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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft ein System
für die Messung
des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere eines mehrlagigen
Ballens aus Baumwolle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei der Verarbeitung von Baumwolle
werden Entkörnungsmaschinen
zum Trennen der Baumwollfasern von den Samen verwendet. Für einen
problemlosen Betrieb der Verarbeitungsmaschinerie, und um die Qualität der Baumwollfasern
unter Minimierung des Produktionsabfalls zu optimieren, ist es erforderlich,
die Feuchtigkeit der Baumwollfasern während des Egrenierverfahrens
zu steuern. Spezifisch ausgedrückt,
neigen Baumwollfasern, die einen zu hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen,
dazu, an der Verarbeitungsmaschinerie zu haften und Wattebäusche zu
bilden, die während
der Lagerung faulen. Baumwollfaser dagegen, die einen zu niedrigen Feuchtigkeitsgehalt
aufweisen, haften infolge statischer Elektrizität, die an den Fasern erzeugt
wird, an Metalloberflächen.
Ferner wird, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Baumwollfasern verringert
wird, ihre Festigkeit reduziert, was in einem häufigeren Bruch der Fasern resultiert.
Infolgedessen wird der effektive Durchsatz der Verarbeitungsanlage
reduziert.
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Der optimale Feuchtigkeitsgehalt
von Baumwollfasern beträgt
von 6,5% bis 8%. Aber in Abhängigkeit
von der Periode der Baumwollernte kann Baumwolle mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von weniger als 4% bis mehr als 12% an den Egreniermaschinen ankommen.
Aus diesen Gründen
müssen
während
des Egrenierverfahrens Schritte unternommen werden, um entweder
den Feuchtigkeitsgehalt der Baumwollfasern zu reduzieren oder – alternativ – ihn zu
erhöhen,
damit der resultierende Feuchtigkeitsgehalt zwischen den angegebenen
optimalen Grenzen liegt. Eine Feuchtigkeitsmessvorrichtung ist somit eine
integrale Komponente des Feuchtigkeitssteuerungssystems.
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Baumwollballen sind massive Strukturen,
die typischerweise eine Breite von 0,5 m, eine Höhe von 0,7 m, eine Länge von
1,4 m und ein Gewicht von 250 kg ± 10% aufweisen. Jeder Ballen
umfasst typischerweise viele Lagen, die unter Verwendung von Metallstangen
aneinander gebunden sind. Der Feuchtigkeitsgehalt im Ballen kann
von einem Punkt zum anderen um ca. 3% variieren.
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Eine Feuchtigkeitsmessvorrichtung
zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Baumwollballens muss in
der Lage sein, einen Ballen alle 1,5–2 Minuten bei einer mittleren
Ballengeschwindigkeit von ca. 1 ms–1 zu
behandeln.
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Das U.S. Patent Nr. 4,578,998 beschreibt
ein Feuchtigkeitsgehaltsmesssystem für flächige Materialien, das Mikrowellenstrahlung
verwendet. Zwei Paare Mikrowellenstrahler und Mikrowellenempfänger sind
mit Messsensoren für
die Oberflächentemperatur
und für
die Temperatur unter der Oberfläche kombiniert,
um einen Rechner mit Daten zu versorgen, der die Daten auswertet
und Feuchtigkeitswerte ausgibt. Jedes Paar aus Mikrowellenstrahler
und Mikrowellenempfänger überspannt
das flächige
Prüfmaterial
und kontrolliert die Mikrowellenübertragung durch
das Material sowie die, die davon reflektiert wird, aber die zwei
Strahler sind kreuzpolarisiert, so dass eine Verwechslung ihrer
Signale vermieden wird.
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In einem solchen System sind die
zwei Strahler zueinander kreuzpolarisiert, und einer bestrahlt die
Unterseite des Prüfmaterials,
während
der andere die Oberseite bestrahlt. Tatsächlich wird ein Paar Strahler
und Empfänger
verwendet: ein. Strahler befindet sich oberhalb des flächigen Materials
und der andere unterhalb, wobei die jeweiligen Empfänger auf
die Strahler ausgerichtet sind und selbst auf gegenüberliegenden
Seiten des flächigen
Materials angeordnet sind. Um zu unterscheiden, welches ausgestrahlte
Signal von welchem Strahler stammt, und um ein Übersprechen der zwei Strahler
zu verhindern, sind die jeweiligen Mikrowellensignale in den zwei
Strahlern kreuzpola risiert, so dass jeder Empfänger nur das Signal von seinem
entsprechendem Strahler empfängt.
