DE102006034884A1 - Fluid permittivity or permeability measurement unit has conducting resonator filled by dipping with holes below cutoff frequency - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung der komplexen Permittivität und oder Permeabilität eines Fluids im Mikrowellenbereich, insbesondere einen Eintauchsensor für stehende und strömende Fluide, der durch das Resonanzverhalten des als Mikrowellenresonator ausgeführten Eintauchsensors die elektromagnetischen Eigenschaften des Fluids bestimmt. Da die Permeabilität der meisten bekannten Fluide der Vakuumpermeabilität entspricht, ist die Messung der Permittivität Hauptanwendungsgebiet. Prinzipiell gelten die Ausführungen aber analog für die Permeabilität.The The invention relates to a measuring device for determining the complex permittivity and or permeability of a Fluids in the microwave range, in particular a dip sensor for standing and pouring Fluide, by the resonance behavior of as a microwave resonator executed Immersion sensor the electromagnetic properties of the fluid certainly. Because the permeability most of the known fluids corresponds to vacuum permeability the measurement of permittivity Main application. In principle, the explanations apply but analogously for the permeability.
Die Messung der komplexen Permittivität mittels Mikrowellenstrahlung ist mittels Übertragungsmessung durch Leitungsstrukturen, die mit dem zu untersuchenden Medium in Wechselwirkung gebracht werden, durch Messung der Übertragung zwischen zwei Transceivern, wobei die Ausbreitung des Signals zumindest teilweise im zu untersuchenden Medium erfolgt, oder durch resonante Messung mittels Hohlraumresonatoren oder Streufeldsensoren möglich. Diese grundlegenden Techniken sind Stand der Technik und werden z.B. in [Montgomery; Technique of Microwave Measurements; McGraw-Hill; 1947] beschrieben.The Measurement of the complex permittivity by means of microwave radiation is by transmission measurement through conduction structures associated with the medium under investigation Interaction be brought about by measuring the transmission between two transceivers, with the propagation of the signal at least partially takes place in the medium to be examined, or by resonant measurement means Cavity or stray field sensors possible. This basic Techniques are known in the art and are e.g. in [Montgomery; Technique of Microwave Measurements; McGraw-Hill; 1947].
Messungen
der Reflektion und/oder Transmission können in Leitungsstrukturen,
in denen sich das Signal entlang der vom Stoff gefüllten Leitung ausbreitet
durchgeführt
werden, wie beispielsweise aus
Die
Transmissions-/Reflektionsmessung wird in
Dieses
Prinzip wird in
Eine
weitere Möglichkeit
Reflektion und Transmission zu messen sind Antennen, die Signale direkt
durch ein mit dem zu untersuchenden Medium gefülltes Volumen oder durch eine
für Mikrowellen transparente
Wand auf das Medium senden, wie aus
Messgrößen sind
dabei meist Amplitude und/oder Phase des reflektierten und/oder
transmittierten Signals; alternativ auch die Laufzeit wie aus
Aus
Eine ähnliche
Lösung
ist aus
Die resonante Messung bietet im Vergleich zu den oben erwähnten Übertragungsverfahren aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz eines Mikrowellenresonators gegenüber Änderungen der elektromagnetischen Eigenschaften seines Innenvolumens den Vorteil sehr hoher Genauigkeit. Hinzu kommen die leichte Messbarkeit der Frequenz mit hoher Genauigkeit und die leichte Erzeugbarkeit solcher Signale mittels PLL-Synthesizern.The resonant measurement offers compared to the transmission methods mentioned above due to the high sensitivity of the resonant frequency of a microwave resonator against changes the electromagnetic properties of its internal volume the advantage very high accuracy. In addition there are the easy measurability of the frequency with high accuracy and easy to produce such signals using PLL synthesizers.
Die potentiellen Vorteile konnten jedoch bisher nur in Offline-Messverfahren, bei denen eine Probe des Mediums, die den Resonator ganz ausfüllt, in den Resonator eingebracht wird oder in offenen Resonatoren für Feststoffproben genau definierter Geometrie [Y. Kobayashi and M. Katoh. "Microwave Measurement of Dielectric Properties of Low-Loss Materials by the Dielectric Rod Resonator Method." 1985 Transactions on Microwave Theory and Techniques 33.7 (Jul. 1985 [T-MTT]): 586-592.] genutzt werden.The However, potential benefits have so far been found only in offline measurement, at which a sample of the medium, which fills the resonator completely, in the Resonator is introduced or in open resonators for solid samples well-defined geometry [Y. Kobayashi and M. Katoh. "Microwave Measurement of Dielectric Properties of Low-Loss Materials by the Dielectric Rod Resonator Method. "1985 Transactions on Microwave Theory and Techniques 33.7 (Jul [T-MTT]): 586-592.].
