CN104487827B - 用于通过微波传输测量来测量样本的介电和/或磁性特性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过微波传输测量来测量样本(P)的介电和/或磁性特性的装置，该装置包括：发射天线(10)和接收天线(20)，其限定传输测量段，在该传输测量段中能够放置待测样本(P)；至少一个发射机侧合成发生器(12，14)，其用于产生具有在800MHz到30GHz之间的频率的高频信号(F1，F2)；以及频率标准(32)，其在发射机侧通过低频同步信号线(34a)连接到发射机侧合成发生器(12，14)，发射机侧合成发生器(12，14)以可重现方式锁相地耦合到该频率标准。该装置还包括评估单元(AM)，该评估单元(AM)至少间接地连接到发射机侧合成发生器(12，14)以及接收天线(20)。为了提高测量结果的重现性，尤其是在工业环境中，在接收侧设置至少一个附加的合成发生器(22)，该合成发生器(22)在接收侧通过低频同步信号线(34b)连接到频率标准(32)，并且以可重现的方式锁相地耦合到该频率标准，并且该合成发生器(22)还至少间接地连接到评估单元(AM)。

Description

用于通过微波传输测量来测量样本的介电和/或磁性特性的 装置

具体描述

技术领域

本发明涉及一种用于通过微波传输测量来测量样本的介电和/或磁性特性的装置。

背景技术

从现有技术已知存在用于不接触地测量样本(例如，水分)的介电特性的多个选择。例如，能够发射微波通过样本，并且经由将所照射微波或来源于所照射微波的信号与所发射微波或来源于所发射微波的信号进行比较，来获得所需的信息。在该过程中能够确定吸收以及相移，从而能够从相应测量中获得关于样本的复合ε(epsilon)的完整信息。合适的装置包括发射模块以及接收模块。发射模块设置有：用于产生高频信号的至少一个合成发生器(也称为合成器)；以及连接到合成器的发射天线。合成器由所谓的频率标准来计时，该频率标准发射低频信号(例如，具有10MHz频率的低频信号)。另外，由至少一个合成器产生的高频信号被发射到同样设置有接收天线的接收模块，并且在接收模块中与在接收天线处接收的微波混频。还设置了评估单元，该评估单元能够被具体实施为单独的模块。将混频的信号发送到该评估单元。

在如下的两种类型的测量系统之间基本上做出区分：即，所谓的零差系统，该系统仅使用单个频率进行操作并且仅具有一个合成器；以及所谓的外差系统，该系统使用两个紧密相邻的频率进行操作并且具有两个合成器。这两个系统的共同点是：它们通过将两个微波进行比较来操作，其中，一个微波穿过样本，并且因此经历衰减和/或相移，而另一微波并未穿过样本并且用作参考。因此，必须在发射模块与接收模块之间设置高频参考线(这适用于零差系统以及外差系统)。在实验室条件下，设置这样的高频线通常不是问题，因为一方面，不必克服局部长距离，另一方面，在实验室中通常是恒定条件，尤其基本上是恒温。

然而，如果该类型的装置用于工业用途，则设置这样的高频参考线会带来一些问题和不利，特别是由于波频越高，依赖于同轴线缆内波传播速度的温度对相移的影响越大。其意味着，在非恒定的环境条件下，尤其是温度，在高频参考线以及天线馈线上能够发生相当的相移，这使测量结果失真。此外，当在工业规模上使用时，发射模块和接收模块能够相隔非常远，这使得该问题更加严重，尤其是在这样的布置是全部或部分地安装在开放环境下，使得该布置会遭受来自太阳的辐射的情况下。

发明内容

由此开始，本发明的目的是，以更适合于在工业应用中使用的这种方式来改进通用装置，具体地，并且甚至在波动的环境条件下，提供恒定且良好的测量结果。

使用具有如下装置来解决该目的，该装置用于通过微波传输测量来测量样本的介电和/或磁性特性，该装置包括：

发射天线和接收天线，其限定传输测量段，在该传输测量段中能够放置待测的所述样本；

至少一个发射侧合成器，其用于产生具有在800MHz到30GHz之间的频率的高频信号；

频率标准，其经由发射侧低频同步信号线连接到发射侧合成器，发射侧合成器可重现地锁相地耦合到所述频率标准；以及

评估单元，其至少间接地连接到发射侧合成器以及所述接收天线，其特征在于，

另外设置至少一个接收侧合成器，所述至少一个接收侧合成器通过接收侧低频同步信号线连接到所述频率标准，并且可重现地锁相地耦合到所述频率标准，并且至少间接地连接到所述评估单元，其中

