FI79197B

FI79197B - FOERFARANDE OCH ANORDNING FOER MAETNING AV FUKTHALTEN ELLER TORRSUBSTANSHALTEN AV AEMNEN.

Info

Publication number: FI79197B
Application number: FI875276A
Authority: FI
Inventors: Pekka Jakkula
Original assignee: Kemira Oy
Priority date: 1984-10-16
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1989-07-31
Also published as: FI875276A0; FI79197C; FI875276A

Description

1 791971 79197

Menetelmä ja laite aineiden kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksiMethod and apparatus for measuring the moisture or dry matter content of substances

Keksinnön kohteena on menetelmä häviöllisen aineen tai sellaisen häviöttömän aineen, jonka kosteuspitoisuus on yli 50 %, kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi. Keksintö koskee myös laitetta menetelmän toteuttamiseksi.The invention relates to a method for measuring the moisture or dry matter content of a lossy substance or a lossless substance having a moisture content of more than 50%. The invention also relates to an apparatus for carrying out the method.

Prosessiteollisuudessa tarvitaan menetelmä aineiden kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi, joka toimii reaaliaikaisena, eli antaa toivotut arvot suoraan. Saatuja arvoja voidaan käyttää esimerkiksi prosessin säätämiseen.The process industry needs a method for measuring the moisture or dry matter content of substances that works in real time, i.e. gives the desired values directly. The values obtained can be used, for example, to control the process.

Aineiden kosteuden mittaukseen on ennestään käytetty johto-kykymittausta tai kapasitiivistä mittausta, joissa mitataan aineen johtokyvyn tai sen kapasitanssin muutosta kosteuden funktiona. Menetelmien huonona puolena on niiden soveltumattomuus suurille kosteuspitoisuuksille sekä aineille, joissa on vaihtelevia määriä erilaisia ioneja.Conductivity measurement or capacitive measurement has previously been used to measure the moisture of substances, in which the change in the conductivity of the substance or its capacitance as a function of moisture is measured. The disadvantages of the methods are their unsuitability for high moisture contents as well as for substances with varying amounts of different ions.

On myös käytetty infrapunamittausta, mutta tämä soveltuu lähinnä kiintoaineille ja kaasuille, eikä heijastavan peilipinnan muodostaville nesteille. Lisäksi infrapunamittarit ovat herkkiä likaantumiselle kuten optiset laitteet yleensäkin .Infrared measurement has also been used, but this is mainly suitable for solids and gases, and not for liquids forming a reflective mirror surface. In addition, infrared meters are sensitive to contamination like optical devices in general.

Neutronisirontamenetelmissä mittarit mittaavat vedyn määrää tilavuusyksikössä. Tämän menetelmän haittana on se, että se ei sovellu aineille, joissa on vaihtelevia määriä myös muita vetyä sisältäviä aineita kuin vesi. Ongelmana on myös se, että mitattavaa ainetta tarvitaan suuri määrä. Menetelmää on siksi hankala soveltaa prosessiputkeen.In neutron scattering methods, meters measure the amount of hydrogen per unit volume. The disadvantage of this method is that it is not suitable for substances with varying amounts of hydrogen-containing substances other than water. Another problem is that a large amount of the substance to be measured is required. The method is therefore difficult to apply to the process tube.

2 791972 79197

Ennestään on myös tunnettuja erilaiset mikroaaltomenetelmät, jotka joko perustuvat veden suureen dielektrisyysvakioon, nk. heijastus- ja resonanssimenetelmät, tai sen suureen hä-viökertoimeen, eli vaimennusmenetelmät. Mikroaaltomenetel-mien huonona puolena voidaan mainita vaimennus- ja reso-nanssimenetelmien soveltumattomuus häviöllisten aineiden kosteuden mittaamiseen. Myös suurten kosteuspitoisuuksien mittaus on hankalaa. Sama koskee myös heijastusmenetelmää.Various microwave methods are also known in advance, which are either based on a high dielectric constant of water, so-called reflection and resonance methods, or on its high loss factor, i.e. attenuation methods. A disadvantage of microwave methods is the unsuitability of attenuation and resonance methods for measuring the moisture content of lossy substances. Measuring high moisture concentrations is also difficult. The same applies to the reflection method.

