DE1648873A1

DE1648873A1 - Feuchtigkeitsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1648873A1
Application number: DE19671648873
Authority: DE
Inventors: Roberts Maldwyn Hugh
Original assignee: Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Current assignee: Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Priority date: 1966-10-21
Filing date: 1967-10-20
Publication date: 1971-05-13
Also published as: CH469258A; NL6714388A; US3490040A; GB1138224A

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-CHEM. DR. WERNER KOCIi,· DR.-ING. RICHARD GLAWE

DIPL-ING. KLAUS DELFS 1648873 HAMBURG ·MÖNCHEN IHR ZEICHEN

BETRIFFT:

2000 Hamburg 52 · Woltzitrafl· 12 · Huf 892255 8000 Manchen 22 · Uebh«rr»»ra6e 20 · XhI 22«548

UNSER ZEICHEN MÖNCHEN A 55

MÖNCHEN, den

0 OiDIOIf SILK AND MAN-MDE PIBHBS RESEARCH ASSOCIATION, Shirley Institute, Didsbury, Manchester 20, England.

Feuchtigkeitsineßvorr ichtung.

Die Erfindung betrifft eine Peuchtigkeitsmeßvorrichtung. Zur Messung der feuchtigkeit von Materialien wie z.B. Textilien, Holz oder Korn sind eine Anzahl von Instrumenten bekannt, mit denen der spezifische elektrische Widerstand dieser Materialien gemessen wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß eine geringe Änderung des Ptuohtigktitsgehaltes eine sehr große Änderung des Widerstandes sau folge hat,

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biw. IPICKTZIN MONCHIN

die leicht festzustellen und zu messen ist. Der Widerstand kann in dem Eeachtigkeitsbereich, der praktisch von Interesse ist, sich am einen faktor von mehreren Tausenden, sogar bis zu eine?Hillion ändern, und zwar von einem verhältnismäßig kleinen Wert bei nassem Material bis zu einem außerordentlich hohen Wert in sehr trockenem Material. Während es leicht ist, eine Heßanzeige zu erhalten, die auf die geringste Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes anspricht, ist jedoch die Beziehung zwischen dem feuchtigkeitsgehalt und der Meßanzeige (beispielsweise dem durch die Probe fließenden Strom oder der an der Probe liegenden Spannung) stark nicht-linear ist, falls nicht spezielle Schaltanordnungen verwendet werden, um zu versuchen, die Abhängigkeit zu linearisieren»

Sie einfachste Schaltung, die bei . . Feuchtigkeitsmessern dieser Art verwendet wird, besteht darin, daß an die Probe und eine mit ihr in Reihe geschalteten festen Widerstand eine Spannung angelegt wird, so daß die uesamtspannung sich auf die Probe und den festen Widerstand im Verhältnis der entsprechenden Widerstandswerte verteilt, und daß die Spannung an der gemeinsamen Quelle im Verhältnis zu den Potential an einer der Klemmen der Spannungsquelle mittels eines elektronischen Voltmeters gemessen wird. Diese Einrichtung ist dann am empfindlichsten, wenn die beiden Widerstände etwa gLsi Wert haben, and am unempfindlichsten, we%n »wiscL^s iimen großer Unterschied besteht. Hierdurch erhält nm.u eis© MeB-

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skala, die in der Mitte sehr breit und an den beiden Enden des Bereiches stark zusammengedrängt ist. Mn solches Instrument ergibt nur über einen sehr engen Bereich eine brauchbare Anzeige, so daß es üblich ist, einen Mehrbereich-Auswahlschalter Torzusehen, um den Wert des festen Widerstandes zu ändern und damit diesen kleinen brauchbaren Meßbereich über den gesamten interessierenden Meßbereich nach oben oder unten zu verschieben.

Abgesehen von der unbequemen Handhabung eines derartigen, für allgemeine Anwendung bestimmten Instrumentes zeigt sich ein besonderer Nachteil des Instrumentes dann, wenn dieses als Meßglied in einer automatischen Rege!anlage eingesetzt werden soll. Es ist nämlich das von einer großen Abweichung vom Regelwert verursachte elektrische Signal nur wenig größer als das von einer kleinen Abweichung erzeugte Signal, während es allgemein bei den meisten automatischen Regelsystemen c wünschenswert ist,, daß die Beziehung zwischen einer Abweichung und dem durch sie erzeugten Signal in vernünftigen Grenzen i linear ist.

