AT517604A4

AT517604A4 - Messfühler

Info

Publication number: AT517604A4
Application number: ATA50850/2015A
Authority: AT
Inventors: Dr Jahn Martin; Schiefer Martin
Original assignee: Siemens Ag Oesterreich
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-03-15
Also published as: US20180284045A1; WO2017060263A1; JP2018531386A; CN108139341A; EP3359956A1; AT517604B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Messfühler (1) für ein zur dielektrischen Impedanzspektroskopie geeignetes Messsystem, wobei der Messfühler (1) zumindest in einem Betriebszustand des Messfühlers (1) zumindest eine erste Mikrostreifenleitung (2), bestehend aus einem ersten Leiterstreifen (3) für ein Messsignal, einem ersten dielektrischen Substrat und einer ersten Massefläche (5), umfasst, wobei der erste Leiterstreifen (3) von außen flächig an ein eine zu vermessende dielektrische Materialprobe enthaltendes Behältnis, vorzugsweise an ein Rohr, ein Gefäß oder einen Beutel, anlegbar ist.

Description

Beschreibung

MESSFÜHLER

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messfühler für ein zur dielektrischen Impedanzspektroskopie geeignetes Messsystem.

Weiters betrifft die Erfindung auch ein Messsystem zur dielektrischen Impedanzspektroskopie, umfassend einen erfindungsgemäßen Messfühler sowie eine Einrichtung zur

Erzeugung und Auswertung eines Messsignals und/oder eines Referenzsignals des Messfühlers.

Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zur Bestimmung der Impedanz einer in einem Behältnis gehaltenen dielektrischen Materialprobe, vorzugsweise einer dielektrischen Suspension, mittels eines erfindungsgemäßen Messsystems.

Stand der Technik

Viele Suspensionen, wie sie beispielsweise in der Biotechnologie, der Industrie, oder auch in der

Erdölexploration häufig Vorkommen, werden mittels dielektrischer Impedanzspektroskopie vermessen und charakterisiert. Oft ist dies nur mittels kontaktbehafteter Messungen möglich - der Messfühler wird dabei also in Berührung mit der zu vermessenden Suspension gebracht, wodurch die Gefahr einer Kontamination der Suspension einerseits und/oder der Bildung eines ungewollten, für die und jede weitere Messung hinderlichen Filmes auf dem Messfühler selbst andererseits steigt. Zudem sind Messungen, bei denen der Messfühler in die Suspension eingebracht werden muss, üblicherweise aufwändig und auch schwierig automatisierbar.

Bekannt sind in diesem Zusammenhang etwa Koaxialsensoren, welche einerseits eine breitbandige Messung zulassen, andererseits jedoch auch aufwändig in der Handhabung sind, da sie bei der Messung ein Stück weit in die Suspension getaucht werden müssen.

Außerdem sind Messmethoden bekannt, bei denen die zu vermessende Materialprobe in das Innere eines Wellenleiters (Hohlleiter) oder eines Koaxialsensors eingebracht werden muss, und zwar so, dass die besagte Materialprobe das Innere vollkommen ausfüllt. Für Suspensionen sind mit solchen Sensoren arbeitende Messmethoden daher nicht praktikabel, obgleich das verwendete Messprinzip, also die Nutzung physikalischer Eigenschaften von „Transmission Lines", generell eine sehr breitbandige Messung erlauben würde.

Ein anderes bekanntes und ebenfalls ob seiner Aufwändigkeit für die Vermessung von Suspensionen nicht in Frage kommendes Messverfahren umfasst einen Sender und einen Empfänger, wobei die zu vermessende Materialprobe kontaktlos vermessen wird, indem sie mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich durchleuchtet wird. Allerdings gestaltet sich sowohl der Messaufbau als auch die Durchführung einer solchen Messung recht aufwändig.

Auch andere Methoden der dielektrischen Impedanzspektroskopie erscheinen insbesondere in Verbindung mit zu vermessenden Suspensionen unattraktiv. Dazu gehören die Induktionsmessung, die Messung mittels Kondensator (Parallel Plate Measurement) und auch die Vermessung einer dielektrischen Materialprobe in einem Resonator.

