DE4100869A1

DE4100869A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen physikalischer groessen

Info

Publication number: DE4100869A1
Application number: DE19914100869
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Weiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-15
Filing date: 1991-01-14
Publication date: 1991-07-18
Also published as: EP0438103A2; EP0438103A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen physikalischer Größen, bei dem ein periodisches Speisesignal abgegeben und ein Antwortsignal ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei herkömmlichen Meßverfahren und -vorrichtungen dieser Art zum Messen von Kapazitäten, Induktivitäten und Widerständen werden einem Geber sinusförmige Signale eingespeist. Die Mes sung der Kapazitäten, Induktivitäten oder Widerstände erfolgt durch die Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen dem ein gespeisten Signal und dem Antwortsignal. Dieses Verfahren, das auch als Trägerfrequenzverfahren bezeichnet wird, hat jedoch den Nachteil, daß für die Ermittlung der Phasenlage Filter er forderlich sind, die die Meßfrequenz erniedrigen. Darüber hinaus ist die Meßwertauflösung auf Grund des nicht zu vermei denden Restbrumms gering und auch mit hohem schaltungstechni schem Aufwand nicht zu verbessern.

Insbesondere in der heutigen Verfahrenstechnik wird es immer wichtiger, bei laufendem Prozeß die physikalischen Parameter und Größen der produzierten Produkte sehr schnell zu ermit teln, um den Ausschuß zu verringern und die Produktivität der Anlagen zu erhöhen.

Als Beispiel für derartige Herstellungsverfahren sei die Pro duktion von Kupferdrähten für die Elektronik genannt. Während des sehr schnellen Kupferdraht-Durchlaufs muß die Dicke der Lackbeschichtung ständig ermittelt und in Abhängigkeit davon der Beschichtungsvorgang gesteuert werden. Um die Dicke der Lackbeschichtung zu bestimmen, wird die Kapazität der Lack schicht gemessen. Die Kapazitätsänderungen sind jedoch sehr klein und die Meßgeschwindigkeit muß bei den hohen Produk tionsgeschwindigkeiten sehr hoch sein. Die herkömmlichen Meß verfahren sind nur in begrenztem Maße zur Lösung derartiger Aufgaben geeignet.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von schnellen und sehr empfindlichen Meßverfahren sind Hydropulsanlagen zur Ermitt lung der physikalischen Eigenschaften von Polymeren. Bei der artigen Hydropulsanlagen wirkt eine Kraft mit einer Frequenz bis zu einigen kHz auf das zu untersuchende Material ein. Die einwirkende Kraft wird dann in Relation zur Verformung ge setzt. Aus der Phasenverschiebung zwischen dem Speise- und dem Antwortsignal können dann Aussagen über die Materialeigen schaften gewonnen werden. Bei Verwendung des herkömmlichen Trägerfrequenzverfahrens ist die Meßgenauigkeit und die Meß geschwindigkeit begrenzt, da das damit verbundene Längenmeß verfahren selbst einen dem Meßverfahren inhärenten Phasengang aufweist, wodurch die eigentliche Messung verfälscht wird.

