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Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines
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faserartigen, fadenartigen oder teilchenförmigen Guts, insbesondere
Tabak Die Erfindung bezieht sich auf die Messung des Feuchtigkeits gehalts eines
faserartigen, fadenartigen oder teilchenförmigen Guts, insbesondere, aber nicht
ausschließlich auf den Wasserfeuchtegehalt von Tabak.
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Eine Vorrichtung für die Feuchtigkeitsmessung eines bewegten Tabakstroms
wird in der US-PS 9 944 45 beschrieben und umfaßt einen Vibrationsförderer, der
einen mittig angeordneten Meßkanal mit V-förmi-ge: Querschnitt aufweist, in dem
Kondensatornlatten derart befestigt sind, daß sie in Anlage mit dem geschnittenen
Tabak stehen, der längs des Meßkanals gefördert wird. Beim Betrieb dieser bekannten
Vorrichtung wird ein Spannungsfeld zwischen den Kondensatorplatten aufrecht erhalten
und ein von einer zugeordneten
elektrischen Schaltung abgegebenes
Signal wird als Anzeigesignal für den Feuchtigkeitsgehalt des geschnittenen Tabaks
verwendet.
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Wird ein hochfrequenter Energiestrahl durch ein Gut geleitet, so kann
die Feuchtigkeitsbestimmung des Guts entweder durch Messung der Dielektrizitätskonstante
des Guts oder der Abschwächung der Strahlenergie als Folge des Durchtritts des Strahls
durch das Gut erfolgen. Es ist bekannt, bei der Messung der -Dielektrizitätskonstante
eine hochfrequente Strahlung zu verwenden, wobei, obgleich das Verfahren in seiner
Anwendung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts von Tabak für Feuchtigkeitsgehalte
bis zu etwa 30% verläßlich ist, die Verläßlichkeit im anschließenden Bereich stark
abfällt. Das Meßverfahren, welches eine Energiedämpfung verwendet, wurde bei Mikrowellen-Frequenzen
eingesetzt, aber auch hier verringert sich die Verläßlichkeit stark bei einem Feuchtigkeitsgehalt
des Tabaks von etwa 30%.
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Durch die vorliegende Erfindung wird angestrebt, den erzielbaren Meßbereich
für eine verläßliche Feuchtigkeitsbestimmung zu vergrößern und insbesondere eine
verhältnismäßig genaue und einfach zu bedienende Vorrichtung, sowie ein entsprechendes
Verfahren zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts von Tabak bis zu 40% Feuchtigkeit
oder höher zu schaffen. Eine derartige Erweiterung des Bereichs einer verläßlichen
Messung ist von besonderer Bedeutung in der Tabakindustrie, falls die Erfordernisse,
die sich aus unterschiedlichen Tabakzusammensetzungen, Blattmaterial und Stengeln,
rekonstituiertem Tabak und Tabakersatzbestandteilen ergeben, befriedigt werden sollen.
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Die Erfindung stellt eine Meßvorrichtung für den Feuchtigkeitsgehalt
zur Verfügung, die einen Mikrowellen-Signalgenerator enthält, eine erste und zweite
Signalbahn, einen Signalteiler zur Aufteilung des vom Mikrowellensignalgenerator
kommenden Mikrowellensignals zwischen der ersten und der zweiten Signalbahn, einem
in der ersten Signalbahn befindlichen Prüfkondensator zur Aufnahme des faserartigen,
fadenartigen oder teilchenförmigen Guts, der eine dielektrische Bezugs-Verzögerungseinrichtung
in der zweiten Signalbahn bildet, und einen?hasendetektor zur Aufnahme der Signale
der ersten und zweiten Signalbahn und zur Abgabe eines Ausgangs, der ein Maß für
die zeitliche tfellenform verschiebung der Signale bildet.
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Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts
des Guts, insbesondere von Tabak zur Verfügung, gemäß welchem ein Mikrowellen-Signal
zwischen der ersten und der zweiten Signalbahn aufgeteilt wird, wobei die erste
Signalbahn einen Prüfkondensator enthält, dessen Dielektrikum das Gut enthält, während
die zweite Signalbahn eine Bezugs-Verzögerungseinrichtung aufweist, und Signale
von jeder Signalbahn einem Phasendetektor zugeführt werden, der einen Ausgang liefert,
welcher ein Maß für die zeitliche Wellenforirwerschiebung eines der Signale relativ
zum anderen Signal ist.