Eine
mögliche
Abwandlung für
die Online-Messung ist aus
Zum
gleichen Zweck ist beispielsweise aus
Eine
Abwandlung zur Verbesserung der Empfindlichkeit teilgefüllter Resonatoren
ist aus
Weitere
Ausführungen
von resonanten Mikrowellensensoren sind Streufeldsensoren wie aus
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Messgerät zur Bestimmung zumindest einer physikalischen Eigenschaft eines Fluids über dessen elektromagnetische Eigenschaften zu schaffen, welches eine einfache Handhabung ermöglicht und eine größere Messgenauigkeit aufweist.It It is therefore an object of the invention to provide an improved measuring device for determination at least one physical property of a fluid over its to create electromagnetic properties, which is a simple Handling allows and a greater measuring accuracy having.
Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and their benefits
Diese Aufgabe wird durch den resonanten Mikrowellen Eintauchsensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.These Task is accompanied by the resonant microwave immersion sensor solved the features specified in claim 1. Preferred embodiments emerge from the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Messgerät, welches zur Bestimmung zumindest einer physikalischen Eigenschaft eines Fluids dient, verwendet zur Bestimmung dieser Eigenschaft eine elektromagnetische Hilfsgröße. Hierzu ist ein Leitungsresonator vorgesehen, welcher von einem Mikrowellengenerator mit einem abstimmbaren elektromagnetischen Signal beaufschlagt werden kann, um im Inneren des Leitungsresonators eine stehende Welle zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist dabei der Leitungsresonator so ausgebildet, dass er in das Fluid eintauchbar ist. D.h. der Leitungsresonator weist Öffnungen auf, durch welche das zu analysierende Fluid in den Hohlraum im Inneren des Resonators eindringen kann und das Volumen des Resonators vollständig füllen kann. Zur Messung wird der gesamte Leitungsresonator in das Fluid eingetaucht. Dies vereinfacht die Anwendung erheblich, da das Fluid nicht durch Leitungen in den Leitungsresonator geleitet werden muss. Ferner kann das Volumen im Inneren des Leitungsresonators vollständig mit dem zu analysierenden Fluid gefüllt werden, so dass eine bessere Messempfindlichkeit und damit bei gleicher Auswertungstechnik ein genaueres Ergebnis erzielt wird.The Measuring device according to the invention, which is used for Determining at least one physical property of a fluid serves to determine this property an electromagnetic auxiliary size. For this a line resonator is provided, which of a microwave generator be subjected to a tunable electromagnetic signal may be to put a standing wave inside the line resonator produce. According to the invention is the line resonator is designed so that it can be immersed in the fluid is. That the line resonator has openings through which the fluid to be analyzed into the cavity inside the resonator can penetrate and completely fill the volume of the resonator. For measurement, the entire line resonator is immersed in the fluid. This simplifies the application considerably, since the fluid does not pass through Lines in the line resonator must be routed. Furthermore, can the volume in the interior of the line resonator completely with filled the fluid to be analyzed so that a better measuring sensitivity and thus at the same Evaluation technique a more accurate result is achieved.
