FI75228C - Anordning foer maetning fukthalten. - Google Patents

Description

75228 Järjestely kosteuspitoisuuden mittaamiseksi

Keksintö koskee järjestelyä vesipitoisen aineen kosteuspitoisuuden mittaamiseksi mikroaaltojen avulla, käsit-5 täen lähetinjärjestelyn, joka koostuu signaalilähteestä sekä siihen kytketystä lähetysantennista, vesipitoisen aineen ollessa järjestettävissä lähetysantennin säteilykent-tään, vastaanottoantennin, joka vastaanottaa aineeseen lähetetyn aallon, sekä vastaanottoantenniin yhdistetyn tes-10 tauslaitteen.

Tunnetaan useita laitteita vesipitoisen aineen kosteuspitoisuuden mittaamiseksi mikroaaltojen avulla. Julkaisu "The Proceedings of the Microwave Power Symposium" Toronto, 9-12 kesäkuuta 1981, sivut 193-195 esittää laitteen, 15 j ossa koaksiaaliantenni päättyy putkeen, jossa mitattava aine on. Koaksiaaliantenni on liitetty mittauslaitteeseen, joka määrittää koaksiaaliantennin heijastusvaikutuksen, joka johtuu eristevakiosta ja sen mukaisesti putkessa olevan aineen vesipitoisuudesta.

20 Tällä mittauslaitteella on se varjopuoli, että vaa ditaan hyvin tarkka ja sen mukaisesti kallis eristevakion määrittely koaksiaaliantennin loppupäässä. Sen lisäksi ainoastaan se osa mitattavasta aineesta, joka putkessa on koaksiaaliantennin välittömässä läheisyydessä vaikuttaa 25 heijastustekijään. Sen mukaisesti ei mittauslaite ole sovelias epähomogeenisten aineiden mittauksiin.

Julkaisu Journal of Microwave Power", osa 14, 1979, nro 4, sivut 363-365 selostaa liuskajohtoilmaisinta kosteuden mittauksissa mikroaaltojen avulla. Liuskajohtoa, joka 30 on kiinnitetty alustaan, ympäröi mitattava aine, jonka liuskajohdon hajakenttä läpäisee. Aineessa oleva kosteus vaikuttaa hajakentän kautta liuskajohdon värähtelyn vaimentamiseen, joka on yhdistetty mittauslaitteeseen värähtelyn vaimennusmittausta varten.

35 Tällä laitteella, mukaan luettuna myös koaksiaali- 2 75228 antenni, on se varjopuoli, että hajakenttä esiintyy ainoastaan liuskejohdon välittömässä läheisyydessä, ja että sen mukaisesti ainoastaan pieni osa mitattavasta aineesta vaikuttaa liuskajohdon värähtelyn vaimentamiseen. Tämä lai-5 te ei sentähden myöskään ole sopiva suurehkojen epähomogeenisten aineiden mittaamiseen. Värähtelyn vaimentamis-mittauksilla on muuten se haittapuoli, että ne ovat herkkiä kantoaaltojen aiheuttamille häiriöille, joten selostetuilla laitteilla suoritetut mittaukset ovat epätarkkoja.

10 Käytännössä on vaikeata määrittää korkeita kosteus pitoisuuksia mikroaaltojen avulla, koska korkean vesipitoisuuden omaavat aineet, joihin mittaukset kohdistetaan, usein sisältävät pieniä määriä aineita joilla on alhainen eristevakio, joka arvo on tyypillisesti likimääräisesti 2 15 ja 5 välillä, ja suurella määrällä vettä on eristevakio, joka on noin 80. Vesipitoisten aineiden resultanttivoiman eristevakio eroaa vain vähän veden eristevakiosta, ja muutokset veden pitoisuudessa vaikuttavat aineen etenemisomi-naisuuksiin, ja sen seurauksena vain hyvin rajoitetussa 20 määrin mittauksiin.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada laite vesipitoisen aineen kosteuspitoisuuden mittaamiseksi mikroaaltojen avulla, joka myöskin korkeissa kosteuspitoisuuksissa, ts. korkeissa aineen vesipitoisuuksissa, antaa yksin-25 kertaisen ja tarkan mittaustuloksen, joka ei ole herkkä, mahdollisille häiriöille. Tarkemmin sanottuna mittaustulosten hylkääminen aineen epähomogenisuuksien takia, sekä myöskin heijastusten ja kantoaaltojen takia täytyy eliminoida .