Aufgabe der Erfindung

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen breitbandigen Messfühler für ein zur dielektrischen Impedanzspektroskopie geeignetes Messsystem bereit zu stellen, welcher besonders gut zum Vermessen dielektrischer Suspensionen geeignet ist und zwar ohne den Messfühler dabei direkt mit der zu vermessenden Suspension in Kontakt bringen zu müssen.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Messfühler für ein zur dielektrischen Impedanzspektroskopie geeignetes Messsystem, dadurch gelöst, dass der Messfühler zumindest in einem Betriebszustand des Messfühlers zumindest eine erste Mikrostreifenleitung, bestehend aus einem ersten

Leiterstreifen für ein Messsignal, einem ersten dielektrischen Substrat und einer ersten Massefläche, umfasst, wobei der erste Leiterstreifen von außen flächig an ein eine zu vermessende dielektrische Materialprobe enthaltendes Behältnis, vorzugsweise an ein Rohr, ein Gefäß oder einen Beutel, anlegbar ist.

Bei einer Mikrostreifenleitung befindet sich ein Leiterstreifen zwischen den Grenzflächen zweier unterschiedlicher Dielektrika. Üblicherweise ist das eine Dielektrikum dabei durch ein dielektrisches Substrat einer Leiterplatte ausgebildet und das andere durch Luft. Dadurch verläuft der eine Teil des elektromagnetischen Feldes des im Leiter geführten Signals direkt zwischen dem Leiterstreifen und einer Massefläche der Leiterplatte und somit in dem Substrat der Leiterplatte, während der andere Teil des elektromagnetischen Feldes in das andere Dielektrikum hineinreicht. Wegen der unterschiedlichen Permittivitäten der beiden Dielektrika ist die Phasengeschwindigkeit der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle oberhalb und unterhalb des Leiterstreifens unterschiedlich, und es bildet sich eine quasi-TEM-Mode aus.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass der Messfühler zumindest im Betriebszustand zumindest eine Mikrostreifenleitung für ein Messsignal umfasst. Dabei wird eines der beiden Dielektrika durch die zu vermessende dielektrische Materialprobe samt Behältnis, in welchem sich die Materialprobe befindet, gebildet. Durch Anlegen des Messfühlers an das Behältnis von außen ist es nun also möglich, das System Behältnis-Materialprobe mittels Dielektrizitätsspektroskopie zu vermessen und zwar ohne den Messfühler dabei direkt mit der Materialprobe, insbesondere mit einer Suspension, in Kontakt bringen zu müssen. Ändert sich die Suspension - sei es bei verschiedenen Positionen des angelegten Messfühlers entlang der Außenseite des Behältnisses oder sei es eine zeitliche Änderung der inneren Struktur der Suspension bei gleichbleibender Position des Messfühlers - so ändert sich damit auch die Permittivität der Suspension, was sich in der zu messenden Änderung der Phase des Messsignals, nach Durchlaufen des Leiterstreifens bemerkbar macht.

Dabei ist die Phasenverschiebung zwischen dem in den Messfühler einlaufenden Signal und dem aus dem Leiterstreife nach Durchlaufen desselben wieder auslaufenden Signal umso größer - der Messfühler also umso sensibler - je länger der flächig an dem Behältnis anliegende Leiterstreifen ist.

Auch eignet sich der erfindungsgemäße Messfühler aufgrund der entstehenden TEM-Mode besonders gut für breitbandige Messungen, da TEM-Moden keine Grenzfrequenz aufweisen.

Darüber hinaus kann durch die Verwendung der Mikrostreifenleitung ein gutes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erzielt werden, wodurch mit sehr hohen Signalpegeln gearbeitet werden kann und wodurch sehr genaue Messungen möglich sind.

Da die Herstellung von erfindungsgemäßen Messfühlern besonders einfach und kostengünstig ist (photolithographische Herstellung oder mittels Fräsen), eignet sich der erfindungsgemäße Messfühler prinzipiell auch zum Einmalgebrauch.

Um den Messfühler passgenau an beliebig geformte Behältnisse anzulegen, ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass der Messfühler flexibel ausgebildet ist. Dabei sind der erste Leiterstreifen, das erste dielektrische Substrat sowie die erste Massefläche flexibel, also etwa biegsam, ausgebildet.

Um den Messfühler passgenau an bestimmte, eine bekannte Form aufweisende Behältnisse anzulegen, ist es bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass der Messfühler starr und zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet ist. Somit kann eine an ein gekrümmtes oder eckiges Behältnis angepasste, gleichzeitig jedoch starre Ausbauform des Messfühlers erreicht werden.

Es versteht sich von selbst, dass für ein Behältnis mit einer entsprechend großen ebenen Außenfläche auch ein starrer ebener Messfühler verwendet werden kann.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers ist es vorgesehen, dass das erste dielektrische Substrat durch eine erste Leiterplatte ausgebildet ist, wobei die erste Leiterplatte zumindest eine erste Außenfläche und eine parallel zur ersten Außenfläche angeordnete zweite Außenfläche aufweist und wobei der erste Leiterstreifen auf der ersten Außenfläche und die erste Massefläche auf der zweiten Außenfläche angeordnet ist.

