FI91329B - Reflektometrinen kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle - Google Patents

Description

91329

Reflektometrinen kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle

Keksinnön kohteena on sellainen reflektometrinen 5 kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle, jossa on aaltoputkityyppinen mittapää, jolle syötetään sähköinen jännitepulssi. Kosteusmittari mittaa volymetrisen vesipitoisuuden (veden massan materiaalin kuutiosenttimetrissä) perustuen dielektrisyysvakioi-10 den suhteeseen materiaalin ja sen koetuttajän välillä.

Sellainen tunnettu kosteusmittarityyppi, joka perustuu materiaalin ja sen kostuttajan dielektrisyysvakioi-den väliseen suhteeseen, on niin kutsutut kapasitiiviset kosteusmittarit hiushuokoisille materiaaleille, joita 15 käyttämällä on mahdollista laskea kosteus kondensaattori-tyyppisen mittapään, sen jälkeen kun se on täytetty testattavalla aineella, kapasitanssin suhteellisten muutosten perusteella. Koska puhtaan veden (huoneen lämpötilassa) dielektrisyysvakio on 81 ja koska kiinteän materiaalin, 20 erityisesti maa-aineksen, dielektrisyysvakio ei ylitä arvoa 5, niin materiaalin kosteuden vaihteluun liittyy aina sen seurauksena huomattava dielektrisyysvakion vaihtelu. Kosteusmittauksen tekninen puoli, silloin kun mittaus johdetaan hiushuokoisen materiaalin, erityisesti maa-ainek-25 sen, dielektrisyysvakiosta, palautuu materiaalin dielektrisyysvakion määrittämiseen.

Suurin haitta kapasitiivisissa mittareissa on sähkökemiallisen polarisaation olennainen vaikutus testattavan materiaalin, erityisesti maa-aineksen, kosteuden ai-30 heuttamiin mittapään kapasitanssisuhteisiin. Tämä polarisaatio aiheuttaa sen, että materiaalin, erityisesti maa-aineksen, suolapitoisuus, sen lämpötila, kostuttavan liuoksen kemialliset ominaisuudet (sen happamuus ja koostumus) samoin kuin elektrodien tila (epäpuhtaudet niiden 35 pinnalla, mekaaniset jännitykset) vaikuttavat olennaisesti 2 tuloksiin. Suuritaajuisen jännitteen käyttäminen mittapään virransyötössä vähentää polarisaation vaikutusta, mutta toisaalta taajuutta kasvatettaessa lisääntyvät myös tekniset vaikeudet, jotka johtuvat mittapään hajainduktanssien 5 ja - kapasitanssien esiin nostamista seurannaisvaikutuksista. Siksi kapasitiivieten mittapäiden virransyöttöön käytetty vaihtojännite rajoittuu useimmissa toteutuksissa 0,1 - 100 MHz taajuusalueelle, mikä ei varmista sitä, että mittaus on täysin vapaa sähkökemiallisen polarisaation 10 vaikutuksesta. Niin ollen kapasitiivisten kosteusmittarei-den käyttö erityisesti maa-ainekselle edellyttää toistuvaa mittarin kalibrointia erikseen kullekin mittapäälle ja maa-ainestyypille samoin kuin kullekin erilliselle mittapään sijoituspaikalle maa-aineksen profiilissa.

15 Materiaalin dielektristen ominaisuuksien määrittä miseen on olemassa toinen tapa, jossa dielektrisyysvakio johdetaan sähkömagneettisen aallon etenemisnopeuden mittauksesta testattavassa materiaalissa. Tämä menetelmä, antaessaan sähkökemiallisen polarisaation aiheuttamasta vir-20 heestä vapaita tuloksia, sopii paremmin käytettäväksi kosteille hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle. Eräs tällainen menetelmä on reflektometrinen menetelmä.

Dielektrisyysvakion määrittämisen reflektometrinen 25 menetelmä perustuu sähkömagneettisen aallon etenemisnopeuden mittaamiseen materiaalissa suhteutettuna sen dielekt-risyysvakioon. Kyseinen suhde ei-magneettisille materiaaleille, joilla on pienet eristehäviöt, voidaan yksinkertaistaa muotoon: v * —

SR

30 missä: v on sähkömagneettisen aallon etenemisnopeus materiaalissa c on sähkömagneettisen aallon (valon) etenemisno- 91329 3 peus tyhjiössä ja K on materiaalin suhteellinen dielektrisyysvakio.

Tietyn mittainen aallonputki on työnnetty maahan sen kosteuden mittaamiseksi. Aaltoputki voi olla mitä ta-5 hansa tyyppiä ja muotoa. Siinä tulee olla ilma eristeenä, ja se voi olla päästään avoin tai oikosuljettu. Aaltoput-ken otto on kytketty pulssigeneraattoriin siirtojohdon (koaksiaalikaapelin tai symmetrisen nauhakaapelin) avulla, johon tämän jälkeen viitataan nimityksellä syöttöjohto.

