专利名称：一种用于确定电容器装置介电性能的设备和方法
一种用于确定电容器装置介电性能的设备和方法
背景技术：
本发明属于采用电设施检查物质的领域。它涉及一种用于确定独立权利要求前序所述的电容器装置的至少一个介电性能的设备和方法。
本发明优选用于对优选为纺织结构的诸如粗疏条、粗纱、纱线或织物的长条形物进行电容性测试。本发明由此也涉及另一权利要求的前序所述的一种用于对移动的长条形测试对象进行电容性检查的设备。这种检查的目的例如可以是检测杂质、识别单位长度的质量变化、以及/或测量测试对象中的湿度。本发明例如可用于在纺纱机和络筒机中的清纱器内的生产过程中(联机)、或用于在纱线测试装置内的实验室测试中(脱机)。
现有技术
已知有许多各种设备用于检查或测试长条形纺织测试对象，例如粗疏条、粗纱、纱线或织物。取决于这些设备的应用，可将它们划分为实验室测试(脱机)和在生产过程中的测试 (联机)两类。这些设备利用各种已知的传感器原理，其中电容性测量原理对于本发明尤其适用，其中测量电容器通常被布置成平面式平板电容器，且包括用于测试对象的通孔。测量电容器是LC振荡器的一部分，从而可在激发LC振荡器时向测量电容器施加电交变电压。该通孔由此经受交变电场。测试对象移动通过平板电容器，且经受交变场。检测平板电容器的电输出信号。由评估电路中的输出信号确定测试对象的介电性能。由介电性能确定测试对象参数的变化，例如单位长度的质量和/或材料成分。对电容性纱线或纱条传感器的描述例如可参见GB-638，365 A。
为实现不受诸如空气温度或空气湿度的外部因素影响的精确测量，通常使用补偿方法。为此，所述设备除实际的测量电容器外，还包括参考电容器。可通过设置与所述两个测量电容器平板平行的第三电容器平板形成该参考电容器，且可将三个电容器平板一同切换到一个电容性测量电路内。在 EP-0，924，513 AUW0-2006/105676 Al 和 W0-2007/115416 Al的说明书中给出测量电路以及适用于其输出信号的评估电路的例子。
由US-4，843，879 A可知一种用于对纺织线进行电容性质量控制的装置。它包括具有测量电容器和参考电容器的双电容器装置。该双电容器装置被内置在电路内。该电路包括振荡器，该振荡器用于向双电容器装置的两个外部电容器电极施加两个具有相反相位的交变电压。信号放大器和平衡电容器位于振荡器与各个电极之间的每个支路中，由此可将双电容器装置的输出信号平衡到无任何测试对象时的数值零。
W0-2006/069720 A2公开了一种用于对产品中(尤其是烟草、棉花或任何其他纤维产品中)的杂质进行电容性识别的测量设备和测量方法。高频产生装置产生高频波并施加在测量电容器上。由闭合回路控制装置将所产生的高频波的电压振幅保持恒定。
由EP-0’ 922’963 A2已知一种用于确定复阻抗的评估电路。由电压源产生两个交变电压信号，其中之一被施加在待测阻抗上。阻抗的输出信号与另一交变电压信号结合，该交变电压信号分别相移0°或90°，从而可由分别得到的输出信号确定阻抗的实数部分和虚数部分。电压源包括用于产生数字信号的频率发生器、1:2分频器、以及用于产生两个相移达90°的交变电压信号的D触发器。在频率变化中维持相移。
JP-2002-005971 A显示一种用于对诸如蒸馏水和自来水的各种液体进行电容性微分、以及对液体中的非金属杂质进行检测的装置。为此，以宽频方式对放置有样品的电路进行扫描，并确定分散度。使用直接数字合成器(direct digital synthesizer, DDS)作为用于扫描的信号发生器。
对于现有技术水平的电容性传感器，测量电容器或测量电路是LC振荡器的一部分。 测量电容器由此影响施加在其上的交变电压的参数，例如频率、相位和振幅。另一方面，LC 振荡器通常具有单一的谐振频率、或至少数量非常有限的离散谐振频率，以使其能正常运转。只有非常费力才能改变或平衡谐振频率和相位。

发明内容
因此，本发明的一目的是提供一种无上文所述缺点的用于确定电容器装置至少一个介电性能的设备和方法。所述装置和方法将能够被更加灵活地应用，且将比现有技术更加容易被控制。它们将使在各方面和/或就各种性能对电容器装置进行检查成为可能，由此使这些检查更好和更完备。本发明的另一目的是提供一种用于对移动的诸如粗疏条、粗纱、纱线或织物的长条形纺织测试对象进行电容性检查的设备和方法，由此可更好和更完备地检测测试对象的性能。尤其应可靠地且相互区别地确定纺织测试对象的参数，例如杂质的存在、类型和百分比、以及单位长度的质量变化或湿度。
正如在独立权利要求中所明确的那样，可通过本发明所述的设备和本发明所述的方法实现这些和其他目的。在本发明的从属权利要求中描述了有利实施方式。
