DE69627798T2

DE69627798T2 - On-line Messung des Basisgewichts eines Tabakstranges durch ein Messgerät mit hoher Genauigkeit/langsamer Reaktion und niedriger Genauigkeit/schneller Reaktion

Info

Publication number: DE69627798T2
Application number: DE69627798T
Authority: DE
Inventors: Steven P. Sturm
Original assignee: Automation and Control Tech Inc
Current assignee: Automation and Control Tech Inc
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2016-11-13
Also published as: EP0780666A3; US5627372A; EP0780666B1; DE69627798D1; EP0780666A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung von Produkten, die in der Tabakindustrie erzeugt werden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausführen von On-line Messungen des Basisgewichts von Strängen aus Material, die in der Tabakindustrie hergestellt werden, mittels eines Messgeräts hoher Genauigkeit und langsamer Reaktion in Verbindung mit einem Messgerät niedriger Genauigkeit und schneller Reaktion. Zur Zeit wird es bevorzugt, ein schwachaktives Betastrahlenmessgerät als das Messgerät mit hoher Genauigkeit und langsamer Reaktion und einen dielektrischen Fühler als das Messgerät niedriger Genauigkeit und schneller Reaktion zu verwenden, und dementsprechend wird die Erfindung hierin mit primärem Bezug auf diese bevorzugten Messgeräte beschrieben.
Ein Betastrahlenmessgerät wird üblicherweise für On-line Messungen von Materialsträngen wie Tabak in der Tabakindustrie verwendet. Ein solches Betastrahlenmessgerät setzt eine 25 Millicurie Strontium 90 Strahlungsquelle auf einer Seite des Strangs und eine Ionisationskammer auf der gegenüberliegenden Seite des Strangs ein. Unglücklicherweise erfordern dieses Betastrahlenmessgerät und andere bekannte Betastrahlenmessgeräte die Lizensierung durch die entsprechende Atomenergiebehörde, die eine Anzahl von Sicherheitsbeschränkungen erteilt, wobei zum Beispiel Bedienungspersonalausbildung und Qualifizierung von Sicherheitsbeauftragten umfasst sind. Diese Bestimmungen machen es schwierig, diese Instrumente zwischen Fabriken und Staaten zu verschiffen und ziehen hohe Kosten für Training und Weiterbildung der Sicherheitsbeauftragten nach sich. Zusätzlich gibt es oft Bedenken, seien sie wirklich oder nur eingebildet, in Bezug auf Gesundheit und Gesundheitsgefahren, die sich auf genehmigungspflichtige Nuklearstrahlungsmessausrüstung bezieht.
Angesichts dieser Probleme mit bestehenden Messgeräten, hat es den Versuch gegeben, Nuklearstrahlungsmessausrüstung aus den Vorrichtungen, die zum Messen des Basisgewichts in Produkten, die durch die Tabakindustrie hergestellt werden, auszuschließen. Ein Beispiel wird in der US-Patentschrift Nr. 5,125,418 dargestellt, wobei fasriges Material wie Tabak durch Einsatz eines optischen Monitors überwacht wird, um den Massenfluss des festen Teils des Materials zu bestimmen. Auch der flüssige Teil des Materials wird überwacht, indem das Material durch ein hochfrequentes elektrisches Feld geführt wird. Signale, die repräsentativ für den festen Teil des Materials und für den flüssigen Teil des Materials sind, werden miteinander verbunden, um ein Signal zu erzeugen, das für den zusammengefassten Materialfluss der festen und flüssigen Teile steht und das dafür ,verwendet wird, um das Basisgewicht des Materialflusses zu steuern. Unglücklicherweise bestehen Probleme, die mit dieser Vorrichtung verbunden sind, und es hat aus dem Blickwinkel der Anmelderin keinen Markterfolg gehabt.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer verbesserten Anordnung zum Messen des Basisgewichts von Materialsträngen wie Tabak, wie sie von der Tabakindustrie hergestellt werden, eine Anordnung, die nicht der Lizensierung durch Atomenergiebehörden bedarf.
