-Wellenleiter 26 von dem Richtkoppler 20 zugeführt und der Detektor 30 ist mit dem Wellenleiterkoppler 24 des zweiten Oberflächen-Wellenleiters 26 verbunden. Bei dieser Anordnung

liegt die Empfindlichkeit der Vorrichtung zwischen etwa 10-³und7,5 χ 10-² kg/m². Die Vorrichtung besitzt eine sehr hohe Empfindlichkeit von 1400 db pro 5 kg Wasser pro m². Für den gleichen Anwendungszweck würde bei Verwendung des Oberflächen-Wellenleiters 111 gemäß Fig.6 bis 9 die Länge des Oberflächen-Wellenleiters etwa 17,78 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 Meßkopf 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 20, liefert über den Burst-Modulator 40 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 60 gedämpft. Das Mikrowellensignal, welches dem Oberflächen-Wellenleiter 26 zugeführt wird, breitet sich längs des dielektrischen Streifens 96 und in der Papierbahn 14 aus, welche den Streifen 96 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 30 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 dem Phasendetektor 56 ermittelt wird, der ein Ausgangssignal liefert, dessen Polarität anzeigt, ob das Mikrowellensignal oder das 10-kHz-Burst-Signal am Detektor 30 größer ist Der Pegel bzw. die Größe dieses Signals zeigt dabei das Ausmaß der Differenz zwischen den beiden Signalen an. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 56 steuert den Betrieb des Dezibel-Zählers 60, welcher seinerseits eine Dämpfungsvorrichtung steuert, die das Bezugssignal von dem Burst-Modulator 40 empfängt. Auf diese Weise

ίο wird die Meßschleife abgeglichen.

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 96, ändert. Wenn eine erhöhte Empfindlichkeit gewünscht wird, kann die Länge des Streifens erhöht werden.

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 auch 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 werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere einer Papierbahn, mit einem Mikrowellensender und einer Einrichtung zur Bestimmung der durch den Feuchtigkeitsgehalt bewirkten Dämpfung der Mikrowellenenergie, bei der ein Oberflächenwellenleiter, dessen eine Seite über einen Wellenleiterkcppler mit dem Mikrowellensender verbunden ist, in Kontakt mit dem zu untersuchenden Material gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung der Mikrowellenenergie über den einen Wellenleiterkoppler (24) auf einen Teil des Oberflächenwellenleiters (96,102,112,116) erfolgi, der aus einem Streifen (96,112) aus dielektrischem Material besteht, der auf der zur Materialbahn (14) abgewandten Seite auf einem metallischen, elektrisch leitenden, nicht allseitig von einem Dielektrikum umschlossenen Träger (102,116) aufgebracht ist, der weiterhin auf seiner anderen Seite unmittelbar mit der Materialbahn (14) in Kontakt steht und dessen der Einkopplungsstelle gegenüberliegendes Ende mit einem weiteren Wellenleiterkoppler (28) verbunden ist, der zu den die Dämpfung bestimmenden Empfangseinrichtungen führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (96) aus einem mit der feuchten Papierbahn (14) in Kontakt stehenden Mittelstück und aus Übergangsbereichen (98,100) an seinen Enden besteht, die von rechteckigen, die Wellenleiterkoppler (24,28) bilderiden Wellenleiterabschnitten aufgenommen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Übergangsbereichen (98,100) des Streifens in die Wellenleiterkoppler (24, 28) Führungen (108, 110) für die Papierbahn (14) vorgesehen sind, um diese vom Wellenleiter fernzuhalten.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (116) zur Aufnahme des Streifens (112) aus dielektrischem Material einen Schlitz (114) aufweist, daß an der Unterseite des Schlitzes in der Nähe seiner Enden öffnungen (118,120) vorgesehen sind, und daß die Wellenleiterkoppler (24, 28) in diese öffnungen hineinführen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung der Umwandlung der Schwingungsart beim Übergang vom Wellenleiterkoppler auf den dielektrischen Streifen (96, 112) kapazitive Zapfen (104, 130, 132) im Bereich der Wellenleiterkoppler (24, 28) oder metallische Scheiben (106) an den Übergangsbereichen (98, 100) des Streifens (96) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung aus einem Detektor (30) besteht, der einen auf im wesentlichen konstante Temperatur gehaltenen Thermistor (134) enthält.