FI64011C

FI64011C - FRAMEWORK FOR ORDERING FOR THE MAINTENANCE OF FUELS ELLER VATTENHALT

Info

Publication number: FI64011C
Application number: FI811761A
Authority: FI
Inventors: Matti G Wilska
Original assignee: Matti G Wilska
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1981-06-05
Publication date: 1983-09-12
Also published as: WO1982004321A1; FI811761A0; EP0081525A1; FI64011B

Description

1 64C111 64C11

Menetelmä ja laite kosteuden tai vesipitoisuuden mittaamiseksi Förfarande och anordning för mätning av fuktighet eller vattenhaltMethod and apparatus for measuring humidity or water content Förfarande och anordning för mätning av fuktighet eller vattenhalt

Keksinnön kohteena on menetelmä irtonaisessa muodossa olevan aineen, etenkin viljan, kosteuden tai vesipitoisuuden mittaamiseksi sähköisesti siten, että mittausalueella olevaan tutkittavaan aineeseen kehitetään sähkökenttä anturilaitteen elektrodien avulla ja kos-5 teus tai vesipitoisuus määrätään tutkittavan aineen vaikutuksena anturilaitteen sähköisiin ominaisuuksiin.The invention relates to a method for electrically measuring the moisture or water content of a substance in loose form, in particular by generating an electric field on a test substance in the measuring range by means of the electrodes of the sensor device and determining the moisture or water content as an effect on the electrical properties.

Tarkastellun tyyppisissä mittauksissa yleisimmin käytetyt sähköiset kosteudenmittausmenetelmät perustuvat joko vastusmittaukseen, jossa 10 havaitaan kosteuden vaikutus tutkittavan aineen resistanssiin, kapa-sitanssimittaukseen, jossa kosteus muuttaa dielektrisyysvakiota ja sen seurauksena anturin kapasitanssia, tai impedanssmittaukseen, jossa havaitaan kosteuden vaikutus sekä anturin resistanssiin että kapasitanssiin.The most commonly used electrical humidity measurement methods in this type of measurement are based on either a resistance measurement in which the effect of moisture on test substance resistance is detected, a capacitance measurement in which humidity changes the dielectric constant and consequently sensor capacitance, or impedance measurement in both sensor resistance.

1515

Kaikissa näissä mittaustavoissa on tutkittavan aineen tarkan kosteusarvon saamiseksi käytettävä näytettä, joka on saatettu ennen varsinaista mittaustapahtumaa määrättyyn tilaan. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi punnitsemalla tai tilavuusmittauksella tahi pu-20 ristamalla näyte tunnetulla voimalla mittauselektrodeja vastaan.In all these methods of measurement, a sample placed in a specified state before the actual measurement event must be used to obtain the exact moisture value of the test substance. This can be done, for example, by weighing or volumetric measurement or by pressing the sample with a known force against the measuring electrodes.

Ennen varsinaista mittausta tarvittava erillinen näytteen vakioin-tivaihe tekee kosteuden määrityksen työlääksi ja hitaaksi ja huonontaa mittauksen tarkkuutta. 1 2 3 4 5 6 US-patenttijulkaisusia 3 794 911, Dickey-John Corporation, tunne 2 taan viljan kosteusmittari, jossa erillinen viljanäytteen punnitus- 3 vaihe on vältetty ripustamalla kapsitiivisessa mittauksessa käy 4 tetty mittakenno jousivaakalaitteen avulla mittarin runkoon. Oikean 5 viljamäärän tultua kaadetuksi mittakennoon näytteen paino sulkee 6 digitaalisen mittauspiirin käynnistävän kytkimen ja viljan kosteus-arvo saadaan mittarin näytöstä. Vaikkakin esitetty ratkaisu osittain poistaa edellä mainitut viljanäytteen vakiointiin liittyvät ongelmat, epäkohtana on mm. laitteessa tarvittava ylimääräinen 2 64011 jousivaa'an mekaniikka, joka on hankala valmistaa ja kallis.The separate sample standardization step required before the actual measurement makes the moisture determination cumbersome and slow and degrades the accuracy of the measurement. 1 2 3 4 5 6 U.S. Pat. No. 3,794,911 to Dickey-John Corporation discloses a grain moisture meter in which a separate weighing step of a grain sample is avoided by suspending a measuring cell used in capacitive measurement on a meter body using a spring balance device. After the correct amount of 5 grains has been poured into the measuring cell, the weight of the sample closes the switch that starts the 6 digital measuring circuits and the grain moisture value is obtained from the meter display. Although the presented solution partially eliminates the above-mentioned problems related to the standardization of the grain sample, the disadvantage is e.g. the extra 2 64011 spring balance mechanics required in the device, which is cumbersome to manufacture and expensive.

