NL8401328A

NL8401328A - Microgolfvochtsensor.

Info

Publication number: NL8401328A
Application number: NL8401328A
Authority: NL
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric
Priority date: 1983-04-26
Filing date: 1984-04-25
Publication date: 1984-11-16
Also published as: CA1237171A; SE8402258L; DE3415610A1; NL191619C; US4620146A; NL191619B; DE3415610C2; SE461551B; JPH0120375B2; SE8402258D0; JPS59197843A

Description

N.0. 32500 ''· jT..

Microgolfvochtsensor.

De uitvinding heeft betrekking op een microgolfvochtsensor die op het principe gebaseerd is dat een uitgezonden microgolf in draaireso-nantie met watermoleculen verzwakt wordt, en heeft meer in het bijzonder betrekking op een'microgolfvochtsensor bestaande uit tenminste twee 5 zend- en ontvangstelsels, die elk een zendhoornantenne en een ontvang-hoornantenne hebben, waarbij de hoornantennes van de stelsels, die aan een zijde van een lichaam dat gemeten wordt of een meetobject, geplaatst zijn, over een vooraf bepaalde afstand van elkaar gescheiden zijn in een richting loodrecht op het vlak van het meetobject.

10 In de techniek is tot nu toe bekend een microgolfvochtsensor zoals aangegeven in fig. 1 van de bijbehorende tekeningen. De aangegeven microgolfvochtsensor heeft een zendhoornantenne 4 voor het afgeven van een microgolf die vanaf een microgolfoscillator 2 via een isolator 1 uitgezonden wordt naar een meetobject 3, zoals een papierblad, een ont-15 vanghoornantenne 5 die in tegenovergestelde betrekking tot de zendhoornantenne 4 met het papierblad 3 daartussen opgesteld aangebracht is, een zendhoornantenne 6 voor het opnieuw naar het papierblad 3 uitzenden van de microgolf zoals deze ontvangen is door de ontvanghoornan-tenne 5, en een ontvanghoornantenne 7 die in tegenovergestelde betrek-20 king tot de zendhoornantenne 6 met het papierblad 3 daartussen opgesteld aangebracht is. De bekende microgolfvochtsensor heeft eveneens een (een Schottky-diode omvattende) detector 8 die door een (niet aangegeven) lokale oscillator bekrachtigd wordt die een frequentiesignaal afgeeft met een frequentie verschillend van die van het signaal van de 25 microgolfoscillator 2 om de door de ontvanghoornantenne 7 ontvangen microgolf te detecteren, en een signaalprocessor 9 waaraan een signaal van de detector 8 en een vooraf ingesteld signaal wordt toegevoerd dat het basisgewicht van het papierblad 3 aangeeft om deze toegevoerde signalen gebaseerd op een vooraf bepaalde calibratie of werkkromme te ver-30 werken teneinde een vochtpercentagesignaal af te geven. De isolator 1, de microgolfoscillator 2, de hoornantennes 4, 7 en de detector 8 zijn normaal in een eerste metalen huis aangebracht, en de hoornantennes 5, 6 zijn normaal in een tweede metalen huis ondergebracht.

Zoals in fig. 2 is aangegeven zijn de eerste en tweede met 10 en 35 11 aangeduide, metalen huizen respectievelijk in tegenover elkaar gele gen betrekking aangebracht op een centraal open frame 12 en vormen zij samen een detectorkop 13. De eerste en tweede metalen huizen 10, 11 tasten op synchrone wijze af of bewegen heen en weer gaand over een in- 8401328 « ' i 2 terval tussen de grenzen Lj_, L2 om signalen te detecteren. De af-tastrichting strekt zich in vezen dwars uit over het papierblad 3 dat in de richting van de pijl A loopt.

Terwijl de detectorkop 13 het papierblad 3 aftast worden de zend-5 en ontvanghoornantennes op een constante afstand ü zoals in fig. 1 aangegeven gehouden waarbij de zend en ontvanghoornantennes 4, 7 op gelijke afstand tot de bewegingsbaan van het papierblad 3 zoals in fig. 1 aangegeven zijn geplaatst.