10 Generaattorista syöttöjohtoon johdettu jännitepulssi saa aikaan sähkömagneettisen aallon kehittymisen syöttöjohdos-sa. Tämä aalto etenee pitkin syöttöjohtoa kohti maahan työnnettyä aaltoputkea, saavuttaa sen oton ja jatkaa etenemistään maa-aineksessa kohti aaltoputken päätä säteillen 15 energiaansa osittain maa-ainekseen. Syöttö johdon ja aalto-putken liitoksessa on impedanssin epäjatkuvuuskohta (syöttö johdon impedanssi eroaa aaltoputken impedanssista). Se aiheuttaa pulssin energian osittaisen heijastumisen ja palaamisen kohti pulssigeneraattoria. Jäljelle jäävä osa 20 pulssin energiasta etenee maa-aineksessa, heijastuu jälleen aaltoputken päästä ja palaa myös kohti pulssigeneraattoria. Mittaamalla sanottuja heijastuksia erottava aika ja ottamalla huomioon aaltoputken pituus on mahdollista johtaa aallon etenemisnopeus materiaalissa (maa-25 aineksessa) ja edelleen mainitun kaavan mukaisesti sen dielektrisyysvakio sekä lopuksi vastaava maa-aineksen kosteus.

On korostettava sitä, että yksi maa-aineksen kosteuden mittaus (ts. mittaus, joka koskee vain yhtä maa-30 aineksen kerrosta, jonka paksuuden määrää aaltoputken pituus) on yleisesti ottaen hyödytön. Maa-aineksen kosteuden mittauksia tarvitaan useimmissa tapauksissa vesipitoisuuden jakautuman määrittämiseen maa-aineksen profiilissa. Kosteusprofiili saadaan määrittämällä veden pystysuuntai-35 nen jakautuminen maa-aineksessa perustuen lähes samanai- 4 kaisiin maa-aineksen kosteuden mittauksiin useissa valituissa syvyyksissä maa-aineksen pinnasta alaspäin kohti maaperän perusainesta, ei kuitenkaan syvemmällä kuin 1,5 metriä.

5 Vuodesta 1980 lähtien TEKTRONIXin kaapelitesteriä, mallia 1502, on käytetty kosteuden reflektometrisiin mittauksiin erityisesti maa-aineksesta. Laite toimii askel-pulssilla (jännitteen nopea muutos nollasta maksimiarvoonsa), jonka nousuaika on 145 ps (G.C. Topp and J.L. Davis, 10 Measurement of Soil Water Content using Timedomain Reflee-tometry (TDR)t A Field Evaluation, Soil Sei. Soc. Am. J., vol 49, 1985: 19 - 24). Tämä testeri on suunniteltu siir-tojohtojen vikojen paikallistamista samoin kuin vikojen impedanssityyppien (katkos, vuoto, jonka hallitseva kom-15 ponentti on aktiivinen tai passiivinen, jne.) määrittämistä varten.

Vuonna 1984 kanadalainen yritys Foundation Instruments Inc. toi markkinoille IRAMS (Instrument for Reflec-tometry Analysis of Moisture in Soil)-laitteen, joka on 20 suunniteltu pelkästään maa-aineksen kosteuden mittaamiseen, ja jota nyt valmistaa Sil Moisture Equipment Corp., P.O. Box 30025, Santa Barbara, CA 93105, USA.

Mittapää, joka itse asiassa käytetään sekä sanotun TEKTRONIX 1502 -kaapelitesterin että sanotun IRAMS-mitta-25 laitteen yhteydessä, muodostuu kappaleesta syöttöjohtoa, joka päättyy avoimeen aaltoputkeen, joka käsittää kaksi yhdensuuntaista, poikkileikkaukseltaan pyöreää metallisau-vaa ja joka on työnnetty maahan (G.C. Topp and J.L. Davis, Measurement of Soil Water Content using Time domain Ref-30 lectometry (TDR): A Field Evaluation, Soil Sci. Soc. Am. J., vol. 49, 1985: 19 - 24). Sellaista mittapäätä käyttämällä on mahdollista tehdä yhtä maa-aineskerrosta koskevia mittauksia. Tunnetaan myös yrityksiä mitata kosteutta maa-aineksen useissa kerroksissa samanaikaisesti. Siihen on 35 käytetty yhtä tarkastellun kaltaisella aaltoputkella va- 91329 5 rustettua mittapäätä, joka on muodostettu sauvoista, joiden halkaisija muuttuu tietyin välein, kunkin välin pituuden ollessa useita senttimetrejä, akselittain kohdissa, joihin tämän jälkeen viitataan nimityksellä pykälä. Aal-5 toputken pituudella on useita tietyn välimatkan, molemmissa sauvoissa saman, erottamia pykäliä (6.C. Topp and J.L. Davis, Measurement of Soil Water Content using Time-domain Reflectometry (TDR): A Field Evaluation, Soil Sci. Soc.

