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GEBIET UND HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dichtemessungen faseriger Materialien.
Im Speziellen betrifft diese Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Bestimmen von Hochgeschwindigkeits-, Echtzeit-, kontinuierlichen
oder stationären,
Inline-, nicht invasiven, dreidimensionalen Mehrpunkt-Dichteabweichungs-
und Dichtemessungen und Berechnungen von Garn, Fasebändern oder
Bäuschen
eines nicht homogenen faserigen Materials, das beispielsweise bei
der Herstellung von Hygieneprodukten für Frauen (d. h. Tampons, Binden
und Slipeinlagen) und anderen Produkten, die auf Faser basieren,
verwendet wird.
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Der
Herstellung von Tamponprodukten liegt die Verarbeitung von Garn,
Faserbändern
oder Bäuschen
nicht homogenen faserigen Materials zugrunde, das sich aus einer
Kombination aus Baumwoll- und
synthetischen und/oder Cellulose-Fasern zusammensetzt. Die Faserdichte
und der Feuchtigkeitsgehalt variieren normalerweise während des Herstellungsverfahrens,
vor allem infolge der Unterschiede in der Faserzusammensetzung.
Das Kombinieren und Steuern der richtigen relativen Mengen der Baumwoll-
und der synthetischen und/oder Cellulose-Fasern in einer bestimmten
Tamponherstellungs-Fertigung kann durchgeführt werden durch Integration
einer genauen Hochgeschwindigkeitsmessung und -steuerung der Inline-Faserdichte,
des Feuchtigkeitsgehalts und der Temperatur.
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Der
Hauptbestandteil von Tampons ist Baumwolle, wobei synthetische (z.
B. Viskosereyon-, Reyonpolyacrylate, Polyester-) und/oder Cellulose- (z.
B. Carboxymethol-Cellulose-)Fasern mit der Baumwolle vermischt werden,
um das Absorptionsvermögen
und die Anti-Streifenbildungseigenschaften des Tampons wesentlich
zu erhöhen.
Seit den späten
achtziger Jahren wurde mittels weit verbreiteter Untersuchungen,
Nachforschungen, Gerichtsverfahren (z. B. US-Bezirksgericht für den Bezirk
von Kansas, Fall Nr. 94-1195-FGT),
FDA-Meldungen und Richtlinien (z. B. Draft Guidance For The Content
Of Premarket Notifications For Menstrual Tampons, Obstetrics-Gynecology
Devices Branch, Office Of Device Evaluation, Center For Devices
And Radiological Health, 25. Mai 1995) festgestellt, dass synthetische
Fasern in Tampons mit dem toxischen Schocksyndrom (TSS) und Infektion
bei menstruierenden Frauen verbunden sind. Im Falle von TSS wurde
ermittelt, dass das Vorliegen von synthetischen Fasern in Tampons
einen Anstieg bei der Erzeugung von giftigen Chemikalien im Körper der
Frau bewirkt. Im Falle einer Infektion verhindert das Vorliegen
von synthetischen Fasern in Tampons das Wachstum oder die Existenz
von vaginaler Flora infolge der übermäßigen Absorption
vaginaler Feuchtigkeit, die für
die Gesundheit der Vagina nötig
ist. Zusätzlich
gibt es Berichte darüber,
dass synthetische Fasern selbst Toxine enthalten (z. B. "The Health Risks
of Dioxin", Bericht
eines FDA-Naturwissenschaftlers, auf den der US-Kongressabgeordnete
Ted Weiss bei einer Anhörung
des 'Human and Intergovernmental
Relations Subcommittee',
10. Juni 1992, Bezug nimmt). Bei dieser Anhörung kam die FDA zu dem Schluss, dass
in Reyon Dioxin vorhanden ist, und stellte fest, dass, wenn sie
(die FDA) Schwierigkeiten mit medizinischen Vorrichtungen hätte, "Menstruationsprodukte
die größten wären, einfach
wegen der Masse des Materials und der Aussetzungsdauer". Somit hängt das
Potential von Tampons, TSS oder eine Infektion zu verursachen, unmittelbar
mit dem Gehalt an synthetischen Fasern zusammen, der wiederum mit
der Gesamt-Rohstoff-Faserdichte und dem Feuchtigkeitsgehalt des
Tampons zusammenhängt.
Aus diesem Hintergrund und diesen Informationen wird ersichtlich,
dass die genaue Messung und Steuerung der Dichte und des Feuchtigkeitsgehalts
während
der Herstellung von Tampons nicht nur vom Gesichtspunkt der Qualitätssicherung
der Herstellung, sondern auch vom Gesichtspunkt der Gesundheit her wichtig
ist.
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Bei
der Herstellung von Produkten, die faserige Garn-, Faserband- oder
Bausch-Rohstoffe enthalten, ist es wünschenswert, die Faserdichte
vor allem im Echtzeit-, Inline- und kontinuierlichen Betrieb als
primären
Kontrollparameter zu benutzen, um die Produktqualitätssicherung
(d. h. Produktzusammensetzung und Leistungsreproduzierbarkeit) aufrechtzuerhalten.
Für eine bestimmte
Zusammensetzung aus einem Garn-, Faserband- oder Bauschmaterial hängt die
Faserdichte von ihrem Feuchtigkeitsgehalt und in geringerem Grad
von ihrer Temperatur ab. Die Echtzeit-, Inline-Qualitätskontrolle
des Fasergehalts, z. B, von fertigen Hygieneproduktuen für Frauen,
wird am besten durchgeführt,
indem die Dichte- und Feuchtigkeitsabweichungen gemessen und berechnet
werden und die Dichte und der Feuchtigkeitsgehalt des faserigen
Rohstoffs sowohl im stromaufwärts als
auch im stromabwärts
befindlichen Stadium des Herstellungsverfahrens kontrolliert werden.
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Vorrichtungen
und Verfahren aus dem Stand der Technik zum Messen der Faserdichte
und des Feuchtigkeitsgehalts basieren hauptsächlich auf Mechanik und sind
für stationären, Offline- und invasiven oder
Direktkontaktbetrieb und Analysen von großen Mengen von Materialien
mit relativ hohen Dichten geeignet. Techniken, die Strahlung verwenden, wurden
für Dichte-
und Feuchtigkeitsmessungen verwendet. Infrarottechniken können für eine Feuchtigkeitsbestimmung
verwendet werden, erfordern aber einen unmittelbaren Kontakt mit
dem Material und werden durch die Gegenwart von Industriestaub und der
direkt um die Probe herum befindlichen Brennebene beeinträchtigt;
Betastrahlen wurden für
die Dichtebestimmung verwendet, aber hier besteht eine Beschränkung aufgrund
von Gesundheitsgefährdung bei
ihrer Anwendung an den Produktionsstellen. Mikrowellen und andere
elektrische Vorrichtungen und Verfahren zum Messen der Dichte-Abweichungen und
der Dichte von faserigen Materialien mithilfe von Feuchtigkeits-
und Temperaturmessungen, die von Kraszewski, A. W., (Microwave Aquametry-Needs and
Perspectives, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,
Vol. 39, Nr. 5, Mai 1991) erörtert
werden, liefern einen Hintergrund und behandeln die Entwicklung
von Mikrowellenausrüstung zum
Zwecke der elektrischen Überwachung
des Feuchtigkeitsgehalts von Materialien. Eingeschlossen finden
sich nützliche
grundlegende Definitionen, Grundsätze und Gleichungen, die die
Mikrowellenanalyse des Feuchtigkeitsgehalts von Materialien betreffen.
Bei einer bestimmten Materialtemperatur werden Veränderungen
der Dämpfung
und Phasenverschiebungen der übertragenen
Mikrowellen verwendet, um die Materialfeuchtigkeits- bzw. -dichtewerte
zu berechnen.
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Die
US-Anmeldungen Nr. 08/974,983 und 08/777,872 beschreiben Vorrichtungen
und Verfahren auf Mikrowellengrundlage zum Bestimmen des jeweiligen
Feuchtigkeitsgehalts von verpacktem und unverpacktem Material unter
Verwendung verschiedener Antennenaufbauten als Quelle und Empfänger übertragener
Mikrowellenstrahlung. Die ältere
dieser beiden verwandten Patentanmeldungen, die US-Patentanmeldung
Nr. 08/777,872, beschreibt die Feuchtigkeitsgehaltsbestimmung eines
bestimmten Materialbausteins (z. B. Baumwolle, Papier, verarbeitetes
Holz, Tee, synthetische Fasern). Die Feuchtigkeitsmessapparatur
zielt auf die Überwachung stromaufwärts eingehenden
faserigen Rohstoffs ab – d.
h. bevor das faserige Material in die CARD (d. h. Fasertrenn- und -verarbeitungs)-Vorrichtung
eintritt – und
stellt eine "grobe" Überwachung und Analyse des
Feuchtigkeitsgehalts des stromaufwärts eingehenden faserigen Materials
dar. Als solche ist die Erfindung im Wesentlichen auf die Messung
relativ großer
(Massen-)Mengen von minimal verarbeitetem Fasermaterial mit hoher
Dichte (normalerweise z. B. 10–15
kg pro Kubikmeter) und nicht hochverarbeitetem faserigen Material
geringer Dichte (normalerweise z. B. 4–12 Gramm pro Meter, lineare
Dichte), das sich aus losen Fasern, wie beispielsweise Garn, Faserbändern oder
Bäuschen
(z. B. für
die Tamponherstellung) zusammensetzt, beschränkt. Der Feuchtigkeitsgehalt
wird abhängig
von Änderungen
in der Signalabschwächung
(Amplitude) bestimmt. Der Ausgleich der Phasenverschiebung für Feuchtigkeits- und
Temperaturänderungen
wird nicht gezeigt, und es gibt keine Erörterung, die Dichte-Abweichungsmessungen
oder -berechnungen betrifft.
