DE2943927A1 - Vorrichtung zur messung der in materialien enthaltenen feuchtigkeit - Google Patents

Description

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A 43 836 m Anm.: C.I.S.E. Centro Informazioni

OQ okf 1Q7Q Studi Esperienze S.p.A. 29. Okt. 1979 _{via Carducci 14}

m - 18o Milan (Italy)

Beschreibung

Vorrichtung zur Messung der in Materialien enthaltenen Feuchtigkeit

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der in Mate rialien oder Werkstoffen enthaltenen Feuchtigkeit. Insbesondere eignet sich ein Meßinstrument gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes in Erde und Sand.

Das Problem der Messung des Feuchtigkeitsgehaltes von Körpern, ohne dabei deren physikalische und chemische Eigenschaften wesentlich zu verändern, ist in der modernen Wissenschaft und gewerblichen Meßtechnik von großer Bedeutung.

Verschiedene Methoden, wie sie bisher für derartige Messungen Anwendung fanden, beruhten auf radioaktiven und elektrischen Techniken. Mit Bezug auf die erstere Meßart ist die erzielbare Genauigkeit vollkommen unbefriedigend und ihre Anwendung ist im Hinblick auf die damit verbundenen hohen Kosten und den hohen Betriebsaufwand nicht zu empfehlen, wobei der hohe Betriebsaufwand auf die Anwesenheit intensiver Strahlung und hoher Energie zurückzuführen ist.

Von wenigen Ausnahmen abgesehen, die jedoch im Hinblick auf die mit ihnen erzielbare, geringe Genauigkeit irrelevant sind, nutzen auf elektrischen Arbeitstechniken basierende Instrumente Radiofrequenz- oder Mikrowellensignale aus und beruhen auf Absorptionsoder Resonanz-Frequenzmessungen.

Diese beiden elektrischen Methoden sind für die Messung an bestimmten Materialtypen wie beispielsweise Erde ungeeignet.

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In dieser Hinsicht sind Resonanzverfahren ziemlich unbrauchbar für Messungen an Stoffen mit hohem Wassergehalt (in Erde übersteigt dieser Gehalt bisweilen 7o Vol.%), während Absorptionsverfahren zu Ergebnissen führen, die vom (von einer Erdsorte zur anderen variierenden) Salzgehalt und von der Temperatur abhängen und außerdem eine Probe konstanter Abmessungen erfordern.

Es ist daher von erheblicher Bedeutung, ein preiswertes Meßinstrument zu schaffen, welches einmal eine von der Erdsorte, dem SaIzgehalt* der Teilchengröße und der Temperatur unabhängige Messungen liefert und bei dem die Messung außerdem aus Gründen offensichtlicher Vereinfachung weiterhin unabhängig von der Länge der Probe ist und so ausgeführt wird, daß man direkt ein hohlzylindrisches, metallisches Stanz- oder Bohrwerkzeug ausnutzt, mit dem normalerweise Erdproben aus dem Boden aus mehr oder weniger großer Tiefe an die Oberfläche heraufgebracht werden. Hierin liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Erfüllung aller zuvor genannter Anforderungen durch ein Instrument gelöst, welches folgende Merkmale aufweist:

a) einen Signalgenerator für Mikrowellen konstanter Amplitude;

b) einen Hohlleiter-Behälter für eine Probe des zu messenden, feuchten Materials;

c) einen Mikrowellendetektor und

d) einen eine hohe Richtwirkung besitzenden, zwischen Generator, Behälter und Detektor angeordneten Richtkoppler, der das vom Generator erzeugte Mikrowellensignal mit konstanter Amplitude zum Behälter und das vom Material im Behälter reflektierte, in seiner Amplitude von der Materialfeuchtigkeit abhängige Mikrowellensignal zum Detektor weiterleitet.

