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Dokumentenidentifikation DE69629634T2 24.06.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000756170
Titel System zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen ballenförmigen Materials
Anmelder Malcam Ltd., Tel Aviv, IL
Erfinder Greenwald,Alexander, 17000 Nazareth-Illit, IL;
Moshe,Danny, 55024 Kiryat Ono, IL;
Tsentsiper,Boris, 97729 Jerusalem, IL
Vertreter Schieber und Kollegen, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69629634
Vertragsstaaten DE, FR, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.07.1996
EP-Aktenzeichen 961111879
EP-Offenlegungsdatum 29.01.1997
EP date of grant 27.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.06.2004
IPC-Hauptklasse G01N 22/04
IPC-Nebenklasse G01N 22/00   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein System für die Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines Materials, insbesondere eines mehrlagigen Ballens aus Baumwolle.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Verarbeitung von Baumwolle werden Entkörnungsmaschinen zum Trennen der Baumwollfasern von den Samen verwendet. Für einen problemlosen Betrieb der Verarbeitungsmaschinerie, und um die Qualität der Baumwollfasern unter Minimierung des Produktionsabfalls zu optimieren, ist es erforderlich, die Feuchtigkeit der Baumwollfasern während des Egrenierverfahrens zu steuern. Spezifisch ausgedrückt, neigen Baumwollfasern, die einen zu hohen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, dazu, an der Verarbeitungsmaschinerie zu haften und Wattebäusche zu bilden, die während der Lagerung faulen. Baumwollfaser dagegen, die einen zu niedrigen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, haften infolge statischer Elektrizität, die an den Fasern erzeugt wird, an Metalloberflächen. Ferner wird, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Baumwollfasern verringert wird, ihre Festigkeit reduziert, was in einem häufigeren Bruch der Fasern resultiert. Infolgedessen wird der effektive Durchsatz der Verarbeitungsanlage reduziert.

Der optimale Feuchtigkeitsgehalt von Baumwollfasern beträgt von 6,5% bis 8%. Aber in Abhängigkeit von der Periode der Baumwollernte kann Baumwolle mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 4% bis mehr als 12% an den Egreniermaschinen ankommen. Aus diesen Gründen müssen während des Egrenierverfahrens Schritte unternommen werden, um entweder den Feuchtigkeitsgehalt der Baumwollfasern zu reduzieren oder – alternativ – ihn zu erhöhen, damit der resultierende Feuchtigkeitsgehalt zwischen den angegebenen optimalen Grenzen liegt. Eine Feuchtigkeitsmessvorrichtung ist somit eine integrale Komponente des Feuchtigkeitssteuerungssystems.

Baumwollballen sind massive Strukturen, die typischerweise eine Breite von 0,5 m, eine Höhe von 0,7 m, eine Länge von 1,4 m und ein Gewicht von 250 kg ± 10% aufweisen. Jeder Ballen umfasst typischerweise viele Lagen, die unter Verwendung von Metallstangen aneinander gebunden sind. Der Feuchtigkeitsgehalt im Ballen kann von einem Punkt zum anderen um ca. 3% variieren.

Eine Feuchtigkeitsmessvorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines Baumwollballens muss in der Lage sein, einen Ballen alle 1,5–2 Minuten bei einer mittleren Ballengeschwindigkeit von ca. 1 ms–1 zu behandeln.

Das U.S. Patent Nr. 4,578,998 beschreibt ein Feuchtigkeitsgehaltsmesssystem für flächige Materialien, das Mikrowellenstrahlung verwendet. Zwei Paare Mikrowellenstrahler und Mikrowellenempfänger sind mit Messsensoren für die Oberflächentemperatur und für die Temperatur unter der Oberfläche kombiniert, um einen Rechner mit Daten zu versorgen, der die Daten auswertet und Feuchtigkeitswerte ausgibt. Jedes Paar aus Mikrowellenstrahler und Mikrowellenempfänger überspannt das flächige Prüfmaterial und kontrolliert die Mikrowellenübertragung durch das Material sowie die, die davon reflektiert wird, aber die zwei Strahler sind kreuzpolarisiert, so dass eine Verwechslung ihrer Signale vermieden wird.

In einem solchen System sind die zwei Strahler zueinander kreuzpolarisiert, und einer bestrahlt die Unterseite des Prüfmaterials, während der andere die Oberseite bestrahlt. Tatsächlich wird ein Paar Strahler und Empfänger verwendet: ein. Strahler befindet sich oberhalb des flächigen Materials und der andere unterhalb, wobei die jeweiligen Empfänger auf die Strahler ausgerichtet sind und selbst auf gegenüberliegenden Seiten des flächigen Materials angeordnet sind. Um zu unterscheiden, welches ausgestrahlte Signal von welchem Strahler stammt, und um ein Übersprechen der zwei Strahler zu verhindern, sind die jeweiligen Mikrowellensignale in den zwei Strahlern kreuzpolarisiert, so dass jeder Empfänger nur das Signal von seinem entsprechendem Strahler empfängt. Es soll aber verstanden werden, dass, obwohl sie zur Signaltrennung verwendet wird, die Polarisierung der Signale nicht verwendet wird, um den Feuchtigkeitsgehalt des flächigen Materials zu bestimmen. Ferner scheint das System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts mehrlagiger Ballen aus Material, wie z. B. Baumwolle, die einen nicht-gleichmäßigen Feuchtigkeitsgehalt in einem Querschnitt davon aufweisen, nicht geeignet zu sein.

