DD287334A5 - Anordnung und verfahren zur messung der komplexen, bei hoch- und hoechstfrequenzen wirksamen dielektrizitaetskonstante von stoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung der komplexen, bei Hoch- und Hoechstfrequenzen wirksamen Dielektrizitaetskonstante von Stoffen. Erfindungsgemaesz wird dabei der Stoff als Dielektrikum einer homogenen Zweidrahtleitung, deren Parameter (Ausbreitungskonstante und Wellenwiderstand) er beeinfluszt, angeordnet, die Zweidrahtleitung ueber eine Koaxialleitung gespeist und am anderen Ende nicht reflektionsfrei abgeschlossen. Weiterhin wird an einer festen Stelle in der Koaxialleitung die Signalamplitude der UEberlagerung aus hinlaufender Welle und den reflektierten Wellen in Abhaengigkeit von der Frequenz gemessen, aus der sich die komplexe Dielektrizitaetskonstante des Stoffes ergibt. Vorteilhaft ist dabei, dasz die Reflexionen am UEbergang zur mit dem zu messenden Stoff belasteten Leitung eine Voraussetzung fuer das Verfahren sind und dasz sich die Anordnung gut als Stabsonde aufbauen laeszt.{Messung; Dielektrizitaetskonstante, komplex; Hoechstfrequenz; Zweidrahtleitung, homogen; Ausbreitungskonstante; Wellenwiderstand; UEberlagerung; Welle; Signalamplitude, frequenzabhaengig; Reflexion; Stabsonde}

Description

Eine dritte Gruppe von Verfahren und Anordnungen beruht auf der Messung des komplexen Reflexionsfaktors einer Leitung (vornehmlich Hohlleiter oder Koaxialleitung), welche auf der Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes stumpf endet und darauf, daß die Verluste und die Dielektrizitätskonstante des Stoffes den Reflexionsfaktor bestimmen (Nondestructive Measurement of Comple». Permittivity of Dielectric Slabs/Decreton, M. C; Ramachandraiah, M. S. - In: IEEE Trans, on Microwave Theory and Technique? 23 [1975] 12 S. 1077-1079; Open Ended Waveguides: Theoretical Analysis and Application (o small Distance and Complex Permittivity Measurements/Decreton, M. C- In: Mitt. agen. 19 [1975] S.57-64). Hierbei ist vor allem nachteilig, daß der Zu: ammenhang zwischen komplexem Reflexionsfaktor und komplexer Dielektrizitätskonstanten des Stoffes über einen sehr komplexen und nur sehr aufwendig auswertbaren mathematischen Zusammenhang gegeben ist. Der gerätetechnische Aufwand ist ansonsten ähnlich dem bei Transmissionsmessungen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur breitbandigen Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von vorzugsweise flüssigen, gasförmigen oder feindispersen Stoffen im Hoch- und Höchstfrequenzbereich anzugeben, welche vergleichsweise unaufwendig realisierbar sowie leicht automatisierbar sind und bei der die Meßanordnung in Form einor Stabsonde ausgeführt werden kann.

Darlegung de» Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung der komplexen, bei Hoch- und Höchstfrequenzen wirksamen Dielektrizitätskonstante von Stoffen zu schaffen, welche breitbandige Messungen über einen Frequenzbereich von wenigstens einer Oktave gestatten und bei welchen die Reflexionen an der Trennfläche zu dem zu messenden Stoff bzw. an den Übergängen zu den mit dem zu messenden Stoff belasteten Leitungsabschnitten nicht die Messung erschweren, sondern bewußt geschaffen werden und zur Durchführung des Verfahrens erforderlich sind. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Anordnung dad> rch gelöst, daß eine homogene Zweidrahtleitung mit definierter Länge, deren Dielektrikum durch den zu messenden Stuff gebildet wird, an einem Ende mit einem definierten Abschlußwiderstand (Kurzschlußplatte) fehlangepaßt homogenem Dielektrikum abgeschlossen ist und am anderen Ende auf eine Koaxialleitung übergeht, wobei das Eindringen des zu messenden Stoffes in die Koaxialleitung durch geeignete Maßnahmen verhindert wird. Das Wellenwiderstandsverhältnis zwischen Zweidraht- und Koaxialleitung muß dabei von 1 verschieden sein. In definiertem Abstand vom Übergang Zweidraht-Koaxialleitung befindet sich in der Koaxialleitung eine Vorrichtung zur Messung der Signalamplitude, die vorzugsweise als kapazitive oder induktive Sonde ausgebildet let. Die gesamte Anordnung ist in sich starr aufgebaut und wird von einem HF-Generator mit durchstimmbarer Frequenz und konstanter Ausgangsamplitude gespeist.

