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Dokumentenidentifikation DE69033533T2 11.01.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0487582
Titel BESTIMMUNG DES FEUCHTIGKEITSGEHALTS DURCH MIKROWELLENPHASENVERSCHIEBUNG UND FLÄCHENDICHTE
Anmelder Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, Campbell, AU
Erfinder CUTMORE, George, Nicholas, Croydon Park, AU
Vertreter Andrae Flach Haug, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69033533
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.08.1990
EP-Aktenzeichen 909123473
WO-Anmeldetag 15.08.1990
PCT-Aktenzeichen AU9000351
WO-Veröffentlichungsnummer 9102966
WO-Veröffentlichungsdatum 07.03.1991
EP-Offenlegungsdatum 03.06.1992
EP date of grant 03.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.01.2001
IPC-Hauptklasse G01N 22/04

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft die Bestimmung von dem Feuchtigkeitsgehalt von einer Probe.

Die Messung des Feuchtigkeitsgehalts ist bei vielen Industrieverfahren wichtig. Die herkömmlichen Verfahren zur Feuchtigkeitsmessung basierend auf einer Ofentrocknung einer Probe, die einem Fertigungsstrom entnommen wird, sind für Qualitätskontrollzwecke häufig nicht schnell genug und verlassen sich auf die kleine analysierte Probe, die für den gesamten Strom repräsentativ ist. Folglich gibt es einen Bedarf für on-line Analysetechniken, die eine ununterbrochene Analyse des Fertigungsstroms zur Verfügung stellen.

Ein wichtiges Beispiel ist die on-line Messung von Feuchtigkeit in Kohle, die auf einem Förderband befördert wird. In den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an dem Messen und Kontrollieren des Feuchtigkeitsgehalts von Koks- und Kesselkohle. Feuchtigkeit in diesen Kohlen hat hauptsächlich wegen des wachsenden Anteils an Staubkohle in den Fertigungsfabriken als eine Folge moderner Abbauverfahren zugenommen, und weil aus wirtschaftlichen Gründen stärkeres Gewicht auf die Staubkohlenwiedergewinnung gelegt wird. Geringere Feuchtigkeit in dem Produkt Kohle führt zu niedrigeren Transportkosten, Energieeinsparungen, wenn die Kohle verwendet wird, und verminderten Handhabungsschwierigkeiten.

Eine Anzahl von Techniken wurde für die on-line Bestimmung von Feuchtigkeit in Kohle untersucht. Diese umfassen die Messung der Kapazität, der Durchlässigkeit für Mikrowellen, der Durchlässigkeit für schnelle Neutronen und Gammastrahlen, des Infrarot- Reflexionsvermögens und der kernmagnetischen Resonanz.

Die Feuchtigkeitsmessung mit Mikrowellentechnik basiert entweder auf dem großen Real- oder Imaginärteil von der komplexen Dielektrizitätskonstanten von Wasser im Vergleich mit den dielektrischen Eigenschaften von der Majorität trockener Materia lien. Die komplexe Dielektrizitätskonstante ( = ' - j ") ist eine Funktion von der Dielektrizitätskonstanten ( ') und dem Verlustfaktor ( ") von einem Material, und bei Kohle wird sie nicht nur von dem Feuchtigkeitsgehalt, sondern auch von anderen Materialeigenschaften beeinflußt, wie zum Beispiel der Fülldichte, dem Ascheanteil und der Kohlenart. Der am häufigsten verwendete Parameter ist eine Messung von der Abschwächung oder dem Leistungsverlust von einem ausgesendeten Mikrowellenstrahl bei einer Frequenz in dem Bereich von 2 bis 10 GHz, und für eine Messung der Feuchtigkeit in Kohle auf dem Band ist auch eine Messung der Fülldichte und/oder der Kohlenschichtdicke erforderlich.

Eine Messung der Mikrowellenabschwächung wurde allgemein für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in einem Bereich von Materialien eingesetzt. Jedoch hängt die Messung der Abschwächung stark von der Probendicke und der Probenlage relativ zu der Mikrowellenquelle ab, und deshalb war man bei dem Einsatz der Technik bei on-line Meßanwendungen auf das Vorhandensein einer Materialschicht konstanter Dicke bei dem Meßgerät angewiesen. Das wurde unter Verwendung von Vorrichtungen erzielt, wie zum Beispiel einem Nivelierabstreifer oder einem Nivelierrückführförderer, die die Oberfläche von auf einem Förderband beförderten Material ausgleichen. Ein Nachteil dieser Techniken liegt darin, daß die Berührvorrichtungen dieser Art ein Verstopfen von dem Füllmaterialfluß verursachen können. Eine alternative Technik ist es, Messungen an einem Probennebenstrom durchzuführen, wo die Probenpräsentation sorgfältig kontrolliert werden kann; jedoch ist das teurer, und die Häufigkeit dieser Analyse ist durch die Rate der Probenentnahme bestimmt.

