EP4111187A1 - Vorrichtung und verfahren zur kapazitiven bestimmung eines anteils eines stoffes in einem material - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur kapazitiven bestimmung eines anteils eines stoffes in einem material

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Publication number
EP4111187A1
EP4111187A1 EP20803096.5A EP20803096A EP4111187A1 EP 4111187 A1 EP4111187 A1 EP 4111187A1 EP 20803096 A EP20803096 A EP 20803096A EP 4111187 A1 EP4111187 A1 EP 4111187A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substance
proportion
frequencies
resonant circuit
measured
Prior art date
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Pending
Application number
EP20803096.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Krämer
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.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti 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 Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4111187A1 publication Critical patent/EP4111187A1/de
Pending 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
    • 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
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for the capacitive determination of a proportion of a substance in a material.
  • the device comprises an oscillating circuit with a coil and a plate capacitor, wherein the oscillating circuit can be excited to oscillate with different frequencies or inductances.
  • the frequency response or resonance frequencies of the oscillating circuit are recorded and evaluated with regard to characteristic features. Using the frequencies that can be assigned to these characteristic features, the proportion of a certain substance in the material to be measured can be determined.
  • the method for capacitive determination of a proportion of a substance in a material is based in particular on the fact that the dielectric properties of the substance are used in the method in order to determine the proportion of the substance in the material to be measured.
  • substance concentrations or proportions of a substance in a material to be examined can be determined using optical methods.
  • optical methods which are known from the prior art, in particular the optical properties of the substance, the proportion of which is to be determined, are used for the partial determination.
  • Many optical methods are based on the fact that the substance, the proportion of which is to be determined, is dissolved in a liquid and the resulting solution is illuminated. The optical response of the lighting is recorded and plotted in the form of spectra. The concentration of the substance can then be deduced from the spectra of the absorbed and / or reflected radiation.
  • optical measuring method is described, for example, in DE 41 22 925 A1.
  • the invention described there relates to an optical spectrometer with an illumination device coupled to at least one optical waveguide for illuminating a substance to be examined spectroscopically contained in a measuring sample room, the spectrometer comprising a monochromator device and a detector arrangement.
  • the disadvantage of optical methods, as described in DE 41 22 925 A1 is that for the concentration determination of optical components must be used.
  • the use of optical components often leads to high costs and a considerable sensitivity of the measurement setup obtained, so that the measurement setup cannot be used outside a protected laboratory atmosphere.
  • the use of optical methods and devices based on such optical methods is very limited, if not impossible, in reality and especially in places with high vibration, noise and / or pollution potential, such as on a construction site.
  • optical methods are associated with the disadvantage that a liquid is always required in order to dissolve the substance to be measured.
  • a - preferably clean - solution liquid may not always be available.
  • the liquid is particularly necessary to examine the transitions or changes in the refractive indices between the optical measuring system and the sample. Due to the requirement of a solution liquid, it is not possible, for example, to determine the proportions of substances in non-liquid-soluble substances or in air using optical methods.
  • the object on which the present invention is based is thus to overcome the disadvantages and deficiencies of the prior art described above and to provide a device and a method for capacitive determination of a proportion of a substance in a materi al.
  • Experts would welcome it if the improved method and the improved device could also be used to determine substance proportions in non-water-soluble materials and if measurements were also possible in air.
  • the device to be provided should also be used in rough places, such as construction sites or the like, where shocks and heavy soiling are generally to be expected.
  • a robust, stable and insensitive device is to be provided to whoever. Another concern is that the method to be provided is inexpensive and user-friendly.
  • a device for the capacitive determination of a proportion of a substance in a material comprising an oscillating circuit with a coil and a plate capacitor.
  • the device is characterized in that the plate tenkondensator can be filled with the material as a dielectric, a frequency response of the dielectric being recorded and evaluated in order to determine the proportion of the substance in the material.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for the capacitive determination of a proportion of a substance in a material.
  • the method is characterized by the following method steps: a) Provision of a proposed device, b) Filling a plate capacitor of the device with the material, the proportion of a substance in the material to be determined, c) Setting different frequencies or inductances in a resonant circuit of the Device, d) Detection of a frequency response or resonance frequencies of the material, e) Evaluation of the frequency response or the resonance frequencies by searching for characteristic features, f) Determination of the proportion of the substance using characteristic frequencies fc that can be assigned to the characteristic features.
  • quartz content in a dust to be measured is important information because quartz is associated with diseases such as silicosis or lung cancer. Since efforts are increasing in many countries to protect workers in mining or on construction sites better than before from high dust pollution and the associated negative health consequences, there is great interest in practicable, realistic and cost-effective technical solutions for the investigation of dust. Experts would particularly welcome it if a possibility could be created to be able to quickly and reliably determine a quartz content in a dust to be measured in order to be able to take suitable protective measures for the workers concerned.
  • the proposed device can be used as a “dust dosimeter” that can be carried by the workers on a construction site and that determines the amount of quartz to which the construction worker is exposed during the course of the day. Analogously to a steel dosimeter, the proposed device can record and save the recorded data or transmit them to another device for further processing. In the sense of the invention, it can also be preferred that the proposed device emits optical and / or acoustic warning signals that indicate to the worker, for example, that a maximum Daily exposure to quartz has been reached or will be reached in the near future.
  • the device is arranged on a vacuum cleaner or an air cleaner, so that the quartz content in the dust can be determined in the vicinity of the vacuum cleaner or the air cleaner.
  • the device is used in the vicinity or on a dust-generating device, such as a machine tool, in order to examine its composition directly at the point of origin of the dust and, in particular, to determine the quartz content.
  • the invention provides an inexpensive and insensitive technical solution for determining a substance content in a material to be measured, preferably dust here. This is achieved in particular in that the method and the use of the device for determining a substance proportion are capacitive and that the dielectric properties of the substance, the proportion of which is to be determined, are used to determine the proportion of the substance in the dust to determine. In the context of the invention, it is particularly preferred that the determination of the proportion of the substance in the dust takes place capacitively.
  • the dielectricity or the dielectric constant of the material to be measured is measured at different frequencies in order to determine the quartz content in a dust sample.
  • a frequency spectrum in particular is measured in order to obtain and evaluate a dielectric response from the dust sample.
  • the electromagnetic resonant circuit of the device is acted upon with a short pulse or a falling edge.
  • the capacitor For the purposes of the invention, it is preferred to charge the capacitor with a short pulse of known energy or voltage. After the capacitor has been charged, the energy or voltage is abruptly removed, this being possible, for example, by means of a short circuit across the coil of the electromagnetic resonant circuit.
  • the excitation of the resonant circuit can be carried out analogously.
  • the harmonic components of the excitation are selected or set at such a high frequency that they are set up to excite the quartz resonance.
  • the resonant circuit begins to oscillate at its resonant frequency.
  • the resonance frequency can preferably be detected with the control unit of the device.
  • the frequency can also be adjusted with the help of diodes, capacitance diodes and / or potentiometers until the frequencies relevant for quartz are reached.
  • the dielectricity or the dielectric constant of the material to be measured can be determined from the values set for the inductance L.
  • the quartz content in dust correlates with a change in the dielectricity or the dielectric constant of the dust in the range of the resonance frequency. In other words, the relation applies that “the greater the change in the dielectricity or the dielectric constant at the resonance frequency, the more quartz is contained in the dust”.
  • Another advantage that is achieved with the invention is that materials that are not soluble in water or liquid can also be measured.
  • the proposed method and the proposed device enable the determination of a substance content in air.
  • the advantages achieved with the invention are therefore in particular that capacitive measurements can be carried out with mechanically insensitive components and that no liquid solution medium is required for carrying out the measurements.
  • a device which comprises an oscillating circuit with a coil and a plate capacitor. It is preferred within the meaning of the invention that the device is set up to carry out the proposed method.
  • the coil can preferably be a wire coil, the properties of which are preferably described by the inductance L. It is preferred within the meaning of the invention that the coil to be used and its properties are selected depending on the substance to be detected or the material to be measured, as well as depending on the properties of the plate capacitor with which the coil is Forms resonant circuit of the proposed device. For example, a value of around 100 pH can be selected as the starting point for operating the resonant circuit. The person skilled in the art knows that this value can vary by several orders of magnitude, in particular with the size of the device.
  • the plate capacitor comprises two plates, between which a voltage can be applied.
  • Two alternative approaches can be used to carry out the proposed method.
  • the resonant circuit of the device can be equipped with a sinusoidal excitation signal. nal (“sine sweep”), a constant voltage amplitude preferably being used.
  • the voltage drop across the capacitor is recorded as if the electromagnetic resonant circuit were a voltage divider.
  • the voltage is recorded as a measured variable over a predetermined frequency, which can result in a voltage-frequency diagram. 2 shows such a diagram as an example.