Auch bei der Produktion von Kunstfasern, insbesondere von Car bonfasern, muß bei laufender Produktion die Kapazität sowie die Dämpfung der Faser schnell und bei kleinen Kapazitäts- und Dämpfungswerten ermittelt werden. Dabei ist es mit herkömmli chen Meßverfahren nicht möglich, den Real- vom Imaginärteil eines komplexen Widerstands meßverfahrensmäßig zu trennen, was für derartige Meßvorgänge in der Verfahrenstechnik mit schnel len Prozeßabläufen von sehr großer Bedeutung ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen physikalischer Größen und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben bzw. zu schaf fen, mit dem bzw. mit der auch kleine physikalische Größen oder Größenänderungen sehr schnell gemessen werden können. Ausgehend von dem eingangs angegebenen Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Speisesignal eine vorgegebene Signalform aufweist und das Antwortsignal während wenigstens einer Signalperiode an wenigstens einem diskreten, vorgegebe nen Punkt abgefragt und der wenigstens eine diskrete Abfrage wert ausgewertet wird.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, den Meß wert innerhalb einer Periode des Speisesignals bereitzustel len. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß Fil ter im Gegensatz zu herkömmlichen Meßverfahren, etwa dem Trä gerfrequenzverfahren, nicht erforderlich sind. Auf diese Weise läßt sich die Meßgeschwindigkeit wesentlich erhöhen. Weiterhin ist die Meßwertauflösung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besser, weil ein Filter und damit ein Restbrumm nicht vor handen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist universell zum Messen phy sikalischer Größen verwendbar und insbesondere geeignet, die Signale aller üblichen passiven Geber (DMS, Differential-Tra fos, kapazitiver Meßbrücken usw.) auszuwerten und zu verarbei ten. Dabei ist das Verfahren nicht nur in der Meßtechnik, wie beispielsweise im Zusammenhang mit marktüblichen Induktiv gebern zur Messung von Wegen mit Auflösungen im Nanometer-Be reich, einsetzbar. Besonders vorteilhaft anwendbar ist das er findungsgemäße Verfahren insbesondere in der Verfahrenstech nik, um bei schnellen, laufenden Fertigungsprozessen die phy sikalischen Eigenschaften von Stoffen, Flächenbelägen, Ohm′ sche Verluste, Dielektrizitätskonstanten usw. zu ermitteln, um in Abhängigkeit davon den Produktionsablauf optimal steuern bzw. regeln zu können.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abfragezeitpunkt im zeitlichen Bezug zum Speisesignal ge wählt. Auf diese Weise ist es möglich, mit demselben Meßver fahren und derselben Meßanordnung durch entsprechende Wahl der Abfragezeitpunkte, die in zeitlichem Bezug zum Speisesignal stehen, den Real- und Imaginärteil des zu messenden, komplexen Widerstands jeweils getrennt zu ermitteln. Die dadurch ge schaffene Möglichkeit, den Imaginärteil des zu messenden, kom plexen Widerstands vom Realteil getrennt zu erhalten, ist ins besondere dann von großem Vorteil, wenn etwa langzeitig auf tretende Schwankungen im Realteil der Meßwerte, beispielsweise der Temperaturgang einer Induktivität, kompensiert werden muß.

Von besonderem Vorteil ist in diesem Fall, wenn der Abfrage zeitpunkt in zeitlichem Bezug zu einem Nulldurchgang des Spei sesignals steht. Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn das Antwortsignal beim Nulldurchgang des Speisesignals abgefragt wird. Wie im nachfolgenden anhand der Ausführungsbeispiele noch im einzelnen erläutert werden wird, fließt beim Null durchgang des Speisesignals in einer Induktivität kein Strom, so daß auch Ohm′sche Verluste und damit Änderungen auf Grund von Temperaturschwankungen nicht auftreten können. Beim Abfra gen des Antwortsignals zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Speisesignals wird daher nur der Imaginärteil des komplexen Widerstands gemessen.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Er findung ist das Speisesignal eine im wesentlichen dreieckför mige periodische Spannung. Dies ist insbesondere dann von Vor teil, wenn das Verfahren im Zusammenhang mit einem Kapazi tiv-Geber verwendet wird.

Insbesondere bei Verwendung eines Induktiv-Gebers ist es vor teilhaft, als Speisesignal einen im wesentlichen dreieckför migen Strom zu verwenden.

Ist ein Widerstandsgeber vorgesehen, sollte das Speisesignal vorzugsweise im wesentlichen eine rechteckförmige Spannung sein. Da Kapazitiv-, Induktiv- und/oder Widerstandsgeber im prakti schen Falle auch entsprechende andere Widerstandsanteile auf weisen, also keine reinen induktiven, kapazitiven und/oder Widerstandsgeber sind, ist es von besonderem Vorteil, wenn das Speisesignal eine Mischform ist. Vorteilhafterweise kann das Speisesignal trapezförmig sein. Der ansteigende Teil des tra pezförmigen Speisesignals wird dabei vorzugsweise zur Ermitt lung des Imaginärteils und der flache Teil zur Ermittlung des Realteils des komplexen Widerstands herangezogen. Bei einem Induktiv-Geber läßt sich dadurch trotz eines nicht zu vermeidenden Anteils des Ohm′schen Widerstands der Spule, ein rechteckförmiges Antwortsignal erzielen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Form des Speisesignals so gewählt und/oder geändert wird, daß das Antwortsignal rechteckförmig ist bzw. bleibt. Die entsprechende Form des Speisesignals wird also in Abhängigkeit der gegebenen, gegebe nenfalls sich auch ändernden Verluste, etwa durch entsprechen de Kombination von Rechteck- und Dreieckanteilen so geändert, daß das Antwortsignal rechteckförmig ist. Ein rechteckförmiges Antwortsignal hat den Vorteil, daß die Abfragewerte leicht er halten und ausgewertet werden können.

