DE10003782A1 - Vorrichtung zur Materialfeuchtemessung in relativ bewegten Medien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Materialfeuchte eines sich relativ zur Vorrichtung bewegenden Mediums (1') durch Bestimmung dessen Dielektrizitätskonstante. Das Medium bildet das Dielektrikum um ein oder mehrere Elektrodenpaare (4b) zur Messung in unterschiedlichen Tiefen. Die Elektrodenpaare sind in einen Trägerkörper (3b) integriert und fest mit einer Achse (2') verbunden. Der Trägerkörper befindet sich im Inneren einer drehbaren Außenscheibe (5b), welche auf der feststehenden Achse montiert ist. Die Vorrichtung kann über eine Kabelzuführung (7') an eine externe Messelektronik angeschlossen werden, die auf einem beliebigen Messprinzip zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl beruht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Materialfeuchte eines Mediums durch Bestimmung dessen Dielektrizitätskonstante, wobei als Medium das Dielektrikum um ein Elektrodenpaar gemessen wird.

Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Materialfeuchte eines Mediums bekannt. Alle elektrischen Verfahren verwenden zwei oder mehr Elektroden, um die relative Dielektrizitätskonstante oder die elektrische Leitfähigkeit des die Elektroden umgebenden Mediums zu messen. Zwischen der elektrischen Leitfähigkeit bzw. der Dielektrizitätskonstanten und dem Wassergehalt eines Materials besteht ein monotoner Zusammenhang. Die Dielektrizitätszahl von Wasser beträgt 81. Wenn die Dielektrizitätszahl des Mediums wesentlich geringer ist (bei Boden liegt sie bei 3-5), kann über die gesamte Dielektrizitätszahl des feuchten Mediums der Wassergehalt bestimmt werden.

Die Elektroden, die in direktem Kontakt oder definiertem, möglichst geringem Abstand zum zu messenden Medium stehen, können als parallele Stäbe, Platten oder Folien ausgeführt sein.

Die elektrischen Verfahren unterscheidet man grundsätzlich danach, ob Sie die elektrische Leitfähigkeit oder die Dielektrizitätskonstante des Mediums messen. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ist hierbei die mit den meisten Fehlern behaftete Methode, da die elektrische Leitfähigkeit nicht nur vom Wassergehalt selbst, sondern auch von den im Wasser gelösten Ionen (gelöste Salze) beeinflusst wird.

Unter den Verfahren, die die Dielektrizitätskonstante messen, unterscheidet man die kapazitiven Verfahren und die sogenannte "Time Domain Reflectometry". Die kapazitiven Verfahren messen über eine oder mehrere feste Frequenzen den Scheinwiderstand des Gesamtsystems bestehend aus den Elektroden und dem umgebenden Material. Das Gesamtsystem kann als Ersatzschaltung aus Widerständen und Kondensatoren betrachtet werden. Somit kann die Kapazität und, über eine feste geometrische Beziehung der Elektroden zueinander, die Dielektriziätszahl berechnet werden.

Die Time Domain Reflectometry arbeitet nicht im Frequenzbereich, wie die kapazitiven Methoden, sondern im Zeitbereich. Es werden steilflankige Spannungsimpulse erzeugt und auf die aus den Elektrodenpaaren bestehende Sonde gesandt. Die Impulse breiten sich in Form einer elektromagnetischen Welle entlang der Elektroden aus, werden am Ende der Elektroden reflektiert und laufen zurück zur Auswerteelektronik. Die elektromagnetische Welle durchdringt das Medium und wird um so mehr gebremst, je höher die Feuchte und somit die Dielektrizitätszahl im Medium ist. Über die Messung der Laufzeit des Impulses entlang der Elektroden und zurück kann somit die Dielektrizitätskonstante berechnet werden.

Es sind Vorrichtungen bekannt, deren Messelektroden keilförmig, stabförmig oder plattenförmig aufgebaut sind. Die Nachteile dieser Vorrichtungen liegen darin, dass Sie in bewegten Medien nur sehr schlecht eingesetzt werden können. Bei deren Einsatz treten mechanische Zerstörungen, übermäßiger Verschleiss und starke Veränderungen des Gefüges im Medium auf. Da bei allen Verfahren zur Messung der Dielektrizitätskonstanten Dichteveränderungen oder Luftspalte zwischen Messelektroden und Medium zu Fehlmessungen führen, könnten die bisher verwendeten, durch das Medium bewegten Sonden nur bedingt eingesetzt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass die Messung in Medien ermöglicht wird, die sich relativ zur Sonde bewegen. Dabei ist es unerheblich, ob die Vorrichtung durch das Medium bewegt wird (Bodenfeuchtemesssonde auf Traktor montiert, Einsatz in der Landwirtschaft) oder die Sonde feststeht und das Material in Bewegung ist (Förderband mit Schüttgütern/plastischen Materialen in industriellen Anwendungen).

