DE3927394A1 - Vorrichtung zur dickenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dickenmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie ähnlich z.B. aus der DE-OS 32 13 335 bekannt ist.

Die meisten der Vorrichtungen, die Dicken mit Hilfe von Mi­ krowellen messen, verwenden als physikalische Größe die Abhängigkeit der Absorption von Wasser in dem jeweiligen Material. Dies kommt z.B. auch in der Beschreibung der DE-OS 32 13 335 zum Ausdruck, wo Kartonlagen gemessen werden, de­ ren Dicke 1/2 mm beträgt. Die dortige Vorrichtung wird nun­ mehr für die Erkennung von Klebstoffschichtdicken verwendet, wobei der Klebstoff naturgemäß sehr wasserhaltig ist, jeden­ falls Klebstoffe für Kartonagen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß auch Mate­ rialien mit geringem Wassergehalt und geringer Dicke gemes­ sen werden könne, z.B. Papier oder Stofflagen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Wenn mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik z.B. dün­ ner Jeansstoff gemessen wird, so erhält man in Abhängigkeit vom Abstand des Meßobjektes von der Reflexionsebene Meßkur­ ven nach Fig. 4a. Wie sich daraus entnehmen läßt, sind bei größerer Zahl von Stofflagen die Ausgangssignale, z.B. zwi­ schen drei und fünf Stofflagen, kaum noch zu unterscheiden. Zusätzlich haben Reflexionen des Sendesignals an Körpern, die außerhalb der Meßstrecke liegen, einen starken Einfluß auf die Amplitude des Meßsignals. Wenn nun erfindungsgemäß das reflektierte Mikrowellensignal im Bereich der Meßstrecke moduliert wird, dann erhält man eine Abhängigkeit nach Fig. 4b, die weitgehend unabhängig von der Raumgeometrie außer­ halb der Meßstrecke ist. Wie man aus Fig. 4b entnehmen kann, ist die Auflösung in gewissen Bereichen der Meßkurven we­ sentlich besser als gem. Fig. 4a, insbesondere bei den Stei­ gungen der Meßkurven.

Gem. Anspruch 2 kann die Vorrichtung selbstverständlich auch für den laufenden Betrieb, also für die laufende Messung von Stoffbahnen bzw. Papierbahnen o.ä. verwendet werden. Die Maßnahme nach Anspruch 3 bewirkt, daß der Stoff über die Metallplatte besser wegrutschen oder gezogen werden kann, da das Fenster dicht und glatt verschlossen ist.

Gem. Anspruch 4 kann der Modulator z.B. eine vibrierende Einrichtung sein, wobei der vibrierende Teil aus Metall sein muß, damit die Mikrowelle reflektiert wird.

Gem. Anspruch 5 kann diese vibrierende Einrichtung auf ein­ fache Weise durch einen Lautsprecher realisiert werden.

Die Ansprüche 6 und 7 betreffen eine vorteilhafte Schaltung zur Messung des reflektierenden Mikrowellensignals.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nunmehr anhand der Figuren erläutert:

Fig. 1 zeigt ein bekanntes Mikrowellenmodul mit Empfänger, Fig. 2 das bekannte Modul mit dem erfindungsgemäßen Modula­ tor, Fig. 3 die Auswerteschaltung, Fig. 4a das reflektierte Signal nach dem Stand der Technik, Fig. 4b das modulierte Signal nach der Erfindung, Fig. 5 und Fig. 6 zeigen jeweils die Meßsignale für Wollstoffe und zwar einmal für dünnen und einmal für dicken.

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen in einem Fre­ quenzbereich zwischen etwa 1 GHz und 300 GHz (Wellenlängen­ bereich zwischen 300 mm und 1 mm). Anwendungen liegen heute überwiegend in dem Bereich bis zu 100 GHz.

Sender und Empfänger der Mikrowellen sind bei dem bekannten Modul kompakt in einem Gehäuse integriert (Fig. 1). Das Mo­ dul arbeitet bei einer Frequenz von 9.35 GHz (dies ent­ spricht einer Wellenlänge von =32.09 mm). Zur Versorgung wird eine stabilisierte Spannung von 8 ±1 V benötigt.

Als Sender dient ein GUNN-Element, das in einen Hohlraumre­ sonator eingebaut ist. Über einen rechteckförmigen Hohllei­ ter werden die Mikrowellen abgestrahlt.

Der Empfänger ist eine Schottky-Mischerdiode. Sie ist so angeordnet, daß sie von den austretenden Wellen durchsetzt wird. Durch Interferenz mit den reflektierten Wellen stellt sich an der Diode ein Gleichspannungspegel ein, dessen Am­ plitude vom Abstand der Reflexionsebene (n) abhängt.

Bei der Reflexion an einer Metallplatte (Reflexionsebene) überlagern sich hin- und rücklaufende Welle zu einer stehenden Welle. Die Amplitude der stehenden Welle hängt von dem Abstand Mikrowellenmodul - Metallplatte und der Zahl der dazwischenliegenden Stoffe ab (siehe Bild 4a).

Durch periodische Abstandsänderungen Mikrowellenmodul - Me­ tallplatte kann die Amplitude der stehenden Welle nun erfin­ dungsgemäß moduliert werden. Fig. 4b zeigt den Effektivwert des aufmodulierten Wechselspannungssignals abhängig von dem Abstand Mikrowellenmodul - Metallplatte.

