-
Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts körnigen
Materials Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, womit unter
Verwendung von Mikrowellen der Feuchigkeitsgehalt eines körnigen, in Pulver-oder
körniger ilorm vorliegenden Materials gemessen wird.
-
Bekanntlich wird die Mikorvwllenergie stark abosrbiert und daher
durch FEucthigkeit bei einer gewissen Resonanzabsorptinsfreqenz geschwächt, und
es sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des Wassergehalts
von Feststoffen, z.B. Holzstoff, Papier, Fasertuch und dergleichen vorgeschlagen
wurden, wobei man eine solche
Schwächungscharakteristik ausnützte.
Die Schwächungscharakteristik der Mikrowellenenergie wird auch für die Messung des-Wassergehalts
körniger oder pulverförmig er Materia):1n ausgenützt, deren Güte oder Qualität durch
die Feuchtigkeit beeinflußt wird, z.B. Getreide, Zucker oder Medickamente, Es war
Jedocn schwierig, den Wassergehalt solcher körniger Materialien genau zu messen,
weil die Dichte des Materials von seiner Korngröße abhängt und darüberhinaus das
scheinbare Volumen bzw. die scheinbare Dichte eines solchen Materials von- der Art
abhängt, wie das Material in einen Behälter eingefüllt wird.-Bekanntlich ist die
Größe der Zwischenräume zwischen benachbarten eilen von der Korrngröße des Materials
abhängig, wodurch der Anteil des von den Material eingenommenen Raums bei gleichem
Gewicht verändert wird0 Selbst bei Material mit gleicher Korngröße ist das ist scheinbare
Volumen des körnigen Materials von der Art des Einfüllens und von der Geschwindigkeit
der Messung abhängig, Binde Anderung des'eingenommenen Raums und des scheinbaren
Volumens, die auf einer Änderung der Korngröße beruht, ergibt einen Fehler in der
Genauigkeit der Mesung, wodurch der; Vorteil verringert wird, der durch die genauen
Messungen unter Verwendung von Mikrowellen erhalten werden kann Ein solches Meßverfahren,
bei dem unter Verwendwi von Mikrowellen der Feuchtigkeitsgehalt eines körnigen Materials
gemessen wird, das in einer Leitung gefördert wird, wird durch die Art der Probeentnahme,
die Produktionsmenge und durch an',, dere Parameter beeinflußt, so daß es sehr schwierig
war, den
Wassergehalt eines solchen Materials genau zu messen, obwohl
ein großes Bedürfnis für solche Messungen bestand Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der Vorrichtung können nun der Wassergehalt eines körnigen Materials genau gemessen
werden, gleichgültig welche Schwankungen in der Korngroße und im scheinbaren Volumen
des Materials auftrenten.
-
Ein anderes Ziel der Erfidnung betrifft eine verbesserte Vorrichtung,
mit der der Feuchtigkeitsgehalt körnigen Materials kontinuierlich gemessen werden
kann, das durch eine Leitung gefördert wird, so daß Produkte erzeugt werden können,
die einen vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt aufweisen, Nach dem grundlegenden Verfahren
der Erfindung wird das Ausmaß der.Schwächung einer Mikrowellenenergie, das durch
den Feuohtigkeitsgehalt eines körnigen Materials verursacht wird, gemessen und der
gemessene Schwächungswert wird mit dem Nettovolumen oder -gewicht des körnigen Materials
korrigiert. Dieses Verfahren kann auch auf körnige Materialien angewendet werden,
die nicht bewegt werden und auch auf Materialien, die kontinuierlich in einer Leitung
gefördert werden.