Dadurch wird eine besonders einfache und unkomplizierte Ausgestaltung des Messfühlers erreicht. Die Leiterplatte dient also einerseits als erstes dielektrisches Substrat der Mikrostreifenleitung und gleichzeitig verleiht sie dem Messfühler seine Flexibilität, wenn sie flexibel ausgebildet ist, oder dient als formgebendes Element eines starren Messfühlers, wenn sie starr ausgebildet ist. Ein gesondertes Bauelement des Messfühlers, welches das erste dielektrische Substrat der ersten Mikrostreifenleitung bildet, ist nicht nötig.

Um eine differentielle Messung der Phasengeschwindigkeit des Messsignals zu ermöglichen bzw. um die Phase des aus dem Messfühler auslaufenden Messsignals mit der Phase eines Referenzsignals, dessen elektromagnetisches Feld nicht durch das zu vermessende dielektrische Material propagiert ist, vergleichen zu können, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass der Messfühler eine zweite Mikrostreifenleitung umfasst, welche aus einem zweiten Leiterstreifen für ein Referenzsignal, einem zweiten dielektrischen Substrat und einer Massefläche besteht.

Dabei kann die Massefläche der zweiten Mikrostreifenleitung durch eine separate, zusätzliche Massefläche ausgebildet sein. Um jedoch die Anzahl der benötigten Bauelemente möglichst gering und den Aufbau des Messfühlers insgesamt möglichst einfach zu halten, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass die Massefläche der zweiten Mikrostreifenleitung durch die erste Massefläche ausgebildet ist.

Um dabei die Flexibilität oder die starre Form des Messfühlers beizubehalten, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass das zweite dielektrische Substrat durch eine zweite Leiterplatte ausgebildet ist, welche bei einem flexiblen Messfühler wiederum flexibel oder bei einem starren Messfühler wiederum starr ausgebildet sein kann.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers ist es vorgesehen, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte jeweils eine Lage einer zweilagigen Leiterplatte bilden, wobei die beiden Lagen der zweilagigen Leiterplatte durch die erste

Massefläche voneinander getrennt sind.

Somit besteht der Messfühler aus einer einzigen zweilagigen Leiterplatte, die je nach Ausführung der ersten und zweiten Leiterplatte selbst flexibel oder starr sein kann, zwischen deren Lagen die erste Massefläche angeordnet ist, und an deren voneinander abgewandten, parallel zur ersten Massefläche verlaufenden Außenflächen jeweils ein Leiterstreifen angeordnet ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers ist es vorgesehen, dass der erste Leiterstreifen und die erste Massefläche auf der gleichen Außenfläche einer flexiblen Leiterplatte nebeneinander angeordnet sind und dass das erste dielektrische Substrat in dem Betriebszustand des Messfühlers durch das Behältnis samt der darin enthaltenen zu vermessenden dielektrischen Materialprobe ausgebildet ist.

Besonders in Verbindung mit zylinderförmigen Behältnissen hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass sie das Behältnis abschnittsweise umgebend angelegt werden kann.

Erfindungsgemäß kann auch ein Befestigungsmechanismus vorgesehen sein, um den Messfühler dauerhaft an dem Behältnis zu befestigen. Insgesamt wird durch eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers eine einfache und schnelle Montage des Messfühlers ermöglicht.

Um auch bei einer solchen bevorzugten Ausführungsform das Messsignal mit einem Referenzsignal vergleichen zu können, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass ein zweiter Leiterstreifen an einer parallel zur ersten Massefläche verlaufenden und dieser gegenüberliegenden Außenfläche des gleichen Abschnitts der flexiblen Leiterplatte angeordnet ist, wobei der zweite Leiterstreifen die erste Massefläche überdeckt.

Um auch hierbei die Anzahl der Bauelemente des Messfühlers möglichst gering zu halten, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass der zweite Leiterstreifen, die erste Massefläche und der zwischen dem zweiten Leiterstreifen und der ersten Massefläche angeordnete Abschnitt der flexiblen Leiterplatte eine zweite Mikrostreifenleitung ausbilden.

Um den Weg, den das Referenzsignal entlang des Behältnisses zurücklegen muss zu maximieren, ist es bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messfühlers vorgesehen, dass der erste Leiterstreifen und/oder der zweite Leiterstreifen mäanderförmig ausgebildet sind/ist.