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung zur Feuchtemessung auf einer Scheibe aufgebracht, um die Reibung zwischen Scheibe und Medium durch ihre Drehung um die eigene Achse zu verringern. Die Scheibe schneidet sich durch das Medium und sorgt so für minimale Zerstörung des Gefüges und möglichst guten Kontakt zum Medium. Der Kontakt des Mediums zu den Messelektroden bzw. deren gleichmäßiger Abstand ist von elementarer Bedeutung, da eine Veränderung der Mediumdichte und Luftspalte zwischen Elektroden und Medium bei allen genannten Feuchtemessverfahren zu großen Messfehlern führen. Wenn sich zwischen den Elektroden und dem Medium ein Material mit konstanter Dielektrizitätszahl und konstanter Dicke befindet, so stellt dies kein Problem dar und kann über die Kalibrierung kompensiert werden.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen drei verschiedene Varianten der Vorrichtung.

Allen gemeinsam ist, dass sich ein Teil der Vorrichtung im Medium (1, 1', 1") bewegt. Im Zentrum der Vorrichtung befindet sich eine feststehende, hohle Achse (2, 2', 2"), die auch als Kabeldurchführung (7, 7', 7") dient. Dieses Kabel verbindet die Messelektronik mit der Vorrichtung. Die Elektrodenträgerkörper (3a, 3b, 3c) sind fest verbunden mit der Achse. Auf dem bzw. im Elektrodenträgerkörper sind die Elektrodenpaare (4a, 4b, 4c) angebracht. Die Elektrodenpaare können als eine Einheit (4a) angebracht sein und über die gesamte Eintauchtiefe der Vorrichtung im Medium integrierend messen. Sie können aber auch in getrennten Einheiten (4b, 4c) ausgelegt sein, um ein Profil verschiedener Tiefen messen zu können.

Die Elektrodenpaare sind immer feststehend, verbunden mit der Achse ausgeführt, um Ihre Position im Medium halten zu können. In Fig. 1 und Fig. 2 dient die drehbar gelagerte Außenscheibe (5a, 5b) sowohl dem Schutz der Elektroden, als auch der Verringerung der Reibung gegenüber dem Medium. Außerdem soll es eine schonende Behandlung des Mediums gewährleisten. Die Scheibe schneidet sich durch die Drehung um die eigene Achse ins Medium hinein, um so einen möglichst gleichmäßigen Abstand zwischen Elektroden und Medium zu gewährleisten. Das Gefüge des Mediums wird nur geringfügig verändert.

Die Variante in Fig. 3 zeigt eine Realisierung, die einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden und dem Medium ermöglicht. Außerdem ermöglicht es einen insgesamt schlankeren Aufbau, weil die fest mit der Achse verbunden, feststehende Scheibe (3c) aus nur einem Teil besteht und nur der außen beweglich angebrachte Schneidring (6) drehbar gelagert ist.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Materialfeuchte eines Mediums (1, 1', 1") durch Bestimmung dessen Dielektrizitätskonstante, wobei das Medium das Dielektrikum um ein Elektrodenpaar (4a, 4b, 4c) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpaar in ein scheibenförmiges System integriert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Scheibe im Medium bewegt oder das Medium an der Scheibe vorbeibewegt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenpaar (4a, 4b) im Innern der sich drehenden Scheibe feststehend angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (3c) mit Elektrodenpaar (4c) feststehend angebracht ist und nur ein außen angebrachter Schneidring (6) drehbar gelagert ist, und somit die Reibung zwischen Scheibe und Medium verringert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrodenpaare (4b, 4c) in unterschiedlicher Entfernung zum Scheibenmittelpunkt angebracht sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkabel (7) zum Anschluss der Elektroden durch die Achse (2, 2', 2") geführt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe derart dünn ausgeführt ist, dass das Gefüge des Mediums nur geringfügig beeinflusst wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenmaterial aus leichtgleitenden, verschleißarmen Materialien besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenmaterial aus Glas oder teilweise aus Glas besteht

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe zur Verminderung des Schlupfes zwischen Scheibe und Medium angetrieben werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe selbst eine der beiden Elektroden darstellt, während die zweite in einen nichtleitenden Träger eingebettet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Scheibe im Boden bewegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie an landwirtschaftliche Geräte angebracht wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe durch eine Tiefenführung in definierter Eindringtiefe zum Medium geführt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung so gewählt wird, dass das Time Domain Reflectometry-Verfahren für die Feuchtemessung herangezogen werden kann.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektronik in die Vorrichtung einbaut ist.