SE505241C2 - Metod och anordning för bestämning av fuktinnehållet i ett material - Google Patents

Description

505 241 2 v = c / »Aff + lgh/z* <1) u '-----\ dar ler' :ßrlz + erl|2 5,' = realdelen av materialets relativa dielektricitetskonstant. eQ' = den imaginära delen av materialets relativa dielektricitetskonstant. c = ljusets hastighet.

Dielektricitetskonstanten hos vatten är stor i jämförelse med dielektricitetskonstanten hos de flesta andra material, vilket är orsaken till att hastigheten hos en mikrovàg som passerar genom ett fuktigt material minskar mer än hastigheten hos en väg som passerar genom ett torrt material. Detta gör det möjligt att mäta fuktinnehàlleti.materialet. Tidsfördröjningen 6 som orsakas av minskningen i vägens hastighet kan beräknas ur formeln (2) nedan: = d/v = d/(c/ yKer'+|er|)2 )* (2) där 6 = tidsfördröjningen = det avstånd som mikrovágen förflyttar sig i materialet v = mikrovágens hastighet i materialet er' = realdelen av materialets relativa dielektricitetskonstant Q = materialets relativa dielektricitets- konstant.

Vid metoden enligt föreliggande uppfinning för bestämning av ett materials fuktinneháll bringas en mikrovàgssignal att passera genom det material som skall mätas, varvid ändringen i hastigheten hos den signal som har passerat genom materialet mâtes och fuktinnehàllet i materialet bestämmes på grundval av den uppmätta ändringen och ett känt samband mellan ändringarna i mikrovägssignalens hastighet och materialets fuktinnehäll.

Enligt en utföringsform av metoden mâtes ändringen i mikrovàgs- signalens hastighet medelst frekvensmodulation, transmissions- 505 241 3 tiden hos mikrovågspulsen, expansion eller pulssekvens eller bruskorrelation.

Enligt en utföringsfor¶\av'metoden mätes transmissionstiden hos mikrovågspulsen, expansionen eller sekvensen hos den puls som har passerat genom materialet, i ett konstant mätgap.

Enligt en utföringsform av metoden mätes transmissionstiden i mätgapet direkt, under användning av en klocka, såsom utgörande tidsintervallet mellan den transmitterade och den mottagna mikrovàgspulsen, expansionen eller pulssekvensen.

Enligt en utföringsform av metoden kan transmissionstiden hos en kontinuerlig eller intermittent mikrovågssignal av pulstyp eller pulssekvenstyp, vilken har passerat genom det material som skall mätas, bestämmas genom användning av korrelations- teknik, d v s genom utsändning av bredbandsbrus eller genom modulering av mikrovàgssignalen med slumpartat brus eller digitala slumpsignaler och bestämning av transmissionstiden medelst korskorrelationsfunktionen hos de transmitterade och de mottagna signalerna.

Enligt en utföringsform av metoden bestämmes den ändring som uppträder i mikrovágssignalens hastighet när den passerar genom det material som skall mätas, medelst frekvensmodulation, varigenmm en mikrovågssignal alstras, varvid frekvensen hos mikrovàgssignalen varieras i enlighet med en matematisk funktion från den nedre gränsen fltill den övre gränsen fzhos dess frekvensområde och/eller vice versa inom en viss tids- period T varvid mikrovàgssignalen uppdelas i en första och en andra komponent, varvid den första komponenten transmitteras genonnmaterialet vid mätpunkten, den första komponenten som har passerat genom materialet blandas med den andra komponenten, en mellanfrekvenssignal ¿\f motsvarande fördröjningen, bildas av den sålunda erhållna blandade signalen, och fuktinnehàllet i materialet bestämmes under mätning av signalen ¿;f på basis av ett känt samband mellan fuktinnehállet och mellanfre- kvenssignalen A f. 505 241 Mellanfrekvensenlß f kan således beräknas på följande sätt: Af = B~d~((e,'+|e,|)/2) ä /u-c) (3) där B = fz-fl = svepbredden (bredden hos det band inom vilket frekvensen varierar) fl = svepbandets lägre gräns = den lägre frekvensen fz = svepbandets övre gräns = den högre frekvensen d = förflyttningsavstàndet för mikrovàgen i materialet er' = realdelen hos den relativa dielektricitetskonstanten i materialet sr = den relativa dielektricitets- konstanten i materialet T = sveptiden c = ljusets hastighet Tabell 1 visar typiska mellanfrekvensvärden A f för vissa material som erhålles fràn formeln (3). De _parametrar som används är B = 2 GHz, T = 10 ms, d = 30 cm och c = I108nVs.