Keksinnön tarkoituksena on siten saada aikaan tunnettuun tekniikkaan verrattuna tarkka ja nopea, varsinkin viljan kosteuden mit-5 taukseen soveltuva menetelmä, jossa näytettä ei tarvitse saattaa etukäteen mittausta varten vakiotilaan ja jota toteutettaessa ei tarvita ylimääräisiä mekaanisia elimiä, kuten vaakaa.The object of the invention is thus to provide an accurate and rapid method compared to the prior art, especially suitable for measuring the moisture content of cereals, in which the sample does not need to be brought to a constant state for measurement and no additional mechanical means such as a balance are required.

Tehtävä on ratkaistu keksinnössä lähtien johdantona esitetyn 10 tyyppisestä menetelmästä siten, että mittausalueella olevaa tutkittavan aineen määrää muutetaan ja tutkittavan aineen määrän mukana muuttuva anturin kapasitanssi mitataan ja että anturin kapasitanssin saavuttaessa tai ohittaessa ennalta määrätyn arvon mitataan tutkittavan aineen resistanssi, jonka avulla määrätään aineen 15 kosteus tai vesipitoisuus.The problem has been solved since the invention by a method of the type 10 presented in the invention, in which the amount of test substance in the measuring range is changed and the sensor capacitance changing with the amount of test substance is measured, and when the sensor capacitance reaches or exceeds a predetermined value. The water content.

Keksityssä menetelmässä mittakondensaattorin kapasitanssin mittaus vastaa siten anturin täyttöasteen määritystä, esimerkiksi punnitusta ja varsinaisessa kosteudenmittauksessa käytetään resistii-20 vistä mittaustapaa. Menetelmä on toteutettavissa ilman liikkuvia mekaanisia osia täysin elektronisesti ja mittaushetken määritys saadaan hyvin tarkaksi, koska kapasitanssimittaus voidaan tehdä esim. siltamittauksena erittäin herkäksi. Viljaa mitattaessa menetelmällä on lisäksi osoittautunut olevan edullinen hehtolitrapai-25 non muutoksia kompensoiva vaikutus.In the method according to the invention, the measurement of the capacitance of the measuring capacitor thus corresponds to the determination of the filling level of the sensor, for example weighing, and a resistive measurement method is used in the actual humidity measurement. The method can be implemented without moving mechanical parts completely electronically and the determination of the measurement moment is very accurate, because the capacitance measurement can be made very sensitive, e.g. as a bridge measurement. In addition, when measuring cereals, the method has been shown to have a beneficial effect in compensating for changes in hectolitre weight.

Keksinnön kohteena on myös kosteusmittari menetelmän toteuttamiseksi, jolle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 4.The invention also relates to a humidity meter for carrying out the method, which is characterized by what is set forth in claim 4.

