ES2548013T3

ES2548013T3 - Procedimiento y dispositivo para medir un valor de humedad independiente de la densidad y un valor de densidad de materiales dieléctricos a partir de los desplazamientos de frecuencia de dos resonadores de microondas o de dos modos de un resonador de microondas

Info

Publication number: ES2548013T3
Application number: ES08785055.8T
Authority: ES
Inventors: Rainer Herrmann; Udo Schlemm; Hendrik Richter
Original assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: TEWS Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2015-10-13
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: EP2183577B1; WO2009030314A8; DE202007018481U1; WO2009030314A1; DE102007041429B4; US20110093212A1; US9377417B2; EP2183577A1; DE102007041429A1

Abstract

Procedimiento para medir un valor de humedad F de materiales dieléctricos mediante la utilización de al menos un resonador de microondas, midiéndose respectivamente un desplazamiento para al menos dos modos de resonancia con frecuencias de resonancia distintas entre sí, determinándose los desplazamientos respectivamente como diferencia de la frecuencia de resonancia del resonador vacío con respecto al resonador, en cuyo intervalo de campo se encuentra el material dieléctrico, y calculándose a partir de los desplazamientos medidos de la frecuencia de resonancia un valor de humedad F independiente de la densidad, calculándose el valor de humedad F, independiente de la densidad, en dependencia de un cociente de dos desplazamientos de las frecuencias de resonancia y determinándose el valor de humedad F, independiente de la densidad, de manera independiente de una atenuación producida en cada uno de los modos de resonancia y determinándose tres o más puntos de medición para el desplazamiento de la frecuencia de resonancia a partir de una curva de dispersión A (f) con la forma siguiente**Fórmula** donde A1, A2 y π son constantes de valor real, de las que A1 y A2 se definen de acuerdo con los valores medidos y los valores A1 y A2 de la curva de dispersión se fijan y se evalúan como desplazamientos de la frecuencia de resonancia a una frecuencia pequeña y una frecuencia grande.

Description

imagen1

imagen2

imagen3

imagen4

imagen5

imagen6

E08785055

22-09-2015

Los ensayos han demostrado que el cociente  f2/ f1 es independiente de la masa del producto, pero constituye una medida de la humedad del producto. El cociente se calibra como valor de humedad, medido indirectamente, a una humedad de referencia medida directamente.

5 A continuación:

A1f1yA2 f2.

Puede estar previsto utilizar una variable auxiliar  = arctan (A2/A1) para delimitar el intervalo de valores de los 10 valores de medición de microondas.

Los resultados de medición muestran que si en un sistema de coordenadas, los valores de referencia A2 se representan contra A1, los puntos de medición con una masa diferente, pero la misma humedad están situados en una recta y pasan por el punto cero. Los puntos de medición con la misma humedad, pero con una masa diferente

15 están situados respectivamente en rectas, cuya inclinación depende de la humedad.

Para aumentar la exactitud de la medición, no sólo dos, sino también tres, cuatro o más modos de resonancia separados suficientemente entre sí pueden interactuar según la invención con el material de medición. En este caso se pueden definir parámetros de acoplamiento K para los modos de resonancia individuales. Los parámetros de 20 acoplamiento K se determinan para los modos de resonancia individuales con ayuda de un cuerpo de prueba estándar, por lo que la desintonización de la frecuencia de resonancia del primer modo A1 al medirse el cuerpo de prueba estándar provoca el mismo desplazamiento de la frecuencia de resonancia que en los demás modos de resonancia, si se utiliza el mismo cuerpo de prueba estándar. Si se consideran, por ejemplo, cuatro modos de resonancia, se obtiene entonces la siguiente ecuación de condición para los parámetros de acoplamiento K2, K3 y

25 K4:

A(f1)  K2 A( f 2)  K3 A( f 3)  K4 A(f 4)

(al medirse el cuerpo de prueba estándar)

30 Con el fin de compensar la influencia de la temperatura sobre la humedad F, independiente de la densidad, se mide la temperatura T del producto mediante un sensor de temperatura separado. Los ensayos han demostrado que es suficiente una influencia lineal de la temperatura T del producto sobre los coeficientes en la curva de humedad. Si para la humedad independiente de la densidad se selecciona la fórmula:

35 F(,T)  C1(T)arctan() C2(T),

los coeficientes de temperatura C1 y C2 se pueden representar de manera suficientemente exacta en cada caso con una dependencia lineal de la temperatura. Se obtiene:

(1) (2)

C1 C1 T  C1,

40

(1) (2)

C2 C2 T  C2,

con los coeficientes reales C1(1), C2(1), C2(1), C2(2). Si con el método anterior se calculó un valor dependiente sólo de la humedad del material, pero independiente de la densidad del material, de la masa del material, así como del tamaño de grano, la utilización de un valor A1, A2 proporcional a la masa permite determinar la masa M en el campo de

45 medición y/o la densidad de material R y/o el tamaño de grano K con la variable auxiliar  dependiente sólo de la humedad. En este sentido resulta importante que la variable auxiliar  sea dependiente de la humedad e independiente de la masa. Por consiguiente, es conveniente determinar con ayuda de  una corrección del valor A1, A2 dependiente de la masa y calcular así el contenido de humedad.