Material ef' ef' ' A f (Hz) Vatten 80 5 1788 Fuktigt trä 23 2.5 959 Torrt trä 3 0.1 346 Luft 1 0 200 Tabell 1. Kalkylerade_A f värden för olika material.

Man kan utläsa av tabellen att dielektricitetskonstanten för vatten är hög i jämförelse med dielektricitetskonstanterna hos 505 241 5 de övriga materialen. Därför är mellanfrekvensen högre i fallet med fuktigt trä än i fallet med torrt trä.

Fuktinnehållet i ett givet material bestämmes av frekvensen hos mellanfrekvenssignalen A f antingen via beräkning eller med grafiska medel, förutsatt att sambandet mellan fuktinnehâllet hos materialet och frekvensen hos mellanfrekvenssignalen är känt. Detta samband kan bestämmas genom att man utför flera mätningar med användning av metoden och anordningen enligt uppfinningen på ett material, vars fuktinnehåll är känt eller skall mätas. Baserat på mätresultatet bildas en funktion som beskriver sambandet mellan de båda storheterna. Denna funktion användes sedan i mätningar som utförs med användning av metoden och anordningen enligt uppfinningen för att bestämma eller beräkna fuktinnehâllet i materialen. Sambandsfunktionen kan innefattas i. ett datorprogram som beräknar fuktinnehållets slutliga värde.

Enligt en utföringsform av metoden varieras frekvensen hos mikrovågssignalen kontinuerligt och cykliskt från den lägre frekvensen fl till den övre frekvensen fz och sedan från den övre frekvensen fz till den undre frekvensen fr Enligt en utföringsform av metoden består det material som skall mätas av en materialström, såsom träflis, en pappersbana eller en vattensuspension, t ex kemisk eller mekanisk trämassa, som bringas att passera genom ett mätgap.

Enligt en utföringsform av metoden inplementeras bestämningen av fuktinnehâllet som en kontinuerlig mätprocess.

Anordningen enligt uppfinningen består av en sändaranordning som utsänder en mikrovågssignal genom det material som skall mätas, och en detekteringsanordning samt en räkneanordning som mäter ändringen i hastighet hos den signal som transmitteras genom materialet och bestämmer fuktinnehâllet i materialet på basis av ett känt samband hos ändringen i hastighet hos 6 505 241 mikrovågssignalen ifråga och ändringen i fuktinneháll hos materialet.

Enligt en utföringsform av anonmüngen enligt uppfinningen består sändaranordningen av en oscillator, som är inrättad att alstra en signal med en frekvens i mikrovägsomrádet och att variera signalfrekvensen från en undre frekvens fltill en övre frekvens fz och/eller vice versa inom en given tidsperiod T enligt en matematisk funktion, en isolator, inrättad att genomsläppa signalen i oscillatorkretsen i endast en riktning, en riktkopplare, inrättad att uppdela signalen i. en första komponent och en andra komponent och en sändare (t ex en sändarantenn) inrättad att sända den första signalkomponenten, som erhålles från riktkopplaren, genom det material som skall mätas: detekteringsanordningen bestàr av en mottagare (t ex en mottagarantenn) inrättad att mottaga den första signalkompo- nenten efter att den har passerat genom det material som skall mätas, en blandare, försedd med en första ingàngsport, en andra ingàngsport och en utgángsport och inrättad att mottaga den första komponenten från mottagaren via dess första ingàngsport och den andra komponenten direkt från riktkopplaren via dess andra ingàngsport och att blanda signalerna som tillföres till ingängsportarna, för att från den signal som sålunda bildas åstadkomma en mellanfrekvenssignal, motsvarande fördröjningen och utmata den genom utgàngsporten: och räkneanordningen inrättad att styra oscillatorn och att mäta frekvensen hos mellanfrekvenssignalen, erhållen fràn blandarens utgángsport och att bestämma värdet för fuktinnehållet i materialet under mätning från mellanfrekvenssignalen på basis av ett känt samband mellan signalen och fuktinnehållet.