Eine Anzahl von Versuchen wurde gemacht, um die Abschwächungsmeßtechnik zu verändern, um ihre Genauigkeit für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts zu verbessern. Diese umfaßten eine verbesserte Konstruktion der Mikrowellenvorrichtung, um Interferenzen von Reflexionen bei den Antennen zu minimieren, die Verwendung von Referenzsignalen, und Probleme mit Gerätedrifts zu überwinden, und die Verwendung von mit Linsen korrigierten Antennen, um den Signalrichtfaktor zu verbessern. Der hauptsächliche Fehler bei der Abschwächungsmessung resultiert jedoch aus der Amplitudenmodulation von dem gesendeten Signal durch an den Probe/Luft-Übergängen reflektierten Signalen. Ein vorgeschlagenes Verfahren, den aus einer derartigen Amplitudenmodulation resultierenden Fehler zu vermindern, ist es, die Abschwächung bei 50 bis 100 Frequenzen in einem Frequenzband von 0,5 bis 1 Oktave zu messen, und den Mittelwert mit dem Feuchtigkeitsgehalt zu korrelieren. Man berichtet über diese Technik, daß sie den Einfluß von Schwankungen in der Probendicke und der Anordnung an der Abschwächungsmessung vermindert.

Eine Messung von der Mikrowellenphasenverschiebung wurde auch für die Bestimmung der Feuchtigkeit untersucht. Bei der on-line Messung der Feuchtigkeit mit dieser Technik wurden die gemessene Phasenverschiebung oder Abschwächung auf die Probenmasse pro Flächeneinheit normiert, die mit einer Messung der Gammastrahldurchlässigkeit bestimmt wurde.

Eine kombinierte Messung der Phasenverschiebung und der Abschwächung wurde auch vorgeschlagen, um Feuchigkeit unabhängig von Schwankungen in der Probendichte zu bestimmen. Bei dieser Technik wird der Feuchtigkeitsgehalt aus dem Unterschied in der Abschwächung bei zwei Meßfrequenzen bestimmt, und eine Messung der Phasenverschiebung kompensiert die Dichteschwankungen. Jedoch ist für on-line Messungen entweder eine Probe konstanter Dicke oder eine Messung der Probendicke erforderlich.

Eine Vorrichtung, die die Abschwächung von zwei Mikrowellensignalen bei unterschiedlichen Frequenzen und die Phasenverschiebung von einer von ihnen verwendet, ist in der US-A-4727311 offenbart. Die JP-A-60025446 offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von einer Probe ungleicher Dicke auf einem Förderband zur Verfügung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Generiervorrichtung zum Generieren von Mikrowellensignalen bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen, wobei die Generiervorrichtung angepaßt ist, um die Mikrowellensignale sequenziell bei Frequenzen zu generieren, die ausgewählt sind, um eine frequenzabhängige zyklische Schwankung der Ausbreitungscharakteristiken der Mikrowellensignale zu kompensieren, die durch eine Probe ungleicher Dicke gesendet werden; eine erste Antenne zur Anordnung auf einer Seite des Förderbands, um die Mikrowellensignale durch die Probe zu lenken; eine zweite Antenne zur Anordnung auf der gegenüberliegenden Seite des Förderbands, um die Mikrowellensignale aufzunehmen, die durch die Probe gesendet werden; und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Meßwerts der Masse pro Flächeneinheit der Probe; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Meßwerten der Phasenverschiebungen der empfangenen Signale bezüglich der bei den diskreten Frequenzen gesendeten Signale; und eine Vorrichtung zum Generieren eines Meßwerts des Feuchtigkeitsgehalts der Probe basierend auf den Meßwerten der Phasenverschiebungen und der Masse pro Flächeneinheit.