Die Aufgabe wird erfindungrgemäß durch ein Verfahrrn gelöst, bei dem an einem festen Ort in der Zuleitung zu einem beidseitig nicht angepaßten Zweitor β Signalamplitude der Üoerlagerung aus der zum Zweitor hinlaufenden und den von ihm reflektierten Wellen in Abhängigkeit von der Frequenz der hinlaufenden Welle gemessen wird. Aus der sich ergebenden charakteristischen Abhängigkeit der gemessenen Signalamplitude von der Frequenz werden die Streuparameter des Zweitores und damit die Streuparameter der dieses Zweitor bildenden, homogenen Zweidrahtleitung, deren Dielektrikum der zu messende Stoff ist, ermittelt. Aus den Streuparametern der Zweidrahtleitung ergibt sich die komplexe Dielektrizitätskonstante des zu messenden Stoffes.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich wie folgt erklären. Wird die Zweidrahtleitung über eine Koaxialleitung gespeist, so überlagert sich die hinlaufende Welle zunächst mit der durch dan Übergang zur Zweidrahtleitung reflektierten, rücklaufenden Welle. Mißt man in der koaxialen Zuleitung z. B. mit einer Sonde an einer festen Stelle die Signalamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz der hinlaufenden Welle, so schwankt diese sinusförmig um den Betrag der Amplitude der zulaufenden Welle mit einer bestimmten Frequenz (Periodenlänge) infolge der Überlagerung mit der reflektierten Welle. Diese Frequenz der Schwankung hängt in definierter Weiso vom Abstand Sonde - reflektierender Übergang, von den Materialparametern (insbesondere derDielektrizitätskonstonte) der Koaxialleitung und vom Reflexionsfaktor des Übergangs ab. Weiterhin läuft aber ein Teil der hinlaufenden Welle auch bis zum reflektierenden Abschluß (Kurzschlußplatte) der Zweidrahtleitung, wird von dort zur Koaxialleitung zurückreflektiurt und überlagert sich mit der hinlaufenden Welle. Auch dieso Überlagerung führt bei Variation der Frequenz zu einem sinusförmigen Schwanken der an der Sonde meßbaren Signalamplitude, wo'jei jetzt die Frequenz der Schwankung durch die zusätzliche Länge der Zweidrahtleitung und ihre Materialparameter (Dielektrizitätskonstante des Stoffes) größer ist (Periodenlänge dieser Schwankung kürzer). Die Amplitudo dieser Schwankung und damit dieser rücklaufenden Welle wird dabei durch die Dämpfung der Zweidrahtleitung (infolge der Verlu&io des Stoffes) bestimmt. Praktisch mißt man an der Sonde natürlich die Überlagerung der hinlaufenden Welle mit allen reflektierten, rücklaufenden Teilwellen (rlso den beiden schon genannten und auch den sich durch Mehrfachreflexionen zwischen Übergang zur und Abschluß der Zweidrahtleitung ergebenden Teilwellen), wodurch sich die Schwankung der Signalamplitude an der Sonde in Abhängigkeit von der Frequenz aus der Überlagerung mehrerer sinusförmiger Schwankungen mit unterschiedlichen Periodenlängen ergibt. Indem man die gemessene Abhängigkeit der Signalamplitude von der Frequenz auf mathematischem Wege in die sie bildenden sinusförmigen Schwankungen zerlegt und so ihre Frequenzen und Amplituden bestimmt, können daraus die Streuparameter der Zweidrahtleitung wie auch ihr Wellenwiderstand und die Ausbreitungskonstante ermittelt werden. Diese Zerlegung der Signalamplitude in ihre sinusförmigen Anteile ist beispielsweise mittels diskreter Fourier-Transformation möglich, durch die man die Schwankungsfrequenzen der einzelnen Anteile und ihre Amplituden erhält. Eine Zerlegung dieser Signalamplitude ist aber auch möglich, indem mit einem Algorithmus zur Kurvenapproximation Schwankungcfrequenzen und Amplituden der einzelnen Anteile als Parameter einer den Signalamplitudenverlauf allgemein beschreibenden Funktion bestimmt v.erdon. Aus der komplexen Ausbreitungskonstante der Zweidrahtleitung α + jß, welche aus dem Transmissionsfaktor der Zweidrahtleitung erfolgt, ergeben sich die Anteile der komplexen Dielektrizitätskonstante

Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt Fig. 1: Anordnung zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von Stoffen

In der zur Speisung dienenden Koaxialleitung 1 ist die Sonde 2 (hier kapazitive Sonde) zur Messung der Signalamplitude angeordnet. An die Koaxialleitung 1 schließt sich die homogene Zweidrahtleitung 3 an. Sie ist mit einer Kurzschlußplatte 6 abgeschlossen. Im Übergang 4 zwischen Koaxialleitung 1 und homogener Zweidrahtleitung 3 ist eine sehr dünne dielektrische Folie 5 angeordnet, die erstens als Halterung für den Mittelleiter dient und zweitens das Eindringen des zu messenden Stoffes in die Koaxialleitung verhindert. Die homogene Zweidrahtteitung 3 ist in diesem Beispiel als Mittelleiter, der von vier gleichartigen Leitern symmetrisch umgeben ist, aufgebaut (Schnitt A-A). Wird diese Anordnung beispielsweise in eine Flüssigkeit eingetaucht, so verändert diese die elektrische Länge, die Dämpfung und den Wellenwiderstand der homogenen Zweidrahtleitung. Das führt zu einer charakteristischen Änderung der Frequenzabhängigkeit der Signalamplitude an der Sonde 2, aus welcher dadurch aber die komplexe Dielektrizitätskonstante des Stoffes ermittelt werden kann. Die homogene Zweidrahtleitung kann auch in beliebiger anderer Weise aufgebaut werden (mehr oder weniger den Mittelleiter umgebende Leiter, mehrere .Mittelleiter", Koaxialleitung usw.). Wesentlich ist lediglich, daß sie ein homogenes Dielektrikum besitzt, damit ihre Ausbreitungskonstante nur von den Materalparametern des zu untersuchenden Stoffes und der Frequenz abhängt. Mittels des Koaxialsteckers 7 wird die gesamte Anordnung an eine Signalquelle (HF-Generator) angeschlossen.

Claims (3)

1. Anordnung zur Messung der komplexen, bei Hoch· und Höchstfrequenzen wirksamen Dielektrizitätskonstante von Stoffen, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung aus einer homogenen Zweidrahtloitung mit definierter Länge, deren Dielektrikum der -u messende Stoff ist, die an einem Ende mit einem definierten Abschlußwiderstsnd, vorzugsweise einer Kurzschlußlatte, aber stets fehlangepaßt abgeschlossen ist und die am anderen Ende als Koaxialleitung, in welche durch geeignete Mitte! der zu messende Stoff nicht eindringen kann und an welcher sich in definiertem Abstand vom Übergang Zweidraht-Koaxialleitung eine Vorrichtung zur Messung der Signalamplitude, vorzugsweise eine kapazitive oder induktive Sonde, befindet, weitergeführt ist, besteht, wobei das Wellenwiderstandsverhältnis zwischen Zweidraht- und Koaxialleitung von 1 verschieden jet, diese gesamte Anordnung starr aufgebaut ist und von einem HF-Generator mit durchstimmbarer Frequenz und konstanter Ausgangsleistung gespeist wird.

2. Verfahren zur Messung der komplexen, bei Hoch- und Höchstfrequenzen wirksamen Dielektrizitätskonstante von Stoffen, gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz einer in eine ein beidseitig nicht angepaßtes Zweitor darstellende Zweidrahtleitung hineinlaufenden Welle schrittweise variiert wird und die Signalamplitude der sich aus hinlaufender und den an den Toren des Zweitores reflektierten Teilwellen zusammensetzenden, überlagerten Welle an einem festen Ort in der Zuleitung in Abhängigkeit von der Frequenz der Signalqur i!e gemessen wird und aus der Abhängigkeit der Signalampütude dieser überlagerten Welle von der Frequenz die Streuparameter der homogenen Zweidrahtleitung (Zweitor) und daraus die komplexe Dielektrizitätskonstante des Stoffes, der das Dielektrikum dor homogenen Zweidrahtleitung bildet, ermittelt wird.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist auf dem Goblet der Meßtechnik, zur Messung der komplexen, bei Hoch- und Höchstfrequenzen wirksamen Dielektrizitätskonstante, insbesondere bei flüssigen, gasförmigen oder feindispersen Stoffen anwendbar.

