DE19610599C2 - Feuchtesensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor zur kapazitiven Mes­ sung der in einem Material, vorzugsweise Schüttgut, enthaltenen Feuchte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Feuchtesensor ist aus der Patentschrift DE 36 12 282 bekannt und dient dazu, die Feuchte eines über eine Prall­ platte strömenden Schüttguts, das zuvor durch Abwurf auf die Prallplatte in seiner Dichte in reproduzierbarer und gleichblei­ bender Weise homogenisiert worden ist, zu messen. Der dabei verwendete Feuchtesensor ist in einem Kunststoffgehäuse mit einer Abschlußplatte untergebracht und derart an die Prallplatte befestigt, daß die Ebene der Gleitfläche der Prallplatte mit der Abschlußplatte fluchtet. Auf der dem Schüttgut abgewandten Seite der Abschlußplatte befindet sich ein Streufeldkondensator, des­ sen Kondensatorpole durch zwei konzentrische Drahtschleifen gebildet sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Drahtschleifen bildet sich zwischen den Drahtschleifen ein Streufeld aus, das die Abschlußplatte und das über die Ab­ schlußplatte strömende Schüttgut durchdringt. Hierdurch wirkt das Schüttgut bezüglich des Streufeldes als Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante im wesentlichen von der Feuchte des Schüttguts abhängt. Da die geometrischen Verhältnisse des Streu­ feldkondensators konstant bleiben, kann angenommen werden, daß Änderungen in der Feuchte annähernd proportional zu Kapazitätsänderungen des Streufeldkondensators sind. Die Auswertung dieser Kapazitätsänderungen geschieht bei dem gattungsgemäßen Feuchte­ sensor dadurch, daß der Streufeldkondensator mit einer Festkapa­ zität als Spannungsteiler verschaltet ist, wobei der Spannungs­ teiler durch eine hochfrequente Wechselspannung versorgt wird. An dem Streufeldkondensator entsteht somit eine feuchteabhängige Hochfrequenzspannung, die elektronisch weiterverarbeitet werden kann. Die Weiterverarbeitung geschieht dabei durch eine zentrale Auswerteeinheit, die mit dem Feuchtesensor über eine Verbindungs­ leitung verbunden ist.

Der Einsatz des oben beschriebenen Feuchtesensors hat sich insbe­ sondere bei der Herstellung von Transportbeton als wichtig erwie­ sen, da die Betonqualität auch entscheidend von der Einhaltung des Wasser-Zement-Werts abhängt und sich dieser Wert nur zuver­ lässig bestimmen läßt, wenn die Feuchte der Zuschlagstoffe be­ rücksichtigt wird. Besonders hohe Anforderungen an die Meßge­ nauigkeit und die Empfindlichkeit der verwendeten Feuchtesenso­ ren werden dabei bei der Dosierung mehrerer Zuschlagstoffe ge­ stellt, da die Ungenauigkeiten der einzelnen Feuchtsensoren sich dann addieren. Es hat sich gezeigt, daß in diesen Fällen die Genauigkeit und die Empfindlichkeit bekannter Feuchtesensoren nicht ausreicht, um hochwertigen Transportbeton herzustellen. Ein weiteres Problem bei dem parallelen Betrieb mehrerer Feuchte­ sensoren besteht weiterhin darin, daß die zentrale Auswerteein­ heit mitunter nicht mehr in der Lage ist, die anfallenden Daten­ mengen auszuwerten. Außerdem ist der Austausch eines einzelnen Feuchtesensors in einer parallel arbeitenden Mischanlage sehr aufwendig, da hierzu der gesamte Mischbetrieb der Anlage unter­ brochen werden muß, um den einzelnen Sensor neu zu kalibrieren.

Aus DE 33 29 025 ist ein Feuchtesensor zur kapazitiven Messung der in einem Material enthaltenen Feuchte bekannt, bei dem ein Meßkondensator aus konzentri­ schen Ringen an der Unterseite des Bodens eines Meßgehäuses angeordnet ist und ein elektrisches Streufeld erzeugt. Weiterhin ist eine Kapazitätsmeßschaltung bekannt, die ein Meßsignal in Abhängigkeit von der Kapazität des Streufeldkonden­ sators liefert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtesensor der eingangs an­ gegebenen Art zu schaffen, der die Anforderungen in Bezug auf Genauigkeit, Emp­ findlichkeit, Austauschbarkeit und Datenverarbeitung für einen parallelen Mischbe­ trieb erfüllt.

