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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen einer Dicke oder Grammatur (Masse pro 1 m2)
einer blattartigen Substanz einschließlich von Papier, nicht gewebtem Stoff
und Film unter Ausnutzung einer Resonanz einer Mikrowelle.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Die
Dicke und die Grammatur der blattartigen Substanz einschließlich von
Papier und Film sind eines der wichtigsten Charakteristika bei einer
Produktqualität
eines Herstellungsprozesses. Bei dem Produktionsprozess ist es notwendig,
Online-Messungen der Dicke durchzuführen, in einem Falle des Papiers
insbesondere der Grammatur.
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Herkömmlicherweise
wurde bei einem Herstellen des Papiers ein Verfahren, bei dem ein
Betastrahl genutzt wird, als das Verfahren zum Durchführen der
Online-Messungen der Grammatur verwendet, und insbesondere wird
hauptsächlich
Krypton-85 verwendet.
Der Betastrahl ist eine Art Strahlung und ein geladener Partikel,
der durch einen Betazerfall eines radioaktiven Isotops erzeugt wird.
Eine der Oberflächen
einer Probe wird mit dem Betastrahl bestrahlt und ein Betrag an
Betastrahl, der durch die Probe transmittiert wird, wird an der
anderen Oberfläche
erfasst. Der Betastrahl, mit dem eine der Oberflächen der Probe bestrahlt wird,
regt Zustände
von Atomen an, die die Probe bilden, oder ionisiert die Atome in
dem Verlauf des Betastrahls durch die Probe. Der Betastrahl erfährt durch
ein Verlieren von kinetischer Energie des Betastrahls in sich selbst
auch einen Energieverlust und der Betastrahl wird dann durch die
andere Oberfläche
transmittiert. Der Betrag eines Energieverlusts ist durch physikalische
Eigenschaften wie z. B. einen Absorptionskoeffizienten und einen
Betrag wie z. B. eine Dicke und eine Grammatur einer Substanz bestimmt,
die die Probe bildet. Der Energieverlust wird durch Formel (3) ausgedrückt. I = I0exp(–μρχ) (3)wobei
- I0:
- ausgestrahlte Strahlungsintensität
- I:
- Strahlungsintensität nach Transmission
- μ:
- Absorptionskoeffizient,
der durch Strahlungsenergie und Probe bestimmt ist
- ρ:
- Dichte von Probe
- χ:
- Dichte von Transmissionssubstanz
ist.
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Aufgrund
von b = ρ·χ, wenn die
Grammatur durch „b" ausgedrückt wird,
kann Formel (3) durch Formel (4) ausgedrückt werden. I = I0exp(–μb) (4)
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Das
heißt,
der Absorptionskoeffizient μ,
der bei jeder Probe bestimmt ist, kann durch eine Berechnung bestimmt
werden, wenn vorhergehend bei jeder Probe eine Kalibrierungskurve
vorgenommen wird, die von einem Messziel ist, unter Verwendung einer
Standardprobe, deren Grammatur bekannt ist. Somit kann während des
Vorgangs die Grammatur der Probe durch ein Messen der ausgestrahlten
Strahlungsintensität
I0 und der Strahlungsintensität
I nach der Trans mission aus Formel (4) bestimmt werden. Somit kann
bei dem Verfahren, bei dem der Betastrahl genutzt wird, die Grammatur
sofort online während
des Vorgangs bestimmt werden, so dass eine Papiermaschine online
gesteuert werden kann, obwohl es notwendig ist, den Absorptionskoeffizienten
der Zielprobe vorhergehend zu bestimmen.
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JP2272349 offenbart ein
Verfahren zum Bestimmen einer Grammatur und eines Feuchtigkeitsgehalts einer
Papierbahn durch ein Messen der Resonanzfrequenz und des Resonanzspitzenpegels
eines offenen Hohlraumresonators, der nahe der Papierbahn platziert
ist.
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US5826458 offenbart ein
Verfahren zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts eines Bestands
in einer Papierfertigungsmaschine mittels eines dielektrischen Resonators.
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JP2003254915 offenbart
ein Verfahren zum Bestimmen der Anisotropie einer Papierbahn mittels
einer Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
einem Falle des Verfahrens jedoch, bei dem der Betastrahl für die Grammaturmessungen
genutzt wird, ist der Betastrahl für den menschlichen Körper schädlich, da
der Betastrahl eine Strahlung ist. Somit ist es schwierig, den Betastrahl
zu handhaben. Falls ein unvorhergesehener Fall erzeugt wird, könnte der
Bediener durch den Betastrahl nachteilig beeinflusst werden.
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Angesichts
des Vorhergehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Grammaturmessvorrichtung, die
kostengünstig
und einfach zu handhaben ist, und ein Grammaturmessverfahren derselben
zu schaffen.
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Das
Grammaturmessverfahren der Erfindung ist es, eine Grammatur einer
Messprobe durch ein Anordnen einer Probenmessoberfläche eines
dielektrischen Resonators lediglich an einer Oberflächenseite
einer Probe unter einer festen Bedingung zu bestimmen.
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Ein
Aspekt des Grammaturmessverfahrens weist die Schritte auf, die in
Anspruch 1 definiert sind.
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Ein
anderer Aspekt des Grammaturmessverfahrens weist die Schritte auf,
die in Anspruch 2 definiert sind.
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Bei
dem Grammaturmessverfahren der Erfindung kann die feste Bedingung
darin bestehen, die Messungen durch ein Bringen der Probe in einen
Kontakt mit der Probenmessoberfläche
des dielektrischen Resonators durchzuführen, oder die feste Bedingung
kann darin bestehen, die Messungen durch ein Trennen der Probe von
der Probenmessoberfläche
des dielektrischen Resonators um eine vorbestimmte Entfernung durchzuführen.
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Bei
dem Grammaturmessverfahren der Erfindung kann ein Feuchtigkeitsgehaltbetrag
oder ein Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis der Messprobe auch basierend
auf einem Unterschied in einem Resonanzspitzenpegel zwischen dem
Fehlen und dem Vorhandensein der Probe bestimmt werden.
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1 zeigt
eine Grammaturmessvorrichtung.
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Die
Grammaturmessvorrichtung umfasst einen dielektrischen Resonator 1,
der lediglich an einer Oberflächenseite
einer Probe 10 angeordnet ist; einen Abschirmbehälter 4,
mit der der dielektrische Resonator 1 mit Ausnahme einer
Probenmessoberfläche
im Wesentlichen bedeckt ist; ein Mikrowellenanregungsbauelement 6 und 2a,
das bewirkt, dass der dielektrische Resonator 1 einen elektrischen
Feldvektor erzeugt; ein Erfassungsbauelement 8 und 2b,
das eine Transmissionsenergie oder eine Reflexionsenergie durch
den dielektrischen Resonator 1 erfasst; ein Speicherungsbauelement 12,
in dem eine Kalibrierungskurve gespeichert ist, wobei die Kalibrierungskurve
einen Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag für eine Grammatur anzeigt, wobei
die Kalibrierungskurve basierend auf dem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag
erstellt ist, wobei der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag für jede Grammatur
unter einer festen Bedingung mit dem dielektrischen Resonator 1 durch
ein Ändern
der Grammatur einer Standardprobe gemessen wird, wobei eine Dielektrizitätskonstante
und eine Dichte der Standardprobe konstant gehalten werden, wobei
die Grammatur bei der Standardmessprobe bekannt ist; und ein Datenverarbeitungsbauelement 14,
das die Grammatur einer Messprobe aus der Kalibrierungskurve und
einem Messergebnis des Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag der Messprobe
berechnet, wobei die Dielektrizitätskonstante und die Dichte
der Messprobe gleich denjenigen der Standardprobe sind. Das Mikrowellenanregungsbauelement
umfasst einen Mikrowellenoszillator 6 und eine Antenne 2a,
und das Erfassungsbauelement umfasst einen Wellendetektor 8 und
eine Antenne 2b.
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Eine
andere Grammaturmessvorrichtung umfasst den dielektrischen Resonator 1,
den Abschirmbehälter 4,
das Mikrowellenanregungsbauelement 6 und 2a und
das Erfassungsbauelement 8 und 2b. Bei diesem
Aspekt jedoch speichert das Speicherungsbauelement 12 eine
Konstante „A" der folgenden Gleichung (6).
Die Konstante „A" ist basierend auf
einem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf für jede Grammatur bestimmt,
der unter der festen Bedingung mit dem dielektrischen Resonator 1 gemessen
wird, durch ein Ändern
einer Grammatur „b" einer Standardprobe,
die eine bekannte Grammatur „b" aufweist. Ferner
berechnet das Datenverarbeitungsbauelement 14 eine Grammatur „b" einer Messprobe,
die die gleiche Dielektrizitätskonstante
und Dichte wie die Standardprobe aufweist, gemäß der folgenden Gleichung (6)
aus der Konstante „A", die in dem Speicherbauelement 12 gespeichert
ist, und dem Messergebnis des Resonanzfrequenz verschiebungsbetrags Δf der Messprobe
unter der festen Bedingung mit dem dielektrischen Resonator. Δf
= A·b (6)wobei Δf = f0 – fS,
- f0:
- eine Resonanzfrequenz
in einem Fall, in dem die Probe (die Standardprobe oder die Messprobe)
fehlt, und
- fS:
- eine Resonanzfrequenz
in einem Fall, in dem die Probe (die Standardprobe oder die Messprobe)
vorhanden ist,
ist.
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Die
Grammaturmessvorrichtungen gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
7 und 8 definiert.
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Bei
der Grammaturmessvorrichtung der Erfindung kann das Datenverarbeitungsbauelement 14 eine Funktion
eines Bestimmens eines Feuchtigkeitsgehaltsbetrages oder eines Feuchtigkeitsgehaltsverhältnisses der
Probe basierend auf einem Unterschied in Resonanzspitzenpegeln zwischen
dem Fehlen und dem Vorhandensein der Probe aufweisen, und somit
kann die Grammaturmessvorrichtung eine Feuchtigkeitsmessfunktion
aufweisen.
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Die
Grammaturmessvorrichtung der Erfindung umfasst eine Ausrichtungsmessfunktion.
