DE2714094C3

DE2714094C3 - Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehaltes von isotropen Materialien mit Hilfe der Mikrowellenabsorption

Info

Publication number: DE2714094C3
Application number: DE2714094A
Authority: DE
Inventors: Norbert 5672 Leichlingen Bollongino; Hans-Georg Dr. 5074 Odenthal Fitzky; Helmut 5090 Leverkusen Rehrmann; Franz 5000 Koeln Schmitt
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Mahlo GmbH and Co KG
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1980-04-17
Also published as: GB1570554A; DE2714094B2; BE865470A; SE7803546L; CH626726A5; US4203067A; DE2714094A1; IT1093939B; IT7821681A0; JPS53131898A; FR2386033B1; NL7803271A; FR2386033A1; DK137678A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Wassergehaltes von elektrisch nicht leitenden Pulvern, Granulaten, Pasten und anderen isotropen Materialien, bestehend aus einem frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator, der in einer Transmissionsanordnung einen Monomode-Hohlraumresonator speist, der in ganzer Höhe von einem durch die Mitte des Resonators gehenden Schutzrohr aus einem Material mit geringen dielektrischen Verlusten und geringer Wasseraufnahme durchsetzt ist, innerhalb dem die Probe im elektrischen Feldmaximum einer stehenden Welle des Resonators angeordnet ist. Zu der Vorrichtung gehört ferner eine Einrichtung zur Messung der durch die Probe bedingten Güteänderung des Resonators.

Die schnelle Bestimmung des Wassergehaltes von Pulvern, Granulaten, Pasten und Fasermaterialien ist von Bedeutung für die großtechnische Herstellung dieser Materialien. Als Beispiele werden angeführt: pharmazeutische Produkte, Kunststoff granulate, Waschmittelrohrstoffe und Fertigprodukte, Baustoffe und Keramikvorprodukte und landwirtschaftliche Erzeugnisse.

Zur Überwachung der industriellen Produktion und Verarbeitung dieser Produkte wird eine schnell arbeitende Meßeinrichtung benötigt, deren Meßresultate unter anderem zur Steuerung des Betriebsablaufs oder zur Qualitätskontrolle bei der Endabnahme dienen können.

In der Literatur beschriebene Geräte zur Messung des Wassergehaltes von Schüttgütern, Pasten usw. sind meist als Freistrahlgeräte konzipiert, die zur Kontrolle von kontinuierlich bewegtem Material vorgesehen sind und die wegen der schwankenden Schüttdichte und Reflexion der Meßstrahlung nur relativ ungenaue Resultate liefern, bzw. deren technische Ausführung nicht zur schnellen und präzisen Routinemessung in Betriebslaboratorien geeignet ist (DT-OS 2017061 und DT-OS 2309278). In der GIT-Fachzeitschrift für das Laboratorium, Band 1974, Seite 869 bis 880 und ticite 994 bis 1000 werden Mikrowellenfeuchte-Meßgeräte für pulverförmige oder granulatförmige Produkte beschrieben. Als Meßgröße wird die Güteänderung des Resonators durch die Probe benutzt. Der Resonator wird mit einem frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator gespeist. Der Frequenzhub wird dabei so groß gewählt, daß die Resonanzkurve des Resonators sowohl im leeren als auch im gefüllten Zustand (mit Probe) vollständig überstrichen, wird. Hinter dem Transmissionsresonator befindet sich ein Mikrowellendetektor, dessen Gleichspannungssignal ein direktes Maß für die Materialfeuchte liefert. Auf Seite 880 des Artikels wird eine Mikrowellenmeßanordnung beschrieben, bei der eine relativ kleine Substanzmenge (0,2 cm³) in das elektrische Feldmaximum eines H₁₀₃-Rechteckresonators eingebracht wird. Größere Probenvolumina wurden die Feldverteilung zu stark stören. Die Probe befindet sich hierbei in einem senkrecht zur Resonatorachse verlaufenden durchgehenden Quarzrohr, das beheizt bzw. gekühlt werden kann. Größere Probenvolumina und grobkörnige Materialien können aufgrund der unsymmetrischen Feldverteilung im Resonator nicht gemessen werden.

In dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 1883900 wird ein Hohlraumresonator zur Messung von Real- und Imaginärteilfester Proben beschrieben. Daraus geht hervor, daß ein Resonator, der mit dem E₀₁₀-Feldtyp angeregt wird, nur zur Messung von kleineren Proben geeignet ist, während relativ große

Proben den Nachteil mit sich bringen, daß der Resonator in umständlicher und zeitraubender Weise beschickt bzw. entleert werden muß. Nach der Beschikkung mit der Probe muß nämlich die zur Einführung der Probe notwendige Resonatoröffnung mit einem relativ großen metallischen Deckel hochfrequenzdicht verschlossen werden. Aus diesem Grund wird vorgeschlagen, anstelle des E_0I(l-Feldtyps einen Resonator mit dem E₀₂₀-Feldtyp zu verwenden.

Bei der Untersuchung von pulver- und granulatförmigen Proben in Mikrowellenfeuchte-Meßgeräten nach dem Stand der Technik hat sich gezeigt, daß die Meßgenauigkeit vom Probenvolumen abhängt. Ferner hat sich gezeigt, daß selbst geringe Schüttdichte-Variationen des Produktes das Meßergebnis nennenswert beeinflussen. Der zuletzt genannte Effekt wirkt sich besonders störend aus, wenn derartige Geräte als Routinemeßgeräte im Labor benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vielseitiges, für den praktischen Einsatz in der Industrie bestimmtes Feuchtemeßgerät auf der Basis der Mikrowellenabsorption zu entwickeln. Vielseitig heißt dabei, daß

a) das Gerät für die Messung von Proben unterschiedlicher Form und Beschaffenheit, wie z. B. Pulver, Granulate, Kräuselfasern, Pasten, in einem Gewichtsbereich von 0,1 bis 5 g geeignet ist und

b) daß mit ein und demselben Gerätetyp ein möglichst weiter Meßbereich (0,01 bis 20 Gew.-% Wasser) erfaßt werden kann, ohne daß hierzu komplizierte Umbauten erforderlich sind. Dabei soll die relative Meßgenauigkeit nach Möglichkeit besser als ±1 % sein und nicht durch geringe Schüttdichte-Variationen beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen Mikrowellenmeßanordnung, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Monomode-Hohlraumresonator zylindrisch ausgebildet und von E₀₁₀-Feldtyp ist und daß das Schutzrohr in der Resonatorachse Z angeordnet ist und daß eine in das Schutzrohr einführbare Probenkammer vorgesehen ist, deren Durchmesser bis zu 25% des Resonatorinnendurchmessers und deren Höhe bis zu 50% der Resonatorhöhe beträgt.

Zweckmäßig weist der Resonator an seinem Zylindermantel Irisblenden zur magnetischen Ein- und Auskopplung auf, deren Durchmesser in Abhängigkeit vom jeweiligen Feuchtemeßbereich gewählt ist.

Die Probenkammer ist vorzugsweise in einem zylindrischen PTFE-Hohlkörper angeordnet, der durch Führungsnnge ober- und unterhalb der Probenkammer in dem axialen Schutzrohr gegen ein seitliches Verkippen gesichert ist und der Anschläge zur exakten Positionierung in axialer Richtung aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Meßanordnung ein Mikrowellenoszillator verwendet wird, dessen Frequenzhub derart begrenzt ist, daß die vollständige Resonanzkurve des mit dem gefüllten oder leeren Probenbehälters beschickten Meßresonators überdeckt wird, dagegen bei leerem Meßresonator keine Erregung stattfindet. Der praktisch verwendete Frequenzbereich liegt zwischen 2 und 30 GHz, wobei der Frequenzhub zwischen 10 und 1000 MHz und die Modulationsfrequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz liegt. Die Messung des Fransmissionssignals und damit der produktabhängigen Mikrowellenabsorption

erfolgt zweckmäßig mit einer Differenzschaltung, die die Differenz zwischen den gleichgerichteten Mikrowellensignalen am Eingang des Resonators (Referenzsignal) und dem gleichgerichteten Mikrowellensignal am Ausgang des Resonators (Transmissionssignal) bildet und das Ergebnis digital anzeigt.

Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß eine annähernd gleichbleibend hohe Meßgenauigkeit auch bei veränderlicher Schüttdichte des pulverförmige Gutes in der Meßzelle erfeicht wird. Die typische Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit erreicht bis zu ±0,5% des Meßwertes. Mit dem erfindungsgemäßen Gerät können die oben erwähnten isotropen Materialien in Mengen bis zu 6 g im Restfeuchtebereich in zufriedenstellender Weise gemessen werden. Höhere Feuchten können durch Verminderung der Resonatorgüte oder durch Verminderung des Probenvolumens erfaßt werden. Im allgemeinen lassen sich mit einer derartigen Meßan-Ordnung Feuchtewerte von maxirr..; 20 Gew.-% noch gut erfassen. Gröbere Pulver oder Grinulate (Korndurchmesser ab 1 mm) erfordern zur Ermittlung repräsentativer Feuchtegehalt größere Meßvolumina (z. B. 0,1 bis 1 1).

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die für die Einführung der Probenkammer bestimmten, relativ großen öffnungen an der Resonatorober- und Unterseite zur Homogenisierung des Meßfeldes im Bereich des Probenvolumens beit/agen. Die FeIdhomogenität wird außerdem durch das Quarzschutzrohr unterstützt, das den zylindrischen Resonator in ganzer Höhe durchsetzt. Der E₀₁₀-Feldtyp mit seinem streng rotationssymmetrischen Meßfeld bewirkt also in Verbindung mit den relativ großen Resonatoröffnungen, daß ein großer Teil des Resonatorvolumens mit der Probe ausgefüllt werden kann, ohne daß Feldinhomogenitäten zu befürchten sind. Die unerwartet hohe azimutale und axiale Feldhomogenität ir; einem großen Probenvolumen hat zum ersten Mal den Bau eines industriellen Mikrowellenfeuchtemeßgeräts ermöglicht, das eine Untersuchung der verschiedensten Probenmaterialien gestattet und vom Prinzip her einen weiten Feuchtgehaltsmeßbereich überstreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die Resonatormeßzelle mit dem Probenbehälter, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild für das Mikrowellenfeuchte-Meßgerät auf der Basis der Resonatormeßzelle.

Der Monomode-Resonator gemäß Fig. 1 besteht aus einem zylindrischen Hohlraum 1, in dem der zylindersymmetrische Feldtyp E₀₁₀ angeregt ist. In der Mitte des Resonators ist ein Quarzrohr 2 für die Aufnahme des Probenbehälters 3 so angebracht, daß die Achse des Probenbehälters mit der Resonatorachse Z zusammenfällt. Zu diesem Zweck ist der Resonator mit entsprechenden Bohrungen für die Durchführung des Probenbehälters versehen. Der Probenbehälter 3 besteht aus einem PTFE-Rohr, das am oberen Ende einen Deckel bzw. Griff 4 trägt. Die eigentliche Probenkammer 5 ist nach oben durch die Zwischenwand 6 und nach unten durch das Abschlußstück 7 begrenzt. Das Abschlußstück 7 dient zum Verschließen der Probenkammer 5 und ist zu diesem Zweck mit einem Bajonettverschluß 8 ausgerüstet. Zum Fül-

len des Probenbehälters 3 wird dieser mit dem Dekkel 4 auf eine Waage gestellt und jeweils eine gleichbleibende Pulvermenge in die Kammer 5 eingewogen. Anschließend wird das Abschlußstück 7 eingesetzt und der Probenbehälter 3 in den Resonator 1 eingeführt. Die Anschläge 9 gewährleisten eine exakte Positionierung in axialer Richtung.

Die Führungsringe 10 verhindern ein seitliches Verkippen des Probenbehälters. Das Volumen der Probenkammer 5 ist so bemessen, daß ihr Durchmesser auf maximal 25% des Resonatorinnendurchmessers und ihre Länge auf maximal 50% der Resonatorhöhe beschränkt ist.

Die An- bzw. Auskopplung des Resonators 1 erfolgt über die gegenüberliegenden Irisblenden 11 und 12 in der Zylindermantelfläche. Durch passende Wahl der Durchmesser der Irisblenden 11, 12 kann der Q-Faktor des Resonators und somit die Anzahl der Durchstrahlungen leicht im Bereich zwischen 20 und 20000 eingestellt werden. Dadurch und durch die Füllmenge des Probenbehälters 3, gegebenenfalls unter Verwendung von entsprechenden PTFE-Einsätzen für kleinere Probenmengen, kann die Meßanordnung auf den gewünschten Feuchtemeßbereich eingestellt werden.

