SE428503B

SE428503B - Method when measuring the properties of a material by a microwave-frequency measuring procedure to compensate for the influence of random variations in the mutual position of the antennas and the material on the measurement result

Info

Publication number: SE428503B
Application number: SE7808586A
Authority: SE
Inventors: S Heikkile
Original assignee: Innotec Oy
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1983-07-04
Also published as: FI54654C; SE7808586L; FI54654B

Abstract

There is described a method for measuring of properties of a material by using microwave energy, which is directed against the material and detected after its passage through and/or reflection against the material. To compensate for the perturbing influence on the measurement result that can be produced by variations in the position of the material relative to the microwave antennas used, especially when the measurement occurs on a material which can move during the measurement, two separate measurement channels with essentially the same frequency are used, wherein the sending and receiving antennas for these two measurement channels are arranged at somewhat different positions relative to the material in such a way that when the position of the material varies, a signal change occurring in one measurement channel, such as that caused by interference, corresponds to an oppositely directed change in the signal in the other measurement channel, so that a mean value, possibly weighted, of the measurement signals from the two channels will be essentially unaffected by variations in the position of the material relative to the sending and receiving antennas. <IMAGE>

Description

. 15. 20. 25. . 15. 20. 25.

SOQ 7808586-7 ' 2 bildar interferens med anledning av flerfaldiga reflexioner mellan antennen och materialet. Dessa interferensföreteelser är beroende av avståndet mellan antennen och materialet, enär ändringarna i materialets läge kan vara betydliga jämförda med den använda våglängden. I vissa fall kan denna störning som känt undvikas genom att utföra mätningarna i Brewsters vinkel, m.a.o. genom att ställa antennen i en sådan vinkel i förhållande till materialets ytskikt att reflexionen från materialets yta är lika med noll. Även om denna lösning är klar i teorin, kan den dock inte alltid tillämpas i praktiken. Materialskivan måste vara vid i förhållande till strålníngskäglan. Annars förorsakar materialets rörelse i en mot den optiska axeln vinkelrät riktning mätfel. I fråga om vissa typer av material som skall. mätas, t.ex. sågvirke är det på grund av materialets dimens- ioner inte möjligt att anordna materialet i Brewsters vinkel.SOQ 7808586-7 '2 creates interference due to multiple reflections between the antenna and the material. These interference phenomena depend on the distance between the antenna and the material, since the changes in the position of the material can be significant compared to the wavelength used. In some cases, this disturbance is known to be avoided by performing the measurements at Brewster's angle, i.e. by placing the antenna at such an angle relative to the surface layer of the material that the reflection from the surface of the material is equal to zero. Although this solution is clear in theory, it can not always be applied in practice. The material disc must be wide in relation to the radiation cone. Otherwise, the movement of the material in a direction perpendicular to the optical axis causes measurement errors. In the case of certain types of materials to be. measured, e.g. Due to the dimensions of the material, it is not possible to arrange the material at Brewster's angle.

Detta beror på att man då av fysikaliska orsaker måste välja ett mot virkets fiberriktning vinkelrätt elektriskt fält.This is because, for physical reasons, you then have to choose an electric field perpendicular to the fiber direction of the wood.

Avsikten med föreliggande uppfinning är att nu åstadkomma ett förfarande, varmed man kan kompensera den avmaterialets läge i förhållande till sändar- ooh/eller mätarantennen skeende förskjutningsrörelsens verkan på mätningen. Avsikten är att man kan förverkliga detta vid användning av vilken som helst mätningsriktning relativt materialet, t.ex. en mot materialets yta vinkelrät riktning.The object of the present invention is to now provide a method with which one can compensate the position of the dematerial in relation to the transmitter and / or the measuring antenna the displacement movement of the displacement movement taking place on the measurement. The intention is that this can be realized by using any measuring direction relative to the material, e.g. a direction perpendicular to the surface of the material.

