-
Einrichtung zur Bestimmung von Stoffzusammensetzungen, insbe-
-
sondere zur Feuchtigkeitsgehaltsbestimmung, mit einem Hochfrequenzverfahren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung von Stoffzusammensetzungen,
insbesondere zur Feuchtigkeitsgehaltsbestimmung, mit einem Hochfrequenzverfahren,
die einen dielektrischen Kennwertfühler, einen Temperaturfühler und ein impulsverarbeitendes
Hochfrequenzgerät in einem mit Meßstoff gefüllten Behälter enthält.
-
Zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Stoffen sind zahlreiche Verfahren
und Einrichtungen einsetzbar.
-
Am bekanntesten ist als Absolutmessung das Trocknen bis zur Gewichtskonstante.
Die mit diesem Verfahren bestimmten Feuchtigkeitsgehaltswerte werden mit den mittels
der übrigen Methoden gemessenen Werten verglichen. Es ist ein häufig verwendetes
Verfahren, den zu messenden Stoff in das Kraftfeld eines Kondensators zu bringen
und die Feuchtigkeitsabhängigkeit der dielektrischen Kennwerte des Stoffes im Kraftfeld
mit einem Hochfrequenz-Meßsystem zu bestimmen.
-
Einrichtungen nach diesem Prinzip weisen bei Messungen unter
industriellen
Bedingungen mehrere, die Anwendbarkeit beschränkende Nachteile auf.
-
Ein Hindernis bei der industriellen Verbreitung der bisher bekannten
Hochfrequenzmeßsysteme besteht darin, daß die Temperaturabhängigkeitskompensation
des dielektrischen Kennwertes für den zu messenden Werkstoff falsch ist. Bei den
bekannten Ausführungen bilden nämlich das Hochfrequenzelektrodensystem und der die
Wärmekompensation bewirkende Temperaturfühler je eine mechanisch selbständige Einheit.
Der die Korrektur ausführende Temperaturfühler mißt hier nicht die Temperatur des
von den Kraftlinien des Hochfrequenzfeldes durchdrungenen Stoffes.
-
Besonders ungenau sind jene Systeme, bei denen sich der Temperaturfühler
in der Nähe der Behälterwand befindet, die den zu messenden Stoff enthält. Während
der fortlaufenden Feuchtigkeitsmessung gibt der Temperaturfühler, der in den an
der Behälterwand haftenden Stoff eintaucht, nicht die effektive Temperaturkorrektur
des zu messenden Stoffes, sondern einen von der unmittelbaren Umgebungstemperatur
des Behälters abhängigen Wert an. Aus diesem Grunde korrigiert der Temperaturfühler
nicht die Temperaturabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften des von der Hochfrequenzelektrode
gemessenen Stoffes. Dies kann in der industriellen Praxis zu einem Temperaturunterschied
von 10 bis 20 OC führen, was die Korrektut wesentlich beeinflußt.
-
Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Hochfrequenzsysteme besteht
darin, daß das Fühlerelektrodensystem und die dessen Impuls direkt verarbeitende
Hochfrequenzschaltung in verschiedenen Räumen angeordnet sind und somit keine mechanisch
starre, gut definierte Einheit bilden. Das Leitungssystem, das die impulsverarbeitenden
Hochfrequenzschaltungen mit dem Fühler verbindet, ändert seine Hochfrequenzeigenschaften
unter den bei schweren industriellen Einsatzbedingungen auftretenden mechanischen
Einwirkunqen
und Wärmeeinwirkungen. Das verbindende Leitunqssystem vermindert den vom Fühler
erzeugten nutzbaren Impuls, was eine qrößere Empfindlichkeit der impulsverarbeitenden
Schaltungen erfordert.
-
Eine höhere Empfindlichkeit der Schaltungen und die damit zusammenhängende
größere Unstabilität erschwert es, die unter industriellen Einsatzbedingungen geforderte
Meßgenauigkeit sicherzustellen.
-
Als weitere Fehlerquelle in den bisher bekannten Meßsystemen tritt
die Änderung im Füllfaktor des zu messenden Stoffes -Masse des auf eine Volumeneinheit
entfallenden Stoffes - trotz gleichen Feuchtigkeitsgehalts auf. Bei industriellen
Messungen ist es eine häufig vorkommende Aufgabe, daß der Feuchtigkeitsgehalt eines
von einem Förderband in veränderlicher Menge eintreffenden und in einen Speicher
gelangenden Stoffes bestimmt werden soll.
-
Die individuelle Probennahme der bisher bekannten Systeme konnte die
vom Füllfaktor verursachte Änderung nicht berücksichtigen. In der industriellen
Praxis kann diese Ungenauigkeit einen Meßfehler von 0,2 - 0,8 % Feuchtigkeitsgehalt
erreichen.
-
Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Hochfrequenzsysteme, durch
welchen die industrielle Anwendbarkeit beschränkt wird, ist die Tatsache, daß mit
zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt die Empfindlichkeit im größeren Feuchtigkeitsmeßbereich
abnimmt.
