DE60208374T2

DE60208374T2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung wenigstens einer physikalischen grösse einer substanz mittels mikrowellen

Info

Publication number: DE60208374T2
Application number: DE60208374T
Authority: DE
Inventors: H. Olafur JONSSON; Thor Jon THORGEIRSSOn; John Alan SANGSTER
Original assignee: INTELSCAN OERBYLGJUTAEKNI EHF; Intelscan Orbylgjutaekni ehf
Current assignee: INTELSCAN OERBYLGJUTAEKNI EHF; Intelscan Orbylgjutaekni ehf
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: AU2002304283B2; ES2256478T3; US20040239338A1; DE60208374D1; DK1407254T3; EP1407254A1; RU2298197C2; CN1559004A; WO2002097411A1; ATE314639T1; EP1407254B1; US7187183B2; KR20040020909A; IS7054A; JP2005516181A; CN1287142C; NO20035320D0; CA2500191A1; RU2003137895A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von wenigstens einem physikalischen Parameter eines Gegenstandes durch Senden von Mikrowellen zu dem Gegenstand hin und Analysieren der kopolaren und kreuzpolaren gesendeten und reflektierten Mikrowellen.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist bestens bekannt, dass während des Verarbeitens einer Vielfalt von Produkten, beispielsweise Holz, Tabak, und Nahrungsmittel, der Feuchtegehalt in dem Produkt eine bedeutende Rolle spielt, ehe das Produkt der letzten Produktionsphase zugeführt wird.
Wenn der Feuchtegehalt mittels Mikrowellenstrahlung gemessen wird, wirken die Mikrowellen mit den Wassermolekülen in der gemessen werdenden Substanz zusammen. Auf Grund des Dipol-Charakters des Wassermoleküls wirken die Mikrowellenfelder mit den Molekülen zusammen, was zu einer Rotations- und Translationsbewegung der Moleküle führt, was eine Wärmeabsorption der einfallenden Energie bewirkt. Durch Messen der Dämpfung (des Energieverlusts) der Mikrowellen gemeinsam mit der Phasenverschiebung (dem Geschwindigkeitsverlust) der Mikrowellen kann der Feuchtegehalt des Materials exakt ermittelt werden. Dies erfolgt für gewöhnlich durch Umwandeln des Ausgangssignals in ein elektrisches Signal. Die Dämpfung und die Phasenverschiebung innerhalb eines Materials können verwendet werden, um die dielektrischen Eigenschaften dieses Materials zu berechnen. Die dielektrischen Eigenschaften werden für gewöhnlich durch die relative komplexe Permittivität ε = ε' + jε'' ausgedrückt, wobei ε' die dielektrische Konstante ist, welche die Fähigkeit eines Materials darstellt, elektrische Energie zu speichern, und ε'' der Verlustfaktor ist, welcher den Verlust von elektrischer Feldenergie in dem Material darstellt. Wenn sowohl ε' als auch ε'' bekannt sind, ist es möglich, den Wassergehalt und die Dichte des Materials gemäß bekannt gemachten Formeln zu berechnen.
Ferner können beispielsweise andere physikalische Parameter, beispielsweise Fett, Protein und Salz, durch Verwendung von mehr als einer Frequenz und Isolieren der Absorptionseffekte infolge von Wasser und der Absorption infolge der Gegenwart von Salzionen, welche durch die Differenz in der Frequenzabhängigkeit der beiden Verlustmechanismen bestimmt werden, ermittelt werden. Durch wiederholtes Durchführen einer Analyse mit der Vorrichtung und durch Vergleichen von Resultaten, die anhand herkömmlicher Verfahren erzielt wurden, kann eine Kalibrierung erfolgen.
Bislang bekannte Verfahren, welche sich Mikrowellen bedienen, messen im Allgemeinen nur den Feuchtegehalt, jedoch keine anderen physikalischen Parameter wie Fett, Protein und Salz. Beispielsweise wurde keine Vorrichtung hergestellt, um den Fettgehalt mittels kontaktloser Mikrowellenmethoden zu messen. Eine Handvorrichtung wurde hergestellt, welche mittels Mikrowellen den Fettgehalt schätzt. Allerdings muss die Vorrichtung in festem Kontakt mit der zu messenden Substanz stehen und misst in Wirklichkeit den Feuchtegehalt. Die Vorrichtung ist vorkalibriert und berechnet den Fettgehalt aus dem gemessenen Feuchtegehalt.
Andere Systeme und Verfahren wurden zum Messen des Feuchtegehalts von Material entwickelt. Eines besteht darin, ein Handinstrument, welches dem oben genannten ähnlich ist, und zwar einen sogenannten „Stripline"- Sensor, zu verwenden. Das Instrument wird an dem Material derart angeordnet, dass sich die Stripline in engem Kontakt mit dem Material befindet. Dann werden Mikrowellen erzeugt und entlang der Stripline zugeführt, und in der Stripline wird die Dämpfung gemessen. Die Dämpfung oder der Verlust wird dann in Wassergehalt umgerechnet. Dieses Verfahren ist eine Oberflächenmessung. Um den Gesamtfeuchtegehalt in Schüttgut zu erhalten, ist es erforderlich, an verschiedenen Stellen zu messen und den Gegenstand zu wenden. Der Mittelwert wird dann als Kennwert verwendet.
Bei einer anderen Vorrichtung wird das Material zwischen der Sende- und der Empfangsantenne eines Mikrowellenübertragungssystems angeordnet, und durch Vergleichen des Ausgangssignals von dem Material mit dem Quellsignal können die Materialeigenschaften abgeleitet werden.