Zudem werden beim Messen des Feuchtigkeitsgehalts mehrlagiger Ballen aus Baumwolle die Ergebnisse variieren, je nachdem, ob die Lagen parallel sind oder nicht, und es ist deshalb wünschenswert zu beurteilen, inwiefern die Lagen parallel sind oder nicht. Im U.S. Patent Nr. 4,578,998 ist keine Maßnahme vorgesehen, um eine solche Aufgabe zu erfüllen.

Man wird auch bemerken, insbesondere an Hand der Figur und der begleitenden Beschreibung von U.S. Patent Nr. 4,578,998, dass die jeweiligen Strahler und Empfänger auf beiden Seiten des flächigen Materials, und zwar in dessen unmittelbarer Nähe angeordnet sind. Folglich ist zwischen den jeweiligen Strahlern und Empfängern sehr wenig Luft, und es ist deshalb nicht erforderlich, einen Ausgleich für den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt der Luft vorzusehen. Aber auf Grund der massiven Struktur der Baumwollballen und dergleichen sowie auf Grund ihrer Ungleichmäßigkeit besteht zwangsläufig ein erheblicher Luftspalt zwischen den Strahlern und den Empfängern, die den Baumwollballen umgeben. Auf Grund der Anwesenheit dieses Luftspalts schließt die resultierende Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts auch die Wirkung der Umgebungsfeuchtigkeit in der den Ballen zwischen dem jeweiligen Strahler und Empfänger umgebenden Luft ein. Sofern dies nicht ausgeglichen wird, wird die resultierende Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens ungenau sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Material vorzusehen, in dem die Nachteile von bislang vorgeschlagenen solchen Systemen signifikant reduziert oder eliminiert sind.

Gemäß einem breiten Aspekt der Erfindung ist ein System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Material vorgesehen, wobei das System folgendes umfasst:

eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, die an einer ersten Seite des Ballens angeordnet ist, zum Lenken eines polarisierten Quellenstrahls durch den Ballen in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zu den Lagen davon liegt, um aus dem Ballen als Ausgangsstrahl auszutreten,

ein Fördermittel zum Fördern des Ballens an der Quelle von Mikrowellenstrahlung vorbei,

ein auf einer gegenüberliegenden Seite des Ballens angeordnetes Mikrowellenantennenmittel zum Empfangen des Ausgangsstrahls,

ein Ballenausrichtungsmittel zum Bestimmen, wenn der Ballen zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen korrekt ausgerichtet ist, und zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals,

ein mit dem Mikrowellenantennenmittel sowie mit dem Ballenausrichtungsmittel verbundenes und auf das Ausrichtungssignal reagierendes Amplitudenbestimmungsmittel zum Bestimmen einer maximalen Amplitude des Ausgangsstrahls, die einer Amplitude des Ausgangsstrahls entspricht,

ein mit dem Amplitudenbestimmungsmittel verbundenes Dämpfungsbestimmungsmittel zum Bestimmen einer Dämpfung des Quellenstrahls und

ein mit dem Dämpfungsbestimmungsmittel verbundenes und auf die Dämpfung reagierendes Feuchtigkeitsbestimmungsmittel zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens.

Im einzelnen umfasst das erfindungsgemäße System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Material folgendes:

eine Quelle von Mikrowellenstrahlung, die an einer ersten Seite des Ballens angeordnet ist, zum Lenken eines zirkular polarisierten Quellenstrahls durch den Ballen in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zu den Lagen davon liegt, um aus dem Ballen als Ausgangsstrahl auszutreten,

ein Fördermittel zum Fördern des Ballens an der Quelle von Mikrowellenstrahlung vorbei,

eine erste und eine zweite Mikrowellenantenne zum Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls,

ein Ballenausrichtungsmittel zum Bestimmen, wenn der Ballen zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen korrekt ausgerichtet ist, und zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals als Reaktion auf den Ausgangsstrahl, der gänzlich von dem Ballen herrührt,

ein erstes und eine zweites Amplitudenbestimmungsmittel, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Mikrowellenantennenmittel sowie mit dem Ballenausrichtungsmittel verbunden sind und auf das Ausrichtungssignal reagieren, um jeweilige maximale Amplituden des Ausgangsstrahls zu bestimmen, die einer Amplitude des Ausgangsstrahls in einer ersten bzw. einer zweiten Richtung entsprechen, die normal bzw. parallel zu den Lagen des Ballens sind,

ein erstes und eine zweites Dämpfungsbestimmungsmittel, die mit den Amplitudenbestimmungsmitteln verbunden sind, zum Bestimmen einer ersten bzw. zweiten Dämpfung des Quellenstrahls in der Richtung normal bzw. parallel zu den Lagen des Ballens und

ein Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, das mit dem ersten und dem zweiten Dämpfungsbestimmungsmittel verbunden ist und auf die erste und die zweite Dämpfung reagiert, zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens.

