DE2928487C2

DE2928487C2 -

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Publication number: DE2928487C2
Application number: DE2928487A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Dipl.-Ing. 2105 Seevetal De Meyer; Wolfram Dr. Dipl.-Phys. 2000 Norderstedt De 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: 1988-09-08
Also published as: NL183961B; GB2057137A; FR2461945A1; JPH0255745B2; JPS6453140A; GB2057137B; US4361801A; JPH0121457B2; CH650862A5; NL183961C; JPS5619443A; NL8003945A; DE2928487A1; PL225602A1; FR2461945B1; PL130757B1; SE8005112L; SE448322B; CA1149020A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der relativen Feuchte ψ eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich, das in folgenden Schritten ausgeführt wird:

a) Ein Meßgut mit bekannten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere mit bekannter relativer Feuchte wird in eine bestimmte Bauform gebracht,
b) in einem Applikator mit bekannten mechanischen und elektrischen Eigenschaften wird eine von der relativen Feuchte abhängige Eichkurve des Meßgutes mit den bekannten Eigenschaften und mit konstanter Dichte und Temperatur über die Messung dessen von der relativen Feuchte abhängigen komplexen Transmissionsfaktors ermittelt,
c) im Applikator wird der komplexe Transmissionsfaktor von Meßgut mit unbekannter relativer Feuchte gemessen, das ansonsten von derselben Art wie das Meßgut mit den bekannten Eigenschaften ist,
d) anhand des komplexen Transmissionsfaktors des Meßgutes mit unbekannter relativer Feuchte wird aus der ermittelten Eichkurve dessen relative Feuchte bestimmt.

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 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 Zustand, wie dort vorgeschrieben, gemessen und dann in einem bestimmten feuchten Zustand, 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 obengenannten 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 _tr in Gramm enthaltenen Wassermenge m _H₂O in Gramm definiert zu

d. h., zur meßtechnischen Bestimmung von ψ sind 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 Dielektrizitätszahl des feuchten Stoffes

ε = ε₀(ε′-j e′′) (2)

bestimmt werden, die aufgrund der spezifischen Wassereigenschaften im Mikrowellenbereich, wie aus dem Buch "Aqueous Dielectrics" von J. B. Hasted, Chapman und Hall, London, insbesondere Seiten 57 und 238, bekannt, ein Maß für die enthaltene Wassermenge sind und daher unter gewissen Bedingungen die Bestimmung der relativen Feuchte ψ ohne die Kenntnis von m _tr bzw. der Dichte des zu untersuchenden Meßgutes ρ [gr/cm³] erlauben.

Der Stand der Technik zeigt, daß die bekannten Mikrowellenfeuchtemeßverfahren die im Stoff bzw. im Meßraum, der eine bestimmte Raumform aufweist, enthaltene absolute Wassermenge messen. Derartige Verfahren sind in "Journal of Microwave Power" 8 (3/4), 1973, im Artikel "Microwave Instrumentation 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 bnis 445, beschrieben. Erst durch eine getrennte Dichtemessung, d. h. zum Beispiel 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 obengenannter Literaturstelle "Mikrowellenmagazin" 6/78 beschriebene Mikrowellenmeßstrecke, siehe dort insbesondere Seite 450, linke Spalte, Abb. 17 bis 19, zeigt eine Eichung mit Meßgutproben definierter Feuchte und eine Zuordnung der Größe ψ, der Streckendämpfung A (db) oder der Phasendrehung Φ in Grad in Form einer Eichkurve A (ψ) bzw. Φ (ψ), wie z. B. auch aus der Literaturstelle "Sonderdruck aus G-I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium", Heft Sept. 1974, Seiten 869 bis 880, Okt. 1974, Seiten 994 bis 1000, in dem Artikel "Feuchtemessungen 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 Kulfiski auf der Seite 368 sowie auf der Seite 369 darauf hingewiesen, daß es Abhängigkeiten von der Dicke des Materials gibt, wie insbesondere auf der Seite 368 in Fig. 6 und in der Fig. 7 gezeigt. Angeblich sollen diese Schütthöhenabhängigkeiten dadurch teilweise eliminiert werden, indem die Phase und die Dämpfung der transmittierten 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 prinzipielle Möglichkeiten einer sogenannten dichteunabhängigen Feuchtemessung rein theoretisch in dem dort genannten Artikel "A Preliminary Study on Microwave Monitoring of Moisture Content in Wheat", ebenfalls von den Autoren Kraszweski, Kuliski 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 enthaltenen Wassermenge ändert.
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 obengenannten 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 Raumform 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 Aufgabe, 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 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. aus 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 Masse des Meßgutes bei konstanten Außenabmessungen 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 ε′ und ε′′ enthält und derart gewählt werden kann, daß A außerdem noch unabhängig von der Dichte des zu untersuchenden Meßgutes ist.