In US-Patent Nr. 4,578,998 wird ein Mikrowellensystem offenbart, welches sich verschiedener Signalpolarisierungen bedient. Zwei Strahler werden verwendet, um mittels zweier verschiedener Polarisationen über ein Folienmaterial zu messen, so dass ein Signalaustausch zwischen diesen vermieden wird. Mit anderen Worten wird die Polarisation verwendet, um zwischen Strahlern zu unterscheiden.
Das Problem bei der Offenbarung von US-Patent Nr. 4,578,998 ist, dass das gemessene Signal sowohl die Dämpfung durch das Material als auch Reflexionen von Mikrowellen, welche von nicht untersucht werdendem umliegendem Material abprallen, umfasst. Dadurch werden Fehler in das Ergebnis eingeschleust.
Der Nachteil der Verwendung des Kontaktierungs-Handinstruments ist, dass es sich dabei um eine Oberflächenmessung von Schüttgut handelt. Demzufolge ist es zeitaufwändig, eine Messung für das gesamte Material zu erhalten, auf Grund der Tatsache, dass man an mehreren Stellen rund um das Material messen muss, und auch da es unzweckmä ßig ist, das Instrument von einem Menschen bedienen zu lassen, indem dieser beim Messen den Sensor mit dem Material in Kontakt bringt: Dadurch können Fehler verursacht werden, da Menschen das Instrument niemals auf genau dieselbe Weise bedienen.
Allgemeine Darlegung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Verfahren durch Vorsehen eines Verfahrens und einer Vorrichtung, um mindestens einen physikalischen Parameter einer Substanz, beispielsweise Feuchte- und Fettgehalt von Schüttgut, zu messen, zu verbessern. Dies geschieht durch Verwenden der Polarisation, um einen Übertragungsweg durch die Probe zu schaffen, wobei ein Mikrowellenstrahl durch das zu messende Material hindurch gesendet wird und nur eine Reflexion von vorgegebener Polarität der übertragenen Wellen erfasst wird. Dies hat den Vorteil, dass nur das Signal, welches sich durch das Material hindurchbewegt hat, gemessen wird. Dies wird durch Bereitstellen einer Polarisierungsplatte bewerkstelligt, so dass nur kreuzpolarisierte Mikrowellen, welche durch die Substanz hindurchtreten, erfasst und kopolare Reflexionen von umliegenden Strukturen ausgeschlossen werden. Dies erhöht demnach die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung. Demzufolge werden nur jene Wellen empfangen, welche nach Hindurchtreten durch die gemessen werdende Substanz von der Polarisierungsplatte abprallten. Wenn das System eingerichtet ist, um kreuzpolare Reflexionen zu erfassen, kann sichergestellt werden, dass die gemessenen Mikrowellen zwei Mal durch den Gegenstand hindurchgetreten sind, ehe sie erfasst werden. Wenn das System eingerichtet ist, um kopolare Reflexionen zu erfassen, kann die Entfernung der Oberfläche des Materials von der Öffnung der Empfängerantenne bestimmt werden, und dies kann mit der Tiefe des Materials durch Vergleichen mit kopolaren Reflexionen, wenn kein Material vorhanden ist, in Relation gesetzt werden.
Gemäß dem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 1.
Ferner ist vorzugsweise eine Steuerelektronik vorgesehen, um die Quelle zu steuern. Der Polarisator kann eine Platte mit einer Mehrzahl von parallelen metallischen Drähten sein, die in der horizontalen Ebene der Polarisierungsplatte zum Drehen von mindestens einem Teil der ausgesendeten Wellen angeordnet sind. Diese Drähte können durch ein nichtreflektierendes Medium, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, getragen werden. Die Bodenschicht der Polarisierungsplatte ist ein reflektierendes Material, beispielsweise eine metallische Platte. Wenn nun die Mikrowellen auf die Polarisierungsplatte auftreffen, trifft ein Teil davon auf die Drähte auf, welche die Polarisation drehen, und ein Teil tritt zwischen den Drähten durch das Trägermaterial durch, bis er von der Bodenplatte reflektiert wird. Die Bodenplatte reflektiert die Mikrowellen gemäß dem Reflexionsgesetz, wobei ein Teil dieser reflektierten Mikrowellen auf die Drähte auftrifft, welche die Polarisation drehen. Bei einer geeigneten Dicke der Polarisierungsplatte, d.h. Abstand zwischen den Drähten und der Bodenplatte, kann die „zweite" Polarisation dieselbe wie die „erste" Polarisation sein. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand 1/4λ, wobei λ die Wellenlänge der Mikrowellen ist, oder allgemein (1/4 + n)λ, wobei n eine Ganzzahl ist. Dies ist jedoch für gewöhnlich der Fall, wenn sich zwischen den Drähten und der reflektierenden Platte Luft befindet. Allerdings ist dieses Dickenverhältnis anders, wenn sich zwischen den Drähten und der reflektierenden Platte ein Material befindet, und es hängt von den dielektrischen Eigenschaften des Materials ab. Die gedrehte Polarisation wird mit einem Empfänger empfangen, welcher die Mikrowellen in ein elektrisches Signal umwandelt. Diese Polarisation dieser empfangenen Mikrowelle ist in Bezug auf die ausge sendeten Mikrowellen um 90° gedreht. Der Empfänger kann beispielsweise eine Antenne oder ein Dipol sein.