Das Ballenausrichtungsmittel ist in vorteilhafter Weise mit der ersten und der zweiten Mikrowellenantenne verbunden und reagiert auf den Ausgangsstrahl, um zu bestimmen, wann der Ballen korrekt zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen ausgerichtet ist.

Das Ballenausrichtungsmittel schließt folgendes ein:

ein Vorderflanken-Übergangsmittel zum Erfassen, wenn eine Vorderflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung passiert, und zum Erzeugen eines Vorderflanken-Übergangssignals nach einer Zeitspanne &tgr;1,

ein Intervall-Taktungsmittel, das mit dem Vorderflanken-Übergangsmittel verbunden ist und auf das Vorderflanken-Übergangssignal reagiert, zum Erzeugen des Ausrichtungssignals für eine Zeitspanne &tgr;2, deren Größe eine Funktion einer Länge und einer Geschwindigkeit des Ballens ist, und

Hinterflanken-Übergangsmittel zum Erfassen, wenn eine Hinterflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung passiert, und zum Erzeugen eines Hinterflanken-Übergangssignals nach einer Zeitspanne &tgr;3.

Das Feuchtigkeitsbestimmungsmittel reagiert auf das Hinterflanken-Übergangssignal, um den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt zu korrigieren, und es sind ferner vorgesehen:

ein erstes und ein zweites Filtermittel, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Dämpfungsmittel sowie mit dem Ballenausrichtungssignal verbunden sind und auf das Hinterflanken-Übergangssignal reagieren, um von der ersten und der zweiten Komponente des Ausgangsstrahls jeweilige Umgebungsfeuchtigkeitskomponenten zu filtern, die den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt darstellen, um ein entsprechendes erstes und zweites korrigiertes Dämpfungssignal zu erzeugen,

ein erstes und ein zweites digitales Abtastmittel, die mit den Filtermitteln verbunden sind, um das erste und das zweite korrigierte Dämpfungssignal abzutasten, wenn der Ballen an der ersten und der zweiten Mikrowellenantenne vorbei geführt wird, um jeweilige abgetastete Dämpfungssignale zu erzeugen, und

ein Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmittel, das mit dem ersten und dem zweiten digitalen Abtastmittel verbunden ist, zum Berechnen von jeweiligen Feuchtigkeitsabtastwerten.

Das Feuchtigkeitsbestimmungsmittel umfasst in vorteilhafter Weise:

ein Verhältnisbestimmungsmittel, das mit dem Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmittel verbunden ist, zum Bestimmen eines jeweiligen Verhältnisses eines jeden Paars von Feuchtigkeitsabtastwerten, um jeweilige Verhältnisse zu erzeugen,

ein Komparatormittel, das mit dem Verhältnisbestimmungsmittel verbunden ist, zum Vergleichen der jeweiligen Verhältnisse mit einer vorherbestimmten Konstante K, die für die parallelen Lagen im Ballen charakteristisch ist,

ein Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, das mit dem Komparatormittel verbunden ist und das auf die Verhältnisse reagiert, wenn diese gleich mit K sind, zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts als ein Mittelwert der korrigierten digitalisierten abgetasteten Komponentenfeuchtigkeitsgehalte, die mit einer der Mikrowellenantennen verknüpft sind, und

ein Nicht-Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, das mit dem Komparatormittel verbunden ist und das auf die Verhältnisse reagiert, wenn diese ungleich mit K sind, zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts als ein Mittelwert für alle Scheiben der korrigierten digitalisierten abgetasteten Komponentenfeuchtigkeitsgehalte, die mit einer der Mikrowellenantennen verknüpft sind, wobei der Mittelwert durch eine empirische Funktion der Verhältnisse und der jeweiligen Feuchtigkeitsabtastwerte korrigiert wird.

Vorzugsweise wird ein zirkular polarisierter Quellenstrahl verwendet und durch ein Paar kreuzpolarisierter Antennen zum Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls erfasst. Der mit jeder dieser Komponenten assoziierte Feuchtigkeitsgehalt kann, dann bestimmt werden, wonach ein Verhältnis der jeweiligen Komponenten des Feuchtigkeitsgehalts in den zwei Richtungen des Ballens berechnet werden kann. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Lagen des Ballens parallel sind, so dass eine Komponente des Quellenstrahls parallel zur Lagenstruktur und die andere normal dazu ist, ein charakteristisches Verhältnis K erzeugt wird. Ein Unterschied zwischen dem gemessenen Verhältnis und dem charakteristischen Verhältnis K ist ein Gradmesser für die Abweichung der Lagenstruktur von der idealen parallelen Struktur.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Um die Erfindung zu verstehen und um zu erkennen, wie diese in der Praxis durchgeführt werden kann, wird eine bevorzugte Ausführungsform nun beschrieben, und zwar lediglich als nichteinschränkendes Beispiel, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:

1 bildlich ein erfindungsgemäßes System zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Baumwolle zeigt;

2 und 3 die Amplituden eines zirkular polarisierten Eingangs- bzw. Ausgangsstrahls schematisch zeigen;

4 ähnliche Formen der Amplituden schematisch zeigt, wenn die Lagen nicht parallel zum Quellenstrahl sind, so dass der Winkel, bei dem der Ausgangsstrahl eine maximale Amplitude aufweist, normal zum Ballen ist;

5 ein Blockschaltbild ist, die die hauptsächlichen Komponenten in einem erfindungsgemäßen System funktionsbezogen zeigt;

6 ein Ablaufdiagramm ist, das die mit dem System von 5 assoziierten hauptsächlichen Methodenschritte zeigt;

7 eine empirische Beziehung zwischen der Signaldämpfung und dem Feuchtigkeitsgehalt grafisch zeigt; und

8 ein Ausgangssignal grafisch zeigt, das von den Mikrowellenantennen empfangen wird und womit drei getrennte Zeitspannen &tgr;1, &tgr;2 und &tgr;3 assoziiert sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

1 zeigt einen Teil eines Systems 10 zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Material 11. Der Ballen 11 weist eine Mehrzahl von Lagen 12 auf, die in der Figur im Wesentlichen parallel zueinander und zum Boden 13 sind. Auf einer ersten Seite 14 des Ballens 11 ist eine Quelle von Mikrowellenstrahlung 15 zum Lenken eines zirkular polarisierten Quellenstrahls 16 von Mikrowellenstrahlung angeordnet, die eine Frequenz im Bereich 8 bis 10 GHz aufweist, in eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zu den Lagen 12 ist, so dass er als zirkular polarisierter Ausgangsstrahl 17 aus dem Ballen 11 austritt. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist in der Figur auch ein kartesischer Bezugsrahmen gezeigt, der die Richtungen der jeweiligen X-, Y- und Z-Achse zeigt, die in der folgenden Beschreibung erwähnt werden.

Auf einer zweiten Seite 18 des Ballens 11, die der ersten Seite 14 davon gegenüberliegt, sind eine erste und eine zweite Mikrowellenantenne 19 und 20 zum Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls 17 angeordnet. Während des gesamten Messverfahrens bewegt sich der Ballen 11 in der Längsrichtung entlang der X-Achse, so dass jede der aufeinander folgenden Messungen tatsächlich eine Scheibe 21 in der Länge des Ballens 11 betrifft. Um eine Trennung der einzelnen Lagen 12 in dem Ballen 11 zu verhindern, ist der Ballen 11 an gegenüberliegenden Enden davon mit Metallgurten oder -stäben gebunden, die als 22 abgebildet sind und den Ballen 11 vollständig umfassen und die Lagen 12 davon somit intakt halten.

Der Quellenstrahl 16 ist zirkular polarisiert, so dass seine jeweiligen Komponenten Xi und Yi von gleicher Größe sind, wie in 2 gezeigt. Mit Bezug weiterhin auf 1 wird man bemerken, dass die vertikale Komponente Yi des Quellenstrahls 16 den Ballen 11 in einer Richtung normal zu den Lagen 12 durchdringt, während die horizontale Komponente Xi den Ballen 11 in einer Richtung parallel zu den Lagen 12 durchdringt. Infolgedessen begegnet die Komponente Xi des Quellenstrahls 16 während ihres Übergangs von der Quelle 15 zur Mikrowellenantenne 19 viel mehr Wassermolekülen als es die vertikale Komponente Yi des Quellenstrahls 16 während ihres entsprechenden Übergangs tut. Infolgedessen wird die horizontale Komponente Xi in einem viel höheren Maße gedämpft als die vertikale Komponente Yi, und, wie in 3 gezeigt, ist die resultierende polare Darstellung des Ausgangsstrahls elliptisch, wobei ihre Hauptachse in der vertikalen Ebene und ihre Nebenachse in der horizontalen Ebene liegt.

Dies gilt, solange die Lagen 12 des Ballens im Wesentlichen parallel zur Richtung der horizontalen Komponente Xi des Quellenstrahls 16 sind, so dass dessen vertikale Komponente Yi normal zur Lagenstruktur ist.