Die vorliegende Erfindung stellt überdies ein Verfahren für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts einer Probe ungleicher Dicke auf einem Förderband zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Senden von Mikrowellensignalen durch die Probe bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen, wobei die Mikrowellensignale sequenziell bei Frequenzen generiert werden, die ausgewählt sind, um eine frequenzabhängige zyklische Schwankung der Ausbreitungscharakteristiken der Mikrowellensignale zu kompensieren, die durch eine Probe ungleicher Dicke gesendet werden; und Bereitstellen eines Meßwerts der Masse pro Flächeneinheit der Probe; wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen von Meßwerten der Phasenverschiebungen der empfangenen Signale bezüglich der bei den diskreten Frequenzen gesendeten Signale; und Generieren eines Meßwerts des Feuchtigkeitsgehalts der Probe basierend auf den Meßwerten der Phasenverschiebungen und der Masse pro Flächeneinheit.

Vorzugsweise haben die diskreten Frequenzen den gleichen Abstand und schließen den Bereich von einer oder mehreren Perioden der frequenzabhängigen zyklischen Schwankung in den Ausbreitungscharakteristiken in der Probe ein. Vorzugsweise werden die Phasenverschiebungen der jeweiligen Signale gemittelt, um einen einzigen repräsentativen Wert zu erzeugen.

Vorzugsweise liegt der Bereich der gesendeten Frequenzen in dem Bereich von 2 bis 4 GHz. Vorzugsweise ist auch die Anzahl der diskreten Frequenzen größer als zehn.

Die Antenne kann auch von jeder geeigneten Art sein, z. B. Hörner oder dielektrische Stäbe. In dem Fall von Hornantennen können die Hörner mit einem Material gefüllt sein, das eine passende Impedanz hat.

Das hat die Wirkung, daß die Interferenz von den gesendeten Signalen mit von der Probe reflektierten Signalen vermindert wird. In diesem Fall ist der Abstand von der ersten Antenne zu der Probe vorzugsweise wesentlich geringer als die Wellenlänge von den Mikrowellensignalen.

Die Masse pro Flächeneinheit kann durch herkömmliche Techniken, wie z. B. Gammastrahlabschwächung, gemessen werden. Wenn die Dichte von dem analysierten Material ungefähr konstant ist, kann ein Meßwert der Dicke, der durch irgendeine geeignete Technik, z. B. Ultraschallmessung, bestimmt wird, durch einen Meßwert der Masse pro Flächeneinheit ersetzt werden.

Die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle (EM) in einem dielektrischen Medium wird durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben, und die komplexe Amplitude ist durch

E (1) = E&sub0; exp (-γ1) (1)

gegeben, wobei 1 der von der EM-Welle in dem dielektrischen Medium von irgendeinem Referenzpunkt zurückgelegte Weg ist, wobei ihre Amplitude E&sub0; war, und γ die Ausbreitungskonstante von der Welle ist, die durch

γ = α + jβ (2)

gegeben ist, wobei α und β die Abschwächungskonstante bzw. Phasenkonstante ist. Für ein nicht magnetisches dielektrisches Medium im leeren Raum sind α und β durch

gegeben, wobei ε&sub0; die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, λ&sub0; die Wellenlänge im Vakuum, ε' die Dielektriziätskonstante von dem Medium und ε" der Verlustfaktor von dem Medium ist.

Die Abschwächungskonstante α repräsentiert die Abschwächung von der EM-Welle (in Neper pro Meter), und die Phasenkonstante β repräsentiert die Phasenverschiebung von der EM-Welle (in Radian pro Meter).

Aus den Gleichungen (3) und (4) erkennt man, daß die Abschwächung und die Phasenverschiebung einer EM-Welle in einem Dielektrikum eine Funktion von der komplexen Dielektrizitätskonstanten von dem Medium

* = ' - j " (5)

ist.

Für ein vielkomponentiges dielektrisches Medium kann die komplexe Dielektrizitätskonstante durch

ε*medium = (Σivi ε*i)² (6)

angenähert werden, wobei vi und ε*i der Volumenanteil bzw. die komplexe Dielektrizitätskonstante von der i-ten Komponente ist.

Wenn eine ebene EM-Welle auf eine dielektrische Zwischenfläche trifft, wird ein Teil von ihr reflektiert und ein Teil durchgelassen, wie in Fig. 1 dargestellt. Bei einem nicht magnetischen Dielektrikum in Luft sind der Reflexionskoeffizient R und Transmissionskoeffizient T durch

T = ET/EO = 1 + R (8)

gegeben, wobei EO, ER und ET der einfallende, reflektierte und durchgelassene elektrische Feldvektor sind.

Der gemessene Durchlasskoeffizient kann durch

ausgedrückt werden, wobei A die gemessene Abschwächung in dB, und θ die gemessene Phasenverschiebung in Grad ist. Die tatsächliche Phasenverschiebung aufgrund der Probe, φ, wird nicht bei dieser Messung bestimmt, sondern ist durch

φ = n 360 + θ (10)

gegeben, wobei n eine ganze Zahl ist.