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Die
US-Patentanmeldung Nr. 08/974,983 baut insofern auf der US-Patentanmeldung
Nr. 08/777,872 auf, als der Ausgleich der Temperaturänderungen
des Materials und ein Verfahren zum Messen und Berechnen von Dichte-Abweichungen
des jeweiligen Materials in die Erfindung eingeschlossen sind. Eine ähnliche
Zweifach-Antennenvorrichtung auf
Mikrowellengrundlage wird verwendet; Phasenverschiebungen und Signalabschwächungsmessungen
werden zum Berechnen der Dichte und des Feuchtigkeitsgehalts verwendet.
Ein Algorithmus wurde entwickelt, um die numerischen Informationen und
die Daten zu erhalten. Auch diese Erfindung ist im Wesentlichen
auf die Messungen großer
(Massen-)Mengen eines minimal verarbeiteten Materials mit hoher
Dichte und nicht eines hochverarbeiteten faserigen Materials geringer
Dichte beschränkt,
das sich aus losen Fasern, wie Garn, Faserbändern oder Bäuschen zusammensetzt.
Außerdem
ist diese Erfindung für
die Bereitstellung des Verfahrens und der Vorrichtung für die Feuchtigkeitsgehaltsbestimmung von
Material spezifisch, das um eine Spule herumgewickelt wird, die
einen hohlen Kern enthält.
Von diesen beiden verwandten Patentanmeldungen erwähnt die
jüngere
(d. h. US-Patentanmeldung Nr. 08/974,983) kurz eine Form der Qualitätskontrollregelung
des Feuchtigkeitsgehalts des Materials, die eine Feuchtigkeitsüberwachungsapparatur
einschließt,
die für
eine Positionierung an einem stromaufwärts befindlichen "groben" Stadium des Herstellungsverfahrens
auf Faserbasis (d. h. vor der CARD-Fasertrenn- und -verarbeitungsvorrichtung) geeignet
ist und elektronisch mit einer zentralen Steuereinheit verbunden
und davon gesteuert werden kann.
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EP-665426
offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte eines faserigen
Materials, die einen Mikrowellenresonator in Form eines rechteckigen
Hohlraums umfasst. Diese Schrift erklärt ausdrücklich, dass stattdessen ein
zylindrischer Resonator verwendet werden könnte. Der bevorzugte rechteckige
Hohlraum hat zwei normalerweise entartete Wellentypen E110 und E011.
Die Symmetrie dieser beiden normalerweise entarteten Wellentypen wird
gestört,
indem eine Abmessung des Resonators (X-Achse: 100 mm, Y-Achse: 100
mm, Z-Achse: 103 mm) etwas verlängert
wird. Die Dichte wird aus der Frequenzverschiebung eines Wellentyps
gefolgert.
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Das
Buch von Ebbe Nyfors und Pertii Vinikainen "INDUSTRIAL MICROWAVE SENSORS", ARTECH HOUSE, 1989,
beschreibt Sensoren, denen Hohlraumresonatoren zugrunde liegen.
Für kontinuierliche
Messungen werden Löcher
oder Schlitze in die Wände
gemacht, durch die sich das zu messende Material bewegen kann. Auf
Seite 153 des Buchs wird erklärt: "If another resonance
mode (for example, a degenerate mode = Gegenkoppelmodus) may disturb
the used mode, the excitation of the disturbing mode can be prevented
by locating the slots so that they obstruct the surface current
of that mode. Additional slots can be cut for this purpose, or the
couplings can be chosen and located so as to provide the desired
selective excitation".
["Wenn ein anderer
Resonanzwellentyp (z. B. ein entarteter Wellentyp) den verwendeten
Wellentyp stören
kann, kann die Erregung des störenden
Wellentyps verhindert werden, indem die Schlitze so gesetzt werden,
dass sie den Oberflächenstrom
dieses Wellentyps sperren. Zusätzliche
Schlitze können
für diesen
Zweck eingeschnitten werden, oder die Kopplungen können so gewählt und
gesetzt werden, dass sie für
die gewünschte
selektive Erregung sorgen."]
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Es
gibt also einen weithin anerkannten Bedarf (und es wäre sehr
vorteilhaft, es zu haben) an einem ganz genauen Hochgeschwindigkeits-,
Echtzeit-, kontinuierlichen oder stationären, Inline-, nicht invasiven,
dreidimensionalen Mehrscheibenverfahren und einer ebensolchen Vorrichtung
zum Messen und Berechnen (geringer) Dichte-Abweichungen und (geringer)
Dichten eines homogenen oder nicht homogenen faserigen Materials
in einem stromabwärts befindlichen
(feinen) Produktionsstadium, das/die die Fähigkeit zum Ausgleichen des
Feuchtigkeitsgehalts und der Temperaturänderungen des Materials einschließt, mit
dem Ziel der Bereitstellung einer ganz genauen Hochgeschwindigkeits-,
Echtzeit-, kontinuierlichen oder stationären, Inline-, nicht invasiven computerisierten
Qualitätskontrollen-Rückkopplung der
kritischen Herstellungsverfahrenparameter, die bei der Herstellung
von Produkten auf Fasergrundlage mit hoher Qualität und hoher
Sicherheit (z. B. Hygieneprodukte für Frauen, einschließlich Tampons als
nur ein Beispiel) beteiligt sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schließt
ein Verfahren und eine Vorrichtung für hochpräzise Hochgeschwindigkeits-,
Echtzeit-, kontinuierliche oder stationäre, Inline-, nicht invasive,
dreidimensionale Mehrscheiben-Dichte-Abweichung- und Dichtemessungen
und -berechnungen homogenen oder nicht homogenen faserigen Garn-,
Faserbänder-
oder Bauschmaterials ein.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglichen
die Messung und Berechnung von geringen Dichte-Abweichungen und geringen
Dichten homogenen oder nicht homogenen faserigen Garn-, Faserbänder- oder
Bauschmaterials.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglichen
auch die hochpräzise Hochgeschwindigkeits-,
Echtzeit-, kontinuierliche oder stationäre, Inline-, nicht invasive
computerisierte Qualitätssteuerung-Rückkopplung
von kritischen Herstellungsverfahrensparametern, die bei der Produktion
von Hochqualitäts-
und Hochsicherheits-Produkten auf Fasergrundlage (einschließlich Produkten mit
geringer Dichte) beteiligt sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt, um
die Dichte des faserigen Materials zu bestimmen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 8 definiert bereitgestellt, um
hochpräzise
Dichteprofile für
faseriges Material zu bestimmen.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung benutzt eine Mikrowellenstrahlungs-Messvorrichtung,
die als ein hochpräziser Hochgeschwindigkeits-
(d. h. Mikro- bis Millisekunden-Durchlauf zeit für die Messung, Analyse und
Verarbeitung eines jeden Datenpunkts), Mehrscheiben- (d. h. kontinuierlicher
Inline-Betrieb, so dass die Analyse kontinuierlich für kleine
Scheiben des faserigen Materials in der Größenordnung von 2 mm durchgeführt wird)
Mikrowellenresonator mit nicht spezifischer Geometrie (z. B. zylindrisch,
koaxial, rechteckig) arbeitet, der Folgendes einschließt: alternative Verfahren
zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung innerhalb des Resonators,
zwei Wellenleiter mit herabgesetzter kritischer Frequenz, eine Teflonröhre für den Materialtransport
innerhalb des Resonators und Bestandteile als Teil vom und innerhalb
des Resonators, um Unvollkommenheiten, Asymmetrie und/oder Nicht-Homogenitäten des
Resonators und/oder der Wellenleitermaterialien des Aufbaus zu korrigieren.
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Die
Mikrowellenresonatorvorrichtung kann in mindestens zwei alternativen
Betriebsarten arbeiten, einschließlich einer Ausführungsform
(a), in der die Mikrowellenstrahlung durch einen Breitband-Mikrowellengenerator/synthesizer
erzeugt wird, und einer Ausführungsform
(b), in der die Mikrowellenstrahlung in einem Oszillatorkreis erzeugt
wird, der die Resonatorvorrichtung (mit faserigem Material im Inneren, das
eine Kapazitanz bereitstellt) und einen Verstärker mit einer Gleichstrom-Energieversorgung
umfasst. Die Mikrowellenresonatorvorrichtung in jeder Ausführungsform
wird vorzugsweise zur Erzeugung und Messung von Resonator-Resonanzfrequenzverschiebungen
(d. h. Änderungen
in fr, worin fr die
Resonator-Resonanzfrequenz darstellt, die mit Mikrowellen verknüpft und
daran gemessen wird, die eine Höchstamplitude
Am haben) infolge von Dichteänderungen
des analysierten faserigen Materials betrieben.
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Die
in der Ausführungsform
(a) arbeitende Vorrichtung schließt einen Generator-Synthesizer ein,
der kontinuierlich einen Wobbelbereich erzeugt, der von der Zentraleinheit
gesteuert wird, so dass die entsprechende kontinuierliche Erfassung
auf die Identifizierung von Mikrowellen mit Höchstamplitude abzielt, wodurch
die Messung und Verarbeitung einer Matrix von Resonator-Resonanzfrequenzen
fr ermöglicht
wird. Infolge des elektronischen Aufbaus der Ausführungsform
(a) ist außerdem
die Messung und Verarbeitung einer zweiten Matrix möglich, d.
h. die Resonatorqualität
Q, worin Q = fr/2(Δ)f und (Δ)f die Ganzbreiten-Halbamplituden-Bandbreite
darstellt, die auf halber Höhe
der Mikrowelle mit der Höchstamplitude
Am/2 ausgewertet wird. In der Ausführungsform
(a) werden die Werte der Resonatorqualität Q als Teil eines computerisierten
und automatischen Verfahrens zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts
des faserigen Materials verwendet, das wiederum verwendet wird,
um die anfänglichen
Berechnungen von Dichte-Abweichung und Dichte, die vom Computeralgorithmus
mittels Verwendung der Resonanzfrequenzverschiebungsdaten durchgeführt werden,
auszugleichen und zu berichtigen. Für die Vorrichtung, die als
Ausführungsform
(a) arbeitet, wird ein separater externer Feuchtigkeitsgehaltssensor
als Teil der Gesamtvorrichtung der vorliegenden Erfindung nicht
benötigt.
