FI69372C

FI69372C - MEASUREMENT METHOD FOR APPARATUS FOR MAINTENANCE WITH FASTA CORNECT AEMNENS MASSFLOEDE OCH FUKTIGHET ELLER NAOGON ANNAN EGENSKAP

Info

Publication number: FI69372C
Application number: FI834892A
Authority: FI
Inventors: Martti Eelis Tiuri; Ebbe Gustaf Nyfors; Pertti-Veli Vainikainen; Stig Harald Staohl
Original assignee: Martti Eelis Tiuri; Ebbe Gustaf Nyfors; Vainikainen Pertti Veli; Stig Harald Staohl
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1986-01-10
Also published as: FI834892A0; FI69372B; FI834892A

Description

6937269372

MITTAUSMENETELMÄ JA -LAITE KIINTEÄN, RAKEISEN AINEEN MASSAVIRTAUKSEN JA KOSTEUDEN TAI JONKIN MUUN OMINAISUUDEN MÄÄRÄÄMISEKSIMEASUREMENT METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THE MASS FLOW AND HUMIDITY OF A SOLID, GRANULAR MATERIAL OR ANY OTHER PROPERTIES

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.The present invention relates to a method and apparatus for measuring at radio frequencies, by means of which the mass flow and moisture or some other quantity of a solid, granular substance can be determined simultaneously. The material can be, for example, wood chips, grain, coal, ash or some other poorly electrically conductive substance.

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.At present, there are no devices that can absorb the mass flow and moisture of a solid, granular material flowing in a tube, passing through a conveyor belt, or falling freely. Flow sensors are generally based on differential pressure or vortex formation, or contain moving propeller-like parts, making them suitable only for liquids or gases flowing in pipes. The flow of conductive fluids can be measured magnetically. Magnetic methods are only suitable for solid, granular materials when a liquid is used as the conveyor. This is rarely possible. The flow of solids, granules 15 can be measured with an oblique plate. It is a plate mounted obliquely in the flow tube against which the substance falls and thus causes a force to be measured. The bevel plate only measures the mass flow and assumes that the falling velocity is constant.

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.The measurement method and sensor of the present invention seeks to eliminate the weaknesses and error sources of the above measurement methods. The method presented here is characterized in that the measuring sensor operates at radio frequencies. The measurement method is particularly suitable for measuring the mass flow of solids, granules. The measurement does not change the flow of the substance. With the sensor, it is possible to measure two things at the same time, for example, the average instantaneous density and the humidity of the substance. If the substance flows at a constant velocity, the average density 27 is directly proportional to the mass flow of the substance.

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.2 69372 28 In cases where the mass flow rate varies, the rate can be measured in a known manner, e.g. with a Doppler radar. Another method is to use two measuring sensors in succession and to determine the delay with which the measurement results correlate, whereby the flow rate can be determined on the basis of the delay and the distance between the sensors. There are usually small variations in the mass flow so that correlation can be performed.

Keksinnön mukaiselle mittausmenetelmälle on lisäksi ominaista, että 35 mittaus tapahtuu patenttivaatimuksissa 1, 2 ja 3 esitetyllä tavalla.The measuring method according to the invention is further characterized in that the measurement takes place as described in claims 1, 2 and 3.

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.For each application, a calibration curve must be generated to determine the complex dielectric constant and the density of the substance to be measured and another measurand, for example moisture. The measuring sensor according to the invention is characterized in that it has a structure as set out in claims 4, 5, 6 and 7.

Seuraavassa yksityiskohtaisessa selostuksessa viitataan seuraaviin kuvi oihin.In the following detailed description, reference is made to the following figures.

Kuvio 1 Resonaattorista ja doppler-tutkasta koostuvan mittaussysteemin periaatekaavio.Figure 1 Schematic diagram of a measurement system consisting of a resonator and a Doppler radar.

45 Kuvio 2 Kahdesta resonaattorista ja korrelaattorista koostuvan mit- tausussysteemin periaatekaavio.45 Figure 2 Schematic diagram of a measurement system consisting of two resonators and a correlator.

Kuvio 3 Liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaaliresonaattori sivusta ja päästä.Figure 3 Side and end coaxial resonator consisting of a strip and a tube.

Kuvio 4 Viistoon asennetusta liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaa-50 li resonaattori sivusta ja päästä.Figure 4 Side and end of a coaxial-50 li resonator consisting of a diagonally mounted strip and a tube.