如果所述装置包括多于一个发射侧合成器或多于一个接收侧合成器，那么一个发射侧合成器和一个接收侧合成器产生同一高频。

可见本发明的核心理念是，必须在发射侧和接收侧上设置用于产生高频信号的至少一个合成器，并且以可重现的锁相的方式来耦合这两个合成器，为此设置联合频率标准，该联合频率标准分别经由至少一个低频信号线来启动这两个合成器，该低频信号线被称为低频同步信号线。因此，当在接收侧上设置合成器时，根据本发明，采用上述有问题的高频参考线是不必要的。这类低频信号线对上述环境影响几乎不敏感，即使是在长的长度处，因此，即使对于强烈波动环境影响，尤其是相当大的温度变化，也不需要重新校准。根据本发明的装置原则上能够实施为零差系统和外差系统，其中，作为外差系统的实施方式通常是优选的。

本发明的优选实施方式从示例性实施方式得出，下面参考附图更详细地解释这些示例性实施方式，该附图示出：

附图说明

图1是用于本发明的第一示例性实施方式的电路图；

图2是用于本发明的第二示例性实施方式的电路图，其中，所用的测量原理与用于第一示例性实施方式的测量原理相同；

图3是根据现有技术的用于外差系统的电路图；

图4是另选的电路图；

图5是另一另选的电路图；

图6是另一另选的电路图；

图7是本发明的第一优选用途；以及

图8是本发明的第二优选用途。

为了更好地理解本发明，我们首先想要根据本发明所基于的现有技术并且参照图3，来进一步详细地对现有技术进行讨论。

如前所述，图3示出一种用于测量样本P的介电和/或磁性特性的装置，其中，该装置被具体实施为外差测量系统。该系统能够被视为由三个模块构成，即发射模块SM、接收模块EM以及评估单元。通常，发射模块SM与接收模块EM是空间上分离的。评估单元能够被具体实施为物理上独立的评估模块AM，但也能够集成到其它两个模块中的一个中，例如发射模块SM。然而，在功能上，这三个元件总是能够被视为单独的模块。发射天线10和接收天线20限定传输测量段(样本P能够被放置入其中)。在本申请中，“天线”被理解为是指如下的各个元件，该各个元件每个适用于发射和/或接收自由传播的微波或在波导内行进的微波，其中，天线也能够与另一部件集成实施。

如下定义以及规则适用于以下文本：在导体内传播的或自由传播的并且具有800MHz到30GHz之间的频率的电磁波被称为“高频信号”或“微波”。从现有技术已知适用于这些类型的频率的高频信号线(微波导体)。高频信号线在图(对于现有技术图3，以及图1和图2，这是真的)中被示为点划线。术语“低频”被理解为是指具有低于200MHz的频率的所有电磁波或信号。这里，用于发射这样的低频信号的信号线被称为低频信号线，并且在附图中以实线示出。为了清楚起见，在说明书和附图中，并未对所有信号线(高频信号线或低频信号线)给出单独的名称/附图标记符号。高频信号线以及低频信号线通常物理上被具体实施为同轴线缆，其中，由于成本的原因，更高品质的同轴线缆通常用于高频信号线而非用于低频信号线。然而，这不是绝对要求的，并且足够高品质的同轴线缆可以用于所有信号线。因此，上述术语“高频信号线”以及“低频信号线”均应当被理解为功能术语。

除了发射天线10以外，发射模块SM还包括：两个发射侧合成器12和14；两个功率分配器18a、18b；一个发射侧混频器16；以及频率标准32。除了接收天线20以外，接收模块EM仅包括接收侧混频器26。评估模块AM由中央处理器30(作为评估单元)构成。发射模块SM和接收模块EM经由高频参考线50来连接。发射模块SM和接收模块EM分别经由单独的低频信号线(lF1；lF2)而连接到评估模块AM(是指到中央处理器30)。操作的模式如下：

频率标准32对两个发射侧合成器12，14进行计时，其中，计时频率例如能够是10MHz。例如，第一发射侧合成器12产生具有3GHz的第一高频的第一高频信号F1，并且第二发射侧合成器14产生具有稍微不同的高频(例如，3.001GHz)的第二高频信号F2。第一发射侧合成器12的第一高频信号F1被供应给功率分配器18a，该功率分配器18a的第一输出连接到发射天线10，而该功率分配器18a的第二输出连接到发射侧混频器16。第二发射侧合成器14连接到第二功率分配器18b，该第二功率分配器18b的输出连接到发射侧混频器16，并且经由高频参考线50连接到接收侧混频器26。接收侧混频器26的第二输入连接到接收天线20。

