DE1264106B

DE1264106B - Device for determining material properties, in particular for moisture measurement, with microwaves

Info

Publication number: DE1264106B
Application number: DEB80609A
Authority: DE
Inventors: Charles William Eden Walker
Original assignee: Beloit Iron Works Inc
Current assignee: Beloit Iron Works Inc
Priority date: 1958-01-23
Filing date: 1959-01-23
Publication date: 1968-03-21

Description

Vorrichtung zum Feststellen von Materialeigenschaften, insbesondere zur Feuchtemessung, mit Mikrowellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Feststellen von Materialeigenschaften mit Hilfe von Mikrowellen, wie sie insbesondere zur Feuchtemessung Anwendung finden kann.Device for determining material properties, in particular for moisture measurement, using microwaves The invention relates to a device for determining material properties with the aid of microwaves, such as those in particular can be used for moisture measurement.

Bei Vorrichtungen dieser Art, insbesondere bei Vorrichtungen zur Feuchtemessung an bewegten Bändern mit Mikrowellenenergie, ist der Meßeflekt nur relativ klein, so daß anderweitige Einflüsse auf die Mikrowellenenergie das Meßergebnis wesentlich beeinträchtigen oder sogar vollständig verfälschen können. In devices of this type, especially in devices for Moisture measurement on moving belts with microwave energy is the only measurement fleck relatively small, so that other influences on the microwave energy affect the measurement result can significantly impair or even completely falsify.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung dieser Art aufzuzeigen, bei welcher die Mikrowellenverluste auf ein Mindestmaß herabgedrückt sind. It is therefore the object of the invention to provide a device of this type to show at which the microwave losses are kept to a minimum are.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mikrowellen im Inneren eines Hohlleiters geführt sind und das zu untersuchende Material an der Hohlleiteraußenseite anliegt und der Hohlleiter derartig ausgebildet ist, daß die im Inneren geführte Welle mit dem außenliegenden Material gekoppelt ist. Vorzugsweise sind dabei in der einen Hohlleiterseitenwand mehrere Auskoppelöffnungen vorgesehen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese die Öffnungen aufweisende Hohlleiterseitenwand eben ausgebildet ist und die Welle im Inneren des Hohlleiters derart geführt ist, daß die magnetischen Kraftlinien der Welle senkrecht zu dieser Seitenwand verlaufen. This object is achieved according to the invention in that the microwaves are guided inside a waveguide and the material to be examined on the Waveguide outside rests and the waveguide is designed such that the internally guided wave is coupled to the external material. Preferably a plurality of coupling-out openings are provided in one waveguide side wall. It has proven to be advantageous if this waveguide side wall having the openings is flat and the shaft is guided in the interior of the waveguide in such a way that the magnetic lines of force of the shaft are perpendicular to this side wall.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention is described below with reference to schematic drawings explained in more detail using an exemplary embodiment.

F i g. 1 zeigt im Prinzip eine Meßanordnung zum Feststellen der Eigenschaften eines Mikrowellen beeinflussenden Materials, wie es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung findet; F i g. 2 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung der Mikrowellenführung als Hohlleiter; Fig. 3 zeigt einen Querschnitt dieser Hohlleiteranordnung nach F i g. 2 längs der Linie III-III. F i g. 1 shows in principle a measuring arrangement for determining the properties a microwave influencing material, as in the device according to the invention Applies; F i g. 2 shows the embodiment of the microwave guide according to the invention as a waveguide; Fig. 3 shows a cross section of this waveguide arrangement according to F. i g. 2 along the line III-III.

Wenn sich Mikrowellenenergie längs einer Wellenführung und eines Körpers aus festem Material z. B. When microwave energy travels along a waveguide and a Solid material body e.g. B.

Iängs einer Papierbahn, die in unmittelbarer Nähe der Wellenführung angeordnet ist, fortpflanzt, zeigt es sich, daß die von der Papierbahn mitgeführte Feuchtigkeit einen Energieverlust hervorruft, der ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt der Bahn bildet.Along a paper web that is in the immediate vicinity of the wave guide is arranged, propagates, it turns out that the carried by the paper web Moisture causes a loss of energy, which is a measure of the moisture content the train forms.