50 Al igual que en la medición de la humedad, los resultados de medición han demostrado en este caso que una fórmula lineal para la evaluación de los valores de medición proporciona muy buenos resultados. Para la determinación de un valor de medición independiente de la humedad se selección la fórmula:

imagen7

E08785055

22-09-2015

superpuestos y unidos entre sí mediante un tubo de prueba 50. El flujo de material 52, mostrado esquemáticamente, se alimenta primero mediante el tubo de prueba 50 al resonador de microondas 46, sale del mismo y entra en el resonador de microondas 48. Resulta evidente que para una medición correcta, la distancia entre la inhomogeneidades presentes eventualmente en el material de medición debe ser claramente mayor que la distancia

5 espacial entre los dos resonadores 46 y 48.

En el ejemplo de realización representado en la figura 5 está previsto un sistema electrónico de microondas 56 que presenta un generador de microondas, un detector de microondas y una CPU. Un conmutador de microondas 54 transmite las señales a los resonadores de microondas 46 ó 48. Las señales, que retornan, de los dos resonadores

10 de microondas regresan también mediante el conmutador 54 al sistema electrónico de microondas para la evaluación.

La figura 6 muestra una construcción de resonadores de microondas similar en principio a la figura 5. Sin embargo, se prescinde del conmutador de microondas y en su lugar se disponen dos sistemas electrónicos de microondas 58

15 y 60 que generan las microondas acopladas a los resonadores 46 y 48, detectan los componentes desacoplados y evalúan los valores de resonancia medidos.

La figura 7 muestra la aplicación de un sensor planar 62 en un secador de lecho fluidizado 64 representado esquemáticamente. En el secador de lecho fluidizado, representado a modo de ejemplo, se sopla centralmente aire

20 caliente 66 que provoca un movimiento de material 68. Durante el movimiento de material 68, el material pasa a lo largo de un estrechamiento cónico del secador de lecho fluidizado 64 por delante de un sensor planar 62 que puede medir en al menos dos modos de resonancia con la distancia de frecuencia requerida.

En el ejemplo mostrado en la figura 7, el resonador de microondas 62 está dispuesto en una sección de hombro del

25 secador de lecho fluidizado. Esto garantiza el paso de un flujo de material uniforme por delante del resonador de microondas 62.

La medición de la humedad y la densidad en el proceso de lecho fluidizado permite su control. Es posible, por ejemplo, controlar o regular el tamaño de grano promedio durante la fase de granulación. Como ya se explicó arriba,

30 el procedimiento permite también con la variable auxiliar  una medición online del tamaño de grano. El tamaño de grano medido se envía a un control de un secador para controlar sus parámetros de proceso, por ejemplo, la temperatura. Además, se puede definir también el punto final del proceso de secado mediante la medición de humedad, independiente de la densidad, al desconectarse el proceso de secado cuando se alcanza una humedad final predeterminada.

35 La figura 8 muestra a modo de ejemplo la medición de humedad en un granulado de lactosa de un proceso de lecho fluidizado con un resonador planar con varios modos de resonancia. Están representados puntos de medición con dos humedades diferentes (1% y 4,8%) y densidades distintas. Las mediciones se realizaron en dos modos de resonancia distintos (1,8 GHz y 5,8 GHz). En este caso, la diferencia de los desplazamientos de la frecuencia de

40 resonancia A1-A2 está representada sobre el desplazamiento de la frecuencia de resonancia del modo con la frecuencia mayor A2. Se muestra que los puntos con la misma humedad están situados en rectas y que su posición en esta recta se determina mediante la densidad de material respectiva o la masa de material en el campo de medición. Los puntos con una humedad diferente están situados en rectas a través del origen de coordenadas, cuya inclinación depende de la humedad. El valor de humedad independiente de la densidad se calcula en este ejemplo a

45 partir de la variable auxiliar =(A1-A2)/A2.

La figura 9 muestra a modo de ejemplo la medición de humedad en un granulado de lactosa de un proceso de lecho fluidizado con un resonador planar con varios modos de resonancia. En cada caso está representada la variable auxiliar  para la medición de humedad, que se forma a partir del cociente de dos desplazamientos de la frecuencia

50 de resonancia A1 y Ai (i=2, 3, 4) de acuerdo con la siguiente especificación: =(A1/Ai)-1. Las curvas diferentes 70, 72, 74 indican para diferentes muestras el valor de las variables auxiliares (A1/Ai-1) en modos de resonancia de 3,4 GHz (A2), 4,7 GHz (A3) y 5,84 GHz (A4). La dependencia de los valores de medición con respecto a la humedad se puede observar claramente, siendo mayor el efecto de medición mientras más separados están los modos de resonancia medidos.

55 La figura 10 muestra un conjunto de curvas de dispersión 76, 78, 80 y 82. Las curvas muestran el desplazamiento de la frecuencia de resonancia A sobre la frecuencia f representada de manera logarítmica. Los puntos de medición dibujados corresponden a la medición de un cuerpo de prueba con valores de humedad diferentes. En caso de una humedad de 2,8%, los valores de medición registrados (circuitos llenos) son muy compatibles con la curva 76.