Es. ist hier noch zu erwähnen, daß ein allgemein übliches Verfahren zur Erzielung einer mehr linearen Abhängigkeit darin besteht, eine Diode oder eine andere Einrichtung mit Diodeneigenschaften in Serie mit der Probe zu schalten, ent- · weder am Stelle oder in Serie suit dem normalen Eeihenwiderstand. Da die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung in

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einer solchen Anordnung im wesentlichen logarithmisch ist (Spannung proportional zum Logarithmus des Stromes), und zwar über mehrere Zehner-!potenzen des Stromes, kann damit über einen weiten Bereich des Probenwiderstandes mit einer weniger starken liichtlinearität gearbeitet werden. Auch in diesem Fall ist aber immer noch die Krümmung stärker, als es für manche Regelzwecke wünschenswert ist. Weitere Nachteile bestehen darin, daß die Ausgangsspannung klein ist und sehr stark von der Temperatur der Diode abhängt, so daß eine Verstärkung erforderlich ist und außerdem störende Schwankungen auftreten können, falls man nicht die Vorsorge trifft, die Temperatur zu stabilisieren.

Man könnte versuchen, eine vom Feuchtigkeitsgehalt linear abhängige Ausgangsspannung dadurch zu erhalten, daß der Ausgang einer der oben erwähnten Schaltungen in eine besondere Verstärkerschaltung eingegeben wird, die eine nicht lineare Abhängigkeit zwischen Eingang und Ausgang aufweist, die so bemessen ist, daß sie die Nichtlinearität des Heßkreises kompensieren kann. Hiergegen besteht jedoch das Bedenken, daß insbesondere bei Anwendung mit der erstgenannten einfachen Meßschaltung das von der Heßschaltung an den nicht—linearen Verstärker abgegebene Signal in so hohem Maße verzerrt ist, daß der Verstärkungsfaktor des nicht linearen Verstärkers über einen Bereich zwischen 1000 zu 1 und 1000000 zu 1 verändert werden muß, um die erforderliche Korrektur zu erhalten. Dies bedeutet, daß die Anordnung sehr teuer ist und mit geringer

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Genauigkeit arbeitet, da in manchen Seilen des Meßbereiches das einer gegebenen Änderung des Feuchtigkeitsgehaltes entsprechende Eingangssignal einfach zu klein ist.

Aber auch dann, wenn die Meßschaltung, wie oben erwähnt, eine Diode aufweist, welche die Abhängigkeit teilweise Iinearisieren soll, und hieran ein nicht linearer Verstärker zur vollständigen Linearisierung angeschlossen wird, besteht immer noch das Bedenken, daß das Signal von der Meßschaltung (die Spannung an der Diode) klein ist und TemperaturSchwankungen unterliegt, und daß überdies die Gesamtsehaltung kompliziert und teuer ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Meßgerät vorgesehen, welches ein elektrisches Signal für Anzeige und/oder Siaierung liefert, welches über einen großen Bereich im wesent lichen linear vom Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht mit einer einfachen und billigen Schaltung, welche gute Genauigkeit und Stabilität ergibt;, und zwar mit einer Schaltung, bei welcher die an der an die Probe angelegten Elektrode auftretende Spannung bereits die erforderliche lineare Beziehung zum Feuchtigkeitsgehalt hat, ohne daß in einer weiteren Stufe eine Kompensation mit äußeren Mitteln erforderlich ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Feuchtigkeits-

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meßvorrichtung mit einer GleiehstromqueLie, an deren Klemmen ein Belastungswiderstand in Reihe mit an das zu messende Material anzulegenden Elektroden liegt, gekennzeich.net durch eine Meßeinrichtung hoher Impedanz, die auf den Spannungsabfall entweder am Belastungswiderstand oder an den Elektroden derart anspricht, daß ein elektrisches Signal zur Betätigung einer Feuchtigkeitsanzeigevorrichtung und/oder einer Feuchtigkeitsregelvorrichtung für das zu messende Material erzeugt wird, sowie durch eine Anzahl von weiteren Widerständen, die jeweils in Reihe mit einer Diode einerseits atv&ie gemeinsame Klemme des Belastungswiderstandes und der Elektroden und andererseits an eine Folge von Punkten verschiedenen Potentials zwischen dem positiven und negativen Potential der Gleichstromquelle angeschlossen sind, wobei der elektive Widerstand des Belastungswiderstandes sich in Abhängigkeit von Widerstand des zu messenden Materials derart ändert, daß die am zu messenden Material liegende Spannung sich in der gewünschten Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt ändert.