Aus der Literaturstelle Mikrowellenmagazin, Heft 6, 1978, Seiten 441 bis 452, ist zwar bekannt, daß durch die Messung mehrerer Parameter die relative Feuchte von Meßgut unabhängig von dessen Dicke und Dichte zu bestimmen ist; es sind darin aber außer einer wagen Andeutung, zu diesem Zweck gleichzeitig die vom Meßgut verursachte Dämpfung und Phasenverschiebung von das Meßgut durchstrahlende Mikrowellen zu messen, keinerlei konkrete Ansätze zur Lösung des oben angesprochenen Problems enthalten.

Des weiteren ist aus der DE-AS 23 09 278 bekannt, daß der Reflexionsmeßwert und der Dämpfungsmeßwert lediglich zu dem Zweck gleichzeitig gemessen werden, um bei der Justierung der Meßeinrichtung stehende Wellen zwischen Sende- und Empfangsantenne zu unterbinden.

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

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Meßverfahren zur Messung der relativen Feuchte ψ eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich der eingangs genannten Art nach der Erfindung folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

e) mittels eines an sich bekannten Mikrowellennetzwerkes wird außer dem komplexen Transmissionsfaktors (S₂₁) auch der komplexe Reflexionsfaktor (S₁₁) des Meßgutes mit bekannter relativer Feuchte ψ gemessen,
f) die von der relativen Feuchte ψ abhängige Eichkurve A (ψ) wird anhand der Beziehung (1) bestimmt, wobei sich der Realteil ε′ (ψ) und der Imaginärteil ε′′ (ψ) der komplexen Dielektrizitätskonstanten aus folgender Beziehung (2) ergeben:
g) der komplexe Reflexionsfaktor S₁₁ und der komplexe Transmissionsfaktor S₂₁ des Meßgutes mit unbekannter relativer Feuchte werden gemessen,
h) über die Beziehungen (1) und (2) wird der Eichwert A (ψ) ermittelt, mit dessen Hilfe anhand der Eichkurve die relative Feuchte ψ des Meßgutes mit den unbekannten Eigenschaften bestimmbar ist.

Die Größe A (ψ) kann sowohl in Leitungen, im freien Raum als auch in Resonatoren bestimmt werden. Für den freien Raum und für TEM-Leiter, d. h. zum Beispiel für Koaxialleiter, gilt:

wobei

ε₀ die DK in Luft ist und wobei

sind und in dem

S₁₁ der komplexe Reflexionsfaktor und
S₂₁ der komplexe Transmissionsfaktor sind.

Für einen Hohlleiter gilt:

wobei

ε₀ die DK in Luft ist und wobei

sind und

λ = Wellenlänge im Hohlleiter und λ _c = Grenzwellenlänge des Hohlleiters sind.

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

wobei

Φ₀= die Phasendrehung in einer Meßstrecke ohne Meßgut und Φ _ε= die Phasendrehung in einer Meßstrecke mit Meßgut sind und A _ε= der Transmissionsdämpfungsfaktor mit Meßgut ist.

