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Rollenförmige Elektrodensonde fUr elektrische Feuchtigkeitsmeßgeräte
Die Erfindung betrifft elektrische Feuchtigkeitsmesser im allgemeinen und insbesondere
eine neue und verbesserte rollenförmige Sonde für ein Feuchtigkeitsmeßgerät zum
Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts, beispielsweise in einer von einer bewegten Bahn
aufgewickelten Papterrole.
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Bekannt ist ein Instrument dieser Art, das eine Sonde in Form zweier
paralleler Rollen verwendet, die mit dem Umfang einer rotierenden Papierrolle in
Eingriff sind und die ein Hoch-Frequenz feld in das Papier senden; die Rollen sind
die Ausgangselektroden eines HF-Oszillators, der gewöhnlich im Megahertz-Bereich
arbeitet (vgl. US Patent Nr. 3 046 479).
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Die beiden Rollen können als zwei Elemente eines elektrischen Kondensators
wirken, die voneinander in Abstand angeordnet
sind, so daß sich
ein elektrisches HF-Feld zwischen ihnen ausbilden kann. Dieses Feld durchdringt
eine Substanz, beispielsweise eine Papierrolle, bis zu einer gewissen Tiefe, wenn
die Rollenelektroden gegen die Oberfläche der Rolle gehalten werden; irgendwelche
in dem Papier enthaltene Feuchtigkeitbewirkt, daß das elektrische Feld zwischen
den Elektroden beeinflußt wird, wodurch wiederum der elektrische Zustand im Oszillator
selbst sich verändert, was durch ein geeignetes Anzeigegerät abgelesen werden kann.
Die Rollen laufen frei mit der rotierenden Papierrolle um und gestatten, daß die
Elektroden gegen die schnell laufende Umfangsoberfläche der Rolle ohne Schwingen
oder Springen gehalten werden, so daß Ablesungen ungeachtet der Bewegung der Rolle
durchgefahrt werden können. Bei dem genannten bekannten Instrument ist es erforderlich,
daß die rotierenden, mit der Rolle in Eingriff befindlichen Rollen elektrisch mit
den Ausgangsleitern des Oszillators verbunden sind oder daß zumindest eine der genannten
Rollen an die eine Seite des Oszillators angeschlossen ist, wobei in diesem Falle
die andere Elektrodenrolle oder -walze mit der Masse des Instrumentengehäuses verbunden
sein kann. In jedem Fall ist es erforderlich, daß elektrische Verbindungen von den
rotierenden Rollen mit stationären Teilen der Ausrüstung hergestellt werden, was
bewegende Kontaktflächen oder BUrsten" bedingt. Es hat sich gezeigt, daß diese Sohleifkontakte
oder -bürsten in der Praxis manchmal veränderliche und nicht vorhersehbare Widerstände
In
der Osgillatorschaltung bewirken, was in instabilen oder gar fehlerhaften Ablesungen
resultiert. Diese Problem wächst infolge der Ansammlung von Staub und aus anderen
Gründen mit der Zeit des Betriebes.
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Es ist deshalb das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Rollensonde für ein Feuchtigkeitsmeßinstrument der allgemein beschriebenen Art aufzuzeigen,
bei dem elektrische Schleifkontakte zwischen den rotierenden Rollenelektroden und
in der elektrischen Schaltung eingeschlossenenJstationären Teilen des Instrumentes
vermieden werden.
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Ganz allgemein undkurz gesagt ersetzt die Erfindung eine Elektrodenrolle
oder -walze der bekannten Art durch zwei konzentrische Zylinder, von denen der äußere
drehbar und mit der rotierenden Papierrolle in Eingriff bringbar ist, während der
innere Zylinder stationär gelagert ist. Die beiden Zylinder sind durch einen Luftspalt
voneinander beabstandet und durchgehend voneinander isoliert, so daß sie als Koppelkondensator
wirken. Der äußere Zylinder ist von dem Instrumentengehäuse isoliert und eine elektrische
Verbindung besteht zwischen dem Oszillator Uber feste mechanische Teile zu Jedem
stationären Innenzylinder. Der Außenzylinder wird somit durch den Luftspalt zwischen
den Zylindern von dem Innenzylinder aus erregt. Ein elektrisches Feldmuster erstreckt
sich dann von jeder Elektrodenrolle zu geerdeten Teilen des benachbarten Gehäuses,
ebenso zu einer gegebenenfalls verwendbaren, feldkonzentrierenden Ummantelung oder
oder
Abschirmung und/oder zu der anderen Rolle. Dieses Feld durchdringt die Papierrolle
bei der Messung und gestattet die Durchführung von Messungen des Feuchtigkeitsgehaltes.