Der erfindungsgemäße Leitungsresonator ist ferner derart ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen koaxialen Aufbau hat, d.h. einen Koaxialleitungsresonator bildet. Dieser koaxial aufgebaute Leitungsresonator weist einen rohrförmigen Außenleiter und einen im Inneren angeordneten Innenleiter auf. Die beiden Leiter bilden einen Abschnitt einer Leitung, welche prinzipiell zur Übertragung von Gleichspannungen geeignet ist. Der Innenleiter ist in dem Außenleiter so angeordnet, dass die äußere Umfangsfläche des Innenleiters von der inneren Umfangsfläche, d.h. der Innenwandung des Außenleiters beabstandet ist. Dabei sind der Innenleiter und der Außenleiter vorzugsweise so zueinander angeordnet, dass ihre Längsachsen parallel zueinander verlaufen. Vorzugsweise sind sowohl der Außenleiter als auch der Innenleiter so ausgebildet, dass die äußere Umfangswandung des Innenleiters sowie die innere Wandung des Außenleiters parallel zu diesen Längsachsen verlaufen. Zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter wird ein ringförmiger Hohlraum gebildet, welcher das zu analysierende Fluid aufnimmt. Zumindest eine Stirnseite des Außenleiters, d.h. des ringförmigen Hohlraumes zwischen Innenleiter und Außenleiter, und/oder die Umfangswandung des Außenleiters weisen Öffnungen auf, durch welche das Fluid in das Innere des Hohlraumresonators, d.h. in den ringförmigen Hohlraum eintreten kann. So kann der Leitungsresonator beim Eintauchen in das Fluid leicht von dem Fluid gefüllt werden.The line resonator according to the invention is further designed such that it has a substantially coaxial structure, ie forms a Koaxialleitungsresonator. This coaxially constructed line resonator has a tubular outer conductor and an inner conductor arranged in the interior. The two conductors form a section of a line, which is suitable in principle for the transmission of DC voltages. The inner conductor is disposed in the outer conductor so that the outer peripheral surface of the inner conductor is spaced from the inner peripheral surface, that is, the inner wall of the outer conductor. Here are the inner conductor and the outer conductor preferably arranged to each other so that their longitudinal axes parallel to each other. Preferably, both the outer conductor and the inner conductor are formed so that the outer peripheral wall of the inner conductor and the inner wall of the outer conductor extend parallel to these longitudinal axes. Between the inner conductor and the outer conductor, an annular cavity is formed, which receives the fluid to be analyzed. At least one end face of the outer conductor, ie the annular cavity between inner conductor and outer conductor, and / or the peripheral wall of the outer conductor have openings through which the fluid can enter the interior of the cavity, ie in the annular cavity. Thus, the line resonator can easily be filled by the fluid when immersed in the fluid.
Der koaxiale Aufbau des Leitungsresonators ermöglicht es, dass der Resonator in einem sehr weiten Frequenzbereich mit rein transversal elektromagnetischen Moden (TEM-Moden) arbeitet. D.h. es gibt im Inneren des Resonators nur radial und sich umfänglich erstreckende Feldkomponenten, jedoch keine sich in axialer Richtung des Resonators, d.h. zu den Stirnseiten hin, erstreckende Feldkomponenten. D.h. in einem großen Frequenzbereich können sich keine TE- und keine TM-Moden ausbreiten. Dazu ist insbesondere die Form und sind die Querschnittsabmessungen des Leitungsresonators, d.h. des Außen- und Innenleiters im Wesentlichen unerheblich, so dass die Querschnittsabmessungen und Formen beliebig gewählt werden können, ohne die geschilderte Funktion des Resonators zu beeinträchtigen.Of the Coaxial construction of the line resonator allows the resonator in a very wide frequency range with purely transversal electromagnetic Modes (TEM modes) works. That it is inside the resonator only radial and circumferential extending field components, but not in the axial direction of the resonator, i. towards the end faces, extending field components. That in a big one Frequency range can no TE and no TM modes propagate. This is in particular the shape and are the cross-sectional dimensions of the line resonator, i.e. of the foreign and Inner conductor essentially irrelevant, so that the cross-sectional dimensions and shapes chosen arbitrarily can be without affecting the described function of the resonator.
Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Mikrowelleneintauchresonators als TEM-Leitungsresonator mit rein transversal elektromagnetischen Moden hat den Vorteil, dass die Resonanzen in einem weiten Bereich der Betriebsfrequenz nur von der Länge des Resonators abhängig sind. Dies führt dazu, dass die Resonanz zweiter Ordnung bei der doppelten Resonanzfrequenz der Grundfrequenz liegt, so dass hier der Eindeutigkeitsbereich des Sensors erheblich vergrößert wird. Erst eine Änderung der Permittivität um den Faktor 4 kann bei Verwendung eines einzelnen Sensors mit fester Länge nicht mehr eindeutig zugeordnet werden.The Formation of the microwave immersion resonator according to the invention as a TEM line resonator with purely transversal electromagnetic Moden has the advantage that the resonances in a wide range the operating frequency depends only on the length of the resonator. this leads to to that second-order resonance at twice the resonant frequency the fundamental frequency is, so here the uniqueness range of the sensor is considerably increased. First a change the permittivity by a factor of 4 when using a single sensor with fixed length no longer be assigned uniquely.