4 zeigt die Situation, wenn dies nicht länger der Fall ist und die Lagenstruktur in einem Winkel &bgr; zur horizontalen Komponente Xi des Quellenstrahls 16 geneigt ist. Der resultierende Ausgangsstrahl ist immer noch elliptisch polarisiert, aber die Hauptachse der Ellipse ist geneigt, so dass sie normal zur Lagenstruktur des Ballens ist, und die resultierende maximale Amplitude kann bestimmt werden, entweder indem ein Paar Mikrowellenantennen verwendet wird, wie gezeigt, oder alternativ indem eine einzige zirkular polarisierte Antenne verwendet wird. 5 zeigt die hauptsächlichen Funktionskomponenten eines Feuchtigkeitsbestimmungsmittels 25, das auf die jeweiligen Signale reagiert, die von den Antennen 19 und 20 empfangen werden. Tatsächlich sind separate Kanäle mit den Antennen 19 und 20 verbunden, so dass deren jeweilige. Signale separat verarbeitet werden: Die Komponenten wurden jedoch der Einfachheit halber nicht in 5 dupliziert, sondern sind als einzelne Blöcke dargestellt, die zweifache Eingänge und Ausgänge aufweisen. Das erste und das zweite Dämpfungsbestimmungsmittel sind beide nicht in 5 dargestellt.

Verbunden mit den beiden Antennen 19 und 20 sind also jeweilige Ballenausrichtungsmittel 26 zum Erzeugen eines Ausrichtungssignals, wenn der Ballen 11 korrekt zwischen der Strahlungsquelle 15 und den Antennen 19 und 20 ausgerichtet ist. Die Wirkung der Haltestäbe 22 wird mittels eines Stabunterdrückungsmittels 27 vom resultierenden Signal entfernt, und das resultierende analoge Signal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers 28 digitalisiert. Das resultierende digitale Signal wird durch eine Normierungseinheit 29 normiert, um die Temperatur, die Masse, die Länge und den Materialgehalt des Ballens auszugleichen. Spezifisch ausgedrückt, unter Verwendung folgender Bezeichnungen:

Wxi = die i. Feuchtigkeitsmessung im X-Kanal,

Wyi = die i. Feuchtigkeitsmessung im Y-Kanal,

Wo = die Nennmasse des Ballens ≈ 250 kg,

Wc = die tatsächliche, gemessene Masse des Ballens,

Lo = die Nennlänge der Lagen in der Breitenrichtung des Ballens,

Lc = die tatsächliche Länge der Lagen in der Breitenrichtung des Ballens,

To = die Grundtemperatur der Baumwollfasern (35°C) und

Tc = die Temperatur der Baumwollfasern in der aktuellen Scheibe, kann gezeigt werden, dass: Wxi' = (To – Tc)/10 Wyi' =(To – Tc)/10 Wxi'' = Wxi'·(Wo/Wc) Wyi'' = Wyi'·(Wo/Wc) Wxi''' = Wxi''·(Lo/Lc) Wyi ''' = Wyi''·(Lo/Lc)

Durch eine entsprechende Normierung in sowohl dem X- als auch dem Y-Kanal können entsprechende Nachschlagetabellen in einem Rechner gespeichert werden, so dass die normierten Werte einfach an Hand der vom Analog-Digital-Wandler 28 an die Normierungseinheit 29 gesandten Signale gelesen werden können, um entsprechende korrigierte Werte Wi x und Wiy zu erzeugen, die den Feuchtigkeitsgehalt in der X- bzw. der Y-Richtung einer Scheibe 21 des Ballens 11 darstellen. In dem besonderen Fall, dass die Lagen 12 des Ballens 11 im Wesentlichen parallel zur X-Achse sind, wird der Ballen als "normal" bezeichnet, und die Gesamtfeuchtigkeitskonzentration kann durch die vom. X-Kanal gelieferten Feuchtigkeitsmessungen vollständig charakterisiert werden, d. h. in der Richtung, in der der Quellenstrahl 16 parallel zu den Lagen 12 des Ballens 11 verläuft und somit einer größeren Dämpfung unterliegt. Wenn aber, wie in 4 schematisch dargestellt, die Lagen 12 nicht parallel zur X-Achse sind, dann werden die vom X-Kanal gelieferten Feuchtigkeitsmessungen selbst nicht die wahre Feuchtigkeitskonzentration entlang den Lagen des Ballens charakterisieren, und ein geeigneter Korrekturfaktor muss geliefert werden, um die relative Neigung der Lagen 12 des Ballens zu berücksichtigen.

Eine solche Korrektur wird durch eine Verhältnisbestimmungseinheit 33 geliefert, die das Verhältnis Wix/Wiy der normierten Signale im X- bzw. Y-Kanal bestimmt. Es kann empirisch gezeigt werden, dass, wenn das Verhältnis einem vorbestimmten Koeffizienten K, der für Baumwollballen 80 sein kann, im Wesentlichen gleich ist, dann kann die Gesamtfeuchtigkeitskonzentration der aktuellen Scheibe 21 im Ballen 11 im Grunde genommen als gleich der Konzentration Mix in der X-Richtung betrachtet werden. Aber eine Abweichung des berechneten Verhältnisses vom vorbestimmten Koeffizienten K deutet darauf hin, dass die Lagen 11 nicht parallel zur X-Richtung sind, so dass die Vektorkomponenten des Ausgangsstrahls wie folgt in Richtungen parallel und normal zu den Lagen 11 zerlegt werden müssen: Wix(meas) = Wixcos&bgr; + Wiysin&bgr; Wiy(meas) = Wixsin&bgr; + Wiycos K = Wix/Wiy wobei:

Wix(meas) = gemessener Feuchtigkeitsgehalt in der X-Richtung bei der i. Scheibe,

Wiy (meas) = gemessener Feuchtigkeitsgehalt in der Y-Richtung bei der i. Scheibe,

Wix = maximaler Feuchtigkeitsgehalt der i. Scheibe in der X-Richtung,

Wiy = maximaler Feuchtigkeitsgehalt der i. Scheibe in der Y-Richtung,

&bgr; = der Neigungswinkel der Lagen zur X-Richtung,

K = das Verhältnis der maximalen Feuchtigkeitswerte in der X- und in der Y-Richtung und

&agr;i = das gemessene Verhältnis Wix(meas) : Wiy(meas).

Das von der Verhältnisbestimmungseinheit 33 abgeleitete Verhältnis wird somit an einen Eingang 34 eines Komparators 35 gesandt, der einen zweiten Eingang aufweist, an den der entsprechende Koeffizient K von einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 37 gesandt wird. Je nachdem, ob das Ausgabesignal des Komparators 35 im Wesentlichen gleich oder größer als eins ist, wird die Feuchtigkeitskonzentration des Ballens direkt von einer Mittlere-Feuchtigkeits-Einheit 38 oder gemäß den oben beschriebenen Gleichungen mittels der Korrekturfunktion 39 bestimmt.

6 ist ein Ablaufdiagramm, das die oben beschriebene Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts des Ballen zusammenfasst. Am Anfang des Verfahrens werden also jeweilige Signale von den Antennen im X- und im Y-Kanal empfangen. Wenn der Ballen zwischen der Quelle und den Empfangsantennen ausgerichtet ist, dann wird das Flankenübergangssignal der Ballen vom resultierenden Signal entfernt, so dass in der nachfolgenden Verarbeitung nur der stationäre Zustand berücksichtigt wird. Wenn sich der Ballen in einigem Abstand zu der Quelle und den Empfangsantennen befindet, bestimmt das System den Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft, und, wie unten beschrieben wird, wird dieser dann aus den entsprechenden Signalen, die erzeugt werden, wenn ein Ballen zwischen der Quelle und den Empfangsantennen ausgerichtet ist, herausgefiltert, um für den Feuchtigkeitsgehalt der den Ballen umgebenden Luft zu korrigieren.

Wie oben beschrieben, werden aufeinander folgende Messungen für die jeweiligen Scheiben entlang der Länge des Ballens durchgeführt, indem dieser an der Quelle und den Empfangsantennen vorbei gefördert wird. Die resultierenden aufeinander folgenden Signale werden verarbeitet, um daraus die Wirkungen der in 1 gezeigten Haltestäbe 22 zu eliminieren, die, weil sie nichtabsorbierend sind, eine viel niedrigere Dämpfung als die absorbierenden Baumwollfasern aufweisen. Die resultierenden Signale werden normiert, und das Verhältnis der normierten Signale wird dann berechnet. Wenn das resultierende normierte Verhältnis dem vorbestimmten Koeffizienten K gleich ist., dann reichen die Ergebnisse des Y-Kanals allein aus, um den mittleren Feuchtigkeitsgehalt des Ballens zu bestimmen. Andernfalls muss der mit der i. Scheibe assoziierte Feuchtigkeitsgehalt Wi unter Verwendung des normierten X-Kanal-Signals gemäß der empirischen Funktion f (&agr;i, Wix, Wiy) korrigiert werden, wobei Wi – Wiy(meas) + 3,2·10–2(&agr;i/K – 1)

Die Dämpfung in dB kann durch folgende Funktion bestimmt werden: A = 10 lg10 (Pexit/Psource), wobei Pexit und Psource die Leistungen des Ausgangs- bzw. des Quellenstrahls sind.

Nachdem die Dämpfung der X- und der Y-Komponenten des Quellenstrahls so bestimmt wurde, kann der resultierende Feuchtigkeitsgehalt des Ballens an Hand einer graphischen Beziehung des in 7 gezeigten Typs empirisch bestimmt werden, in der zwei Annäherungskurven 40 und 41 für die Richtungen Y bzw. X dargestellt sind. Wie mit den punktieren Linien in 7 gezeigt, kann tatsächlich gezeigt werden, dass die zwei Kurven parabolische Funktionen sind, obwohl ihre genaue Herleitung selbst nicht ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist. Eine komplettere Beschreibung dieser Kurven und deren Ableitung für eine einzelne Richtung ist in "Theoretical and Experimental Investigation of Microwave Moisture Measurement of Materials" von A. Greenwald, "FAN", Usbekistan, 1982, zu finden.