Diese Aufgabe wird mit einem Feuchtesensor mit den Merkmalen eines der An­ sprüche 1, 11 oder 18 und ein Verfahren zur Kalibrierung eines Feuchtesensors mit den Merkmalen des Anspruches 20 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhafterweise wird mindestens ein Pol des Streufeldkondensators als leitende Schicht auf der dem Mate­ rial bzw. Schüttgut abgewandten Seite der Abschlußplatte aufge­ bracht. Diese erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkennt­ nis, daß durch auf der Rückseite der Abschlußplatte dünn aufge­ brachte Schichten starke Streufelder zwischen diesen Schichten senkrecht zur Ebene der Abschlußplatte erzeugt werden können. Im Vergleich zu einem aus Drahtschleifen gebildeten Streufeldkon­ densator können hierdurch sehr viel größere Nutzsignale erzeugt werden, was zu einer höheren Empfindlichkeit und einer höheren Genauigkeit des gesamten Sensors führt.

Die Abschlußplatte ist zweckmäßigerweise eine verschleißfeste Keramikplatte, vorzugsweise bestehend aus Aluminiumoxiden. Dies hat den Vorteil, daß hierdurch sich die Standzeiten eines Feuch­ tesensors gegenüber einer Abschlußplatte aus Kunststoff erheb­ lich verlängern lassen, da es sich bei den Zuschlagstoffen übli­ cherweise um stark abrasive Materialien handelt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die leitende Schicht aus einem auf die Abschlußplatte aufgedampf­ ten Metall besteht. Die Kondensatorplatten kommen dadurch näher an das Schüttgut heran, wodurch sich ein günstigere dielektri­ sche Schichtung ergibt. In Versuchen hat sich gezeigt, daß die Schichtdicke vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,1 mm liegt, wobei die Dicke der Abschlußplatte dabei wenige Millimeter betragen sollte.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweite Pol des Streufeldkondensators mit dem Potential des Gehäu­ ses bzw. der Prallplatte verbunden ist. Hierdurch braucht nur ein Pol als leitende Schicht auf der Abschlußplatte vorgesehen werden, so daß sich deren Herstellung vereinfacht. Außerdem wirkt die leitende Schicht dabei als Polspitze gegenüber dem Potential der Prallplatte bzw. des Gehäuses, da die Prallplatte bzw. das Gehäuse als quasi unentlich großer Pol wirkt. Aus Versu­ chen hat sich ergeben, daß mit einer kreisrunden Metallschicht, deren Rand gegenüber der angrenzenden Prallplatte einen Abstand von einigen Millimetern aufweist, sich extrem große Streufelder ausbilden lassen.

Eine andere vorteilhafte Anordnung der Kondensatorpole kann allerdings auch darin bestehen, daß beide Kondensatorpole auf die Abschlußplatte aufgedampft sind. In diesem Fall sind die beiden Pole vorzugsweise kammförmig oder auch streifenförmig zueinander angeordnet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Gehäuse aus einem rostfreien Edelstahl, um so den Feuchtesensor wirksam vor Umwelteinflüssen zu schützen. Das Gehäuse weist dabei zweckmäßigerweise einen zylinderringförmigen Fortsatz auf, der stirnseitig durch die Abschlußplatte geschlos­ sen ist und der von einem Flansch gehalten wird. Der Flansch kann mit der Prallplatte durch zu der Achse des Fortsatzes paral­ lele Schrauben verbunden sein, die zur fluchtenden Einstellung der Abschlußplatte mit der Gleitfläche der Prallplatte mit Di­ stanzstücken hinterlegt werden können. Eine besonders einfache und gute Justierung des Gehäuses relativ zu der Prallplatte läßt sich auch dadurch erreichen, daß statt des Flansches ein Spann­ ring vorgesehen ist. Der Spannring ist dabei zweckmäßigerweise mit einem radialen Schlitz versehen und kann mit einer Spannschraube senkrecht zum Schlitz mit dem Gehäuse verspannt werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der obengenannten Aufgabe, für die selbständiger Schutz beansprucht wird, besteht darin, daß eine digitale Recheneinheit in dem Gehäuse angeordnet ist, die eine in einem digitalen Speicher abgelegte Kalibriertabelle zur Ermittlung von Feuchtewerten in Abhängigkeit von den Meß­ signalen der Kapazitätsmeßschaltung und von auf den Feuchtesen­ sor einwirkenden Störgrößen aufweist. Der besondere Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß der Feuchtesensor unabhän­ gig von einer zentralen Auswerteeinheit betrieben und kalibriert werden kann. Hierdurch ist es möglich, daß der Feuchtesensor bereits vor Inbetriebnahme kalibriert wird und somit gegen einen defekten Feuchtesensor ohne aufwendige Kalibriermaßnahmen vor Ort ausgetauscht werden kann. Außerdem kann durch die digitale Recheneinheit bereits eine Datenkomprimierung im Feuchtesensor stattfinden, so daß die zu der zentralen Auswerteeinheit zu übertragenden Datenmengen erheblich reduziert werden können.