3030

Keksintöä selitetään seuraavassa erään toteutusesimerkin avulla oheistettuun piirustukseen liittyen, jossa kuvio 1 esittää tyypillisen anturikupin sähköisten ominaisuuksien riippuvuutta viljan kosteudesta ja määrästä anturikupissa ja kuvio 2 esittää keksinnön 35 mukaisen kosteusmittarin erään toteutusmuodon kytkentäkaaviota.The invention will now be described with reference to an accompanying drawing, in which: Figure 1 shows the dependence of the electrical properties of a typical sensor cup on the moisture and amount of grain in the sensor cup and Figure 2 shows a circuit diagram of an embodiment of a moisture meter according to the invention.

Kuviossa 1 on esitetty esimerkkinä vehnää sisältävän viljanäytteen kapasitanssin ja reistanssin riippuvuus viljan kosteus- 3 64011 prosentista. Käytetty mittaustaajuus on 20 MHz. Mitta-anturina on kuppimainen mittakondenssattori, jonka kapasitanssi tyhjänä on 18 pF. Yhtenäisin viivoin piirretyt käyrät vastaavat näytteen määrää 100 g ja katkoviivoin esitetyssä tapauksessa näytettä on 5 200 g.Figure 1 shows, by way of example, the dependence of the capacitance and resistance of a grain sample containing wheat on the moisture content of the grain. The measurement frequency used is 20 MHz. The measuring sensor is a cup-shaped measuring capacitor with an empty capacitance of 18 pF. Solid lines The curves correspond to a sample volume of 100 g and, in the case of dashed lines, 5 200 g.

Kuvioon 1 on lisäksi piirretty kosteusakselin suuntainen suora 0=0, joka leikkaa anturin täyttömääriä 100 g ja 200 g edustavat ci kapasitanssikäyrät pisteissä a ja b, jotka vastaavat esimerkkita-10 pauksessa kosteusarvoja 40 % ja 18 %. Piirretylle suoralle voidaan muodostaa pisteiden a ja b välillä interpoloimalla ja välin ulkopuolella ekstrapoloimalla asteikko, jossa jokainen anturin täyttömäärä vastaa tiettyä kosteusprosenttia. Mittaamalla täyttömäärä esimerkiksi punnitsemalla näyte, kun kapasitanssi 43 pF on 15 saavutettu, voitaisiin siten laadittua asteikkoa käyttämällä saada kosteusprosentti. Tämän sijasta keksinnön perustana on ajatus välttää punnitus laatimalla uusi resistanssiasteikko yhdistämällä arvoja 40 %, lOOg ja 18 %, 200 g vastaavat resistanssikäyrien pisteet c ja d suoralla. Saadulle suoralle voidaan nyt muodostaa 20 pisteiden c ja d välillä interpoloimalla ja välin ulkopuolella ekstrapoloimalla olennaisesti lineaarinen vastusasteikko, joka suoraan osoittaa kosteusprosentin.Fig. 1 further shows a line 0 = 0 in the direction of the humidity axis, which intersects the capacitance curves ci representing the sensor filling amounts 100 g and 200 g at points a and b, which correspond to the humidity values of 40% and 18% in the example-10 case. For the drawn line, a scale can be formed between points a and b by extrapolation and extrapolated outside the gap, where each filling amount of the sensor corresponds to a certain percentage of moisture. By measuring the filling amount, for example by weighing the sample when the capacitance 43 pF has been reached, the percentage of moisture could be obtained using the scale thus established. Instead, the invention is based on the idea of avoiding weighing by drawing up a new resistance scale by combining the values c and d of the resistance curves corresponding to 40%, 100g and 18%, 200 g. A substantially linear resistance scale can now be formed on the obtained line between points c and d by extrapolation and extrapolation outside the gap, which directly indicates the percentage of moisture.

Esimerkistä johdettavissa olevan uuden mittausperiaatteen tekee 25 mahdolliseksi se, että kapasitanssia vastaava painonmuutos kosteus-asteikolla on suurempi, kuvion 1 tapauksessa yli kaksi kertaa suurempi kuin samaa resistanssiarvoa vastaava painonmuutos.The new measurement principle derivable from the example is made possible by the fact that the weight change corresponding to the capacitance on the humidity scale is larger, in the case of Fig. 1 more than twice the weight change corresponding to the same resistance value.

