DE3213335A1

DE3213335A1 - Verfahren zur erkennung unterschiedlicher dielektrischer materialien

Info

Publication number: DE3213335A1
Application number: DE19823213335
Authority: DE
Inventors: Fritz 1000 Berlin Kurandt
Original assignee: EMS ELEKTRONIK MESSTECHN
Current assignee: EMS ELEKTRONIK MESSTECHN
Priority date: 1982-04-07
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE3213335C2

Description

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EMS Elektronik-Meßtechnik

Dipl.-Ing. Leo Schmidt GmbH uerun.

MÜNCHEN:

dipl..ing.r.

DIPL.-INS. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-ING. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 07. April 1982

Verfahren zur Erkennung unterschiedlicher dielektrischer Materi alien

15 Seiten Beschreibung mit 19 Patentansprüchen

1 Seite Zusammenfassung mit Fig. 1

2 Blatt Zeichnungen

MP - 27 817

BERLIN: TELEFON (03Ol lU
KAQEL: PROPINDUS · TELEX: IH4OS7

MÜNCHEN- TELEFON IOB9I 225585 KABEL: PROPINDUS ■ TELEX: 5 3i244

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-Q-

Zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Materialien oder auch der Dicke bekannter Dielektrika eignen sich Mikrowellen mit Frequenzen im Bereich oberhalb einiger Gigahertz, da in diesem Bereich Resonatoren hoher Güte mit geringen Abmessungen und eine Strahlenbündelung mit Antennen vertretbarer Größe möglich sind. Besonders im Hinblick auf die Bestimmung des Wassergehalts von dielektrischen Materialien wie Papier, Stoff oder Tabak sind eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, die diese Größe auf die Reflexions- und/oder Transmissionseigenschaften oder die Verstimmung von Resonatoren, an die diese Dielektrika angekoppelt bzw. in die sie eingebracht werden, im Mikrowellenbereich zurückführen (DE-PS 18 04 874; DE-OS 29 28 487; DE-PS 25 52 954). Dabei wird der Vorteil der berührungslosen und wegen der großen zur Verfügung stehenden Bandbreite von Mikrowellensignalen auch schnellen Messung in kontinuierlich ablaufenden Prozessen ausgenutzt, wie sie nur Mikrowellen bieten.

Ein weiterer Vorteil dieser Verfahren ist die teilweise hohe Meßgenauigkeit z.B. hinsichtlich des Wassergehaltes von Materialien. Nachteilig sind erhebliche Anforderungen an den Mikrowellensender bzw. -empfänger hinsichtlich Strahl ausrichtung, Güte der Hochfrequenzschaltung, Platzbedarf, Ausschalten von Einflüssen der Umgebung sowie die notwendige Frequenzlage und benötigte Bandbreite. Während der technische Aufwand den Einsatzbereich solcher Geräte wegen wirtschaftlicher Gesichtspunkte und des Platzbedarfs einschränkt, befinden sich die Anforderungen an Frequenz-

lage und Bandbreite häufig im Widerspruch zu den von den nationalen Postbehörden für solche Anwendungen freigegebenen Frequenzbereiche.

In vielen praktischen Anwendungsfällen würde es aber ausreichen, daß eine solche Anordnung unterschiedliche Materialien unterscheiden oder gleiche Materialien unterschiedlicher Dicke bestimmen kann. Als Beispiel seien die Erkennung verschiedener Dielektrika definierter Dicke, die Erkennung gleicher Dielektrika unterschiedlicher Dicke oder die Schichtung mehrerer Dielektrika, z.B. Klebstoff auf Pappe oder Papier, genannt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird zur Erkennung unterschiedlicher dielektrischer Materialien eines Prüfkörpers mittels Mikrowellen erfindungsgemäß das im Hauptanspruch angegebene Verfahren vorgeschlagen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für Kontrollen in der Pappen- und Papierverarbeitung, wie z.B. Doppelbogenerkennung, Messung von Leimaufträgen , Kantensteuerungen,für Fül1kontrol1 en an nichtransparenten Kunststoff-Flaschen und Tuben, an Kartons mit Schüttgut und für sonstige Sensorfunktionen wie z.B. als berührungsfreie Grenztaster für Flüssigkeitsspiegel in Behältern,

