EP4314794A1 - Vorrichtung zur kapazitiven untersuchung eines bewegten strangförmigen prüfgutes - Google Patents

Vorrichtung zur kapazitiven untersuchung eines bewegten strangförmigen prüfgutes

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Publication number
EP4314794A1
EP4314794A1 EP22709553.6A EP22709553A EP4314794A1 EP 4314794 A1 EP4314794 A1 EP 4314794A1 EP 22709553 A EP22709553 A EP 22709553A EP 4314794 A1 EP4314794 A1 EP 4314794A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
capacitor arrangement
opening
spacer
arrangement
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.)
Pending
Application number
EP22709553.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roy Bearth
Christian CAVEGN
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 EP4314794A1 publication Critical patent/EP4314794A1/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
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for the capacitive examination of a moving test material in the form of a strand, preferably a textile material, according to the preamble of the independent patent claim. It is preferably, but not exclusively, used for offline measurement of the mass irregularity of yarn, roving or sliver, as is done on textile laboratory testing devices.
  • US-2013/342225 A1 and WO-2016/149847 A1 each disclose a device for capacitively measuring properties of a textile product such as sliver, roving or yarn.
  • a capacitive sensor assembly with five support plates that form four through openings or measurement gaps of different gap widths. The test material is guided through one of the measuring gaps. Since the
  • the test material can only be inserted into exactly one of the measurement gaps and moved through it along its longitudinal axis.
  • the measurement gaps each have an electrode of a plate capacitor in or on the two side walls of the support plates that delimit them and between which the product can be guided.
  • a test material located between the capacitor electrodes influences the total capacitance of the capacitor, so that an electrical output signal from the capacitor is a measure of the test material mass located in the capacitor.
  • the gap widths of the various measuring gaps in a sensor assembly are of different sizes in order to be able to optimally test test objects of different thicknesses. A specific test material thickness range is assigned to each gap width.
  • the thickness of the test material must be slightly smaller than the gap width, otherwise the test material will rub against the side walls of the measurement gap during its movement, which could damage the test material and/or the side walls.
  • the thickness of the test material must not be too small compared to the gap width, otherwise the measuring sensitivity and the signal-to-noise ratio are low.
  • a compensation measurement method is used to eliminate disruptive influences such as changes in temperature or humidity as much as possible.
  • the measuring capacitor is installed in a bridge circuit that also contains a reference capacitor.
  • the bridge circuit is adjusted in such a way that it delivers the value zero without test material and with test material an output signal that is proportional to the test material mass in the measuring capacitor. If the reference capacitor has the same structure and is exposed to the same interference as the measuring capacitor, the interference will not affect the measurement results.
  • suitable compensation bridge circuits are given in the documents US-2011/254567 A1 and US-2013/342225 A1. The latter assumes that the measurement capacitor and the reference capacitor are in the same measurement gap.
  • the present invention relates to the arrangement, which is also known from the prior art, with two through-openings which are usually next to one another and parallel to one another, one of which accommodates the measuring capacitor and the other accommodates the reference capacitor.
  • WO-2016/149847 A1 deals with the problem of the falsification of measurement results from capacitive textile testing devices due to temperature changes.
  • Electronic circuits of modern capacitive sensor assemblies are equipped with many electronic components such as semiconductor amplifiers, which together generate a large amount of heat loss. When the test device is switched on, this heat loss leads to a slow heating of the sensor assembly and thus to thermal drift, which falsifies the measurement results until a thermal equilibrium is reached.
  • WO-2016/149847 A1 proposes installing a temperature sensor and a controllable electrothermal converter in the capacitive sensor assembly. In this way, the sensor assembly can be actively regulated to a temperature setpoint so that it measures largely stably and without temperature drift.
  • both the support plates of the capacitor electrodes and the spacer between the support plates expand. These usually consist of different materials with different coefficients of thermal expansion. Since thermal expansion of the support plates and thermal expansion of the spacer affect the capacitance of the capacitor in opposite directions, the thermal expansion of the two materials can compensate for each other with a suitable choice of material so that the capacitance remains unchanged for any temperature change.
  • US Pat. No. 5,099,386 A makes use of this idea of passive temperature compensation.
  • the carrier plates should have a linear thermal expansion coefficient at and the spacer should have a linear thermal expansion coefficient CXA.
  • the capacitance C of a plate capacitor is known to be proportional to the ratio A/d of the surface area A of an electrode to the electrode spacing d:
  • Today's capacitive yarn testing devices are high-precision laboratory measuring devices. They record changes in the mass of the running yarn that cause relative changes in capacitance AC/C of the measuring capacitor of the order of just a millionth, i. H.
  • the invention uses a compensation measuring bridge known per se with two capacitor arrangements, each of which has a capacitor.
  • One of the capacitors contains the test material and is used as a measuring capacitor, while the other capacitor remains empty and serves as a reference capacitor.
  • the device according to the invention is designed in such a way that its converters, namely the two capacitors, react simultaneously and equally to temperature changes, so that their difference always remains essentially constant. This passive measure ensures that measurements carried out during a transition from a first to a second state of equilibrium are also uncorrupted.
  • CT the specific heat capacities of the carrier plates or the
  • the carriers and the spacers are considered separately, i. H. the minuends or the subtrahends on both sides of equation (6) are set equal to one another.
  • the material and mass symmetry ensure that the same heat flow in corresponding components of the two capacitor assemblies causes the same capacitance change in the two capacitors.
  • the two capacitances change equally with time as heat is sensed in or out over time.
  • thermal coupling ensures that the temperature is equalized as quickly as possible between the components of the device and that the heat flows into the two capacitor arrangements are as equal as possible. It is particularly important when there is a spatial temperature gradient.
  • thermally coupled means that good heat conduction should be possible between the components that are thermally coupled to one another.
  • the components are either in direct contact with each other or are connected to one another via one or more media that allow good heat transfer, i. H. do not thermally insulate.
  • the heat transfer coefficient between the two components should be greater than approx.
  • the device according to the invention is used for the capacitive examination of a moving test material in the form of a strand. It contains a first capacitor arrangement with a first passage opening, through which the test material can be moved along its longitudinal axis, and a first capacitor, which is arranged on the first passage opening in such a way that its capacitance can be influenced by a test material located in the first passage opening, and the has a first capacity without test material. Furthermore, the device contains a second capacitor arrangement with a second through-opening and a second capacitor which is arranged at the second through-opening and which has a second capacitance. The device also includes a compensation measurement bridge that includes the first capacitor and the second capacitor. The first capacitor arrangement and the second capacitor arrangement are designed and arranged in such a way that a difference between the first capacitance and the second capacitance remains essentially constant when the temperature changes over time.
  • the difference between the first capacitance and the second capacitance is preferably zero.
  • the first capacitor arrangement and the second capacitor arrangement have a structure that is analogous to one another, and corresponding components of the first capacitor arrangement and the second capacitor arrangement each consist of the same material.
  • the first capacitor arrangement and the second capacitor arrangement each contain two mutually parallel support plates which are spaced apart from one another and between which the through-opening is located and on which the first capacitor or the second capacitor is arranged, and the through-opening is in each case through a between parts of the first spacer or second spacer clamped between the two support plates.
  • the masses of the first spacer and the second spacer are preferably the same.
  • the masses of the mutually corresponding carrier plates of the first capacitor arrangement and of the second capacitor arrangement are preferably the same.
  • the first capacitor can have two electrodes, each arranged on or in one of the support plates of the first capacitor arrangement
  • the second capacitor can have two electrodes, each arranged on or in one of the support plates of the second capacitor arrangement, and the masses of the mutually corresponding electrodes of the first capacitor arrangement and the second capacitor arrangement are preferably the same.