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Mit anderen Worten: eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung beruht auf der Erzeugung eines Mikrowellensignals konstanter Amplitude, welches zu einer feuchten Materialprobe geleitet wird. Die Probe ist in einem Wellenleiter passender Gestalt enthalten. Von der Probe wird ein Mikrowellensignal reflektiert, dessen Amplitude mit der Dielektrizitätskonstante des Probenmaterials und somit in Abhängigkeit von dessen Feuchtigkeitsgehalt variiert. Die Amplitude des reflektierten Signals wird durch einen Detektor in Gestalt einer Spannung erfaßt und stellt nach geeigneter analoger, digitaler¹ oder einfach manueller Weiterbehandlung das Meßergebnis für den Viassergehalt des zu prüfenden Materials dar.

Eine Messung dieser Art erfordert offensichtlich, daß der Generator eine absolut konstante Leistung unter äußerst verschiedenen Betriebsbedingungen (Temperatur, atmosphärische Feuchtigkeit, Belastung etc.) emittiert.

Dem kann dadurch Rechnung getragen werden, daß man entweder die an das aktive Element des Generators angelegte Spannung vor jeder Meßreihe manuell einstellt (falls beispielsweise bei dem Oszillator die Leistung von der Speisespannung abhängt), oder daß man bei einer verfeinerten Apparatur zur Steuerung der Signalleistung ein automatisches Steuersystem verwendet. In letzterem Fall wird unter der Annahme, daß es sich bei dem Generator um einen Oszillator des zuvor erwähnten Typs handelt, ein Teil der vom Oszillator erzeugten Signalenergie vor dem Richtkoppler abgezweigt und von einem weiteren Detektor erfaßt. Die von diesem v/eiteren Detektor erfaßte Spannung wird anschließend verstärkt und mit einer Bezugsspannung verglichen, um ein in den Oszillator eingespeistes Fehlersignal zu erzeugen.

Es ist vorteilhaft, wenn das vom Generator erzeugte Signal einen sehr geringen Gehalt an Harmonischen besitzt, da Detektoren bekanntlich für Signale der harmonischen Frequenzen sehr empfindlich sind. In der Tat arbeitet eine Schaltung bei Anwesenheit von harmonischen Frequenzen nicht korrekt. - 6 -

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Die Notwendigkeit für eine einfache und wirksame, automatische oder nichtautomatische Steuerung der Generatorleistung zusammen mit dem Erfordernis einer Steuerung des harmonischen Frequenzsignals läßt es insbesondere vorteilhaft erscheinen, einen Generator in Gestalt eines besonderen Gunndioden-Oszillators zu verwenden, der seinerseits Gegenstand einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin ist. Dieser Oszillator zeichnet sich im wesentlichen durch eine Hilf sresonanzkainmer aus, welche für die Grundfrequenz unzugänglich ist und mit einer Abstimmeinr-ichtung versehen ist, die es ihrerseits gestattet, die von der Gunndiode aus bei den harmonischen Frequenzen erblickte Lastimpedanz zu variieren, ohne dabei in irgend einer Weise deren Verhalten bei der Grundfrequenz zu beeinflussen.

Die Verwendung dieses Oszillators vermeidet kostspielige Schaltungen, die auf die Notwendigkeit einer zerstreuenden Ausfilterung des Signals oder den Anschluß aktiver Elemente zur automatischen Steuerung des Leistungsniveaus hinter d&m Resonanzhohlraum und vor den Detektoren zurückgehen.