因此，发射侧混频器16产生具有第一中频的第一中频信号lF1，该第一中频信号lF1表示第一高频(还是所发射的微波的频率)与第二高频之间的差异，意味着，针对所选示例，该第一中频信号lF1等于1MHz。接收侧混频器26继而产生第二中频信号lF2，该第二中频信号lF2表示接收到的微波(该信号是参考F1')与来自第二发射侧合成器14的第二高频信号之间的差异。在这种情况下，由于通过样本P的发射更改了相位和幅度，而非频率，所以F1与F1'具有相同的频率。出于该原因，这两个中频信号lF1和lF2也具有相同的中频(在这种情况下，1MHz)。从第一中频信号lF1与第二中频信号lF2之间的比较，推断出，在本身已知的方式下，当穿过样本P时，由发射天线10发射的微波经历的相移以及衰减能够减少。继而，从样本的介电特性推断出其能够减少。由评估模块AM(即，由中央处理器30)进行相应的计算。

具体实施方式

参考图1，现在描述根据本发明的装置，该装置也被具体实施为外差系统(根据现有技术的如上所述的装置)。以与上述装置相同的方式，根据本发明的装置能够被视为由三个模块构成：即，发射模块SM、接收模块EM、以及包括评估模块AM(是指评估单元)和同步模块SYM的中央模块ZM，在现有技术中该模块并不以该形式存在。另外这里，这三个模块并未被绝对必须具体实施为局部分离的模块，但是为了清楚起见，我们将保持上面使用的术语。然而，应当考虑到的是，特别地，发射模块SM和接收模块EM在实践中经常被具体实施为物理上分离的模块。中央模块ZM能够被集成到这些模块中的一个模块。

以如用于现有技术相同的方式，发射模块SM包括两个发射侧合成器12和14，这些发射侧合成器12和14分别产生高频信号F1和F2，其中，这些高频稍有不同，例如，第一高频能够是3GHz，并且第二高频能够是3.001GHz。如上所述参考现有技术，第一发射侧合成器12还将其高频信号F1馈送到功率分配器18，该功率分配器18继而连接到发射侧混频器16和发射天线10。第二发射侧合成器14将由其产生的第二高频信号F2直接馈送到发射侧混频器16，发射侧混频器16连以与用于现有技术相同的方式接到评估模块AM，即连接到中央处理器30。

与现有技术相反，发射模块SM没有经由高频参考线连接到接收模块EM，这是没有设置第二功率分配器的原因。相反，接收模块EM包括接收侧合成器22，该接收侧合成器22产生与第二发射侧合成器14相同的高频，对于所选择的示例，该高频是3.001GHz。接收侧合成器22将由其产生的第三高频信号F3馈送到接收侧混频器26，其中，该混频器的第二输入连接到接收天线20，从而接收通过样本的所发射的第一高频信号F1'。

对于现有技术，发射侧混频器16产生第一中频信号lF1，并且接收侧混频器26还产生第二中频信号lF2，其中，这两个中频是相同的，即针对这里描述的示例，是1MHz。以与用于现有技术相同的方式，将这两个中频信号lF1和lF2供应到评估模块AM，是指这两个中频信号lF1和lF2被馈送到中央处理器30。为了当穿过样本P时从第一中频信号lF1和第二中频信号lF2之间的相移推断出，关于由第一高频信号F1经历的相移的相关结论，必须同步所有的合成器12、14和22。该同步由同步模块SYM来保证，是指由频率标准32来保证，该频率标准经由发射侧低频同步信号线34a而连接到两个发射侧合成器12、14，并且经由接收侧低频同步信号线34b而连接到接收侧合成器22，并且该频率标准发射计时信号TS(合成器通过其可重现地锁相地耦合)。这样的频率标准的“核心”通常是石英振荡器，该石英振荡器的谐振频率用作正常频率。通常地，该正常频率范围从1到30Mhz，如用于所选择的该示例，具体是10MHz。两个低频同步信号线34a、34b均是低频信号线，这些低频信号线优选地具体实施为物理上相同，尤其是具有相同长度和相同的设计。因此，能够省略连接发射模块SM和接收模块EM的高频参考线的使用，从而引起根据本发明的改进。

