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Elektrischer Meßkreis für ein Feuchtlgkeitsrneßgerät Die Erfindung
betrifft einen elektrlschen Meßkreis für ein Feuchtigkeitsmeßgerät mit einem Nachfrequenz-Oszillator,
bei dem der Meßvorgang auf der Abhängigkeit dor dielektrischen Eigenschaftan des
zu untersuchenden Materials von der Feuchtigkelt beruht.
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Bekannte Feuchtlgkeitsmeßgeräte nutzen gleichfalls die Änderungen
in den dlelektrlschen Eigenschaften des zu messenden tlaterials. Die Geräte orfordern
jedoch einen komplizierten und aufwendigen Aufbau, wobel sowohl Ihre Benutzung als
auch die Ablesung der Meßergebnisse für einen Nichtfachmann schwierig Ist und diese
Geräte vor allem für die Anwendung als Labor-Meßgeräte ausgelegt sind.
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Es ist die Aufgabe der vor legenden Erfindung, ein einfaches, betriebssichores
Meßgerät zu schaffen, das als batterlebetrlebenes, taschengroßes Getreide-Feuchtigkeitsmeßgerät
für landwirtschaftliche Zwecke geeignet Ist. Hinzu kommt noch, daß das Meßgerät
leicht und einfach zu bedienen und die Meßergebnisse ohne Schwierigkeiten und eindeutig
ablesbar sein sollen.
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Dlese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem die
Frequenz bestimmenden Schwingkreis des Oszillators ein kapazitives Meßelement vorgesehen
ist, in welchem das zti messende Material nach dem Einbringen In das elektrische
Feld des Meßelements eine Impedanzänderung hervorruft, die ihrerseits eine Anderung
der Oszillatorfrequenz und des Ladezustandes erzeugt, und daß der Meßkreis ein Meßlnstrument
für die Anzeige des Ladezustandes des Oszillators aufweist, das In Einheiten des
Feuchtigkeitsgehaltes des zu messenden Materials gekelcht Ist.
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Zweckmäßigerweise Ist ein Widerstand In Reihe mit dem kapazitiven
Meßelement angeordnet, wobei der Widerstand mit steigender Kapazität des Meßelements
eletrisch stärker pilt dem Schwingkreis des Oszillators gekoppelt ist. Die rückkopplungselemente
des Schwingkreises sind vorteilhafterweise so dimensioniert, daß die Spannung an
den Anschlüssen des Schwingkreises rilt relativ steigendem Anteil der ohmschen Last
erheblich absinkt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Rückkopplungselemente
des Oszillators so ausgelegt, daß ein Anstieg der Kapazität des kapazitiven Meßelements
Uber einen vorgegebenen ort die Bedingung für die Schwingung des Oszillators nicht
mehr erfüllt, so daß die Schwlngung aufhört. Der Widerstand welst vorzugsweise einen
ohmschen ert In dor Größenordnung von 0,5 bis 1,0 Kiloohm auf. Ferner Ist der Rückkopplungskondensator
zwischen dem Emitter und dem Kollektor eines Transistors einstellbar. Die Stromversorgungsschaltung
des Oszillators weist In bevorzugter Weise ein variables Potentiometer für die Eichung
des Meßberelches des Meßinstruments auf.
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Ferner Ist in der Schaltung für die Bestimmung der Schwingungsfrequenz
des Oszillators eine Spule vorgesehen, die parallel zu dem Meßkondensator und dem
Widerstand angeordnet ist, wobei von elnom Abgriff der Spule die gleichgerichtete
Spannung dem Meßgerät zugele-itet wird. Ein Pol des Meßkondensators besteht zweckmäßigerweise
aus einer Ringelektrode, die eine ring- oder stabförmige Elektrode umgibt, die den
zweiten Pol bildet, so daß ein kreisringförmiger Raum zwischen den Elektroden vorhänden
list.
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Cie Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektrischen Meßkreises
und Fig. 2 die Abhängigkeit der Meßinstrument-Ablesung von der Meßgröße für verschiedene
orte des Kopplungswiderstandes zwischen dem Meßelement und dem Schwingkreis des
Oszillators.
