FI69372B - Maetmetod och apparat foer maetning av fasta kornaktiga aemnens massfloede och fuktighet eller naogon annan egenskap - Google Patents

Description

69372

MITTAUSMENETELMÄ JA -LAITE KIINTEÄN, RAKEISEN AINEEN MASSAVIRTAUKSEN JA KOSTEUDEN TAI JONKIN MUUN OMINAISUUDEN MÄÄRÄÄMISEKSI

1 Tämä keksintö koskee radiotaajuuksilla toimivaa mittausmenetelmää ja -laitetta, jolla kiinteän, rakeisen aineen massavirtaus ja kosteus tai jokin muu suure voidaan määrätä samanaikaisesti. Materiaali voi olla esimerkiksi puulastuja, viljaa, kivihiiltä, tuhkaa tai jotain muuta 5 huonosti sähköä johtavaa ainetta.

Nykyisin ei ole olemassa laitteita, jotka niittäisivät putkessa virtaa-van, liukuhihnalla kulkevan tai vapaasti putoavan kiinteän, rakeisen aineen massavirtausta ja kosteutta. Virtausanturit perustuvat yleensä paine-eroon tai pyörteiden muodostumiseen tai ne sisältävät liikkuvia 10 potkurin tapaisia osia, jolloin ne soveltuvat ainoastaan putkissa vir- taaville nesteille tai kaasuille. Johtavien nesteiden virtausta voi mitata magneettisesti. Magneettiset menetelmät soveltuvat kiinteille, rakeisille aineille ainoastaan silloin, kun kuljettimena käytetään jotain nestettä. Tämä on harvoin mahdollista. Kiinteiden, rakeisten 15 aineiden virtausta on mahdollista mitata viistolevyllä. Se on virtaus- putkeen viistomaisesti asennettu levy, jota vastaan aine putoaa ja aiheuttaa näinollen voimavaikutuksen, joka mitataan. Viistolevy mittaa ainoastaan massavirtauksen ja olettaa, että putoamisnopeus on vakio.

Tämän keksinnön esittämällä mittausmenetelmällä ja -anturilla pyritään 20 poistamaan edellä esitettyjen mittausmenetelmien heikkoudet ja virhe lähteet. Tässä esitetylle menetelmälle on ominaista, että mittausanturi toimii radiotaajuuksilla. Mittausmenetelmä soveltuu erityisesti kiinteiden, rakeisten aineiden massavirtauksen mittaukseen. Mittaus ei muuta aineen virtausta. Anturilla on mahdollista mitata kaksi asiaa saman-25 aikaisesti, esimerkiksi keskimääräinen hetkellinen tiheys ja aineen kosteus. Jos aine virtaa vakionopeudella, keskimääräinen tiheys on 27 suoraan verrannollinen aineen massavirtaukseen.

2 69372 28 Tapauksissa, joissa massan virtausnopeus vaihtelee, nopeus voidaan mitata tunnetulla tavalla, esim. doppler-tutkalla. Toinen menetelmä' on 30 käyttää kahta mittausanturia peräkkäin ja määrätä, millä viiveellä mittaustulokset korreloivat, jolloin viiveen ja anturien etäisyyden perusteella saadaan selville virtausnopeus. Massavirtauksessa on yleensä pieniä vaihteluita niin, että korrelointi on mahdollista suorittaa.

Keksinnön mukaiselle mittausmenetelmälle on lisäksi ominaista, että 35 mittaus tapahtuu patenttivaatimuksissa 1, 2 ja 3 esitetyllä tavalla.

Kutakin sovellutusta varten on muodostettava kalibrointikäyrästö kompleksisen dielektrisyysvakion ja mitattavan aineen tiheyden ja toisen mitattavan suureen, esimerkiksi kosteuden määräämiseksi. Keksinnön mukaiselle mittausanturille on ominaista se, että se on rakenteeltaan 40 patenttivaatimuksissa 4, 5 6 ja 7 esitetyn mukainen.

Seuraavassa yksityiskohtaisessa selostuksessa viitataan seuraaviin kuvi oihin.

Kuvio 1 Resonaattorista ja doppler-tutkasta koostuvan mittaussysteemin periaatekaavio.