本发明是以以下构想为基础的将电容器装置从对其驱动的交变信号发生器上解耦合，以使它非相关地影响由交变信号发生器产生的电交变信号的参数，尤其是交变信号的基本频率和信号形式。由此，交变信号发生器和电容器装置是相互独立的构件。尤其是电容器装置不再是交变信号发生器的一部分。交变信号发生器允许产生交变信号、以及将该信号施加给电容器装置，所述交变信号具有实际上随机的参数，尤其是基本频率和信号形式。
术语“电容器装置”在本说明书中应被理解为具有两个体部的布置，这些体部可通过非相似的方式由交变信号产生器的电交变信号充电，且由至少一个电介体相互隔开。在一优选实施方式中，电容器装置与具有两个相互隔开的平板的电容器有关，在这两个平板之间的空气被清除，且待测的移动的长条形纺织测试对象可被插在该两平板之间。术语“电交变信号”在本说明书中将被理解为具有至少一个时变且优选为周期性的分量(交流分量)的电压或电流信号，其上可另外叠加有暂时大体上恒定的分量(直流分量，偏移)。周期性分量具有特定的基本频率和特定的信号形式。“基本频率”是出现在交变信号频谱中的最低频率。 信号形式的例子有正弦形、三角形、锯齿形、矩形等，且各个基本模式按基本频率周期性重复。要求电容器装置无论如何不是测量振荡电路的频率确定部分，由此电容器装置将以“非相关”的方式影响电交变信号的参数。不排除由电容器装置产生的交变信号的谐振分量。
本发明所述的用于确定电容器装置的至少一个介电性能的设备包括至少一个用于向电容器装置施加具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号的交变信号发生器。将电容器装置从至少一个交变信号发生器上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的基本频率和信号形式。该设备还包括用于检测从电容器装置上分接的交变信号的至少一个电测量变量的检测设施。布置至少一个交变信号发生器，从而可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。
优选布置至少一个交变信号发生器，从而可另外预定由所述发生器产生的交变信号的相位位置和/或振幅。为解耦合，至少一个交变信号发生器具有至少一个串联的放大器，用于放大由交变信号发生器产生的交变信号。用于过滤由变信号发生器产生的交变信号的滤波器可与至少一个交变信号发生器串联。
至少一个交变信号发生器优选选自下组RC振荡器、LC振荡器、石英振荡器、具有陶瓷谐振器的振荡器、具有SAW (声表面波，surface acoustic waves, SAW)构件的振荡器、具有逻辑部件的振荡器、合成器、锁相环(phase-locked loop, PLL)、脉冲宽度调制器 (pulse-width modulator, PWM)、触发电路。
合成器在一优选实施方式中被用作交变信号发生器。术语“合成器”在本说明书中将被理解为一种用于产生模拟电交变电压信号的混合信号(数字和模拟)电子设备。直接数字合成器(direct digital synthesizers, DDS)可特别有利地用于本发明所述的设备中。DDS是一种主要能够产生具有任何信号形式、频率和/或相位位置的模拟信号的电子构件，且各个类型受特定限制。它的数字硬件在固定频率(时钟频率)下工作。诸如正弦信号的周期信号的整或半周期的数字值以表格形式被储存在DDS的计算机存储器(可编程只读存储器，programmable read-only memory, PROM)中。这些支撑点在信号产生期间被取回。可省略或加倍某些支撑点，以可产生随机频率。
在一优选实施方式中使用几个交变信号发生器，且布置用于控制交变信号发生器的控制设施，从而可使不同交变信号发生器的交变电压信号的相位可相互相移达预定的相位差。
本发明所述的设备可包括与待测电容串联的参考电容器。
本发明所述的设备优选用于对移动的诸如粗疏条、粗纱、纱线或织物的长条形纺织测试对象进行电容性检查，且移动的测试对象影响待测电容。
本发明的另一主题是一种用于对移动的长条形的优选为诸如粗疏条、粗纱、纱线或织物的纺织测试对象进行电容性检查的设备。它包括具有用于容纳测试对象的测量电容器的电容性测量电路、以及至少一个用于向测量电容器施加具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号的电交变信号发生器。将电容性测量电路从至少一个交变信号发生器上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的基本频率和信号形式。该设备还包括用于检测从测量电容器上分接的电信号的至少一个电测量变量的检测设施。布置至少一个交变信号发生器，从而可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。