Gemäß einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform der Er findung wird die Form des Antwortsignals ausgewertet. In die sem Falle kann das Speisesignal konstant belassen werden, und lediglich die Form des Antwortsignals wird mittels der diskre ten Abfragewerte ausgewertet bzw. ermittelt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Antwortsignal während einer Periode des Speisesignals an mehreren Zeitpunkten ab gefragt wird. Die Auswertung der Abfragesignale ermöglicht dadurch die im wesentlichen gleichzeitige und voneinander getrennte Ermittlung des Real- und Imaginärteils eines kom plexen Widerstands.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß das Antwortsignal während wenigstens einer Periode an wenigstens zwei Punkten abgefragt und die Abfragewerte ge mittelt und/oder die Differenz aus den Abfragewerten gebildet wird. Gemäß dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens ergibt sich der Realteil aus der Mittelung der beiden Abfragewerte und der Imaginärteil aus der Differenz derselben. Diese Ausführungsform stellt eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur getrennten Ermittlung des Imaginär- und des Realteils des zu messenden komplexen Widerstands dar.

Insbesondere im Zusammenhang mit den Ausführungsformen, bei denen das Antwortsignal während einer Periode des Speise signals an wenigstens zwei Punkten abgefragt werden, ist es besonders vorteilhaft, die Abfragewerte zur Ermittlung von Materialeigenschaften auszuwerten. Vorzugsweise wird durch die Auswertung der Abfragesignale die Art des Materials und/oder die Qualität bestimmt. Beispielsweise kann durch die Bildung der Differenz aus den Abfragewerten, also durch Ermittlung des Imaginärteils, die Art des Materials ermittelt und/oder durch die Mittlung der Abfragewerte, also des Realteils, die Menge des vorliegenden Materials festgestellt werden. Es sind jedoch auch andere Auswertealgorithmen anwendbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, insbesondere im Zusammenhang mit der Ermittlung des Real- und des Imaginär teils, wird das zu prüfende Material in einem Plattenkonden sator gebracht, der mit einer dreieckförmigen Spannung beauf schlagt wird. Zur Durchführung eines kontinuierlichen Prozes ses durchläuft das Material den Plattenkondensator vorteil hafterweise kontinuierlich.

Als eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Ver fahrens wird eine Papierbahn durch den Plattenkondensator ge führt. Durch die entsprechende Auswertung ist es dabei mög lich, festzustellen, ob und welche Stoffe die Papierbahn ent hält, beispielsweise ob und in welcher Menge die Papierbahn Wasser enthält. Alternativ oder gleichzeitig kann dabei auch das Flächengewicht der Papierbahn ermittelt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung für eine konkrete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wassergehalt und/oder die Flächendichte einer Papierbahn nach folgender Gleichung ermittelt:

E = ε N₁ + β N₂ + γ(T) · N₂

Hierbei ist

E die Kapazität
ε ein Maß für die Dielektrizitätskonstante des Papiers;
N₁ ein Maß für die Flächendichte;
N₂ ein Maß für den Feuchtegehalt;
β/γ eine temperaturabhängige Material-Konstante von Wasser.

Vorteilhafterweise wird die Temperatur zur Ermittlung der temperaturabhängigen Konstanten gemessen, sei es parallel zum eigentlichen, durchzuführenden Prozeß, sei es zur Ermittlung von Kalibrierungskurven, um für die jeweils herrschende Tempe ratur bekannte Materialkonstanten für die Gleichung zu haben.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht auch darin, daß die Eigenschaften von Materialien mit polaren Molekülen durch die durch die Feldumkehr des periodischen Speisesignals hervorgerufenen Energieverluste ermittelt werden. Wie im wei teren noch ausgeführt werden wird, hängen die Energieverluste von der Art und/oder von der Quantität der polaren Moleküle ab, so daß aus dem durch die Energieverluste hervorgerufenen Kurvenverlauf des Antwortsignals Schlüsse auf die Art der po laren Moleküle, d. h. auf die Art des Stoffes und/oder die Menge des aus polaren Molekülen bestehenden Stoffes gezogen werden können.

