DE2928487A1

DE2928487A1 - Verfahren zur messung der relativen feuchte eines messgutes mit hilfe von mikrowellen im ghz-bereich

Info

Publication number: DE2928487A1
Application number: DE19792928487
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Dr Meyer; Wolfram Dipl Phys Dr Schilz
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-07-14
Filing date: 1979-07-14
Publication date: 1981-02-05
Also published as: SE448322B; PL130757B1; SE8005112L; FR2461945B1; US4361801A; JPH0255745B2; NL183961B; JPS6453140A; FR2461945A1; PL225602A1; GB2057137B; CA1149020A; JPH0121457B2; DE2928487C2; NL183961C; CH650862A5; NL8003945A; GB2057137A; JPS5619443A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, STfiENBAMK 94,- 2300--HAMBURG 1

4 PHD 79-084

Verfahren zur Messung der relativen Feuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der relativen Feuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich, bei dem das bekannte Meßgut zunächst zu einer Vormessung in eine bestimmte Raumform gebracht und in einem hinsichtlich seiner mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften bekannten Applikator der komplexe Transmissionsfaktor des Meßgutes bei konstanter Dichte und Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Feuchte zwecks Erlangung einer Eichkurve gemessen wird und dann die Messung der komplexen Transmissionsfaktoren der großen Masse des Meßgutes in einem ebenfalls, hinsichtlich seiner mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften, bekannten Applikator erfolgt.

Ein derartiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich besteht also aus zwei Messungen. Zunächst muß das zu messende Meßgut, also z.B. Wolle, ein Textilfaden oder Tabak, als solches bekannt sein. Das zu untersuchende und zu beurteilende Meßgut wird dann in eine bestimmte Raumform gebracht, und danach in einen sogenannten Applikator, der hinsichtlich seiner mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften vollständig bekannt ist, ausgemessen. Hierzu muß also eine Eichkurve aufgenommen werden. Das Meßgut muß dazu im trockenen

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ϊ\

Zustand und bei verschiedenen Feuchtegraden ausgemessen werden.

An sich ist es möglich, aufgrund eines Verfahrens nach DIN 51 718.-, jedes Meßgut ohne die Anwendung von Mikrowellen hinsichtlich seines absoluten Feuchtegehaltes durch Wiegen zu bestimmen, d.h. aufgrund der im DIN-Blatt angegebenen "Wägeverfahren wird das Meßgut im trockenen Zustande, wie dort vorgeschrieben, gemessen und dann in einem bestimmten feuchten Zustande, wobei die Differenz der Wägung unmittelbar den Feuchtegehalt des Meßgutes ergibt. Derartige Verfahren setzen ein Wiegen des zu untersuchenden Meßgutes voraus, wobei immer vorausgesetzt wird, daß dieses Wiegen nach der im oben genannten DIN-Blatt angegebenen Einhaltung der Parameter erfolgt. Ein derartiges Wiegen im Durchlaufverfahren ist ungeheuer zeitaufwendig und kostentreibend, so daß bereits seit langem nach Meßverfahren gesucht wird, die ein derartiges aufwendiges Verfahren vermeiden.

Die Messung erfolgt in Prozent, ist über die in einer Trockensubstanz mit der Masse m. in Gramm enthaltenden Wassermenge m„q in Gramm definiert zu

-■ ^mH O

d.h. zur meßtechnischen Bestimmung vonysind mindestens zwei unabhängige Meßwerte erforderlich, die jeweils ein Maß für die Masse des Wassers und die Masse der Trockensubstanz sind.

