DE4413840A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Messung an einem Objekt - Google Patents
Vorrichtung zur berührungslosen Messung an einem ObjektInfo
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- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur be
rührungslosen Messung an einem Objekt, das ein Substrat mit
einem möglichen Auftrag eines Mediums umfaßt, das vorzugsweise
einen flüssigen bis pastenförmigen Zustand aufweist, mit einer
ersten, im Betrieb mit einer Wechselspannung beaufschlagten
Elektrode, der eine zweite Elektrode zugeordnet ist, die mit
einer Meßvorrichtung verbunden ist, wobei sich zwischen den
beiden Elektroden infolge der angelegten Wechselspannung ein
elektrisches Feld aufbaut, das von dem Objekt während der Messung
derart beeinflußt wird, daß die Meßvorrichtung ein für das Objekt
kennzeichnendes Signal ausgibt.
Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-PS 39 34 852
oder aus der DE-OS 23 62 835 bekannt.
Diese Vorrichtungen dienen beispielsweise dazu, in einer
Fertigungsstraße das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer
Leimnaht auf einer Kartonage, einem Papier, einer Kunststoffolie
oder ähnlichen Artikeln festzustellen. Die Fertigungsgeschwindig
keit ist in solchen Anlagen erheblich, so daß eine Überwachung
durch bloßen Augenschein nicht mehr möglich ist. Das Vorhanden
sein der Leimnaht sowie ihr präziser Beginn und ihr definiertes
Ende sind jedoch sowohl für die weitere Verarbeitung der
Substrate als auch für die spätere Funktion der daraus gefertig
ten Produkte von erheblicher Bedeutung.
Die Erfindung ist nicht auf das Auftragen von Leimnähten oder
Leimspuren beschränkt. Sie ist sowohl auf andere flüssige als
auch pastenförmige Medien wie Leim gerichtet, als auch auf
Aufträge in anderen geometrischen Konfigurationen, z. B. flächige
Aufträge. Als Substrat kommen flächige Zuschnitte und fort
laufende Bahnen in Betracht. Im allgemeinen werden die Elektroden
feststehend angeordnet sein, so daß sich das Substrat an den
Elektroden vorbeibewegt.
Bei den bekannten Vorrichtungen werden kapazitive Sensoren
verwendet, bei denen die beiden eine Kapazität bildenden
Elektroden in der Nähe des Auftrages angeordnet sind und mit
einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt werden. Die
Elektroden sind in einer Ebene nebeneinander angeordnet und
das zu vermessende Objekt bewegt sich unter den beiden Elektroden
und parallel zu diesen.
Der so gebildete Kondensator ist Bestandteil eines Hochfrequenz
schwingkreises. Da das Auftragsmedium eine andere Dielektrizi
tätskonstante aufweist als das Substrat und als die Umgebung,
ändert sich die Kapazität des Kondensators, wenn das Objekt
an den Elektroden vorbeibewegt wird. Durch diese Kapazitäts
änderung ändert sich die Frequenz des mit dem Kondensator
gebildeten Schwingkreises. Diese Änderung kann meßtechnisch
erfaßt werden.
Während bei der DE-OS 23 62 835 die beiden nebeneinander
stehenden Elektroden mit einem Schwingkreis verbunden sind,
ist gemäß der DE-PS 39 34 852 eine Viertelwellenlängenleitung
vorgesehen, die das frequenzbestimmte Element des Hochfrequenz
schwingkreises ist, der durch die Änderung der dielektrischen
Verhältnisse vor dem offenen Ende dieser Leitung verändert wird.
Um reproduzierbare Messungen zu ermöglichen, müssen die Elek
troden sehr dicht oberhalb des Objektes in einem bestimmten
und definierten Abstand angeordnet sein, was hohe Anforderungen
an die Führung des Objektes stellt. Ferner wird dadurch die
Geschwindigkeit der Vorbeibewegung des Objektes an den Elektroden
begrenzt, denn insbesondere bei dünnen Papierbahnen, die z. B.
zu Bäckertüten verarbeitet werden, kommt es bei höherer Trans
portgeschwindigkeit zu einem "Flattern" der Bahn, das sich auf
das Meßergebnis nachteilig auswirkt.
