CH670514A5

CH670514A5 -

Info

Publication number: CH670514A5
Application number: CH4401/85A
Authority: CH
Inventors: Peka Jakkula
Original assignee: Kemira Oy
Priority date: 1984-10-16
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1989-06-15
Also published as: DE3536365A1; FI844061L; FI844061A0; SE8504730D0; DE3536365C2; DK470885D0; GB2166873B; GB8525333D0; SE464940B; US4755743A; DK470885A; GB2166873A; JPS6197556A; SE8504730L

Description

BESCHREIBUNG

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Feuchte oder des Trockengehalts eines Stoffes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Verfahrensindustrie benötigt man ein Verfahren zum Messen der Feuchte oder des Trockengehalts von Stoffen, das im Echtzeitbetrieb arbeitet, d.h. ein Verfahren, das die gewünschten Werte unmittelbar liefert. Die erhaltenen Werte können z.B. zur Prozessregelung verwendet werden.

Zum Messen der Feuchte von Stoffen hat man bereits Leitfähigkeitsmessung oder kapazitive Messung angewandt, bei der die Änderung der Leitfähigkeit bzw. der Kapazität des Stoffes in Abhängigkeit von der Feuchte bestimmt wird. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie für hohe Feuchtegehalte sowie für Stoffe mit wechselnden Mengen verschiedener Ionen ungeeignet sind.

Man hat ferner mit Infrarotmessung gearbeitet, jedoch eignet sich diese in erster Linie für Feststoffe und Gase, nicht aber für eine reflektierende Spiegelfläche bildende Flüssigkeiten. Ausserdem sind die Infrarotmessgeräte wie die optischen Geräte im allgemeinen empfindlich gegen Verschmutzung.

Bei den Neutronenstreuungsverfahren erfassen die Messgeräte die Wasserstoffmenge je Volumeneinheit. Ihr Nachteil liegt darin, dass sie sich nicht eignen für Substanzen, die neben Wasser wechselnde Mengen anderer wasserstoffhaltiger Stoffe enthalten. Ein Problem besteht auch darin, dass eine grosse Messsubstanzmenge erforderlich ist, weshalb dieses Verfahren in der Prozessrohr-Anwendung Schwierigkeiten bereitet.

Bekannt sind bereits auch verschiedenartige Mikrowellenverfahren, die entweder auf der grossen Dielektrizitätskonstanten des Wassers, nämlich die sog. Reflexions- und Resonanzverfahren, oder auf dem grossen Verlustfaktor des Wassers, nämlich

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

670 514

die Dämpfungsverfahren, basieren. Als Nachteil der Mikrowellenverfahren ist anzuführen, dass sich die Dämpfungs- und die Resonanzverfahren nicht zum Messen des Feuchtegehalts ver-lusthafteter Stoffe eignen. Auch das Messen hoher Feuchtegehaltswerte bietet Schwierigkeiten. Das gleiche trifft auf das Reflexionsverfahren zu; bei diesem treten ausserdem Interferenzprobleme bei den Messanordnungen in der Praxis auf. Das Dämpfungsverfahren kann entweder auf Oberflächenwellen-Dämpfungsmessung oder auf Durchgangs-Dämpfungsmessung basieren.

Mit dieser Erfindung soll ein Verfahren geboten werden, das frei ist von den oben genannten Mängeln. Erreicht wird dies gemäss der Erfindung dadurch, dass in ein mit der Messsubstanz in Kontakt befindliches dielektrisches Wellenrohr eine Mikrowelle gespeist wird, die sich hauptsächlich im Inneren des Wellenrohrs fortbewegt, und dass Wellenrohrlänge und Mikrowellenfrequenz so bemessen sind, dass die Mikrowelle wenigstens einmal, vorzugsweise wenigstens zehnmal an der Grenzfläche zwischen Substanz und Wellenrohr reflektiert und zwecks Bestimmung der Feuchte des Stoffes die Wellenrohr-Durchgangsdämpfung gemessen wird.

Ganz besonders vorteilhaft gestaltet sich ein Verfahren, bei dem die Wellenrohrlänge für das Messen entweder kleiner oder grosser Feuchtewerte eingerichtet werden kann. Dies hat sich deshalb als ausserordentlich nützlich erwiesen, weil das Verfahren mit Wellenrohren verschiedener Länge für kleine oder entsprechend für grosse Feuchtegehaltswerte sensibler wird.

Gemäss dem Verfahren ist es vorteilhaft, das dielektrische Wellenrohr so zu wählen, dass der Realteil sri seiner Dielektrizitätskonstanten kleiner als der Realteil sr2 der Dielektrizitätskonstanten der umgebenden Messsubstanz ist.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren kann das Wellenrohr ein in Kreisform gebogener Ring sein, in den dann eine TEio-Welle geschickt wird, oder es kann stabförmig ausgebildet sein, wobei dann eine TEio- oder eine TMoi-Welle eingespeist wird.