Wird ein elektrisches Meßverfahren mit herangezogen, so kann, wie bekannt, die komplexe Mikrowellenimpedanz und damit die komplexe Dielektrizitatszahl des feuchten Stoffes

E= C₀(C-OC") "'.'■ (2)

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ORiGJNAL INSPECTED

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bestimmt werden, die aufgrund der spezifischen Wassereigenschaften im Mikrowellenbereich, wie aus dem Buch "Aqueous Dielectrics" von J.B. Hasted, Chapman und Hall, London, insb. Seiten 57 und 238,bekannt, ein Maß für die enthaltende Wassermenge sind und daher unter gewissen Bedingungen die Bestimmung der relativen Feuchte ^ ohne die Kenntnis von m^_r bzw. der Dichte des zu untersuchenden MeßgutesSfgr/cm J erlauben.

Der Stand der Technik zeigt, daß die bekannten Mikrowellenfeuchtemeßverfahren die im Stoff bzw. im Meßraum, der eine bestimmte Raumform aufweist, enthaltende absolute Wassermenge messen. Derartige Verfahren sind in "Journal of Microwave Power" 8(3/4), 1973 im Artikel "Microwave Instrumentals tion for Moisture Content Measurement" von A. Kraszewski , Seiten 323 bis 335, ferner im"Mikrowellenmagazin"6/78 in dem Artikel "Einige Probleme der industriellen Feuchtigkeitsmessung mit Mikrowellen", Seiten 441 bis 445, beschrieben. Erst durch eine getrennte Dichtemessung, d.h. z.B. Wägung, kann die Feuchte nach der oben angegebenen Gleichung 1 genau bestimmt werden.

In den meisten Fällen der Anwendung derartiger Meßverfahren wird der komplexe Transmissionsfaktor des Meßgutes bei konstanter Dichte und Raumtemperatur in einer bestimmten Raumform in Abhängigkeit von der relativen Feuchte zwecks Erlangung einer Eichkurve gemessen. Die in oben genannter Literaturstelle "Mikrowellenmagazin" 6/78 beschriebene Mikrowellenmeßstrecke, siehe dort insb. Seite 450, linke spalte, Abb. 17 bis 19, zeigt eine Eichung mit Meßgutproben definierter Feuchte und eine Zuordnung der Größe if, der Streckendämpfung A(db) oder der Phasendrehung JF in Grad in ' Form einer Eichkurve A(^) bzw. §{Ψ), wie z.B. auch in der Literaturstelle "Sonderdruck aus G-I-T Fachzeitschrift für

³⁵das Laboratorium", Heft Sept. 1974, Seiten 869 bis 880, Okt. 1974, Seiten 994 bis 1000, in dem Artikel "Feuchte-

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messungen in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen mit Mikrowellen / Verfahren zur Produktkontrolle für Labor und Betrieb" bekannt. Die bekannten Geräte besitzen einerseits nur stark eingegrenzte Meßbereiche, weil die an der Meßgutprobe reflektierte Leistung nicht mitgemessen wird. Wie bereits erwähnt, muß das Meßgut in einer bestimmten Raumform vorliegen, obgleich bei der Messung, z.B. im Durchlaufverfahren, wenn große Mengen gemessen werden sollen und diese mit der Eichkurve der Vormessung verglichen werden, unterschiedliche Schütthöhen anfallen. Diese Schütthöhen gehen direkt als Meßfehler in die Bestimmung des Feuchtegehaltes ein. Zwar wird in der Literaturstelle "IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation", Vol. IECI-23, November 1976, No. 4, Seiten 364 bis 370 in dem Artikel "An improved Microwave Methode of Moisture Content Measurement and Control" von Kraszewski und Kulfinski auf der Seite 368 sowie auf der Seite 369 darauf hingewiesen, daß es Abhängigkeiten von der Dicke des Materials gibt, wie insb. auf der Seite 368 in Fig. 6 und in der Fig.

gezeigt. Angeblich sollen diese Schütthöh.e,nabhängigkeiten dadurch teilweise eliminiert werden, indem die Phase und · die Dämpfung der transmifcfcierten Leistung gleichzeitig gemessen werden und zu einer in gewissen Grenzen längenunabhängigen Umformungscharakteristik kombiniert werden. Dies Verfahren ist jedoch nur auf Stoffe anwendbar, deren Phase und Dämpfung sich linear mit dem Wassergehalt und der Dichte der Trockensubstanz ändern. Gerade diese Literaturstelle beweist, daß die gemachten Fehler in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt verschieden groß sind und daher doch sehr stören.