Wenn eine EM-Welle auf eine dielektrische Platte (Fig. 1) trifft, führt die Reflexion an der Probe-Luft-Zwischenfläche zu mehreren Reflexionen in der dielektrischen Platte. Folglich sind die gemessenen durchgelassenen und reflektierten EM-Wellen bei senkrechtem Einfall durch

T = Σi Ti = Σi aiejφi (11)

R = Σi Ri = Σi biejθi (12)

gegeben, wobei Ti und Ri die durchgelassene und reflektierte Komponenten der EM-Wellen aufgrund mehrfacher Reflexionen sind. Bei einer verlustreichen dielektrischen Platte, ai < < ai+1 und bi < < b&sub1;&sbplus;&sub1;, können T und R durch die Summe von nur den zwei oder drei ersten Signalkomponenten angenähert werden. Die Wirkung der Änderung der Dicke des Dielektrikums auf die gemessene Phasenverschiebung und Amplitude von T ist in der Fig. 2 bzw. 3 gezeigt. Sowohl die Phasenverschiebung als auch die Amplitude ändern sich in der Größe mit einer Periodizität, die einer effektiven λ/4- Änderung in der Wegstrecke der EM-Welle im Dielektrikum entspricht. Man hat herausgefunden, daß die Phasenverschiebung und die Amplitude von dem reflektierten Signal R ebenso auf die gleiche Weise variieren. Das heißt, daß die Ausbreitungscharakteristiken eine frequenzabhängige zyklische Veränderung zeigen. Bei einem verlustreichen Dielektrikum nimmt die Größe der Schwankung in der Phasenverschiebung und Amplitude des durchgelassenen und reflektierten Signals mit zunehmender Probendicke ab.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung dieser Erfindung wird ein Mikrowellensignal unter Verwendung einer geeigneten Sende- und Empfangsantenne durch eine Probe gelenkt, und die Phasenverschiebung des Signals aufgrund der Probe wird gemessen. Diese wird normalerweise als die Differenz zwischen der Abschwächung und der Phasenverschiebung berechnet, die mit der Probe und mit Luft bestimmt werden. Aus den Gleichungen (3) und (4) kann man sehen, daß die Phasenverschiebung des Signals eine Funktion der effektiven komplexen Dielektrizitätskonstanten ε* von der Probe ist, die durch die Gleichung (6) gegeben ist. Die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor von Wasser sind verglichen mit denen für die meisten anderen üblichen Materialien bei Mirkowellenfrequenzen groß, und daher ist die Phasenverschiebung eine starke Funktion von dem Feuchtigkeitsgehalt der Probe.

Es ist bekannt, daß bei der Messung des Feuchtigkeitsgehalts einer Probe durch Mirkowellenübertragung die Phasenverschiebung hauptsächlich durch die effektive Dielektrizitätskonstante von dem Material bestimmt wird, und daher unabhängig von Schwankungen des effektiven Verlustfaktors (bewirkt durch Schwankungen der Materialeigenschaften wie z. B. dem Salzgehalt oder der Zusammensetzung der Elemente) ist, der die Abschwächung erheblich beeinflussen kann. Diese Erfindung strebt danach, den erheblichen Fehler bei der Messung der Phasenverschiebung zu beseitigen, der von der Modulation des durchgelassenen Signals durch an den Probe/Luft-Zwischenflächen reflektierten Signalen herrührt. Das ist insbesondere bei vielen on-line Meßanwendungen entscheidend, wo es eine Schwankung in der Probendichte oder -dicke gibt, weil dies die Wirkung der Veränderung der effektiven Wegstrecke von den durchgelassenen und reflektierten Signalen in der Probe und folglich des Grads der Amplitudenmodulation des übertragenen Signals hat.