Am. J., vol. 49, 1985t 19 - 24). Johtuen impedanssin epä-10 jatkuvuudesta pykälien kohdalla pulssin energia heijastuu osittain niistä kustakin merkiten peräkkäisiä maa-aineksen kerroksia, joiden läpi sähkömagneettinen aalto on edennyt. Peräkkäisiä heijastuksia erottavien aikajaksojen mittaaminen tekee mahdolliseksi maa-aineksen kosteusprofiilin mää-15 räämisen sanotun menetelmän mukaisesti.

Kaapelitesterin huonoja puolia, kun sitä sovelletaan hiushuokoisten materiaalien, erityisesti maa-aineksen, kosteuden mittaamiseen, ovat sen käyttämän pulssin askelmuoto samoin kuin tapa, jolla mittapään vastetta tä-20 hän pulssiin seurataan. Mittapään vaste tähän pulssiin luetaan synkroskoopin (näytteenotto-oskilloskoopin) kuvaputkelta tai X-Y-piirturilta, jolla sanottu testeri on varustettu, mikä on tulkinnan kannalta vaivalloista ja saattaa johtaa huomattaviin virheisiin. Se tosiasia, että 25 laitteen alkuperäinen tarkoitus ei ollut kosteuden mittaus, samoin kuin sen huomattava tehonkulutus tekevät laitteen sopimattomaksi sovellutuksiin, joissa käytetään paristokäyttöisiä automaattisia tiedonkeruujärjestelmiä.

Keksinnön tekijät eivät tunne sanotun reflektomet-30 risen IRAMS-kosteusmittarin suunnittelun teknisiä yksityiskohtia. Sen ominaisuuksia koskevasta esitelmästä voidaan päätellä, että mittari ei sovellu automaattisten kas-telujärjeetelmien ohjaamiseen eikä myöskään maa-aineksen kosteutta koskevaan tiedonkeruuseen, koska sanottu IRAMS 35 toimii manuaalisesti. Käyttäjän on vaihdettava mittapäitä 6 peräkkäisin manuaalisin toimenpitein, joihin sisältyvät yhden mittapään kytkeminen irti laitteen otosta ja toisen kytkeminen ottoon syöttäen joka kerta tiedot tietyn mittapään aaltoputken pituudesta IRAHS-laitteelle.

5 Tunnetaan yrityksiä vaihtaa mittapäitä käyttämällä mikroaaltokytkimiä, joiden impedanssi on sovitettu syöttö-johdon impedanssiin (mikä nostaa kosteudenmittausjärjestelmän hintaa ja mutkistaa sen asentamista käyttöön). Sanottuun IRAMSiin oli saatavilla erityinen kytkinkotelo. 10 Moisture Equipment Corp. ei tarjota kytkintä aaltoputki-tyyppisille mittapäille.

Sanotun pyälletyn mittapään huonoihin puoliin kuuluu suhteellisen suuri pulssin energiahäviö pykälissä (mikä monissa tapauksissa tekee aaltoputken syvemmistä osista 15 heijastuneen pulssin mahdottomaksi lukea) samoin kuin mittapään huomattava mekaaninen heikkous.

Keksinnön tarkoituksena on suunnitella hiushuokoi-selle aineelle kosteusmittari, joka kykenee toimimaan automaattisesti erilaisissa käyttäjän ohjelmoitavissa ole-20 vissa toimintamuodoissa, erityisesti kastelujärjestelmien automaattisen ohjauksen toimintamuodossa samoin kuin kosteuden dynamiikan tiedonkeruutoimintamuodossa, jolloin maa-aineksen kosteusmittaus voitaisiin toteuttaa useissa maa-aineksen profiilin syvyyksissä tarvitsematta kytkemäl-25 lä vaihtaa erityisiä mittapäitä, jotka on asennettu näihin syvyyksiin, ja mittarin ryömimisen kompensointi kunkin mittauksen aikana samoin kuin kulloinkin aktiivi sen mittapään parametrien syöttäminen voitaisiin suorittaa automaattisesti. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnöl-30 le on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksinnön mukainen reflektometrinen kosteusmittari sisältää siten mittapään, joka koostuu n aaltoputkesta, missä n = 1, 2,...,N. Nämä aaltoputket voivat olla mitä 35 tahansa tyyppiä tai muotoa, ja niissä tulee olla eristeenä 91329 7 ilma. Aaltoputket voivat olla yhtä pitkiä tai eri pitkiä, ja niiden päät voivat olla avoimia tai oikosuljettuja. Aaltoputket on kytketty rinnakkain haarautuvilla siirto-johto-osilla, joihin tämän jälkeen viitataan nimityksellä 5 syöttöjohto. Kukin yksittäinen aaltoputki-siirtojohtosys- teemi on kytketty yhteisen syöttöjohto-osan kautta otto-liittimellä mittarin näytteenottopäähän. Kussakin syöttö-johdossa, jotka kytkevät erityisen aaltoputken haaroitukseen, on paikallinen askeleen kaltainen impedanssin epä-10 jatkuvuuskohta, johon tämän jälkeen viitataan nimityksellä aikamarkkeri, ja joka on tuotettu syöttöjohtoon osittaisella, tarkoituksellisesti aikaansaadulla häiriöllä sen ominaisuuksissa.