  • At least one component of the first capacitor arrangement and one component of the second capacitor arrangement are thermally coupled to one another.
  • the first spacer and the second spacer are preferably thermally coupled to one another.
  • a carrier plate of the first capacitor arrangement and a carrier plate of the second capacitor arrangement are preferably thermally coupled to one another.
  • At least one spacer and at least one support plate are preferably thermally coupled to one another.
  • the support plates consist of a ceramic material and/or the spacers consist of a metal.
  • a support plate of the first capacitor arrangement can coincide with a support plate of the second capacitor arrangement.
  • the first capacitor has two planar electrodes, each arranged on or in one of the support plates of the first capacitor arrangement
  • the second capacitor has two planar electrodes, each arranged on or in one of the support plates of the second capacitor arrangement.
  • the coefficient of thermal expansion of the spacer of the respective capacitor arrangement is twice that of the support plates of the same capacitor arrangement.
  • the first through-opening and the second through-opening are preferably mutually arranged in such a way that the test material can be moved along its longitudinal axis through exactly the first through-opening, but not at the same time through the second through-opening without a change in direction.
  • the first through-opening has a first opening width and the second through-opening has a second opening width that differs from the first opening width. Thanks to the invention, the device and its measurement results have a good
  • FIG. 1 schematically shows a device according to the invention in a cross section.
  • Figure 2 shows the two spacers of the device of Figure 1 in a view perpendicular to the plane of Figure 1.
  • FIG. 3 shows in each case schematic time curves of a temperature and of a second temperature
  • FIG. 1 shows a schematic of an embodiment of a device 1 according to the invention for the capacitive examination of a moving test material 9 in the form of a strand, e.g. B. a yarn, a roving or a sliver.
  • the exemplary device 1 includes two capacitor arrangements 2.1, 2.2.
  • the invention is not limited to two capacitor arrays limited; the inventive device can have more than two, z. B. four, include capacitor arrays.
  • a first capacitor arrangement 2.1 contains two mutually parallel carrier plates 31.1, 32.1 which are spaced apart from one another and are made of a ceramic material, for example. Between the two carrier plates 31.1, 32.1 there is a first passage opening 21.1 with a first opening width di.
  • the first opening width di z. B. in the range between 0.1 mm and 10 mm.
  • the 21.1 is defined by a first spacer 4.1, which is clamped between parts of the two carrier plates 31.1, 32.1.
  • the first The spacer 4.1 can, for. B. consist of a metal.
  • a metallic electrode 51.1, 52.1 is located on each of the plate surfaces facing one another and the first through-opening 21.1.
  • each carrier plate 52.1 can e.g. B. by coating the support plates 31.1, 32.1 or by attaching a metal plate to the support plates 31.1, 32.1.
  • the two electrodes 51.1, 52.1 lie opposite one another and together form a first capacitor 5.1, which is designed as a plate capacitor. Furthermore, each carrier plate
  • 31.1. 32.1 including its electrode 51.1, 52.1 of at least one protective sheath (not shown), e.g. B. a layer of paint, be covered.
  • the test material 9 can be introduced from the outside into the first through-opening 21.1, and consequently into the first capacitor 5.1, and can be moved along its longitudinal axis through the first through-opening 21.1 and the first capacitor 5.1. If the test material 9 is in the first capacitor 5.1, it influences a capacitance of the first capacitor 5.1. The capacitance is dependent on the mass of the test material 9 in the first capacitor 5.1, so that it is z. B. with moving test material 9 is a measure of mass changes of the test material 9 along its longitudinal axis.
  • a second capacitor arrangement 2.2 is constructed analogously to the first capacitor arrangement 2.1.
  • a second capacitor arrangement 2.2 thus contains two mutually parallel carrier plates 31.2, 32.2 which are spaced apart from one another. Between the two support plates 31.2, 32.2 there is a second passage opening 21.2 with a second opening width th.
  • the second opening width ck z. B. also be in the range between 0.1 mm and 10 mm. As in FIG. 1, it can be different from or equal to the first opening width di.
  • the second passage opening 21.2 is defined by a second spacer 4.2 which is clamped between parts of the two carrier plates 31.2, 32.2.
  • a metallic electrode 51.2, 52.2 is located on each of the plate surfaces facing one another and the second through-opening 21.2. The two electrodes 51.2, 52.2 lie opposite one another and together form a second capacitor 5.2.
  • a support plate 32.1 of the first capacitor arrangement 2.1 coincides with a support plate 32.2 of the second capacitor arrangement 2.2. Accordingly, this central support plate 32.1, 32.2 has an electrode 52.1, 52.2 on each of its two plate surfaces, one of which belongs to the first capacitor 5.1 and the other to the second capacitor 5.2.
  • a dual function of a carrier plate 32.1, 32.2 is not mandatory for the invention.
  • the capacitor arrangements 2.1, 2.2 can each have two separate support plates.
  • the first capacitor arrangement 2.1 with the wider first through-opening 21.1 is suitable for thicker test objects 9, while thinner test objects 9 can be tested in the second capacitor arrangement 2.2 with the narrower second through-opening 21.2.
  • the two capacitor arrangements 2.1, 2.2 can be fastened in a support block 6.
  • the capacitances of the first capacitor 5.1 and of the second capacitor 5.2 are preferably of the same size.
  • the electrodes 51.2, 52.2 of the second capacitor 5.2 have a smaller surface area than the electrodes 51.1, 52.1 of the first capacitor 5.1 in order to compensate for the different opening widths di>d2.
  • Different capacitances of the two capacitors 5.1, 5.2 could be compensated for with additional capacitors (not shown).
  • the first capacitor 5.1 and the second capacitor 5.2 are installed in a compensation measuring bridge.
  • Various suitable materials are used in a compensation measuring bridge.
  • two alternating signal generators 7.1, 7.2 apply electrical alternating signals with the same frequency but a mutual phase shift of 180° to an outer electrode 51.1, 51.2 of the first capacitor 5.1 or the second capacitor 5.2.
  • the two inner electrodes 52.1, 52.2 are electrically connected to one another.
  • An electrical output signal tapped off from them is supplied on an output line 81 to an evaluation unit 8 for evaluation.
  • the compensation measuring bridge In the empty state without test material 9, the compensation measuring bridge should be in equilibrium with the same capacitances of the first capacitor 5.1 and the second capacitor 5.2 and should deliver a zero signal on the output line 81. Adjustment means for the zero adjustment of capacitive measuring bridges are known from the prior art and do not need to be discussed here.
  • the introduction of the test material 9 into the first passage opening 21.1 changes the capacitance of the first capacitor 5.1, so that the measuring bridge becomes unbalanced. Its non-zero output signal is a measure of the mass of the test material in the first capacitor 5.1.
  • the first capacitor arrangement 2.1 and the second capacitor arrangement 2.2 have a structure that is analogous to one another, and corresponding components of the first capacitor arrangement 2.1 and the second capacitor arrangement 2.2 each consist of the same material.
  • the masses of the first spacer 4.1 and the second spacer 4.2 are the same (cf. equation (8) above). Since the thicknesses of the first spacer 4.1 and the second spacer 4.2 differ from one another, the mass symmetry should be achieved by different surface areas. Such an embodiment is discussed in the following paragraph.
  • Figures 2 (a) and (b) show an example of the two spacers 4.1 and 4.2.
  • the spacers 4.1, 4.2 are shown here in a view perpendicular to the plane of the drawing in FIG. B. as longitudinal sections along the planes a-a and b-b in Figure 1 or as side views parallel to these planes. Without loss of generality, it is assumed that the first spacer 4.1 has a greater thickness than the second spacer 4.2. To achieve mass equality, the first spacer 4.1 should have a correspondingly smaller surface area than the second spacer 4.2.