Bei stabförmigem Wellenrohr kann die Welle am einen Ende eingetragen und am anderen Rohrende empfangen werden, oder Eintrag und Empfang erfolgen am gleichen Ende.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein aus dielektrischem Werkstoff bestehendes Wellenrohr mit Elementen zum Eintragen und Empfangen der Wellenrohr sowie Elemente zur Erzeugung der Mikrowelle und Elemente zur Auswertung des empfangenen Signals umfasst.

Der Realteil sr der Wellenrohr-Dielektrizitätskonstanten liegt vorzugsweise im Bereich 2-10. Das Wellenrohr besteht somit vorzugsweise aus Kunststoff, Gummi, keramischem Material, Aluminiumoxid oder Tetrafluorethen. Wählt man den sr-Wert des Wellenrohrs so, dass er kleiner ist als der sr-Wert der Messsubstanz, so verliert die in dem Stab reflektierte Welle bei ihrer Fortbewegung bei jeder Reflexion Energie an die umgebende Substanz. Die bei der Reflexion verlorene Energiemenge ist abhängig von der relativen Differenz zwischen den eri- und er2-Werten.

Die Feuchte der Messsubstanz ist direkt proportional zur Grösse des Signals und umgekehrt proportional zur Durchgangsdämpfung. Vorzugsweise ist das Wellenrohr kreisförmig ausgebildet und an der Innenfläche des messsubstanzführenden Rohrs im wesentlichen senkrecht zur Fliessrichtung der Messsubstanz angeordnet. Wird das Wellenrohr so in die Innenfläche des Rohrs versenkt, dass diese an der Wellenrohrsteile einen im wesentlichen sprungfreien, d.h. glatten Verlauf hat, erzielt man den Vorteil, dass das Wellenrohr beim Arbeiten mit ver-schleissenden Flüssigkeiten oder Aufschwemmungen eine längere Lebensdauer erhält.

Die Empfindlichkeit der Vorrichtung erhöht sich wenn man die Wellenrohrlänge so einrichtet, dass mehrere Reflexionen erfolgen. Die Sensibilität wächst als Funktion der Potenz der Anzahl der Reflexionen. Beträgt z.B. das Verhältnis zweier Feuch-tegehalts-Signale bei einer Reflexion 1,5, so beträgt es bei 5 Reflexionen 1,55 = 7,6, bei 10 Reflexionen 1,510 = 57 und bei 20 Reflexionen 1,520 = 3330.

Im Wellenrohr können «hinter» dem Eintragungs- und dem Empfangselement reflektierende Spikes so angeordnet werden, dass zwischen den genannten Elementen freies Wellenrohr bleibt. Diese reflektierenden Spikes bestimmen die Länge des Wellenrohrs und damit den Feuchtigkeitsbereich, bei welchem die Vorrichtung ihre höchste Empfindlichkeit hat. Soll ein und dieselbe Vorrichtung für verschiedene Feuchtigkeitsbereiche eingesetzt werden, können die Einspeiseelemente zwecks Veränderung der Wellenrohrlänge versetzt werden.

Bei kreisförmigem rechteckigem Wellenrohr ist es vorteilhaft, wenn das die Mikrowelle einspeisende Element die Welle mit einer solchen Frequenz aussendet, dass im Wellenrohr eine TE io-Welle entsteht.

Das Wellenrohr kann auch Stabform haben, wobei es dann in der Mitte des messsubstanzführenden Rohrs im wesentlichen senkrecht zur Rohrlängsachse verläuft. Die Elemente zum Einbringen der Mikrowelle befinden sich dann an dem einen Ende des Wellenrohrs und die Elemente zum Empfangen des Signals am anderen Ende, oder aber alle genannten Elemente sind am gleichen Ende des Wellenrohrs angeordnet. Das die Mikrowelle einspeisende Element ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Mikrowelle mit einer solchen Frequenz und auf eine solche Weise auszusenden, dass im Wellenrohr entweder eine TEio- oder eine Tmoi-Welle entsteht. Die ist insofern von Vorteil als die Messsubstanz von allen Seiten auf den Stab wirkt und die Messung empfindlicher gegen Feuchteänderungen ist.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 erfindungsgemässe Feuchtesignalkurven bei verschiedenen Wellenrohrlängen;

Fig. 2 eine Messwertgeberkonstruktion, bei der das dielektrische Wellenrohr in die Prozessrohrwand eingelassen ist;

Fig. 3 ein perspektivisches Schnittbild der Konstruktion nach Fig. 2, und

Fig. 3 eine Messwertgeberkonstruktion, bei der das dielektrische Wellenrohr das Prozessrohr durchstösst.