Neulapulssit neulapulssigeneraattorista ja viiväs-15 tetystä neulapulssigeneraattorista johdetaan ottoliitti-melle ja näytteenottopäälle. Nämä generaattorit liipais-taan ohjaimesta saatavilla pulsseilla. Toinen ohjaimen annoista on kytketty asianmukaisesti neulapulssigeneraatto-rin ottoon ja asetettavan viiveyksikön kautta viivästetyn 20 neulapulssigeneraattorin ottoon. Toinen ohjaimen anto on kytketty näytteenottopään alkuasetuksen ottoon. Näytteen-ottopään anto syötetään sitten jännitteenlukulaitteelle.

Sanottuna ohjaimena käytetään tavallista mikropro-sessoriohjattua ohjainyksikköä. Se sisältää mikroprosesso-25 rin, haihtumattoman ohjelmoitavan lukumuistin, johon tämän jälkeen viitataan merkinnällä PROH, hakumuistin, johon tämän jälkeen viitataan merkinnällä RAM, näytön ja näppäimistön. Näppäimistö auttaa ohjelmoimaan laitteen eri toimintamuotoihin: automaattiseen kosteustietojen keruun toi-30 mintamuotoon, mittarin ja oheislaitteen (nauhuri, levyasema, tietokone) välisen datansiirron toimintamuotoon tai kastelujärjestelmän automaattisen ohjauksen toimintamuotoon. Nikroprosessoriohjattu ohjainyksikkö, johon tämän jälkeen viitataan nimityksellä ohjain, koordinoi näytteen-35 ottopään ja molempien neulapulssigeneraattoreiden vuoro- 8 vaikutusta PROM-muistiin tallennetun ohjelman mukaisesti, jos toimitaan kosteustietojen keruun toimintamuodossa, ja tallentaa mitatut kosteusarvot sanottuun RAM-muistiin liittäen kuhunkin arvoon vastaavan syvyyden, päivän ja 5 kellonajan.

Neulapulssigeneraattorin liipaisuotto on kytketty ohjaimelle viivelinjan kautta, kun taas viivästetyn neulapulssigeneraattorin liipaisuotto on kytketty ohjaimelle jänniteohjatun viiveyksikön kautta. Viiveyksikön viiveen-10 ohjausotto on kytketty ohjaimelle digitaalianalogiamuunti- men kautta. Näytteenottopään anto on kytketty ohjaimelle jännitteenlukulaitteen kautta, joka käsittää analogiadigi-taalimuuntimen.

Mittapäähän on liitetty kiinteästi moninapainen 15 liitin (naaras tai uros), jossa on haihtumaton ohjelmoi tava lukumuistipiiri tyyppiä PROM, EPROM, EEPROM tai vastaava. Sen johtimet on kytketty sähköisesti liittimen napoihin. Liittimen navat on kytketty ohjaimen väylään toisella liittimellä (uros tai naaras), joka on sanotun mo-20 ninapaisen liittimen vastaliitin.