Dieser Bedarf wird durch die Erfindung der vorliegenden Anwendung erfüllt, wobei ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Basisgewichts eines Stranges aus Material wie Tabak durch zwei das Basisgewicht erfassende Vorgänge, die dann miteinander verknüpft werden, bereitgestellt werden. Ein erster Erfassungsvorgang, der eine hohe Genauigkeit, aber eine langsame Reaktionszeit aufweist, wird mit einem zweiten Erfassungsvorgang verknüpft, der eine niedrige Genauigkeit und eine schnelle Reaktionszeit aufweist, um in einem Ausgabesignal mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit zu münden. Wie dargestellt, wird der erste Erfassungsvorgang unter Verwendung eines gering strahlenden Betastrahlenmessgeräts ausgeführt, das nicht die Lizensierung oder Sicherheitsvorkehrungen erfordert, wie sie zur Zeit bei Betastrahlenmessgeräten erforderlich sind. Der zweite Erfassungsvorgang ist so dargestellt, dass er unter Verwendung eines dielektrischen Fühlers ausgeführt wird. Die Ausgabesignale des ersten und des zweiten Messvorgangs werden über die Zeit gemittelt und verknüpft, so dass die Ausgabesignale mit schneller Reaktionszeit, die vom zweiten Messvorgang stammen, kalibriert oder vorabgestimmt werden, wobei die Ausgabesignale des ersten Messvorgangs verwendet werden, um eine Messung des Basisgewichts für einen Strang aus Material, wie es Tabak ist, mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit zu ergeben. Während ein geringstrahlendes Betastrahlenmessgerät und ein dielektrischer Fühler zur Zeit bevorzugt werden, können andere Vorrichtungen in der Erfindung der vorliegenden Anwendung eingesetzt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges folgende Schritte: Messen des Basisgewichts eines Materialstranges mit einem hochgenauen ersten Messgerät, das eine langsame Reaktionszeit aufweist; Messen des Basisgewichts des Materialstranges mit einem zweiten Messgerät mit niedriger Genauigkeit, das eine schnelle Reaktionszeit aufweist; und Kalibrieren des zweiten Messgeräts unter Verwendung des ersten Messgeräts, um ein Signal schneller Reaktion und hoher Genauigkeit zu erzielen.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges folgende Schritte: Überwachen des Basisgewichts eines Materialstranges mit einem hochgenauen ersten Messgerät, das eine langsame Reaktionszeit aufweist; Aufrechterhalten eines fortlaufenden Basisgewichtsdurchschnitts, der durch das erste Messgerät bestimmt wird; Überwachen des Basisgewichts des Materialstranges mit einem zweiten Messgerät mit niedriger Genauigkeit, das eine schnelle Reaktionszeit aufweist; Aufrechterhalten eines fortlaufenden Basisgewichtsdurchschnitts, der durch das zweite Messgerät bestimmt wird Berechnen eines Korrekturfaktors für das zweite Messgerät, der auf den fortlaufenden Durchschnitten basiert; und Anwenden des Korrekturfaktors auf das zweite Messgerät, um ein schnell reagierendes, hochgenaues Basisgewicht für den Materialstrang zu erzeugen. Vorzugsweise umfasst der Schritt des Messens des Basisgewichts eines Materialstrangs mit einem hochgenauen ersten Messgerät den Schritt des Messens des Basisgewichts des Materialstrangs mit einem Betastrahlenmessgerät mit geringer Strahlung; und der Schritt des Messens des Basisgewichts des Materialstrangs mit einem zweiten Messgerät mit niedriger Genauigkeit den Schritt des Messens des Basisgewichts des Materialstrangs mit einem dielektrischen Fühler. Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Verwendens von Ruthenium 106 als eine Strahlungsquelle und des Begrenzens der Strahlungsquelle auf ein Maximum von 1,0 Mikrocurie umfassen.
Gemäß noch eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges ein Messgerät mit niedriger Strahlung zum Erzeugen eines Basisgewichtssignals mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit; und einen dielektrischen Fühler zum Erzeugen eines Basisgewichtssignals mit niedriger Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit. Eine Datenverarbeitungsanlage ermöglicht das Verknüpfen des Basisgewichtssignals mit hoher Genauigkeit und hoher Reaktionszeit und des Basisgewichtssignals mit niedriger Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit, um ein Basisgewichtssignal mit hoher Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit zu erzeugen.