Heijastusmenetelmässä on lisäksi interferenssiongelmia käytännön mittauskonstruktioissa. Vaimennusmenetelmä voi perustua joko pinta-aallon vaimennusmittaukseen tai läpimeno-vaimennusmittaukseen.In addition, the reflection method has interference problems in practical measurement constructions. The attenuation method can be based on either a surface wave attenuation measurement or a pass attenuation measurement.

Keksinnön tarkoituksena on tarjota menetelmä, jolla ei ole yllä mainittuja haittoja. Tämä aikaansaadaan keksinnön mukaisesti siten, että mitattavaan aineeseen kosketuksessa olevaan dielektriseen aaltoputkeen syötetään mikroaalto, joka etenee pääosin aaltoputken sisällä, ja että putken pituus ja mikroaallon taajuus on sovitettu siten, että mikroaalto heijastuu ainakin kerran, edullisesti ainakin 10 kertaa aineen ja aaltoputken rajapinnasta ja mitataan heijastuneen mikroaallon voimakkkuutta aineen kosteuden määrittämiseksi .The object of the invention is to provide a method which does not have the above-mentioned disadvantages. This is achieved according to the invention by feeding a microwave propagating mainly inside the waveguide to the dielectric waveguide in contact with the substance to be measured, and adjusting the wavelength and microwave frequency so that the microwave is reflected at least once, preferably at least 10 times from the waveguide interface microwave intensity to determine the moisture content of the substance.

Erittäin edullinen on sellainen menetelmä, jossa aaltoputken pituutta voidaan sovittaa joko pienten tai suurten kosteuksien mittaamiseen. Tämä on osoittautunut erittäin hyödylliseksi, koska eri pituisilla aaltoputkilla menetelmä muuttuu herkemmäksi joko pienille tai vastaavasti suurille kosteuspitoisuuksille.Very advantageous is a method in which the length of the waveguide can be adapted to measure either low or high humidity. This has proven to be very useful because with waveguides of different lengths, the method becomes more sensitive to either low or high moisture concentrations, respectively.

Menetelmän mukaisesti on edullista valita dielektrinen aal-toputki siten, että sen dielektrisyysvakion reaaliosa Kr on pienempi kuin ympäröivän mitattavan aineen dielektrisyysvakion reaaliosa Er .According to the method, it is preferable to select the dielectric waveguide tube so that the real part Kr of its dielectric constant is smaller than the real part Er of the dielectric constant of the surrounding measured substance.

3 791973 79197

Keksinnön mukaisen menetelmän mukaisesti voi aaltoputki olla ympyrän muotoon taivutettu rengas, jolloin siihen syötetään TE -aalto, tai sauvan muotoinen, jolloin siihen 10 syötetään TE - tai TM -aaltoa.According to the method of the invention, the waveguide may be a ring bent in the shape of a circle, in which case a TE wave is fed into it, or in the shape of a rod, in which case a TE or TM wave is fed into it.

10 0110 01

Mikäli aaltoputki on sauvan muotoinen, voidaan aalto syöttää putken toiseen päähän ja vastaanottaa putken toisessa päässä, tai syöttö ja vastaanotto voidaan järjestää samaan päähän.If the waveguide is rod-shaped, the wave may be fed to one end of the tube and received at the other end of the tube, or the feed and receive may be arranged at the same end.

Keksinnön mukainen laite on tunnettu siitä, että siinä on dielektristä ainetta oleva aaltoputki, joka on mitoitettu siten, että mikroaalto etenee pääosin sen sisällä sekä heijastuu sopivimmin useita kertoja mitattavan aineen ja aalto-putken rajapinnasta, ja jossa on elimet mikroaallon syöttämiseksi sekä vastaanottamiseksi, ja elimet mikroaallon tuottamiseksi sekä elimet vastaanotetun signaalin arvioimiseksi.The device according to the invention is characterized in that it has a waveguide of dielectric material, dimensioned so that the microwave propagates mainly inside it and is preferably reflected several times from the interface of the substance to be measured and the waveguide, and has means for supplying and receiving the microwave, and means for producing a microwave and means for evaluating the received signal.