在上述示例性实施方式中，不能更改由合成器12、14、22产生的高频信号。然而，使用具有不同高频的测量经常是期望的，其中，一直采用的是，第二发射侧合成器14的第二高频以及接收侧合成器22的第三高频是相同的，并且这两个第二高频和第三高频略微不同于第一发射侧合成器12的第一高频。在这种情况下，必需保证的是，合成器12、14、22能够由控制器控制。原则上，中央处理器能够接管该任务，其中，如果控制不是由中央处理器直接实现，而是分别经由发射侧控制器40和接收侧控制器42进行，发射侧控制器40和接收侧控制器42继而由中央处理器30控制，那么优选的是用于长几何距离。(图2)。

当然，由于对于本发明的成功必不可少的是：合成器具有彼此已知的定相，合成器到频率标准的耦合不仅必须被锁相，而且是可重现的。这是指，在接通期间或针对频率更改，对于所有合成器而言，总是调整到同一相位。然而，从现有技术已知的多个合成器呈现该特征，从而不需要附加措施来实现重现性。

借助可重现地锁相地耦合的合成器，两个中频lF1和lF2也能够在接收器侧产生，从而能够省略用于发射模块SM和评估模块AE之间的该信号的连接线缆。图4示出具体的示例性实施方式。在这种情况下，发射模块SM设置有仅一个合成器11。所有其它部件被集成到接收模块EM中，因此，该接收模块EM具有第一合成器23和第二合成器24，其中，第二合成器24产生第二高频信号F2，该第二高频信号F2具有与来自发射侧合成器11的第一高频信号F1相同的高频(例如，还是3GHz)，而第一合成器23(如上所述的示例)产生具有稍微不同高频(例如，还是3.001GHz)的第三高频信号F3。通过将第二高频信号F2与第三高频信号F3混频来产生第一中频信号lF1，使用该第一中频信号lF1的第一接收侧混频器27，经由功率分配器29将一个输入连接到第一接收侧合成器23。通过使用第二接收侧混频器28来产生如上所述的第二中频信号lF2，该第二接收侧混频器28对应于第一示例性实施方式的接收侧混频器26。关于上述示例，所有合成器11、23、24由频率标准32来计时锁相。

图5示出另一实施方式，设置有：用于产生第一高频信号F1的仅一个发射侧频率发生器11；以及用于产生附加高频信号的仅一个接收侧频率发生器22，为了一致起见，该附加高频信号被称为第三高频信号F3。在这种情况下，同步模块的计时信号TS直接作为参考信号(在前面的实施方式中，该信号是第一中频信号lF1)，或者，如适用，是直接从其得到的信号。如果计时信号TS被直接用作参考信号，如在根据图5的示例性实施方式中示出的，为该信号设置附加低频同步信号线34c，以将频率标准32与中央处理器连接起来，则第二中频信号lF2(来自F3和F1'的混频信号)的频率必须与计时信号TS的频率相同。在这种情况下，如果计时信号TS频率也是10MHz，则第一高频信号频率F1的频率可以是3GHz，并且第三高频信号F3的频率可以是3.01GHz。该示例性实施方式引入简化电路。

该动作过程能够概括为：来自接收模块的中频信号lF2的频率不必与频率标准32的计时信号TS的频率相同。仅必要的是，两个信号都可重现地锁相地耦合。如图6所示，例如，能够设置频率转换器，具体地低频合成器44，该低频合成器44在频率标准32与中央处理器30(用作评估单元)之间产生参考信号RS。该参考信号的频率对应于第二中频信号lF2的频率，例如，在f(F1)＝3GHz并且f(F3)＝3.001GHz时，为1MHz。因此，图6所示的示例性实施方式基本上对应于图4的实施方式，不同之处在于，第一中频参考信号lF1(第一中频参考信号1F1是通过对两个高频信号F2和F3进行混频而获得的，并且用作参考)由低频合成器44直接产生的非混频参考信号RS所替代。

已经借助外差系统(还被称为优选实施方式)来描述本发明。然而，本发明还能够使用零差系统。在这种情况下，设置仅一个发射侧合成器和一个接收侧合成器，这两个合成器产生同一高频。这两个合成器的经由联合频率标准的锁相耦合，与上面示出的示例是相同的。

如前所述，当在工业规模上使用该装置时，根据本发明的改进的优点是特别明显的，例如，用于在线测量散装货物SG(诸如，在传送带60上传送的煤或铁矿石(图7)，或用于通过管(65)在线测量流体流(图8)，其中，在容器内测量也是可能的。