De vochtmeting wordt teweeggebracht door de microgolfvochtsensor 10 terwijl het interval I·! - L2 door de detectorkop 13 afgetast wordt.

Op dit moment zal een door de zendhoornantenne 4 uitgezonden microgolf zich langs de weg vanaf de zendhoornantenne 4 via het papierblad 3 naar de ontvanghoornantenne 5 en dan zich vanaf de zendhoornantenne 6 via het papierblad 3 naar de ontvanghoornantenne 7 voortplanten en uitein-15 delijk door de detector 8 gedetecteerd worden. Aan de signaalprocessor 9 wordt een signaal toegevoerd dat gedetecteerd wordt door de detector 8 en een vooraf ingesteld signaal dat representatief is voor het basisgewicht van het papierblad 3, waarbij de signaalprocessor 9 de toege— voerde signalen zal verwerken op basis van een calibratie of werkkromme 20 teneinde een vochtpercentagesignaal af te geven.

Een spanning (van een staande golf) in de voortplantingsweg kan afgeleid worden op basis van een golfbeweging uit de volgende vergelijking op voorwaarde dat er geen verzwakking in de voortplantingsweg optreedt: 25 νχ = V+ β"30χ + h V+ e3&x ...(1) waarin V* de uitgangsspanning is van de microgolfoscillator, h de reflectiefactor is, β de faseconstante en x de lengte van de voortplantingsweg vanaf de microgolfoscillator is. Het amplitudesignaal |V^| in de vergelijking (1) wordt weergegeven door de volgende vergelijking 30 (2), terwijl de verhouding (staande golfverhouding) van de maximale waarde IVimax I tot de minimale waarde I Vim-f n I van het amplitudesignaal |V]J wordt uitgedrukt door de volgende vergelijking (3).

De fase, de amplitude en de andere parameters van de spanning Vj variëren met de trillingen van het papierblad 3.

35

IV], I = |v+| 1---¾^213^ I

eJpx 1 8401328 = |V+| |1+Γ>β32βχ| = |V+| {(1 + f1 cos28x)2 + t1 2sin22f5x^l/2 3 = (V+l {(1 + F )2 - 2 h(l - cos2 * 1V+I { (1 + h )2 - 4hsin2ex}1/2 ...(2)

J^lmaxl _ 1 + P

5 iVjminl 1 - Ρ *‘*C '

De gebruikelijke microgolfvochtoscillator heeft echter hierin nadelen dat meetfouten groter worden daar de detector eveneens invloeden, 10 veroorzaakt door trillingen van het papierblad 3 wanneer dit loopt, detecteert.

De feitelijke voortplantingsweg van de microgolf bevat naast de aangegeven voortplantingsweg wegen waarin de microgolf tussen de tegenover gelegen oppervlakken van de huizen 10, 11 en tussen deze tegenover 15 gelegen oppervlakken en het papier 3 gereflecteerd wordt. Daar deze extra voortplantingswegen variëren als gevolg van trillingen van het lopende papierblad 3, waardoor de hoeveelheden microgolven die op de respectievelijke ontvanghoornantennes invallen veranderen, worden willekeurige meetfouten eveneens vergroot.

20 Gezien bovenstaande nadelen beoogt de uitvinding een microgolf- vochtsensor te verschaffen die minder vatbaar is voor door trillingen van een bladvormig meetobject veroorzaakte invloeden teneinde een hoge meetnauwkeurigheid te verkrijgen.