Dadurch wird einerseits die Sensitivität des Messfühlers erhöht und andererseits erhöht diese Anordnung der Leiterstreifen auch die Breitbandigkeit des Messfühlers, da auch ein Betrieb des Messfühlers mit besonders niederfrequenten Signalen möglich ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe kann auch durch ein Messsystem zur dielektrischen Impedanzspektroskopie, umfassend einen Messfühler in einer der vorhergehenden Ausführungsformen sowie eine Einrichtung zur Erzeugung und Auswertung eines Messsignals oder eines Messsignals und eines Referenzsignals des Messfühlers.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Impedanz einer in einem Behältnis gehaltenen dielektrischen Materialprobe, vorzugsweise einer dielektrischen Suspension, mittels eines erfindungsgemäßen Messsystems, umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

Kontaktieren des Messfühlers mit dem Behältnis durch flächiges Anlegen eines ersten, für ein Messsignal vorgesehenen Leiterstreifens von außen an das Behältnis;

Einspeisen eines in den Messfühler einlaufenden Messsignals mit einer vorgegebenen Frequenz;

Messung des aus dem Messfühler auslaufenden Messsignals;

Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen einlaufendem und auslaufendem Messsignal;

Bestimmung der Impedanz der im Behältnis gehaltenen dielektrischen Materialprobe aus der Phasenverschiebung zwischen einlaufendem und auslaufendem Messsignal.

Um auch hierbei die differentielle Bestimmung der

Phasenverschiebung bzw. der Phasengeschwindigkeit des Messsignals relativ zu der eines sich unbeeinflusst ausbreitenden Referenzsignals zu ermöglichen, ist es bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass zusätzlich zu dem einlaufenden Messsignal auch ein einlaufendes Referenzsignal mit gleicher Frequenz in einen zweiten, für das Referenzsignal vorgesehenen Leiterstreifen des Messfühlers eingespeist wird und in weiterer Folge die Differenz zwischen der Phasenverschiebung, welche das auslaufende Messsignal in Bezug zum einlaufenden Messsignal aufweist, und der Phasenverschiebung, welche das auslaufende Referenzsignal in Bezug zum einlaufenden Referenzsignal aufweist, bestimmt wird.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den

Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keinesfalls einengen oder gar abschließend wiedergeben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Messfühlers mit einer ersten Mikrostreifenleitung

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Messfühlers mit einer ersten und einer zweiten Mikrostreifenleitung

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Messfühlers, dessen erster Leiterstreifen und

Massefläche auf der gleichen Außenseite einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind

Fig. 4 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus Fig. 3, gemäß der Schnittlinie A-A

Fig. 5 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Messfühlers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel

Fig. 6 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Messfühlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel

Fig. 7 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Messfühlers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, welcher

Messfühler an ein Zylinder- bzw. rohrförmiges

Behältnis angebracht ist

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Messfühlers 1. Der dargestellte schematische Aufbau eines solchen

Messfühlers 1 umfasst dabei zunächst eine erste Leiterplatte 4. Ein erster Leiterstreifen 3 und eine erste Massefläche 5 sind an gegenüberliegenden Außenflächen 8, 9 der Leiterplatte 4 angeordnet und mit dieser Leiterplatte 4 verbunden. Gemeinsam bilden der Leiterstreifen 3, die erste Leiterplatte 4 und die erste Massefläche 5 die erste Mikrostreifenleitung 2 des Messfühlers 1, wobei die erste Leiterplatte 4 ein erstes dielektrisches Substrat der ersten Mikrostreifenleitung 2 bildet.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines ersten konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messfühlers 1. Der Messfühler 1 nach diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine erste Mikrostreifenleitung 2 für ein Messsignal und eine zweite Mikrostreifenleitung 10 für ein Referenzsignal.

Die erste Leiterplatte 4 und eine zweite Leiterplatte 12 sind dabei mittels einer Massefläche, welche durch die erste Massefläche 5 ausgebildet ist, voneinander getrennt und mit dieser verbunden. An jeweils einer Außenfläche der Leiterplatte 4 bzw. 12, welche Außenfläche parallel zur ersten Massefläche 5 verläuft, ist jeweils ein erster Leiterstreifen 3 bzw. ein zweiter Leiterstreifen 11 angeordnet.