  • This first method can be described with the following method steps: a) providing a proposed device, b) filling a plate capacitor of the device with the material, the proportion of a substance in the material being determined, c) setting different frequencies in an oscillating circuit of the device d) Detection of a frequency response of the material, e) Evaluation of the frequency response by searching for characteristic features, f) Determination of the proportion of the substance using characteristic frequencies fc that can be assigned to the characteristic features.
  • an electromagnetic resonant circuit in which inductances L of different sizes can be set or “ground in”.
  • the different inductances L represent the predetermined size in this second method.
  • the electromagnetic resonant circuit is then excited to oscillate, the resonance frequency being detected as a measured variable and / or plotted against the inductance. Frequency-inductance diagrams can thereby be obtained.
  • the electromagnetic resonant circuit is designed such that, when a first inductance is set, it vibrates at a first resonance frequency of quartz. This design is achieved in particular by setting a certain measuring inductance as a given size.
  • the measurement can then be repeated for different inductances that can be ground in the resonant circuit, the resonant circuit preferably oscillating in a second or further resonance of quartz during this second or every further measurement.
  • This second method can be described with the following method steps: a) providing a proposed device, b) filling a plate capacitor of the device with the material, in which Material the proportion of a substance is to be determined, c) setting different inductances in a resonant circuit of the device, d) recording the resonance frequencies of the material, e) evaluating the resonance frequencies by searching for characteristic features, f) determining the proportion of the substance using of characteristic frequencies fc which can be assigned to the characteristic features.
  • a voltage amplitude is regarded as “sufficiently large” in the context of the invention if it is set up to stimulate a resonance in the resonant circuit.
  • the plates of the plate capacitor are preferably aligned essentially parallel to one another. It is preferred in the context of the invention that the plate capacitor comprises connections for a voltage source and / or for a control unit.
  • the parameters of the plate capacitor or its plates can preferably be selected as a function of the substance to be detected or as a function of the material to be measured. These parameters are, for example, the size of the plates of the plate capacitor or their to each other.
  • the geometric parameters of the plate capacitor define a volume into which the dust to be measured can be filled as a dielectric.
  • the material in which the measurement takes place and which is introduced into the measurement volume between the plates of the plate capacitor is preferably referred to as the “material to be measured”.
  • the material to be measured is dust. This dust can occur, for example, on a construction site, especially when a substrate such as a wall, a wall, concrete, limestone or the like is processed with a machine tool such as a core drill, a saw, an angle or cut-off grinder or a hammer drill without being limited to these applications.
  • quartz can be contained in concrete or masonry, so that dust containing quartz can arise when processing such substrates.
  • the inventor has recognized that the density of concrete and quartz is approximately similar or comparable, so that this fact can be used for the capacitive determination of the quartz content in a dust sample.
  • the substance, the proportion of which is to be determined in the material to be measured is referred to as “substance, the proportion of which is to be determined”.
  • the substance whose part is to be determined is quartz. Quartz has the chemical composition SiO2 and is in particular in a crystalline lattice structure. Due to its structure, quartz can be polarized, whereby the polarization of a substance enables an unambiguous identification of a substance if its dielectric constant is measured and evaluated at characteristic frequencies.
  • the inventor has recognized that the dielectric properties of substances, in particular quartz, can be used to determine the proportion of the substance in a material to be measured, such as dust.
  • the dust as the material to be measured is introduced as a dielectric between the plates of the plate capacitor.
  • the properties of the plate capacitor can preferably be described with the capacitance C of the electromagnetic resonant circuit, which is part of the proposed device.
  • the device comprises a voltage source which is set up to excite the resonant circuit to oscillate.
  • the oscillations of the resonant circuit can be implemented by a voltage source, the voltage to be provided by the voltage source preferably being applied to the inductance L of the coil, the capacitance C of the capacitor, as well as the material properties of the material to be measured, as well as the material, its proportion is to be coordinated.
  • the voltage to be provided with the voltage source is selected as a function of the variables just mentioned.
  • the material properties of the material to be measured, as well as the material whose proportion is to be determined, can be, for example, their density, dielectric constant or the like. In the context of the invention, it is particularly preferred that the determination of the proportion of the substance in the dust takes place capacitively.
  • the frequencies with which the dielectric or the plate capacitor is applied ie measured, in a range from 0 to 1000 kHz, preferably in a range from 10 to 800 kHz and most preferably in range from 100 to 500 kHz. These frequency ranges are particularly advantageous and suitable for determining a proportion of quartz in the dust, since characteristic features in the frequency response for quartz in a certain test setup are, for example, around 150 and 250 kHz.
  • the specified values can depend on the size, the geometry and / or the water content of the material to be measured, which is why it is preferred in the context of the invention that calibration measurements are carried out with the measurement setup to be used, for example to determine the position of the to determine characteristic frequencies.
  • the frequencies are resonance frequencies of the oscillating circuit that are passed through by a different action on the oscillating circuit or its components.
  • the resonance frequencies of the electromagnetic oscillating circuit can be detected or measured by a control unit, which is explained further below, wherein the control unit can be part of the proposed device.
  • the control unit can preferably be designed as a microcontroller.
  • a quality of the electromagnetic resonant circuit is measured by the control unit. For this purpose, a voltage drop across the coil and the capacitor as well as a phase angle are measured and evaluated by the microcontroller.
  • the quality of the electromagnetic resonant circuit can be used as a correction variable in order to exclude measurement errors that can occur when the resonance frequencies of different substances whose proportions are to be determined in a material are very similar or in a similar range.
  • the quality of the electromagnetic resonant circuit can preferably be used to distinguish the resonances or frequencies of the first and second substances from one another.
  • the electromagnetic resonant circuit of the proposed device is excited to oscillate at different frequencies, with a frequency response of the dielectric, ie of the dust to be measured, being subsequently recorded and evaluated in order to determine the proportion of the substance, its proportion should be determined to determine in the dust.
  • these steps are preferably also referred to as “setting different frequencies in an oscillating circuit of the device” and as “recording a frequency response of the dust”.
  • the device comprises a control unit which is set up to detect the frequency response of the dielectric.
  • the control unit of the device is preferably designed as a microcontroller.
  • the control unit is preferably a preferably freely programmable processor which can have integrated peripheral functions.
  • the control unit is set up in particular to control the sensors and / or detection devices of the proposed device. It can also be set up to store and / or evaluate the measured values acquired with the sensors and / or acquisition devices.
  • the frequency response of the dust to be measured is recorded and evaluated with the microcontroller.
  • the voltage between the plates of the plate capacitor is measured and plotted against the different frequencies, as a result of which a frequency-voltage diagram is obtained (see FIG. 2).
  • control unit is also set up to apply different frequencies to the dielectric. This can be achieved, for example, in that the control unit is able to switch a voltage on or off.
  • the electromagnetic resonant circuit is excited by a voltage source. Most preferred in the context of the invention is the use of a voltage source controlled by the control unit in order to excite the electromagnetic resonant circuit or to apply different frequencies to the dielectric.
  • the microcontroller can also be used to hit the electromagnetic resonant circuit of the proposed device with different frequencies, the reaction of the dielectric to the passing through of the different frequencies in the context of the present invention being detected and evaluated in order to determine the proportion of a To determine the substance in dust.
  • the response of the material to be measured is recorded in the form of a voltage.
  • the frequency response of the dielectric, ie of the material to be measured can be plotted in a frequency-voltage diagram.
  • the frequencies with which the oscillating circuit is acted upon or with which the oscillating circuit is excited are shown on the x-axis of the slide. while the frequency response of the dust is plotted on the y-axis of the diagram.
  • the frequency response of the material to be measured can then be evaluated by searching for characteristic features in the plot.
  • the frequency-voltage diagram can be examined for characteristic features of the curve.
  • a frequency-inductance diagram can preferably be evaluated.
  • characteristic peaks can be searched for in the frequency-voltage diagram, the peaks being defined in particular by characteristic frequencies fc for a specific material.
  • this preferably means that different substances in the material to be measured can be recognized by the location of characteristic features in the frequency-voltage diagram.
  • Such peaks for quartz are, for example, at frequencies of approx. 150 and 250 kHz.
  • the presence of quartz in a dust sample to be measured can be inferred if peaks or abnormalities at frequencies of approx. 150 and 250 kHZ occur.
  • the characteristic frequencies fc in the case of crystalline materials often result from the lattice structure of the material. In a preferred exemplary embodiment of the invention, this leads to the desired determination of a proportion of quartz in a dust sample to the characteristic frequencies fc1 «150 kHz and fc2» 250 kHz.
  • the device comprises a relay, an analog switch and / or a gyrator circuit for setting different frequencies in the resonant circuit.
  • the inductance of the coil of the resonant circuit can preferably be changed, a change in the inductance of the coil advantageously leading to a change in the frequencies of the resonant circuit.
  • the different inductivities can be set, for example, by electrically looping in the coil of the resonant circuit.
  • it is preferred that smaller changes in the frequencies are achieved by setting capacitances of different sizes, the capacitance describing, for example, properties of capacitance diodes that can be connected in series or in parallel with the plate capacitor of the resonant circuit.
