FI79197C - Foerfarande och anordning foer maetning av fukthalten eller torrsubstanshalten av aemnen. - Google Patents

Description

1 79197

Menetelmä ja laite aineiden kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi

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.

Prosessiteollisuudessa tarvitaan menetelmä aineiden kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi, joka toimii reaaliaikaisena, eli antaa toivotut arvot suoraan. Saatuja arvoja voidaan käyttää esimerkiksi prosessin säätämiseen.

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.

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 .

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.

2 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.

Heijastusmenetelmässä on lisäksi interferenssiongelmia käytännön mittauskonstruktioissa. Vaimennusmenetelmä voi perustua joko pinta-aallon vaimennusmittaukseen tai läpimeno-vaimennusmittaukseen.

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 .

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.

Menetelmän mukaisesti on edullista valita dielektrinen aal-toputki siten, että sen dielektrisyysvakion reaaliosa Kr on pienempi kuin ympäröivän mitattavan aineen dielektrisyysvakion reaaliosa Er .

3 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.

10 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.

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.

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.

1 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.

4 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.

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.

Ympyränmuotoisen suorakulmaisen aaltoputken ollessa kyseessä on edullista, että mikroaaltoa syöttävä elin lähettää aallon sellaisella taajuudella, että aaltoputkeen syntyy TE

10 aalto.

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.

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.

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.

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.

Kuvioiden mukaisessa järjestelyssä siis aaltoputken sisällä kulkeva energia on riippuvainen ulkopuolisen väliaineen dielektrisyysvakion reaaliosasta er^. Koska veden die- 79197 6 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.

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.

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.

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.

7 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.

Claims (14)

1. Menetelmä häviöllisen aineen tai sellaisen häviöttömän aineen, jonka kosteuspitoisuus on yli 50 %, kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi, tunnettu siitä, että mitattavaan aineeseen kosketuksessa olevaan dielektri-seen 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 aalto-putken rajapinnasta ja mitataan heijastuneen mikroaallon voimakkuutta aineen kosteuden määrittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että dielektrinen aaltoputki valitaan siten, että sen dielektrisyysvakion reaaliosa er on pienempi kuin ympäröivän, mitattavan aineen dielektrisyysvakion reaaliosa zr . 2

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menenetelmä, jossa käytetään ympyränmuotoista aaltoputkea, joka on sovitettu putken sisäpintaan mitattavan aineen ympärille, tunnettu siitä, että aaltoputkeen syötetään TE -aalto. 10

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, jossa käytetään sauvan muotoista aaltoputkea, joka on sovitettu mitattavan aineen keskelle, tunnettu siitä, että aalto- putkeen syötetään joko TE -tai TM -aalto. 10 01

5. Laite aineen kosteuden tai kuiva-ainepitoisuuden mittaamiseksi, tunnettu siitä, että siinä on di-elektristä ainetta oleva aaltoputki, joka on mitoitettu siten, että mikroaalto etenee pääosin sen sisällä sekä heijastuu sopivimmin useita kertoja mitattavan aineen ja aaltoputken rajapinnasta, ja jossa on elimet mikroaallon syöttämiseksi sekä vastaanottamiseksi, ja elimet mikroaallon tuottamiseksi sekä elimet vastaanotetun signaalin arvioimiseksi. 9 79197

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputken dielektrisyysvakion reaaliosa er on 2-10.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki on aluminiumoksidia tai tetrafluori-eteeniä.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki on olennaisesti ympyränmuotoinen, ja että se sijaitsee mitattavaa ainetta kuljettavan putken sisäpinnassa, olennaisesti kohtisuorassa aineen kulkusuunnan suhteen.

8 79197

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki on upotettu putken sisäpintaan siten, että putken sisäpinta aaltoputken kohdalla on olennaisesti tasainen.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputkessa on sen päissä mikroaallon syöttöelimen ja/tai vastaanottoelimen yhteydessä heijastavat piikit, joiden välillä aalto kulkee, ja jotka on sovitettu syöttöelimen ja/tai vastaanottoelimen "taakse" siten, että mainittujen elinten väliin jää vapaa aaltoputki.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että heijastavat piikit ovat ruuveja, jotka edullisesti on ruuvattu ulkoapäin putken läpi aaltoputkeen.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin toinen syöttöpisteistä on siirrettävä aaltoputken pituuden muuttamiseksi. 10 791 97

13. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen laite, tunnettu siitä, että aaltoputki on olennaisesti sauvanmuo-toinen ja ulottuu mitattavaa ainetta kuljettavan putken keskellä olennaisesti kohtisuorassa putken pituussuuntaan nähden.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että elimet mikroaallon syöttämiseksi sijaitsevat aal-toputken toisessa päässä, ja elimet signaalin vastaanottamiseksi sen samassa tai vastakkaisessa päässä. il 79197