30 Keksinnön mukaisesti tämä tavoite saavutetaan siten, että lähetysantenni lähettää ainakin oleellisesti tasaisen sähkömagneettisen aallon aineeseen, että vastaanottoanten-ni on varustettu ainakin yhdellä mittausluotaimella, ja että aineen läpi lähetettävän aallon vaihe määritetään tes-35 tauslaitteella vertaamalla aineen läpi lähetetyn aallon 3

Π C O O Q

vaihetta vertailuarvoon. ( c. L· O

Vielä eräässä keksinnön suoritusmuodossa on ainakin kaksi mittausluotainta, jotka on asetettu määrätyn välimatkan päähän toisistaan aallon etenemissuunnassa, ja testi-5 laite on rakenteeltaan selalinen, että se määrittää mittaus luotaimien vastaanottamien aaltojen vaiheiden väliset erot.

Eräässä keksinnön suoritusmuodossa, jossa lähetin lähettää taajuusmoduloidun aallon aineeseen, käytetään ai-10 neen läpi lähetettyjen aaltojen vastaanottamiseksi vain yhtä kaikuluotainta, testilaitteen määrittäessä muutoksen vastaanotettujen aaltojen vaiheissa muutoksen taajuudesta riippuen.

Keksinnön mukaisella laitteella on se etu, että aal-15 to voidaan lähettää suureen määrään mitattavaa veslainetta. Keksinnön mukaisella laitteella suoritettu mittaus ei ole sentähden herkkä aineen epähomogenisuudelle. Kantoaaltojen häiritsevää vaikutusta mittatarkkuuteen on myös vähennetty keksinnön mukaisessa laitteessa verrattuna aikaisempiin 20 laitteisiin. Keksinnön mukainen koko laitteisto on rakenteeltaan yksinkertainen. Sillä on se etu, että se jatkuvasti näyttää monitorista mitattavan arvon, ja on siksi sovelias käytettäväksi automaattisten prosessien kosteuspitoisuuksien mittauksiin.

25 Keksinnön mukaisen edullisen suoritusmuodon mukaan kaikki mittausluotaimet on varustettu integroiduilla mikroaaltopiireillä, jotka on muodostettu ainakin kahdesta eristetystä levystä, joiden väliin on asetettu liuskanmuo-toisia sähköjohtimia, ja uloimpien levyjen ulommat pinnat 30 on päällystetty ainakin osittain sähköä johtavalla kerroksella .

Eräässä keksinnön suoritusmuodossa integroitu mikroaaltopiiri on asetettu aaltoputken keskitasoon, joka on täytetty sähköä eristävällä aineella.

75228

Vielä erään keksinnön mukaisen suoritusmuodon mukaan aaltoputki on suorakaiteenmuotoinen.

Erään keksinnön suoritusmuodon mukaan sekä antenni että mittausluotain, tai mittausluotaimet, on yhdis-5 tetty intergroituun mikroaaltopiiriin, jolla on ainakin yksi liuskanmuotoinen johdin, joka toimii antennina, sekä signaalia lähettävänä välineenä antenniin, sekä ainakin toinen johdin, joka toimii mittausluotaimena, sekä signaalia purkavana välineenä mittausluotaimesta.

10 Viimeksimainittujen, antennin sekä mittausluotaimien suoritusmuodot ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, ne voidaan valmistaa pienin mekaanisin toleranssein sekä ovat vahvoja.