E08785055

22-09-2015

Asimismo, los valores de medición a una humedad de 4,8%, 7,2% y 8,5% están muy cercas en las curvas 78, 80 y 82 adaptadas respectivamente. A partir de las curvas, que tienen un desarrollo general

A2

A(f )  A1  21 (2f )

5 donde A1 y A2 describen los desplazamientos de la frecuencia de resonancia a una frecuencia baja y una frecuencia muy alta y  es una medida de la fuerza del enlace del agua. Los valores A1 y A2, determinados a partir de la curva de medición, están representados para la curva 76 a modo de ejemplo en la figura 10. Los valores A1 y A2 proporcionan información sobre el desplazamiento de la frecuencia de resonancia a una frecuencia muy pequeña o

10 a una frecuencia muy alta respectivamente. Los valores A1 y A2 se pueden evaluar con el procedimiento según la invención como si se tratara de valores medidos.

La figura 11 muestra los valores obtenidos a partir de los valores A1 y A2 de la figura 10

A

15  1 1

A2

como función de la humedad. Esta curva de calibración de humedad no sólo es independiente de la masa y la densidad, sino también de la fuerza del enlace del agua en el producto. Esto significa también una clara reducción de la influencia de la temperatura sobre la calibración.

20 Las ventajas particulares de la invención respecto a las pruebas de medición conocidas hasta el momento radican en que ya no es necesaria una medición de atenuación, sino que sólo se ha de detectar una frecuencia de resonancia o su desplazamiento. Dado que la frecuencia en presencia de amplitudes de resonancia máximas se puede medir más fácilmente que, por ejemplo, la anchura de resonancia en caso de la mitad de amplitud, la

25 medición se puede realizar claramente con mayor rapidez que en los métodos de medición anteriores. Para la medición de la anchura de resonancia, por ejemplo, se ha de recorrer y medir toda la curva de resonancia en términos de frecuencia. Esto origina problemas, por ejemplo, en caso de materiales móviles, porque el material de medición no se puede desplazar durante el recorrido por la curva de resonancia. A diferencia de esto, en el nuevo método de medición sólo es necesario analizar la zona del máximo de resonancia, de modo que los movimientos del

30 producto durante el proceso de medición no provocan un efecto negativo. Por tanto, precisamente en procesos de lecho fluidizado y materiales a granel móviles se puede medir también fácilmente un producto movido con rapidez.

Otra ventaja del procedimiento según la invención se deriva también de una comparación con la medición, realizada hasta el momento, de la atenuación y la anchura de la curva de resonancia: En caso de valores de atenuación

35 mayores son importantes las no linealidades de los diodos de microondas que pueden falsear el resultado de medición. A diferencia de esto, en el presente procedimiento de medición no tienen importancia las no linealidades de los diodos de microondas.

Otra ventaja particular radica en que la variación de la frecuencia se puede mover en un intervalo estrecho alrededor 40 del máximo de la resonancia actual. A diferencia de una medición de atenuación, ya no es necesario recorrer toda la curva de resonancia. Esto posibilita una medición a alta velocidad con 104 a 105 valores de medición por segundo.

El propio resonador de microondas para el procedimiento según la invención puede presentar también un diseño significativamente más simple que en una medición de atenuación. Así, por ejemplo, se puede prescindir de 45 aisladores de microondas complicados y costosos para impedir la retrodispersión al sistema electrónico.

A diferencia de los procedimientos de medición convencionales que funcionan según el método de resonancia de microondas, en el caso de la invención se puede eliminar también el requerimiento relativo a la libertad de emisión plena de los resonadores de microondas. La emisión, en la que el resonador pierde una parte de su energía de 50 oscilación en forma de microondas emitidas, tiene siempre principalmente el efecto de un aumento de la anchura de la curva de resonancia durante la medición de microondas. Por tanto, una medición de atenuación o anchura exige cumplir incondicionalmente el requerimiento relativo a la libertad de emisión plena del resonador. En caso contrario, las pérdidas medidas se atribuyen a la humedad del producto, es decir, provocan errores de medición considerables. Según la invención, se prescinde de la medición de atenuación, por lo que dentro de ciertas tolerancias se permite

E08785055

22-09-2015

también la emisión de microondas. Por consiguiente, se pueden utilizar también modos de microondas con un campo de dispersión relativamente grande y una cierta emisión, siempre que la emisión no influya en gran medida sobre la frecuencia de resonancia. Otra ventaja particular del procedimiento según la invención en caso de utilizarse sensores planares radica en que aumenta la profundidad de penetración, de modo que se puede prescindir, por

5 ejemplo, de una medición por contacto.

Los desplazamientos de la frecuencia de resonancia se pueden detectar también fácilmente online en procesos de lecho fluidizado con el fin de generar así valores de humedad fiables para controlar el proceso de granulación y un proceso de secado siguiente.

10

Claims

imagen1