KR100421452B1 - 벌크물질의습기를연속검출하는방법과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 감지기로 벌크 물질, 특히 식품 또는 사료 성분의 수분 함량을 연속 검출하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 감지기는 특히 트리플레이트 라인과 같은 측정 채널의 일부이다. 벌크 물질로 채워진 감지기의 전도율이 측정되고 이로부터 습기가 계산된다. 또한 본 발명은 측정 채널이 유출구측에 벌크 물질을 위한 배압 구성 요소 및 감지기의 일부로서 배압 영역 내에서 제품 흐름 방향에 횡 방향의 로드를 갖는 측정 장치에 관한 것이다. 측정 장치는 저울의 형태, 바람직하게는 저울대(beam scale)의 형태를 갖는다.

Description

벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법과 장치{Process and device for continuously detecting the dampness of a bulk material}

종래, 마이크로웨이브를 이용하여 벌크 물질의 습기를 연속적으로 측정하기 위한 여러 가지 제안이 있었다. 제분 산업 분야에서는 이러한 방법이 혼 안테나(horn antennae)를 이용하여 어느 정도까지는 실시될 수 있었다. 그러나 이는 벌크 물질의 밀도를 동시에 검출하는 것이 필요하다. 미국특허 제 4,131,845 호에 따라, γ 선 측정 방법이 밀도 측정을 위하여 제안되었다. 알려진 바로는 이로써 좋은 결과를 얻을 수는 있었다. 그러나 γ 선은 이들이 법률적으로 규정된 특수한 안전 예방책을 요구하므로 불리하다.

EP-PS 249738호에 따라서, 벌크 물질의 밀도는 중량 픽업(weight pick-ups)에 의하여 측정된다. 제품에 대한 전체 흐름을 검출하기 위하여 측정 채널이 계량 요소 상에 배열되며, 전송된 마이크로웨이브가 대향된 두 개의 혼 안테나를 통하여 측정되는 바, 이러한 측정 방법은 신뢰성이 떨어진다. 더욱이 습기 측정이 가습 전에만 수행된다.

주위의 벽으로부터 불필요한 마이크로웨이브의 반사를 방지하기 위하여 이들 벽은 마이크로웨이브 흡수성 발포체로 구성된다. 발포체는 부가적으로 마이크로웨이브 투과 물질로 내부가 피복되어 예를 들어, 식품과 같은 제품을 측정할 때 그 제품이 발포체와 접촉되지 않게 된다. 이러한 측정 방법은 실제로 널리 이용되고 있지 않다. 이러한 방법에 있어서 마이크로웨이브의 정확한 반사율과 흡수율이 측정될 수 없으며 따라서 소오스의 오차가 크다.

예를 들어, EP-B-468 023호 또는 EP-A-669 522호에 기술된 바와 같은 소위 공진기에 의한 마이크로웨이브를 이용하는 것이 알려져 있다. 제품에 따라서 여러 가지 공진 주파수가 요구되고 정확성이 제한된다.

마이크로웨이브 장을 이용하여 온라인 작동 중에 식품과 사료를 포함하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 것이 FR-A-22 05 196 호 및 전문지(J. of Microwave Power, 1504 , 1980 , page 209-220, A.K. : Microwave aquametry-a review)로부터 알려져 있다. 마이크로웨이브장이 발생되고 벌크 물질 내의 전달된 마이크로웨이브의 크기와 위상이 측정되며, 이들로부터 습기가 계산되고 계산된 값을 이용하여 벌크 물질의 습기가 제어된다. 다른 파라메타가 고려되지 않는다. FR-A-22 05 196호는 제품의 흐름 방향에 대하여 횡방향의 로드를 갖는 감지기가 구비된 측정 채널을 보이고 있다.

