EP1869438A1 - Vorrichtung und verfahren zur untersuchung eines festen, länglichen prüfgutes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur untersuchung eines festen, länglichen prüfgutes

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Publication number
EP1869438A1
EP1869438A1 EP06705378A EP06705378A EP1869438A1 EP 1869438 A1 EP1869438 A1 EP 1869438A1 EP 06705378 A EP06705378 A EP 06705378A EP 06705378 A EP06705378 A EP 06705378A EP 1869438 A1 EP1869438 A1 EP 1869438A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
measuring
capacitor
output signal
protective
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06705378A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Ott
Peter Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Uster Technologies AG
Original Assignee
Uster Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Uster Technologies AG filed Critical Uster Technologies AG
Publication of EP1869438A1 publication Critical patent/EP1869438A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/36—Textiles
    • G01N33/365—Filiform textiles, e.g. yarns
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Definitions

  • the present invention is in the field of testing with capacitive means of solid, elongated, preferably textile structures such as card sliver, roving, yarn or fabric. It relates to a device and a method for the investigation of a solid, elongate test material, according to the preambles of the independent claims. Such an investigation may, for example, have as its objective the detection of foreign substances or the detection of changes in mass per unit length.
  • a reference capacitor is used in a preferred embodiment of the device disclosed in EP-O '924' 513 A1 simultaneously with the actual measuring capacitor. This can be arranged by adding a third, parallel to the two measuring capacitor plates Capacitor plate are formed, wherein the three capacitor plates are connected together to form a capacitive bridge. Typical dimensions of the capacitor plates are approx. 7 mm x 7 mm, typical plate distances approx. 2 mm.
  • the distances between the measuring part electrode and the protective electrodes have to be increased.
  • this reduces the desired protective effect of the protective electrodes, because it makes the electric field at the edges of the measuring part electrode inhomogeneous.
  • a measuring head with such enlarged electrodes claimed more space, which is a disadvantage in terms of use.
  • the invention is based on the idea to operate with at least one of the protective electrodes active guarding, d. H. to apply a time-varying voltage to the at least one protective electrode.
  • the device according to the invention for testing a solid, elongate test material comprises a measuring capacitor with a measuring part electrode and at least one protective electrode electrically insulated from the measuring part electrode, means for applying an alternating voltage to the measuring capacitor for generating an alternating electric field in the measuring capacitor and a passage opening for the test material in the measuring capacitor , Which passage opening from the alternating electric field can be acted upon.
  • At least one of the at least one guard electrode is set up for active guarding.
  • an AC voltage can be applied to the at least one protective electrode in such a way that the at least one protective electrode is at least AC-connected at approximately the same potential as the measuring partial electrode.
  • the invention also includes the use of active guarding by means of at least one protective electrode in the capacitive examination of a solid, elongate test material.
  • the test material is exposed to an alternating electric field in a measuring capacitor with a measuring part electrode and at least one protective electrode electrically insulated from the measuring part electrode.
  • Active guarding is operated with at least one of the at least one protective electrodes.
  • an alternating voltage is applied to the at least one protective electrode in such a way that the at least one protective electrode is at least alternating voltage at approximately the same potential as the measuring partial electrode.
  • the active guarding according to the invention prevents the undesired effects of the parasitic capacitances between the measuring part electrode and the protective electrodes. It allows much smaller designs of the measuring head.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a measuring head for the device according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 shows curves of electric field lines in a measuring capacitor (a) according to the prior art
  • Figures 3-5 three further embodiments of a
  • Measuring head for the device according to the invention in perspective views
  • FIG. 1 A first embodiment of a measuring head 1 for the device according to the invention is shown in Figure 1 in a perspective view.
  • the measuring head 1 essentially comprises a measuring capacitor 2.
  • this is a planar two-plate capacitor with a first, essentially flat capacitor plate 21 and a second, essentially flat capacitor plate 22.
  • the capacitor plates 21, 22 are each approximately 0.8 mm thick, consist for. B. made of brass and can to achieve a higher Abrasion resistance z. B. be coated with nickel.
  • the two capacitor plates 21, 22 are separated by an approximately 1-3 mm, preferably about 1.5-2.0 mm thick air gap, which forms a passage opening 26 for a solid, elongated fürgut 9.
  • the scholar 9 can z. B. be a yarn. It is preferably moved in the longitudinal direction x through the passage opening 26 and thereby exposed to an alternating electric field 29 (see FIG. 2 (b)) generated between the two capacitor plates 21, 22.
  • the measuring capacitor 2 includes at least one protective electrode 24.1, 24.2 for reducing the influence of edge effects of the alternating electric field 29 on an output signal of the measuring capacitor 2.
  • the second capacitor plate 22 is divided into three mutually electrically isolated sub-electrodes 23, 24.1, 24.2: a central measuring part electrode 23 and two outer part electrodes 24.1, - 24.2, which form two protection electrodes.
  • insulating material 25.1, 25.2, z As ceramic or plastic, so that the three sub-electrodes 23, 24.1, 24.2 mechanically form a unit, just the capacitor plate 22.
  • the lengths in the x direction of the individual parts 23, 24.1, 24.2, 25.1, 25.2 can z. B. as follows: protective electrodes 24.1. 24.2 each approx. 1 mm, insulation material 25.1, 25.2 each approx. 0.5 mm, measuring part electrode 23 approx. 4 mm.