Aaltoputken dielektrisyysvakion reaaliosa pr on edullisesti alueella 2-10. Aaltoputki on siten edullisesti muovia, kumia, keraamista ainetta, aluminiumoksidia tai tetrafluori-eteeniä. Valitsemalla aaltoputken er-arvo pienemmäksi kuin mitattavan aineen pr, menettää sauvan sisällä heijasteleva aalto edetessään joka heijastuksessa energiaa ympäröivään aineeseen. Heijastuksessa menetetyn energian määrä riippuu cr :n ja pr :n suhteellisista eroista.The real part pr of the waveguide dielectric constant is preferably in the range of 2 to 10. The waveguide is thus preferably made of plastic, rubber, ceramic, alumina or tetrafluoroethylene. By selecting the er value of the waveguide to be lower than the pr of the substance to be measured, the reflective wave inside the rod loses energy at each reflection to the surrounding substance. The amount of energy lost in reflection depends on the relative differences in cr and pr.

1 21 2

Mitattavan aineen kosteus on suoraan verrannollinen signaalin suuruuteen, ja käänteisesti verrannollinen läpikul-kuvaimennukseen. Edullisesti on aaltoputki ympyrän muotoinen, ja se sijaitsee mitattavaa ainetta kuljettavan putken sisäpinnassa olennaisesti kohtisuorassa aineen kulkusuunnan suhteen. Upottamalla aaltoputki putken sisäpintaan siten, että putken sisäpinta aaltoputken kohdalla on olennaisesti tasainen, saadaan se etu, että aaltoputken elinikä pitenee kun sitä käytetään kuluttavien nesteiden tai lietteiden yhteydessä.The humidity of the substance to be measured is directly proportional to the magnitude of the signal, and inversely proportional to the transmission attenuation. Preferably, the waveguide is circular in shape and is located on the inner surface of the tube carrying the substance to be measured, substantially perpendicular to the direction of travel of the substance. By immersing the waveguide in the inner surface of the tube so that the inner surface of the tube at the waveguide is substantially flat, the advantage is obtained that the service life of the waveguide is extended when used in connection with consuming liquids or sludges.

4 791974 79197

Laitteen herkkyys paranee mikäli sovitetaan aaltoputken pituus sellaiseksi että heijastuksia tapahtuu useampia. Herkkyys kasvaa heijastuskertojen potenssin funktiona. Mikäli kahden kosteuspitoisuuden signaalin suhde on esim. 1,5 yhdel- 5 10 lä heijastuksella on se 1,5 = 7,6 5:llä, 1,5 =57 20 10:llä ja 1,5 = 3330 20:11a heijastuksella.The sensitivity of the device is improved if the length of the waveguide is adjusted so that there are more reflections. The sensitivity increases as a function of the power of the reflections. If the ratio of the signals of the two moisture contents is, for example, 1.5 with one reflection, it is 1.5 = 7.6 with 5, 1.5 = 57 with 20 10 and 1.5 = 3330 with 20 reflections.

Aaltoputkeen voidaan sovittaa heijastavat piikit syöttöeli-men ja vastaanottoelimen "taakse" siten, että mainittujen elinten väliin jää vapaa aaltoputki. Nämä heijastavat piikit määrittävät aaltoputken pituuden, ja siten kosteusalu-een, jolla laite on herkimmillään. Mikäli halutaan käyttää samaa laitetta eri kosteusalueilla, voidaan syöttöelimet siirtää aaltoputken pituuden muuttamiseksi.Reflective spikes can be arranged in the waveguide "behind" the supply member and the receiving member so that a free waveguide is left between said members. These reflective peaks determine the length of the waveguide, and thus the humidity range in which the device is at its most sensitive. If it is desired to use the same device in different humidity ranges, the feed members can be moved to change the length of the waveguide.

Ympyränmuotoisen suorakulmaisen aaltoputken ollessa kyseessä on edullista, että mikroaaltoa syöttävä elin lähettää aallon sellaisella taajuudella, että aaltoputkeen syntyy TEIn the case of a circular rectangular waveguide, it is preferable that the microwave-supplying member transmits the wave at such a frequency that a TE is generated in the waveguide.