^: :

Auch die Literaturstelle "Journal of Microwave Power", 12(3), 1977, Seiten 239 bis 252, zeigt an sich prinzipfeile Möglichkeiten einer sogenannten dichteunabhängigen Feuchtemessung rein theoretisch in dem dort genannten Artilel "A Preliminary Study on Microwave Monitoring of Moisture Content in Wheat", ebenfalls von den Autoren Kraszewski,

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Kulihski sowie vom Autor Stosiot. Eine praktische Anwendung ist nicht angegeben.

Nahezu alle "bekannten Mikrowellenfeuchtemesser zeigen daher einen Applikator, dem ein Formgeber vorgeschaltet wird, der das Meßgut nur in einer definierten Raumform und mit einer definierten Menge in dem eigentlichen Meßraum zeigt, siehe Literaturstelle "Mikrowellenmagazin" 6/78, Seite 442, Bilder 1 bis 8. Lediglich in einem einzigen Fall wird die Dicken - bzw. Längenabhängigkeit dadurch teilweise eliminiert, d.h. sie soll dadurch teilweise eliminiert werden, daß die Phase und Dämpfung des transmittierten Signals gleichzeitig gemessen werden, um so eine längenunabhängige Größe zu erhalten, wie oben bereits ausgeführt und in der Literaturstelle "IEEE Transactions" beschrieben. Dieser dort gemachte Vorschlag ist Jedoch aus zwei Gründen unvollkommen: Die theoretische Ableitung des Verfahrens ist nur gültig für den Spezialfall von Stoffen, deren Dämpfung und Phase sich linear mit der Menge der Grundsubstanz und der in ihr erb-

20 haltenden Wassermenge ändert.

'■1

Die praktische Verwirklichung eines Verfahrens in Form eines Feuchtemessers für Sand oder auch für Getreide basiert nur auf einer Messung des komplexen Transmissionsfaktors S₁₂ und- einer Eichung. Die Dämpfung und die Phasendrehung des Meßgutes sind aber dabei nicht eindeutig. Die Ableitung des Verfahrens ist daher keine exakte Begründung für die Ergebnisse der Messung, sondern nur eine versuchte Formulierung einzelner Eichmessungen.

Es besteht daher zusammenfassend nach dem bekannten Stand der Technik nur die Möglichkeit, die absolute Feuchte eines Meßgutes wirklich sicher nur durch das im oben genannten DIN-Blatt angegebene Verfahren durch Wiegen zu messen. Die zweiten Arten der Meßverfahren, nämlich einmal Wiegen des feuchten Meßgutes und einmal Messen mit Mikrowellen, ist unsicher, weil die Mikrowellenmessung eine bestimmte Raum-

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form des Meßgutes voraussetzt und. eine gewisse Dichtekonstanz im Meßgut, wobei die Forderung der Raumform gleichzeitig bedingt, daß eine gewisse Lageabhängigkeit gegeben ist.

-■.""■■■ Es besteht also nach wie vor die Aufgäbe, unabhängig von der Form und der Ausdehnung des Meßobjektes, dessen dielektrische Eigenschaften zu bestimmen. Grundsätzlich geht das Verfahren nach der Erfindung auch davon aus, zunächst, wie

το bereits eingehend geschildert, das bekannte Meßgut in einer bestimmten Raumform und in einem hinsichtlich seiner mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften bekannten Applikator auszumessen und damit eine Eichkurve aufzunehmen und mit dieser Eichkurve dann nachher bei der Messung der großen Masse des Meßgutes im Durchlaufverfahren nun aber Maßnahmen zu ergreifen, die eine Messung derart ermöglichen, daß das Meßgut, z.B. das Getreide, in beliebiger Schütthöhe durch den Applikator hindurchgeführt werden kann oder auch in beliebiger Dichte, also gegenüber dem bekannten Stand der Technik nicht Messung der großen Mass.e, des Meßgutes bei konstanten Außenäbmessungen und konstanter Dichte, sondern bei beliebigen, in gewisser Weise beliebigen Abmessungen und bei schwankenden Dichten.

