FI65497C - Maetapparatur foer bestaemning av taethet och fukthalt i korniga och fibroesa aemnen samt vaetskor - Google Patents

Description

65497

MITTAUSLAITE RAKEISTEN, KUITUMAISTEN JA NESTEMÄISTEN AINEIDEN TIHEYDEN JA KOSTEUDEN MÄÄRÄÄMISEKSI

1 Tämä keksintö koskee radiotaajuuksilla toimivaa mittausanturia ja -järjestelmää, jolla lumen, hiekan, viljan, suoturpeen ja vastaavien huonosti sähköä johtavien rakeisten, kuitumaisten tai nestemäisten aineiden tiheys ja kosteus tai eräitä muita ominaisuuksia voidaan määrätä 5 työntämällä anturi ko. aineeseen ja mittaamalla anturissa olevan resonaattorin resonanssitaajuus ja hyvyysluku.

Nykyisin lumen kosteus mitataan tavallisimmin kalorimetrisillä menetelmillä. Mittaus perustuu siihen, että sulamislämpönsä vuoksi lumi pantuna kalorimetrin kuumaan veteen vaatii enemmän lämpöä kuin lumessa 10 olevan veden lämmittäminen samaan lämpötilaan. Mittaus on aikaa vievää ja sen tarkkuus on erittäin huono, kun lumi on suhteellisen kuivaa (kosteus muutama prosentti tai pienempi). Hieman tarkempi on ns. kylmä kalorimetrimenetelmä, jossa lumen sisältämä vesi jäädytetään. Siinä käytetään nestettä, jonka alkulämpötila on noin -50°C. Ko. nesteet ovat 15 usein myrkyllisiä ja helposti räjähtäviä. Käytännössä sillä saavutettava tarkkuus on noin yksi prosenttiyksikkö. Kalorimetrimittauksissa lumesta joudutaan ottamaan näyte, jolloin lumen rakenne ja kosteus voivat muuttua.

Lumen, hiekan, viljan ja vastaavien rakeisten aineiden kosteuden mit-20 taamiseen käytetään nykyisin myös kapasitilvisia antureita. Ne perustuvat kosteuden aiheuttaman kapasitanssin muutoksen mittaamiseen. Mit-taustaajuus on suhteellisen pieni, yleensä taajuusalueella 50 Hz ... muutama MHz, jolloin mm. eräissä aineissa esiintyvä ionijohtavuus huonontaa tarkkuutta. Kutakin ainetta varten tarvitaan kalibrointi käyrä, 25 jolloin oletetaan, että aineen tiheys on aina sama. Jos tiheys muuttuu, eroaa kapasitanssi oletetusta arvosta ja kosteudelle saadaan virheellinen arvo. Suoturpeen ja vastaavien märkien aineiden kosteus mitataan punnitsemalla näyte märkänä ja kuivauksen jälkeen. Mittaus vie paljon aikaa ja energiaa. Näytettä on vaikea ottaa niin, ettei osa vedestä 30 valu pois.

2 65497 31 Tämän keksinnön esittämällä mittausanturilla ja -menetelmällä pyritään poistamaan edellä esitettyjen mittausmenetelmien heikkoudet ja virhelähteet. Tässä esitetylle mittausmenetelmälle on ominaista, että mittausanturi työnnetään mitattavaan aineeseen ja että se on radiotaa-35 juusalueella toimiva resonaattori, jonka resonanssitaajuus ja hyvyyslu-ku mitataan. Resonaattori on siten rakennettu, että se ei sanottavasti muuta mitattavan aineen rakennetta, kun se työnnetään aineeseen, mutta resonaattorin sähkö- ja magneettikentät tunkeutuvat siihen. Tällöin resonanssitaajuus määräytyy ensisijaisesti mitattavan aineen tiheyden pe-40 rusteella ja hyvyysluku riippuu ensisijaisesti vesimäärästä eli kosteudesta. Kullekin mitattavalle aineelle voidaan joko kokeellisesti tai joissakin tapauksissa myös teoreettisesti määrätä käyrästö, joka osoittaa resonanssitaajuuden ja hyvyysluvun riippuvuuden tiheydestä ja kosteudesta. Silloin mitattavan aineen sekä tiheys että kosteus voidaan 45 määrätä käyrästöstä yksikäsiteisesti mitattujen resonanssitaajuuden ja hyvyysluvun perusteella. Resonanssitaajuuden ja hyvyysluvun mittaus voidaan tehdä hyvin nopeasti, joten mittausmenetelmä on sopiva nopeisiin kenttämittauksiin.