Enligt en utföringsform av anordningen anordnas sändaren och mottagaren på olika sidor relativt materialet under mätningen.

Enligt en utföringsform av anordningen är sändaren och mot- tagaren på samma sida relativt det material som skall mätas och en reflektorplatta är anordnad på den motsatta sidan för att reflektera den mikrovágssignal som utgår från sändaren för 505 241 7 att återkasta den till mottagaren efter att ha passerat genom materialet.

Enligt en utföringsform av anordningen är räkneanordningen inrättad att styra oscillatorn så, att frekvensen hos mikro- vägssignalen kontinuerligt varieras från den nedre frekvensen fl till den övre frekvensen fz och sedan från den övre fre- kvensen fz till den nedre frekvensen fr Enligt en utföringsform av anordningen är anordningen försedd med en första elektrisk ledning, en andra elektrisk ledning, och en tredje elektrisk ledning, av vilka den första elektriska ledningen leder mikrovágssignalen från riktkopplaren till den andra ingángsporten.i blandaren, den andra elektriska ledningen leder signalen från riktkopplaren till sändare, och den tredje elektriska ledningen leder signalen från mottagaren till den första ingångsporten i blandaren, varvid längderna hos den första, andra och tredje elektriska kabeln väljes sä, att frekvensen hos mellanfrekvenssignalen befinner sig inom ett omrâde som är tekniskt enkelt att mäta. Frekvensen hos mellan- frekvenssignalen kan även justeras 'till önskad nivå genom ändring av svepbredden (B) sveptiden (T) eller det avstånd (d) som tillryggalägges av mikrovågen i materialet under mätning.

Enligt känd teknik har den s k mikrovàgsfrekvensmodulerings- tekniken (FM-CW) använts för kortdistansradartillämpningar, t ex för mätning av nivàn hos en yta eller tjockleken hos is.

Sådana tillämpningar beskrives t ex i följande publikationer: "An FM-Radar for Accurate Level Measurements", 9th European Microwave Conference, Brighton 1979, sid 712-715, och Jakkula P., Ylinen P., Tiuri M.: "Measurement of Ice And Frost Thick- ness with an FM-CW Radar", 10th European Microwave Conference, Warsawa 1980.

I dessa tidigare kända radartillämpningar varierar avståndet mellan mätobjektet och radarsändaren/mottagaren, varvid mate- rialet, vanligen luft, mellan sändaren/mottagaren och det 8 505 241 reflekterande föremålet förblir oförändrat vad beträffar mikrovågen.

Enligt föreliggande uppfinning kan mikrovågsfrekvensmodula- tionstekniken (FM-CW-tekniken) användas inom ett fullständigt nytt tillämpningsområde, d v s mätning av fuktinnehâllet i ett material, där det aldrig tidigare har tillämpats.

Uppfinningen har den fördelen att fuktmätningen kan genomföras mycket snabbt och kontinuerligt, t ex i fallet med en rörlig materialström. Sålunda kan:mätresultaten användas för realtids- reglering av kontinuerliga processer.

En ytterligare fördel hos uppfinningen är att den utsignal som mätes kan lätt behandlas eller består av en expansionssignal, vars frekvenser kan enkelt mätas och ställer ej nödvändigtvis särskilt höga krav på den elektronik som användes i anord- ningen.

Uppfinningen gör det möjligt att utnyttja alla fördelar hos FM- CW-tekniken i samband med mätningen av fuktinnehállet i materialen.