Die Komponente von dem Mikrowellensignal, das an jeder Probe/- Luft-Zwischenfläche reflektiert wird, wird durch den Unterschied in den Brechungsindizes von der Probe und Luft und dem Einfallswinkel bestimmt, und für nicht leitende nicht magnetische Materialien ist er effektiv durch den Unterschied in den relativen Dielektrizitätskonstanten festgelegt. Gemäß einer Ausführung dieser Erfindung umfaßt das Verbessern der Meßgenauigkeit die Verwendung von einem passenden dielektrischen Medium zwischen der die Mikrowelle aussenden Antenne und der Probe, um sekundäre Reflexionen des Mikrowellensignals in der Probe auf das Mindestmaß zurückzuführen. Wenn eine Hornantenne als Sender eingesetzt wird, kann das durch Füllen des Horns mit einem Dielektrikum erreicht werden, daß ein zu der Probe ähnliche Dielektrizitätskonstante hat, und durch Anordnung des Horns, derart, daß der Horn-Probe-Abstand erheblich kleiner als die Wellenlänge von dem Mikrowellensignal ist. Weil sich die effektive Dielektrizitätskonstante von der Probe proportional mit der Probendichte und dem Feuchtigkeitsgehalt ändert, ist eine perfekte dielektrische Übereinstimmung nicht möglich; jedoch ist eine dielektrische Übereinstimmung mit der mittleren effektiven dielektrischen Konstante von der Probe hinreichend, um eine erhebliche Verbesserung in der Meßgenauigkeit zu erhalten.

Die Phasenverschiebung wird aus Meßwerten bei einer Vielzahl von Frequenzen bestimmt, und der Frequenzbereich und die Anzahl von Messungen werden ausgewählt, um den Meßfehler aufgrund von Interferenzen der gesendeten und reflektierten Signale weiter zu reduzieren. Die Periodizität in der Interferenz dieser Signale entspricht einem λ/4 Wegstreckenunterschied zwischen ihnen, und der Schwankungsbereich von der Probendicke und -dichte, damit das passiert, wird von der Meßfrequenz und effektiven Dielektrizitätskonstanten der Probe bestimmt. Die gleiche Periodizität kann bei einer konstanten Probendicke für eine entsprechende Schwan kung Δf von der Meßfrequenz erhalten werden. Die Bestimmung von dem Feuchtigkeitsgehalt aus der Messung der Phasenverschiebung über einen Frequenzbereich Δf (oder nΔf, wobei n eine ganze Zahl ist) wird weniger von der Schwankung in der Probendicke oder -dichte als die Messung bei einer einzigen Frequenz beeinflußt, und eine genauere Messung der Feuchtigkeit ist möglich.

Zum Beispiel wird in Fig. 2 die Veränderung in der Phasenverschiebung bei 2 (λ/4) Abständen in der dielektrischen Wegstrecke wiederholt. Die entsprechende Dicke des Dielektrikums, damit das passiert, wird durch die effektive Dielektrizitätskonstante (Gleichung (6)) von dem Dielektrikum und die Mikrowellenfrequenz (f) bestimmt, und ist durch

λ/2 = c/2f ε*Medium (13)

gegeben, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Für ein Dielektrikum konstanter Dicke wird die gleiche Periodizität in der gemessenen Phasenverschiebung auftreten, wenn die Frequenz von f&sub1; zu f&sub2;, (Δf = f&sub2; - f&sub1;), variiert wird, derart, daß die dielektrische Wegstrecke (nλ&sub1;) bzw. (nλ&sub2; + λ&sub2;/2) ist (wobei n = 1, 2, 3, ...). Jedoch tritt in diesem Fall nur ein einziger Zyklus der Amplitudenschwankung auf, wie in Fig. 4 gezeigt. Die übertragene Signalamplitude variiert auf eine ähnliche Weise, wie in Fig. 4 gezeigt.

Der Fehler bei der Messung der Phasenverschiebung kann dadurch erheblich vermindert werden, daß er aus dem Durchschnitt von mehreren Messungen in dem Frequenzbereich f&sub1; bis f&sub2; bestimmt wird. Vorzugsweise werden Messungen bei 10 oder mehr Frequenzen zwischen f&sub1; und f&sub2; durchgeführt. Jedoch kann eine geringere Anzahl von Messungen verwendet werden, wenn eine geringere Meßgenauigkeit toleriert werden kann. Die Frequenz kann über einen weiteren Bereich nΔf variiert werden (wobei n = 1, 2, 3, ...); jedoch verbessert das die Meßgenauigkeit nicht mehr und hat den Nachteil, daß ein Mikrowellenoszillator mit einer größeren Bandbreite erforderlich ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Einige Ausführungen dieser Erfindung werden im folgenden nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm zeigt, das die durchgelassenen und reflektierten EM-Wellen darstellt, die beim Senden eines Mikrowellensignals durch ein dielektrisches Medium in Luft erzeugt werden;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm zeigt, das die Schwankungen in der Größe der Phasenverschiebung eines durch ein verlustreiches Dielektrikum gesendeten Signals als eine Funktion der Wegstrecke durch das Dielektrikum darstellt;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm zeigt, das die Schwankungen in der Größe der Amplitude von einem durch ein verlustreiches Dielektrikum gesendeten Signals als eine Funktion der Dicke des Dielektrikums darstellt;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm zeigt, das die Schwankungen in der Größe der Phasenverschiebung und Amplitude von einem durch ein verlustreiches Dielektrikum konstanter Dicke als eine Funktion der Frequenz darstellt; und

Fig. 5 ein schematisches Diagramm von einer Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von einer Probe aus der Phasenverschiebung eines gesendeten Mikrowellensignals gemäß dieser Erfindung zeigt.