Vorzugsweise kann das Messgerät jedoch auch mehrere der beschriebenen Resonatoren aufweisen, welche gleichzeitig eingesetzt werden können, wodurch der Messbereich weiter vergrößert und bei ausreichender Anzahl von Leitungsresonatoren beliebig erweitert werden kann.Preferably can the meter but also have several of the described resonators, which can be used simultaneously whereby the measuring range further increases and with sufficient Number of line resonators can be extended as desired.
Zum Betrieb des Messgerätes ist zweckmäßigerweise ein abstimmbarer Oszillator vorgesehen, welcher ein abstimmbares Mikrowellensignal erzeugt, welches in den Leitungsresonator über eine geeignete Einkoppelstruktur eingekoppelt wird. Der Oszillator wird so abgestimmt, dass ein vorgegebener Frequenzbereich durchlaufen wird, um dann festzustellen, bei welcher Frequenz eine Resonanz auftritt. Diese stellt dann die elektromagnetische Hilfsgröße dar, welche charakteristisch für eine bestimmte physikalische Eigenschaft des Fluids ist, welches sich im Inneren des Leitungsresonators befindet. Vorzugsweise sind der Außenleiter und der Innenleiter an einer Stirnseite oder beiden Stirnseiten des Leitungsresonators miteinander verbunden. Durch diese Verbindung wird eine definierte geometrische Positionierung des Innenleiters gegenüber dem Außenleiter erreicht, d.h. der Innenleiter wird beabstandet zur Innenwandung des Außenleiters in diesem fixiert. Die Verbindung kann durch eine den Außenleiter an einer Stirnseite abschließende Endplatte geschaffen sein. Dabei kann an dieser Stirnseite der Freiraum zwischen Innen- und Außenleiter vollständig verschlossen sein. Alternativ kann die Verbindung zwischen Außen- und Innenleiter so ausgebildet sein, dass Öffnungen zu dem Freiraum zwischen Außen- und Innenleiter an dieser 5 Stirnseite verbleiben.To the Operation of the measuring device is expediently a tunable oscillator is provided, which is a tunable Microwave signal generated, which in the line resonator via a suitable Einkoppelstruktur is coupled. The oscillator is tuned that a predetermined frequency range is traversed, then determine at which frequency a resonance occurs. These then represents the electromagnetic auxiliary variable, which is characteristic for one certain physical property of the fluid is which located inside the line resonator. Preferably, the outer conductor and the inner conductor at one end or both ends of the line resonator connected to each other. Through this connection becomes a defined geometric positioning of the inner conductor across from the outer conductor reached, i. the inner conductor is spaced from the inner wall of the supervisor fixed in this. The connection can be made by an outer conductor on a front side final End plate be created. It can at this end of the free space between inner and outer conductor Completely to be introverted. Alternatively, the connection between outdoor and Inner conductor be formed so that openings to the space between the outside and Inner conductor remain at this 5 end face.
Die Verbindung zwischen Außen- und Innenleiter an der einen Stirnseite oder beiden Stirnseiten ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass ein reaktiver Abschluss des Resonators gebildet wird. Das bedeutet, die Verbindung zwischen Außen- und Innenleiter ist so ausgebildet, dass in diesem Bereich im Wesentlichen kein Wirkwiderstand, d.h. kein ohmscher Widerstand gebildet wird. Dazu kann die Verbindung beispielsweise durch eine metallische Verbindung, z.B. eine Abschlussplatte geschaffen sein. Alternativ ist es auch möglich, die Stirnseite im Wesentlichen offen auszubilden, wobei dann die Größe der Öffnungen vorzugsweise so definiert wird, dass keine Abstrahlung des Resonators nach Außen durch diese Stirnseite hindurch erfolgt. Dies kann dadurch geschehen, dass das beim Betrieb des Resonators auftretende elektromagnetische Feld unterhalb der Cutoff-Frequenz dieser Öffnungen liegt. Der reaktive Abschluss an den Stirnseiten des Leitungsresonators führt dazu, dass der Leitungsresonator keine Übertragungseigenschaften hat und eine stehende Welle im Inneren des Leitungsresonators erzeugt werden kann.The Connection between foreign and inner conductor at one end face or both end faces expediently designed to form a reactive termination of the resonator becomes. This means that the connection between outer and inner conductor is so designed such that in this area essentially no resistance, i.e. no ohmic resistance is formed. This can be the connection for example, by a metallic compound, e.g. an end plate be created. Alternatively, it is also possible, the front side substantially open, in which case the size of the openings is preferably defined so is that no radiation from the resonator to the outside through this end is done through. This can be done by that the electromagnetic occurring during operation of the resonator Field is below the cutoff frequency of these openings. The reactive one Termination at the end faces of the line resonator leads to that the line resonator has no transmission characteristics and generates a standing wave inside the line resonator can be.
