CH616238A5

CH616238A5 - Device for determining the material composition, particularly the moisture content of a material with the aid of high frequency.

Info

Publication number: CH616238A5
Application number: CH500077A
Authority: CH
Inventors: Istvan Fabian; Robert Breitner; Andras Ban
Original assignee: Mueszeripari Kutato Intezet
Priority date: 1977-02-15
Filing date: 1977-04-22
Publication date: 1980-03-14
Also published as: DD130077A5; PL109785B1; PL198425A1; DE2719039A1; HU174359B

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Stoffzusammensetzung, vor allem des Feuchtigkeitsgehalts eines Stoffes mit Hilfe von Hochfrequenz. The invention relates to a device for determining the substance composition, especially the moisture content of a substance with the aid of high frequency.

Zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Stoffen sind zahlreiche Verfahren und Einrichtungen einsetzbar. Am bekanntesten ist als Absolutmessung das Trocknen bis zur Gewichtskonstanz. Mit den mit diesem Verfahren bestimmten Feuchtigkeitsgehaltwerten werden die mit den übrigen Methoden gemessenen Wert verglichen. Es ist ein häufig verwendetes Verfahren, den zu messenden Stoff in das elektrische Feld eines Kondensators zu bringen und die Feuchtigkeitsabhängigkeit der dielektrischen Kennwerte des Stoffes im Feld mit Hilfe von Hochfrequenz zu bestimmen. Numerous methods and devices can be used to measure the moisture content of substances. The best known is the absolute measurement of drying to constant weight. The moisture content values determined with this method are compared with the values measured with the other methods. It is a frequently used method to bring the substance to be measured into the electrical field of a capacitor and to determine the moisture dependence of the dielectric characteristics of the substance in the field with the aid of high frequency.

Einrichtungen nach diesem Prinzip weisen bei Messungen unter industriellen Bedingungen mehrere, die Anwendbarkeit beschränkende Nachteile auf. Devices according to this principle have several disadvantages which limit the applicability when measuring under industrial conditions.

Ein Hindernis der industriellen Verbreitung der bisher bekannten Hochfrequenzmethoden ist, dass der für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit des dielektrischen Kennwertes verwendete Temperaturmesswert falsch ist. Bei den bekannten Ausführungen bilden nämlich das Hochfrequenzelektrodensystem und der für die Wärmekompensation verwendete Temperaturfühler je eine mechanisch selbständige Einheit. Der für die Korrektur verwendete Temperaturfühler misst daher nicht die Temperatur des vom Hochfrequenzfeld durchdrungenen Stoffes. An obstacle to the industrial spreading of the previously known high-frequency methods is that the temperature measurement value used for the compensation of the temperature dependence of the dielectric characteristic value is incorrect. In the known designs, the high-frequency electrode system and the temperature sensor used for heat compensation each form a mechanically independent unit. The temperature sensor used for the correction therefore does not measure the temperature of the substance penetrated by the high-frequency field.

Besonders ungenau sind jene Systeme, wo sich der Temperaturfühler in der Nähe der Behälterwand befindet, die den zu messenden Stoff enthält. Während der fortlaufenden Feuchtigkeitsmessung gibt der Temperaturfühler, der in den an der Behälterwand haftenden Stoff eintaucht, nicht die Temperatur des zu messenden Stoffes, sondern einen von der unmittelbaren Umgebungstemperatur des Behälters abhängigen Wert an. Aus diesem Grunde korrigiert der Temperaturfühler nicht die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften des im Hochfrequenz liegenden Stoffes. Dies kann in der industriellen Praxis einen Temperaturunterschied von 10—20° C ausmachen, was die Korrektur wesentlich be-einflusst. The systems where the temperature sensor is located near the container wall that contains the substance to be measured are particularly inaccurate. During the continuous moisture measurement, the temperature sensor, which is immersed in the substance adhering to the container wall, does not indicate the temperature of the substance to be measured, but a value dependent on the immediate ambient temperature of the container. For this reason, the temperature sensor does not correct the temperature dependence of the dielectric properties of the high-frequency substance. In industrial practice, this can make a temperature difference of 10-20 ° C, which has a significant influence on the correction.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Hochfrequenzmethoden ist, dass das Fühlerelektrodensystem und die dessen Impuls direkt verarbeitende Hochfrequenzschaltung in verschiedenen Räumen angeordnet sind, und somit keine mechanisch starre, gut definierte Einheit bilden. Das Leitungssystem, das die impulsverarbeitenden Hochfrequenzschaltungen mit dem Fühler verbindet, ändert seine Hochfrequenzeigenschaften unter den bei den schweren industriellen Bedingungen auftretenden mechanischen Wärmeeinwirkungen. Das verbindende Leitungssystem dämpft die Hochfrequenzschwingungen, was eine grössere Empfindlichkeit der impulsverarbeitenden Schaltungen erfordert. Another disadvantage of the previously known high-frequency methods is that the sensor electrode system and the high-frequency circuit that directly processes its pulse are arranged in different rooms and thus do not form a mechanically rigid, well-defined unit. The line system that connects the pulse-processing high-frequency circuits with the sensor changes its high-frequency properties under the mechanical heat effects that occur in the severe industrial conditions. The connecting line system dampens the high-frequency vibrations, which requires a greater sensitivity of the pulse processing circuits.