Bei der Grammaturmessvorrichtung, die die Ausrichtungsmessfunktion
umfasst, umfasst der dielektrische Resonator eine Mehrzahl von dielektrischen
Resonatoren, die in der gleichen Ebene angeordnet sind, und die
dielektrischen Resonatoren sind so angeordnet, dass elektrische
Feldvektoren derselben, die eindirektionale Komponenten in einer
In-Probe-Ebene parallel zu der Ebene aufweisen, sich voneinander
unterscheiden, das Datenverarbeitungsbauelement 14 weist
ferner eine Funktion eines Bestimmens einer dielektrischen Anisotropie
der Probe basierend auf einem Unterschied in einer Ausgabe unter
den dielektrischen Resonatoren auf, und somit weist die Grammaturmessvorrichtung
eine Ausrichtungsmessfunktion auf, und die Kalibrierungskurve oder
die Konstante A wird unter Verwendung eines Mittelwertes der Ausgaben
der Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren bestimmt, und die Grammatur
der Messprobe wird aus der Kalibrierungskurve oder der Konstante
A und dem Messergebnis basierend auf dem Mittelwert der Ausgaben
der Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren für die Messprobe bestimmt.
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Bei
der Grammaturmessvorrichtung der Erfindung umfasst eine Verstärkerschaltung
ein Zeitverzögerungselement,
und die Verstärkerschaltung
ist mit der Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren verbunden, um
Ausgaben der Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren zu verstärken. Jeder
aus der Mehrzahl von dielektrischen Resonatoren bildet ein Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystem,
das eine Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals umfasst, wobei die Einrichtung für eine variable Dämpfung und
Verstärkung
eines elektrischen Signals zwischen einem Mikrowellenoszillator
und einer Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung eingefügt ist,
wobei der Mikrowellenoszillator mit jedem aus der Mehrzahl von dielektrischen
Resonatoren verbunden ist, wobei die Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung
mit der Verstärkerschaltung
verbunden ist, um aus der Ausgabe der Verstärkerschaltung einen Resonanzspitzenpegel
zu erfassen, und die Grammaturmessvorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung
zum Vergleichen der Ausgabe aus der Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung
eines jeden Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystems mit einem vorbestimmten
Zielresonanzspitzenpegel, um ein Signal zum Ändern eines Dämpfungs-
oder eines Verstärkungsgrades
für die
Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung eines
elektrischen Signals zu erzeugen, so dass die Ausgabe aus der Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung
nahe an den vorbestimmten Zielresonanzspitzenpegel gebracht ist.
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Das
Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystem umfasst ferner eine Analog/Digital-Wandlungsschaltungseinheit,
und die vorbestimmte Zielresonanzspitzenpegelspannung kann in einem
Eingabebereich der Analog/Digital-Wandlungsschaltungseinheit gesetzt
werden.
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Ein
Beispiel für
die Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals ist ein programmierbarer Dämpfer. Der
programmierbare Dämpfer
kann zwischen den dielektrischen Resonator und den Mikrowellenoszillator
geschaltet sein. Ein anderes Beispiel für die Einrichtung für eine variable Dämpfung und
Verstärkung
eines elektrischen Signals ist eines, das in der Verstärkerschaltung
bereitgestellt ist.
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Somit
wird in der Erfindung der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag der
Messprobe mit dem dielektrischen Resonator gemessen, und der Messwert
des Resonanzfrequenzverschiebungsbetrags wird auf die vorhergehend
bestimmte Kalibrierungskurve angewendet, um die Grammatur der Probe
zu bestimmen, oder die Konstante „A" wird vorhergehend bestimmt, um die
Grammatur der Probe unter Verwendung der Gleichung zu erhalten.
Somit kann die Grammatur sicher mit einer einfachen Handhabung gemessen
werden, während die
Strahlung und dergleichen, die den schädlichen Einfluss auf den menschlichen
Körper
haben, nicht genutzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch eine Grammaturmessvorrichtung
zeigt;
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2A ist
ein Blockdiagramm, das einen dielektrischen Resonator in der Erfindung
zeigt, und 2B zeigt eine äquivalente
Schaltung desselben;
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3A zeigt
eine Wellenform, die eine Resonanzspitze bei dem dielektrischen
Resonator aufzeigt, und
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3B zeigt
Wellenformen, die eine Änderung
in einer Resonanzkurve gemäß einem
Vorhandensein oder einem Fehlen einer Probe aufzeigen;
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4 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Grammatur (angezeigt
in g/m2) und einem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag
zeigt;
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5 zeigt
Wellenformen, die die Änderung
in einer Resonanzkurve gemäß dem Vorhandensein
oder dem Fehlen der Probe, die Feuchtigkeit enthält, aufzeigen;
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6 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts
der Probe zeigt, die eine konstante Dicke aufweist;
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7 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts
der Probe zeigt, die eine nicht konstante Dicke aufweist;
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8 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts
einer Überzugsschicht
der Probe zeigt;
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9 ist
ein Grundriss, der einen rechteckigen dielektrischen Resonator zeigt,
der bei einem Messen einer Probenausrichtung verwendet wird;
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10 zeigt
Wellenformen, die eine Resonanzfrequenzverschiebung gemäß dem Vorhandensein oder
dem Fehlen der Probe bei den Ausrichtungsmessungen aufzeigen;
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11 ist
eine Draufsicht, die eine Ausrichtungsmesseinheit zeigt, in der
fünf dielektrische
Resonatoren angeordnet sind;
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12 zeigt
ein Beispiel für
ein Ausrichtungsmuster, das von den fünf dielektrischen Resonatoren
von 11 erhalten wird;
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13 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Resonanzspitzenpegel
(angezeigt in Spannung) und einer Resonanzfrequenz zu dieser Zeit
für jeden
dielektrischen Resonator zeigt;
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14 ist
ein Blockdiagramm, das eine Schaltung zeigt, die Signale von den
fünf dielektrischen
Resonatoren verarbeitet;
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15 ist
ein Zeitgebungsschaubild, das die Signalverarbeitung in dem Blockdiagramm
von 14 zeigt;
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16 ist
ein detailliertes Blockdiagramm, das die Signalverarbeitungsschaltung
für einen
der dielektrischen Resonatoren in der Schaltung von 14 zeigt;
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17 ist
ein Wellenformschaubild, das eine Schritteingabewellenform, die
in eine Verstärkerschaltung
eingegeben wird, und eine Wellenform, die aus der Verstärkerschaltung
ausgegeben wird, zeigt;
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18 zeigt
Wellenformen, die eine Beziehung zwischen der Resonanzkurve und
der Resonanzspitzenpegelspannung zeigen;
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19 ist
ein Blockdiagramm, das eine Handlung eines Grammaturdämpfers zeigt;
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20 ist
ein Blockdiagramm, das einen Zustand zeigt, in dem der programmierbare
Dämpfer
in die Signalverarbeitungsschaltung von 14 eingegliedert
ist;
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21 ist
ein Flussdiagramm, das einen Vorgang zeigt, bei dem ein Dämpfungspegel
in dem programmierbaren Dämpfer
bestimmt wird;
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22 ist eine Ansicht, in der eine Ausgabespannung
eines jeden dielektrischen Resonators auf einer Anzeige angezeigt
ist, 22A zeigt einen Zustand unmittelbar
nachdem die Messung dargelegt wird, und 22B zeigt
einen Zustand, nachdem der programmierbare Dämpfer betrieben wird;
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23 zeigt
eine Resonanzspitzenspannung eines jeden dielektrischen Resonators
bei einer Herstellung eines Papierblattes, wenn keine Steuerung
zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung durchgeführt wird;
und
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24 zeigt
die Resonanzspitzenspannung, nachdem die Steuerung zum Konstanthalten
der Resonanzspitzenspannung von 23 durchgeführt wird.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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2A und 2B zeigen
schematisch eine Grammaturmessvorrichtung. 2A ist
ein Blockdiagramm, das einen dielektrischen Resonator zeigt, und 2B ist
eine äquivalente
Schaltung desselben.
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Eine
Resonanzmode, in der ein dielektrischer Resonator 1 in
Resonanz ist, während
ein elektrischer Feldvektor 20 existiert, der nach Außen aus
dem dielektrischen Resonator 1 heraustritt, kann durch
ein Anordnen von Mikrowellenstaban tennen 2a und 2b an
ordnungsgemäßen Positionen
und Ausrichtungen bezüglich des
dielektrischen Resonators 1 erzeugt werden. Bei 2A ist
ein Abschirmbehälter
aus praktischen Gründen
ausgelassen. Beispiele für
die Resonanzmode umfassen eine HEM-Mode in einem Fall, in dem eine
Probenoberfläche,
die zu dem dielektrischen Resonator 1 gewandt ist, in einer
kreisförmigen
Form gebildet ist, und eine TM-Mode
und eine TE-Mode in einem Fall, in dem die Probenoberfläche in einer
quadratischen Form gebildet ist. Die Intensität des elektrischen Feldvektors 20 ist
mit Entfernung von dem dielektrischen Resonator 1 im Wesentlichen
exponentiell gesenkt. Wenn jedoch eine Probe 10 platziert
ist, während
dieselbe etwas von dem dielektrischen Resonator 1 getrennt
ist, oder wenn die Probe 10 platziert ist, während dieselbe
in einem Kontakt mit dem dielektrischen Resonator 1 ist,
ist eine Resonanzfrequenz gemäß einer
Dielektrizitätskonstante
der Probe 1 durch eine elektromagnetische Kopplung verschoben.
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Eine
Mikrowelle, die aus einem Oszillator 6 emittiert wird,
ist elektromagnetisch mit dem dielektrischen Resonator 1 durch
die Stabantenne 2a gekoppelt, und der dielektrische Resonator 1 kann
zu einem Resonanzzustand werden. Der elektrische Feldvektor 20 des
dielektrischen Resonators 1 tritt im Wesentlichen parallel zu
der Oberfläche 10 hervor,
was eine Wechselwirkung mit einem Dipolmoment erzeugt, den die Probe 10 besitzt.
Die transmittierte Mikrowelle aus dem dielektrischen Resonator 1 wird
durch die Stabantenne 2b durch einen Wellendetektor 8 erfasst.
Eine Steuerung 16 nimmt die Mikrowellenintensität auf, die
durch den Wellendetektor 8 erfasst wird. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet
einen Computer, der von einem Datenverarbeitungsbauelement zum Bestimmen
der Grammatur aus der erfassten Mikrowellenintensität ist.
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Als
nächstes
wird ein Prinzip einer Grammaturmessung (Dickenmessung) beschrieben.
Bei dem dielektrischen Resonator
1 ist eine Beziehung,
gezeigt in
3A, zwischen der transmittierten
Mikrowellenintensität
und der Frequenz vorhanden. Die Resonanzkurve, die in
3A gezeigt
ist, wird eine Q-Kurve genannt. Die Q-Kurve wird gemäß Formel
(7) geändert,
wenn die Probe
10 platziert ist.