Esitettyä mittausperiaatetta sovellettaessa mittaus voi tapahtua 30 seuraavalla tavalla. Viljaa kaadetaan kuppimaiseen mittapäähän ja täytön aikana mitataan mittapään kapasitanssia. Kun viljan määrän lisääntyessä kasvava kapasitanssi saavuttaa ennalta määrätyn arvon, mitataan mittapään resistanssi, joka on kosteuden funktio. Lopullinen viljankosteusprosentti voidaan tällöin saada taulukosta kat-35 somalla tai suoraan käsittelemällä mitattua arvoa esim. mikroprosessorin avulla. Resistanssimittaukselle kääntö ja resistanssin mittaus vie aikaa vain muutaman millisekunnin, joten kaataminen voi jatkua keskeytyksettä kunnes mittapää on täynnä. Mittausalueel- 4 64011 la olevan aineen määrää voidaan luonnollisesti muuttaa myös muulla tavoin kuin kaatamalla ja vastaavasti täyttämisen sijasta mittapäätä voidaan tyhjentää. Anturin sähkökentässä olevaa vaikuttavan näytteen määrää voidaan myös muuttaa sopivasti toteu-5 tetun mittapään sisääntyöntämisellä aineeseen tai ulosvetämi-sellä, jos tutkittavan aineen kannalta on parempi menetellä tällä tavoin.Applying the presented measurement principle, the measurement can take place in the following way. The grain is poured into a cup-shaped probe and the capacitance of the probe is measured during filling. When the increasing capacitance increases as the amount of grain reaches a predetermined value, the resistance of the probe is measured as a function of humidity. The final grain moisture percentage can then be obtained from the table by scanning or directly processing the measured value, e.g. by means of a microprocessor. For resistance measurement, inversion and resistance measurement take only a few milliseconds, so pouring can continue uninterrupted until the probe is full. The amount of substance in the measuring range 4 64011 1a can, of course, also be changed in other ways than by pouring and, correspondingly, instead of filling, the measuring head can be emptied. The amount of active sample in the electric field of the sensor can also be changed by inserting or withdrawing a suitably implemented probe if it is better for the test substance to proceed in this way.

Keksintöön sisältyvä elektroninen täyttömäärän mittaus antaa luon-10 nollisesti eri täyttömäärät kosteudesta riippuen, mutta ainakin silloin, kun mitattavan aineen dielektrisyysvakio täysin kuivana on selvästi suurempi kuin 1, kuten viljoilla, joilla se on yli kahden, on kokemus osoittanut, että riittävä erotus tarkkuus saavutetaan koko normaalisti käytettävällä mitta-alueella. Menetelmä 15 sopii esimerkkinä käsitellyn viljan kosteudenmittauksen ohella moniin muihin kohteisiin kuten siemenien, heinän, maan, turpeen, hiekan, puun, hakkeen ja sahanpurun kosteuden mittaukseen samoin kuin erilaisten jauheiden kosteusmittauksiin tuotantoprosesseissa. Menetelmää voidaan käyttää myös vesipitoisuuden, esim. tuorerehun, 20 vesipitoisten emulsioiden ja seosten vesipitoisuuden mittaukseen.The electronic filling level measurement included in the invention naturally gives different fill levels depending on the humidity, but at least when the dielectric constant of the substance to be measured when completely dry is clearly greater than 1, as in cereals with more than two, experience has shown that sufficient separation accuracy is achieved throughout in the normally used measuring range. In addition to measuring the moisture content of the exemplified grain, Method 15 is suitable for many other applications such as measuring moisture in seeds, hay, earth, peat, sand, wood, wood chips and sawdust, as well as moisture measurements of various powders in production processes. The method can also be used to measure the water content, e.g. fresh feed, aqueous emulsions and mixtures.