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Für die Vorrichtung,
die in der anderen Ausführungsform
(b) arbeitet, wird die Resonatorqualität Q aufgrund des anderen elektronischen
Aufbaus der Mikrowellenresonatorschaltung nicht gemessen; daher
wird ein unabhängiger
externer Feuchtigkeits gehaltssensor wahlweise zur Gesamt-Resonatorvorrichtung
hinzugefügt,
womit das Ausgleichen und Korrigieren von Messungen und Berechnungen
der Dichte-Abweichung und der Dichte durch den Computeralgorithmus
ermöglicht
wird. Für
beide Ausführungsformen
sind das/die Mikrowellenresonatorverfahren und -vorrichtung wahlweise
fähig,
Temperaturänderungen
des faserigen Materials zu messen und auszuwerten, das Hinzufügen eines
unabhängigen
externen Temperatursensors als Teil der Gesamt-Resonatorvorrichtung
eingeschlossen. Jede Ausführungsform
der Mikrowellenresonatorvorrichtung ist zusätzlich optional dazu fähig, eine
automatische Qualitätskontrollen-Rückkopplung
der kritischen Herstellungsverfahrensparameter des faserigen Materials,
einschließlich
der Faserdichte, des Feuchtigkeitsgehalts, der Temperatur und der
Zuführungsrate
in einem stromabwärts
befindlichen Stadium (Feinabstimmung) des gesamten Herstellungsverfahrens
zur Verfügung
zu stellen. Für
die in der Ausführungsform
(a) arbeitende Vorrichtung können zusätzliche
Komponenten, einschließlich
eines Überlagerungs-Generator-Synthesizers
und eines Signalmischers, zu derselben Schaltung der Mikrowellenresonatorvorrichtung
hinzugefügt
werden, um einen zusätzlichen
Dynamikbereich, eine verbesserte Empfindlichkeit und Genauigkeit
bei der Signalerfassung und die anschließende Verbesserung der an die Verarbeitungsgeräte für das stromaufwärts eingehende
faserige Material gesandten Rückkopplung-Informationen
bereitzustellen.
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Das/die
Hochgeschwindigkeits-(d. h. Mikro- bis Millisekunden-Durchlauf zeit
für die
Messung, Analyse, Berechnung und Verarbeitung eines jeden Datenpunkts),
Mehrscheiben-Mikrowellenresonatorverfahren und -vorrichtung einschließlich der
optionalen Fähigkeiten
von Temperatur- und Feuchtigkeitsgehaltssensoren für die Messung
und Berechnung und automatischer Qualitätskontrollen-Rückkopplung,
werden von einer Inline-CPU gesteuert. Die CPU enthält speziell
entwickelte Algorithmen zur Durchführung der Datenreduzierung
und Berechnungen aus den Messungen von Mehrscheiben-Analyse des
faserigen Materials auf der Grundlage von Messungen der betroffenen
Mikrowellen innerhalb der Mikrowellenresonatorvorrichtung, einschließlich der Umwandlung
von Frequenzverschiebung, Resonatorqualität und Spannungsmessungen in
Dichte-Abweichung, Durchschnittsdichte, Feuchtigkeitsgehalt und
Temperatur. Die Werte der Dichte-Abweichung und der Durchschnittsdichte
und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts und/ oder der Temperatur
abhängig
von der Zeit werden numerisch und/ oder graphisch auf einem computerisierten
Inline-Anzeigegerät
dargestellt. Die Kombination der CPU, die elektronische Komponenten
für die
(A/D)-Digitalsignalverarbeitung und ein computerisiertes Anzeigegerät einschließt, stellt
eine Vielzahl von Möglichkeiten
elektronischer Speicherung und Handhabung bereit, einschließlich Hardcopyausdrücken der
gewünschten Messungen,
Berechnungen, numerischen Daten und/oder Graphen bereit.
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Dem
Computeralgorithmus, der speziell für die Mehrscheiben(d. h. des
faserigen Materials)Datenreduzierung, die Berechnungen der verschiedenen
Messungen und die Erzeugung der Werte der Dichte-Abweichung, der
Durchschnittsdichte und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts geschrieben wird,
liegen vorzugsweise (d. h. wie in der Ausführungsform (a)) zwei Grundmatrizen
zugrunde: 1) eine Mikrowellenresonatorfrequenz fr und
2) eine Signal(resonator)qualität
Q. Die Materialdichte und der Feuchtigkeitsgehalt sind jeweils direkt
proportional zu diesen Matrizen, wodurch die richtigen Funktionen und
Gleichungen zum Durchführen
der nötigen
Berechnungen verwendet werden. Die Ist-Werte der Fasermaterialdichte,
die für
Inline-Verarbeitungszwecke verwendet werden, werden zum Teil aus
empirischen Funktionen berechnet, deren Daten in Eichkurven der
Resonanzfrequenz fr vs. Dichte und der Resonatorqualität Q vs.
Dichte für
eine Vielzahl an faserigen Materialien bei bekannter Temperatur
und bekanntem Feuchtigkeitsgehalt enthalten sind, die unter kontrollierten
Offline-Kalibrierungsbedingungen aufgezeichnet werden. In der Ausführungsform
(a) wird die verbesserte Genauigkeit bei den endgültigen Dichteberechnungen,
falls erwünscht,
durch das Ersetzen des Material-Feuchtigkeitsgehalts, der Materialstruktur
(d. h. Form, Art) und der Temperatur durch Ausgangs-Berechnungen
der Dichte gewonnen. Der Feuchtigkeitsgehalt wird aus Messungen
und Berechnungen der Resonatorqualität bestimmt; Funktionen der
Materialstruktur werden aus der Verwendung der Resonatorvorrichtung
unter Standardbedingungen und bei verschiedenen gut charakterisierten Formen
und Arten von Fasern bestimmt; und die Temperatur wird aus einem
passend positionierten externen Temperatursensor in der Nähe des Eingangs
zur Resonatorvorrichtung bestimmt.
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Bei
der Ausführungsform
(b) liegt der Mehrscheiben-Datenreduzierung, den Berechnungen der verschiedenen
Messungen und der Erzeugung der Werte für die Dichte-Abweichung, Durchschnittsdichte
und wahlweise den Feuchtigkeitsgehalt eine Hauptmatrix, d. h, die
Mikrowellenresonator-Resonanzfrequenz fr,
zugrunde. Wie in der Ausführungsform
(a) ist die Materialdichte direkt proportional zu dieser Matrix,
wodurch die passenden Funktionen und Gleichungen zur Durchführung der
nötigen
Berechnungen verwendet werden. Die Ist-Werte der Fasermaterialdichte
werden zum Teil aus empirischen Funktionen berechnet, deren Daten
in Eichkurven der Resonanzfrequenz fr vs.
Dichte für
eine Vielzahl an faserigen Materialien bei bekannter Temperatur und
bekanntem Feuchtigkeitsgehalt enthalten sind, die unter kontrollierten
Offline-Kalibrierungsbedingungen aufgezeichnet werden. In dieser
Ausführungsform
wird die verbesserte Genauigkeit in den endgültigen Dichteberechnungen,
falls erwünscht, durch
das Ersetzen des Material-Feuchtigkeitsgehalts, der Materialstruktur
(d. h. Form und Art) und der Temperatur durch Ausgangs-Berechnungen
der Dichte gewonnen. Jedoch werden in dieser Ausführungsform
die Werte des Feuchtigkeitsgehalts aus tatsächlichen Messungen erhalten,
die von einem optionalen extern positionierten Feuchtigkeitsgehaltssensor
gewonnen werden. Die endgültigen,
ersetzten Werte der Materialdichte wie in der Ausführungsform
(a) bedürfen
der Verwendung empirischer Funktionen der Materialstruktur und Temperatur,
worin die Materialtemperatur vom externen Temperatursensor ausgewertet
wird, der sich nahe am Eingang zur Resonatorvorrichtung befindet.
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Der
physische Standort der Mikrowellenresonatorvorrichtung in Bezug
auf das Gesamt-Herstellungsverfahren auf Fasergrundlage befindet
sich zwischen den Geräten,
die für
die stromaufwärts
befindliche (grobe) Handhabung und Verarbeitung des eingehenden
faserigen Rohmaterials verwendet werden und eine CARD- Fasertrennvorrichtung
einschließen,
und den stromabwärts
befindlichen (Fein-)Verarbeitungsgeräten, die bei der Weiterverarbeitung des
getrennten faserigen Materials zu den Endprodukten beteiligt sind.
Die von der Mikrowellenresonatorvorrichtung an die CPU gelieferten
Informationen stellen die "Feinabstimmungs"-Fähigkeit
der Faser-Verarbeitungsparameter dar, die für die stromabwärts befindlichen
Stadien des Gesamt-Herstellungsverfahrens entscheidend sind, wohingegen
die Feuchtigkeits/ Dichte-Überwachungsgeräte, die
sich stromaufwärts
von der CARD-Fasertrennvorrichtung befinden,
die "Grobabstimmungs"-Fähigkeit
der Faser-Verarbeitungsparameter darstellen, die für das in die
CARD-Vorrichtung eingehende faserige Material entscheidend sind,
und dienen als "Alarm" für große, unberechenbare
oder anderweitig unerwünschte Dichte-Abweichungen,
die früh
im Herstellungsverfahren auftreten. Der Standort der Resonatorvorrichtung
dieser Erfindung eignet sich gut für eine Hochgeschwindigkeits-,
Inline-Qualitätssteuerung-Rückkopplung
verschiedener Eigenschaften eingehenden faserigen Rohmaterials,
einschließlich
der Dichte, des Feuchtigkeitsgehalts und der Temperatur; und von
Verfahrensparametern einschließlich
der Zuführungsrate
für eingehendes
Material und der Bewegungsenergie der CARD-Maschinenzylinder.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
die Modifikation des Aufbaus gemäß der genauen
Anwendungsart, und zwar abhängig
von Faktoren wie der Art, Größe und Dichte des
faserigen Materials sowie der genauen Art des Gesamtherstellungsverfahrens
eines speziellen Fertigprodukts auf Fasergrundlage.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in ihrer Fähigkeit,
Abweichungen der Dichte (und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts
und der Ausrichtung des faserigen Materials) in kontinuierlichem
oder stationärem
nicht invasiven Inline-Betrieb mit hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit
zu überwachen,
zu messen und zu berechnen. Außerdem
sind das Verfahren und die Vorrichtung auf eine dreidimensionale
Mehrscheibenmessung und -analyse der faserigen Materialien anwendbar.