  • the first spacer 4.1 is essentially designed as a rectangular frame that frames a rectangular recess 41.
  • the spacers 4.1, 4.2 can have other geometric shapes. There can be several recesses. The recess may be on the edge rather than inside the first spacer. The recess need not be continuous.
  • the masses of the carrier plates 31.1, 32.1, 31.2, 32.2 of the first capacitor arrangement 2.1 and of the second capacitor arrangement 2.2 are the same (cf. equation (8) above).
  • the carrier plates 31.1, 32.1, 31.2, 32.2 are preferably identical. If not, mass symmetry can be achieved by appropriate choice of their thicknesses and surface areas.
  • the masses of the corresponding electrodes 51.1, 51.2; 52.1, 52.2 of the first capacitor arrangement 2.1 and the second capacitor arrangement 2.2 are not identical, mass symmetry can be achieved by appropriate choice of their thicknesses and areas. Thanks to the material and mass symmetry described above, corresponding components experience the same temperature change at the same time when there is an external temperature change. This means that the measuring bridge always remains in equilibrium, even when the temperature changes.
  • At least one component of the first capacitor arrangement 2.1 and one component of the second capacitor arrangement 2.2 are thermally coupled to one another.
  • the thermal coupling can exist between the first spacer 4.1 and the second spacer 4.2, between the support plates 31.1, 32.1, 32.1, 32.2 and/or between a spacer 4.1, 4.2 and a support plate 31.1, 32.1, 32.1, 32.2.
  • the support block 6 is also preferably thermally coupled to the spacers 4.1, 4.2 and/or the support plates 31.1, 32.1, 32.1, 32.2.
  • Good heat conduction should be possible between the components that are thermally coupled to one another.
  • the heat transfer coefficient between the two components should be greater than approx. 200 W/(m 2 -K) and preferably greater than approx.
  • the thermal coupling the temperature between the components of the device 1 is equalized as quickly as possible. In this way, a spatial temperature gradient is quickly compensated and the measuring bridge is brought back into balance.
  • FIG. 3 illustrates advantages of the invention over the prior art. It shows schematic time curves of a temperature T(t) - for example an air temperature - in an area surrounding the device and two capacitances Ci(t), C2(t) and their difference Ci(t) - C2(t) compared to one time t
  • FIG. 3(b) shows the curves for the device 1 according to the invention.
  • the measuring bridge is adjusted at all times t > to and measures without errors.
  • the passive temperature compensation according to US-5,099,386 A (equation (3) above) can be used, but is not a necessary condition for the functioning of the invention.
  • the capacitances Ci(t), C2(t) have a different value in the second equilibrium state than in the first.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangförmigen Prüfgutes (9) beinhaltet eine erste Kondensatoranordnung (2.1) mit einer ersten Durchgangsöffnung (21.1), durch welche das Prüfgut (9) bewegbar ist, und einem ersten Kondensator (5.1), dessen Kapazität von einem in der ersten Durchgangsöffnung (21.1) befindlichen Prüfgut (9) beeinflussbar ist und der ohne Prüfgut (9) eine erste Kapazität aufweist. Ferner beinhaltet die Vorrichtung (1) eine zweite Kondensatoranordnung (2.2) mit einer zweiten Durchgangsöffnung (21.1) und einem zweiten Kondensator (5.2), der an der zweiten Durchgangsöffnung (21.2) angeordnet ist und der eine zweite Kapazität aufweist. Der erste Kondensator (5.1) und der zweite Kondensator (5.2) sind Teile einer Messbrücke. Die erste Kondensatoranordnung (2.1) und die zweite Kondensatoranordnung (2.2) sind derart beschaffen und angeordnet, dass bei einer zeitlichen Temperaturänderung eine Differenz der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Temperaturstabilität der Vorrichtung (1).

Description

VORRICHTUNG ZUR KAPAZITIVEN UNTERSUCHUNG EINES BEWEGTEN
STRANGFÖRMIGEN PRÜFGUTES FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangförmigen, vorzugsweise textilen Prüfgutes gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs. Sie kommt vorzugsweise, aber nicht ausschliesslich, bei der Offline-Messung der Massenungleichmässigkeit von Garn, Vorgarn oder Faserband zum Einsatz, wie sie auf textilen Laborprüfgeräten vorgenommen wird.
STAND DER TECHNIK
Die US-2013/342225 Al und die WO-2016/149847 Al offenbaren je eine Vorrichtung zum kapazitiven Messen von Eigenschaften eines textilen Produktes wie Faserband, Vorgarn oder Garn. Jede dieser Schriften zeigt eine kapazitive Sensorbaugruppe mit fünf Trägerplatten, die vier Durchgangsöffnungen oder Messspalte unterschiedlicher Spaltbreiten bilden. Das Prüfgut wird durch einen der Messspalte geführt. Da die
Trägerplatten im Wesentlichen parallel nebeneinander liegen, kann das Prüfgut nur in genau einen der Messspalte eingeföhrt und durch diesen entlang seiner Längsachse bewegt werden. Die Messspalte weisen jeweils in oder auf den beiden sie begrenzenden Seitenwänden der Trägerplatten, zwischen denen das Produkt führbar ist, je eine Elektrode eines Plattenkondensators auf. Ein zwischen den Kondensatorelektroden befindliches Prüfgut beeinflusst die Gesamtkapazität des Kondensators, so dass ein elektrisches Ausgangssignal des Kondensators ein Mass für die im Kondensator befindliche Prüfgutmasse ist. Die Spaltbreiten der verschiedenen Messspalte in einer Sensorbaugruppe sind unterschiedlich gross, um Prüfgüter unterschiedlicher Dicken optimal prüfen zu können. Jeder Spaltbreite ist ein bestimmter Prüfgutdickenbereich zugeordnet. Bei der Zuordnung werden die beiden folgenden Kriterien berücksichtigt: • Einerseits muss die Dicke des Prüfgutes etwas kleiner sein als die Spaltbreite, sonst reibt das Prüfgut während seiner Bewegung an den Seitenwänden des Messspalts, wodurch das Prüfgut und/oder die Seitenwände beschädigt werden können.
• Andererseits darf die Dicke des Prüfgutes nicht zu klein sein gegenüber der Spaltbreite, sonst resultieren eine kleine Messempfindlichkeit und ein kleines Signal/Rausch- Verhältnis.
Um Störeinflüsse wie Temperatur- oder Feuchtigkeitsänderungen möglichst auszuschalten, wird eine Kompensationsmessmethode angewendet. Dazu wird der Messkondensator in eine Brückenschaltung eingebaut, in der sich auch ein Referenzkondensator befindet. Die Brückenschaltung wird so abgeglichen, dass sie ohne Prüfgut den Wert Null liefert und mit Prüfgut ein Ausgangssignal, das zu der im Messkondensator befindlichen Prüfgutmasse proportional ist. Wenn der Referenzkondensator gleich aufgebaut und denselben Störeinflüssen ausgesetzt ist wie der Messkondensator, beeinflussen die Störeinflüsse die Messresultate nicht. Beispiele für geeignete Kompensationsbrückenschaltungen sind in den Schriften US-2011/254567 Al und US-2013/342225 Al angegeben. Die letztere geht davon aus, dass sich der Messkondensator und der Referenzkondensator im selben Messspalt befinden. Im Unterschied dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung mit zwei üblicherweise nebeneinander und parallel zueinander liegenden Durchgangsöffnungen, von denen die eine den Messkondensator und die andere den Referenzkondensator beherbergt.
