Procedimiento y dispositivo para la determinación de biomasa por medio de un resonador de microondas.

Procedimiento para la determinación no invasiva de la distribución de biomasa en el perfil de la altura por mediode mediciones dieléctricas en el resonador de cavidad de microondas,

caracterizado por que

- se envuelve biomasa polarizable con un resonador de cavidad de microondas,

- se conduce el resonador de cavidad de microondas a lo largo del eje de la planta,

- se detectan las propiedades de resonancia modificadas,

- se calcula la biomasa con ayuda de datos calibrados.

Procedimiento y dispositivo para la determinación de biomasa por medio de un resonador de microondas.

La invención concierne a un procedimiento para la determinación de biomasa por medio de mediciones dieléctricas en el resonador de microondas y a un dispositivo adecuado para ello.

Tradicionalmente, la determinación de la biomasa se efectúa a través de la determinación gravimétrica de la masa seca por unidad de volumen.

Los procedimientos conocidos hasta ahora adolecen del inconveniente de que, por un lado, solo van acompañados de una toma o destrucción completas de la muestra/biomasa investigada (procedimiento invasivo) . Además, es desventajoso el hecho de que, debido al secado necesario, la determinación consume relativamente mucho tiempo.

La publicación “Microwave resonator for sensing moisture content and mass of single wheat kernels” de Kraszewski W. et al. en la revista Canadian Agricultural Engineering, vol. 36, No. 4, 1 de octubre de 1994, páginas 231-238, revela un procedimiento para la determinación de biomasa, en el que se introduce la biomasa polarizada en el espacio interior de un resonador de microondas, se miden las propiedades de resonancia modificadas y se calcula la biomasa con ayuda de datos calibrados.

Por tanto, el cometido de la invención consiste en crear un procedimiento rápido y no invasivo para la determinación de biomasa. Asimismo, el cometido de la invención consiste en proporcionar un dispositivo con el que pueda conseguirse una determinación rápida y no invasiva de biomasa.

Partiendo del preámbulo de la reivindicación 1, el problema se resuelve según la invención con las características indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicación 1. Asimismo, el problema se resuelve según la invención partiendo del preámbulo de la reivindicación 6 con las características indicadas en la parte caracterizadora de la reivindicación 6.

Se ha visto que con el procedimiento según la invención resulta posible una rápida vigilancia no invasiva (cribaje) del crecimiento de biomasa. Asimismo, se detecta una distribución de la biomasa en el perfil de la altura. A este fin, se introduce la biomasa para su medición en el espacio del resonador o bien se conduce el resonador a lo largo del eje de la planta. En el dispositivo según la invención el resonador para esta aplicación está configurado de manera desplegable a lo largo del eje longitudinal a fin de posibilitar una sencilla medición de la biomasa.

Con el procedimiento según la invención resulta también posible, por ejemplo, seguir directamente varias veces el crecimiento de la biomasa en plantas idénticas durante un prolongado periodo de tiempo.

El resonador puede presentar una sección transversal circular o bien una sección transversal poligonal. El procedimiento de la invención según la reivindicación 1 concierne a un procedimiento para la determinación de biomasa por medio de mediciones dieléctricas en el resonador de microondas, en el que se introduce la biomasa polarizada en el espacio interior de un resonador de microondas.

Por el término biomasa deberá entenderse en el marco de la presente solicitud un material orgánico, tal como, por ejemplo, un material vegetal.

Para la medición se introduce, por ejemplo, la parte aérea de la planta en un resonador o se la envuelve con éste. La zona del espacio de la raíz con el sustrato de la planta deberá apantallarse en este caso con respecto al resonador.Como apantallamiento es adecuado cualquier material eléctricamente conductivo. Éste puede estar configurado como un material macizo o bien, por ejemplo, como una malla. En la configuración del apantallamiento en forma de malla el ancho de malla debe ascender, por ejemplo, a aproximadamente 1/20 de la longitud de onda (aproximadamente 10 mm a 1 GHz con una longitud de onda de 200 mm) .

El procedimiento de medida se basa en la modificación de las propiedades eléctricas del espacio interior del resonador por la introducción de material polarizable, tal como, por ejemplo, agua (polarización de las moléculas de agua en un campo electromagnético aplicado desde fuera) . El agua produce un desplazamiento de frecuencia y una variación de la calidad (= atenuación con el ancho de pico de un mínimo de transmisión de -3 dB) en un resonador de microondas. Debido a las fuerzas de enlace internas al agua se obtiene al aumentar la frecuencia de excitación en el dominio de MHz, a consecuencia de la inercia en la polarización entre las moléculas y el campo exterior, un desplazamiento de fase que provoca pérdidas dieléctricas cada vez mayores. Particularmente en sustancias orgánicas y tejidos biológicos resultan importantes las pérdidas dieléctricas. Por medio de este procedimiento de medida dieléctrico se pueden detectar ya pequeñas cantidades de agua en el dominio de los microlitros tanto en material orgánico como en material inorgánico. Dado que las plantas consisten en su mayor parte en agua (80-90% de proporción en peso) , este procedimiento es especialmente adecuado para biomasas no invasivas (= determinación de agua) en plantas.