Joitakin keksinnön suoritusmuotoja selostetaan seu-15 raavassa esimerkein viitaten oheenliitettyihin piirustuksiin. Tällöin kuvio 1 esittää piirikaaviota keksinnön mukaisen mittausperiaatteen selvittämiseksi, kuvio 2 esittää kaaviollisesti värähtelyn vaimentumi-20 sen ja signaalin vaihekulman kuvion 1 laitteistolla mitattuna, kuvio 3 esittää erään keksinnön mukaisen mittausluotaimien suoritusmuodon, kuvio 4 esittää laitteen, jossa antenni sekä mikro-25 luotaimet on yhdistetty yhteen keksinnön mukaiseen intergroituun mikroaaltopiiriin, kuvio 5 esittää erään kosteuspitoisuusmittauksen tuloksia, tehostettuna keksinnön mukaisella laitteella, ja kuviot 6, 7 ja 8 esittävät eräitä keksinnön mukai-30 siä suoritusmuotoja.

Kuvio 1 esittää mittausperiaatetta, johon keksinnön mukainen laite perustuu. Mittausluotain 2, joka on liikkuva X-suunnassa, on asetettu mitattavaan vesiaineeseen 1. X-suunnan kanssa linjaan on järjestetty ennen mittausluo-35 tainta 2 antenni 3, joka on yhdistetty signaalin syöttö-johdon 4 kautta generaattoriin 5, joka toimii signaalin 5 75228 voimanlähteenä. Testilaitteella 6 ensimmäinen sisäänmeno on yhdistetty mittausluotaimeen 2, ja toinen sisäänmeno generaattoriin 5 vertailujohdon 7 kautta. Generaattori 5 kehittää vaihtovirtajännitettä radiotaajuudelle.

5 Antenni 3 lähettää ainakin olennaisesti tasaista aaltoa, jonka etenemissuunta yhtyy X-suuntaan ja kohtaa vesi-aineen 1. Testilaite 6 määrittää vertaamalla antennista 2 vastaanotettua aaltoa vertailusignaaliin, jonka generaattori 5 syöttää vertailujohtoa 7 pitkin, vastaanotetun 10 aallon värähtelyn vaimentumisen ja vaiheen ψ riippuen mittausluotaimen siirtymästä X-suunnassa, sekä määrittää sieltä käsin muutoksen A°( tai AJP t riippuen antennin siirtymästä matkan Ax verran.

Kuvio 2 esittää esimerkin mittauskäyristä, jotka on 15 tallennettu kuvion 1 mukaisella laitteella ja kuvaavat värähtelyn vaimentumisen o( ja vaiheen tP vaihtelun mittaus-kertoimen 2 siirtymää varten pitkin X-suuntaa. Maitojau-he-vesiseosta käytettiin vesiaineena 1. Vaiheella <p (x) on oleellisesti paljon yhtenäisempi vaihtelu pitkin mit-20 tausluotaimen 3 siirtymää x kuin värähtelyn vaimentumisella , ja sitä käytetään siksi mieluummin kosteuspitoisuuksien mittauksissa. Kosteuspitoisuusmittana käytetään vaiheen muutosta pituusyksikköä /\p/Λ X kohden, samassa suhteessa kuin aineen kosteuspitoisuus kautta 25 vesiaineessa olevan aallon etenemisnopeus ja siitä johtuva eristevakio. Kun mittausluotain 2 on mitattavan aineen 1 pinnan välittömässä läheisyydessä, niin silloin käyrät o( sekä ilmaisevat huomattavaa epäyhtenäisyyttä, joka aiheutuu pintavaikutuksista, kuten esimerkiksi hei-30 jastuksista, ja joita kuvio 2 esittää viivatun alueen 10 avulla. Tätä aluetta ei saa käyttää kosteuspitoisuus-mittauksiin.

Liikkuvaa mittausluotainta on vaikeaa käsitellä, ja sen tähden keksinnön mukaisesti käytetään mieluimmin 35 kiinteitä mittausluotaimia. Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen laitteen suoritusmuodon, jossa on kaksi mittausluo- 6 75228 tainta, jotka on liitetty integroituun mikroaaltopiiriin.