  • the second Capacitor plate 22 has a total length of about 7 mm; their height in z-direction can also be about 7 mm.
  • the dimensions of the first capacitor plate 21 are preferably substantially the same.
  • the aspect ratios of measuring part electrode 23 and protective electrodes 24.1, 24.2 can be optimized depending on the application. In any case, the length of the insulating material 25.1, 25.2 should be as small as possible in order to ensure an optimum protective effect through the protective electrodes 24.1, 24.2 and to keep the geometric dimensions of the measuring head 1 small.
  • the first capacitor plate 21 and the three sub-electrodes 23, 24.1, 24.2 of the second capacitor plate 22 are contacted by separate electrical leads 27.1-27.4, so that individually applied to them electrical voltage and / or can be tapped.
  • the electrical circuit diagram will be discussed in more detail with reference to FIGS. 6 and 7.
  • Figure 2 shows a side view of a snapshot of progressions of electric field lines of an electric
  • FIG. 3 shows, in an analogous representation as in FIG. 1, a second embodiment of a measuring head 1 for the device according to the invention. From the embodiment of
  • FIG 1 shows this embodiment, by the two
  • Protective electrodes 24.1, 24.2 along a front edge of the second capacitor plate 22 are interconnected. This results in a C-shaped protective electrode 24, the lower and upper leg are in the input or output region of the passage opening 26.
  • the central connection part of the C-shaped guard electrode 24 offers various
  • Measuring capacitor 2 and thus reduces the dependence of Output signal from the position of the yarn 9 in the z direction. Third, it reduces the sensitivity of the measurement to contact (eg, by an operator) of the measuring head 1 from the front.
  • FIG. 3 A further development of the embodiment of FIG. 3 is drawn in FIG. Here, the two legs of the C-shaped guard electrode 24 were bonded together along a trailing edge of the second capacitor plate 22, thereby closing the C into a rectangle or ring.
  • the advantages described with reference to FIG. 3 are present here to an even greater degree.
  • FIG. 5 A fourth embodiment of a measuring head 1 for the device according to the invention is shown in FIG. 5. This measuring head
  • 1 includes a measuring capacitor 2, as he on the occasion of
  • FIG. 1 has been described, and in addition a Reference capacitor 3.
  • the middle capacitor plate 22 is common to both capacitors 2, 3.
  • the middle, common capacitor plate 22 is the one which includes the protective electrodes 24.1, 24.2.
  • the reference capacitor 3 is used to eliminate interference caused by external influences such as air temperature or humidity.
  • the middle capacitor plate 22 may also be formed according to the embodiments of Figure 3 or 4, or in another way.
  • FIG. 5 An electrical circuit diagram of a first embodiment of the device according to the invention with measuring capacitor 2 and reference capacitor 3 (see Fig. 5) is shown in FIG.
  • the device includes an AC generator 4 for applying an AC voltage to the measuring capacitor 2 and to the reference capacitor 3.
  • the frequency of the applied AC voltage is preferably between 1 MHz and 100 MHz, z. B. 10 MHz.
  • the capacitors 2, 3 are preferably followed by an impedance converter 5, with whose input line 51 the measuring part electrode 23 is connected.
  • An output line 59 of the impedance converter 5 connects the impedance converter 5 with a detector circuit 6.
  • the detector circuit 6 is used for analogous detection of the output signal of the capacitors 2, 3. In the embodiment of Figure 6, it essentially performs a multiplication of the output signal of the measuring capacitor 2 with the voltage applied to the capacitors 2, 3 AC signal. The thus demodulated output signal is output on an output line 69 of the detector circuit 6.
  • the impedance converter 5 adjusts the high impedance of the measuring capacitor 2 of the low impedance of the detector circuit 6.
  • the demodulated output signal is fed to the output line 69 of an evaluation circuit 7.
  • the evaluation circuit 7 determines therefrom the actual result of the test and outputs an output signal on an output line 79 of the device.
  • the result may be, for example, measuring changes in mass per unit length or detecting foreign matter in the tested yarn 9. With suitable evaluation methods, it is even possible to determine the quantitative proportion of foreign substances and possibly the material of the foreign substances.
  • the evaluation circuit 7 may be formed as an analog electrical circuit or as a digital circuit with a processor. Methods and devices for the capacitive detection and quantification of solid foreign substances in textile test material 9 are known from EP-O '924' 513 A1 and can also be adopted for the present invention.
  • EP-O '924' 513 Al and in particular the Paragraphs [0022] - thereof are incorporated by reference into the present specification.
  • the impedance converter 5 is formed as a collector circuit.
  • the input line 51 is connected to a base 53 of a transistor 52, preferably a bipolar transistor.
  • a collector 54 of the Bipolar transistor 52 is applied a constant operating voltage V C c.
  • An emitter 55 of the bipolar transistor 52 is connected to the output line 59.
  • Various resistors 56-58 serve to adjust the operating point of the impedance converter 5.
  • active guarding is used, i. H. an alternating voltage is applied to the protective electrodes 24.1, 24.2, in such a way that they are at least alternating current at approximately the same potential as the measuring sub-electrode 23.
  • This is achieved in the embodiment of FIG. 6 by the output line 59 of the collector circuit 5 with the protective electrodes 24.1 , 24.2 is electrically connected.
  • the output signal of the collector circuit 5 can be used as an input signal for the protective electrodes 24.1, 24.2, because the collector circuit 5 has a small output resistance.