Wege zum Ausführen der Erfindung

Mit Bezug auf Fig. 5 weist die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung einen Yttrium-Eisengranat (YIG) Oszillator als eine Mikrowellenquelle auf. Der Oszillator ist über den Frequenzbereich 2-4 GHz bei einem Ausgangsleistungswert von ungefähr 30 mW über die Spannung einstellbar. Der Oszillatorausgang wird durch einen schaltbaren Pindiodenmodulator bei einer Frequenz von ungefähr 1 kHz moduliert und von einem Tiefpaßfilter (mit einem 0 bis 4 GHz Durchgangsband) gefiltert, um die Leistungswerte von unerwünschten Harmonischen zu vermindern, die von dem Oszillator erzeugt werden. Nach dem Durchgang durch einen Leistungsteiler wird das Mikrowellensignal über einen Zirkulator an eine Hornantenne zum Senden durch eine Probe gekoppelt, die auf einem Förderband unmittelbar oberhalb des Senders angeordnet ist. Der Empfänger ist eine Hornantenne, die ungefähr 300 bis 500 mm oberhalb des Sender angeordnet ist. Die elektrische Übereinstimmung von dem Senderhorn und der Probe wird durch Füllen des Horns mit Paraffinwachs erreicht, das eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 1,5 und einen vernachlässigbaren dielektrischen Verlust bei 3 GHz aufweist.

Der relative Leistungswert und Phasenunterschied des einfallenden und durchgelassenen Signals werden unter Verwendung einer 8- Anschluß-Verbindung bestimmt, die als ein Vektor-Voltmeter auf eine im wesentlichen bekannte Weise funktioniert. Die reflektierte Leistung an dem Senderhorn wird an der Rückkehröffnung von dem Zirkulator unter Verwendung eines Diodendetektors überwacht. Die Ausgangsspannung von dem Diodendetektor wird zu einem mit Wechselstrom gekoppelten Instrumentenverstärker geführt, jeweils mit einer einstellbaren Ausgangsverstärkung von 30 bis 1000, und die Spannung wird mit einem Datenschreiber gemessen, der an einen IBM-PC Computer angeschlossen ist.

Die Wirkung der dielektrischen Übereinstimmung von dem Sender und der Probe wurde aus vorläufigen Messungen an einer Akrylglasprobe bestimmt. Akrylglas wurde verwendet, weil es eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante und einen relativ niedrigen Verlustfaktor hat, 2,25 bzw. 0,02 bei 3 GHz, für die die vorhergesagte Verbesserung der Meßgenauigkeit innerhalb der Meßgrenze der Meßtechnik lag, und die Dicke genau gemessen werden konnte. Messungen wurden für eine 6 bis 66 mm dicke Probe in 6 mm Schritten unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 5 mit und ohne dielektrische Übereinstimmung von dem Sender durchgeführt. Messungen von der Phasenverschiebung wurden linear mit der Probendicke unter Verwendung der Regression kleinster Quadrate korreliert, und die mittleren quadratischen Fehler, die von diesen Korrelationen erhalten wurden, sind unten in Tabelle 1 dargestellt. Die mittleren quadratischen Fehler in Tabelle 1 stellen den statistischen Gesamtmeßfehler dar, und eine Komponente davon ist der Fehler aufgrund der Interferenz durchgelassener und reflektierter Signale. Für die Phasenverschiebung gibt es ungefähr eine 3,6-fache Verbesserung bei der Messung.

TABELLE 1 Mittlere quadratische Fehler für Korrelationen der Phasenver­schiebung gegenüber der Dicke von Meßwerten, die die Meßvor­richtung in Fig. 1 verwenden.

Mittlerer relativer %-Fehler = (mittlerer quadratischer Fehler/mittlere Phasenverschiebung · 100%).

Um Phasenverschiebungstechniken für die Bestimmung der Feuchtigkeit in Kohle zu vergleichen, wurden Messungen an einem Bereich der gesamten Produktkohlen. (von NSW Kohle-Waschwerken) unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 5 durchgeführt. Einzelheiten der Kohleproben, die für diese Messungen verwendet wurden, sind in Tabelle 2 angegeben.