Der Ausdruck »Mikrowellen« bezeichnet im folgenden Hochfrequenzwellenlängen in der Größenordnung von einigen Metern oder darunter. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere mit Wellenlängen von 2,5 cm oder weniger innerhalb des Hochfrequenzspektrums gearbeitet. Es wurde entdeckt, daß die längs einer Wellenführung ausgesandte Mikrowellenenergie bei bestimmten kritischen Frequenzen im Mikrowellenbereich, z. B. bei 22235 MHz von der Dicke der Papierbahn verhältnismäßig unbeeinflußt bleibt, während sie für den Feuchtigkeitsgehalt des Körpers in kritischer Weise empfindlich ist.The term "microwaves" denotes high-frequency wavelengths in the following on the order of a few meters or less. In the inventive In particular, the method is used with wavelengths of 2.5 cm or less within the High frequency spectrum worked. It was discovered that the microwave energy emitted along a waveguide at certain critical frequencies in the microwave range, e.g. B. at 22235 MHz remains relatively unaffected by the thickness of the paper web while it is for the body's moisture levels are critically sensitive.

Diejenigen kritischen Frequenzen, bei denen die auf die Feuchtigkeit oder einen anderen Bestandteil zurückzuführende Absorption ein Maximum ist, werden nachstehend als »Resonanzabsorptionsfrequenzen« bezeichnet.Those critical frequencies at which those affect the moisture or another component due to absorption is a maximum hereinafter referred to as "resonance absorption frequencies".

In Fig. 1 ist dieses Meßprinzip schematisch angedeutet. Bei der gezeigten Einrichtung wird Mikrowellen energie durch eine geeignete Quelle 10 erzeugt und mit Hilfe einer Wellenführung 11 an eine geeignete Kopplungs- oder Wellenzuführungseinrichtung 13 abgegeben, damit die Energie längs einer offenen Wellenführung 15 abgestrahlt wird. Die Wellenführung 15 kann aus einem Draht bestehen, dessen Außenfläche vorzugsweise einen guten elektrischen Leiter bildet und nicht etwa einen Halbleiter oder Isolator. Der Draht kann z. B. aus gehärtetem Stahl bestehen und sich in gleitender Berührung mit einer laufenden Papierbahn 17 befinden. Alternativ kann die Wellenführung einen aus Metall hergestellten Leiter umfassen, der mit einem dünnen Überzug aus verschleißfestem Material versehen ist, welcher in gleitender Berührung mit der Bahn steht; ein geeignetes Überzugsmaterial ist ein keramischer Aluminiumoxydkörper, der unter der Bezeichnung »Rockide« erhältlich ist. Bei einer derartigen durch einen offenen Draht gebildeten Wellenführung umgibt die Mikrowellenenergie die Führung bis zu einem Abstand von etwa einer Wellenlänge von der Außenseite der Führung. This measuring principle is indicated schematically in FIG. 1. With the one shown Device is generated by a suitable source 10 and microwave energy with the aid of a wave guide 11 to a suitable coupling or shaft feed device 13 released so that the energy is radiated along an open wave guide 15 will. The wave guide 15 can consist of a wire, the outer surface of which is preferably forms a good electrical conductor and not a semiconductor or insulator. The wire can e.g. B. made of hardened steel and are in sliding contact with a running paper web 17 are located. Alternatively, the wave guide can be a made of metal include conductors with a thin coating wear-resistant Material is provided which is in sliding contact with the web; a suitable one The coating material is a ceramic aluminum oxide body, known under the name "Rockide" is available. In one such formed by an open wire Wave guide surrounds the microwave energy the guide up to a distance of about a wavelength from the outside of the guide.

