DE3133012A1

DE3133012A1 - Device for measuring the moisture content of track- and cylinder-shaped electrically nonconductive materials

Info

Publication number: DE3133012A1
Application number: DE19813133012
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.rer.nat. Fritzler; Peter 8520 Erlangen Gulden
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1981-08-20
Publication date: 1983-03-10

Abstract

The device contains a microwave resonator, the change in quality factor of which due to the dielectric losses of the sample is used as a measure of the moisture content. According to the invention, a resonator (2) with a Fabry-Perot mirror system is provided as microwave resonator. Due to this measure, the measurement sensitivity and the insensitivity of the measurement result to changes in the resonator geometry is increased. <IMAGE>

Description

Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts bahn-Device for measuring the moisture content of the railway

und zylinderförmiger, elektrisch nichtleitender Materialien Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer langgestreckten bewegten Probe, insbesondere einer Pepier- oder Folienbahn, mit einem Mikrowellenresonator, dessen Güteänderungen durch die dielektrischen Verluste der Probe als Maß ftir den Feuchtigkeitsgehalt dient.and cylindrical, electrically non-conductive materials. The invention relates to a device for measuring the moisture content of an elongated moving sample, in particular a Pepier or film web, with a microwave resonator, its quality changes due to the dielectric losses of the sample as a measure for the Moisture content is used.

Bei der industriellen Produktion wird insbesondere bei der automatischen Produktion eine schnell ansprechende, hinreichend selektiv und einfach arbeitende Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts benötigt.In industrial production, especially in automatic Production is responsive, sufficiently selective and easy to work Device needed to measure moisture content.

Damit können die Kosten der Untersuchung gesenkt und durch rechtzeitige Steuerung der Fertigung Verluste vermieden werden. Zur Feuchtemessung industrieller Produkte können auch Mikrowellengeräte verwendet werden.This can reduce the cost of the investigation and through timely Control of manufacturing losses are avoided. For moisture measurement industrial Products can also be used in microwave ovens.

Die Mikrowellenmethode basiert auf der Messung der dielektrischen Eigenschaften des Produkts, d.h. sie spricht auf Änderung des Reals- und Imaginärteils der komplexen Dielektrizitätskonstanten an. Bekanntlich zeigt Wasser im Mikrowellenbereich relativ hohe Werte des Imaginärteils der Dielektrizitätskonstanten an und kann dadurch empfindlich und selektiv nachgewiesen werden. Die Meßempfindlichkeit und Selektivität im Restfeuchtegebiet ist bei Mikrowellenverfahren, die auf den Realteil der Dielektrizität ansprechen, d.h.The microwave method is based on the measurement of the dielectric Properties of the product, i.e. it speaks to changes in the real and imaginary part the complex dielectric constant. As is known, water shows in the microwave range relatively high values of the imaginary part of the dielectric constant and can thereby can be detected sensitively and selectively. The measurement sensitivity and selectivity in the residual moisture area is the microwave process, which affects the real part of the dielectricity address, i.e.

Verstimmungs- oder Kapazitätsmessung, relativ gering.Detuning or capacitance measurement, relatively low.

Aber Mikrowellenverfahren, die auf der Messung des Imaginärteils, d.h. Absorptions- oder dielektrische Verlustmessung beruhen, bieten im Restfeuchtegebiet merkliche Vorteile. Die Mikrowellen-Feuchtemessung ist eine indirekte Meßmethode, deshalb sind zur Eichung des Gerätes direkt arbeitende Meßverfahren wie die Karl-Fischer-Titration heranzuziehen. Die dielektrische Messung mit Mikrowellen arbeitet mit Meßfrequenzen von etwa 2 bis 20 GHz.But microwave methods based on the measurement of the imaginary part, i.e. absorption or dielectric loss measurement, offer in the residual moisture area noticeable advantages. The microwave moisture measurement is an indirect measuring method, therefore direct measuring methods such as Karl Fischer titration are used to calibrate the device to use. The dielectric measurement with microwaves works with measurement frequencies from about 2 to 20 GHz.

Es ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts von' dünnen, flächenhaften Materialien bekannt, die als Mikrowellenresonator einen Rechteckresonator verwendet, dessen Gütefaktor einstellbar ist. Aufgrund der Resonanz findet eine Vielfachdurchstrahlung der Probe im Resonator statt. Hieraus ergibt sich die hohe Meßempfindlichkeit. Die Anzahl der Durchstrahlungen ist um so höher, je größer die Güte des Resonators ist. Die Messungen erfolgen berührungsfrei, und die Größe des Luftspaltes im zweiteiligen Resonator, der Feldtyp im Resonator und die Meßfrequenz werden entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Produkts gewählt (deutsche Auslegeschrift 2 340 130).It is a device for determining the moisture content of 'thin, sheetlike materials known as a rectangular resonator as a microwave resonator is used, the quality factor of which is adjustable. Due to the response, a Multiple irradiation of the sample takes place in the resonator. This results in the high Measurement sensitivity. The greater the number of irradiations, the higher the number The quality of the resonator. The measurements are non-contact, and the size of the Air gap in the two-part resonator, the field type in the resonator and the measuring frequency are selected according to the requirements of the respective product (German Interpretation document 2 340 130).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts von dünnen flächenhaften Materialien zu verbessern, insbesondere die Meßempfindlichkeit und die Unempfindlichkeit des Meßergebnisses gegen Änderungen der Resonatorgeometrie zu erhöhen. Außerdem soll die Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehalts auch zylinderförmiger, elektrisch nichtleitender Proben dienen.The invention is based on the object of this known device to improve the determination of the moisture content of thin sheet-like materials, in particular the measurement sensitivity and the insensitivity of the measurement result to increase against changes in the resonator geometry. In addition, the device should also cylindrical, electrically non-conductive ones for determining the moisture content Serving samples.