Eine höhere Empfindlichkeit der Schaltungen und die damit zusammenhängende grössere Unstabilität erschwert, die unter industriellen Einsatzbedingungen geforderte Messgenauigkeit zu sichern. A higher sensitivity of the circuits and the associated greater instability makes it difficult to ensure the measurement accuracy required under industrial conditions.

Als weitere Fehlerquelle in den bisher bekannten Messsystemen erscheint die Änderung im Füllungsfaktor des zu messenden Stoffes — Masse des auf eine Volumeneinheit fallenden Stoffes — trotz gleichen Feuchtigkeitsgehalts. Bei den industriellen Messungen ist es eine häufig vorkommende Aufgabe, dass der Feuchtigkeitsgehalt des von einem Förderband in veränderlicher Menge eintreffenden und in einen Speicher gelangenden Stoffes bestimmt werden soll. Another source of error in the previously known measuring systems appears to be the change in the filling factor of the substance to be measured - mass of the substance falling on a unit of volume - despite the same moisture content. In industrial measurements, it is a common task to determine the moisture content of the material arriving from a conveyor belt in variable quantities and entering a storage facility.

Die individuelle Probenahme bei den bisher bekannten Methoden konnte die vom Füllungsfaktor verursachte Änderung nicht berücksichtigen. In der industriellen Praxis kann diese Ungenauigkeit einen Messfehler von 0,2—0,8 % Feuchtigkeitsgehalt erreichen. The individual sampling with the previously known methods could not take into account the change caused by the filling factor. In industrial practice, this inaccuracy can reach a measurement error of 0.2-0.8% moisture content.

Ein weiterer Nachteil der bisher angewandten Hochfrequenzmethoden — womit die industrielle Anwendbarkeit beschränkt wird — ist die Tatsache, dass mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt die Empfindlichkeit bei höheren Werten der Feuchtigkeit abnimmt. Dadurch ist der Fehler des vom Feuchtigkeitsgehalt abgeleiteten und zur Steuerung benutzten Messwertes nicht linear und dies beeinträchtigt bei der Automatisierung der industriellen Vorgänge die geforderte Genauigkeit im gesamten Messbereich. Another disadvantage of the previously used high-frequency methods - which limits industrial applicability - is the fact that the sensitivity decreases with higher moisture values with increasing moisture content. As a result, the error of the measured value derived from the moisture content and used for control purposes is not linear and this affects the required accuracy in the entire measuring range when automating industrial processes.

Bei der Automatisierung der Industrieprozesse wird die Verwendbarkeit der bisher bekannten Hochfrequenzmethoden auch dadurch beschränkt, dass der von der Instabilität der Schaltungen und von der Nullpunktwanderung verursachte Fehler nur von Hand, durch Bedienung von Nullpunkt-Einstellorganen behoben werden kann. Dazu ist die fortlaufende und unmittelbare Überwachung der Messsysteme und deren fachgemässe Bedingung ständig erforderlich. In the automation of industrial processes, the applicability of the previously known high-frequency methods is also limited by the fact that the error caused by the instability of the circuits and by the zero-point migration can only be remedied manually, by operating zero-point setting elements. This requires continuous and immediate monitoring of the measuring systems and their professional condition.