Fig. 2 zeigt eine Meßanordnung mit Abstandsmodulation. Diese Meßanordnung hat gegenüber der unmodulierten Anordnung wei­ terhin den Vorteil, daß Umgebungseinflüsse weitgehend unter­ drückt werden.

Es sind natürlich weitere Modulatoren möglich, z.B. Piezo­ keramiken, auf die ein metallischer Belag aufgebracht ist. Zur Modulation des Abstandes Mikrowellenmodul - Metallplatte wurde ein preiswerter Lautsprecher eingesetzt, auf dessen Membran ein Metallplättchen aufgeklebt wurde. Als Stoff- bzw. Materialauflage wurde eine Metallplatte zwischen Mikrowellenmodul und Lautsprecher eingebracht. Die Metall­ platte hat im Bereich der Meßstrecke ein Fenster (Bohrung 30 mm), die mit einem Kunststoffplättchen ausgefüllt wird, da­ mit für den Stoff eine glatte Oberfläche entsteht.

Fig. 4a zeigt das nicht modulierte reflektierte Signal des Mikrowellenmoduls bei Veränderung des Abstandes Reflexions­ ebene - zweites Fenster (Abstand Modul - Fenster konstant 64,5 mm). Zwischen Fenster bzw. Auflage und Mikrowellenmodul wurde eine unterschiedliche Zahl von Stofflagen gelegt.

Fig. 4b zeigt dagegen das modulierte reflektierte Signal bei Veränderung des Abstandes der schwingenden Metallplatte des Lautsprechers von dem Fenster (Abstand Modul - Fenster ebenfalls konstant 64,5 mm). Zwischen Fenster und Mikrowel­ lenmodul wurde wieder eine unterschiedliche Zahl von Stoff­ lagen gelegt.

Es zeigt sich ganz klar, daß die Steigung der Kurven bei verschiedenen Stofflagen wesentlich unterschiedlicher ist.

Das reflektierte Mikrowellensignal wird in der Auswerte­ schaltung nach einer Bandpaßfilterung über einen zweiten Verstärker auf einen Gleichrichter gegeben, wobei die Fre­ quenz des modulierten Signals ausgefiltert wird. Der gleich­ gerichtete Wert wird von einem x-y-Schreiber aufgezeichnet. Zur besseren Auflösung wird vor den Bandpaßfilter ein wei­ terer Verstärker angeordnet. Man kann jedoch auch statt dessen einen Operationsverstärker verwenden.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können z.B. Hemden­ stoffe, dünne und dicke Wollstoffe, Jeansstoffe, Anzug­ stoffe, Markisenstoffe und Leder, Papier und andere di­ elektrische Materialien untersucht werden. Die Untersu­ chungsergebnisse für dünne und dicke Wolle sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Es ist klar ersichtlich, daß die La­ genzahl leicht aus dem Auswertesignal erkannt werden kann.

Bei dünnen Materialien kann durch Veränderung des Abstandes Lautsprecher - Fenster eine empfindliche Einstellung des Meßsystems gewählt werden.

Wie weiterhin ersichtlich ist, ist die Einrichtung sehr un­ empfindlich gegenüber Störeinflüssen: nach dem Auflegen des Stoffes wurden zwei Stofflagen zur Simulation des Stoffflat­ terns um ca. 2 cm auf- und abbewegt. Das Signal bei der Auf- und Abbewegung der Stoffe zeigt der zweite Kurvenzug (b) in den Fig. 5 und 6.

Der dritte Kurvenzug (c) zeigt das Signal bei Näherung der Hand. Bei dieser Näherung war die Handfläche ungefähr pa­ rallel zu der Metallplatte.

Die neue Vorrichtung hat noch weitere Vorteile:

• - Die Position der Stofflagen in der Meßstrecke sowie Lufteinschlüsse zwischen den Stoffbahnen haben relativ geringen Einfluß auf das Meßsignal (die daraus resul­ tierende Meßunsicherheit entspricht der Veränderung um eine Stofflage).
• - Störungen durch Hände der Bedienperson im Bereich der Meßstrecke (unzulässig ist ein Einbringen der Hand in die Meßstrecke) haben ebenfalls relativ geringen Ein­ fluß auf das Meßsignal (die daraus resultierende Meßun­ sicherheit entspricht der Veränderung um eine Stoff­ lage).

Die Kosten sind gering, da der konstruktive Aufwand sehr klein ist und die verwendeten Module billig sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Dickenmessung von Meßobjekten aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, bestehend aus einem Hohlraumresonator, in dem ein Mikrowellen­ sender angeordnet ist, dessen Energie über ein Fenster das Meßobjekt durchstrahlt und das reflektierte Mikro­ wellensignal von einem Detektor gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß das Meßobjekt auf einer Metallplatte, die mit einem zweiten Fenster versehen ist, gelagert ist,
• b) gegenüber dem zweiten Fenster als Reflexionsebene für das zu reflektierende Mikrowellensignal ein Modulator vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt auf der Metallplatte durch eine Vor­ richtung transportierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fenster mit einem für Mikrowellen durch­ lässigen Material, z.B. aus Kunststoff, verschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine vibrierende Einrichtung ist, wobei der vibrierende Teil aus Metall ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vibrierende Vorrichtung ein Lautsprecher ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal auf einen Bandpaßfilter, sowie nach­ geschalteten Verstärker, Gleichrichter und Auswerteein­ richtung gegeben wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bandpaßfilter ein weiterer Verstärker vor­ gesehen ist.