Mittapään muodostavat aaltoputket voivat olla samaa tai eri pituutta. Aikajaksot, joiden kuluessa tiettyihin syöttöjohto-aaltoputkiyhdistelmiin liittyvät heijastukset tapahtuvat, ja joihin tämän jälkeen viitataan nimityksellä 25 aikaikkuna, eivät voi olla toistensa kanssa päällekkäin. Siksi tietyt aaltoputket haaroitukseen yhdistävien syöttö-johtojen pituudet ovat erilaiset, jotta varmistetaan sopiva, syöttöjohtojen viiveiden eroista johtuva aikaero sanottujen aikaikkunoiden välille. Pulssin etenemisajat haa-30 roituksen ja markkereiden välillä määräävät nämä pituudet seuraavasti: C<W t(i») + Cd + 18“ ja 91329 9 t(L.) + Cd + 18“~ * missä t, . on aika, jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi v "n+i' kertaa haaroituksen ja aikamarkkerin välisen matkan syöt-5 töjohdossa, joka on pituudeltaan seuraavana, t^L j on sama pituusjärjestyksessä edelliselle syöttö johdolle, ton aika, jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi kertaa haaroituksen ja aikamarkkerin välisen matkan pi-10 tuusjärjestyksessä viimeisessä syöttöjohdossa, t^L j on sama pituusjärjestyksessä ensimmäiselle syöttöjohdolle, ln on pituusjärjestyksessä edeltävän aaltoputken pituus, 15 lg on pituusjärjestyksessä viimeisen aaltoputken pituus, td on kuollut aika, joka on yhtä suuri kuin (t±n -t1), missä t^n on hetki, jolloin pulssi heijastuu syöttö-johdon ja aaltoputken liitoksesta, ja tx on hetki, jolloin 20 pulssi heijastuu aikamarkkerista, c on valon nopeus tyhjiössä ja 18 ln/c on aika, jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi kertaa aaltoputken pituuden lft kun se on upotettu kokonaan veteen.

25 Olettamalla lyhimmälle syöttöjohdolle mielivaltai sen pituuden ja laskemalla vastaavan pulssin etenemisajan: tiLi> “ missä K - 2,5 on syöttöjohdon eristeaineen dielektrisyys-vakio, voidaan johtaa toisen (pituusjärjestyksessä) syöt-30 töjohdon pituuskaavan mukaan, jonka määrää ajan t,r .

'"n+l / * 10

Kun tunnetaan toisen syöttöjohdon pituus on mahdollista johtaa samalla tavoin kolmannen pituus jne... Ajan ^(l„) määräävä kaava määrittää myös rajoituksen, joka seuraa heijastusten moninkertaisesta esiintymisestä syöttö-5 johtoaaltoputkiyhdistelmässä. Aikaisin toisen kertaluvun heijastus, joka on peräisin lyhimmästä yhdistelmästä, ei saa esiintyä aikaisemmin kuin viimeinen ensimmäisen kertaluvun heijastus.

Keksinnön mukainen reflektometrinen kosteusmittari 10 on vapaa kaapelitesterille ominaisista haittapuolista, jotka johtuvat askelpulssin käyttämisestä ja mittapään vasteen seuraamisesta oskilloskoopin katodisädeputken tai X-Y-piirturin avulla. Keksinnön mukainen kosteusmittari toimii sin2-tyyppisellä neulapulssilla ja seuraa mittapään 15 vastetta käyttämällä sanottua tavallista mikroprosessori-ohjattua ohjainta, joka ohjaa mittarin osakokoonpanojen yhteistoimintaa sekä käsittelee tietoja, mukaan lukien tulosten tallentaminen. Tällainen mittarin suunnitteluratkaisu mahdollistaa sen käytön erilaisissa käyttäjän ohjel-20 moitavissa olevissa toimintamuodoissa, erityisesti kaste lu järjestelmien valvonnan toimintamuodossa ja kosteuden, erityisesti maa-aineksen kosteuden, dynamiikan automaattisen tiedonkeruun toimintamuodossa.

Syöttöjohtojen pituuksien sopiva erilaistaminen te-25 kee mahdolliseksi maa-aineksen useiden kerrosten kosteuden samanaikaisen lukemisen käyttämättä sähköisiä kytkimiä. Mittauksen kohteena olevien kerrosten lukumäärä on sama kuin mittapään varusteena olevien aaltoputkien lukumäärä. Kukin sanotuista markkereista on sijoitettu syöttöjohdon 30 päässä olevan aaltoputken ja sanotun haaroituksen välille. Myös haaroitus asettaa impedanssin epäjatkuvuuskohdan ja tuottaa toisen aikamarkkerin, joka on yhteinen kaikille syöttö johdoille, jotka muodostavat mittapään. Minkä tahansa valitun syöttöjohdon osa, jonka nämä kaksi markkeria 35 ra jaavat väliinsä, muodostaa aikastandardin, koska johdon, 91329 11 josta syöttöjohdot on tehty, ominaisuudet ovat riittävän stabiilit. Tätä aikastandardia käytetään mittauksen aikana keksinnön mukaisen mittarin itsekalibrointiin. Tällainen ratkaisu tekee tarpeettomaksi huolehtimisen sanotun viive-5 yksikön huomattavasta ryöminnästä, jonka eliminointi vaatii paljon vaivannäköä ja kustannuksia esimerkiksi TEKTRONIX 1502-kaapelitesterin tapauksessa.

