DE9306441U1

DE9306441U1 - Probe for material moisture sensor

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Publication number: DE9306441U1
Application number: DE9306441U
Authority: DE
Original assignee: IMKO Intelligente Micromodule Kohler GmbH
Current assignee: IMKO Micromodultechnik GmbH
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1993-04-29
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2003-04-30

Description

HANS TRAPPEMBERGHANS TRAPPEMBERG Patentingenieur - Europaischer PatentvertreterPatent Engineer - European Patent Attorney HEIMZ DIMMERLIMGHOME DIMMERLIMG PatentanwaltPatent Attorney

28.04.1993 D/n
ID 046528.04.1993 D/n
ID0465

imko Intelligente Micromodule Köhler GmbH
Im Stock 11, 7505 Ettlingen 6imko Intelligent Micromodules Köhler GmbH
On the floor 11, 7505 Ettlingen 6

Probe for material moisture sensor

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der Materialfeuchte eines Mediums durch Bestimmung dessen Dielektrizitätskonstante, welches Medium das Dielektrikum einer Meßleitung bildet, mit Hilfe eines Signalgebers, der ein pulsförmiges Signal in das eine Ende der Meßleitung einspeist und eines Empfängers, der an demselben Ende das am anderen Ende der Meßleitung reflektierte Signal empfängt, sowie eine Einrichtung zum Messen der Zeit, die zwischen dem Beginn des Einspeisens des Signals und dem Eintreffen des reflektierten Signals verstreicht.The invention relates to a device for determining the material moisture of a medium by determining its dielectric constant, which medium forms the dielectric of a measuring line, with the aid of a signal generator that feeds a pulse-shaped signal into one end of the measuring line and a receiver that receives the signal reflected at the other end of the measuring line at the same end, as well as a device for measuring the time that elapses between the start of the signal feed and the arrival of the reflected signal.

Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Materialfeuchte eines Mediums bekannt. So gibt es neben chemischen Verfahren auch elektrische Verfahren zur Materialfeuchtebestimmung. Zum einen kann die Materialfeuchte mittels einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung bestimmt werden. Dieses Verfahren nimmt einen bevorzugten Platz ein, weil es apparativ einfach und preisgünstig durchführbar ist. Des weiteren kann die Materialfeuchte praktisch verzögerungsfrei kontinuierlich gemessen werden.There are various methods and devices known for determining the material moisture content of a medium. In addition to chemical methods, there are also electrical methods for determining material moisture content. On the one hand, the material moisture content can be determined using an electrical conductivity measurement. This method is preferred because it is simple and inexpensive to carry out. Furthermore, the material moisture content can be measured continuously with practically no delay.

Zum anderen kann die Materialfeuchte mittels einer Dielektrizitätskonstantenbestimmung gemessen werden. Zwischen der Dielektrizitätskonstante eines Mediums und dessen Feuchtigkeitsgehalt besteht ein monotoner eindeutiger Zusammenhang.On the other hand, the material moisture can be measured by determining the dielectric constant. There is a monotonic unambiguous relationship between the dielectric constant of a medium and its moisture content.

Die Dielektrizitätskonstante kann mittels einer Anordnung, bei der das zu messende Medium zwischen zwei Platten gebracht wird, über die Kapazität der Anordnung bestimmt werden. Hierbei treten jedoch entweder meßtechnische Probleme oder hinderliche Größen der Kondensatorplatten auf.The dielectric constant can be determined using an arrangement in which the medium to be measured is placed between two plates, via the capacitance of the arrangement. However, this can lead to either measurement problems or obstructive dimensions of the capacitor plates.

Die vorgenannten Probleme werden bei der sogenannten Echomethode umgangen. Hier bildet der Leiter eine endlichlange offene Leitung bekannter Geometrie. An dem elektrischen Anschluß wird ein elektrischer Puls eingeleitet und die Zeit bis zur Rückkehr des Echos vom Ende der Leitung gemessen. Es ist bekannt, die Leitung in Form zweier paralleler Spieße auszubilden, die in das Meßgut gesteckt werden. Aus der Laufzeit des Echos kann man auf die Dielektrizitätskonstante des Mediums und weiter auf den Wassergehalt schließen.The aforementioned problems are avoided with the so-called echo method. Here, the conductor forms a finitely long open line of known geometry. An electrical pulse is introduced at the electrical connection and the time until the echo returns from the end of the line is measured. It is known to form the line in the form of two parallel spikes that are inserted into the material being measured. From the travel time of the echo, one can deduce the dielectric constant of the medium and also the water content.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Echomethode beschrieben.An embodiment of the echo method is described in Fig. 1.