I det följande skall uppfinningen beskrivas i detalj genom hänvisning till bifogade ritning, på vilken Fig. 1 illustrerarkretsprhuüpenföranordningenenligt uppfinningen, Fig. 2 illustrerar kretsprincipen hos en annan ut- föringsform av anordningen enligt uppfinningen, Fig. 3 visar oscillatorfrekvensen och blandarens utgângssignal i anordningen enligt Fig. 2 som funktioner av tiden, Fig. 4 visar en detalj av en tredje utföringsform av anordningen enligt uppfinningen, och Fig. 5 visar mätresultat som erhålles med en fjärde utföringsform av metoden och apparaten enligt uppfinningen. 585 241 Den mätanordning som visas i Fig. 1 utsänder en mikrovâgssignal genom materialet under mätning, varvid den mäter ändringen i hastighet hos den signal som har passerat genom materialet och bestämmer fuktinnehàllet i materialet pà basis av ett känt samband mellan hastighetsändringen hos mikrovàgssignalen ifråga och ändringen i fuktinnehåll hos materialet. Anordningen består av en sändaranordning 1, en detekteringsanordning 2 och en räkneanordning 3. Mätningen av hastighetsändringen kan baseras pâ frekvensmodulation eller på transmissionstiden eller bruskorrelationen i en mikrovâgspuls, expansion eller puls- sekvensen.

I den andra utföringsformen av anordningen enligt uppfinningen, visad i Fíg. 2, sändes en mikrovâgssignal pà liknande sätt genom:materialet, varvid.under'användning av frekvensmodulation anordningen mäter ändringen i hastighet hos den signal som har passerat genom materialet och bestämmer fuktinnehället i materialet på basis av ett känt samband mellan ändringen i hastighet hos mikrovágssignalen och ändringen i fuktinnehållet i materialet.

Anordningen består av en sändaranordning 1, en detekterings- anordning 2 och en räkneanordning 3.

Sändaranordningen 1 består av en oscillator 4, en isolator 5, en riktkopplare 6 och en sändare 7. Detekteringsanordningen 2 består av en mottagare 8 och en sändare 9.

Oscillatorn 4 alstrar en signal med mikrovàgsfrekvens. Styrd av räknaren 3 ändrar oscillatorn signalfrekvensen i ett linjärt förhållande över ett visst frekvensomràde inom en viss tids- period. Därpå ändras signalfrekvensen åter linjärt från den övre gränsen av området till dess nedre gräns. Dessa cykliska variationer fortsättes utan avbrott.

Isolatorn 5 tillförsäkrar att mikrovàgssignalen endast tillàtes förflytta sig i en riktning i oscillatorkretsen. 10 505 241 Riktkopplaren 6 delar mikrovágssignalen i en första komponent I och en andra komponent II. Den första komponenten I av mikrovågssignalen bringas att passera via den andra elektriska ledningen 12 till sändaren 7.

Sändaren 7 sänder signalen genom materialet under mätning.

Mottagaren 8 mottager mikrovågssignalen I som har passerat genom materialet under mätning. Sändaren och mottagaren är placerade på motsatta sidor av materialet. Pâ sin väg genom materialet retarderas signalen I och fördröjs i jämförelse med den andra mikrovàgssignalkomponenten II som användes såsom en referensstorhet i blandaren 9.

Blandaren består av en första ingàngsport RF, en andra ingángs- port LO och en utgångsport IF. Den andra ingángsporten LO i blandaren matas medelst den andra signalkomponenten II, som tillföres direkt från riktkopplaren 'via ledningen 11. Den första ingángsporten RF av blandaren 9 matas medelst den första signalkomponenten 1, som tillföres av mottagaren via ledningen 13.

I blandaren blandas signalerna I och II som tillföres dess ingângsportar RF och LO. Av den sålunda erhållna signalen alstrar blandaren en mellanfrekvenssignal A f, som erhålles från utgångsporten IF.

Genom att på lämpligt sätt välja längderna hos de elektriska ledningarna ll, 12 och 13 justeras mellanfrekvenssignalen_A f mot varandra i fördröjningen till en nivå som medger tekniskt enkel mätning.

Räkneanordningen 3 mäter frekvensen hos mellanfrekvenssignalen A,f erhållen från utgångsporten IF i blandaren. Värdet för fuktinnehållet i materialet under mätning kan bestämmas frän denna frekvens på basis av ett känt samband mellan mellan- frekvenssignalen_A f och fuktinnehållet. För ett givet mate- 505 241 11 rial, när detta samband är känt, erhålles värdet för fuktinne- hàllet antingen genom beräkning eller med grafiska medel.