- ωS:
- Komplexwinkelfrequenz
(in einem Fall, in dem eine Probe vorhanden ist)
- ω0:
- Komplexwinkelfrequenz
(in einem Fall, in dem eine Probe fehlt)
- P:
- elektrische Polarisation
- J:
- Leitungsstromdichte
- Ea:
- elektrisches Feld
- M:
- magnetisches Feld
- εS:
- Dielektrizitätskonstante
eines dielektrischen Resonators
- *:
- gibt eine komplexe
Zahl an
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3B zeigt
die Änderung
in einer Resonanzfrequenz gemäß dem Vorhandensein
oder dem Fehlen (leer) der Probe.
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Obwohl
Formel (7) ursprünglich
in einem Falle eines Hohlraumresonators erreicht wird, wird Formel (7)
auch in der Erfindung erreicht, da die Probe im Wesentlichen nahe
dem dielektrischen Resonator 1 angeordnet ist oder in einen
Kontakt mit dem dielektrischen Resonator 1 gebracht wird.
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In
Formel (7) bezeichnet das Zeichen W eine Akkumulationsenergie in
dem dielektrischen Resonator 1, und die Akkumulationsenergie
W ist durch die Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Resonators εS und des elektrischen Feldes E bestimmt.
Somit ist die Akkumulationsenergie W ein intrinsischer Wert der
Vorrichtung, der nicht durch die Probe, die gemessen werden soll,
beeinflusst wird. Dann wird ein Term μ0·M·Ha* null, da
die Probe ein nicht-magnetisches dielektrisches Material ist. Formel
(8) wird durch ein Zusammenfassen und Umschreiben von Formel (7)
erhalten.
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Die
komplexe Dielektrizitätskonstante
ist in einen reellen Teil und einen imaginären Teil unterteilt, und lediglich
der reelle Teil, nämlich
lediglich eine Dielektrizitätskonstante ε', wird beschrieben,
um Formel (9) zu erhalten.
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Wenn
ein Integrierterm auf der rechten Seite integriert ist, wird Formel
10 erhalten.
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ΔV ist ein
Volumen der Probe und ΔV
wird durch ΔV
= S·d
ausgedrückt.
Wobei „S" eine Messfläche der
Probe ist und „d" eine Dicke der Probe
ist. Wenn ΔV
= S·d
in Formel (10) eingesetzt wird, wird Formel (11) erhalten.
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Da ω = 2πf, ω = 2πf in Formel
(11) eingesetzt wird, wird Formel (12) erhalten.
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Wenn
2π auf der
linken Seite eliminiert wird, um –fa zu multiplizieren, wird
Formel (13) erhalten.
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Da
die Grammatur „b" durch b = e·d unter
Verwendung einer Dichte „e" und der Dicke „d" der Probe ausgedrückt wird,
wird Formel (14) erhalten, wenn b = e·d in Formel (13) eingesetzt
wird.
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Jedes
von f0, Ea, W und
S ist eine intrinsische Konstante der Vorrichtung, ε0 ist
eine Konstante, und ε' ist die Probendielektrizitätskonstante,
die durch die Probe bestimmt ist. Somit wird Formel (15) erhalten,
wenn die Konstantabschnitte zusammengefasst werden. Δf
= A·b (15)wobei Δf = f0 – fS
- f0:
- Resonanzfrequenz in
einem Fall, in dem die Probe fehlt
- fS:
- Resonanzfrequenz in
einem Fall, in dem die Probe vorhanden ist
- A:
- Konstante.
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Das
heißt,
der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf, der in 3B gezeigt
ist, ist proportional zu der Grammatur „b" der Probe. Wenn die Konstante „A" vorhergehend bestimmt
wird, kann die Dicke der Probe durch ein Messen von Δf erhalten
werden.
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Eine
Prozedur zum Bestimmen der Konstante „A" ist unten spezifisch beschrieben. Bei
der tatsächlichen
Papierherstellung werden für
die gleichen Arten von Papierblättern
ein Kompoundierungsverhältnis
und die Dichte der Materialien konstant gehalten, während die
Grammatur variiert wird. Die Probendielektrizitätskonstante ist ein Wert, der
durch das Kompoundierungsverhältnis
der Papiermaterialien, die Papierdichte und den Feuchtigkeitsgehalt
bestimmt ist. Die Materialien umfassen Zellstoff, Pigment und Chemikalien,
die gemäß der beabsichtigten
Verwendung hinzugefügt
werden. Die Art von Papier ist durch die Materialien bestimmt, und das
Kompoundierungsverhältnis
des Papiers ist ebenfalls bestimmt, wie es oben beschrieben ist.
Zum Beispiel ist das Zellstoffmaterial in jeder Art von Papier bestimmt.
Das heißt,
für die
gleichen Arten von Papierblättern, die
unterschiedliche Grammaturen aufweisen, wird die Dielektrizitätskonstante
konstant gehalten, da eine Kalanderbedingung und dergleichen bestimmt
sind, so dass nicht lediglich das Kompoundierungsverhältnis konstant
gehalten wird, sondern auch die Dichte konstant gehalten wird. Die
Grammatur wird durch eine Einstellung des Materialbetrags bei einer
Papierfertigung gesteuert. Insbesondere wenn Papier mit einer größeren Grammatur
hergestellt wird, ist der Materialbetrag erhöht, und wenn Papier mit einer
kleineren Grammatur hergestellt wird, ist der Materialbetrag verringert.
Somit weist die Konstante „A" den Wert auf, der
durch die gleiche Art Papierblatt bestimmt ist.
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Dann
wird die Grammatur geändert,
während
der Materialbetrag in mehreren Stufen eingestellt wird, und der
Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf wird gemäß jeder Stufe aufgezeichnet.
Die Grammaturen der Papierblätter,
bei denen eine Blattfertigung zu Ende gebracht wird, werden offline
gemessen, um den Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf entsprechend
jeder Grammatur in jeder Stufe aufzutragen. 4 zeigt
ein Beispiel für
die Beziehung zwischen der Grammatur und dem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf. Wie aus 4 zu
sehen ist, weisen die Grammatur und der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf eine lineare
Korrelation auf, und eine Steigung der linearen Korrelation gibt
die Konstante „A" von Formel (15)
an.
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In
der Erfindung sind zwei Modi vorhanden, nämlich ein Modus, in dem die
Korrelation als eine Kalibrierungskurve aufrechterhalten wird, und
ein Modus, in dem die Konstante „A", die aus der Korrelation bestimmt wird,
aufrechterhalten wird. In dem Modus, in dem die Kalibrierungskurve
verwendet wird, wird der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf, der für eine unbekannte
Probe gemessen wird, auf die Kalibrierungskurve angewendet, um die
Grammatur zu bestimmen. In dem Modus, in dem die Konstante „A" verwendet wird,
wird Δf,
das für
die unbekannte Probe gemessen wird, auf Formel (15) angewendet,
und die Grammatur wird durch eine Berechnung bestimmt. Wenn ein
unbekanntes Papier in der obigen Weise online gemessen wird, kann
die Grammatur der unbekannten Probe unmittelbar unter Verwendung
von Δf,
das durch die Messung erhalten wird, und der vorhergehend bestimmten
Kalibrierungskurve oder Konstante „A" erhalten werden.
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Somit
wird in der Erfindung die Grammatur aus dem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag Δf, nämlich aus
einem Spitzenfrequenzverschiebungsbetrag der Resonanzkurve bestimmt,
so dass es notwendig ist, eine Spitzenfrequenz genau zu messen.
Ein Verschärfen
der Resonanzkurve durch ein Erhöhen
einer Resonanzschärfe
(Q-Wert) ist bei den genauen Messun gen der Spitzenfrequenz wirksam.
Somit erhalten die Erfinder das folgende Wissen als ein Ergebnis
von verschiedenartigen Experimenten für eine Form eines dielektrischen
Resonators, eine Form des Abschirmbehälters, eine Beziehung zwischen
denselben und dergleichen.
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Es
wird bevorzugt, dass die Umgebungen des dielektrischen Resonators
mit Ausnahme einer Probenmessoberfläche mit einem Abschirmmaterial
bedeckt sind, das aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist.
Dies ermöglicht
eine Verstärkung
des Q-Wertes der Resonanzkurve. An diesem Punkt ist das Abschirmmaterial,
das aus dem elektrisch leitfähigen
Material gefertigt ist, bevorzugter auch in der Probenmessoberfläche des
dielektrischen Resonators angeordnet, um die Probe zwischen der
Messoberfläche
des dielektrischen Resonators und dem Abschirmmaterial anzuordnen.
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Für die Form
des dielektrischen Resonators wird eine zylindrische Form mehr bevorzugt
als eine Prismaform, um die Grammatur zu messen. Wenn der zylindrische
dielektrische Resonator verwendet wird, ist der elektrische Feldvektor
verteilt, um in einem Fall, in dem die Resonanzmode eine TM01δ-Mode
ist, einen Kreis zu ziehen. Somit wird der Konstantenmesswert ungeachtet
der Probenausrichtung erhalten, sogar wenn die Probe eine Anisotropie
in der Dielektrizitätskonstante
aufweist.
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Wenn
eine untere Oberfläche
des Prismas auf die Probenmessoberfläche gesetzt wird, wird bei
dem prismatischen dielektrischen Resonator der elektrische Feldvektor
aufgrund der Form des prismatischen dielektrischen Resonators andererseits
parallel zu der Probenmessoberfläche.
Wenn z. B. die Probe, die die Anisotropie in der Dielektrizitätskonstante
aufweist, gemessen wird, wird der Messwert durch die Ausrichtung
der Probe bei fast allen der TM-Moden wie z. B. TM101 und
TM201 geändert.
Obwohl die Änderung
in dem Messwert durch die Ausrichtung der Probe für den Zweck
der Anisotropiemessungen einer Probendielektrizi tätskonstante,
wie später
beschrieben, geeignet ist, wird die Änderung in dem Messwert zu
einem Nachteil für
die Grammaturmessungen, die den Hauptzweck der Erfindung darstellen.
Bei einem der Verfahren zum Messen der Probe, die die Dielektrizitätskonstantenanisotropie
aufweist, mit dem prismatischen dielektrischen Resonator sind mehrere
prismatische dielektrische Resonatoren angeordnet, und Elemente
von Daten können
gleichzeitig aus den mehreren dielektrischen Resonatoren erhalten
werden, um die Grammatur aus einem Durchschnitt der Datenelemente
zu bestimmen. Bei einem anderen Verfahren wird ein prismatischer
dielektrischer Resonator verwendet, der prismatische dielektrische
Resonator wird in eine Probe-In-Ebene-Richtung gedreht, und die
Datenelemente aus dem dielektrischen Resonator können an mehreren Punkten in
der Drehrichtung erhalten werden, um die Grammatur aus dem Durchschnitt
der Datenelemente zu bestimmen.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung umfassen auch eine Feuchtigkeitsmessfunktion,
wobei ein Datenverarbeitungsbauelement eine Funktion eines Bestimmens
des Feuchtigkeitsgehaltsbetrages oder Feuchtigkeitsgehaltsverhältnisses
der Probe basierend auf dem Unterschied in Resonanzspitzenpegeln zwischen
einem Fehlen und einem Vorhandensein der Probe aufweist.