Seuraavassa yksityiskohtaisessa selostuksessa viitataan seuraaviin 50 kuvioihin.

Kuvio 1 Puikoista ja liuskasta tehty mittausanturi edestä.

Kuvio 2 Puikoista ja liuskasta tehty mittausanturi sivulta.

Kuvio 3 Käyrästö, joka esittää lumen dlelektrisyysvakion ja häviö-kulman riippuvuutta tiheydestä ja kosteudesta.

55 Kuvio 4 Puikoista ja kahdesta liuskasta tehty mittausanturi.

Kuvio 5 Painetulle piirille tehty mittausanturi.

Kuvio 6 Painetulle piirille tehty mittausanturi, jossa on ympyrä-resonaattori .

Kuvio 7 Puikoista ja painetusta piiristä tehty resonaattori.

60 Kuvio 8 Metalliputkeen tehty mittausanturi.

Kuvio 9 Lohkokaavio elektronilkkalaittelstosta, jolla mittausanturin 62 resonnassitaajuus ja hyvyysluku mitataan automaattisesti.

65497 63 Keksinnön mukaisia mittausantureita, jotka sopivat lumen, hiekan, viljan ja muiden rakeisten tai kuitumaisten aineiden tiheyden ja kosteuden 65 mittaamiseen, on esitetty kuvioissa 1 ja 2 sekä 4 ... 7. Kuvion 1 mit-tausanturn muodostaa kahdesta ohuehkosta metal li pui kosta A ja niitä yhdistävästä metalliliuskasta B tehty resonaattori, johon on kytkin-lenkeillä C kytketty kaksi koaksiaalijohtoa D ja E resonanssitaajuuden ja hyvyysluvun mittausta varten. Resonaattori ja kytkinlenkit on 70 kiinnitetty toisiinsa ja mittausjohtöihin ohuen eristysainelevyn F avulla. Mittausjohtoja ja kytkinlenkkejä voi olla myös vain yksi. Kuvio 2 esittää mittausanturia sivulta. Puikkojen A, liuskan B ja levyn F on oltava riittävän ohuet niin, että ne eivät huomattavasti vaikuta aineen tiheyteen, mutta ovat niin tukevat, että resonaattori voidaan tarvitta-75 essa työntää mitattavaan aineeseen. Kokeissa on todettu, että esim. 3 mm paksuiset puikot, joiden etäisyys toisistaan on 25 mm ja pituus 80 mm, muodostavat sopivan resonaattorin lumen, viljan ja irtohiekan mittaamiseen, mutta muutkin mitat tilanteesta riippuen ovat luonnollisesti mahdollisia. Puikot ja niitä yhdistävä liuska muodostavat toisesta 80 päästä avoimen siirtojohtoresonaattorln, jonka resonanssltaajuus on tunnetusti 11klmäärln taajuus, jolla johto on neljännesaallon mittainen mitattavassa aineessa. Resonanssltaajuuden perusteella voidaan siten laskea aineen dielektrlsyysvakion reaaliosa ja hyvyysluvun perusteella saadaan aineen häviökulma, jota laskettaessa otetaan luonnollisesti 85 huomioon resonaattorin omat häviöt. Edellä mainitun esimerkin mukainen mitoitus johtaa ko. aineilla resonanssitaajuuteen, joka on UHF-alueella. Kuvio 3 esittää lumelle määrättyä käyrästöä, josta lumen tiheys ja kosteus saadaan selville, kun dielektrisyysvakio ja häviökulma on mitattu. Yleensä on edullista valita resonaattorin koko siten, 90 että resonanssltaajuus on VHF-, UHF- tai SHF-taajuudella. Silloin vältetään useissa aineissa , mm. lumessa ja hiekassa, alemmilla taajuuksilla esiintyviä ionien aiheuttamia suuria vaihtelulta dielektrisyysva-kiolssa, jotka tekevät mittausmentelmän epätarkaksi.

