FI64011C - Foerfarande och anordning foer maetning av fuktighet eller vattenhalt - Google Patents

Description

1 64C11

Menetelmä ja laite kosteuden tai vesipitoisuuden mittaamiseksi 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.

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.

15

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.

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.

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.

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.

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.

Keksinnön kohteena on myös kosteusmittari menetelmän toteuttamiseksi, jolle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksessa 4.

30

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

25

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.

Claims (8)

1. Menetelmä irtonaisessa muodossa olevan aineen, etenkin viljan, kosteuden tai vesipitoisuuden mittaamiseksi sähköisesti siten, että mittausalueella olevaan tutkittavaan aineeseen kehitetään sähkökenttä anturilaitteen elektrodien avulla ja kosteus tai 5 vesipitoisuus määrätään tutkittavan aineen vaikutuksena anturi- laitteen sähköisiin ominaisuuksiin, tunnettu siitä, että mittausalueella olevaa tutkittavan aineen määrää muutetaan ja tutkittavan aineen määrän mukana muuttuva anturin kapasitanssi (C ) mitataan ja että anturin (1) kapasitanssin (C ) saavuttaessa m m 10 tai ohittaessa ennalta määrätyn arvon (C&) mitataan tutkittavan aineen resistanssi (R ), jonka avulla määrätään aineen kosteus tai m vesipitoisuus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii-15 tä, että käytetään kuppimaista anturia ja mittausalueella olevaa tutkittavan aineen määrää muutetaan anturikuppia täyttämällä tai tyhjentämällä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että mittausalueella olevaa tutkittavan aineen määrää muutetaan työntämällä anturi tutkittavaan aineeseen.

4. Sähköinen kosteuden tai vesipitoisuuden mittauslaite, etenkin viljan kosteuden mittausta varten, jossa laitteessa on anturi- 25 laite (1), joka synnyttää sähkökentän tutkittavaan aineeseen ja jonka sähköisiin ominaisuuksiin (C ,R ) sähkökentän alueella m m oleva tutkittava aine vaikuttaa, resistanssin mittauspiiri (3) anturin resistanssin (R^) määräämiseksi ja laitteet resistanssin mittauksen avulla saadun kosteudesta riippuvan arvon osoittami- 30 seksi, tunnettu anturilaitteen (1) kapasitanssia (C ) mittaavasta kapasitanssimittauspiiristä (2), joka aktivoi resis- tanssinmittauksen, kun tutkittavan aineen määrästä riippuva anturin (1) kapasitanssi (C^) saavuttaa tai ohittaa ennalta määrätyn kapa- sitanssiarvon (C ). a 7 64011

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että kapasitanssin mittauspiirinä (2) on anturin (1) kapasitanssia (C ) vertailukondensaattoriin (C ,) vertaava kapasitanssiin ret silta. 5

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen kosteuden tai vesipitoisuuden mittauslaite, tunnettu siitä, että resistanssin mittaus-piiri (3) muodostuu anturiin (1) kytkettävästä värähtelypiiristä (L,C) ja anturin resistanssin (Rm) vaimentaman värähtelypiirin 10 (L,C,Cm,Rm) vaimenevan värähtelyn pulsseja määrättyyn tasoon asti laskevasta laskurista (5).

6 64011

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kosteuden tai vesipitoisuuden mittauslaite, tunnettu siitä, että 15 kapasitanssin mittauspiiri (2) ja resistanssin mittauspiiri (3) on kytketty anturilaitteeseen (1) kapasitanssin mittauspiirin (2) ohjaamien vaihtokytkennän suorittavien kytkinelinten (6,k^) avulla. 1

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kosteuden tai vesipitoisuuden mittauslaite, tunnettu siitä, että kytkinelimet (6,k^) on toteutettu reed-releinä tai pienivastuksisilla FET-kytkimillä. 6401 1 8