Um es genauer zu erläutern, erfordert die Notwendigkeit eines spektralreinen und stabilen Signals die Anwendung einer Hohlleiterkammer, die eine merklich größere Selektivität besitzt als Koaxialkabel- oder Bandleitungs-Hohlräume. Wellenleiterhohlräume zeigen jedoch starke Fluktuationen oder Schwankungen in den Ausgangsleistungskurven mit Bezug auf die Speisespannung der Gunndiode. Diese Schwankungen bedeuten, daß bei steigender Speisespannung die Ableitung der Leistung bezüglich der Spannung das Vorzeichen wechseln kann, wodurch die Möglichkeit gefährdet ist, das Leistungsniveau des Oszillators durch die an die Diode angelegte Spannung elektronisch zu steuern. Wie in dem Aufsatz von E.M. Bastida "Harmonie effects on the bias-tuning features of waveguide Gunn diode oscillators" gezeigt, können durch entsprechendes Variieren der von der Diode her bei den harmonischen Frequenzen, insbesondere bei der zweiten, harmonischen Frequenz ge-

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sehenen Impedanz die Leistungs-Spannungs-Kurven frei von Schwankungen erhalten werden. Auf der einen Seite erlaubt die Abwesenheit dieser Schwankungen eine automatische Steuerung des Oszillatorleistungsniveaus, auf der anderen Seite wird hierdurch eine rasche Variation des Leistungsgehalts des vom Oszillator erzeugten Signals verhindert. Die Möglichkeit zur Erzeugung von Signalen mit gesteuerter Amplitude gerade bei harmonischer Frequenz ist wesentlich für die Genauigkeit der Messung, und zwar wegen der hohen Empfindlichkeit des Detektors auf Signale dieses Typs und wegen der beträchtlichen Steigerung der Kosten und der Gesamtgröße der Apparatur, die mit einer Verwendung von harmonischen Wellenleiterfiltern verbunden ist. Die notwendige und hinreichende Bedingung, um diesen Anforderungen zu genügen, reicht aus, um die von der Diode aus bei den harmonischen Frequenzen gesehene Impedanz zu verändern, ohne dabei die Impedanz bei der Grundfrequenz zu variieren. Genau dieses geschieht im Fall des zuvor erwähnten Gunndioden-Oszillators.

Schließlich ist es vorteilhaft, einen Behälter für die zu untersuchende, feuchte Probe zu benutzen, der es gestattet, die Messung direkt in dem metallischen Stanzwerkzeug vorzunehmen, welches für die Probenentnahme verwendet wird. Dieser Behälter, der mit geringen Kosten in einfacher Weise hergestellt werden kann, umfaßt im wesentlichen einen kreiszylindrischen Wellenleiter, der an einen Wellenleiter mit Rechteckquerschnitt mittels eines scharfen Übergangs gekoppelt ist. Ferner ist in dem kreiszylindrischen Wellenleiter radial eine Lamelle angeordnet. Das Stanzwerkzeug wird hinter der Lamelle angeordnet, wobei man eine Änderung des Innendurchmessers des kreiszylindrischen Hohlleiters ausnutzt und als Aufnahme für das Stanzwerkzeug verwendet. Der Zweck der erwähnten Lamelle liegt darin, eine mögliche Resonanz zu vermeiden, die auf die Anwesenheit irgendwelcher transversaler Komponenten des TE₁ ..-Modes oder einer Komponente transversal zum TM .-Modes des zirkulären Wellenleiters zurückgeht. Solche Komponenten könnten entweder durch eine ungenaue Zentrierung während des

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Zusammenbaus oder durch irgend eine Ungleichformigkeit der Probe angeregt werden.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Grundschaltung für eine

Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines automatischen Steuersystems für den in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Mikrowellengenerator;

Fig. 3 ein Beispiel für einen Gunndioden-Hohlleiter-

oszillator;

Fig. 4 einen Axialschnitt eines Probenbehälters;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V

in Fig. 4 und

Fig. 6 eine typische Resonanzkurve für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Das schematisch in Fig. 1 dargestellte Instrument umfaßt einen Signalgenerator 1 für Mikrowellen konstanter Amplitude, Dieser Generator besteht aus einem Oszillator, dessen Leistung durch entsprechende Steuerung der Speisespannung gesteuert werden kann. Das vom Generator 1 erzeugte Signal wird über einen Richtko.ppler hoher Richtkraft (beispielsweise einen Zirkulator) einem Hohlleiterbehälter 3 zugeleitet, welcher eine Probe aus feuchtem Material 4 enthält, dessen Feuchtigkeitsgehalt gemessen werden soll. Die leuchte Materialprobe erzeugt ein reflektiertes Signal, dessen