Die Betastrahlenquelle mit geringer Strahlung kann eine Strahlungsquelle aus Ruthenium 106, die ein Maximum von 1,0 Mikrocurie aufweist, wobei sie auf einer ersten Seite eines Materialstrangs angeordnet ist, und einen Geiger-Müller- Zähler umfassen, der an einer zweiten Seite des Materialstranges gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, wobei das Zählrohr so angeordnet ist, um die Strahlung von der Strahlungsquelle zu empfangen. Der dielektrische Fühler kann erste und zweite Kondensatoren mit freiem Feldraum, die für die Aufnahme eines Materialstranges in den Abmessungen ausgelegt sind, dessen Basisgewicht bestimmt werden soll, und Stromkreise umfassen, die mit den ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum zum Bestimmen des Unterschieds zwischen den dielektrischen Materialien innerhalb der ersten und zweiten Kondensatoren verbunden sind.
Die Stromkreise können eine vierzweigige Brückenschaltung umfassen, wobei die ersten und zweiten Kondensatoren den ersten und den zweiten Zweig der Brückenschaltung bilden. Die Brückenschaltung kann durch eine Wechselspannungsstromquelle betrieben werden, die eine Frequenz von ungefähr 100 Megahertz aufweist. Die Vorrichtung kann des Weiteren einen Spitzendemodulator zum Demodulieren der Ausgabe der Brückenschaltung umfassen. Die ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum können wenigstens zwei Kondensatorplatten umfassen, wobei die dargestellten ersten und zweiten Kondensatoren, jeder zwei gebogene Kondensatorplatten umfassen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren samt Vorrichtung zum Messen des Basisgewichts in Materialsträngen wie Tabaksträngen bereitzustellen, das nicht der Lizensierung durch Atomenergiebehörden bedarf; um ein verbessertes Verfahren samt Vorrichtung zum Messen des Basisgewichts in Materialsträngen mittels einer ersten Messung bereitzustellen, die eine hohe Genauigkeit, aber eine langsame Reaktionszeit aufweist und die mit einer zweiten Messung verknüpft ist, die eine geringe Genauigkeit, aber eine schnelle Reaktionszeit aufweist, um ein Ausgabesignal mit einer hohen Genauigkeit und einer schnellen Reaktionszeit zu ergeben; und um ein verbessertes Verfahren samt Vorrichtung zum Messen des Basisgewichts in Materialsträngen durch die Verbindung eines Betastrahlenmessgeräts, das keine Lizensierung oder Sicherheitsvorkehrungen erfordert, wie sie für zur Zeit verwendete Betastrahlenmessgeräte benötigt werden, mit einem dielektrischen Fühler bereitzustellen.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den angeschlossenen Ansprüchen offensichtlich.
Damit die Erfindung leichter verstanden werden kann, wird nun Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, von denen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Betastrahlenmessgeräts mit niedriger Strahlung und eines dielektrischen Fühlers, die typisch für den Einsatz gemäß der Erfindung sind, für die On-line Messung des Basisgewichts eines Materialstrangs, der durch die Tabakindustrie hergestellt wird, ist;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch die Mitte des Betastrahlenmessgeräts mit niedriger Strahlung aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Betastrahlenmessgeräts mit niedriger Strahlung ist, die entlang der Schnittlinie 3-3 aus Fig. 2 aufgenommen ist;
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Systems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen des Basisgewichts eines Materialstrangs, der durch die Tabakindustrie hergestellt wird, ist; und
Fig. 5 ein Graph der geschätzten Genauigkeit über der Zeit für das Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung aus Fig. 1-3 mit einer Strahlungsquelle aus 1,0 Mikrocurie von Ruthenium 106 (RU 106) ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei Fig. 1 schematisch einen Strang Material, der durch die Tabakindustrie hergestellt wird, zum Beispiel ein Tabakstrang 100 zeigt, der durch eine erste Messvorrichtung mit einer hohen Genauigkeit und langsamen Reaktionszeit 102 und durch eine zweite Messvorrichtung mit einer niedrigen Genauigkeit und schnellen Reaktionszeit 104 hindurchgeht, von denen beide das Basisgewicht des Strangs 100 messen. Gemäß der Erfindung der vorliegenden Anwendung wird ein Ausgabesignal der langsam reagierenden ersten Messvorrichtung 102, die über die Zeit genommen ein sehr genaues Ausgabesignal erzeugt, das für das Basisgewicht des Strangs 100 repräsentativ ist, mit dem Ausgabesignal der schnell reagierenden zweiten Messvorrichtung 104 verknüpft, um ein hochgenaues Ausgabesignal, das eine schnelle Reaktion aufweist, zu erzeugen, das für das Basisgewicht des Strangs 100 repräsentativ ist.