45 Kuvio 2 Kahdesta resonaattorista ja korrelaattorista koostuvan mit- tausussysteemin periaatekaavio.

Kuvio 3 Liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaaliresonaattori sivusta ja päästä.

Kuvio 4 Viistoon asennetusta liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaa-50 li resonaattori sivusta ja päästä.

Kuvio 5 Pitkittäisestä liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaalireso-naattori sivusta ja päästä.

Kuvio 6 Metalliputken laajennuksesta ja sähköä johtamattomasta putkesta tehty oneteloresonaattori sivusta (leikkaus).

55 Kuvio 7 Puulastujen dielektrisyysvakio tiheyden ja kosteuden funktio na.

Kuvio 8 Kuljetushihnalla olevan massan virtauksen mittaus kuvion 6 anturilla.

Keksinnön mukaista mittaussysteemiä on mahdollista käyttää esimerkiksi 60 lastulevyteollisuudessa, missä raaka-aine, puulastut, yleensä kuljete- 61 taan metalliputkissa eri valmistusvaiheiden välillä. Tällöin on usein 3 69372 62 tarpeen tietää montako kilogrammaa raaka-ainetta missäkin kohdassa virtaa minuutissa. Samoin on tärkeätä tietää, mikä on lastujen kosteus. Molemmat mittaukset on tärkeä suorittaa esimerkiksi kohdassa, missä 65 lastut virtaavat kuivatusuuniin ja kohdassa, missä ne virtaavat liimaus- koneeseen.

Mittausongelman ratkaisuna on mahdollista käyttää kuvion 1 tai 2 mukaista mittaussysteemiä. Käytännössä lastujen putoamisnopeus on lähes vakio, sillä ne putoavat anturin läpi matalalta vakiokorkeudelta, joten 70 virtausnopeuden mittaus ei ole välttämätön.

Mittausanturi voi olla kuvioiden 3, 4, 5 tai 6 mukainen tai vastaava muu resonaattori rakenne. Kuvioiden 3, 4 ja 5 resonaattorit ovat koaksi-aaliresonaattoreita. Metalliputki 1 muodostaa ulkojohtimen ja metalli-liuska tai -putki 5 sisäjohtimen. Suurtaajuusteho resonanssitaajuuden 75 ja hyvyysluvun mittaamiseksi kytketään resonaattoriin kahdella kytkin- lenkillä 6, joihin kytketään syöttökaapelit. Eristysaineesta tehdyt tuet 13 (kuvio 6) pitävät liuskan paikoillaan. Kuvion 3 resonaattori on resonanssissa taajuudella, jolla liuska on noin neljännesaallonpituuden mittainen. Putken 1 raja-aallonpituus on kaksi kertaa putken levein 80 sivu neliskulmaiselle putkelle ja 1,7 kertaa halkaisija pyöreälle put kelle, joten jos liuska ylettyy pitemmälle kuin putken keskiakselille, radioaalto ei pysty etenemään putkessa resonanssitaajuudella. Kun putken päät jatkuvat tarpeeksi pitkälle resonaattorin molemmille puolille, kaikki teho pysyy resonaattorissa ja sillä on erittäin suuri hyvyys-85 luku. Silloin on mahdollista mitata myös suhteellisen pienihäviöisten aineiden häviöt eli melko kuivien puulastujen kosteus.

Kuvion 4 resonaattorin resonanssitaajuus on lähellä taajuutta, jolla liuska 5 on puolen aallon mittatnen. Jotta putken 1 raja-aallonpituus olisi huomattavasti korkeampi kuin resonanssitaajuus, on liuska sijoi-90 tettava riittävän vinoon putkeen liuskan pituuden kasvattamiseksi ja siten resonanssitaajuuden pienentämiseksi.

Kuvion 5 resonaattorin resonanssitaajuus on lähellä taajuutta, jolla keski johtimen 5 pituus on puoli aaltoa. Keski johtimen on siis oltava huomattavasti putken halkaisijaa pitempi, jotta rajataajuus olisi riit-95 tävän suuri.