Die Frequenz des zeitabhängigen elektrischen Quellsignals hängt davon ab, ob nur ein Parameter, beispielsweise die Feuchte, gemessen wird oder mehrere Parameter, beispielsweise Feuchte und Salzgehalt, gemessen werden. Dies ist auf die unterschiedliche Charakteristik der Wasser- und Salzmoleküle und deren Resonanzfrequenz zurückzuführen. Bei einer Ausführungsform weist das zeitabhängige elektrische Signal eine Frequenz in einem sequenziellen Zyklus auf, d.h. die erste Frequenz dient zum Messen der Feuchte und die zweite unterschiedliche Frequenz dient zum Messen des Salzgehalts. Demnach weist das zeitabhängige elektromagnetische Feld mindestens eine Frequenz auf.
Zum Bestimmen von mindestens einem physikalischen Parameter des Gegenstandes, wobei es sich um den Feuchtegehalt und/oder die Dichte des Gegenstandes handeln kann, kann es zweckdienlich sein, einen Referenzkanal zu verwenden. Bei einer Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einem Koppler zum Teilen des elektrischen Signals zwischen dem Sender, der eine Sendeantenne sein kann, und dem Empfänger, ausgestattet, wobei der Teil des elektrischen Signals, welcher zu dem Empfänger hin gerichtet ist, durch einen Referenzkanal hindurchtritt und als Referenzsignal verwendet wird. Vorzugsweise tritt die Hälfte des Quellsignals durch den Referenzkanal und die andere Hälfte zu der Sendeantenne.
Die Messungen an dem Gegenstand können erfolgen, während sich der Gegenstand in einer Ruheposition befindet oder während der Gegenstand durch ein Transportmittel, beispielsweise ein Förderband, transportiert wird. Die Sende- und die Empfangsantenne sind normalerweise in nächster Nähe an einer geeigneten Position über dem Gegenstand, wobei deren Strahlungsmuster zu dem Gegenstand hin gerich tet sind. Für Dämpfungsmessungen sind die Antennen in Bezug aufeinander orthogonal polarisiert.
Ferner ist es, um die Permittivitätskonstante des Materials zu messen, wichtig, in der Lage zu sein, die Dicke des Materials zu bestimmen. Eine Möglichkeit, dies zu messen, ist durch Implementieren einer zweiten Empfangsantenne, welche über dem Gegenstand in Bezug auf den Polarisator und nahe der Sendeantenne angeordnet ist. Das kopolare Signal misst daher die Differenz im Abstand, wenn kein Material vorhanden ist und wenn Material vorhanden ist. Vorzugsweise ist die Polarität der empfangenen Mikrowelle in diesem Fall dieselbe wie jene der ausgesendeten Mikrowellen. Es ist auch möglich, für denselben Zweck Ultraschall zu verwenden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren nach Anspruch 11 vorzusehen.
Bei einer Ausführungsform wird das zeitabhängige elektrische Signal von der Quelle in zwei Teile geteilt, zum Teil durch einen Referenzkanal geführt und zum Teil von der Polarisierungsplatte zu einem Empfangsmittel geführt, und hernach werden die beiden Signale wieder addiert. Das Summensignal wird als Referenzsignal mit einer Referenzphase und einem Referenzpegel verwendet, beispielsweise wenn kein Material auf der Polarisierungsplatte vorhanden ist. Jedwede Abweichung von dieser Referenzphase und diesem Referenzpegel, wenn ein Gegenstand auf dem Polarisator angeordnet ist, wird verwendet, um die relative komplexe Permittivität des Gegenstandes zu bestimmen. Eine Verschiebung in der Referenzphase oder -frequenz kann verwendet werden, um die dielektrische Konstante ε' zu berechnen, und eine Verschiebung im Referenzpegel kann verwendet werden, um den Verlustfaktor ε'' des Gegenstandes zu berechnen. Ein anderer Parameter, der beim Berechnen von ε' und ε'' von Bedeutung ist, ist die Dicke von Material, durch welches Mikrowellen durchtreten. Dieser Parameter kann beispielsweise durch Verwenden eines zweiten Empfangsmittels, das in Bezug auf den Polarisator dem Gegenstand entgegengesetzt angeordnet wird, bestimmt werden. Das zweite Empfangsmittel würde vorzugsweise derart eingestellt werden, dass es Mikrowellen derselben Polarität wie die ausgesendeten Mikrowellen erfasst. Daher wird der Teil der Mikrowellen, welcher von dem Gegenstand reflektiert wird, bestimmt und mit einem Referenzsignal verglichen, beispielsweise einem Signal ohne irgendeinen Gegenstand, und die Phasenverschiebung von diesem Referenzsignal wird verwendet, um die Höhe des Gegenstandes zu bestimmen. Durch Kenntnis des Abstands zwischen der Öffnung und der Polarisierungsplatte und des Strahlungswinkels von dem Sende ... [H1] kann der effektive Messbereich bestimmt werden. Gemeinsam mit der Dicke wird somit das Volumen berechnet.
Die ausgesendeten Mikrowellen werden linear polarisiert, und der Polarisierungsteil der reflektierten Welle, welchen das Empfangsmittel erfasst, ist in Bezug auf die ausgesendete Mikrowelle um 90° polarisiert. Dies dient dazu sicherzustellen, dass nur der Teil der ausgesendeten Wellen, welcher durch den gesamten Gegenstand durchgetreten ist, erfasst wird, wobei der Polarisator unter dem Gegenstand angeordnet ist und die Mikrowellen mit dieser Polarisierung demnach durch den Gegenstand hindurchtreten müssen. Eine Möglichkeit, um die Phasenänderung und die Dämpfungsänderung in einem Material zu messen, ist durch Verwendung eines Referenzkanals. Die Summe aus dem Signal von dem Referenzkanal und dem Signal, welches von dem Polarisator reflektiert wird, wird Null sein, mit Hilfe eines einstellbaren Dämpfers und Phasenverschiebers in dem Referenzkanal, wenn kein Material vorhanden ist.