Für einen geschlossenen Resonator gilt:

wobei

Q₀= die Güte des Resonators ohne Meßgut ist, Q₁= die Güte des Resonators mit Meßgut ist, wobei f₀= die Resonanzfrequenz des leeren Resonators und f₁= die Resonanzfrequenz des mit dem Meßgut gefüllten Resonators sind.

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 ε′ und ε′′ enthält und der derart gewählt wird, daß A längen- und dichteunabhängig wird. Es ergibt sich für eine Vielzahl organischer fester Werkstoffe

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 l 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 Z₀ zur komplexen Probenimpedanz Z _ε ergibt sich dann

S₁₁ ist der komplexe Reflexionsfaktor, S₂₁ ist der komplexe Transmissionsfaktor. Mit den Wellenwiderständen für ebene Wellen

und für koaxiale TEM-Wellen gilt:

r₀ ist der Radius des Außenleiters und r _i ist der Radius des Innenleiters. Dann ergibt sich für

und für die Hohlleiterwellen vom H-Typ mit

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

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 mit ε′₁≃ε₀ 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

Φ _ε = β _e · l [rad] (10)

und der Dämpfung

A _ε = α _ε · l [Np] (11)

eliminieren. Mit

ergibt sich für

2) Resonatoren

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

Index 0 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

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 Fall besteht nämlich lediglich die Aufgabe, die zwei einer Impedanzmessung zugänglichen Größen des Meßgutes, nämlich ε′, ε′′, die beide dichte- und feuchteabhängig sind, zu einem dichteunabhängigen Ausdruck A (ψ) zu kombinieren, und dieses kann in ein Gleichung 17 geschrieben werden:

A (ψ) = f [ε′( ρ,ψ),ε′′(ρ,ψ) ] , (17)

wobei ψ die relative Feuchte und ρ die Dichte des Meßgutes sind.

Eigene Messungen an einer Vielzahl organischer Substanzen, wie Wolle, Tee, Tabak, haben ergeben, daß über weite Bereiche der Dichteänderung die komplexe DK mit folgenden Gleichungen angeschrieben werden kann:

ε′(ψ,ρ) = 1 + [ε′(c)-1] ρ/ρ₁ (18)

ε′′(ψ,ρ) = ε′′(ψ) · ρ/ρ₁ (19)

Damit läßt sich ein dichteunabhängiger Feuchteparameter A (ψ) definieren:

Für bestimmte Stoffe, z. B. Wolle, beschreibt die Gleichung 19 die experimentellen Werte nicht hinreichend genau. In derartigen Fällen kann die Gleichung 20 leicht abgewandelt werden. Damit ergibt sich z. B. für Wolle:

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

mit Gleichung 19 folgt dann:

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. dψ 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 Meßfrequenz 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 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 (ψ) des betreffenden Meßgutes verglichen wird, wobei mit Labormessungen hier die im obengenannten 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 von ρ=0,26 gr/cm³ wurden ε′(ψ) und ε′′(ψ) bei 2,4 GHz gemessen und die Eichkurve A (ψ) berechnet. Tabak unterschiedlicher Dichte wurde im Wendelresonator als Applikator gemessen. Aus der Frequenzverschiebung und der Güteänderung wurde der Meßwert für A (c) bestimmt nach der Formel

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 zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Applikators,

Fig. 2 ein Blockschaltbild für ein industrielles Feuchtemeßgerät,

Fig. 3 den Verlustwinkel tan w von Wolle über der Meßfrequenz f bei einer Dichte ρ=0,26 gr/cm³,

Fig. 4 den nach Fig. 3 gewonnenen Verlauf der Feuchteabhängigkeit des tan w,

Fig. 5 den Real- und Imaginärteil der komplexen DK von Wolle,

Fig. 6 den Feuchteparameter A (ψ) für Wolle,

Fig. 7 den Feuchtemeßfühler als Funktion der Feuchte ψ für Wolle,

Fig. 8 A (ψ) für Tabak,

Fig. 9 die Meßwerte A (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 (ε≈6, z. B. Stycast) bestehende Wellenführung bezeichnet, die im Medium 2 mit ε«6 verläuft. Das Schüttgut läuft in Richtung des Pfeils 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 (ψ) 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 in Fig. 4 zeigt dann die Feuchteabhängigkeit des tan δ, der bei 15 GHz am stärksten variiert, also bei dieser Frequenz die höchste Meßempfindlichkeit erlaubt.