Die Auswertung der Abfragewerte erfolgt vorzugsweise mit einem Mikroprozessor.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung gelöst, bei der der Signal-Geber eine Signalfor merschaltung und der Signal-Aufnehmer eine Abtastschaltung zum Abfragen des Antwortsignals an wenigstens einem diskreten, vorgegebenen Zeitpunkt während wenigstens einer Signalperiode aufweist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es mög lich, innerhalb einer Periode des periodischen Speisesignals einen Meßwert zur Verfügung zu haben. Ein Filter wie bei her kömmlichen Meßanordnungen ist nicht erforderlich. Die Meßge schwindigkeit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung kann damit wesentlich gesteigert werden, und insbesondere ist es möglich, durch geeignete Wahl des Abfragezeitpunkts Imaginär- und Real teil getrennt zu ermitteln.

Vorzugsweise weist der Signalaufnehmer eine Sample-and-Hold- Schaltung auf, die es ermöglicht, etwa während einer Periode verschiedene Abtastwerte zu speichern und miteinander zu ver knüpfen, beispielsweise daraus einen Mittelwert oder eine Dif ferenz zur Ermittlung des Imaginär- bzw. Realteils abzuleiten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungs formen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren beispielswei se näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens am Beispiel einer Differentialdrossel zur Wegmessung,

Fig. 2 ein Beispiel für eine Signalform des Speisesignals, Fig. 3a ein weiteres Beispiel für die Signalform des Speise signals,

Fig. 3b Signalverläufe von Antwortsignalen bei Beaufschlagen der Differentialdrossel mit dem in Fig. 3a dargestell ten Speisesignal,

Fig. 4 ein Antwortsignal mit Abfrage-Zeitpunkten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer Messung des Flächengewichts und/oder des Feuchtege halts einer Papierbahn in einem Plattenkondensator,

Fig. 6a ein Beispiel für eine Signalform des Speisesignals im Zusammenhang mit dem in Fig. 5 dargestellten Meßver fahren und

Fig. 6b Signalverläufe von Antwortsignalen bei dem Meßverfah ren gemäß Fig. 5.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßanordnung weist eine Signalformerschal tung 1 mit einem nachgeschalteten Verstärker 2 auf, der einer Differentialdrossel 3 ein in dieser Ausführungsform dreiecki ges Speisesignal I_s bereitstellt. Der dreieckförmige Signal verlauf ist in Fig. 1 schematisch angedeutet.

Die Differentialdrossel 3 besteht aus zwei Spulen 4 und 5 sowie einem Kern 6, der bezüglich der Spulen 4 und 5 ver schiebbar ist. Der dem Eingang des Spulenpaares 4, 5 abge wandte Anschluß der Spule 5 liegt an Masse, und der Verbin dungspunkt der beiden Spulen 4 und 5 ist als Ausgangsleitung der Differentialdrossel 3 mit einer Sample- and-Hold-Schaltung 6 verbunden, die im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei ge steuerte Schalter 7 bzw. 8 aufweist, mit denen das Antwortsig nal U_A abgetastet wird, um danach in einem jeweiligen Spei cherkondensator 9 bzw. 10 gespeichert zu werden. Das abgeta stete und gespeicherte Signal wird jeweils über einen Verstär ker 11 bzw. 12 einem Differenzverstärker 13 zugeführt, an des sen Ausgang der Differenzwert der beiden abgetasteten Abfrage werte bereitgestellt wird.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung gemäß der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Mit dem Kern 6 der Differentialdrossel 3 ist ein nicht dargestellter Gegen stand, der der Wegmessung unterzogen werden soll, mechanisch verbunden. Bei einer Verschiebung des Gegenstands und damit auch des Kerns 6 der Differentialdrossel 3 ändern sich die Induktivitäten der Spulen 4 und 5 derart, daß sich die Induk tivität der einen vergrößert und die der anderen verkleinert. Wird die Differentialdrossel mit einem dreieckförmigen Speise strom I_s versorgt, so ergibt sich gemäß der Formel