在本发明所述的用于确定电容器装置的至少一个介电性能的方法中，由至少一个交变信号发生器产生具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号，并将其施加给电容器装置。将电容器装置从交变信号发生器上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的基本频率和信号形式。可检测从电容器装置分接的电信号的至少一个电测量变量。可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。优选另外改变交变信号的相位位置和/ 或振幅。有可能产生几个交变信号，且它们根据预定的相位差相互相移。
在本发明所述的用于对移动的长条形的优选为诸如粗疏条、粗纱、纱线或织物的纺织测试对象进行电容性检查的方法中，测试对象被引入到测量电容器内。由至少一个交变信号发生器产生具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号，并将其施加给测量电容器。将测量电容器从至少一个交变信号发生器上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的基本频率和信号形式。可检测施加给测量电容器的电信号的至少一个电测量变量。可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。
根据本发明，可相对于交变信号的基本频率和/或信号形式简单而又高精确度地设定施加给电容器装置的交变信号。由此可对它作最佳调节，使其适应各个测试对象、所选测量方法和/或所处环境。本发明甚至有可能允许使用全新的测量方法，例如使用频率和相位调制进行测量、改变相互的相位位置等。由此可通过使用至少两个具有明确相互相位位置的交变信号的测量确定测试对象的几个参数，例如测试对象材料的质量、湿度和成分(或杂质含量)。例如可由ΕΡ-0，924’ 513 Al和W0-2007/1154161 Al获悉用于评估由这种测量得到的测量信号的方法。


下文通过结合示意图对本发明作更详细的说明。图1和2显示本发明所述设备的两种实施方式的电路图。
具体实施例方式
下文所讨论的本发明的优选实施方式使用至少一个合成器作为交变信号发生器。对此不应有限地去理解。可理解的是在本发明中可使用许多其他的本领域技术人员已知的交变信号发生器。
图1为本发明所述设备1的第一种实施方式的电路图。设备1包括具有测量电容器21的测量电路2，该测量电容器21用于容纳沿其纵向X移动的长条形测试对象9 或纱线。测量电容器21包括两个平行的电容器平板以及用于测试对象9的通孔20。可选地在测量电路2中提供参考电容器22，用于提高测量精确度以及消除或减少不良的诸如空气湿度或空气温度的环境影响。优选采用与测量电容器21相同的方式布置参考电容器22，且二者间的不同是测试对象9不从参考电容器22中通过。测量电容器21与参考电容器22串联，共同形成电容性分压器。可理解的是测量电路2可包括其他未在此显示的构件。
设备1还包括例如被布置成合成器的电交变电压发生器3，用于产生向测量电路2 施加的交变电压信号。这使测量电容器21的通孔20经受与测试对象9相互作用的电交变场。因此，有可能根据测量电容器21的输出信号对测试对象9的性能作出结论。参考电容器22也经受交变电场。
在一优选实施方式中，直接数字合成器(direct digital synthesizer, DDS)被用作合成器3。可由数字接口 4控制DDS。
在图1所示的实施方式中，由合成器3产生诸如具有特定频率的正弦信号的交变电压信号。也可产生频率不同于基本频率的信号分量。对纱线9和其他长条形纺织结构进行检查尤其适用的频率在1 MHz至100 MHz范围内，优选在5 MHz至50 MHz范围内， 且例如约等于10 MHz。合成器3优选包括两个输出线31和32，其中第一信号是在第一输出线31上的输出，第二信号是在第二输出线32上的输出，且第二信号与第一信号大体上相同，但相互相移达180°。
可可选地由各自的滤波器51和52对由合成器3产生的两个信号进行过滤。然后由一个放大器61和62 (例如运算放大器)对它们分别进行放大。这样被放大的信号被提供给测量电路2。虽然由此通过测量电路2接收由合成器3产生的交变电压信号，但由放大器61和62将该测量电路2从合成器3上解耦合，从而使它不影响由合成器3产生的交变电压信号的参数。
测量电路2优选是解调器7，用于从测量电路2输送到电线23的输出信号。解调器 7用于解调测量电路2的模拟输出信号，即模拟调节和抽取从测量电路2分接的电信号中的低频信号。在图1所示的实施方式中，解调器7首先包括用于放大输出信号的放大器71。放大器71的输出信号被划分为两个部分路径72和73，且被解调成两个不同的相位。解调大体上同时进行，作为部分信号分量与通过乘法器74和75施加给测量电容器21的交变电压信号的乘积。在部分路径73中的移相是由移相器76造成的。为获得正交信号，该移相优选为90°。也有可能选择其他移相。为获得平滑效果，两信号均通过低通滤波器77和78发送，并随后提供给评估部件8。评估部件8可包括模拟电路或具有处理器的数字电路。
