DE2714094C3 - Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehaltes von isotropen Materialien mit Hilfe der Mikrowellenabsorption - Google Patents
Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehaltes von isotropen Materialien mit Hilfe der MikrowellenabsorptionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Wassergehaltes von elektrisch nicht leitenden
Pulvern, Granulaten, Pasten und anderen isotropen Materialien, bestehend aus einem frequenzmodulierten
Mikrowellenoszillator, der in einer Transmissionsanordnung einen Monomode-Hohlraumresonator
speist, der in ganzer Höhe von einem durch die Mitte des Resonators gehenden Schutzrohr aus einem
Material mit geringen dielektrischen Verlusten und geringer Wasseraufnahme durchsetzt ist, innerhalb
dem die Probe im elektrischen Feldmaximum einer stehenden Welle des Resonators angeordnet ist. Zu
der Vorrichtung gehört ferner eine Einrichtung zur Messung der durch die Probe bedingten Güteänderung
des Resonators.
Die schnelle Bestimmung des Wassergehaltes von Pulvern, Granulaten, Pasten und Fasermaterialien ist
von Bedeutung für die großtechnische Herstellung dieser Materialien. Als Beispiele werden angeführt:
pharmazeutische Produkte, Kunststoff granulate, Waschmittelrohrstoffe und Fertigprodukte, Baustoffe
und Keramikvorprodukte und landwirtschaftliche Erzeugnisse.
Zur Überwachung der industriellen Produktion und Verarbeitung dieser Produkte wird eine schnell arbeitende
Meßeinrichtung benötigt, deren Meßresultate unter anderem zur Steuerung des Betriebsablaufs oder
zur Qualitätskontrolle bei der Endabnahme dienen können.
In der Literatur beschriebene Geräte zur Messung des Wassergehaltes von Schüttgütern, Pasten usw.
sind meist als Freistrahlgeräte konzipiert, die zur Kontrolle von kontinuierlich bewegtem Material vorgesehen
sind und die wegen der schwankenden Schüttdichte und Reflexion der Meßstrahlung nur relativ
ungenaue Resultate liefern, bzw. deren technische Ausführung nicht zur schnellen und präzisen
Routinemessung in Betriebslaboratorien geeignet ist (DT-OS 2017061 und DT-OS 2309278). In der
GIT-Fachzeitschrift für das Laboratorium, Band 1974, Seite 869 bis 880 und ticite 994 bis 1000
werden Mikrowellenfeuchte-Meßgeräte für pulverförmige oder granulatförmige Produkte beschrieben.
Als Meßgröße wird die Güteänderung des Resonators durch die Probe benutzt. Der Resonator wird mit einem
frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator gespeist. Der Frequenzhub wird dabei so groß gewählt,
daß die Resonanzkurve des Resonators sowohl im leeren als auch im gefüllten Zustand (mit Probe) vollständig
überstrichen, wird. Hinter dem Transmissionsresonator befindet sich ein Mikrowellendetektor, dessen
Gleichspannungssignal ein direktes Maß für die Materialfeuchte liefert. Auf Seite 880 des Artikels
wird eine Mikrowellenmeßanordnung beschrieben, bei der eine relativ kleine Substanzmenge (0,2 cm3)
in das elektrische Feldmaximum eines H103-Rechteckresonators
eingebracht wird. Größere Probenvolumina wurden die Feldverteilung zu stark stören. Die
Probe befindet sich hierbei in einem senkrecht zur Resonatorachse verlaufenden durchgehenden Quarzrohr,
das beheizt bzw. gekühlt werden kann. Größere Probenvolumina und grobkörnige Materialien können
aufgrund der unsymmetrischen Feldverteilung im Resonator nicht gemessen werden.
In dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 1883900 wird ein Hohlraumresonator zur Messung
von Real- und Imaginärteilfester Proben beschrieben. Daraus geht hervor, daß ein Resonator, der mit dem
E010-Feldtyp angeregt wird, nur zur Messung von
kleineren Proben geeignet ist, während relativ große
Proben den Nachteil mit sich bringen, daß der Resonator in umständlicher und zeitraubender Weise beschickt
bzw. entleert werden muß. Nach der Beschikkung mit der Probe muß nämlich die zur Einführung
der Probe notwendige Resonatoröffnung mit einem relativ großen metallischen Deckel hochfrequenzdicht
verschlossen werden. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, anstelle des E0I(l-Feldtyps einen Resonator
mit dem E020-Feldtyp zu verwenden.