Kuvio 5 Pitkittäisestä liuskasta ja putkesta koostuva koaksiaalireso-naattori sivusta ja päästä.Figure 5 Side and end of a coaxial resonator consisting of a longitudinal strip and a tube.

Kuvio 6 Metalliputken laajennuksesta ja sähköä johtamattomasta putkesta tehty oneteloresonaattori sivusta (leikkaus).Figure 6 Side (resonator) onetel resonator made of metal tube extension and non-conductive tube.

55 Kuvio 7 Puulastujen dielektrisyysvakio tiheyden ja kosteuden funktio na.55 Figure 7 Dielectric constant of wood chips as a function of density and moisture.

Kuvio 8 Kuljetushihnalla olevan massan virtauksen mittaus kuvion 6 anturilla.Figure 8 Measurement of the mass flow on the conveyor belt with the sensor of Figure 6.

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.The measuring system according to the invention can be used, for example, in the particle board industry, where the raw material, wood chips, is generally transported in metal pipes between different manufacturing steps. In this case, it is often necessary to know how many kilograms of raw material flow at any point in a minute. It is also important to know what the moisture content of the chips is. It is important to perform both measurements, for example, at the point where the chips 65 flow into the drying oven and at the point where they flow into the gluing machine.

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.As a solution to the measurement problem, it is possible to use the measurement system according to Figure 1 or 2. In practice, the rate of fall of the chips is almost constant, as they fall through the sensor from a low constant height, so a measurement of the flow rate 70 is not necessary.

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.The measuring sensor may be according to Figures 3, 4, 5 or 6 or a similar resonator structure. The resonators of Figures 3, 4 and 5 are coaxial resonators. The metal tube 1 forms the outer conductor and the metal strip or tube 5 the inner conductor. The high-frequency power for measuring the resonant frequency 75 and the goodness number is connected to the resonator by two switching loops 6, to which the supply cables are connected. The supports 13 made of insulating material (Fig. 6) hold the strip in place. The resonator of Figure 3 resonates at a frequency at which the strip is about a quarter wavelength long. The boundary wavelength of the tube 1 is twice the widest 80 sides of the tube for a rectangular tube and 1.7 times the diameter for a round tube, so if the strip extends longer than the central axis of the tube, the radio wave cannot propagate in the tube at resonant frequency. When the ends of the tube extend far enough on both sides of the resonator, all power remains in the resonator and has a very high goodness-85 figure. Then it is also possible to measure the losses of relatively low-loss substances, i.e. the moisture of relatively dry wood chips.

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.Figure 4 of the resonator has a resonance frequency close to the frequency at which the strip 5 is a half-wave mittatnen. In order for the cut-off wavelength of the tube 1 to be considerably higher than the resonant frequency, the strip must be placed in a sufficiently oblique tube to increase the length of the strip and thus reduce the resonant frequency.

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.The resonant frequency of the resonator of Figure 5 is close to the frequency at which the average length of the conductor 5 is half a wave. The central conductor must therefore be considerably longer than the diameter of the tube in order for the cut-off frequency to be sufficiently high.

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.4 69372 96 The resonator of Figure 6 is a hollow resonator. It consists of an extension 7 of the metal tube 1 with its ends 8. A tube 9 made of insulation (e.g. plastic) with the same diameter as the tube 1 passes through the resonator, so that no agglomerations 100 or vortices are formed in the material flow to be measured. The dimensions of the resonator must be chosen so that the resonant frequency is lower than the lower limit frequency of the tube 1. This condition is easy to meet. Then the power cannot escape into the tube 1 and the resonator has a high quality factor.

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.The main advantage of the resonators of Figures 3, 4 and 5 is easy installation, 105 if the mass flow is in a metal tube, in which case the flow tube can be used as an external conductor. The advantage of the resonator of Figure 6 is the unobstructed flow of the substance to be measured.