Um den Vorteil der Fähigkeit
der Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung zur Durchführung der
Echtzeit-Mehrschei ben-Analyse hervorzuheben, folgt eine Ist-"Betriebs"-Darstellung dieser
Vorrichtung: Bei typischem Dauerbetrieb (Faserbausch-Geschwindigkeit 1200 m/min
= 20 m/sec = 20 mm/msec) ist diese Vorrichtung in der Lage, die
Messungen bei einer Rate von einem Datenpunkt (d. h. einem Scheibchen)
pro 0,1 Millisekunde zu messen, aufzuzeichnen und zu verarbeiten;
somit stellt jeder aufgezeichnete Datenpunkt (Scheibchen) 2,0 mm
des Faserbauschmaterials dar, das während der Herstellung von Tamponerzeugnissen
zugeführt
wird. Die Durchlauf-Datenverarbeitungszeit, d. h. die Zeit von der
Ausgangsmessung bis zum Zeitpunkt der Rückkopplung-Steuerungstätigkeit,
und die hier als Beispiel angegebene Probengröße vermitteln einen Eindruck
von der Schnelligkeit und Genauigkeit der Qualitätskontroll-Rückkopplungsschleife,
derer diese Vorrichtung während
der eigentlichen Herstellung beispielsweise von Tampons und anderen
Textilien fähig
ist.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung ist ihre Anwendbarkeit auf die Messung und
Analyse von geringen Dichte-Abweichungen und auf faserige Materialien
mit geringer (linearer) Dichte, wie beispielsweise Garn, Faserbänder (z.
B. 4–5
Gramm pro Meter) und Bäuschen
(z. B. 11–12
Gramm pro Meter), die bei der Herstellung von Tampons verwendet werden.
Der bevorzugte Standort der Resonatorvorrichtung der vorliegenden
Erfindung ist an einem strategischen Punkt der Feinabstimmung in
Bezug auf das Herstellungsverfahren, d. h. stromabwärts von
der CARD-Fasertrenn- und -verarbeitungsvorrichtung.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die
Dichtemessungen in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt und die Temperaturänderungen
des faserigen Materials während
des Echtzeit-, kontinuierlichen oder stationären, Inline-, nicht invasiven,
dreidimensionalen und Mehrscheiben-Betriebs korrigiert werden.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Fähigkeit, gleichermaßen eine
automatische Qualitätskontrollen-Rückkopplung
bereitzustellen. Ein praktisches Beispiel für die Nützlichkeit der automatischen
Qualitätskontrollen-Rückkopplung während des
Herstellungsverfahrens tritt auf, wenn die Rückkopplungssteuerung die automatische Einstellung
von Verfahrensparametern, wie z. B, a) der Zuführungsrate für eingehendes
Rohmaterial, b) der Bewegungsenergie von Faserverarbeitungsausstattungszylindern
(d. h. der CARD-Vorrichtung) und c) der Rohmaterialfeuchtigkeit
und der Lufttemperatur, auslöst,
wodurch die bessere Steuerung des Feuchtigkeitsgrads und letztendlich
der Dichte des Fertigprodukts auf Fasergrundlage ermöglicht wird. Überdies
wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise
komplementär
zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik verwendet, indem die
Resonatorvorrichtung dieser Erfindung im Hinblick auf ein bestimmtes
Gesamtherstellungsverfahren auf Fasergrundlage vorzugsweise für eine Feinabstimmung-Qualitätssteuerung
verwendet wird, wohingegen die Mikrowellen-Überwachungsvorrichtungen aus
den Patentanmeldungen, auf die oben hingewiesen wird, vorzugsweise
für eine
Grobabstimmung-Qualitätssteuerung
verwendet werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird hierin nur exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform,
(a), der vorliegenden Erfindung ist, der eine Mikrowellen/ Wellenleiter-Resonatorvorrichtung zugrundeliegt,
die mit einem Mikrowellengenerator/-synthesizer betrieben wird;
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2a ein
Großaufnahmenschema
der zylindrischen Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung
ist, die in 1 eingeschlossen und dargestellt
ist;
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2b veranschaulicht
das Verhältnis
der beiden Hauptmatrizen, die aus Messungen innerhalb des Mikrowellenresonators
(2b.1) bestimmt werden, und die Korrektur der Messung der Resonatorqualität infolge
der Anwesenheit von Metallteilen innerhalb des Resonators (2b.2,
2b.3, 2b.4);
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3 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung auf der Grundlage des Schemas der Ausführungsform (a) in 1,
die die zusätzlichen
Komponenten einschließt
und zeigt, die verwendet werden, um den Dynamikbereich, die Empfindlichkeit
und die Genauigkeit der Qualitätskontrollen-Rückkopplung zu
verbessern;
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4 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform, (b), der vorliegenden
Erfindung, die eine andere Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung
zeigt, die als Teil eines Oszillators arbeitet;
-
5 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Berechnen der Dichte- und Feuchtigkeitsdurchschnittswerte
und -abweichungen von faserigem Garn-, Faserband- oder Bauschmaterial;
-
6 ist
eine exemplarische Anzeige, die den (linearen) Dichtedurchschnitt
und die Standardabweichung abhängig
von der Zeit auf der Grundlage von typischen Ergebnissen zeigt,
die mittels Verwendung der Ausführungsform
(a) der Vorrichtung (1) aus Messungen erzielt werden,
die an einem kontinuierlichen faserigen Faserband als Teil eines tatsächlichen
Herstellungsverfahrens auf Fasergrundlage durchgeführt werden;
-
7 ist
ein Diagramm für
ein Beispiel eines Gesamtherstellungsverfahrens auf Fasergrundlage, das
die physischen Standorte der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
(d. h. MMA-2) im
Verhältnis zu
demjenigen der Vorrichtung einer Erfindung aus dem Stand der Technik
(d. h. MMA-1) hervorhebt.
-
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die für
hochpräzise
Hochgeschwindigkeits-, Echtzeit-, kontinuierliche oder stationäre, Inline-,
nicht invasive, dreidimensionale Mehrscheibenmessungen von Dichte-Abweichungen von
homogenen oder nicht homogenen faserigen Garn-, Faserband- oder Bauschmaterialien
(z. B. für die
Herstellung von Tampons) oder anderen Textilerzeugnissen auf Fasergrundlage
verwendet werden können.
-
Die
Grundsätze
und die Wirkungsweise des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung sind besser mit Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügte Beschreibung
zu verstehen.
-
Nimmt
man jetzt auf die Zeichnungen Bezug, ist 1 eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform,
(a), der Grundvorrichtung zum Durchführen der Dichtemessungen der
vor liegenden Erfindung. Es ist anzumerken, dass diese Vorrichtung
nur für
Darstellungszwecke angegeben wird und nicht als einschränkend anzusehen
ist. Während
des typischen Betriebs (Produktion oder Kalibrierung; Dauerbetrieb
oder stationärer
Betrieb) ist das faserige Material 2 für die primäre Anwendung dieser Erfindung ein
sich kontinuierlich bewegendes/r oder stationäres/r faseriges/r Garn, Faserband
oder Bausch, das/der Gegenstand von Echtzeit-, Inline-, nicht invasiver
Mehrscheiben-Analyse
und Qualitätskontrolle seiner
Dichte-Abweichung und Dichte und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts,
der Temperatur und weiterer Verfahrensparameter ist. Das Material 2 wird (nicht
unbedingt symmetrisch) in den hohlen Abschnitt (d. h. Hohlraum)
einer zylindrischen Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung 1 gesetzt
und ist davon umgeben. Mikrowellen mit steuerbaren, festgelegten
Frequenzen (z. B. typischer Arbeitsbereich 7–8 GHz für Faserband- und 3,5–4,5 GHz
für das
faserige Bauschmaterial; mit einem anwendbaren Bereich von 2–10 GHz)
werden von einem Mikrowellenstrahlungs-Breitband-Generator-Synthesizer 5 erzeugt.
Der Breitband-Generator-Synthesizer 5 erzeugt kontinuierlich
in einem Wobbelmodus eine Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen innerhalb
der vorab eingestellten Bereiche und führt die Mikrowellen durch den
Mikrowellen-Eingangskanal 7 in die Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung 1.
Zwei Wellenleiter mit herabgesetzter kritischer Frequenz 3 und 4 (als
Teil davon oder als unabhängig
angebrachte Teile) von der Oberseite und der Unterseite des Mikrowellen-/Wellenleiterresonators 1 werden verwendet,
um die Mikrowellenstrahlung im Resonator zu halten, wodurch die
hohe Qualität
Q des Resonators (d. h. der Mikrowellensignale innerhalb des Resonators)
aufrecht erhalten wird. Die Wellenleiter 3 und 4 mit
herabgesetzter kritischer Frequenz unterstützen auch die Führung des
Materials 2 durch die Mikrowellenresonatorvorrichtung 1 während der Messung.
-
Der
Wobbelbereich der Mikrowellenfrequenzen trifft auf faseriges Material 2 auf,
so dass er zu einer Reihe von gestörten Mikrowellen wird. Die
gestörten
Mikrowellen werden kontinuierlich vom Mikrowellen-Ausgangskanal 8 empfangen
und weiter dadurch an den Signalempfänger 6 übertragen.
Aus dem Signalempfänger 6 gehen
die Mikrowellensignale gleichzeitig mit kontinuierlich empfangenen
Materialtemperaturwerten, die von einem strategisch positionierten
externen Temperatursensor 9 aus empfangen werden, zur CPU 10.