Kuvio 4 esittää mittausanturia, joka on rakenteeltaan muuten samanlai- 95 nen kuin kuvion 1 anturi, mutta siinä puikkojen A ylapäässäkin on oiko- 96 sulkuliuska B. Resonanssltaajuus on nyt taajuus, jolla resonaattori on 65497 4 97 1ikimäärin puolen aallon mittainen mitattavassa aineessa. Jos resonaat tori työnnetään mitattavaan aineeseen, on kummankin liuskan B oltava riittävän ohuita niin, että ne eivät huomattavasti muuta aineen raken-100 netta.

Kuvio 5 esittää mittausresonaattoria, joka on tehty painetun piirin menetelmällä. Metal li kuvio on kuviossa merkitty pisteillä. Siinä on painetulle piirille G tehty resonaattori A sekä kytkinlenkit C. Mit-tausjohdot D ja E on kiinnitetty levyyn. Painetun piirin eristysaine-105 levy on niin ohut, että resonaattori voidaan tarvittaessa helposti työntää mitattavaan aineeseen. Resonaattori voi luonnollisesti olla myös esim. ympyrän muotoinen kuten kuviossa 6 tai ellipsin tai suorakaiteen muotoinen mittausperiaatteen muuttumatta.

Kuvio 7 esittää mittausanturia, joka on tehty puikoista A, jotka on 110 kiinnitetty painetulle piirille G, jossa on oikosulkuliuska B ja kytkinlenkit C. Mittausjohdot D ja E on kiinnitetty painettuun piiriin. Ne voivat olla jäykkää koaksiaalijohtoa ja muodostavat jäykän varren, josta resonaattori voidaan työntää mitattavaan aineeseen.

Kuvio 8 esittää mittausanturia, joka sopii esim. suoturpeen ja vastaa-115 vien suuren vesipitoisuuden omaavien aineiden kosteuden ja tiheyden (kuitupitoisuuden) mittaamiseen. Anturin resonaattorin muodostaa metalliputken H päähän tehdyt kaksi pitkähköä rakoa J, joihin on kytketty mittausjohto K kytkinlenkin L avulla. Mittausjohto on kiinni metalli-liuskassa M. Putken pää on varustettu kestävästä aineesta (metallista 120 tai eristysaineesta) tehdyllä kärjellä N, joka helpottaa anturin työntämistä mitattavaan aineeseen. Resonaattori osa putkesta osasta N osaan M voi olla täytetty sopivalla eristysaineella P, esim. araldii-tiliä, niin, että putken pinta on sileä eikä mitattava aine pääse putken sisään. Mittausjohtoja ja kytkinlenkkejä voi luonnollisesti olla 125 myös kaksi. Metalliputki voidaan työntää mitattavaan aineeseen, esim.

suohon, jolloin mittaamalla resonanssitaajuus ja hyvyysluku saadaan resonaattorin kohdalla olevan turpeen kosteus selville aikaisemmin esitetyllä tavalla. Suomittaukseen sopiva resonaattori on kokemuksen mukaan esim. 25 mm paksuiseen teräsputkeen tehty rakopari, jossa rako-130 jen pituus on 25 cm. Resonanssitaajuus on silloin VHF-alueella.

5 65497 131 Kuviot 1 ja 2 sekä 4 ... 7 osoittavat vain eräitä mahdollisia mittausanturi rakenteita. Muutkin vastaavat resonanssi rakenteet, jotka ovat litteitä tai sauvamaisia, ovat luonnollisesti mahdollisia.

Keksinnön mukainen mittauslaite sopii luonnollisesti myös rakeisten, 135 kuitumaisten ja nestemäisten aineiden tiheyden tai kosteuden lisäksi tai sijasta muiden sellaisten ominaisuuksien määräämiseen, jotka vaikuttavat aineen dielektrisyysvakioon tai hyvyyslukuun. Siten laitetta voidaan käyttää esim. kahden sähköisesti erilaisen nesteen seossuhteen määräämiseen ja veden suolapitoisuuden määräämiseen.