Grundsätzlich ist es nicht möglich, bei einer bestimmten Meßfrequenz ohne die Kenntnis der Abmessungen des Meßgutes den Real- und Imaginärteil der Elektrizitätskonstanten, wie oben in Gleichung 1 angegeben, absolut und gleichzeitig zu bestimmen. Es läßt sich jedoch ein Ausdruck A längenunabhängig messen, der £^f und £" enthält und derart gewählt werden kann, daß A außerdem noch unabhängig von der Dichte des zu untersuchenden Meßgutes ist.

Die Aufgabe der Erfindung bestand also darin, die große Masse des Meßgutes bei wechselnden Schutt guthöhen Vabhängig und auch dichteunabhängig zu messen.

030066/012B^" '

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Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren zur Messung der relativen Feuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich der eingangs genannten Art nach der Erfindung bei der Vormessung gleichzeitig neben der Messung des komplexen Transmissionsfaktors des Meßgutes auch der komplexe Reflexionsfaktor des Meßgutes zur Erlangung einer Eichkurve der Form A(^) gemessen, wobei der Ausdruck für A(y) zwecks Unabhängigkeit von der Dichte des Meßgutes und von der Höhe bzw. Länge bzw. den äußeren Abmessungen nur die komplexe Dielektrizitätskonstante als Veränderliche aufweist, wobei

etwa ist,

wobei 6'(VO der Realteil und

C¹¹Ci') der Imaginärteil der Dielektrizitätskonstante bei der Meßfrequenz sind, und auch bei der Messung der großen Masse des Meßgutes gleichzeitig neben der Messung des komplexen Transmissionsfaktors des Meßgutes auch der komplexe Reflexionsfaktor des Meßgutes gemessen wird.

In weiterer Ausgestaltung nach der Erfindung kann

A(f) etwa sein,

tan<f (ψ)

wobei tan 6 der Verlustwinkel bei der Meßfrequenz

ist. .

Auch kann die Meßfrequenz 15 GHz betragen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gilt für freie Vä-len und TEM-Leiter, d.h. z.B. für Koaxialleiter, daß

= ist,

^eo H

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wobei £_Q die DK in Luft ist und

(Λ O \2 ς 2

wobei Rp+ jl,- = -—: * *· sind

und in dem S₁₁ der komplexe Reflexionsfaktor

und Sp₁ der komplexe Transmissionsfaktor sind.

Für einen Hohlleiter gilt dann, daß nach der Erfindung A(V) = sind,

wobei £ die DK in Luft ist und

(λ ς \2 ς 2

V. · —"^₁ -ι / ""⁰PI ■

wobei: Rr+ jlc = ·— ·■ 5—■—5—— sind

^: Il Cm I

und . " A = Wellenlänge im Hohlleiter

und >_ = Grenzwellenlänge des Hohlleiters

sind.

Schließlich gilt für den Fall verlustarmer Proben mit niedriger DK, daß

wobei _^_o a die Phasendrehung in einer Meß-

__ strecke ohne Meßgut

und ■£·£ = die Phasendrehung in einer Meß

strecke mit Meßgut sind

und Ac = der Transmissionsdämpfungsfaktor

mit Meßgut ist.

Für einen geschlossenen Resonator gilt dann nach der Er- ' findung, daß

(1/Q₁-IZQ₀)

ist,

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wobei Q = die Güte des Resonators ohne Meßgut

ist,
Q₁ = die Güte des Resonators mit Meßgut

ist,

wobei £ = die Resonanzfrequenz des leeren Reso

nators

und f., = die Resonanzfrequenz des mit dem Meß

gut gefüllten Resonators sind.