ein Antwortsignal U_A in Form einer rechteckförmigen Spannung, wie dies in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Bei dieser Be trachtung wurde zunächst idealerweise angenommen, daß die Spu len 4, 5 rein induktiv arbeiten und keine Ohm'schen Widerstän de vorhanden sind. Weiterhin wurde idealerweise angenommen, daß magnetische Kernverluste nicht auftreten.

Die Schalter 7 und 8 werden nun so gesteuert, daß einer der Schalter 7 bzw. 8 zu einem Zeitpunkt während des hohen Pegels und der andere Schalter 8 bzw. 7 während des niederen Recht eckpegels des Antwortsignals U_A in den leitenden Zustand ver setzt wird, so daß mit der Sample- and-Hold-Schaltung 6 das Antwortsignal U_A an den diskreten vorgegebenen Signalpunkten A und B abgetastet wird. Aus den abgetasteten Spannungswerten wird mit dem Differenzverstärker 13 die Differenz gebildet, die am Ausgang 14 anliegt und ein Maß für den Verschiebeweg des zu messenden Objekts darstellt.

Anhand von Fig. 1 wurde der in der Praxis nicht erreichbare Idealfall einer Differentialdrossel ohne Ohm′schen Widerstand und ohne magnetische Kernverluste beschrieben, bei dem ein dreieckförmiges Speisesignal I_s ein rechteckförmiges Antwort signal U_A ergibt. Trotz der Tatsache, daß die Spulen 4, 5 der Differentialdrossel 3 auch einen Ohm'schen Widerstand darstel len - jeder Leiter hat nur einen endlichen Widerstand - und trotz zusätzlicher magnetischer Verluste im Kern 6 der Diffe rentialdrossel 3 läßt sich ein rechteckförmiges Antwortsignal erreichen, wenn ein Speisesignal I_s verwendet wird, das den genannten Verlusten in der Differentialdrossel 3 dadurch Rechnung trägt, daß dem primär-dreieckförmigen Speisesignal ein rechteckförmiges Speisesignal überlagert wird, um eine Mischform des Speisesignals I_s zu schaffen. Ein derartiges Speisesignal I_S als Mischform ist in Fig. 2 dargestellt. Der Rechteck- und Dreieckanteil des Speisesignals I_S muß dabei so gewählt bzw. eingestellt werden, daß das Antwortsignal U_A rechteckförmig ist. Ändern sich die Ohm'schen Verluste in den Spulen 4 und 5 der Differentialdrossel 3 und/oder die magne tischen Verluste des Kerns 6 etwa durch Temperatureinflüsse, so muß der Rechteck- und Dreieckanteil des Speisesignals I_S entsprechend verändert werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, das Speisesignal I_S konstant zu halten, also auf eine Rechteckform des Antwortsignals U_A zu verzich ten, und stattdessen die Kurvenform des Antwortsignals U_A auszuwerten. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform wird nachfolgend anhand der Fig. 3a und 3b beschrieben.

Das Speisesignal I_S wird hinsichtlich seines Dreieck- und Rechteckanteils zunächst im wesentlichen so einjustiert, daß das Antwortsignal U_A bei einer vorgegebenen, vorzugsweise mittleren Temperatur rechteckförmig ist. Das Speisesignal I_S ist für diesen Fall in Fig. 3a dargestellt. Das dementspre chende Antwortsignal U_A ist in Fig. 3b durch eine ausgezogene Linie wiedergegeben.

Steigt die Temperatur an, nehmen auch die Ohm′schen Verluste zu, so daß bei unverändertem, konstantem Speisesignal I_S entsprechend Fig. 3a ein Signalverlauf des Antwortsignals U_A entsteht, der in Fig. 3b gestrichelt dargestellt ist. Nimmt dagegen die Temperatur der Spulen 4, 5 der Differentialdrossel 3 ab und verringern sich dadurch die Ohm'schen Verluste in den Spulen 4 und 5, ergibt sich bei konstantem Speisesignal I_S gemäß Fig. 3a ein Signalverlauf des Antwortsignals U_A wie er in Fig. 3b strich-punkt-liniert wiedergegeben ist.

