-
In einer Probe, beispielsweise in geschnittenen Tabakmaterialien,
herrschen jedoch andere Ausbreitungsbedingungen vor als im leeren Hohlleiter, wobei
sich insbesondere die Lichtgeschwindigkeit und damit die Wellenlänge der Mikrowellen
ändert. Im Medium »Ta-
bak« verkürzt sich also die Wellenlänge der
Mikrowellen, so daß sich eine Phasenverschiebung ergibt, die, ähnlich wie die durch
die Probe hervorgerufene Dämpfung der Mikrowellen, sowohl von der Tabakmenge als
auch von der Wassermenge der Probe, also ihrer Feuchtigkeit, abhängt. Dabei folgt
die Abhängigkeit der Phasenverschiebung von Tabak- bzw. Wassermenge einer anderen
Beziehung als die Abhängigkeit der Dämpfung von diesen Größen, so daß der Zusammenhang
zwischen Feuchtigkeit einerseits und Phasenverschiebung bzw. Dämpfung der Mikrowellen
andererseits durch eine empirisch ermittelte, komplexe, mathematische Funktion ausgedrückt
wird.
-
Bei der Meßvorrichtung nach der DE-OS 31 50 202 erfolgt die Messung
der Dämpfung in der üblichen Weise, während für die Messung der Phasenverschiebung
zwei Varianten vorgeschlagen werden, nämlich einmal eine räumliche Verschiebung
des Detektors in Strahlrichtung und zum anderen die Verwendung von zwei getrennten
Detektoren, die in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind.
-
Diese beiden Varianten führen jedoch zu konstruktiven Problemen,
da eine mechansiche Verschiebung des Detektors einen großen apparativen Aufwand
erfordert, und zum anderen die geometrischen Eigenschaften der Mikrowellen-Meßstrecke
ändert, sich also bereits durch diese Verschiebung eine Beeinflussung des Meßwertes
ergibt, die durch entsprechende Gegenmaßnahmen kompensiert werden muß. Die Verwendung
von zwei räumlich getrennten Meßstellen führt ebenfalls zu einer Beeinflussung der
Messung durch die entsprechende Geometrie, so daß auch hier Gegenmaßnahmen ergriffen
werden müssen. Außerdem erfordert die Auswertung von zwei getrennten Meßsignalen
einen hohen Elektronik-Aufwand.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur Messung der Feuchtigkeit von Rauchmaterialien der angegebenen Gattung zu schaffen,
die mittels eines einzigen, stationären Detektors die dichteunabhängige Feuchtigkeit
sehr exakt ermitteln kann.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnennen Teil des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale erreicht.
-
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf,
daß die Phasenverschiebung der Mikrowellen unter dem Einfluß der Probe mittels einer
»elektronischen Verschiebung« ermittelt wird, nämlich aus einer Frequenzverschiebung
der erzeugten Mikrowellen, bei der die Amplitude der Mikrowelle und damit ihre Dämpfung
bestimmte Werte, im allgemeinen die beiden Extrema der Amplituden, einnehmen. Es
ist also keine Verschiebung des Detektors bzw. die Verwendung von zwei Detektoren
mehr erforderlich, um die Phasenverschiebung zu ermitteln, so daß in der üblichen
Weise aus der Phasenverschiebung und der Dämpfung der Mikrowellen die dichteunabhängige
Feuchtigkeit der Rauchmaterialien bestimmt werden kann.
-
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich durch Verwendung eines
Brückenmeßprinzips, d. h., die von dem Mikrowellen-Sender gelieferten Mikrowellen
werden über zwei getrennte Strecken geführt, nämlich über eine Bezugsstrecke und
über eine Meßstrecke mit der Probe, deren Feuchtigkeit bestimmt werden soll. Dadurch
wird ein einfacher Abgleich zur Kompensation etwaiger Unterschiede zwischen den
beiden Meßstrekken, selbstverständlich ohne Probe gemessen, möglich.
-
Dieser Abgleich kann mittels eines veränderlichen Dämpfungsgliedes
erfolgen, das sich in der Bezugsstrekke befindet.
-
Die Meßstrecke sollte sehr viel länger als die Bezugsstrecke sein,
wobei gute Ergebnisse erhalten werden, wenn die Meßstrecke mindestens doppelt so
lang wie die Bezugsstrecke ist. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß die Länge
der Meßstrecke nicht ein ganzzahliges Vielfaches der Länge der Bezugsstrecke ist,
da sich sonst eine ungünstige Beeinflussung bzw. Auswertung der beiden Mikrowellen
ergeben würden.
