DD288229A5 - Schaltungsanordnung zur feuchtemessung mit mikrowellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Feuchtemessung mit Mikrowellen. Die Erfindung beinhaltet eine Schaltungsanordnung zur schichtdicken- und dichteunabhaengigen Feuchtemessung von vorzugsweise Schuettguetern mit Mikrowellen im Durchstrahlungsverfahren. Die im Mikrowellengenerator (1) erzeugten Mikrowellen werden durch ein Entkopplungsglied (2) auf einen Meszzweig und einen Vergleichszweig aufgeteilt. Im Meszzweig liegt zwischen zwei Hornstrahlern (3; 6) ein Meszobjekt * Die empfangene Mikrowellenleistung wird ueber ein T-Glied (7) einem zweiten Detektor (8) zugefuehrt. Im Vergleichszweig sind ein veraenderbares Daempfungsglied * ein Richtkoppler (10) und zwischen zwei Richtungsleitungen (11; 13) eine Viersondenmeszleitung (12) angeordnet und mit dem T-Glied (7) verbunden. Der Steuereingang des veraenderbaren Daempfungsgliedes (12) ist ueber einen ersten Differenzverstaerker (14) und einen ersten Detektor (15) mit dem Richtkoppler (10) und der andere Eingang des ersten Differenzverstaerkers (14) mit dem zweiten Detektor (8) verbunden. Die Sonden der Viersondenmeszleitung sind ueber vier Sondendioden (17; 18; 19; 20) und zwei Differenzverstaerker (16; 21) am Rechner (22) angeschlossen. Der zweite Detektor (8) ist ueber einen logarithmischen Verstaerker (24) ebenfalls am Rechner (22) angeschlossen. Im Rechner (22) wird der Quotient aus Daempfung und Phasenverschiebung gebildet, mit material- und temperaturabhaengigen Werten korrigiert und als Feuchtewert ausgegeben.{Feuchtemessung, dichteunabhaengig, schichtdickenunabhaengig; Mikrowellen; Durchstrahlungsverfahren; Quotient aus Daempfung und Phasenverschiebung; veraenderbares Daempfungsglied; Viersondenmeszleitung; Rechner}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen schichtdicken· und dichteunabhängigen Feuchtemessung von vorzugsweise Schüttgütern, beispielsweise zur Betonherstellung, Sand, Nahrungsgütern oder Futterstoffen mittels Mikrowellen nach dem Durchstrahlungsverfahren. Zur Vereinfachung der Messung und zur Erhöhung der Meßgeschwindigkeit enthält die Schaltungsanordnung einen Rechner.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Feuchtemessung mittels Mikrowellen, deren Ergebnis weitgehend unabhängig von der Dichte, der Schichtdicke und der Oberflächengestalt des zu untersuchenden Gutes ist, ist es bekannt, im Durchstrahlungsverfahre-i Dämpfung und Phasenverschiebung zu messen. Der Quotient aus Dämpfung und Phasenverschiebung bildet dann ein Miß für die Feuchtigkeit des durchstrahlten Gutes (Kraszewski, A. and Kulinski, S.: An improved microwave method of moisture content measurement and control; IEEE Transactions on industrial electronics and control instrumentation; Vol. IECI-23, No.4, Nov. 76, S.364-369). In der beschriebenen Schaltungsanordnung zur Feuchtemessung wird die Energie eines Mikrowellengenerators über einen Modulator und das Meßobjekt einer Dämpfungsmeßeinrichtung zugeführt, die andererseits einen Teil der Energie des Generators über einen Phasenschieber erhält. Die Einstellung des Phasenschiebers erfolgt über eine Phasenmeßainrichtung, die das Signal hinter dem Phasenschieber mit dem Signal hinter dem Meßobjekt vergleicht. Die Ausgangswerte der Dämpfungsmeßeinrichtung, der Phasenmeßeinrichtung und ein von der Temperatur des Meßobjektes abhängiger Wert werden einem Rechner zugeführt, der aus diesen Warten den Meßwert für die Feuchtemessung bildet.

Nachteilig sind die hohen Aufwendungen zum Bestimmen der materialspezifischen Koeffizienten, mit denen jeder Dämpfungsund Phasenwert im Rechner verknüpft werden muß. Weiterhin ist von Nachteil, daß ein mechanischer Phasenabgleich erfolgen muß, der sehr aufwendig !at und 'iur relativ langsam erfolgen kann.