Somit besteht der Messfühler dieses Ausführungsbeispiels aus einer ersten Mikrostreifenleitung 2, umfassend den ersten Leiterstreifen 3, die erste Leiterplatte 4 und die erste Massefläche 5, sowie aus einer zweiten Mikrostreifenleitung 10, umfassend den zweiten Leiterstreifen 11, die zweite Leiterplatte 12 und die erste Massefläche 5.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Messfühlers, welche einen Aufbau gemäß einer der beiden oben diskutierten Figuren aufweisen, können entweder flexibel, um passgenau an beliebig geformte Behältnisse anlegbar zu sein, oder aber auch starr ausgebildet sein - beispielsweise mit einer oder zwei starr und gekrümmt ausgeführten Leiterplatten, um dadurch einfach, rasch und wiederholbar an Behältnisse mit einer bestimmten Form anlegbar zu sein.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines zweiten konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Messfühlers 1. Im Gegensatz zum vorgehend beschriebenen ersten konkreten Ausführungsbeispiel sind sowohl der erste Leiterstreifen 3 als auch die erste Massefläche 5 dieses konkreten Ausführungsbeispiels auf der gleichen Außenfläche 8 einer flexiblen Leiterplatte 14 nebeneinander angeordnet.

Das konkrete Ausführungsbeispiel weist dabei einen mäanderförmig angeordneten ersten Leiterstreifen 3 auf. Die mäanderförmige Anordnung des ersten Leiterstreifens 3 dient dabei einer Verlängerung des Weges, welchen das Messsignal im ersten Leiterstreifen 3 zurücklegen muss. Auch andere Anordnungen, welche diesen Zweck erfüllen, sind denkbar.

Im konkreten zweiten Ausführungsbeispiel nimmt der erste Leiterstreifen 3 bzw. die erste Massefläche 5 jeweils nur einen Teil der halben Außenfläche 8 ein, Ausführungsvarianten, bei denen der erste Leiterstreifen 3 und/oder die erste Massefläche 5 jeweils die gesamte Hälfte der Außenfläche 8 abdecken, sind jedoch ebenso denkbar und von dem Erfindungsgedanken umfasst.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Messfühlers 1 aus Fig. 3, gemäß der Schnittlinie A-A. Dabei sind die zur ersten Mikrostreifenleitung 2 gehörenden und auf der einen Außenfläche 8 angeordneten Bauteile, nämlich der erste Leiterstreifen 3 und die erste Massefläche 5, zu sehen. Auf einer dieser ersten Außenfläche 8 gegenüberliegenden und -hier parallel zur ersten Massefläche 5 verlaufenden - zweiten Außenfläche 9 der flexiblen Leiterplatte 14 ist ein zweiter Leiterstreifen 11 angeordnet. Die erste Massefläche 5 ist dabei durch einen Abschnitt der flexiblen Leiterplatte 14 von dem zweiten Leiterstreifen 11 getrennt und überdeckt - hier in vertikaler Richtung gesehen - diesen zweiten Leiterstreifen 11.

Fig. 5 zeigt das erste konkrete Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messfühlers 1 in teilweise gebogenem Zustand. Dabei bildet die erste Leiterplatte 4 und die zweite Leiterplatte 12, welche Leiterplatten 4, 12 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel flexibel ausgeführt sind, jeweils eine Lage einer zweilagigen flexiblen Leiterplatte, wobei die beiden Lagen zumindest abschnittsweise durch die -ebenfalls flexibel ausgebildete - erste Massefläche 5 voneinander getrennt sind.

Im Bereich der ersten Massefläche 5 sind an den beiden parallel zur ersten Massefläche 5 verlaufen Außenflächen der flexiblen Leiterplatte ein erster Leiterstreifen 3 und ein zweiter Leiterstreifen 11 angeordnet. Somit umfasst der Messfühler dieses konkreten Ausführungsbeispiels die erste Mikrostreifenleitung 2 und die zweite Mikrostreifenleitung 10, wobei jeweils die Massefläche der ersten 2 und zweiten Mikrostreifenleitung 11 durch ein und dieselbe Massefläche, nämlich die erste Massefläche 5, gebildet ist.

Fig. 6 zeigt das zweite konkrete Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messfühlers, jedoch nicht in einem geraden Zustand der flexiblen Leiterplatte 14, wie in Fig. 3 und Fig. 4 schematisch dargestellt, sondern in einem U-förmig gebogenen Zustand. Dabei weist der Messfühler 1 die erste Mikrostreifenleitung 2, umfassend den ersten Leiterstreifen 3 sowie die erste Massefläche 5, und die zweite Mikrostreifenleitung 10 auf, welche zweite

Mikrostreifenleitung 10 den zweiten Leiterstreifen 11, die erste Massefläche 5 sowie den zwischen diesen beiden Bauteilen liegenden Abschnitt der flexiblen Leiterplatte 14 umfasst.