  • FIG. 7 shows an alternative to the collector circuit 5 of FIG. 6, namely a transimpedance amplifier circuit 8 having an operational amplifier 82 acting as an impedance converter.
  • a noninverting input + of the operational amplifier 82 is electrically connected to the measuring part electrode 23 by means of an input line 81.
  • An inverting input - the operational amplifier 82 is on the one hand via a Feedback line 83 with an output line 89, on the other hand electrically connected to the protective electrodes 24.1, 24.2.
  • this alternative can have the disadvantages that the operational amplifier is comparatively expensive and - at least in the embodiments currently available on the market - either has too low an input impedance or too narrow a bandwidth, so that it will be overwhelmed by high excitation frequencies in the MHz range could.
  • the invention is not limited to the embodiments described above. So it is z. B. conceivable to provide more than two protective electrodes in the measuring capacitor 2. By dividing the second capacitor plate 22 into a plurality of measuring part electrodes and a corresponding plurality of protective electrodes, the local resolution of the measurement can be increased. It is also possible for more than one capacitor plate to be equipped with one or more protective electrodes. It is also not necessary to use measuring capacitors with flat capacitor plates for the invention; other capacitor forms are also possible. The embodiments described above may also be combined with each other. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Vorrichtung zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes (9) beinhaltet einen Messkondensator (2) mit einer Messteilelektrode (23) und davon elektrisch isolierte Schutzelektroden (24.1, 24.2) . Ferner beinhaltet die Vorrichtung Mittel (4) zum Anlegen einer Wechselspannung an den Messkondensator (2) zwecks Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes im Messkondensator (2) . Die Schutzelektroden (24.1, 24.2) sind für aktives Guarding eingerichtet, indem sie wechselspannungsmässig auf demselben Potenzial gehalten werden wie die Messteilelektrode (23) . Dank dem aktiven Guarding können unterschiedlich dicke Prüf guter (9) mit ein und demselben Messkopf (1) geprüft werden. Das Signalrauschen wird vermindert, das Ausgangssignal ist von der Position des Prüfgutes (9) in Querrichtung weitgehend unabhängig und der Messkopf (1) hat kleine geometrische Abmessungen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR UNTERSUCHUNG EINES PESTEN,
LÄNGLICHEN PRUFGUTES
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Prüfung mit kapazitiven Mitteln von festen, länglichen, vorzugsweise textilen Gebilden wie Kardenband, Vorgarn, Garn oder Gewebe. Sie betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes, gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Eine derartige Untersuchung kann bspw. die Detektion von Fremdstoffen oder das Erkennen von Änderungen der Masse pro Längeneinheit zum Ziel haben.
STAND DER TECHNIK
In der Textilindustrie besteht Bedarf nach einer zuverlässigen Erkennung von Fremdstoffen wie Polypropylen in länglichen textilen Gebilden wie Garn. Zu diesem Zweck kommen häufig optische Mittel zum Einsatz. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie Fremdstoffe nicht erkennen, welche durchsichtig sind, dieselbe Farbe wie das Prüfgut haben oder im Innern des Prüfgutes versteckt und von aussen unsichtbar sind.
Die Unzulänglichkeiten optischer Prüfmethoden können durch den Einsatz von elektrischen, insbesondere kapazitiven Mitteln umgangen werden. Aus der EP-O '924 '513 Al sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kapazitiven Erkennung von Fremdstoffen in textilem Prüfgut bekannt. Dabei wird das Prüfgut durch einen Plattenkondensator hindurch bewegt und einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt. Es werden dielektrische Eigenschaften des Prüfgutes ermittelt. Aus den dielektrischen Eigenschaften werden zwei elektrische Grossen ermittelt und kombiniert, wobei ein Kennwert entsteht, der von der Masse des Prüfgutes unabhängig ist. Der Kennwert wird mit einem vorausgehend ermittelten Kennwert für die betreffenden Stoffe verglichen und daraus der Anteil Fremdstoffe bestimmt.
Um von äusseren Einflüssen wie Lufttemperatur oder Luftfeuchtigkeit verursachte Störsignale zu eliminieren, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der in der EP-O '924 '513 Al offenbarten Vorrichtung gleichzeitig mit dem eigentlichen Messkondensator ein Referenzkondensator eingesetzt. Dieser kann durch Zufügen einer dritten, parallel zu den beiden Messkondensatorplatten angeordneten Kondensatorplatte gebildet werden, wobei die drei Kondensatorplatten zu einer kapazitiven Brücke zusammen geschaltet werden. Typische Abmessungen der Kondensatorplatten betragen ca. 7 mm x 7 mm, typische Plattenabstände ca. 2 mm.
Bei der oben beschriebenen Vorrichtung ist zu beobachten, dass das Signalrauschen mit grosserem Elektrodenabstand zunimmt. Ferner ändert sich das Ausgangssignal, wenn das Prüfgut in Querrichtung, d. h. von einer Kondensatorelektrode zur anderen, verschoben wird. Die Folgen davon sind Artefakte und ebenfalls höheres Rauschen wegen Querschwingungen des Prüfgutes beim Durchlaufen des Messkondensators.