4 69372 96 Kuvion 6 resonaattori on onteloresonaattori. Se koostuu metalliputken 1 laajennuksesta 7 päätyineen 8. Resonaattorin läpi kulkee eristeestä (esimerkiksi muovista) tehty putki 9, jonka halkaisija on sama kuin putken 1, siten, että mitattavaan ainevirtaan ei muodostu kasautumia 100 tai pyörteitä. Resonaattorin mitat on valittava siten, että resonanssi-taajuus on pienempi kuin putken 1 alarajataajuus. Tämä ehto on helppo täyttää. Silloin tehoa ei pääse karkaamaan putkeen 1 ja resonaattorilla on suuri hyvyysluku.

Kuvioiden 3, 4 ja 5 resonaattorien suurin etu on helppo asennettavuus, 105 jos massavirtaus on metalliputkessa, jolloin virtausputkea voidaan käyttää ulkojohtimena. Kuvion 6 resonaattorin etu on mitattavan aineen esteetön kulku.

Kun mitattava aine virtaa resonaattorin läpi, se kulkee myös resonaattorin sähkökentän läpi. Koska aineen suhteellinen dielektrisyysvakio 110 er eroaa ilman suhteellisesta dielektrisyysvakiosta, aine vaikuttaa aallonpituuteen ja siten resonanssitaajuuteen. Oielektrisyysvakion imaginaariosa, joka on verrannollinen aineen häviöihin, vaikuttaa resonaattorin hyvyyslukuun. Mittaamalla resonaattorin resonanssitaajuus ja hyvyysluku radiotekniikasta tunnetulla tavalla saadaan siis efektiivinen 115 kompleksinen dielektrisyysvakio. Tästä on mahdollista päätellä mitattavan aineen keskimääräinen tiheys putkessa ja jokin toinen suure käyttäen kaiibrointikäyrästöä. Puulastujen tapauksessa kokeellinen käyrästö tiheydelle ja kosteudelle on esitetty kuviossa 7.

Resonaattoreiden suurin virhelähde on epähomogeeninen kenttäjakautuma 120 putken 1 poikkipinnalla. Koaksiaaliresonaattorin (kuviot 3, 4 ja 5) tapauksessa sähkökenttä on voimakkain liuskan 5 pinnalla. Jos lastujen virta vaihtelee epätasaisesti putken poikkipinnalla, siitä aiheutuu tietty virhe ellei sitä kyetä ottamaan huomioon. Tarvittaessa voidaan keski johtimen ympärille panna eristysaineputki, joka estää aineen tun-125 keutumisen aivan liuskan pintaan ja siten saada massavirta tasaisempaan sähkökenttään. Kuvion 6 resonaattorin kenttä on mahdollista saada lähes vakioksi valitsemalla aaltomuoto ja resonaattorin mitat oikein. Sopiva resonanssimuoto on esimerkiksi TEm pyöreällä aaltoputkiresonaattorilla tai TEioi suorakulmaisella aaltoputkiresonaattorilla, jolloin sähkö-130 kenttä on lähellä maksimi arvoaan koko mittausalueella.

5 69372 131 Mitattava massavirtaus voi olla myös vapaassa tilassa, jolloin kuvioiden 4, 5 tai 6 mukainen mittausanturi sijoitetaan niin, että massa putoaa anturin läpi. Massavirtaus voi olla myös liukuhihnalla, jolloin liukuhihna 14 massoineen kukee anturin läpi, kuvio 8. Esimerkiksi kuvion 6 135 mukainen anturi sopii tarkoitukseen. Liukuhihnan on oltava eristysainetta ja sen osuus on kalibroitava pois anturin mittausarvoista.

Kuvio 2 esittää mittausmenetelmää, jossa virtausnopeuden määrääminen tehdään korrelaatiota hyväksikäyttäen. Mittausmenetelmään kuuluu kaksi virtausputkessa toisistaa etäisyydellä d olevaa mittausanturia 2, 140 tulkintaelektroniikka 10, säädettävä viive 11 sekä korrelaation 12. Säädettävä viive 11 ja korrelaattori 12 ovat elektroniikasta tunnetulla tavalla toteutettuja, esimerkiksi digitaalisia. Massavirtauksen pienistä vaihteluista johtuen anturin A mittaustulos vaihtelee, samoin anturin B. Korrelaattori 12 hakee viiveen t, jolla saadaan paras korrelaatio 145 mittaustulosten kesken. Virtausnopeus on silloin d/t.