Kuviossa 2 on esitetty edellä selitetyn menetelmän toteuttava kytkentä. Kytkennässä on anturina mittakondensaattori 1, jonka kapasitanssiin C ja resistanssiin R tutkittava aine vaikuttaa, m m 25 Kapasitanssin mittausta varten mittakondensaattorin 1 elektrodien välille on kytketty vaihtokoskettimen k^ avulla kapasitanssi-silta 2. Sillan vertailukapasitanssi on mitta-alueen tärkeim mässä kohdassa näytteen resistanssin kanssa tasapainoon kompensoitu. Vaihtokoskettimen k^ toinen puoli on kytketty resistanssinmittaus-30 piiriin 3. Värähtelypiirin Q-arvon mittaukseen perustuva resistanssin mittauspiiri 3 sisältää induktanssista 1 ja kondensaattorista C muodostuvan värähtelypiirin, jonka kapasitanssia C varataan vastuksen R kautta jännitelähteestä, piirin värähtelemään kytkevän koskettimen k^* jännitekomparaattorin 4 sekä laskuri- ja 35 näyttöyksikön 5. Piirin 3 toimintaa ohjaavat koskettimiensa k^ ja k2 välityksellä releet, joiden käämit 6 ja 7 on kytketty kapasi-tanssisillan 3 lähtöön. Kuviossa 2 releinä esitetyt kytkinelimet voi olla toteutettu esimerkiksi reed-releinä tai pienohmisilla 5 64011 FET-kytkimillM. Värähtelypiirin komponenttien arvoiksi voidaan valita R = 2 ΜΩ, C = n. 1000 pF ja L = n. 1 UH anturin kapasitanssiin C ollessa noin 50 pF. m 5 Mittausta aloitettaessa koskettimet k^ ja k£ ovat kuviossa 2 esitetyssä asennossa ja kapasitanssisilta mittaa anturin 1 kapasitanssia. Anturin 1 täyttöastetta muutettaessa sen kapasitanssi muuttuu. Kapasitanssin C saadessa arvon C , joka yhdessä asetetun m a kapasitanssiarvon C ^ kanssa tasapainoittaa sillan, tämän lähtöön 10 kytketty rele 6 kääntää kapasitanssimittauksen resistanssimittauk-selle kytkemällä piirin 3 mittakondensaattoriin 1. Samalla releen 7 kosketin k2 kytkee vastuksen R kautta varautuneen kondensaattorin C värähtelypiiriin, jolloin syntyy vaimeneva värähtely. Värähdysten lukumäärä määrättyyn db vaimennukseen asti on verran-15 nollinen koko värähtelevän systeemin Q-arvoon. Mittakondensaattorin kapasitanssi lisääntyy kosteuden kasvaessa ja sen rinnakkaisvastus pienenee. Rinnakkaiskondensaattori C on kuitenkin niin suuri, että rinnakkaisvastus esiintyy pääasiallisena muuttujana. Vaimeneva värähtely tuodaan komparaattorille 4, jonka vertailujännite U ^ 20 otetaan ei esitetyn jännitteenjakajan kautta samasta lähteestä kuin vaimenevan värähtelyn käynnistävä jännite, jolloin komparaattorista 4 saadaan ulos pulssijono, joka on katkaistu värähtelyn vaimennuttua halutun desibelimäärän. Pulssijonon pulssit syötetään laskuri- ja näyttöyksikölle 5.Figure 2 shows a circuit implementing the method described above. The connection is a measuring capacitor 1, the capacitance C and resistance R of which are affected by the test substance, e.g., 25 For capacitance measurement, a capacitance bridge 2 is connected between the electrodes of the measuring capacitor 1 by means of a changeover contact k ^. . The other side of the changeover contact k ^ is connected to the resistance measurement circuit 30. The resistance measuring circuit 3 based on the measurement of the Q value of the oscillation circuit includes an oscillation circuit consisting of a counter and a display unit 5. The operation of the circuit 3 is controlled via its contacts k1 and k2 by relays whose windings 6 and 7 are connected to the output of the capacitance bridge 3. The switching elements shown as relays in Fig. 2 can be implemented, for example, as reed relays or with low-resistance 5 64011 FET switches. The values of the components of the oscillation circuit can be selected to be R = 2 ΜΩ, C = about 1000 pF and L = about 1 UH for the sensor capacitance C at about 50 pF. m 5 At the start of the measurement, the contacts k ^ and k £ are in the position shown in Fig. 2 and the capacitance bridge measures the capacitance of the sensor 1. When the filling level of the sensor 1 is changed, its capacitance changes. When the capacitance C has a value C which together with the set capacitance value C 1 balances the bridge, the relay 6 connected to its output 10 reverses the capacitance measurement to the resistance measurement by connecting the circuit 3 to the measuring capacitor 1. damping vibration. The number of oscillations up to a given db attenuation is equal to -15 to the Q value of the entire oscillating system. The capacitance of the measuring capacitor increases as the humidity increases and its parallel resistance decreases. However, the parallel capacitor C is so large that the parallel resistance occurs as the main variable. The damping oscillation is applied to a comparator 4, the reference voltage U ^ 20 of which is taken via a voltage divider not shown from the same source as the voltage initiating the damping oscillation, whereby a pulse train is output from the comparator 4. The pulses in the pulse train are fed to the counter and display unit 5.