  • the device comprises capacitance diodes for setting different frequencies in the resonant circuit, the capacitance diodes being connectable in series or in parallel with the plate capacitor of the resonant circuit. It is therefore preferred in the context of the invention that the capacitance of the capacitance diodes can be used to set different frequencies in the resonant circuit. Depending on the sign of the frequency change sought within the resonant circuit, the capacitance diodes can be connected in series or in parallel with the plate capacitor of the resonant circuit. It is preferred in the context of the invention that the capacitance diodes represent electrically controlled capacitances, their control preferably taking place by means of the control unit.
  • variable inductances of the coil and capacitances of the diodes are set by the control unit. This process is preferably also referred to as grinding in.
  • the (resonance) frequency of the electromagnetic oscillating circuit of the proposed device changes and the material to be measured is subjected to different frequencies.
  • the desired proportion of material can be determined using the electrical parameters of the electromagnetic resonant circuit.
  • the dielectric constant or the dielectric constant of the material to be measured is proportional to a good approximation to a quartz content in the material or dust volume of the capacitor. If, for example, a dielectric constant of 1 is measured when measuring with quartz-free dust and when measuring with a material with a high quartz content, the quartz content of which is approximately 100%, a dielectric constant of 5 can be measured when measuring dust with an unknown quartz content With a measured dielectric constant of 3, it can be concluded that the quartz content in this dust sample is in a range of approx. 50%. This assignment is also based on the knowledge that quartz and concrete have similar densities.
  • This determined quartz fraction can advantageously be related to the air volume from which the dust sample was extracted or filtered out in order to determine the quartz content of the breathing air, for example of a worker on a construction site.
  • changes in the frequencies are brought about by setting different inductances, the inductance describing properties of a coil of the resonant circuit of the device.
  • a relay for example, can be used to set different inductivities.
  • changes in the frequencies are brought about by setting different capacities, the capacitance describing properties of capacitance diodes that can be connected in series or in parallel with the plate capacitor of the resonant circuit.
  • the invention relates to a sensor device for determining a proportion of a substance in dust, the sensor device having a plate capacitor which can be filled with dust as a dielectric, a frequency response of the dielectric or a shift in a frequency spectrum being measured and evaluated is used to determine the proportion of the substance in the dust.
  • the substance whose proportion in the dust is to be determined is quartz. There is great interest in information about the proportion of quartz in dust samples, since the quartz has properties that are hazardous to health.
  • the capacitor is not necessarily filled with the material to be measured, but that the capacitor measures into the material to be measured from one side.
  • the material to be measured can be present in spatial proximity to the plate capacitor, wherein the material to be measured can cause a change in measured variables that can be recorded with the capacitor. With this capacitive measurement method, these changes can be detected and evaluated.
  • an electromagnetic resonant circuit with variable frequency is used for the measurement, the resonance frequency, quality and voltage drop of the electromagnetic resonant circuit being measured via the coil and the capacitor.
  • the resonance frequency of the electromagnetic oscillating circuit can be adjusted using different inductances and capacitances.
  • a plate capacitor is used to carry out the proposed method for determining a substance content by introducing the material to be measured, here a dust sample, between the plates of the plate capacitor.
  • a second electromagnetic resonant circuit can be used, the waveform of which can be superimposed with the waveform of the plate capacitor previously used to improve the measurement.
  • the device comprises a second resonant circuit, the measured values of which can be superimposed with the measured values of the first resonant circuit in order to further improve the accuracy and reliability of the determination method and the device.
  • a second electromagnetic resonant circuit takes into account the knowledge that an “ideal” frequency of the resonant circuit can deviate from frequencies that actually occur. This can be due to air humidity or thermal expansion of the plate capacitor, for example, without this list being exhaustive. It is therefore possible to use a second electromagnetic resonant circuit into which no dust is filled.
  • the voltage values of the two oscillating circuits add up to a maximum of twice the value of the voltage of one of the two oscillating circuits or the voltages cancel each other out so that a total voltage of 0 V is obtained.
  • the first electromagnetic oscillating circuit is filled with the material to be measured, its oscillation frequency preferably changes.
  • the frequency of the beat of the two resonant circuits is advantageously proportional to the quartz content of the material that was filled into the plate capacitor of the first resonant circuit. It is an essential advantage of this embodiment of the invention that any influences of air humidity or temperature remain outside the evaluation of the interference values or the beat of the two oscillating circuits and do not falsify the thus determined quartz content.
  • Fig. 2 Plot of the detected voltage versus different frequencies that can be set in the resonant circuit to determine the desired proportion of substance NEN.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the device 1.
  • the device 1 comprises an electromagnetic resonant circuit 2, which in turn comprises a coil L and a capacitor C.
  • the capacitor C is designed as a plate capacitor. It preferably has two plates between which there is an electric field.
  • a material such as dust can be filled into the volume that is formed between the plates of the plate capacitor. It is preferred within the meaning of the invention that this material is to be examined for its constituent substances, as well as their proportions in the material.
  • the resonant circuit 2 can be acted upon with different frequencies.
  • the corresponding vibrations are excited by a voltage source 3.
  • the voltage source 3 can preferably be designed as a frequency generator or sine wave generator. In the context of the invention, it can also be preferred that the control unit 4 and the voltage source 3 form a unit.
  • the device 1 can comprise a control unit 4, which is preferably designed as a microcontroller. It is preferred in the context of the invention that the control unit 4 is set up to detect the frequencies in the resonant circuit 2 and its quality. Furthermore, the control unit 4 can be set up to electrically adjust or “loop in” the capacitances and inductances of the resonant circuit 2. It is preferred in the context of the invention that the control unit 4 comprises a device for voltage measurement, which can be designed, for example, as an oscilloscope with an integrated option for performing a fast Fourier transformation. It is particularly preferred in the context of the invention that the control unit 4 is provided in particular to carry out frequency measurements.
  • the oscilloscope is preferably set up to detect an amplitude of the frequency falling across the capacitor C.
  • the amplitude of the frequency falling across the capacitor C represents the measured variable in the proposed method.
  • This preferably means the excitation of the electromagnetic resonant circuit 2 with a preferably sinusoidal excitation signal which can be generated by a frequency generator.
  • the peak values of the voltage of the empty capacitor C are then compared with the peak values of the capacitor C filled with dust containing quartz.
  • the resonance frequencies can be determined by the position of the peaks in the frequency-inductance diagrams or the voltage-frequency diagrams.
  • Fig. 2 shows a plot of the detected voltage versus different frequencies that can be set in the resonant circuit 2 to determine the desired proportion of substance.
  • the upper part a) of FIG. 2 shows a voltage-frequency diagram for a quartz-free dust
  • the lower part b) of FIG. 2 shows a voltage-frequency diagram for a quartz-containing dust.
  • the material to be measured in the upper part a) of FIG. 2 is quartz-free dust
  • the material to be measured in the lower part b) of FIG. 2 is quartz-containing dust.
  • the frequency or the resonance frequency f of the resonant circuit is plotted in the unit kilohertz (kHz), while the voltage detected by the control unit 4 is plotted on the y-axis of the voltage-frequency diagram U is written in units of volts (V).
  • the diagram shown in FIG. 2 allows the frequency response to be evaluated by searching for characteristic features, as proposed according to the first evaluation method using voltage-frequency diagrams.
  • the proportion of the substance is determined in particular using characteristic frequencies fc that can be assigned to the characteristic features.
  • the lower part b) of FIG. 2 clearly shows the characteristic frequencies fc1 and fc2, which are at frequencies of approximately 150 kHz and 250 kHz.
  • the position of these characteristic frequencies fc1 and fc2 suggests that quartz is present in the examined dust, which is present in the plate capacitor C of the device 1.
  • quartz is the substance whose proportion in the material to be measured, here dust, is to be determined.

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Abstract

Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material. Die Vorrichtung umfasst einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Plattenkondensator, wobei der Schwingkreis zu Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen oder Induktivitäten angeregt werden kann. Es ist vorgesehen, die Frequenzantwort oder Resonanzfrequenzen des Schwingkreises zu erfassen und im Hinblick auf charakteristische Merkmale auszuwerten. Anhand der Frequenzen, die diesen charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können, kann der Anteil eines bestimmten Stoffes in dem zu vermessenden Material bestimmt werden. Das Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material beruht insbesondere darauf, dass bei dem Verfahren die dielektrischen Eigenschaften des Stoffes ausgenutzt werden, um den Anteil des Stoffes in dem zu vermessenden Material zu bestimmen. Bevorzugt wird ein Anteils von Quarz in einer Staubprobe bestimmt. Der Quarz-Anteil in einem zu vermessenden Staub stellt eine wichtige Information dar, weil Quarz mit Krankheiten, wie Silikose oder Lungenkrebs, in Verbindung gebracht wird.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR KAPAZITIVEN BESTIMMUNG EINES ANTEILS EINES STOFFES IN EINEM MATERIAL
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kapazitiven Bestim mung eines Anteils eines Stoffes in einem Material. Die Vorrichtung umfasst einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Plattenkondensator, wobei der Schwingkreis zu Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen oder Induktivitäten angeregt werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Frequenzantwort oder Resonanzfrequenzen des Schwingkreises zu erfassen und im Hinblick auf charakteristische Merkmale auszuwerten. Anhand der Frequenzen, die die sen charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können, kann der Anteil eines bestimm ten Stoffes in dem zu vermessenden Material bestimmt werden. Das Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material beruht insbesondere darauf, dass bei dem Verfahren die dielektrischen Eigenschaften des Stoffes ausgenutzt werden, um den Anteil des Stoffes in dem zu vermessenden Material zu bestimmen.