-
Die Vorrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines körnigen
Materials hat in ihrer einfachsten Konstrucktion eine Verdichutngsinrichtung, in
der in diese Einrichtung fallendes, rniges Material aufgenommen wird, wobei diese
Verdeichtungseinrichtung mit einer Vibrationseinrichtung ausgestattet ist,
so
aaß das gefüllte Material verdichtet wird, ferner mit Mitteln, durch die der Unterschied
in den Höhen dieses Materials vor und nach dem Verdichten angegeben wird, ferner
eine \'vellenführung, in der das verdichtete Material der Einwirkung einer Mikrowellenenergie
ausgesetzt wird, wodurch diese Mikrowellenenergie in Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt
des Materials geschwächt wird und schließlich eine mit der Wellenführung verbundene
Einrichtung, durch die die geschwächte Mikrowellenenergie bestimmt wird und dann
noch Mittel, durch die die so bestimmte Mikrowellenenergie angezeigt wird0 Nach
einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann an Stelle der Verdichtungseinrichtung
ein Meßrohr verwendet werden, durch das ein Teil des in der Leitung strömenden Materials
abgezweigt und der Einwirkung einer Mikrowellenenergie unterworfen wird0 Beispielsweise
Äusführungsfornien der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung
beschrieben, in der: Fig. 1 schematisch eine Pülleinrichtung und den Verdichtungsvorgang
eines körnigen Materials zeigt.
-
Fig. 2 zeigt die Kurve der Verdichtung.
-
Pigo 3 ist eine Eichkurve für das Verdichtungsverhältnis.
-
Fig. 4 zeigt eine Korrekturkurve für das Ausmaß der Schwächung.
-
Fig, 5 ist ein Nomogramm für den Feuchtigkeitsgehealt.
-
Fig. 6 ist ein Nomogramm, wie es bei der burchführung der Erfindung
verwendet wird Fig. 7 zeigt schematisch eine gemaß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung0
Fig. 8 zeigt einen Teil einer anderen Austführungsform der Erfindung für kontinuierliche
Messungen, und Fig. 9 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der frfindung für
eine noch genauere Eessung des Feuchtikhgitsgehalts eines körnigen Materials, das
rings einer Leitung gefördert. wird0 Im folgenden wird der Grundgedanke der Erfindung
erläutert und dabei auf die Zeichnung Bezug genommen, sie bereits ausgeführt, schwankt
der Faktor des Volumenanteils des körnigen, in Pulver- oder körniger Form vorliegenden
Materials von der Korngröße und die Dichte des Materials hängt von der Art ab, wie
dieses Material in das gleiche Volumen eingefüllt wird0 Um den hassergehalt des
Materials genau bestimmen zu können, muß die wirkliche Ivtenge oder das Nettogewicht
des Meßgutes bestimmt werden und das Ergebnis zur Korrektur des gemessenen, scheinhbaren
Wassergehlts verwendet werden. Dies ergibt sich daraus, daß das. körige Material,
das unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung verdichtet worden ist,
zwei Volumen aufweist, d.h. das scheibare Volumen und des wirkliche Volumen (Nettogewicht).
-
Die in Fig 1 gezeigte Verdichtungs einrich-t;ung umfaßt einen schalenförmigen
Behälter 2, der an seiner Seitenwand eine entsprechende, in Volumina geeichte Skala
1 aufweist, ferner eine federnde Gummiunterlage 3, die diesen behälter 2 trägt und
einen Vibrationstisch 4,-der die Unterlage und den Behälter trägt und durch einen
Vibrator 5 betätigt wird0 Nach dem das Pulver im freien Fall infolge seines Sigengewichtes
in den Behälter bis zur Höhe F. eingefüllt ist, wird der Behälter z.B. mit einer
Frequenz von 3000 pro Minute vibriert, so daß sich das Mateial bis auf eine stabile
Höhe innerhalb einer bestimmten Zeit zusammensetzt, beispielsweise in einer oder
mehreren Sekunden. Das Setzmaß H qder die Abnahme der Höhe hängt von der Korngröße
und der Beziehung zwischen dem tatsächlichen Gewicht Wg ab und das Setzmaß H. kann
durch eine gerade Linie in Fig. 3 dargestellt werden.