Bei der Untersuchung von pulver- und granulatförmigen
Proben in Mikrowellenfeuchte-Meßgeräten nach dem Stand der Technik hat sich gezeigt, daß die
Meßgenauigkeit vom Probenvolumen abhängt. Ferner hat sich gezeigt, daß selbst geringe Schüttdichte-Variationen
des Produktes das Meßergebnis nennenswert beeinflussen. Der zuletzt genannte Effekt wirkt
sich besonders störend aus, wenn derartige Geräte als Routinemeßgeräte im Labor benutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vielseitiges, für den praktischen Einsatz in der Industrie
bestimmtes Feuchtemeßgerät auf der Basis der Mikrowellenabsorption zu entwickeln. Vielseitig heißt
dabei, daß
a) das Gerät für die Messung von Proben unterschiedlicher Form und Beschaffenheit, wie z. B.
Pulver, Granulate, Kräuselfasern, Pasten, in einem Gewichtsbereich von 0,1 bis 5 g geeignet
ist und
b) daß mit ein und demselben Gerätetyp ein möglichst weiter Meßbereich (0,01 bis 20 Gew.-%
Wasser) erfaßt werden kann, ohne daß hierzu komplizierte Umbauten erforderlich sind. Dabei
soll die relative Meßgenauigkeit nach Möglichkeit besser als ±1 % sein und nicht durch geringe
Schüttdichte-Variationen beeinflußt werden.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen Mikrowellenmeßanordnung, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Monomode-Hohlraumresonator zylindrisch ausgebildet und von
E010-Feldtyp ist und daß das Schutzrohr in der Resonatorachse
Z angeordnet ist und daß eine in das Schutzrohr einführbare Probenkammer vorgesehen
ist, deren Durchmesser bis zu 25% des Resonatorinnendurchmessers und deren Höhe bis zu 50% der Resonatorhöhe
beträgt.
Zweckmäßig weist der Resonator an seinem Zylindermantel Irisblenden zur magnetischen Ein- und
Auskopplung auf, deren Durchmesser in Abhängigkeit vom jeweiligen Feuchtemeßbereich gewählt ist.
Die Probenkammer ist vorzugsweise in einem zylindrischen PTFE-Hohlkörper angeordnet, der durch
Führungsnnge ober- und unterhalb der Probenkammer in dem axialen Schutzrohr gegen ein seitliches
Verkippen gesichert ist und der Anschläge zur exakten Positionierung in axialer Richtung aufweist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Meßanordnung
ein Mikrowellenoszillator verwendet wird, dessen Frequenzhub derart begrenzt ist, daß die vollständige
Resonanzkurve des mit dem gefüllten oder leeren Probenbehälters beschickten Meßresonators überdeckt
wird, dagegen bei leerem Meßresonator keine Erregung stattfindet. Der praktisch verwendete Frequenzbereich
liegt zwischen 2 und 30 GHz, wobei der Frequenzhub zwischen 10 und 1000 MHz und die
Modulationsfrequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz liegt. Die Messung des Fransmissionssignals und damit
der produktabhängigen Mikrowellenabsorption
erfolgt zweckmäßig mit einer Differenzschaltung, die die Differenz zwischen den gleichgerichteten Mikrowellensignalen
am Eingang des Resonators (Referenzsignal) und dem gleichgerichteten Mikrowellensignal
am Ausgang des Resonators (Transmissionssignal) bildet und das Ergebnis digital anzeigt.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß eine annähernd gleichbleibend hohe
Meßgenauigkeit auch bei veränderlicher Schüttdichte des pulverförmige Gutes in der Meßzelle erfeicht
wird. Die typische Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht bis zu ±0,5% des Meßwertes. Mit
dem erfindungsgemäßen Gerät können die oben erwähnten isotropen Materialien in Mengen bis zu 6 g
im Restfeuchtebereich in zufriedenstellender Weise gemessen werden. Höhere Feuchten können durch
Verminderung der Resonatorgüte oder durch Verminderung des Probenvolumens erfaßt werden. Im
allgemeinen lassen sich mit einer derartigen Meßan-Ordnung Feuchtewerte von maxirr..; 20 Gew.-% noch
gut erfassen. Gröbere Pulver oder Grinulate (Korndurchmesser ab 1 mm) erfordern zur Ermittlung repräsentativer
Feuchtegehalt größere Meßvolumina (z. B. 0,1 bis 1 1).
