HLADIK, Reinhard (Überfuhrstraße 37/7/8, Wien, A-1210, AT)
GILA, Janos (Hyrtlstraße 40/1/5, Mödling, A-2340, AT)
HLADIK, Reinhard (Überfuhrstraße 37/7/8, Wien, A-1210, AT)
| Patentansprüche / Patent Claims 1. Kombiniertes Temperatur-Druck-Messverfahren mit OFW- Resonatoren als passiven Sensoren, insbesondere zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern wie Spanplatten, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Temperatur des Pressgutes ermittelt wird und in einem zweiten Schritt der Druck im Pressgut ermittelt wird, und dass die Ergebnisse der Temperaturmessung bei der Druckermittlung berücksichtigt werden. 2. Kombiniertes Temperatur-Druck-Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung mit einem ersten OFW- Sensor erfolgt und die Druckmessung mit einem zweiten OFW-Sensor erfolgt, dem ein druckabhängiger Kondensator in Reihe geschaltet ist. 3. Kombiniertes Temperatur-Druck-Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatur- und Druckmessung mit einem einzigen OFW-Resonator erfolgen, dem ein druckabhängiger Kondensator in Reihe geschaltet ist und dass für Temperatur- und Druckmessung unterschiedliche Resonanzfrequenzen des OFW-resonators genutzt werden. |
KOMBINIERTES TEMPERATUR - DRUCK-MESSVERFAHREN MIT PASSIVEN
OBERFLÄCHENWELLENSENSOREN
Die Erfindung betrifft ein kombiniertes Temperatur-Druck- Messverfahren mit passiven Sensoren, insbesondere zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern wie
Spanplatten .
Spanplatten werden aus Holzspänen und einem Kunstharzleim durch Verpressen der Ausgangsstoffe hergestellt. Eingesetzt werden sie vorwiegend im Möbel- und Innenausbau sowie im Fertighausbau .
Bei der Herstellung werden die eingesetzten Hölzer zunächst zerkleinert, wobei die Größe der produzierten Späne bzw.
Fasern für jede Plattenart unterschiedlich ist. Je nach
Verfahren werden die Fasern vor dem Trocknen oder unmittelbar danach mit Bindemitteln versetzt.
Als Bindemittel werden beispielsweise Harnstoff- Formaldehydharz, Melamin-Formaldehydharz , Phenol- Formaldehydharz sowie deren Mischprodukte, Polyurethane oder Tanninharze eingesetzt. Neben organischen können auch
anorganische Bindemittel wie Portlandzement, Magnesiazement oder Gips zur Herstellung von Spanplatten verwendet werden. Zusätzlich kommen als Hilfs- und Zuschlagstoffe Härter wie Am-monsulfat , Ammonnitrat, Ammonchlorid; Beschleuniger wie Kaliumkarbonat, Amine; Formaldehydfängersubstanzen;
Hydrophobierungsmittel; Feuerschutzmittel wie beispielsweise Ammoniumphosphat; Fungizide und Farbstoffe zum Einsatz.
Danach werden die Späne getrocknet, damit sie die für den Pressvorgang erforderliche Sollfeuchte von etwa 1-8 % in der Decklage und 4-6 % in der Mittellage aufweisen. Nach der Trocknung werden die Späne maschinell gesichtet und je nach Größe und Reinheit entweder in der Mittelschicht oder in der Deckschicht eingesetzt. Danach werden die Späne beleimt und nach dem Beieimen die Späne zu einem Vlies gestreut. Dies wird unter Einwirkung hoher Temperaturen von ca. 200 °C zu Platten verpresst. Zeitgemäße Pressen arbeiten dabei in kontinuierlicher Arbeitsweise, das heißt als Endlos- Bandpressen. Nach dem Pressen werden die Platten
konditioniert (Lagerung über eine Woche, um Feuchtigkeit und Wärme in der Platte auszugleichen), besäumt und geschliffen. Zur Optimierung des AnlaufVerhaltens des Fertigungsprozesses ist die Kenntnis verschiedener physikalischer Parameter wie Temperatur oder Druck im Inneren des Pressgutes erforderlich.
Dazu ist aus der WO 2009/133050 ein Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern bekannt, bei dem in das Pressgut Sensorelemente und damit verbundene Koppelelemente eingebettet werden und bei dem weiterhin eine Abfrageeinrichtung vorgesehen ist, welche zu den
Koppelementen eine elektrische Wirkverbindung aufweist und bei dem die Sensorelemente angeregt werden, und aus der
Antwort eine Aussage über die physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter getroffen wird.