Diese Aufgabe wirci erfindungsgemäß gelöst mit den kexmzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch diesen Resonator wird die Meßempfindlichkeit und die Unempfindlichkeit der Meßergebnisse gegen Änderungen der Resonatorgeometrie erhöht. Die absolute Größe der transformierten Eingangs- und Ausgangsleitwerte wird bestimmt durch die Stärke der Ankopplung der jeweiligen Koaxialleitung an den Resonator, d.h. durch die einstellbare Größe der Koppelschleife.This object is achieved according to the invention with the kexmzeichnenden Features of claim 1. This resonator is the measurement sensitivity and the insensitivity of the measurement results to changes in the resonator geometry elevated. The absolute size of the transformed input and output conductance becomes determined by the strength of the coupling of the respective coaxial line to the resonator, i.e. through the adjustable size of the coupling loop.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Perot-Fabry-Resonatorspiegel jeweils in der Mitte mit einer zylinderförmigen Öffnung versehen. Außerdem ist zur genauen FUhrung in der Mitte des Resonators und zum Schutz der Koppelspulen ein Rohr geringer Absorption, vorzugsweise Acrylglasrohr, vorgesehen. Durch diese Maßnahmen kann bei zylinderförmigen, elektrisch nichtleitenden Materialien der Feuchtigkeitsgehalt bestimmt werden.In a preferred embodiment, the Perot-Fabry resonator mirrors are each provided with a cylindrical opening in the middle. In addition, for precise guidance in the middle of the resonator and to protect the coupling coils Low absorption tube, preferably acrylic glass tube, is provided. Through these measures the moisture content of cylindrical, electrically non-conductive materials to be determined.

Zur Ein- und Auskopplung der Mikrowellenenergie an den Resonatorspiegeln des Resonators sind Koaxialkoppler vorgesehen, bei denen die Koppelschleife und der Wellenwiderstand veränderbar sind. Durch diese Gestaltung kann die Meßempfindlichkeit eingestellt werden und damit die gesamte technisch interessante Spanne der Papierflächengewichte von Tissue bis Karton mit nur einem einzigen Gerät abgedeckt werden.For coupling the microwave energy in and out of the resonator mirrors of the resonator coaxial couplers are provided in which the coupling loop and the wave resistance can be changed. With this design, the measurement sensitivity and thus the entire technically interesting range of paper grammages from tissue to cardboard can be covered with just one device.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer bewegten Probe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.For further explanation, reference is made to the drawing, in one embodiment of a device for measuring the moisture content a moving sample according to the invention is illustrated schematically.

Figur 1 zeigt einen Resonator mit dem Perot-Fabry-Spiegelsystem. In Figur 2 ist ein Resonator für zylinderförmige, elektrisch nichtleitende Materialien dargestellt und in Figur 3 ist ein Koaxialkoppler veranschaulicht.FIG. 1 shows a resonator with the Perot-Fabry mirror system. In Figure 2 is a resonator for cylindrical, electrically non-conductive materials and in Figure 3, a coaxial coupler is illustrated.

In Figur 1 ist ein Resonator mit 2 bezeichnet, der aus einem Perot-Fabry-Spiegelsystem mit zwei gleichen, sphärisch gekrümmten Resonatorspiegeln 4,mit einem Krümmungsradius R und einem Meßspalt 8 besteht. Die Resonatorspiegel 4 sind jeweils mit einem AnschluB-flansch 10 und mit einer Halterung 12 versehen. Der AnschluBflansch 10 ist in der Mitte mit einer zylindrischen Bohrung 24 versehen, in der ein Koaxialkoppler 14 angeordnet ist.In FIG. 1, a resonator is designated by 2, which consists of a Perot-Fabry mirror system with two identical, spherically curved resonator mirrors 4, with a radius of curvature R and a measuring gap 8 consists. The resonator mirrors 4 are each provided with a connection flange 10 and provided with a holder 12. The connection flange 10 is in the middle provided with a cylindrical bore 24 in which a coaxial coupler 14 is arranged is.