Auf einer am Ende offenen Meßleitung, bestehend aus zwei parallelen Meßstäben 7a, 7b, wird ein Spannungsanstieg mit möglichst steiler Signalflanke durch eine Signalquelle Kl erzeugt, die mit vernachlässigbarer Länge der Zuleitung angeschlossen ist. Der Innenwiderstand der Signalquelle Kl entspricht dem Wellenwiderstand der offenen Leitung 7a, 7b, soweit dieser mit einfachen Mitteln für die Mitte des Meßbereichs nachbildbar ist. Auf diese Weise entstehen an der Verbindung zwischen dem Ausgang der Signalquelle Kl und der Meßleitung 7a, 7b bei geeignetem Meßbereich wenig störende Reflexionen. Am offenen Ende der Meßleitung 7a, 7b tritt volle Reflexion auf. Das Echo erreichte den Anfang der Leitung einer Zeit, die abhängig von den durch die Feuchte des Dielektrikums beeinflußten physikalischen Daten der Leitung 7a, 7b ist. Durch einen Schwellwertschalter K2, der die Spannung am elektrischen Anschluß der Meßstäbe 7a, 7b mit vorgegebenen Werten vergleicht, wird ein Torsignal für einen Zähler 5 erzeugt, der nur in der Zeit zwischen Beginn der Erregung und dem Eintreffen des Echos Impulse eines freilaufenden Oszillators 3 zählt. Der Zähler 5 ist seinerseits mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 6 verbunden. Der Beginn der Toröffnung kann vorteilhaft auch durch die Signalquelle Kl verzögert eingeleitet werden, so daß eine öffnung erst erfolgt, nachdem die Reflexion am Anschluß der Meßstäbe vorüber ist.On a measuring line that is open at the end and consists of two parallel measuring rods 7a, 7b, a voltage rise with the steepest possible signal edge is generated by a signal source Kl that is connected to the supply line with a negligible length. The internal resistance of the signal source Kl corresponds to the characteristic impedance of the open line 7a, 7b, insofar as this can be reproduced with simple means for the middle of the measuring range. In this way, few disturbing reflections occur at the connection between the output of the signal source Kl and the measuring line 7a, 7b with a suitable measuring range. Full reflection occurs at the open end of the measuring line 7a, 7b. The echo reached the beginning of the line in a time that depends on the physical data of the line 7a, 7b influenced by the moisture in the dielectric. A threshold switch K2, which compares the voltage at the electrical connection of the measuring rods 7a, 7b with predetermined values, generates a gate signal for a counter 5, which only counts pulses of a free-running oscillator 3 in the time between the start of the excitation and the arrival of the echo. The counter 5 is in turn connected to an evaluation and display device 6. The start of the gate opening can also advantageously be delayed by the signal source Kl, so that opening only occurs after the reflection at the connection of the measuring rods has passed.

Durch die Variation der Materialfeuchte ändert sich die Dieleketrizitatskonstante und damit der Kapazitätsbelag des Mediums, das die Stäbe der Meßleitung 7a, 7b umgibt. Nachdem die geometrischen Daten derThe variation in the moisture content of the material changes the dielectric constant and thus the capacitance of the medium surrounding the rods of the measuring line 7a, 7b. After the geometric data of the

Meßleitung 7a, 7b konstant sind, folgt daraus ein bekannter Zusammenhang zwischen Materialfeuchte und gemessener Laufzeit des Echos. Dieser kann durch eine Gleichung oder eine Eichkurve gegeben sein.If the measuring lines 7a, 7b are constant, a known relationship follows between the material moisture and the measured echo travel time. This can be given by an equation or a calibration curve.

Obwohl mit der zuvor beschriebenen Anordnung zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, hat sie doch den Nachteil, daß die Meßstäbe 7a, 7b sehr lang sein müssen, wenn man eine hohe Empfindlichkeit der Anordnung erreichen will. Wegen der Länge der Meßstäbe 7a, 7b gestaltet sich die Handhabung der Anordnung oftmals nicht einfach.Although the arrangement described above achieves satisfactory results, it has the disadvantage that the measuring rods 7a, 7b must be very long if a high sensitivity of the arrangement is to be achieved. Due to the length of the measuring rods 7a, 7b, handling the arrangement is often not easy.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sie bei hoher Empfindlichkeit einfach zu handhaben ist.It is the object of the invention to design a device of the type mentioned at the outset in such a way that it is easy to handle while maintaining high sensitivity.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.The problem is solved by the characterizing features of claim 1.