Als Sensorelemente werden nach dieser Schrift
Oberflächenwellen (OFW) -Resonatoren oder nach anderer
Bezeichnung SAW-Sensoren vorgeschlagen, die sich als
Temperatursensoren auch bei anspruchsvollen
Umgebungsbedingungen bewährt haben. Diese Elemente beruhen darauf, dass sich mittels
Elektrodenstrukturen auf der Oberfläche von Piezokristallen Schallwellen erzeugen lassen, die sich auf der
Substratoberfläche ausbreiten. Durch die Gestalt der
Elektroden oder anderen Formparametern können Frequenzen selektiert werden. Mit geeigneten weiteren Elektrodenstrukturen wird die
akustische Oberflächenwelle wieder in elektrische Signale umgewandelt . Beim Einsatz als OFW-Sensoren wird die Abhängigkeit der Oberflächenwellengeschwindigkeit von der mechanischen
Spannung (Verformung) , der Massenbeaufschlagung (Ablagerungen auf der Oberfläche) oder der Temperatur
(Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit) genutzt.
Dieser Einsatz ist beispielsweise in
http : //www . imtek . de/content/pdf/public/ 1997 /reifen . pdf „Drahtloses Messen mit passiven OFW Sensoren am Beispiel der Überwachung des Reifenluftdruckes; A. Pohl,L. Reindl, H.
Scherr" beschrieben.
Diese Schrift enthält auch ein Beispiel, wie mittels OFW- Sensor Druck gemessen werden kann. Dazu wird der Sensor entweder direkt oder über ein Zwischenelement mit einer Membrane einer Druckmessdose verbunden. Das Sensorelement wird durch die Wölbung der Membrane auf Biegung beansprucht, durch die sich die elektrischen Eigenschaften des OFW- Sensors in messbarerer Weise ändern. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu verbessern.
Die geschieht erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem in einem ersten Schritt die Temperatur des Pressgutes ermittelt wird und in einem zweiten Schritt der Druck im Pressgut ermittelt wird, und dass die Ergebnisse der Temperaturmessung bei der Druckermittlung berücksichtigt werden. Die Messung der Temperatur eines Pressgutes mittels OFW-
Sensor ist problemlos möglich, sofern der Sensor so in das Pressgut eingebetet ist, dass es während der Pressvorgänge zu keinen mechanischen Verformungen kommt. Dies kann durch geeigneten Sensoraufbau gewährleistet werden.
Die Druckmessung im Pressgut wird jedoch durch
Temperatureinflüsse verfälscht.
Erfindungsgemäß wird daher zuerst die Temperatur im Pressgut ermittelt, und sobald diese bekannt ist, erfolgt die
Ermittlung der Drucks unter Berücksichtigung der Temperatur.
Da beide Messungen mit OFW-Sensoren erfolgen, ist ein
einfacher und einheitlicher Aufbau der Messanlage möglich.
Günstig ist es, wenn die Temperaturmessung mit einem ersten OFW- Sensor erfolgt und die Druckmessung mit einem zweiten OFW-Sensor erfolgt, dem ein druckabhängiger Kondensator in Reihe geschaltet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn Temperatur- und Druckmessung mit einem einzigen OFW-Resonator erfolgen, dem ein
druckabhängiger Kondensator in Reihe geschaltet ist und bei dem für Temperatur- und Druckmessung unterschiedliche
Resonanzfrequenzen des OFW-Resonators genutzt werden. Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines OFW- Resonators, wie er zur Messung der Temperatur eingesetzt wird und
Fig.2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines OFW-Resonators mit druckabhängiger Kapazität in Serie zur Messung des
Druckes
Fig.3 die Frequenzverläufe zu zwei typischen OFW-Resonatoren und Fig.4 das elektrische Ersatzschaltbild eines OFW-Resonators mit mehreren Resonanzfrequenzen und druckabhängiger Kapazität in Serie zur Messung des Druckes. Fig.5 einen typischen Verlauf der Resonanzfrequenz eines OFW- Resonators in Abhängigkeit von der Temperatur (oberes Bild) und von Temperatur und Druck (unteres Bild)
Fig. 6 einen typischen Verlauf der Resonanzfrequenz eines OFW-Resonators in Abhängigkeit von der Temperatur (oberes Bild) und von Temperatur und Druck (unteres Bild)
Das in Figur 1 dargestellte Ersatzschaltbild eines OFW- Resonators umfasst einen seriellen Schwingkreis bestehend aus erstem Kondensator C m , erster Spule L m und erstem Widerstand R m . Parasitäre Plattenkapazitäten des OFW- Resonators werden durch den zweiten Kondensator Co berücksichtigt. Der
Widerstand der Antenne R f und der Innenwiderstand Ra des anregenden HF- Generators U g sind ebenso dargestellt.