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Manchmal ist es sehr erwünscht, daß das elektrische Feld nicht zu
tief in die Papierrolle eindringt, so dß die Messungen nur an einem verhältnismäßigen
geringen Teil des zu einer Rolle gewickelten Papiers vorgenommen werden; das zu
Veranschaulichungszwecken in diesem Zusammenhang gezeigte Instrument besitzt eine
feldkonzentrierende Ummantelung, die nicht Teil der -vorliegenden Erfindung ist,
zur Begrenzung der Eindringungstiefe des elektrischen Feldes durch Ableitung zur
dieser Ummantelung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines
erfindungsgemäßen Autuhrungsbeispiels bei Anwendung auf eine rotierende Papierrolle,
Fig, 2 eine perspektivische Ansicht der Unterseite des Instruments nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linien 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt längs
der Linie 4-4 der Fig. 2, und Fig. 5 ein schematisiertes Schaltbild der elektrischen
Erregungsschaltung und der Arbeltsteile der Erfindung.
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In den Zeichnungen ist mit dem Bezugszeichen 10 eine abgebrochen gezeigte
große Papierrolle bezeichnet, die von einer bewegten Bahn aufgerollt wird, wobei
der Pfeil in Fig. 1 die Bewegungsrichtung des Papiers angibt. Wie in Fig. 1 gezeigt,
sind gegen den zylinderischen Umfang dieser Papierrolle 10 zwei rollenförmige Elektrodensonden
11 und 12 eines mit der Hand trag-und haltbaren Feuchtigkeitsmeßinstrumentes 13angelegt.
Letzteres besitzt ein äußeres Gehäuse, das allgemein mit 14 bezeichnet ist, mit
einem Deckel 15 und einem entfernbaren Unterstück 16, das - wie später noch erwähnt
-mittels geeigneter Schrauben lagegerecht gehalten werden kann.
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Das Unterstück 16 besitzt zwei in Abstand und parallel zueinander
angeordnete rechteckige ffnungen 17 in seinem Boden, durch die der größere Teil
der Elektrodensonden 11 und 12 hindurchragt, zusammen mit einem Teil der Halterungsvorrichtungen
für diese, die nun näher beschrieben werden sollen. Der Deckel 15 ist mit einem
Handgriff 20, einem Anzeigegerät 21 und den aus Fig. 1 hervorgehenden, erforderlichen
Steuerungsmöglichkeiten versehen. Die Elektrodensonden 11 und 12 sind identisch,
so daß die Beschreibung für die Sonde 12 , wie sie in Längs- und Querschnitt in
Fig. 3 bzw. 4 gezeigt ist, fUr beide ausreichend sein dürfte.