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zur Material Stärkeüberwachung an dielektrischen Materialien, zur Abfrage von Maschinentakten, als Sensoren für Stückgutzählung und dergleichen mehr.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Anordnung, die im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen die Änderung der Auskopplung aus einem Resonator mit integriertem Detektor bei einer festen, jeweils von der nationalen Postverwaltung für Meßzwecke freigegebenen Mikrowellenfrequenz ermöglicht. Dazu kann beispielsweise eine Mikrowellenschaltung, wie sie aus der DE-OS 30 19 887 bekannt geworden ist, mit einer Betriebsfrequenz von z.B. 9,35 GHz derart modifiziert werden, daß sie eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Richtspannung am Detektor hinsichtlich Änderungen im Nahfeld des Koppellochs einer in die öffnung des Moduls eingesetzten Blende ermöglicht, ohne daß Änderungen in der weiteren Umgebung des Moduls sowie der eigentliche Dopplereffekt einen wesentlichen Einfluß auf das auszuwertende Signal haben.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand einer in der Zeichnung beispielsweise dargestellten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, gemäß der Erfindung ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator zur Erkennung von unterschiedlichen dielektrischen Prüfkörpern;

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Fig. 2 eine Ansicht des Resonators gemäß Fig. 1 von der dem Prüfkörper gegenüberliegenden Stirnseite her;

Fig. 3 eine typische Beschaltung der Detektordiode zur Einstellung des Arbeitspunktes;

Fig. 4 die Abhängigkeit der Richtspannung von der Entfernung eines als Prüfkörper dienenden Kartons von der Koρpe Πochoffnung mit der Anzahl der Lagen als Parameter; und

Fig. 5 die Abhängigkeit der Richtspannung von der Entfernung eines als Prüfkörper dienenden Kartons von der Koppellochöffnung mit unterschiedlich stark aufgetragenen Klebstoffdicken als Parameter.

Entsprechend Fig. 1 fällt vom Oszillator 1 die Oszillatorleistung auf den Detektor 2,wobei die abgestrahlte Leistung mit einer Regulierschraube 3 auf ein Maximum eingestellt wird, was etwa der maximalen Signalhöhe eines solchen Moduls für ein Dopplersignal im Fernfeld entspricht. Durch Verschließen einer als Koppelloch dienenden öffnung 4 des Moduls mit einer Blende 5 geeignet! Größe und Lage wird anschließend eine destruktive Interferenz der direkt zum Detektor 2 gelangenden Oszillatorleistung sowie der von der Blende 5 reflektierten Leistung am Detektor erzeugt. Der Detektor 2, der zunächst durch

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eine positive Vorspannung auf hohe Empfindlichkeit gebracht wird, erhält durch die hohe Oszillatorleistung ohne Blende aber eine stark negative Richtspannung und verändert seine Richtspannung dadurch wieder in den Bereich positiver Spannungen. Es ist jedoch nicht ratsam, die Detektorspannung auf zu stark positive Werte zu verschieben, da der Detektor 2 dann u.U. zu stark fehlangepaßt wird und auf Veränderungen der Hochfrequenzleistung im Resonator nicht mehr empfindlich reagiert. Wird nun in den Nahfeldbereich, d.h. in einem Bereich bis zu einer Entfernung von maximal einer Wellenlänge, vorzugsweise jedoch nur einer halben Wellenlänge der Mikrowellenfrequenz, im Freien von dem Resonator ein dielektrischer Prüfkörper eingebracht, so verändert sich die kritische Balance der destruktiven Interferenz am Detektor 2, und damit erhöht sich die Mikrowellenleistung am Detektor, wodurch sich seine Richtspannung zu negativeren Werten verschiebt. Die Größe dieser Spannungsänderung ist eine Funktion von Art und Dicke des oder der Dielektrika vor dem Resonator. Bei definiertem Abstand und fester Ausgangsleistung des Moduls und Detektorcharakteristik ist diese Änderung charakteristis« für unterschiedliche definierte dielektrische Prüfkörper.

Erfindungsgemäß lassen sich auf diese Weise sowohl ruhende als auch sich parallel zur Koppel 1ochöffnung 4 bewegende dielektrische Prüfkörper 6 erkennen und unterscheiden. Um den bei bewegten nicht kontinuierlich in gleicher Dicke an der öffnung 4 vorbei laufenden dielektrischen 'Prüfkörpern ί auftretenden Dopplereffekt auszuschalten, sind unmittelbar

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neben dem Koppelloch bzw. der Blende 5 Sensoren 7 in Form von Photozellen zusammen mit einer elektrischen Koinzidenzschaltung angebracht (Fig. 2), die die Aus wertung der Richtspannung des Detektors auf den Zeitraum begrenzen, in welchem sich der Prüfkörper 6 vorder Öffnung des Resonators befindet.

