DE2146926C3 - Einrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von schüttbaren und harten Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von schüitbaren und harten Stoffen auf Grund von Änderungen des Pegels der einen zu prüfenden derartigen Stoff durchdringenden elektromagnetischen Mikrowellen, mit einem Mikrowellengenerator und mit einem von diesem gespeisten Meßkreis, bestehend aus Hohlleiter, Sende- und Empfangsantenne, einem Richikoppier und einer Anzeigeeinrichtung.

Als schüttbare und harte Stoffe kommen insbesondere Sandzucker. Zement, Getreide, Kautschuk. Sperrhol/ und Holzbretter in Frage.

F.s sind Verfahren zur Messung der Feuchtigkeit von schüitburen und harten Stoffen bekannt (vgl. zum Beispiel die Monographie von M. A. B e r 1 i η e r »Elektrische Messungen, automatische Kontrolle und Regelung +0 der Feuchtigkeit«. 1965, Moskau-Leningrad. S. 154 bis 163). bei denen die Feuchtigkeit der zu prüfenden schüttbaren oder harten Stoffe an Änderungen des Pegels der diese Stoffe durchdringenden elektromagnetischen Mikrowellen je nach der Dielektrizitätskonstante dieser Stoffe erkannt wird, wobei als Kriterium der Dielektrizitätskonstante die Dämpfungskurve benutzt wird.

Bekannt sind auch Einrichtungen zur Messung der Feuchtigkeit von schüttbaren und harten Stoffen, die »ur Durchführung der erwähnten Verfahren dienen. Bei diesen Einrichtungen gelangen die von einem Mikrowellen-Generator erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen von einer Sendeantenne durch den zu prüfenden schüttbaren oder harten Stoff über eine Empfangsantenne zu einer Registriereinrichtung.

In diesen Einrichtungen zur Messung der Feuchtigkeit von schüttbaren und harten Stoffen verwendet man einen Klystrongenerator mit an sich bekannter innerer positiver Kopplung (vgl. St. F. Adam »Microwave Theory and Applicantions, 1969, S. 114).

Diese Einrichtungen weisen aber ».ifie geringe Empfindlichkeit in bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt der zu prüfenden Stoffe auf, da in ihnen nur der Einfluß der durch die Dielektrizitätskonstante des zu prüfenden Stoffes bedingten Dämpfung auf die Änderung des Pegels der elektromagnetischen Mikrowellen bei ihrem Durchgang durch den Stoff und bei Änderungen der Feuchtigkeit dieses Stoffes ausgenutzt wir*J. Deswegen h-ibcn die erwähnten Einrichtungen bei Feuchtigkeit«· messuneen von Stoffen ein geringes Auflösungsvermögen und eine relativ hochliegende untere Grenze des Feuchtigkeitsmeßbereichs.

Außerdem sind die Meßergebnisse bei diesen Einrichtungen stark von der Temperatur des /u prüfenden Stoffes abhängig. . .

Fs ist auch eine Einrichtung zur Feuchtigkeitsmessung mit Mikrowellen bekannt (vgl. US-PS 3 553 571). bei der in die Nähe eines Schlitzes eines von einem Mikrowellengenerator gespeisten Wellenleiters körniges Material mit hoher Dielektrizitätskonstante und hohen dielektrischen Verlusten bei Feuchtigkeitsgehalt gebracht wird. In dem Wellenleiter bildet sich eine stehende Welle aus. wobei durch Anordnen einer Spannungsmeßsonde am richtigen Ort entlang der stehenden Welle derjenige Anteil des Ausgangssignals der Spannungsmeßsonde, der eine Funktion von Phasenverschiebungen infolge Änderung der n.nlekfrmtäi,-konstanten mit dem Feuchtigkeitsgehalt ist, so gewählt werden kann, daß im wesentlichen der Einfluß quadratischer Effekte in Form von Leistungsvcrlusten auf das Ausgangssignal der .Spannungsmeßsonde zum Verschwinden gebracht wird, so daß die resultierende Spannung eine lineare Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehalts von der Ausgangssignalspannung zeigt.

Ferner wurde eine Vlikroweilenbrücke bekannt (vy| US-PS 2 798 197). durch die die komplexe Dielektrizitätskonstante eines Sirömungsmittels in einem Ruhr gemessen wird, d.h. t = mk(l - j tan Λ), mit t -Dielcktriziliitskonsiantc des zu untersuchenden Stoffs: to= Dielektrizitätskonstante im Vakuum: k = relative Dielektrizitätskonstante des Stoffs; und tan Λ = Tangens des Verlustwinkels.