Die derart angegebene Lehre zum technischen Handeln nach der Erfindung soll nunmehr näher erläutert werden.

Es besteht also die Aufgabe, unabhängig von Form und Ausdehnung des Meßgutes, dessen dielektrische Eigenschaften mit Hilfe von Mikrowellen zu bestimmen. Ausgegangen wird dabei von der Gleichung 1. Es läßt sich ein Ausdruck A längenunabhängig messen, der die Elektrizitätskonstanten ;!' und d~" enthält und der derart gewählt wird, daß A längen- und dichteunabhängig wird. Es ergibt sich für eine Vielzahl organischer fester Werkstoffe

C Λ

oder £„ ^₁ (3)

A =
tand

Die Größe A kann sowohl in Leitungen im freien Raum als auch in Resonatoren längenunabhängig bestimmt werden. 1) Leitungen, freier Raum.
Die Probe mit der unbekannten Länge 1 ist im Leitungsapplikator enthalten, der aus einem Stück Koaxialleitung, aus einem Hohlleiter oder auch als der freie Raum zwischen zwei Hornstrahlern ausgeführt sein kann. Für das Verhältnis des Wellenwiderstandes des probenfreien Übertragungsraumes Z zur komplexen Probenimpedanz Z*.- ergibt sich dann

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Λ 1 ~S<i a ) "Snvl

= Rf +

S₁₁ ist der komplexe Reflexionsfaktor, S₂-. ist"-der komplexe Transmissionsfaktor. Mit den Wellenwiderständen für ebene Wellen

Und für koaxiale TEM-Wellen gilt:

r ist der Radius des Außenleiters und r. ist der Radius des ο ι

Innenleiters. Dann ergibt sich für

^{A s} ⁽⁷⁾

und für die Hohlleiterwellen vom Η-Typ mit " . .„

^ze '..,.- TT=^TTTW ⁽⁸⁾

Hierbei ist A die Grenzwellen und λ die Betriebswellenlänge im Hohlleiter. Daraus folgt:

. _Λ _

ο ^c

Ähnliche Formeln lassen sich auch für teilweise gefüllte Leitungen und planare sowie Oberflächenwellenleiter angeben.

Die Gleichungen 7 und 9 gelten auch bei sehr langen, d.h. unendlich ausgedehnten Proben, bei denen keine Transmission festgestellt werden kann und die Definition einer Länge sinnlos wäre. Im Meßwert für A nach Gleichung 4 nimmt S₂₁ dann den Wert Null an.

Für den Spezialfall einer verlustarmen Probe des Meßgutes

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mit £' a ^t wird die Verwendung der Gleichung 4 zu ungenau für praktische Messungen. Auch in diesem Fall läßt sich eine Probenlänge durch eine geeignete Kombination der gemessenen Phase

_e [] (10)

und der Dämpfung

eliminieren. Mit

(13)

ergibt sich für <fV¹ $% -§² _n

AftP) . 3 ₌ -

£" Λ AC 0£-

^{1 C C}

2) Resonatoren

Die Frequenz- und Güteänderung eines Resonators bei Einführung eines kleinen verlustbehafteten Dielektrikums berechnet sich mit Hilfe der Störungstheorie zu

„ „

^Eo ^E1 ^dVs

Index Ό bezieht sich auf Felder E,H, Frequenz f, Güte Q, DK des leeren, Index 1 auf den teilweise gefüllten Resonator. Der Integralausdruck ist bei kleinen Störungen reell. Für A ergibt sich dann

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- 2

5 Oft besteht die Möglichkeit, die Messung etwas einfacherer zu gestalten, weil nämlich Schüttguthöhen nicht in verschiedenen Werten auftreten, sondern nur verschiedene Dichten des Meßgutes* Dann kann die Anordnung etwa einfacher gehalten werden. In diesem Falle besteht nämlich lediglich die Aufgabe, die zwei einer Impedanzmessung zugänglichen Größen des Meßgutes, nämlich £', £", die beide dichte- und feuchteabhängig sind, zu einem dichteunabhängigen Ausdruck A(V) zu kombinieren, und dieses kann in eine Gleichung 17 geschrieben werden

"tf£■ cf#) . W)

wobeiV''die relative Feuchte undj° die Dichte des Meßgutes sind.