Ferner ist insbesondere bei Hochfrequenzschwingkreisen die
Temperaturabhängigkeit und die mangelnde Selektivität von
Nachteil. Die Messung spricht z. B. nicht nur auf den Leim sondern
auch auf Umgebungseinflüsse wie Feuchtigkeit, Material
schwankungen etc. an. Darüberhinaus ist der erzielte Meßwert
klein gegenüber dem Materialgrundwert, so daß sich keine
zufriedenstellende Linearisierung ergibt.
Aus der EP-B-0 038 551 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen
Bestimmung der Lage und der dielektrischen Eigenschaften von
Objekten bekannt. Die bekannte Vorrichtung verwendet zwei
felderzeugende Elektroden, zwischen denen eine dritte Elektrode
angeordnet ist, die als Meßelektrode wirkt. Die beiden feld
erzeugenden Elektroden werden aus zwei verschiedenen Spannungs
quellen versorgt, die so eingestellt sind, daß das Potential
an der Stelle der Meßelektrode Null ist, wenn kein zu erfassendes
Objekt anwesend ist.
Die drei Elektroden sind in einer Ebene angeordnet, so daß sich
das Meßobjekt unter ihnen vorbeibewegt. Das sich vorbeibewegende
Meßobjekt bewirkt jetzt entsprechend den Abstandsverhältnissen
zu der Meßelektrode ein Ausgangssignal in einer zugeordneten
Meßvorrichtung, das von dem Abstand des Meßobjektes zu der
Meßelektrode sowie von den dielektrischen Gegebenheiten abhängt.
Die Anordnung ist so gewählt, daß sich eine starke Abstands
abhängigkeit ergibt, um die gewünschten Abstandsmessungen gut
durchführen zu können. Die bekannte Vorrichtung ist insgesamt
sehr kompliziert aufgebaut und benötigt viele gesondert einstell
bare Teile, um ihre Aufgabe erfüllen zu können.
In diesem Dokument wird ferner diskutiert, daß es bei den
Ausgangssignalen eine Mehrdeutigkeit gibt, so daß bestimmte
Abstandsbereiche zu der Meßelektrode für das zu messende Objekt
"verboten" sind.
Damit eignet sich auch diese Vorrichtung nicht dazu, z. B. den
Leimauftrag auf sich schnell bewegende Papierbahnen zu kon
trollieren.
Es besteht jedoch ein Bedarf an derartigen Vorrichtungen, mit
denen nicht nur das Vorhandensein oder Fehlen des Leimauftrages
sowie die genaue Lage des Leimauftrages auf dem Substrat gemessen
werden kann, sondern mit denen darüberhinaus auch die Dicke
des Leimauftrages bestimmt werden kann. Ferner wäre es wünschens
wert, wenn derartige Vorrichtungen dazu in der rage wären,
zusätzliche Aussagen über die Qualität des Substrates zu liefern.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung von der eingangs genannten Art dahingehend
weiterzubilden, daß sie bei einfachem Aufbau weitgehend un
abhängig gegenüber geringen Lageschwankungen des Objektes ist,
so daß auch dünne Substrate, die sich mit hoher Geschwindigkeit
an den Elektroden vorbeibewegen, sicher vermessen werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten
Vorrichtung dadurch gelöst, daß die beiden Elektroden räumlich
in einem Abstand so zueinander angeordnet sind, daß sie mit
ihren Elektrodenflächen aufeinander zu weisen, so daß sich das
Objekt während der Messung zwischen den Elektrodenflächen
befindet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise
vollkommen gelöst. Der Erfinder hat nämlich gefunden, daß es bei
dieser Anordnung der Elektroden zu dem zu vermessenden Objekt
überraschenderweise eine sehr viel geringere Abstandsabhängigkeit
ergibt als bei den Anordnungen aus dem Stand der Technik, wo sich
die Elektroden auf der selben Seite des Objektes befinden. Wenn
sich das Objekt etwa in der Mitte zwischen den beiden Elektroden
befindet, so beeinflußt das oben erwähnte "Flattern" einer Pa
pierbann das Meßergebnis nicht. Darüberhinaus ist eine Justierung
der Elektroden bezüglich ihrer vertikalen und/oder horizontalen
Lage gegenüber dem Objekt unkritisch, Verschiebungen innerhalb
der Flächen der Elektroden beeinflussen die Messung nicht.
Da sich das zu vermessende Objekt jetzt sozusagen im "Inneren"
des Kondensators befindet, sind auch die beim Stand der Technik
stark störenden Hintergrundeinflüsse zu vernachlässigen.