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Wenn
die Resonanz mit dem Mikrowellenresonator erzeugt wird, werden die
in 5 gezeigten Resonanzkurven erhalten. Die Resonanzkurve
auf der rechten Seite ist eine, bei der die Probe fehlt (leer).
Wenn die Probe in dem Resonator oder nahe dem Resonator existiert,
sind sowohl der Spitzenpegel als auch der Q-Wert durch den dielektrischen
Verlust verringert, zu der gleichen Zeit, wenn die Resonanzfrequenz
zu der Niederfrequenzseite verschoben wird, durch die Dielektrizitätskonstante,
die die Probe wie die Resonanzkurve auf der linken Seite besitzt.
Der Feuchtigkeitsgehaltsbetrag oder das Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis wird durch ein
Vermerken der Änderung
in dem Spitzenpegel der Resonanzkurve durch den dielektrischen Verlust
gemessen.
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Die
Messungen der Probe, die eine bekannte konstante Dicke „t" aufweist, werden
unten unter Bezugnahme auf ein Flussschaubild, das in 6 gezeigt
ist, beschrieben. Bei Schritt 1 wird ein Resonanzspitzenpegel P0
in dem Zustand gemessen, in dem die Probe nicht existiert (leer).
Bei Schritt 2 wird ein Resonanzspitzenpegel Ps der Probe gemessen.
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Bei
Schritt 3 wird der Unterschied ΔP
(= P0 – Ps)
zwischen beiden berechnet. Der Unterschied ΔP ist proportional zu einem
Wert ε''·t,
bei dem der dielektrische Verlust ε'' der
Probe und die Dicke t der Probe zusammen multipliziert werden. Somit
wird, wenn die Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt und ΔP vorhergehend
als die Kalibrierungskurve für
die Probe, die die gleiche Dicke „t" aufweist, bestimmt wird, der Feuchtigkeitsgehalt
aus dem Wert von ΔP
erhalten, das in Schritt 3 bestimmt wird. Zum Beispiel wird an der Probe
eine Feuchtigkeitskonditionierung bei zumindest drei Bedingungen
durchgeführt,
bei denen sich absolute Feuchtigkeiten der Probe voneinander unterscheiden,
und der Feuchtigkeitsgehalt (Gewichtsprozent) und ΔP werden
in jeder Bedingung gemessen, um die Kalibrierungskurve vorzubereiten,
die die Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt (Gewichtsprozent)
und ΔP ausdrückt. Bei
Schritt 4 wird ΔP,
das bei Schritt 3 bestimmt wird, auf die Kalibrierungskurve angewendet,
um den Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen. In einem Falle der Online-Messungen
können
die Schritte 2 und 4 in vorbestimmten Intervallen wiederholt werden.
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Das
Verfahren zum Messen der Probe, deren Dicke nicht konstant ist,
ist unten unter Bezugnahme auf ein Flussschaubild, das in 7 gezeigt
ist, beschrieben. Bei Schritt 1 werden der Resonanzspitzenpegel
P0 und eine Resonanzfrequenz F0 in dem Zustand gemessen, in dem
die Probe nicht existiert (leer). Bei Schritt 2 werden der Resonanzspitzenpegel
Ps der Probe und eine Resonanzfrequenz Fs gemessen. Bei Schritt
3 wird der Unterschied ΔP
(= P0 – Ps)
zwischen dem Leeren und der Probe berechnet.
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Bei
Schritt 4 wird der Unterschied ΔF
(= F0 – Fs)
zwischen dem Leeren und der Probe berechnet. Bei dem Hohlraumresonator
ist die Dielektrizitätskonstante ε' durch Formel (16)
ausgedrückt. ε' - 1 = K1 × ΔF/t (16)
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Andererseits
ist der Unterschied ΔP
proportional zu ε''·t,
wie es oben beschrieben ist, so dass Formel (17) erhalten wird. ε'' = K2 × ΔP/t (17)
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Hier
sind K1 bzw. K2 Vorrichtungskonstanten.
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Wenn „t" aus den Formeln
(16) und (17) beseitigt wird, wird Formel (18) erhalten. ε'' = K2/K1·(ε' – 1) × (ΔP/ΔF) (18)
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Wenn
die Dielektrizitätskonstante ε' konstant ist, kann
Formel (18) durch Formel (19) ausgedrückt werden ε'' = K3 × (ΔP/ΔF) (19)
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Wobei
K3 eine Konstante ist.
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Das
heißt,
dass in einem Fall, in dem der Film der Probe den Spurbetrag an
Feuchtigkeit enthält,
nämlich
in einem Fall der Konstante ε', ε'' proportional zu ΔP/ΔF ist, ungeachtet der Dicke „t" der Probe. Somit
wird ΔP/ΔF, das in
Schritt 5 bestimmt wird, zu einem Wert, der zu dem Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis korreliert
wird. An diesem Punkt wird das Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis aus ΔP/ΔF durch die
Kalibrierungskurve bestimmt (Schritt 6), wenn die Kalibrierungskurve
vorhergehend erstellt wird, ähnlich
dem Falle, in dem die Dicke konstant ist.
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Für eine Probe,
bei der eine oder mehrere Überzugsschichten über einer
oder beiden Oberflächenseiten
bereitgestellt sind, während
der Film als ein Basismaterial wie ein Überzugsfilm verwendet wird,
ist das Verfahren zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehaltsverhältnisses
in jeder Schicht unten beschrieben.
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(Messungen von Δε'' von Überzugsschicht)
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Mit
einer Probe aus einem PET-Film (PET = poly ethylene telephthalate)
mit einer ersten Überzugsschicht
und einer anderen Probe aus einem PET-Film ohne eine Überzugsschicht
wird die Feuchtigkeitskonditionierung bei Raumtemperatur und gewöhnlicher
Luftfeuchtigkeit durchgeführt,
und ein dielektrischer Verlust ε''nass wird in
dem Zustand bestimmt, in dem die Feuchtigkeit einen Gleichgewichtszustand
erreicht, unter Verwendung eines Molekularausrichtungsmessers. Ein
dielektrischer Verlust ε''erste Überzugsschicht
nass der ersten Überzugsschicht
wird lediglich bei Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit aus den dielektrischen
Verlusten der zwei Proben bestimmt. Dann wird ein dielektrischer
Verlust ε''trocken unter
Verwendung des Molekularausrichtungsmessers in dem Zustand bestimmt,
in dem die Feuchtigkeit ausreichend entfernt ist, und ein dielektrischer
Verlust ε''erste Überzugsschicht
trocken wird ähnlich
in dem Zustand bestimmt, in dem die Feuchtigkeit entfernt ist. Der
Unterschied Δε'' zwischen beiden entspricht dem Feuchtigkeitsgehaltsbetrag
(nämlich
dem Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis)
pro Flächeneinheit
der ersten Überzugsschicht.
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Ein
dielektrischer Verlust ε''zweite Überzugsschicht,
ein dielektrischer Verlust ε''dritte Überzugsschicht,
... einer zweiten Überzugsschicht,
einer dritten Überzugsschicht,
... werden ähnlich
bestimmt. Diese Werte sind ein intrinsischer physikalischer Eigenschaftswert
bei der Messbedingung einer Raumtemperatur und einer Luftfeuchtigkeit.
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(Dickenmessungen)
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Eine
Dicke tBasis des Basisfilms, Dicken terste Überzugsschicht,
tzweite Überzugsschicht,
tdritte Überzugsschicht,
... und eine Gesamtdicke tGesamt werden
aus einem Dickenmesser, einem Überzugsbetrag
und dergleichen bestimmt.
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(Berechnung eines Feuchtigkeitsgehalts
einer jeden Überzugsschicht)
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Die
Messprozedur ist unter Bezugnahme auf ein Flussschaubild von 8 beschrieben.
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Bei
Schritt 1 wird der Resonanzspitzenpegel P0 in dem Zustand gemessen,
in dem die Probe nicht existiert (leer). Der Resonanzspitzenpegel
Ps der Proben einschließlich
von Überzugsfilmen,
bei denen eine oder mehrere Überzugsschichten
aufgetragen sind, wird bei Schritt 2 gemessen.
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Bei
Schritt 3 wird der Unterschied ΔPGesamt (= P0 – Ps) zwischen beiden berechnet.
In diesem Falle wird ein Verteilungsverhältnis des Feuchtigkeitsbetrages,
der in dem Basisfilm und jeder Überzugsschicht
enthalten ist, zu dem Gesamtfeuchtigkeitsbetrag, der in dem gesamten
des Überzugsfilms
enthalten ist, erörtert.
Es sei angenommen, dass „W" der Gesamtfeuchtigkeitsbetrag
ist. Wenn die Feuchtigkeit den Gleichgewichtszustand zwischen den Überzugsschichten
erreicht, kann der Gesamtfeuchtigkeitsbetrag „W" durch Formel (20) unter Verwendung
von Δε'' einer jeden Schicht und der Dicke „t" ausgedrückt werden. W = Δε''Basis·tBasis + ε''erste Überzugsschicht·terste Überzugsschicht + Δε''zweite Überzugsschicht·tzweite Überzugsschicht + Δε''dritte Überzugsschicht·tdritte Überzugsschicht +
...(20)
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Somit
wird ein Verteilungsverhältnis
Rx zu jeder Schicht durch Formel (21) ausgedrückt. Rx = Δε''X·tX/W (21)
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Hier
gibt X entweder den Basisfilm oder jede Überzugsschicht an.
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Bei
Schritt 4 wird das Feuchtigkeitsverteilungsverhältnis einer jeden Schicht aus Δε'' einer jeden Schicht und der Dicke „t" in der obigen Prozedur
bestimmt. Da das ΔPGesamt proportional zu dem Gesamtfeuchtigkeitsgehaltsbetrag
des Überzugsfilms
ist, wird der Feuchtigkeitsgehaltsbetrag einer jeden Schicht zu
einem Wert proportional zu ΔPx, bestimmt durch Formel 22 (Schritt 5). ΔPx = ΔPGesamt × Rx (22)
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Somit
wird ΔPx/tx zu einem Wert,
der mit dem Feuchtigkeitsgehaltsverhältnis einer jeden Schicht korreliert
wird (Schritt 6). In einem Falle der Online-Messungen können die
Schritte 2 bis 6 in festen Intervallen wiederholt werden.