Vorzugsweise 1st die Anordnung so getroffen, daß die an dem zu messenden Material liegende Spannung vom Feuchtigkeitsgehalt des Materials linear abhängt.

Eine Ausführungs form der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Ss zeigen:

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Fig. 1 ein Prinzipsehaltbild der Vorrichtung,

Fig. 2 das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform der Torrichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung von mit der Vorrichtung nach Fig. 2 erhaltenen Versuchsergebnissen.

Wie "bereits erwähnt, "besteht das Grundgeriist der Meß schaltung aus einer Spannungsquelle, an deren Klemmen- zwei in Serie geschaltete Widerstände liegen, von denen der eine die Materialprobe und der andere ein äußerer Widerstand ist. Der fließende Strom ist häufig zu klein, um ihn direkt mit einem normalen Meßgerät zu messen. Deshalb wird der von ihm erzeugte Spannungsabfall an dem Außenwiderstand mittels eines elektronischen Voltmeters von hoher Impedanz gemessen. Es wurde erwähnt, daß es erforderlich ist, verschiedene Werte dieses Außenwiderstandes einzuschalten, um verschiedene Bereiche des Fjöüolitigkeitsgehaltes erfassen zu können. Bei der vorliegenden Erfindung wird im Effekt eine automatische und progressive Umschaltung anstelle von plötzlichen Schaltstufen erzielt. f

Wie man aus Fig. 1 erkennt, ist der Hauptaußenwiderstand mit B "bezeichnet, jedoch sind außerdem mit der Bp annungsfuhr enden Elektrode (live electrode) weitere Widerstände E-, E^ usw. verbunden, von denen jeder über eine Diode D_, D. usw. an eine Spannung angeschlossen ist, die zwischen den beiden Klemmen der Spannungsquelle liegt, was in zweckmäßiger "Weise durch einen oder mehrere, über die Klemmen

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der Spannungsquelle gelegte Spannungsteiler geschehen kann. Wenn man zunächst annimmt, daß die zwisohen den Elektroden angeordnete Probe zunächst einen unendlich großen Widerstand aufweist und dann durch Feuchtigkeitsauf nähme der Widerstand fortlaufend abnimmt, dann ist der Spannungsabfall am Widerstand H₀ zunächst UuIl und nimmt dann allmählich zu. Die Dioden D, usw. sind in ihrer Polarität so geschaltet, daß sie durch den Spannungsteiler in Sperrichtung beaufschlagt sind. Daher fließt durch die Widerstände R₁ , R_ usw. kein Strom, Ms die Spannung am Punkt λ die Sperrspannung der jeweiligen Diode übersteigt. Bei Zunahme des Spannungsabfalls am Widerstand R₀ wird daher zuerst die Diode D-, dann D , dann D^ usw. nacheinander leistend, so daß nacheinander der Widerstand R.., dann R«, dann R, usw. zum Widerstand R₀ parallel geschaltet werden, um seinen effektiven Widerstandswert herabzusetzen. Wenn sich die Probe am nassen Ende des Meßbereiohes befindet, ist ihr Widerstand kleinj in, diesem Fall sind alle Dioden leitend, so daß alle Widerstände R₀, R. , R_? usw. parallel geschaltet sind und einen kleinen effektiven Belastungswiderstand ergeben.