Mit der neuen Vorrichtung kann daher jetzt zum einen ein Substrat
zur Bestimmung der in ihm enthaltenen Feuchte vermessen werden.
Da die Lage des Substrates zwischen den Elektroden nicht kritisch
ist, wird das relativ kleine Meßsignal - verglichen mit der Mes
sung von Leimauftrag - nicht übermäßig von Störungen überlagert,
die sich aus der Lageungenauigkeit oder aus Hintergrundeinflüssen
ergeben.
Beim Aufbringen von wasserhaltigen Aufträgen, wie z. B. Leim,
auf trockene Substrate dominiert aufgrund der hohen Dielektri
zitätszahl des Auftrags dieser das Meßsignal. Der auf das
Substrat zurückgehende Anteil des Meßsignales liegt typischerwei
se bei ca. 10% oder weniger des gesamten Meßsignales, wenn
sich ein Auftrag auf dem Substrat befindet. Bei Objekten mit
Auftrag ist das Meßsignal dann weitgehend unabhängig vom
Substrat, während dennoch bei reinen Substratmessungen Aussagen
über den Feuchtegehalt des Substrates möglich sind, da es keine
kritischen Überlagerungen durch Lagewerte etc. gibt.
Darüberhinaus ist die Horizontalposition z. B. der Leimnaht,
also allgemein des Auftrags, innerhalb der Elektrodenfläche
beliebig, eine Signaländerung ergibt sich erst dann, wenn der
Auftrag die Fläche verläßt. Die Fläche kann dabei wesentlich
größer sein als der Auftrag selbst, so daß auch eine große
Horizontalverschiebung ohne Einfluß auf das Meßsignal bleibt.
Das Substrat selbst muß auch nicht die ganze Fläche der Elek
troden ausfüllen, bei der Messung des Auftrags stört es nicht,
wenn ein Teil der Elektrodenfläche frei bleibt. Soll dagegen
das Substrat selbst vermessen werden, so ist es von Vorteil,
wenn die ganze Elektrodenfläche vom Substrat überdeckt wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist es dann besonders bevorzugt,
wenn die Meßvorrichtung einen Spannungsverstärker umfaßt, der
an der zweiten Elektrode eine Wechselspannung mißt, deren
Amplitude für das Objekt kennzeichnend ist.
Diese Maßnahme ist aus konstruktiven Gründen von Vorteil, denn
sie führt zu einem sehr einfachen Aufbau der Meßvorrichtung,
die z. B. einen Spannungsmesser, ein Elektrometer etc. enthalten
kann. Verglichen mit den komplizierten Schaltungen aus dem Stand
der Technik, die zur Messung der dort als Meßgröße verwendeten
Frequenzverschiebung verwendet werden, weist die neue Vorrichtung
damit insbesondere schaltungstechnisch große Vorteile auf.
Diese Maßnahme ist aber auch deshalb bevorzugt, weil sie die
Meßgenauigkeit und Meßmöglichkeit der neuen Vorrichtung ent
scheidend beeinflußt. Die an der zweiten Elektrode gemessene
Wechselspannung ist zum einen von der gesamten geometrischen
Anordnung, der Amplitude und der Frequenz der angelegten
Wechselspannung abhängig, und zum anderen von den dielektrischen
Eigenschaften des Objektes, das sich zwischen den beiden
Elektroden befindet. Die geometrischen Bedingungen können
mechanisch konstant gehalten werden und die Amplitude und die
Frequenz der Wechselspannung lassen sich elektrisch leicht
stabilisieren, so daß das Meßsignal letztendlich nur noch von
den dielektrischen Eigenschaften des Objektes zwischen den
Elektroden abhängt. Eine Zunahme der Dicke des Auftrages bewirkt
dabei eine Zunahme der gemessenen Spannung.