Avsikten med uppfinningen är sålunda att förverkliga ett arrangemang, som vid mätning av materials egenskaper med tillhjälp av mikrovågsenergi inte är känsligt för materialets läge i mätningsgapet oberoende av detta mätningsgaps eller antennuppställningens riktning i förhållande till materialets yta. Medelst förfarandet enligt uppfinningen är det sålunda möjligt att mäta även sådana skivformade kroppar som har liten bredd, särskilt t.o.m. mindre än den till förfogande stående strålningskäglans höjd på mätníngsstället. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 3 780-8586-7 Fördelarna och de övriga egenskaper enligt uppfinningen kan särskilt åstadkommas med ett sådant arrangemang, som angivits i detalj i bifogade patentkrav l.The object of the invention is thus to realize an arrangement which, when measuring the properties of material with the aid of microwave energy, is not sensitive to the position of the material in the measuring gap, independent of this measuring gap or the direction of the antenna arrangement in relation to the surface of the material. By means of the method according to the invention it is thus possible to measure even such disc-shaped bodies which have a small width, in particular t.o.m. less than the height of the available radiation cone at the measuring point. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 3 780-8586-7 The advantages and the other features of the invention may be particularly achieved by such an arrangement as is set forth in detail in appended claims 1.

Förfarandet enligt uppfinningen omfattar som lösning tvâ olika kanaler, som företrädesvis har samma eller nästan samma frekvens med varandra och hos vilka kanaler sändar- och mottagarantennernas lägen är enligt uppfinningen så valda, att när materialet som skall mätas rör sig i mätnings~ gapet är de av detektorerna i dessa olika kanaler givna mätningssignalvariationerna sinsemellan motsatta.The method according to the invention comprises as a solution two different channels, which preferably have the same or almost the same frequency with each other and in which channels the positions of the transmitter and receiver antennas are according to the invention so that when the material to be measured moves in the measurement gap the detectors in these different channels given the measurement signal variations mutually opposite.

Av dessa medelst de skilda kanalerna erhållna mätningssignal- erna tas då ett medelvärde, som vid användning av likadana kanaler är det aritmetiska medelvärdet och vid kanaler, som skiljer sig från varandra, ett med dessa kanalers olikhet betonat medelvärde. Man får då en signal vars storlek inte är väsentligen beroende av materialets läge på denna mätnings optiska axel.From these measurement signals obtained by means of the different channels, an average value is then taken, which when using similar channels is the arithmetic average value and in the case of channels which differ from each other, an average value emphasized by the difference of these channels. A signal is then obtained whose size is not substantially dependent on the position of the material on the optical axis of this measurement.

Då mätningssignalens ändring som sagt vid ändring av material- ets läge förorsakas av mellan materialet och antennen upp- stående flerfaldiga reflexioners interferens, är denna ändring periodisk relativt våglängden. Såvida antennerna för den ena kanalen är beträffande sitt avstånd en viss bråk- del av våglängden annorlunda belägna så att en ändring av materialets läge hos den ena kanalen förorsakar minskning av amplituden, men samtidigt ökar amplituden hos den andra kanalen, är det klart att medelvärdet på det ovannämnda sättet är stabilt.As the change in the measuring signal, as stated when changing the position of the material, is caused by the interference of multiple reflections arising between the material and the antenna, this change is periodic relative to the wavelength. Unless the antennas of one channel are located at a certain fraction of the wavelength differently so that a change in the position of the material in one channel causes a decrease in the amplitude, but at the same time the amplitude of the other channel increases, it is clear that the above method is stable.

Kanalerna i fråga kan ha en liten höjdskillnad, varvid även den av en mot den optiska axeln skeendet vinkelrät rörelse framkallade variationen är betydligt mindre i medelvärdes- signalen än vid användning av ett enkanalsystem.The channels in question can have a small height difference, whereby also the variation induced by a movement perpendicular to the optical axis is considerably smaller in the average value signal than when using a single-channel system.