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Die
Grammaturmessungen der Erfindung werden mit einem Ausrichtungsmesser
realisiert. Bei dem Ausrichtungsmesser wird der dielektrische Resonator
verwendet, und eine Faserausrichtung des Papiers oder die Molekularausrichtung
eines Molekularblattes, wie z. B. des Films, wird online aus der Änderung
in einer Resonanzfrequenz gemessen. In diesem Falle wird ein Durchschnittswert
der Dielektrischer-Resonator-Ausgaben
in Ausrichtungsrichtungen, die bei den Ausrichtungsmessungen verwendet
werden, für
die Grammaturmessungen verwendet.
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Das
offengelegte
japanische Patent
Nr. H10-325811 offenbart einen Ausrichtungsmesser, bei
dem der dielektrische Resonator genutzt wird. Bei dem Ausrichtungsmesser,
der in dem offengelegten
japanischen
Patent Nr. H10-325811 offenbart ist, sind die mehreren
dielektrischen Resonatoren angeordnet, und die Faserausrichtung
des Papiers oder die Molekularausrichtung des Films wird online
aus dem Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag in jedem dielektrischen
Resonator gemessen.
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Zum
Beispiel wird der dielektrische Resonator, der in 9 gezeigt
ist, bei diesem Verfahren verwendet. 9 ist ein
Grundriss, der eine Struktur des dielektrischen Resonators zeigt.
Der rechteckige dielektrische Resonator 1 wird durch eine
Antenne 2a angeregt, und die andere Antenne 2b gibt
die Resonanzfrequenz aus. Der rechtwinklige dielektrische Resonator 1 und
die Antennen 2a und 2b sind in dem Abschirmbehälter 4 aufgenommen.
Wenn die Probe nahe dem dielektrischen Resonator 1 platziert
ist, wie es in 10 gezeigt ist, ist die Resonanzfrequenz
von dem leeren Zustand, in dem die Probe nicht existiert, zu der
Niederfrequenzseite verschoben. 10 zeigt
die Resonanzfrequenzverschiebung gemäß der Änderung in einer Dielektrizitätskonstante,
die durch das Vorhandensein oder das Fehlen der Probe in dem dielektrischen
Resonator bewirkt wird. Bei 10 bezeichnet
das Zeichen MD eine Papierflussrichtung (Maschinenrichtung) der
Papiermaschine und das Zeichen CD bezeichnet eine Richtung (Querrichtung)
in rechten Winkeln zu der Papierflussrichtung der Papiermaschine
in einem Falle, in dem die Probe ein Papier ist. Da der Verschiebungsbetrag, der
durch Δf
= f0 – f1(f2) ausgedrückt wird,
proportional zu einem Produkt der Dielektrizitätskonstante und der Dicke der
Probe ist, wird, wenn jeder von fünf rechtwinkligen dielektrischen
Resonatoren 1a bis 1e in einem Winkel von z. B.
72° von
den benachbarten dielektrischen Resonatoren angeordnet ist, wie
es in 11 gezeigt ist, um jeden Verschiebungsbetrag
auf einer Polarkoordinate aufzutragen, ein Ausrichtungsmuster, das der
Dielektrizi tätskonstantenanisotropie
entspricht, erhalten, wie es in 12 gezeigt
ist. 11 ist ein Grundriss, der eine Ausrichtungsmesseinheit 3 zeigt,
in der die fünf
dielektrischen Resonatoren angeordnet sind. 12 zeigt
ein Beispiel für
das Ausrichtungsmuster, das aus den fünf dielektrischen Resonatoren
erhalten wird, die in 11 gezeigt sind. Die Ausrichtungsrichtung
der Faser- oder Molekularkette wird aus einer Hauptachse des Ausrichtungsmusters,
das in 12 gezeigt ist, bestimmt, und
ein Ausrichtungsgrad wird aus einem Unterschied oder einem Verhältnis zwischen
der Hauptachse und der Nebenachse festgestellt.
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Wenn
die Faserausrichtung des laufenden Papiers basierend auf dem obigen
Messprinzip tatsächlich online
gemessen wird, traten herkömmlicherweise
verschiedenartige Probleme auf. Eines der Probleme besteht darin,
dass der Resonanzfrequenzverschiebungsbetrag nicht zweckmäßig gemessen
werden kann. So wird das ursprüngliche
Ausrichtungsmuster nicht erhalten. Die Erfinder haben verschiedenartige
Arten von Messungen für
die Papierausrichtung durch das Kontaktverfahren durchgeführt. Die
Erfinder nahmen an, dass dies auf die Tatsache zurückzuführen ist,
dass der Kontaktzustand aufgrund einer Gleichlaufstörung des
laufenden Papiers fluktuiert wird, um einen Zwischenraum zwischen
dem Papier und der Messoberfläche
des dielektrischen Resonators zu variieren, und dadurch die gemessene
Resonanzfrequenz fluktuiert wird. Als ein Ergebnis der tatsächlichen
Online-Messungen
jedoch wurde festgestellt, dass die Resonanzfrequenz nicht zweckmäßig gemessen
wird.
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Die
Betrachtung des Falles der Fluktuation ist wie folgt: Ursprünglich ist
die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators unabhängig von
dem Resonanzspitzenpegel. Das heißt, die Resonanzfrequenz sollte
konstant gehalten werden, sogar wenn eine Mikrowellenleistung, die
in den dielektrischen Resonator eingegeben wird, geändert wird,
um den Resonanzspitzenpegel zu variieren. Tatsächlich wurde jedoch herausgefunden,
dass die Resonanzfrequenz geändert
wird, wenn der Resonanzspitzenpegel variiert wird. Wie es in 13 gezeigt
ist, tendiert die Resonanzfrequenz z. B. dazu, erhöht zu sein,
wenn der Resonanzspitzenpegel erhöht ist. 13 zeigt
ein Beispiel für
die Beziehung zwischen den Resonanzspitzenpegeln und den Resonanzfrequenzen
für die
dielektrischen Resonatoren Nr. 1 bis Nr. 5 der in 11 gezeigten
Ausrichtungsmesseinheit 3.
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Die
Erfinder stellten fest, dass die Änderung in der Resonanzfrequenz
durch eine Verstärkerschaltung bewirkt
wird. Um die Resonanzfrequenz mit einer hohen Geschwindigkeit nahe
einer Echtzeit zu messen, wird die Resonanzfrequenz durch ein in 15 gezeigtes
Zeitgebungsschaubild unter Verwendung eines in 14 gezeigten
Signalverarbeitungssystems gemessen. 14 ist
ein Blockdiagramm, das die Schaltung zeigt, die Signale aus den
fünf dielektrischen
Resonatoren verarbeitet. 15 ist
das Zeitgebungsschaubild, das die Signalverarbeitung in dem Blockdiagramm
zeigt, das in 14 gezeigt ist. Die Signale,
die aus einem Mikrowellenwobbeloszillator (Mikrowellensweeposzillator) 21 ausgegeben
werden, der von einer Mikrowellenoszillationseinrichtung ist, werden
an die dielektrischen Resonatoren 1a bis 1e durch
Isolatoren 22a bis 22e verteilt. In 14 ist
der Mikrowellenwobbeloszillator als ein Wobbler angezeigt. Die Ausgabe
aus dem dielektrischen Resonator wird durch Erfassungsdioden 23a bis 23e in
eine Spannung umgewandelt, und die Spannung wird in Spitzenerfassung-
und Mittelungsverarbeitungschaltungseinheiten 25a bis 25e durch
Verstärker-
und A/D-Wandlungschaltungseinheiten 24a bis 24e eingegeben.
Wie es in 15 gezeigt ist, wird die Frequenz durch
den Mikrowellenwobbeloszillator gewobbelt, ein Startpulsabschnitt
wird aus einem Wobbelsignal (Sweep-Signal) 21s erfasst, um eine
Zeit zu messen, bis der Resonanzpegel die Spitze erreicht, und die
Resonanzfrequenz wird ab der Zeit durch eine proportionale Berechnung
bestimmt. Wenn z. B. die Frequenz kontinuierlich um ein 250 MHz-Wobbeln
um 4 GHz herum erhöht
wird, wird die Resonanz kurve aus einer Mikrowellentransmissionsintensität erhalten.
Die Spitzenfrequenz der Resonanzkurve wird zu der Resonanzfrequenz,
die bestimmt werden soll. Da eine Wobbelstartzeitgebung durch den
Startpulsabschnitt erfasst werden kann, der von einer vorderen Flanke
des Wobbelsignals ist, wird die Zeit, um den Spitzenpegel zu erreichen, von
der Wobbelstartzeitgebung gemessen, und die Resonanzfrequenz wird
durch ein Berechnen der Wobbelgeschwindigkeit von 250 MHz mit der
Dauer von 10 ms gemessen. Die Resonanzfrequenzmessungen werden in
Intervallen von 50 ms wiederholt und 20 Resonanzfrequenzmessungen
werden gemittelt, um die Resonanzfrequenz zu erhalten. Somit ist
eine Wobbelzeit so extrem kurz wie 10 ms, und das Signal wird mit
einer hohen Geschwindigkeit verstärkt, um eine Digitalverarbeitung
durchzuführen.
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16 zeigt
ein detailliertes Schaltungsdiagramm für einen der dielektrischen
Resonatoren in der Schaltung, die in 14 gezeigt
ist, nämlich
für eine
der Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystem-Schaltungen. Zum Beispiel
umfasst die Verstärker-
und A/D-Wandlungschaltungseinheit 24a eine Verstärkerschaltung 31 und
eine A/D-Wandlereinheit LSI 32. Die digitale Ausgabe aus
der Verstärker-
und A/D-Wandlungschaltungseinheit 24a wird
in die Spitzenerfassung- und
Mittelungsverarbeitungschaltungseinheit eingegeben. Zum Beispiel
umfasst die Spitzenerfassung- und Mittelungsverarbeitungschaltungseinheit 25a eine
Spitzenerfassung LSI und eine Mittelungsverarbeitung LSI. Korrekterweise
weist die Spitzenerfassung LSI eine Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung
auf, die die Resonanzspitze erfasst, und die Mittelungsverarbeitung
LSI führt
die Mittelungsverarbeitung der Resonanzspitzenfrequenz durch, die
bei jedem Wobbeln erhalten wird.
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Eine
Mikrocomputereinheit 26 ist mit einer Nachstufe der Spitzenerfassung-
und Mittelungsverarbeitungschaltungseinheit 25a verbunden.