-
Dadurch ist der Fehler des mit dem Feuchtigkeitsgehalt zusammenhängenden
und zur Steuerung benutzten Impulses nicht linear.
-
Bei der Automatisierung von industriellen Vorgängen ist die gleiche
geforderte Genauigkeit im gesamten Meßbereich erforderlich.
-
Bei der Automatisierung von Industrieprozessen wird die Verwendbarkeit
der bisher bekannten Hochfrequenzmeßsysteme dadurch beschränkt, daß der von der
Instabilität der Schaltungen und von der Nullpunktswanderung verursachte Fehler
nur von Hand durch Bedienung der Nullpunkt-Stellorgane behoben werden kann.
-
Dazu ist die fortlaufende und unmittelbare Überwachung der Meßsysteme
und deren fachgemäße Bedienung ständig erforderlich.
-
Ziel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es, die angegebenen Nachteile
praktisch völlig zu beheben und störende Parameter ohne Eingriff der Bedienungsperson
im Meßergebnis automatisch zu korrigieren. Dabei soll eine nicht nur unter Laborverhältnissen,
sondern auch unter extremen industriellen Bedingungen verhältnismäßig einfach gebaute,
zuverlässige Meßeinrichtung hoher Stabilität geschaffen werden.
-
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der dielektrische
Kennwertfühler, der Temperaturfühler und das impulsverarbeitende Hochfrequenzgerät
mechanisch eine einzige Einheit bilden, daß der Temperaturfühler die Temperatur
des vom dielektrischen Kennwertfühler gemessenen Stoffes mißt, daß der Ausgang des
impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts an den Eingang eines Linearisierers und
der Ausgang des Linearisierers seinerseits an einen Eingang eines Probennehmers
angeschlossen ist, und daß der Ausgang des Probennehmers an den Eingang eines Auswertgeräts
und ein Ausgang des Auswertgeräts an ein Anzeigeteil sowie der andere Ausgang an
den anderen Eingang des Probennehmers angeschlossen ist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind der Fühler und das impulsverarbeitende
Hochfrequenzgerät derart als eine mechanisch einzige Einheit in den Behälter mit
dem zu messenden Stoff eingebaut, daß der zu messende Stoff Fühler und Hochfrequenzgerät
umgibt. Damit ist gewährleistet, daß die zu messenden Parameter immer denselben
Stoff betreffen.
-
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung in Verbindung
mit einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen Fig. 1
die Prinzipanordnung einer Einrichtung gemäß der Erfindung, und Fig. 2 ein Blockschema
der Prinzipanordnung nach Fig. 1.
-
Gemäß Fig. 1 werden ein Fühlersystem 3 und ein damit mechanisch eine
Einheit bildendes impulsverarbeitendes Hochfrequenzgerät 4 in einen Behälter 1 eingebaut.
Das Gerät ist von dem in den Behälter 1 strömenden Meßstoff 2 mit Füllstand h umgeben.
Die Ausgangssignale des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 werden zu einem
Auswertgerät 5 geführt. Der von speziell aufgebauten Elektroden des die dielektrischen
Kennwerte und die Temperatur desselben Stoffes messenden Fühlersystems 3 erhaltene
Impuls wird an den Eingang des mit ihm eine Einheit bildenden impulsverarbeitenden
Hochfrequenzgeräts 4 geführt. Das auf diese Weise ausgeführte Fühlersystem 3 kann
noch mit einer Elektrode ergänzt werden, die den Füllstand des in den Behälter einströmenden
Stoffes erfaßt, und die ein Steuersignal zum Abstellen des Füllvorganges erzeugt.
Somit kann die in industrieller Umgebung schwer durchführbare Massebestimmung des
zu messenden Stoffes umgangen werden.
-
Der durch den veränderlichen Füllfaktor des einströmenden Stoffes
verursachte Fehler läßt sich vermeiden, wenn während der Messung ein Probennahmeverfahren
angewendet und bis zur Anzeige des Meßergebnisses immer der höchste Wert der dazwischenliegenden
Werte gespeichert wird; beim Messen erscheint der höchste Wert an einem Anzeigeteil
6 des Auswertgeräts 5 bzw. bestimmt dieser Wert bei Wasserdosierung die zur Befeuchtung
notwendige Wassermenge.
-
Das Ausgangssignal des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4,
das gegenüber Umgebungsstörungen nicht mehr empfindlich ist, wird an den Eingang
des Auswertgeräts 5 geführt. Dieser enthält die für den dielektrischen Kennwert
des zu messenden Stoffes, für seine Temperatur, Füllfaktoränderung sowie für die
Masse des zu messenden Stoffes kennzeichnenden Werte. Nach den unter Beachtung all
dieser Werte ausgeführten Korrekturen erscheint am Anzeigeteil 6 des Auswertgeräts
5 der richtige Feuchtigkeitsgehalt.
