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Dokumentenidentifikation DE19540507A1 07.05.1997
Titel Verfahren zur Feuchtebestimmung von Sand
Anmelder Fachhochschule Ulm, 89075 Ulm, DE
Erfinder Jahl, Günter, 89278 Nersingen, DE;
Fritz, Reinhard, Dr., 89079 Ulm, DE;
Schroer, Wolfgang, Dr., 89091 Ulm-Lehr, DE
DE-Anmeldedatum 31.10.1995
DE-Aktenzeichen 19540507
Offenlegungstag 07.05.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.05.1997
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 27/04   

Beschreibung[de]

Vorgestellt wird ein Verfahren, bei dem der komplexe Widerstand zwischen zwei in Sand eingetauchten Elektroden bei zwei verschiedenen Frequenzen gemessen wird. Aus diesen Messungen wird ein elektrisches Modell des feuchten Sandes mit vier feuchteabhängigen Bauelementen abgeleitet (Abb. 1). Aus den Bauelementen des Modells wird die Feuchtigkeit mit Hilfe eines neuronalen Netzes bestimmt, das mit einem Referenzsand trainiert wurde.

Ein bisher eingesetztes Verfahren bestimmt die Feuchtigkeit von Sand durch Messen des ohmschen Widerstandes zwischen den Elektroden. Zuvor wird in einer Eichmessung die Widerstands-Feuchte-Kennlinie für einen Referenzsand ermittelt. Die Widerstandmessung ergibt vor allem bei hohen Feuchten eine geringe Genauigkeit, weil sich die Widerstands- Feuchte-Kennlinie zu hohen Feuchten hin abflacht. Außerdem hängt die ermittelte Sandfeuchte stark von der Sandsorte ab. Deshalb muß für jeden Sand eine gesonderte Eichmessung zur Bestimmung der Kennlinien durchgeführt werden.

Bekannt geworden sind auch Verfahren, bei denen die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird. Die Kapazitätsmessung liefert bei großen Sandfeuchten bessere Ergebnisse als die Widerstandsmessung, die Abhängigkeit von der Sandsorte ist aber noch größer als bei der Widerstandsmessung.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird die Genauigkeit der Feuchtebestimmung verbessert und eine weitgehende Unabhängigkeit der Feuchtebestimmung von der Sandsorte erreicht. Das elektrische Modell des Sandes ist bei diesem Verfahren nicht mehr ein Widerstand oder eine Kapazität, sondern ein Netzwerk mit vier feuchteabhängigen Bauelementen, den Widerständen R1 und R2 und den Kapazitäten C1 und C2 (Abb. 1). Zur Bestimmung der vier Bauelemente werden Real- und Imaginärteil des komplexen Widerstandes bei zwei verschiedenen Frequenzen, z. B. bei 1 KHz und bei 1 MHz, gemessen und anschließend aus den vier Meßwerten vier Bauelemente berechnet.

Zur Bestimmung der Sandfeuchte werden folgende Merkmale verwendet: R1, C1, R2, die Zeitkonstante R1*C1 und das Verhältnis R1/R2. Die Merkmale wurden so gewählt, daß

  • - für alle relevanten Feuchten mindestens ein Merkmal eine ausreichende Empfindlichkeit (Änderung des Merkmalswertes vs Feuchte) besitzt
  • - eine von der Sandsorte weitgehend unabhängige Feuchtebestimmung ermöglicht wird.


Der Zusammenhang zwischen diesen fünf Merkmalen und der Sandfeuchte wird empirisch ermittelt. Hierzu werden an einem Referenzsand bei verschiedenen, bekannten Feuchten im Bereich von 1 bis 12 Gewichtsprozent die vier Bauelemente des elektrischen Modells des Sandes bzw. die oben genannten fünf Merkmale bestimmt. Mit dem Ergebnis dieser Eichmessung wird ein neuronales Netz trainiert. Die fünf Merkmale bilden hierbei die Eingangswerte des neuronalen Netzes. Ausgangswert des Netzes ist die Sandfeuchte.

Beim Einsatz des Verfahrens berechnet das trainierte, neuronale Netz die Sandfeuchte aus fünf Merkmalswerten, die an dem zu messenden Sand durch Messung des komplexen Widerstandes bei zwei Frequenzen bestimmt wurden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Feuchtebestimmung von Sand, dadurch gekennzeichnet, daß Real- und Imaginärteil des komplexen Widerstandes zwischen zwei in den zu messenden Sand eingetauchten Elektroden bei zwei Frequenzen gemessen und daraus vier feuchteabhängige Bauelemente R1, R2, C1, C2 eines elektrischen Modells (Abb. 1) des Sandes berechnet werden, die zu fünf Merkmalen, nämlich R1, R2, C1, R1*C1 , R1/R2, kombiniert und einem trainierten, neuronalen Netz als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei das neuronale Netz als Ausgangsgröße die Sandfeuchte liefert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neuronale Netz mit einem Referenzsand bei bekannten Sandfeuchten, die z. B. durch Trocknen und Wiegen des Sandes bestimmt wurden, trainiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als neuronales Netz ein Multilayer Perceptron mit Back-Propagation Lernalgorithmus verwendet wird, das in der Eingangsschicht fünf Neuronen, in der verdeckten Schicht und in der Ausgangsschicht je ein Neuron enthält.
  4. 4. Anordnung zur Feuchtebestimmung von Sand (Abb. 2) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Meßschaltung (2) Real- und Imaginärteil des komplexen Widerstandes zwischen zwei in Sand eingetauchten Elektroden (1) bei zwei Frequenzen, z. B. bei 1 KHz und bei 1 MHz, gemessen, und die gemessenen vier Werte über Analog/Digital-Umsetzer (3) in einen Computer (4) eingelesen werden, wo aus den vier Meßwerten die Sandfeuchte berechnet und über eine Anzeigeeinheit (5) ausgegeben wird.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer aus den bei zwei Frequenzen gemessenen Real- und Imaginärteilen des komplexen Widerstandes die Bauelemente R1, R2, C1, C2 des Sandmodells (Abb. 1) sowie das Produkt R1*C1 und das Verhältnis R1/R2 berechnet werden.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Computer ein neuronales Netz programmiert ist, das nach einer Trainingsphase aus den Merkmalen R1, R2, C1, R1*C1, R1/R2 die Sandfeuchte berechnet.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Training des neuronalen Netzes die Sandfeuchte wie beschrieben bestimmt wird, wobei sich die Elektroden in einem Sand bekannter Feuchte befinden, und bei Abweichung der gemessenen Feuchte von der bekannten wirklichen Sandfeuchte das neuronale Netz nach einem Back- Propagation Algorithmus korrigiert wird und dieser Trainingsvorgang bei fünf bis neun verschiedenen Sandfeuchten im Bereich 1 bis 12 Gewichtsprozent Feuchte durchgeführt wird.






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