Sambandet kan bestämmas genom att man utför flera mätningar med användande av metoden och anordningen enligt uppfinningen på ett material med kända värden för fuktinnehàllet. Baserat på mätresultaten bildas en funktion som beskriver sambandet mellan storheterna. Denna funktion användes sedan vid beräkningen av värdet för fuktinnehàllet i materialen i mätningar som utföres medelst metoden och anordningen enligt uppfinningen.

Fig. 3a visar en kurva som representerar frekvensen hos mikrovàgssignalerna vid den första ingàngsporten RF och vid den andra ingàngsporten LO i blandaren 9. Signalfrekvensen varierar från en undre frekvens fl till en högre frekvens fz under en tidsperiod T, varvid stigningen hos ändringen är konstant.

Signalen I, som appliceras till den första ingàngsporten RF i blandaren, fördröjes med en tidslängd 6 såsom jämföres med signalen II som appliceras till den andra ingàngsporten LO. Den kontinuerliga linjen representerar signalen II vid ingångs- porten LO medan den brutna linjen representerar signalen I vid den första ingàngsporten RF. Tidsdifferensen 6 uppkommer av det faktum att mikrovågssignalen fördröj es på sin väg från sändaren 7 till mottagaren 8. Från signalerna I och II alstrar sändaren en mellanfrekvenssignal A f som är proportionell mot fuktinne- hàllet i materialet under mätning.

Kurvan i Fig. 3b representerar amplituden hos mellanfre- kvenssignalen A f som en funktion av tiden.

Fig. 4 visar en utföringsform, i vilken sändaren 7 och mot- tagaren 8 placeras på samma sida om materialet under mätning med en reflektorplatta 10 anordnad pá motsatta sidan. Plattan reflekterar den mikrovàgssignal som utsändes av sändaren 7 till mottagaren 8.

Fig. 5 presenterar resultaten av mätningar pá träflis. Dessa mätningar utfördes medelst metoden enligt uppfinningen för att bestämma sambandet mellan fuktinnehàllet och frekvensen hos 12 505 241 mellanfrekvenssignalen. Mätparametrarna var B = 0.9 GHz, T = 11,1 ms och d = 5 cm. Mätningarna utfördes på träflis med sex olika kända värden på fuktinneháll, så att de motsvarande sex frekvenserna hos mellanfrekvenssignalen Alf erhölls. Pâ grund av att man önskade uttrycka fuktinnehâllet i träflis i termer av viktsprocent vid varje mätpunkt dividerades frekvens- värdena med tätheten hos provet under mätning, varigenom effekterna hos olika densiteter på resultaten eliminerades.

I figuren presenteras mätresulten och sambandsfunktionen som erhålles från dem, i form av en kurva. Vertikalaxeln represen- terar frekvensen hos mellanfrekvenssignalen _A f delad med tätheten hos det material som är under mätning. Den horison- tella axeln representerar fuktinnehâllet i träflis i termer av viktsprocent. Datan för trä i tabell 1 innefattar den storleks- klass som avser fast trä och är därför ej jämförbara med resultaten i Fig. 5 som är mätt pá träflis.

Föreliggande uppfinning är ej begränsad till ovan beskrivna utföringsexempel, utan istället kan åtskilliga variationer vara möjliga inom ramen för efterföljande patentkrav.

Claims (9)

505 241 B Patentkrav

1. Metod för bestämning av fuktinnehållet i ett material, i vilken metod en mikrovågssignal bringas passera genom det material som skall mätas, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ändringen i hastighet hos den signal som har förflyttats gencm1materialet.mätes medelst frekvensmodulation, varigenom en mikrovågssignal alstras, vars frekvens varieras i enlighet med en matematisk funktion från en undre gräns f, till en övre gräns fz av dess frekvensområde och/eller vice versa inom en förutbestämd tidsperiod T, varvid mikrovågssignalen uppdelas i en första komponent och en andra komponent, varvid den första komponenten utsändes genom materialet vid mätpunkten och, efter att den har passerat genom materialet, blandas med den andra komponenten, varvid en mellanfrekvenssignal Af motsvarande fördröjningen bildas av den sålunda erhållna blandade signalen, och fuktinnehållet i materialet under mätning bestämmes av signalen Af på basis av ett känt samband mellan fuktinnehållet och mellanfrekvenssignalen Af.