-
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung wird anhand der Fig.
2 ausführlicher erläutert.
-
In der Mitte des den Meßstoff enthaltenden Behälters 1 befinden sich
ein dielektrischer Kennwertfühler 7, ein Temperaturfühler 8, ein Füllstandsfühler
9 und das impulsverarbeitende Hochfrequenzgerät 4, die zusammen eine mechanische
Einheit bilden. Dieser Anordnung ist es zu verdanken, daß eine der Temperatur des
vom dielektrischen Kennwertfühler 7 gemessenen Stoffes entsprechende Korrektur vorgenommen
werden kann. Der Füllstandsfühler 9 sorgt für die jeweils gleiche Füllstandshöhe
des zu messenden Stoffes 2, womit die Massebestimmung eliminiert ist, die in einer
industriellen Umgebung schwer durchgeführt werden kann.
-
Mit dem direkten Anschluß des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts
4 lassen sich die Störanfälligkeit, Instabilität und Empfindlichkeitsabnahme, die
durch die angeschlossene Leitung hervorgerufen werden, gänzlich vermeiden. Das Ausgangssignal
des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4 kann in beliebige Entfernung ohne
jegliche Probleme übertragen werden. Der Ausgang des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts
4 ist an einen Linearisierer 10 angeschlossen.
-
Der Linearisierer 10 linearisiert durch eine Addition der dem Eingangssignal
proportionalen und der dem Quadrat des Eingangssignals proportionalen Werte das
Ausgangssignal des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts 4. Die vom Meßstoff bzw.
vom Meßraum abhängigen Änderungen der Charakteristik können durch die Einstellung
des Verhältnisses der linearen und quadratischen Komponenten kompensiert werden.
Somit läßt sich die Korrektur den in der industriellen Praxis vorkommenden verschiedenen
Meßaufgaben gut anpassen. Dadurch ist die nahezu lineare Charakteristik sichergestellt
sowie die damit verbundenen, im gesamten Meßbereich gleiche Empfindlichkeit und
Meß- und Steuergenauigkeit gewährleistet.
-
Der Ausgang des Linearisierers 10 ist an den Eingang eines Probennahmegeräts
oder Probennehmers 11 angeschlossen, dessen Ausgang an das Auswertgerät 5 angeschlossen
ist. Der Füllfaktor des zu messenden Stoffes ändert sich im Behälter 1 statis-isch
in den nacheinander folgenden Füllungs- und Entleerungsphasen.
-
Der Probennehmer 11 und das Auswertgerät 5 gleichen die Änderungen
des Füllfaktors aus, indem das Auswertgerät 5 das größte Meßergebnis speichert,
das dem während der Meßperiode auftretenden größten Füllfaktor entspricht. Auf diese
Weise läßt sich der als Folge der Änderung des Füllfaktors auftretende Fehler bedeutend
vermindern. Die für die industrielle Praxis notwendige Meßgenauig keit ist somit
sichergestellt.
-
Der Eingang des Anzeigeteils 6 ist an das Auswertgerät 5 angeschlossen.
Dieses zeigt einen hinsichtlich der Temperatur, Linearität, Massekonstanz und Füllfaktor
korrigierten Wert an.
-
Den Fehler, der sich aus der Instabilität der Schaltungen und der
Nullpunktswanderung ergibt, beseitigt ein Nullpunktstabilisator 12. Der Eingang
des Nullpunktstabilisators 12 ist an den anderen Ausgang des Auswertgeräts 5 angeschlossen
und gibt unter Einwirkung dessen Steuersignals periodisch ein Steuersignal an
den
Eingang des dielektrischen Kennwertfühlers 7 ab, womit der Nullpunkt des Systems
korrigiert wird. Der Nullpunktstabilisator 12 speichert den zur Korrektur notwendigen
Spannungswert bis zum Eintreffen des folgenden Steuersignals.
-
Kurz umrissen wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung als mechanisch
einzige Einheit in den Behälter des zu messenden Stoffes der Fühler und das impulsverarbeitende
Hochfrequenzgerät so eingebaut, daß der Meßstoff diese umgibt und daß dafür gesorgt
ist, daß die zu messenden Parameter immer denselben Stoff betreffen. Infolge der
gemeinsamen Erfassung des gleichzeitig bestimmten dielektrischen Stoffkennwertes
und der als Störparameter auftretenden Temperatur- und Füllungsfaktoränderungen
bzw. durch die entsprechende Kompensation der Störfaktoren wird die erforderliche
Meßgenauigkeit erzielt. Der direkte Zusammenbau des impulsverarbeitenden Hochfrequenzgeräts
mit dem Fühlersystem sowie die linearisierenden und nullpunktstabilisierenden Schaltungsausführungen
stellen auch in industrieller Umgebung den sicheren Betrieb und die Meßgenauigkeit
sicher.