Die WO-2016/149847 Al befasst sich mit dem Problem der Verfälschung von Messresultaten kapazitiver textiler Prüfgeräte durch Temperaturänderungen. Elektronische Schaltungen moderner kapazitiver Sensorbaugruppen sind mit vielen elektronischen Bauelementen wie Halbleiterverstärkern bestückt, die zusammen eine grosse Verlustwärme erzeugen. Beim Einschalten des Prüfgerätes führt diese Verlustwärme zu einer langsamen Erwärmung der Sensorbaugruppe und damit zu einer thermischen Drift, welche die Messresultate bis zum Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes verfälscht. Zur Abhilfe schlägt die WO-2016/149847 Al vor, einen Temperatursensor und einen ansteuerbaren elektro thermischen Wandler in die kapazitive Sensorbaugruppe einzubauen. Damit kann die Sensorbaugruppe aktiv auf einen Temperatursollwert geregelt werden, so dass sie weitgehend stabil und ohne Temperaturdrift misst. Bei Temperaturänderungen dehnen sich sowohl die Trägerplatten der Kondensatorelektroden als auch der Abstandshalter zwischen den Trägerplatten aus. Diese bestehen üblicherweise aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Da eine Wärmeausdehnung der Trägerplatten und eine Wärmeausdehnung des Abstandshalters die Kapazität des Kondensators in entgegengesetzte Richtungen beeinflussen, können sich bei geeigneter Materialwahl die Wärmeausdehnungen der beiden Materialien so kompensieren, dass die Kapazität bei jeder beliebigen Temperaturänderung unverändert bleibt. Diese Idee der passiven Temperaturkompensation macht sich die US-5,099,386 A zunutze.
In einem vereinfachten Modell wird angenommen, dass die Wärmeausdehnung der Kondensatorelektroden durch die Wärmeausdehnung der Trägerplatten dominiert wird.
Die Trägerplatten sollen einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten at und der Abstandshalter einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten CXA haben. Die Kapazität C eines Plattenkondensators ist bekanntlich proportional zum Verhältnis A/d des Flächeninhalts A einer Elektrode zum Elektrodenabstand d:
Unter diesen Annahmen ergibt sich die Empfindlichkeit der Kapazität C gegenüber der Temperatur T wie folgt:
Der Plattenkondensator ist somit unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen (dC/dT = 0) für ctA — 2at , (3) d. h. wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abstandshalters doppelt so gross ist wie derjenige der Trägerplatten. Dies lässt sich durch geeignete Materialwahl für die Trägerplatten und den Abstandshalter annähern.
Heutige kapazitive Garnprüfgeräte sind hochpräzise Labormessgeräte. Sie erfassen Massenänderungen des laufenden Garns, die relative Kapazitätsänderungen AC/C des Messkondensators in der Grössenordnung von bloss einem Millionstel bewirken, d. h.
— c » 10~6 . (4) ’
Eine solche Messgenauigkeit ist nahe an der Grenze des physikalisch Messbaren. Deshalb besteht Bedarf nach weiteren Verbesserungen, insbesondere nach einer weiter reduzierten Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangförmigen Prüfgutes zu schaffen, die eine gegenüber dem Stand der Technik weiter verbesserte Temperaturstabilität aufweist.
Diese und andere Aufgaben werden durch die erfmdungsgemässe Vorrichtung, wie sie im unabhängigen Patentanspruch definiert ist, gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfinder haben erkannt, dass es nicht genügt, die Vorrichtung so zu gestalten, dass sie in einem stationären Gleichgewichtszustand nach einer Temperaturänderung gleich misst wie vor der Temperaturänderung, wie es die US-5,099,386 A vorschlägt (vgl. Gleichung (3) oben). Ein solcher Gleichgewichtszustand stellt sich nämlich erst längere Zeit nach der Temperaturänderung ein. Wenn verschiedene Komponenten der Vorrichtung unterschiedlich schnell auf die Temperaturänderung reagieren, verformen sie sich vorübergehend unterschiedlich. Dies führt zu einer Verfälschung von Messungen, die während der Übergangszeit durchgeführt werden. Die Erfindung beruht somit auf der Idee, auch die dynamischen Veränderungen der Vorrichtung zu berücksichtigen, die durch eine zeitliche Temperaturänderung hervorgerufen werden.
Die Erfindung verwendet eine an sich bekannte Kompensationsmessbrücke mit zwei Kondensatoranordnungen, die je einen Kondensator aufweisen. Einer der Kondensatoren beinhaltet das Prüfgut und wird als Messkondensator verwendet, während der andere Kondensator leer bleibt und als Referenzkondensator dient. Die erfmdungsgemässe Vorrichtung wird so gestaltet, dass ihre Wandler, nämlich die beiden Kondensatoren, gleichzeitig und gleich auf Temperaturänderungen reagieren, so dass ihre Differenz im Wesentlichen immer konstant bleibt. Durch diese passive Massnahme wird sichergestellt, dass auch Messungen, die während eines Übergangs von einem ersten zu einem zweiten Gleichgewichtszustand durchgeführt werden, unverfälscht sind.
In dem vereinfachten Modell, das bereits in der Diskussion des Stands der Technik eingeführt wurde, kann die zeitliche Veränderung dC/dt der Kapazität C eines Plattenkondensators bei einer Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr wie folgt berechnet werden: worin bedeuten:
C die Kapazität t die Zeit at, CXA die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Trägerplatten bzw. des
Abstandshalters
CT, CA die spezifischen Wärmekapazitäten der Trägerplatten bzw. des
Abstandshalters iht, nciA die Massen der Trägerplatten bzw. des Abstandshalters dQr/dt, dQA/dt die Wärmeflüsse in die Trägerplatten bzw. in den Abstandshalter. Erfindungsgemäss sollen die beiden Kondensatoren - der Messkondensator (im Folgenden mit dem Index 1 bezeichnet) und der Referenzkondensator (im Folgenden mit dem Index 2 bezeichnet) -, gleichzeitig und gleich auf Temperaturänderungen reagieren, d. h. die zeitlichen Veränderungen ihrer Kapazitäten sollen gleich sein: dCi/dt = dC2/dt. Dann folgt aus Gleichung (5)
Es gibt viele Sätze von Parameterweilen, welche die Gleichung (6) erfüllen. Nachfolgend werden die folgenden vereinfachenden Annahmen getroffen:
• Im Anfangszustand ist die Vorrichtung abgeglichen, d. h. die beiden Kapazitäten sind gleich: Ci = C2.
• Die Vorrichtung ist symmetrisch bezüglich der Materialien, d. h. ati = at2, CTI = CT2 etc. Die Träger und die Abstandshalter werden separat betrachtet, d. h. die Minuenden bzw. die Subtrahenden auf beiden Seiten von Gleichung (6) werden einander jeweils gleichgesetzt.
Damit folgt
Ferner kann angenommen werden, dass in der Vorrichtung die Wärmeflüsse in die beiden Kondensatoranordnungen einander näherungsweise gleich sind, d. h. dQn/dt ~ dQT2/dt und dQAi /dt ~ dQA2/dt. Dies wird durch einen möglichst schnellen Temperaturausgleich zwischen den Bauteilen der Vorrichtung, d. h. durch ihre thermische Kopplung, begünstigt. Unter diesen Annahmen ergibt sich aus Gleichung (7), dass die erfmdungsgemässe Vorrichtung symmetrisch bezüglich der Massen sein sollte:
IΏTI = iht2 und nui = mA2 (8) Die obige modellhafte Rechnung zeigt, dass zur unveränderlichen Differenz der beiden Kapazitäten bei einer Temperaturänderung die folgenden voneinander weitgehend unabhängigen Massnahmen beitragen:
• Materialsymmetrie und Massensymmetrie und/oder
• thermische Kopplung der beiden Kondensatoranordnungen.