Hintergrund der Erfindung:
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass Stoffkonzentrationen oder Anteile eines Stoffes in einem zu untersuchenden Material mit optischen Verfahren bestimmt werden können. Bei die sen konventionellen Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden insbeson dere die optischen Eigenschaften des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, für die An teilsbestimmung ausgenutzt. Viele optische Verfahren beruhen darauf, dass der Stoff, dessen Anteil bestimmt werden soll, in einer Flüssigkeit gelöst und die erhaltene Lösung beleuchtet wird. Die optische Antwort der Beleuchtung wird erfasst und in Form von Spektren aufgetragen. Aus den Spektren der absorbierten und/oder reflektierten Strahlung kann anschließend auf die Konzentration des Stoffes geschlossen werden.
Ein solches, optisches Messverfahren wird beispielsweise in DE 41 22 925 A1 beschrieben. Die dort beschriebene Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit einer an wenigstens einen Lichtwellenleiter angekoppelten Beleuchtungseinrichtung zur Anstrahlung eines in einem Meß probenraum enthaltenen spektroskopisch zu untersuchenden Stoffes, wobei das Spektrometer eine Monochromatoreinrichtung und eine Detektoranordnung umfasst. Nachteilig an optischen Verfahren, wie sie in die DE 41 22 925 A1 beschrieben werden, ist, dass für die Konzentrations- bestimmung optische Komponenten genutzt werden müssen. Die Verwendung von optischen Komponenten führt allerdings häufig zu hohen Kosten und einer erheblichen Empfindlichkeit des erhaltenen Messaufbaus, so dass der Messaufbau außerhalb einer geschützten Laboratmos phäre nicht eingesetzt werden kann. Insofern ist der Einsatz optischer Verfahren und Vorrich tungen, die auf solchen optischen Verfahren beruhen, in der Realität und insbesondere an Orten mit hohem Erschütterungs-, Lärm- und/oder Verschmutzungspotential, wie beispielsweise auf einer Baustelle, stark eingeschränkt, wenn nicht gar unmöglich.
Ferner sind optische Verfahren mit dem Nachteil verbunden, dass stets eine Flüssigkeit erfor derlich, ist, um den zu vermessenden Stoff aufzulösen. Solch eine - vorzugsweise saubere - Lösungsflüssigkeit ist aber unter Umständen nicht immer verfügbar. Die Flüssigkeit ist insbe sondere erforderlich, um die Übergänge bzw. Veränderung der Brechungsindices zwischen dem optischen Messsystem und der Probe zu untersuchen. Aufgrund des Erfordernisses einer Lö sungsflüssigkeit ist es beispielsweise nicht möglich, mit optischen Verfahren eine Bestimmung von Stoffanteilen in nicht-flüssigkeitslöslichen Stoffen oder in Luft vorzunehmen.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht somit darin, die vorstehend beschriebenen Nachteile und Mängel des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrich tung und ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Materi al bereitzustellen. Die Fachwelt würde es begrüßen, wenn mit dem verbesserten Verfahren und der verbesserten Vorrichtung Stoffanteile auch in nicht-wasserlöslichen Materialien bestimmt werden könnten und wenn Messungen auch an der Luft möglich wären. Ferner soll die bereitzu stellende Vorrichtung auch an rauhen Orten, wie Baustellen oder dergleichen, verwendet wer den können, an denen generell mit Erschütterungen und starken Verschmutzungen zu rechnen ist. Insbesondere soll eine robuste, stabile und unempfindliche Vorrichtung bereitgestellt wer den. Ein weiteres Anliegen besteht darin, dass das bereitzustellende Verfahren kostengünstig und nutzerfreundlich auszuführen ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Aus führungsformen zu dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.
Beschreibung der Erfindung:
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material vorgesehen, wobei die Vorrichtung einen Schwingkreis mit einer Spule und ei nem Plattenkondensator umfasst. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Plat- tenkondensator mit dem Material als Dielektrikum befüllbar ist, wobei eine Frequenzantwort des Dielektrikums erfasst und ausgewertet wird, um den Anteil des Stoffes im Material zu bestim men.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material. Das Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte ge kennzeichnet: a) Bereitstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung, b) Befüllung eines Plattenkondensators der Vorrichtung mit dem Material, wobei in dem Material der Anteil eines Stoffes bestimmt werden soll, c) Einstellung unterschiedlicher Frequenzen oder Induktivitäten in einem Schwingkreis der Vorrichtung, d) Erfassung einer Frequenzantwort oder von Resonanzfrequenzen des Materials, e) Auswertung der Frequenzantwort oder der Resonanzfrequenzen durch eine Suche nach charakteristischen Merkmalen, f) Ermittlung des Anteils des Stoffes unter Verwendung von charakteristischen Frequenzen fc, die den charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können.
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in der Bestimmung eines Anteils von Quarz in einer Staubprobe. Der Quarz-Anteil in einem zu vermessenden Staub stellt eine wichtige Infor mation dar, weil Quarz mit Krankheiten, wie Silikose oder Lungenkrebs, in Verbindung gebracht wird. Da in vielen Ländern die Bestrebungen zunehmen, Arbeiter im Bergbau oder auf Baustel len besser als zuvor vor hohen Staubbelastungen und den damit verbundenen negativen Ge sundheitsfolgen zu schützen, besteht ein hohes Interesse an praktikablen, realitätstauglichen und kostengünstigen technischen Lösungen zur Untersuchung von Staub. Dabei würde es die Fachwelt insbesondere begrüßen, wenn eine Möglichkeit geschaffen werden könnte, einen Quarz-Anteil in einem zu vermessenden Staub schnell und zuverlässig bestimmen zu können, um geeignete Schutzmaßnahmen für die betroffenen Arbeiter ergreifen zu können.
Denkbar ist daher die Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung als „Staub-Dosimeter“, das von den Arbeitern auf einer Baustelle mitgeführt werden kann und welches im Laufe des Tages die Menge an Quarz bestimmt, der der Bauarbeiter ausgesetzt ist. Analog zu einem Stahlen- Dosimeter kann die vorgeschlagene Vorrichtung die erfassten Daten aufzeichnen und speichern oder sie an ein anderes Gerät zur weiteren Verarbeitung übertragen. Es kann im Sinne der Er findung auch bevorzugt sein, dass die vorgeschlagene Vorrichtung optische und/oder akusti sche Warnsignale abgibt, die den Arbeiter beispielsweise darauf hinweisen, dass eine maximale Tages-Expositionsmenge an Quarz erreicht ist oder demnächst erreicht wird. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Vorrichtung an einem Staubsauger oder einem Luftreiniger angeordnet vorliegt, so dass der Quarzanteil in dem Staub in einer Umgebung des Staubsaugers oder des Luftreinigers ermittelt werden kann. Ferner kann es im Sinne der Erfin dung bevorzugt sein, dass die Vorrichtung in der Umgebung oder an einem stauberzeugenden Gerät, wie einer Werkzeugmaschine, verwendet wird, um direkt am Entstehungsort des Staubs dessen Zusammensetzung zu untersuchen und insbesondere den Quarzanteil zu bestimmen.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht da rin, dass dabei auf teure und empfindliche optische Elemente und Messaufbauten verzichtet werden kann. Dadurch wird mit der Erfindung eine kostengünstige und unempfindliche techni sche Lösung zur Bestimmung eines Stoffanteils in einem zu vermessenden Material, hier vor zugsweise Staub, bereitgestellt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass bei dem Verfah ren und bei der Verwendung der Vorrichtung zur Bestimmung eines Stoffanteils kapazitiv vorge gangen wird und dass die dielektrischen Eigenschaften des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, ausgenutzt werden, um den Anteil des Stoffes in dem Staub zu bestimmen. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Bestimmung des Anteils des Stoffes in dem Staub kapazitiv erfolgt.
Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass im Kontext des vorgeschlagenen Ver fahrens die Dielektrizität bzw. die Dielektrizitätskonstante des zu vermessenden Materials bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen wird, um den Quarzgehalt in einer Staubprobe zu be stimmen. Hierzu wird insbesondere ein Frequenzspektrum durchgemessen, um eine dielektri sche Antwort der Staubprobe zu erhalten und auswerten zu können. Es ist im Sinne der Erfin dung bevorzugt, dass zu Beginn des Verfahrens der elektromagnetische Schwingkreis der Vor richtung mit einem kurzen Puls bzw. einer fallenden Flanke beaufschlagt wird.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, den Kondensator mit einem kurzen Impuls bekannter Energie oder Spannung aufzuladen. Nach der Aufladung des Kondensators wird die Energie oder Spannung abrupt entfernt, wobei dies beispielsweise mittels einem Kurzschluss über die Spule des elektromagnetischen Schwingkreises erfolgen kann. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Anregung des Schwingkreises analog durchgeführt werden kann. Vorzugs weise werden bei der Aufladung des Plattenkondensators bzw. bei der Anregung des Schwing kreises die Oberwellenanteile der Anregung so hochfrequent ausgewählt bzw. eingestellt, dass sie dazu eingerichtet sind, um die Quarzresonanz anzuregen. Der Schwingkreis beginnt als Reaktion darauf, mit seiner Resonanzfrequenz zu schwingen. Vor zugsweise kann die Resonanzfrequenz mit der Steuereinheit der Vorrichtung erfasst werden.
Die Frequenz kann ferner mit Hilfe von Dioden, Kapazitätsdioden und/oder Potentiometern an gepasst werden, bis die für Quarz relevanten Frequenzen erreicht sind. Aus den eingestellten Werten für die Induktivität L kann die Dielektrizität bzw. die Dielektrizitätskonstante des zu ver messenden Materials bestimmt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei spielsweise der Quarzanteil in Staub mit einer Änderung der Dielektrizität bzw. der Dielektrizi tätskonstante des Staubs im Bereich der Resonanzfrequenz korreliert. Mit anderen Worten gilt die Relation, dass „je stärker eine Änderung der Dielektrizität bzw. der Dielektrizitätskonstante bei der Resonanzfrequenz, desto mehr Quarz ist im Staub enthalten“.
Ein weiterer Vorteil, der mit der Erfindung erreicht wird, besteht darin, dass auch solche Materia lien vermessen werden können, die nicht wasser- oder flüssigkeitslöslich sind. Insbesondere ermöglichen das vorgeschlagenen Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung die Bestim mung eines Stoffanteils in Luft. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen somit insbe sondere darin, dass kapazitive Messungen mit mechanisch unempfindlichen Komponenten durchgeführt werden können und dass kein flüssiges Lösungsmedium für die Durchführung der Messungen erforderlich ist.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die einen Schwing kreis mit einer Spule und einem Plattenkondensator umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung be vorzugt, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das vorgeschlagene Verfahren auszuführen. Bei der Spule kann es sich vorzugsweise um eine Drahtspule handeln, deren Eigenschaften vorzugsweise mit der Induktivität L beschrieben werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevor zugt, dass die zu verwendende Spule und ihre Eigenschaften in Abhängigkeit des zu detektie- renden Stoffes bzw. des zu vermessenden Materials, sowie in Abhängigkeit von den Eigen schaften des Plattenkondensators ausgewählt werden, mit dem zusammen die Spule den Schwingkreis der vorgeschlagenen Vorrichtung bildet. Beispielsweise kann ein Wert von etwa 100 pH als Ausgangspunkt für den Betrieb des Schwingkreises gewählt werden. Der Fachmann weiß, dass dieser Wert insbesondere mit der Größe der Vorrichtung um mehrere Größenord nungen variieren kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Plattenkondensator zwei Platten umfasst, zwischen denen eine Spannung angelegt werden kann. Um das vorgeschlagene Verfahren durchzuführen, sind können zwei alternative Vorgehensweisen verwendet werden. Gemäß einer ersten Methode kann der Schwingkreis der Vorrichtung mit einem sinusförmigen Anregungssig- nal beaufschlagt werden („Sinus-Sweep“), wobei vorzugsweise eine konstante Spannungsam plitude verwendet wird. Als Antwort auf diese Anregung wird der Spannungsabfall über dem Kondensator so erfasst, als wäre der elektromagnetische Schwingkreis ein Spannungsteiler. Gemäß dieser ersten Methode wird die Spannung als Meßgröße über einer vorgegebenen Fre quenz aufgezeichnet, wodurch ein Spannungs-Frequenz-Diagramm entstehen kann. Fig. 2 zeigt beispielhaft ein solches Diagramm.
Dieses erste Verfahren kann mit folgenden Verfahrensschritten beschrieben werden: a) Bereitstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung, b) Befüllung eines Plattenkondensators der Vorrichtung mit dem Material, wobei in dem Material der Anteil eines Stoffes bestimmt werden soll, c) Einstellung unterschiedlicher Frequenzen in einem Schwingkreis der Vorrichtung, d) Erfassung einer Frequenzantwort des Materials, e) Auswertung der Frequenzantwort durch eine Suche nach charakteristischen Merkma len, f) Ermittlung des Anteils des Stoffes unter Verwendung von charakteristischen Frequenzen fc, die den charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können.
Gemäß einer zweiten Methode wird ein elektromagnetischer Schwingkreis bereitgestellt, in den verschieden große Induktivitäten L eingestellt bzw. „eingeschliffen“ werden können. Die unter schiedlichen Induktivitäten L stellen in diesem zweiten Verfahren die vorgegebene Größe dar. Der elektromagnetische Schwingkreis wird dann zu Schwingungen angeregt, wobei die Reso nanzfrequenz als Meßgröße erfasst und/oder über der Induktivität aufgetragen wird. Dadurch können Frequenz-Induktivitäts-Diagramme erhalten werden. Es ist im Kontext dieser zweiten Methode bevorzugt, dass der elektromagnetische Schwingkreis so ausgelegt wird, dass er bei Einstellung einer ersten Induktivität einer ersten Resonanzfrequenz von Quarz schwingt. Diese Auslegung wird insbesondere durch die Einstellung einer bestimmten Mess-Induktivität als vor gegebener Größe erreicht. Die Messung kann dann für verschiedene Induktivitäten, die in dem Schwingkreis eingeschliffen werden können, wiederholt werden, wobei der Schwingkreis bei dieser zweiten oder jeder weiteren Messung vorzugsweise in einer zweiten oder weiteren Reso nanz von Quarz schwingt.
Dieses zweite Verfahren kann mit folgenden Verfahrensschritten beschrieben werden: a) Bereitstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung, b) Befüllung eines Plattenkondensators der Vorrichtung mit dem Material, wobei in dem Material der Anteil eines Stoffes bestimmt werden soll, c) Einstellung unterschiedlicher Induktivitäten in einem Schwingkreis der Vorrichtung, d) Erfassung von Resonanzfrequenzen des Materials, e) Auswertung der Resonanzfrequenzen durch eine Suche nach charakteristischen Merk malen, f) Ermittlung des Anteils des Stoffes unter Verwendung von charakteristischen Frequenzen fc, die den charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ausreichend große Spannungsamplituden ver wendet werden, um den Schwingkreis anzuregen. Eine Spannungsamplitude wird im Sinne der Erfindung dann als „ausreichend groß“ angesehen, wenn sie dazu eingerichtet ist, eine Reso nanz im Schwingkreis anzuregen.
Die Platten des Plattenkondensators sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Plattenkondensator Anschlüsse für eine Spannungsquelle und/oder für eine Steuereinheit umfasst. Vorzugsweise können die Parameter des Plattenkondensators bzw. seiner Platten in Abhängigkeit von dem zu detektie- renden Stoff bzw. in Abhängigkeit von dem zu vermessenden Material ausgewählt werden. Die se Parameter sind beispielsweise die Größe der Platten des Plattenkondensators oder ihr An stand zueinander. Vorzugsweise wird durch die geometrischen Parameter des Plattenkondensa tors ein Volumen definiert, in das der zu vermessende Staub als Dielektrikum eingefüllt werden kann.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Material, in dem die Messung stattfindet und das in das Messvolumen zwischen den Platten des Plattenkondensators eingebracht wird, be vorzugt als „zu vermessendes Material“ bezeichnet wird. In einem besonders bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem zu vermessenden Material um Staub. Dieser Staub kann beispielsweise auf einer Baustelle anfallen, insbesondere dann, wenn ein Untergrund, wie eine Wand, eine Mauer, Beton, Kalkstein oder dergleichen, mit einer Werk zeugmaschine, wie einem Kernbohrgerät, einer Säge, einem Winkel- oder Trennschleifer oder einem Bohrhammer bearbeitet wird, ohne auf diesen Anwendungen beschränkt zu sein. Insbe sondere in Beton oder Mauerwerk kann Quarz enthalten sein, so dass bei der Bearbeitung sol cher Untergründe quarzhaltiger Staub entstehen kann. Der Erfinder hat erkannt, dass die Dichte von Beton und Quarz näherungsweise ähnlich bzw. vergleichbar ist, so dass dieser Umstand ausgenutzt werden kann für die kapazitive Bestimmung des Quarzanteils in einer Staubprobe. In Kontext der Erfindung wird der Stoff, dessen Anteil in dem zu vermessenden Material be stimmt werden soll, als „Stoff, dessen Anteil bestimmt werden soll“ bezeichnet. In einem beson ders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Stoff, dessen An teil bestimmt werden soll, um Quarz. Quarz weist die chemische Zusammensetzung Si02 auf und liegt insbesondere in einer kristallinen Gitterstruktur vor. Aufgrund seiner Struktur kann Quarz polarisiert werden, wobei die Polarisation eines Stoffes eine eindeutige Identifikation ei nes Stoffes ermöglicht, wenn seine Dielektrizitätskonstante bei charakteristischen Frequenzen gemessen und ausgewertet wird. Für die vorliegende Erfindung liegen die relevanten, charakte ristischen Frequenzen für Quarz in einem Bereich von 10M bis 10L6 Hz, d.h. bei rund 10 bis 1000 kHz, wobei diese Frequenzen unproblematisch elektrisch zu messen sind. Der Erfinder hat erkannt, dass die dielektrischen Eigenschaften von Stoffen, insbesondere von Quarz, ausge nutzt werden können, um den Anteil des Stoffes in einem zu vermessenden Material, wie Staub, zu bestimmen.