2. Metod enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att frekvensen hos mikrovågssignalen varieras kontinuerligt och cykliskt från den nedre frekvensen fl till den övre frekvensen fz och sedan från den övre frekvensen f, till den nedre frekvensen fr

3. Metod enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d d ä r a v, att det material som skall mätas bringas att passera genom ett mätgap och består av en materialström, såsom träflis eller en vattensuspension, t ex kemisk eller mekanisk trämassa.

4. Metod enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att bestämningen av fuktinnehållet implementeras såsom en kontinuerlig mätprocess. 505 241 s H

5. Anordning för bestämning av fuktinnehållet i material, k ä n n e t e c k n a d d ä r a V, att den består av en sändaranordning (1) som sänder en mikrovågssignal genom det material som skall mätas, vilken sändaranordning (1) består av en oscillator (4) inrättad att alstra en signal med en frekvens i mikrovågsområdet och att variera signalfrekvensen från en undre frekvens f,till en övre frekvens fzoch/eller vice versa inom en given tidsperiod T enligt en matematisk funktion, en isolator (5) inrättad att inmata signalen i oscillatorkretsen (4) i endast en riktning, en riktkopplare (6) inrättad att uppdela signalen i en första komponent (I) och en andra komponent (II), och en sändare (7) inrättad att sända den första signalkomponenten som erhålles från riktkopplaren genom det material som skall mätas; en detekteringsanordning (2), vilken består av en mottagare (8) inrättad att mottaga den första signalkomponenten (I) efter att den har förflyttats genom det material som skall mätas, en blandare (9) inrättad med en första ingångsport (RF), en andra ingångsport (LO) och en utgångsport (IF) och inrättad att mottaga den första komponenten (I) från mottagaren (8) via den första ingångsporten (RF) och den andra komponenten (II) direkt från riktkopplaren (6) via. dess andra ingångsport (LO) och. att blanda signalerna som är tillförda till ingângsportarna (LO) och (RF) för att av den sålunda bildade signalen alstra en mellanfrekvenssignal Af motsvarande fördröjningen och att utmata den genom utgångsporten (IF); samt en räkneanordning (3), vilken är inrättad att styra oscillatorn (4) och att mäta frekvensen hos mellanfrekvenssignalen Af, som erhålles från blandarens (9) utgångsport (IF) och att bestämma värdet hos fuktinnehållet i materialet under mätning av mellanfrekvens- signalen på basis av ett känt samband hos signalen Af och fuktinnehållet.

6. Anordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v, att sändaren (7) och mottagaren (8) är belägna på olika sidor om materialet om mätning. ,, sos 241

7. Anordning enligt patentkravet 5 eller 6, k ä n n e - t e c k n a då d ä r a V, att sändaren (7) och mottagaren (8) är belägna på samma sida i förhållande till det material som skall mätas och att en reflektorplatta (10) är inrättad på motsatta sidan för att reflektera den utsända mikrovågssignalen till mottagaren.

8. Anordning enligt något av patentkraven 5-7, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att räkneanordningen (3) är inrättad att styra oscillatorn (4) så, att frekvensen hos mikrovågs- signalen varieras kontinuerligt och cykliskt från den undre frekvensen fl till den övre frekvensen fz och sedan från den övre frekvensen fz till den undre frekvensen fr

9. Anordning enligt något av patentkraven 5-8, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att anordningen är försedd med en första elektrisk ledning (11), en andra elektrisk ledning (12) och en tredje elektrisk ledning (13) av vilka den första elektriska ledningen (11) leder mikrovågssignalen från rikt- kopplaren (6) till den andra ingångsporten (LO) i blandaren (9), den andra elektriska ledningen (12) leder signalen från riktkopplaren till sändaren (7) och den tredje elektriska ledningen (13) leder signalen från mottagaren (8) till den första ingångsporten (RF) i blandaren, varvid längderna hos den första, andra och den tredje ledningen är sådana, att frekven- sen hos mellanfrekvenssignalen Af ligger inom ett område, som att den är tekniskt enkelt att mäta.