Ferner kann der Feuchtegehalt verwendet werden, um die Fettkonzentration eines Gegenstandes, beispielsweise von Fisch, zu bestimmen, wobei der Auftrieb bekannt und konstant ist und demnach die Beziehung zwischen Fett und Wasser in dem Körper mittels einer empirischen Formel festgelegt ist. Dies könnte durch Verwendung von historischen Daten erreicht werden.
Ausführliche Beschreibung
In der Folge wird die vorliegende Erfindung und insbesondere bevorzugte Ausführungsformen davon in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm, welches darstellt, wie eine Ausführungsform mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um den Feuchtegehalt zu messen;
2a und 2b schematische Zeichnungen einer Ausführungsform einer Vorrichtung, welche mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
3 eine schematische Zeichnung einer zweiten Ausführungsform, welche mit der vorliegenden Erfindung zum Messen von Feuchtegehalt verwendet werden kann. Ferner misst diese Ausführungsform auch die Tiefe und somit die Dichte des Gegenstandes oder der Substanz, welche gemessen werden;
4 ein Schaubild, welches Beispiele für das elektrische Ansprechverhalten auf die Gegenwart eines Gegenstandes oder einer Substanz innerhalb des ausgesendeten Strahls zeigt, was verwendet wird, um die Dichte des gemessenen Gegenstandes und die Nassmasse des gemessenen Gegenstandes zu berechnen;
5 eine Ausführungsform des Polarisators;
6 Ergebnisse aus Experimenten mit der Vorrichtung.
1 ist ein Flussdiagramm, welches darstellt, wie eine Ausführungsform der Vorrichtung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um den Feuchtegehalt zu messen. Die Vorrichtung umfasst eine Mikrowellenstrahlungsquelle 1, welche links von dem Koppler 2 dargestellt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mikrowellenstrahlungsquelle 1 eine Wobbelquelle, welche Mikrowellen sequenziell mit einer Frequenz aussendet, welche sich vorzugsweise linear im Zeitverlauf über eine vorgegebene Frequenzbandbreite ändert. Die Quelle (oder Quellen) können angeordnet sein, um mehr als eine Mittenfrequenz auszusenden. Die Wobbelquelle 1 empfängt ein Signal von dem Schalter 15 vor dem Senden eines Signals zu dem Koppler 2. Der Schalter 15 bestimmt, welche Mittenfrequenz ausgesendet wird.
Das Signal von der Wobbelquelle 1 wird, sobald es auf einen geeigneten Pegel verstärkt wurde, dann am Koppler 2 geteilt, wobei ein Teil des Signals durch einen Referenzkanal zu dem Empfänger 7 geführt wird, während das restliche Signal zu der Sendeantenne 4 in dem Messkanal geführt wird. Vorzugsweise sind die Signale, welche in die beiden verschiedenen Richtungen geführt werden, gleich, wobei jeder Teil genau 50% des ursprünglichen Signals darstellt.
Es wird zu erkennen sein, dass die gemessen werdende Probe mit einem kontinuierlichen Fluss aus Schüttgut ersetzt werden kann, ohne von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abzugehen. Für den Zweck dieser Veranschaulichung wird die Vorrichtung nur mit einer einzigen zu messenden Probe beschrieben.
Die Mikrowellen werden durch Mittel, beispielsweise durch die Sendeantenne 4, zur Probe hin gerichtet. Alternativ dazu kann eine Planarantenne für denselben Zweck verwendet werden.
Das Quellsignal 10a ist ein sehr hochfrequentes Mikrowellensignal, das durch lineares Wobbeln des Quelloszillators von einer Frequenz knapp unter der Mittenfrequenz zu einer Frequenz knapp über dieser über eine vorgegebene Bandbreite frequenzmoduliert wird. Die bevorzugte Mittenfrequenz für das Quellsignal hängt von dem Wesen der Probe 14 ab, und die Anzahl von Frequenzen hängt von der Anzahl von zu messenden physikalischen Parametern, beispielsweise Feuchte, Salz oder Protein, ab.
Das Quellsignal 10a tritt durch die Probe 14, trifft auf den Polarisator 5 auf und wird zurückreflektiert. Während das Quellsignal 10a durch die Probe trat, wurde es sowohl gedämpft als auch verlangsamt. Das Ausmaß dieser Dämpfung wird hauptsächlich durch den Verlustfaktor ε'' des Materials der Probe 14, auf welches das Quellsignal trifft, bestimmt. Das Ausmaß, in dem das Quellsignal verlangsamt wird, wird überwiegend durch die dielektrische Konstante ε' des Materials 14 bestimmt.
Wenn nun das Quellsignal 10a auf den Polarisator 5 auftrifft, ändert der Polarisator 5 die Polarisation des Signals auf jene der Empfängerantenne 6. Die Sendeantenne 4 und die Empfängerantenne 6 sind im Wesentlichen identisch, abgesehen davon, dass sie orthogonal polarisiert werden. Dies bedeutet, dass jedwede Reflexionen von der Probe, dem Förderband, dem Förderbandaufbau oder jedweden umgebenden Strukturen weg sowie jedwede direkte Strahlung von der Sendeantenne 4 zu der Empfängerantenne 6 nicht durch den Empfänger 7 identifiziert werden, da diese Signale nicht die richtige Polarisation zum Eintritt in die Empfangsantenne 6 aufweisen. Sobald das System kalibriert ist, wird der Empfänger 7 im Prinzip nur jene elektrischen Veränderungen im Messsignal erfassen, die auf die Gegenwart einer Probe 14 in dem System zurückzuführen sind. Die Probe 14 bringt eine zusätzliche Phasenverschiebung und Dämpfung in den Messkanal ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist nur eine Empfangsantenne vorgesehen, wobei jedoch zu erkennen sein wird, dass mehr als eine Empfangsantenne vorgesehen sein kann.