Kaksi liuskanmuotoista johtoa 12 ja 13, jotka asettuvat yhdensuuntaisesti aallon etenemissuuntaan, ts. yhdensuuntaisesti X-suunnan kanssa, on asetettu kahden 5 sähköä eristävän levyn 14 ja 15 väliin. Liuskajohtojen 12 ja 13 päät 18 ja 19 on asetettu kohtisuoraan X-suun-taa vastaan, ja muodostavat mittausluotaimet, jotka ovat etäisyydellä Δ. x suunnassa X, ja ovat asetetut dipolin muotoon yhdensuuntaisesti sen aallon sähkökentän E kent-10 täviivojen kanssa, joka lähetetään vesipitoisen aineen läpi.

Eristelevyjen 14 ja 15 ulkopinnat on päällystetty sähköä johtavilla kerroksilla 16 ja 17, jotka muodostavat suojan liuskajohtimille 12 ja 13. Vain liuskajohtimien 15 12 ja 13 taivutetut päät 18 ja 19, jotka toimivat mitta- luotaimina, ulottuvat suojakerroksen yli. Mittausluotaimet 18 ja 19 ovat jokseenkin vastaavan mittaisia sekä sen mukaisesti suureksi osaksi omaavat samat sähköiset ominaisuudet. Välimatka Λ. x on pienempi kuin vesipitoisen aineen 1 20 aallonpituus, ja erityisesti pienempi kuin aallonpituus puhtaassa vedessä. Testilaite on yhdistetty liuskajohtimien 12 ja 13 päihin 20 ja 21, ja se määrittää mitattavan aineen 1 kosteuspitoisuuden, sekä jännitteiden väliset vaihe-erot, jotka mittausluotaimet 18 ja 19 vastaanotta-25 vat ja suuntaavat päihin 20 ja 21. Käytettäessä kerrotun-laisia mittausluotaimia, lähetyslaitteen antenni 3 on moduuli, joka on rakenteellisesti erotettu mittausluotaimista.

Kuvio 4 esittää erään suoritusmuodon, jossa lähetys-laitteen antenni, sekä mittausluotaimet on yhdistetty yh-30 teen moduliin. Kuvio 4a esittää poikkileikkauksen yhdistetystä laitteesta, jossa ovat sekä antenni että mittausluotaimet, ja kuvio 4b esittää perspektiivikuvan. Useat liuska johtimet 32, 33 ja 34, jotka ovat yhdensuuntaisia X-suunnan kanssa, joka vastaa aallon etenemissuuntaa, on asetettu 35 75228 kahden sähköä eristävän levyn 30 ja 31 väliin, joiden pinnat ovat toistensa vieressä. Johtojen 32 ja 34 päät on taivutettu suoraan kulmaan X-akseliin nähden, ja ne muodostavat mittausluotaimet 35 ja 36, josta on jo 5 kerrottu viitaten kuvioon 3. Johto 33 on myöskin taivutettu suorakulmaisesti X-akselia vastaan, taivutettu osa 37 muodostaa lähettimen antennin. Antenni 37, sekä mittausluotaimet 35 ja 36, on asetettu yhdensuuntaisesti sähkökentän E kenttäviivojen kanssa. X-suunnassa mittaus-10 luotaimet 35 ja 36 on sijoitettu Δ. X:n päähän toisistaan. Eristettyjen levyjen 30 ja 31 ulommaiset pinnat on osittain peitetty sähköä johtavalla päällysteellä, joka muodostaa suojan liuskajohtimille 32, 33 ja 34. Antenni 37, sekä mittausluotaimet 35 ja 36 ulottuvat tämän suojan yli.

15 Eristetyt levyt 30 ja 31 on asetettu suorakaiteen muotoisen aaltoputken puoliskojen 39 sekä 40 väliin, joka on leikattu auki pituussuuntaisen keskitason kautta, ja täytetty eristeellä 41. Se osa eristettyjä levyjä 30 ja 31, joihin mittausluotaimet 35 ja 36 on asetettu, ulkonee suorakai-20 teenmuotoisen aaltoputken 39, 40 päästä. Antenni 37 kehittää aaltoputkessa H-^q aallon, joka lähetetään aaltoputken päästä aaltona, joka on ainakin oleellisesti tasainen mit-tausluotaimien 35 ja 36 alueella, ja jonka mittausluotaimet 35 ja 36 vastaanottavat. Tehostaakseen kosteusmittaus-25 ta on koko laite upotettu mitattavaan aineeseen.