在图1已示的实施方式中，合成器3提供单频率的交变电压信号，且它相对于测量电路是交变电压源一部分的传统设备而言具有相当多的优点。交变电压信号的频率在很大的范围内是自由的，该范围受合成器3本身的限制，且可高精确度地设定。
然而，本发明对于交变电压信号提供了更多的自由。由合成器3向测量电路2提供的信号可包括几个具有不同频率的信号分量。除百万赫兹范围内的高频分量外，还可有利地提供频率在10 KHz至1000 KHz范围内的低频分量，该低频分量优选在50 KHz至 500 KHz范围内，且例如约等于200 KHz0也未必使用正弦信号分量。然而，已知每个周期信号可通过傅里叶级数展开分解出正弦分量。
总而言之，合成器3可将任何随机数量的信号分量混合成交变电压信号，且可自由选择各种分量的信号形式、频率、振幅、以及相互的相位位置。
图2为本发明所述设备1的第二种实施方式的电路图。在该实施方式中产生两个相互移动达预定相位差的单频率交变电压信号。这是由两个合成器3.1和3.2且优选DDS 实现的，且这些合成器有利地由单一数字接口 4控制。数字接口 4协调两个合成器3.1 和3. 2，从而得到需要的相移。与图1中所示的为此在解调器7中使用移相器76的实施方式相似(参见图1)，第二合成器3.2的相移信号是对输出线33的输出，且用于解调测量电路2的输出信号。相移优选为90°，由此得到正交信号。它也可采取其他值或被改变。与第一合成器3.1相似，滤波器53或放大器63可用于过滤和放大第二合成器 3.2的相移信号。在图2所示的实施方式中，第二合成器3.2的第二输出34保持未用， 且第二合成器3.2相对于第一输出33移动180°，由此相对于第一合成器3.1的第一输出31移动270°。它也可用于评估测量电路2的输出信号。作为这种使用两个合成器3.1和3.2的实施方式的替代方式，也可由单一的具有各自输出的合成器提供各种相移信号。
也有可能使用由一个单一的或几个合成器提供的两个以上(不包括两个)的相移信号进行评估。由此可确定测试对象9的几个性能，例如测试对象9的质量、测试对象9的湿度、以及可选性杂质，例如在测试对象9内所含的聚丙烯。此外，有可能使用许多这种信号确定构成测试对象的各种类型的原棉的混合比。
可理解的是本发明并不局限于上文讨论的实施方式。根据本发明的知识，本领域技术人员将能够得出也属于本发明主题的另一些变体。尤其可使用各种已知的交变信号发生
ο
参考编号列表
1设备
2测量电路
20通孔
21测量电容器
22参考电容器
3交变信号发生器
31，32交变信号发生器的输出线
33，34第二交变信号发生器的输出线
4数字接口 51-53滤波器 61-63放大器
7解调器 71放大器
72,73 解调器的部分路径
74,75 乘法器
76移相器
77，78低通滤波器
8评估电路
9测试对象
χ测试对象的纵向
权利要求
1.一种用于确定电容器装置的至少一个介电性能的设备(1)，包括至少一个用于向所述电容器装置施加具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号的交变信号发生器(3，3.1，3.2)，且将所述电容器装置从至少一个交变信号发生器(3，3.1，3. 2)上解耦合， 从而使它非相关地影响所施加的交变信号的所述基本频率和所述信号形式；以及用于检测从所述电容器装置上分接的电信号的至少一个电测量变量的检测设施⑵；其特征在于布置所述至少一个交变信号发生器(3，3.1，3. 2)，从而可改变所施加的交变信号的所述基本频率和/或所述信号形式。
2.—种权利要求1所述的设备(1)，其中布置所述至少一个交变信号发生器(3， 3. 1，3.幻，从而此外可预定由此产生的所述交变信号的相位位置和/或振幅。
3.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中至少一个用于放大由所述交变信号发生器(3，3.1，3. 2)产生的所述交变信号的放大器(61至63)与所述至少一个交变信号发生器(3，3.1，3.2)串联。
4.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中至少一个用于过滤由所述交变信号发生器(3，3.1，3. 2)产生的所述交变信号的滤波器(51至53)与所述至少一个交变信号发生器(3，3.1，3.2)串联。
5.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述至少一个交变信号发生器(3， 3.1，3.2)选自下组RC振荡器、LC振荡器、石英振荡器、具有陶瓷谐振器的振荡器、具有 SAff构件的振荡器、具有逻辑部件的振荡器、合成器、锁相环、脉冲宽度调制器、触发电路。