Diese unerwünschten Beobachtungen sind hauptsächlich auf Randeffekte im Messkondensator zurück zu führen. Es ist z. B. aus den Veröffentlichungen US-2, 950, 436, US-3, 523, 246, GB-I, 373, 922 oder GB-2,102,958 bekannt, zur Verringerung der Randeffekte so genannte Schutzelektroden (englisch „guard electrodes") an den Rändern des Messkondensators vorzusehen. Dadurch wird der effektive Messbereich auf den mittleren Bereich des Messkondensators beschränkt, wo das elektrische Feld homogen ist. Die Schutzelektroden sind an Masse oder einem anderen konstanten Potenzial angelegt und schirmen die eigentliche Messteilelektrode, die sich im mittleren Bereich des Messkondensators befindet, von störenden Randeffekten ab. Trotz dieser Massnahme konnten die beschriebenen unerwünschten Beobachtungen nicht vollständig beseitigt werden. Es bestehen nämlich Potenzialdifferenzen zwischen der Messteilelektrode und den Schutzelektroden, so dass sich inhärent vorhandene parasitäre Kapazitäten zwischen den Elektroden nachteilig auf die Messung auswirken. Um den Einfluss der parasitären Kapazitäten zu vermindern, müssen die Abstände zwischen der Messteilelektrode und den Schutzelektroden vergrössert werden. Dies vermindert aber den erwünschten Schutzeffekt der Schutzelektroden, weil dadurch das elektrische Feld an den Rändern der Messteilelektrode inhomogen wird. Ausserdem beansprucht ein Messkopf mit derart vergrosserten Elektroden mehr Platz, was im Hinblick auf den Einsatz ein Nachteil ist.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung von festen, länglichen, vorzugsweise textilen Gebilden anzugeben, welche die obigen Nachteile nicht aufweisen und die bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren verbessern. Insbesondere soll das Signalrauschen vermindert werden. Das Ausgangssignal soll von der Position des Prüfgutes in Querrichtung weitgehend unabhängig werden. Der Platzbedarf soll gering gehalten werden. Diese und andere Aufgaben werden gelöst durch die Vorrichtung und das Verfahren, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung basiert auf der Idee, mit mindestens einer der Schutzelektroden aktives Guarding zu betreiben, d. h. eine sich zeitlich verändernde Spannung an die mindestens eine Schutzelektrode anzulegen.
Dementsprechend beinhaltet die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes einen Messkondensator mit einer Messteilelektrode und mindestens einer von der Messteilelektrode elektrisch isolierten Schutzelektrode, Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung an den Messkondensator zwecks Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes im Messkondensator und eine Durchgangsöffnung für das Prüfgut im Messkondensator, welche Durchgangsöffnung vom elektrischen Wechselfeld beaufschlagbar ist. Mindestens eine der mindestens einen Schutzelektrode ist für aktives Guarding eingerichtet. Vorzugsweise ist an die mindestens eine Schutzelektrode eine Wechselspannung derart anlegbar, dass die mindestens eine Schutzelektrode zumindest wechselspannungsmässig auf annähernd demselben Potenzial liegt wie die Messteilelektrode. Die Erfindung umfasst auch die Verwendung von aktivem Guarding mittels mindestens einer Schutzelektrode bei der kapazitiven Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes .
Im erfindungsgemässen Verfahren zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes wird das Prüfgut in einem Messkondensator mit einer Messteilelektrode und mindestens einer von der Messteilelektrode elektrisch isolierten Schutzelektrode einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt. Mit mindestens einer der mindestens einen Schutzelektrode wird aktives Guarding betrieben. Vorzugsweise wird an die mindestens eine Schutzelektrode eine Wechselspannung derart angelegt, dass die mindestens eine Schutzelektrode zumindest wechselspannungsmässig auf annähernd demselben Potenzial liegt wie die Messteilelektrode.
Das erfindungsgemässe aktive Guarding verhindert die unerwünschten Auswirkungen der parasitären Kapazitäten zwischen Messteilelektrode und Schutzelektroden. Es erlaubt wesentlich kleinere Bauformen des Messkopfes.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Dabei zeigen schematisch: Figur 1 eine erste Ausführungsform eines Messkopfes für die erfindungsgemässe Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 2 Verläufe von elektrischen Feldlinien in einem Messkondensator (a) gemäss dem Stand der
Technik bzw. (b) gemäss der vorliegenden
Erfindung, in einer Seitenansicht, Figuren 3-5 drei weitere Ausführungsformen eines
Messkopfes für die erfindungsgemässe Vorrichtung in perspektivischen Ansichten,
Figuren 6, 7 elektrische Schaltschemata von zwei
Ausführungsformen der erfindungsgemässen
Vorrichtung.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine erste Ausführungsform eines Messkopfes 1 für die erfindungsgemässe Vorrichtung ist in Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Messkopf 1 beinhaltet im Wesentlichen einen Messkondensator 2. Dabei handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen ebenen Zweiplattenkondensator mit einer ersten, im Wesentlichen ebenen Kondensatorplatte 21 und einer zweiten, im Wesentlichen ebenen Kondensatorplatte 22. Die Kondensatorplatten 21, 22 sind je ca. 0.8 mm dick, bestehen z. B. aus Messing und können zur Erzielung einer höheren Abriebfestigkeit z. B. mit Nickel beschichtet sein. Die beiden Kondensatorplatten 21, 22 sind durch einen ca. 1-3 mm, vorzugsweise ca. 1.5-2.0 mm dicken Luftspalt voneinander getrennt, der eine Durchgangsöffnung 26 für ein festes, längliches Prüfgut 9 bildet. Das Prüfgut 9 kann z. B. ein Garn sein. Es wird vorzugsweise in Längsrichtung x durch die Durchgangsöffnung 26 hindurch bewegt und dabei einem zwischen den beiden Kondensatorplatten 21, 22 erzeugten elektrischen Wechselfeld 29 (vgl. Figur 2 (b) ) ausgesetzt.