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Das Verfahren ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit Tabak als
zu überprüfendes Gut, ist jedoch auch für andere Materialien geeignet, beispielsweise
für Papierblatt-Gut und Materialien, welche kleine Teilchen in der Größe von Mehl
enthalten, beispielsweise Zementteilchen.
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Das der ersten und der zweiten Signalbahn zugeführte Mikrowellen-Signal
wird mit Vorteil gleichmäßig zwischen den beiden Signalbahnen aufgeteilt, wobei
im wesentlichen identische Begrenzungsverstärker in den jeweiligen Signalbahnen
angeordnet sind, um die Signale unmittelbar dem Phasendetektor zuzuführen. Vorzugsweise
wird ein zweites Mikrowellensignal, dessen Frequenz sich von der Frequenz der ersterwähnten
Signals unterscheidet, aber dieser benachbart ist, jeweils mit dem vom Prüfkondensator
und der Bezugs-Verzögerungseinrichtung kommenden Signalen gemischt, so daß die dem
Phasendetektor zugeführten Schwebungssignale eine merklich niedrigere Frequenz aufweisen,
beispielsweise 100 MHz, wenn das Mikrowellen-Signal eine Frequenz in der Größenordnung
von 1,2 GHz hat.
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Die Erfindung wird mit Vorteil bei der Messung oder kontinuierlichen
Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts eines fließenden Stroms aus geschnittenem Tabak
eingesetzt. Dabei soll der Prüfkondensator eine solche Formgebung aufweisen, daß
er eine konstante Dichte des Tabakstroms im Bereich des Prüfkondensators sicherstellt,
da beträchtliche Änderungen der Tabakdichte zu Fehlern im Ausgangssignal des Phasendetektors
führen würden. Im Hinblick auf diese Aufgabenstellung kann der Tabakstrom innerhalb
einer geschlossenen Leitung geführt werden. Gemäß einer Alternative kann bei Verwendung
eines offenen Kanals die Anordnung derart getroffen werden, daß der durchfließende
Tabakstrom auf einer konstanten Füllhöhe gehalten wird. Bei der Anordnung gemäß
der erwähnten GP-PS 9 94 445 wird der offene Meßkanal vollständig mit Tabak gefüllt
gehalten, während überschüssiger Tabak an jeder Seite des Kanals in eine Aufnahmevorrichtung
abgestreift wird.
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Die Erfindung wird anschließend zum besseren Verständnis anhand von
in den Zeichnungen dargestellen Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts
einer Tabakströmung und Fig. 2 ein Blockschaltbild zur schematischen Darstellung,
der einen Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 bildenden Schaltung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine aus Blech aufgebaute
Kanaleinheit 1 deren Mittelabschnitt einen Meßkanal mit einer Tiefe von beispielsweise
65 mm bildet, der aus einer Bodenwand 2 und schrägen, nach oben divergierenden Seitenwänden
3 und 4 besteht. Die Kanaleinheit ist mit vertikalen Stützwänden 5 und 6, sowie
Stegen 7 und 8 ausgebildet, die jeweils die Seitenwände 3,4 und die Stützwände 5
und 6 des Meßkanals verbinden.
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Die Stützwände 5 und 6 sind jeweils mit nach außen gerichteten Fußbereichen
5', 6' versehen, durch welche die Kanaleinheit 1 auf der Oberseite der Bodenwand
9 des schräg nach unten verlaufenden Vibrationsförderers 10 angeordnet und mit dieser
fest verbunden ist, wobei die Kanaleinheit im gleichen Abstand von den jeweiligen
Seitenwänden 11 und 12 des Vibrationsförderers 10 angeordnet ist. Wie aus Fig. 1
ersichtlich ist, liegt die Bodenwand 2 des Meßkanals der Kanaleinheit 1 in einer
Entfernung von zweckmäßig 60 mm über der Bodenwand 9 des Vibrationsförderers 10.
An der Unterseite der Bodenwand 2 ist ein Kästchen 13 angeordnet,
das
eine Mikrowellen-Schaltung aufnimmt, die in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wird.