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In dem In Fig. 1 gezeigten elektrischen Schaltkreis ist ein Transistor
1 als Hochfrequenz-Oszillator angeordnet, der mit einer Frequenz in der Größenordnung
von mehr als 10 Milz arbeitet. Die Frequenz wird vor allem durch einen Schwingkreis
bestimmt, der aus einer Spule L, einem Kondensator C5 und einem dazu parallel ilegender
Widerstand R4 besteht, der in Reihe mit der Meßkapazität M eines Meßelementes angeordnet
ist. Der Kollektor des npn-Transistors T ist mit einem Abgriff der Spule L verbunden
während das andere Ende der Spule L an dem positiven Pol einer Stromqucl le B angeschlossen
ist, der auf Masse 1 legt. Der Emitter des Transistors T ist über etne Parallelanordnung
eines Widerstandes R1 und eines Kondensators und der damit in Reihe | legenden Parallelanordnung
eines
Potentiometers P und eines Widerstandes R5 mit dem negativen
Pol der Stromquelle B verbunden, wobei dazwlschenllegend noch ein Schalter K vorgesehen
ist. Die Basis des Transistors T Ist mit dem Verbindungspunkt von Widerständen R2
und R3 verbunden, die einen Spannungsteller bilden. Der andere Anschluß des Widerstands
R2 ist mit dem Verbindungspunkt des Wlderstands R1 und des Potentiometers P verbunden,
die In dem Stromweg liegen, der den Emitter des Transistors T mit dem negativen
Pol der Stromquelle verbindet. Das Potentiometer P und der Widerstand R5 besitzen
einen ohmschen Widerstand, der etwa die zehnfache Größenordnung des Widerstandes
R1 aufweist. ie Widerstände und R2 sind mit den Kondensatoren C1 und C2 grober Kapazität
überbrückt, welche die Widerstände für Uechselstrom kurzschließen, wodurch etne
konstante Basisspannung am Transistor T aufrechterhalten wird. Parallcl zueinander
liegende Rückkopplungskondensatoren C3 und C4, von denen C3 einstellbar ist, verbinden
den Kollektor und den Emitter des Transistors T.
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Der Schwingungszustand des Oszillators ist durch die Regelung der
Größe des Kondensators C3 einstellbar. Der Ladezustand des Schwlngungskreises wird
gemessen, indem die an dem Verbindungspunkt der Spule L mit dem Transistorkollektor
auftretende Spannung über eine Diode D, durch die eine Gleichstromspannung an den
Kondensator C4 anliegt, geleltet wird und die erhaltene Spannung mit Hilfe eines
Meßinstruments A angezelgt wird.
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Das zu messende Material wird in das elektrische Feld des Meßkondensators
M gebracht, wodurch die Kapazität dieses Kondensators ansteigt, da das zu messende
Olaterlal eine Dlelektrizltätskonstante größer als diejenige von Luft besitzt. Zur
gleichen Zelt sinkt der Isolationswiderstand des Meßkondensators. Dle Dlelektrizitätskonstante
hängt von dem Feuchtigkeitsgehalt des Meßmaterlals ab, wobei mit steigendem Wassergehalt
auch die Dlelektrizitätskonstante ansteigt und damit ein Anstieg dos kapazltiven
Stromes verbunden ist. In. Falle von steigendem Feuchtigkeitsgehalt bewirkt das
Absinken des Isolationswiderstandes
des Meßkonden-sators und der
damit verbundene ßnstleg durch diesen des ohmschen Stromes bei verhältnismäßig niedrigem
Feuchtigkeitsgehalt, d. h. bei weniger als 50 S Feuchtigkeit, einen Ladezustand
des Oszillators, bei dem die Schwingung zum Stillstand käme, wenn nicht der Widerstand
R4 In Relhe mit dem Meßkondensator M angeordnet wäre. Den Einfluß des Widerstandes
R4 zeigen die Kurven in der Fig. 2. In dieser Flgur Ist auf der Horizontalachse
die von dom tteßlnstrument A angezeigte Spannung aufgetragen bzw. die Ablenkung
α des Instrumentenzeigers, die linear von dleser Spannung abhängt, während
auf der Vertikalachse der Feuchtigkeitsgehalt X in Prozenten des zu messenden Materials
abzulesen ist. Bei der Verwendung des Meßkondensators M ohne Widerstand R4 entspricht
die Anzeige des Meßgerätes A der Kurve 1. Es ist zu erkennen, daß die Messung des
Feuchtigkeitsgehaltes Im Bereich von 10 bis 40 nur möglich ist, oberhalb dieses
Bereiches hört die Schwlngung auf. Dle Anwendung des Widerstandes R4 ormögllcht
den Einfluß des abs-inkenden Isolationswiderstandes des Meßkondensators M zu elIminleren,
so daß die Spannung über dem Meßinstrument A oder die Ablenkung α des Instrumentes
eine Funktion des Feuchtigkeitsgehaltes X In Prozenten ist, wle dies die Kurve 2
zeigt. Dadurch kann die lineare Abhängigkeit zwischen der Ablenkung ot und dem Feuchtigkeitsgehalt
X, wie sie durch die Kurve 3 gegeben Ist, mit hinreichender Cenauigkeit angenähert
werden. Die Wahl der Größe des Widerstandes R4 ist kritisch, ist nämlich R4 zu klein,
so hört die Schwlngung auf, während bei elnem zu großen Wert von R4 die Kurve 2
stufenweise ansteigt, wodurch das Auflösungsvermögen des Meßgerätes herabgesetzt
wird. ei dem in der Zeichnung dargestellten Stromkrels wurde ein Widerstandswert
von 730 Ohm für den Widerstand R4 als geeignet gewählt.