Bei einer Ausführungsform wird ein Frequenzmischer sowohl im Referenz- als auch im Messkanal verwendet, um die Phasendifferenz zu messen. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Referenzsignal 8a zu einem Dämpfer und Phasenverschieber 3 geführt. Der Dämpfer und Phasenverschieber 3 wird während der Kalibrierung eingestellt, so dass dieser Kanal die elektrischen Eigenschaften des Messkanals bei Nichtvorhandensein einer Probe 14 oder in Gegenwart einer Probe mit bekannten Eigenschaften repliziert.
Der Empfänger 7 addiert das Referenzsignal 8b und das Messsignal 10b in Gegenphase an dem Empfängereingang. Die eingebrachte Phasenverschiebung und die Dämpfung in dem Referenzkanal, welcher ein Nullsignal an dem Empfänger erzeugt, wird aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Phasenverschiebung und die Dämpfung werden zu dem Prozessor gesendet, wo die Berechnung von physikalischen Parametern, beispielsweise von Feuchte, erfolgt.
In einer Vorrichtung, in welcher mehr als eine Frequenz verwendet wird, ist das Verfahren dasselbe wie oben, und der Schalter 15 schaltet dann zwischen verschiedenen Frequenzen um.
Die oben stehende Beschreibung ist eine Beschreibung einer Ausführungsform. Im Allgemeinen gibt es vier Hauptmöglichkeiten, um die Messung durchzuführen:

1. Die einfachste Ausführungsform wäre, einen Wobbeloszillator 1 gemeinsam mit sowohl einem elektrisch steuerbaren (programmierbaren) Phasenverschieber als auch Dämpfer 3 in dem Referenzkanal zu verwenden. Bei dieser Ausführungsform wird der empfängergesteuerte Phasenverschieber und Dämpfer 3 eingestellt, bis die addierten Signale an dem Empfängereingang in der „genauen" Gegenphase sind und ein „Null"-Eingangssignal 4 in 4 auf der Kalibrierfrequenz liefern. Die aufgezeichnete Änderung von sowohl Dämpfung als auch Phasenverschiebung, wenn die Probe 14 vorhanden ist, wird zu dem Prozessor übertragen.
2. Die Quelle 1 ist nichtgewobbelt, jedoch frequenzsteuerbar, und der Referenzkanal enthält nur einen elektrisch steuerbaren Dämpfer 3. In diesem Fall werden die Oszillatorfrequenz und der Dämpfer 3 eingestellt, um eine Null an dem Empfänger 7 zu liefern. Die aufgezeichneten Änderungen von Frequenz und Dämpfung werden an den Prozessor weitergeleitet.
3. Eine Wobbelfrequenzquelle 3 wird verwendet, welche ermöglicht, die Frequenzgänge, die in 4 dargestellt sind, an dem Empfänger zu liefern. Die Empfängerelektronik ist komplizierter und muss in der Lage sein, die Änderung der Form dieses Verhaltens aufzuzeichnen, was eine Anzeige der Phasenänderung und Dämpfungsänderung infolge der gemessen werdenden Substanz ist. In diesem Fall sind der programmierbare Phasenverschieber und Dämpfer des Referenzkanals nicht erforderlich, da die hochentwickeltere Elektronik die erforderlichen Phasenverschiebungs- und Dämpfungsinformationen bereitstellt. Allerdings wird der manuell eingestellte Dämpfer und Phasenverschieber 17 in 3 noch vorhanden sein, um das System zu kalibrieren, um eine exakte Gegenphase oder ein Nulleingangssignal 26 in 4 auf einer bestimmten Frequenz zu erreichen, wenn keine Probe vorhanden ist.
4. Die Quelle 1 ist ungewobbelt, und sowohl die Dämpfungsänderung als auch die Phasenverschiebungsänderung, welche durch das Einbringen einer Probe verursacht werden, werden direkt durch getrennte kreuzpolare Empfangskanäle bestimmt, einen für die Amplitude und den anderen für die Phase. In dem Amplitudenkanal wird eine Gleichrichtdiode verwendet, um einen Gleichstrom-Signalpegel vorzusehen, der ein Maß für die Probendämpfung ist. In dem Phasenkanal wird ein doppelter abgeglichener Frequenzmischer verwendet, um einen I.F.(Gleichstrom)-Signalpegel vorzusehen, der ein Maß für die Phasenänderung ist, welche durch die Probe verursacht wird.

2a und 2b sind schematische Zeichnungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine überaus einfache Version einer Vorrichtung darstellen. Die Mikrowellenquelle 1, welche eine Wobbelquelle sein kann, erzeugt ein zeitabhängiges elektrisches Signal, wobei ein Teil des Signals an dem Koppler 2 geteilt wird, wobei ein Teil des Signals als Referenzsignal 9 verwendet wird, während das übrige Signal zu der Sendeantenne 4 geführt wird, wo ein Teil davon von dem Polarisator 5 reflektiert wird und durch den Gegenstand 14 tritt. Dies wird als Messsignal 11 bezeichnet.