Um den Resonator und seine dem Prüfkörper zugewandte Stirnseite vor mechanischen und/oder chemischen Einflüssen der Umgebung oder vor Abrieb oder vor mechaniscnen Beanspruchungen durch vorbei 1 aufende PrüfkörDer 6 zu scr.ützen, ist diese Stirnfläche oder auch nur das Koppelloch 4 curch ein geeignetes dielektrisches Material 8 möglichst geringe Dicke, wie z.B. Teflon oder Keramik,in Stärken von z.3. 0,4 bis 1 mm abgedeckt. Um die damit eintretende Verscr.ieb des Arbeitspunktes durch veränderte Auskopplung und car,it Verschiebung der destruktiven Interferenz auszugleichen, wird der oben beschriebene Abgleich auf maximale Empfindlichkeit ohne Blende 5 mit dem vorgesetzten dielektrischen Schutz 8 durchgeführt und dann der Resonator erst verschlossen und auf optimale destruktive Interferenz gesrachi Der auf diese Weise erzielbare Arbeitspunkt am Detektor 2 differiert nur geringfügig von einem solchen ohne Abdeckung ohne jedoch die Wirkung der erfindungsgemäßen Erkennungsmethode zu beeinträchtigen.

Auf gleiche Weise ist es möglich, diesen Abgleich r.iz _· -. ηe.; bekannten Referenzobjekt durchzuführen ocar auf ^u.i ttc·" ,,o r:i der^-Richtspannung einzustellen, von der bei Vorlage unter-

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schied!icher Prüfkörper positive oder negative Abweichungen der Richtspannung auftreten.

Bei Verwendung eines Dopplerradars, das bei einer für Bewegungsmelder von der nationalen Postverwaltung freigegebenen Frequenz von 9,35 GKz bei einer Ausgangsleistung von 1 bis 10 mW arbeitet, wird nach Fig. 1 nach Optimierung der Empfangsempfindlichkeit mit Hilfe der Regulierschrauoe und Auswahl einer geeigneten Schottky-Detektor-Diode 2 die von einer Gunn-Oszillator-Diode 1 abgegebene H ο c η frequenzleistung durch Verschließen der Hohlrau m öffnung 4 mit einer Metallblende 5, die z.B. aus einem 0,5 mm dicken Stahlblech besteht, das eine rechteckige öffnung von etwa 10 χ 10 mm aufweist, an der Detektor-Diode zu des eruκ ti ver Interferenz gebracht. Für optimale Empfindlichkeit dieses Detektors erweist sich dabei eine Anordnung der Koppellochöffnung 4 am rechten oder linken Rand der Hohlraumöffnung als optimal, wobei die äußere Lage hinsichtlich der Segrenzungen des Moduls sich für die Anwendung als besonders vorteilhaft erweist,weil dadurch die Anordnung in einer Meßschaltung besonders einfach wird.

Als dielektrische Schutzverkleidung S gegen mechanische und oder chemische Beanspruchung und Verschmutzung eignen sich z.B. das chemisch beständige Teflon z.3. ::u 2 ".m Dicke oder mechanisch und chemisch sehr widerstandsfähige :^ra^i ker. z.B. mit 0,6 mm Dicke, die allerdings eine ancore Ao 51 i rr.r.ung der Regulierschraube 3 erfordern.