Die CPU 10 enthält
speziell geschriebene Algorithmen, die gespeicherte Resonator-Resonanzfrequenz-Verschiebungsdaten
zusammen mit gespeicherten Daten verwenden, die in empirisch bestimmten
Eichkurven der Fasermaterialdichte vs. Resonator-Resonanzfrequenz
(ermittelt aus Offline-Kalibrierungsmessungen von faserigen Standard-Materialien
unter kontrollierten Bedingungen) enthalten sind. Zusätzliche
von diesen Algorithmen erzeugte Informationen schließen Werte
des Materialfeuchtigkeitsgehalts, die aus Messungen der Resonatorqualität Q und
aus gespeicherten Daten berechnet werden, ein, die in empirisch
ermittelten Eichkurven des Faser-Feuchtigkeitsgehalts vs. Resonatorqualität enthalten
sind (ebenso aus Offline-Kalibrierungsmessungen von faserigen Standard-Materialien
unter kontrollierten Bedingungen erhalten). Die Daten des Materialfeuchtigkeitsgehalts und
der Materialtemperatur werden wahlweise von den Algorithmen in der
CPU 10 verwendet, um anfängliche Berechnungen der gemeldeten
Dichte-Abweichung und der Dichte auszugleichen und ihre Genauigkeit
zu verbessern. Werte der Dichte und wahlweise anderer ausgesuchter
Materialmerkmale, einschließlich
des Feuchtigkeitsgehalts und der Temperatur, die aus der obigen
(d. h. A/D-)Signalverarbeitung gewonnen werden, die von der CPU 10 durchgeführt wird,
werden in Echtzeit und im Dauerbetrieb numerisch und/oder graphisch
auf dem computerisierten Anzeigegerät 11 dargestellt.
Diese Werte vermitteln dem gesamten Herstellungsverfahren die Fähigkeit
zu einer Echtzeit-, Dauerbetriebs-, Inline-, nicht invasiven automatischen
Qualitätskontrollen-Rückkopplung
der eingehenden (d. h. nach der CARD-Vorrichtung) Fasermaterialdichte
mithilfe der Messung, Kontrolle und Einstellung des eingehenden
Materialfeuchtigkeitsgehalts, der Temperatur und der Zuführungsrate:
Die Qualitätskontrollen-Rückkopplung
und -einstellung werden automatisch durchgeführt und haben eine elektronische
Verbindung zwischen der CPU 10 und der CARD-Vorrichtung 13.
Die Synchro nisation wird zwischen dem Mikrowellen-Generator-Synthesizer 5,
dem Mikrowellen-/Wellenleiterresonator 1, dem Signalempfänger 6,
der CPU 10, dem Anzeigegerät 11, dem Temperatursensor 9 und
der CARD-Vorrichtung 13 aufrecht erhalten, wodurch eine
automatisierte Qualitätskontrollen-Rückkopplungsschleife
gebildet wird.
-
Die
Ausführungsform
(a) in 1 veranschaulicht auch die typischen Materialeingabe-
und Ausgabekomponenten in Bezug auf den Standort der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung. Das unverarbeitete faserige Rohmaterial 14 mit
ziemlich hoher Dichte (z. B. 10-15 kg pro Kubikmeter) wird in die CARD-Vorrichtung 13 gespeist.
Die CARD-Vorrichtung arbeitet, um die Fasern in einem stromaufwärts befindlichen
Stadium zu trennen und ihre Dichte zu vermindern, um die programmierte
Mischung der Fasern in einem stromabwärts befindlichen Herstellungsstadium
zu ermöglichen.
Das aus der CARD-Vorrichtung 13 austretende faserige Material liegt
in Form von Garn, Faserbändern
oder Bäuschen mit
geringer Dichte (z. B. 4–12
Gramm pro Meter, lineare Dichte) vor und tritt in die Inline-Mikrowellen/Wellenleiter-Resonatorvorrichtung 1 ein.
Das aus der Mikrowellen/Wellenleiter-Resonatorvorrichtung 1 austretende
faserige Material geht an eine weiter stromabwärts befindliche Faserverarbeitungsvorrichtung 12 auf
dem Weg zum Fertigprodukt auf Fasergrundlage. Dieser Standort der
Mikrowellen-Resonatorvorrichtung 1 eignet sich gut, auf
komplementäre Weise,
um als Teil der Feinabstimmungssteuerung des halb verarbeiteten
faserigen Materials zu dienen, in Bezug auf den stromaufwärts befindlichen
Standort eines optionalen Feuchtigkeitsgehalts-Überwachungsgeräts (grobe
Kontrolle) des unverarbeiteten faserigen Rohmaterials.
-
2a zeigt
eine Großaufnahme
der zylindrischen Mikrowellen/Wellenleiter-Resonatorvorrichtung 1 mit
faserigem Garn-, Faserband- oder Bauschmaterial 2 im hohlen
Abschnitt oder Hohlraum. Diese Ausführungsform veranschaulicht
und beschreibt einen zylindrischen Mikrowellenresonator. Der zylindrische
Mikrowellenresonator 1 schließt ein hohles Stück zylindrisch
geformten Metalls ein, das typische Abmessungen von 44 m Höhe und 38
mm Durchmesser hat und aus einem hochreinen Kupfer, Silber, Gold
oder einer Invarlegierung besteht. Die gesamte Innenfläche des
zylindrischen Mikrowellenresonators 1 wird mit hochreinem
Gold oder Silber anodisiert. Gold und Silber werden wegen ihrer
herausragenden Leitfähigkeits-
und Antikorrosionseigenschaften im Vergleich zu Nichtedelmetallen
wie beispielsweise Kupfer oder Invar als anodisierendes Metall ausgewählt. Dieser
Aufbau mit anodisiertem Metall verbessert die Resonatorleistung
und die Qualitätsmerkmale.
-
Zylindrische
Wellenleiter mit herabgesetzter kritischer Frequenz (einschließlich der
Grundplatten) 3 und 4 (vorzugsweise, aber nicht
notwendigerweise identisch), die typische Abmessungen von 30 mm Höhe und 20
mm Durchmesser haben (38 mm Grundplattendurchmesser), die aus demselben
anodisierten Metall wie der Haupt-Mikrowellenresonator bestehen,
erstrecken sich von jedem Ende des Mikrowellenresonators 1.
Die Wellenleiter 3 und 4 mit herabgesetzter kritischer
Frequenz, die als Teil der Mikrowellenresonatorvorrichtung 1 angesehen
werden, sind äußerst wichtig,
um die Mikrowellenstrahlung im Resonator zu halten, wodurch die
hohe Qualität
Q des Resonators (d. h. hohe Amplituden des mit den Mikrowellensignalen
innerhalb des Resonators verknüpften
elektromagnetischen Felds) aufrechter halten wird. Die Wellenleiter 3 und 4 mit
herabgesetzter kritischer Frequenz unterstützen auch während der Messung das Führen des
Materials 2 durch die Mikrowellenresonatorvorrichtung 1.
-
Im
Inneren, an einem Ende des zylindrischen Mikrowellenresonators 1,
befinden sich Metallstücke 16 (in
diesem Beispiel vorzugsweise 2) mit typischen Abmessungen der Länge: a =
7,3 mm; der Höhe:
b = 6,2 mm und der Breite: c = 1,6 mm, die aus demselben anodisierten
Metall wie der Mikrowellenresonator und die Wellenleiter bestehen.
Eine Erläuterung ihrer
Funktion ist wie folgt, mit Bezug auf 2b. In 2b wird
die Resonatorqualität
Q als das Verhältnis
der Resonanzfrequenz fr zur doppelten Resonanzfrequenz-Ganzbreiten-Halbamplituden-Bandbreite 2(Δ)f definiert,
d. h. Q = fr/[2(Δ)f], worin die Resonanzfrequenz
und die Resonanzfrequenz-Ganzbreiten-Halbamplituden-Bandbreite an der
höchsten Amplitude
Am bzw. auf halber Höhe der Mikrowelle mit der höchsten Amplitude
Am/2 gemessen werden (2b.1 in 2b).
Innerhalb der zylindrischen Mikrowellen-Resonator vorrichtung 1 ist
während
eines Betriebs unter Idealbedingungen die Art der Resonanzmodi zweifach
entartet, wodurch jeder zweifach entartete Modus der Mikrowellenstrahlung
bei derselben Resonanzfrequenz fr zwei unterschiedliche
elektromagnetische Verteilungen hat, nämlich Am und
A'm, (2b.2 in 2b). Bei
zwei zweifach entarteten Komponenten besteht ein Unterschied in
der Amplitude an den Resonanzen, so dass zwei Komponenten mit demselben
Modus unterschiedliche Kopplungen mit den Signaleingangs- und -ausgangskanälen 7 und 8 haben
(2a). In der Praxis weisen diese Komponenten infolge
von strukturellen und/oder materiellen Ungenauigkeiten, Asymmetrien
und/oder Nicht-Homogenitäten
des Resonators und/oder der Wellenleiter mit herabgesetzter kritischer
Frequenz zusätzlich zu
den unterschiedlichen Amplituden Am bzw.