-
Als Mikrowellen-Leiter stehen Koaxial-Kabel oder Hohlleiter zur Verfügung,
in denen auch die Tabakprobe angeordnet werden kann. Als Alternative hierzu ist
es auch möglich, die Tabakprobe über einen Streifenleiter zu transportieren, wie
es im Prinzip bereits aus der DE-OS 31 50 202 bekannt ist.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i
g. 1 ein Blockdiagramm der wesentlichen Teile einer Vorrichtung zur Messung der
Feuchtigkeit von Rauchmaterialien, Fig.2 ein Flußdiagramm des Ablaufs beim Aufsuchen
der Extrem-Werte der Amplituden der Mikrowellen, und F i g. 3 die einzelnen Schritte
bei der Bestimmung des Minimums der Mikrowellen.
-
Die in F i g. 1 dargestellte, allgemein durch das Bezugszeichen 10
angedeutete Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Rauchmaterialien weist
einen Mikrowellen-Sender 12 mit einer Amplitudenstabilisierungsstufe 14 auf. Die
von dem Mikrowellen-Sender 12 erzeugten Mikrowellen werden einem Richtkoppler 18
zugeführt, der als Verzweigung dient; dieser Richtkoppler 18 gibt den weitaus größten
Teil der Mikrowellen zu einer Koaxial-Leitung 22 weiter, die zu dem eigentlichen,
noch zu erläuternden Meßaufbau führt, und zweigt gleichzeitig einen geringen Teil
dieser Mikrowellen ab, der über eine Koaxial-Leitung 20 an die Amplitudenstabilisierungsstufe
14 des Mikrowellen-Senders 12 angelegt wird. Durch entsprechende Einspeisung dieses
abgezweigten Teils der Mikrowellenenergie kann die Amplitude der Mikrowellen präzise
auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden.
-
Der Mikrowellen-Sender 12 enthält auch eine nicht näher dargestellte
Elektronik, die insbesondere eine Frequenzverschiebung der Mikrowellen über einen
definierten Frequenzbereich ermöglicht.
-
Die Koaxialleitung 22 ist an einen Strahlteiler 24 angeschlossen,
der einerseits über eine Koaxial-Leitung 26 die Bezugsstrecke und andererseits über
eine Koaxial-Leitung 36 die eigentliche Meßstrecke speist.
-
Die Bezugsstrecke enthält im Anschluß an den Koaxial-Leiter 26 ein
Übergangsstück 28 für den Übergang von dem Koaxial-Leiter zu einem rechteckigen
Hohlleiter, ein variables Dämpfungsglied 30 und einen Rechteckhohlleiter-Flansch
32, der zur eigentlichen Meßstelle führt.
-
Die Meßstrecke enthält ein Übergangsstück 38 für den Übergang von
dem Koaxial-Leiter 36 zu einem rechteckigen Hohlleiter, ein Übergangsstück 40 für
den Übergang von dem rechteckigen Hohlleiter zu einem runden Hohlleiter, einen aufklappbaren
Verschluß 42 für die Einführung eines Behälters mit der zu messenden Probe, einen
Rundhohlleiter 44, in dem der Behälter mit der Probe angeordnet wird, ein Übergangsstück
46 für
den Übergang von dem rechteckigen Hohlleiter 44 zu einem
runden Hohlleiter, einen Rechteckhohlleiter-Flansch 48 und ein »magisches T« 50,
das direkt an die Meßzelle mit dem Detektor 52 angeschlossen ist. Der Detektor 52
wird durch eine übliche Mikrowellen-Diode gebildet.
-
Der Detektorraum ist außerdem an eine Stichleitung 34 angeschlossen,
die als reflexionsarmer Abschluß dient und für die Anpassung an die geometrischen
und konstruktiven Eigenschaften des Systems benutzt werden kann.
-
Der Detektor 52 ist über eine Koaxial-Leitung 54 mit einem Elektronikteil
16 verbunden, der einen Verstärker für das Meßsignal, einen Analog/Digital-Wandler
für die Umwandlung des analogen Meßsignals in entsprechende digitale Signale, die
einer Auswerteinrichtung 58 zugeführt werden, sowie einen Digital/Analog-Wandler
für die von der Auswerteinrichtung 58 kommenden, digitalen Signale enthält. Dieser
Elektronikteil 16 ist über Daten- und Steuerleitungen 56 mit der Auswerteinrichtung
58 verbunden.
-
Die Auswerteinrichtung 58 kann beispielsweise durch ein Mikroprozessor-System
gebildet werden.
-
Die Meßstrecke einschließlich der Koaxial-Leitung 36 ist sehr viel
länger als die Bezugsstrecke, wobei die Meßstrecke mindestens doppelt so lang sein
sollte. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß die Länge der Meßstrecke kein ganzzahliges
Vielfaches der Länge der Bezugsstrecke beträgt, um die Auswertung zu vereinfachen.