Det uppfinningsenliga sättet att åstadkomma förskjutning av kanalerna har även åskådlíggjorts i bifogade ritning, där schematiskt visas placeringen av tvâ kanaler så att mätnings- avståndet är lika långt hos bådadera, men är i förhållande 10. 15. -20. 25. 30. 7808586-7 4 till den använda våglängden en lämplig bråkdel annorlunda anordnat relativt materialet som skall mätas. Det är dock att konstatera att förverkligandet av kanalerna kan variera från den i figuren åskådliggjorda lika långa transmissiondistansen för mikrovågorna i båda kanalerna även till andra tillämplingar, i vilka utjämningens slutresultat är elektriskt likvärdigt från mätningsresultatets synpunkt sett. När man alltså i det följande redogör för den i figuren visade utföringsformen av uppfinningen är det att konstatera att ifrågavarande placering av kanalerna är endast en lösningsmöjlighet, om än möjligen den mest uppenbar: och att alla sådana sätt för anordnande av dessa kanaler är avsedda att falla inom ramen för uppfinningen, vid vilka mot- svarande inbördes kompensering av kanalerna är en för en sak- kunnig uppenbar modifikation av den här relaterade tillämpnings- lösningen.The method according to the invention to effect displacement of the channels has also been illustrated in the accompanying drawing, where the location of two channels is schematically shown so that the measuring distance is the same distance in both, but is in a ratio of 10. 15. -20. 25. 30. 7808586-7 4 to the wavelength used, a suitable fraction differently arranged relative to the material to be measured. It should be noted, however, that the realization of the channels can vary from the equally long transmission distance of the microwaves in both channels illustrated in the figure to other applications, in which the final result of the equalization is electrically equivalent from the point of view of the measurement result. Thus, when the embodiment of the invention shown in the figure is described in the following, it is to be noted that the placement of the channels in question is only one possible solution, although possibly the most obvious: and that all such ways of arranging these channels are intended to fall within the scope of the invention, in which the corresponding mutual compensation of the channels is an obvious modification of the related application solution to an expert.

Angående figurerna kan konstateras följande: Fig. 1 är en kopplingsschema-artade framställning av anordningen där antennernas placering i frågavarande utföringsform dock även är schematiskt åskådliggjord.Regarding the figures, the following can be stated: Fig. 1 is a wiring diagram-like representation of the device in which the location of the antennas in the embodiment in question is, however, also schematically illustrated.

Fig. 2 är en mera detaljerad framställning av antennernas andel i anordningen enligt uppfinningen.Fig. 2 is a more detailed representation of the proportion of the antennas in the device according to the invention.

Pig. 3 är ett diagram som framställer från de båda kanalerna erhållna utgångsstorheten som funktion av den längre bort belägna antennens avstånd.Pig. 3 is a diagram showing the output quantity obtained from the two channels as a function of the distance of the remote antenna.

Anordningen omfattar antingen en mikrovâgskälla 1 eller två separata mikrovågskällor, så att båda kanalerna har separata mikrovågskällor med samma eller tíllnärmelsevis samma frekvens.The device comprises either a microwave source 1 or two separate microwave sources, so that both channels have separate microwave sources with the same or approximately the same frequency.

Denna mikrovågskälla kan giva kontinuerligt effekt, vara pulse- rad eller frekvensstruken osv. beroende på det använda mätnings- utförandet, t.ex. detekteringssättet av dämpningen och/eller fasen samt den information som man i varje enskilt fall vill _ få om materialet som skall mätas.This microwave source can give a continuous effect, be pulsed or frequency struck, etc. depending on the measurement design used, e.g. the method of detection of the attenuation and / or the phase and the information that one wants in each individual case _ to get about the material to be measured.

Efter mikrovågskällan l följer en effektfördelningskrets 2, varmed förverkligas effektens lämpliga fördelning på de båda kanalerna. Denna kan vara en mikrovågsomkopplare, som kopplar effekten turvis till de skilda mätningskanalerna, en riktnings- 10. 15. 20.The microwave source 1 is followed by a power distribution circuit 2, with which the appropriate distribution of the power on the two channels is realized. This can be a microwave switch, which switches the power in turn to the different measuring channels, a directional 10. 15. 20.

ZS. 30. s 7808586-7 koppling, en hybrid, en effektfördelare, vågledareförgrening eller någon annan lösning, som en sakkunnig på mikrovågs- teknikens omrâde förmår konstruera.ZS. 30. s 7808586-7 coupling, a hybrid, a power distributor, waveguide branching or any other solution, which an expert in the field of microwave technology is able to construct.

Effektfördelningskretsen efterföljes av antennerna 3, som valts så att de lämpar sig förtillämpningsfallet i fråga. Upp- finníngens principer pâverkas sålunda inte såvida de äro tratt- formiga antenner såsom i figuren, dipolantenner, slitsantenner, dielektríska antenner el.dy1. eller av elementantenner Sâmmällsättâ allteïlïlgrllppßr .The power distribution circuit is followed by the antennas 3, which are selected to suit the pre-application case in question. The principles of the invention are thus not affected unless they are funnel-shaped antennas as in the figure, dipole antennas, slit antennas, dielectric antennas or the like1. or of elemental antennas Sämmmällsättâ allteïlïlgrllppßr.