Um eine Grundkalibrierung des Feuchtesensors vornehmen zu kön­ nen, weist die Kalibriertabelle weitere Eingangsparameter auf, die aus den auf den Sensor wirkenden Störgrößen bestehen. Die wesentlichen Störgrößen sind dabei die Temperatur des Schüttguts und die Temperatur der Kapazitätsmeßschaltung, die ein Meßsignal in Abhängigkeit von der Kapazität des Streufeldkondensators liefert. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es deshalb vorgesehen, daß die auf der Kapazitätsmeßschaltung vorherrschen­ de Temperatur mit einem ersten Temperatursensor meßbar ist, wobei die Temperatur der Kapazitätsmeßschaltung ein weiterer Eingangsparameter der Kalibriertabelle ist. Zweckmäßigerweise ist außerdem ein zweiter Temperatursensor vorgesehen, der die auf der Abschlußplatte vorherrschende Temperatur mißt, wobei die Temperatur der Abschlußplatte bzw. des Schüttguts ein weiterer Eingangsparameter der Kalibriertabelle ist.

Eine weitere zu berücksichtigende Störgröße sind Dichtestörungen des zu messenden Schüttguts, die sich aufgrund der Feuchtigkeit selbst ergeben. Als Beispiel hierfür ist das Anrühren eines Gipspulvers zu nennen, dessen Volumen schwindet, sobald dieses mit Wasser angerührt wird. Die Dichtestörungen sind materialspe­ zifisch und ändern sich mit der Art des Schüttguts bzw. Mate­ rials. Um diese Störeinflüsse materialspezifisch berücksichtigen zu können, ist vorgesehen, daß die feuchtespezifische Dichte des Materials bzw. des Schüttguts vor dem Meßvorgang einmalig be­ stimmbar oder während des Meßvorgangs fortlaufend ermittelbar ist, wobei die feuchtespezifische Dichte des Materials bzw. des Schüttguts ein weiterer Eingangsparameter der Kalibriertabelle ist. Zweckmäßigerweise werden in die Recheneinheit Standardwerte üblicher Schüttgutsorten eingespeist, so daß entsprechend der Schüttgutqualität ein bestimmter zugehöriger Wert als Eingangspa­ rameter in die Kalibriertabelle eingehen kann.

Um die auf der Kapazitätsmeßschaltung vorherrschende Temperatur in geeigneter Weise messen zu können, ist die Kapazitätsmeßschal­ tung zweckmäßigerweise auf einem Hybridschaltkreis mit einem gut wärmeleitfähigen Substrat aufgebracht. Als Substrat kann zum Beispiel Aluminiumoxid verwendet werden, das eine gute Tempera­ turleitfähigkeit besitzt, wodurch ein guter Temperaturübergang zwischen den temperaturabhängigen Halbleiterbauelementen und dem ersten Temperatursensor herstellbar ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Recheneinheit über eine Busleitung mit der zentra­ len Auswerteeinheit verbunden ist, wobei die zentrale Auswerte­ einheit der Recheneinheit des Feuchtesensors Startbefehle er­ teilt und die ermittelten Feuchtewerte abruft. Um den Leitungsaufwand gering halten zu können, ist zweckmäßigerweise eine serielle Busleitung vorgesehen. Bei der Verwendung mehrerer Feuchtesensoren ist die zentrale Auswerteeinheit zweckmäßigerwei­ se über die Busleitung mit den digitalen Recheneinheiten der einzelnen Feuchtesensoren verbunden, so daß ein paralleler Misch­ betrieb mit mehreren Feuchtesensoren bei geringem Aufwand für die zu übertragenden Daten und die zu verlegenden Leitungen möglich ist. Beispielsweise können an die Busleitung bis zu 16 Feuchtesensoren angechlossen sein.