Es soll aber verstanden werden, dass, obwohl sie zur Signaltrennung
verwendet wird, die Polarisierung der Signale nicht verwendet wird, um
den Feuchtigkeitsgehalt des flächigen
Materials zu bestimmen. Ferner scheint das System zum Messen des
Feuchtigkeitsgehalts mehrlagiger Ballen aus Material, wie z. B.
Baumwolle, die einen nicht-gleichmäßigen Feuchtigkeitsgehalt in
einem Querschnitt davon aufweisen, nicht geeignet zu sein.
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Zudem werden beim Messen des Feuchtigkeitsgehalts
mehrlagiger Ballen aus Baumwolle die Ergebnisse variieren, je nachdem,
ob die Lagen parallel sind oder nicht, und es ist deshalb wünschenswert
zu beurteilen, inwiefern die Lagen parallel sind oder nicht. Im
U.S. Patent Nr. 4,578,998 ist keine Maßnahme vorgesehen, um eine
solche Aufgabe zu erfüllen.
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Man wird auch bemerken, insbesondere
an Hand der Figur und der begleitenden Beschreibung von U.S. Patent
Nr. 4,578,998, dass die jeweiligen Strahler und Empfänger auf
beiden Seiten des flächigen
Materials, und zwar in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet sind. Folglich
ist zwischen den jeweiligen Strahlern und Empfängern sehr wenig Luft, und
es ist deshalb nicht erforderlich, einen Ausgleich für den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt
der Luft vorzusehen. Aber auf Grund der massiven Struktur der Baumwollballen
und dergleichen sowie auf Grund ihrer Ungleichmäßigkeit besteht zwangsläufig ein
erheblicher Luftspalt zwischen den Strahlern und den Empfängern, die
den Baumwollballen umgeben. Auf Grund der Anwesenheit dieses Luftspalts
schließt
die resultierende Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts auch die Wirkung
der Umgebungsfeuchtigkeit in der den Ballen zwischen dem jeweiligen
Strahler und Empfänger
umgebenden Luft ein. Sofern dies nicht ausgeglichen wird, wird die
resultierende Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens ungenau sein.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen
Ballens aus Material vorzusehen, in dem die Nachteile von bislang
vorgeschlagenen solchen Systemen signifikant reduziert oder eliminiert sind.
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Gemäß einem breiten Aspekt der
Erfindung ist ein System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines
mehrlagigen Ballens aus Material vorgesehen, wobei das System folgendes
umfasst:
eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, die an einer ersten
Seite des Ballens angeordnet ist, zum Lenken eines polarisierten
Quellenstrahls durch den Ballen in eine Richtung, die im Wesentlichen
parallel zu den Lagen davon liegt, um aus dem Ballen als Ausgangsstrahl
auszutreten,
ein Fördermittel
zum Fördern
des Ballens an der Quelle von Mikrowellenstrahlung vorbei,
ein
auf einer gegenüberliegenden
Seite des Ballens angeordnetes Mikrowellenantennenmittel zum Empfangen
des Ausgangsstrahls,
ein Ballenausrichtungsmittel zum Bestimmen,
wenn der Ballen zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen korrekt
ausgerichtet ist, und zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals,
ein
mit dem Mikrowellenantennenmittel sowie mit dem Ballenausrichtungsmittel
verbundenes und auf das Ausrichtungssignal reagierendes Amplitudenbestimmungsmittel
zum Bestimmen einer maximalen Amplitude des Ausgangsstrahls, die
einer Amplitude des Ausgangsstrahls entspricht,
ein mit dem
Amplitudenbestimmungsmittel verbundenes Dämpfungsbestimmungsmittel zum
Bestimmen einer Dämpfung
des Quellenstrahls und
ein mit dem Dämpfungsbestimmungsmittel verbundenes
und auf die Dämpfung
reagierendes Feuchtigkeitsbestimmungsmittel zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts
des Ballens.