Eigene Messungen¹ an einer Vielzahl organischer Substanzen, wie Wolle, Tee, Tabak, haben ergeben, daß über weite Bereiche der Dichteänderung die komplexe DK mit folgender Gleichung angeschrieben werden kann

■-."■"--" " ■

■- 1 '.+ Cf Cf)-DJ^₁ : (18)

=e^u(y) -V^f₁ (19)

Damit läßt sich ein dichteunabhängiger Feuchteparameter definieren

£!ML ₍₂₀)

Für bestimmte Stoffe, z.B. Wolle, beschreibt die Gleichung 19 die experimentiellen Werte nicht hinreichend genau. In

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ORIGINAL INSPECTED

Wit

derartigen Fällen kann die Gleichung 20 leicht abgewandelt werden. Damit ergibt sich z.B. für Wolle

Der absolute Fehler dy der Feuchtemessung ergibt sich aus dem totalen Differential über die Meßgröße A

^dA -#
OJi - ^ ₍₂₂₎

15	mit	Gleichung 19 du.·	1	1	1	v-1 dA
		9.			6"	A
		Άι	9/	1		(23)
20			3 £"	ε»
	folgt dann 3^ { V 1	3 Ϋ
f £'-1

f O -1

Restabhängigkeiten der gemessenen Feuchte von der Dichte werden durch den zweiten Summanden in Gleichung 23 beschrieben. Verhält sich die DK des Meßgutes linear, wie in den Gleichungen 18 und 19 angegeben, ist dieser Summand Null und die Messung dichteunabhängig, dy ist dann nur durch die relative Meßgenauigkeit dA/A bestimmt sowie durch den physikalischen Fehlerparameter

der nur von den dielektrischen Mikrowelleneigenschaften des Meßgutes abhängt und durch geeignete Wahl der Meßfrequenz verkleinert werden kann. Der Einfluß der Meßfrequenz ist bei verschiedenen Werkstoffen unterschiedlich. Die Meß-

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frequenz muß mindestens so hoch gewählt werden, daß Mehrdeutigkeiten vermieden sind. Bei der Messung von Wolle z.B. sollte die Meßfrequenz bei 15 GHz liegen.

In einer praktischen Ausführung eines dichteunabhängigen Mikrowellen-Feuchtemeßgerätes besteht dieses hauptsächlich aus dem Applikator und dem sogenannten Mikrowellennetzwerk, in denen z.B. durch Messung des transmittierten und reflektierten Signals die komplexe Probenimpedanz dem elektrischen

ίο Signal zugeordnet wird und sie besteht weiterhin aus dem Signalverarbeitungsteil mit Anzeige, bei dem aus den Meßsignalen der dichteunabhängige Ausdruck aus den Gleichungen 20 und 21 gebildet wird, z.B, mit Hilfe eines Mikroprozessors und mit der aus Labormessungen bekannten Eichkurve A(f) des betreffenden Meßgutes verglichen wird, wobei mit Labormessungen hier die im oben genannten Sinne genannte Vormessung gemeint sind. Für ein Beispiel der Untersuchung von Tabak unbekannter Dichte und Feuchte soll das Verfahren anhand praktischer Meßwerte für die Messung erläutert werden: Für eine willkürlich gewählte Dichte vonJ*= 0,26 gr/cm wurden £'(V0 undpC^) bei 2,4 GHz gemessen und die Eichkurve Α(ψ) berechnet. Tabak unterschiedlicher Dichte wurde im Wende1-resonator als Applikator gemessen. Aus der Frequenzverschiebung und der Güteänderung wurde der Meßwert für A(^) bestimmt nach der Formel

ri ," (fz-f.)/f₂

A= = 2 -— i ^ (25)