Es wird zur Zeit bevorzugt, ein Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung als die erste Messvorrichtung mit einer hohen Genauigkeit und langsamen Reaktionszeit 102 und einen dielektrischen Fühler als die zweite Messvorrichtung mit einer niedrigen Genauigkeit und schnellen Reaktionszeit 104 einzusetzen, und dementsprechend wird die Erfindung hierin mit der primären Bezugnahme auf diese bevorzugten Vorrichtungen beschrieben. Jedoch versteht es sich von selbst, dass in der vorliegenden Erfindung andere Vorrichtungen als die erste Messvorrichtung mit einer hohen Genauigkeit und langsamen Reaktionszeit 102 und als die zweite Messvorrichtung mit einer niedrigen Genauigkeit und schnellen Reaktionszeit 104 verwendet werden können.
Zum Beispiel kann der dielektrische Fühler durch einen Fühler, der mit mittleren oder weiten Infrarotwellenlängen arbeitet, oder durch einen kleinen maschinell erzeugten Röntgenfühler ersetzt werden, während das Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung durch eine Massenbalanciertechnik ersetzt werden kann, wobei der Tabakgewichtsfluss genau gemessen wird und in Bezug mit dem durchschnittlichen Stranggewicht gesetzt wird, wobei Messungen der Strangabmessung und Geschwindigkeit eingesetzt werden. Andere Fühler werden sicher von Fachleuten auf diesem Gebiet der Technik nach einer Durchsicht der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagen werden. Des Weiteren versteht es sich von selbst, während die Erfindung mit Bezug auf die Messungen eines Tabakstrangs beschrieben wird, dass die Erfindung im Wesentlichen nicht nur auf andere als Tabakmaterialstränge, wie sie von der Tabakindustrie hergestellt werden, sondern auch für andere Industrien anwendbar ist, die sich ähnlichen Mess- und Regelerfordernissen gegenüber sehen.
In der veranschaulichenden Ausführungsform umfasst die erste Messvorrichtung 102 ein Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung, das ein Gehäuse 108 aufweist, welches eine Strahlungsquelle 110 enthält. Die Strahlungsquelle 410 besteht aus einem Quellstab 112, der eine kleine Scheibe Ruthenium 106 (RU 106) Isotop 114 an seinem fernen Ende aufweist. Während RU 106 die zur Zeit bevorzugte Strahlungsquelle ist, können auch andere Quellen wie Zer 144 (Ce 144) und monoenergetische Elektronenquellen wie Wismut 207 (B1 207) verwendet werden. Die Strahlungsquelle 110 ist auf ein Maximum von 1,0 Mikrocurie (37 Kilobecquerel (kBq)) begrenzt, so dass keine Lizensierung durch Atombehörden erforderlich ist. Die United States Nuclear Regulators Commission (USNRC) definiert in den Vorschriften §§ 30.18 und 30.71 Schedule B, dass 1,0 Mikrocurie die maximale Ausnahmemenge von RU 106 darstellt, während vorgeschlagene Ausnahmemengen für RU 106 der Europäischen Union 2,7 Mikrocurie (100 kBq) betragen. Dementsprechend erfordert die erste Messvorrichtung 102 weder Lizensierung, radiologische Schulung noch Sicherheitsbeauftragte.
Wie in Fig. 1-3 gezeigt, ist das Gehäuse 108, welches die Strahlungsquelle 110 enthält, auf einer Seite des Strangs 100 angeordnet. Ein Strahlungsmesser 116 ist der Strahlungsquelle 110 im Wesentlichen diametral genau gegenüber der Strahlungsquelle 110 beigefügt. Wie dargestellt und zur Zeit bevorzugt, umfasst der Strahlungsmesser 116 ein Geiger-Müller-Zählrohr, das dafür optimiert wurde, Betastrahlenpartikel im Energiebereich von 1 bis 3 MeV zu erfassen. Da die grundlegende Messungsphysik der niedrigen Strahlung der dargestellten ersten Messvorrichtung 102 nahezu dieselbe wie die, der zur Zeit verfügbaren Betastrahlenmessgeräte mit höherer Strahlung ist, weist die erste Messvorrichtung 102 oder das Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auf, wenn Ihre(seine) Ausgabesignale über die Zeit gemittelt werden. Wie in Fig. 3 beziehungsweise 2 gezeigt, wird im Wesentlichen der gesamte Querschnitt von ungefähr 7 mm des Strangs 100 entlang einer Länge von ungefähr 10 mm mittels einer im Wesentlichen elliptischen Öffnung 118 durch das Gehäuse 108 geprüft.