140 Mittausanturin resonanssitaajuus ja hyvyysluku voidaan mitata mikroaaltotekniikasta tunnetuilla tavoilla joko yhtä tai kahta mittausjohtoa käyttäen.

Kuvio 9 esittää lohkokaaviota elektronilkkalaittelstossa, joka on kokoonpantu tunnetuista elektroniikkaosista ja jolla resonanssitaajuuden 145 ja hyvyysluvun mittaus voidaan tehdä automaattisesti. Signaalilähteestä a tulee signaali suuntakytkimen b kautta mittausanturiin c. Signaali-lähde on jänniteohjattu oskillaattori, jonka taajuutta pyyhkäistään kolmiojännitteellä yli koko tarvittavan taajuusalueen. Suuntakytki-mestä saadaan mittausanturiin etenevään tehoon verrannollinen teho, jo-150 ka ilmaistaan ja saatu jännite vahvistetaan. Samoin ilmaistaan mittaus-anturista ulos tuleva teho ja saatu jännite vahvistetaan. Suhde-elimessä d muodostetaan jännitteiden suhde, jolloin saadaan mittausanturin läpäisykäyrä. Läpäisykäyrän huippuarvo % määrätään huippuarvon ilmaisimella e. Samalla lasketaan jännite U3dB , joka on 3 dB pienempi 155 kuin Näytteenottopiirillä f määrätään pyyhkäisyjännitteen U|< arvot Uki ja U|<2 ajanhetkinä, jolloin mittausanturin läpäisykäyräjännite ohittaa arvon U3dB* ukl:n Ja U|<2:n perusteella saadaan mittaus resonaattorin 3 dB kaistaleveyttä vastaavat taajuudet ja U^itn ja U|<2'.n keskiarvon perusteella resonanssitaajuus. Hyvyysluku saadaan puolestaan 160 resonanssitaajuuden ja 3 dB kaistaleveyden suhteen perusteella. Mikäli jännlteohjatun oskillaattorin taajuus-jännite-ominaiskäyrä ei ole riittävän lineaarinen, elektroniikkaosa voidaan varustaa linearisointi-piirillä g.

Claims (7)

1. 6 65497
2. 1. Rakeisten, kuitumaisten ja nestemäisten aineiden ominaisuuk sien määräämiseen tarkoitettu mittauslaite käsittäen suurtaa-juustehonlähteen, mittausanturin ja elektroniset piirit mittaustulosten rekisteröintiä varten tunnettu siitä, 5 että mittausanturina toimii muotoiltu resonaattori, joka voi daan työntää mitattavaan aineeseen aineen rakenteen ja ominaisuuksien muuttumatta ja jonka sähkö- ja magneettikenttä tunkeutuvat aineeseen siten, että määräämällä resonaattorin resonanssitaajuus ja häviöt saadaan selville aineen kaksi eri 10 ominaisuutta samanaikaisesti.
3. 2 Vaatimuksen 1 mukainen mittauslaite tunnettu siitä, että kosteaan aineeseen työnnettävää mittausanturia käytetään aineen tiheyden ja kosteuden samanaikaiseen määräämiseen.
4. 3 Vaatimuksen 1 mukainen mittausanturi tunnettu siitä, 15 että resonaattori on kokoonpantu metal 11 pui koista A ja nitä yhdistävästä liuskasta tai liuskoista B.
5. 4 Vaatimuksen 1 mukainen mittausanturi tunnettu siitä, että resonaatorl on kokonaan tai osittain tehty tukevalle ohuelle painetulle piirille. t
6. 20. Vaatimuksen 1 mukainen mittausanturi tunnettu siitä, että mlttausjohto tai -johdot ovat jäykkiä muodostaen käden-sljan anturin työntämiseksi mitattavaan aineeseen.
7. 6 Vaatimuksen 1 mukainen mittausanturi tunnettu siitä, että resonaattorin muodostaa mitattavaan aineeseen työnnettä-25 vän metalliputken sivuun tehty rako tai raot.