Volgens de uitvinding bevat een microgolfvochtsensor een eerste 25 zend- en ontvangstelsel bestaande uit eerste zend- en ontvanghoornantennes die in tegenovergestelde betrekking geplaatst zijn met een daartussen aangebracht lopend bladvormig meetobject, en een tweede zend- en ontvangstelsel bestaande uit een tweede zendhoornantenne voor het opnieuw naar het meetobject uitzenden van een microgolf zoals ontvangen 30 door de eerste ontvanghoornantenne, en een tweede ontvanghoornantenne voor het ontvangen van de microgolf die door de tweede zendhoornantenne uitgezonden en door het meetobject gepasseerd is. De aan een zijde van het meetobject aangebrachte antennes zijn van elkaar gescheiden over een afstand van ηλ+Χ/4 (waarin n een geheel getal en X de golflengte 35 van de microgolf is) in een richting in wezen loodrecht op het vlak van het meetobject.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van voorkeursuitvoeringen met verwijzing naar de bijbehorende tekeningen waarin: 40 fig. 1 een schema geeft van een gebruikelijke microgolfvochtsen sor; 8401328 » # * 4 fig. 2 een perspectivisch aanzicht geeft van een centraal open frame waarin een detectorkop van de microgolfvochtsensor is geplaatst; fig. 3 een schema geeft van een microgolfvochtsensor volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding; 5 de fig. 4 en 5 zij- en voorhoogte-aanzichten geven van een detec torkop in de microgolfvochtsensor van fig. 3; de fig. 6A, 6B en 7 diagrammen tonen van de werking van de microgolfvochtsensor volgens de ene uitvoeringsvorm van de uitvinding; en fig. 8 een schema geeft van een microgolfvochtsensor volgens een 10 andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 3 geeft schematisch een microgolfvochtsensor volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding. Identieke delen van fig. 3 zijn door dezelfde verwijzingscijfers als die in fig. 1 aangegeven en zullen niet in detail toegelicht worden. De microgolfvochtsensor bevat een eerste 15 zend- en ontvangstelsel 15 bestaande uit een zendhoornantenne 4 die op een afstand van een papierblad 3 is gescheiden welk papierblad een meetobject vormt, en een ontvanghoornantenne 5 die over een constante afstand L gescheiden is van de zendhoornantenne 4 in tegenover gelegen betrekking daarmede, en een tweede zend- en ontvangstelsel 15 bestaande 20 uit een zendhoornantenne 6 voor het opnieuw uitzenden van een microgolf zoals ontvangen door de ontvanghoornantenne 5, en een ontvanghoornantenne 7 op een afstand i.2 van het papierblad 3 en op een constante afstand L van de zendhoornantenne 6 in tegenover gelegen betrekking daarmede, waarbij de ontvanghoornantenne 7 gescheiden is over een af-25 stand /3 van de zendhoornantenne 4 in een richting in wezen loodrecht op het vlak van het papierblad 3. De afstanden $£3 en £3 voldoen aan de volgende betrekking: ^•3='^2”'^l^n^+X/4 »··(4) waarin n een geheel getal en X de golflengte van de microgolf is.

30 Zoals aangegeven is in fig. 4 zijn de zend- en ontvangstelsels 15, 16 ondergebracht in huizen 19, 20 die tegenover elkaar gelegen oppervlakken 17, 18 hebben welke gemaakt zijn van golfabsorptie-materiaal bestaande uit een mengsel van epoxyverf en messingpoeder. De huizen 19, 20 zijn in een centraal open frame gemonteerd zoals aangegeven in fig. 35 2 en vormen samen een detectorkop 21 om het papierblad gedurende een vooraf bepaald interval dwars over dit blad af te tasten.

Fig. 5 toont een dwarsdoorsnede van de huizen 19, 20 langs de bewegingsrichting van het papierblad. Zoals in deze fig. 5 is aangegeven lopen de oppervlakken 17 van het ene huis 19 onder een hoek ten opzich-40 te van de tegenover gelegen vlakken 18 van het andere huis 20.

8401328 * * 5

Een vochtmeting wordt teweeggebracht door de microgolfvochtsensor terwijl in het vooraf bepaalde interval het papierblad door de detec-torkop 21 afgetast wordt. Tegelijkertijd zal een door de zendhoornan-tenne 4 uitgezonden microgolf zich vanaf de zendhoornantenne 4 via het 5 papierblad 3 naar de ontvanghoornantenne 5 en dan zich vanaf de zendhoornantenne 6 via het papierblad 3 naar de ontvanghoornantenne 7 voortplanten en uiteindelijk door de detector 8 gedetecteerd worden.

