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.A third group of methods and arrangements is based on the measurement of the complex reflection factor of a line (predominantly waveguide or coaxial line) which ends bluntly on the surface of the substance under investigation and that the loss and the dielectric constant of the substance determine the reflection factor (Nondestructive Measurement Permissivity of Dielectric Slabs / Decreton, M.C. Ramachandraiah, MS-In: IEEE Trans, on Microwave Theory and Technique 23 [1975] 12 pp. 1077-1079; Open Ended Waveguides: Theoretical Analysis and Application ( o Small Distance and Complex Permittivity Measurements / Decreton, M. C- In: Mitt. [Agen.] 19 [1975] p.57-64) .The disadvantage here is that the relationship between the complex reflection factor and the complex dielectric constant of the substance is given over a very complex and only very elaborate evaluable mathematical relationship I do that with transmission measurements.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The object of the invention is to provide an arrangement and a method for broadband measurement of the complex dielectric constant of preferably liquid, gaseous or finely dispersed substances in the high and ultra-high frequency range, which are comparatively inexpensive to implement and easy to automate and in which the measuring arrangement in the form of a rod probe can be executed.
Darlegung de» Wesens der ErfindungPresentation of the essence of the invention
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.The invention has for its object to provide an arrangement and a method for measuring the complex, effective at high and high frequencies dielectric constant of substances that allow broadband measurements over a frequency range of at least one octave and in which the reflections at the interface to the to be measured or at the transitions to the loaded with the substance to be measured line sections not complicate the measurement, but deliberately created and are required to carry out the process. The object is achieved by means of an arrangement dad> rch that a homogeneous two-wire line of defined length, the dielectric is formed by the measured Stuff, at one end with a defined terminating resistor (short circuit plate) mismatched homogeneous dielectric is completed and at the other end a coaxial line passes, whereby the penetration of the substance to be measured in the coaxial line is prevented by suitable measures. The characteristic impedance ratio between two-wire and coaxial line must be different from 1 here. At a defined distance from the transition two-wire coaxial line is located in the coaxial line, a device for measuring the signal amplitude, which is preferably designed as a capacitive or inductive probe let. The entire arrangement is inherently rigid and is fed by a HF generator with a tunable frequency and a constant output amplitude.
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.The object is achieved according erfindungrgemäß by a Verfahrrn in which at a fixed location in the supply to a two-way unmatched Zweitor β signal amplitude Üoerlagerung out of the two-port and the waves reflected by it in response to the frequency of the outgoing wave is measured. From the resulting characteristic dependence of the measured signal amplitude on the frequency, the scattering parameters of the second port and thus the scattering parameters of this two-port forming, homogeneous two-wire line whose dielectric is the substance to be measured, determined. From the scattering parameters of the two-wire line results in the complex dielectric constant of the substance to be measured.
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 DielektrizitätskonstanteThe mode of action of the arrangement according to the invention and the method according to the invention can be explained as follows. If the two-wire line is fed via a coaxial line, then the traveling wave is superimposed first with the returning wave reflected by the transition to the two-wire line. If one measures in the coaxial feed line z. B. with a probe at a fixed point, the signal amplitude as a function of the frequency of the outgoing wave, so this varies sinusoidally by the amount of the amplitude of the incoming wave with a certain frequency (period length) due to the superposition with the reflected wave. This frequency of variation depends in a defined manner on the distance from the probe to the reflective transition, the material parameters (in particular the dielectric constants) of the coaxial line and the reflection factor of the transition. Furthermore, however, a part of the outgoing wave also runs up to the reflective termination (short-circuit plate) of the two-wire line, is reflected back from there to the coaxial line and overlaps with the outgoing wave. This superimposition also leads to a sinusoidal fluctuation of the signal amplitude measurable at the probe, where now the frequency of the fluctuation due to the additional length of the two-wire line and its material parameters (dielectric constant of the substance) is greater (period length of this fluctuation shorter). The Amplitudo this fluctuation and thus this returning wave is determined by the attenuation of the two-wire line (due to the loss of the substance). In practice, the probe is naturally measured by the superimposition of the traveling wave with all reflected, returning partial waves (rlso the two partial waves already mentioned and also those resulting from multiple reflections between transition to and termination of the two-wire line), whereby the fluctuation of the signal amplitude at the probe depending on the frequency resulting from the superposition of several sinusoidal fluctuations with different period lengths. By dividing the measured dependence of the signal amplitude of the frequency on the mathematical way in the sinusoidal fluctuations forming them and thus determines their frequencies and amplitudes, the scattering parameters of the two-wire line as well as their characteristic impedance and the propagation constant can be determined from this. This decomposition of the signal amplitude into its sinusoidal components is possible, for example, by means of discrete Fourier transformation, by means of which the fluctuation frequencies of the individual components and their amplitudes are obtained. However, a decomposition of this signal amplitude is also possible by using a curve approximation algorithm to determine fluctuation frequencies and amplitudes of the individual components as parameters of a function generally describing the signal amplitude curve v.erdon. From the complex propagation constant of the two-wire line α + jβ, which takes place from the transmission factor of the two-wire line, the proportions of the complex dielectric constant result
Ausfuhrungsbeispielexemplary
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigtThe invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows
Fig. 1: Anordnung zur Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante von StoffenFig. 1: Arrangement for measuring the complex dielectric constant of substances
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.In the serving for feeding coaxial line 1, the probe 2 (here capacitive probe) for measuring the signal amplitude is arranged. The coaxial line 1 is followed by the homogeneous two-wire line 3. It is completed with a short-circuit plate 6. In transition 4 between coaxial line 1 and homogeneous two-wire line 3, a very thin dielectric film 5 is arranged, which firstly serves as a support for the center conductor and secondly prevents the penetration of the substance to be measured in the coaxial line. The homogeneous two-wire 3 is in this example as a center conductor, which is symmetrically surrounded by four similar conductors constructed (section A-A). If this arrangement, for example immersed in a liquid, so this changes the electrical length, the damping and the characteristic impedance of the homogeneous two-wire line. This leads to a characteristic change in the frequency dependence of the signal amplitude at the probe 2, from which, however, the complex dielectric constant of the substance can be determined. The homogeneous two-wire line can also be constructed in any other way (more or less conductors surrounding the center conductor, several "middle conductors", coaxial line, etc.) The only important point is that it has a homogeneous dielectric, so that its propagation constant only depends on the lateral parameters By means of the coaxial plug 7, the entire arrangement is connected to a signal source (RF generator).