Da im. Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung der Störabstand gering ist, sind lange Durchschnittszeitperioden erforderlich, was seine Reaktionszeit langsam werden lässt. Fig. 5 ist ein Schätzwert, der auf der Poisson-Verteilung und geometrischen Faktoren basiert, für die Genauigkeit des Betastrahlenmessgeräts mit niedriger Strahlung, das RU 106 (1,0 Mikrocurie) einsetzt. Geometrische Faktoren umfassen den Raumwinkel zwischen dem Isotopenstrahlungsfeld und dem Strahlungsmesser 116, die Eingangsöffnung des Strahlenmessers 116 und die Schwächung durch die Fenster zwischen der Strahlungsquelle 110 und dem Strahlungsmesser 116. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird geschätzt, dass die erste Messvorrichtung 102 oder das Betastrahlenmessgerät mit niedriger Strahlung eine Genauigkeit von ±6% des Basisgewichts des Strangs 100 in ungefähr 10 Sekunden aufweist, wobei die Genauigkeit ungefähr ±1,7% Genauigkeit in ungefähr zwei Minuten erreicht.
In der veranschaulichenden Ausführungsform umfasst die zweite Messvorrichtung 104 eine dielektrische Messung des Strangs 100, Wiegebrücke oder Differentialkapazitätsmessanordnung. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind ein erstes Loch 120 und ein zweites Loch 122 durch einen Block 124 aus Isoliermaterial ausgebildet, wobei der Strang 100 durch das erste Loch 120 hindurchgeht. Das erste und das zweite Loch 120, 122 sind gerade groß genug, dass der Strang 100 hindurchgehen kann. Ein Luftfilm auf Grund des Bernoullieffekts kann innerhalb des ersten Lochs 120 ausgebildet sein, um die Führung und Steuerung des Strangs 100 zu unterstützen, während er durch das erste Loch 120 hindurchgeht. Innerhalb jedem der ersten und zweiten Löcher 120, 122 befinden sich Elektroden 126, 128, welche die Platten der Kapazitäten 130, 132 ausbilden, wie in Fig. 4 gezeigt. In einer betriebsbereiten Ausführungsform erstrecken sich die Elektroden 126, 128 ungefähr 10 mm in die axiale Richtung des Strangs 100, d. h. in die Maschinrichtung der Maschine (nicht gezeigt), die den Strang 100 herstellt.
Es wird festgestellt, dass die Geometrie der Elektroden 126, 128 nicht auf den gebogenen Aufbau der dargestellten zwei Elektroden beschränkt ist, sondern so gestaltet sein kann, dass viele Elektroden um den inneren Umfang des ersten und des zweiten Lochs 120, 122 verwendet werden. Es ist auch zu beachten, dass flache anstelle der gebogenen Elektroden eingesetzt werden können, wobei dann die Löcher in eine geeignete geometrische Form zu bringen sind. Der Aufbau der zweiten Messvorrichtung 104, die viele Elektroden und/oder flache Elektroden einsetzt, sollte optimiert sein, um die störende Positionsempfindlichkeit des Strangs 100 innerhalb des ersten Lochs 120 und die Empfindlichkeit auf Grund der Trennung der Elektroden verringert wird. Wenn daher viele Elektroden verwendet werden, werden die Kapazitäten 130, 132 durch die Parallelschaltung der Elektroden ausgebildet, die positive und negative Platten aufweisen und abwechselnd um den Umfang oder die Umfangsgrenzen des ersten und des zweiten Lochs 120, 122 angeordnet sind.
Die Kapazitäten 130, 132 werden in zwei Zweige einer Brückenschaltung 134 verbunden. Variable Kapazitäten 136, 138 werden, verwendet, um die Brücke 134 ins Gleichgewicht zu setzen, bevor der Strang 100 durch das erste Loch 120 geführt wird. In einer betriebsbereiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden die variablen Kapazitäten 136, 138 aus kleinen Drahtstücken ausgebildet. Die anderen Zweige der Brückenschaltung 134 umfassen die Widerstände 140, 142.