Zur Kompensation der parasitären Kapazität Co kann eine weitere Spule L p vorgesehen sein.
Ein derartiger OFW-Resonator kann zur Messung seiner
Umgebungstemperatur verwendet werden, da seine
Resonanzfrequenz f e ig en die in Figur 5.1 dargestellte
Temperaturabhängigkeit aufweist.
Auf eine Anregung mit einem HF-Signal in der Nähe seiner Resonanzfrequenz antwortet daher der OFW-Resonator mit einem Signal, dessen Frequenz eine Aussage über die
Umgebungstemperatur liefert.
Für Druckmessungen wird dem OFW-Resonator eine druckabhängige Kapazität C d in Reihe geschaltet, wie dies in Fig. 2
dargestellt ist. Dabei wird die Kapazitätsänderung eines Kondensators bei Veränderung des Plattenabstandes infolge Druckeinwirkung als Sensoreffekt genutzt. Der Kondensator C d wird aus einer festen Elektrode und einer vom Druck deformierbaren beweglichen Membran als zweiter Elektrode gebildet . Die feste Elektrode kann dabei beispielsweise eine
metallisierte Glasplatte sein, während die bewegliche
Elektrode durch anisotrope Ätztechnik und Beschichtung als metallisierte Siliziummembran realisiert wird.
Der in Fig. 2 dargestellte Drucksensor weist nun in Bezug auf seine Resonanzfrequenz eine Abhängigkeit von Temperatur und Druck auf, wie dies in Fig. 5.2 dargestellt ist. Um nun auch den Druck exakt bestimmen zu können, wird nun erfindungsgemäß mit einem ersten Sensor zuerst die Temperatur im Pressgut bestimmt und danach bei Auswertung der
Druckmessung die bereits bestimmte Temperatur berücksichtigt. Diese Berücksichtigung ist auf Basis der in Fig.l und Fig.2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbilder durch Anwendung der bekannten mathematischen Zusammenhänge auf einfache Weise durchführbar . Verfügbare OFW-Resonatoren haben in Abhängigkeit vom
Herstellprozess unterschiedliche Frequenzeigenschaften. Neben OFW-Resonatoren mit nur einer ausgeprägten Resonanzfrequenz TYP 1 existieren auch Produkte mit mehreren
Resonanzfrequenzen TYP 2, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Das entsprechende elektrische ersatschaltbild ist in Fig.4 dargestellt, wobei die weiteren Resonanzfrequenzen durch entsprechende Schwingkreise L p i,C p i , R p i ... L pn , C pn , R pn
berücksichtigt werden. Dazu wurde festgestellt, dass die Resonanzfrequenzen
unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, was im
Ersatzschaltbild durch unterschiedliche Werte für die
entsprechenden Schwingkreis-kapazitäten und -Induktivitäten seinen Ausdruck findet. So können bei benachbarten Resonanzfrequenzen die Werte der Kapazitäten und
Induktivitäten erheblich voneinander abweichen,
beispielsweise um den Faktor 10.
Damit wirkt sich aber die Reihenschaltung einer
druckabhängige Kapazität C d wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, auf die Resonanzfrequenzen völlig unterschiedlich aus. Da sich bei einer Reihenschaltung von Kondensatoren die
Gesamtkapazität gemäß 1/C ges = 1/C d + 1/ C p i ergibt, ist die Druckabhängigkeit des Drucksensors dann hoch, wenn das
Verhältnis der druckabhängigen Kapazität C d zur Kapazität der Resonanzfrequenz klein ist, bzw. ist die Druckabhängigkeit dann klein, wenn die druckabhängige Kapazität C d groß
gegenüber der Kapazität der Resonanzfrequenz C p i ist.
Durch Auswahl der Resonanzfrequenz kann daher die
Druckabhängigkeit eines Sensors variiert werden. Diese
Abhängigkeit ist in Fig.6 dargestellt.
Erfindungsgemäß wird dies dazu genutzt, dass Temperatur- und Druckmessung mit einem einzigen OFW-Resonator erfolgen, wobei für Temperatur- und Druckmessung unterschiedliche
Resonanzfrequenzen des OFW-Resonators genutzt werden.