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Amplitude von der Dielektrizitätskonstante der untersuchten Probe und damit von deren Feuchtigkeitsgehalt abhängt. Der Richtkoppler 2 führt das reflektierte Signal zu einer Detektordiode 5 hin, welche ihrerseits ein Spannungssignal Vu erzeugt, das zur Amplitude des erwähnten reflektierten Signals proportional ist. Ein geeigneter elektronischer Prozessor 6 wandelt schließlich das Signal Vu in den Meßwert für den Wassergehalt der feuchten Probe bezogen auf die Volumeneinheit um.

Um die erforderliche Konstanz der vom Generator 1 gelieferten Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Last etc.) sicherzustellen, wird ein automatisches Steuersystem für den Oszillator vorgesehen, bei dem ein Teil des erzeugten Signals vor dem Richtkoppler 2 abgezweigt und von einer Detektordiode 7 erfaßt wird. Die Spannung an dieser Diode wird verstärkt und anschließend mit einer Bezugsspannung in einem Fehlersignalgenerator 8 verglichen, aus welchem ein

Fehlersignal V austritt und der Speisequelle für den Generator zugeleitet wird. Ein Ausführungsbeispiel für einen Fehlersignalgenerator 8 ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Generator umfaßt zwei Verstärker 9 und 1o für die Bezugsspannung V . _f bzw. für die von der Detektordiode 7 erfaßte Spannung, ferner einen Differentialverstärker 11 sowie einen Ausgangsverstärker 12 für die Steuerung des Generators 1. Der vorzugsweise verwendete Mikrowellengenerator ist in Fig. 3 dargestellt und umfaßt einen Wellen- oder Hohlleiter 13 mit einer rechteckigen Hauptkammer 14, von welcher seitlich eine zylindrische Hilfskammer 15 abzweigt, die mit der Hauptkammer durch einen verengten Durchgang 16 in Verbindung steht. Der Durchgang 16 ist so bemessen, daß lediglich harmonische Frequenzen des in der Hauptkammer vorliegenden Signals in die Hilfskammer eintreten können, nicht jedoch die Grundfrequenz der Hauptkammer. In der Hauptkammer 14 ist eine Gunndiode mit Polarisator 19 angeordnet, und zwar zwischen der Basiswand des Hohlleiters und einem vertikal fixierten Stift 17. In der

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Hilf skammer 15 befindet sich eine harmonische Abstimmschraube 2o, die es gestattet, die Reaktanz der Kanuner 15 gegenüber den harmonischen Signalkomponenten zu verändern, so daß die bei den harmonischen Frequenzen von der Gunndiode her gesehene Lastimpedanz variiert, ohne daß sich deren Verhalten bei der Fundamentalfrequenz ändert.

Ein besonders vorteilhafter Probenbehälter ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Dieser Behälter ermöglicht es, Messungen direkt in dem Stanzeisen auszuführen, welches in herkömmlicher Weise zum Herausziehen von Erdproben aus verschiedenen Tiefen des Erdreichs benutzt wird. Der Behälter umfaßt einen Wellenleiter 21 mit rechteckigem Querschnitt, der mit dem obenerwähnten Richtkoppler 2 in Verbindung steht. Mit dem Wellenleiter 21 ist über einen scharfen Übergang ein Wellenleiter kreisförmigen Querschnitts gekoppelt. In den Wellenleiter 22 ist eine Absorptionslamelle 23 mit einem dielektrischen Träger 24 eingesetzt, um Diskontinuitätseffekte zu kompensieren, die von dem plötzlichen Übergang zwischen den beiden Wellenleitern 21 und 22 herrühren können. Das die Probe feuchten Materials 4 enthaltende Stanzeisen 25 wird in den einen kreisförmigen Querschnitt besitzenden Wellenleiter 22 hinter der Lamelle 23 in einen Aufnahmebereieh 26 größeren Durchmessers eingesetzt, der am freien Ende des Wellenleiters 22 vorgesehen ist.