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Im einzelnen umfasst das erfindungsgemäße System
zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus
Material folgendes:
eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, die
an einer ersten Seite des Ballens angeordnet ist, zum Lenken eines
zirkular polarisierten Quellenstrahls durch den Ballen in eine Richtung,
die im Wesentlichen parallel zu den Lagen davon liegt, um aus dem
Ballen als Ausgangsstrahl auszutreten,
ein Fördermittel
zum Fördern
des Ballens an der Quelle von Mikrowellenstrahlung vorbei,
eine
erste und eine zweite Mikrowellenantenne zum Empfangen von zueinander
senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls,
ein Ballenausrichtungsmittel
zum Bestimmen, wenn der Ballen zwischen der Strahlungsquelle und
den Antennen korrekt ausgerichtet ist, und zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals
als Reaktion auf den Ausgangsstrahl, der gänzlich von dem Ballen herrührt,
ein
erstes und eine zweites Amplitudenbestimmungsmittel, die mit dem
ersten bzw. dem zweiten Mikrowellenantennenmittel sowie mit dem
Ballenausrichtungsmittel verbunden sind und auf das Ausrichtungssignal
reagieren, um jeweilige maximale Amplituden des Ausgangsstrahls
zu bestimmen, die einer Amplitude des Ausgangsstrahls in einer ersten
bzw. einer zweiten Richtung entsprechen, die normal bzw. parallel
zu den Lagen des Ballens sind,
ein erstes und eine zweites
Dämpfungsbestimmungsmittel,
die mit den Amplitudenbestimmungsmitteln verbunden sind, zum Bestimmen
einer ersten bzw. zweiten Dämpfung
des Quellenstrahls in der Richtung normal bzw. parallel zu den Lagen
des Ballens und
ein Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, das mit
dem ersten und dem zweiten Dämpfungsbestimmungsmittel
verbunden ist und auf die erste und die zweite Dämpfung reagiert, zum Bestimmen
des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens.
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Das Ballenausrichtungsmittel ist
in vorteilhafter Weise mit der ersten und der zweiten Mikrowellenantenne
verbunden und reagiert auf den Ausgangsstrahl, um zu bestimmen,
wann der Ballen korrekt zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen
ausgerichtet ist.
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Das Ballenausrichtungsmittel schließt folgendes
ein:
ein Vorderflanken-Übergangsmittel
zum Erfassen, wenn eine Vorderflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung
passiert, und zum Erzeugen eines Vorderflanken-Übergangssignals nach einer Zeitspanne τ1,
ein
Intervall-Taktungsmittel, das mit dem Vorderflanken-Übergangsmittel verbunden ist
und auf das Vorderflanken-Übergangssignal
reagiert, zum Erzeugen des Ausrichtungssignals für eine Zeitspanne τ2,
deren Größe eine
Funktion einer Länge
und einer Geschwindigkeit des Ballens ist, und
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Hinterflanken-Übergangsmittel zum Erfassen,
wenn eine Hinterflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung
passiert, und zum Erzeugen eines Hinterflanken-Übergangssignals nach einer
Zeitspanne τ3.
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Das Feuchtigkeitsbestimmungsmittel
reagiert auf das Hinterflanken-Übergangssignal,
um den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt zu korrigieren, und es sind
ferner vorgesehen:
ein erstes und ein zweites Filtermittel,
die mit dem ersten bzw. dem zweiten Dämpfungsmittel sowie mit dem
Ballenausrichtungssignal verbunden sind und auf das Hinterflanken-Übergangssignal
reagieren, um von der ersten und der zweiten Komponente des Ausgangsstrahls
jeweilige Umgebungsfeuchtigkeitskomponenten zu filtern, die den
Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt darstellen, um ein entsprechendes erstes und
zweites korrigiertes Dämpfungssignal
zu erzeugen,
ein erstes und ein zweites digitales Abtastmittel,
die mit den Filtermitteln verbunden sind, um das erste und das zweite
korrigierte Dämpfungssignal
abzutasten, wenn der Ballen an der ersten und der zweiten Mikrowellenantenne
vorbei geführt
wird, um jeweilige abgetastete Dämpfungssignale
zu erzeugen, und
ein Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmittel, das
mit dem ersten und dem zweiten digitalen Abtastmittel verbunden
ist, zum Berechnen von jeweiligen Feuchtigkeitsabtastwerten.