Der Messkondensator 2 beinhaltet mindestens eine Schutzelektrode 24.1, 24.2 zur Verminderung des Einflusses von Randeffekten des elektrischen Wechselfeldes 29 auf ein Ausgangssignal des Messkondensators 2. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist die zweite Kondensatorplatte 22 in drei voneinander elektrisch isolierte Teilelektroden 23, 24.1, 24.2 aufgeteilt: eine zentrale Messteilelektrode 23 und zwei äussere Teilelektroden 24.1,- 24.2, welche zwei Schutzelektroden bilden. Zwischen jeweils zwei benachbarten Teilelektroden 23, 24.1 bzw. 23, 24.2 befindet sich Isolationsmaterial 25.1, 25.2, z. B. Keramik oder Kunststoff, so dass die drei Teilelektroden 23, 24.1, 24.2 mechanisch eine Einheit, eben die Kondensatorplatte 22, bilden. Die Längen in x-Richtung der einzelnen Teile 23, 24.1, 24.2, 25.1, 25.2 können z. B. wie folgt sein: Schutzelektroden 24.1. 24.2 je ca. 1 mm, Isolationsmaterial 25.1, 25.2 je ca. 0.5 mm, Messteilelektrode 23 ca. 4 mm. Somit hat die zweite Kondensatorplatte 22 eine Gesamtlänge von ca. 7 mm; ihre Höhe in z-Richtung kann auch ungefähr 7 mm betragen. Die Abmessungen der ersten Kondensatorplatte 21 sind vorzugsweise im Wesentlichen dieselben. Die Längenverhältnisse von Messteilelektrode 23 und Schutzelektroden 24.1, 24.2 können je nach Anwendung optimiert werden. Auf jeden Fall sollte die Länge des Isolationsmaterials 25.1, 25.2 möglichst klein sein, um einen optimalen Schutzeffekt durch die Schutzelektroden 24.1, 24.2 zu gewährleisten und um die geometrischen Abmessungen des Messkopfes 1 klein zu halten.
Die erste Kondensatorplatte 21 und die drei Teilelektroden 23, 24.1, 24.2 der zweiten Kondensatorplatte 22 sind durch separate elektrische Leitungen 27.1-27.4 kontaktiert, so dass an ihnen individuell elektrische Spannung angelegt und/oder abgegriffen werden kann. Auf das elektrische Schaltschema wird anlässlich der Figuren 6 und 7 näher eingegangen.
Figur 2 zeigt in einer Seitenansicht eine Momentaufnahme von Verläufen elektrischer Feldlinien eines elektrischen
Wechselfeldes 29' bzw. 29 in einem Messkondensator 2' bzw. 2, an dessen Kondensatorplatten 21', 22' bzw. 21, 22 eine elektrische Spannung angelegt ist. In der Figur 2 (a) ist die
Situation für einen gewöhnlichen Zweiplattenkondensator 2' gezeichnet, in Figur 2 (b) für einen Messkondensator 2 mit
Schutzelektroden 24.1, 24.2 gemäss der vorliegenden
Erfindung. Unter der Voraussetzung, dass an den Schutzelektroden 24.1, 24.2 dieselbe Spannung angelegt ist wie an der Messteilelektrode 23, unterscheiden sich die erzeugten elektrischen Felder 29' , 29 nicht wesentlich voneinander. Was unterschiedlich ist, ist der örtliche Messbereich 28' bzw. 28, in Figur 2 durch ein strichpunktiertes Rechteck angedeutet. Eine Messung mit einer Vorrichtung gemäss Figur 2 (a) erfasst einen Bereich, der aus dem Messkondensator 2' hinaus reicht, und wird deshalb durch die inhomogenen elektrischen Teilfelder an den Rändern des Messkondensators 2' gestört. Bei der Vorrichtung gemäss Figur 2 (b) wird nur das homogene elektrische Teilfeld im Innern des Messkondensators 2 für die Messung berücksichtigt.
Figur 3 zeigt, in analoger Darstellung wie Figur 1, eine zweite Ausführungsform eines Messkopfes 1 für die erfindungsgemässe Vorrichtung. Aus der Ausführungsform von
Figur 1 geht diese Ausführungsform hervor, indem die beiden
Schutzelektroden 24.1, 24.2 entlang einer vorderen Kante der zweiten Kondensatorplatte 22 miteinander verbunden werden. Dadurch entsteht eine C-förmige Schutzelektrode 24, deren unterer und oberer Schenkel im Eingangs- bzw. Ausgangsbereich der Durchgangsöffnung 26 liegen. Der zentrale Verbindungsteil der C-förmigen Schutzelektrode 24 bietet verschiedene
Vorteile. Erstens verbessert er weiter die Homogenität des elektrischen Feldes im Messbereich. Zweitens vermindert er den Einfluss von Randeffekten an der vorderen Kante des
Messkondensators 2 und vermindert so die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Position des Garns 9 in z-Richtung. Drittens reduziert er die Empfindlichkeit der Messung auf eine Berührung (z. B. durch eine Bedienungsperson) des Messkopfes 1 von vorn.