Bei der erfindungsgemässen Einrichtung wurden die hier angegebenen Nachteile praktisch völlig behoben; im Messergebnis werden die störenden Parameter ohne Eingriff der Bedienungsperson automatisch korrigiert. Dies ermöglicht nicht nur unter Laborverhältnissen, sondern auch unter extremen industriellen Bedingungen eine verhältnismässig einfach gebaute, zuverlässige Messeinrichtung hoher Stabilität. In the device according to the invention, the disadvantages specified here have been virtually completely eliminated; the disturbing parameters are automatically corrected in the measurement result without the intervention of the operator. This enables a relatively simple, reliable measuring device of high stability not only under laboratory conditions, but also under extreme industrial conditions.

Dieses Ergebnis wurde dadurch erreicht, dass in den Behälter mit dem zu messenden Stoff als eine mechanisch einzige Einheit der Fühler und das impulsverarbeitende Hoch5 This result was achieved by placing the sensor and the pulse-processing high 5 in the container with the substance to be measured as a single mechanical unit

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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frequenzgerät so eingebaut werden, dass der zu messende Stoff diese umfasst. Damit ist gewährleistet, dass die zu messenden Parameter immer denselben Stoff betreffen. frequency device so that the substance to be measured includes them. This ensures that the parameters to be measured always concern the same substance.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand einer Zeichnung in Verbindung mit einer beispielsweisen Ausführung genauer beschrieben. The object of the invention is described in more detail with reference to a drawing in connection with an exemplary embodiment.

Fig. 1 stellt die Prinzipanordnung des Gegenstandes der Erfindung dar; Fig. 1 shows the basic arrangement of the object of the invention;

Fig. 2 ist das Blockschema der Prinzipanordnung des Gegenstandes der Erfindung. Fig. 2 is the block diagram of the principle arrangement of the subject of the invention.

Gemäss Fig. 1 ist das Fühlersystem 3 in den Behälter 1 eingebaut. Das damit mechanisch eine Einheit bildende impulsverarbeitende Hochfrequenzgerät 4 ist oberhalb des Fühlersystems 3 angeordnet. Diese werden von dem in den Behälter 1 strömenden Messstoff 2 mit dem Füllstand h umgeben. 1, the sensor system 3 is installed in the container 1. The pulse-processing high-frequency device 4 thus mechanically forming a unit is arranged above the sensor system 3. These are surrounded by the medium 2 flowing into the container 1 with the fill level h.

Die vom Feuchtigkeitsgehalt des Stoffes abhängigen Ausgangssignale des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgerätes 4 werden in das Auswertegerät 5 eingeführt. Die Impulse, die von den speziell aufgebauten Elektroden des die dielektrischen Kennwerte und die Temperatur desselben Stoffes messenden Fühlersystems 3 geliefert werden, gelangen an den Eingang des mit ihm eine Einheit bildenden, impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4. Das auf diese Weise ausgeführte Fühlersystem 3 kann noch mit einer Elektrode ergänzt werden, die den Füllstand des in den Behälter einströmenden Stoffes anzeigt, und die ein Steuersignal zum Abstellen des Füllvorganges erzeugt. Somit kann die in industrieller Umgebung schwer durchführbare Massebestimmung des zu messenden Stoffes umgangen werden. The output signals of the pulse-processing high-frequency device 4, which are dependent on the moisture content of the substance, are introduced into the evaluation device 5. The pulses that are supplied by the specially constructed electrodes of the sensor system 3 measuring the dielectric characteristics and the temperature of the same substance reach the input of the pulse-processing high-frequency device 4 that forms a unit with it. The sensor system 3 designed in this way can still be used with a Electrode are added, which indicates the fill level of the substance flowing into the container, and which generates a control signal for stopping the filling process. The mass determination of the substance to be measured, which is difficult to carry out in an industrial environment, can thus be avoided.

Der durch den veränderlichen Füllungsfaktor des einströmenden Stoffes verursachte Fehler lässt sich vermeiden, The error caused by the variable filling factor of the inflowing substance can be avoided

wenn während der Messung ein Probenahmeverfahren angewendet und bis zur Anzeige des Messergebnisses immer der höchste Wert der dazwischenliegenden Werte gespeichert wird; beim Messen erscheint der höchste Wert am Anzeigeteil 6 des Auswertgeräts 5, bzw. bestimmt dieser Wert bei Wasserdosierung die zur Befeuchtung notwendige Wassermenge. if a sampling procedure is used during the measurement and the highest value of the intermediate values is always saved until the measurement result is displayed; when measuring, the highest value appears on the display part 6 of the evaluation device 5, or this value determines the amount of water required for moistening when water is metered.