Es ist auch eine Schaltungsanordnung zur Feuchtemessung mittels Mikrowellen bekannt, die nach dem Heterodynprinzip arbeitet (Jacobsen; Meyer; Schräge: ,Density independent moisture meter at X-Band"; Tagungsband EuMC Warschau, 1980). Eine dichteunabhängige Bestimmung des Feuchtewertes nach dem Durchstrahlungsverfahren erfolgt durch Quotientenbildung aus der Dämpfung und der Phasenverschiebung analogen Zwischenfrequenzsignalen über einen Rechner. Nachteilig sind der relativ hohe Aufwand, da zwei stabil arbeitende Generatoren erforderlich sind. Weiterhin ist von Nachteil, daß die Dichtekompensation nur für fadenförmige undfeingranulare Stoffe erreicht werden konnte.

Nach der DE-OS 2942971 ist es bekannt, eine dichteunabhängige Feuchtemessung durchzuführen, indem das Meßobjekt in einem Hohlraumresonator angeordnet ist, so daß in Abhängigkeit der Feuchte des Meßobjektes eine Frequenzverstimmung des Resonators infolge der relativ hohen Dielektrizitätskonstante des Wassers erfolgt.

Nachteilig ist, daß zur Messung der Frequenzverstimmung ein relativ konstanter zweiter Oszillator erforderlich ist und daß wegen des notwendigen Einbringens des Meßobjektes in den Hohlraum nur eine Messung an relativ kleinen Proben vorgenommen werden kann. Weiterhin ist von Nachteil, daß eine kontinuierliche Messung nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Aufwand zur schichtdicken- und dichteunabhängigen Feuchtemessung mittels Mikrowellen zu verringern und die Meßgenauigkeit zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen schichtdicken- und dichteunabhängigen Feuchtemessung mittels Mikrowellen anzugeben, die eine vollautomatische Ermittlung des Meßwertes gestattet, ohne daß ein mechanischer Abgleich erforderlich ist.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur schichtdicken· und dichteunabhängigen Feuchtemessung mittels Mikrowellen nach dem Durchstrahlungsverfahren mit einem Mikrowellengenerator, einem Entkopplungsglied, einem T-Glied, *wei Hornstrahlern, einem veränderbaren Dämpfungsglied, einem Richtkoppler, zwei Richtungsleitungen, einer Viersondenmeßleitung, Detektoren, Differenzverstärkern, einem logarithmischen Verstärker und einem Rechner mit Meilwertausgabe anzugeben, dadurch gelöst, daß das Meßobjekt über die beiden Hornstrahler in einem Meßzweig zwischen dem Entkopplungsgited und dem T-Glied angeordnet ist, daß in einem Vergleichszweig zwischen dem L^:ntkopplungsglied und dem T-Glied das Dämpfungsglied, der Richtkoppler, die erste Richtungsleitung, die Viersondenmeßleitung und die zweite Richtungsleitung in dieser Reihenfolge angeordnet sind, daß das T-Glied über den zweiten Detektor und den logarithmischen Verstärker mit dem Regner und weiterhin der zweite Detektor mit einem Eingang des ersten Differenzverstärkers verbunden ist, dessen anderer Eingang über den ersten Detektor an dem Richtkoppler und dessen Ausgang am Stelleingang des veränderbaren Dämpfungsgliedes angeschlossen sind, und daß die Ausgänge der Viersondenmeßleitung über vier Sondendioden und über den zweiten und dritten Differenzverstärker mit dem Rechner verbunden sind.

Es ist zweckmäßig, daß die Wirkungsrichtungen der beiden Richtungsleitungen auf die Viersondenmeßleitung gerichtet sind. Es ist zweckmäßig, daß die Sondendioden der Viersondenmeßleitung Schottky-Dioden sind.

Es ist zweckmäßig, daß die erste Sondendiode und die dritte Sondendiode mit dem zweiten Differenzverstärker sowie die zweite Sondendiode und die vierte Sondendiode mit dem dritten Differenzverstärker verbunden sind. Es ist zweckmäßig, daß das veränderbare Dämpfungsglied ein pirvDiodenglied ist.