£" 1/Q₂IZ

Der Mittelwert lag bei A = 21 + 1. Dieser Wert entspricht einer Tabakfeuchte von 4 %, dichteunabhängig gemessen liegt der absolute Feuchtemeßfehler zwischen -0,4 % und +0,2^.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben Es zeigen

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Fig. 1 eine Ausführungsform eines Applikators, Fig. 2 einBlockschaltbild für ein industrielles Feuchtemeßgerät,

Fig. 3 den Verlustwinkel tancf von Wolle über der Meßfrequenz f bei einer DichteS= 0,26 gr/cnr ,

Fig. 4 den nach Fig. 3 gewonnen Verlauf der Feuchteabhängigkeit des tani",

Fig. 5 den Real- und Imaginärteil der komplexen DK von Wolle, Fig. 6 den Feuchteparameter A(^) für Wolle, Fig. 7 den Feuchtemeßfehler als Funktion der Feuchte^ für Wolle,

Fig. 8 A0/0 für Tabak,

Fig. 9 die Meßwerte Α(ψ) nach Gleichung (16), Fig. 10 eine Meßvorrichtung für Tabak.

In Fig. 1 ist eine sogenannte Bildleitung mit zwei Hohlleiteranschlüssen 3 gezeigt. Mit 1 ist die aus einem verlustarmen Dielektrikum höherer DK (6*^6, z.B. Stycast) bestehende Wellenführung bezeichnet, die im Medium 2 mitS**^-verlauft. / Das Schüttgut läuft in Richtung des Pfeiles 4 über die Ebene hinweg und' verändert die Leitungseigenschaften, die · über Reflexions- und Transmissionsfaktoren gemessen werden.

Das Feuchtemeßgerät nach Fig. 2 besteht aus einem Formgeber 5, dem Hornstrahler-Applikator 6, dem Mikrowellennetzwerk mit Oszillatoren und Detektoren 7, der Signalverarbeitung 8, in der z.B. nach Gleichung (9) der dichteunabhängige Ausdruck A(SO berechnet und mit der Eichkurve verglichen wird und der Anzeige 9 für die relative Feuchte.

Aus den Kennlinien nach Fig. 3 werden bei 15 GHz die Meßwerte ausgewertet und Fig. 4 zeigt dann die Feuchteabhängigkeit des tan 6 , der bei 15 GHz am stärksten varriiert, also bei dieser Frequenz die höchste Meßempfindlichkeit erlaubt.

*c)

U naohtran-ioh j C /

/'ε- 2.10.79 030066/0128

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19 ..■ ; KtD 79-0^:ί4

Fig. 5 zeigt dann den Real- und Imaginärteil der komplox^n DK .£ = ά'-06"" von Wolle bei 12,5 GHz und konstant3r i^aucliti.; keit über der Dichte J-', wodurch die Gleichungen (13 una 19) gut bestätigt werden.
5

Fig. 6 zeigt den entsprechend Gleichung (3) aus■ experiiaenti-ellen Werten gewonneiBjiFeuchteparameter A(^!/0 für v/olla mit konstanter Dichte vonJ^J = 0,26 gr/cm in Abhängigkeit von der Feuchtet/-'bei einer Frequenz von 15 GHz.

In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Feuchtemeßfehlers A/---^, nämlich der Betrag nach Gleichung (24) als Funktion-d^r Feuchte '.für Wolle bei einer konstanten DichteJ- = 0,26 gr/cm' gezeigt.

^: -

Fig. 8 zeigt die Werte von A(y) für Tabak mit einer "Dicirc.s ;-. = 0,26 gr/cm als Eichkurve einer praktischen Messung.