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die für die Einführung der Probenkammer bestimmten,
relativ großen öffnungen an der Resonatorober- und Unterseite zur Homogenisierung des Meßfeldes
im Bereich des Probenvolumens beit/agen. Die FeIdhomogenität
wird außerdem durch das Quarzschutzrohr unterstützt, das den zylindrischen Resonator in
ganzer Höhe durchsetzt. Der E010-Feldtyp mit seinem
streng rotationssymmetrischen Meßfeld bewirkt also in Verbindung mit den relativ großen Resonatoröffnungen,
daß ein großer Teil des Resonatorvolumens mit der Probe ausgefüllt werden kann, ohne daß Feldinhomogenitäten
zu befürchten sind. Die unerwartet hohe azimutale und axiale Feldhomogenität ir; einem
großen Probenvolumen hat zum ersten Mal den Bau eines industriellen Mikrowellenfeuchtemeßgeräts ermöglicht,
das eine Untersuchung der verschiedensten Probenmaterialien gestattet und vom Prinzip her einen
weiten Feuchtgehaltsmeßbereich überstreicht.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 die Resonatormeßzelle mit dem Probenbehälter, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild für das Mikrowellenfeuchte-Meßgerät auf der Basis der Resonatormeßzelle.
Der Monomode-Resonator gemäß Fig. 1 besteht aus einem zylindrischen Hohlraum 1, in dem der zylindersymmetrische
Feldtyp E010 angeregt ist. In der
Mitte des Resonators ist ein Quarzrohr 2 für die Aufnahme des Probenbehälters 3 so angebracht, daß die
Achse des Probenbehälters mit der Resonatorachse Z zusammenfällt. Zu diesem Zweck ist der Resonator
mit entsprechenden Bohrungen für die Durchführung des Probenbehälters versehen. Der Probenbehälter 3
besteht aus einem PTFE-Rohr, das am oberen Ende einen Deckel bzw. Griff 4 trägt. Die eigentliche Probenkammer
5 ist nach oben durch die Zwischenwand 6 und nach unten durch das Abschlußstück 7
begrenzt. Das Abschlußstück 7 dient zum Verschließen der Probenkammer 5 und ist zu diesem Zweck
mit einem Bajonettverschluß 8 ausgerüstet. Zum Fül-
len des Probenbehälters 3 wird dieser mit dem Dekkel
4 auf eine Waage gestellt und jeweils eine gleichbleibende Pulvermenge in die Kammer 5 eingewogen.
Anschließend wird das Abschlußstück 7 eingesetzt und der Probenbehälter 3 in den Resonator 1 eingeführt.
Die Anschläge 9 gewährleisten eine exakte Positionierung in axialer Richtung.
Die Führungsringe 10 verhindern ein seitliches Verkippen des Probenbehälters. Das Volumen der
Probenkammer 5 ist so bemessen, daß ihr Durchmesser auf maximal 25% des Resonatorinnendurchmessers
und ihre Länge auf maximal 50% der Resonatorhöhe beschränkt ist.
Die An- bzw. Auskopplung des Resonators 1 erfolgt über die gegenüberliegenden Irisblenden 11 und
12 in der Zylindermantelfläche. Durch passende Wahl der Durchmesser der Irisblenden 11, 12 kann der Q-Faktor
des Resonators und somit die Anzahl der Durchstrahlungen leicht im Bereich zwischen 20 und
20000 eingestellt werden. Dadurch und durch die Füllmenge des Probenbehälters 3, gegebenenfalls unter
Verwendung von entsprechenden PTFE-Einsätzen für kleinere Probenmengen, kann die Meßanordnung
auf den gewünschten Feuchtemeßbereich eingestellt werden.