Daar de vergelijking (4) voor elk zend- en ontvangstelsel van toepassing is kan van de ontvanghoornantenne 7 aangenomen worden dat deze 10 in wezen de som |V^( + JV2I detecteert van het door de vergelijking (2) gedefinieerde amplitudesignaal |VjJ en het door de volgende vergelijking (5) gedefinieerde amplitudesignaal JV2 J» waarbij het signaal IV2I over λ/4 uit fase is met het signaal lV^|: 15 tVjJ = |V+1 {(1 + P)2 - 4hsin2(0x + 900)}1/2 * |V+I {(1 + P)2 - 4 cos^x}1/2 ...(5)

Daarom wordt de verhouding van de maximale waarde iV^a-g-l tot de minimale waarde lV3Jn£nJ van een signaal gedetecteerd door de de-20 tector 8 gegeven door de vergelijking (6): •W.iEpÏ.Vriïi ...w IVjmini 1 25

De vergelijkingen (3) en (6) geven een aanduiding van variaties van het gedetecteerde signaal op het moment dat de weglijnen (weg van beweging) van het papierblad 3 gevarieerd wordt. Daar 0 < P < 1 is bestaat de betrekking (1 + P )/(1 - P )> Vl + P 2.

30 Een vergelijking van de betrekkingen (3) en (6) geeft aan dat bij de microgolfvochtsensor van de onderhavige uitvinding het gedetecteerde signaal een kleine amplitude ten opzichte van trillingen van het papierblad 3 heeft, dat wil zeggen dat de microgolfvochtsensor goede weg-lijnkarakteristieken heeft. Wanneer de antennes in de zend- en ontvang-35 stelsels 15, 16 aan de volgende betrekking (7) voldoen kan de microgolfvochtsensor signalen met goede weg-lijhkarakteristieken detecteren: *01 —&2 ? i λ/4 ...(7)

De fig. 6A en 6B geven de betrekkingen tussen de amplitudesignalen 40 IVjJ, fV21 en. bet signaal |VjJ + IV21 gedetecteerd door de detector 8. Fig. 6A toont de betrekking op het moment dat de reflectie- 8401328 » *> 6 factor F1 0,1 bedraagt en fig. 6B toont de betrekking op het moment dat de reflectiefactor Γ 0,2 bedraagt. De fig. 6A en 6B geven aan dat de microgolfvochtsensor volgens de uitvinding goede weg-lijnkarakteristie-ken heeft.

5 De werking van de microgolfvochtsensor met de constructie volgens fig. 5 zal nu toegelicht worden. De door de zendhoornantenne 4 naar het papierblad 3 uitgezonden en langs de genoemde voortplantingsweg gevoerde microgolf is een hoofdbundel Bjj zoals aangegeven in fig. 5. De door de zendhoornantenne 4 uitgezonden zijbundels Bg worden of door 10 de golf absorberende tegenover elkaar gelegen oppervlakken 17, 18 geabsorbeerd of lopen uit de huizen weg tijdens de doorgaande reflectie tussen de tegenover elkaar gelegen oppervlakken 17, 18 en het papierblad 3 en eveneens tussen de tegenover elkaar gelegen oppervlakken 17, 18.

15 De op de ontvanghoornantennes 5, 7 invallende microgolfhoeveelhe den worden niet beïnvloed door spreiding van de uitgezonden hoofdbundel Bj4 die zich tussen de open einden van de antennes uitstrekt, en het vochtsignaal g (MW) wordt afgegeven onafhankelijk van de grootte van het papierblad dat gemeten wordt hetgeen resulteert in een in wezen 20 verminderd meetoppervlak. Daarom komen de signaalkarakteristieken veroorzaakt door het bladvormige papier overeen met de calibratie of werk-kromme die bepaald wordt door papier te gebruiken van een type dat gemeten moet worden en dat in bepaalde afmeting is afgesneden.