Besonders bevorzugt ist der Innenleiter zu dem Außenleiter koaxial angeordnet, d.h. die Symmetrieachse in Längsrichtung des Innenleiters liegt auf der Symmetrieachse in Längsrichtung des Außenleiters. Hierdurch kann ein kompakter und besonders bevorzugt symmetrischer Aufbau des Resonators erreicht werden. Weiter bevorzugt weist der Außenleiter einen kreisförmigen Querschnitt auf. So kann der Außenleiter als Rohrabschnitt aus einem metallischen Rohr gebildet werden.Especially Preferably, the inner conductor is coaxially arranged to the outer conductor, i.e. the axis of symmetry in the longitudinal direction of the inner conductor lies on the axis of symmetry in the longitudinal direction of the supervisor. This allows a compact and more preferably symmetrical Structure of the resonator can be achieved. More preferably, the outer conductor a circular one Cross-section on. So can the outer conductor be formed as a pipe section of a metallic tube.
Ferner weist bevorzugt auch der Innenleiter einen kreisförmigen Querschnitt auf. So kann auch der Innenleiter aus einem metallischen Rohr oder Stangenmaterial sehr einfach gefertigt werden.Further also preferably the inner conductor has a circular cross-section on. Thus, the inner conductor of a metallic tube or rod material be made very easy.
Wenn sowohl Innenleiter als auch Außenleiter einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und Innenleiter und Außenleiter koaxial zueinander angeordnet sind, wird ferner erreicht, dass der Ringspalt zwischen dem Innenumfang des Außenleiters und dem Außenumfang des Innenleiters in radialer Richtung eine konstante Breite über den gesamten Umfang aufweist. Ferner weisen der Außenleiter und/oder der Innenleiter vorzugsweise über ihre gesamte Länge einen konstanten Querschnitt auf, d.h. sie sind kreiszylindrisch ausgebildet. Somit kann eine konstante Spaltbreite des Ringspaltes zwischen Innen- und Außenleiter über die gesamte Länge des Leitungsresonators erreicht werden.If both inner conductor and outer conductor a circular one Have cross-section and inner conductor and outer conductor coaxial with each other are arranged, it is further achieved that the annular gap between the inner circumference of the outer conductor and the outer circumference of the inner conductor in the radial direction a constant width over the entire circumference. Furthermore, the outer conductor and / or the inner conductor preferably over her entire length a constant cross section, i. they are circular cylindrical educated. Thus, a constant gap width of the annular gap between inner and outer conductor over the whole length of the line resonator can be achieved.