WO 90/07110 에 따라서, 벌크 물질 주변의 전달된 마이크로웨이브의 크기와 위상을 측정하고 이들로부터 측정된 제품의 습기를 계산하기 위한 방법이 제안된 바 있다. 측정 채널 안에 있는 벌크 물질을 관통하는 안테나가 마이크로웨이브 장을 발생시키기 위하여 사용되었다. 마이크로웨이브 장은 바람직하게 공정 스테이션의 최종 부분에서 발생되고 동시에 벌크 물질의 온도가 측정되었다. 다수의 일련의 시험들은 이러한 형태의 습기 측정이 등급에 따라 크게 달라짐을 보여 주었다. 그러나, 제분소에서는 여러 가지 형태와 등급의 곡물, 특히 여러 가지 혼합 곡물이 가공되는 것은 잘 알려져 있다. 따라서 마이크로웨이브 측정을 위한 제품의 관련 특성은 처음 새로운 혼합 곡물을 가공할 때에는 알 수 없어 미지의 제품에 대하여서는 적어도 각 제품이 매번 바뀐 후에 측정 장치가 다시 교정되어야 한다. 이러한 문제점은 내부 자동 교정에 의하여서는 해결될 수 없는 것이다. 차라리, 수분 함량에 대하여 예를 들어, ±0.2%의 편차를 갖는 필요한 정확도를 얻기 위하여 실험실 수준의 측정이 부가적으로 각 교정시마다 수행되어야 한다. 그러나, (자동) 온라인 습기 측정의 목적은 부분적으로 밖에 달성될 수밖에 없었다. 용량 측정 방법과는 대조적으로 마이크로웨이브 측정 방법이 물을 첨가한 후에 새롭게 가습된 밀의 수분 함량을 곧바로 정확하게 측정하게 한다는 것이 알려져 있다. 물의 정확한 첨가를 위한 폐쇄 제어 회로의 실 제어는 물의 첨가후 습기 또는 수분 함량의 측정에 기초하여야 한다. 종래의 모든 시험은 등급 의존성의 문제가 있으며 물의 첨가로부터 수분 함량 측정까지의 시간 요인이 측정 결과에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 제분 준비 과정 중에 2∼3 회에 걸쳐 많은 양의 물이 일반적으로 곡물에 첨가되므로 종래의 방법으로서는 이러한 문제점을 만족스럽게 해결하는 것이 불가능하였다.

본 발명은 마이크로웨이브 감지기를 갖춘 측정 채널에서 식품 또는 사료와 같은 벌크 물질의 습기를 연속적으로 검출하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 측정 장치의 단면도.

도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 절취한 상태의 단면도.

도 3은 트리플레이트 라인의 기본 개념을 보인 설명도.

도 4는 헤테로다인 측정 시스템의 블록 회로도.

도 5는 도 4의 특정 실시 형태를 보인 상세도.

도 6은 예를 들어, 곡물을 위한 전체 가습 장치를 보인 구성도.

도 7은 급수 제어기의 기본 요소를 보인 블록도.

따라서 본 발명의 목적은 가능한 한 공지된 방법의 결점을 해결하고 등급이 달라진다 하여도 실제로 용이하게 적용할 수 있으며, 특히 새롭게 가습된 밀의 측정이 이루어지도록 하고 이에 기초하여 예를 들어, 특정 설정 값에 대한 물의 첨가의 실 제어가 이루어지도록 하는 마이크로웨이브 측정 방법을 개발하는데 있다.

또한 가습 전에 습기 함량의 보완 측정이 공지된 방법으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 해결안은 감지기가 트리플레이트 라인(triplate line)으로서 구성되고, 벌크 물질로 채워진 감지기의 전도성이 측정되며, 감지기가 바람직하게는 측정 채널의 일부로 구성된 것을 특징으로 한다.

마이크로웨이브 측정 기술은 종래의 화학 공정 엔지니어링, 특히 목재, 종이, 직물 등의 웨브와 같은 고체물의 수분 함량을 측정하는데 널리 이용되었다. 상업적인 이유로 소위 중공 안테나(hollow aerial)가 아주 널리 사용되었다. 이는 상기 언급된 전문 분야에서 크게 발전되었다.

상기 언급된 고보센서(Gobosensor) 방법(WO 90/07110호)과 공진기 방법은 공지된 것이다. 그러나 이미 설명된 바와 같이, 고보센서 방법에 있어서는 벌크 밀도가 측정되지 않아 그 결과가 부정확하다. 벌크 물질이 채워졌을 때 전도성을 측정하는 소위 트리플레이트 라인을 이용함으로서 주요 문제의 변수, 특히 마이크로웨이브 반사와 마이크로웨이브 흡수에 관련된 문제점이 제거된다는 것이 놀랍게도 확인되었다. 전자의 주요 문제점, 즉 등급 의존성은 소오스 오차로서 사실상 제거될 수 있다. 따라서 측정 결과는 곡물의 가습과 측정 사이의 시간 요인에 관계없이 정확히 재현 가능하다.

이와 같이 처리량과 온도에 부가하여 벌크 밀도를 포함함으로서 등급에 관계없이 측정이 신뢰 가능하고 습기의 실질적인 제어가 이루어 질 수 있으며, 벌크 밀도를 포함하는 것은 공지의 기술로부터 명백한 방법으로 유도될 수 없다.