6.一种权利要求5所述的设备(1)，其中所述至少一个交变信号发生器(3，3.1， 3.2)是直接数字合成器。
7.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中存在几个交变信号发生器(3.1， 3. 2)，且布置用于控制所述交变信号发生器(3.1，3. 2)的控制设施G)，从而可使不同交变信号发生器(3.1，3. 2)的交变信号的相位可相互相移达预定的相位差。
8.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述设备(1)包括被切换成与所述电容器装置串联的参考电容器02)。
9.一种前述权利要求之一所述的设备(1)，其中所述检测设施(7)包括具有与所述电容器装置串联的乘法器(74)的解调器，该乘法器(74)用于使从所述电容器装置分接的所述电信号与至少一个交变信号发生器(3，3. 2)的交变信号相乘。
10.一种用于对移动的长条形测试对象(9)进行电容性检查的设备(1)，包括具有用于容纳所述测试对象(9)的测量电容器的电容性测量电路(2)； 至少一个用于向所述测量电容器施加具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号的电交变信号发生器(3，3.1，3.2)，且将所述电容性测量电路( 从所述至少一个交变信号发生器(3，3.1，3. 2)上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的所述基本频率和所述信号形式；以及用于检测从所述电容器装置上分接的电信号的至少一个电测量变量的检测设施⑵；其特征在于布置所述至少一个交变信号发生器(3，3.1，3. 2)，从而可改变所施加的交变信号的所述基本频率和/或所述信号形式。
11.一种用于确定电容器装置的至少一个介电性能的方法(21)，其中由至少一个交变信号发生器(3，3.1，3. 2)产生具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号，并将其施加给所述电容器装置将所述电容器装置从所述交变信号发生器(3，3.1，3. 2)上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变系统的所述基本频率和所述信号形式；以及可检测从所述电容器装置分接的电信号的至少一个电测量变量； 其特征在于可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。
12.—种权利要求11所述的方法，其中另外改变所述交变信号的相位位置和/或振幅。
13.—种权利要求11或12所述的方法，其中所述交变信号在被施加给所述电容器装置之前被放大和/或过滤。
14.一种权利要求11至13之一所述的方法，其中产生几个相互相移达预定相位差的交变信号。
15.一种权利要求11至14之一所述的方法，其中从所述电容器装置分接的所述电信号通过与交变信号相乘而被解调，用于检测所述至少一个电测量变量。
16.一种用于对移动的长条形测试对象(9)进行电容性检查的方法，其中在所述测试对象(9)被装入到测量电容器内的条件下，由至少一个交变信号发生器(3， 3.1，3. 2)产生具有特定基本频率和特定信号形式的电交变信号，并将其施加给所述测量电容器；且将所述测量电容器从所述至少一个交变信号发生器(3，3.1， 3. 2)上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的所述基本频率和所述信号形式；以及可检测从所述测量电容器分接的电信号的至少一个电测量变量；其特征在于改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。
全文摘要
本发明所述装置(1)用于确定电容器装置(21)的至少一个介电性能，尤其用于对移动的诸如纱线的长条形测试对象(9)进行电容性检查。它包括用于向电容器装置(21)施加电交变信号的交变信号发生器(21)。由放大器(61)将电容器装置(21)从交变信号发生器(3)上解耦合，从而使它非相关地影响所施加的交变信号的基本频率和信号形式。此外，使用检测设施(7)检测从电容器装置(21)上分接的电信号的电测量变量。设置交变信号发生器(3)，从而可改变所施加的交变信号的基本频率和/或信号形式。由此可更完备地表征电容器装置(21)的特性。
文档编号G01N33/36GK102203595SQ200980141275
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月12日 优先权日2008年10月16日
发明者瑞托·格里克 申请人:乌斯特技术股份公司