Es ist ferner zweckmäßig, daß im Rechner A-D-Wandler an den vier Eingängen oder daß vor den vier Eingängen des Rechners A-D-Wcndler angeordnet sind, die mit den Ausgängen der zweiten und dritten Differenzverstärker, des logarithmischen Verstärkers und eines Temperaturfühlers mit Verstärkern verbunden sind.

Es ist schließlich zweckmäßig, daß nach dem Mikrowellengenerator ein Modulator und nach dem zweiten Detektor ein Selektiwerstärker für eine Niederfrequenzspannung angeordnet sind.

Die im Mikrowellengenerator, beispielsweise einem Gunnoszillator, erzeugten Mikrowellen werden durch das Entkopplungsglied, das ein magisches T-Glied sein kann, nahezu rückwirkungsfrei auf den Meßzweig und den Vergleichszweig aufgeteilt. Das im Meßzweig befindliche Meßobjekt wird von den Mikrowellen durchstrahlt und ändert Betrag (Dämpfung A) und Phase Φ der durchgelassenen Mikrowellen, die über das T-Glied, das auch durch einen Richtkoppler ersetzt werden kann, einerseits ühar die zweite Richtungsleitung der Viersondenmeßleitung und andererseits dem zweiten Detektor zugeführt werden. Durch die Anordnung der Viersondenmeßleitung zwischen zwei Richtungsleitungon, deren Wirkungsrichtungen auf die Viersondenmeßleitung gerichtet sind, erfolgt in der Viersondenmeßleitung der Vergleich der Wellen von Vergleichs- und Meßzweig. In der Viersondenmeßleitung tauchen im Abstand von einem Achtel der Wellenlänge der Mikrowellen vier Sonden in den Hohlleiter, die mit den Sondendioden verbunden sind. Die an den Sondendioden entstehenden Richtspannungen entsprechen somit der Verteilung des elektrischen Feldes im Hohlleiter. Nach Bildung der Differenzen aus den Richtspannungen U1 - U3undU2 - U4in dem zweiten und dem dritten Differenzverstärker ist dieErrechnung des Phasenwinkels Φ im Rechner nach der Beziehung

tan Φ = (U 1 -U3)/(U2-U4) möglich.

Im Vergleichszweig sind zwischen dem Entkopplungsglied und der Viersondenmeßleitung außerdem das veränderbare Dämpfungsglied und der Richtkoppler mit dem ersten Detektor angeordnet. Das Dämpfungsmaß des veränderbaren Dämpfungsgliedes, das insbesondere ein pin-Diodenglied ist, wird durch den ersten Differenzverstärker dann erhöht, sofern sich die Detektorspannung vergrößert und die Eingangssignale dieses Differenzverstärkers nicht mehr übereinstimmen. Somit wird die Dämpfung A durch das Meßobjekt im Meßzweig weitgehend durch das veränderbare Dämpfungsglied im Vergleichszweig nachgebildet. Diese Nachbildung im Vergleichszweig ist insbesondere bei hohen Dämpfungswerton im Meßzweig erforderlich, also bei hohen Feuchtewerten des Meßobjektes, um eine fehlerarme Phasenmessung mit der Viersondenmeßleitung zu ermöglichen. Außerdem gestattet die Messung der Dämpfung A, die durch die Summenbildung der beiden Signale aus Meß- und Vergleichszweig im zweiten Detektor und nach logarithmischer Verstärkung dieses Signals im Rechner erfolgt, in Verbindung mit im Rechner g9speiclierten Funktionen Φ = f(A) oder A = f(<t>) mit der Feuchte als Parameter für die zu untersuchenden Materialien die grobe Zuordnung des Quadranten des Phasenwinkels Φ und die Bestimmung des Faktors η des Phasenwinkels Φ = η · 2π + φ.