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Claims

Patentansprüche

i.jVerfahren zur Erkennung unterschiedlicher dielektrischer *-"' Materialien eines Prüfkörpers mittels Mikrowellen, dadurch gekennzei chnet, daß Mikrowellenenergie einer festen Frequenz, die in einen zur Messung verwendeten Resonator an geeigneter Stelle eingekoppelt oder darin erzeugt wird, aus diesem Resonator vorzugsweise an der Stirnseite mit Hilfe einer Blende ausgekoppelt wird; daß ein in dem Resonator vorhandener Detektor durch eine äußere Vorspannung auf einen empfindlichen Arbeitspunkt eingestellt wird; daß an diesem Detektor durch destruktive Interferenz, die mit Hilfe der im Resonator erzeugten bzw. eingekoppelten und von _: der Blende reflektierten Leistung erzeugt wird, eine geringe aber für eine gute Anpassung des Detektors an den Resonator ; ausreichende Leistung eingestellt wird; daß durch Posit.ionie \ des dielektrischen Prüfkörpers vor der Blendenöffnung außerhalb des Resonators im Nahfeldbereich des Koppellochs diese destruktive Interferenz mehr oder weniger stark aufgehoben wird und sich damit die Richtspannung an der Detektor-Diode

OOPV

BERLIN: TELEPON (O3O) Θ312Ο8Θ KABEL: PROPINDJJS · TELEX: 184057

MÜNCHEN: TELEFON (089) 225585 KABEL: PROPINDUS · TELEX: 524244

zu negativeren Werten hin verschiebt; und daß diese Verschiebung als für den Prüfkörper charakteristisches Signal erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekenn· ζ e i c h η e t, daß die Änderung der Richtspannung von der komplexen Dielektrizitätskonstante des Prüfkörpers abhängt und dieser damit erkannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekenn· ζ e i c h η e t, daß die Änderung der Richtspannung von der Dicke des dielektrischen Prüfkörpers in definierter Weise abhängt und damit seine Dicke erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der dielektrische Prüfkörper vor der öffnung der Blende ruhend angebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der dielektrische Prüfkörper vor der Blendenöffnung parallel zur Lage des Koppellochs des Resonators bewegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h

g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der dielektrische Prüfkörper während der Messung vorzugsweise innerhalb einer halben freien Wellenlänge der Mikrowellenfrequenz

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vor dem Koppelloch angebracht wird·.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleich der Hochfrequenzschaltung zunächst der Detektor auf maximale Empfindlichkeit für vom Resonator ausgesandte und aus dem Fernfeld reflektierte Signale ohne vorgesetzte Blende abgeglichen wird und daß dann mit Hilfe der Lage der Blendenöffnung die optimale destruktive Interferenz eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c \ g e k e η η ζ e i c h η e t, daß ohne Prüfkörper vor der Blendenöffnung die Richtspannung des Detektors maximal positivist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Richtspannung am Detektor so eingestellt wird, daß sich bei der Prüfung verschiedener Prüfkörper definierte positive oder negativ Abweichungen der Richtspannung ergeben.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal positive Richtspannung mit einem Referenzdielektrikum eingestellt wi rd.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ...g ekennzeichnet.daßdie Blendenöffnung in etwa quadratisch ist und eine Kanten länge von etwa einer Viertelwellenlänge der Hochfrequenz im Resonator hat.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß Resonator und Koppelloch eine nicht rechteckige, z.B. runde,Form aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daßdie Blendenöffnung mit einer dielektrischen Schicht als mechanischem oder chemische_m Schutz belegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß die dielektrische Abdeckung aus Teflon oder Keramik besteht.
15. Verfahren nach Anspruch 7 bis 14, dadurch

g e-k ennzeichnet, daß der Abgleich auf maximale Empfindlichkeit mit der dielektrischen Abdeckung durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß etwaige die Auswertung beeinträchtigende Signale infolge des Dopplereffekts bei bewegten Prüfkörpern und unerwünschter Reflexionen aus

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der Umgebung dadurch vermieden¹ werden, daß ein an geeigneter Stelle befindlicher Sensor zusammen mit einer Koinzidenzschaltung die Richtspannung nur dann auswertet, wenn sich der Prüfkörper vor der Blendenöffnung befindet.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß dieser Sensor aus einer oder mehreren Photozellen neben dem Koppelloch besteht.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, d a d u r gekennzeichnet, daß die Sendediode gleichzeitig als Detektor genutzt wird.
19. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach

einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichne durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator mit einem Oszillator (1), durch einen Detektor (2), durch eine Regulierschraube (3) ,durch eine mit einer Blende (5) verschließbare als Koppelloch dienende öffnung (4) an einer zum Prüfkörper (6) hin gerichteten Stirnseite des Resonators, durch eine dielektrische Schutzschicht (8) an dieser Stirnseite und durch an beiderseits der Stirnseite in Höhe der Öffnung (4) angeordnete Sensoren (7).

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