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.As the substance to be measured flows through the resonator, it also passes through the electric field of the resonator. Since the relative dielectric constant 110 er of the substance differs from the relative dielectric constant of air, the substance affects the wavelength and thus the resonant frequency. The imaginary part of the electroelectric constant, which is proportional to the losses of matter, affects the goodness of the resonator. Thus, by measuring the resonant frequency and the quality factor of the resonator in a manner known from radio technology, an effective 115 complex dielectric constant 115 is obtained. From this it is possible to deduce the average density of the substance to be measured in the tube and another quantity using the calibration curve. In the case of wood chips, an experimental plot for density and moisture is shown in Figure 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.The largest source of error for resonators is the inhomogeneous field distribution on the cross-sectional area of 120 tubes 1. In the case of a coaxial resonator (Figures 3, 4 and 5), the electric field is strongest on the surface of the strip 5. If the chip current varies unevenly across the cross-section of the pipe, it will cause a certain error if it cannot be taken into account. If necessary, an insulating tube can be placed around the central conductor, which prevents the substance from penetrating right onto the surface of the strip and thus obtaining a mass flow into a more uniform electric field. It is possible to make the field of the resonator of Fig. 6 almost constant by choosing the waveform and the dimensions of the resonator correctly. A suitable form of resonance is, for example, TEm with a circular waveguide resonator or TEm with a rectangular waveguide resonator, whereby the electric-130 field is close to its maximum value in the whole measuring range.

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.5 69372 131 The mass flow to be measured can also be in the free state, in which case the measuring sensor according to Figures 4, 5 or 6 is positioned so that the mass falls through the sensor. The mass flow can also be on a conveyor belt, whereby the conveyor belt 14 with its mass falls through the sensor, Fig. 8. For example, the sensor according to Fig. 6 135 is suitable for the purpose. The conveyor belt must be an insulating material and its proportion must be calibrated away from the measured values of the sensor.

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.Figure 2 shows a measurement method in which the determination of the flow rate is performed using correlation. The measuring method comprises two measuring sensors 2, 140 in the flow tube reproducing at a distance d, the interpretation electronics 10, the adjustable delay 11 and the correlation 12. The adjustable delay 11 and the correlator 12 are implemented in a manner known from electronics, for example digital. Due to small variations in the mass flow, the measurement result of sensor A varies, as does that of sensor B. The correlator 12 retrieves the delay t which gives the best correlation 145 between the measurement results. The flow rate is then 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.The field of the resonator of Figure 5 is strongest at the ends of the center conductor 5, so that each particle flowing past generates a two-peak signal, the delay between the peaks of which depends on the flow rate. By performing autocorrelation on the signal, a delay is obtained, and the flow rate can be determined in the same way as in the case of two resonators.

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.The measuring method and sensors according to the invention can in some cases also be applied to flow measurements of liquids and gases. The liquids to be measured must be poorly electrically conductive. If there are irregularities in the liquid, for example air bubbles, the flow rate is obtained by clear Doppler and correlation measurements.

Claims

69372 6

A method for measuring the mass flow and moisture or other property of a solid, granular substance or the like, characterized in that the mass flow is measured in a metal tube part (1) formed by an electromagnetic resonator (2) having a resonant frequency lower than that of the tube (1). the lower limit frequency, and by which the substance flows through it and thus affects the resonant frequency and the goodness number, which are measured and from which the average instantaneous density and humidity or some other property of the substance flow can be deduced.

Measurement method according to Claim 1, characterized in that the flow rate of the substance is measured before or after by a Doppler radar (3) placed on the measuring sensor (2) with a beam directed obliquely through the flow of matter, the flow velocity causing a frequency shift. - 15 With the average density given by the tur (2), the mass flow can be determined.

Device for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that the metal strip or tube (5) is fastened at one end to the wall of the tube (1) across the tube (1) so that its length is about two thirds of the diameter of the tube (1). instead of forming a coaxial resonator (2) with the walls of the tube (1), the resonant frequency of which is lower than the lower limit frequency of the tube (1).

Device for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that a metal strip or tube (5) is fastened across the metal tube (1) at both ends to the wall of the tube (1) obliquely to the central axis of the tube (1) longer than the diameter of the tube (1), whereby it forms a coaxial resonator (2) with the walls of the tube (1), the resonant frequency 30 of which is less than the lower limit frequency of the tube. Il 7 69372

Device for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that inside the metal tube (1) close to the axis there is a metal strip or tube (5) supported by the insulating pieces (13), the length of which is greater than the diameter of the tube (1), it together with the tube (1) forms a coaxial resonator n (2), the resonant frequency of which is lower than the lower limit frequency of the tube (1).

Apparatus for carrying out the method according to claim 1 or 2, characterized in that a part of the metal pipe (1) is replaced by a part (9) made of insulating material and a slightly larger diameter metal pipe (7) with an end (8) is arranged around it. 1) the extension (7,8) forms a cavity resonator (2) whose resonant frequency is lower than the lower limit frequency of the tube (1) 43. 69372 δ