附图标记列表

10 发射天线

11 发射侧合成器

12 第一发射侧合成器

14 第二发射侧合成器

16 发射侧混频器

18 功率分配器

18a 第一功率分配器

18b 第二功率分配器

20 接收天线

22 接收侧合成器

23 第一接收侧合成器

24 第二接收侧合成器

26 接收侧混频器

27 第一接收侧混频器

28 第二接收侧混频器

29 功率分配器

30 中央处理器(评估单元)

32 频率标准

34a 发射侧低频同步信号线

34b 接收侧低频同步信号线

34c 附加的低频同步信号线

40 发射侧控制器

42 接收侧控制器

44 低频合成器

50 高频参考线

60 传送带

65 管

F1 具有第一频率的第一高频信号

F2 具有第二频率的第二高频信号

F3 具体第三频率的第三高频信号

lF1 具有第一中频的第一中频信号

lF2 具有第二中频的第二中频信号

TS 计时信号

RF 参考信号

SM 发射模块

EM 接收模块

AE 评估单元

SYM 同步模块

ZM 中央模块

SG 散装货物

Claims (6)

1.一种用于通过微波传输测量来测量样本(P)的介电和/或磁性特性的装置，所述装置包括：

发射天线(10)和接收天线(20)，其限定传输测量段，在该传输测量段中能够放置待测的所述样本(P)；

至少一个发射侧合成器(11，12，14)，其用于产生具有在800MHz到30GHz之间的频率的高频信号(F1，F2)；

频率标准(32)，其经由发射侧低频同步信号线(34a)连接到发射侧合成器(11，12，14)，发射侧合成器(12，14)可重现地锁相地耦合到所述频率标准(32)；以及

评估单元，其至少间接地连接到发射侧合成器(11，12，14)以及所述接收天线(20)，其特征在于，

另外设置至少一个接收侧合成器(22，23，24)，所述至少一个接收侧合成器(22，23，24)通过接收侧低频同步信号线(34b)连接到所述频率标准(32)，并且可重现地锁相地耦合到所述频率标准(32)，并且至少间接地连接到所述评估单元，

其中，所述装置包括多于一个发射侧合成器或多于一个接收侧合成器，并且其中，一个发射侧合成器和一个接收侧合成器产生同一高频。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述装置包括两个发射侧合成器(12，14)，所述两个发射侧合成器(12，14)的高频信号(F1，F2)被供应给发射侧混频器(16)，该发射侧混频器(16)的、在这两个高频信号的基础上产生的中频信号(lF1)被供应给所述评估单元，并且

由所述接收天线(20)接收的高频信号(F1')以及由接收侧合成器(22)产生的高频信号被供应给接收侧混频器(26)，接收侧混频器(26)的、从这两个高频信号产生的中频信号(lF2)被供应给所述评估单元，其中，

第一发射侧合成器(12)的高频信号被另外馈送到所述发射天线，并且

第二发射侧合成器(14)和接收侧合成器(22)产生所述同一高频，并且其中，由所述第一发射侧合成器(12)产生的高频与该同一高频不同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

设置两个接收侧合成器(23，24)，所述两个接收侧合成器(23，24)的高频信号(F2，F3)被供应给第一接收侧混频器(27)，所述第一接收侧混频器(27)的、从这两个高频信号产生的中频信号(lF1)被供应给所述评估单元，并且

由所述接收天线(20)接收的高频信号(F1’)以及由第一接收侧合成器(23)产生的高频信号被供应给第二接收侧混频器(28)，所述第二接收侧混频器(28)的、由这两个高频信号产生的中频信号(IF2)被供应给所述评估单元，其中，

来自发射侧合成器(11)的高频信号被供应给所述发射天线，并且

发射侧合成器(11)以及第二接收侧合成器(24)产生所述同一高频，并且所述第一接收侧合成器(23)产生与该同一高频不同的高频。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

设置发射侧合成器(11)和接收侧合成器(22)，其中，来自这两个合成器的高频信号的频率是不同的，并且所述频率标准(32)经由附加的低频同步信号线(34)连接到所述评估单元，其中，所述频率标准的频率表示这两个高频信号的频率之间的差异。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

设置发射侧合成器(11)和接收侧合成器(22)，其中，来自这两个合成器的高频信号的频率是不同的，并且频率转换器经由附加的低频同步信号线(34c)而可重现地锁相地耦合到所述频率标准(32)，所述频率转换器还连接到所述评估单元，其中，所述频率转换器产生参考信号(RF)，该参考信号(RF)的频率表示这两个高频信号的频率之间的差异。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，

所述测量段与传送机相交，具体地与传送带(60)相交，或者所述测量段位于容器或管(65)内。