Fig. 7 zeigt schließlich den Messfühler 1 des zweiten Ausführungsbeispiels (Fig. 6) in einem Betriebszustand. Dabei ist der Messfühler 1 umfangsseitig umgebend an ein zylinder-bzw. rohrförmiges Behältnis 7 angelegt. Bei dem Behältnis 7 handelt es sich im konkreten Fall um ein Rohr, durch welches eine Suspension 6 strömt.

Darüber hinaus sind drei Normalprojektionen des angelegten Messfühlers 1 dargestellt.

Funktionsweise der Erfindung gemäß dem zweiten konkreten Ausführungsbeispiel

Anhand von Fig. 7 soll im Folgenden die Funktionsweise der Erfindung gemäß dem zweiten konkreten Ausführungsbeispiel beschrieben werden:

Die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messfühlers 1 gemäß dem zweiten konkreten Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass der Messfühler 1 manschettenartig umfangsseitig an ein Behältnis 7, konkret an ein Rohr, angelegt bzw. mittels eines Verschlussmechanismus des Messfühlers 1 daran angebracht werden kann.

Im Betriebszustand des Messfühlers 1 des gezeigten Ausführungsbeispiels umfasst die erste Mikrostreifenleitung 2 den ersten Leiterstreifen 3, die erste Massefläche 5 sowie das zwischen diesen beiden Bauteilen angeordnete System aus Behältnis 7 und Suspension 6 (im Folgenden als System Behältnis 7 - Suspension 6 bezeichnet), welches System das erste dielektrische Substrat der ersten Mikrostreifenleitung 2 bildet.

Gemäß der Theorie der Elektrodynamik führt ein durch den ersten Leiterstreifen 3 geführtes - und erfindungsgemäß als Messsignal dienendes - elektrisches Signal dazu, dass ein Teil des elektromagnetischen Feldes, welches sich um den ersten Leiterstreifen 3 herum aufbaut, direkt zwischen dem ersten Leiterstreifen 3 und der ersten Massefläche 5 durch das System Behältnis 7 - Suspension 6 verläuft. Ein anderer Teil dieses elektromagnetischen Feldes reicht jedoch in die flexible Leiterplatte 14 hinein, auf welcher der erste Leiterstreifen angebracht ist.

Aufgrund der unterschiedlichen Permittivitäten der beiden Dielektrika - nämlich des Systems Behältnis 7 - Suspension 6 und des dielektrischen Materials, aus dem die flexible Leiterplatte 14 gefertigt ist - breitet sich das elektromagnetische Feld des Messsignals oberhalb und unterhalb des ersten Leiterstreifens 3 mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten aus, wodurch es zur Ausbildung einer TEM-Mode (transversal-elektromagnetische Mode) kommt. TEM-Moden haben die Eigenschaft, dass ihr Anregungsspektrum durch keine Grenzfrequenz (cut-off-Frequenz) beschränkt ist, wodurch eine Vermessung des Systems Behältnis 7 - Suspension 6 in einem sehr breiten Frequenzspektrum möglich ist.

Zur Modellierung dieser ersten Mikrostreifenleitung 2 werden nun die beiden Dielektrika, durch welche das elektromagnetische Feld propagiert, nämlich das System Behältnis 7 - Suspension 6 einerseits und das dielektrische Material der flexiblen Leiterplatte 14 andererseits, als ein einziges homogenes dielektrisches Material mit einer effektiven Permittivität betrachtet, wobei sich diese effektive Permittivität aus den Permittivitäten der beiden separaten Dielektrika zusammensetzt. Ändert sich die Struktur eines der beiden Dielektrika, und somit auch seine Permittivität, so führt das zu einer Änderung der Phasengeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes des Messsignals und somit auch zu einer messbaren Phasenverschiebung des Messsignals über eine vorgegebene Länge der ersten Mikrostreifenleitung.

Somit werden (örtliche sowie zeitliche) Änderungen in der Zusammensetzung einer Suspension, beispielsweise durch

Zellwachstum, messbar, und zwar ohne dabei den Sensor einer möglichen Kontamination durch die Suspension selbst auszusetzen. Dadurch eignet sich der Messfühler auch besonders gut für Prozessüberwachung im industriellen Umfeld. Auch eine gleichzeitige Überwachung des Zustandes des Behältnisses 7 ist möglich.