Die Brückenschaltung 134 wird durch einen Signalgenerator 146 angesteuert, der in einer betriebsbereiten Ausführungsform mit einer Frequenz von ungefähr 100 Megahertz (MHz) betrieben wurde. Wenn der Strang 100 durch das erste Loch 120 im, Block 124 zwischen den Elektroden 126, 128, die innerhalb des ersten Lochs 120 angeordnet sind, hindurchgeht, wird die Brückenschaltung 134 aus dem Gleichgewicht gebracht, wodurch sie ein Ausgabesignal erzeugt, das eine Frequenz von ungefähr 100 MHz über die Brückenschaltung 134 aufweist. Im Falle eines Tabakstrangs wie das der Tabakstrang 100 ist, ist der primäre Bestandteil, der die dielektrische Konstante beeinflusst, Wasser und stellt eine ausgezeichnete Wechselbeziehung zum Basisgewicht dar, vorausgesetzt, der Feuchtigkeitsgehalt des Tabaks ist über kurze Zeitabschnitte konstant.
Das Ausgabesignal der Brückenschaltung 134 wird verstärkt durch einen Verstärker 148 und demoduliert, um eine schnelle Reaktionszeit aufzuweisen. Wie dargestellt, wird die Demodulation durch einen Spitzendemodulator 150 ausgeführt; jedoch kann die Demodulation auf andere Art erfolgen, wobei zum Beispiel Gleichrichtung und synchrone Demodulation umfasst sind. In jedem Fall wird das demodulierte Signal der Brückenschaltung 134 an einen Signal verarbeitenden Computer 152 weitergeleitet.
Der Strahlungsmesser 116 der ersten Messvorrichtung mit niedriger Strahlung 102 wird in Fig. 4 zusammen mit herkömmlichen angefügten Schaltungsblöcken gezeigt. Der Strahlungsmesser 116 ist durch eine Hochspannungsquelle 154 vorgespannt, wobei die Ausgabesignale vom Strahlungsmesser 116 durch den Verstärker mit Wechselspannungskopplung 156 hindurchgehen. Die Ausgabesignale vom Strahlungsmesser 116 gehen dann durch eine Pulsformungsschaltung 158 und eine Zählerschaltung 160, bevor sie den Signal verarbeitenden Computer 152 erreichen.
Der Signal verarbeitende Computer 152 sammelt Signale, die sowohl von der ersten Messvorrichtung 102 als auch von der zweiten Messvorrichtung 104 stammen, und bildet einen fortlaufenden Durchschnitt jedes Signals. Die Zeitspanne des laufenden Durchschnitts kann in Abhängigkeit zu den Genauigkeitserfordernissen des Benützers ausgewählt werden. Die zweifach gemittelten Signale werden dazu verwendet, um einen Wert abzuleiten, um das Ausgabesignal der zweiten Messvorrichtung 104 vorzurichten oder zu kalibrieren, um ihren laufenden Durchschnitt mit dem laufenden Durchschnitt der ersten Messvorrichtung 102 abzustimmen.
Eine mögliche Signalverarbeitungsanordnung wird nun beschrieben. Das Ausgabesignal D1 der ersten Messvorrichtung 102 wird durch eine Funktion von D1, f(D1), umgeformt. Die Funktion von D1, f(D1), ist eine nichtlineare Umformung der Zählungen in das Basisgewicht und ist sehr ähnlich den Umformungen, die in Betastrahlenmessgeräten verwendet werden, die zur Zeit zum Messen von Materialsträngen eingesetzt werden, die in der Tabakindustrie hergestellt werden.
f(D1) = t&sub1;/(A&sub1; + B&sub1;·t&sub1; + C&sub1;·t&sub1;² + D&sub1;·t&sub1;³) = w + to
t&sub1; = -ln(D&sub1;/Luftgehalt)
Luftgehalt = I0&sub1;·e-t·ln(2)/HL
Wobei: D1 das Ausgabesignal der ersten Messvorrichtung 102 ist, d. h. die Zählrate der gemessenen Strahlungsprobe; A&sub1; - D&sub1; Fühlerkalibrierungskonstanten sind; 101 die Zählrate ohne eine vorhandene Probe, d. h. ein Standardisierungssignal, ist; HL die Halbwertszeit der Strahlungsquelle ist, eine Universalkonstante; T die Zeit ist, seitdem der letzte leere Spalt oder die letzte Standarisierungsablesung ausgeführt wurde; w das Gewicht ohne Wasser ist; und to das Gewicht des Materials wie Tabak im Strang ist. Betastrahlungsmessgeräte weisen ungefähr die gleiche Empfindlichkeit für Wasser und Tabak auf.
Das Ausgabesignal D2 der zweiten Messvorrichtung 104 ist ein analoges Signal, welches ansteigt, wenn die dielektrische Konstante des gemessenen Materials ansteigt. Das Ausgabesignal D2 der zweiten Messvorrichtung 104 wird durch eine Funktion von D2, f(D2), umgeformt, welche durch die folgende Gleichung gekennzeichnet werden kann:
f(D2) = (A&sub2;·t&sub2; + B&sub2;·t&sub2;² + C&sub2;·t&sub2;·StrangT = w + δto
t&sub2; = (D2 - I0&sub2;)·Iosc/Ical
wobei: D2 das Ausgabesignal der zweiten Messvorrichtung 104 ist; I0&sub2; die Amplitude des Brückensignals ist, wenn keine Probe vorhanden ist, d. h. ein Standardisierungssignal; Iosc die Amplitude des Ausgabesignals des Signalgenerators 146 ist Ical die Amplitude des Ausgabesignals des Signalgenerators 146 bei der Kalibrierung ist, eine Konstante; A&sub2; - C&sub2; Fühlerkalibrierungskonstante sind; StrangT eine gemessene Strangtemperatur abzüglich einer Kalibrierungstemperatur ist; δ die teilweise Reaktion auf Material wie Tabak im Strang ist; w das Gewicht des Wassers ist; und to das Gewicht des Materials wie Tabak im Strang ist.
