DE3021096A1

DE3021096A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen der werkstoffanhaeufung an materialien aus dielektrischen werkstoffen, insbesondere kunststoff

Info

Publication number: DE3021096A1
Application number: DE19803021096
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl.-Ing. 4630 Bochum Caspers; Hans F. Ing.(grad.) 5000 Köln Nix
Original assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Inge Steingroever KG; Elektro Physik Hans Nix & Dr Ing E Steingroever Kg 5000 Koeln; NIX STEINGROEVE ELEKTRO PHYSIK
Current assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Ing E Steingroever
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-12-10

Description

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Messen der
Werkstoffanhäufung an Materialien aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff Die Erfindung betrifft ein Verfahren zumberührungslosen Messen der Werkstoffanhäufung an folienartigen und/oder r rösen oder netzartigen- flächigen oder bandförmigen Materialien mit vorgegebener Dicke aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, und bezieht sich auf Vorrichtungen zum Durchführen des Meßverfahrens.
Es sind berührungslose Meßverfahren bekannt, die auf der Absorption von Röntgenstrahlen beruhen oder mit der Strahlung radioaktiver Quellen arbeiten. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß eine Gefährdung der Bedienungspersonen möglich ist und bedürfen daher besonderer, kostspieliger Vorsichtsmaßnahmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum berührungslosen Messen der Werkstoffanhäufung an folienartigen und/oder porösen oder netzartigen flächigen oder bandförmigen Materialien mit vorgegebener Dicke aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, und Vorrichtungen zaia Durchführen des Meßverfahrens zu schaffen, mit denen eine Gefährdung der Bedienungspersonen ausgeschlossen wird.
Diese Aufgabe findet ihre Lösung gemäß der Erfindung im wesentlichen durch den Kennzeichnungsteil des Anspruches 1, während Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens in den Ansprüchen 6 bis 14 gekennzeichnet sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber den bekannten berührungslosen Meßverfahren dadurch aus, daß die Messung mit Hilfe von Mikrowellen erfolgt, die auf das zu messende Material auftreffen und von diesem mindestens teilweise reflektiert werden, wobei die Intensität der reflektierten Wellen bei folienartigem Material als Maß für die jeweils angetrpffene Dicke bzw. für Abweichungen von der vorqegebenen Dicke und bei porösem oder netzartigem Material bekannter und als konstant vorausgesetzter Dicke als Maß für den Füll- oder Volumenfaktor von dielektrischem Füllmaterial an den Meßstellen ausgewertet wird. Bei der Messung wird jeweils der wirksame Wert der Dielektrizitätszahl Er des betreffenden Materials erfaßt, von dem bei Folienmaterial die Ist-Dicke des Materials gegenüber der vorgegebenen Soll-Dicke und bei porösem oder netzartigem Material dessen Füll- oder Volumenfaktor bzw. dessen Gewicht pro Flächen- oder Volumeneinheit abgeleitet wird. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß das von dem zu messenden Material reflektierte Mikrowellensignal der Dielektrizitätszahl er zugeordnet ist, so daß bei bekannter Dicke der Folie oder einer netzartigen Durchlaufware die zugehörige wirksame Dielektrizitätszahl g gemessen werden kann. Bei netzartir eff ger Ware ist der wirksamen Dielektrizitätszahl gr die Voeff lumenmenge bzw. der Füllfaktor dieser Ware zugeordnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit Mikrowellen mit einer Frequenz von etwa 0,1 bis 100 GHz, vorzugsweise von etwa 10 bis 35 GHz, berührungslos mit relativ gut bündtinden Antennen, die eine Strahlungs-Halbwertsbreite von etwa 100 bis 200 haben. Die Mikrowelle kann dabei zum Zwecke der besseren Auswertung des Signals mit einer Wiederholfrequenz von etwa 10 bis 107 Hz, vorzugsweise etwa 1 kHz, amplituden-moduliert sein.