Zweckmäßigerweise führt die in dem Feuchtesensor angeordnete digitale Recheneinheit eine Mittelung mehrerer Messungen durch, bevor ein Feuchtewert an die zentrale Auswerteeinheit übergeben wird. Befindet sich ein Feuchtesensor dabei unter einem Zu­ schlagsilo mit einem Grobauslauf und einem Feinauslauf, so wer­ den zweckmäßigerweise die jeweiligen Feuchtemeßwerte entspre­ chend der Stellung des Grobauslaufs und des Feinauslaufs gewich­ tet. Da der Feinauslauf nach dem Schließen des Grobauslaufs lediglich zur Feindosierung dient, ist es zweckmäßig, die Meßwer­ te während des Feinauslaufs geringer als die Meßwerte während des Grobauslaufs zu wichten. Die Feindosierung kann auch dadurch geschehen, daß nur eine Auslaufklappe vorhanden ist, die zur Grobdosierung voll geöffnet und bei der Feindosierung nur zum Teil geöffnet ist. Wenn von der Grobdosierung auf die Feindosie­ rung umgeschaltet wird, wird mit einer neuen Mittelwertbildung begonnen, so daß am Ende des Dosiervorgangs zwei Meßwerte von dem Feuchtesensor an die zentrale Auswerteeinheit übergeben werden. Der Definitionsbereich für die Meßwerte kann der digita­ len Recheneinheit übergeben werden. Auf diese Weise können nicht relevante Werte oder Störspitzen ausgeblendet werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der obengenannten Aufgabe, für die selbständiger Schutz beansprucht wird, besteht darin, daß die Kapazitätsmeßschaltung eine Amplitudenstabilisierung derart aufweist, daß die Spannung an dem Streufeldkondensator über die Zeit konstant ist. Diese erfindungsgemäße Lösung trägt dem Umstand Rechnung, daß auch der Leitwert des Materials bzw. des Schüttguts als Störgröße in die Messung eingeht. Im elektri­ schen Ersatzschaltbild äußert sich dieser Leitwert als ein zum Streufeldkondensator parallel geschalteter Wirkwiderstand. Wird nun aber die Spannung am Streufeldkondensator durch eine Amplitu­ denstabilisierung in der Kapazitätsmeßschaltung konstant gehal­ ten, so hat der Leitwert des Materials bzw. des Schüttguts nur noch einen vernachlässigbaren Einfluß. Um eine Amplitudenstabili­ sierung einzusetzen, wird als Kapazitätsmeßschaltung zweckmäßi­ gerweise ein Schwingkreis verwendet, dessen Frequenz ein Maß für die Kapazität des Streufeldkondensators ist. Beispielsweise kann der Streufeldkondensator zu einer Spule parallel geschaltet sein, wobei die an dem Schwingkreis anliegende Spannung durch einen Verstärker entdämpft wird. In dieser Anordnung kann die an dem Schwingkreis bzw. an dem Streufeldkondensator anliegende Spannung durch eine Amplitudenstabilisierung konstant gehalten werden, so daß Änderungen des Leitwerts des Schüttguts bzw. des Materials sich nur in vernachlässigbarer Weise auf die Resonanz­ frequenz des Schwingkreises auswirken.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der obengenannten Aufgabe, für die selbständiger Schutz beansprucht wird, besteht in einem Verfahren zur Kalibrierung des Feuchtesensors vor dessen Inbe­ triebnahme. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Materialprobe mit bekannten dielektrischen Eigenschaften vor der Abschlußplatte des Feuchtesensors befestigt. Der Feuchte­ sensor wird sodann auf die niedrigste zulässige Betriebstempera­ tur abgekühlt und sodann auf die höchste zulässige Betriebstempe­ ratur aufgeheizt. Während des Aufheizenz wird eine Kalibrierta­ belle in Abhängigkeit der Meßsignale der Kapazitätsmeßschaltung und/oder des ersten Temperatursensors und/oder des zweiten Tempe­ ratursensors und/oder weiterer Eingangsparameter erstellt, wobei die Werte in einem nichtflüchtigen Speicher der digitalen Rechen­ einheit abgelegt werden.

Der erfindungsgemäße Feuchtesenor wird somit einheitlich nach einem gemeinsamen Verfahren vor dessen Inbetriebnahme kali­ briert. Hierdurch ist es insbesondere möglich, daß ein Feuchte­ sensor nach dessen Ausfall oder nach einem Verschleiß durch einen gleichartigen Feuchtesensor ersetzt werden kann, ohne daß die gesamte Anlage neu kalibriert oder justiert werden muß. Außerdem läßt sich auf diese Weise auch eine Steigerung der Meßgenauigkeit erreichen, da die Kalibrierung unter reproduzier­ baren Laborbedingungen erfolgen kann.

Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Aufheizvorgang in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz des ersten und des zweiten Temperatursensors gesteuert wird. Insbesondere kann das Aufheizen derart erfolgen, daß die Temperaturdifferenz des ersten und des zweiten Tempera­ tursensors stets konstant ist. Hierdurch läßt sich erreichen, daß der Temperaturanstieg innerhalb des Gehäuses und insbesonde­ re an der Kapazitätsmeßschaltung linear erfolgt. Dies hat wiede­ rum den Vorteil, daß eine Abtastung der Werte für die Kalibrier­ tabelle auf der gleichen Zeitbasis erfolgen kann, da aufgrund des linearen Temperaturanstiegs eine ungleichmäßige Änderung von Abtastwerten nicht berücksichtigt werden muß.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Abschlußplatte mit aufgedampfter Metallschicht eines Feuchtesensors,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Feuchtesensors mit Flansch,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer unter einem Zu­ schlagsilo angeordneten Prallplatte mit Feuchtesensor,

Fig. 4 eine schematische Darstellung von mehreren in Prallplat­ ten angeordneten Feuchtesensoren, die durch eine gemein­ same Busleitung mit einem zentralen Auswertegerät ver­ bunden sind,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Recheneinheit eines Feuchtesen­ sors und