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Die Elektrodensonde 12 besitzt einen äußeren Zylinder 24 aus elektrisch
leitendem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl oder Aluminium. Vorzugsweise
besteht er aus Aluminium, das zur Erhöhung der Abnutzung für Härtungszweke an seiner
äußeren Oberfläche anodisiert (eloxiert) ist. Die anodisierte
Beschichtung
ist an sich isolierend, was Jedoch nicht der gewünschten elektrischen Ausfahrung
widerspricht. Diese Beschichtung ist in der Größenordnung von ca. 0,025 mm Dicke
und die so gebildete Oberflächenschicht auf der Rolle besitzt praktisch die Impedanz
O für Ströme im Megahertz-Bereich, mit denen das Instrument erregt wird. Der Spannungsabfall
an der Schicht ist unbedeutend. Bei einem typischen Beispiel ist der Zylinder 24
ca. 93 mm lang und besitzt einen Duehmesser von ca. 37 mm. Die Elektrodensonden
11 und 12 besitzen einen ziemlichen Abstand voneinander, damit ein größerer Bogen
der zylinderförmigen Papierrolle überspannt werden kann und zwar in Proportionen,
wie sie annähernd gezeigt sind. Der Zylinder 24 ist an gegenUberliegenden Seiten
in Kugellagern 25 gelagert, wobei die inneren Achsen Lagerringe in Isolierhülsen
26 passen, die wiederum
27 umgeben, die vollständig durch die Hülsen 26 und die Lager 25 Achse hindurchverlaufen,
Am inneren Ende jeder
27 befindet sich ein radial vergrößerter topfförmiger Schaftendteil 28 und die Hülse
26 besitzt einen radialen Flansch 29 zwischen dem topfförmigen Teil 28 und dem Lager
25, der zur elektrischen Isolierung des Lagers 25 von dem Teil 28 dient. Ein Dichtungsring
30 befindet sich ebenfalls zwischen dem Isolierflansch 29 und dem inneren Lagerring
des Kugellagers.
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Auf den beiden radial vergrdBerten Sohaftendteilen 28 ist eine elektrisch
leitende Zylinderhülle 34 befestigt, die typisoherweise aus Aluminium oder rostfeiem
Stahl besteht,
deren äußere Umfangsoberfläche von der inneren Umfangsoberfläche
der äußeren zylindrischen Rolle 24 durch einen engen Luft- oder zylinderförmigen
Spalt 35 mit der typischen Abmessung von 0,25 mm entfernt ist. Die Zylinderrolle
24 und die Zylinderhülle 34 sind somit voneinander getrennt und isoliert und bilden
einen elektrischen Koppelkondensator mit einer für den vorliegenden Fall typischen
Kapazität von 230Mikrofarad.
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Wird das Instrument für relativ oberflächliches Eindringen des elektrischen
Feldes in das Papier konstruiert, wie es gewöhnlich erwünscht wird, dann wird jede
vorstehend beschriebene Rolienanordnung zum Teil von einer elektrisch leitenden
kanalförmigen Abschirmung 36 aufgenommen. Diese Abschirmung besitzt bei der vorliegenden
Konstruktion durchgehend rechteckigen Querschnitt mit einem Bodenglied 37 und zwei
Seitenflanschen 38. Der Abstand der beiden Seitenflansche 38 ist am besten in Fig.
4 gezeigt und so bereesen, daß er beim Aufbau des gewitnschten elektrischen Feldmusters,
wie es nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, beiträgt. Es ist ersichtlich,
daß die oberen Kanten der Flansche 38 bei der vorliegenden Konstruktion sich gerade
unter der Mittelachse der Rollensonde befinden. An den Seitenflanschen 38 sind elektrisch
leitende Schienen 40 vorzugsweise aus Aluminium befestigt, die das entfernbare Utiterstück
16 halten und unter diesem verlaufen; das Unterstttck 16 kann mittels durch diese
Schienen verlaufende Schrauben, wie sie mit 41 angezeigt sind, in Position gehalten
werden (Fig. 2). Die Schienen 40 sind wieder auf den oberen Enden von Rahmenstäben
42 be-und
die elektrisch mit den Rahmenteilen und dem Instrumentengehäuse
auf Masse liegen. Somit wird der elektrisch leitende Kanal oder die Abschirmung
36 elektrisch mit den Schienen 40 verbunden, die wiederum beispielsweise mittels
Schrauben 43 an den elektrisch auf Masse liegenden Rahmenstäben 42 befestigt sind.
Die Abschirmungen 36, die Schienen 40, die Rahmenstäbe 42 und das Unterstück 16
sind somit alle elektrisch geerdet, wobei das Unterstück 16 des Gehäuses selbstverständlich
durch Aufliegen oder mittels Schrauben 41 mit den Schienen 40 in Verbindung steht.