Erfindungsgemäß wird die Meßleitung als eine Sonde ausgebildet, welche einen Körper aufweist, welcher im Bereich seiner Oberfläche elektrische Leiter hat. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Meßleitung läßt sich diese auch bei relativ großer Länge der elektrischen Leiter einfach handhaben. Die Meßleitungen sind nun keine schwierig zu handhabenden langen Stäbe mehr, sondern befinden sich am Umfang eines Körpers, der abhängig von an die Stabilität beziehungsweise Handhabbarkeit der Meßleitung gestellten Anforderungen ausgebildet sein kann. Als besonders vorteilhaft hat sich ein zylinderförmiger Körper herausgestellt.According to the invention, the measuring line is designed as a probe which has a body which has electrical conductors in the area of its surface. The design of the measuring line according to the invention makes it easy to handle even when the electrical conductors are relatively long. The measuring lines are no longer long rods that are difficult to handle, but are located on the circumference of a body which can be designed depending on the requirements placed on the stability or handling of the measuring line. A cylindrical body has proven to be particularly advantageous.

Die Meßleitung kann zur Erhöhung ihrer Länge den Körper spiralförmig umschlingen oder meanderförmig an seiner Oberfläche verlaufen. Durch eine solche Anordnung kann die wirksame Länge der Meßleitung sehr groß ausgelegt werden, ohne daß dabei die Sonde zu große geometrische Ausmaße annimmt. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Sonde mit einem isolierenden überzug versehen ist, welcher eine konstante Dielektrizitätskonstante hat. Dadurch wird die Meßleitung vor mechanischen Beschädigungen geschützt, ohne daß das Meßergebnis verfälscht wird.To increase its length, the measuring line can wrap around the body in a spiral or run along its surface in a meandering manner. With such an arrangement, the effective length of the measuring line can be made very large without the probe assuming excessive geometric dimensions. A further embodiment of the invention provides that the probe is provided with an insulating coating which has a constant dielectric constant. This protects the measuring line from mechanical damage without distorting the measurement result.

Zur Messung des Feuchtegehalts eines Mediums kann in das Medium ein Rohr gesteckt werden, dessen Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser der Sonde ist. In das Rohr wird dann die Sonde eingeführt. Somit kann die Sonde zum einen schnell aus dem Medium entfernt werden, um beispielsweise gegen eine andere ausgetauscht zu werden, zum anderen ist es durch diese Anordnung auch möglich, durch Verschieben der Sonde, den Feuchtegehalt ohne großen Aufwand an unterschiedlichen Stellen des Mediums zu messen.To measure the moisture content of a medium, a pipe can be inserted into the medium, the inner diameter of which is slightly larger than the outer diameter of the probe. The probe is then inserted into the pipe. This means that the probe can be quickly removed from the medium, for example to be replaced with another one, and this arrangement also makes it possible to measure the moisture content at different points in the medium without much effort by moving the probe.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Sonde an einem Ende spitz zuläuft. Hierdurch kann die Sonde ohne Verwendung eines Rohrs direkt in das zu messende Medium gesteckt werden. Insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung der Sonde ist der schützende überzug aus einem Material mit konstanter Dielektrizitätskonstante sehr vorteilhaft.A further embodiment of the invention provides that the probe tapers to a point at one end. This means that the probe can be inserted directly into the medium to be measured without using a tube. In particular, with such a design of the probe, the protective coating made of a material with a constant dielectric constant is very advantageous.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.Further details, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

Fig. 2 eine Sonde mit einer meanderförmig verlaufenden elektrischen Leitung; undFig. 2 a probe with a meandering electrical line; and

Fig. 3 eine Sonde mit schraubenförmiger Anordnung der elektrischen Leitung und einem spitz zulaufenden Ende.Fig. 3 a probe with a helical arrangement of the electrical line and a tapered end.

In Fig. 2 ist eine zylinderformige Sonde 1 gezeigt, welche meanderförmig verlaufende elektrische Leiter 7c, 7d auf ihrem Körper 2 aufweist. Die elektrischen Leiter 7c und 7d verlaufen in einem Abstand voneinander, der von dem zu messenden Medium abhängt. Wie deutlich zu sehen ist, erhöht sich durch die meanderförmige Anordnung die Länge der elektrischen Leitung 7c, 7d auf ein Vielfaches der Länge, die Stäbe aufweisen wurden, deren Länge der Höhe der Sonde entspräche. Durch die derart vergrößerte Länge der Meßleitung wird die Emfpindlichkeit der Anordnung stark erhöht. In Fig. 2, a cylindrical probe 1 is shown which has meandering electrical conductors 7c, 7d on its body 2. The electrical conductors 7c and 7d run at a distance from each other that depends on the medium to be measured. As can be clearly seen, the meandering arrangement increases the length of the electrical line 7c, 7d to a multiple of the length that rods would have whose length would correspond to the height of the probe. The sensitivity of the arrangement is greatly increased by the increased length of the measuring line.