Die Signaländerung ist von der Menge und von der Dielektrizitäts
zahl des Auftrages und/oder des Substrates abhängig, bei
konstanter Dielektrizitätszahl also letztendlich von der
Auftragsmenge. Unter den für die Messung geeigneten Medien nimmt
Wasser aufgrund seiner hohen Dielektrizitätszahl gegenüber
anderen Medien eine Sonderstellung ein. Wasser hat z. B. eine
Dielektrizitätszahl von 81 während Papier und Kunststoffe
typischerweise Dielektrizitätszahlen im Bereich zwischen 2 und
10 aufweisen. Wasser ist nun aber in den üblichen (Kalt-)Leim-
Aufträgen in hohen Anteilen enthalten, so daß wasserhaltige
Aufträge ein hohes Meßsignal ergeben, während die Substrate
selbst ein entsprechend der Dielektrizitätszahl wesentlich
geringeres Meßsignal ergeben, das ca. um einen Faktor 10 tiefer
liegt. Da Wasser selbst auch als Feuchtigkeit im Substrat
vorhanden sein kann, ist auch eine Messung der Substratfeuchte
möglich.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Konstanz des Meßsignales durch
die mechanische Stabilität der Anordnung und die elektrische
Stabilität von Amplitude und Frequenz der angelegten Wechsel
spannung sowie von der Konstanz des Spannungsverstärkers abhängt.
Da alle Größen leicht und vor allem voneinander unabhängig stabil
gehalten werden können, weist die neue Vorrichtung eine ausge
zeichnete Langzeitstabilität auf, so daß besondere Regelschal
tungen nicht erforderlich sind.
Ferner ist die Meßgeschwindigkeit nur von der Leistungsfähigkeit
der Elektronik abhängig, so daß auch bei sehr schnell zwischen
den Elektroden hindurchbewegten Objekten eine zuverlässige
Messung möglich ist.
Schließlich kann die Meßempfindlichkeit auf einfache Weise durch
Erhöhung der Amplitude der angelegten Wechselspannung und/oder
durch Erhöhung des Verstärkungsfaktors des Spannungsverstärkers
erhöht werden. Da keine Frequenzabgleiche etc. erforderlich
sind, weint die neue Vorrichtung damit erhebliche konstruktive
und betriebsmäßige Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen
auf. So ermöglicht die hier verwendete Amplitudenmessung es
zum Beispiel, daß Störungen herausgefiltert werden können, die
in anderen Frequenzbereichen liegen, was beim Stand der Technik
nicht so einfach möglich ist, da dort ja gerade die Frequenzver
schiebung das eigentliche Meßsignal darstellt.
Insgesamt ist es hier bevorzugt, wenn zwischen der zweiten
Elektrode und der Meßvorrichtung eine Additionsstufe vorgesehen
ist, in der der von der zweiten Elektrode stammenden Wechsel
spannung eine zu der angelegten Wechselspannung gegenphasige
zweite Wechselspannung hinzu addiert wird.
Auch diese Maßnahme ist im Hinblick auf die Messung kleiner
Signale von Vorteil, denn der auf der angelegten Wechselspannung
beruhende Offset wird schon vor der Meßvorrichtung kompensiert.
Mit anderen Worten, mit dieser Ausbildung müssen nicht kleine
Differenzen großer Zahlen sondern die kleinen Differenzen selbst
direkt gemessen werden. Dies erhöht die Meßgenauigkeit, wobei
ein Feinabgleich über die Amplitude der zweiten Wechselspannung
möglich ist.
Hier sei noch erwähnt, daß äquivalent natürlich auch eine
gleichphasige Wechselspannung subtrahiert werden kann, was vom
Ergebnis her jedoch identisch ist.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die zweite Elektrode über einen
Ableitwiderstand an den Verstärker angeschlossen ist, der
vorzugsweise einen hochohmigen Eingang aufweist.
Diese Maßnahme ist schaltungstechnisch von Vorteil, denn sie
verhindert auf einfache Weise eine statische Aufladung der
Elektrodenanordnung.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Additionsstufe eine dritte
Elektrode umfaßt, die in geringem Abstand zu einer von der
zweiten Elektrode zu der Meßvorrichtung führenden Signalleitung
angeordnet ist, und die die zweite Wechselspannung an die
Signalleitung ankoppelt.
Auch diese Maßnahme ist schaltungstechnisch von Vorteil, da
in einem sehr einfachen Aufbau die als Referenz dienende zweite
Wechselspannung angekoppelt wird. Da die dritte Elektrode im
Sensorgehäuse angeordnet werden kann, erfolgt keine Beeinflussung
durch das Objekt. Die dritte Elektrode dient lediglich dazu,
die Addierstufe schaltungstechnisch einfach auszuführen.
Hier ist es weiter bevorzugt, wenn die Meßvorrichtung ein auf
die angelegte Wechselspannung abgestimmtes Bandpaßfilter umfaßt.