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Bei der Verwendung der Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts
wird Tabak dem Meßkanal 2, 3, 4 mit solcher Geschwindigkeit zugeführt, daß der Kanal
vollständig gefüllt gehalten wird, wobei überschüssiger Tabak in den Förderer 10
übertritt. Somit ist die Dichte des längs des Meßkanals fließenden Tabaks im wesentlithen
konstant.
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In die Seitenwände 3, 4 des Meßkanals sind Teile einer zweiteiligen
planaren übertragungsleitung eingesetzt, wovon jeder als geradlinige miniaturisierte
Streifenleitung 15 ausgebildet ist, die in ein dielektrisches Substrat 16 eingebettet
liegt, das von einer nicht dargestelltenlgeerdeten Platte abgestützt wird. Jedes
Substrat 16 wird in einer rechteckförmigen Öffnung in der jeweiligen Wand 3,4 aufgenommen,
wobei die Oberseite eines jeden Substrats bündig mit der Oberfläche der jeweiligen
Seitenwand liegt. Die Enden 17 der miniaturisierten Streifenleitungen sind mit den
Mikrowellen-Bauelementen innerhalb des Kästchens 13 verbunden, während die anderen
Enden 18 durch einen nicht dargestellten Leiter verbunden werden, der außerhalb
des Meßkanals angeordnet ist, womit die beiden Teile der Übertragungsleitung in
Reihe geschaltet sind.
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Gemäß einer alternativenlnicht dargestellten Ausführung, kann eine
einteilige planare übertragungsleitung verwendet werden, die in die Deckelwand 14
des Kästchens 13 eingesetzt ist und aus einer miniaturisierten Streifenleitung mit
symmetrisaler Meanderform besteht, die in ein dielektrisches Substrat eingebettet
ist, das von einer geerdeten Platte
abgestützt wird. Das Substrat
wird in einer rechteckförmigen öffnung in der Bodenwand des Kanals aufgenommen,
wobei die Oberseite des Substrats bündig mit der Oberfläche 14 dieser Wand liegt.
Die Enden der miniaturisierten Streifenleitung sind an die Mikrowellen-Bauelemente
innerhalb des Kästchens 13 angeschlossen.
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Die elektrischMikrowellen-Werkstoffe, die sich für-die Herstellung
der Substrate 16 oder des Substrats eignen, haben eine relative Dielektrizitätskonstante
von etwa 2,1 bis 2,6 und können Polyolefine -, beispielsweise Polypropylen,oder
Polyäthylen hoher Dichte umfassen.
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Ein Temperaturmessfühler 19 ist in die Seitenwand 3 des Meßkanals
eingesetzt.
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Die in Fig. 2 schematisch angegebene Schaltung umfaßt einen Mikrowellen-Signalgenerator
20, der ein Signal von etwa 1,2 GHz erzeugt. Das vom Mikrowellen-Signalgenerator
20 erzeugte Signal tritt in einem phasenrichtigen Leistungsteiler 21 ein, der gleichmäßig
aufgeteilte, phasenrichtige Signale jeder der beiden parallelen Signalbahnen zuteilt.
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In der ersten dieser Signalbahnen ist die Übertragungsleitung angeordnet,
deren miniaturisierte Streifenleitung 15-zusammen mit den dielektrischen Substraten
16 und den benachbarten Bereichen der Wände 2,3 des Meßkanals einen Prüfkondensator
bilden, der in Fig. 2 mit 22 bezeichnet ist. Die Anordnung ist dabei derart, daß
das längs der Leizungen 15, 15 übertragene Mikrowellen-Signal sich teilweise innerhalb
des im Meßkanal befindlichen Tabaks ausbreitet.
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Die zweite Signalbahn umfaßt eine festgelegte Bezugs-Verzögerungseinrichtung
23 in Gestalt einer nicht dargestellten Streifenleitung, die näherungsweise die
gleiche elektrische Länge wie die miniaturisierten Streifenleitungen 15,15 aufweist.
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Die erste und die zweite Signalbahn enthalten identische Mischer 24,
25 und identische Begrenzungsverstärker 26, 27. Ein Spannungsphasenverschiebungsdetektor
28 empfängt Signale von den Verstärkern 26, 27 und liefert ein gleichstrom-Ausgangssignal.