3 ist eine schematische Zeichnung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung, welche mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Diese Vorrichtung misst ähnlich der Vorrichtung in 2 die Feuchte und den Salzgehalt einer Probe (Tabak), wobei die Probe in einer Ruheposition sein oder auf einem Förderband transportiert werden kann.
Diese Vorrichtung bedient sich zweier Frequenzen, da sie zwei verschiedene physikalische Parameter, Feuchte und Salzgehalt, misst. Daher schaltet der Schalter 15 nach dem Empfang eines Signals von dem Empfänger 7 zwischen 8 GHz und 12 GHz um.
Die Vorrichtung umfasst eine Mikrowellenstrahlungsquelle 1. Die Wobbelquelle 1 empfängt ein Signal von dem Schalter 15, ehe sie ein Signal zu dem Koppler 2 sendet. Das Signal von der Wobbelquelle 1 wird, sobald es auf einen geeigneten Pegel verstärkt wurde, dann an dem Koppler 2 geteilt, wobei ein Teil als Referenzsignal 8a durch einen Referenzkanal zu dem Empfänger 7 geführt wird, während das übrige Signal als Messsignal 10a zu der Sendeantenne 4 geführt wird. Die Signale, welche in die beiden unterschiedlichen Richtungen geführt werden, sind idealerweise gleich, wobei jeder Teil genau 50% des ursprünglichen Signals ausmacht.
Die Mikrowellen sind zu der Probe hin gerichtet und werden von der Sendeantenne 4 ausgesendet. Die Quelle 1 ist ein sehr hochfrequenter Mikrowellenoszillator, dessen Frequenz linear in Abhängigkeit von der Zeit auf sich wiederholende Weise über eine vorgegebene Bandbreite geändert wird.
Ein Teil des ausgesendeten Signals 11 tritt durch die Probe 14, trifft auf den Polarisator und wird zurückreflektiert. Ein anderer Teil des ausgesendeten Signals 25 wird reflektiert, wenn das Signal auf die Probe auftrifft. Jener Teil wird durch die kopolarisierte Empfangsantenne 19 empfangen und verwendet, um die Dicke der Probe 14 durch Erfassen der Phasenverschiebung der ersten Reflexion zu messen. Der Teil, welcher durch die Probe 14 durchtritt und auf den Polarisator trifft, wird nach Reflexion und Polarisationsänderung durch die querpolarisierte Empfangsantenne 6 empfangen.
Das Referenzsignal 8a wird zu einem manuell eingestellten Dämpfer und Phasenverschieber 17 und dann zu einem programmierbaren/variablen Dämpfer und Phasenverschieber 18 geführt. Der manuell eingestellte Dämpfer und Phasenverschieber 17 wird verwendet, um das Signal zu kalibrieren, sobald die Vorrichtung eingerichtet derart ist, dass das summierte Signal bei einer bestimmten Frequenz in dem Frequenzdurchlauf 0 ist, wenn kein Gegenstand vorhanden ist. Wenn eine Probe vorhanden ist, erhöht diese die Dämpfung und Phasenverschiebung in den Mikrowellen in dem Messkanal und das Signal 10b ist schwächer, wenn es in die Antenne 6 eintritt. Der Empfänger 7 sendet dann ein Signal, um den programmierbaren/variablen Dämpfer und Phasenverschieber 18 einzustellen, um wieder ein summiertes Null-Signal zu erhalten. Die Menge von Einstellungen wird als Messwerte von Dämpfung und Phase der Probe aufgezeichnet.
Ein Infrarotthermometer 20 misst die Temperatur der Probe 14 und sendet ein Signal zu dem Empfänger, so dass Messungen der relativen komplexen Permittivität für verschiedene Temperaturen korrigiert werden können.
Der Empfänger 7 addiert das Referenzsignal 8b und das Messsignal 10b in Gegenphase. Wenn die Phasenverschiebung und Dämpfung 18 richtig eingestellt ist, wird eine Null erfasst, was bedeutet, dass die Dämpfung in 8b dieselbe wie in 10b ist. Die Phasenverschiebung und die Dämpfung in dem Referenzkanal werden dann aufgezeichnet. Die erfasste Phasenverschiebung und die Dämpfung werden zu dem Prozessor übertragen, wo die Berechnung und Umwandlung von Werten in sinnvolle Informationen erfolgt.
4 ist ein Schaubild, welches ein Beispiel für ein elektrisches Signal von Empfänger 7 darstellt, welches verwendet wird, um ε' und ε'' für eine Probe zu ermitteln. Die X-Achse stellt den Frequenzdurchlauf der Quelle dar und die Y-Achse zeigt die Stärke des Signals. Zunächst ist keine Probe vorhanden, und das System ist eingestellt, um ein Verhalten 26 zu liefern. Wenn eine Probe vorhanden ist, nimmt die Dämpfung von ausgesendeten Mikrowellen infolge von Verlust in dem Material zu und es kommt zu einer Phasenänderung. Da das Signal in dem Referenzkanal unverändert ist, ändert sich die Summe aus dem Referenzsignal und dem Messsignal, wenn eine Probe vorhanden ist, und dies wird durch die Verhaltenskurve 27 dargestellt. Die Differenz in horizontaler Richtung stellt die Phasenänderung dar und die Differenz in vertikaler Richtung stellt die Dämpfungsänderung infolge der Probe dar, und diese Parameter werden verwendet, um ε' und ε'' anhand bekannt gemachter Formeln zu berechnen.