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Das Feuchtigkeitsbestimmungsmittel
umfasst in vorteilhafter Weise:
ein Verhältnisbestimmungsmittel, das
mit dem Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmittel verbunden ist,
zum Bestimmen eines jeweiligen Verhältnisses eines jeden Paars
von Feuchtigkeitsabtastwerten, um jeweilige Verhältnisse zu erzeugen,
ein
Komparatormittel, das mit dem Verhältnisbestimmungsmittel verbunden
ist, zum Vergleichen der jeweiligen Verhältnisse mit einer vorherbestimmten Konstante
K, die für
die parallelen Lagen im Ballen charakteristisch ist,
ein Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, das
mit dem Komparatormittel verbunden ist und das auf die Verhältnisse reagiert,
wenn diese gleich mit K sind, zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts
als ein Mittelwert der korrigierten digitalisierten abgetasteten
Komponentenfeuchtigkeitsgehalte, die mit einer der Mikrowellenantennen
verknüpft
sind, und
ein Nicht-Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel,
das mit dem Komparatormittel verbunden ist und das auf die Verhältnisse
reagiert, wenn diese ungleich mit K sind, zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts
als ein Mittelwert für
alle Scheiben der korrigierten digitalisierten abgetasteten Komponentenfeuchtigkeitsgehalte,
die mit einer der Mikrowellenantennen verknüpft sind, wobei der Mittelwert
durch eine empirische Funktion der Verhältnisse und der jeweiligen
Feuchtigkeitsabtastwerte korrigiert wird.
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Vorzugsweise wird ein zirkular polarisierter Quellenstrahl
verwendet und durch ein Paar kreuzpolarisierter Antennen zum Empfangen
von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls erfasst.
Der mit jeder dieser Komponenten assoziierte Feuchtigkeitsgehalt
kann, dann bestimmt werden, wonach ein Verhältnis der jeweiligen Komponenten des
Feuchtigkeitsgehalts in den zwei Richtungen des Ballens berechnet
werden kann. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Lagen des Ballens
parallel sind, so dass eine Komponente des Quellenstrahls parallel zur
Lagenstruktur und die andere normal dazu ist, ein charakteristisches
Verhältnis
K erzeugt wird. Ein Unterschied zwischen dem gemessenen Verhältnis und dem
charakteristischen Verhältnis
K ist ein Gradmesser für
die Abweichung der Lagenstruktur von der idealen parallelen Struktur.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Um die Erfindung zu verstehen und
um zu erkennen, wie diese in der Praxis durchgeführt werden kann, wird eine
bevorzugte Ausführungsform
nun beschrieben, und zwar lediglich als nichteinschränkendes
Beispiel, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 bildlich
ein erfindungsgemäßes System
zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus
Baumwolle zeigt;
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2 und 3 die Amplituden eines zirkular polarisierten
Eingangs- bzw. Ausgangsstrahls schematisch zeigen;
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4 ähnliche
Formen der Amplituden schematisch zeigt, wenn die Lagen nicht parallel
zum Quellenstrahl sind, so dass der Winkel, bei dem der Ausgangsstrahl
eine maximale Amplitude aufweist, normal zum Ballen ist;
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5 ein
Blockschaltbild ist, die die hauptsächlichen Komponenten in einem
erfindungsgemäßen System
funktionsbezogen zeigt;
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6 ein
Ablaufdiagramm ist, das die mit dem System von 5 assoziierten hauptsächlichen Methodenschritte zeigt;
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7 eine
empirische Beziehung zwischen der Signaldämpfung und dem Feuchtigkeitsgehalt grafisch
zeigt; und
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8 ein
Ausgangssignal grafisch zeigt, das von den Mikrowellenantennen empfangen
wird und womit drei getrennte Zeitspannen τ1, τ2 und τ3 assoziiert
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
einen Teil eines Systems 10 zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts
eines mehrlagigen Ballens aus Material 11. Der Ballen 11 weist
eine Mehrzahl von Lagen 12 auf, die in der Figur im Wesentlichen
parallel zueinander und zum Boden 13 sind. Auf einer ersten
Seite 14 des Ballens 11 ist eine Quelle von Mikrowellenstrahlung 15 zum
Lenken eines zirkular polarisierten Quellenstrahls 16 von
Mikrowellenstrahlung angeordnet, die eine Frequenz im Bereich 8
bis 10 GHz aufweist, in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel
zu den Lagen 12 ist, so dass er als zirkular polarisierter
Ausgangsstrahl 17 aus dem Ballen 11 austritt.
Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit
ist in der Figur auch ein kartesischer Bezugsrahmen gezeigt, der
die Richtungen der jeweiligen X-, Y- und Z-Achse zeigt, die in der
folgenden Beschreibung erwähnt
werden.
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Auf einer zweiten Seite 18 des
Ballens 11, die der ersten Seite 14 davon gegenüberliegt,
sind eine erste und eine zweite Mikrowellenantenne 19 und 20 zum
Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls 17 angeordnet. Während des
gesamten Messverfahrens bewegt sich der Ballen 11 in der
Längsrichtung
entlang der X-Achse, so dass jede der aufeinander folgenden Messungen
tatsächlich
eine Scheibe 21 in der Länge des Ballens 11 betrifft.
Um eine Trennung der einzelnen Lagen 12 in dem Ballen 11 zu
verhindern, ist der Ballen 11 an gegenüberliegenden Enden davon mit
Metallgurten oder -stäben
gebunden, die als 22 abgebildet sind und den Ballen 11 vollständig umfassen
und die Lagen 12 davon somit intakt halten.
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Der Quellenstrahl 16 ist
zirkular polarisiert, so dass seine jeweiligen Komponenten Xi und Yi von gleicher
Größe sind,
wie in 2 gezeigt. Mit
Bezug weiterhin auf 1 wird
man bemerken, dass die vertikale Komponente Yi des
Quellenstrahls 16 den Ballen 11 in einer Richtung
normal zu den Lagen 12 durchdringt, während die horizontale Komponente
Xi den Ballen 11 in einer Richtung
parallel zu den Lagen 12 durchdringt. Infolgedessen begegnet
die Komponente Xi des Quellenstrahls 16 während ihres Übergangs
von der Quelle 15 zur Mikrowellenantenne 19 viel
mehr Wassermolekülen
als es die vertikale Komponente Yi des Quellenstrahls 16 während ihres
entsprechenden Übergangs
tut. Infolgedessen wird die horizontale Komponente Xi in
einem viel höheren Maße gedämpft als
die vertikale Komponente Yi, und, wie in 3 gezeigt, ist die resultierende
polare Darstellung des Ausgangsstrahls elliptisch, wobei ihre Hauptachse
in der vertikalen Ebene und ihre Nebenachse in der horizontalen
Ebene liegt.
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Dies gilt, solange die Lagen 12 des
Ballens im Wesentlichen parallel zur Richtung der horizontalen Komponente
Xi des Quellenstrahls 16 sind,
so dass dessen vertikale Komponente Yi normal
zur Lagenstruktur ist.
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4 zeigt
die Situation, wenn dies nicht länger
der Fall ist und die Lagenstruktur in einem Winkel β zur horizontalen
Komponente Xi des Quellenstrahls 16 geneigt
ist. Der resultierende Ausgangsstrahl ist immer noch elliptisch
polarisiert, aber die Hauptachse der Ellipse ist geneigt, so dass
sie normal zur Lagenstruktur des Ballens ist, und die resultierende
maximale Amplitude kann bestimmt werden, entweder indem ein Paar
Mikrowellenantennen verwendet wird, wie gezeigt, oder alternativ indem eine
einzige zirkular polarisierte Antenne verwendet wird. 5 zeigt die hauptsächlichen
Funktionskomponenten eines Feuchtigkeitsbestimmungsmittels 25,
das auf die jeweiligen Signale reagiert, die von den Antennen 19 und 20 empfangen
werden. Tatsächlich
sind separate Kanäle
mit den Antennen 19 und 20 verbunden, so dass
deren jeweilige. Signale separat verarbeitet werden: Die Komponenten
wurden jedoch der Einfachheit halber nicht in 5 dupliziert, sondern sind als einzelne
Blöcke
dargestellt, die zweifache Eingänge
und Ausgänge
aufweisen. Das erste und das zweite Dämpfungsbestimmungsmittel sind
beide nicht in 5 dargestellt.