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Kalibriervorrichtung für einen Feuchtesensor.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht einer Abschlußplatte 1 eines Feuchte­ sensors. Die Abschlußplatte 1 besteht aus einer Aluminiumoxid-Ke­ ramik und ist kreisrund ausgeführt. Konzentrisch dazu ist auf der dem Material bzw. Schüttgut abgewandten Seite eine Metall­ schicht 2 aufgedampft. Die Metallschicht 2 bildet dabei einen Pol des Kondensators, während der andere Pol durch das umgebende Gehäuse oder eine in der Ebene der Abschlußplatte liegende Prall­ platte gebildet wird. Durch Versuche wurde herausgefunden, daß die Dicke der Abschlußplatte 1 sehr viel kleiner sein muß als der Abstand d zwischen dem äußeren Rand der Metallschicht 2 und dem äußeren Rand der Abschlußplatte 1.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Feuchtesensors 6. Das Gehäuse 3 des Feuchtesensors 6 wird durch einen Flansch 4 gehalten, der beispielsweise gegenüber einer Prallplat­ te verschraubt werden kann. Oberhalb des Flansches 4 befindet sich ein zylinderringförmiger Fortsatz 7, der durch die in Fig. 1 abgebildete Abschlußplatte 1 stirnseitig geschlossen ist. Die mit der Metallschicht 2 versehene Seite der Abschlußplatte 1 zeigt dabei in das innere des Gehäuses 3. Unterhalb des Flan­ sches ist ein Kabeleinlaß 5 vorgesehen. Das Gehäuse 3, der Flansch 4 und der zylinderförmige Fortsatz 7 bestehen aus rost­ freiem Edelstahl.

Fig. 3 zeigt den Einbau eines Feuchtesensors 6 in eine Prallplat­ te 10. Die Prallplatte 10 befindet sich unter der Ausströmöff­ nung eines Zuschlagsilos 12. Die Ausströmöffnung des Zuschlagsi­ los 12 kann durch einen schwenkbaren Schieber 13 geöffnet und geschlossen werden, der über einen hydraulischen Stellzylinder 14 automatisch betätigt werden kann. Das aus der Öffnung des Silos austretende Schüttgut 15 trifft auf die Prallplatte 10 und wird von dieser in Richtung des Feuchtesensors 6 abgelenkt. Durch die Ablenkung bildet sich auf der Prallplatte 10 ein glei­ tender Gutstrom 16 mit reproduzierbarer Dichte und Geschwindig­ keit aus. Der Feuchtesensor 6 ist so montiert, daß die Abschluß­ platte 1 in einer Ebene der Prallplatte 10 montiert ist, so daß das von dem Feuchtesensor 6 erzeugte elektrische Streufeld 11 den gleitenden Gutstrom 16 durchdringen kann. Durch diese Anord­ nung kann die Volumenfeuchte in dem Schüttgut bestimmt werden. Da in dem gleitenden Gutstrom 16 weiterhin die Materialdichte annähernd konstant ist, ist die gemessene Volumenfeuchte propor­ tional zu der Gewichstfeuchte des Schüttguts. Die somit bestimm­ te Gewichtsfeuchte kann nun zur Berechnung einer Feuchtekorrek­ tur zwischen Zuschlagstoff und Wasser herangezogen werden. Diese Korrektur findet in einem nicht näher dargestellten Wiegebehäl­ ter statt, in den das Schüttgut 15 in Richtung des Pfeils 17 weitergeleitet wird.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von mehreren in Prall­ platten 10 angeordneten Feuchtesensoren 6, die parallel betrie­ ben werden. Die Feuchtesensoren sind durch eine gemeinsame Bus­ leitung 20 mit einer zentralen Auswerteeinheit 21 verbunden. Von jedem Feuchtesensor 6 zur Busleitung 20 führt ein Verbindungska­ bel 22, das an der Steckerbuchse 5 des Feuchtesensors 6 ange­ schlossen ist. Um den Leitungsaufwand gering zu halten, findet eine serielle Datenübertragung auf der Busleitung statt. Hierzu werden in der Busleitung 20 bzw. in dem Verbindungskabel 22 zwei Datenleitungen benötigt, außerdem wird durch zwei zusätzliche Leitungen der Feuchtesensor 6 mit Spannung versorgt.