본 발명은 다수의 특별히 유리한 실시 형태의 구현이 가능하다. 전도성은 바람직하게는 마이크로웨이브 측정 유니트를 이용한 헤테로다인 측정 원리에 의하여 검출되며, 제품의 습기는 전자 평가 유니트에 의하여 다른 측정 변수와 함께 계산된다. 교정을 위하여 그리고 측정의 정확도를 높이기 위하여, 예를 들어 온도와 길이의 변화를 배제하기 위하여 기준 라인(reference line)이 감지기와 병렬로 주기적으로 연결된다. 특히 유리한 구성에 있어서, 트리플레이트 라인은 장치의 고정부로부터 계량을 위하여 분리된 측정 채널의 일부로서 구성되어 제품의 밀도가 대응하는 계량 신호를 통하여 측정될 수 있다. 일부의 경우에 있어서, 벌크 물질의 밀도는 측정할 필요가 없다는 것이 알려져 있다.

그러나, 예를 들어 상이한 원료 또는 상이한 등급의 곡물로 구성되는 과립형, 종자형, 박편형 또는 분말상 벌크 물질의 경우에 있어서, 벌크 물질의 형태의 극단적인 변화가 있어도 양호한 측정 제어가 이루어지도록 벌크 밀도가 동시에 측정된다면, 측정의 신뢰도가 증가된다는 것을 실험 결과가 확인하였다.

본 발명은 온라인 작업 중에 특히, 식품이나 사료 등의 벌크 물질의 습기를 연속 검출하기 위한 장치에 관한 것으로서, 벌크 물질을 이송하기 위한 측정 채널 및 배압(back-pressure) 영역에 마이크로웨이브 감지기를 갖는 측정 채널의 출력부 상에 배압 구성 요소를 가지며, 측정 채널이 트리플레이트 라인으로서 구성된 것을특징으로 한다.

측정 채널은 바람직하게는 벌크 물질에 대한 제어 가능한 배출 요소를 할당하는 계량 부분이다. 이 계량 부분은 저울대(beam scale)로서 구성되는 것이 좋으며, 전자 평가 유니트와 배출 요소를 위한 구동 모터는 저울대의 일측부에서 작용함과 동시에 타측의 측정 채널에도 작용토록 배열된다. 조절 가능한 평형추가 측정 장치와 특정 벌크 물질의 계량을 완료하기 위하여 저울에 부가적으로 배열될 수 있다.

또한 측정 채널이 그 전체 높이에서 두 부분, 즉 상부 측정부와 아래의 인접한 하부 배출부의 두 부분으로 나누어지고, 측정부는 상단으로부터 바닥으로 확장되어 있으며 배출부는 상단으로부터 바닥으로 경사지고, 배출부는 계량 배출 스크류에 의하여 바닥에서 제한된다.

감지기로부터 전자 평가 유니트로의 연결 라인은 동축 라인이고 전이형 펀넬은 케이블의 서지 임피던스(surge impedance)가 감지기로 반사되지 않도록 한다. 마이크로웨이브에 대하여 유효한 측정 채널의 부분은 금속으로 만들어져 있다. 측정 채널의 내부로의 전이 상태의 전이 펀넬은 마이크로웨이브 투과성 커버링에 의하여 보호되어야 한다. 측정 채널은 바람직하게는 경사지게 위치한 또는 오프셋(offset)된 제품 메인 라인으로의 바이패스 라인으로 구성되며, 제품 메인 라인으로부터 측정 채널로의 유입 오리피스는 그리드의 형태로 구성되는 것이 좋다.

본 발명은 또한 벌크 물질을 이송하기 위한 측정 채널과 측정 채널 출구측상의 배압 구성 요소를 가지며, 측정 채널은 배압 영역 내에 제품 흐름 방향과 횡방향의 로드를 갖는, 온라인 작업 중에 특히 식품이나 사료 등의 벌크 물질의 습기를 연속 검출하기 위한 장치에 관한 것으로, 측정 장치는 저울, 바람직하기로는 저울대의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다. 무게 신호가 바람직하게는 압력 픽업(pick-up)을 통하여 측정되고 밀도는 이 신호로부터 계산된다.

마이크로웨이브 전송 신호의 진폭 및/또는 위상이 측정될 수 있다.

본 발명이 실시예를 참고하여 이하에서 상세히 설명된다.