Diese Maßnahme erhöht die Meßgenauigkeit und Meßempfindlichkeit
der neuen Vorrichtung noch einmal erheblich. Da sich die Frequenz
der angelegten Wechselspannung nicht ändert, können durch das
angepaßte Bandpaßfilter Störungen herausgefiltert werden, die
von der Umgebung, aus dem Spannungsnetz oder von der Maschine
stammen, die die zu vermessenden Objekte transportiert und/oder
verarbeitet bzw. bearbeitet. Dies ermöglicht eine einfache
Schwellwertdetektion, so daß die Auswertung lediglich den
Vergleich mittels eines vorgegebenen oder zuvor nach Art eines
"Teach-In"-Verfahrens eingelesenen Wertes durchführen muß.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Meßvorrichtung eine Detektor
schaltung umfaßt, die die von der zweiten Elektrode stammende
Wechselspannung in ein Gleichspannungssignal umsetzt und dabei
ggf. die Phasenlage der gemessenen Wechselspannung mit der
Phasenlage der angelegten Wechselspannung vergleicht.
Diese Maßnahme ist bevorzugt, weil sie eine einfache Signal
aufbereitung für einen nachgeschalteten Rechner darstellt, wobei
die Phasenlage neben der Amplitude als zweite Meßgröße einbezogen
werden kann, so daß zusätzliche Informationen über das Meßobjekt
gewonnen werden können.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn die beiden Elektroden in
Sensorarmen untergebracht sind, die je ein metallisches Gehäuse
aufweisen, wobei die Elektroden unter einer elektrisch nicht
leitenden Abdeckung angeordnet sind.
Hier ist von Vorteil, daß eine einfache und sichere Abschirmung
und ein entsprechender Schutz vor sowohl elektromagnetischer
als auch sonstiger mechanischer Verschmutzung gegeben ist.
Eine Verschmutzung der Elektrodenflächen z. B. durch Leimspritzer
kann darüberhinaus kompensiert werden, wenn eine Referenzmessung
ohne Substrat oder zumindest ohne Auftrag möglich ist, wie es
z. B. bei intermittierender Beleimung in der Leimlücke oder bei
der Beleimung einzelner Zuschnitte in den Lücken zwischen den
Zuschnitten gegeben ist. Diese Kompensation kann darin bestehen,
daß die Amplitude der angelegten Wechselspannung und/oder der
Verstärkungsfaktor des Spannungsverstärkers erhöht oder auch
verringert werden. Bei Tests hat sich gezeigt, daß die Genauig
keit der Messung von der Verschmutzung der Elektroden in weiten
Grenzen unabhängig gehalten werden kann.
Darüberhinaus kann das Kompensationssignal ebenfalls überwacht
werden, um so bei einer zu starken Verschmutzung der Elektroden
eine entsprechende Meldung auslösen zu können.
Diese Kompensation erlaubt also die Anwendung der neuen Vor
richtung in schmutzanfälligen Umgebungen, da die Verschmutzung
überwacht und kompensiert werden kann. Das Meßprinzip eignet
sich in gleicher Weise aber sowohl für kontinuierliche als auch
für diskontinuierliche Überwachung, wobei es besonders für hohe
Meßgeschwindigkeiten geeignet ist.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn die angelegte Wechselspannung
eine konstante Frequenz und vorzugsweise eine konstante Amplitude
aufweist.
Zwar wäre es möglich, sowohl die Frequenz als auch die Amplitude
der angelegten Wechselspannung jeweils an das neu zu vermessende
Objekt anzupassen, um eine möglichst große Empfindlichkeit zu
erzielen, bei konstanter Frequenz ist aber von Vorteil, daß
der Aufbau der Meßvorrichtung und der die angelegte Wechsel
spannung liefernden Wechselspannungsquelle sehr einfach sein
können. Alle Komponenten können darüberhinaus auf die Frequenz
der angelegten Wechselspannung ausgelegt sein, so daß eine sehr
frequenzselektive Messung möglich ist.
Insgesamt ist es bevorzugt, wenn der Abstand der Elektroden
flächen zueinander größer als 10 mm, vorzugsweise größer oder
gleich 20 mm ist.
Hier ist von Vorteil, daß der große Abstand der Elektroden eine
große Variation in der Substratdicke und/oder der Auftragsmenge
erlaubt. Diese große Öffnungsweite erlaubt darüberhinaus eine
einfache Führung des Substrates, wobei zumeist gar keine Führung
erforderlich ist. Ferner verhindert dieser große Abstand
wesentlich die Verschmutzung der Elektroden.