A'm unterschiedliche
Resonanzfrequenzen fr und f'r auf (2b.3 in 2b). Dieses
Phänomen
führt zu
einem Fehler bei der vom Signalempfänger 6 empfangenen Resonanzfrequenz-Bandbreite,
insofern als 2(Δ)f' ≠ 2(Δ)f, was zu einem Fehler bei
der Bestimmung der Qualität
Q der Mikrowellen-/Resonatorvorrichtung 1 führt, was
wiederum letztlich einen Fehler bei den Messungen des Feuchtigkeitsgehalts
und bei den Berechnungen (kompensiert) der Dichte des faserigen
Materials 2 bewirkt. Die Beseitigung dieses Fehlers wird
durch das Anbringen von Metallstücken 16 (vorzugsweise
von zwei, wie in der vorliegenden Erfindung dargestellt) an den
Seiten eines Endes des Mikrowellenresonators 1 und davon
vorstehend erreicht. Die Metallstücke 16 werden im Resonator
am Punkt des höchsten
elektrischen Felds (Stärke)
der Komponente eingesetzt, die die niedrigere Amplitude hat. Die
Anwesenheit der Metallstücke 16 bewirkt eine
Abnahme der Resonanzfrequenz der Komponente mit der kleineren Amplitude
A'm,
was zur Trennung der beiden Resonanzkurven (2b.4 in 2b) führt, wodurch
eine korrekte Ablesung der Resonanzfrequenz-Ganzbreiten-Halbamplituden-Bandbreite 2 (delta)f
und somit die Verarbeitung der echten Qualität des Resonatorsignals durch
die CPU 10 ermöglicht
wird. Außerdem
ermöglicht
diese Korrektur die Berechnung hochpräziser Werte des Feuchtigkeitsgehalts
und letztlich der Dichte und der Dichte-Abweichung, die vom Anzeigegerät 11 angezeigt und/oder
ausge druckt und in der automatisierten Qualitätskontroll-Rückkopplungsschleife
des eingehenden faserigen Rohmaterials verwendet werden sollen,
verbunden mit der CARD-Vorrichtung 13.
-
In 2a ist
entlang der Achse der zylindrischen Resonator-/Wellenleitervorrichtung 1 eine
zylindrische Röhre 17 mittig
eingestellt, die die Ausmaße
einer Höhe
von 44 mm und eines Durchmessers von 16 mm hat und aus hochreinem
Teflon besteht. Die Teflonröhre 17 führt das
faserige Material durch den Mikrowellenresonator 1 und
hat die Funktion, die Verschmutzung des Inneren des Hohlraums oder
der Wände
des Mikrowellenresonators 1 infolge des Vorhandenseins
von restlichem faserigen Material zu verhindern, wodurch eine mögliche Quelle
der Abschwächung
der Resonatorleistung beseitigt wird.
-
Das
Messen und Überwachen
der Temperatur und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts von (Produktion
oder Kalibrierung) faserigem Garn-, Faserband- oder Bauschmaterial 2 wird
erreicht, indem ein strategisch positionierter Inline-Temperaturfühler 9 (in
den Ausführungsformen
(a) und (b)) und, falls erforderlich (wie nur in der Ausführungsform
(b)), ein wahlweise eingesetzter Feuchtigkeitssensor 15 benutzt
werden. Ein Thermoelement, Thermoresistor oder alternativ eine Infrarotvorrichtung
können
als Temperatursensor 9 verwendet werden; eine Infrarotvorrichtung
kann auch als Feuchtigkeitsgehaltssensor 15 verwendet werden.
Der Temperatur- und der Feuchtigkeitsgehaltssensor 9 und 15 werden
jeweils strategisch positioniert, um in einem Echtzeit-, kontinuierlichen
oder stationären,
Inline- und nicht invasiven Modus die Temperatur und den Feuchtigkeitsgehalt
von durch die Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung 1 dringenden
faserigen Materials 2 zu überwachen. Die Temperatur-
und Feuchtigkeitsgehaltssensor-Ausgangsleitungen von 9 und 15 werden jeweils
mit der CPU 10 verbunden. Die Messungen der Temperatur
und des Feuchtigkeitsgehalts eingehenden Materials sind beim Ausgleichen
der Berechnungen von Dichte-Abweichungen und Dichte durch die CPU 10 recht
nützlich
und bilden einen Teil der gesamten Qualitätskontroll-Rückkopplungsschleife zur
Steuerung der Temperatur und des Feuchtigkeitsgehalts des in die
CARD-Vorrichtung 13 gespeisten faserigen Rohmaterials 14.
-
In
der vorliegenden Erfindung ist die relative Geometrie der in 2a dargestellten
Mikrowellen-/Wellenleiterresonator-Vorrichtung derart, dass in Echtzeit
in einem nicht invasiven Inline-Modus der Dichtemessung und -steuerung
entweder die Drehung des faserigen Prüfmaterials (Produktion oder Kalibrierung),
des Mikrowellenresonators oder die Richtung der Mikrowellenstrahlung
im Resonator ermöglicht
wird. Überdies
ist der Resonator-/Wellenleiteraufbau in der vorliegenden Erfindung
für die
hochpräzise
Hochgeschwindigkeits-, Mehrscheiben-Mikrowellenanalyse von faserigem
Material in einem stromabwärts
befindlichen (Feinabstimmung-)Stadium des Produktionsverfahrens
gut geeignet.
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Für Kalibrierungs-
und anschließende
Datenanalysezwecke werden Messungen der Mikrowellen-Resonator-Resonanzfrequenzverschiebungen (d.
h. Dichteänderungen)
und Änderungen
der Resonatorqualität
(d. h. Feuchtigkeitsgehaltsänderungen) abhängig von
der Temperatur (und wahlweise dem Feuchtigkeitsgehalt) für die Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung 1,
die Luft und Standards von faserigem Material mit unterschiedlichen
Strukturform- und Artmerkmalen (z. B. Garn, Faserband oder Bausch)
enthält,
aufgezeichnet, um Referenzmaterialien mit bekannten Werten von Dichte,
Feuchtigkeitsgehalt und Strukturart abhängig von der Temperatur und
dem Feuchtigkeitsgehalt in ausreichendem Maße zu charakterisieren. Diese
Messungen dienen als Hintergrunddaten, die von den Daten der eigentlichen
Messungen der Online-Fasermaterialüberwachung und -analyse subtrahiert
werden. Dieser Subtraktionsschritt ist bei der Auflösung der
Abhängigkeit
der von der Resonatorvorrichtung der vorliegenden Erfindung vorgenommenen
Messungen von Umgebungsbedingungen und/oder Leistungsstufen der
elektrischen Ausstattung und der elektronischen Komponenten innerhalb
dieser Ausstattung äußerst wichtig.
-
Der
Mikrowellenstrahlungs-Generator-Synthesizer 5 kann optional
eine Reihe von Merkmalen einschließen, die dazu dienen, die Empfindlichkeit der
Resonanzfrequenzverschiebungs- (Dichte-) und der Resonatorqualitäts-(Feuchtigkeitsgehalts-)Messungen
faseriger Materialien zu optimieren. Eines dieser Merkmale ist ein
Sollwert-Geber für
elektrische Felder, der den Modus des elek trischen Felds (Stärke), das
von der Mikrowellenquelle festgelegt wird, in Bezug auf das Prüfmaterial 2 innerhalb
der Mikrowellenresonatorvorrichtung 1 durch den Eingangskanal 7 so
bestimmt, dass der Modus des elektrischen Felds teilweise die Größen der
Frequenzverschiebungen und Änderungen
der Resonatorqualität (d.
h. Änderungen
der Signalamplitude) bestimmt. Die maximale Frequenzverschiebung
und Änderung der
Resonatorqualität
infolge des Vorhandenseins von Prüfmaterial 2 erfolgen,
wenn das elektrische Feld der Quellen-Mikrowellenstrahlung parallel
zum Prüfmaterial
ist (nicht gezeigt). Wenn das elektrische Feld im Wesentlichen senkrecht
zum Prüfmaterial 2 ist,
werden die minimale Frequenzverschiebung und Änderung der Resonatorqualität erzielt.
Der Sollwert-Geber für
elektrische Felder bestimmt die Richtung des elektrischen Felds
gemäß den der
CPU 10 zugeführten
Daten.
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3 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung auf der Grundlage der Erfindung, die in der Ausführungsform
(a) der 1 gezeigt ist, die die zusätzlichen
elektronischen Komponenten 18 und 19 einschließt und zeigt,
die für
einen verbesserten Dynamikbereich, eine erhöhte Empfindlichkeit und Genauigkeit
der der CPU 10 bereitgestellten Signalmessung verwendet
werden, was wiederum über
das vom Empfänger 6 an
die CPU 10 und letztlich an die CARD-Vorrichtung 13 übertragene
Signal eine bessere Qualitätskontrollen-Rückkopplung
von Materialverarbeitungsparametern ermöglicht, die für die Kontrolle
der MaterialDichte-Abweichung und -dichte entscheidend sind, wie
beispielsweise Materialtemperatur, Feuchtigkeitsgehalt und Zuführungsrate
der CARD-Vorrichtung 13. Die Komponente 18 ist
ein Überlagerungs-Generator-Synthesizer, der
als lokaler Oszillator arbeitet. Ähnlich dem Generator-Synthesizer 5 erzeugt
der Überlagerungs-Generator-Synthesizer einen
Wobbelbereich, wobei jede Frequenz mit einer konstanten Differenz
zu jeder anderen durch den Generator-Synthesizer 5 erzeugten Frequenz
erzeugt wird. Zum Beispiel könnten
bei Generator-Synthesizer(5)-Frequenzen von f1i die
entsprechenden vom Überlagerungs-Generator-Synthesizer
erzeugten Frequenzen f2i usw. für alle nachfolgenden
erzeugten Frequenzen sein, wo durch die konstante Differenz zwischen
den erzeugten Frequenzen durch f1i–f2i dargestellt wird. Der Überlagerungs-Generator-Synthesizer 18 ist
mit der CPU 10 verbunden und von ihr gesteuert, so dass
die Differenz- oder Rest-Frequenz, die zwischen dem Generator-Synthesizer 5 (Frequenz
des in das Material eindringenden Signals) und dem Übertragungs-Generator-Synthesizer 18 existiert,
konstant bleibt, d. h. f1i–f2i = konstant. Der Mischer 19 kombiniert
das Mikrowellengenerator-Synthesizer-Signal (das durch den Signalausgangskanal 8 austritt)
mit dem Signal des Überlagerungs-Generator-Synthesizers 18 und leitet
das Differenzsignal an den Empfänger 6 weiter. Der
Mischer 19 fungiert als eine Art Signaldetektor, insofern
als er die Erfassung und Identifikation der unbekannten Resonanzfrequenzverschiebung
infolge der Dichte-Abweichung im jeweils analysierten Material unterstützt. Das
Vorhandensein zusätzlicher Komponenten 18 und 19 in
dieser alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sorgt für einen verbesserten Dynamikbereich
und erhöhte
Empfindlichkeit und Genauigkeit bei der Signalerfassung und über die
CPU 10 an die CARD-Vorrichtung 13 übertragene
Rückkopplung-Informationen.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform (Ausführungsform
b) der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Erfindung, die
in der Ausführungsform
(a) der 1 gezeigt ist, die alternative
elektronische Komponenten 5' und 6' einschließt und zeigt.