Charakteristik des bokannten Standes der Technik

Es existieren bereits mehrere Verfahren bzw. Anordnungen zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von vorwiegend festen Stoffen (Dielektrische Messungen im Mikrowellenbereich/Meyer, W. - In: Mikrowellen Magazin (1978J1 S. 26-32), die sich aber i. d. R. auch für flüssige, gasförmige und disperse Stoffe modifizieren lassen. Ein wesentlicher Teil davon sind resonante Verfahren (Accurate Measurement of Complex Permittivity of Low Loss MIC Substrate Slabs/Ermert, H.-In: NTZ 27 [1974] 1 S.43-46; Die Verwendung eines HIH-Mikrowellenresonators zur zerstörungsfreien Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von Festkörpern/Bezek, J. - 26. Internat. Wiss. KoII., 1981, TH Ilmenau, Vortragsreihe „Mikrowellentechnik" A4, A5 Heft

3; Complex Permittivity Measurement of MIC Substrate/Guillon, P. In: AEu 35 (1981) 3 S. 101-104; Patentschrift DD 139468). Dabei wird der zu untersuchende Stoff in geeigneter Weise z.B. in einem Hohlraumresonator bzw. in der Nähe eines Streifenleitungs- oder dielektrischen Resonators angeordnet. Aus der Änderung der Resonanzfrequenz und der Bandbreite des belasteten Resonators im Vergleich zum unbelasteten Resonator lassen sich dann die Dielektrizitätskonstante und der Verlustwinkel des Stoffes ermiUoln. Ein wesentlicher Nachteil dieser resonanten Meßverfahren ist, daß sich die Ermittlung der komplexen Dielektrizitätskonstante nur bei einer Frequenz (der Resonanzfrequenz des belasteten Resonators) gestatten. Weiterhin lassen sie sich i.d.R. nicht ohne weiteres als Sonden aufbauen. Sie erfordern je nach Stoffart Probenentnahmen bzw. Realisierung von Bypässen. Nachteilig insbesondere bei Hohlraumresonatoreii ist, daß die Schwingungsmode des mit dem unbekannten Stoff belasteten Resonators bekannt sein muß. Weitere Verfahren und Anordnungen basieren auf der Transmissionsmessung an Leitungen (vornehmlich Hohlleiter und Planarleitungen) (fin Verfahren zur Messung der komplexen Dielektrizitätszahl von Folien und dünnen Platten im Mikrowellanbereich/Maler, H. G. - In: Frequenz 24 (1970) S. 303-307). Dabei wird der zu untersuchende Stoff so in oder an der Leitung engeordnet, daß er sowohl die Phase (vor allem durch die Dielektrizitätskonstante des Stoffes) als auch die Amplitude (vor allem durch die Verluste des Stoffes) der durch die Leitung laufenden Welle verändert. Mittels Richtkopplern in den Anschlußleitungen und im Quotientenmesser wird diese Phasen· und Amplitudenänderung gemessen. Nachteilig ist der größere gerätetechnische Aufwand boi diesem Verfahren. Weiterhin ist der Aufbau entsprechender Meßanordnungen in Sondenform problematisch. Nachteilig ist auch, daß die Reflexionen an den Übergängen zwischen nichtbolasteten und mit dem zu messenden Stoff belasteten Leiterstücken Fehler der Messungen bewirken können bzw. einen höheren Aufwand bei der Auswertung erfordern.

In EP 69969 wird ein in dieser Art arbeitender Alkohol-Kraftstcff-Sensor beschrieben. Er beruht darauf, daß aus der Dämpfung einer Mikrostreifenleitung, über welche das Gemisch geleitet wird, dessen prozentuale Zusammensetzung ermittelt wird. Nachteilig ist, daß diese Anordnung für jede Frequenz kalibriert werden muß und dann nur «jei einem Gemisch aus den angegebenem Stoffen richtige Ergebnisse bringt. Zur allgemeinen Messung der Dielektrizitätskonstante, insbesondere des Vorlustwinkels, ist er nicht geeignet.