Fig. 9 zeigt die Meßwerte A(^) nach Gleichung (16) für Tabak unbekannter Feuchtigkeit in Abhängigkeit von der Dichte. Der Mittelwert von A = 21 + 1 isii,.'in Fig. 8 eingetragen und entspricht einer Feuchtigkeit von 4 %, dichteunabhängig gemessen liegt der absolute Feuchtemeßfehler zwischen -0,4 % und +0,2 %.
-

Fig. 10 zeigt eine Meßvorrichtung in Form eines Wendelresonators (Applikator) zur Aufnahme von Zigaretten und Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Tabak, bestehend aus einem Quarzrohr 11 zur Aufnahme der Zigarette .12, einer Metallwendel 13 zur Einstellung der Resonanzfrequenz, einer HF-Einkopplung 14 und einer Abschirmung 15. Nach dem Einführen der Zigarette ergeben sich die Meßwerte A(Y) nach Gleichung (16).

■-""■_"

030066/0128 BAD ORIGINAL

Claims

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, .STEiNDAMM S?4," 200(OiAMBURG 1

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PATENTANSPRÜCHE: 2S28487

1.J Verfahren zur Messung der relativen Feuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich, bei dem das bekannte Meßgut zunächst zu einer Vormessung in eine bestimmte Raumform gebracht und in einem hinsichtlich seiner mechanischen als auch elektrischen Eigenschaften bekannten Applikator der komplexe Transmissionsfaktor des Meßgutes bei konstanter Dichte und Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Feuchte zwecks Erlangung einer Eichkurve gemessen wird und dann die Messung der komplexen Transmissionsfaktoren der großen Masse des Meßgutes in einem ebenfalls, wie oben ausgeführt, bekannten Applikator erfolgt, dadurchgekennzeichnet, daß bei der Vormessung gleichzeitig der komplexe Reflexionsfaktor zur Erlangung einer Eichkurve der Form A(V) gemessen wird, wobei der Ausdruck für Α(ψ) nur die komplexe Dielektrizitätskonstante als Veränderliche aufweist, wobei

A(V) etwa ist,'.ν

wobei C(V) der Realteil

und £"(y) der Imaginärteil der Dielektrizitäts

konstante bei der Meßfrequenz sind,

; ;

und auch bei der Messung der großen Masse des Meßgutes gleichzeitig der komplexe Reflexionsfaktor gemessen wird.

•2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

E'(Ψ)-Λ

wobei tanider Verlustwinkel bei der Meßfrequenz

ist.

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tifflh

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz 15 GHz beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

() = T-f-t ist,

wobei C₀ die DK in Luft ist, 0-S₁₁) -Sp₁ wobei Rr+ jlp - ^-5—^tj¹ sind,

* ^£ (I₊S₁₁ )²-s₂₁ ²

in dem S₁₁ der komplexe Reflexionsfaktor

und Sp₁ der komplexe Transmissionsfaktor sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

<\-(JL)²-C_nR-

^£o · ^λε

wobei £₀ die DK in Luft ist,

Q-S ₁₁ )²-S₂₁ ² wobei R-+ jlc - ^LL^j—^V sind

Ci₊S₁₁; -S₂₁

und ^ - Wellenlänge im Hohlleiter,

^₀ β Grenzwellenlänge des Hohlleiters sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

wobei . JT β Phasendrehung in einer Meßstrecke

ohne Meßgut, i£.£ = Phasendrehung in einer Meßstrecke

mit Meßgut

und A£ = Transmissionsdämpfung mit Meßgut

sind.

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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

A(y) = 2 1- ist,

(1ZQ₁-IZQ₀)

5 wobei Q_Q = Güte des Resonators ohne Meßgut,

Q₁ = Güte des Resonators mit Meßgut, - f_Q =- Resonanzfrequenz des leeren Resonators,

X₁ = Resonanzfrequenz des mit dem Meßgut ίο gefüllten Resonators sind.

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