In der Ausführungsform
(b) der vorliegenden Erfindung wird die Mikrowellen-/Wellenleiterresonatorvorrichtung 1 direkt
mit dem Mikrowellenverstärker 5' verbunden,
der wiederum das Signal an ein Frequenzmessgerät 6' sendet. Diese Verbindung zwischen
dem Mikrowellen-/Wellenleiterresonator 1 und dem Mikrowellenverstärker 5' stellt im Vergleich
zu der kostenaufwendigeren in 1 gezeigten
Ausführungsform
(a), die auf der Verbindung zwischen dem Mikrowellen-/Wellenleiterresonator 1 und
dem Mikrowellen-Generator-Synthesizer 5 basiert, eine alternative,
kostengünstigere, ähnlich hochgenaue
Mikrowellenresonatorvorrichtung dar, die als Oszillator mit geschlossenem
Regelkreis arbeitet. Im Gegensatz zur Ausführungsform (a), worin Mikrowellen
vom Mikrowellen-Generator- Synthesizer 5 erzeugt
werden, werden in der Ausführungsform
(b) Mikrowellenschwingungen als Ergebnis positiver Rückkopplung
zwischen dem Mikrowellenresonator 1 und dem mit einer Gleichstromquelle
(nicht gezeigt) verbundenen Mikrowellenverstärker 5' zusammen mit der Anwesenheit faserigen Materials
im Resonator 1 erzeugt. Das Frequenzmessgerät 6' (das einen
Phasenverschieber und einen Frequenzdiskriminator einschließt; nicht
gezeigt) wirkt als Frequenzdemodulator, der die Oszillatorfrequenz
identifiziert, die der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators 1 am "nächsten" ist. Die direkte Verbindung wird zwischen
dem Frequenzmessgerät 6' und der CPU 10 hergestellt,
was die Signalmessung und -verarbeitung ermöglicht, und zwar mit ähnlichen
Qualitätskontrollen-Rückkopplungsmerkmalen,
wie sie von der Ausführungsform
(a) der 1 bereitgestellt werden, d.
h. über
das von der CPU 10 empfangene und an die CARD-Vorrichtung 13 übertragene
Signal, zum Einstellen und Ausgleichen der Materialverarbeitungsparameter
wie z. B. Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt und/oder Materialzuführungsrate.
Im Gegensatz zur Ausführungsform
(a) aus 1 bietet die Ausführungsform
(b) der vorliegenden Erfindung aus 4 keine
Möglichkeit
zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts des faserigen Materials mithilfe
des Messens der Qualität
Q der Mikrowellen-/Wellenleiterresonatorvorrichtung 1.
Stattdessen stellt ein strategisch positionierter externer Feuchtigkeitsgehaltssensor 15 die
bevorzugte Option zum Überwachen
von Änderungen
des Feuchtigkeitsgehalts des eingehenden faserigen Materials 2 dar,
dessen Werte beim Korrigieren der von der CPU 10 berechneten
Ausgangswerte für
die Dichte-Abweichungen und die Dichte verwendet werden können, während des
Echtzeit-, Inline-Betriebs der Vorrichtung dieser Erfindung.
-
5 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Berechnen von Dichte-(und Feuchtigkeitsgehalt-)Durchschnittswerten
und -Standardabweichungen bei faserigem Garn-, Faserband- oder Bauschmaterial
für die
verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (d. h. die Ausführungsformen (a) und (b), die
zu den Figuren (1 und 3) bzw. 4 gehören. Das
Gesamt-Berechnungsverfahren,
das verwendet wird, um die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen,
basiert auf der Auswertung zweier Matrizen (von Zeitproben), D und
W, die eine Matrix der Resonator-Resonanzfrequenzverschiebung/Dichte
bzw. eine Matrix der/s Resonatorqualität/Feuchtigkeitsgehalts darstellen.
Die numerische Auswertung der Matrizen D und W wird aus der Auswertung
iterativer Korrelationsfunktionen Fi (d.
h. F1 bis F8) bestimmt,
die wiederum Funktionen der Resonatorfrequenzverschiebung, Resonatorqualität, Materialtemperatur
und vier empirisch ermittelter strukturabhängiger Korrelationsfunktionen
Si (d. h. Form und Art des faserigen Materials) sind,
die mit S1, S2,
S3 und S4 bezeichnet
werden. Die Korrelationsfunktionen Fi und
Si stellen Gruppen von linearen und nicht
linearen Funktionen dar, wobei jede Funktionsform für eine Vielfalt
an Strukturformen und -arten faserigen Materials einmalig aus Korrelationen
berechneter Dichte- und Feuchtigkeitsgehaltswerte zu echten bekannten
Dichte- und Feuchtigkeitsgehaltswerten bestimmt wird. Die Korrelationsdaten
werden aus Kalibrierkurven und aus numerischer Analyse der Dichte-
vs Resonanzfrequenzverschiebungs- oder der Feuchtigkeitsgehalts-
vs Resonatorqualitätsdaten
gewonnen, die aus Daten erstellt werden, die während der Kalibrierungsmessungen unter
Standardbedingungen aufgezeichnet werden, wobei faserige Bezugsmaterialien
mit bekannten/m Dichten, Feuchtigkeitsgehalt, Temperaturen und mit gut
charakterisierten Srukturformen und -arten verwendet werden. Die
Korrelationsfunktionen Fi und Si stellen
korrekte Korrelationen zwischen berechneten und bekannten Dichte-
und Feuchtigkeitsgehaltswerten bereit, gemäß verschiedenen Strukturbesonderheiten
oder -einzigartigkeiten des faserigen Materials, und sind für das Erzielen
hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei den Berechnungen der
endgültigen
Dichte und des endgültigen
Feuchtigkeitsgehalts entscheidend, die auf dem Anzeigegerät dargestellt
und für
die Eingabe in die Qualitätskontroll-Rückkopplungsschleife
verwendet werden. Die numerischen Ergebnisse dieser Berechnungen
stellen Durchschnittswerte und Standard-Abweichungen der Dichte
(und wahlweise des Feuchtigkeitsgehalts) von n Scheibchen faserigen
Materials dar, wobei n ein einstellbarer Parameter ist, der proportional
zur Abtastrate der Resonatorvorrichtung ist.
-
Für die Ausführungsform
(a), in der die Resonatorvorrichtung mit einem Resonator-Generator-Synthesizer
(1 und 3) arbeitet, werden beide Matrizen
D und W bei der Berechnung der Dichte- und Feuchtigkeitsgehalts-Durchschnittswerte und
-Standardabweichungen verwendet. Die D- und W-Matrizen sind direkt
proportional zur Materialdichte und zum Feuchtigkeitsgehalt, die
wiederum Funktionen der Resonator-Resonanzfrequenz fr bzw.
der Resonatorqualität
Q, der Materialtemperatur Tm und aller vier
empirisch bestimmten strukturabhängigen Korrelationsfunktionen
Si (S1, S2, S3 und S4) sind. Außerdem wird die Auswertung
der Matrix W, die die Struktur- und Temperaturkompensierten Durchschnitts-
und Standardabweichungs-Werte des Feuchtigkeitsgehalts bereitstellt
(d. h. WA und WSD), selbst
beim Ausgleichen und Korrigieren der anfänglichen Durchschnitts- und
Standardabweichungs-Werte der Dichte (d. h. DA und
DSD) verwendet, was zu hochpräzisen Feuchtigkeitsgehalts-kompensierten
Werten des Dichte-Durchschnitts und der Standardabweichung (d. h.
DC A und DC SD) je n Frequenzverschiebungs-Datenpunkten
führt (d.
h. je n Scheibchen analysierter Faser). Bei der Ausführungsform
(b), wobei die Resonatorvorrichtung mit dem Resonator und dem Verstärker als
Teil eines Oszillators arbeitet (4), wird
die Matrix D aus dem Algorithmus wie in der Ausführungsform (a) berechnet, mit
dem Unterschied, dass hier die Matrix W aus tatsächlichen Messungen des Feuchtigkeitsgehalts des
Materials berechnet wird, die vom externen Feuchtigkeitsgehaltssensor
durchgeführt
werden (da die Resonatorqualität
in dieser Ausführungsform nicht
gemessen wird). Hier ist die Matrix D eine Funktion der Materialtemperatur
Tm und nur zweier strukturabhängiger Funktionen,
S1 und S2. Die gemessenen
Durchschnitts- und
Standardabweichungswerte des Feuchtigkeitsgehalts WM A und WM SD werden
beim Kompensieren der anfänglichen
Werte des Durchschnitts und der Standardabweichung der Dichte (d. h.
DA und DSD) verwendet,
was wieder zu genaueren Feuchtigkeitsgehaltskompensierten Werten
des Dichtedurchschnitts und der Standardabweichung (d. h. DC A und DC SD) je n Frequenzverschiebung-Datenpunkte (d. h.
je n Scheibchen analysierter Faser) führt. In beiden Ausführungsformen
werden die berechneten Werte für
den Durchschnitt und die Standard-Abweichung der Dichte und des
Feuchtigkeitsgehalts des stromabwärts befindlichen Produktionsmaterials
anschließend
für die
Echtzeit-, Inline-, automatische Qualitätskontrollen-Rückkopplung
des stromaufwärts
befindlichen Herstellungsverfahrens für das faserige Garn-, Faserband-
oder Bauschmaterial verwendet.