Kuvion 5 resonaattorin kenttä on voimakkain keskijohtimen 5 päissä, joten jokainen ohi virtaava hiukkanen synnyttää kaksihuippuisen signaalin, jonka huippujen välinen viive riippuu virtausnopeudesta. Suorittamalla signaalille autokorrelaatio saadaan viive, ja virtausnopeus on mahdol-150 lista selvittää samalla tavalla kuin kahden resonaattorin tapauksessa.

Keksinnön mukaista mittausmenetelmää ja antureita voidaan joissakin ta-pauksissta soveltaa myös nesteiden ja kaasujen virtausmittauksiin. Mitattavien nesteiden on oltava huonosti sähköä johtavia. Jos nesteessä on epätasaisuuksia, esimerkiksi ilmakuplia, saadaan virtausnopeus sel-155 ville doppler- ja korrelaatiomittauksilla.

Claims (7)

1. 69372 6
2. 1. Kiinteän, rakeisen aineen tai vastaavan massavirtauksen ja kosteu den tai jonkin muun ominaisuuden mittausmenetelmä tunnettu siitä, että massavirtaus mitataan metalliputken osassa (1), johon on muodostettu sähkömagneettinen resonaattori (2), jonka resonanssi- 5 taajuus on pienempi kuin putken (1) alarajataajuus, ja jonka ken tästä aine virtaa läpi ja vaikuttaa siten resonanssitaajuuteen ja hyvyyslukuun, jotka mitataan ja joista ainevirran keskimääräinen hetkellinen tiheys ja kosteus tai jokin muu ominaisuus voidaan päätellä.
3. 10. Vaatimuksen 1 mukainen mittausmenetelmä tunnettu siitä, että aineen virtausnopeus mitataan ennen tai jälkeen mittausanturin (2) sijoitetulla doppler-tutkalla (3), jonka säde on suunnattu viistoon ainevirran halki, jolloin virtausnopeus aiheuttaa taajuus-siirtymän heijastukseen, joka mitataan ja josta yhdessä mittausan- 15 turin (2) antaman keskimääräisen tiheyden kanssa massavirtaus voi daan määrätä.
4. 3 Laite patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi tunnettu siitä, että metal 1 iliuska tai -putki (5) kiinnitetään toisesta päästään putken (1) seinään putken (1) poikki 20 siten, että sen pituus on noin kaksi kolmasosaa putken (1) halkai sijasta, jolloin se putken (1) seinien kanssa muodostaa koaksiaali-resonaattorin (2), jonka resonanssi taajuus on pienempi kuin putken (1) alarajataajuus.
5. 4 Laite patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttami- 25 seksi tunnettu siitä, että metalliputken (1) poikki kiin nitetään metalli liuska tai -putki (5) molemmista päistään putken (1) seinään putken (1) keskiakseliin nähden viistoon siten, että se on pitempi kuin putken (1) halkaisija, jolloin se putken (1) seinien kanssa muodostaa koaksiaaliresonaattorin(2), jonka resonanssitaajuus 30 on pienempi kuin putken alarajataajuus. Il 7 69372
6. 31. Laite patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttami seksi tunnettu siitä, että metalliputken (1) sisään lähelle akselia on eristysainepalasilla (13) tuettu metalliliuska tai -putki (5), jonka pituus on suurempi kuin putken (1) halkaisija, 35. jolloin se putken (1) kanssa muodostaa koaksiaaliresonaattori n (2), jonka resonanssi taajuus on pienempi kuin putken (1) alarajataajuus.
7. 6 Laite patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi tunnettu siitä, että metalliputken (1) osa on korvattu eristeaineesta tehdyllä osalla (9) ja että tämän ympärille on 40 laitettu halkaisijaltaan hiukan suurempi metalliputki (7) päätyi- neen (8), jolloin putken (1) laajennus (7,8) muodostaa onteloreso-naattorin (2), jonka resonanssi taajuus on pienempi kuin putken (1) 43 alarajataajuus. 69372 δ