Wählt man nun den diskreten Zeitpunkt für das Abtasten des Ab fragewerts in der Weise, daß er im Schnittpunkt der drei Kur venverläufe liegt, so sind die Abfragewerte unabhängig von Temperatur- oder sonstigen Änderungen, die in den Spulen und/oder im Kern der Differentialdrossel 3 auftreten können.

Der physikalische Hintergrund dieses Sachverhalts ist der, daß zu dem in dieser Weise gewählten Abtastzeitpunkt das perio dische Speisesignal I_S durch Null geht und daher in der Spule kein Strom fließt, was bedeutet, daß auch keine Ohm′schen Ver luste auftreten können. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung ist von besonderem Vorteil, da also zu den in der genannten Weise gewählten Zeitpunkten für die Abtastung, an denen das Speisesignal I_S durch Null geht, auf einfache Weise nur der Imaginärteil des komplexen Widerstands unab hängig von Realteil gemessen werden kann. Bei dieser Messung bleibt also der sich durch Temperaturschwankungen ändernde Realteil unberücksichtigt. Dadurch ist mit dieser sehr vor teilhaften erfindungsgemäßen Maßnahme auf einfachste Weise eine Temperaturkompensation bei der Messung erreichbar.

Anhand von Fig. 4 wird eine weitere Abwandlung des erfindungs gemäßen Verfahrens erläutert. Anstelle der Abfrage des Ant wortsignals U_A zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Speise signals I_S wird das beispielsweise auf Grund von Temperatur einflüssen nicht mehr korrekt rechteckförmige Antwortsignal U_A während des nunmehr nicht mehr waagerechten, sondern ge neigten Kurvenverlaufs wenigstens an zwei Zeitpunkten E und F abgefragt. Durch Bildung des Mittelwerts der an den Zeitpunk ten E und F abgefragten Signalwerte ergibt sich der Imaginär teil und durch Bildung der Differenz aus den ermittelten Ab fragewerten ergibt sich der Realteil des komplexen Wider stands. Auf diese Weise ist es ebenfalls möglich, sowohl den Real- als auch den Imaginärteil des komplexen Widerstands auf einfache Weise getrennt voneinander zu ermitteln, so daß auch bei dieser vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bei spielsweise wiederum eine Kompensation eines Temperaturgangs oder eine sonstige Meßwertkompensation auf einfachste Weise durchgeführt werden kann.

Beim Einsatz der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit Kapazitätsgebern muß lediglich die zuvor genannte Formel (1) durch die Formel

ersetzt werden, wobei I die Stromstärke, C die Kapazität und U die Spannung ist. Statt eines dreieckförmigen Stroms muß in diesem Falle eine dreieckförmige Spannung eingespeist werden und statt eines rechteckförmigen Ausgangssignals wird ein rechteckförmiger Ausgangsstrom als Antwortsignal abgefragt bzw. ausgewertet.

Ein weiteres, für praktische Meßzwecke besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 5 bis 8 beschrieben. Zwischen den beiden Kondensator platten 51 und 52 eines Kondensators 53 läuft kontinuierlich eine Papierbahn 54, deren Feuchtegehalt und/oder Flächendichte kontinuierlich gemessen werden soll. Der Kondensator wird mit einer periodischen dreieckförmigen Spannung beaufschlagt, die in Fig. 6a dargestellt ist. Der zu messenden Antwortstrom er gibt sich aus der Gleichung

die gegenüber der Gleichung (2) durch das Glied (1/R)×U ergänzt ist, welches einen ohm'schen Widerstand oder einen einem ohm′schen Widerstand entsprechenden Energieverlust berücksichtigt.

Weist die den Plattenkondensator 51 durchlaufende Papierbahn keine Wassermoleküle auf, ist die Papierbahn also trocken, so ergibt sich im Idealfall bei Beaufschlagen des Plattenkonden sators 51 mit einer dreieckförmigen Speisespannung U_s ein rechteckförmiger Verschiebestrom I_A als Antwortsignal, wie er in Fig. 6b durch die Kurve 61 dargestellt ist.