Der Staub als zu vermessendes Material wird im Kontext der vorliegenden Erfindung als Dielekt rikum zwischen die Platten des Plattenkondensators eingebracht. Die Eigenschaften des Plat tenkondensators können vorzugsweise mit der Kapazität C des elektromagnetischen Schwing kreises, der Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, beschrieben werden.
In einem nächsten Schritt erfolgt eine Einstellung unterschiedlicher Frequenzen in dem elektro magnetischen Schwingkreis der Vorrichtung.
Mit anderen Worten kann der Schwingkreis mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Spannungsquelle umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Schwingkreis zu Schwingungen anzuregen. Mit anderen Worten können die Schwingungen des Schwingkreises durch eine Spannungsquelle realisiert werden, wobei die mit der Spannungsquelle bereitzustellende Spannung vorzugsweise auf die Induktivität L der Spule, die Kapazität C des Kondensators, sowie die Stoffeigenschaften des zu vermessenden Materials, sowie des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, abgestimmt ist. Mit anderen Worten wird die mit der Spannungsquelle bereitzustellende Spannung in Ab hängigkeit der eben genannten Größen ausgewählt. Bei den Stoffeigenschaften des zu vermes senden Materials, sowie des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, kann es sich bei spielsweise um deren Dichte, Dielektrizitätskonstante oder dergleichen handeln. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Bestimmung des Anteils des Stoffes in dem Staub kapazitiv erfolgt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Frequenzen, mit denen das Dielektrikum bzw. der Plattenkondensator beaufschlagt, d.h. vermessen, wird, in einem Bereich von 0 bis 1000 kHZ, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 800 kHz und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 500 kHZ liegen. Diese Frequenzbereiche sind insbesondere für die Bestimmung eines Anteils von Quarz im Staub vorteilhaft und geeignet, da charakteristische Merkmale in der Frequenzantwort für Quarz bei einem bestimmten Versuchsaufbau beispielsweise bei ca. 150 und 250 kHZ liegen. Der Fachmann weiß, dass die angegebenen Werte von der Größe, der Geometrie und/oder dem Wassergehalt des zu vermessenden Materials abhängen können, weswegen es im Sinne der Erfindung bevorzugt ist, dass Kalibrierungsmessungen mit dem zu verwendenden Messaufbau durchgeführt werden, um beispielsweise die Lage der charakteristischen Frequenzen zu bestimmen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass es sich bei den Frequenzen um Resonanzfrequenzen des Schwingkreises handelt, die durch eine unterschiedliche Beaufschlagung des Schwingkreises bzw. seiner Komponenten durchfahren werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Resonanzfrequenzen des elektromagnetischen Schwingkreises von einer Steuereinheit, die weiter unten erläutert wird, erfasst bzw. gemessen werden können, wobei die Steuereinheit Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung sein kann. Die Steuereinheit kann bevorzugt als Mikrocontroller ausgebildet sein. Es ist im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt, dass eine Güte des elektromagnetischen Schwingkreises von der Steuereinheit gemessen wird. Dazu wird eine an der Spule und dem Kondensator abfallende Spannung, sowie ein Phasenwinkel von dem Mikrocontroller gemessen und ausgewertet.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Güte des elektromagnetischen Schwingkreises als Korrekturgröße verwendet werden kann, um solche Messfehler auszuschließen, die auf- treten können, wenn die Resonanzfrequenzen von unterschiedlichen Stoffen, deren Anteile in einem Material bestimmt werden sollen, sehr ähnlich sind oder in einem ähnlichen Bereich liegen. Neben der Messung der Dielektrizität bzw. der Dielektrizitätskonstante des Materials bei einer bestimmten Frequenz kann vorzugsweise die Güte des elektromagnetischen Schwingkreises verwendet werden, um die Resonanzen bzw. Frequenzen des ersten und des zweiten Stoffes voneinander zu unterscheiden.
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass der elektromagnetische Schwingkreis der vorgeschlagenen Vorrichtung mit unterschiedlichen Frequenzen zu Schwingungen angeregt wird, wobei anschließend eine Frequenzantwort des Dielektrikums, d.h. des zu vermessenden Staubs, erfasst und ausgewertet wird, um den Anteil des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, im Staub zu bestimmen. Diese Schritte werden im Sinne der Erfindung vor- zugsweise auch als „Einstellung unterschiedlicher Frequenzen in einem Schwingkreis der Vor richtung“ und als „Erfassung einer Frequenzantwort des Staubs“ bezeichnet.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Frequenzantwort des Dielektrikums zu erfassen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit der Vorrichtung als Mikrocontroller ausgebildet. Bei der Steuereinheit handelt es sich vorzugsweise um einen bevorzugt frei programmierbaren Prozessor, der integrierte Peri pheriefunktionen aufweisen kann. Die Steuereinheit ist im Sinne der Erfindung insbesondere dazu eingerichtet, die Sensoren und/oder Erfassungseinrichtungen der vorgeschlagenen Vor richtung zu steuern. Sie kann ferner dazu eingerichtet sein, die mit den Sensoren und/oder Er fassungseinrichtungen erfassten Messwerte zu speichern und/oder auszuwerten.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird die Frequenzantwort des zu vermessenden Staubs mit dem Mikrocontroller erfasst und ausgewertet. Insbesondere wird die Spannung zwischen den Platten des Plattenkondensators gemessen und gegen die unterschiedlichen Frequenzen aufgetragen, wodurch ein Frequenz-Spannungs-Diagramm erhalten wird (siehe Fig. 2).
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, das Dielektrikum mit unterschiedlichen Frequenzen zu beaufschlagen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Steuereinheit dazu in der Lage ist, eine Spannung ein- oder auszuschalten. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Anregung des elektromagnetischen Schwingkreises durch eine Spannungsquelle erfolgt. Am meisten bevor zugt ist im Sinne der Erfindung die Verwendung einer von der Steuereinheit gesteuerten Span nungsquelle, um den elektromagnetischen Schwingkreis anzuregen bzw. das Dielektrikum mit unterschiedlichen Frequenzen zu beaufschlagen.
Mit anderen Worten kann der Mikrocontroller auch dazu verwendet werden, den elektromagneti schen Schwingkreis der vorgeschlagenen Vorrichtung mit unterschiedlichen Frequenzen zu be aufschlagen, wobei die Reaktion des Dielektrikums auf das Durchfahren der unterschiedlichen Frequenzen im Kontext der vorliegenden Erfindung erfasst und ausgewertet wird, um den Anteil eines Stoffes in Staub zu bestimmen.