Wie oben beschrieben, ist es wichtig, die Messungen nur während der Periode durchzuführen, wenn der Ballen 11 korrekt zwischen der Quelle und den Empfangsantennen ausgerichtet ist. Tatsächlich wird ein Signal immer von den Empfangsantennen empfangen, solange die Quellenantenne den Quellenstrahl ausstrahlt, ganz gleich, ob ein Ballen zwischen den Antennen ausgerichtet ist oder nicht.

8 zeigt schematisch eine Darstellung des von den Empfangsantennen empfangenen Signals 43, das einem im allgemeinen niedrigen Hintergrundpegel 44 entspricht, der zu einer Zeit T0, wenn ein Ballen in den Bereich zwischen der Quellenantenne und den Empfangsantennen eintritt, auf einen ersten höheren Pegel steigt. Danach steigt das Signal, wobei es eine kurzzeitige Spitze 45 auf Grund von Flankenübergangseffekten aufweist, und es beruhigt sich nach einem Zeitintervall &tgr;1 bei einem im Allgemeinen stabilen Pegel, der den Feuchtigkeitsgehalt des Ballens darstellt. Während des gesamten Zeitintervalls &tgr;2 bleibt das Signal im Wesentlichen konstant, wobei es auf Grund lokaler Ungleichheiten des Feuchtigkeitsgehalt des Ballens geringen Schwankungen unterliegt, bis am Ende des zweiten Zeitintervalls &tgr;2 die Hinterflanke des Ballens beginnt, vor der Quelle auszutreten, und die Empfangsantennen dadurch eine zweite lokale Spitze 46 liefern, wonach der Ballen nach einem dritten Zeitintervall &tgr;3 den Raum zwischen der Quelle und den Empfangsantennen gänzlich passiert hat, so dass das resultierende Signal die Umgebungsfeuchtigkeitskonzentration darstellt.

Obwohl die Erfindung mit Bezug besonders auf die Verwendung eines zirkular polarisierten Strahls beschrieben wurde, der zwei Empfangsantennen zum Empfangen von zueinander senkrechten Komponenten eines Ausgangsstrahls verwendet, kann statt dessen ein einfach polarisierter Detektor verwendet werden, der es erlaubt, unabhängig von der Neigung der Hauptachse des elliptischen Ausgabestrahls die maximale Amplitude des Ausgangsstrahls zu bestimmen.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Quellenstrahl zirkular polarisiert, und er wird in eine zu den Lagen des Ballens im Wesentlichen parallele Richtung gelenkt. Der Quellenstrahl kann aber, falls erwünscht, linear polarisiert sein und in eine zu den Lagen des Ballens im Wesentlichen normale Richtung gelenkt werden. Ebenso kann das Mikrowellenantennenmittel entweder eine zirkular polarisierte Antenne sein oder zwei linear polarisierte Antennen einschließen, die zueinander senkrechte Polarisierungsrichtungen aufweisen.

Es wird ferner verstanden werden, dass obwohl in der bevorzugten Ausführungsform das Ballenausrichtungsmittel auf den Ausgangsstrahl reagiert, um zu bestimmen, wann der Ballen korrekt zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen ausgerichtet ist, ein anderes Ausrichtungsmittel verwendet werden kann, ohne die Prinzipien der Erfindung zu beeinträchtigen. Es kann z. B. ein optisches Mittel verwendet werden, um die Position des Ballens relativ zur Strahlungsquelle und zu den Antennen zu orten, um das erforderliche Ausrichtungssignal zu erzeugen.


Anspruch[de]
  1. Ein System (10) zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines mehrlagigen Ballens aus Material (11), wobei das System folgendes umfasst:

    eine Quelle von Mikrowellenstrahlung (15), die an einer ersten Seite (14) des Ballens (11) angeordnet ist, zur Lenkung eines zirkular polarisierten Quellenstrahls (16) durch den Ballen (11) in eine Richtung, die im wesentlichen parallel zu den Lagen (12) davon liegt, um aus dem Ballen (11) als ein Ausgangsstrahl (17) auszutreten,

    Fördermittel zur Förderung des Ballens (11) an der Quelle von Mikrowellenstrahlung (15) vorbei,

    erste und zweite Mirkowellenantennen (19, 20) zum Empfang von zueinander senkrechten Komponenten des Ausgangsstrahls (17),

    Ballenausrichtungsmittel (26) zur Bestimmung, wenn der Ballen (11) zwischen der Strahlungsquelle (15) und den Antennen (19, 20) korrekt ausgerichtet ist, und zur Erzeugung eines Ausrichtungssignal als Reaktion auf den Ausgangsstrahl (17), der gänzlich von dem Ballen (11) herrührt,

    erste und zweite Amplitudenbestimmungsmittel, die jeweils mit den ersten und zweiten Mikrowellenantennenmitteln (19, 20) verbunden sind, und mit den Ballenausrichtungsmitteln (26) verbunden sind, und die auf das Ausrichtungssignal reagieren, um jeweilige maximale Amplituden des Ausgangsstrahls (17) zu bestimmen, die einer Amplitude des Ausgangstrahls (17) in jeweiligen ersten und zweiten Richtungen (Y, X) entsprechen, die normal und parallel zu den Lagen (12) des Ballens (11) sind,

    erste und zweite Dämpfungsbestimmungsmittel, die mit den Amplitudenbestimmungsmitteln verbunden sind, zur Bestimmung von jeweiligen ersten und zweiten Dämpfungen des Quellenstrahls in der normalen Richtung (Y) und der Parallelrichtung (X) zu den Lagen (12) des Ballens (11), und