Die Material- und Massensymmetrie sorgen dafür, dass derselbe Wärmefluss in einander entsprechenden Bauteilen der beiden Kondensatoranordnungen dieselbe Kapazitätsänderung der beiden Kondensatoren verursacht. Somit verändern sich die beiden Kapazitäten zeitlich gleich, wenn Wärme mit der Zeit zu- oder abgefühlt wird.
Die thermische Kopplung sorgt für einen möglichst schnellen Temperaturausgleich zwischen den Bauteilen der Vorrichtung und für möglichst gleiche Wärmeflüsse in die beiden Kondensatoranordnungen. Sie ist besonders dann wichtig, wenn ein räumliches Temperaturgefälle besteht. „Thermisch gekoppelt“ heisst in dieser Schrift, dass zwischen den thermisch miteinander gekoppelten Bauteilen eine gute Wärmeleitung möglich sein soll. Zu diesem Zweck stehen die Bauteile entweder in direktem Kontakt miteinander oder sind über ein Medium oder mehrere Medien miteinander verbunden, die einen guten Wärmedurchgang erlauben, d. h. nicht thermisch isolieren. Der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen den beiden Bauteilen sollte grösser als ca.
200 W/(m2 K) und vorzugsweise grösser als ca. 1000 W/(m2-K) sein.
Diese Schrift beschränkt sich auf Temperaturänderungen, die vernünftigerweise in Innenräumen auftreten können. Diese können entweder natürliche Ursachen - z. B. eine meteorologisch bedingte Änderung der Lufttemperatur - oder technische Ursachen - z. B. eine Erwärmung eines elektronischen Bauteils in der Nähe der Vorrichtung - haben. In beiden Fällen werden die Temperaturänderungen ca. +10 °C nicht übersteigen und liegen vorzugsweise unterhalb von +5 °C.
Der in dieser Schrift verwendete Ausdruck «im Wesentlichen konstant» lässt einen gewissen Spielraum offen, denn eine mathematisch strenge Konstanz lässt sich in der Praxis aufgrund verschiedener Unvollkommenheiten des Aufbaus nie erreichen. Der
- Ί - Ausdruck bedeutet, dass die relativen Schwankungen A(Ci - C2)/(Ci + C2) kleiner oder gleich 1CT5 und vorzugsweise kleiner oder gleich 5 · 106 sein sollen.
Die erfmdungsgemässe Vorrichtung dient zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangfbrmigen Prüfgutes. Sie beinhaltet eine erste Kondensatoranordnung mit einer ersten Durchgangsöffnung, durch welche das Prüfgut entlang seiner Längsachse bewegbar ist, und einem ersten Kondensator, der an der ersten Durchgangsöffnung derart angeordnet ist, dass seine Kapazität von einem in der ersten Durchgangsöffnung befindlichen Prüfgut beeinflussbar ist, und der ohne Prüfgut eine erste Kapazität aufweist. Ferner beinhaltet die Vorrichtung eine zweite Kondensatoranordnung mit einer zweiten Durchgangsöffnung und einem zweiten Kondensator, der an der zweiten Durchgangsöffnung angeordnet ist und der eine zweite Kapazität aufweist. Die Vorrichtung beinhaltet ausserdem eine Kompensationsmessbrücke, die den ersten Kondensator und den zweiten Kondensator beinhaltet. Die erste Kondensatoranordnung und die zweite Kondensatoranordnung sind derart beschaffen und angeordnet, dass bei einer zeitlichen Temperaturänderung eine Differenz der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Differenz der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität ist vorzugsweise null.
In einer Ausführungsform weisen die erste Kondensatoranordnung und die zweite Kondensatoranordnung einen zueinander analogen Aufbau auf, und einander entsprechende Bauteile der ersten Kondensatoranordnung und der zweiten Kondensatoranordnung bestehen aus jeweils demselben Material.
In einer Ausführungsform beinhalten die erste Kondensatoranordnung und die zweite Kondensatoranordnung jeweils zwei voneinander beabstandete, zueinander parallele Trägerplatten, zwischen denen sich die Durchgangsöffnung befindet und auf denen der erste Kondensator bzw. der zweite Kondensator angeordnet ist, und die Durchgangsöffnung ist jeweils durch einen zwischen Teilen der beiden Trägerplatten eingeklemmten ersten Abstandshalter bzw. zweiten Abstandshalter definiert. Die Massen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters sind vorzugsweise gleich. Die Massen der einander entsprechenden Trägerplatten der ersten Kondensatoranordnung und der zweiten Kondensatoranordnung sind vorzugsweise gleich. Der erste Kondensator kann zwei Elektroden aufweisen, die je auf oder in einer der Trägerplatten der ersten Kondensatoranordnung angeordnet sind, der zweite Kondensator kann zwei Elektroden aufweisen, die je auf oder in einer der Trägerplatten der zweiten Kondensatoranordnung angeordnet sind, und die Massen der einander entsprechenden Elektroden der ersten Kondensatoranordnung und der zweiten Kondensatoranordnung sind vorzugsweise gleich.
In einer Ausführungsform sind mindestens ein Bauteil der ersten Kondensatoranordnung und ein Bauteil der zweiten Kondensatoranordnung miteinander thermisch gekoppelt. Der erste Abstandshalter und der zweite Abstandshalter sind vorzugsweise miteinander thermisch gekoppelt. Eine Trägerplatte der ersten Kondensatoranordnung und eine Trägerplatte der zweiten Kondensatoranordnung sind vorzugsweise miteinander thermisch gekoppelt. Mindestens ein Abstandshalter und mindestens eine Trägerplatte sind vorzugsweise miteinander thermisch gekoppelt.
In einer Ausführungsform bestehen die Trägerplatten aus einem Keramikmaterial und/oder die Abstandshalter aus einem Metall.
Eine Trägerplatte der ersten Kondensatoranordnung kann mit einer Trägerplatte der zweiten Kondensatoranordnung zusammenfallen.
In einer Ausführungsform weist der erste Kondensator zwei ebene Elektroden auf, die je auf oder in einer der Trägerplatten der ersten Kondensatoranordnung angeordnet sind, und der zweite Kondensator weist zwei ebene Elektroden auf, die je auf oder in einer der Trägerplatten der zweiten Kondensatoranordnung angeordnet sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abstandshalters der jeweiligen Kondensatoranordnung ist doppelt so gross wie derjenige der Trägerplatten derselben Kondensatoranordnung.
Die erste Durchgangsöffnung und die zweite Durchgangsöffnung sind vorzugsweise derart gegenseitig angeordnet, dass das Prüfgut durch genau die erste Durchgangsöffnung, nicht aber gleichzeitig ohne Richtungsänderung durch die zweite Durchgangsöffnung entlang seiner Längsachse bewegbar ist. In einer Ausführungsform weisen die erste Durchgangsöffnung eine erste Öffnungsweite aufweist und die zweite Durchgangsöffnung eine zweite, von der ersten Öffnungsweite verschiedene Öffnungsweite aufweist. Dank der Erfindung weist die Vorrichtung bzw. ihre Messresultate eine gute
Temperaturstabilität auf. Sie misst genau und zuverlässig nicht nur während eines Gleichgewichtszustands, sondern auch während einer Übergangszeit von einem Gleichgewichtszustand zu einem anderen, während sich die Temperatur ändert. Diese Verbesserung ist in der Praxis durchaus bedeutsam, denn die Erreichung eines neuen Gleichgewichtszustands kann erfahrungsgemäss bis zu ca. 20 Minuten dauern. Bisher wurde während dieser Übergangszeit entweder ungenau oder gar nicht gemessen. Die Erfindung schafft demgegenüber Abhilfe. AUFZAHLUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert erläutert. Zum Vergleich ist in Figur 3(a) auch Stand der Technik dargestellt.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in einem Querschnitt. Figur 2 zeigt die zwei Abstandshalter der Vorrichtung von Figur 1 in je einer Ansicht senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1.