-
Bei Beginn des Betriebs dieser Meßeinrichtung 10 wird zunächst ein
»mechanischer Abgleich« durchgeführt, d. h., ohne Probenbehälter und damit auch
ohne Probe werden Bezugszweig und Meßzweig von dem Sender 12 mit Mikrowellen mit
stabilisierter Amplitude beschickt. Aufgrund der unterschiedlichen Längen, aber
auch der unterschiedlichen geometrischen Gegebenheiten von Bezugsstrecke und Meßstrecke
ergeben sich unterschiedliche Dämpfungen auf den beiden Strecken; dieser Unterschied
kann mittels des variablen Dämpfungsgliedes 30 der Bezugstrecke kompensiert werden,
das die Verluste des Meßzweiges ausgleicht.
-
Dieser »mechanische Grundabgleich« wird mittels des Dämpfungsgliedes
30 in der Weise durchgeführt, daß das Dämpfungsglied 30 so lange verstellt wird,
bis sich Meßstrecke und Bezugsstrecke energiemäßig gleich verhalten. Der entsprechende
Einstellpunkt wird durch einen Nullabgleich im Ausgangssignal des Detektors 52 ermittelt.
-
Anschließend erfolgt ein »elektronischer Abgleich«, bei dem eine
Kalibrierungsmessung mit leerem Behälter für die Probe durchgeführt wird; bei diesem
elektronischen Abgleich werden die Bezugswerte für die Amplitude und die Frequenz
der Mikrowellen festgelegt, wobei durch eine kontinuierliche Änderung der Frequenz
der von dem Sender 12 ausgesandten Mikrowellen das Minimum und das Maximum der Mikrowellen
am Detektor 52 ermittelt werden. Die jeweiligen Extrema sind um 180O zueinander
phasenverschoben.
-
Die dabei gemessenen Werte für Minimum bzw. Maximum der Amplitude
stellen ein Maß für den größten bzw. den kleinsten Amplitudenwert und damit für
die größte bzw. kleinste Dämpfung dar, die mit diesem System ohne Probe überhaupt
erreicht werden können.
-
Die entsprechenden Werte für Frequenz und Amplituden werden über den
Elektronikteil 16 an die Auswerteinrichtung 58 angelegt und gespeichert.
-
Anschließend wird der Verschluß 42 aufgeklappt, so daß der Behälter
mit der eingefüllten Probe in den runden Hohlleiter 44 eingesetzt werden kann.
-
Während durch die Probe, also beispielsweise Schnitttabak, die Bezugsstrecke
nicht beeinflußt wird, d. h., sich Amplitude und Phase der Mikrowellen, die von
der Bezugsstrecke kommen, am Detektor 52 nicht ändern, ergibt sich eine von der
Tabakmenge und seiner Feuchte abhängende Beeinflussung der Amplitude und der Phase
der Mikrowellen auf der Meßstrecke. Diese Phasenänderung wird wiederum durch die
geänderte Wellenlänge der Mikrowellen beim Durchlaufen der Tabakprobe hervorgerufen,
da in der Probe für die Mikrowellen andere Ausbreitungsbedingungen als in dem leeren
Hohlleiter 44 herrschen. Außerdem wird den Mikrowellen beim Durchlaufen der Probe
Energie entzogen, d. h., ihre Amplitude verringert sich.
-
Aufgrund der erwähnten Änderung der Wellenlänge der Mikrowellen beim
Durchlaufen der Proben passen mehr Wellenzüge in die Meßstrecke; die dadurch hervorgerufene
Phasenverschiebung kann durch eine Verschiebung der Frequenz der Mikrowellen, die
durch eine entsprechende Verstellung des Senders 12 erreicht werden kann, wieder
ausgeglichen werden. Die hierzu erforderliche Frequenzverschiebung stellt also ein
Maß für die Phasenverschiebung dar, die wiederum direkt auf die Beeinflussung der
Mikrowellen durch die Feuchtigkeit und den Tabak zurückgeht.
-
Zur exakten Ermittlung der Frequenzverschiebung werden zunächst die
Minima der am Detektor 52 eintreffenden und interferierenden Wellen von Meßstrecke
und Bezugsstrecke festgestellt, d. h., es wird die Frequenz ermittelt, bei denen
die Auslöschung und Dämpfung der Mikrowellen am Detektor 52 am größten ist.