10 aalto.10 wave.

Aaltoputki voi olla myös sauvan muotoinen, jolloin se kulkee ainetta kuljettavan putken keskellä olennaisesti kohtisuorassa putken pituussuuntaan nähden. Tällöin elimet mikroaallon syöttämiseksi sijaitsevat aaltoputken toisessa päässä, ja elimet signaalin vastaanottamiseksi sen toisessa päässä, tai molemmat elimet aaltoputken samassa päässä. Mikroaaltoa syöttävä elin on edullisesti sovitettu lähettämään mikroaalto sellaisella taajuudella ja tavalla, että aaltoputkeen syntyy joko TE - tai TM^-aalto. Tämä on edullista siksi, että mitattava aine vaikuttaa sauvaan sen joka puolelta, ja mittaus on herkempi kosteuden muutoksille.The waveguide may also be rod-shaped, with it running in the middle of the tube carrying the substance substantially perpendicular to the longitudinal direction of the tube. In this case, the means for supplying the microwave are located at one end of the waveguide, and the means for receiving the signal at the other end thereof, or both means at the same end of the waveguide. The microwave feeding member is preferably adapted to transmit the microwave at such a frequency and in such a way that either a TE or TM wave is generated in the waveguide. This is advantageous because the substance to be measured acts on the rod on all sides and the measurement is more sensitive to changes in humidity.

Keksintöä selitetään seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisella menetelmällä eri tilanteissa mitattuja vastaanotettuja signaaleja kosteuden funktiona , 5 79197 kuvio 2 esittää anturikonstruktiota, jossa dielektrinen aaltoputki on upotettu prosessiputken seinämään, kuvio 3 esittää leikattua perspektiivikuvantoa kuvion 2 mukaisesta rakenteesta, ja kuvio 4 esittää anturikonstruktiota, jossa dielektrinen aaltoputki lävistää prosessiputken.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying figures, in which Figure 1 shows received signals measured in different situations by the method according to the invention as a function of humidity, Figure 2 shows a sensor construction with 4 shows a sensor construction in which a dielectric waveguide pierces a process tube.

Kuviossa 1 esitetty käyrä A vastaa suurinpiirtein heijas-tusmenetelmällä saatua käyrää. Tämä aikaansaadaan aaltoput-kimenetelmässä sovittamalla aaltoputki hyvin lyhyeksi. Pidentämällä aaltoputkea muuttuu käyrä käyrien B ja C kautta käyräksi D, jossa siis aaltoputki on pitkä. Kuviosta nähdään, että käyrän A mukainen järjestely sopii parhaiten pienten kosteuspitoisuuksien, ja käyrä D suurten kosteuspitoisuuksien mittaamiseen.The curve A shown in Fig. 1 corresponds approximately to the curve obtained by the reflection method. This is achieved in the waveguide output by fitting the waveguide very short. By lengthening the waveguide, the curve changes through curves B and C to curve D, where the waveguide is thus long. It can be seen from the figure that the arrangement according to curve A is best suited for measuring low moisture contents, and curve D for measuring high moisture contents.