Die Mikrocomputereinheit 26 überträgt kollektiv das Signal aus
jedem Dielektrischer-Resonator- Erfassungssystem
an einen Nachstufe-Personalcomputer 27, und die Mikrocomputereinheit 26 hat
eine Funktion eines Steuerns und Betreibens der Verstärker- und
A/D-Wandlungschaltungseinheiten 24a bis 24e und
der Spitzenerfassung- und Mittelungsverarbeitungschaltungseinheiten 25a bis 25e in
jedem Dielektrischer-Resonator-System. Der Personalcomputer 27 ist
mit der Mikrocomputereinheit 26 verbunden. Der Personalcomputer 27 berechnet
die Ausgabe aus der Mikrocomputereinheit 26, um die Ausrichtung
oder den Ausrichtungsbetrag zu messen, und der Personalcomputer 27 zeigt
die Ausrichtung oder den Ausrichtungsbetrag als Daten an und speichert
dieselben.
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Da
die Nachverstärkungsausgabe
eine Welligkeit aufweist, die durch ein Rauschen bewirkt wird, ist hier
eine RC-Schaltung,
die einen Kondensator C1 und einen Widerstand R2 aufweist, in eine
Rückkopplungsleitung
in der Verstärkerschaltung 31 in
der Verstärker-
und A/D-Wandlungschaltungseinheit 24a von 16 eingefügt, was
ermöglicht,
dass die Welligkeitsspannung absorbiert und reduziert wird, um eine
Gleichstromspannung zu erhalten, die wenig Fluktuation aufweist.
Somit ist es notwendig, dass die Verstärkerschaltung den Kondensator
C1 aufweist.
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Der
Kondensator C1 und der Widerstand R2 werden zu einem so genannten
Zeitverzögerungsfaktor, und
dadurch wird eine Verzögerung
(Zeitkonstante), die in 17 gezeigt
ist, in der Verstärkerschaltung
erzeugt. 17 ist ein Wellenformschaubild,
das eine schrittweise eingegebene Wellenform, die in die Verstärkerschaltung
eingegeben wird, und eine Wellenform, die aus der Verstärkerschaltung
ausgegeben wird, zeigt. Sogar wenn der ideale schrittweise Puls
Ps, der eine extrem kurze Anstiegszeit aufweist, eingegeben wird, wird
die Ausgabewellenform des Verstärkers
nicht zu einer idealen schrittweisen Form, sondern die Antwortwellenform,
die die gemäßigte Anstiegszeit
aufweist, wird erhalten. Die Zeit, um 63,2% der Endausgabespannung
zu erreichen, wird allgemein Zeitkonstante τ genannt, und die Zeitkonstante τ wird durch
die Kapazität C1
des Kondensators und den Widerstandswert R2 ausgedrückt. Das
heißt,
Zeitkonstante (τ)
= R2·C1,
und Verstärkungsfaktor
(|G|) = Vo/Vi = R2/R1. Wobei Vo eine Ausgabespannung ist und Vi
eine Eingabespannung ist.
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Wenn
die Resonatorausgabe in einem Fall, in dem des Wobbeln mit einer
hohen Geschwindigkeit mit einer Wobbelzeit von 10 ms durchgeführt wird,
in die Schaltung eingegeben wird, in der die obige Verstärkerschaltung
verwendet wird, wie es in 18 gezeigt
ist, wird die Nachverstärkungsresonanzkurvewellenform
in der Resonanzspitzenpegelspannung geändert. 18 zeigt
die Änderung
in der Resonanzkurve gemäß dem Anstieg
der Resonanzspitzenpegelspannung in der Resonanzkurve. Die Resonanzkurve
sollte idealerweise symmetrisch sein, sogar wenn die Resonanzspitzenpegelspannung
steigt. In Wirklichkeit jedoch ist die Resonanzkurve von der symmetrischen
Form verschoben und zu der Hochfrequenzseite gebogen. Wie aus 18 zu
sehen ist, ist die Resonanzspitzenfrequenz zu der höheren Resonanzspitzenfrequenzseite
verschoben, wenn die Resonanzspitzenpegelspannung erhöht ist.
Das heißt,
sogar in dem gleichen Resonanzsystem, das die gleiche Schaltung
aufweist, wird ein Phänomen,
dass die Resonanzspitzenfrequenz, die nicht geändert sein sollte, geändert ist,
lediglich durch ein Ändern
der Resonanzspitzenpegelspannung erzeugt, was zu der Tatsache führt, dass
die reelle Resonanzfrequenz nicht gemessen werden kann. In 18 wird
die ideale Resonanzkurve C1, die den höchsten Spitzenpegel hat, zu
der tatsächlichen
Resonanzkurve C2, die durch eine Verzögerung des Verstärkersystems
erzeugt wird.
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Die
Resonanzspitzenpegelspannungsverschiebung hat keinen Einfluss auf
eine Ausrichtungsmessvorrichtung gemäß der Erfindung. Gemäß der Erfindung
umfasst die Ausrichtungsmessvorrichtung eine Mehrzahl von Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystemen.
Jedes der Dielektrischer-Resonator-Erfassungssysteme umfasst einen dielektrischen
Resonator, eine Verstärkerschaltung,
eine Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung und eine Einrichtung
für eine
variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals. Der dielektrische Resonator ist mit
der Mikrowellenoszillationseinrichtung verbunden. Die Verstärkerschaltung ist
mit dem dielektrischen Resonator verbunden, um die Ausgabe des dielektrischen
Resonators zu verstärken,
und die Verstärkerschaltung
umfasst ein Zeitverzögerungselement.
Die Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung ist mit der Verstärkerschaltung
verbunden, um den Resonanzspitzenpegel aus der Ausgabe der Verstärkerschaltung
zu erfassen. Die Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals ist zwischen die Mikrowellenoszillationseinrichtung
und die Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung eingefügt. Die
Ausrichtungsmessvorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung. Die
Steuereinrichtung vergleicht die Ausgabe aus der Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung
eines jeden Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystems mit einem
vorbestimmten Resonanzspitzenpegel, um ein Signal zum Ändern eines
Dämpfungsgrades
oder eines Verstärkungsgrades
für die
Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals zu erzeugen, so dass die Ausgabe nahe
an den vorbestimmten Resonanzspitzenpegel gebracht ist.
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Der
Computer als die Steuereinrichtung vergleicht die Ausgabe aus der
Resonanzspitzenpegelerfassungsschaltung mit dem vorbestimmten Resonanzspitzenpegel
und überträgt das Signal
zum Ändern
des Dämpfungsgrades
oder des Verstärkungsgrades,
um den programmierbaren Dämpfer
als die Einrichtung für eine
variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals zu steuern, um die Ausgabe nahe an den vorbestimmten
Spitzenpegel zu bringen. Da der Resonanzspitzenpegel immer konstant
gehalten wird, kann die Ausrichtung somit gemessen werden, während die
Resonanzspitzenfrequenzverschiebung von dem reellen Wert, die durch
die Resonanzspitzenpegelverschiebung bewirkt wird, kaum einen Einfluss
auf die Ausrichtungsmessungen hat.
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Es
wird bevorzugt, dass das Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystem
eine Analog-und-Digital-Wandlungsschaltungseinheit (A/D-Wandlungsschaltung)
aufweist und die vorbestimmte Spitzenpegelspannung in einem Eingabebereich
der Analog-und-Digital-Wandlungsschaltungseinheit gesetzt wird.
Dies ist aufgrund der Tatsache, dass eine Genauigkeit durch ein
Setzen des Eingabebereichs der Analog-und-Digital-Wandlungsschaltungseinheit so
groß wie
möglich
verbessert wird. Wenn die vorbestimmte Resonanzspitzenpegelspannung
etwas von dem Maximalwert des Eingabebereichs verringert wird, wird
bei einem Überschwingen
eine Grenze gesichert.
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Es
wir bevorzugt, dass die Einrichtung für eine variable Dämpfung und
Verstärkung
eines elektrischen Signals ein programmierbarer Dämpfer ist
und von dem Blickpunkt einer Konfiguration aus zwischen den dielektrischen
Resonator und den Mikrowellenoszillator geschaltet ist.
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Die
Einrichtung für
eine variable Dämpfung
und Verstärkung
eines elektrischen Signals kann auch als die Verstärkerschaltung
verwendet werden. In diesem Falle wird bevorzugt, dass ein Verstärkungsfaktor
der Verstärkerschaltung
in einer analogen oder digitalen Weise variabel ist.
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Bei
einem Ausrichtungsmessverfahren in der Ausrichtungsmessvorrichtung
werden die Ausgaben aus den mehreren dielektrischen Resonatoren,
verbunden mit der Mikrowellenoszillationseinrichtung, verstärkt, jeder
Resonanzspitzenpegel wird aus jeder verstärkten Ausgabe erfasst, der
Resonanzspitzenpegel eines jeden dielektrischen Resonators wird
mit dem vorbestimmten Resonanzspitzenpegel verglichen und die Ausgabe aus
der Mikrowellenoszillationseinrichtung an den dielektrischen Resonator
oder die Ausgabe aus dem dielektrischen Resonator wird gedämpft oder
verstärkt,
so dass der Resonanzspitzenpegel eines jeden Resonators nahe an
den vorbestimmten Resonanzspitzenpegel gebracht wird.
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Bei
dem Verfahren und der Vorrichtung zum Messen der Ausrichtung wird
ein Fehler bei den Resonanzfrequenzmessungen weiter verringert,
wenn die Resonanzfrequenz aus der Resonanzspitze des dielektrischen
Resonators bestimmt wird. Die Ausrichtung kann bei einem Messen
des Ausrichtungsgrades aus dem Unterschied in einer Resonanzfrequenz
zwischen dem Fehlen und dem Vorhandensein der Probe korrekter gemessen
werden.
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Bei 18 wird
gedacht, dass die Resonanzspitzenfrequenzen T1, T2, T3 und T4, die
den Fluktuationen der Resonanzspitzenpegel A1, A2, A3 und A4 entsprechen,
zu den ursprünglichen
Positionen korrigiert werden, die durch eine Normalposition Tn angegeben
sind. Jedoch ist es tatsächlich
schwierig, die Korrektur der Resonanzspitzenfrequenzen T1, T2, T3
und T4 zu realisieren, da es notwendig ist, einen beträchtlichen Betrag
an Wellenformsimulation durchzuführen.