Kuvio 5 esittää joitakin mittaustuloksia. Vaihemuu-tos pituuden muutosyksikköä Δ yV Δ x kohden keksinnön mukaisessa laitteessa mitattuna, on merkitty asteina/cm ja mitatun aineen suhteellinen kosteus ^ %:na.

30 Kuvio 6 esittää keksinnön mukaisen ensimmäisen suori tusmuodon kosteuden mittaamiseksi. Laite käyttää esimerkiksi niitä mittausluotaimia, joita on selostettu kuvioissa 3 ja 4.

Kaksi mittausluotainta 2 ja 2’ on järjestetty siten, että ne on sijoitettu välimatkan Δχ päähän toisistaan 35 suunnassa X, ja ne on yhdistetty kahden vahvistinvaiheen 75228 50 ja 51 sisääntuloihin, ja ne on upotettu mitattavaan vesipitoiseen aineeseen. Kuten kuviossa 1 esitettiin, antenni 3 lähettää ainakin oleellisen tasaisen aallon vesiaineeseen 1. Mittausluotaimien 2 vastaanottamat 5 vaihtovirtajännitteet vahvistetaan vahvistinvaiheissa 50 ja 51, sekä siirretään sekoittajaan 52, joka on yhdistetty vahvistinvaiheiden 50 ja 51 ulostuloihin 53 ja 54, ja joka määrittää vaihe-erot kahden vaihtovirtajännitteen välillä.

10 Kuvio 7 esittää erään keksinnön mukaisen mittaus laitteen suoritusmuodon. Yksisivukaistainen generaattori 60 on yhdistetty kantoaaltotaajuusgeneraattoriin 61, joka tuottaa vaihtovirtajännitettä radiotaajuudelle, ja jolla on kulmataajuus CO 1 sekä välitaajuusgeneraattori 62, 15 joka tuottaa vaihtovirtajännitettä omaten kulmataajuuden Δ00. Edellä mainituista kahdesta jännitteestä toissivu-kaistainen generaattori 60 kehittää toissivukaistaisesti moduloidun signaalin, joka siirretään antenniin 3 johdinta 4 pitkin. Antenni 3, mittausluotaimet 2 ja 2' sekä 20 vesiaine 1 on asetettu samalla tavalla kuin kuviossa 6.

Mittausluotaimet 2 ja 2' ovat kumpikin suoraan yhdistetty sekoittajan signaalin sisäänmenoon, kun taas kantoaaltotaa juusgeneraattori 61 on yhdistetty kahden sekoittajan 64 ja 65 paikallisoskillaattoreiden sisäänmenoihin 3 dB 25 virranjakajan 63 kautta. Tällä tavalla mittausluotaimista vastaanotetut signaalit muunnetaan välitaajuuteen. Sekoittajat 64 ja 65 on yhdistetty vaihe-erottelijaan 66, joka määrittää vaihtovirta jännitteiden vaihe-erot siirret tynä sekoittajien 64 ja 65 välitaajuusulosotoille.

30 Kuvio 8 esittää keksinnön mukaisen laitteen kolman nen suoritusmuodon, joka käsittää vain yhden mittausluotaimen. Tässä laitteessa lähetyslaite 5 on jännitetarkastus-oskillaattorin 70 muodossa, joka on yhdistetty jännitegene-raattoriin 71. Oskillaattori 70 tuottaa vaihtovirtajänni-35 tettä, jonka kulmataajuutta generaattori 71 moduloi kulma-taajuuden ympärillä työntämällä ennalta määrätyn aalto- 75228 muodon jännitettä alueelle . Mittausluotain 2 on yh distetty vaihe-erottelijaan 75, joka on muodostettu siten kuin on esitetty kaavamaisesti piirroksessa sekoittajasta 77 sekä viivästyslinjasta 76. Mittausluotaimen 2 ja vaihe-5 erottelijan 75 väliseen johtoon voidaan taajuudenmuutin-vaihe 72, joka on muodostettu oskillaattorista 73 sekä sekoittajasta 74, valinnaisesti yhdistää. Aallon, jonka antenni 3 lähettää aineeseen 1, esitetyllä tavalla, ottaa mittausluotain 2 vastaan. Vaihtovirtajännite, joka täten 10 on kehitetty mittausluotaimella 2, siirretään perustaajuus-alueelle taajuusmuutinvaiheella 72, jos se on käytettävissä. Vastaanotetun aallon vaihe on sopivassa likimääräisessä suhteessa sen taajuuteen, sekä aineen 1 yhdistetyn eristeva-kion reaaliosan neliöön. Jälkimmäinen vaihe-erottelija 75 15 määrittää vaihe-eron kulmataajuuden mukaan, joka, kun kyseessä on hajaantumaton tai vain heikosti hajaantuva aine, on suhteessa aineen yhdistetyn eristevakion reaaliosan neliöön. Sen mukaisesti signaali, joka siirretään vaihe-erottelijan 75 ulostuloon, valmistaa välittömän mitan ai-20 neen 1 kosteuspitoisuudelle.