Sowohl die Nassmassen- als auch die Dichtebestimmung kann auf historischen Daten beruhen, welche von dem Gegenstand abhängen, der beispielsweise Tabak, Holz oder Mais sein kann. Jeder dieser Gegenstände kann seine eigene Beziehung zwischen der Phasenverschiebung und Dämpfung und dem Ist-Feuchtegehalt und der Ist-Dichte aufweisen. Statt Formeln zu verwenden, könnte man sich dafür entscheiden, Daten von der Vorrichtung zu sammeln und diese an die Ist-Feuchtigkeits- und Dichtewerte anzupassen.
In 4 zeigt die Kurve 26 ein gemessenes Signal, wenn, wie in 2a, keine gemessen werdende Probe vorliegt. In diesem Fall ist das gemessene Signal dasselbe wie das Referenzsignal, jedoch mit einer anderen Polarisation. Demnach ist die Summe aus dem Referenzsignal und dem gemessenen Signal dann auf einer bestimmten Frequenz im Durchlauf 0. Der Referenzwert ist dann, wenn keine Feuchte vorliegt, 0.
Die Messkurve 27 zeigt, wenn das Signal durch eine Probe mit Feuchte tritt. In diesem Fall reduziert oder dämpft die Probe das Signal um 50%. Da das Referenzsignal unverändert ist, wird die Summe aus dem Referenzsignal und dem gemessenen Signal in der vertikalen Richtung, welche die Dämpfungsachse darstellt, um 50% geändert. Wenn die Probe reines Wasser wäre, welches alle Mikrowellen absorbieren würde, würde das Messsignal auf Null gedämpft und nur das Referenzsignal empfangen, was eine gerade Linie auf dem Dämpfungspegel des Referenzsignals ergeben würde.
Ferner stellt die Kurve 27 eine Phasenverschiebung in den Mikrowellen für einen Frequenzdurchlauf dar, welche durch den Ort der Minima des Signals zu sehen ist, der sich von f₀ nach f₁ nach links verschoben hat. Diese Phasenverschiebung wird, wie vorhin erwähnt, verwendet, um die Dichte der Probe zu berechnen.
Aus der Berechnung der Dichte durch Verwendung der relativen komplexen Permittivität anhand der Formel für Dichte ρ = (m_nass + m_trocken)/V und durch Kenntnis der Nassmasse m_nass kann die Trockenmasse berechnet werden, wenn das Volumen des Gegenstands bekannt ist. Wie in 3 dargestellt ist, kann das Volumen mittels Verwendung der kopolarisierten Empfangsantenne 19 geschätzt werden, um die Dicke der Probe 14 zu messen, was periodisch registriert werden kann. Wenn der Gegenstand auf einem Förderband mit konstanter Geschwindigkeit transportiert wird, kann der Gegenstand in Teile von fester Höhe und unterschiedlicher Dicke geteilt werden.
5 zeigt eine Ausführungsform des Polarisators, welche sich zusammensetzt aus parallelen metallischen Drähten 28, die in der horizontalen Ebene der Polarisierungsplatte angeordnet sind, zum Drehen von mindestens einem Teil der ausgesendeten Wellen. Diese Drähte können durch ein nichtreflektierendes Medium 29, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, getragen werden. Die Bodenschicht der Polarisierungsplatte kann ein reflektierendes Material, beispielsweise eine metallische Platte 30, sein. Wenn nun die Mikrowellen auf die Polarisierungsplatte auftreffen, trifft ein Teil davon die Drähte, welche die Polarisierung drehen, und ein Teil tritt zwischen den Drähten durch das Trägermaterial hindurch, bis er von der Bodenplatte 30 reflektiert wird. Wenn nun die Seite der Polarisierungsplatte parallel zu der Linie zwischen der Sendeantenne 4 und der Empfangsantenne 6 angeordnet ist und die beiden 45°-Winkel 31, 32 gleich sind, so gewährleistet dies eine 90°-Drehung der Polarisation von sowohl von der Sendeantenne 4 ankommenden Mikrowellen als auch von den Mikrowellen, welche von der Bodenplatte 30 reflektiert werden und auf dem Weg aus dem nichtflektierten Medium 29 hinaus auf die metallischen Drähte 28 auftreffen.
Die Erfindung wird ferner durch das folgende Beispiel veranschaulicht, welches als auf keinerlei Weise einschränkend zu betrachten ist.
Beispiel.
Das folgende Beispiel basiert auf einem Experiment, welches hinsichtlich 9 Proben von Teeblättern durchgeführt wurde, wobei jede Probe etwa 100 g umfasste und jede einen unterschiedlichen Feuchtegehalt, von 5% Feuchte bis 20% Feuchte, aufwies. Zwei Wobbelfrequenzen wurden verwendet, eine um 8 GHz und eine um 12 GHz . Bei den Proben wurde die Dämpfung gemessen, die Phasenänderung jedoch nicht. Das Experiment zeigt, dass eine lineare Beziehung zwischen der Dämpfung und dem Ist-Feuchtegehalt der Probe bestand, wie aus 6 zu ersehen ist. Der Korrelationskoeffizient war hoch, 0,9914 für die 8 GHz-Frequenz und 0,9789 für die 12 GHz-Frequenz. Der Korrelationskoeffizient ist ein Faktor von 0 bis 1, welcher darstellt, wie gut die Datenpunkte auf die Ausgleichsgerade fallen.