Die Kurve A in Fig. 1 entspricht ungefähr einer vom Reflexionsverfahren gelieferten Kurve, wie man sie beim Wellenrohr-verfahren durch Arbeiten mit sehr kurzem Wellenrohr erzielt. Mit Verlängerung des Wellenrohrs wird aus der Kurve über die Kurven B und C die Kurve D, bei der also mit langem Wellenrohr gearbeitet wird. Aus der Fig. ist ersichtlich, dass die der Kurve A entsprechende Anordnung am besten für geringe Feuchtegehalte, die der Kurve D entsprechende Anordnung am besten zum Messen hoher Feuchtegehaltswerte geeignet ist.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist das Prozessrohr 1 dargestellt, in das das Wellenrohr 2 eingelassen ist. Die zu messende Flüssigkeit oder Aufschwemmung fliesst im Raum 7 im Rohr. Der Realwert si2 der Dielektrizitätskonstanten der Messsubstanz und der Realwert Ei der Dielektrizitätskonstanten des Wellenrohrs sind gleichfalls in Fig. 2 eingetragen. Vorzugsweise ist eri kleiner als er2, wobei ein Teil der Energie von der Rohraussenfläche reflektiert wird. In Fig. 2 ist auch die Mikrowellenleistungsquelle 8 zu sehen, die über den Mikrowelleneingabe-Anschluss 3 die Mikrowellenleistung in das Wellenrohr einträgt. Der Mikrowel-len-Empfangsanschluss 4 vermittelt das empfangene Signal weiter zur Auswertungsschaltung 9, die mit einer Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der gemessenen Feuchte versehen ist. Weiter sind in Fig. 2 die reflektierenden Spikes 5 und 6 zu sehen; die durch die begrenzte Wellenrohrlänge ist massgebend für die Form der Kurve in Fig. 1. Durch Veränderung des Abstandes der Eingabeelemente Iässt sich die Vorrichtung entweder für kleine oder für grosse Feuchtegehalte empfindlich machen.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

670 514

4

Bei der in den Figuren gezeigten Anordnung ist die im Inneren des Wellenrohrs wandernde Energie also vom Realteil er2 der Dielektrizitätskonstanten des aussen befindlichen Mediums abhängig. Da die Dielektrizitätskonstante des Wassers vom sr-Wert der meisten anderen Stoffe abweicht, kann somit die Feuchte gemessen werden. Je höher die Feuchte ist, umso stärker wird die Mikrowelle an der Grenzfläche reflektiert, d.h. umso geringer ist die Durchgangsdämpfung, der Durchgangsverlust, und umso grösser ist das erhaltene Signal. Die Messung lässt sich durch Verwendung eines Referenzsignals in Verbindung mit der Auswertungsschaltung 9 stabilisieren. Der Referenzkanal kann auch in der Weise verwirklicht werden, dass man die Mikrowelle im dielektrischen Wellenrohr längs zweier verschieden langer Wege wandern lässt.

Die Konstruktion nach Fig. 2 und Fig. 3 bietet den Vorteil, dass der Messwertgeber im Prozessrohr kein Strömungshindernis darstellt, da ja das dielektrische Wellenrohr in die Prozessrohrwand versenkt ist. Die Messwertgeber-Konstruktion ist ausserdem billig und durch Drehen leicht herzustellen; sie ist ferner gut geschützt, da lediglich das verwendete dielektrische Material direkt mit der Messsubstanz im Berührung kommt. Diese Konstruktion eignet sich demzufolge für verschmutzte Flüssigkeiten; sie misst ausserdem den Feuchte-Mittelwert in einem weiten

Bereich. Bei dieser Messschaltung entfallen auch die für das Reflexionsverfahren typischen Interferenzprobleme.

In Fig. 4 ist eine entsprechende Konstruktion gezeigt, bei der das dielektrische Wellenrohr das Prozessrohr durchstösst. 5 Diese Konstruktion bietet den Vorteil, dass die Messsubstanz auf allen Seiten des Wellenrohrs mit diesem in Berührung ist, was ein Höchstmass an Messempfindlichkeit bedeutet, da ja auf beiden Seiten des Rohrs Reflexionen erfolgen.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe io Vorrichtung lassen sich zum Messen des Feuchte- und des Trockengehalts verschiedenartiger Flüssigkeiten und Aufschwemmungen einsetzen. Bedingung bezüglich der Messsubstanz ist,

dass ihre Mikrowellendämpfung im Vergleich zur vom Wellenrohr verursachten Dämpfung gross ist oder dass sie einen hohen 15 Feuchtegehalt hat. Gehalts werte können auch an Zweikomponentenlösungen gemessen werden, bei denen die Realteile der Kom-ponenten-Dielektrizitätskonstanten verschieden voneinander sind.

Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich ausgezeichnet zum Messen der Feuchte von Düngeraufschwemmungen, 20 Methanol, Ethanol und Azetonitril. Ein möglicher Einsatzbereich ist auch die Dichtemessung bei Zellstoff im Bereich 0-15%, der in der holzverarbeitenden Industrie messungsmässig bekanntlich ein Problem darstellt.

v

3 Blätter Zeichnungen

Claims

670 514

1. Verfahren zum Messen des Feuchte- oder Trockengehalts eines Stoffes, der, wenn Mikrowellen ausgesetzt, entweder hohe oder niedrige dielektrische Verluste verursacht, und der einen Feuchtegehalt von mehr als 50% aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mit der Messsubstanz in Kontakt befindlichen dielektrischen Wellenrohr eine Mikrowelle eingespeist wird, wobei das Wellenrohr und die Mikrowellenfrequenz so abgestimmt sind, dass die Mikrowelle sich zum Hauptteil im Inneren des Wellenrohrs fortbewegt und mehrmals an der Grenzfläche zwischen der Messsubstanz und dem Wellenrohr reflektiert wird, und dass die Dämpfung der Mikrowelle im Wellenrohr zwecks Bestimmung des Feuchte- oder Trockengehalts des Stoffes gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelle wenigstens zehnmal an der Grenzfläche zwischen der Messsubstanz und dem Wellenrohr reflektiert wird.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr in seiner Länge entweder zum Messen kleiner oder zum Messen grosser Feuchtewerte eingerichtet werden kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Wellenrohr so gewählt wird, dass der Realteil sri seiner Dielektrizitätskonstanten kleiner ist als der Realteil st2 der Dielektrizitätskonstanten der umgebenden Messsubstanz.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle am einen Ende des Wellenrohrs eingespeist und am anderen Ende des Wellenrohrs empfangen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Einspeisen und Empfang der Welle am gleichen Ende des Wellenrohrs erfolgen.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

ein mit der Messsubstanz in Kontakt befindlichen dielektrisches Wellenrohr,

Mittel zum Einspeisen einer Mikrowelle in das Wellenrohr,

Mittel zum Empfangen der Mikrowelle aus dem Wellenrohr,

wobei das Wellenrohr und die Mikrowellenfrequenz so abgestimmt sind, dass die Mikrowelle sich zum Hauptteil im Inneren des Wellenrohrs fortbewegt und mehrmals an der Grenzfläche zwischen der Messsubstanz und dem Wellenrohr reflektierbar ist, und

Mittel zum Messen der Dämpfung der Mikrowelle im Wellenrohr durch Auswertung der empfangenen Mikrowelle zwecks Bestimmung des Feuchte- oder Trockengehalts des Stoffes.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr und die Mikrowellenfrequenz so abgestimmt sind, dass die Mikrowelle wenigstens zehnmal an der Grenzfläche zwischen der Messsubstanz und dem Wellenrohr reflektierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Realteil der Dielektrizitätskonstanten des Wellenrohrs, er, 2-10 beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr aus Aluminiumoxid oder Tetrafluorethen besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr im wesentlichen Kreisform hat und an der Innenfläche des messsubstanzführen-den Rohrs im wesentlichen senkrecht zur Fliessrichtung der Messsubstanz angeordnet ist, wobei das Wellenrohr vorzugsweise so in die Innenfläche des Rohrs versenkt ist, dass die Rohrinnenfläche beim Wellenrohr einen im wesentlichen glatten, stufenlosen Verlauf hat.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Wellenrohr an dessen Enden in Verbindung mit dem Mikrowellen-Einspeiseelement und/oder dem -Empfangselement reflektierende Spikes angeordnet sind, welche Spikes vorzugsweise Schrauben sind, die von aussen durch das Rohr hindurch in das Wellenrohr geschraubt sind, zwischen welchen Spikes sich die Welle fortbewegt, und die so «hinter» dem Einspeiseelement und/oder dem Empfangselement plaziert sind, dass zwischen den besagten Elementen freies Wellenrohr verbleibt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wellenrohr drei Spikes so angeordnet sind, dass zwei verschieden lange Wellenrohre entstehen, und dass an beiden Enden des Rohrs ein Mikrowellensender angeordnet ist, und dass der Empfänger beim dritten Spike plaziert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Einspeisepunkte zwecks Veränderung der Wellenrohrlänge verlagert werden kann.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenrohr im wesentlichen Stabform hat und in der Mitte des messsubstanzführenden Rohrs im wesentlichen senkrecht zur Rohrlängsachse verläuft.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zum Einspeisen der Mikrowelle an dem einen Ende des Wellenrohrs und die Elemente zum Empfangen des Signals am anderen Ende des Wellenrohrs angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zum Einspeisen der Mikrowelle und zum Empfangen derselben am gleichen Ende des Wellenrohrs angeordnet sind, und dass das andere Ende des Rohrs kurzgeschlossen ist.