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Verbunden mit den beiden Antennen 19 und 20 sind
also jeweilige Ballenausrichtungsmittel 26 zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals,
wenn der Ballen 11 korrekt zwischen der Strahlungsquelle 15 und
den Antennen 19 und 20 ausgerichtet ist. Die Wirkung
der Haltestäbe 22 wird
mittels eines Stabunterdrückungsmittels 27 vom
resultierenden Signal entfernt, und das resultierende analoge Signal
wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers 28 digitalisiert. Das
resultierende digitale Signal wird durch eine Normierungseinheit 29 normiert,
um die Temperatur, die Masse, die Länge und den Materialgehalt
des Ballens auszugleichen. Spezifisch ausgedrückt, unter Verwendung folgender
Bezeichnungen:
Wxi = die i. Feuchtigkeitsmessung
im X-Kanal,
Wyi = die i. Feuchtigkeitsmessung
im Y-Kanal,
Wo = die Nennmasse des
Ballens ≈ 250
kg,
Wc = die tatsächliche, gemessene Masse des
Ballens,
Lo = die Nennlänge der
Lagen in der Breitenrichtung des Ballens,
Lc =
die tatsächliche
Länge der
Lagen in der Breitenrichtung des Ballens,
To =
die Grundtemperatur der Baumwollfasern (35°C) und
Tc =
die Temperatur der Baumwollfasern in der aktuellen Scheibe, kann
gezeigt werden, dass:
Wxi' = (To – Tc)/10
Wyi' =(To – Tc)/10
Wxi'' = Wxi'·(Wo/Wc)
Wyi'' = Wyi'·(Wo/Wc)
Wxi''' =
Wxi''·(Lo/Lc)
Wyi
''' = Wyi''·(Lo/Lc)
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Durch eine entsprechende Normierung
in sowohl dem X- als auch dem Y-Kanal können entsprechende Nachschlagetabellen
in einem Rechner gespeichert werden, so dass die normierten Werte
einfach an Hand der vom Analog-Digital-Wandler 28 an die
Normierungseinheit 29 gesandten Signale gelesen werden
können,
um entsprechende korrigierte Werte Wi
x und Wiy zu erzeugen,
die den Feuchtigkeitsgehalt in der X- bzw. der Y-Richtung einer
Scheibe 21 des Ballens 11 darstellen. In dem besonderen Fall,
dass die Lagen 12 des Ballens 11 im Wesentlichen
parallel zur X-Achse sind, wird der Ballen als "normal" bezeichnet, und die Gesamtfeuchtigkeitskonzentration
kann durch die vom. X-Kanal gelieferten Feuchtigkeitsmessungen vollständig charakterisiert
werden, d. h. in der Richtung, in der der Quellenstrahl 16 parallel
zu den Lagen 12 des Ballens 11 verläuft und
somit einer größeren Dämpfung unterliegt. Wenn
aber, wie in 4 schematisch
dargestellt, die Lagen 12 nicht parallel zur X-Achse sind,
dann werden die vom X-Kanal gelieferten Feuchtigkeitsmessungen selbst
nicht die wahre Feuchtigkeitskonzentration entlang den Lagen des
Ballens charakterisieren, und ein geeigneter Korrekturfaktor muss
geliefert werden, um die relative Neigung der Lagen 12 des
Ballens zu berücksichtigen.
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Eine solche Korrektur wird durch
eine Verhältnisbestimmungseinheit 33 geliefert,
die das Verhältnis
Wix/Wiy der normierten
Signale im X- bzw. Y-Kanal bestimmt. Es kann empirisch gezeigt werden,
dass, wenn das Verhältnis
einem vorbestimmten Koeffizienten K, der für Baumwollballen 80 sein kann,
im Wesentlichen gleich ist, dann kann die Gesamtfeuchtigkeitskonzentration
der aktuellen Scheibe 21 im Ballen 11 im Grunde genommen als gleich der
Konzentration Mix in der X-Richtung betrachtet werden.