Der typische Durchmesser der Probenkammer 5 beträgt 2 cm. die Länge 2,5 cm. Bei einer Meßfrequenz von 2,5 GHz können damit feinkörnige Materialien, Pasten, Kräuselfasern bis zu Mengen von etwa 6 g im Restfeuchtebereich gemessen werden. Höhere Feuchten können durch Verminderung des Probenvolumens unter Verwendung von entsprechenden PTFE-F.insätzen für kleinere Probenmengen erfaßt werden, falls die Reduktion der Anzahl der Durchstrahlungen nicht ausreicht (Verminderung der Resonatorgüte).

Ein Blockschaltbild der Mikrowellenschaltung für die Meßanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Meßvorrichtung wird von dem frequenzmodulierten Mikrowellengenerator lfi gespeist (Modulator 16). Ne-

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sergehalte oberhalb 5 bis 15 Gew.-7_f. Die Verschiebung der Absorption zu niedrigeren Frequenzen im Bereich der Restfeuchte ist hier durch eine relativ feste Wasserbindung zu erklären.

Die frequenzmodulierte Mikrowellenstrahlung des Oszillators 15 wird über eine Einwegleitung 17, einen variablen Abschwächer 18 und einen Richtkoppler 19 dem Resonator 1 (Meßzelle) zugeführt. Über den lose angekoppelten Richtkoppler 19 wird die am Eingang des Transmissionsresonators 1 anstehende Referenzintensität / abgezweigt um¹ nach Gleichrichtung (Referenzdetektor 20) dem Differenzverstärker 22 zugeleitet. Hinter dem Resonator 1 ist der Meßdetektor (Gleichrichter) 23 angeordnet. Die Gleichstromausgangssignale von Referenz 20 und Meßdetektor 23 werden dem Differenzeingang des Meßverstärkers 22 zugeführt, dessen Ausgangssignal mit Hilfe eines Digitaivoitmeters 24 angezeigt wird.

Mittenfrequenz und Frequenzhub des Oszillators 15 (z. B. 2,6 GHz, Hub ca. ±0,2 GHz, Modulationsfrequenz ca. 220 Hz) werden so eingestellt, daß bei eingestecktem und gefülltem Probenbehälter 3 die Resonanzkurve des Resonators 1 vollständig überstrichen wird, eine Erregung bei herausgenommenem Probenbehälter aber unterbleibt. Dadurch erhält der Meßdetektor 23 am Ausgang des Resonators 1 kein Signal, su daß die Digitalanzeige 24 zur Einstellung einer konstanten Mikrowellenintensität am Eingang des Resonators 1 mittels des Abschwächers 18 herangezogen werden kann. Hierdurch können Schwankungen der Generatorausgangsfeistung ausgeglichen oder die Messung auf dem Wege eines Nullabgleiches durchgeführt werden. Null- und 100%-Transmission des Gerätes können durch Füllung des Probenbehälters mit einem Absorbermaterial (z. B. passender Kunststoffzylinder mit Wasserfüllung) und durch die Einführung des leeren Probenbehälters kontrolliert und justiert werden. Als Eichnormale für Meßpunkte innerhalb des Meßbereichs können Glaszylinder unterschiedlicher Glassorten und Durchmesser, die in