Eine Weiterentwicklung der Ausführungsform von Figur 3 ist in Figur 4 gezeichnet. Hier wurden die beiden Schenkel der C- förmigen Schutzelektrode 24 entlang einer hinteren Kante der zweiten Kondensatorplatte 22 miteinander verbunden, wodurch das C zu einem Rechteck oder Ring geschlossen wurde. Die anlässlich von Figur 3 beschriebenen Vorteile sind hier in noch ausgeprägterem Mass vorhanden.
Alternativen zu den anlässlich der Figuren 1, 3 und 4 beschriebenen Ausführungsformen sind durchaus möglich. Eine
(hier nicht dargestellte) Alternative würde darin bestehen, die Durchgangsöffnung 26 in einem Block aus elektrisch isolierendem Material wie Keramik oder Kunststoff anzubringen und die erste Kondensatorplatte 21 sowie die Teilelektroden 23, 24.1, 24.2, 24 als Metallplättchen in die Wände des
Blocks einzubauen oder als Metallschichten auf die Wände des
Blocks aufzubringen.
Eine vierte Ausführungsform eines Messkopfes 1 für die erfindungsgemässe Vorrichtung zeigt Figur 5. Dieser Messkopf
1 beinhaltet einen Messkondensator 2, wie er anlässlich von
Figur 1 beschrieben wurde, und zusätzlich einen Referenzkondensator 3. Dabei ist die mittlere Kondensatorplatte 22 beiden Kondensatoren 2, 3 gemeinsam. In diesem Ausführungsbeispiel ist die mittlere, gemeinsame Kondensatorplatte 22 diejenige, welche die Schutzelektroden 24.1, 24.2 beinhaltet. Eine solche Symmetrie der Anordnung ist vorteilhaft, aber nicht zwingend. Der Referenzkondensator 3 dient dazu, von äusseren Einflüssen wie Lufttemperatur oder Luftfeuchtigkeit verursachte Störsignale zu eliminieren. Selbstverständlich kann die mittlere Kondensatorplatte 22 auch gemäss den Ausführungsformen von Figur 3 oder 4, oder auch in einer anderen Weise, ausgebildet sein.
Ein elektrisches Schaltschema einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung mit Messkondensator 2 und Referenzkondensator 3 (vgl. Fig. 5) ist in Figur 6 angegeben. Die Vorrichtung beinhaltet einen Wechselspannungsgenerator 4 zum Anlegen einer Wechselspannung an den Messkondensator 2 und an den Referenzkondensator 3. Die Frequenz der angelegten Wechselspannung beträgt vorzugsweise zwischen 1 MHz und 100 MHz, z. B. 10 MHz. Somit kann gesagt werden, dass ein Parallelschwingkreis mit zwei Kondensatoren 2, 3 vorliegt, der durch das Prüfgut 9 verstimmt werden kann. Den Kondensatoren 2, 3 ist vorzugsweise ein Impedanzwandler 5 nachgeschaltet, mit dessen Eingangsleitung 51 die Messteilelektrode 23 verbunden ist. Eine Ausgangsleitung 59 des Impedanzwandlers 5 verbindet den Impedanzwandler 5 mit einer Detektorschaltung 6. Die Detektorschaltung 6 dient der analogen Detektion des Ausgangssignals der Kondensatoren 2, 3. Im Ausführungsbeispiel von Figur 6 führt sie im Wesentlichen eine Multiplikation des Ausgangssignals des Messkondensators 2 mit dem an den Kondensatoren 2, 3 angelegten Wechselspannungssignal aus. Das so demodulierte Ausgangssignal wird auf einer Ausgangsleitung 69 der Detektorschaltung 6 ausgegeben. Der Impedanzwandler 5 passt die hohe Impedanz des Messkondensators 2 der niedrigen Impedanz der Detektorschaltung 6 an.
Das demodulierte Ausgangssignal wird auf der Ausgangsleitung 69 einer Auswerteschaltung 7 zugeführt. Die Auswerteschaltung 7 ermittelt daraus das eigentliche Resultat der Prüfung und gibt ein Ausgangssignal auf einer Ausgangsleitung 79 der Vorrichtung aus. Das Resultat kann bspw. im Messen von Änderungen der Masse pro Längeneinheit oder im Erkennen von Fremdstoffen im untersuchten Garn 9 bestehen. Mit geeigneten Auswertemethoden ist es sogar möglich, auch den quantitativen Anteil der Fremdstoffe und allenfalls das Material der Fremdstoffe zu bestimmen. Die Auswerteschaltung 7 kann als analoge elektrische Schaltung oder als digitale Schaltung mit einem Prozessor ausgebildet sein. Verfahren und Vorrichtungen zur kapazitiven Erkennung und Quantifizierung von festen Fremdstoffen in textilem Prüfgut 9 sind aus der EP-O '924 '513 Al bekannt und können auch für die vorliegende Erfindung übernommen werden. Die EP-O '924 '513 Al und insbesondere die Absätze [0022] - [0034] daraus werden durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen.