2525

Laskurin ja digitaalisen näytön sijasta vaimeneva pulssijono voidaan integroida täysin passiivisilla komponenteilla käyttäen apuna näytteenpitopiiriä ja kosteusosoitus voidaan esittää mA-mittarin asteikolla. Vaihtoehtoisesti pulssijono voidaan johtaa mikro-30 prosessorin käsittelyyn, jolloin näyttöön voidaan saada suoraan lämpötilakorjattu osoitus kosteusprosentteina.Instead of a counter and a digital display, the attenuating pulse train can be integrated with fully passive components with the help of a sampling circuit and the humidity indication can be represented on the scale of an mA meter. Alternatively, the pulse train can be derived from the processing of the micro-30 processor, whereby a temperature-corrected indication as a percentage of humidity can be displayed directly.

Claims

A method for measuring the moisture or water content of a substance in a loose form, in particular in cereal mills, electrically in such a way that an electric field is generated in the substance located within a measuring range which is examined by means of electrodes in a sensor device and the moisture 5 or the water content is determined as the effect of the substance being tested on the electrical properties of the sensor device, characterized in that the amount of the substance located within the measurement range is changed and the capacitance (C) of the sensor, which is changed by the amount of substance being investigated, is measured and 1) Capacitance (Cm> reaches 10 or passes a predetermined value (Ca), the resistance (Rm) of the substance being tested is measured by means of which the moisture or water content of the substance is determined.

Method according to claim 1, characterized in that a cup-shaped sensor is used and the amount of the substance within the measuring range being examined is changed by filling or emptying the sensor cup.

3. A method according to claim 1, characterized in that the amount of the substance located within the measurement area is altered by pushing the sensor into the substance being investigated.

4. Electric device for measuring moisture or water content, in particular for measuring the moisture in cereal flour, which device has a transducer device (1) which generates an electric field in the substance being investigated and whose electrical properties (C, R) the substance being investigated within the range of the electric field, a resistance measurement circuit (3) for determining the resistance (R) of the sensor and means for indicating a value dependent on the humidity measurement, characterized by a capacitance measuring circuit (2), which measures the capacitance (C) of the encoder (1) and activates the resistance measurement where the capacitance (C) of the encoder (1) which is being investigated depends on the capacitance (C) of the sensor (1) opening or passing a predetermined capacitance value (C).