본 발명을 도 1과 도 2를 참조하여 설명키로 한다. 벌크 물질이 유입구(2)를 통하여 공급되고 유출구(3)를 통하여 배출되는 메인 제품 채널(1)에서는,

바이패스(4)가 그리드(5)를 통하여 좌측 반부분측에 연결된다. 벌크 물질은 바람직하게는 고정 분기 파이프(6)를 통하여 바이패스(4)로 향하다가 수평 파이프(7)를 통하여 다시 제품 메인 채널(1)로 되돌아온다. 실 측정부(8)는 분기 파이프 (6)의 하단에서 시작하여 파이프(7)의 배출 종단에서 제한된다. 측정부(8)는 수직 측정 채널(9)과, 스크류 컨베이어(11) 및 구동 모터(12)를 포함하는 계량 배출 장치(10)로 구성된다. 측정부(8)는 상단과 바닥에서 계량되게 제품 메인 채널(1)로부터 분리되어 측정부(8)에 의한 대응 계량 운동이 장애받지 않도록 한다. 이 측정부(8)는 수직 지지체(13) 및 날개형 피봇트(15) 상의 수평 저울(14)에 의하여 매달려 있다. 저울(14)은 힘의 측정을 위하여 힘 픽업(16; force pick-up)에 연결된다. 전자 평가 유니트(18)에 연결된 동축 라인(19, 19')은 전자 평가 유니트(18)로부터, 벌크 물질을 관통하는 로드(21) 및 예를 들어 강철로 된 적어도 두 개의 금속벽 부분(22, 22')으로 구성된 감지기(20)로 안내되어(도 3 참조), 전도체 즉 로드(21) 또는 금속 벽 부분(22, 22')에 직접 연결된 측정 채널(9)에서 측정 중에 자계(H)와 전계(E)가 형성된다.

벌크 물질의 온도는 온도 검출기(26)에 의하여 측정된다.

도 2에서 혼 안테나와 유사한 두 개의 동축 라인(19, 19')은 벌크 물질에 의하여 형성된 유전체(24)의 영역에서 예를 들어, 동축 케이블의 50o ∼130o 까지의 서지 임피던스의 적응을 위한 펀넬형의 확장부(23, 23')를 갖는다. 두 펀넬형 확장부(23, 23')는 마이크로웨이브 투과성 커버링(25, 25')에 의하여 측정 채널(8)로부터 보호된다. 기준 라인(31)이 스위치(30)를 통하여 연결될 수 있다.

도 4는 헤테로다인 측정 시스템의 일반적인 블록 회로도이다. 마이크로웨이브 입력 신호(a(f+△f))가 측정부로 안내되고 출력 신호(b(f+△f))가 아래로 혼합된다. 따라서 IF 영역에서 간단한 위상 및 진폭 측정이 수행 될 수 있다. 이러한 정보(진폭 및 위상)는 전 과정에서 소실되지 아니한다(마이크로웨이브 및 아래로 혼합 신호는 비례한다).

도 5는 도 4에 따른 측정 시스템의 보다 구체화된 실시 형태를 보이고 있다. 측정부의 입력단에서의 마이크로웨이브 입력 신호(a(f+△f))는 주파수 시프터 (frequency shifter ; 단측대 변조기)에 의하여 발생된다. 측정부의 입력과 출력은 평가 유니트에서 혼합되고 처리된다. 헤테로다인 시스템의 다른 구성 방법은 위상 고정 루프(loop)로 변형될 수 있다. 이 경우에 있어서, 혼합기 신호(X)는 위상 고정 루프에 의하여 f+△f로 유지되고, 시험부의 마이크로웨이브 입력 신호는 중간 주파수에 의하여 변위되지 않는다. 된다. 따라서 혼합기 출력은 다시 IF 신호를 공급하며 이 신호가 추후에 처리된다.

전체 가습 장치를 도시한 도 6을 참고하여 이하에서 상세히 설명된다. 예를 들어, 건조 곡물이 유입구(41)를 통하여 공급되는 가습 유니트(40)는 그 유출구(42)를 통하여 제품 메인 채널(1)의 유입구에 직접 연결된다. 가습 유니트(40)는 구동 모터(44)에 의하여 구동되는 하나 또는 그 이상의 회전 원심 로타(43)를 갖는다. 마이크로웨이브 측정 장치(45)는 요구/실제값 비교를 통하여 마이크로웨이브 측정 장치(45)의 제어 유니트(47)로부터의 대응 측정 신호에 의하여 평가되고 필요한 급수량을 제어하고 물을 급수 라인(49)과 급수 주입 파이프(50)를 통하여 벌크 물질에 공급하는 급수 계량 유니트(48)에 제어 신호로서 공급된다. 급수량의 개방 및 폐쇄 루프 제어가 급수계 (51), 전자 제어 유니트(55), 모터 제어밸브(52), 필터(53) 및 바이패스(54)와 같은 주요 구성 요소에 의하여 도 7에 공지된 방법으로 확대된 크기로 개략적으로 도시되어 있다.