Das Ausgangssignal des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 — in dem die Umgebungsstörungen kompensiert sind — wird an den Eingang des Auswertegeräts 5 geleitet. Dieser enthält die für den dielektrischen Kennwert des zu messenden Stoffes, für seine Temperatur, Füllungsfaktoränderung sowie für die Masse des zu messenden Stoffes kennzeichnenden Werte. Nach den unter Beachtung all dieser Werte ausgeführten Korrekturen erscheint am Anzeigegerät 6 der tatsächliche Feuchtigkeitsgehalt. The output signal of the pulse-processing high-frequency device 4 - in which the ambient disturbances are compensated - is sent to the input of the evaluation device 5. This contains the values characteristic of the dielectric characteristic of the substance to be measured, its temperature, change in filling factor and the mass of the substance to be measured. After the corrections made taking into account all these values, the actual moisture content appears on the display device 6.

Der Betrieb der erfindungsgemässen Einrichtung wird anhand der Fig. 2 ausführlicher erläutert. The operation of the device according to the invention is explained in more detail with reference to FIG. 2.

In der Mitte des den Messstoff enthaltenden Behälters 1 befinden sich der dielektrische Kennwertfühler 7, der Temperaturfühler 8 und der Füllstandfühler 9. Diese bilden mit dem impulsverarbeitenden Hochfrequenzgerät 4 zusammen eine mechanische Einheit. Dieser Anordnung ist es zu ver616238 The dielectric characteristic sensor 7, the temperature sensor 8 and the fill level sensor 9 are located in the middle of the container 1 containing the medium. Together with the pulse-processing high-frequency device 4, these form a mechanical unit. This arrangement is too ver616238

danken, dass eine der Temperatur des vom dielektrischen Kennwertfühler 7 gemessenen Stoffes entsprechende Korrektur vorgenommen werden kann. Der Füllstandfühler 9 sorgt für die jeweils gleiche Füllstandhöhe des zu messenden Stoffes 2, womit die Massebestimmung eliminiert ist, die in einer industriellen Umgebung schwer durchgeführt werden kann. thank that a correction corresponding to the temperature of the substance measured by the dielectric characteristic sensor 7 can be carried out. The fill level sensor 9 ensures the same fill level of the substance 2 to be measured, which eliminates the determination of mass, which is difficult to carry out in an industrial environment.

Mit dem direkten Anschluss des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 lassen sich die Störungsanfälligkeit, Instabilität und Empfindlichkeitsabnahme, die durch die angeschlossene Leitung hervorgerufen werden, gänzlich vermeiden. Das Ausgangssignal des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 kann in beliebige Entfernung ohne jegliche Probleme übertragen werden. Der Ausgang des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 ist mit dem Eingang des Linearisierers 10 verbunden. With the direct connection of the pulse-processing high-frequency device 4, the susceptibility to interference, instability and decrease in sensitivity, which are caused by the connected line, can be completely avoided. The output signal of the pulse processing high-frequency device 4 can be transmitted at any distance without any problems. The output of the pulse-processing high-frequency device 4 is connected to the input of the linearizer 10.

Der Linearisierer 10 linearisiert mit der Addierung der zum Eingangssignal proportionalen und der zum Quadrat des Eingangssignals proportionalen Werte das Ausgangssignal des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4. Die vom Messstoff bzw. vom Messraum abhängenden Änderungen der Charakteristik können mit der Einstellung des Verhältnisses der linearen und quadratischen Komponenten kompensiert werden. Somit lässt sich die Korrektur den in der industriellen Praxis vorkommenden verschiedenen Messaufgaben gut anpassen. Dadurch ist die nahezu lineare Charakteristik gesichert, sowie die damit verbundene — im gesamten Messbereich — gleiche Empfindlichkeit und Mess- und Steuergenauigkeit gewährleistet. The linearizer 10 linearizes the output signal of the pulse-processing high-frequency device 4 by adding the values proportional to the input signal and the values proportional to the square of the input signal. The changes in the characteristics depending on the measuring medium or the measuring space can be compensated for by adjusting the ratio of the linear and quadratic components . The correction can thus be easily adapted to the various measurement tasks occurring in industrial practice. This ensures the almost linear characteristics, as well as the associated sensitivity and measuring and control accuracy throughout the entire measuring range.