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An den Enden jedes Kanals bzw. Jeder Abschirmung 36 befinden sich
Isolationsendwände 45, die mit den Abschirmungen mittig Schrauben 45a (Fig. 3) befestigt
sind; jede dieser Endwände besitzt bei 46 eine zentrale Ausnehmung zur Aufnahme
der Enden der vorgenannten Wellen 27. Die Enden der Wellen 27 sind in-dem Bereich
der Ausnehmungen 46 in den Enden 45 zur Aufnahme von langen Schrauben 47 durchbohrt,
die durch die Endwände 45 bis zu Schlitzen 48 reichen, die Muttern 49 aufnehmen,
in die die Schrauben eingeschraubt und angezogen werden. Die Muttern 49 besitzen
vorstehende Ansätze 50 und die elektrische Verbindung zu dem inneren Zylinder 34
wird durch Anlöten oder Schweißen eines Ansatzes 50 pro Rolle 11 und 12 an einen
elektrischen Leiter 52 (Fig. 2) hergestellt.
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Es ist ersichtlich, daß die Schrauben 47 und die Muttern 49 mit uhren
elektrischen Verbindungsansätzen 50 von der auf Masse @iegende@ Rahmen- und Gehäusestruktur
des Instruments
isoliert sind. Die Schaltung zum Zylinder 34 setzt
sich Uber die Schraube 47, die Welle 27 und das Teil 28 fort.
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Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die schematisch das Instrument
zeigt und die auch in einem einfachen Diagramm die Oszillatorschaltung darstellt,
durch die das System erregt wird. Ein HF-Oszillator 60 (gewöhnlich im Megahertz-Bereich)
ist in dem Instrument untergebracht und besitzt zwei Ausgangs leiter, die über die
Schaltungsleiter 61 und die vorgenannten elektrischen Verbindungen 52 mit der Innenseite
der Elektrodenzylinder 34 verbunden sind. Die zwei Elektrodenzylinder 34 besitzen
somit immer entgegengesetzte Potentiale im bezug auf Masse oder Erde. Aus dem, was
zuvor angegeben wurde, ist ersichtlich, daß die Abschirmungen 36 und das Instrumentenunterteil
16 sich, wie in Fig. 5 angegeben, auf Masse oder Erdpotential befinden. Die durch
den schmalen Spalt 35 von den erregten Zylindern 34 getrennten elektrisch leitenden
Rollen 24, die mit den Zylindern 34 kapazitiv gekoppelt sind, werden somit mit entgegengesetzten
Potentialen relativ zu Masse belegt, wobei die Rückführung von den beiden erregten
Elektrodenrollen 24 über elektris-ohe Pfade zu geerdeten oder auf Masse liegenden
Teilen des Instrumentes verlaufen. Das mit dem Buchstaben F bezeichnete, elektrische
Feld erstreckt sich von den Rollen 24 größtenteils zu den geerdeten AbÇahirrungen
oder Kanälen 36, wobei ein beachtlicher Teil in Bogen zuerst durch die Papierrolle
1Q führt, wie dies durch du elektrische Feldlinienmuster
in Fig.
5 angegeben wird. Wie dieses Diagramm zeigt, verlaufen wenige Feldlinien von einer
Rolle oder Walze 24 zu der anderen durch das Papier, wobei diese etwas tiefer in
das Papier eindringen können. Diese besonderen Feldlinien können manchmal nicht
besonders erwünscht sein, insbesondere wenn nur eine verhältnismäßig oberflächliche
Eindringung gefordert wird, sie können jedoch nicht vollständig vermieden werden
und bringen keine beachtliche Schwierigkeiten mit sich. Die Feldlinien mn vorwiegender
Bedeutung sind diejenigen, die von der Rolle oder Walze 24 in das Papier eindringen
und dann zur Abschirmung 6 oder zu den unmittelbar benachbarten Teilen des Gehäuses
16 zurückverlaufen, wie dies überschlägig in Fig. 5 dargestellt ist. Es zeigt sich,
daß die geerdeten Abschirmungen oder Kanäle in unmittelarer Nähe der Rollen Feldwege
mit verhältnismäßig hohem Spannungsgradienten gegenüber Masse oder Erde vorsehen
und damit das Feld in den Pfaden von den Rollen zu den Kanälen konzentrieren, was
eine Schwächung desselben bei nennenswerten oefen in dem Papier bewirkt. Falls aus
irgendeinem Grunde ein tieferes Eindringen erwünscht wird, reduziert das Weglassen
der Abschirmungsseitenwände 38 eindeutig den Spannungsgradienten gegenüber den Bereichen
der Glieder 38 und das elektrische Feld kann wesentlich tiefer in das Papier eindringen,
bevor es zu dem geerdeten Gehäuse oder der anderen RoDe zurückgelangt.