Figur 3 zeigt jeweils schematische zeitliche Verläufe einer Temperatur sowie zweiter
Kapazitäten und ihrer Differenz (a) für eine Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik und (b) für eine erfindungsgemässe Vorrichtung.
AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfmdungsgemässen Vorrichtung 1 zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangförmigen Prüfgutes 9, z. B. eines Garns, eines Vorgarns oder eines Faserbands. Die beispielhafte Vorrichtung 1 beinhaltet zwei Kondensatoranordnungen 2.1, 2.2. Die Erfindung ist jedoch nicht auf zwei Kondensatoranordnungen beschränkt; die erfindungsgemässe Vorrichtung kann mehr als zwei, z. B. vier, Kondensatoranordnungen beinhalten.
Eine erste Kondensatoranordnung 2.1 beinhaltet zwei voneinander beabstandete, zueinander parallele Trägerplatten 31.1, 32.1, die bspw. aus einem Keramikmaterial bestehen. Zwischen den beiden Trägerplatten 31.1, 32.1 befindet sich eine erste Durchgangsöffnung 21.1 mit einer ersten Öffnungsweite di. Die erste Öffnungsweite di kann z. B. im Bereich zwischen 0.1 mm und 10 mm liegen. Die erste Durchgangsöffnung
21.1 ist durch einen ersten Abstandshalter 4.1 definiert, der zwischen Teilen der beiden Trägerplatten 31.1, 32.1 eingeklemmt ist. Der erste Der Abstandshalter 4.1 kann z. B. aus einem Metall bestehen.
Auf jeder der einander und der ersten Durchgangsöffnung 21.1 zugewandten Plattenflächen befindet sich eine metallische Elektrode 51.1, 52.1. Die Elektroden 51.1,
52.1 können z. B. mittels Beschichtung der Trägerplatten 31.1, 32.1 oder mittels Befestigung je einer Metallplatte auf die Trägerplatten 31.1 , 32.1 aufgebracht werden. Die beiden Elektroden 51.1, 52.1 liegen einander gegenüber und bilden zusammen einen ersten Kondensator 5.1, der als Plattenkondensator ausgebildet ist. Ferner kann jede Trägerplatte
31.1. 32.1 inklusive ihrer Elektrode 51.1, 52.1 von mindestens einer (nicht eingezeichneten) Schutzummantelung, z. B. einer Lackschicht, bedeckt sein.
Das Prüfgut 9 kann von aussen in die erste Durchgangsöffnung 21.1, mithin in den ersten Kondensator 5.1, eingeführt werden und ist durch die erste Durchgangsöffnung 21.1 und den ersten Kondensator 5.1 entlang seiner Längsachse bewegbar. Wenn sich das Prüfgut 9 im ersten Kondensator 5.1 befindet, beeinflusst es eine Kapazität des ersten Kondensators 5.1. Die Kapazität ist von der im ersten Kondensator 5.1 befindlichen Masse des Prüfgutes 9 abhängig, so dass sie z. B. bei bewegtem Prüfgut 9 ein Mass für Massenänderungen des Prüfgutes 9 entlang seiner Längsachse ist.
Eine zweite Kondensatoranordnung 2.2 ist analog zur ersten Kondensatoranordnung 2.1 aufgebaut. Somit beinhaltet eine zweite Kondensatoranordnung 2.2 zwei voneinander beabstandete, zueinander parallele Trägerplatten 31.2, 32.2. Zwischen den beiden Trägerplatten 31.2, 32.2 befindet sich eine zweite Durchgangsöffnung 21.2 mit einer zweiten Öffnungsweite th. Die zweite Öffnungsweite ck kann z. B. ebenfalls im Bereich zwischen 0.1 mm und 10 mm liegen. Sie kann - wie in Figur 1 -von der ersten Öffnungsweite di verschieden oder dieser gleich sein. Die zweite Durchgangsöffnung 21.2 ist durch einen zweiten Abstandshalter 4.2 definiert, der zwischen Teilen der beiden Trägerplatten 31.2, 32.2 eingeklemmt ist. Auf jeder der einander und der zweiten Durchgangsöffnung 21.2 zugewandten Plattenflächen befindet sich eine metallische Elektrode 51.2, 52.2. Die beiden Elektroden 51.2, 52.2 liegen einander gegenüber und bilden zusammen einen zweiten Kondensator 5.2.
In der bevorzugten Ausführungsform gemäss Figur 1 fällt eine Trägerplatte 32.1 der ersten Kondensatoranordnung 2.1 mit einer Trägerplatte 32.2 der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 zusammen. Dementsprechend weist diese mittlere Trägeiplatte 32.1, 32.2 auf jeder ihrer beiden Plattenflächen eine Elektrode 52.1, 52.2 auf, von denen die eine zum ersten Kondensator 5.1 und die andere zum zweiten Kondensator 5.2 gehört. Eine solche Doppelfunktion einer Trägerplatte 32.1, 32.2 ist aber nicht zwingend für die Erfindung. In anderen Ausführungsformen können die Kondensatoranordnungen 2.1, 2.2 je zwei eigene, voneinander verschiedene Trägerplatten haben.
Nur die erste Kondensatoranordnung 2.1 nimmt das Prüfgut 9 auf, während die zweite Kondensatoranordnung 2.2 leer bleibt, d. h. es befindet sich nur Luft in der zweiten Durchgangsöffnung 21.2. Somit dient der erste Kondensator 5.1 als Messkondensator, während der zweite Kondensator 5.2 als Referenzkondensator zur Kompensation von Umwelteinflüssen wie Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsänderungen dient. Diese beiden unterschiedlichen Funktionen brauchen aber den beiden Kondensatoren 5.1, 5.2 nicht fest zugeordnet zu sein, sondern können vorzugsweise vertauscht werden. Die erste Kondensatoranordnung 2.1 mit der breiteren ersten Durchgangsöffnung 21.1 eignet sich für dickere Prüfgüter 9, während dünnere Prüfgüter 9 in der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 mit der schmaleren zweiten Durchgangsöffnung 21.2 geprüft werden können.
Die beiden Kondensatoranordnungen 2.1, 2.2 können in einem Trägerblock 6 befestigt sein. Die Kapazitäten des ersten Kondensators 5.1 und des zweiten Kondensators 5.2 sind vorzugsweise gleich gross. Zu diesem Zweck haben die Elektroden 51.2, 52.2 des zweiten Kondensators 5.2 einen kleineren Flächeninhalt als die Elektroden 51.1, 52.1 des ersten Kondensators 5.1, um die unterschiedlichen Öffnungsweiten di > d2 auszugleichen. Unterschiedliche Kapazitäten der beiden Kondensatoren 5.1, 5.2 könnten mit zusätzlichen (nicht eingezeichneten) Kondensatoren kompensiert werden.
Der erste Kondensator 5.1 und der zweite Kondensator 5.2 sind in einer Kompensationsmessbrücke eingebaut. Verschiedene geeignete
Kompensationsmessbrücken sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen hier nicht erläutert zu werden. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1 legen zwei Wechselsignalgeneratoren 7.1, 7.2 elektrische Wechselsignale mit gleicher Frequenz, aber einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 180° an je eine äussere Elektrode 51.1, 51.2 des ersten Kondensators 5.1 bzw. des zweiten Kondensators 5.2 an. Die beiden inneren Elektroden 52.1, 52.2 sind elektrisch miteinander verbunden. Ein an ihnen abgegriffenes elektrisches Ausgangssignal wird auf einer Ausgangsleitung 81 einer Auswerteeinheit 8 zur Auswertung zugeführt.