Insgesamt bleibt festzustellen, daß die neue Vorrichtung wegen
der Anordnung des Objektes zwischen den Elektroden und wegen
der Messung der Wechselspannung an der zweiten Elektrode nicht
nur ein Meßsignal liefert, das gegenüber Lageschwankungen des
Objektes zwischen den Elektroden weitgehend unabhängig ist,
sondern das sich auf einfache Weise so weiterverarbeiten läßt,
daß sich sowohl Aussagen über das Substrat als auch Aussagen
über den Auftrag gewinnen lassen. Insbesondere die Kompensation
des Offset durch die Additionsstufe sowie die Verwendung des
Bandpaßfilters führen zu einer hohen Meßgenauigkeit und einer
großen Unempfindlichkeit gegenüber Störungen von außen, wie
sie bei den bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik
nicht erreichbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der
beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach
stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils
angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen perspektivischen Darstellung
die neue Vorrichtung im Betriebszustand;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der neuen Vorrichtung
aus Fig. 1, gesehen längs der Linie II-II aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Kurve, die die Abhängigkeit des Ausgangssignales
der neuen Vorrichtung aus Fig. 1 von der vertikalen
Lage des Objektes zwischen den Elektroden darstellt;
und
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Additionsstufe, wie
sie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist.
In Fig. 1 ist mit 10 eine neue Vorrichtung bezeichnet, die ein
Sensorgehäuse 11 umfaßt, von dem parallel zueinander zwei
Sensorarme 12 und 13 abstehen.
Zwischen den Sensorarmen 12 und 13 bewegt sich in Richtung des
Pfeiles 14 ein Objekt 15, an dem die Vorrichtung 10 Messungen
durchführt.
Das Objekt umfaßt ein Substrat 16 aus Papier, Pappe, Kunststoff
etc., auf dem in einem Bereich 17 ein Auftrag 18 von Leim oder
einem sonstigen Klebstoff aufgebracht ist. Aufgabe der Vor
richtung 10 kann es z. B. sein, den Beginn und das Ende des
Bereiches 17 zu erfassen und/oder die Dicke des Auftrages 18
zu messen. Ferner kann mit der Vorrichtung 10 der Feuchtegehalt
des Substrates 16 bestimmt werden. Die Objekte 15 können dabei
entweder in Endlosbahnen vorliegen, die wie in Fig. 1 gezeigt
frei und ungeführt zwischen den Sensorarmen 12 und 13 hindurch
gehen, es können jedoch auch einzeln herantransportierte
Zuschnitte sein. Ferner kann die Vorrichtung 10 dazu verwendet
werden, eine kontinuierliche Beleimung auf einer kontinuierlichen
Bahn zu bestimmen.
In Fig. 2 ist in einer schematischen Ansicht längs der Linie
II-II aus Fig. 1 die neue Vorrichtung 10 mehr im Detail gezeigt,
wobei der Auftrag 18 zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt
ist.
Jeder Sensorarm 12 und 13 umfaßt ein metallisches Gehäuse 21
bzw. 22, das mit dem Sensorgehäuse 11 verbunden ist. In dem
Gehäuse 22 des Sensorarmes 13 ist eine erste Elektrode 23
angeordnet, die einer zweiten Elektrode 24 in dem Gehäuse 21
des Sensorarmes 12 so gegenüberliegt, daß sich das Substrat
16 mit darauf befindlichem Auftrag 18 zwischen Flächen 25, 26
der Elektroden 23, 24 befindet. Die Elektrodenflächen 25, 26
weisen zueinander einen vertikalen Abstand a auf, wobei sich
das Substrat 16 in einem Abstand x zu der Elektrodenfläche 26
der zweiten Elektrode 24 und im wesentlichen parallel zu dieser
bewegt.
Die erste Elektrode 23 ist mit einer Wechselspannungsquelle
31 verbunden, über welche sie mit einer bei 32 angedeuteten
Wechselspannung beaufschlagt wird, so daß sich im Betrieb
zwischen den Elektroden 23, 24 ein elektrisches Feld aufbaut.
Die zweite Elektrode 24 ist mit einer Meßvorrichtung 33 ver
bunden, die an ihrem Ausgang ein Signal A ausgibt, das für das
Objekt 15 kennzeichnend ist.