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Für den Zweck
einer Annehmlichkeit dachten die Erfinder, dass, wenn die Korrektur
durchgeführt
wird, so dass die Resonanzspitzenfrequenzen zu einem bestimmten
Resonanzspitzenpegel werden, z. B. dem Resonanzspitzenpegel, der
in 18 durch A3 angegeben ist, der Fehler, der durch
den Unterschied in einem Resonanzspitzenpegel in jedem Datenelement,
das durch jeden dielektrischen Resonator erhalten wird, beträchtlich
unterdrückt
ist, obwohl die Resonanzfrequenzen die Verschiebungsbeträge gemäß dem Resonanzspitzenpegel
aufweisen. Da die schlussendlich bestimmte Ausrichtungsintensität basierend
auf dem Unterschied in einer Resonanzfrequenz zwischen dem Fehlen
und dem Vorhandensein der Probe berechnet wird, tendiert der Verschiebungsbetrag
dazu, bei dem Berechnen des Unterschieds entfernt zu werden, sogar
wenn die Resonanzfrequenzen die Verschiebungsbeträge aufweisen.
Somit wird angenommen, dass der tatsächliche Verschiebungsbetrag
weiter verringert ist.
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Wie
es oben beschrieben ist, werden normalerweise fünf unterschiedliche Resonanzspitzenpegel
erhalten, wenn die fünf
dielektrischen Resonatoren verwendet werden. Ein programmierbarer
Dämpfer
wird eingeführt,
um die fünf
Resonanzspitzenpegel einheitlich zu machen. Der programmierbare
Dämpfer
erhält
einen arbiträren
Dämpfungspegel
aus dem elektrischen Signal, so dass der programmierbare Dämpfer eine „Einrichtung
für eine
variable Dämpfung
eines elektrischen Signals" genannt
werden kann. Wie es z. B. in 19 gezeigt
ist, wird in einem Falle des programmierbaren 7-Bit-Modell-Dämpfers ein
arbiträrer
Dämpfungspegel,
der von einer Minimalauflösung
von 0,125 dB bis zu einer Maximalauflösung von 15,875 dB reicht,
schrittweise durch eine Kombination der elektrischen Signale (TTL-Pegel)
erhalten, die auf die Bits angewendet werden. 19 zeigt
eine Wirkung des programmierbaren Dämpfers. Eine Tabelle in 19 zeigt
den Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers,
der dem eingegebenen 7-Bit-Signal entspricht. Der Dämpfungspegel
einer Mikrowelleneingabe Pin kann gesteuert und als Pout an den
Dämpfer
vor dem dielektrischen Resonator ausgegeben werden, durch die Kombination
der 7-Bit-Signale.
Der Dämpfungspegel
wird durch einen Dämpfungspegel
(dB) = –Log10(Pout/Pin) ausgedrückt.
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Bei
Messungen dieser Art wird allgemein ein Dämpfer verwendet, so dass die
Signalformänderung
minimal ist und eine einfache Schaltungskonfiguration aufrechterhalten
wird. Wenn die Vorteile des Dämpfers
jedoch vernachlässigt
werden, kann auch der Verstärker
verwendet werden, um den Resonanzspitzenpegel einheitlich zu machen.
Folglich kann im Prinzip die Einrichtung für eine variable Dämpfung und
Verstärkung
eines elektrischen Signals verwendet werden.
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Es
wurde festgestellt, dass die fünf
Resonanzspitzen in den fünf
dielektrischen Resonatoren sich leicht voneinander unterscheiden.
Dies wird auf einen individuellen Unterschied des dielektrischen
Resonators und dergleichen zurückgeführt.
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Wie
es in dem Blockdiagramm von 20 gezeigt
ist, ist der programmierbare Dämpfer
eingefügt,
und eine Rückkopplungssteuerung
wird durch eine Steuerschleife durchgeführt, bei der der Personalcomputer
genutzt wird. 20 ist ein Blockdiagramm, das
die Dielektrischer-Resonator-Schaltung des Ausrichtungsmessers in
dem Zustand zeigt, in dem der programmierbare Dämpfer in die Schaltung von 14 eingegliedert ist,
die das Signal aus dem dielektrischen Resonator verarbeitet. In 20 ist
die gleiche Komponente durch das gleiche Bezugszeichen wie in 14 bezeichnet.
Jedoch unterscheidet sich der in 20 gezeigte
Personalcomputer 27 von dem in 14 gezeigten
Personalcomputer 27 dahingehend, dass eine Funktion eines Steuerns
des programmierbaren Dämpfers
durch eine Software hinzugefügt
ist. In einem Falle, in dem die fünf dielektrischen Resonatoren
verwendet werden, wie es in 14 gezeigt
ist, sind programmierbare Dämpfer 33a bis 33e jeweils
in die dielektrischen Resonatoren eingefügt, wie es in 20 gezeigt
ist.
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Die
Mikrowellen, die aus dem Mikrowellenwobbeloszillator ausgegeben
werden, in 20 zu Wobbler abgekürzt, werden
verteilt und in die fünf
programmierbaren Dämpfer 33a bis 33e eingegeben,
und die Mikrowellen werden um den Betrag gedämpft, der durch das elektrische
Signal 34s bestimmt ist. Das elektrische Signal 34s wird
von dem Personalcomputer 27 an jeden programmierbaren Dämpfer übertragen.
Die gedämpften
Mikrowellen werden in die fünf
dielektrischen Resonatoren 1a bis 1e durch jeweils
die Isolatoren 22a bis 22e eingegeben. Der Resonanzpegel
wird durch die Antenne erfasst, die sich an der entgegengesetzten Seite
befindet, und die Transmissionsintensität wird durch jede der Erfassungsdioden 23a bis 23e in
eine Spannung umgewandelt. Dann wird die Spannung durch die Verstärker- und
A/D-Wandlungschaltungseinheiten 24a bis 24e an
die Spitzenerfassung- und Mittelungsverarbeitungschaltungseinheiten 25a bis 25e übertragen.
Die Resonanzfrequenz wird durch die Spitzenerfassung LSI gemessen.
In 20 ist das Bezugs zeichen der Komponente in jedem
Dielektrischer-Resonator-Erfassungssystem
zweckmäßig vernachlässigt. Da
das analoge Rampenwobbeln (Rampensweep) in der Frequenz durchgeführt wird,
wird der Anstiegspuls RP (siehe 15) des
Wobbelpulses, der aus dem Mikrowellenwobbeloszillator ausgegeben
wird, erfasst, um das Zeitintervall ab dann, wenn der Anstiegspuls
RP erfasst wird, bis die Erfassungsspannung die Spitze erreicht
zu messen. Die Wobbelgeschwindigkeit (Frequenzwobbelungsbreite pro
Zeiteinheit, z. B. 250 MHz/10 ms) und die Frequenz zu der Startzeit
(z. B. 4000,000 MHz) sind vorhergehend bekannt, so dass die Resonanzfrequenz aus
der Zeit, bis die Spannung die Spitze erreicht, durch die proportionale
Berechnung erhalten wird. Das heißt, die Frequenzwobbelung (Frequenz-Sweep)
der Mikrowelle, die von dem Mikrowellenwobbeloszillator oszilliert
wird, wird in festen Intervallen wiederholt, und der Mikrowellenwobbeloszillator
gibt gleichzeitig das Wobbelsignal aus, das lediglich bei dem Wobbeln
zu einem hohen Pegel wird. Somit ist die Resonanzfrequenz bestimmt,
wenn die Zeit, ab der das Wobbelsignal steigt, bis die Transmissionsintensität zum Maximum
wird, gemessen wird.
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Die
Resonanzspitzenpegelspannung wird an den Personalcomputer 27 durch
den Mikrocomputer 26 übertragen,
die Resonanzspitzenpegelspannung wird mit der vorbestimmten Resonanzspitzenpegelspannung verglichen,
der Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers
wird gemäß der Abweichung
(vorbestimmte Resonanzspitzenpegelspannung – gegenwärtige Spitzenpegelspannung)
bestimmt, der Dämpfungspegel des
programmierbaren Dämpfers
wird durch ein Ausgeben des Digitalsignals aus dem Personalcomputer
geändert,
und die Resonanzspitzenpegelspannung wird auf die vorbestimmte Resonanzspitzenpegelspannung eingestellt.
Der Personalcomputer ist die Steuereinrichtung zum Vergleichen der
Resonanzspitzenpegelspannung mit der vorbestimmten Resonanzspitzenpegelspannung,
um die Steuerung basierend auf dem Unterschied durchzuführen. In 20 wird
der obige Prozess in jedem der fünf
Dielektrischer-Resonator-Erfassungssysteme durch den Personalcomputer
durchgeführt.
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Die
vorbestimmte Resonanzspitzenpegelspannung wird so hoch wie möglich in
dem Eingabespannungsbereich der A/D-Wandlung der Verstärker- und
A/D-Wandlungschaltungseinheiten 24a bis 24e gesetzt, obwohl
die geringfügige
Grenze gesichert ist, so dass die Eingabe nicht gesättigt ist.
Zum Beispiel wird die vorbestimmte Resonanzspitzenpegelspannung
auf 90% der Maximaleingabespannung gesetzt. Die Eingabespannung
zu der A/D-Wandlung hängt
auch von der Größe der Vorstufenverstärkung ab.
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Somit
werden die gemessene Resonanzfrequenz und Resonanzspitzenpegelspannung
durch den Mikrocomputer 26 an den Personalcomputer übertragen.
Der Personalcomputer vergleicht die vorbestimmte Zielresonanzspitzenpegelspannung
mit der tatsächlich
gemessenen Resonanzspitzenpegelspannung, und der Personalcomputer
steuert den Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers
gemäß der Abweichung.
Kurz gesagt ist der Dämpfungspegel
erhöht,
wenn die Spitzenspannung größer als
die vorbestimmte Spannung ist, und der Dämpfungspegel ist verringert,
um die Mikrowellenleistung zu verbessern, wenn die Spitzenspannung
kleiner als die vorbestimmte Spannung ist.
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Die
konstante Resonanzspitzenpegelspannung wird immer durch ein automatisches
und kontinuierliches Wiederholen der obigen Steuerung in einer kurzen
Zeitdauer erhalten.
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Ein
spezifisches Beispiel der obigen Steuerung ist unten beschrieben.