Der Ausgang des Linearisierers 10 führt zum Eingang des Probenahmegeräts 11, an dessen Ausgang das Auswertegerät 5 angeschlossen ist. Der Füllungsfaktor des zu messenden Stoffes ändert sich im Behälter 1 statistisch in den aufeinanderfolgenden Füllungs- und Entleerungsphasen. Der Probe-nehmer 11 und das Auswertegerät 5 beheben die Änderungen des Füllungsfaktors, indem das Auswertegerät 5 das grösste Messergebnis speichert, das dem während der Messperiode auftretenden grössten Füllungsfaktor entspricht. Auf diese Weise lässt sich der als Folge der Änderung des Füllungsfaktors auftretende Fehler bedeutend vermindern. Die für die industrielle Praxis notwendige Messgenauigkeit ist somit gesichert. The output of the linearizer 10 leads to the input of the sampling device 11, to the output of which the evaluation device 5 is connected. The filling factor of the substance to be measured changes statistically in container 1 in the successive filling and emptying phases. The sampler 11 and the evaluation device 5 correct the changes in the filling factor by the evaluation device 5 storing the largest measurement result which corresponds to the largest filling factor occurring during the measurement period. In this way, the error occurring as a result of the change in the filling factor can be significantly reduced. The measurement accuracy required for industrial practice is thus ensured.

Der Eingang des Anzeigegerätes 6 ist an das Auswertegerät 5 angeschlossen. Dieses zeigt einen hinsichtlich der Temperatur, Linearität, Massekonstanz und Füllungsfaktor korrigierten Wert an. The input of the display device 6 is connected to the evaluation device 5. This shows a value corrected with regard to temperature, linearity, constant mass and filling factor.

Den Fehler, der sich aus der Instabilität der Schaltungen und der Nullpunktwanderung ergibt, beseitigt der Nullpunktstabilisator 12. Der Eingang des Nullpunktstabilisators 12 ist an den anderen Ausgang des Auswertegeräts 5 angeschlossen und gibt unter Einwirkung dessen Steuersignale periodisch ein Steuersignal an den Eingang des dielektrischen Kennwertfühlers 7 ab, womit der Nullpunkt des Systems korrigiert wird. Der Nullpunktstabilisator 12 speichert den zur Korrektur notwendigen Spannungswert bis zum Eintreffen des folgenden Steuersignals. The zero-point stabilizer 12 eliminates the error resulting from the instability of the circuits and the zero-point shift from which the zero point of the system is corrected. The zero point stabilizer 12 stores the voltage value necessary for correction until the following control signal arrives.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

M M

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Device for determining the composition of the substance, especially the moisture content of a substance with high frequency, which contains in a container to be filled with the substance (1), a dielectric characteristic sensor (7), a temperature sensor (8) and a pulse-processing high-frequency device (4) , characterized in that the dielectric characteristic sensor (7), the temperature sensor (8) and the pulse-processing high-frequency device (4) mechanically form a single time and that the output of the pulse-processing high-frequency device (4) with the input of a linearizer (10), the output of the linearizer (10) is connected to the input of a sampler (11) and the output of the sampler (11) to the input of an evaluation device (5), while an output of the evaluation device (5) to a display device (6) and the other Output is connected to the other input of the sampler (11).

2. Device according to claim 1, characterized in that a level sensor (9) is connected to the pulse-processing high-frequency device (4), which is mechanically one with the dielectric characteristic sensor (7), the temperature sensor (8) and the pulse-processing high-frequency device (4) Unity forms.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Device according to claim 1, characterized in that the linearizer (10) linearizes the characteristic by adding the linear and quadratic elements.

4. Device according to claim 1, characterized in that a third output of the evaluation device (5) to the input of the zero point stabilizer (12) and its output is connected to the input of a dielectric characteristic value sensor (7), and that the zero point stabilizer (12) Corrected the zero point of the device periodically and saved the voltage value necessary for the correction in the pauses between the corrections.