Im Leerzustand ohne Prüfgut 9 sollte die Kompensationsmessbrücke bei gleichen Kapazitäten des ersten Kondensators 5.1 und des zweiten Kondensators 5.2 im Gleichgewicht sein und auf der Ausgangsleitung 81 ein Nullsignal liefern. Abgleichmittel für den Nullabgleich von kapazitiven Messbrücken sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen hier nicht diskutiert zu werden. Durch Einführung des Prüfgutes 9 in die erste Durchgangsöffnung 21.1 verändert sich die Kapazität des ersten Kondensators 5.1, so dass die Messbrücke aus dem Gleichgewicht gerät. Ihr von null verschiedenes Ausgangssignal ist ein Mass für die im ersten Kondensator 5.1 befindliche Prüfgutmasse.
In einer Ausführungsform weisen die erste Kondensatoranordnung 2.1 und die zweite Kondensatoranordnung 2.2 einen zueinander analogen Aufbau auf, und einander entsprechende Bauteile der ersten Kondensatoranordnung 2.1 und der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 bestehen aus jeweils demselben Material. In einer Ausführungsform sind die Massen des ersten Abstandshalters 4.1 und des zweiten Abstandshalters 4.2 gleich (vgl. Gleichung (8) oben). Da die Dicken des ersten Abstandshalters 4.1 und des zweiten Abstandshalters 4.2 voneinander verschieden sind, sollte die Massensymmetrie durch unterschiedliche Flächeninhalte erzielt werden. Ein solches Ausführungsbeispiel wird im folgenden Absatz diskutiert.
Die Figuren 2(a) und (b) zeigen ein Beispiel der beiden Abstandshalter 4.1 bzw. 4.2. Die Abstandshalter 4.1, 4.2 sind hier in einer Ansicht senkrecht zur Zeichenebene der Figur 1 dargestellt, z. B. als Längsschnitte entlang der Ebenen a-a bzw. b-b in Figur 1 oder als Seitenansichten parallel zu diesen Ebenen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird angenommen, der erste Abstandshalter 4.1 habe eine grössere Dicke als der zweite Abstandshalter 4.2. Zur Erzielung der Massengleichheit sollte der erste Abstandshalter 4.1 einen entsprechend kleineren Flächeninhalt aufweisen als der zweite Abstandshalter 4.2. Im Beispiel von Figur 2 ist der erste Abstandshalter 4.1 im Wesentlichen als rechteckiger Rahmen ausgeführt, der eine rechteckige Aussparung 41 umrahmt. Selbstverständlich können die Abstandshalter 4.1, 4.2 andere geometrische Formen aufweisen. Es können mehrere Aussparungen vorhanden sein. Die Aussparung kann sich am Rand statt im Inneren des ersten Abstandshalters befinden. Die Aussparung braucht nicht durchgehend zu sein.
In einer Ausführungsform sind die Massen der Trägerplatten 31.1 , 32.1 , 31.2, 32.2 der ersten Kondensatoranordnung 2.1 und der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 gleich (vgl. Gleichung (8) oben). Vorzugsweise sind die Trägeiplatten 31.1, 32.1, 31.2, 32.2 identisch. Falls nicht, so kann die Massensymmetrie durch geeignete Wahl ihrer Dicken und Flächeninhalte erzielt werden.
In einer Ausführungsform sind die Massen der einander entsprechenden Elektroden 51.1, 51.2; 52.1, 52.2 der ersten Kondensatoranordnung 2.1 und der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 gleich. Falls die Elektroden 51.1, 51.2; 52.1, 52.2 nicht identisch sind, so kann die Massensymmetrie durch geeignete Wahl ihrer Dicken und Flächeninhalte erzielt werden. Dank der oben beschriebenen Material- und Massensymmetrie erfahren einander entsprechende Bauteile bei einer äusseren Temperaturänderung gleichzeitig dieselbe Temperaturänderung. Somit bleibt die Messbrücke selbst während der Temperaturänderung immer im Gleichgewicht.
In einer Ausführungsform sind mindestens ein Bauteil der ersten Kondensatoranordnung 2.1 und ein Bauteil der zweiten Kondensatoranordnung 2.2 miteinander thermisch gekoppelt. Die thermische Kopplung kann zwischen dem ersten Abstandshalter 4.1 und dem zweiten Abstandshalter 4.2, zwischen den Trägerplatten 31.1, 32.1, 32.1, 32.2 untereinander und/oder zwischen einem Abstandshalter 4.1 , 4.2 und einer Trägerplatte 31.1, 32.1, 32.1, 32.2 bestehen. Auch der Trägerblock 6 ist vorzugsweise mit den Abstandshaltem 4.1, 4.2 und/oder den Trägerplatten 31.1, 32.1, 32.1, 32.2 thermisch gekoppelt. Zwischen den thermisch miteinander gekoppelten Bauteilen soll eine gute Wärmeleitung möglich sein. Der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen den beiden Bauteilen sollte grösser als ca. 200 W/(m2-K) und vorzugsweise grösser als ca.
1000 W/(m2-K) sein.
Dank der thermischen Kopplung findet ein möglichst schneller Temperaturausgleich zwischen den Bauteilen der Vorrichtung 1 statt. Somit wird ein räumliches Temperaturgefälle schnell ausgeglichen und die Messbrücke wieder ins Gleichgewicht gebracht.
Figur 3 illustriert Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik. Sie zeigt jeweils schematische zeitliche Verläufe einer Temperatur T(t) - bspw. einer Lufttemperatur - in einer Umgebung der Vorrichtung- sowie zweier Kapazitäten Ci(t), C2(t) und ihrer Differenz Ci(t) - C2(t) gegenüber einer Zeit t. Zu einer Anfangszeit to soll die Messbrücke in einem ersten Gleichgewichtszustand sein, d. h. die beiden Kapazitäten C i (to) = C2(to) sind gleich gross. Im Beispiel von Figur 3 wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass die Temperatur T(t) im Verlauf der Zeit t > to steige. Da die Trägerplatten grossflächig mit der Umgebungsluft in Kontakt sind, werden sie sich vor den Abstandshaltern erwärmen und dadurch ausdehnen, was zu einer Erhöhung der Kapazitäten Ci(t), C2(t) führt. Erst später erwärmen sich die Abstandshalter und dehnen sich aus, was eine Erniedrigung der Kapazitäten Ci(t), C2(t) zur Folge hat. In Figur 3(a) sind die Verläufe für eine Vorrichtung gemäss dem Stand der Technik dargestellt. Da hier bspw. die Massen der beiden Abstandshalter ungleich sind, verändern sich die beiden Kapazitäten Ci(t), C2(t) zeitlich unterschiedlich, so dass ihre Differenz Ci(t) - C2 ) über längere Zeit ungleich null ist. Während dieser Übergangszeit ist die Messbrücke nicht ab geglichen, was zu verfälschten Messresultaten führt. Dieser Nachteil tritt selbst dann auf, wenn jeder der Kondensatoren für eine passive Temperaturkompensation gemäss der US-5,099,386 A ausgestaltet ist, so dass die beiden Kapazitäten Ci(t), C2(t) nach der Übergangszeit, im zweiten Gleichgewichtszustand, wieder ihren ersten Wert Ci(to) = C2(to) annehmen und gleich gross sind.