Das Signal D2 wird zuerst für jedes leichte Ungleichgewicht in der Brückenschaltung 134 und Abweichung in der Amplitude des Ausgabesignals des Signalgenerators 146 korrigiert (t&sub2;). Die Konstanten A&sub2; und B&sub2; linearisieren und skalieren Spannung auf Einheiten, die in Bezug auf das Wassergewicht stehen, zum Beispiel mg/cm Strangwassergewicht. Die Konstante C&sub2; skaliert die Temperaturkorrektur und arbeitet wie eine Anstiegsveränderung für das Signal, wie bestimmt durch die Aufbereitung der Feuchtigkeit in dem Strang über den 5 bis 25 Prozent Feuchtigkeitsbereich. Nach der Feuchtigkeitskalibrierung wird der Strang getrocknet und mit 0% Feuchtigkeit gemessen. Ein Wert für δ wird bestimmt, welcher die relative Feuchtigkeitsempfindlichkeit für das Material wie Tabak darstellt. Wenn zum Beispiel ein Gewicht für einen getrockneten Tabakstrang 95 mg/cm beträgt und der kalibrierte Fühler ein tatsächliches Wassergewicht von 19 mg/cm anzeigt, dann ist δ = 0,2 (19 ÷ 95).
Für Tabak ist die teilweise Reaktion größer, δ = 0,44, als man aus dem Verhältnis der dielektrischen Konstanten von Wasser, 78, gegenüber Tabak, 3,5, erwarten könnte. Diese Diskrepanz besteht darin, dass ein großer Anteil des Wassers im Tabak an die Tabakzellulose durch Wasserstoffbindung gebunden ist. Das fest gebundene Wasser ist nicht in der Lage, sich in dem angelegten Feld zu drehen oder auszurichten, was seine Wirkung als ein Dielektrikum verringert. Eine bessere Schätzung für δ für Tabak liegt bei ungefähr 0,2, was eine Kalibrierungskonstante für die Verarbeitung von Signalen von der zweiten Messvorrichtung 104 ist.
Die laufenden Durchschnitte der Ausgabesignale von der ersten Messvorrichtung 102 und der zweiten Messvorrichtung 104 werden verwendet, um einen Zwischenvergleichswert M der Ausgabesignale der ersten und zweiten Messvorrichtung 102, 104 zu berechnen, welcher dann dazu verwendet wird, einen Kalibrierungswert oder Korrekturfaktor a für die Ausgabe der zweiten Messvorrichtung 104 unter Lösung der folgenden Gleichungen zu berechnen:
M = ( / - δ)/(1 + / )
α = (M + 1)/(M + δ)
wobei die Überstriche anzeigen, dass die laufenden Durchschnitte von f(D1) und f(D2) in der Gleichung verwendet werden.
Der Kalibrierungswert oder Korrekturfaktor a wird dann als ein Multiplikator für das Ausgabesignal der zweiten Messvorrichtung 104 verwendet, um den laufenden Durchschnitt der Ausgabesignale der zweiten Messvorrichtung 104 dazu zu zwingen, sich mit dem laufenden Durchschnitt der ersten Messvorrichtung 102 abzugleichen. Daher wird ein genaues, reproduzierbares Ausgabesignal mit schneller Reaktion, dass eine gutes Signal-zu-Rausch Verhältnis aufweist, erzeugt, um das Basisgewicht des Materialstrangs, der hergestellt wird, darzustellen. Diese abschließende Berechnung wird mittels der folgenden Gleichung ausgeführt:
A·f(D2) = w + to
Da einige Zeit für das Basisgewichtsmesssystem aus Fig. 4 erforderlich ist, um genaue Ablesungen bei anfänglichem Betrieb bereitzustellen, muss das System vorkalibriert werden. Vorkalibrierung kann auf der Grundlage früheren Betriebs des Basisgewichtsmesssystems und der Strangherstellungsausrüstung, der es beigefügt ist, ausgeführt werden. Es ist auch möglich, das Basisgewichtsmesssystem auf einen Wert vorzukalibrieren, der zufriedenstellende aber nicht ideale Produkte gewährleistet. Das heißt, die Vorkalibrierung kann eingestellt werden, um sicherzustellen, dass das Basisgewicht des Materials, das in dem Strang enthalten ist, wenigstens gleich einem Minimalwert ist, auch wenn es während des Initialisierungsvorgangs wesentlich höher sein kann.
Nach Abschluss der genauen Beschreibung der Erfindung der vorliegenden Anwendung mit Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den angeschlossenen Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100), umfassend die Schritte:

Messen des Basisgewichts eines Materialstranges (100) mit einem hochgenauen Messgerät mit niedriger Strahlung (102), das eine langsame Reaktionszeit aufweist;

Messen des Basisgewichts des Materialstranges (100) mit einem dielektrischen Fühler (104) mit niedriger Genauigkeit, der eine schnelle Reaktionszeit aufweist; und

Kalibrieren des dielektrischen Fühlers (104) unter Verwendung des Messgeräts mit niedriger Strahlung (102), um ein Signal schneller Reaktion und hoher Genauigkeit zu erzielen.

2. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100), umfassend die Schritte:

Überwachen des Basisgewichts eines Materialstranges (100) mit einem hochgenauen Messgerät mit niedriger Strahlung (102), das eine langsame Reaktionszeit aufweist;

Aufrechterhalten eines fortlaufenden Basisgewichtsdurchschnitts, der durch das Messgerät mit niedriger Strahlung (102) bestimmt wird;

Überwachen des Basisgewichts des Materialstranges (100) mit einem dielektrischen Fühler mit niedriger Genauigkeit (104), der eine schnelle Reaktionszeit aufweist;

Aufrechterhalten eines fortlaufenden Basisgewichtsdurchschnitts, der durch den dielektrischen Fühler (104) bestimmt wird;

Berechnen eines Korrekturfaktors (a) für den dielektrischen Fühler (104), der auf den fortlaufenden Durchschnitten basiert; und

Anwenden des Korrekturfaktors (a) auf den dielektrischen Fühler (104), um ein schnell reagierendes, hochgenaues Basisgewicht für den Materialstrang (100) zu erzeugen.

3. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, des Weiteren umfassend den Schritt des Verwendens von Ruthenium 106 als eine Strahlungsquelle (110).

4. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend den Schritt des Begrenzens der Strahlungsquelle (110) auf einen Maximalwert von 1,0 Mikrocurie.

5. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach jedem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend den Schritt des Ausbildens des dielektrischen Fühlers (102) durch Durchführen der Schritte:

Ausbilden erster und zweiter Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132), die im Wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen und die ausgebildet sind, um einen Materialstrang (100) aufzunehmen, dessen Basisgewicht durch einen der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) bestimmt werden soll; und

Verbinden der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) mit den Stromkreisen (134, 136, 138, 140, 142, 146, 148, 150), um den Unterschied zwischen den dielektrischen Materialien innerhalb der ersten und zweiten Kondensatoren (130, 132) zu bestimmen.

6. Verfahren zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach jedem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material Tabak ist.

7. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100), umfassend:

ein Messgerät mit niedriger Strahlung (102) zum Erzeugen eines Basisgewichtssignals mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit;

einen dielektrischen Fühler (104) zum Erzeugen eines Basisgewichtssignals mit niedriger Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit; und

eine Datenverarbeitungsanlage (152) zum Verbinden des Basisgewichtssignals mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit und des Basisgewichtssignals mit niedriger Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit, um ein Basisgewichtssignals mit hoher Genauigkeit und niedriger Reaktionszeit zu erzeugen,

8. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 7, wobei das Messgerät mit niedriger Strahlung (102) umfasst:

eine Strahlungsquelle (110) aus Ruthenium 106, die einen Maximalwert von 1,0 Mikrocurie aufweist und die an einer ersten Seite eines Materialstrangs (100) angeordnet ist; und

einen Geiger-Müller-Zähler (116), der an einer zweiten Seite des Materialstranges (100) gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, wobei das Zählrohr (116) so angeordnet ist, um die Strahlung von der Strahlungsquelle (110) zu empfangen.

9. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der dielektrische Fühler (104) umfasst:

erste und zweite Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132), die für die Aufnahme eines Materialstranges (100) in den Abmessungen ausgelegt sind, dessen Basisgewicht bestimmt werden soll; und

Stromkreise (134, 136, 138, 140, 142, 146, 148, 150), die mit den ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) zum. Bestimmen des Unterschieds zwischen den dielektrischen Materialien innerhalb der ersten und zweiten Kondensatoren (130, 132) verbunden sind.

10. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 9, wobei die Stromkreise (134, 136, 138, 140, 142, 146, 148, 150) eine vierzweigige Brückenschaltung (134) umfassen, wobei die ersten und zweiten Kondensatoren (130, 132) die ersten und zweiten Zweige der Brückenschaltung ausbilden.

11. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 10, wobei die Brückenschaltung (134) durch eine Wechselstromquelle (146) betrieben wird, die eine Frequenz von ungefähr 100 Megahertz aufweist.

12. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, des Weiteren umfassend einen Spitzendemodulator (150) zum Demodulieren einer Ausgabe der Brückenschaltung (134).

13. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach jedem der Ansprüche 9 bis 12, wobei jeder der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) wenigstens zwei Kondensatorplatten (126, 128) umfasst, wobei die miteinander in Beziehung stehenden Paare von wenigstens zwei Kondensatorplatten auf im Wesentlichen gegenüber liegenden Seiten der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) angebracht sind.

14. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 13, wobei jeder der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem.

Feldraum (130, 132) zwei gebogene Kondensatorplatten (126, 128) umfasst, die auf im Wesentlichen gegenüber liegenden Seiten der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) angebracht sind.

15. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach Anspruch 14, wobei das Material Tabak ist.

16. Vorrichtung zur On-line Bestimmung des Basisgewichts eines Materialstranges (100) nach jedem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) im Wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen und ausgebildet sind, um einen Materialstrang (100) aufzunehmen, dessen Basisgewicht durch einen der ersten und zweiten Kondensatoren mit freiem Feldraum (130, 132) bestimmt werden soll.