Der Spiegeldurchmesser wird so groß gewählt, daß die Resonatorgüte nicht beeinflußt wird. Die Resonatoren werden weit von der konfokalen Aufstellung entfernt betrieben, damit die Form der Resonanzkurve nicht vom Spiegelabstand abhängig wird. Durch diese Gestaltung wird die Meßempfindlichkeit und die Unempfindlichkeit der Meßergebnisse gegen Änderungell der Resonatorgeometrie im Vergleich zu einem Rechteckresonator erhöht. Die Anforderungen an die Traver'>iereinrichtung für beispielsweise 1 % Meßgenauigkeit sind: Abstand der Resonatorhälften beispielsweise + 0,1 mm, seitliche Versetzung der Resonatorhälften relativ zueinander beispielsweise + 5 mm und Verdrehung der Resonatorhälften gegeneinander beispielsweise + 2'.The mirror diameter is chosen to be so large that the resonator quality is not affected. The resonators are far from confocal operated remotely so that the shape of the resonance curve does not depend on the mirror spacing will. This configuration increases the measurement sensitivity and the insensitivity of the measurement results against changes in the resonator geometry compared to one Rectangular resonator increased. The requirements for the traverse device for for example 1% measurement accuracy are: distance between the resonator halves, for example + 0.1 mm, lateral offset of the resonator halves relative to one another, for example + 5 mm and rotation of the resonator halves against each other, for example + 2 '.

Nach Figur 2 besteht der Resonator 2 aus zwei gleichen, sphärisch gekrümmten Resonatorspiegeln 4, bei denen jeweils in der Mitte eine zylinderförmige Bohrung 18 vorgesehen ist. Zur genauen Führung in der Mitte des Resonators und zum Schutz der Koppelschleifen 16 ist ein Rohr 26 geringer Absorption vorgesehen, das vorzugsweise ein Acrylglasrohr sein kann. An einem der beiden Resonatorspiegel 4 sind die Koaxialkoppler 14 angeordnet. Durch diese Gestaltung kann der Feuchtigkeitsgehalt zylinderförmiger, elektrisch nichtleitender Materialien gemessen werden, wobei die Meßempfindlichkeit einen Meßbereich von beispielsweise o bis 4 g Wasser abdeckt.According to Figure 2, the resonator 2 consists of two identical, spherical curved resonator mirrors 4, each of which has a cylindrical shape in the middle Hole 18 is provided. For precise guidance in the middle of the Resonator and to protect the coupling loops 16 is a tube 26 with low absorption provided, which can preferably be an acrylic glass tube. At one of the two resonator mirrors 4, the coaxial couplers 14 are arranged. Through this design, the moisture content cylindrical, electrically non-conductive materials are measured, the Measurement sensitivity covers a measurement range of, for example, o to 4 g of water.

Nach Figur 3 besteht der Koaxialkoppler 14 aus einem üblichen Hochfrequenz-Stecker, beispielsweise einem HF-N-Stecker 22 und einer Koppelschleife 16. Außerdem sind die Resonatorspiegel 4 jeweils mit einem Koppelloch 20 versehen. Die Größe des Koppellochs 20 beträgt vorzugsweise etwa 4 mm, weil dadurch die Leerlaufgüte des Resonators annähernd unbeeinflußt bleibt. Durch diese Gestaltung des Koaxialkopplers 14 bleibt der Wellenwiderstand des Kabels bis zur Koppelschleife durch die geeignete Wahl der Innen-und Außenleiterdurchmesser wenigstens annähernd konstant. Um die Meßempfindlichkeit weiter zu erhöhen wird die Koppelschleife vergrößert und der Wellenwiderstand entsprechend verkleinert. Durch diese Änderung der Meßempfindlichkeit kann mit nur einem einzigen Gerätetyp die gesamte technisch interessante Spanne der Papierflächengewichte von Tissue bis Karton abgedeckt werden.According to Figure 3, the coaxial coupler 14 consists of a conventional high-frequency connector, for example an HF-N connector 22 and a coupling loop 16. In addition, are each resonator mirror 4 is provided with a coupling hole 20. The size of the coupling hole 20 is preferably about 4 mm, because this reduces the no-load quality of the resonator remains almost unaffected. This design of the coaxial coupler 14 remains the characteristic impedance of the cable up to the coupling loop through the appropriate choice the inner and outer conductor diameter is at least approximately constant. To the measurement sensitivity To increase it further, the coupling loop is enlarged and the characteristic impedance correspondingly scaled down. This change in the measuring sensitivity can be done with only one Device type the entire technically interesting range of paper grammages from Tissue to be covered up cardboard.

5 Patentansprüche 3 Figuren5 claims 3 figures

Claims

Patent claims Qi device for determining the moisture content an elongated moving sample, in particular a paper or film web, with a microwave resonator, the quality of which changes due to the dielectric losses the sample serves as a measure of the moisture content, d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that a resonator (2) with a Perot-Fabry mirror system as Microwave resonator is provided.

2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the resonator mirror (4) of the Perot-Fabry mirror system in the middle Each is provided with a cylindrical opening (24).

3. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an acrylic glass tube (26) is provided in the openings (18).

4. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the resonator mirrors (4) are provided with coaxial couplers (14).

5. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the coupling loop (16) and the characteristic impedance of the coaxial coupler (14) are changeable.