Figur 3(b) zeigt die Verläufe für die erfindungsgemässe Vorrichtung 1. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind hier die beiden Kondensatoranordnungen 2.1 , 2.2 derart beschaffen und angeordnet, dass zu jeder Zeit t > to die beiden Kapazitäten Ci(t) = C2(t) gleich gross sind und ihre Differenz Ci(t) - C2(t) somit null ist. Mit anderen Worten: Die Messbrücke ist zu jeder Zeit t > to abgeglichen und misst fehlerfrei. Die passive Temperaturkompensation gemäss der US-5,099,386 A (Gleichung (3) oben) kann angewendet werden, ist aber keine notwendige Bedingung für das Funktionieren der Erfindung. Im Beispiel von Figur 3(b) haben die Kapazitäten Ci(t), C2(t) im zweiten Gleichgewichtszustand einen anderen Wert als im ersten.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben diskutierten Ausführungsformen beschränkt. Bei Kenntnis der Erfindung wird der Fachmann weitere Varianten herleiten können, die auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehören.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung 2.1, 2.2 erste bzw. zweite Kondensatoranordnung
21.1, 21.2 erste bzw. zweite Durchgangsöffnung
3.1 , 3.2 erster bzw. zweiter Kondensator
31.1 , 32.1 , 31.2, 32.2 Trägerplatten
4.1 , 4.2 erster bzw. zweiter Abstandshalter
41 Aussparung
5.1 , 5.2 erster bzw. zweiter Kondensator 51.1, 52.1, 51.2, 52.2 Elektroden
6 Trägerblock
7.1, 7.2 erster bzw. zweiter Wechselsignalgenerator
8 Auswerteeinheit
81 Ausgangsleitung
9 Prüfgut

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zur kapazitiven Untersuchung eines bewegten strangförmigen Prüfgutes (9), beinhaltend eine erste Kondensatoran Ordnung (2.1) mit einer ersten Durchgangsöffnung (21.1), durch welche das Prüfgut (9) entlang seiner Längsachse bewegbar ist, und einem ersten Kondensator (5.1), der an der ersten Durchgangsöffnung (21.1) derart angeordnet ist, dass seine Kapazität von einem in der ersten Durchgangsöffnung (21.1) befindlichen Prüfgut (9) beeinflussbar ist, und der ohne Prüfgut (9) eine erste Kapazität aufweist, eine zweite Kondensatoranordnung (2.2) mit einer zweiten Durchgangsöffnung (21.2) und einem zweiten Kondensator (5.2), der an der zweiten Durchgangsöffnung (21.2) angeordnet ist und der eine zweite Kapazität aufweist, sowie eine Kompensationsmessbrücke, die den ersten Kondensator (5.1) und den zweiten Kondensator (5.2) beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kondensatoranordnung (2.1) und die zweite Kondensatoranordnung (2.2) derart beschaffen und angeordnet sind, dass bei einer zeitlichen Temperaturänderung eine Differenz der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität im Wesentlichen konstant bleibt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Differenz der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität null ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Kondensatoranordnung (2.1) und die zweite Kondensatoranordnung (2.2) einen zueinander analogen Aufbau aufweisen und einander entsprechende Bauteile der ersten Kondensatoranordnung (2.1) und der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) aus jeweils demselben Material bestehen.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die erste Kondensatoranordnung (2.1) und die zweite Kondensatoranordnung (2.2) jeweils zwei voneinander beabstandete, zueinander parallele Trägerplatten (31.1, 32.1; 31.2, 32.2) beinhalten, zwischen denen sich die Durchgangsöffnung (21.1, 21.2) befindet und auf denen der erste Kondensator (5.1) bzw. der zweite
Kondensator (5.2) angeordnet ist, und die Durchgangsöffnung (21.1, 21.2) jeweils durch einen zwischen Teilen der beiden Trägerplatten (31.1, 32.1; 31.2, 32.2) eingeklemmten ersten Abstandshalter (4.1) bzw. zweiten Abstandshalter (4.2) definiert ist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Massen des ersten Abstandshalters (4.1) und des zweiten Abstandshalters (4.2) gleich sind.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Massen der einander entsprechenden Trägeiplatten (31.1 , 32.1 ; 31.2, 32.2) der ersten
Kondensatoranordnung (2.1) und der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) gleich sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4-6, wobei der erste Kondensator (5.1) zwei Elektroden (51.1, 52.1) aufweist, die je auf oder in einer der Trägerplatten (31.1, 32.1) der ersten Kondensatoranordnung (2.1 ) angeordnet sind, der zweite Kondensator (5.2) zwei Elektroden (51.2, 52.2) aufweist, die je auf oder in einer der Trägerplatten (31.2, 32.2) der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) angeordnet sind, und die Massen der einander entsprechenden Elektroden (51.1, 52.1; 51.2, 52.2) der ersten Kondensatoranordnung (2.1) und der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) gleich sind.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3-7, wobei mindestens ein Bauteil der ersten Kondensatoranordnung (2.1) und ein Bauteil der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) miteinander thermisch gekoppelt sind.
9. Vorrichtung ( 1 ) nach den Ansprüchen 4 und 8, wobei der erste Abstandshalter (4.1) und der zweite Abstandshalter (4.2) miteinander thermisch gekoppelt sind.
10. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Trägerplatte (31.1, 32.1) der ersten Kondensatoranordnung (2.1 ) und eine Trägerplatte (31.2, 32.2) der zweiten
Kondensatoranordnung (2.2) miteinander thermisch gekoppelt sind.
11. Vorrichtung ( 1 ) nach Anspruch 4 einerseits und einem der Ansprüche 8- 10 andererseits, wobei mindestens ein Abstandshalter (4.1, 4.2) und mindestens eine Trägerplatte (31.1 , 32.1 ; 31.2, 32.2) miteinander thermisch gekoppelt sind.
12. Vorrichtung ( 1 ) nach einem der Ansprüche 4-11, wobei die Trägeiplatten (31.1, 32.1; 31.2, 32.2) aus einem Keramikmaterial und/oder die Abstandshalter (4.1, 4.2) aus einem Metall bestehen.
13. Vorrichtung ( 1 ) nach einem der Ansprüche 4- 12, wobei eine Trägerplatte (32.1) der ersten Kondensatoranordnung (2.1) mit einer Trägerplatte (32.2) der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) zusammenfällt.
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprü che 4-13, wobei der erste Kondensator (5.1) zwei ebene Elektroden (51.1, 52.1) aufweist, die je auf oder in einer der Trägerplatten (31.1 , 32.1 ) der ersten Kondensatoranordnung (2.1) angeordnet sind, der zweite Kondensator (5.2) zwei ebene Elektroden (51.2, 52.2) aufweist, die je auf oder in einer der Trägerplatten (31.2, 32.2) der zweiten Kondensatoranordnung (2.2) angeordnet sind, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Abstandshalters (4.1, 4.2) der jeweiligen Kondensatoranordnung (2.1, 2.2) doppelt so gross ist wie derjenige der Trägerplatten (31.1, 32.1 ; 31.2, 32.2) derselben Kondensatoranordnung (2.1, 2.2).
15. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Durchgangsöffnung (21.1) und die zweite Durchgangsöffnung (21.2) derart gegenseitig angeordnet sind, dass das Prüfgut (9) durch genau die erste Durchgangsöffnung (21.1), nicht aber gleichzeitig ohne Richtungsänderung durch die zweite Durchgangsöffnung (21.2) entlang seiner Längsachse bewegbar ist.
16. Vorrichtung ( 1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Durchgangsöffnung (21.1) eine erste Öffnungsweite (di) aufweist und die zweite
Durchgangsöffnung (21.2) eine zweite, von der ersten Öffnungsweite (di) verschiedene Öffnungsweite (d2) aufweist.
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