Der typische Durchmesser der Probenkammer 5 beträgt 2 cm. die Länge 2,5 cm. Bei einer Meßfrequenz
von 2,5 GHz können damit feinkörnige Materialien, Pasten, Kräuselfasern bis zu Mengen von etwa
6 g im Restfeuchtebereich gemessen werden. Höhere Feuchten können durch Verminderung des Probenvolumens
unter Verwendung von entsprechenden PTFE-F.insätzen für kleinere Probenmengen erfaßt
werden, falls die Reduktion der Anzahl der Durchstrahlungen nicht ausreicht (Verminderung der Resonatorgüte).
Ein Blockschaltbild der Mikrowellenschaltung für die Meßanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Meßvorrichtung
wird von dem frequenzmodulierten Mikrowellengenerator lfi gespeist (Modulator 16). Ne-
sergehalte oberhalb 5 bis 15 Gew.-7f. Die Verschiebung
der Absorption zu niedrigeren Frequenzen im Bereich der Restfeuchte ist hier durch eine relativ feste
Wasserbindung zu erklären.
Die frequenzmodulierte Mikrowellenstrahlung des Oszillators 15 wird über eine Einwegleitung 17, einen
variablen Abschwächer 18 und einen Richtkoppler 19 dem Resonator 1 (Meßzelle) zugeführt. Über den lose
angekoppelten Richtkoppler 19 wird die am Eingang des Transmissionsresonators 1 anstehende Referenzintensität
/ abgezweigt um1 nach Gleichrichtung (Referenzdetektor
20) dem Differenzverstärker 22 zugeleitet. Hinter dem Resonator 1 ist der Meßdetektor
(Gleichrichter) 23 angeordnet. Die Gleichstromausgangssignale von Referenz 20 und Meßdetektor 23
werden dem Differenzeingang des Meßverstärkers 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal mit Hilfe eines Digitaivoitmeters
24 angezeigt wird.
Mittenfrequenz und Frequenzhub des Oszillators 15 (z. B. 2,6 GHz, Hub ca. ±0,2 GHz, Modulationsfrequenz ca. 220 Hz) werden so eingestellt, daß bei
eingestecktem und gefülltem Probenbehälter 3 die Resonanzkurve des Resonators 1 vollständig überstrichen
wird, eine Erregung bei herausgenommenem Probenbehälter aber unterbleibt. Dadurch erhält der
Meßdetektor 23 am Ausgang des Resonators 1 kein Signal, su daß die Digitalanzeige 24 zur Einstellung
einer konstanten Mikrowellenintensität am Eingang des Resonators 1 mittels des Abschwächers 18 herangezogen
werden kann. Hierdurch können Schwankungen der Generatorausgangsfeistung ausgeglichen
oder die Messung auf dem Wege eines Nullabgleiches durchgeführt werden. Null- und 100%-Transmission
des Gerätes können durch Füllung des Probenbehälters mit einem Absorbermaterial (z. B. passender
Kunststoffzylinder mit Wasserfüllung) und durch die Einführung des leeren Probenbehälters kontrolliert
und justiert werden. Als Eichnormale für Meßpunkte innerhalb des Meßbereichs können Glaszylinder unterschiedlicher
Glassorten und Durchmesser, die in
auch die Wahl der Generatorfrequenz die Meßgenauigkeit.
Die Frequenz wird in den Bereich des Maximums der Wasserbande gelegt, wobei die Lage des
Maximums von der Temperatur und der Bindungsfestigkeit des Wassers bestimmt wird. In diesem Zusammenhang
soll auch auf die Möglichkeit der Minimierung des Temperatureinflusses auf die Messung durch
Wahl einer für ein bestimmtes Temperaturintervall günstigsten Freq-^snz hingewiesen werden. Die Mikrowellenabsorption
fällt z. B. von freiem Wasser bei 9,3 GHz von 10" bis 30° C (Absorptionswert bei
10° C zu 100 gesetzt) von 100 auf 68, während sie bei 24 GHz von 100 auf 113 ansteigt. Das Maximum
der Absorption liegt bei 9,3 GHz etwa bei 00C und
bei 24 GHz etwa bei 30° C. Allgemein gilt: Höhere Temperaturen verschieben das Maximum der Absorption
zu höheren Frequenzen (kürzere Relaxationszeit des Wasserdipols). Eine festere Bindung des
Wasserdipols, z. B. in einer stark polaren Matrix, führt zu einer Erniedrigung der Frequenz des Absorptionsmaximums. Aus diesem Grunde wird man bei der
Messung der Restfeuchte zweckmäßig bei niedrigeren Frequenzen arbeiten als bei der Messung hoher Waswendet
werden. Als Eichsubstanz für den 100%-Wert hat sich z. B. außer 100% Wasser eine Füllung aus
einem 2-Komponenten-Epoxidharz mit 60% SiIicium-PuIver bewährt. Für Eichpunkte innerhalb des
Meßbereichs benutzt man zweckmäßig Glaskörper aus Jenaer Glas oder anderen anorganischen Gläsern
mit unterschiedlichem Durchmesser, die in passende Teflonkörper eingekapselt werden.