Dessa antenners lägeskíllnad är som sagt beroende av den använda våglängden och har därför visats endast stiliserad i figuren.The position tilt of these antennas is, as stated, dependent on the wavelength used and has therefore been shown only stylized in the figure.

På mätningssidan kan sammanförandet av signalerna ske i olika skeden nämligen på mikrovågsnivån, varvid man kan använda motsvarande komponenter, som användes i effektfördelnings- kretsen, eller först senare, t.ex. på mellanfrekvens-, låg- frekvens- eller likspänningsnivån eller t.o.m. genom räkne- operationer i det först därefter följande databehandlíngs- steget av mätresultaten.On the measurement side, the merging of the signals can take place in different stages, namely at the microwave level, whereby the corresponding components can be used, which are used in the power distribution circuit, or only later, e.g. at the intermediate frequency, low frequency or DC voltage level or t.o.m. by arithmetic operations in the only subsequent data processing step of the measurement results.

Detekteringen av den använda mikrovågsstrålningens amplitud och/eller fas kan på motsvarande sätt åstadkommas med till- hjälp av från mikrovågstekniken i och för sig kända medel, som är uppenbara för den sakkunnige på området. Uppfinningen påverkas sålunda inte av om man vid detekteringen använder en dioddetektor, mätning av mikrovågens effekt, blandning till mindre frekvens och detektering med småfrekventa medel, hybrider el.dyl. förfaranden.The detection of the amplitude and / or phase of the microwave radiation used can correspondingly be effected by means of means known per se from the microwave technique, which are obvious to the person skilled in the art. The invention is thus not affected by the use of a diode detector in the detection, measurement of the microwave power, mixing at a smaller frequency and detection with small-frequency means, hybrids and the like. procedures.

Företeelsens periodiska karaktär som möjliggör kompenseringen har även visats schematiskt i fig. 3. Däri anges den från den ena kanalen erhållna detekteringens storlek, t.ex. spänning och dess ändring när materialets läge i förhållande till antennerna ändras. På grund av interferens varierar den erhållna signalen periodiskt när materialets läge, dvs. avståndet d ändras. När den andra kanalens läge är riktigt 10. 7808586-7 valt i förhållande till den använda våglängden, sker variationen av signalen i motsatt riktning i jämförelse med den första kanalen. Denna signal har återgivits i figuren medelst en streckad kurva. Det är klart att mellanvärdet av dessa kurvor på ett lämpligt sätt betonat kan utjämnas betydligt, då variationerna i de skilda kanalerna upphäver ivarandras verkan.The periodic nature of the phenomenon which enables the compensation has also been shown schematically in Fig. 3. It states the size of the detection obtained from one channel, e.g. voltage and its change when the position of the material in relation to the antennas changes. Due to interference, the received signal varies periodically when the position of the material, i.e. the distance d changes. When the position of the second channel is correct 10. 7808586-7 selected in relation to the wavelength used, the variation of the signal takes place in the opposite direction in comparison with the first channel. This signal is represented in the figure by a dashed curve. It is clear that the intermediate value of these curves in a suitably emphasized manner can be considerably equalized, as the variations in the different channels cancel each other out.

I det föregående har beskrivits den huvudsakligaste utförings- formen av uppfinningen under hänvisning till att flera modifikationer av ifrågavarande grundlösning är möjliga.In the foregoing, the main embodiment of the invention has been described with reference to the fact that several modifications of the basic solution in question are possible.

Alla ifrågavarande analoga fall är avsedda att falla inom ramen för närslutna patentkrav.All analogous cases in question are intended to fall within the scope of related claims.

Claims

7808586-7 Patent claims

1. l. Creates by means of a microwave frequency measurement method to compensate for the effect on the measurement result of temporary Methods for measuring a material's own variations in the mutual position of the antennas used and the xnaterial intended for measurement, characterized in that two separate channels with the same or approximately the same frequency and that the positions of the transmitter and receiver antennas in relation to the material to be measured are selected so that, when the material changes place in the measurement gap, a possible change in the signal in one channel (b1.a caused by interference) is compensated for by a change in the opposite direction in the second channel, the amplitude and phase variations of these channels being opposite each other, after which a suitable average value for final measurement result is formed by the measurement signals of both channels.

2. A method according to claim 1, characterized in that the measuring gaps of both measuring channels are equal to each other, but offset by a quarter of the wavelength in the direction of the measuring transmission.