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Die Mikrowellenschaltung gemäß Fig. 2 enthält ferner einen zweiten
Mikrowellen-Signalgenerator 29, der in diesem Falle ein Signal von etwa 1,1 GHz
erzeugt. Das vom Mikrowellensignal-Generator 29 ausgestrahlte Signal tritt in einen
phasenrichtigen Leistungsteiler 30 ein, der zwei gleichmäßig aufgeteilte phasenrichtige
Ausgangssignale liefert. Diese Ausgangssignale werden über jeweils identische Dämpfungsglieder
31 und 32 dem Mischer 24 und 25 zugeführt.
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Somit sind die den Begrenzungsverstärkem 26 und 27 zugeführten Signalen
Stelle von Mikrowellensignalen, Schwebunossignale mit Frequenzen in der Größenordnung
von 100 MHz.
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Die vorausgehend beschriebenen Mikrowellen-Eauelemente werden durch
halbstarre Mikrowellenkabel verbunden und alle Bauelemente und Kabel sind im Kästchen
13 angeordnet.
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Dies stellt eine vorteilhafte Ausführung dar, da sich bei einer aiternativen
Anordnung eines Mikrowellen-Übetrayw-igskabels, das sich von einem Bauelement innerhalb
des Kästchens 13 zu einem äußeren Bauelement erstrecken würde, das stationär relativ
zum Vibrationsförderer 10 angeordnet ist, die sich ergebende Durchbiegung des Kabels
Fehler in der Phasenverschiebung
erzeugen würde, die vom Detektor
28 gemessen wird.
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Die einzigen Anschlüsse für die Schaltung im Kästchen 13 sind die
Gleichstromversorgungsanschlüsse für die beiden Signalgeneratoren 20 und 29 und
für die ausgangsseitigen Gleichstromsignale. Eines der Gleichstromsignale ist das
Ausgangssignal vom Phasenverschiebungsdetektor 28, das einem nicht dargestellten
Voltmeter ugeführt wird.
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Es wurde gefunden, daß für einen Feuchtigkeitsgehalt des Tabaks bis
zu etwa 43t Änderungen im Feuchtigkeitsgehalt proportionale Änderungen in der die
Elektrizitätskonstante (bei Mikrowellenfrequenzen) des Prüfkondensators 22 führen.
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Da die vom Detektor 28 ermittelten Phasenverschiebungen proportional
zu den Änderungen der Dielektrizitätskonstante im Prüfkondensator 22 sind, sind
die erstgenannten Änderungen proportional zu Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts.
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Somit kann das Voltmeter, das das Ausgangssignal des Phasenverschiebungsdetektors
28 erhält, direkt in %-Feuchtigkeit geaicht werden. Der Zweck der Verwendung der
Bezugs-Verzögerungseinrichtung 23 in der zweiten Signalbahn liegt darin, daß sichergestellt
werden soll, daß die zeitliche Phasenverschiebung am Detektor 28 in den geradlinigen
Teilen der Spannungsformen gemessen werden kann.
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Phasenverschiebungsfehler als Folge von Änderungen des Signal-Spannungspegels
oder von Änderungen der vom Mikrowellen-Signalgenerator 20 erzeugten -oignalleistuna
werden durchodie Verwendung der Begrenzungsverstärker 26 und 27 eleminiert. Die
Symmetrie der Schaltung nach Fig. 2 eliminiert Phasenmessungsfehler, die ansonsten
durch Temperaturänderungen der Schaltung entstehen würden. Temperaturänderungen
des Tabaks werden durch den Temperaturfühler 19 erfaßt und dessen Signal wird in
einer nicht dargestellten
Einrichtung, beispielsweise einer bei
einer vorgewählten mittleren Temperatur abgeglichenen Wheatstone-Brückenschaltung,
verwendet, um eine Kompensationseinstellung am Ausgangssignal des Phasendetektors
28 vorzunehmen.
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Obgleich ein Signal mit einer Frequenz im Bereich von 1GHz gute Ergebnisse
liefert und die Verwendung verhältnismäßig preisgünstiger Bauelemente gestattet,
ist offensichtlich, daß auch höhere Mikrowellenfrequenzen verwendet werden können.
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L e e r s e i t e