auch die Wahl der Generatorfrequenz die Meßgenauigkeit. Die Frequenz wird in den Bereich des Maximums der Wasserbande gelegt, wobei die Lage des Maximums von der Temperatur und der Bindungsfestigkeit des Wassers bestimmt wird. In diesem Zusammenhang soll auch auf die Möglichkeit der Minimierung des Temperatureinflusses auf die Messung durch Wahl einer für ein bestimmtes Temperaturintervall günstigsten Freq-^snz hingewiesen werden. Die Mikrowellenabsorption fällt z. B. von freiem Wasser bei 9,3 GHz von 10" bis 30° C (Absorptionswert bei 10° C zu 100 gesetzt) von 100 auf 68, während sie bei 24 GHz von 100 auf 113 ansteigt. Das Maximum der Absorption liegt bei 9,3 GHz etwa bei 0⁰C und bei 24 GHz etwa bei 30° C. Allgemein gilt: Höhere Temperaturen verschieben das Maximum der Absorption zu höheren Frequenzen (kürzere Relaxationszeit des Wasserdipols). Eine festere Bindung des Wasserdipols, z. B. in einer stark polaren Matrix, führt zu einer Erniedrigung der Frequenz des Absorptionsmaximums. Aus diesem Grunde wird man bei der Messung der Restfeuchte zweckmäßig bei niedrigeren Frequenzen arbeiten als bei der Messung hoher Waswendet werden. Als Eichsubstanz für den 100%-Wert hat sich z. B. außer 100% Wasser eine Füllung aus einem 2-Komponenten-Epoxidharz mit 60% SiIicium-PuIver bewährt. Für Eichpunkte innerhalb des Meßbereichs benutzt man zweckmäßig Glaskörper aus Jenaer Glas oder anderen anorganischen Gläsern mit unterschiedlichem Durchmesser, die in passende Teflonkörper eingekapselt werden.

Zu Beginn des Meßvorgangs wird der Probenbehälter 3 mit einer abgewogenen Menge des Produkts gefüllt und in den Resonator 1 eingesteckt. Als Meßwert der Mikrowellenabsorption dient die Spitzenamplitude der Resonanzkurve, deren Größe eine monotone Funktion des Wassergehaltes der Probe darstellt. Die Bildung des Meßwertes erfolgt durch den Meßverstärker 22. Der Frequenzhub des Oszillators ist so eingestellt, daß die Resonanzkurve der mit Proben unterschiedlicher Feuchte beaufschlagten Meßzelle 1 vollständig überdeckt wird, wobei die Amplitude des Oszillators 15 im gesamten Frequenzbereich konstant bleibt (AM-Anteil <2%). Es kann eine Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit bis zu ±0,5% des Meßwertes erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Wassergehaltes von elektrisch nicht leitenden Pulvern, Granulaten, Pasten und anderen isotropen Materialien, bestehend aus einem frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator, der in einer Transmissionsanordnung einen Monomode-Hohlraumresonator speist, der in ganzer Höhe von einem durch die Mitte des Resonators gehenden Schutzrohr aus einem Material mit geringen dielektrischen Verlusten und geringer Wasseraufnahme durchsetzt ist, innerhalb dem die Probe im elektrischen Feldmaximum einer stehenden Welle des Resonators angeordnet ist und einer Einrichtung zur Messung der durch die Probe bedingten Güteänderung des Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß der Monomode-Hohlraumresonator (1) zylindrisch ausgebildet und vom E_0I(1-Feldtyp ist und das Schutzrohr (2) in der Resonatorachse (Z) angeordnet ist und daß eine in das Schutzrohr (2) einführbare Probenkammer (5) vorgesehen ist, deren Durchmesser bis zu 25 % des Resonatorinnendurchmessers und deren Höhe bis zu 50% der Resonatorhöhe beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) an seinem Zylindermantel Irisblenden (11 und 12) zur magnetischen Ein- und Auskopplung aufweist, deren Durchmesser· in Abhängigkeit vom jeweiligen Feuchtemeßbereich gewählt \st.

3. Vorrichtung nach A nspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe· "kammer (5) in einem zylindrischen PTFE-Hohlkörper angeordnet ist, der durch Führungsringe (10) ober- und unterhalb der Probenkammer (5) in dem axialen Schutzrohr (2) gegen ein seitliches Verkippen gesichert ist und der Anschläge (9) zur exakten Positionierung in axialer Richtung aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzhub des Mikrowellenoszillators (15) derart begrenzt ist, daß die vollständige Resonanzkurve des mit dem gefüllten oder leeren Probenbehälters (3) beschickten Resonators (1) überdeckt wird, dagegen bei leerem Resonator (1) keine Erregung stattfindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellenoszillators (15) zwischen 2 und 30 GHz, der Frequenzhub zwischen 10 und 1000 MHz und die Modulationsfrequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsanordnung zur Messung der produktabhängigen Mikrowellenabsorption aus einer Differenzschaltung besteht, die die Differenz zwischen den gleichgerichteten Mikrowellensignalen am Ein- und Ausgang des Resonators (1) bildet und das Ergebnis digital anzeigt.