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Einrichtung zur Messung der Masse bzw. des Feudhtigkeitsgehalts von
dielektrischen Körpern mittels Kondensatoren, deren Kapazität durch diese Körper
beeinflußt wird, insbesondere zur Messung von Textilmaterial Um die Masse von flächenhaften
Körpern, z. B. von Papier- und Gewebebahnen, zu bestimmen, sind Einrichtungen bekanntgeworden,
bei welchen die vorgenannten Bahnen durch den Luftspalt eines festen Kondensators
mit zwei parallelen Plattenelektroden bewegt werden. Die Kraftlinien treten dabei
senkrecht aus den Elektroden aus und durchsetzen das zu messende Material. Wenn
der Raum zwischen den beiden Plattenelektroden voll ausgefüllt ist, und das zu untersuchende
elastische deformierbare Material eine homogene Zusammensetzung hat, wird die von
den Kraftlinien durchdrungene Masse bzw. deren Schwankung richtig ermittelt. Die
Kapazität des zur Messung verwendeten Kondensators ändert sich dann proportional
der zwischen seinen Elektroden hindurchgeführten Masse.
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Die vorstehend gekennzeichnete Einrichtung kann auch für die Bestimmung
der Gleichmäßigkeit von textilen Vorgarnen und Garnen Anwendung finden, doch ist
dabei die Voraussetzung der Homogenität nicht immer erfüllt. Wenn der Raum zwischen
den Plattenelektroden nicht vollständig ausgefüllt ist, verlaufen die Kraftlinien
teilweise in der Luft. Diese Tatsache hat Meßungenauigkeiten zur Folge. Besser ist
die genannte Meß-
einrichtung für die Bestimmung der Masse und des
Gewichtes bzw. deren Schwankungen von Papier-, Gummi- und Geweb.ebahnen geeignet,
denn dabei ist die Voraussetzung der Homogenität im allgemeinen erfüllt. Richtig
kann aber auch nur dann gemessen werden, wenn nicht zu große Dickeschwankungen auftreten
und die Führung des zu untersuchenden Materials zwischen den Plattenelektroden gleichgerichtet
ist. Der Anteil der Feuchtigkeit im Material muß zur Vermeidung von Fehlmessungen
konstant sein.
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Man hat die gekennzeichneten Meßeinrichtungen auch schon zur Ermittlung
des Feuchtigkeitsgehalts und dessen Schwankungen benutzt. Die Meßmethode beruht
auf der Tatsache, daß die Dielektrizitätskonstante von Wasser im Verhältnis zu der
anderer Stoffe sehr hoch ist. Dabei dürfen jedoch die Masseschwankungen des trockenen
Materials eine bestimmte Größe nicht überschreiten.
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Man hat auch schon Meßanordnungen verwendet, bei denen der zu untersuchende
Körper als Dielektrikum eines Kondensators angeordnet ist, bei dem sich die Elektroden
nur auf der einen Seite des Dielektrikums befinden, so daß das elektrische Feld
im wesentlichen parallel zur Schichtrichtung verläuft. Die Eindringtiefe des Feldes
in das dielektrische Materialist eine Funktion der Form und des Abstandes der Elektroden
und nimmt mit zunehmender Entfernung von den Elektroden ab. Es besteht also die
Möglichkeit, bei mehrfacher Anordnung solcher Kondensatorenpaare verschiedener -Größe
und Form hintereinander, die Materialien mehrerer Schichten mit unterschiedlichen
Dielektrizitätskonstanten meßtechnisch zu erfassen. Auch eine solche Anordnung kann
dazu benutzt werden, um den Feuchtigkeitsgehalt der einzelnen Materialschichten
zu bestimmen.
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Es ist auch schon bekannt, die Abtastelektroden eines Meßkondensators
unmittelbar mit einem Anzeigegerät zusammenzubauen oder über abgeschirmte Kabel
mit diesem zu verbinden. Das Anzeigegerät betätigt eine Steuereinrichtung zur Beeinflussung
der Maschinen, die zur Erzeugung des gewünschten Sollwertes des zu untersuchenden
Materials dienen.
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Die bekannten, mit Kondensatoren ausgerüsteten Dicke- und Feuchtigkeitsmeßeinrichtungen
haben ~folgende Nachteile: I. In einem in Richtung des Feldes nicht voll ausgefüllten
parallelen Plattenkondensator mit praktisch homogenem Feld kann eine richtige Messung
der Masseschwankungen nicht vorgenommen werden, wenn die Dicke der Schicht stark
veränderlich ist oder wenn das Material bei gleichmäßiger Schichtdicke zwischen
den Elektroden ohne Führung hin und her wandert.
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2. Es ist auch nicht möglich, in einem solchen parallelen Plattenkondensator
ein richtige Meßresultat bei gleicher homogener Masse aber unterschiedlichen Querschnittsformen
zu erzielen, da im homogenen Kondensatorfeld, insbesondere bei Materialien hoher
Dielektrizitätskonlstante, eine Verzerrung des Feldes in Abhängigkeit von der Form
des Querschnittes eintritt.