Der Außenleiter weist vorzugsweise in seiner Außenwandung Öffnungen auf, welche derart dimensioniert sind, dass bei der Betriebsfrequenz des Leitungsresonators ein elektromagnetisches Feld in den Öffnungen unterhalb der Grenzwellenzahl liegt. Die Öffnungen ermöglichen ein schnelles und gutes Durchströmen des Resonators mit dem zu messenden Fluid, wenn der Resonator in dieses eingetaucht wird. So wird erreicht, dass der Hohlraum im Inneren des Außenleiters schnell vollständig mit dem zu analysierenden Fluid gefüllt wird. Die Öffnungen sind jedoch vorzugsweise so klein dimensioniert in Abstimmung auf die gewählten Betriebsfrequenzen des Resonators, dass keine Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung durch die Öffnungen nach außen erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Öffnungen so dimensioniert werden, dass die auftretenden Betriebsfrequenzen unterhalb der Grenzwellenzahl der Öffnungen liegen. Besonders bevorzugt ist eine Vielzahl von Öffnungen in der Umfangswandung ausgebildet, um das Ein- und Austreten von Fluid in das Innere des Leitungsresonators zu begünstigen.Of the outer conductor preferably has openings in its outer wall on, which are dimensioned such that at the operating frequency of the line resonator an electromagnetic field in the openings is below the limit wave number. The openings allow a fast and good flow through of the resonator with the fluid to be measured when the resonator in this is dipped. This ensures that the cavity in the Interior of the outer conductor fast completely is filled with the fluid to be analyzed. The openings However, they are preferably dimensioned so small in coordination the chosen ones Operating frequencies of the resonator, that no radiation of the electromagnetic Radiation through the openings outwards. This is achieved by dimensioning the openings so that the operating frequencies occurring below the threshold number of openings lie. Particularly preferred is a plurality of openings formed in the peripheral wall to the entry and exit of To favor fluid in the interior of the line resonator.
Die Einkopplung eines Mikrowellensignals in den Leitungsresonator kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise über einen Sondenankopplung (probe-coupling), Schleifenkopplung (loop-couplig) oder Aperturkopplung (aperture-coupling). Über derartige Ankopplungsstellen kann darüber hinaus auch die Resonanzmessung erfolgen. Dazu kann eine zusätzliche Ankoppelstelle bzw. Antenne vorgesehen sein. Alternativ kann die Resonanzmessung auch über die Ankoppelstelle für die Einkopplung des Mikrowellensignals erfolgen. Die Resonanzmessung kann als Transmissionsmessung oder als Reflektionsmessung erfolgen.The Coupling of a microwave signal in the line resonator can done in different ways, for example via a Probe coupling, Loop coupling (loop-couplig) or aperture coupling (aperture-coupling). About such Coupling points can over it In addition, the resonance measurement done. This can be an additional Coupling point or antenna be provided. Alternatively, the Resonance measurement also over the coupling point for the coupling of the microwave signal take place. The resonance measurement can be done as a transmission measurement or as a reflection measurement.
Da der erfindungsgemäße Leitungsresonator als TEM-Resonator arbeitet, wird vorzugsweise eine Länge gewählt, welche durch die Wellenlänge des verwendeten Mirkowellensignals festgelegt ist. Die Resonanzfrequenz ist dabei von den transversalen Abmessungen unabhängig. Um einen möglichst weiten Messbereich zu gewährleisten, sollte die Abmessung in Längsrichtung des Leitungsresonators vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge betragen, besonders bevorzugt ein geringes ganzzahliges Vielfaches. Besonders bevorzugt entspricht die Länge des Leitungsresonators der halben Wellenlänge. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau des Leitungsresonators. Alternativ kann die Länge ein beliebiges ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge betragen, beispielsweise gleich der Wellenlänge sein oder die 1,5fache Wellenlänge betragen. Es sind jedoch auch größere Vielfache der halben Wellenlänge als Länge für den Leitungsresonator wählbar.There the line resonator according to the invention As a TEM resonator, preferably a length is selected which by the wavelength of the used microwave signal is fixed. The resonance frequency is independent of the transverse dimensions. Around as far as possible To ensure measuring range should be the dimension in the longitudinal direction of the line resonator preferably an integer multiple half the wavelength be particularly preferred, a low integer multiple. Particularly preferably, the length of the line resonator corresponds half the wavelength. this makes possible a particularly compact design of the line resonator. alternative can the length be any integer multiple of half the wavelength, for example, be equal to the wavelength or 1.5 times wavelength be. However, they are also larger multiples half the wavelength as length for the line resonator selectable.
Die Betriebsfrequenzen des Leitungsresonators liegen vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 300 kHz bis 1 GHz und/oder in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 GHz und/oder in einem Frequenzbereich von 30 GHz bis 1 THz. In diesen Frequenzbereichen können besonders gute Messergebnisse erzielt werden.The Operating frequencies of the line resonator are preferably in a frequency range of 300 kHz to 1 GHz and / or in a frequency range from 1 GHz to 30 GHz and / or in a frequency range of 30 GHz up to 1 THz. In these frequency ranges can be particularly good results be achieved.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.One embodiment the subject of the invention is shown in the drawing.