Das Verfahren eignet sich sowohl zur Messung der Dicke von flächigen oder bandförmigen Folienmaterialien ebenso wie zum Messen des Füllfaktors oder Volumenanteils von porösen qder netzartigen Gebilden bekannter Dicke, wie z.B. beim Tränken von Textilgeweben mit Kunststoff als Füllmaterial, wobei durch eine entsprechende Steuerung der Kunststoffzufuhr siahergestellt wird, daß die getränkten Materialien bei stets gleichbleibender Materialdicke eine ausreichende Porosität oder Luftdurchlässigkeit aufweisen.
Eine Beeinträchtigung der erhaltenen Meßergebnisse durch Streustrahlung kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung in besonders einfacher Weise dadurch vermieden werden, daß der durch das zu messende Material hindurchtretende Anteil der Mikrowellen durch einen Absorber praktisch vollständig aufgenommen wird.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Sende-und Empfangseinrichtung mit je einer Hornantenne zur Aussendung und zum Empfang der Mikrowellen besteht, die auf einer Seite des zu messenden Materials angeordnet sind. Zur Vermeidung unerwünschter Streustrahlung kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, daß sich auf der gegegenüberliegenden Seite des zu messenden Materials eine Absorbermatte erstreckt, die den durch das Material hindurchtretenden Anteil der Mikrowellen praktisch vollständig aufnimmt.
Diese Anordnung wirkt dann wie eine Folie oder ein zu messendes Material im unendlich ausgedehnten Raum.
Während bei dieser ersten Ausführunqsform das zu messende Material frei schwebend zwischen der Sende- und EmDfangseinrichtung einerseits und der Absorhermatte andererseits hindurchgeführt wird, so kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als Unterlage für das zu messende Material eine Trägerplatte aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, vorgesehen sein, deren Dicke bei senkrechtem Strahleneinfall der Mikrowellen gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Mikrowellen im Material bzw. Werkstoff der Trägerplatte ist. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, daß Beeinflussungen der Meßergebnisse durch die Trägerplatte vermieden werden können, wenn diese Bedingungen für die Dickenbemessung der Trägerplatte eingehalten werden.
In einer anderen abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen t4eßverfahrens aber auch so ausgebilcet sein, daß unter einer Trägerplatte für das zu messende Material ein rohrförmiger Hohlleiter angeordnet ist, der als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet ist, und dessen Reflexionsfaktor am offenen Ende des Hohlleiters eine Funktion der Schichtdicke bzw. des Volumenfaktors des zu messenden Materials ist.
Der Hohlleiter kann einen runden oder eckigen Rohrquerschnitt haben und ist vorzugsweise Teil eines Mikrowellenmoduls nach Art einer T-Hybrid-Brückenschaltung, wie sie in den Ansprüchen 11 und 12 gekennzeichnet ist.
Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wird das von der Empfangseinrichtung empfangene Signal einem Anzeigegerät zugeführt, das in Dickeneinheiten bzw. in Volumeneinheiten des zu messenden Materials kalibriert ist.