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3. Es ist nicht möglich, mit den bekannten Einrichtungen ein richtiges
Meßresultat bei zwar gleichmäßiger Querschnittsform, gleicher Masse aber inhomogener
Masseverteilung innerhalb des Raumes zwischen den Plattenelektroden zu erzielen.
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4. Ein genaues Meßresultat erreicht man auch nicht mit einer Meßanordnung,
bei der sich die Elektroden nur auf einer Seite des Dielektrikums befinden, bei
der also das elektrische Feld nicht homogen ist, sondern wie ein Streufeld am Plattenrand
und im wesentlichen in Richtung des flächenhaft durchgeführten Materials verläuft.
Der Grund liegt darin, daß die Felddichte als Funktion des Abstandes der Plattenelektroden
abnimmt, also nicht konstant ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und eine Meßanordnung zu schaffen, mit der generell das Problem der genauen Massebestimmung
bei konstanter Feuchtigkeit zu lösen ist, und zwar ohne- daß eine Einschränkung
hinsichtlich folgender Größen erforderlich ist: Ausfüllung des Raumes zwischen den
Plattenelektroden, Querschnitt, Querschnittsform, Masseverteilung im Ouerschnitt,
Größe der Dielektrizitätskonstanten.
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Gleichzeitig soll die Meßanordnung gestatten, den Wassergehalt des
zu untersuchenden Materials oder dessen Schwankungen bei geringer Dielektrizitätskonstante
zu messen oder bei gleichmäßiger Masse und größerer aber konstanter Dielektrizitätskonstante
zu bestimmen.
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Die erfinderische Lösung der vorstehend gekennzeichneten Aufgabe
setzt eine Einrichtung zur Messung der Masse bzw. des Feuchtigkeitsgehalts von dielektrischen
Körpern mittels Kondensatoren als bekannt voraus, deren elektrisches Feld im wesentlichen
in Richtung der Bewegung des 7,u untersuchenden Materials verläuft und deren Elektroden
zu beiden Seiten des zu untersuchenden Materials angeordnet sind. Die erfinderische
Lösung besteht darin, daß der Meßkanal zur Erzielung eines homogenen Längsfeldes
mit Schichten dielektrischen Materials ausgekleidet undtoder zwischen die Elektroden
verschiedenen Potentials metallische Abschirmplatten eingefügt sind. Eine Vervollkommnung
der Konstanz der Felddichte wird dadurch erreicht, daß zwischen die Elektroden verschiedenen
Potentials außer metallischen Abschirmplatten auch noch dielektrisches Material
eingefügt ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung
der Fig. I bis II zu ersehen, die schematisch die Anordnung der Kondensatorelektroden,
den Verlauf der Kraftlinien, die Auskleidung des Meßkanals mit dielektrischem Material,
die Anordnung der Abschirmplatten, die Schaltungen verschiedener Kondensatorgruppen,
die Form des Meßkanals und eine besonders zweckmäßige Brückenschaltung zeigen.
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In Fig. I sind die einander zugeordneten Plattenelektroden mit I
und 2 bzw. mit 4 und 5 bezeichnet.
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Die Kraftlinien des Kondensators I, 2 tragen das
Bezugszeichen
3 und die Kraftlinien des Kondensators 4, 5 das Bezugszeichen 6. Mit Pfeilen sind
die Richtungen der Kraftlinien gekennzeichnet. Die Größe der elektrischen Felder
nimmt nach der Mitte der Elektrodenanordnung hin ab. In ihrer Wirkung auf das durch
das Feld zu führende Material addieren sich jedoch die Felder. Auf diese Weise wird
erreicht, daß pro Flächeneinheit die gleiche Anzahl von Kraftlinien vorhanden ist.
Die örtliche I,age des zu messenden Materials bleibt also ohne Einfluß. Die Kapazität
wird in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Kondensatoren hindurchgeführten
Masse gemessen, wenn die Ausfüllung des Meßkänals nach links oder rechts sowie nach
vorn oder hinten zunimmt. Auch die Quer schnittsform des zu messenden Materials
ist bei konstanter Masse innerhalb des Meßraumes ohne Bedeutung, da die Auswahl
der örtlichen Kraftlinien in bezug auf das Meßmaterial ohne Einfluß ist. Auch die
unterschiedliche Verteilung der Masse innerhalb des Querschnittes bei konstanter
Masse sowie die Größe der Masse pro Volumeneinheit kann keinen ungünstigen Einfluß
auf die richtige Messung ausüben.