Bei Testversuchen wurde eine Anordnung mit folgendem Aufbau verwendet: ein Generator 1 in Gestalt des in Fig. 3 dargestellten Oszillators (mit einem Wellenleiter des Typs WR-9o), eine Steuerschaltung wie in Fig. 2 dargestellt, ein Behälter 3 entsprechend Fig. 4 und 5 und ein Wellenleiter-Richtkoppler I₁ wie er unter der Bezeichnung LTT AR232o im Handel ist, ferner Detektordioden 5 und 7 des Typs HP 362A sowie ein Wellenleiter (T type Silver Lab PM 7275X) 2UiR Abtrennen desjenigen Signal teils, der für die automatische Steuerung des Oszillators ausgenutzt wird,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere in der zuvor angegebenen Anordnung, hat eine Ansprechkurve gemäß Fig. 6.

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Claims (4)

1. DR-ING. OIPL.-ΙΝβ. M. SC. tili>L.-PH> S. OH. DIPL-PHYS. OIPL.-PHYS OR

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   PATENTANWÄLTE IN STUTTGART i£ B 4 3 3 2 /

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   Patentansprüche

   .) Vorrichtung zur Messung der in Materialien enthaltenen Feuchtigkeit, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   a) ein Signalgenerator (1) für Mikrowellen konstanter Amplitude;

   b) ein Hohlleiter-Behälter (3) für eine Probe des zu messenden, feuchten Materials (4);

   c) ein Mikrowellendetektor (5);

   d) ein einen hohen Richtwert besitzender, zwischen Generator (1), Behälter (3) und Detektor (5) angeordneter Richtkoppler (2), der das vom Generator (1) erzeugte Mikrowellensignal mit konstanter Amplitude zum Behälter (3) und das vom Material (4) im Behälter (3) reflektierte, in seiner Amplitude von der Materialfeuchtigkeit abhängige Mikrowellensignal zum Detektor (5) weiterleitet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß der Generator (1) ein Oszillator ist, dessen Leistung in Abhängigkeit von seiner eigenen Speisespannung variiert, und daß eine automatische Kontrolleinrichtung für diesen Oszillator vorgesehen ist mit Mitteln zur Abzweigung eines Teils der vom Oszillator erzeugten Signalleistung und mit Mitteln (8) zum Vergleichen dieses Signalteils mit einem Referenzsignal, wodurch ein dem Oszillator zugeleitetes Fehlersignal erzeugbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) ein Gunndioden-Hohlleiteroszillator ist, mit

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   ORIGINAL INSPECTED

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   einer Hauptkammer (14) zur Aufnahme einer Gunndiode (18) und mit einer Hilfskammer (15), die für die Grundfrequenz des in der Hauptkammer (14) vorliegenden Signals unzugänglich ist und eine harmonische Abstimmeinrichtung (2o) enthält, welche ihrerseits eine Veränderung der von der Gunndiode (18) aus ge sehenen Lastimpedanz bei den harmonischen Frequenzen ermöglicht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) einen Hohlleiter (21) mit Rechteckquerschnitt umfaßt, der durch einen scharfen Übergang an einen Hohlleiter {22) mit kreisförmigem Querschnitt angekoppelt ist, und daß der Hohlleiter (22) mit kreisförmigem Querschnitt eine Absorptionslamelle (23) zur Kompensierung der auf den scharfen übergang zurückgehenden Einflüsse enthält sowie eine Aufnahmeeinrichtung (26) zur Aufnahme eines Stanzbehälters (25) für eine Probe mit zu messendem Material aufweist.

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