-
In dieser Figur ist das Setzinaß H längs der Absticsse abgetragen
(oder der Abstand von der Einfüllhöhe bis zur Höhe nach dem Zusammensetzen) wobei
dieses Setzmaß von der Kornr größe des zu messenden Materials abhängt, und längs
der Ordinate ist das Produkt aus Korngröße und dem verdichteten Volumen ab-"' getragen,
doho das wirkliche oder Nettohgewicht Wg. Aus dieser Kurve kann das Nettogewicht
Wg dirkt als Funktion des Setzmaßes. H bestimmt werden Damit man dei genaue, gemäß
der Erfindung erreichbare messung erhalt, wird das Nettogewicht des Materials zunächst
durch
das oben angegebene Verfahren bestimmt, so daß der scheinbare
Feuchtigkeitsgehalt korrigiert werden kann, wie er durch die Dämpfung der Mikrowelle
bestimmt wird.
-
Nach einer Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden mehr im
einzelnen bestimmt wird, wird das Maß der Schwächung bzw. die Dämpfung der Mikrowellenenergie
durch den Wassergehalt des körnigen Materials durch eine veränderliche Dämpfung
kompensiert, die auf einer Skala angezeigt wird und das Maß der Kompensation durch
die veränderliche Dämpfung, das auf dieser Skala abgelesen werden kann, wird zur
Berechnung des genauen Werts des Feuchtigkeitsgehalts verwendete Die Beziehung zwischen
der Skalenanzeige (Größe der Dämpfungskompensat-i-on) D und der Feuchtigkeit Wd,
die in einem bestimmten Volumen des Materials vorhanden ist, wird durch die'Kurve
der Fig. 4 dargestellt. Wenn man diese beiden Beziehungen in eine Gleichung einsetzt,
die zur Berechnung des Feuchtigkeitsgehalts verwendet wird, dann erhält man ein
Nomogramm, das eine Kurvenschar enthält, deren Kurven durch den Ursprung 0 eines
rechtwinkligen Koordinatensystems gehen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, wobei die
Abscisse den Feuchtigkeitsgehalt Wd und die Ordinate das Nettogewicht Wg des Materials
anzeigen Die Kurven Ä, B, und D stellen Feuchtigkeitsgehalte von 5, 10, 15 bzw 20%
dar.
-
Bei der Bestimmung des wirklichen Feuchtigk'eitsg'ehäits des Naterjais
und unter Verwendung der oben angegebenen Nomogramme wird das Netoogewicht Wg des
MAterials, das längs der Abscisse der Fig. 5 aufgetragen ist, in den Volumenmaßstab
D übertragen,
was unter Verwendung des Nomogramms der Fig, 3 erfolgen
kann, und der FEuchtihgkeiytsgealt Wd, der durch die Abscisse der Fig. 5 5 wiedergegeben
wird, wird in die abgelesene Skalenanzeige D umgewandelt, wozu das Nomogramm der
Oligo 4 verwendet wird, so daß man den Feuchtigkeitsgehalt direkt aus dem Volumenmaßstab
und der Skalenablesung bestimmen kann0 In der Fig. 6 ist eine Schar geneigter Kurven
A, bis H dargestellt, von denen jede einem vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt entspricht,
wobei die Abscisse der Skalenanzeige D und die Ordinate der Eaßstabeinteilung H
entspricht, so daß der Feuchtigkeitsgehalt direkt an den Stellen bestimmt werden
kann, an denen die Ordinaten und/oder Abscissen die Kurven schneiden, Im folgenden
wird ein Ausführungbsispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 7 erläutert,
Die in dieser Figur dargestellte Meßeinrichtung enthält eine Wellenführung 12, die
über ein Puffer-Dämpfungsglied 13 mit seinem Klystromoscillator 11 verbunden ist0
Die Wellenführung hat einen geneigt angeordneten Meßteil, der in der Mitte einen