Um eine elektrische Anzeige der von der Papierbahn 17 absorbierten Energiemenge und damit eine Anzeige des Feuchtigkeitsgehalts der Papierbahn zu erhalten, kann man geeignete Fühlmittel 20 und 21 für Mikrowellenenergie so anordnen, daß sie mit der Wellenführung 15 gekoppelt sind, wobei sie unter Berücksichtigung des zu messenden Energieverlustes in einem geeigneten Abstand angeordnet sind. Als solche Fühlmittel kann man Bolometer, Kristalldetektoren od. dgl. verwenden, die mit der sich längs der Wellenführung fortpflanzenden Mikrowellenenergie kapazitiv oder induktiv gekoppelt sind. Die Ausgangssignale der Fühlmittel 20 und 21 können durch beliebige geeignete elektrische Mittel miteinander verglichen werden, damit man ein Maß für die durch den Feuchtigkeitsgehalt der Papierbahn absorbierte Energie erhält. Man kann die Ausgangssignale der Fühlmittel 20 und 21 z. B. an ein geeignetes Quotientenmeßgerät oder eine Brückenschaltung anlegen, wie man sie gewöhnlich zum Messen der Verhältnisse von stehenden Mikrowellen benutzt. Als Beispiel für ein geeignetes handelsübliches Gerät sei der Quotientenmesser Hewlett-Packard Model 416 A genannt. Jenseits des zweiten Fühlgeräts 21 kann man geeignete Absorptionsmittel 25 z. B. Wasser, anordnen, um eine Reflexion der Mikrowellenenergie zu verhindern. Ein geeignetes Meßgerät ist bei 23 schematisch angedeutet; es kann mit einer geeigneten Skala versehen sein, um einen zahlenmäßigen Wert anzuzeigen, der in Beziehung zu der von der Papierbahn absorbierten Energie steht, z. B. einen Unterschied oder ein Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal der Fühlmittel 20 und dem Ausgangssignal der Fühlmittel 21. Man kann das Meßgerät eichen, indem man Mikrowellenenergie längs der Wellenführung 15 fortleitet, während keine feuchte Papierbahn 17 vorhanden ist, oder nachdem man diese durch eine vollständig trockene Bahn ersetzt hat. To provide an electrical indication of the amount absorbed by the paper web 17 To obtain the amount of energy and thus an indication of the moisture content of the paper web, one can arrange suitable sensing means 20 and 21 for microwave energy so that they are coupled to the wave guide 15, taking into account the to be measured energy loss are arranged at a suitable distance. As such Sensing means can od bolometers, crystal detectors. Like. Use that with the microwave energy propagating along the wave guide capacitively or inductively are coupled. The output signals of the sensing means 20 and 21 can be by any suitable electrical means can be compared with one another in order to obtain a measure of receives the energy absorbed by the moisture content of the paper web. Man the output signals of the sensing means 20 and 21 z. B. to a suitable quotient measuring device or create a bridge circuit, as is commonly used to measure ratios used by standing microwaves. As an example of a suitable commercial one The device is called the Hewlett-Packard Model 416 A quotient meter. Beyond the second sensing device 21 can be suitable absorbent 25 z. B. water, arrange, to prevent reflection of the microwave energy. A suitable measuring device is indicated schematically at 23; it can be provided with a suitable scale, to indicate a numerical value related to that of the paper web absorbed energy, e.g. B. a difference or a relationship between the output signal of the sensing means 20 and the output signal of the sensing means 21. Man the measuring device can be calibrated by applying microwave energy along the wave guide 15 forwarded while no moist paper web 17 is present, or after one replaced it with a completely dry web.

Die F i g. 2 und 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem die Wellenführung 15 durch einen rechteckigen Wellenleiter 26 ersetzt ist. The F i g. 2 and 3 show an embodiment according to the invention, in which the waveguide 15 is replaced by a rectangular waveguide 26.