    Feuchtigkeitsbestimmungsmittel (25), die mit den ersten und zweiten Bestimmungsmitteln verbunden sind und die auf die erste und zweite Dämpfung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts des Ballens (11) reagieren.
  2. Das System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballenausrichtungsmittel (26) mit den ersten und zweiten Mikrowellenantennen (19, 20) verbunden sind und auf dem Ausgangsstrahl (17) reagieren, um zu bestimmen, wenn der Ballen korrekt zwischen der Strahlungsquelle und den Antennen ausgerichtet ist.
  3. Das System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballenausrichtungsmittel folgendes einschließen:

    Vorderflanken-Übergangsmittel, um zu Bestimmen, wenn eine Vorderflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung passiert und zur Erzeugung eines Vorderflanken-Übergangssignals (45) nach einer ersten Zeitspanne &tgr;1,

    Intervall-Taktungsmittel, die mit den Vorderflanken-Übergangsmitteln verbunden sind und die auf das Vorderflanken-Übergangssignal (45) reagieren, um das Ausrichtungssignal für eine Zeitspanne &tgr;2 zu erzeugen, deren Amplitude eine Funktion einer Länge und Geschwindigkeit des Ballens (11) ist, und

    Hinterflanken-Übergangsmittel, um zu erfassen, wenn eine Hinterflanke des Ballens die Quelle von Mikrowellenstrahlung (15) passiert und zur Erzeugung eines Hinterflanken-Übergangssignal (46) nach einer Zeitspanne &tgr;3.
  4. Das System gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitsbestimmungsmittel auf das Hinterflanken-Übergangssignal (46) reagieren, um in Bezug auf Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt zu korrigieren, wobei weiterhin folgendes bereitgestellt wird:

    erste und zweite Filtermittel, die jeweils mit den ersten und zweiten Dämpfungsmitteln verbunden sind, und mit den Ballenausrichtungsmitteln, und die auf das Hinterflanken-Übergangssignal (46) reagieren, um von den ersten und zweiten Komponenten des Aussgangsstrahls (17) jeweilige Umgebungsfeuchtigkeitskomponenten zu filtern, die den Umgebungsfeuchtigkeitsgehalt darstellen, um entsprechende erste und zweite korrigierte Dämpfungssignale zu erzeugen,

    erste und zweite digitale Abtastmittel, die mit den Filtermitteln verbunden sind, um – die ersten und zweiten korrigierten Dämpfungssignale abzutasten, wenn der Ballen (11) an den ersten und zweiten Mikrowellenantennen (19, 20) vorbei geführt wird, um jeweilige abgetastete Dämpfungssignale zu erzeugen, und

    Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmittel, die mit den ersten und zweiten digitalen Abtastmitteln verbunden sind, zur Berechnung von jeweiligen Feuchtigkeitsabtastwerten Wix und Wiy.
  5. Das System gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeitsbestimmungsmittel folgendes einschließen:

    Verhältnisbestimmungsmittel, die mit den Komponentenfeuchtigkeitsberechnungsmitteln verbunden sind, zur Bestimmung eines jeweiligen Verhältnisses eines jeden Paars von Feuchtigkeitsabtastwerten, um jeweilige Verhältnisse &agr;i zu erzeugen,

    Komparatormittel, die mit den Verhältnisbestimmungsmitteln verbunden sind, zum Vergleich der jeweiligen Verhältnisse &agr;i mit einer vorherbestimmten Konstante K, die für die parallelen Lagen im Ballen charakteristisch ist,

    Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, die mit den Komparatormitteln verbunden sind, und die auf die Verhältnisse &agr;i reagieren, wenn diese gleich mit K sind, zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts als ein Mittelwert der korrigierten digitalisierten abgetasteten Komponentenfeuchtigkeitsgehalte, die mit einer der Mikrowellenantennen verknüpft sind, und

    Nicht-Parallellagen-Feuchtigkeitsbestimmungsmittel, die mit den Komparatormitteln verbunden sind, und die auf die Verhältnisse &agr;i reagieren, wenn diese ungleich K sind, zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts als ein Mittelwert für alle Scheiben der korrigierten digitalisierten abgetasteten Komponentenfeuchtigkeitsgehalte, die mit einer der Mikrowellenantennen verknüpft sind, wobei der Mittelwert durch die empirische Funktion f (&agr;i, Wix, Wiy) korrigiert wird.
  6. Das System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die empirische Funktion wie folgt ist: Wi = Wiy + 3.2 × 10–2 (&agr;i/K – 1).
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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