Die Dielektrizitätszahl oder auch Dielektrizitätskonstante des
Substrates 16 sowie des Auftrags 18 unterscheiden sich von Luft,
so daß an der zweiten Elektrode 24 eine Wechselspannung zu messen
ist, die davon abhängt, ob sich ein Substrat 16 zwischen den
Elektroden 23, 24 befindet, ob ferner auf diesem Substrat ein
Auftrag 18 vorhanden ist und ob das Substrat 16 Feuchte enthält
oder nicht. Ferner ist das Signal A von der Dicke des Auftrags
18 und genauer von der Menge an Auftrag 18 zwischen den Elek
trodenflächen 25, 26 abhängig.
Die an der zweiten Elektrode 24 zu messende Wechselspannung
gelangt auf einer Signalleitung 35 in einer Additionsstufe 36,
wo ihr eine bei 37 anstehende, zu der angelegten Wechselspannung
32 gegenphasige Wechselspannung hinzuaddiert wird. Statt der
Additionsstufe 36 könnte auch eine Subtraktionsstufe vorgesehen
sein, die eine zu der angelegten Wechselspannung 32 phasengleiche
Wechselspannung subtrahiert.
Zweck der Additionsstufe 36 ist es, den Offset zu kompensieren,
der aus der angelegten Wechselspannung 32 herrührt.
Die Signalleitung 35 geht als Signalleitung 38 aus der Additions
stufe 36 heraus. Die Signalleitung 38 ist über einen mit Masse
verbundenen Ableitwiderstand 39 mit einem Spannungsverstärker
41 verbunden. Zweck des Ableitwiderstandes 39 ist es, eine
statische Aufladung der Elektroden 23, 24 zu verhindern.
Auf diese Weise empfängt der Spannungsverstärker 41 ein Wechsel
spannungssignal, dessen Amplitude ein Maß für die dielektrischen
Eigenschaften des Objektes 15 ist, wenn sich dieses zwischen
den Elektroden 23 und 24 befindet.
Auf den Spannungsverstärker 41 folgt ein Bandpaßfilter 42, das
an die Frequenz der angelegten Wechselspannung 32 angepaßt ist.
Auf diese Weise können in dieser Signalverarbeitung alle
Störungen herausgefiltert werden, die sich von der Frequenz
der angelegten Wechselspannung 32 unterscheiden. Derartige
Störungen können z. B. aus dem Spannungsnetz oder von laufenden
Maschinen herrühren.
Auf das Bandpaßfilter 42 folgt ein Detektor 43, der das von
dem Bandpaßfilter 42 ausgegebene Wechselspannungssignal in ein
Gleichspannungssignal umwandelt, das er als Signal A ausgibt.
Der Detektor 43 ist ferner über eine Phasenleitung 44 mit der
Wechselspannungsquelle 31 verbunden, so daß er zusätzlich zu
der Amplitude auch die unterschiedlichen Phasenlagen zwischen
der angelegten Wechselspannung 32 sowie der von der zweiten
Elektrode 24 stammenden Wechselspannung mit berücksichtigen
kann.
In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Meßsignales A von dem Abstand
x aufgetragen, den das Substrat 16 zu der zweiten Elektrode 24
einnimmt. Die Kurve gemäß Fig. 3 beruht auf einer Messung, die
an einem Prototypen der neuen Vorrichtung 10 durchgeführt wurde.
Aus dieser Kurve gemäß Fig. 3 ergibt sich, daß die neue Vorrich
tung 10 sehr unempfindlich gegen ein Flattern oder eine sonstige
Lageverschiebung des Substrates 16 zwischen den Elektroden 23,
24 ist. In Fig. 3 zeigt eine obere Kurve 46 eine Messung an
einem Substrat 16 mit Auftrag 18, während eine untere Kurve 47
lediglich eine Messung an einem Substrat 16 widerspiegelt. In
dem gezeigten Beispiel ist der Abstand a ungefähr gleich 20 mm.
Es ist zu erkennen, daß sich das Meßsignal A kaum ändert, wenn
das Substrat 16 sich um mehrere mm aus seiner Mittenlage bei
x = 10 mm entfernt. Es ist weiter zu erkennen, daß das Substrat
16 nur ca. 10% des gesamten Signales A ausmacht.