verhältnismäßig großen Querschnitt aufweist, wobei das gegenüberliegeden Ende über
ein Dämpfungslied 15 mit einem Mikrowllendetekto 17 verbunden ist, wobei das Dämpfungsglied
15 mit einer Skala 14 ausgestattet ist, die zur abschließenden Kompensierung der
duch den Feuchtigkeitsgehalt des Materials bedingten Dämpfung der Mikrowelle dient,
Ån den Mikrowellendetektor 17 ist ein Ausgangsinstrument 16 angeschlossen In dem
mittleren Meßteil der Wellenführung
ist ein vertikal verlaufendes
Meßrohr 19 vorgesehen, das in der Nahe seines oberen Endes mit einem Maßstab 20
zur Bestimmung von Dichteunterschieden ausgestattet ist, wobei man an diesem Maßstab
die Differenz zwischen dem Scheinbar eingenommenen Raum, d.h. zwischen dem Raum,
den das Material 18 dann einnimmt, wenn es einfach in das Rohr 19 fallengelassen
wird, und demjenigen Raum besteht, der durch das Material eingenommen wird, wenn
es durch erzwungene Schwingungen verdichtet ist Am unteren beide des Meßrohres ist
eine Vibrationseinrichtung 21 vorgesehen, die ebenso ausgebildet sein kann, wie
die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung Eine Beschickungseinrichtung 23, die unten
einen Verschlußhahn 22 aufweist, ist oberahlb des Rohres vorgesehen, so daß körniges
Material durch sein zigengewicht einlaufen kann0 Beim Betrieb werden die aus dem
Klystromoscillator 11 austretenden Mikrowellen durch das Dämpfungsglied 13 so stark
gedämpft, wie es das zu messende Material erforderlich macht, und anschließend werden
die Mikrowellen über die Wellenführung 12 dem Meßrohr zugeführt. Da das Meßrohr
19, das mit dem körnigen Meßgut gefüllt ist, quer im geneigten Teil der Wellenführung
12 angeordnet ist, die einen verhältnismäßig großen Querschnitt aufweist, so daß
das Material einem ziemlich gleichförmigen elektri'schen Feld ausgesetzt wird, können
Fehler, die auf Unterschienen zwischen aufeinanderfolgenden Messungen beruheh, sehr
klein gehalten werden
Die Mikrowellenenergie wird durch die in
dem -in das' Meßrohr 19 eingefüllten, körnigen Material enthaltend Feuctigkeit stark
gedämpft, Die gedämpfte Mikrowellenenerige gelangt zum Detektor 17 und das Ausmaß
der Dämpfung kann durch eine Anzeigeeinrichtung 16 angezeigt werden, z.B. durch
ein Registriergerät, durch ein Ratiometer oder durch eine Brüqkenschaltung, die
an den Detektor 1-7 angeschlossen ist0 Der scheinbare Peuchtigkeits'-gehalt kann
so bestimmt werden, daß das Dämpfungsglied je, nach dem Ausmaß der durch den Feuchtigkeitsgehalt
verursachten Dämpfung solange verstellt wird, bis das Änzeigegerät wieder auf seinen
ursprünglichen Wert eingestellt ist, wobei dann die Skala 14 abgelesen wlrdO Obwohl
die Dämpfung direkt durch Ablesen der Anzeigeeinrichtung 16 bestimmt werden kann,
so ist doch aamit keine genaue Ablesung zu erwarten, weil eine solche Ablesung oft
durch die Genauigkeit des Anzeigeinstruments, durch die Charakteristik des Detektors
und derglO beeinflußt wird, Vor der Messung wird das körnige Material in einem Ausmaß
verdichtet, das von seiner Korngröße abhängt, -wobei die Verdichtung durch Schwingungen
erfolgt, die von einer Vibrationgeinrichtung 21 abgegeben werden, die an das untere
Ende des Meßrohres 19 angeschlossen ist, und wobei das Ausmaß der Verdichtung dadurch
bestimmt werden kann, daß die Skala 20 abgelesen wird, die die Differenz der Dichten
angibt.