In einer typischen, dieses Prinzip verwirklichenden Schaltung, kann beispielsweise R₀ in der Größenordnung von 150M.Q.sein, Rg beispielsweise 47KiI , während die Werte für ^--R- dazwischen liegen. Die von der Quelle abgegebene Spannung kann etwa 30 Volt betragen (wegen der Durohschlagsgefahr sollen 60 Volt nioht überschritten werden), während die Spannungen, mit denen die Dioden in Sperriohtung beiästet

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sind, in Intervallen von etwa 3 Volt liegen und durch jede geeignete .Anordnung von Widerständen oder anderen Spannungsteilereinrichtungen wie Dioden oder Zenerdioden erhalten werden können. Es ist in der Regel zweckmäßig, jedoch nicht erforderlich, die Sperrspannung jeder Diode über einen kleinen Bereich verändern zu können. Hierdurch oder auch durch Verändern der Widerstände IL , R_ usw. kann die Form der Spannungs-Feuchtigkeitskennlinie so eingestellt werden, daß sie über ^ einen beträchtlichen Bereich, beispielsweise über einen Feuchtigkeitsgehalt von 4 his l6 io in Baumwolltuch, im wesentlichen linear verläuft. Die in diesem Bereich erhaltene Ausgangsspannung kann etwa 70 bis 80 $ der Quellenspannung betragen, so daß sie in einfacher Weise durch einfache Schaltungen gemessen werden kann und groß genug ist, um ohne weitere Verstärkung zur Betätigung von zahlreichen Steuerschaltungen verwendet werden zu können. Hierdurch wird die Kompliziertheit und der Preis der Keß- und Regelanordnungen herabgesetzt.

Die verwendeten Dioden sollten vorzugsweise einen Sperrwiderstand in der Größenordnung von 1000MQ. oder mehr haben, so daß ihr Vorhandensein keine Auswirkung hat, bis eine Vorwärtsspannung an sie gelegt wird. Die Polarität sowohl der Spannungsquelle als auch der Dioden kann gemeinsam umgekehrt werden, falls ein Ausgangssignal entgegengesetzter Polarität gewünscht ist.

Da der Widerstand jeder Diode sich von einem sehr hohen auf einen

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sehr niedrigen Wert ändert bei einer Spannungsänderung von nur etwa 1 Volt, vas im Vergleich, zum gesamten Ausgangsspannungsbereich der Schaltung klein ist, sind die Auswirkungen von Temperaturschwankungen wesentlich weniger gravierend als "bei der eingangs erwähnten Schaltung, "bei der eine oder mehrere Dioden als Hauptkomponente des Belastungswiderstandes verwendet werden ohne die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Sperrspannungen. Der Hauptteil des Spannungs— abfalles tritt an den festen Widerständen R₀, R, usw· auf, und nur ein sehr kleiner Teil der Ge samt spannung fällt an den Dioden al·.

Ferner ist die Form der Kennlinie in weiten Grenzen frei wählbar, indem man die Sperrspannung und die Widerstandswerte entsprechend wählt, während " Schaltungen, in denen Dioden als Hauptbestandteile des Belastungswiderstandes eingesetzt werden,überhaupt keine oder nur eine sehr geringe Möglichkeit "bieten, die Form der Kennlinie zu ändern.

Fig. 2 zeigt das tatsächliche Schaltbild einer praktischen Ausführungs· form der erfindungsgemäßen Feuohtigkeitsvorriohtung und Fig. 3 zeigt die damit experimentell erhaltene Beziehung zwischen der Feuchtigkeit stoleran^{z von} Baumwolle (regain ootton) und der Meß anzeige. Zur Eichung wurden verschiedene feste Widerstände von bekanntem Wert anstelle der Probe angeordnet und diese in Feuohtigkeitswerte uegereohnet mittels einer Biohkurve, welohe die bekannte Beziehung zwischen Wi-

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derstand und Feuchtigkeit für Baumwolltuch wiedergibt_c Die Werte des in der Schaltung verwendeten Belastungswiderstandes wurden zunächst auf graphischem Wege unter Verwendung von Belastungekennlinien geschätzt. Bie endgültigen Werte und diejenigen der Widerstände des Spannungsteilers wurden dann aber auf empirischem Wege erhalten, indem auf Grund der Form der erhaltenen Feuchtigkeits-AnzeigekeimliBie eine sukzessive Annäherung vorgenommen wurde. Sine Berechnung der erforderlichen Werte ist zwar theoretisch möglich, jedoch äußerst kompliziert ^j und aufwendig, während es keine Mühe macht) die Widerstände auszutauschen und die Auswirkung des Austausches auf die Kennlinie zu untersuchen·