Fig. 3 zeigt eine zylinderformige Sonde I¹, deren unteres Ende 8 spitz zuläuft. Hierdurch läßt sie sich sehr leicht in ein Medium einführen, dessen Feuchtegehalt gemessen werden soll. Der Körper 2¹ der Sonde 1· weist an seiner Oberfläche schraubenförmig verlaufende elektrische Leiter 7e, 7f auf. Auch hierdurch hat sich die wirksame Länge der Meßleitung stark erhöht. Zum Schutz vor Beschädigungen ist die Sonde mit einem isolierenden überzug konstanter Dielektrizitätskonstante versehen.Fig. 3 shows a cylindrical probe ¹¹ whose lower end 8 is tapered. This makes it very easy to insert it into a medium whose moisture content is to be measured. The body ²¹ of the probe 1 has helical electrical conductors 7e, 7f on its surface. This also greatly increases the effective length of the measuring line. To protect it from damage, the probe is provided with an insulating coating with a constant dielectric constant.

Obwohl die vorstehend beschriebenen Sonden einen zylinderförmigen Körper 2, 2· besitzen, kann der Körper je nach Anforderung auch eine andere Gestalt haben. So kann er dreieckig, viereckig, sechseckig oder auch oval sein. Des weiteren kann der Körper 2, 2' innen hohl sein. Auch die Ausbildung als Platte ist möglich. Zu beachten ist jedoch, daß sich im Bereich der Oberfläche in einem Abstand verlaufende elektrische Leiter befinden, deren Verlauf auf das Erreichen einer maximalen Länge ausgerichtet ist.Although the probes described above have a cylindrical body 2, 2·, the body can also have a different shape depending on requirements. It can be triangular, square, hexagonal or even oval. Furthermore, the body 2, 2' can be hollow inside. It can also be designed as a plate. However, it should be noted that in the area of the surface there are electrical conductors running at a distance, the course of which is aligned to achieve a maximum length.

Claims

HANS TRAPPENBERG Patent engineer - European patent representative HEINZ DIMMERLING Patent attorney 28.04.1993 D/n ID 0465 imko Intelligente Micromodule Köhler GmbH Im Stock 11, 7505 Ettlingen 6 Probe for material moisture sensor PROTECTION CLAIMS

1. Device for determining the material moisture of a medium by determining its dielectric constant, which medium forms the dielectric of a measuring line (7a, 7b; 7c, 7d; 7e, 7f), with the aid of a signal generator (Kl) which feeds a pulse-shaped signal into one end of the measuring line (7a, 7b; 7c, 7d; 7e, 7f) and a receiver (K2) which receives at the same end the signal reflected at the other end of the measuring line (7a, 7b; 7c, 7d; 7e, 7f) and a device (3, 4, 5) for measuring the time,

which elapses between the start of the signal input and the arrival of the reflected signal,

characterized,

that the measuring line (7a, 7b; 7c, 7d; 7e, 7f) is designed as a probe (1) which has a body (2; 2 ¹ ) which has electrical conductors (7c, 7d; 7e, 7f) in the region of its surface.

2. Device according to claim 1,
characterized,

that the body (2; 2 ¹ ) is a cylinder.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in

that the electrical conductors (7c, 7d; 7e, 7f) run approximately parallel.

4. Device according to one of the
Claims 1 to 3,

characterized,

that the conductors (7e, 7f) extend helically around the body (2 ¹ ).

5. Device according to one of the
Claims 1 to 3,

characterized,

that the conductors (7c, 7d) extend in a meandering manner around the body (2).

6. Device according to one of the
Claims 1 to 5,

characterized,

that the probe (1) is provided with an insulating coating which has a constant dielectric constant.

7. Device according to one of the
Claims 1 to 6,

characterized,

that the probe (1) is inserted into a tube to carry out the measurement, the inner diameter of which is 0.1 mm to 3 mm, preferably 0.5 mm to 2 mm, more preferably 1 mm larger than the diameter of the probe (1).

8. Device according to one of the
Claims 1 to 7,

characterized,

that the probe (1) tapers to a point at one end.