-
Das gemessene Setzmaß oder das Volumen der Zwischenräume wird zur
Bestimmung des Nettogewichts des zu messenden Materials verwendet und dann wird
die richtige Dichte und der Zustand des Meßgutes unter Verwendung des oben erwähnten
Korrekturmonogramme bestimmt, Durch diese Korrektur der beobachteten Feuchtigkeitsgehalts
vermittels der Dichte kann man den genauen oder wirklichen i'euchtigkeitsgehalt
oder die prozentuale euchtigkeit des körnigen Materials bestimmen Die Meßergebnisse
sind stabil (wiederholbar) und sehr genau, da das Meßgut im Augenblick der Feuchtigkeitsbestimmung
in einem stabilen und verdichteten Zustand vorliegt, der durch die erzwungene Schwingung
verursacht wird, Obwohl sich die obige Beschreibung auf die Messung des Seuchtigkeitsgehalts
bei ruhendem, körnigem Material bezog, so kann natürlich auch der Feuchtigkeitsgehalt
eines körnigen Materials bestimmt werden, das längs einer Leitung gefördert wird,
wobei so vorgegangen wird, daß die Dichte-Kompensationseinrichtung und die Dämpfungs-Kompensationseinrchtung,
die gemäß der Erfindung ausgebildet ist, in Beziehung gesetzt werden, so daß man
eine Feuchtigkeitskontrolleinrichtung erhält die synchron mit den Kompensationseinrichtungen
arbeitet, so daß man qualitativ hochwertige Produkte erzeugen kann, die eine eingestellte
Feuchtigkeitsmenge enthalten.
-
Fig. 8 ziegt eine dandere Ausführungform der Erfidnung, mit der eine
solche kontinuierliche Messung des Beuchtigkeitsgehalts
durchgeführt
werden kann0 Die Teile, die den in Fig. 4 gezeigten Teilen entsprechen, sind hier
weggelassen. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform, strömt ein Teil des körnigen
Materials durch eine Hauptleitung 30 in einer Produktionsanlage una von dieser Hauptleitung
wird kontinuierlich über eine Abzweigung 31 ein Zweigstrom in ein Meßrohr 32 abgeleitet,
wie oben bereits ausgeführt, ist das vertikale. Meßrohr 32 so angeoranet, daß es
den geneigt angeordneten Abschnitt einer Wellenführung 75 kreuzt, die einen verhältnismäßig
großen Querschnitt aufweist, wobei am unteren Ende der Gutsleitung ein einstellbares
Ventil 35 vorgesehen ist, durch das das Volumen (in Litern) des Meßgutes 34 bestimmt
wird, das durch dieses Rohr strömt, Das Einstellventil 35 ist mit einem Zeiger 36
versehen, der über einer Skala angeordnet ist, die eine Kompensationseinteilung
aufweist, wie sie der Korngröße des Meßguts entspricht, was vorher durch Probeentnahme
festgestellt wurde Es kann infolgedessen eine genaue Messung des Feuchtigkeitsgehalts
so vorgenommen werden, daß die Größe der Kompensation des einstellbaren Dämpfungsgliedes
bestimmt wird, mit anderen Worgen, der scheinbare Feuchtigkeitsgehalt bei einem
tatsächlichen Gewicht wird unter Eezugnalime auf diese Kompensationsskala bestimmt,
Wenn sich aie,Menge des durch das Rohr strömenden Materials infolge einer Änderung
der Produktionsvehältnisse und dergleichen ändert, dann wird das Binstelventil zweckmäßig
so nachreguliert, daß ri ein Ausgleich zwischen den einlaufenden und. den ausgetragenen
Mengen
des Materials erzielt wird. In diesem Fall wird der tatsächliche Materialstrom aus
der Ablesung der Skaia, die am Ventil angebracht ist, berechnet und zur Kompensierung
ausgenützt.
-
Mit der h'inrichtung der Figur 8 kann der FEuchtihgkeitsgehalt eines
körnigen Materials kontinuierlich gemessen werden, das kontinuierlich in einer Leitung
gefordert wird, so daß man mit dieser Ausführungsform der Erfindfung die Qualität
des Produkts bestimmen und eine gute Qualität sicherstellen kann0 Fig, 9 zeigt noch
eire weitere Ausführungsform der Brfindung, bei der die Genauigkeit der Messung
noch weiter dadurch verbessert wird, daß zwei Zweigewelführungen für Vergleichsmessungen
vorgesehen werden, die an ihren gegenüberliegenden Enden durch Abstimm-Anzeigekeriese
42 und 43 verbunden sind, wobei der erstere mit einer Mikrowellenschalteimr ichtung
41 ausgestattet ist, die mit dem Mikrowellengenerator 40 gekoppelt ist0 Die von
dem Generator 40 kommende Mikrwellenenergie wird entweder in die meßwellenführung
44 oder in eine Vei'gleichswellenführung 45 geleitet, was durch die Schalteinrichtung
41 bestimmt wird0 Die eßwellenführung, 44 enthalt ein Dämpfungsglied 47, das eine
Skalananzeige aufweist, die durch einen Zweiphasenabgleichmotor 46 angetrieben wird,
und ein Meßrohr 48, das eine dichte Kompensationseinrichtung aufweist, die der bei
der Erläuterung der Fig. 8 erwähnten Einrichtung entspricht.