TABELLE 2 Asche und Teilchengröße-Verteilungen von Kohleproben, die in Labormessungen an der Prototyp-Mikrowellenfeuchtigkeitsmeßvor­richtung eingesetzt wurden.

*F: Gesamte Produktkohle gebrochen. B: Mischung.

Alle sind leichtflüchtige A und mittelflüchtige bituminöse (ASTM Rang) Kohlen von Waschwerken der Broken Hill Proprietary Company Limited (BHP).

B1: Mischung aus F1-F4, die als Füllung für BHP Newcastle Koksofen verwendet wird.

+ Asche, bestimmt auf luftgetrockneter Basis.

Proben mit bekanntem Feuchtigkeitsgehalt wurden durch sorgfältige Trocknung einer 30 kg Probe von jeder der in Tabelle 2 angegebe nen Kohlen (in einem Luftofen bei 105ºC) und schrittweisen Hinzufügen von ausreichend Wasser präpariert, um eine bekannte Feuchtigkeit in dem Bereich von 0-15 Gew.-% zu erhalten. Bei jeder Stufe des Hinzufügen von Feuchtigkeit wurde die Probe gemischt, bis sie vollständig homogen war, und einzelne Unterproben wurden für eine Feuchtigkeitsbestimmung entnommen. Die Genauigkeit von der Feuchtigkeitsbestimmung durch Ofentrocknung lag ungefähr bei ±0,1% Feuchtigkeit. Die Proben wurden zur Analyse in einen Holzprobenbehälter gepackt (Abmessung 320 · 360 · 250 mm) mit Höhen von ungefähr 50, 100, 150, 200 und 250 mm). Bei der Standardmeßgeometrie war der Probenbehälter mittig unmittelbar oberhalb des mit Dielektrikum gefüllten Senderhorns angeordnet. Die Masse pro Flächeneinheit (W) von jeder Probe in dem Meßweg wurde aus dem Probengewicht und den Probenbehälterabmessungen berechnet. Die Phasenverschiebung bei jeder Probenhöhe und jedem Feuchtigkeitsgehalt wurde aus dem Mittelwert von 100 Messungen von der Leistung der 8-Anschlußverbindung berechnet. Die Phasenverschiebung von dem leeren Probenbehälter wurde von diesen Meßwerten abgezogen, damit sich eine Phasenverschiebung nur aufgrund der Probe ergibt.

Die Phasenverschiebung (φ) wurde bei 21 Frequenzen (Schritte von 0,05 GHz) in dem Bereich von 2,8 bis 3,8 GHz gemessen. Für Probe F1 wurde die Phasenverschiebung auch bei einer Frequenz von 3,3 GHz bestimmt. Das gemessene φ/W wurde mit ofengetrockneter Feuchtigkeit (M) unter Verwendung einer Anpaßtechnik kleinster Quadrate und Gleichungen der Form

M = d&sub0; + d&sub1; (φ/W) + d&sub2; (φ/W)² (14)

korrelliert, wobei d&sub0;, d&sub1;, d&sub2; Anpaßkonstanten sind. Die mittleren quadratischen Fehler für die Korrelation von einer einzigen und von mehreren Frequenzmessungen an der Probe F1 sind in Tabelle 3 dargestellt.

TABELLE 3 Mittlere quadratische Fehler für Korrelationen der Phasenver­schiebung gegenüber ofengetrockneter Feuchtigkeit.

* 21 Messungen (Schritte von 0,05 GHz)

Diese Ergebnisse zeigen auch an, daß es eine erhebliche Verbesserung in der Meßgenauigkeit gibt, wenn Mehrfrequenzmessungen verwendet werden. Der Anteil der mittleren quadratischen Fehler, der der beobachteten Verbesserung in der Meßgenauigkeit entspricht, ist 0,14 Gew.-% Feuchtigkeit für die Phasenverschiebung.

Vergleichsbeispiel

Messungen des Feuchtigkeitsgehalts, die aus Messungen der Abschwächung und Phasenverschiebung abgeleitet wurden, wurden für die Proben F1-F4 und B1 bestimmt. Die mittleren quadratischen Fehler für Mehrfrequenzmessungen sind in Tabelle 4 dargestellt. Der mittlere quadratische Fehler für alle Proben ist 0,37 und 1,14 Gew.-% Feuchtigkeit für die Phasenverschiebung bzw. Abschwächung, was ungefähr eine dreifache Verbesserung in der Meßgenauigkeit anzeigt, wenn eine Messung der Phasenverschiebung für die Bestimmung der Feuchtigkeit in Kohle verwendet wird.