Fig. 7 geeft de papierpositiekarakteristieken in de microgolf-25 vochtsensor volgens de uitvinding. De vertikale as duidt het vochtsignaal g (MW) aan en de horizontale as duidt de positie van het papierblad 3 tussen de huizen aan. Een karakteristieke kromme Aj wordt verkregen door vochtsignalen g (MW) uit te zetten wanneer het einde 3a van het papierblad 3 vanuit een positie Xq bewogen wordt van naar 30 X2« De karakteristieke kromme A]^ geeft aan dat wanneer papierbladen met een breedte van 2XqX2 en 2X3X2 z°danig geplaatst zijn dat hun middens uitgelijnd zijn met de positie X2, het vochtsignaal g (MW) onveranderd blijft onafhankelijk van de verschillende papierbreed-ten. Met andere woorden, de microgolven die herhaaldelijk tussen de po-35 sities Xq, X^ worden gereflecteerd, dat wil zeggen de tussen de tegenover elkaar gelegen oppervlakken en het papierblad en tussen de tegenover elkaar gelegen oppervlakken gereflecteerde microgolven, vallen niet in op de ontvanghoornantenne 5 en het vochtsignaal wordt dientengevolge niet door verschillen in afmeting van de meetobjecten beïn-40 vloed.

8401328 * % 7

De karakteristieke kromme A2 is representatief voor een gebruikelijke microgolfvochtsensor, waarbij het oppervlak van het huis 20 aangeduid wordt door de streep-stip-lijn Y.

Fig. 8 toont een microgolfvochtsensor volgens een andere uitvoe-5 ringsvorm van de uitvinding. Componenten in fig. 8 die identiek zijn aan die in de fig. 1 en 3 en van dezelfde verwijzingscijfers zijn voorzien zullen niet in detail worden toegelicht. De in fig. 8 aangegeven microgolfvochtsensor heeft twee zend- en ontvangstelsels 15, 16 om een voortplantingsweg te verschaffen waarlangs een door de zendhoornantenne 10 4 naar het papierblad 3 uitgezonden hoofdmicrogolfbundel vier maal door het papierblad 3 wordt gevoerd voordat de bundel door de detector 8 gedetecteerd wordt.

De detectiegevoeligheid van de microgolfvochtsensor kan verhoogd wordt door derhalve het aantal toegepaste zend- en ontvangstelsels te 15 vergroten.

Bij de microgolfvochtsensor volgens de uitvinding zijn tenminste twee zend- en ontvangstelsels aangebracht die elk zend- en ontvang-hoornantennes hebben, welke antennes aan een zijde van een meetobject zijn aangebracht en over een .vooraf bepaalde afstand van elkaar in een 20 richting loodrecht op het vlak van het meetobject zijn gescheiden. Deze opstelling vermindert eventuele nadelige invloeden veroorzaakt door trillingen van het meetobject zodat een toegenomen meetnauwkeurigheid wordt verkregen.

De tegenover elkaar gelegen oppervlakken van de huizen die de de-25 tectorkop vormen liggen geheel of voor een deel onder een hoek tot elkaar en zijn met golfabsorptiemateriaal bekleed. Hierdoor worden eventuele nadelige invloeden veroorzaakt door trillingen van het meetobject eveneens verminderd.

8401328

Claims

2. Microgolfvochtsensor volgens conclusie 1, waarin de eerste en 25 tweede zend- en ontvangstelsels eerste en tweede huizen bevatten, waarbij het eerste huis daarin de eerste en tweede zend- en ontvanghoornantennes bevat, waarbij het tweede huis daarin de eerste en tweede ontvang- en zendhoornantennes bevat, welke eerste en tweede huizen in tegenover elkaar gelegen betrekking tot elkaar zijn aangebracht met het 30 bladvormige meetobject tussen hen in geplaatst en met tegenover elkaar gelegen oppervlakken die geheel of gedeeltelijk ten opzichte van elkaar onder een hoek staan.
3. Microgolfvochtsensor volgens conclusie 2, waarin de tegenover elkaar gelegen oppervlakken van de eerste en tweede huizen geheel of 35 gedeeltelijk een golfabsorptiemateriaal hebben. H-H 111 8401328