Die Messung selbst kann dabei entweder direkt vorgenommen werden, indem die Phase des in den Messfühler 1 eingespeisten Messsignals mit der Phase des aus dem Messfühler 1 auslaufenden Messsignals verglichen wird. Dabei kann das Messsignal entweder unidirektional durch den, im konkreten Ausführungsbeispiel mäanderförmig angeordneten, ersten Leiterstreifen 3 geleitet werden und die Phase des transmittierten Anteils des Messsignals mit der Phase des eingespeisten Messsignals verglichen werden. Andererseits ist es aber auch möglich, ein Ende des ersten Leiterstreifens kurzzuschließen oder mit einem Leerlauf zu versehen, und dadurch - als auslaufendes Messsignal - ein starkes Reflexionssignal des Messsignals zu erzeugen. Diese Methode hat den Vorteil, dass sich die elektrische Länge der ersten Mikrostreifenleitung 2 verdoppelt, wodurch die hervorgerufene Phasenverschiebung des Messsignals verdoppelt wird. Dadurch kann entweder eine höhere Messgenauigkeit erreicht oder die Struktur der zu vermessenden dielektrischen Materialprobe verkleinert werden. Der Nachteil dabei ist jedoch, dass breitbandige Richtkoppler zur Auskopplung der Reflexion benötigt werden, und zwar sowohl für das Messsignal selbst als auch gegebenenfalls für ein Referenzsignal.

Eine weitere Möglichkeit der Messung ist eine differenzielle Methode, bei der ein Referenzsignal in den dafür vorgesehenen zweiten Leiterstreifen 11 der zweiten Mikrostreifenleitung 10 eingespeist wird. Der zweite Leiterstreifen 11 ist dabei mittels der ersten Massefläche 5 von der ersten Mikrostreifenleitung abgeschirmt, was dazu führt, dass das elektromagnetische Feld des Referenzsignals nicht durch die zu vermessende dielektrische Materialprobe geführt wird.

Dadurch wird ein solches Referenzsignal, sofern es die selbe Frequenz wie das Messsignal aufweist und sofern der zweite Leiterstreifen 11, in dem das Referenzsignal geführt ist, die selbe elektrische Länge wie der erste Leiterstreifen 3 aufweist, immer eine andere Phasenverschiebung erfahren als das Messsignal. Der Vergleich der beiden resultierenden Phasenverschiebungen miteinander lässt dann nach der oben beschriebenen Methode Rückschlüsse auf die innere Zusammensetzung bzw. Struktur der zu vermessenden dielektrischen Materialprobe zu. Dabei können entweder die transmittierten Anteile des Messsignals und des Referenzsignals miteinander verglichen werden, oder die jeweils reflektierten Anteile beider Signale durch Kurzschluss beider Mikrostreifenleitungen 2, 10 an einem Ende.

Auch der in Verbindung mit Fig. 5 beschriebene Messfühler 1 gemäß dem ersten konkreten Ausführungsbeispiel funktioniert gemäß demselben Prinzip. Allerdings eignet sich der Messfühler 1 in dieser Ausführungsvariante beispielsweise eher für dielektrische Materialien, welche in Gefäßen wie Tanks oder Silos bzw. in Beuteln gehalten sind. Ob der Flexibilität der Leiterplatte 4 bzw. 12, auf welcher der Leiterstreifen 3 bzw. 11 für das Mess- bzw. das Referenzsignal angeordnet ist, kann sich der erfindungsgemäße Messfühler 1 problemlos verschiedensten Oberflächen solcher Behältnisse anpassen. Mittels einer abseits des jeweiligen Leiterstreifens 3, 11 angebrachten Klebevorrichtung kann der Messfühler dieser Ausführungsvariante beispielsweise patchartig von außen an das Behältnis 7 angebracht werden.

Bezugszeichenliste 1 Messfühler 2 erste Mikrostreifenleitung 3 erster Leiterstreifen 4 erste Leiterplatte 5 erste Massefläche 6 dielektrische Materialprobe (Suspension) 7 Behältnis 8 erste Außenfläche einer flexiblen Leiterplatte 9 zweite Außenfläche einer flexiblen Leiterplatte 10 zweite Mikrostreifenleitung 11 zweiter Leiterstreifen 12 zweite Leiterplatte 13 Einrichtung zur Erzeugung und Auswertung eines Messsignals und/oder eines Referenzsignals 14 flexible Leiterplatte