In Fig. 4 ist noch ein Ausführungsbeispiel der Additionsstufe
36 aus Fig. 2 gezeigt. Die Additionsstufe 36 umfaßt eine dritte
Elektrode 49, die die bei 37 anstehende Wechselspannung an die
Signalleitung 35, 38 ankoppelt. Da die bei 37 anstehende
Wechselspannung gegenphasig zu der angelegten Wechselspannung
32 ist, wird auf diese Weise auf der Signalleitung 38 ein Signal
bereitgestellt, das die Differenz zwischen den bei 35 und 37
anstehenden Wechselspannungen darstellt. Über die Feinjustierung
der Elektrode 49 sowie über die Amplitude der bei 37 anstehenden
Wechselspannung kann ein Abgleich durchgeführt werden, so daß
der Spannungsverstärker 41 optimale Eingangsbedingungen erhält.
Abschließend sei bemerkt, daß das Meßobjekt 15 keinen Einfluß
auf die Ankopplung in der Additionsstufe 36 hat, da sich die
dritte Elektrode 49 innerhalb des aus Metall bestehenden
Sensorgehäuses 11 befindet.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung an einem Objekt
(15), das ein Substrat (16) mit einem möglichen Auftrag
(18) eines Mediums umfaßt, das vorzugsweise einen flüssigen
bis pastenförmigen Zustand aufweist, mit einer ersten,
im Betrieb mit einer Wechselspannung (32) beaufschlagten
Elektrode (23), der eine zweite Elektrode (24) zugeordnet
ist, die mit einer Meßvorrichtung (39) verbunden ist, wobei
sich zwischen den beiden Elektroden (23, 24) infolge der
angelegten Wechselspannung (32) ein elektrisches Feld
aufbaut, das von dem Objekt (15) während der Messung derart
beeinflußt wird, daß die Meßvorrichtung (33) ein für das
Objekt (15) kennzeichnendes Signal (A) ausgibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (23,
24) räumlich in einem Abstand (a) so zueinander angeordnet
sind, daß sie mit ihren Elektrodenflächen (25, 26) aufeinan
der zu weisen, so daß sich das Objekt (15) während der
Messung zwischen den Elektrodenflächen (25, 26) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßvorrichtung (33) einen Spannungsverstärker (41)
umfaßt, der an der zweiten Elektrode (24) eine Wechsel
spannung mißt, deren Amplitude für das Objekt (15) kenn
zeichnend ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der zweiten Elektrode (24) und der Meßvorrichtung
(33) eine Additionsstufe (36) vorgesehen ist, in der der
von der zweiten Elektrode (24) stammenden Wechselspannung
eine zu der angelegten Wechselspannung (32) gegenphasige
zweite Wechselspannung (37) hinzu addiert wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Elektrode (24) über einen Ableitwiderstand
(39) an den Spannungsverstärker (41) angeschlossen ist,
der vorzugsweise einen hochohmigen Eingang aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet
daß die Additionsstufe (36) eine dritte Elektrode (49)
umfaßt, die in geringem Abstand zu einer von der zweiten
Elektrode (24) zu der Meßvorrichtung (33) führenden
Signalleitung (35, 38) angeordnet ist, und die die zweite
Wechselspannung (37) an die Signalleitung (35, 38) an
koppelt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (33) ein auf die
angelegte Wechselspannung (32) abgestimmtes Bandpaßfilter
(42) umfaßt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (33) eine Detektor
schaltung (43) umfaßt, die die von der zweiten Elektrode
(24) stammende Wechselspannung in ein Gleichspannungssignal
(A) umsetzt und dabei ggf. die Phasenlage der gemessenen
Wechselspannung mit der Phasenlage der angelegten Wechsel
spannung (32) vergleicht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (23, 24) in
Sensorarmen (12, 13) untergebracht sind, die je ein
metallisches Gehäuse (21, 22) aufweisen, wobei die Elek
troden (23, 24) unter einer elektrisch nicht leitenden
Abdeckung angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die angelegte Wechselspannung (32)
eine konstante Frequenz und vorzugsweise eine konstante
Amplitude aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Elektrodenflächen
zueinander (25, 26) größer als 10 mm, vorzugsweise größer
oder gleich 20 mm ist.
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DE19944413840 DE4413840C2 (de) | 1994-04-21 | 1994-04-21 | Vorrichtung zur berührungslosen Messung an einem Objekt |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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D2 | Grant after examination | ||
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