Jos mittapää sisältää vain yhden aaltoputken (n = 1), niin toisena aikamarkkerina otetaan käyttöön impedanβ-10 sin epäjatkuvuuskohta sanotun haaroituksen sijasta.

PROM-muistin tai samantyyppisen haihtumattoman ohjelmoitavan muistin, joka on liitetty kiinteästi jokaiseen yksittäiseen mittapäähän ja joka pysyy mittariin kytkettynä mittauksen ajan, käyttö keksinnön mukaisessa mittarissa 15 tekee tarpeettomaksi yksittäisen mittapään ominaisuuksien syöttämisen käsin mittarin ohjaavalle ohjelmistolle joka kerta, kun mittaus suoritetaan, kuten on laita IRAMS-lait-teen tapauksessa koskien yksittäisten aaltoputkien pituuksia. Keksinnön mukaisen laitteen tapauksessa PROM-muistiin 20 on tallennettu käytetyn aaltoputken pituuden lisäksi muita mittapäälle ominaisia parametreja, esimerkiksi aikastan-dardi ja kuollut aika sekä myös kyseisen aaltoputken muotoon ja käyttöön liittyviä erityisiä ohjelmiston osia. Tällainen ratkaisu tekee keksinnön mukaisesta mittarista 25 rajoituksitta ja joustavasti käytettävän ja tarjoaa käyttäjälle laajan valikoiman sovellutusalueita.

Keksinnön sovellutusmuoto on esitetty kuviossa, joka kuvaa mittarin rakenteen.

Mittarin mittapää 1 muodostaa kolmen aaltoputken 30 la, Ib ja le kokonaisuuden kunkin aaltoputken koostuessa parista pitkänomaisia veitsimäisiä elektrodeja, jotka ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden. Näiden parien pituudet kasvavat siirryttäessä perätysten tietystä parista toiseen. Sanotussa sovellutusmuodossa aaltoputkien la, Ib ja 35 le pituudet ovat vastaavasti 0,1, 0,25 ja 0,50 m. Nämä 12 aaltoputket on kytketty rinnan haaroitukseen 2 siirtojohdoilla 3a, 3b ja 3c, joihin tämän jälkeen viitataan nimityksellä syöttö johto, ja joiden ominais impedanssi on sama, mutta pituudet erilaiset. Esitetyssä sovellutusmuodossa 5 syöttö johtojen 3a, 3b ja 3c pituudet ovat vastaavasti 9, 10 ja 12 metriä, kun taas kaikkien impedanssi on 50 ohmia. Kussakin syöttöjohdossa on askelmainen impedanssin epäjatkuvuuskohta 4a, 4b tai 4c, johon tämän jälkeen viitataan nimityksellä markkeri, ja joka sijoittuu kyseisen aalto-10 putken la, Ib tai le oton ja haaroituksen 2 välille. Haaroitus 2 on kytketty näytteenottopäähän 5 yhteisellä syöttö johdon osalla 6, jonka pituus sanotussa sovellutusmuodossa on 15 metriä.

Neulapulssit neulapulssigeneraattorista 8 ja vii-15 västetystä neulapulssigeneraattorista 9 on kytketty otto-liittimelle 7 ja näytteenottopäälle 5. Nämä generaattorit liipaistaan ohjaimelta 10 saatavilla pulsseilla. Toinen ohjaimen 10 annoista on kytketty neulapulssigeneraattorin 8 ottoon 12 viivelinjan 11 kautta sekä viivästetyn neula-20 pulssigeneraattorin 9 ottoon 14 asetettavan viiveyksikön 13 kautta. Toinen ohjaimen 10 anto on kytketty näytteen ottopään 5 alkuasetuksen ottoon 15. Sanotun näytteenotto-pään 16 on kytketty jännitteenlukulaitteelle 17, joka sisältää analogiadigitaalimuuntimen.

25 Keksinnön mukaisessa mittarissa käytetään mikropro- sessoriohjattua ohjainta, johon viitataan ohjaimena 10. Se koordinoi näytteenottopään 5 ja molempien neula pulssige-neraattoreiden 8 ja 9 välistä vuorovaikutusta. Neulapulssigeneraattorin 8 liipaisuotto 12 on kytketty ohjaimelle 30 10 viivelinjaosan 11 kautta, joka sovittaa molemmat neula- pulssigeneraattorit 8 ja 9 ohjaimeen 10 yhdistävien johtojen viiveet asianmukaisesti. Viiveyksikön 13 viiveenoh-jauksen otto 18 on kytketty ohjaimelle 10 digitaalianalo-giamuuntimen 19 kautta. Näytteenottopään 5 anto 16 on kyt-35 ketty ohjaimelle 10 analogiadigitaalimuuntimen 17 kautta.