-
Zu diesem Zweck empfängt die Auswerteinrichtung 58 einerseits von
dem Detektor 52 über die Leitung 54 und den Elektronikteil 16 den zeitlichen Verlauf
der Amplitude der Mikrowellen und zum anderen über den Elektronikteil 16 von dem
Sender 12 die zugehörige Frequenz der Mikrowellen. Die Auswerteinrichtung 58 stellt
also einerseits das Minimum der Mikrowellen und zum anderen die zugehörige Frequenz
fest.
-
Durch eine Veränderung der Frequenz der von dem Sender 12 ausgesandten
Mikrowellen wird dann die Frequenz ermittelt, bei denen sich die Mikrowellen am
Detektor 52 am stärksten überlagern, d. h., bei dem das Ausgangssignal des Detektors
52 maximal wird. Auch dieses Maximum und die zugehörige Frequenz des Senders 12
wird von der Auswerteinrichtung 58 festgestellt und gespeichert.
-
Und schließlich ermittelt die Auswerteinrichtung 58 aus diesen Meßwerten
für Minimum und Maximum der Amplitude der Mikrowellen einerseits und den gespeicherten
Meßwerten für Minimum und Maximum der Amplitude der Mikrowellen beim »elektronischen
Abgleich« andererseits die Dämpfung.
-
Dieses Meßverfahren hat den Vorteil, daß eine Beeinflussung des Meßergebnisses
durch die Dämpfung des Meßaufbaus weitgehend ausgeschaltet wird, da die entsprechenden
Effekte bei beiden Messungen auftreten, nämlich sowohl beim elektronischen Abgleich
als auch bei der eigentlichen Messung.
-
Wie oben erläutert wurde, hängt die Frequenzverschiebung, bei denen
die Maxima und Minima der Amplitude und der Mikrowellen auftreten, von der Phasenverschiebung
der Mikrowellen am Detektor 52 ab, so daß aus der ermittelten Frequenzdifferenz
die Phasenverschiebung bestimmt werden kann.
-
Aus dieser Phasenverschiebung und der Dämpfung
der
Mikrowellen durch die Probe wird dann schließlich in üblicher Weise die dichteunabhängige
Feuchtigkeit ermittelt.
-
Den oben beschriebenen Ablauf für das Aufsuchen der Extrem-Werte
der Amplitude der Mikrowellen stellt F i g. 2 dar, die eine Kombination aus einem
Flußdiagramm und einem Blockdiagramm zeigt. Es läßt sich erkennen, daß die analogen
Ausgangssignale des Detektors 52 über den Digital/Analog-Wandler in dem Elektronikteil
16 der Auswerteinrichtung 58 zugeführt werden, die das Minimum und das Maximum der
von dem Detektor 52 erfaßten Amplituden der Mikrowellen ermittelt. Während der Suchbereichsbestimmung
wird über den Digital/Analog-Wandler von der Auswerteinrichtung 58 ein entsprechendes
Signal an den Sender 12 angelegt, um die Frequenz der Mikrowellen so zu verstellen,
daß der angestrebte Extrem-Wert der Amplitude erreicht wird.
-
Der Verfahrensablauf bei der Feststellung des Minimums ist schließlich
aus F i g. 3 ersichtlich. Es läßt sich erkennen, daß jeder Frequenz der vom Sender
12 erzeugten Mikrowellen ein Amplitudenwert zugeordnet ist, wodurch sich schließlich
die Frequenzänderung bestimmen läßt, bei der die Dämpfung der Mikrowellen am Detektor
52 minimal bzw. maximal ist.
-
Als Alternative zu dem bisher beschriebenen Ablauf, bei dem das Minimum
und das Maximum der Amplitude der Mikrowellen bestimmt werden, ist es auch möglich,
genau definierte Punkte eines Wellenzuges abzutasten und den entsprechenden Frequenzwerten
zuzuordnen, wodurch ebenfalls die Ermittlung der Phasenverschiebung erreicht werden
kann. Diese Variante ermöglicht eine kontinuierliche Bestimmung der Feuchtigkeit.
-
Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß sich Meß- und Bezugsstrecke
in Bezug auf Frequenz und Amplitude der Mikrowellen zeitinvariant verhalten müssen.
Ist dies nicht der Fall, kommt es zu Meßfehlern.
-
Außerdem muß für eine gute Temperaturstabilität, insbesondere der
Meßstrecke, gesorgt werden, da eine Frequenzdrift unter dem Einfluß von Temperaturschwankungen
nicht vom eigentlichen Meßergebnis getrennt werden kann, also die Reproduzierbarkeit
der Ergebnisse nicht mehr gewährleistet ist.
-
Aus diesem Grund sollten sowohl der Sender 12 als auch die Meßstrecke,
soweit sie das Meßergebnis beeinflussen, auf einer konstanten Temperatur gehalten
werden.
-
- Leerseite -