Im Rechner wird aus dem Phasenwinkel Φ und der Dämpfung A der Quotient Α/Φ gebildet und nach der Bewertung mit im Rechner gespeicherten Kalibrierkurve;) für die zu untersuchenden Materialien der schichtdicken· und dichteunabhängige Feuchtewert ausgegeben. Durch unterschiedliche Temperaturen des Meßobjektes hervorgerufene Fehler des Feuchtewertes werden im Rechner in Abhängigkeit eines Temperaturwertes durch den Temperaturfühler korrigiert. Werden die Mikrowellen nach dem Mikrowellengenerator moduliert und die Niederfrequenzspannung nach dem zweiten Detektor selektiv verstärkt, werden die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung erhöht und der Meßfehler für die Feuchtewerte verringert.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß die schichtdicken- und dichteunabhängige Feuchtemessung ohne mechanischen Abgleich durchgeführt wird und daß die Meßgenauigkeit verbessert ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäßo Schaltungsanordnung zur Feuchtemessung mit Mikrowellen. Die in einem Mikrowellengenerator 1, beispielsweise einem Gunngenerator, erzeugten Mikrowellen werden durch ein Entkopplungsglied 2, beispielsweise ein magisches T-Glied, nahezu rückwirkungsfrei auf einen Meßzweig und einen Vergleichszweig aufgeteilt. Di6 Mikrowellenenergie wird von einem ersten Hornstrahler 3 in Richtung auf ein Meßobjekt 4 abgestrahlt und nach Durchstrahlen des Meßobjektes 4 von einem zweiten Hornstrahler β empfangen. Beim Durchstrahlen des Meßobjektes 4 erfolgt eine Dämpfung A der Mikrowellenenergie sowie eine Phasendrehung Φ.

Im Vergleichszweig sind hinter dem Entkopplungsglied 2 in dieser Reihenfolge ein veränderbares Dämpfungsglied 9, ein Richtkoppler 10, eine erste Richtungsleitung 11, eine Viersondenmeßleitung 12 und eine zweite Richtungsleitung 13 angeordnet. Die Wirkungsrichtungen der beiden Richtungsleitungen 11; 13 sind auf die Viersondenmeßleitung 12 gerichtet, so daß in der Viersondenmeßleitung der Vergleich der Wellen von Vergleichs- und Meßzweig erfolgt.

Das Dämpfungsmaß des veränderbaren Dämpfunpigliedes 9 wird durch einen ersten Differenzverstärker 14 eingestellt, dessen Eingänge an einem ersten Detektor 15, der mit dem Richtkoppler 10 verbunden ist, und einem zweiten Detektor 8, der über ein T-Glied 7 mit dem zweiten Hornstrahler 6 und der zweiten Richtungsleitung 13 verbunden ist, angeschlossen sind. In die Viersondenmeßleitung 12 tauchen im Abstand von einem Achtel der Wellenlänge der Mikrowellen vier Sonden in den Hohlleiter, die mit vier Sondendioden 17; 18; 19; 20 verbunden sind. Die erste 17 und dritte 18 der Sondendioden sind an den Eingängen eines zweiten Differenzverstärkers 16 und die zweite 19 und vierte 20 der Sondendioden sind an den Eingängen eines dritten Differenzverstärkers 21 angeschlossen. Die Ausgänge des zweiten und des dritten Differenzversterkers 16; 21 sind mit Eingängen eines Rechners 22 verbunden, der weiterhin über einen logarithmischen Verstärker 24 mit dem zweiten Detektor 8 und über einen Verstärker 5' mit einem am Meßobjekt 4 angeordneten Temperaturfühler 5 verbunden ist. Weiterhin ist der Rechner 22 mit einer Meßwertausgabe 23 verbunden.

Da der Rechner 22 keine analogen Signale verarbeiten kann, sind entweder im Rechner 22 an den vier Eingängen oder vor den vier Eingängen des Rechners 22 A-D-Wandler angeordnet (in dor Zeichnung nicht dargestellt), um die analogen Eingangssignale in entsprechende digitale Signale umzuwandeln. Es kann auch ein A-D-Wandler ausreichen, der nacheinander mit den vier analogen Eingangssignalen eingangsseitig und ebenso ausgangsseitig mit den vier Eingängen des Rechners 22 verbunden wird. Im Rechner 22 wird aus den Richtspannungen der vier Sondendioden 17; 18; 19; 20 und Bilden der Differenzen aus den Richtspannungen U1 - U3undU2 - U4 in dem zweiten und dem dritten Differenzverstärker 16; 17 der Phasenwinkel Φ nach der Beziehung