91329 13

Mittapäähän 1 on liitetty kiinteästi liitin 20, jossa on haihtumaton ohjelmoitava lukumuistipiiri 21, tyyppiä PROM, EPROM, EEPROM tai vastaava, jonka johtimet on kytketty sähköisesti liittimen 20 napoihin. Liittimen 20 navat on 5 kytketty ohjainväylään 22 liittimen 23 kautta, joka on sanotun liittimen 20 vastaliitin.

Suure, jota suoranaisesti mitataan, on aikajakso, jonka kuluessa sähkömagneettinen aaltokulkee kaksi kertaa matkan syöttöjohdon haaroittimesta aikamarkkeriin tai yhtä 10 hyvin matkan markkerista aaltoputken päähän. Näiden mittausten perusteella ohjain 10 laskee siinä olevan ohjelman ohjaamana laitteen ryöminnästä johtuvat korjaukset ja sitten materiaalin (maa-aineksen) dielektrisyysvakion ja lopuksi sen kosteuden.

15 Ohjaimen 10 antamat pulssit, taajuudeltaan luokkaa 1 kHz, tahdistavat näytteenottopään 5 vuorovaikutusta pulssigeneraattoreiden 8 ja 9 kanssa, jotka tuottavat neu-lapulsseja, joiden nousu- ja laskuaika on luokkaa 100 ps. Tällaisia nopeita ja kapeita pulsseja (100 pikosekunnin 20 aikana valo kulkee tyhjiössä 3,3 cm matkan) ei voida käsitellä reaaliaikaisesti, koska riittävän nopeita aktiivisia elektronisia komponentteja ei ole olemassa. Tästä syystä käytetään hyvin tunnettua näytteenottomenetelmää, jota sovelletaan laajasti näytteenotto-oskilloskoopeissa äärim-25 maisen nopeiden sähköisten pulssien havaitsemiseen. Menetelmä käsittää näytteiden oton testattavasta jännitteestä eri hetkinä sekä näytteiden tallennuksen. Jännitteen kulku toistetaan niin monta kertaa kuin kerättävien näytteiden lukumäärä edellyttää. Näytteet haetaan sitten samassa jär-30 jestyksessä kuin ne on kerätty, kuitenkin mielivaltaisesti valitulla hitaammalla nopeudella, ja toisinnetaan siten yksittäisenä pulssin kulku.

Ohjaimelta 10 tuleva pulssi resetoi näytteenottopään 5 muistin ja liipaisee molemmat neulapulssigeneraat-35 torit 8 ja 9. Viivästetyn neulapulssigeneraattorin liipai- 14 sua ohjaa viiveyksikkö 13. Molemmat pulssit syötetään mit-tapäälle 1 ottoliittimen 7 kautta, ja ne aiheuttavat toisistaan riippumatta syöttöjohdossa 6 sähkömagneettisen aallon kehittymisen ja etenemisen kohti aaltoputkien la, 5 Ib ja le päitä jakaen energiansa sanottujen kolmen aalto-putken kesken ja käyden läpi mainitut heijastukset mitta-pään impedanssin epäjatkuvuuskohdista.

Sekä alunperin lähetetyt että heijastuneet pulssit tulevat näytteenottopään 5 ottoon. Näytteenottopää ei rea-10 goi pulsseihin, joiden jännite on alempi kuin tietty kynnys jännite, joka on asetettu hiukan alunperin lähetettyjen pulssien jännitettä korkeammaksi. Kuitenkin silloin, kun neulapulssi ja viivästetty neulapulssi osuvat päällekkäin, tuloksena oleva jännite ylittää kynnyksen, ja siitä ote-15 taan näyte. Sopivasti esijännitetty Schottkydiodi, esimerkiksi sellainen, jonka kytkentäaika on riittävän lyhyt, toimii porttina, joka sallii tai estää näytteen ottamisen. Kun portti avautuu, näytteenottopään 5 sieppaama jännite on suoraan verrannollinen näytteenoton kohteena olevaan 20 pulssin vastaavaan hetkelliseen jännitteeseen.

Viivästetyn neulapulssigeneraattorin 9 pulssin vaihetta (ajoitusta) siirretään viiveyksiköllä 13, jonka viivettä ohjataan ohjaimen 10 asettamalla digitaalianalogia-muuntimen 19 jännitteellä. Pulssin viive on suoraan ver-25 rannollinen sanottuun jännitteeseen.

Keksinnön mukaista mittaria voidaan käyttää mittaus- ja/tai ohjauslaitteena tieteessä ja tekniikassa, kaikkialla, missä materiaalin kosteutta on valvottava. Sitä voidaan käyttää mille tahansa sellaisella hiushuokoi-30 selle materiaalille, johon mittapää voidaan asettaa mate riaalia vahingoittamatta. Tällaisia materiaaleja ovat: maa-aines, maataloustuotteet (vilja, humala, tupakanleh-det, heinä), elintarviketeollisuuden tuotteet (jauhot, leipomotuotteet), puu, valuhiekka, tienpohjat, rakennusten 35 perustat jne..