-
Ein i;ichungsdämpfungsglied 49 ist in der Vergleichsweisllenführung
45 vorgesehen und ein Detektor 50 ist im endteil des Abstimmanzigekreises 43 vorgesehen.
Der Ausgang des Detektors 50 ist mit der Einphasen-Statorwicklung dieses Zweiphasenmotors
46 über einen Phasenschieber 51 verbunden, durch den der Mickrowellenausgang der
entsprechenden Wellenführungszweige synchron mit dieser Mikrowellenschalkteinrichtung
41 verstärkt wird.
-
Diese Schalteinrichtung wird durch einen Antriebsmotor 53 betätigt,
der auch einen elektrischen Generator 52 antreibt, dessen ausgang an die Statorwicklung
der anderen Phase des Zweiphasenmotors 46 über einen Verstärker 54 angeschlossen
ist0 Bs ist auch eine Aufzeichnungseinrichtung 56 vorgesehen, die einen elektrischen
Brückenkreis 55 aufweist, dessen Ausgleichsverhalten durch die Drehbewegung des
Zweiphasenmotors 46 in Abhängigkeit von irgendeiner Phasendifferenz kontrolliert
wird0 Beim Betrieb wird die Mikrowellenenergie abwechselnd zu den Meß- und Vergleichswellenführungen
44 und 45 durch die irkung der Schalteinrichtung 41 zugeführt und anschließend im
Detektor 50 festgestellt. Der Ausgang dieses Detektors wird verstärkt und dann durch
den Phasenschieber 51 festgestellt, wobei der- Zweiphasenmotor 46 in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen den Ausgängen der beiden Wellenführungen betätigt wird,
oder mit anderen vierten, der Feuchtigkeitsgehalt des körnigen Materials, das durch
das Meßrohr 48 strömt, wird
bestimmt. DEr Motor 46 dreht sich solange
weiter, bis der Ausgang aus dem Phasenschieber 41 gleich Null wird, wobei die Bewegung
des Motors durch den Brückenkreis 55 verstärkt wird, so daß die Aufzeichnungseinrichtung
56 betätigt werden kann0 Die Mikrowellenschalteinrichtung 41 wird kontinuierlich
durch den Antriebsmotor 53 betätigt und der Phasenschieber 51 und der Zweiphasenmotor
46 werden durch ein Signal betätigt, das mit dieser Schalteinrichtung synchronisiert
ist, so daß die Genauigkeit der Messung nicht durch eine änderung der Blektrischen
Kraftversorgung beeinträchtigt wird0 Da der Seuchtlgkeitsgehalt durch einen einzigen
Detektor 50 bestimmt wird, so wird die Genauigkeit der Messung nicht durch irgendwelche,
äußere Verhältnisse beeinträchtigt. Man kann eine genaue Messung erhalten, wie dies
oben erwähnt wurde, indem der Betrieb der Äufzeichnungseinrichtung 56 unter Verwendung
von Daten korrigiert wird, die durch den Dichtemeßmechanismus geliefert werden,
der für dieses Meßrohr 48 vorgesehen ist.
-
Die Erfindung stellt also ein neuartiges Verfahren und eine neue
Vorrichtung dar, die eine genaue und leichte Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines
solchen körnigen Materials, wie beiapielßweise von Getreide erlaubenm. Gewun',schtenfalls
kann ein, solche Messung mit hoher Genauigkeit kontinuierlich durchgeführt werden.