Kuvioissa 2 ja 3 nähdään prosessiputki 1, jonka sisälle on sovitettu aaltoputki 2. Mitattava neste tai liete kulkee putkessa tilassa 7. Mitattavan aineen dielektrisyysvakion reaaliosa er ja aaltoputken dielektrisyysvakion reaaliarvo er^ on myös merkitty kuvaan. Edullisesti on εr^ pienempi kuin er , jolloin osa energiasta heijastuu putken ulkopinnasta. Kuviossa nähdään myös mikroaaltoteholähde 8, joka mikroaallon syöttöliittimen 3 kautta syöttää mikroaal-totehon aaltoputkeen. Mikroaallon vastaanottoliitin 4 välittää vastaanotetun signaalin edelleen arviointipiiriin 9, joka sisältää näyttölaitteen mitatun kosteuden ilmaisemiseksi. Kuviossa nähdään myös heijastavat piikit 5 ja 6, joiden väliin muodostuva aaltoputken pituus määrää kuvion 1 käyrän muodon. Syöttöelimien välimatkaa siirtämällä laite voidaan tehdä herkäksi joko pienille tai suurille kosteuksille.Figures 2 and 3 show a process tube 1 inside which a waveguide 2 is arranged. The liquid or sludge to be measured flows in the tube in state 7. The real part er of the dielectric constant er of the substance to be measured and the real value er 1 of the waveguide dielectric constant are also marked in the figure. Preferably, εr ^ is less than er, with some of the energy being reflected from the outer surface of the tube. The figure also shows a microwave power supply 8 which supplies microwave power to the waveguide via a microwave supply connector 3. The microwave receiving terminal 4 forwards the received signal to the evaluation circuit 9, which includes a display device for detecting the measured humidity. The figure also shows the reflective peaks 5 and 6, between which the length of the waveguide determines the shape of the curve of Figure 1. By moving the distance between the feed members, the device can be made sensitive to either low or high humidity.

Kuvioiden mukaisessa järjestelyssä siis aaltoputken sisällä kulkeva energia on riippuvainen ulkopuolisen väliaineen dielektrisyysvakion reaaliosasta er^. Koska veden die- 6 79197 lektrisyysvakio poikkeaa useimpien muiden aineiden er:stä, voidaan kosteus näin ollen mitata. Mitä suurempi kosteus, sitä suurempi on mikroaallon heijastus rajapinnasta, ja sitä pienempi on läpikulkuvaimennus ja sitä suurempi signaali saadaan. Mittausta voidaan stabiloida käyttämällä referens-sikanavaa arviointipiirin 9 yhteydessä. Referenssikanava voidaan toteuttaa myös antamalla mikroaallon kulkea dielekt-risessä aaltoputkessa kahta erimittaista reittiä pitkin.Thus, in the arrangement according to the figures, the energy flowing inside the waveguide depends on the real part er ^ of the dielectric constant of the external medium. Since the dielectric constant of water 6 79197 differs from that of most other substances, moisture can thus be measured. The higher the humidity, the higher the microwave reflection from the interface, and the lower the through-attenuation and the higher the signal obtained. The measurement can be stabilized by using a reference channel in connection with the evaluation circuit 9. The reference channel can also be implemented by allowing the microwave to travel in a dielectric waveguide along two paths of different dimensions.

Kuvioiden 2 ja 3 mukaisella rakenteella on se etu, että anturi ei muodosta prosessiputkeen virtausestettä, koska dielektrinen aaltoputki on upotettu prosessiputken seinään. Anturirakenne on lisäksi halpa ja helppo valmistaa sorvaamalla, sekä se on hyvin suojattu, koska vain käytetty dielektrinen materiaali on suorassa kontaktissa mitattavaan nesteeseen. Näin ollen tämä rakenne soveltuu likaisille nesteille. Rakenne mittaa lisäksi laajalta alueelta kosteuden keskiarvon. Mittauskytkennässä ei lisäksi ole heijas-tusmenetelmälle tyypillisiä interferenssiongelmia.The structure according to Figures 2 and 3 has the advantage that the sensor does not form a flow barrier in the process tube because the dielectric waveguide is embedded in the wall of the process tube. In addition, the sensor structure is cheap and easy to manufacture by turning, and it is well protected because only the dielectric material used is in direct contact with the liquid to be measured. Therefore, this structure is suitable for dirty liquids. The structure also measures the average humidity over a wide area. In addition, there are no interference problems typical of the reflection method in the measurement circuit.

Kuviossa 4 on esitetty vastaava rakenne, jossa dielektrinen aaltoputki lävistää prosessiputken. Tällä konstruktiolla on se etu, että mitattava aine on kosketuksessa aaltoput-keen sen joka puolelta, jolloin rakenne on erittäin herkkä, koska heijastuksia tapahtuu putken molemmilta puolilta.Figure 4 shows a corresponding structure in which a dielectric waveguide pierces a process tube. This construction has the advantage that the substance to be measured is in contact with the waveguide on all sides, making the structure very sensitive because reflections occur on both sides of the tube.

Keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta voidaan käyttää erilaisten lietteiden ja nesteiden kosteus- ja kuiva-ainepitoisuuden mittauksiin. Ehtona mitattavalle nesteelle on, että sen mikroaaltovaimennus on suuri verrattuna aaltoput-ken vaimennukseen tai että sen kosteuspitoisuus on suuri. Pitoisuuksia voidaan mitata myös 2-komponenttiliuoksista, joiden komponenttien dielektrisyysvakioiden reaaliosat ovat toisistaan poikkeavat.The method and apparatus according to the invention can be used for measuring the moisture and dry matter content of various sludges and liquids. The condition for the liquid to be measured is that it has a high microwave attenuation compared to the attenuation of the waveguide or that it has a high moisture content. Concentrations can also be measured from 2-component solutions with different parts of the real dielectric constants of the components.

7 791977 79197

Menetelmä ja laite soveltuvat erittäin hyvin lannoiteliet-teiden, metanolin, etanolin ja asetonitriilin kosteuden mittauksiin. Mahdollinen sovellutusalue on myös sellun sa-keuden mittaus alueella 0-15 %, mikä on puunjalostusteollisuudessa tunnettu mittausongelma.The method and apparatus are very well suited for measuring the moisture content of fertilizer slurries, methanol, ethanol and acetonitrile. A possible area of application is also the measurement of pulp thickness in the range 0-15%, which is a known measurement problem in the wood processing industry.

Claims

A method for measuring the moisture or dry matter content of a lossy substance or a lossless substance with a moisture content of more than 50%, characterized in that a microwave propagating mainly inside the waveguide is fed into a dielectric waveguide in contact with the substance to be measured, and the frequency of the microwave is adjusted so that the microwave is reflected at least once, preferably at least 10 times at the interface between the substance and the waveguide, and the intensity of the reflected microwave is measured to determine the moisture of the substance.

Method according to Claim 1, characterized in that the dielectric waveguide is selected such that its real part er dielectric constant er is smaller than the real part dr of the dielectric constant zr of the surrounding substance to be measured. 2

A method according to claim 1 or 2, wherein a circular waveguide is used, which is arranged on the inner surface of the tube around the substance to be measured, characterized in that a TE wave is applied to the waveguide. 10

A method according to claim 1 or 2, wherein a rod-shaped waveguide is used, which is arranged in the middle of the substance to be measured, characterized in that either a TE or TM wave is fed into the waveguide. 10 01

5. Apparatus for measuring the moisture or dry matter content of a substance, characterized in that it has a waveguide of dielectric substance, dimensioned so that the microwave propagates mainly inside it and is preferably reflected several times from the interface between the substance to be measured and the waveguide, and has means means for supplying and receiving a microwave, and means for producing a microwave and means for evaluating the received signal. 9 79197

Device according to Claim 5, characterized in that the real part er of the waveguide dielectric constant is 2 to 10.

Device according to Claim 6, characterized in that the waveguide is made of alumina or tetrafluoroethylene.

Device according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the waveguide is substantially circular and is located on the inner surface of the tube carrying the substance to be measured, substantially perpendicular to the direction of travel of the substance.

8 79197

Device according to Claim 8, characterized in that the waveguide is embedded in the inner surface of the tube so that the inner surface of the tube at the waveguide is substantially flat.

Device according to Claim 8 or 9, characterized in that the waveguide has at its ends, in connection with the microwave supply element and / or the receiving element, reflective peaks between which the wave passes and which are arranged "behind" the supply element and / or the receiving element so that between said elements leaves a free waveguide.

Device according to Claim 10, characterized in that the reflective spikes are screws which are preferably screwed from the outside through the tube into the waveguide.

Device according to Claim 11, characterized in that at least one of the feed points must be displaced in order to change the length of the waveguide. 10,791 97

Device according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the waveguide is substantially rod-shaped and extends in the middle of the tube carrying the substance to be measured substantially perpendicular to the longitudinal direction of the tube.

Device according to claim 13, characterized in that the means for supplying the microwave are located at one end of the waveguide, and the means for receiving the signal at its same or opposite end. il 79197