Aber eine Abweichung des berechneten Verhältnisses vom vorbestimmten
Koeffizienten K deutet darauf hin, dass die Lagen 11 nicht
parallel zur X-Richtung sind, so dass die Vektorkomponenten des
Ausgangsstrahls wie folgt in Richtungen parallel und normal zu den
Lagen 11 zerlegt werden müssen: Wix(meas) = Wixcosβ + Wiysinβ
Wiy(meas) = Wixsinβ +
Wiycos
K = Wix/Wiy wobei:
Wix(meas) = gemessener Feuchtigkeitsgehalt
in der X-Richtung bei der i. Scheibe,
Wiy
(meas) = gemessener Feuchtigkeitsgehalt in
der Y-Richtung bei der i. Scheibe,
Wix =
maximaler Feuchtigkeitsgehalt der i. Scheibe in der X-Richtung,
Wiy = maximaler Feuchtigkeitsgehalt der i.
Scheibe in der Y-Richtung,
β = der Neigungswinkel
der Lagen zur X-Richtung,
K = das Verhältnis der maximalen Feuchtigkeitswerte in
der X- und in der
Y-Richtung und
αi = das gemessene Verhältnis Wix(meas)
: Wiy(meas).
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Das von der Verhältnisbestimmungseinheit 33 abgeleitete
Verhältnis
wird somit an einen Eingang 34 eines Komparators 35 gesandt,
der einen zweiten Eingang aufweist, an den der entsprechende Koeffizient
K von einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 37 gesandt wird. Je
nachdem, ob das Ausgabesignal des Komparators 35 im Wesentlichen
gleich oder größer als
eins ist, wird die Feuchtigkeitskonzentration des Ballens direkt
von einer Mittlere-Feuchtigkeits-Einheit 38 oder gemäß den oben
beschriebenen Gleichungen mittels der Korrekturfunktion 39 bestimmt.
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, das die oben beschriebene Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts des
Ballen zusammenfasst. Am Anfang des Verfahrens werden also jeweilige
Signale von den Antennen im X- und im Y-Kanal empfangen. Wenn der
Ballen zwischen der Quelle und den Empfangsantennen ausgerichtet
ist, dann wird das Flankenübergangssignal
der Ballen vom resultierenden Signal entfernt, so dass in der nachfolgenden
Verarbeitung nur der stationäre
Zustand berücksichtigt
wird. Wenn sich der Ballen in einigem Abstand zu der Quelle und
den Empfangsantennen befindet, bestimmt das System den Feuchtigkeitsgehalt
der Umgebungsluft, und, wie unten beschrieben wird, wird dieser
dann aus den entsprechenden Signalen, die erzeugt werden, wenn ein
Ballen zwischen der Quelle und den Empfangsantennen ausgerichtet
ist, herausgefiltert, um für
den Feuchtigkeitsgehalt der den Ballen umgebenden Luft zu korrigieren.
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Wie oben beschrieben, werden aufeinander folgende
Messungen für
die jeweiligen Scheiben entlang der Länge des Ballens durchgeführt, indem
dieser an der Quelle und den Empfangsantennen vorbei gefördert wird.
Die resultierenden aufeinander folgenden Signale werden verarbeitet,
um daraus die Wirkungen der in 1 gezeigten
Haltestäbe 22 zu eliminieren,
die, weil sie nichtabsorbierend sind, eine viel niedrigere Dämpfung als
die absorbierenden Baumwollfasern aufweisen. Die resultierenden
Signale werden normiert, und das Verhältnis der normierten Signale
wird dann berechnet. Wenn das resultierende normierte Verhältnis dem
vorbestimmten Koeffizienten K gleich ist., dann reichen die Ergebnisse
des Y-Kanals allein aus, um den mittleren Feuchtigkeitsgehalt des
Ballens zu bestimmen. Andernfalls muss der mit der i. Scheibe assoziierte
Feuchtigkeitsgehalt Wi unter Verwendung
des normierten X-Kanal-Signals gemäß der empirischen Funktion
f (αi, Wix, Wiy) korrigiert werden, wobei Wi – Wiy(meas) + 3,2·10–2(αi/K – 1)
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Die Dämpfung in dB kann durch folgende Funktion
bestimmt werden: A = 10 lg10 (Pexit/Psource),wobei
Pexit und Psource die
Leistungen des Ausgangs- bzw. des Quellenstrahls sind.