Es ist im Sinne der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass die Antwort des zu vermessen den Materials in Form einer Spannung erfasst wird. Beispielsweise kann die Frequenzantwort des Dielektrikums, d.h. des zu vermessenden Materials, in einem Frequenz-Spannungs- Diagramm aufgetragen werden. Dabei werden die Frequenzen, mit denen der Schwingkreis beaufschlagt wird bzw. mit denen der Schwingkreis angeregt wird, auf der x-Achse des Dia- gramms aufgetragen, während die Frequenzantwort des Staubs auf dery-Achse des Dia gramms aufgetragen wird. Die Frequenzantwort des zu vermessenden Materials kann anschlie ßend durch eine Suche nach charakteristischen Merkmalen in der Auftragung ausgewertet wer den. Dabei kann insbesondere das Frequenz-Spannungs-Diagramm auf charakteristische Merkmale der Kurve hin untersucht werden. Gemäß der alternativen zweiten Methode kann vor zugsweise ein Frequenz-Induktivitäts-Diagramm ausgewertet werden. Mit anderen Worten kön nen charakteristische Peaks in dem Frequenz-Spannungs-Diagramm gesucht werden, wobei die Peaks insbesondere durch charakteristische Frequenzen fc für ein bestimmtes Material festge legt werden. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass unterschiedliche Stoffe in dem zu vermessenden Material an der Lage charakteristischer Merkmale in dem Frequenz- Spannungs-Diagramm erkannt werden können. Solche Peaks liegen für Quarz beispielsweise bei Frequenzen von ca. 150 und 250 kHZ. Mit anderen Worten kann im Kontext der vorliegen den Erfindung auf das Vorhandensein von Quarz in einer zu vermessenden Staubprobe ge schlossen werden, wenn in dem Frequenz-Spannungs-Diagramm, das die Frequenzantwort des Staubs darstellt, Peaks oder Auffälligkeiten bei Frequenzen von ca. 150 und 250 kHZ auftreten. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sich die charakteristischen Frequenzen fc bei kris tallinen Materialien häufig durch die Gitterstruktur des Materials ergeben. Dies führt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der gewünschten Bestimmung eines Anteils von Quarz in einer Staubprobe zu den charakteristischen Frequenzen fc1 « 150 kHZ und fc2 « 250 kHZ.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass größere Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlich großer Induktivitäten erreicht werden, wobei die Induktivität Eigen schaften der Spule des Schwingkreises beschreibt. Für die Einstellung unterschiedlich großer Induktivitäten kann beispielsweise ein Relais, ein Analogschalter und/oder eine Gyratorschal tung verwendet werden. Dabei haben Test gezeigt, dass beispielsweise ein Analogschalter oder eine Gyratorschaltung besonders unempfindlich gegenüber Vibrationen sind. Es ist daher im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Relais, einen Analogschalter und/oder eine Gyratorschaltung zur Einstellung von unterschiedlichen Frequenzen im Schwingkreis um fasst. Vorzugsweise kann auf diese Weise die Induktivität der Spule des Schwingkreises verän dert werden, wobei eine Änderung der Induktivität der Spule vorteilhafterweise zu einer Ände rung der Frequenzen des Schwingkreises führt. Das Einstellen der unterschiedlichen Induktivitä ten kann beispielsweise durch das elektrische Einschleifen der Spule des Schwingkreises erfol gen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass kleinere Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlich großer Kapazitäten erreicht werden, wobei die Kapazität beispielsweise Eigenschaften von Kapazitätsdioden beschreibt, die in Reihe oder parallel zu dem Plattenkondensator des Schwingkreises geschaltet sein können. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Vorrichtung Kapazitätsdioden zur Einstellung von unterschiedlichen Frequenzen im Schwingkreis umfasst, wobei die Kapazitätsdioden in Reihe oder parallel zu dem Plattenkondensator des Schwingkreises schaltbar sind. Es ist daher im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kapazität der Kapazitätsdioden zur Einstellung von unterschiedlichen Frequenzen im Schwingkreis verwendet werden kann. Je nach gesuchtem Vorzeichen der Frequenzänderung innerhalb des Schwingkreises können die Kapazitätsdioden in Reihe oder parallel zu dem Plattenkondensator des Schwingkreises geschaltet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Kapazitätsdioden elektrisch gesteuerte Kapazitäten darstellen, wobei ihre Steuerung vorzugsweise mittels der Steuereinheit erfolgt.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die veränderlichen Induktivitäten der Spule und Kapazitäten der Dioden durch die Steuereinheit eingestellt werden. Dieser Vorgang wird vorzugsweise auch als Einschleifen bezeichnet. Durch die Einstellung unterschiedlicher Induktivitäten und Kapazitäten ändert sich die (Resonanz-)Frequenz des elektromagnetischen Schwingkreises der vorgeschlagenen Vorrichtung und das zu messende Material wird mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagt. Mit Hilfe der Eigenschaften des Materials des Dielektrikums und/oder mit Hilfe der Eigenschaften des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, kann so anhand der elektrischen Parameter des elektromagnetischen Schwingkreises der gesuchte Stoffanteil ermittelt werden.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Dielektrizitätszahl bzw. die Dielektrizitätskonstante des zu vermessenden Materials in guter Näherung proportional zu einem Quarzgehalt in dem Material- bzw. Staubvolumen des Kondensators ist. Wenn also beispielsweise bei einer Messung mit quarzfreiem Staub eine Dielektrizitätszahl von 1 gemessen wird und bei einer Messung mit einem stark quarzhaltigen Material, dessen Quarzanteil bei annähernd 100 % liegt, eine Dielektrizitätszahl von 5, so kann bei einer Messung von Staub mit einem unbekannten Quarzanteil bei einer gemessenen Dielektrizitätszahl von 3 darauf geschlossen werden, dass der Quarzanteil in dieser Staubprobe in einem Bereich von ca. 50 % liegt. Dieser Zuordnung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass Quarz und Beton ähnliche Dichten aufweisen. Dieser ermittelte Quarzanteil kann vorteilhafterweise in Beziehung gesetzt werden mit dem Luftvolumen, aus dem die Staubprobe extrahiert bzw. herausgefiltert wurde, um den Quarzgehalt der Atemluft, beispielsweise eines Arbeiters auf einer Baustelle, zu bestimmen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlicher Induktivitäten bewirkt werden, wobei die Induktivität Eigenschaften einer Spule des Schwingkreises der Vorrichtung beschreibt. Für die Einstellung unterschiedlich großer In duktivitäten kann beispielsweise ein Relais verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung ferner bevorzugt, dass Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlicher Ka pazitäten bewirkt werden, wobei die Kapazität Eigenschaften von Kapazitätsdioden beschreibt, die in Reihe oder parallel zu dem Plattenkondensator des Schwingkreises geschaltet werden können.
In einem Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung ei nes Anteils eines Stoffes in Staub, wobei die Sensorvorrichtung einen Plattenkondensator auf weist, der mit Staub als Dielektrikum befüllt werden kann, wobei eine Frequenzantwort des Die lektrikums bzw. eine Verschiebung eines Frequenzspektrums gemessen und ausgewertet wird, um den Anteil des Stoffes im Staub zu bestimmen. Es ist im Sinne der Erfindung ganz beson ders bevorzugt, dass es sich bei dem Stoff, dessen Anteil im Staub bestimmt werden soll, um Quarz handelt. Es besteht ein großes Interesse an Informationen über den Anteil von Quarz in Staubproben, da dem Quarz gesundheitsgefährdende Eigenschaften zugeschrieben werden.
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Kondensator nicht notwendiger weise mit dem zu vermessenden Material befüllt wird, sondern dass der Kondensator von einer Seite in das zu vermessende Material hineinmisst. Dabei kann das zu vermessende Material in räumlicher Nähe zu dem Plattenkondensator vorliegen, wobei das zu vermessende Material eine Veränderung von Messgrößen, die mit dem Kondensator erfasst werden können, bewirken kann. Diese Veränderungen können bei dieser kapazitiven Messmethode detektiert und ausge wertet werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es bevorzugt, dass zur Messung ein in der Frequenz veränderlicher elektromagnetischer Schwingkreis verwendet wird, wobei die Re sonanzfrequenz, Güte und Spannungsabfall des elektromagnetischen Schwingkreises über die Spule und den Kondensator gemessen werden. Darüber hinaus kann die Resonanzfrequenz des elektromagnetischen Schwingkreises durch unterschiedliche Induktivitäten und Kapazitäten angepasst werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Plattenkondensator zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Bestimmung eines Stoffanteils verwendet wird, indem das zu vermessende Material, hier eine Staubprobe, zwischen die Platten des Plat tenkondensators eingebracht wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein zweiter elektromagnetischer Schwingkreis verwendet werden kann, dessen Wellenform zur Verbesserung der Messung zur Überlagerung mit der Wellenform des zuvor genutzten Plattenkondensators gebracht werden kann.
Mit anderen Worten kann es im Kontext der vorgeschlagenen Vorrichtung bevorzugt sein, dass die Vorrichtung einen zweiten Schwingkreis umfasst, dessen Messwerte mit den Messwerten des ersten Schwingkreises überlagert werden können, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Bestimmungsverfahrens und der Vorrichtung weiter zu verbessern.