Durch die obige Bezugnahme auf die EP-O '924 '513 Al erübrigt sich hier eine detaillierte Beschreibung der Auswertemethoden. Dazu sei hier nur soviel gesagt, dass mindestens zwei Messmodi möglich sind. In einem ersten Messmodus wird mit zwei verschiedenen Anregungsfrequenzen gemessen. Die beiden gleichartigen Ausgangssignale, z. B. die gemessenen Spannungen, werden zunächst für jede der Anregungsfrequenzen separat detektiert und dann zur Auswertung auf geeignete Weise miteinander kombiniert oder verknüpft. In einem zweiten Messmodus wird bei einer einzigen Anregungsfrequenz gemessen, als Ausgangssignale jedoch Ausgangsspannung und Ausgangsstrom verwendet. Die Phasenverschiebung zwischen dem Spannungs- und dem Stromsignal liefert nach geeigneter Auswertung die gesuchte Information über das Garn 9. Auch eine Kombination der beiden Messmodi, d. h. Messung bei mehreren Frequenzen und Messung der jeweiligen Phasenverschiebungen zwischen Spannungs- und Stromsignal, ist möglich.
In der bevorzugten Ausführungsform von Figur 6 ist der Impedanzwandler 5 als Kollektorschaltung ausgebildet. In der Kollektorschaltung 5 ist die Eingangsleitung 51 mit einer Basis 53 eines Transistors 52, vorzugsweise eines Bipolartransistors, verbunden. An einem Kollektor 54 des Bipolartransistors 52 ist eine konstante Betriebsspannung VCc angelegt. Ein Emitter 55 des Bipolartransistors 52 ist mit der Ausgangsleitung 59 verbunden. Verschiedene Widerstände 56-58 dienen der Einstellung des Arbeitspunktes des Impedanzwandlers 5.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird aktives Guarding angewendet, d. h. an die Schutzelektroden 24.1, 24.2 wird eine Wechselspannung angelegt, und zwar derart, dass sie zumindest wechselspannungsmässig auf annähernd demselben Potenzial liegen wie die Messteilelektrode 23. Dies wird im Ausführungsbeispiel von Fig. 6 erreicht, indem die Ausgangsleitung 59 der Kollektorschaltung 5 mit den Schutzelektroden 24.1, 24.2 elektrisch verbunden ist. Das Ausgangssignal der Kollektorschaltung 5 ist als Eingangssignal für die Schutzelektroden 24.1, 24.2 verwendbar, weil die Kollektorschaltung 5 einen kleinen Ausgangswiderstand aufweist.
Figur 7 zeigt eine Alternative zur Kollektorschaltung 5 von Fig. 6, nämlich eine als Impedanzwandler wirkende Transimpedanzverstärkerschaltung 8 mit einem Operationsverstärker 82. Ein nichtinvertierender Eingang + des Operationsverstärkers 82 ist mittels einer Eingangsleitung 81 mit der Messteilelektrode 23 elektrisch verbunden. Ein invertierender Eingang - des Operationsverstärkers 82 ist einerseits über eine Rückkopplungsleitung 83 mit einer Ausgangsleitung 89, andererseits mit den Schutzelektroden 24.1, 24.2 elektrisch verbunden. Diese Alternative kann jedoch die Nachteile haben, dass der Operationsverstärker vergleichsweise teuer ist und - zumindest in den heute auf dem Markt erhältlichen Ausführungsformen - entweder eine zu niedrige Eingangsimpedanz oder eine zu enge Bandbreite aufweist, so dass er durch hohe Anregungsfrequenzen im MHz-Bereich überfordert sein könnte.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So ist es z. B. denkbar, mehr als zwei Schutzelektroden im Messkondensator 2 vorzusehen. Durch eine Unterteilung der zweiten Kondensatorplatte 22 in mehrere Messteilelektroden und eine entsprechende Vielzahl von Schutzelektroden kann die örtliche Auflösung der Messung erhöht werden. Es können auch mehr als eine Kondensatorplatte mit einer oder mehreren Schutzelektroden ausgestattet sein. Es ist auch nicht nötig, für die Erfindung Messkondensatoren mit ebenen Kondensatorplatten zu verwenden; andere Kondensatorformen kommen ebenso in Frage. Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Mess kopf
2 Messkondensator
21 erste Kondensatorplatte
22 zweite Kondensatorplatte
23 Messteilelektrode
24, 24.1, 24.2 Schutzelektroden 2 255,, 2 255..11,, 25.2 Isolationsmaterial
26 DurchgangsÖffnung
27. 1-27.4 elektrische Leitungen
28 Messbereich
29 elektrisches Wechselfeld
2' Messkondensator gemäss Stand der Technik
21' , 22' Kondensatorplatten gemäss Stand der Technik
28' Messbereich gemäss Stand der Technik
29' elektrisches Wechselfeld gemäss Stand der Technik
3 Referenzkondensator 32 Kondensatorplatte
37 elektrische Leitung
4 Wechselspannungsgenerator
5 Kollektorschaltung
51 Eingangs1eitung 52 Bipolartransistor
53 Basis
54 Kollektor
55 Emitter
56-58 Widerstände 59 Ausgangsleitung der Kollektorschaltung 6 Detektorschaltung
69 Ausgangsleitung der Detektorschaltung
7 Auswerteschaltung 79 Ausgangsleitung der Vorrichtung
8 TransImpedanzVerstärkerSchaltung
81 Eingangsleitung
82 Operationsverstärker 83 Rückkopplungsleitung
89 Ausgangsleitung der
TransimpedanzVerstärkerSchaltung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes (9) , beinhaltend einen Messkondensator (2) mit einer Messteilelektrode (23) und mindestens einer von der Messteilelektrode (23) elektrisch isolierten Schutzelektrode (24.1, 24.2), Mittel (4) zum Anlegen einer Wechselspannung an den Messkondensator (2) zwecks Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes (29) im Messkondensator (2), und eine Durchgangsöffnung (26) für das Prüfgut (9) im Messkondensator (2), welche Durchgangsöffnung (26) vom elektrischen Wechselfeld (29) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen Schutzelektrode (24.1, 24.2) für aktives Guarding eingerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei an die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) eine Wechselspannung derart anlegbar ist, dass die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) zumindest wechselspannungsmässig auf annähernd demselben Potenzial liegt wie die Messteilelektrode (23) .