Annehmend, dass P1 die gemessene Resonanzspitzenpegelspannung ist
und P2 die vorbestimmte Zielresonanzspitzenpegelspannung ist, wird
P durch die folgende Gleichung berechnet. P =
10 × log(P1/P2)
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Bis
zu welchem Grad der Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers
bestimmt ist, wenn ein absoluter Wert von P in dem Bereich existiert,
wird gemäß einem
Flussschaubild, das in 21 gezeigt ist, unter Verwendung
des Personalcomputers bestimmt. 21 ist
ein Flussschaubild, das einen Vorgang zeigt, in dem die vorbestimmte
Zielresonanzspitzenpegelspannung mit der tatsächlich gemessenen Resonanzspitzenpegelspannung
verglichen wird, um den Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers
gemäß der Abweichung
zu steuern. Wenn die Messdaten der neuen Resonanzspitzenpegelspannung
in den Personalcomputer durch ein Durchführen der Steuerung gemäß dem Flussschaubild
von 21 eingegeben werden, wird das Setzen des Dämpfungspegels
geändert,
um die Resonanzspitzenpegelspannung immer im Wesentlichen konstant
zu halten.
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Das
Flussschaubild von 21 wird kurz beschrieben. Die
reguläre
Messung wird von einem Schritt 31 gestartet. Bei einem Schritt 32
gibt der Personalcomputer den Dämpfungspegel
an jeden programmierbaren Dämpfer
aus. Der Dämpfungspegel
wird vorhergehend als ein Anfangswert an einer Einstelldatei in
dem Personalcomputer gesetzt. Bei Schritt 33 werden die Messwerte
für die
vorhergehend gesetzte Anzahl von Messwerten in jedem der fünf Resonanzspitzenspannungen
gemittelt, die bei diesem Ausführungsbeispiel
aus den fünf
dielektrischen Resonatoren erhalten werden, und die gemittelten
Werte werden in dem Personalcomputer angezeigt. Bei einem Schritt
34 wird die Abweichung zwischen dem Sollwert (Zielresonanzspitzenpegelspannung)
und dem tatsächlichen
Messwert berechnet. Angenommen, dass P1 der tatsächliche Wert ist und P2 der
Sollwert ist (P2 wird vorhergehend in der Einstelldatei gesetzt),
wird die Abweichung P durch die folgende Gleichung berechnet. P = 10 × log(P1/P2)
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Bei
einem Schritt 35 wird bestimmt, ob die Abweichung P niedriger als
ein gewisser konstanter Wert PS für alle dielektrischen Resonatoren
ist oder nicht. Der konstante Wert PS ist ein Sollwert einer Grenzlinie, in
der der gemessene Wert nahe genug an den Sollwert gebracht wird,
um fähig
zu sein, die tatsächliche
Messung durchzuführen.
Wenn die Abweichung P nicht niedriger als der konstante Wert PS
ist, geht der Fluss zu Schritt 36 als No über, und N wird zu Null gesetzt.
Bei einem Schritt 37 wird das Signal für jeden programmierbaren Dämpfer gemäß der Abweichung
für jeden
dielektrischen Resonator bestimmt. Bei einem Schritt 38 wird das
Signal ausgegeben und für
jeden programmierbaren Dämpfer
gehalten. Dann kehrt der Fluss zu Schritt 33 zurück. Wenn bestimmt wird, dass
die Messung durchgeführt
werden kann, da die Abweichung P niedriger als der konstante Wert
PS ist, geht der Fluss bei Schritt 35 zu einem Schritt 39 über und
N wird um 1 inkrementiert. Bei einem Schritt 40 wird bestimmt, ob
N gleich NS ist oder nicht. NS ist ein vorbestimmter Wert, der bestimmt,
ob der messbare Zustand ausreichend stabil ist oder nicht.
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Bei
Schritt 40 geht der Fluss zu einem Schritt 41 über, wenn der messbare Zustand
ausreichend stabil ist, d. h., wenn die Resonanzspitzenpegelspannung
im Wesentlichen konstant gehalten wird, während dieselbe ausreichend
stabilisiert ist. Bei Schritt 41 wird die Resonanzfrequenz gemessen,
d. h. die Ausrichtungsmessung wird durchgeführt. Die Information über einen
Stabilitätsgrad
wird zweckmäßig in dem
Personalcomputer durch ein Beleuchten von grünen, orangefarbenen und roten
Lampen während
des Flusses von 21 angezeigt.
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Wenn
der Einmalbetrag einer Änderung
in einem Dämpfungspegel
des programmierbaren Dämpfers übermäßig erhöht ist,
wird die Fluktuation manchmal weiter erhöht, um das so genannte Überschwingen
zu erzeugen, in einem Fall, in dem die Änderung in dem Dämpfungspegel
und der Spitzenspannung einander überlappen. Somit kann die stabile
Steuerung häufig
durch ein Ändern
des Dämpfungspegels
in einer Einheit der Minimalauflösung
durchgeführt
werden, wenn die Abweichung in einem vorbestimmten Bereich existiert. In
einem Fall, in dem der absolute Wert von P klein ist, z. B. in einem
Fall, in dem der absolute Wert von P nicht mehr als 0,125 beträgt, ist
keine Änderung
erforderlich. Bis zu welchem Grad der Dämpfungspegel bestimmt ist,
wenn der absolute Wert von P in dem Bereich existiert, kann auf
das tatsächliche
Messsystem eingestellt werden. Grundsätzlich jedoch wird der Dämpfungspegel
durch den Betrag geändert,
bei dem der gemessene Wert von dem Sollwert verschoben ist.
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Die
tatsächliche
Messung wird mit der Vorrichtung durchgeführt, bei der die Dielektrischer-Resonator-Schaltung
des Ausrichtungsmessers wie in 20 gezeigt
verwendet wird. Die Einstellungen der Bauelemente sind wie folgt.
SM5947 (Produkt von Anritsu Corporation) wird als der Mikrowellenwobbeloszillator
verwendet, eine Wobbelbreite reicht von 3940 bis 4190 MHz, die Wobbelgeschwindigkeit
beträgt
10 ms und die Zielresonanzspitzenspannung wird auf 1,1 V gesetzt,
was 90 der Maximaleingabespannung der A/D-Wandlung durch den Personalcomputer
ist. 22 zeigt den Zustand, in dem
die Ausgabespannung eines jeden dielektrischen Resonators auf der
Anzeige des Personalcomputers angezeigt wird. 22A zeigt den Zustand unmittelbar, nachdem die
Messung gestartet wird, und 22B zeigt
den Zustand, nachdem mehrere Sekunden verstreichen, seit die Messung
gestartet wird. Wie aus den 22A und 22B zu ersehen ist, werden die Resonanzspitzenspannungen
in 2 bis 3 Sekunden, wie es in 22B gezeigt
ist, zu der Zielresonanzspitzenspannung ausgeglichen, sogar wenn
die Resonanzspitzenspannungen der fünf dielektrischen Resonatoren
unmittelbar, nachdem die Messung gestartet wird, fluktuiert werden.
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23 zeit
den Zustand der Resonanzspitzenspannung eines jeden dielektrischen
Resonators bei einem Fertigen des Papierblattes, wenn die Zeit fortschreitet.
In 23 werden zu der Zeit einer Niveauänderung
eine Zusammensetzung, die Dicke und die Grammatur (Gewicht pro Flächeneinheit)
des Papiers während
der Messung durch ein Ändern
der Art von Papier geändert.
Wie es in 24 gezeigt ist, werden die fünf dielektrischen
Resonatoren auf der konstanten Spannung von 1,1 V gehalten, in einem
Falle, in dem die Steuerung zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung
während
der Messung durchgeführt
wird. Im Gegensatz dazu wird die Resonanzspitzenspannung in einem
Fall, in dem die Steuerung zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung
nicht durchgeführt
wird, geändert,
was die Resonanzfrequenz ändert,
wie es in 23 gezeigt ist. Somit wird das
korrekte Ausrichtungsmuster nicht erhalten.
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Somit
ist durch ein Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung nicht lediglich
die Messgenauigkeit der Resonanzfrequenz, die von dem endgültigen Messartikel
ist, verbessert, sondern auch die Fluktuation in der Resonanzfrequenz
ist verringert, um die Stabilität
zu verbessern. Zum Vergleich zeigt Tabelle 1 eine Standardabweichung
der Resonanzfrequenz eines jeden der fünf dielektrischen Resonatoren
(Nr. 1 bis Nr. 5) für einen
Fall, in dem die Steuerung zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung
durchgeführt
wird, und den Fall, in dem die Steuerung zum Konstanthalten der
Resonanzspitzenspannung nicht durchgeführt wird. In einem Fall, in
dem die Steuerung zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung
nicht durchgeführt
wird, beträgt
die Standardabweichung 43,45 kHz für die Resonanzfrequenz von
ungefähr
4000 MHz. In einem Fall, in dem die Steuerung zum Konstanthalten
der Resonanzspitzenspannung durchgeführt wird, ist die Standardabweichung
bemerkenswert auf 30,27 kHz für
die Resonanzfrequenz von ungefähr
4000 MHz verringert, und die Messung kann stabil durchgeführt werden. (Tabelle 1)
| | Standardabweichung
(KHz) |
| Nr.
1 | Nr.
2 | Nr.
3 | Nr.
4 | Nr.
5 | Durchschnitt |
| mit
Steuerung | 28,51 | 34,25 | 34,87 | 27,43 | 26,27 | 30,27 |
| ohne
Steuerung | 47,82 | 39,78 | 45,17 | 49,17 | 35,37 | 43,45 |
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Bei
einer Schaltung des Ausführungsbeispiels
werden die Daten aus der Mitte der Schaltung durch das Digitalsystem
verarbeitet. Jedoch kann die Schaltung natürlich durch all die Analogsysteme
gebildet sein, oder die Schaltung kann durch ein zweckmäßiges Verwenden
sowohl des Analogsystems als auch des Digitalsystems gebildet sein.
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Gemäß der Erfindung
wird die Steuerung zum Konstanthalten der Resonanzspitzenspannung
durchgeführt.
Somit können
der Feuchtigkeitsgehaltsbetrag und dergleichen nicht einfach basierend
auf dem Unterschied in einem Resonanzspitzenpegel zwischen dem Vorhandensein
und dem Fehlen der Probe bestimmt werden. Gemäß der Erfindung wird die Steuerung
durchgeführt,
so dass die Resonanzspitzenpegel, in einem Falle, in dem die Probe
vorhanden ist, und in einem Falle, in dem die Probe fehlt, ausgeglichen
und konstant gehalten werden. In diesem Fall kann angenommen werden,
dass der Unterschied in einem Resonanzspitzenpegel der Unterschied
in einem Mittelwert der Dämpfungspegel
zwischen dem Vorhandensein und dem Fehlen der Probe in den programmierbaren
Dämpfern
für die
dielektrischen Resonatoren ist, was die Basis zum Konstantmachen
eines Resonanzspitzenpegels ist.
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Die
Erfindung kann auf die Grammaturmessungen von blattartigen Substanzen,
wie z. B. Papier, nicht gewebte Faser und Film, angewendet werden.