-
Der
erste Schritt im Flussdiagramm stellt die Echtzeit-, Inline-, Mehrscheiben-Rbtastung
im kontinuierlichen oder stationären
Modus von n Scheibchen des faserigen Testmaterials unter Verwendung von
einer der bevorzugten Ausführungsformen
(a) oder (b) (1 und 3 oder 4)
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dar. Die Mehrscheiben-Abtastung
des Testmaterials, das sich innerhalb der Mikrowellenresonator-/Wellenleitervorrichtung befindet,
wird durchgeführt,
indem kontinuierlich eine Wobbelreihe von Mikrowellen bekannter
Frequenzen in den Resonator übertragen
und die betreffenden Mikrowellen durch die entsprechenden Mikrowellen-Empfängerkomponenten
(d. h. Signalempfänger 6 oder
Frequenzmessgerät 6'), je nach Vorrichtung, d.
h. Ausführungsform
(a) oder (b), identifiziert und erfasst werden.
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Bei
der Ausführungsform
(a) der Vorrichtung liefert der Abtastschritt die erforderlichen
Rohdaten für
die Ausgangs-Bestimmung der Resonator-Resonanzfrequenzverschiebungs-/Dichte-Matrix
D0 und die Resonatorqualitätsmatrix
W0 (Schritt 1). Im Anschluss an
den Schritt 1 wird ein Algorithmus verwendet, um unrealistische
Datenpunkte aus den Berechnungen der Ausgangs-Frequenzverschiebung
und -Resonatorqualität
auszuwerten, zu filtern und zu entfernen (Schritt 2). Die
Roh-Frequenzdaten müssen
gefiltert werden, um Systemstörungen
und/oder Artefakte der Resonanzfrequenz und/oder Frequenzbandbreiten
zu beseitigen. Die Werte der Dichte-Matrix D1 und
der Qualitätsmatrix
W1 werden aus den passenden Funktionen F1 bzw. F5 im Anschluss
an die Datenfilterung berechnet (Schritt 3). Das Flussdiagramm
zweigt nun in zwei Teile ab. Der rechte Zweig zeigt die Schritte,
die bei der Berechnung der. Materialdichte verwendet werden, während der
linke Zweig die Schritte zeigt, die bei der Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts
des Materials verwendet werden. Um der Klarheit willen werden den
Schritten im rechten (Dichte-)Zweig und den Schritten im linken (Feuchtigkeitsgehalts-)Zweig
die Nummern 3a–3c bzw.
4a–4c
zugeordnet. Wenn mit Dichteberechnungen fortgefahren wird, wird
der nächste
Wert der Dichte-Matrix, D2, aus der Funktion
F2 von D1 und S1 (Strukturkorrelationsfunktion) berechnet
(Schritt 3a). Berechnete Werte der Dichte können nun
im Hinblick auf die Temperatur kompensiert und angepasst werden.
Im Schritt 3b wird der nächste Wert der Dichte-Matrix,
D3, aus der Funktion F3 von
D2 und T berechnet, worin die Abhängigkeit
von F3 von T empfirisch bestimmt wird und,
um ein Beispiel anzugeben, proportional zu (1-Tm/TS) ist, worin Tm und
TS die "Ist-" bzw. die "Standard-"Materialtemperatur
sind. Im Schritt 3c werden die Ausgangs-Werte der Größe der MaterialDichte-Matrix
D einschließlich
der durchschnittlichen Dichte DA und der
Dichte-Standardabweichung
DSD aus der Funktion F4 von
D3 und S2, einer anderen strukturabhängigen empirischen
Korrelationsfunktion, berechnet.
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Mit
dem Beispiel der Ausführungsform
(a) der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung fortfahrend, müssen die
obigen berechneten Ausgangs-Dichtewerte in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt
des Materials, der gemäß dem linken
Zweig des Flussdiagramms aus den Resonatorqualitätsdaten bestimmt wird, kompensiert/korrigiert
werden. Im Anschluss an die Entfernung unrealistischer Werte der
Resonatorqualität
(Schritt 2) und die Berechnung der Qualitätsmatrix
W1 mittels Verwendung der Funktion F5 von W0 (Schritt 3)
wird der Ausgangswert der Feuchtigkeitsgehaltsmatrix W2 aus
der Funktion F6 von W1 und
S3 berechnet (Schritt 4a). Der
nächste Wert
der Feuchtigkeitsgehaltsmatrix W3 schließt die Kompensation
und Anpassung für
die Temperatur ein. W3 wird aus der Funktion
F7 von W2 und T
berechnet, worin die Abhängigkeit
von F7 von T, ähnlich derjenigen von F3 in den obigen Dichteberechnungen, proportional
zu (1-Tm/TS) ist.
Im Schritt 4c werden die korrigierten Werte der Größe der Material-Feuchtigkeitsgehaltsmatrix
W einschließlich
des durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalts WA und
der Feuchtigkeitsgehalts-Standardabweichung WSD aus der
Funktion Fe von W3 und S4 berechnet.
Diese Feuchtigkeitsgehaltswerte werden verwendet, um die obigen
berechneten Ausgangs-Dichtewerte zu kompensieren (Schritt 5),
um die end gültigen
Feuchtigkeitsgehalts-kompensierten Durchschnitts- und Standardabweichungs-Werte
der Materialdichte DC A und
DC SD (Schritt 6)
zu erhalten, die angezeigt werden (6) und für die Rückkopplung-Steuerung des
Herstellungsverfahrens auf Fasergrundlage verwendet werden können (Schritt 7),
(1 und 3, 4 und 7).
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Für die Ausführungsform
(b) der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung (4)
wird die Resonatorqualität
nicht gemessen; daher ist ein anderes Verfahren nötig, um
die Dichteberechnungen für
den Materialfeuchtigkeitsgehalt auszugleichen. Hierin wird die Feuchtigkeitsgehaltsmatrix
W nicht gemäß dem linken
Zweig des Flussdiagramms berechnet, sondern stattdessen aus den
eigentlichen vom externen Feuchtigkeitsgehaltssensor durchgeführten Messungen
des Feuchtigkeitsgehalts des Materials (Schritt 8), wodurch
die gemessenen Durchschnitts- und Standardabweichungs-Feuchtigkeitsgehaltsdaten
(d. h. WM A und WM SD) von der CPU 10 zusammengetragen
werden um nach Bedarf verwendet zu werden. Die Ausgangswerte der
Dichte DA und DSD werden wie
zuvor in der Ausführungsform
(a) gemäß dem rechten
Zweig des Flussdiagramms berechnet. Die gemessenen Werte des Feuchtigkeitsgehalts
werden dann verwendet, um die obigen berechneten Ausgangs-Dichtewerte
auszugleichen (Schritt 5), um die endgültigen kompensierten Durchschnitts-
und Standardabweichungs-Werte der Materialdichte (DC A und DC SD)
zu erhalten (Schritt 6), die angezeigt (6) und
auch für
die Rückkopplung-Steuerung
des Herstellungsverfahrens auf Fasergrundlage verwendet werden können (Schritt 7),
(1, 3 und 4).
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6 ist
eine exemplarische Anzeige, die numerische und graphische Werte
des kompensierten (linearen) Faser-Dichtedurchschnitts und der Standardabweichung
(DC A und DC SD) als Zeitfunktionen
auf der Grundlage typischer Ergebnisse, die aus den Messungen der
Vorrichtung der Ausführungsform
(a) (1) gewonnen werden, die an einem kontinuierlichen
faserigen Faserband als Teil eines Tampon-Produktionsverfahrens
durchgeführt
werden, zeigt. Die Information zu diesem exemplarischen Ausdruck
wird sofort in einem Echtzeit-, Inline-, Dauerbetrieb auf dem computerisierten
Anzeigegerät 11 (1, 3 oder 4),
wie sie für
die unterschiedlichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung typisch ist, angezeigt.
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7 ist
ein Diagramm eines Beispiels für ein
Gesamt-Herstellungsverfahren
auf Fasergrundlage, das den bevorzugten physischen Standort der Resonatorvorrichtung 1 der
vorliegenden Erfindung (d. h. MMA-2) in Bezug auf denjenigen der
Feuchtigkeitsmessvorrichtung einer Erfindung aus dem Stand der Technik
(d. h. MMA-1) hervorhebt. In 7 wird das
unverarbeitete faserige Rohmaterial 14 mit relativ hoher
Dichte (z. B. 10–15
kg pro Kubikmeter) in die CARD-Vorrichtung 13 eingespeist.
Die CARD-Vorrichtung arbeitet, um die Fasern in einem stromaufwärts befindlichen
Stadium zu trennen und ihre Dichte zu verringern, um das programmierte
Vermischen der Fasern in einem stromabwärts befindlichen Produktionsstadium
zu ermöglichen.
Das faserige Material, das aus der CARD-Vorrichtung 13 austritt,
hat eine geringere Dichte (z. B. 4–12 Gramm pro Meter, lineare
Dichte) von Garn, Faserbändern
oder Bausch und tritt in die Inline-Mikrowellen/Wellenleiter-Resonatorvorrichtung 1 ein.
Das aus der Mikrowellen/Wellenleiter-Resonatorvorrichtung 1 austretende
faserige Material geht in die weiter stromabwärts befindlichen Faserverarbeitungsvorrichtungen auf
dem Weg zum Endprodukt auf Fasergrundlage. Dieser Standort der Mikrowellenresonatorvorrichtung 1 ist
auf komplementäre
Weise in Bezug auf den stromaufwärts
befindlichen Standort eines fakultativen Feuchtigkeitsgehaltsmonitors
(grobe Steuerung) des unverarbeiteten faserigen Rohmaterials gut
geeignet, um als Teil der Feinabstimmungssteuerung des halb verarbeiteten
faserigen Materials zu dienen.
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Es
wird erkannt werden, dass die obigen Beschreibungen nur dazu vorgesehen
sind, als Beispiele zu dienen, und dass viele andere Ausführungsformen
im Bereich des Schutzumfangs der Ansprüche möglich sind.