Zu Beginn des Meßvorgangs wird der Probenbehälter 3 mit einer abgewogenen Menge des Produkts
gefüllt und in den Resonator 1 eingesteckt. Als Meßwert der Mikrowellenabsorption dient die Spitzenamplitude
der Resonanzkurve, deren Größe eine monotone Funktion des Wassergehaltes der Probe darstellt.
Die Bildung des Meßwertes erfolgt durch den Meßverstärker 22. Der Frequenzhub des Oszillators ist so
eingestellt, daß die Resonanzkurve der mit Proben unterschiedlicher Feuchte beaufschlagten Meßzelle 1
vollständig überdeckt wird, wobei die Amplitude des Oszillators 15 im gesamten Frequenzbereich konstant
bleibt (AM-Anteil <2%). Es kann eine Meßgenauigkeit
und Reproduzierbarkeit bis zu ±0,5% des Meßwertes erreicht werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnunccn
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Messung des Wassergehaltes
von elektrisch nicht leitenden Pulvern, Granulaten, Pasten und anderen isotropen Materialien,
bestehend aus einem frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator, der in einer Transmissionsanordnung
einen Monomode-Hohlraumresonator speist, der in ganzer Höhe von einem durch die Mitte des Resonators gehenden Schutzrohr aus einem
Material mit geringen dielektrischen Verlusten und geringer Wasseraufnahme durchsetzt ist,
innerhalb dem die Probe im elektrischen Feldmaximum einer stehenden Welle des Resonators angeordnet
ist und einer Einrichtung zur Messung der durch die Probe bedingten Güteänderung des
Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-Hohlraumresonator (1) zylindrisch
ausgebildet und vom E0I(1-Feldtyp ist und
das Schutzrohr (2) in der Resonatorachse (Z) angeordnet ist und daß eine in das Schutzrohr (2)
einführbare Probenkammer (5) vorgesehen ist, deren Durchmesser bis zu 25 % des Resonatorinnendurchmessers
und deren Höhe bis zu 50% der Resonatorhöhe beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) an seinem
Zylindermantel Irisblenden (11 und 12) zur magnetischen Ein- und Auskopplung aufweist, deren
Durchmesser· in Abhängigkeit vom jeweiligen Feuchtemeßbereich gewählt \st.
3. Vorrichtung nach A nspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe· "kammer (5) in einem
zylindrischen PTFE-Hohlkörper angeordnet ist, der durch Führungsringe (10) ober- und unterhalb
der Probenkammer (5) in dem axialen Schutzrohr (2) gegen ein seitliches Verkippen gesichert
ist und der Anschläge (9) zur exakten Positionierung in axialer Richtung aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzhub des
Mikrowellenoszillators (15) derart begrenzt ist, daß die vollständige Resonanzkurve des mit dem
gefüllten oder leeren Probenbehälters (3) beschickten Resonators (1) überdeckt wird, dagegen
bei leerem Resonator (1) keine Erregung stattfindet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellenoszillators
(15) zwischen 2 und 30 GHz, der Frequenzhub zwischen 10 und 1000 MHz und die Modulationsfrequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz
liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsanordnung
zur Messung der produktabhängigen Mikrowellenabsorption aus einer Differenzschaltung besteht,
die die Differenz zwischen den gleichgerichteten Mikrowellensignalen am Ein- und Ausgang
des Resonators (1) bildet und das Ergebnis digital anzeigt.
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