ΐ8ηΦ=(υΐ -U3)/(U2-U4)

errechnet. Weiterhin erfolgen im Rechner 22 nach Summenbildung der beiden Signale aus dem Meß- und Vergleichszweig im zweiten Detektor 8 und logarithmischer Verstärkung dieses Signals im logarithmischen Verstärker 24 die Bestimmung des Dämpfungswertes A und die Bildung des Quotienten Q aus dem Dämpfungswert A und Phasenwinkel Φ nach der Beziehung Q = Α/Φ. In Verbindung mit im Rechner 22 gespeicherten Funktionen Φ = f(A) oder A = ΚΦ) mit der Feuchte als Parameter für die zu untersuchenden Materialien wird der schichtdicken- und dichteunabhängige Feuchtewert errechnet und von der Meßwertausgabe 23 ausgegeben. Die durch unterschiedliche Temperaturen des Meßobjektes 4 hervorgerufenen Fehler des Feuchtewertes werden im Rechner 22 in Abhängigkeit von der mit dem Temperaturfühler 5 in Verbindung mit dem Verstärker 5' ermittelten Temperaturwerte korrigiert, so daß ein nahezu temperaturunabhängiger Feuchtewert von der Meßwertausgabe 23 ausgegeben wird.

Werden die Mikrowellen nach dem Mikrowellengenerator 1 moduliert und die Niederfrequenzspannung nach dem zweiten Detektor 8 selektiv verstärkt, werden die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung erhöht und dei Meßfehler für die Feuchtewerte verringert.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur schichtdicken- und dichteunabhängigen Feuchtemessung mittels Mikrowellen nach dem Durchstrahlungsverfahren mit einem Mikrowellengenerator, einem Entkopplungsglied, einem T-Glied, zwei Hornstrahlern, einem veränderbaren Dämpfungsglied, einem Richtkoppler, zwei Richtungsleitungen, einer Viersondenmeßleitung, Detektoren, Differenzverstärkern, einem logarithmischen Verstärker und einem Rechner mit Meßwertausgabe, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (4) über die beiden Hornstrahler (3; 6) in einem Meßzweig zwischen dem Entkopplungsglied (2) und dem T-Glied (7) angeordnet ist, daß in einem Vergleichszweig zwischen dem Entkopplungsglied (2) und dem T-Glied (7) das Dämpfungsglied (9), derRiohtkoppler (10), die erste Richtungsleitung (11), die Viersondenmeßleitung (12) und die zweite Richtungsleitung (13) in dieser Reihenfolge angeordnet sind, daß das T-Glied (7) über dem zweiten Detektor (8) und dem logarithmischen Verstärker (24) mit dem Rechner (22) und weiterhin der zweite Detektor (8) mit einem Eingang des ersten Differenzverstärkers (14) verbunden ist, dessen anderer Eingang über den ersten Detektor (15) an dem Richtkoppler (10) und desse.i Ausgang am Stelleingang des veränderbaren Dämpfungsgliedes (9) angeschlossen sind, und daß die Ausgänge der Viersondenmeßleitung (12) über vier Sondendioden (17; 18; 19; 20) und über den zweiten und dritten Differenzverstärker (16; 21) mit dem Rechner (22) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungsrichtung der beiden Richtungsleitungen (11; 13) auf die Viersondenmeßleitung (12) gerichtet sind.

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondendioden (17; 18; 19; 20) der Viersondenmeßleitung (12) Schottky-Dioden sind.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sondendiode (17) und die dritte Sondendiode (18) mit dem zweiten Differenzverstärker (16) sowie die zweite Sondendiode (19) und die vierte Sondendiode (20) mit dem dritten Differenzverstärker (21) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderbare Dämpfungsglied (9) ein pin-Diodenglied ist.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechner (22) A-D-Wandler an den vier Eingängen oder daß vor den vier Eingängen des Rechners (22) A-D-Wandler angeordnet sind, die mit den Ausgängen der zweiten und dritten Differenzverstärker (16; 21), des logarithmischen Verstärkers (24) und eines Temperaturfühlers (5) mit Verstärker (5') verbunden sind.

7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Mikrowellengenerator (1) ein Modulator und nach dem zweiten Detektor (8) ein Selektivverstärker für eine Niederfrequenzspannung angeordnet sind.