Fig. 5 zeigt dann den Real- und Imaginärteil der komplexen DK ε=ε′-j ε′′ von Wolle bei 12,5 GHz und konstanter Feuchtigkeit über der Dichte ρ, wodurch die Gleichungen (18 und 19) gut bestätigt werden.

Fig. 6 zeigt den entsprechend Gleichung (3) aus experimentellen Werten gewonnenen Feuchteparameter A (c) für Wolle mit konstanter Dichte von ρ=0,26 gr/cm³ in Abhängigkeit von der Feuchte ψ bei einer Frequenz von 15 GHz.

In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Feuchtemeßfehlers

nämlich der Betrag nach Gleichung (24) als Funktion der Feuchte für Wolle bei einer konstanten Dichte ρ=0,26 gr/cm³ gezeigt.

Fig. 8 zeigt die Werte von A (ψ) für Tabak mit einer Dichte ρ =0,26 gr/cm³ als Eichkurve einer praktischen Messung.

Fig. 9 zeigt die Meßwerte A (ψ) nach Gleichung (16) für Tabak unbekannter Feuchtigkeit in Abhängigkeit von der Dichte. Der Mittelwert von A=21±1 ist 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 (ψ) nach Gleichung (16).

Claims

Verfahren zur Messung der relativen Feuchte ψ eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen im GHz-Bereich, das in folgenden Schritten ausgeführt wird:
- a) Ein Meßgut mit bekannten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere mit bekannter relativer Feuchte wird in eine bestimmte Raumform gebracht,
- b) in einem Applikator mit bekannten mechanischen und elektrischen Eigenschaften wird eine von der relativen Feuchte abhängige Eichkurve des Meßgutes mit den bekannten Eigenschaften und mit konstanter Dichte und Temperatur über die Messung dessen von der relativen Feuchte abhängigen komplexen Transmissionsfaktors ermittelt,
- c) im Applikator wird der komplexe Transmissionsfaktor von Meßgut mit unbekannter relativer Feuchte gemessen, das ansonsten von derselben Art wie das Meßgut mit den bekannten Eigenschaften ist,
- d) anhand des komplexen Transmissionsfaktors des Meßgutes mit unbekannter relativer Feuchte wird aus der ermittelten Eichkurve dessen relative Feuchte bestimmt,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- e) mittels eines an sich bekannten Mikrowellennetzwerkes wird außer dem komplexen Transmissionsfaktor (S₂₁) auch der komplexe Reflexionsfaktor (S₁₁) des Meßgutes mit bekannter relativer Feuchte ψ gemessen,
- f) die von der relativen Feuchte ψ abhängige Eichkurve A (ψ) wird anhand der Beziehung (1) bestimmt, wobei sich der Realteil ε′ (ψ) und der Imaginärteil ε′′ (ψ) der komplexen Dielektrizitätskonstanten aus folgender Beziehung (2) ergeben:
- g) der komplexe Reflexionsfaktor S₁₁ und der komplexe Transmissionsfaktor S₂₁ des Meßgutes mit unbekannter relativer Feuchte werden gemessen,
- h) über die Beziehungen (1) und (2) wird der Eichwert A (ψ) ermittelt, mit dessen Hilfe anhand der Eichkurve die relative Feuchte ψ des Meßgutes mit den unbekannten Eigenschaften bestimmbar ist.