Claims

Patentansprüche

1. Messfühler (1) für ein zur dielektrischen Impedanzspektroskopie geeignetes Messsystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (1) zumindest in einem Betriebszustand des Messfühlers (1) zumindest eine erste Mikrostreifenleitung (2), bestehend aus einem ersten Leiterstreifen (3) für ein Messsignal, einem ersten dielektrischen Substrat und einer ersten Massefläche (5), umfasst, wobei der erste Leiterstreifen (3) von außen flächig an ein eine zu vermessende dielektrische Materialprobe (6) enthaltendes Behältnis (7) , vorzugsweise an ein Rohr, ein Gefäß oder einen Beutel, anlegbar ist.
2. Messfühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (1) flexibel ausgebildet ist.
3. Messfühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (1) starr und zumindest abschnittsweise gekrümmt ausgebildet ist.
4. Messfühler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste dielektrische Substrat durch eine erste Leiterplatte (4) ausgebildet ist, wobei die erste Leiterplatte (4) zumindest eine erste Außenfläche (8) und eine parallel zur ersten Außenfläche (8) angeordnete zweite Außenfläche (9) aufweist und wobei der erste Leiterstreifen (3) auf der ersten Außenfläche (8) und die erste Massefläche (5) auf der zweiten Außenfläche (9) angeordnet ist.
5. Messfühler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (1) eine zweite Mikrostreifenleitung (10) umfasst, welche aus einem zweiten Leiterstreifen (11) für ein Referenzsignal, einem zweiten dielektrischen Substrat und einer Massefläche besteht.
6. Messfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Massefläche der zweiten Mikrostreifenleitung (10) durch die erste Massefläche (5) ausgebildet ist.
7. Messfühler (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite dielektrische Substrat durch eine zweite Leiterplatte (12) ausgebildet ist.
8. Messfühler (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (4) und die zweite Leiterplatte (12) jeweils eine Lage einer zweilagigen Leiterplatte bilden, wobei die beiden Lagen der zweilagigen Leiterplatte durch die erste Massefläche (5) voneinander getrennt sind.
9. Messfühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiterstreifen (3) und die erste Massefläche (5) auf der gleichen Außenfläche (8) einer flexiblen Leiterplatte (14) nebeneinander angeordnet sind und dass das erste dielektrische Substrat in dem Betriebszustand des Messfühlers (1) durch das Behältnis (7) samt der darin enthaltenen zu vermessenden dielektrischen Materialprobe (6) ausgebildet ist.
10. Messfühler (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Leiterstreifen (11) an einer parallel zur ersten Massefläche (5) verlaufenden und dieser gegenüberliegenden Außenfläche (9) des gleichen Abschnitts der flexiblen Leiterplatte (14) angeordnet ist, wobei der zweite Leiterstreifen (11) die erste Massefläche (5) überdeckt.
11. Messfühler (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leiterstreifen (11), die erste Massefläche (5) und der zwischen dem zweiten Leiterstreifen (11) und der ersten Massefläche (5) angeordnete Abschnitt der flexiblen Leiterplatte (14) eine zweite Mikrostreifenleitung (10) ausbilden.
12. Messfühler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiterstreifen (3) und/oder der zweite Leiterstreifen (11) mäanderförmig ausgebildet sind/ist.
13. Messsystem zur dielektrischen Impedanzspektroskopie, umfassend einen Messfühler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie eine Einrichtung (13) zur Erzeugung und Auswertung eines Messsignals oder eines Messsignals und eines Referenzsignals des Messfühlers (1) .
14. Verfahren zur Bestimmung der Impedanz einer in einem Behältnis (7) gehaltenen dielektrischen Materialprobe (6), vorzugsweise einer dielektrischen Suspension, mittels eines Messsystems nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - Kontaktieren des Messfühlers (1) mit dem Behältnis (7) durch flächiges Anlegen eines ersten, für ein Messsignal vorgesehenen Leiterstreifens (3) von außen an das Behältnis (7); - Einspeisen eines in den Messfühler (1) einlaufenden Messsignals mit einer vorgegebenen Frequenz; - Messung des aus dem Messfühler (1) auslaufenden Messsignals; - Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen einlaufendem und auslaufendem Messsignal; - Bestimmung der Impedanz der im Behältnis (7) gehaltenen dielektrischen Materialprobe (6) aus der Phasenverschiebung zwischen einlaufendem und auslaufendem Messsignal;
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem einlaufenden Messsignal auch ein einlaufendes Referenzsignal mit gleicher Frequenz in einen zweiten, für das Referenzsignal vorgesehenen Leiterstreifen (11) des Messfühlers (1) eingespeist wird und in weiterer Folge die Differenz zwischen der Phasenverschiebung, welche das auslaufende Messsignal in Bezug zum einlaufenden Messsignal aufweist, und der Phasenverschiebung, welche das auslaufende Referenzsignal in Bezug zum einlaufenden Referenzsignal aufweist, bestimmt wird.