Zur Durchführung einer Messung übermittelt die zentrale Auswerte­ einheit 21 einen Startauftrag an den jeweiligen Feuchtesensor 6, dem eine entsprechende Adresse zugeordnet ist. Daraufhin startet die in dem Feuchtesensor angeordnete Recheneinheit eine Messung, wobei mehrere Meßwerte über die Zeit gemittelt werden. Ist die Messung abgeschlossen, wird der berechnete Feuchtewert an die zentrale Auswerteeinheit 21 als Ergebnis übergeben. Zusätzlich zum Feuchtewert können selbstverständlich auch weitere, bereits im Sensor aufbereitete Daten übertragen werden, wie zum Beispiel Temperaturen, Mittelwerte, Fehlermeldungen oder Meßstatus. Fer­ ner kann der Startauftrag der zentralen Auswerteeinheit auch weitere Informationen enthalten, so daß die Messung gegebenen­ falls parametriert durchgeführt werden kann.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Recheneinheit und den daran angeschlossenen Komponenten eines Feuchtesensors. Der Streufeld­ kondensator 27 wird durch einen gehäuseseitigen Pol 28 und einen sensorseitigen Pol 29 gebildet. Der gehäuseseitge Pol 28 wird durch das Gehäuse 3 bzw. die daran anschließende Prallplatte 10 gebildet und ist elektrisch mit Masse verbunden. Der sensorseiti­ ge Pol 29 ist mit der aufgedampften Metallschicht 2 verbunden. Beim Anlegen einer Spannung zwischen den Polen 28 und 29 bildet sich ein Streufeld des Streufeldkondensators 27 aus, wobei die Kapazitätsänderungen des Streufeldkondensators 27 aufgrund Feuch­ teänderungen des gleitenden Gutstroms 16 durch die Kapazitätsmeß­ schaltung 30 ausgewertet werden. Parallel zu dem Streufeldkonden­ sator 27 ist ein Schwingkreis 32 bestehend aus einer Spule und einem weiteren Kondensator geschaltet. Der Schwingkreis 32 wird durch den Verstärker 33 entdämpft und schwingt auf dessen Reso­ nanzfrequenz im Megahertzbereich. Die Amplitudenstabilisierung 31 hält dabei die Spannung am Streufeldkondensator 27 konstant. Hierdurch wird zum einen sichergestellt, daß der Verstärker 33 nicht übersteuert, zum anderen kann damit aber wirkungsvoll der Einfluß verschiedenen Leitfähigkeiten des Schüttguts unterdrückt werden. Dies erklärt sich dadurch, daß die Leitfähigkeit des Schüttguts elektrisch gesehen einen Wirkwiderstand parallel zum Streufeldkondensator 27 darstellt, dessen Widerstandsänderung dann zu vernachlässigen ist, wenn die Spannung am Streufeldkon­ densator durch die Amplitudenstabilisierung 31 konstant gehalten wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird einem Synchronzäh­ ler 34 zugeführt. Zur Steuerung des gesamten Auswertevorgangs ist ein Mikrocontroller 36 vorgesehen, dem über einen Multiple­ xer 40 und einen AD-Wandler 43 mehrere Meßsignale zugeführt werden können. Weiterhin weist der Mikrocontroller 36 eine Schnittstelle zu einem Schnittstellenbaustein 44 auf, an dem das Verbindungskabel 22 angeschlossen werden kann. An dem Bus 35 des Mikrocontrollers ist der Synchronzähler 34 sowie ein Eprom 37 angeschlossen.

Als Eingangssignale des Multiplexers 40 dienen die Meßsignale eines ersten Temperatursensors 38, eines zweiten Temperatursen­ sors 39, einer Referenzspannungsquelle 41 und weiterer Meßsignale 42. Der erste Temperatursensor 38 mißt die Temperatur auf der Kapazitätsmeßschaltung 30, wobei die Kapazitätsmeßschaltung als Hybridschaltkreis realisiert ist. Als Substrat des Hybridschalt­ kreises wird ein Aluminiumoxid verwendet, durch dessen gute Wärmeleitfähigkeit eine zuverlässige Temperaturmessung des er­ sten Temperatursensors 38 gewährleistet ist. Der zweite Tempera­ tursensor ist an der Abschlußplatte 1 angebracht und mißt die Temperatur der Abschlußplatte bzw. des auf der Abschlußplatte gleitenden Schüttguts. Über den Anschluß 42 können von dem Multi­ plexer 40 weitere Meßsignale, wie zum Beispiel die feuchtigkeits­ spezifische Dichte eines Schüttguts, eingelesen werden. Der Multiplexer 40 wird von dem Mikrocontroller 36 getaktet und führt das jeweilige Multiplex-Signal einem AD-Wandler 43 zu, dessen digitaler Ausgangswert von dem Mikrocontroller 36 eingele­ sen wird.