Claims (11)

1. 마이크로웨이브 감지기를 갖는 측정 채널에서 예를 들어, 식품 또는 사료 등의 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법으로서, 벌크 물질 내의 전송된 마이크로웨이브의 진폭 및/또는 위상이 측정되고 벌크 물질의 습기가 계산된 값으로부터 결정되는 벌크 물질의 습기 연속 검출 방법에 있어서,

   감지기가 트리플레이트 라인으로서 구성되고, 벌크 물질로 채워진 감지기의 전도 특성이 측정되며, 그로 인하여 감지기가 유출구측에 배압 구성 요소를 구비하는 측정부의 일부로서 구성되며, 각 제품의 습기가 벌크 물질의 온도와 벌크 밀도와 함께 전자 평가 유니트를 통하여 측정되고 제어되는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 전도 특성이 마이크로웨이브 측정 유니트를 이용한 헤테로다인 측정 원리를 통하여 검출되는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 온도와 길이의 변화를 제거하도록 주기적으로 교정이 이루어지고 측정의 정확도를 높이기 위하여 기준 라인이 감지기에 병렬로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 감지기 또는 트리플레이트 라인은 계량 기술에 의하여 고정된 장치 부분으로부터 분리된 측정부의 측정 채널의 일부로서 구성되고, 벌크 물질의 제품 밀도(벌크 밀도)는 대응하는 계량 신호를 통하여 측정되는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 방법.
5. 온-라인 작업중에 식품 또는 사료와 같은 벌크 물질의 습기를 연속 검출하기 위한 것으로, 벌크 물질을 운반하기 위한 측정 채널 및 제품의 흐름에 수직인 감지기의 일부로서의 로드를 갖는 측정 채널의 유출구측의 배압 구성 요소를 가지며, 감지기 또는 벌크 물질이 채워진 측정 채널의 출력량을 측정하기 위한 수단; 온도 측정 수단, 평가 전자 장치 및 벌크 물질의 전송된 마이크로웨이브의 레벨 및/또는 위상 값을 측정하기 위한 수단을 갖는 벌크 물질의 습기 연속 검출 장치에 있어서,

   바이패스 형태의 측정 채널이 트리플레이트 라인으로서 구성되고, 측정 채널은 또한 계량 기술에 의하여 메인 제품 채널 및 다른 고정된 요소로부터 분리된 계량 부분으로서 구성된 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 벌크 물질의 강제 배출을 위하여 배출 요소가 유출구측에서 측정 채널에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 계량 부분은 저울대, 저울대의 저울의 일측부 상에서 작용하도록 배열된 배출 요소를 위한 구동 모터 및 저울대의 저울의 다른 측부 상에 배열된 측정 채널로서 구성된 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
8. 제 5 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 측정 채널이 수직으로 상부 측정부와 그 아래의 인접한 하부 배출부의 두 부분으로 나누어지고, 측정부가 상부로부터 하부로 확장되며, 배출부는 상부로부터 하부로 좁아지게 경사지고, 배출부는 바닥에서 계량 배출 스크류에 의해 제한된 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
9. 제 5 항에 있어서, 센서로부터 온도와 벌크 밀도와 관련하여 벌크 물질의 온도를 측정하고 연속적으로 조절하는 전자 평가 유니트를 연결하는 동축 연결 라인을 구비하며, 이 동축 연결 라인은 감지기로의 동축 라인 케이블의 서지 임피던스의 무반사에 적합한 전이 펀넬을 갖는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 측정 채널이 금속으로 만들어지며 측정 채널측으로 전이되는 전이 펀넬이 마이크로웨이브 투과성 커버링으로 보호되는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.
11. 제 5 항에 있어서, 측정 채널은 경사지거나 또는 오프셋(offset)된 제품 메인 채널로의 바이패스 라인으로 구성되고, 제품 메인 채널로부터 측정 채널로의 유입 오리피스가 그리드로 구성되는 것을 특징으로 하는 벌크 물질의 습기를 연속 검출하는 장치.

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