Claims

Vorrichtung zum Messen von mindestens einem physikalischen Parameter eines Gegenstandes durch Senden von Mikrowellen zu dem Gegenstand hin und Analysieren der reflektierten Mikrowellen, wobei die Vorrichtung umfasst: – eine Quelle zum Erzeugen eines zeitabhängigen elektrischen Signals, – einen Sender, der in der Nähe des Gegenstandes angeordnet ist, zum Umwandeln der zeitabhängigen elektrischen Signale in Mikrowellen und Senden der Mikrowellen zu dem Gegenstand hin, – einen Polarisator, der dem Gegenstand benachbart und dem Sender entgegengesetzt angeordnet ist, zum Drehen von mindestens einem Teil der Polarisierung der ausgesendeten Wellen und Reflektieren einer vorgegebenen Polarität der ausgesendeten Wellen, – einen Empfänger, der dem Gegenstand in Bezug auf den Polarisator entgegengesetzt angeordnet ist, zum Empfangen der reflektierten Mikrowellen von vorgegebener Polarität, welche durch den Gegenstand zweimal durchgetreten sind, und Umwandeln derselben in ein elektrisches Signal, – wobei der Sender und der Empfänger in Bezug aufeinander orthogonal polarisiert sind, und – ein Rechnersystem zum Verwenden des elektrischen Signals zum Berechnen des mindestens einen physikalischen Parameters des Gegenstandes.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Steuerelektronik zum Steuern der Quelle.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Polarisator eine Platte mit einer Mehrzahl von parallelen Drähten, die in einer horizontalen Ebene der Platte angeordnet sind, zum Drehen von mindestens einem Teil der ausgesendeten Wellen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke des Polarisators 1/4 der Wellenlänge der Mikrowelle beträgt.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Koppler zum Teilen des elektrischen Signals zwischen dem Sender und dem Empfänger, wobei der Teil des elektrischen Signals zu dem Empfänger durch einen Referenzkanal tritt und als Referenzsignal verwendet wird.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gegenstand transportiert wird, während der Gegenstand gemessen wird.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein physikalischer Parameter der Feuchtegehalt und/oder die Dichte des Gegenstandes ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der Empfänger eine Antenne ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der Empfänger eine Diode ist.
Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen zweiten Empfän ger, der dem Gegenstand in Bezug auf den Polarisator entgegengesetzt angeordnet ist, zum Empfangen von mindestens einem Teil der reflektierten Mikrowellen.
Verfahren zum Bestimmen von mindestens einem physikalischen Parameter eines Gegenstandes durch Senden einer Mikrowelle zu dem Gegenstand hin und Messen der Reflexion von Wellen, welche zweimal durch den Gegenstand getreten sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erzeugen eines zeitabhängigen ersten elektrischen Signals und Umwandeln von mindestens einem Teil des ersten elektrischen Signals in polarisierte Mikrowellen, – Aussenden der polarisierten Mikrowellen zu dem Gegenstand hin, – Reflektieren der ausgesendeten Mikrowellen durch einen Polarisator, der dem Gegenstand benachbart und dem Sender entgegengesetzt angeordnet ist, wobei mindestens ein Teil der Polarisierung der reflektierten Mikrowellen gedreht ist, – Empfangen des gedrehten Teils der reflektierten Mikrowellen von dem Polarisator, welche zweimal durch den Gegenstand getreten sind, wobei ein polarisierter Empfänger dem Gegenstand entgegengesetzt angeordnet ist und den empfangenen Teil der ausgesendeten Welle in ein zweites elektrisches Signal umwandelt, wobei der Empfänger in Bezug auf den Sender kreuzpolarisiert ist, und – Analysieren des zweiten elektrischen Signals und Bestimmen von mindestens einem physikalischen Parameter.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Teil des ersten elektrischen Signals durch einen Referenzkanal zu dem Empfangsmittel geführt wird und als Referenzsignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Teil der erzeugten Mikrowellen und ein Teil des empfangenen gedrehten Teils der reflektierten Mikrowellen von dem Polarisator einem Frequenzmischer zugeführt werden, um die Phasenverschiebung zwischen den erzeugten Mikrowellen und den reflektierten Mikrowellen, welche durch den Gegenstand verursacht wird, zu bestimmen.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–13, wobei die Summe aus dem zweiten elektrischen Signal und dem Referenzsignal zum Bestimmen von mindestens einem physikalischen Parameter verwendet wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–14, wobei das zweite elektrische Signal zum Bestimmen von mindestens einem physikalischen Parameter verwendet wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–15, weiterhin umfassend ein zweites Empfangsmittel, welches in Bezug auf den Polarisator dem Gegenstand entgegengesetzt angeordnet ist, zum Empfangen von mindestens einem Teil der reflektierten Mikrowellen von vorgegebener Polarität, wobei die empfangenen Mikrowellen in ein elektrisches Signal umgewandelt werden und wobei die Phasenverschiebung des elektrischen Signals in Bezug auf ein Referenzsignal verwendet wird, um die Höhe des Gegenstandes zu bestimmen.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–16, wobei der Dämpfungspegel und die Phasenverschiebung des Signals verwendet werden, um die dielektrische Konstante und den Verlustfaktor des Gegenstandes zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die dielektrische Konstante und der Verlustfaktor des Gegenstandes verwendet werden, um die Dichte des Gegenstandes zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die dielektrische Konstante und der Verlustfaktor des Gegenstandes verwendet werden, um den Feuchtegehalt des Gegenstandes zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der mindestens eine physikalische Parameter einen oder mehrere aus der Gruppe umfassend Fettgehalt, Salzgehalt und Proteingehalt des Gegenstandes umfasst.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 16–20, wobei das Volumen, die Dichte und der Feuchtegehalt des Gegenstandes verwendet werden, um das Gewicht der Trockenmasse des Gegenstandes zu bestimmen.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 11–21, wobei die Bestimmung von mindestens einem physikalischen Parameter eines Gegenstandes auf historischen Daten beruht.