Con ayuda de un calibrado mediante el desplazamiento de la frecuencia de resonancia y/o la modificación de la

calidad de las propiedades de resonancia en una muestra de biomasa pesada se puede determinar la cantidad absoluta de agua. Una vez conocida ésta, se pueden calcular la masa seca, el contenido relativo de agua y la proporción relativa de masa seca en la forma siguiente:

Masa seca (g) = pesada (g) – agua (g) Contenido relativo de agua (%) = agua (g) / pesada (g) *100 Proporción relativa de masa seca (%) = [masa seca (g) ] / pesada (g) ]*100

La calibración es específica para cada clase de planta. Por medio de un banco de datos se pueden almacenar los valores calibrados y recuperarlos después según sea necesario, sin que sea precisa una nueva calibración.

Se puede medir en modos diferentes del resonador. El dominio de frecuencia de los modos depende del respectivo resonador. Así, el dominio de los modos inferiores, por ejemplo para el resonador empleado en el ejemplo de realización, está en el intervalo de 750 a 900 MHz para el primer modo y de 1150 a 1350 MHz para el segundo modo. La duración de la medida por cada medición de una muestra puede estar entonces en el dominio de los segundos.

Aparte de la determinación del contenido de agua, es también posible, además, investigar otros parámetros, como, por ejemplo, el contenido de sal de la biomasa.

Así, se tiene que, por ejemplo, los modos bajos de 1 a 2 son especialmente adecuados para la medición del contenido de agua. Los modos superiores a 2 pueden ser especialmente adecuados para la medición del contenido de sal. La proporción real de la señal de medida describe el desplazamiento de la frecuencia de resonancia y lo correlaciona con el contenido de agua. La proporción imaginaria describe el desplazamiento de fase de la frecuencia de resonancia y lo correlaciona con el contenido de sal. Cada modo se caracteriza por una distribución de sensibilidad espacial característica que se puede derivar de la imagen específica de las líneas de campo del modo. Mediante la combinación de la información obtenida a partir de la medición de varios modos se pueden reducir, por un lado, las variaciones en las señales de medida debido a diferentes distribuciones de biomasa y en principio, por otro lado, se pueden sacar también conclusiones sobre esta distribución de la biomasa.

Una electrónica de evaluación, por ejemplo un analizador de red, obtiene las propiedades de resonancia y transmite éstas a una unidad electrónica de proceso de datos mediante la cual se puede realizar entonces un cotejo con los datos ya calibrados de un banco de datos.

En una realización ventajosa de la invención se adapta la geometría del resonador a la forma de crecimiento vegetal que se debe investigar. El dimensionamiento del resonador se efectúa según sea necesario atendiendo al producto/material vegetal que se debe investigar. Su frecuencia de resonancia, con constantes dadas de dielectricidad y permeabilidad (dependientes del objeto de medición) , es inversamente proporcional al diámetro interior.

La invención concierne también a un dispositivo que es adecuado para el procedimiento anteriormente descrito.

En las reivindicaciones subordinadas se indican perfeccionamientos ventajosos.

En lo que sigue se indicarán con más detalle algunos ejemplos de realización que no pertenecen al objeto de la invención y que explican el principio de medida con más detalle.

Las figuras muestran:

La figura 1, la geometría de un resonador,

La figura... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la determinación no invasiva de la distribución de biomasa en el perfil de la altura por medio de mediciones dieléctricas en el resonador de cavidad de microondas, caracterizado por que - se envuelve biomasa polarizable con un resonador de cavidad de microondas, 5 - se conduce el resonador de cavidad de microondas a lo largo del eje de la planta,

- se detectan las propiedades de resonancia modificadas,

- se calcula la biomasa con ayuda de datos calibrados.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se realiza una calibración para cada clase de planta y se emplean estos datos para otras mediciones.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que, para determinar el contenido de agua, se mide en un modo bajo del resonador.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que, para determinar el contenido de sal, se mide en un modo más alto del resonador.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que se apantallan el sustrato de 15 la planta y/o el recipiente de la planta con respecto a la biomasa que se debe investigar.

6. Dispositivo para la determinación no invasiva de la distribución de biomasa en el perfil de la altura por medio de mediciones dieléctricas en el resonador de cavidad de microondas, que comprende al menos un resonador de cavidad de microondas con una electrónica de evaluación, caracterizado por que el resonador de cavidad de microondas es desplegable paralelamente al eje longitudinal de modo que la planta pueda ser introducida en dicho resonador de cavidad de microondas, el resonador de cavidad de microondas es desplazable a lo largo del eje de la planta y todo el espacio (2) del resonador está configurado como un resonador de cavidad de microondas.