Enthält die Papierbahn dagegen Wassermoleküle, ist also das Papier feucht, so addiert sich zu der Papierkapazität die Kapazität der Wassermoleküle. Da die Wassermoleküle jedoch stark polar sind, entziehen sie dem elektrischen Feld des Kondensators 51 Energie aufgrund der Brown′schen Molekular bewegung und/oder der Umpolarisation.

In Fig. 6b ist der Verschiebestrom I_A als Kurve 62 für den Fall eingezeichnet, daß die Papierbahn Wassermoleküle enthält, also feucht ist. Bei der Feldumkehr müssen die polaren Wasser moleküle umpolarisiert werden, was eine relativ hohe Energie beansprucht. Dem Kondensatorfeld wird daher viel Energie ent zogen, so daß der Verschiebestrom I_A stark abfällt. Dies ist in Fig. 6b durch den starken Einbruch 64 der Verschiebestrom kurve zu Beginn einer Halbperiode ersichtlich. Neben der Ener gie zur Umpolarisierung entziehen die Wassermoleküle dem Feld weiterhin Energie durch ihre thermische Bewegung entsprechend der Clausius Mosotti-Gleichung. Dies wiederum bedeutet eben falls Verluste ähnlich denen, wie sie in einem Widerstand ent stünden, der parallel zum Plattenkondensator 51 gelegt wäre. Dadurch wird dem rechteckförmigen Verschiebestrom ein dreieck förmiger Strom überlagert, der sich in Fig. 6b durch den im wesentlichen kontinuierlich ansteigenden Kurvenabschnitt 63 ausdrückt, und der in Gleichung (3) durch das Glied (1/R)×U ausgedrückt ist. Dieser Kurvenverlauf ist abhängig von der Temperatur und dem Dipolmoment des Moleküls. Durch die Messung von zwei Werten des Antwortstroms I_A im Bereich 63 der im we sentlichen kontinuierlich ansteigenden Kurve kann die Kurven steigung in diesem Bereich ermittelt und dadurch können die Energieverluste im Plattenkondensator 51 bestimmt werden. Die Kapazität des Kondensators ist durch folgende Gleichung gege ben:

E = ε N₁ + β N₂ + γ(T) · N₂ (4)

Hierbei ist

E die Kapazität;
ε ein Maß für die Dielektrizitätskonstante des Papiers;
N₁ ein Maß für die Flächendichte;
N₂ ein Maß für den Feuchtegehalt;
β/γ eine temperaturabhängige Material-Konstante von Wasser.

Um die temperaturabhängige Materialkonstante des Wassers für die auftretenden Temperaturen zu bestimmen, kann zusätzlich zu den beschriebenen Messungen jeweils auch eine Temperaturmes sung durchgeführt werden, oder es können Kurven der Material konstanten γ in Abhängigkeit der Temperatur aufgestellt wer den. Da die Kapazität des Plattenkondensators 51 durch seine Stromaufnahme gemessen werden kann, ist es mit der Gleichung (4) möglich, die Flächendichte und/oder den Feuchtegehalt der zu prüfenden Papierbahn kontinuierlich und aus den bereits früher beschriebenen Gründen sehr schnell zu ermitteln.