Ausführungsbeispiele von Meßvorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführunqsbeissiel einer Meßvorrichtung, Fig. 2 eine gegenüber Fis. 1 durch eine Träqerclatte erqänzte Meßvorrichtung, Fig. 3 eine geqenüber Fig. 1 und 2 weiter abgewandelte Ausführungs£orm einer Meßvorrichtung mit einem rqhrförmigen Hohlleiter und Fig. 4 eine weitere Teildarstellung einer derartigen Meßvorrichtung, wobei der rohrförmige Hohlleiter Teil. eines Mikrowellenmoduls ist.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zum Messen der Dicke D einer Folie oder des Füll- oder Volumenfaktors eines corösen oder netzartigen Materials 1 aus dielektrischem Werkstoff mit der Dicke D besteht aus eine Mikrowellen-C.enerator 2, der als Oszillator ausgebildet ist und beisnielsweise bei einer Frequenz von etwa 10 bis 35 GHz arbeitet und über einen Hohlleiter 3 mit einer hornförmiqen Sendeantenne 4 verbunden ist. von der hornförmigen Sendeantenne 4 wird ein Mikrowellen-Strahl 5a auf das zu messende Material 1 gerichtet und von diesem mit der Feldstärke H reflektiert. Der von dem Material 1 re-lektierte Mikrowellen-Strahl 5b trifft auf eine Emnfanqsantenne 6, die ebenfalls hornförmig ausgebildet und durch einen hohlleiter 7 mit einem Empfänger oder Detektor 8 verbunden ist, der sei..rseits über eine Leitunq 9 an ein Anzeigegerät 10 angeschlossen ist, das entweder in Dickeneinheiten oder in Volumen- bzw. ewichtseinheiten der zu messenden Materialien kalibriert sein kann. Unter dem zu messenden Material 1 befindet sich eine Absorbermatte li, die alle Hochfrequenzenergie des Plikrowellen-Strahls 5a, die noch durch das zu messende Material 1 durchstrahlt, absorbiert.
Bei jeder Messung gelangt der von dem Material 1 reflektierte Anteil 5b der Mikrowelle 5a an die Empfangsantenne 6 und wird in dem Empfänger oder Detektor 8 von einer Diode gleichgerichtet. Das modulierte Signal, das heißt die Einhüllende der Hochfrequenz-Schwingung wird dann nach der Gleichrichtung und Verstärkung als Meßsignal ausgewertet. Dieses Ausgangssignal der Diode oder das empfangene Signal vor der Demodulation ist der Dicke D des zu messenden dielektrischen Materials 1, wenn dieses eine Folie darstellt, direkt zugeordnet und ist proportional dem Quadrat der Foliendicke, wenn die Foliendicke D erheblich kleiner ist, als A der ausgestrahlten Mikrowelle, deren Wellenlänge = Werkstoff ist.
Hierbei sind 1 = Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, ic = Wellenlänve im Vakuum und #r = relative Elektrizitätskonstante.
Die in diesem Frequenzbereich arbeitenden Dioden haben vielfach eine quadratische Charakteristik. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen Foliendicke und Ausgangs signal ebenfalls quadratisch, das heißt f ( Folie) = Ua (gleichgerichtet) wobei Ua (gleichgerichtet) das vom Detektor 8 der Meßvorrichtung gleichgerichtete Ausgangssignal ist.
Dieser Zusammenhang kann wünschenswert sein, um kleine Dickenänderungen bei dünnen Folien mit höherer Empfindlichkeit zu messen, da die Anderung der Ausgangsspannung durch dei Detektor 8 der Empfangseinrichtung angenähert doppelt so groß wie bei linearer Abhängigkeit des Signals von der Dicke ist.
In Fig. 2 ist eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform einer Meßvorrichtung gezeigt, bei der das zu messende Material 1 im Bereich der Meßvorrichtung über eine dielektrische Trägerplatte 12 hinweggleitet, die beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen bestehen kann. Voraussetzung ist dabei, daß diese Trägerplatte 12 eine Dicke D12 aufweist, die bei senkrechter Strahlrichtung dem n-fachen Wert von 2 des hochfrequenten Meßfeldes entspricht, wobei "n" eine ganze Zahl und die Wellenlänge im Kunststoffmaterial der Trägerplatte 12 ist. Die Dicke der Trägerplatte 12 geht dann nicht in den Meßwert ein.
Im übrigen sind bei der in Fig. 2 gezeigten Meßvorrichtung alle gleichen Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.
Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Meßvorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, kann das zu messende Material 1 über einen Tisch 13 oder einen ähnlichen Träger gleiten, der an der Meßstelle eine Trägerplatte 14 aus einem dielektrischen isolierenden Werkstoff aufweist. Unter der Trägerplatte 14 ist eine Meßsonde in Form eines zur Trägerplatte 14 hin offenen Hohlleiters 15 angebracht, der für eine traversierende Messung an seinem oberen Ende durch eine Schutzplatte 16 aus dielektrischem Werkstoff abgeschlossen sein kann, die unter der Trägerplatte 14 entlanggleitet und eine Beschädigung durch den Hohlleiter 15 verhindert. Die Tischplatte 13 besteht aus Metall, während die darin eingelassene Trägerplatte 14 mit einer Dicke D14 entsprechend der Tragerplatte 12 von Fig. 2 aus dielektrischem Werkstoff, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, besteht, und der unter der Trägerplatte 14 angeordnete rohrförmiae Hohlleiter 15 führt sowohl die ausgesandte Mikrowelle 5a als auch das von dem zu messenden Material 1 reflektierte Meßsignal.
Wie in Fig. 4 im einzelnen gezeigt ist, kann der Hohlleiter 15 als Teil eines Mikrowellenmoduls nach Art einer T-Hybrid-Brükkenschaltung ausgebildet sein, die aus einem Oszillator 17 und einem Detektor 18 sowie einem T-Hybrid 19 besteht, das sowohl die vom Oszillator 17 ausgesandte Mikrowelle 5a als auch das von dem zu messenden Material 1 reflektierte und von dem Detektor 18 empfangene Meßsignal 5b führt. Die Hohlleiter des T-Hybrids 19 können ebenso wie der Hohlleiter 15 von Fig. 3 einen eckigen oder runden Rohrquerschnitt haben.
Von dem Oszillator 17 wird ein Mikrowellen-Signal 5a mit einer bestimmten Frequenz von z.B. 10 bis 35 GHz in den E-Arm 20 des T-Hybrids 19 eingespeist und teilt sich auf die beides kolinearen Arme 15a, 15b auf, von denen der eine als Meßarm 15a und der andere als Referenzarm 15b dient. Die Differenz der komplexen Reflexionsfaktoren an den Enden der beiden kolinearen Arme 15a, 15b ist proportional dem Ausgangssignal 5b im H-Arm 21, das dort mit dem Detektor 18 und einem Anzeigegerät 22 gemessen wird.
Für eine traversierende Messung mit einer hin- und hergehende Abtastung eines durchlaufenden Materialbandes 1 kann das offene Hohlleiterrohr des Meßarmes 15a ebenso wie bei der Ausführungsform von Fig. 3 mit einer dünnen, etwa 0,5 bis 1 mm dicken Glasplatte 16 oder einer Platte aus einem anderen verlustarmen Dielektrikum abgeschlossen sein. Der so abgeschlossene Meßarm 15a, gleitet von unten, die Trägerplatte 14 des Tisches 13 berührend, quer zur Vorschubrichtung des Materials 1 hin und her, um so die gesamte Materialbreite kontinuierlich zu erfassen. Der Meßfleck bzw. die Meßfläche der Meßvorrichtung hat be dieser Ausführung und Verwendung von X-Band-Hohlleitern die Größenordnung einiger Quadratzentimeter. Der Ausgangswert oder der Nullwert entspricht dann dem Signal, welches von der isolierenden Tischplatte 13 und eventuell von der Glasplatte 16 des Hohlleiters reflektiert wird.
Um zuverlässige Meßergebnisse zu erhalten, ist am offenen Ende des Referenzarmes 15b eine gleiche Schutzplatte 16a aus dielektrischem Werkstoff angebracht wie am Meßarm 15a, so daß bei der Foliendicke 0 auch das Ausgangssignal 0 erscheint.