Der Kathodenfolgerkreis ist im wesentlichen ein Voltmeter mit sehr hohem Eingangswiderstand, welches die Größe der am Belastungswiderstand auftretenden Spannung nicht beeinflußt. Seine Anzeige ist im wesentlichen linear· Sein Ausgang kann je nach Wunsch einem Anzeigegerät, einem Schreibgerät oder einem Steuergerät zugeführt werden» und es kann ferner durch Filterschaltungen geleitet werden» um rasche Schwankungen« falle diese nicht erwünscht sein sollten, abzuschwächen.

Das Ausgangssignal eines derartigen Voltmeters kann in typischen Fällen bei Eingabe in ein Anzeige- oder Schreibgerät einige Milliampere und/oder bei Eingabe in eine Steueranlage etwa 10 bis 20 Volt betragen.

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Die Erfindung "beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das oben angegebene Ausführungsbeispiel* Vielmehr sind zahlreiche Abänderungen für den Fachmann leicht möglich und liegen im Rahmen der Erfindung.

- So kann z.B. anstelle eines Kathodenfolgers jede andere 'Verstärkungsvorrichtung mit einem hohen Eingangswiderstand verwendet werden, beispielsweise ein Gleichstromverstärker mit Schwingkondensator, ein Feldeffekt-Transistor od.dgl.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wurden thermionische Dioden vom Typ EB 9I verwendet. Es sind jedoch heutzutage auch Halbleiterdioden mit extrem kleinem Strom in Sperriohtung erhältlich und können selbstverständlich verwendet werden. Da Viderstandswerte über 100 Λ10. auf treten können und da der "Widerstand der Probe selbst mehrere TausendAiJX erreichen kann, wenn die Probe sehr trocken ist, muß selbstverständlich jede erdenkliche Vorsorge getroffen werden, um unerwünschte elektrische Krieohströme zu vermeiden.

Da sich bei verschiedenen Materialien eine unterschiedliche Beziehung zwischen dem Feuchtigkeit ^gehalt tind dem Widerstand ergibt, wäre es möglich} mehrere Sätise von Widerständen mit verschiedenen Widerstandsvorzusehen, 11m die gewünschte lineare Direktanzeige zu erhalten.

k-sra die Form dar Eingang-Ausgangsksnnlinie'des Feuohiigkeits-

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meßgerätes, falls gewünscht, vom normalen linearen Verlauf auch abgeändert werden} falls dies zur Anpassung an spezielle Arten von Anzeige— oder Steuergeräten erforderlich ist, um "bessere Steueroharakteristiken zu erhalten.

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Claims

!648873 Patentansprüche

1. Feuchtigkeitaraeßvorrichtung mit einer Gleichstromquelle, an deren Klemmen ein Belastungswiderstand an- Reihe mit an das zu messende Material anzulegenden Elektroden liegt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung hoher Impedanz, die auf den Spannungsabfall entweder am Belastungswiderstand oder an den Elektroden derart anspricht, daß ein elektrisches Signal zur Betätigung einer Feachtigkeitsanzeigevorrichtung und/oder einer Feuchtigkeitsregelvorrichtung für das zu messende %terial erzeugt wird, sowie durch eine Anzahl von weiteren Widerständen, die jeweils in Reihe mit einer Diode einerseits aq&ie gemeinsame Klemme des Belastungswiderstandes und der Elektroden und andererseits an eine Folge von Blinkten verschiedenen Potential zwischen dem positiven und negativen Potential der Gleichstromquelle angeschlossen sind, wobei der efektive Widerstand es Belastungswiderstandes sich in Abhängigkeit vom Widerstand des zu messenden Materials derart ändert, daß die am zu messenden Material liegende Spannung sich in der gewünschten Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Widerstände sowie die Potentiale der Folge von Punkten so gewählt sind, daß die Spannung an

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den zu messenden Material über einen festgelegten Bereich im wesentlichen linear vom Feuchtigkeitsgehalt abhängt.

3. Torrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung mit hoher Impedanz ein Voltmeter mit Eathodenfolgerschaltung ist.

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