Da die Größe tan ό eine Amplituden- oder Dämpfungsverstimmung der Brücke verursacht, während k mit der Phasenverstimmung verknöpft ist, die durch Abnahme der Wellengeschwindigkeit der Mikrowellen im Stoff bedingt ist, werden zur Messung dieser Wen unabhängig voneinander die Amplituden- und die Phasenverstimmung der Brücke kompensiert, so daß die Null-Anzeigen der Brücke den wirklichen Wert der Dielektrizitätskonstante angeben.

Bei einer anderen bekannten Einrichtung zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts mittels Mikrowellen (vgl. GB-PS 1 193 577) ist ein Mikrowellengenerator an eine abgestimmte Brücke angeschlossen, die mit zwei seitlichen Ausgängen ein Kompensationsnce^-Ork bzw. eine Mikrowellenantenne speist, die ihrerseits einen vor einem Metallreflektor angeordneten Prüfling durchstrahlt, so daß die Antenne die zurückgestrahlten Mikrowellen zur Brücke zurückleitct. Da auch das Kompensationsnetzwcrk ein reflektierendes Bauelement zur Änderung der Phase der ankommenden Welle aufweist, überlagern sich also im Ergebnis zwei reflektierte Signale in der Brücke, von denen das eine, nämlich das vom Kompensationsnetzwerk stammende, das Bczugssignal ist, während das andere, nämlich das vom Reflektor stammende, ein Signal ist, dessen Amplituden- und Phasenparameter mit den elektromagnetischen Eigenschaften des Prüflings verknüpft sind, die ihrerseits von dessen Wassergehalt abhängen. Ein dritter, für das aus der Überlagerung resultierende Signal vorgesehener Ausgang der Brücke ist über einen Abschwächer an eine Anzeigeeinrichtung angeschlossen.

Schließlich ist nicht mehr neu (vgl. DT-OS 1 804 874) eine Feuchtemeßeinrichtung mit einem Mikrowellen-

generator, dessen Mikrowellen über cine Sende- und eine Empfnngsantenne durch den Prüfling /u einer Anzeigeeinrichtung gelangen Genauer gesagt, ein vom Mikrowellengenerator ausgehender Wellenleiter ist Ober einen Richtungskoppler an einen weiteren WcI-lenleiter angeschlossen, der mit seinem einen Ende Ober einen Phasenschieber an die Sendeantenne und mit seinem anderen Ende an die Empfangsantenne angeschlossen ist; ein weiterer Richtungskoppler verbindet die Empffingsantenne mit der Anzeigeeinrichtung.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Feuchtemeßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine genaue, äußerst empfindliche Feuchtemessung, d. h. von hundertstein Gewichtsprozent, gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Mikrowellengenerator über den Meßkreis positiv rückgekoppelt ist und daß im Meßkreis ein frequenzbestimmendes Bandfilter angeordnet ist.

Bei praktisch erprobten Ausführungsbcispielen der erfindungsgemäßen Einrichtung konnte die untere Grenze des Feuchtemeßbereichs beträchtlich gesenkt und damit die Feuchtemeßgenauigkeit be'-ächtlich erhöht werden. So betrug z. B. die untere Meßgrenze 0,005 % und im Feuchtemeßbereich von 0.005 ¹Vo bis 1 % betrug die Meßgenauigkeit 0.5 ⁿ/o der oberen Grenze.

Demgegenüber ist es lediglich noch bekannt (vgl. Winfried Lück, Feuchtigkeit. 1964. S. 221, Nr. 5 und S 22b), eine für niedrigere Frequenzbereiche bestimmte Schwingeinsatzschaltung mittels I landabgleich zur Einzelmessung kleiner feuchteabhängiger Kapazitäten und damit der Feuchte selbst zu verwenden, wobei die Rückkopplungsbedingung des rückgekoppelten Verstärkers bzw. Oszillators durch die Impedanz des im Rückkopplungskreis liegenden, feuchtebcaufschlagter Meßkondensators beeinflußt ist. Einer derartigen Schwingeinsatzschaltung wurde aber keine höhere Empfindlichkeit als mit der Brückenschaltung erreichbar zugeschrieben.

Die Erfindung kann dadurch weitergebildet werden, daß im Meßkreis ein Phasenschieber, em justierbares Dämpfungsglied, ein Meßdämpfungsglied und ein Λ11-passungselement eingebaut sind.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispiclen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine allgemeine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Ginrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von schüttbaren und harten Stoffen.

F i g. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel derselben Einrichtung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält einen Mikrowellen-Generator 1 (Fig. 1), der als Verstärker 2 geschaltet und über einen äußeren Zweig positiv so rückgekoppelt ist, daß der Eingang des Verstärkers 2 mit einer Empfangsantenne 3 gekoppelt und der Ausgang über einen direkten Arm (gerades Anschlußstück) 4 eines Richtkopplers 5, ein Bandfilier 6 und einen Verbindungs-Hohlleiter 7 an eine Sendeantenne 8 angekoppelt ist. Zwischen der Empfangsantenne 3 und der Sendeantenne 8 wird eine Küvette mit dem zu untersuchenden schüttbaren Stoff 9 (Sandzucker) angeordnet.