TABELLE 4 Korrelation zwischen Messung der Feuchtigkeit und ofengetrock­neter Feuchtigkeit für Proben B1 und F1-F4 bei Feuchtigkeits­gehalten in dem Bereich von 0-15 Gew.-% Feuchtigkeit.

+ Messungen bei fünf Höhen bei jeder der sechs Feuchtigkeiten.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts einer Probe ungleicher Dicke auf einem Förderband, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

eine Generiervorrichtung zum Generieren von Mikrowellensignalen bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen, wobei die Generiervorrichtung angepaßt ist, um die Mikrowellensignale sequenziell bei Frequenzen zu generieren, die ausgewählt sind, um eine frequenzabhängige zyklische Schwankung der Ausbreitungscharakteristiken der Mikrowellensignale zu kompensieren, die durch eine Probe ungleicher Dicke gesendet werden;

eine erste Antenne zur Anordnung auf einer Seite des Förderbands, um die Mikrowellensignale durch die Probe zu lenken;

eine zweite Antenne zur Anordnung auf der gegenüberliegenden Seite des Förderbands, um die Mikrowellensignale aufzunehmen, die durch die Probe gesendet werden; und

eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Meßwerts der Masse pro Flächeneinheit der Probe;

wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Meßwerten der Phasenverschiebungen der empfangenen Signale bezüglich der bei den diskreten Frequenzen gesendeten Signale; und

eine Vorrichtung zum Generieren eines Meßwerts des Feuchtigkeitsgehalts der Probe basierend auf den Meßwerten der Phasenverschiebungen und der Masse pro Flächeneinheit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Frequenzen den gleichen Abstand haben und den Bereich von einer oder mehreren Perioden der frequenzabhängigen zyklischen Schwankung in den Ausbreitungscharakteristiken in der Probe einschließen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Generieren eines Meßwerts des Feuchtigkeitsgehalts angepaßt ist, um die Phasenverschiebungen der jeweiligen Signale zu mitteln, um eine einzige repräsentative Phasenverschiebung bereitzustellen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Bereitstellen eines Meßwerts pro Flächeneinheit der Probe Meßwerte der Dichte und Dicke verwendet.

5. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl diskreter Frequenzen in dem Frequenzbereich von 2 bis 4 GHz liegt.

6. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl diskreter Frequenzen größer als 10 ist.

7. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß Material, das eine passende Impedanz und eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die ähnlich zu der von der Probe ist, zur Verfügung gestellt und zwischen der ersten Antenne und der Probe beim Einsatz der Vorrichtung angeordnet wird, um eine Interferenz der gesendeten Signale mit Signalen zu reduzieren, die von der Probe reflektiert werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von der ersten Antenne zu der Probe beim Einsatz der Vorrichtung wesentlich geringer als die Wellen längen der Mikrowellensignale ist.

9. Verfahren für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts einer Probe ungleicher Dicke auf einem Förderband, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Senden von Mikrowellensignalen durch die Probe bei einer Vielzahl diskreter Frequenzen, wobei die Mikrowellensignale sequenziell bei Frequenzen generiert werden, die ausgewählt sind, um eine frequenzabhängige zyklische Schwankung der Ausbreitungscharakteristiken der Mikrowellensignale zu kompensieren, die durch eine Probe ungleicher Dicke gesendet werden; und

Bereitstellen eines Meßwerts der Masse pro Flächeneinheit der Probe;

wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Bereitstellen von Meßwerten der Phasenverschiebungen der empfangenen Signale bezüglich der bei den diskreten Frequenzen gesendeten Signale; und

Generieren eines Meßwerts des Feuchtigkeitsgehalts der Probe basierend auf den Meßwerten der Phasenverschiebungen und der Masse pro Flächeneinheit.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Frequenzen den gleichen Abstand haben.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungen gemittelt werden, um eine einzige repräsentative Phasenverschiebung bereitzustellen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl diskreter Frequenzen in dem Frequenzbereich von 2 bis 4 GHz liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl diskreter Frequenzen größer als 10 ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, desweiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens eines Materials, das eine passende Impedanz und eine dielektrische Konstante aufweist, die ähnlich zu der von der Probe ist, zwischen der Probe und einer Antenne, die die Signale sendet.

15. Verfahren nach Anspruch 14, desweiteren gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens der Antenne in einem Abstand von der Probe, der wesentlich geringer als die Wellenlängen der Mikrowellensignale ist.







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