Für kleine Foliendicken (D C 4) ist das Ausgangssignal 5b vor dem Detektor proportional der Materialdicke D und hinter dem Detektor proportional D2.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Absorbermatte nicht unbedingt erforderlich, kann aber in speziellen Fällen von Vorteil sein, und zwar dann, wenn in einer geringen Entfernung von der Meßstelle im Strahlengang größere Metallteile sind, sowie für den Referenzarm oder Referenzzweig 15b.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum berührungslosen Messen der Werkstoffanhäufunq an folienartigen und/oder porösen oder netzartigen flächigen oder bandförmigen Materialien mit vorgegebener Dicke aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zu messenden Material reflektierte Anteil einer auf das Material gerichteten hochfrequenzen elektromagnetischen Welle m Mikrowellenberei¢ als Maß für die Dicke bzw. bei porösem oder netzartigem Material als Maß für dessen Füll- oder Volumenfaktor dient.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen eine Frequenz von etwa 0,1 bis 100 GHz, vorzugsweise von 10 bis 35 GHz, haben.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen mit einer Strahlungs-Halbwertsbreite von etwa 100 bis 20° gegen das zu messende Material gerichtet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch qekennzeichnet, daß die Mikrowellen mit einer Wiederholfrequenz von etwa 10 bis 107 Hz, vorzugsweise etwa 1 kHz, amplituden-moduliert sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das zu messende Material hindurchtretende Anteil der Mikrowellen durch einen Absorber praktisch vollständig aufgenommen wird.
6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3, 4, 6, 7, 8) mit je einer Hornantenne (4, 6) zur Aussendung und zum Empfang der Mikrowellen (5a, 5b) besteht, die auf einer Seite des zu messenden Materials (1) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der gegenüberliegenden Seite des zu messenden Materials (1) eine Absorbermatte (11) erstreckt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennz-ichnet, daß als Unterlage für das zu messende Material (1) eine Trägerplatte (12) aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, vorgesehen ist, deren Dicke (D12) bei senkrechtem Strahleneinfall der Mikrowellen gleich einem Vielfachen der halben Wellenlänge (#/2) der Mikrowellen im Material bzw. Werkstoff der Trägerplatte (12) ist.
9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch qekennzeichnet, daß unter einer Trägerplatte (14) für das zu messende Material ein rohrfOrmiger Hohlleiter (15) angeordnet ist, der als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet ist, und dessen Reflexionsfaktor am offenen Ende des Hohlleiters (15) eine Funktion der Schichtdicke (D) bzw. des Volumenfaktors des zu messendem Materials (1) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (15) einen runden oder eckigen Rohr Der schnitt hat.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (15) als Teil eines Mikrowellenmoduls nach Art einer T-Hybrid-Brückenschaltung ausgebildet ist, die aus einem zu dem zu messenden Material (1) senkrecht stehenden Meßarm (15a), einem dazu kolinearen Referenzarm (15b) sowie einem auf diesen beiden Armen senkrecht stehenden E-Arm (20) mit einem in diesen Mikrowellen-Signale einspeisenden Mikrowellen-Generator (17) und mit einem von den beiden kolinearen Armen (15a, 15b) in Höhe des E-Armes (20) weggerichteten H-Arm (21) mit einem Mikrowellen-Detektor (18) und einem Anzeigegerät (22) besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der als Meßarm (15a) dienende Hohlleiter des T-Hybvids (19) ebenso wie der dazu kolineare Referenzarm (15b) am offenen Ende durch eine für die Mikrowellen durchlässige Schutzplatte (16, 16a) aus Glas oder Kunststoff, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, abgedeckt st, und daß am Referenzarm (15b) auf der Schutzplatte (16a) zusätzlich eine Referenzplatte (14a) angebracht ist, die die gleichen dielektrischen Werte wie die Trägerplatte (14) für das messende Material (1) am Ende des Meßarmes (15a) aufweist.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (14) für das zu messende Material aus einem verlustarmen dielektrischen Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, besteht und eine Dicke (D14) hat, die bei senkrechtem Strahleneinfall der Mikrowellen gleich einem vielfachen der halben Wellenlänge ( der Mikrowellen im Material bzw. Werkstoff der Trägerplatte (14) ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Empfangseinrichtung (8, 18) empfangene Signal einem Anzeigegerat (10, 22) zugeführt wird, das in Dickeneinheiten bzw. in Volumeneinheiten des zu messenden Materials (1) kalibriert ist.