Ein Abzweigungs-Kniestück 10 des Richtkopplers 5 ist mit einem Meßlei! 11 verbunden, das zur Registrierung von Pegelanderungen der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen je nach der Feuchtigkeit des zu untersuchenden Stoffes dient und einen Detektor 12 in einvm Detektorubschnitt 13 sowie ein Anzeipeinstrumeni 14 enthält.

In der erfindungsgemäßen Einrichtung ist das Bandfilter 6 ein Element, das die Frequenz der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen bestimmt.

Als Verstärker 2 wird eine Wanderfeldröhre benutzt an deren Hcrausführungen eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) stabilisierte Speisequelle angeschlossen ist. Die Empfangsantenne 3 und die Sendeantenne 8 sind als Hornantennen ausgeführt. Als Anzeigeinstrument 14 dient ein Mikroamperemeter.

Zur Steigerung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit sind in der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß F i g. 2 zwischen dem Verbindungs-Hohlleiter 7 und der Sendeantenne 8 in entsprechender Reihenfolge ein Phasenschieber 15, ein justierbares Dämpfungsglied 16, ein Meßdämpfungsglied 17 und ein Anpassungselrment 18 eingebaut.

Bei Erfüllung der Selbsterre,.ungsbedingung werden im Rückkopplungszweig der in Γ i g. 1 dargestellten Einrichtung elektromagnetische Mikrowellen erzeugt. Der zu untersuchende Stoff 9 wird zwischen die Empfaii/santenne 3 und die Sendeantenne 8 eingeführt, wobei auf Grund der Dampfungscharakteristik als des llauptkritcriums der Dielektrizitätskonstante bei erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen eine Pegeländcrung erfolgt und auf Grund der Phasendreh-Charakteristik als zusätzlichen Kriteriums der Dielektrizilätskonstjiite eine zusätzliche, von der Feuchtigkeit des Stuffes 9 abhängige Änderung des Pegels der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen eintritt.

Die Anzeige der Pcgeländeriing der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen erfolgt über das Abzweigungs-Kniestück 10 des Richtkopplers 5 mit Hilfe des Mcßtcils 11.

Durch Vergleich der Anzeige des A.'izeigeinstruments 14 mit einer Eichkurve wird die Feuchtigkeit des untersuchten Stoffes 9 ermittelt.

Die in F i g. 2 dargestellte Einrichtung arbeitet ähnlich wie die Einrichtung nach Fig. 1. Der Unterschied besteht nur darin, daß vor der Bestimmung der Feuchtigkeit des zu untersuchenden Stoffes 9 in den Raum zwischen der Empfangsantenne 3 und der Sendeantenne 8 eine F.ichprobe eingeführt wird, deren Feuchtigkeit der Nullfeuchtigkeit des zu untersuchenden Stoffes 9 entspricht, und mit dem justierbaren Dämpfungsglied 16 ein bestimmter Pegel der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen eingestellt wird, den man am Anzei-•leinstrumcnt 14 fixiert.

An Stelle der Eichprcbe wird dann zwischen der Empfangsanicnne 3 und der Sendeantenne 8 der zu untersuchende Stoff 9 angeordnet, und rr.it Hilfe des Meßdämpfungsglicdes 17 wird der gleiche Pegel der erzeugten elektromagnetischen Mikrowellen wie bei der Einführung der Eichprobe zwischen die Empfangsanlenne 3 und die Sendeantenne 8 eingestellt.

Durch Vergleich der Einstellung des Meßdämpfungsgliedes 17 mit einer Eichkurve w<rd die Feuchtigkeit des untersuchten Stoffes 9 bestimm».

Der Phasenschieber 15 dient zur periodischen Überprüfung der Funktion dieser Einrichtung.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von »chüubaren und harten Stoffen auf Grund von Anderungen des Pegels der einen zu prüfenden derartigen Stoff durchdringenden elektromagnetischen Mikrowellen, mit einem Mikrowellengenerator und mit einem von diesem gespeisten Meßkreis, bestehend aus Hohlleiter, Sende- und Empfangsantenne, "> einem Richtkoppler und einer Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (I) Ober den Meßkreis positiv rückgekoppelt ist und daß im Meßkreis ein frequenzbestimmendes Bandfilter (6) angeordnet ist. ¹S

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßkreis ein Phasenschieber (15), ein justierbares Dämpfungsglied (16). ein Meßdämpfungsglied (17) und ein Anpassungselement (18) eingebaut sind.