Die Vorsehung eines zweiten elektromagnetischen Schwingkreises trägt der Erkenntnis Rech nung, dass eine „ideale“ Frequenz des Schwingkreises von real auftretenden Frequenzen ab weichen kann. Dies kann beispielsweise auf Luftfeuchtigkeit oder eine thermische Ausdehnung des Plattenkondensators zurückzuführen sein, ohne dass diese Aufzählung abschließend ist. Es kann daher ein zweiter elektromagnetischer Schwingkreis verwendet werden, in den kein Staub eingefüllt wird. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, den ersten und den zweiten Schwing kreis im Wesentlichen identisch und im Wesentlichen zur gleichen Zeit anzuregen. Je nach Pha senverschiebung zwischen den Schwingkreisen addieren sich die Spannungswerte der beiden Schwingkreise maximal auf den doppelten Wert der Spannung eines der beiden Schwingkreise oder die Spannungen löschen sich aus, so dass eine Spannungssumme von 0 V erhalten wird. Wird der erste elektromagnetische Schwingkreis mit dem zu vermessenden Material gefüllt, än dert sich vorzugweise seine Schwingfrequenz. Es kommt zu einer Interferenz zwischen den be vorzugt wellenförmigen Spannungskurven, wobei die Frequenz der Schwebung der beiden Schwingkreise vorteilhafterweise proportional zum Quarzgehalt des Materials ist, das in den Plattenkondensator des ersten Schwingkreises eingefüllt wurde. Es stellt einen wesentlichen Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung dar, dass etwaige Einflüsse von Luftfeuchtigkeit oder Temperatur bei der Auswertung der Interferenz-Werte bzw. der Schwebung der zwei Schwing kreise außen vorbleiben und den so bestimmten Quarzgehalt nicht verfälschen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren, die Be schreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung
Fig. 2 Auftragung der erfassten Spannung gegenüber unterschiedlichen Frequenzen, die in dem Schwingkreis zur Ermittlung des gesuchten Stoffanteils eingestellt werden kön nen.
Ausführungsbeispiel und Figurenbeschreibung:
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 umfasst einen elektromagnetischen Schwingkreis 2, der seinerseits eine Spule L und einen Kondensator C umfasst. Der Kondensator C ist als Plattenkondensator ausgebildet. Er weist vorzugsweise zwei Platten auf, zwischen denen ein elektrisches Feld besteht. In das Volumen, das zwischen den Platten des Plattenkondensators gebildet wird, kann ein Material, wie beispielsweise Staub, eingefüllt werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass dieses Material auf seine Stoffbestandteile hin untersucht werden soll, sowie deren Mengenanteile in dem Material.
Der Schwingkreis 2 kann mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagt werden. Die entsprechenden Schwingungen werden durch eine Spannungsquelle 3 angeregt. Die Spannungsquelle 3 kann vorzugsweise als Frequenzgenerator oder Sinus-Generator ausgebildet sein. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Steuereinheit 4 und die Spannungsquelle 3 eine Einheit bilden.
Ferner kann die Vorrichtung 1 eine Steuereinheit 4 umfassen, die vorzugsweise als Mikrocontroller ausgebildet ist. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Steuereinheit 4 dazu eingerichtet ist, die Frequenzen im Schwingkreis 2 und seine Güte zu erfassen. Ferner kann die Steuereinheit 4 dazu eingerichtet sein, die Kapazitäten und Induktivitäten des Schwingkreises 2 elektrisch einzustellen bzw. «einzuschleifen». Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Steuereinheit 4 eine Vorrichtung zur Spannungsmessung umfasst, die beispielsweise als Oszilloskop mit integrierter Möglichkeit zur Durchführung einer Fast-Fourier-Transformation ausgebildet sein kann. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Steuereinheit 4 insbesondere dazu vorgesehen ist, Frequenzmessungen durchzuführen.
Vorzugsweise ist das Oszilloskop dazu eingerichtet, eine Amplitude der über dem Kondensator C abfallenden Frequenz zu erfassen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Amplitude der über dem Kondensator C abfallenden Frequenz die Messgröße bei dem vorgeschlagenen Verfahren darstellt. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Amplitude über der Sinusfrequenz erfasst werden. Gemeint ist hiermit vorzugsweise die Anregung des elektromagnetischen Schwingkreises 2 mit einem bevorzugt sinusförmigen Anregungssignal, welches von einem Frequenzgenerator erzeugt werden kann. Anschließend werden die Spitzenwerte der Spannung des leeren Kondensators C mit den Spitzenwerten des mit quarzhaltigen Staub gefüllten Kondensators C verglichen. Die Resonanzfrequenzen können durch die Lage der Peaks in den Frequenz-Induktivitäts-Diagrammen bzw. den Spannungs- Frequenz-Diagrammen bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt eine Auftragung der erfassten Spannung gegenüber unterschiedlicher Frequenzen, die in dem Schwingkreis 2 zur Ermittlung des gesuchten Stoffanteils eingestellt werden können. Der obere Teil a) der Fig. 2 zeigt ein Spannungs-Frequenz-Diagramm für einen quarzfreien Staub, währen der untere Teil b) der Fig. 2 ein Spannungs-Frequenz-Diagramm für einen quarzhaltigen Staub zeigt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem zu vermessenden Mate rial im oberen Teil a) der Fig. 2 um quarzfreien Staub und bei dem zu vermessenden Material in dem unteren Teil b) der Fig. 2 um quarzhaltigen Staub. Auf der x-Achse des Spannungs- Frequenz-Diagramms ist jeweils die Frequenz bzw. die Resonanzfrequenz f des Schwingkreises in der Einheit Kilohertz (kHz) aufgetragen, während auf dery-Achse des Spannungs-Frequenz- Diagramms jeweils die von der Steuereinheit 4 erfasste Spannung U in der Einheit Volt (V) auf getragen ist. Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm erlaubt eine Auswertung der Frequenzantwort durch eine Suche nach charakteristischen Merkmalen, wie sie gemäß der ersten Auswertungs- Methode unter Verwendung von Spannungs-Frequenz-Diagrammen vorgeschlagen wird. Dabei wird der Anteil des Stoffes insbesondere unter Verwendung von charakteristischen Frequenzen fc, die den charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können, bestimmt.
Deutlich zu sehen sind in dem unteren Teil b) der Fig. 2 die charakteristischen Frequenzen fc1 und fc2, die bei Frequenzen von ungefähr 150 kHz und 250 kHz liegen. Die Lage dieser charak- teristischen Frequenzen fc1 und fc2 läßt darauf schließen, dass in dem untersuchten Staub, der in dem Plattenkondensator C der Vorrichtung 1 eingefüllt vorliegt, Quarz vorhanden ist. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel der Erfindung ist Quarz der Stoff, dessen Anteil in dem zu ver messenden Material, hier Staub, bestimmt werden soll.
Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Schwingkreis 3 Spannungsquelle
4 Steuereinheit L Spule C Kondensator

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Materi al, wobei die Vorrichtung einen Schwingkreis (2) mit einer Spule L und einem Platten kondensator C umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkondensator C mit dem Material als Dielektrikum befüllbar ist, wobei eine Fre quenzantwort des Dielektrikums erfasst und ausgewertet wird, um den Anteil des Stoffes im Material zu bestimmen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Anteils des Stoffes in dem Material kapazitiv erfolgt.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Spannungsquelle (3) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Schwingkreis (1) zu Schwingungen anzuregen.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit (4) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Fre quenzantwort des Dielektrikums zu erfassen.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) ferner dazu eingerichtet ist, das Dielektrikum mit unterschiedlichen Frequenzen zu beaufschlagen.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen, mit denen das Dielektrikum beaufschlagt wird, in einem Bereich von 0 bis 1000 kHZ, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 800 kHz und am meisten bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 500 kHZ liegen.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Kapazitätsdioden zur Einstellung von unterschiedlichen Frequenzen im Schwingkreis (2) umfasst.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsdioden in Reihe oder parallel zu dem Plattenkondensator des Schwing kreises (2) schaltbar sind.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Relais, einen Analogschalter und/oder eine Gyratorschaltung zur Einstellung von unterschiedlichen Frequenzen im Schwingkreis umfasst.
10. Verfahren zur kapazitiven Bestimmung eines Anteils eines Stoffes in einem Material gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung einer Vorrichtung (1) nach einer der vorhergehenden Ansprüche, b) Befüllung eines Plattenkondensators C der Vorrichtung (1) mit dem Material, wobei in dem Material der Anteil eines Stoffes bestimmt werden soll, c) Einstellung unterschiedlicher Frequenzen oder Induktivitäten in einem Schwingkreis (2) der Vorrichtung (1), d) Erfassung einer Frequenzantwort oder von Resonanzfrequenzen des Materials, e) Auswertung der Frequenzantwort oder der Resonanzfrequenzen durch eine Suche nach charakteristischen Merkmalen, f) Ermittlung des Anteils des Stoffes unter Verwendung von charakteristischen Frequen zen fc, die den charakteristischen Merkmalen zugeordnet werden können.
11 . Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die dielektrischen Eigenschaften des Stoffes, dessen Anteil bestimmt werden soll, ausgenutzt werden, um den Anteil des Stoffes in dem Material zu bestim- men.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlicher Induktivitäten be wirkt werden, wobei die Induktivität Eigenschaften einer Spule L des Schwingkreises (2) der Vorrichtung (1) beschreibt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass
Änderungen der Frequenzen durch das Einstellen unterschiedlicher Kapazitäten bewirkt werden, wobei die Kapazität Eigenschaften von Kapazitätsdioden und/oder des Platten kondensators C des Schwingkreises (2) beschreibt.
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