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Tn Fig. 2 ist gezeigt. wie die Größe der Felder der Kondensatoren
abnimmt. Der Verlauf der Feldänderung ist von den Abmessungen der Elektroden und
ihrer Zuordnung zueinander abhängig. Mit 7 ist das Feld des Kondensators 1, 2, mit
8 das Feld des Kondensators 3, 5 und mit 9 das resultierende Feld gekennzeichnet.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Funktion des resultierenden Feldes g
nahezu in eine waagerechte Gerade hinüberzuführen.
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Fig. 3 zeigt eine dieser Möglichkeiten. Auf der Innenseite der Elektroden
sind Schichten dielektrischen Materials 10 und II vorgesehen, zwischen denen das
zu messende Material 12 hindurchgeführt wird. Dadurch wird zwar die Schlitzbreite,
die das zu messende Material aufnimmt, verringert, aber es wird erreicht, daß schon
eine bessere Annäherung an die zu stellende Forderung der Konstanz der Felddichte
erfolgt.
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Bei der Ausführung der Meßeinrichtung nach Fig. 4 werden in bestimmten
Abständen zwischen den Elektroden verschiedenen Potentials metallische Abschirmungen
I3 und 14 eingebracht und in einer Brückenschaltung so angeordnet, daß die Teilfelder,
welche durch die senkrecht auf den Abschirmplatten stehenden Kraftlinien charakter
siert sind, in die Messung nicht eingehen. Diese Abschirmungen ziehen einen Teil
der Randfelder an sich und schwächen somit in geeigneter Weise die überflüssige
Größe des Meßfeldes dicht an den Elektrodenebenen. Die Vernichtung dieser Teilfelder
hat auch noch den weiteren Vorzug, daß die durch physikalische Einflüsse beeinträchtigte
Konstanz der Felddichte wesentlich verbessert werden kann. Selbstverständlich kann
auch eine Kombination der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Anordnungen vorgenommen
werden.
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Die Fig. 5 läßt erkennen, wie zur Erhöhung der Empfindlichkeit der
Meßanordnung oder zur summierenden Erfassung einer bestimmten Länge eines Produktes
eine Anzahl von Einzel systemen räumlich und schaltungsmäßig zueinander angeordnet
werden können. In Fig. 6 ist gezeigt, daß zwischen den Elektroden verschiedenen
Potentials auch Isoliermaterial 15 bzw. I6 eingefügt werden kann.
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In den Fig. 7 und 8 ist schematisch angedeutet. wie in die massiven
Metall- und Isolierplatten die Meßkanäle I7 bzw. I8 eingefräst sind. Wenn die Meßkammer
rund ist, sind besondere Schlitze 19 vorgesehen, um das zu messende Material seitlich
in den Meßkanal einführen zu können.
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Die Kapazitätsänderungen, die durch das zu messende Material bewirkt
werden, sind unter Umständen sehr klein und können unter Io-3 betragen. Bei Io/oiger
Meßgenauigkeit müßte also eine Konstanz der Meßanordnung mindestens für die Zeit
des Messens von Io gefordert werden.
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Um nicht zu große Anforderungen an das zu verwendende Material, die
zuzulassenden Temperatur-und Luftfeuchtigkeitsschwankungen usw. stellen zu müssen,
ist es zweckmäßig, die in den Fig. 9 und IO schematisch angedeutete Meß anordnung
möglichst gleichmäßig auszuführen und in Differentialschaltung zu betreiben. Das
zu messende Material wird dabei nur jeweils durch eine der beiden Meßkammern 17
oder I7' geführt. Die beiden Meßkanäle können auch von dem zu messenden Material
nacheinander durchlaufen werden.
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In der Fig. 11 ist eine an sich bekannte symmetrische Brückenschaltung
schematisch angedeutet. in der die beiden symmetrischen Kondensatoranordnungen nach
den Fig. 9 und IO eingefügt sind.
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In dieser Schaltung sind die zu unterdrückenden Teilkapazitäten nach
den Fig. 4, 5 und 6 mit dem Verbindungspunkt der Widerstände zusammengeführt, so
daß sie einerseits der Brückendiagonale und andererseits mit gleicher Größe den
symmetrischen Widerständen parallel liegen. Die Teilkapazitäten gehen also nicht
in das Meßergebnis ein. Selbstverständlich können auch anders symmetrische Brückenschaltungen
Anwendung finden.
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PATENTANSPRSCHE I. Einrichtung zur Messung der Masse bzw. des Feuchtigkeitsgehalts
von dielektri schen Körpern mittels Kondensatoren, deren elektrisches Feld im wesentlichen
in Richtung der Bewegung des zu untersuchenden Materials verläuft und deren Elektroden
zu beiden Seiten des zu untersuchenden Materials angeordnet sind, insbesondere zur
Messung von Textilmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkanal zur Erzielung
eines homogenen Längsfeldes mit Schichten dielektrischen Materials (Io, I I) ausgekleidet
und/oder zwischen die Elektroden verschiedenen Potentials metallische Abschirmplatten
(I3, I4) eingefügt sind.