Erhält der Mikrocontroller 36 über das Verbindungskabel 22 von der zentralen Auswerteeinheit 21 den Startbefehl für einen Meß­ auftrag, so wird der Zählerstand des Synchronzählers 34 über den Bus 35 auf Null gesetzt. Das Taktsignal des Verstärkers 33 be­ wirkt sodann ein Hochzählen des Synchronzählers 34, wobei der Zählerstand des Synchronzählers 34 die Anzahl der Resonanzschwin­ gungen des Schwingkreises 32 über eine gewisse Zeit darstellt. Nach einer vorgegebenen Zeit, die über einen in dem Mikrocontrol­ ler 36 integrierten Timer ermittelt wird, wird der Synchronzäh­ ler 34 durch den Mikrocontroller 36 über den Bus 35 ausgelesen. Aus dem Zählerstand und der abgelaufenen Zeit kann die Frequenz des Schwingkreises 32 ermittelt werden, die ein Maß für die Kapazitätsänderung des Streufeldkondensators 27 ist. Zusammen mit den über den Multiplexer 40 eingelesenen Meßsignalen dient die errechnete Frequenz nun als Eingangsparameter für eine Kali­ briertabelle, die vorher von dem Mikrocontroller aus dem Eprom 37 in dessen Arbeitsspeicher geladen wurde. Ausgangswert der Kalibriertabelle ist ein bestimmter Feuchtewert, der als Ergeb­ nis von dem Mikrocontroller 36 über den Schnittstellenbaustein 44 und das Verbindungskabel 22 an die zentrale Auswerteeinheit 21 weitergeleitet wird. Gegebenenfalls kann auch eine Mittelung über mehrere Meßwerte erfolgen, bevor eine Meßwertübertragung zu der zentralen Auswerteeinheit 21 stattfindet.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine Kalibriervorrichtung für einen Feuchtesensor zum Erstellen einer in dem Eprom 37 abzuspei­ chernden Kalibriertabelle. Hierzu wird der Feuchtesensor 6 vor dessen Inbetriebnahme mittels eines Schnellspanners 60 auf einem Metallgehäuse 61 befestigt. Die Abschlußplatte 1 des Feuchtesen­ sors liegt dabei auf einer Materialprobe mit bekannten dielektri­ schen Eigenschaften auf. Aufgrund der bekannten dielektrischen Eigenschaften der Materialprobe kann die Kalibriertabelle in Abhänigkeit der bei dem Mulitplexer 40 eingehenden Meßsignale erstellt werden. Hierzu wird der auf dem Metallgehäuse 21 festge­ spannte Feuchtesensor zunächst auf die niedrigste zulässige Betriebstemperatur abgekühlt, also beispielsweise auf -10°. Sodann erfolgt eine Aufheizung des Feuchtesensors auf die höch­ ste zulässige Betriebstemperatur, die beispielsweise 80° be­ trägt. Die Aufheizung erfolgt dabei mittels einer Heizplatte 63, die unter der Materialprobe 62 angebracht ist. Beim Durchfahren dieser Temperaturspanne werden nun in Abhängigkeit der Meßsigna­ le des ersten Temperatursensors 38, des zweiten Temperatursen­ sors 39 sowie weiterer Meßsignale Kalibrierwerte für eine be­ stimmte Feuchte bei gegebener Frequenz des Schwingkreises 32 abgespeichert. Die derart erstellte Kalibriertabelle wird zusam­ men mit dem Steuerprogramm des Mikrocontrollers in dem Eprom 37 abgelegt, dessen Inhalt beim Hochlauf des Mikrocontrollers in dessen Arbeitsspeicher geladen wird.

Wird während des Aufheizvorgangs die Heizung 63 stets mit maxima­ ler Leistung betrieben, so steigt die Temperatur im Inneren des Feuchtesensors 6 exponentiell an und nähert sich immer langsamer dem Endwert. Ein derartiger Temperaturanstieg hat den Nachteil, daß am Anfang des Temperaturanstiegs eine schnelle Abtastung der Meßwerte aufgrund der starken Änderungen erfolgen muß, während zum Ende des Meßvorgangs hin sich die Meßwerte nur langsam än­ dern und somit bei gleicher Abtastrate unnötig viele Meßpunkte aufgenommen werden. Deshalb kann es besonders vorteilhaft sein, die Heizung mit einer zusätzlichen Regelung zu versehen, die sicherstellt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor konstant bleibt. Da der erste Temperatursensor sich im inneren des Gehäuses 3 des Feuchtesen­ sors 6 befindet, während der zweite Temperatursensor am Gehäuse selber befestigt ist, wird durch die konstante Temperaturdiffe­ renz zwischen beiden Temperatursensoren ein konstanter Wärme­ strom vom Äußeren des Gehäuses in das Innere sichergestellt. Hierdurch erfolgt auch ein annähernd konstanter Temperaturan­ stieg im Inneren des Gehäuses, der eine wesentlich bessere Auf­ nahme der Kalibrierwerte ermöglicht.

Claims (21)

1. Feuchtesensor zur kapazitiven Messung der in einem Material, vorzugsweise Schüttgut, enthaltenen Feuchte,
mit einem Gehäuse, das eine nichtleitende Abschlußplatte aufweist, deren Außenseite auf das Material bzw. Schüttgut gerichtet ist oder über die sich das Material bewegt,
mit einem durch zwei Pole gebildeten Streufeldkondensator zur Erzeugung eines elektrischen Streufeldes, dessen Feldlinien die Abschlußplatte und das Material durchdringen, und
mit einer Kapazitätsmeßschaltung, die ein Meßsignal in Abhängigkeit von der Kapazität des Streufeldkondensators liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Pol des Streufeldkondensators mit Erdpotential verbunden ist.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Erdpotential verbundene Pol des Streufeldkondensators als quasi unendliche Fläche das Bezugspotential darstellt und mit dem Potential des Gehäuses und/oder mit dem Potential einer Halterung des Gehäuses verbunden ist, und daß der andere Pol auf der dem Material- bzw. dem Schüttgut abgewandten Seite der Abschlußplatte derart aufgebracht ist, daß dieser als Polspitze ge­ genüber dem Gehäuse und/oder der Halterung des Gehäuses wirkt.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens ein Pol des Streufeldkondensators als leitende Schicht auf der dem Material abgewandten Seite der Abschlußplatte aufgebracht ist.

4. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte eine verschleißfeste Keramikplatte, vorzugsweise be­ stehend aus Aluminiumoxiden, ist.

5. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht aus einem auf die Abschlußplatte aufgedampften Metall besteht.

6. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Pole des Streufeldkondensators aus einer leitenden Schicht beste­ hen, wobei die beiden Pole kammförmig und/oder streifenförmig zueinander angeordnet sind.

7. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem rostfreien Edelstahl besteht.

8. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen zylinderringförmigen Fortsatz aufweist, der stirnseitig durch die Abschlußplatte geschlossen ist und der von einem Flansch gehalten ist.

9. Feuchtesensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch als Spannring ausgebildet ist.

10. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte in einer Ebene einer Prallplatte montiert ist, über die Schüttgut strömt.

11. Feuchtesensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Recheneinheit in dem Gehäuse angeordnet ist, die eine in einem digitalen Speicher angelegten Kalibriertabelle zur Ermittlung von Feuchtewerten in Abhängigkeit von den Meßsignalen der Kapazitätsmeß­ schaltung und von auf den Feuchtesensor einwirkenden Störgrößen aufweist.

12. Feuchtesensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Kapazitätsmeßschaltung vorherrschende Temperatur mit einem ersten Tem­ peratursensor meßbar ist, wobei die Temperatur der Kapazitätsmeßschaltung ein weiterer Eingangsparameter der Kalibriertabelle ist.

13. Feuchtesensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazi­ tätsmeßschaltung auf einem Hybridschaltkreis mit einem gut wärmeleitfähigen Substrat aufgebracht ist und daß der erste Temperatursensor die Temperatur des Substrats mißt.

14. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die auf der Abschlußplatte vorherrschende Temperatur mit einem zweiten Temperatursensor meßbar ist, wobei die Temperatur der Abschluß­ platte ein weiterer Eingangsparameter der Kalibriertabelle ist.

15. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kalibriertabelle derart ausgestaltet ist, daß die feuchtespezifische Dichte des Materials einen weiteren Eingangsparameter darstellen kann, wenn die feuchtespezifische Dichte des Materials vor dem Meßvorgang ein­ malig bestimmbar und während des Meßvorgangs fortlaufend ermittelbar ist.

16. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Recheneinheit über eine Busleitung mit einer zentralen Auswer­ teeinheit verbunden ist, die der Recheneinheit des Feuchtesensors Startbe­ fehle erteilt und die ermittelten Feuchtewerte abruft.

17. Feuchtesensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Auswerteeinheit über die Busleitung mit den Recheneinheiten mehrerer Feuchtesensoren verbunden ist.

18. Feuchtesensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsmeßschaltung eine Amplitudenstabilisierung aufweist, die schwankende dielektrische Verluste, welche den Schwingkreis mehr oder we­ niger dämpfen, durch Energiezufuhr ausgleicht.

19. Feuchtesensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazi­ tätsmeßschaltung ein Schwingkreis ist, aus dessen Resonanzfrequenz eine digitale Recheneinheit, welche vorzugsweise bereits in dem Gehäuse ange­ ordnet ist, die Kapazität des Streufeldkondensators berechnet.

20. Verfahren zur Kalibrierung des Feuchtesensors nach einem der Ansprüche 12 bis 17, vor dessen Inbetriebnahme, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) eine Materialprobe mit bekannten dielektrischen Eigenschaften wird vor der Abschlußplatte des Feuchtesensors befestigt.
• b) der Feuchtesensor wird auf die niedrigste zulässige Betriebstemperatur abgekühlt,
• c) nach Erreichen der niedrigsten zulässigen Betriebstemperatur wird der Feuchtesensor auf die höchste zulässige Betriebstemperatur aufgeheizt, und
• d) während des Aufheizens wird eine Tabelle mit Korrekturwerten zur Tem­ peraturkompensation der Meßsignale der Kapazitätsmeßschaltung in Abhängigkeit des ersten Temperatursensors und/oder des zweiten Tem­ peratursensors erstellt und in einem nicht flüchtigen Speicher der digita­ len Recheneinheit abgelegt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, insoweit sich dieser direkt oder indirekt auf die Kalibrierung eines Feuchtesensors nach Anspruch 14 bezieht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Aufheizvorgang in Abhängigkeit von der Temperatur­ differenz des ersten und des zweiten Temperatursensors gesteuert wird.