Claims (7)

10 75228

1. Järjestely vesipitoisen aineen (1) kosteuspitoisuuden mittaamiseksi mikroaaltojen avulla, käsittäen lähe- 5 tinjärjestelyn (5, 4, 3), joka koostuu signaalilähteestä (5) sekä siihen kytketystä lähetysantennista (3), vesipitoisen aineen (1) ollessa järjestettävissä lähetysanten-nin (3) säteilykenttään, vastaanottoantennin (2), joka vastaanottaa aineeseen (1) lähetetyn aallon, sekä vastaan- 10 ottoantenniin (2) yhdistetyn testauslaitteen (6), tunnettu siitä, että lähetysantenni (3) lähettää ainakin oleellisesti tasaisen sähkömagneettisen aallon aineeseen (1), että vastaanottoantenni (2) on varustettu ainakin yhdellä mittausluotaimella (2, 2'; 18, 19; 35, 36), ja että 15 aineen läpi lähetettävän aallon vaihe määritetään testaus-laitteella (6) vertaamalla aineen (1) läpi lähetetyn aallon vaihetta vertailuarvoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että on ainakin kaksi mittauspäätä (2, 2'; 20 18, 19; 35, 36), jotka on asetettu kiinteän välimatkan pää hän toisistaan aallon etenemissuunnassa, ja testauslaite (6) on rakenteeltaan sellainen, että se määrittää mittaus-päiden vastaanottamien aaltojen vaiheiden väliset erot.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, t u n-25 n e t t u siitä, että lähetinjärjestely (5, 3, 4) lähettää taajuusmoduloidun aallon aineeseen, että aineen (1) läpi lähetettävän aallon vastaanottamiseksi on ainoastaan yksi mittauspää, ja että testauslaite määrittää vastaanotetun aallon vaihemuutoksen riippuen sen taajuudesta.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mittauspää (2) tai mittauspäät (2, 2'; 18, 19; 35, 36) ovat integroitujen mikroaaltopiirien muodossa, joista kukin koostuu ainakin kahdesta eris-televystä (14, 15; 30, 31), joiden pinnat ovat kosketuksis-35 sa toisiinsa ja joiden levyjen väliin on asetettu liuskan- 11 75228 muotoisia sähköjohtimia, ja että uloimmaisten levyjen ulkopinnat on ainakin osittain päällystetty sähköä johtavalla kerroksella (38).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, t u n-5 n e t t u siitä, että integroitu mikroaaltopiiri on järjestetty aaltoputken (39, 40) keskitasoon, joka aaltoputki on täytetty sähköä eristävällä aineella (41).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että aaltoputki (39, 40) on suorakaiteen- 10 muotoinen.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että antenni (37) ja mittauspää (35, 36) tai mittauspäät (35, 36) on yhdistetty yhteen integroituun mikroaaltopiiriin, jolla on ainakin ensimmäinen lius- 15 kajohdin (33), joka toimii antennina sekä toimittaa signaalin antenniin, sekä ainakin toinen johdin (32, 34), joka toimii mittauspäänä (35, 36) ja signaalin purkausvälineenä (32, 34) mittauspäästä (35, 36). 12 75228