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Nachdem die Dämpfung der X- und der Y-Komponenten
des Quellenstrahls so bestimmt wurde, kann der resultierende Feuchtigkeitsgehalt
des Ballens an Hand einer graphischen Beziehung des in 7 gezeigten Typs empirisch
bestimmt werden, in der zwei Annäherungskurven 40 und 41 für die Richtungen
Y bzw. X dargestellt sind. Wie mit den punktieren Linien in 7 gezeigt, kann tatsächlich gezeigt
werden, dass die zwei Kurven parabolische Funktionen sind, obwohl
ihre genaue Herleitung selbst nicht ein Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist. Eine komplettere Beschreibung dieser Kurven und deren
Ableitung für
eine einzelne Richtung ist in "Theoretical
and Experimental Investigation of Microwave Moisture Measurement
of Materials" von
A. Greenwald, "FAN", Usbekistan, 1982,
zu finden.
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Wie oben beschrieben, ist es wichtig,
die Messungen nur während
der Periode durchzuführen, wenn
der Ballen 11 korrekt zwischen der Quelle und den Empfangsantennen
ausgerichtet ist. Tatsächlich wird
ein Signal immer von den Empfangsantennen empfangen, solange die
Quellenantenne den Quellenstrahl ausstrahlt, ganz gleich, ob ein
Ballen zwischen den Antennen ausgerichtet ist oder nicht.
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8 zeigt
schematisch eine Darstellung des von den Empfangsantennen empfangenen
Signals 43, das einem im allgemeinen niedrigen Hintergrundpegel 44 entspricht,
der zu einer Zeit T0, wenn ein Ballen in
den Bereich zwischen der Quellenantenne und den Empfangsantennen
eintritt, auf einen ersten höheren
Pegel steigt. Danach steigt das Signal, wobei es eine kurzzeitige
Spitze 45 auf Grund von Flankenübergangseffekten aufweist,
und es beruhigt sich nach einem Zeitintervall τ1 bei
einem im Allgemeinen stabilen Pegel, der den Feuchtigkeitsgehalt des
Ballens darstellt. Während
des gesamten Zeitintervalls τ2 bleibt das Signal im Wesentlichen konstant, wobei
es auf Grund lokaler Ungleichheiten des Feuchtigkeitsgehalt des
Ballens geringen Schwankungen unterliegt, bis am Ende des zweiten
Zeitintervalls τ2 die Hinterflanke des Ballens beginnt, vor
der Quelle auszutreten, und die Empfangsantennen dadurch eine zweite
lokale Spitze 46 liefern, wonach der Ballen nach einem
dritten Zeitintervall τ3 den Raum zwischen der Quelle und den Empfangsantennen
gänzlich
passiert hat, so dass das resultierende Signal die Umgebungsfeuchtigkeitskonzentration darstellt.
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Obwohl die Erfindung mit Bezug besonders auf
die Verwendung eines zirkular polarisierten Strahls beschrieben
wurde, der zwei Empfangsantennen zum Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten
eines Ausgangsstrahls verwendet, kann statt dessen ein einfach polarisierter
Detektor verwendet werden, der es erlaubt, unabhängig von der Neigung der Hauptachse
des elliptischen Ausgabestrahls die maximale Amplitude des Ausgangsstrahls
zu bestimmen.
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In der bevorzugten Ausführungsform
ist der Quellenstrahl zirkular polarisiert, und er wird in eine zu
den Lagen des Ballens im Wesentlichen parallele Richtung gelenkt.
Der Quellenstrahl kann aber, falls erwünscht, linear polarisiert sein
und in eine zu den Lagen des Ballens im Wesentlichen normale Richtung
gelenkt werden. Ebenso kann das Mikrowellenantennenmittel entweder
eine zirkular polarisierte Antenne sein oder zwei linear polarisierte
Antennen einschließen,
die zueinander senkrechte Polarisierungsrichtungen aufweisen.
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Es wird ferner verstanden werden,
dass obwohl in der bevorzugten Ausführungsform das Ballenausrichtungsmittel
auf den Ausgangsstrahl reagiert, um zu bestimmen, wann der Ballen
korrekt zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen ausgerichtet
ist, ein anderes Ausrichtungsmittel verwendet werden kann, ohne
die Prinzipien der Erfindung zu beeinträchtigen. Es kann z. B. ein
optisches Mittel verwendet werden, um die Position des Ballens relativ
zur Strahlungsquelle und zu den Antennen zu orten, um das erforderliche
Ausrichtungssignal zu erzeugen.