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Der Oszillator 60 kann einer von zwei Typen sein; beim ersten wird
sein innerer Zustand praktisch durch die sich ändernde
Dielektriziätskonstante
eines Mediums innerhalb eines elektrisch Feldes in seiner Ausgangsschaltung beeinflußt,
während bei dem zweiten sein inerter Zustand praktisch durch Leistungsabsorption
des Oszillators durch Medien innerhalb eines elektrischen Feldes in seinem Ausgangskreis
beeinflußt wird. Ein Beispiel für die erste Art von Instrument ist in dem US-Patent
Nr. 3 046 479 vom 24. Juli 1962 von Sead and McBrayer for MOISTURE CONTENT METER
gegeben. Ein Leistungsabsorptionsoszillator ist beispielsweise in dem US-Patent
Nr. 2 231 035 vom 11. Februar 1941 von Stephens and Dalias figur POWER ABSORPTION
METERING SYSTEM veröffentlicht. In beiden Fällen befindet sich das elektrische Anzeigeinstrument
21 in oder parallel zu einer Meßschaltung in dem Oszillator und zeigt einen Wert
an, der sich beträchtlich mit der in dem Papier vorhandenen Feuchtigkeit ändert.
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So hat im ersten Falle der Prozentsatz der Feuchtigkeit, in dem von
dem elektrischen Feld durchdrungenen Teil der Papier rolle 10 einen Einfluß auf
die Dielektrizitätskonstante dieses Teiles des Papiers und dieser Feuchtigkeitsgehalts-Prozentsatz
kann direkt von de geeichten Instrument 21 abgelesen werden.
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In ähnlicher Weise bestimmt im zweiten Falle der Feuchtigkeits-Prozentsatz
in dei durch das Augangsfeld des Oszillators durchdrungenen Teils des Papiers die
Leistungsabsorption in der Oszillatorsch@@tung und dieser Leistungsausgang kann
von dem Anzeigegerät 21 abgelesen werden, das in Prozentsatz-Feuchtigkeitsgehalt
geeicht Ist.
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Es zeigt sich, daß die bei der vorliegenden Erfindung verwendete elektrische
Erregungs- oder Versorgungsschaltung einen veränderbaren Oszillator verwendet, der
über zwei Ausgangsbereiche des elektrischen Feldes mit Masse oder Erde verbunden
ist, wobei jeder Bereich das Papier durchdringt, um den Feuchtigkeitsgehalt in diesem
zu prüfen. -Es ist ersichtlich, daß auch die Möglichkeit besteht nur eine einzige
erregte oder mit Spannung versorgte Rolle zu verwenden, obwohl vorzugsweise, wie
oben beschrieben, jede der beiden Rollen an Spannung gelegt wird. Eine derartige
Anderung würde lediglich die Trennung der einen Seite des Oszillators 60 von der
entsprechenden Walze bedürfen und die Verbindung dieser Seite des Oszillators würde
auf Masse gelegt. Das Instrument kann in dieser Weise verwendet werden, wobei die
nicht an Spannung gelegte Rolle oder Walze lediglich als gewöhnliche Rolle oder
als Stabilisierelement zum Andrücken gegen die rotierende Papierrolle dient. Bei
einigen einfachen Anwendungsbeispielen ist es aber auch möglich, wenn die Papierrollengeschwindigkeit
nicht zu hoch ist oder wenn die Papierrolle praktisch nicht in Rotation ist, die
abgeklemmte Rolle vollständig wegzulassen. Die Erfindung ist anhand eines AusfUhrungsbeispiels
beschrieben waden, aber es ist verständlich, daß die verschiedenstenA.nderungen
im Entwurf, im Aufbau und in der Anordnung vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken
und dem Schutzomfang der beiliegenden Ansprüche abz@wei@@@@@