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Bei einem Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts des zu'messenden Materials
stelgt die Kapazität des Meßkondensators M, und die Frequenz des Oszillators wird
kleiner, wodurch der Rückkopplungsstrom des Oszillators durch die Rückkopplungskondensatoren
C3 und C7 absinkt, was dazu beitägt, daß der Strom im Schwingkreis weiter verringert
wird.
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Die Dimensionierung der Rückkopplungskondensatoren C3 und C7 ist veränderbar,
um sowohl einen Schwinger zu erhalten, wenn die Schwingungsbedingung voll erfüllt
ist, auch dann wenn der Meßkondensator M kurzgeschlossen ist, oder elnen Oszillator
zu erhalten, der zu schwingen aussetzt, wenn die Kapazität des Meßkondensators M
einen vorgegebenen Wert erreicht. Daraus folgt, daß der erflndungsgemäße meßkreis
als ein Zweistellung-Meßelement (An - Aus) angewandt werden kann, welches eine Löschung
der Schwingungen bewirkt, wenn das In das elektrische Feld des Meßkondensators eingebrachte
Material eine Dielektrizitätskonstante größer als die übliche aufweist oder umgekehrt
die Schwingungen einsetzen, wenn die Dielektrizitätskonstante unter elnen vorgegebenen
ort absinkt. Im Hinblick auf derartlge Anwendungen ist der Rückkopplungskondensator
C3 ein stellbar ausgeführt, wodurch unterschiedliche Moßproben mit dem Meßgerät
untersucht werden können.
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Für die Anwendung des Meßgerätes, welches für elnen bestimmten Meßzweck
voreingestellt ist, sind keine weiteren Adjustierungen notwendig außer der Eichung
des Meßinstruments A, die mit Hilfe des Potentlometers P durchgeführt werden. Bevor
irgendwelches Material in das elektrische Feld des Meßcondensators M eingebracht
wird, wird die Ablenkung des Instruments A eingestellt, Indem das Potentiometer
P so woit gedreht wird, bis die volle Skalenablenkung erscheint entsprochend einer
Maximal spannung im Schwingkreis. Wird nun ein Material In den Meßkondensator M
eingeführt, so bewirkt dies einon Anstieg der Kapazität des Kondensators M und eine
stärkere Koppelung des Widerstandes R4 mit dem Schwingkreis, was zu einem kleineren
Resonanzstrom und einer Reduzierung der Spannung führt, die durch dlo Gleichrichtung
mittels der Dlode D an dem Kondensator C4 anliegt.
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Diese Spannungsreduzierung mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt X In
dem zu messenden Material stimmt überein mit der graphischen Darstellung der Kurve
2 In Fig. 2, und etne geeignete Wahl der Konstanten des Meßkrelses ermög icht eine
gute Annäherung an den linearen Zusammenhang dieser Größen, wle er durch die Kurve
3 In Fig. 2 dargestellt Ist.
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Es ist selbstverständlich, daß eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen
de-r Erfindung möglich ist. So kann beisplelsweise ein Reihenwiderstand mit den
beiden Elektroden des Meßkondensators verbunden sein. Die in Reihe angeordnete Kombination
des f.4eßkondensators und des Wlderstands kann auch zwlschen dem Abgriff und dem
einen Ende der Spule L geschaltet seln ocer in anderer Weise derart angeordnet sein,
daß n-ur ein Teil des Schwingkreises beeinflußt wird, solange das Ergebnis eine
ansteigende Widerstandskopplung durch den Anstieg der Kapazität des Meßkondensators
ist, die eine Anderung des übertragungsg£-tefaktors des Schwingkreises bewirkt,
weiche dann für die Meß- oder Steuerzwecke angewandt wird. Selbstverständlich können
auch Steuereinheiten parallel oder in Reihe mit dem Meßkondensator oder mit dem
Relhenwiderstand angeordnet sein, um den ursprünglichen Zustand des Schwingkreises
wieder herzustellen, nachdom aufgrund der Einbringung eines Meßmaterials eine Abweichung
aufgetreten Ist, wobei die Steuerungsgröße die zu messende Größe anzeigt. Es handelt
sich hierbei um eine sogenannte Substitutionsmethode.
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