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dem Messkondensator (2) ein Impedanzwandler (5, 8) nachgeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Impedanzwandler als Kollektorschaltung (5) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kollektorschaltung
(5) einen Bipolartransistor (52) beinhaltet, mit dessen
Basis (53) die Messteilelektrode (23) elektrisch verbunden ist, an dessen Kollektor (54) eine konstante
Betriebsspannung (VCc) anlegbar ist und dessen Emitter (55) einerseits mit der mindestens einen Schutzelektrode
(24.1, 24.2) und andererseits mit einer Ausgangsleitung
(59) der Kollektorschaltung (5) elektrisch verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Impedanzwandler als Transimpedanzverstärkerschaltung (8) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Transimpedanzverstärkerschaltung (8) einen Operationsverstärker (82) beinhaltet, dessen nichtinvertierender Eingang (+) mit der Messteilelektrode (23) elektrisch verbunden ist und dessen Ausgang mit einem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (82) , mit der mindestens einen Schutzelektrode (24.1, 24.2) und mit einer Ausgangsleitung (89) der Transimpedanzverstärkerschaltung (8) elektrisch verbunden ist.
8. Vorrichtung einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) in einem Endbereich der Durchgangsöffnung (26) angebracht ist, in welchem das Prüfgut (9) in die Durchgangsöffnung (26) eintritt und/oder aus dieser austritt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwei Schutzelektroden
(24.1, 24.2) vorhanden sind, nämlich eine erste Schutzelektrode (24.1) in einem Eingangsbereich und eine zweite Schutzelektrode (24.2) in einem Ausgangsbereich der Durchgangsöffnung (26) , und die Messteilelektrode zwischen den zwei Schutzelektroden (24.1, 24.2) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung nebst dem Messkondensator (2) einen Referenzkondensator (3) beinhaltet.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ferner eine Detektorschaltung (6) zur
Detektion eines Ausgangssignals des Messkondensators (2) und eine Auswerteschaltung (7) zur Auswertung des
Ausgangssignals beinhaltet.
12. Verwendung von aktivem Guarding mittels mindestens einer Schutzelektrode (24.1, 24.2) bei der kapazitiven Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes (9).
13. Verfahren zur Untersuchung eines festen, länglichen Prüfgutes (9), wobei das Prüfgut (9) in einem Messkondensator (2) mit einer Messteilelektrode (23) und mindestens einer von der Messteilelektrode (23) elektrisch isolierten Schutzelektrode (24.1, 24.2) einem elektrischen Wechselfeld (29) ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einer der mindestens einen Schutzelektrode (24.1, 24.2) aktives Guarding betrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei an die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) eine Wechselspannung derart angelegt wird, dass die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) zumindest wechselspannungsmässig auf annähernd demselben Potenzial liegt wie die Messteilelektrode (23) .
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei mindestens ein Ausgangssignal des Messkondensators (2) einem Impedanzwandler (5, 8) zugeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei als Impedanzwandler eine Kollektorschaltung (5) mit einem Bipolartransistor (52) gewählt wird, ein Ausgangssignal der Messteilelektrode (23) einer Basis (53) des Bipolartransistors (52) zugeführt wird, an einen Kollektor (54) des Bipolartransistors (52) eine konstante Betriebsspannung (VCc) angelegt wird und einem Emitter (55) des Bipolartransistors (52) ein Ausgangssignal entnommen wird, welches Ausgangssignal einerseits an die mindestens eine Schutzelektrode (24.1, 24.2) und andererseits als Ausgangssignal der Kollektorschaltung
(5) ausgegeben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei als Impedanzwandler eine Transimpedanzverstärkerschaltung (8) mit einem Operationsverstärker (82) gewählt wird, ein Ausgangssignal der mindestens einen Messteilelektrode (23) einem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (82) zugeführt wird und ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers (82) dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers (82) sowie der mindestens einen Schutzelektrode (24.1, 24.2) zugeführt und als Ausgangssignal der Transimpedanzverstärkerschaltung (8) ausgegeben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-17, wobei die Frequenz des Wechselfeldes (29) aus dem Bereich zwischen 1 MHz und 100 MHz, bspw. 10 MHz, gewählt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-18, wobei ein Umgebungsmedium in einem Referenzkondensator (3) einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird und mindestens ein Ausgangssignal des Referenzkondensators (3) zusammen mit dem mindestens einen Ausgangssignal des Messkondensators (2) ausgewertet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-19, wobei ein Wechselfeld (29) mit mindestens einer konstanten Anregungsfrequenz am Messkondensator (2) angelegt wird, für jede der mindestens einen Anregungsfrequenz ein Ausgangssignal separat detektiert wird und die detektierten Signale zur Auswertung miteinander kombiniert werden.
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