Selbstverständlich ist es auch im Zusammenhang mit diesem Aus führungsbeispiel möglich, aus den zuvor beschriebenen Gründen diskrete Zeitpunkte für das Abtasten der Abfragewerte, etwa bei Null-Durchgängen zu wählen, oder weitere Maßnahmen zu treffen, um Temperaturkompensation bei den Messungen zu errei chen, wie dies zuvor anhand alternativer Ausführungsbeispiele bereits beschrieben wurde.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren gemäß des anhand der Fig. 5 und 6 beschriebenen Ausführungsbeispiels ist jedoch nicht auf ein Verfahren zur Messung der Feuchte und/oder des Flächenge wichts von Papier beschränkt. Vielmehr ist es mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren möglich, auch die Eigenschaften anderer Stoffe und Materialien, die polare Moleküle aufweisen, bzw. deren Menge schnell und zuverlässig zu bestimmen. Insbesondere durch die durch die Feldumkehr des Speisesignals hervorgeru fenen Energieverluste, wie in Fig. 6 durch den Einbruch 64 der Kurve 62 deutlich wird, ist es möglich, das Dipolmoment bzw. die Art der polaren Moleküle und damit der zu untersuchenden Materialien festzustellen. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, die Dipolstärke des Stoffers festzustellen, näm lich durch die Lage des Schnittpunktes 65 der Kurve 61 (Ver schiebestrom ohne Dipole) mit der Kurve 62 (Verschiebestrom mit Dipolen). Es ergibt sich dadurch das Verhältnis β : γ. Ist der Schnittpunkt 65 weiter rechts, ist die Dipolstärke größer, ist der Schnittpunkt 65 weiter links, ggf. auch links von der Ordinate, ist die Dipolstärke kleiner.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale im Zusammenhang mit Widerstandsgebern ist ebenfalls ohne weiteres möglich. In diesem Falle wird der Widerstandsgeber mit einer rechteckför migen Spannung beaufschlagt. Die zuvor anhand von Induktiv- und Kapazitivgebern erläuterten erfinderischen Maßnahmen sind daher auch in identischer Weise auf Widerstandsgeber anwend bar.

Claims

1. Verfahren zum Messen physikalischer Größen, bei dem ein periodisches Speisesignal abgegeben und ein Antwortsignal ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesignal eine vorgegebene Signalform aufweist, und daß das Antwortsignal während wenigstens einer Signal periode an wenigstens einem diskreten Zeitpunkt abgefragt wird, und der wenigstens eine diskrete Abfragewert ausge wertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfragezeitpunkt in zeitlichem Bezug zum Speisesignal ge wählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abfragezeitpunkt in zeitlichen Bezug zu einem Nulldurchgang des Speisesignals steht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal beim Nulldurchgang des Speisesignals abgefragt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesignal eine im wesentlichen dreieckförmige periodische Spannung ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge Kennzeichnet, daß das Speisesignal ein im wesentlichen dreieckförmiger, periodischer Strom ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Speisesignal eine im wesentlichen rechteckförmige Spannung ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesignal eine Mischform ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speisesignal trapezförmig ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form des Speisesignals so gewählt und/oder geändert wird, daß das Antwortsignal rechteckför mig ist bzw. bleibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Form des Antwortsignals ausgewertet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal während einer Perio de des Speisesignals an mehreren Zeitpunkten abgefragt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal während wenigstens einer Periode an wenigstens zwei Punkten abgefragt, und die Abfragewerte gemittelt und/oder die Differenz aus den Abfragewerten gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragewerte zur Ermittlung von Materialeigenschaften ausgewertet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Art des Materials durch Auswertung der Abfragewerte ermittelt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantität des Materials durch Auswertung der Abfragewerte ermittelt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Material in einen Plattenkondensator gebracht wird, der mit einer dreieckförmigen Spannung beaufschlagt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Material den Plattenkondensator kontinuierlich durchläuft.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Papierbahn durch den Plattenkon densator geführt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächengewicht der Papierbahn gemessen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn zeichnet, daß der Wassergehalt der Papierbahn gemessen wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt und/oder die Flächendichte der Papierbahn nach folgender Gleichung ermittelt wird: E = ε N₁ + β N₂ + γ(T) · N₂Hierbei istE die Kapazität;
ε ein Maß für die Dielektrizitätskonstante des Papiers;
N₁ ein Maß für die Flächendichte;
N₂ ein Maß für den Feuchtegehalt;
β/γ eine temperaturabhängige Material-Konstante von Wasser.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur zur Ermittlung der temperaturabhängigen Konstanten gemessen wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften von Materialien mit polaren Molekülen durch die durch die Feldumkehr des Speisesignals hervorgerufenen Energieverluste ermittelt werden.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Abfragewerte mit einem Mikroprozessor erfolgt.

26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Signalgeber und einem Sig nalaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber eine Signalformerschaltung (1) und der Signalaufnehmer eine Abtastschaltung (6) zum Abfragen des Antwortsignals während wenigstens einer Signalperiode an wenigstens einem diskreten Zeitpunkt aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal-Aufnehmer eine Sample- and-Hold-Schaltung (6) aufweist.