Die Bahn 27 aus Papier od. dgl. bewegt sich in Richtung des Pfeils 28 in gleitender Berührung mit einer Seitenfläche29 des rechteckigen Wellenleiters 26, die mehrere Öffnungen 30 aufweist. Die Mikrowellenenergie pflanzt sich längs des Wellenleiters 26 in dessen Innerem vorzugsweise so fort, daß der elektrische Vektor allgemein parallel zu der Seitenfläche 29 verläuft, während sich der magnetische Vektor allgemein rechtwinklig zu dieser Seitenfläche erstreckt; die magnetischen Feldlinien können sich durch die aufeinanderfolgenden Öffnungen 30 erstrecken, so daß eine Kopplung mit der Bahn 27 eintritt, die es ermöglicht, deren Feuchtigkeitsgehalt zu fühlen. An den entgegengesetzten Enden der Reihe von Löchern 30 kann man innerhalb des Wellenleiters geeignete Fühlmittel anordnen, um ein Maß für die durch die Bahn 27 absorbierte Energie zu erhalten; dies geschieht in der gleichen Weise, wie es in Fig. 1 für eine Wellenführung mit einem offenen Draht gezeigt ist.The web 27 made of paper or the like moves in the direction of the arrow 28 in sliding contact with a side surface 29 of the rectangular waveguide 26, which has a plurality of openings 30. The microwave energy is planted lengthways of the waveguide 26 in its interior preferably so that the electrical Vector runs generally parallel to the side surface 29, while the magnetic vector extends generally at right angles to that side surface; the magnetic Field lines can extend through the successive openings 30, so that a coupling occurs with the web 27, which enables its moisture content to feel. At opposite ends of the row of holes 30 you can get inside of the waveguide arrange suitable sensing means to provide a measure of the path through the path 27 to get absorbed energy; this happens in the same way as it does is shown in Fig. 1 for a waveguide with an open wire.

Die Mikrowellenenergie kann frequenzmoduliert sein um die Wirkungen von stehenden Wellen u. dgl. auszumitteln. The microwave energy can be frequency modulated around the effects average of standing waves and the like.

Ferner sei bemerkt, daß man bei sämtlichen Ausführungsbeispielen vorzugsweise Mikrowellenenergie mit einer Resonanzabsorptionsfrequenz verwendet, um das Vorhandensein des betreffenden Bestandteils in der Probe festzustellen. In jedem Fall erhält man ein elektrisches Maß für die von der Probe absorbierte Energie, und diese Energie kann je nach der Art der benutzten Fühlmittel amplituden- oder impulsmoduliert sein. It should also be noted that in all of the exemplary embodiments preferably uses microwave energy with a resonance absorption frequency, to determine the presence of the constituent in question in the sample. In in each case one obtains an electrical measure for the energy absorbed by the sample, and this energy can, depending on the type of sensing means used, be amplitude or be pulse modulated.

Die Erfindung läßt sich natürlich zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehalts od. dgl. von ruhenden sowie von sich bewegenden Körpern benutzen. Allgemein richtet sich die Erfindung auf die Feststellung des Feuchtigkeitsgehalts od. dgl. von nichtmetallischen anorganischen und organischen Stoffen. Eine besondere Anwendbarkeit der Erfindung dürfte bei Getreideerzeugnissen, getrockneten Nahrungsmitteln, Mehl, Nährmitteln, Backzutatengemischen, getrockneten Proteinen, Kohlehydraten, Zellulosematerialien, flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen, Petroleumerzeugnissen u. dgl. gegeben sein. The invention can of course be used to determine moisture content or the like of resting and moving bodies. Generally aimed The invention relates to the determination of the moisture content or the like of non-metallic inorganic and organic substances. A particular applicability of the invention is likely to be used in cereal products, dried foods, flour, nutrients, Mixtures of baking ingredients, dried proteins, carbohydrates, cellulose materials, liquid and gaseous hydrocarbons, petroleum products and the like be.

Claims

Claims: 1. Device for determining material properties, especially for moisture measurement with the help of microwaves, marked thereby e i c h n e t that the microwaves are guided inside a waveguide (26) and the material to be examined (27) rests against the waveguide outer side (29) and the waveguide is designed such that the wave guided inside with the external material is coupled.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the several decoupling openings (30) are provided on a waveguide side wall.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the waveguide side wall having the openings is flat and the Wave inside is guided in such a way that the magnetic lines of force are perpendicular run to this side wall.