Claims (4)

91329 15

1. Reflektometrinen kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle, jossa on aal- 5 toputkityyppinen mittapää, jolle syötetään sähköinen jän-nitepulesi, tunnettu siitä, että se sisältää mitta-pään, joka on siirtojohdoilla (3a), (3b), (3c), joihin tämän jälkeen viitataan nimityksellä syöttöjohto, yhteisen syöttöjohdon (6) haaroitukseen (2) rinnan kytkettyjen n 10 aaltoputken (la), (Ib), (le), missä n * 1, 2,...,M, muodostama sarja, joka syöttöjohto (6) on kytketty näytteen-ottopäähän (5) ottoliittimellä (7), ja jossa kussakin yksittäisessä syöttöjohdoesa (3a), (3b), (3c) on vähintään yksi askelmainen, paikallinen ja ominainen impedanssin 15 epäjatkuvuuskohta (4a), (4b), (4c), johon tämän jälkeen viitataan nimityksellä aikamarkkeri, joka on sijoitettu tähän syöttöjohtoon kytketyn erityisen aaltoputken ja haaroituksen (2) välille, jolloin ottoliittimelle (7) samoin kuin näytteenottopäälle (5) syötetään neulapulsseja neula-20 pulssigeneraattorista (8) ja viivästetystä neulapussigene-raattorista (9), joita liipaistaan pulsseilla, jotka saadaan ohjaimelta (10), jonka annoista toinen on kytketty neulapulssigeneraattorin (8) ottoon (12) sekä - ohjatun viiveyksikön (13) kautta - viivästetyn neulapulssi gene-25 raattorin (9) ottoon (14), kun taas ohjaimen (10) toinen anto on kytketty alkuasetuksen ottoon (15) näytteenotto-päässä (5), jonka anto (16) on kytketty jännitteen lukulaitteelle (17).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen reflektometrinen 30 kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, tunnettu siitä, että ohjainta (10) ohjaa mikroprosessori, ja neulapulssigeneraattorin (8) liipaisuotto (12) on kytketty ohjaimelle (10) viivelinjan (11) kautta, kun taas viiveyksikön (13) otto (18) on kytketty ohjaimelle (10) 35 digitaalianalogiamuuntimen (19) kautta ja näytteenottopää 16 (5) on kytketty ohjaimelle (10) jännitteenlukulaitteen (17) kautta, joka sisältää analogiadigitaalimuuntimen.

3. Patenttivaatimuksissa 1 ja 2 määritelty reflek-tometrinen kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, 5 erityisesti maa-ainekselle, tunnettu siitä, että mittapäähän (1) on liitetty kiinteästi liitin (20), jossa on haihtumaton ohjelmoitava lukumuistipiiri (21), jonka johtimet on kytketty sähköisesti liittimen (20) napoihin, jotka on edelleen kytketty ohjausväylään (22) liittimellä 10 (23), joka on mainitun liittimen (20) vastaliitin.

4. Patenttivaatimuksessa 1 määritelty reflektomet-rinen kosteusmittari hiushuokoisille materiaaleille, erityisesti maa-ainekselle, tunnettu siitä, että syöt-töjohto-osien (3a), (3b), (3c), jotka kytkevät yksittäiset 15 aaltoputket (la), (Ib), (le) haaroitukseen (2), pituudet määrätään perustuen pulssin etenemisen kestoaikaan matkalla, joka on kaksi kertaa sanotun haaroituksen ja erityisen aikamarkkerin välinen etäisyys, seuraavalla tavalla: * *«*> + td - 18% ja tu„> + *d + 18% * 2t(Li) 20 missä: t, , on aika, jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi ' "η·»1! kertaa haaroituksen ja aikamarkkerin välisen matkan syöttö johdossa, joka on pituudeltaan seuraavana, t^L j on sama pituusjärjestyksessä edelliselle syöt-25 tö johdolle1) t^j on aika jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi kertaa haaroituksen ja markkerin välisen matkan pituusjärjestyksessä viimeisessä syöttöjohdossa, t(L ) on sama pituusjärjestyksessä ensimmäiselle 30 syöttöjohdolle, 91329 17 2n on pituusjärjestyksessä edellisen aaltoputken pituus, td on kuollut aika, jonka kuluessa pulssi kulkee kaksi kertaa markkerin ja syöttöjohdon ja aaltoputken lii-5 toksen välisen matkan ja c on valon nopeus tyhjiössä. 18