Es zeigt:It shows:
Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figur beschrieben. Diese Figur zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Leitungsresonators, welcher einen Mikrowellen-Eintauchresonator bildet.following the invention will be described by way of example with reference to the accompanying figure described. This figure shows a schematic, perspective View of the line resonator according to the invention, which forms a microwave immersion resonator.
Das erfindungsgemäße Messgerät dient der Analyse von Fluiden hinsichtlich der Permittivität oder Permeabilität. Hierzu verwendet die Erfindung einen oder mehrere Leitungsresonatoren, über welche die zu bestimmenden Eigenschaften über eine Resonanzänderung eines auf das Fluid wirkenden elektromagnetischen Mikrowellensignals erfasst werden. Beispielsweise können auf diese Weise in vielen Fällen indirekt die Dichte oder bestimmte Mischungsverhältnisse mit einem anderen Fluid bestimmt werden.The Measuring device according to the invention is used analysis of fluids for permittivity or permeability. For this For example, the invention uses one or more line resonators over which the properties to be determined via a resonance change an electromagnetic microwave signal acting on the fluid be recorded. For example, you can this way in many cases indirectly the density or certain mixing ratios with another fluid be determined.
Bei dem erfindungsgemäßen Messgerät wird hierzu zumindest ein Leitungsresonator verwendet, welcher einen im Wesentlichen koaxialen Aufbau aufweist. Es können zur Erweiterung auch mehrere solche Leitungsresonatoren eingesetzt werden, welche beispielsweise den nachfolgend beschriebenen Aufbau haben.In the case of the measuring device according to the invention, at least one line resonator is used for this purpose, which has a substantially coaxial construction. It can be used to expand several such line resonators, which have, for example, the structure described below.
Dieser
Aufbau wird durch einen stabförmigen
elektrisch leitfähigen
Innenleiter
Die
Verbindung des Außenleiters
Um
das Eindringen des Fluids
Die Öffnungen
Im
gezeigten Beispiel ist die der geschlossenen Stirnseite
Die
Einkopplung des für
den Betrieb des Leitungsresonators erforderlichen Mikrowellensignals erfolgt
durch die Zuleitung
Das Mikrowellensignal wird von einem nicht gezeigten abstimmbaren Oszillator erzeugt, mit welchem vorgegebene Frequenzbereiche bei der Messung durchlaufen werden können, um festzustellen, bei welcher Frequenz in dem mit Fluid gefüllten Leitungsresonator eine Resonanz auftritt. Diese Resonanzfrequenz stellt eine charakteristische Größe für die zu erfassende physikalische Eigenschaft des Fluids, z.B. die Permittivität, dar. Dabei bestimmt die Lage der Resonanz den Realteil der Permittivität (die Dielektrizitätszahl), die Güte der Resonanz ist direkt mit den Verlusten im Medium, dem Verlustwinkel, verknüpft. Über diese Größen kann dann mittels weiterer Informationen indirekt beispielsweise die Dichte des Fluids oder die Konzentration bestimmter Anteile des Fluids bestimmt werden. D. h. bei der vorgesehenen resonanten Messung erzeugt der abstimmbare Oszillator immer bestimmte vorgegebene Frequenzen, es kommt nicht zu einer Verstimmung des Oszillators durch Wechselwirkung mit dem Leitungsresonator.The Microwave signal is from a tunable oscillator, not shown generated, with which predetermined frequency ranges during the measurement can be passed through to determine at what frequency in the fluid-filled line resonator a resonance occurs. This resonance frequency represents a characteristic Size for that too sensing physical property of the fluid, e.g. the permittivity. The position of the resonance determines the real part of the permittivity (the dielectric constant), the goodness the resonance is directly linked to the losses in the medium, the loss angle. About these Sizes can then by means of further information indirectly, for example the Density of the fluid or the concentration of certain fractions of the fluid Fluids are determined. Ie. at the intended resonant measurement the tunable oscillator always generates certain predetermined frequencies, there is no detuning of the oscillator due to interaction with the line resonator.
Wie
ausgeführt,
handelt es sich bei dem gezeigten Leitungsresonator, welcher den
beschriebenen koaxialen Aufbau aufweist, um einen reinen TEM-Leitungsresonator,
welcher über
einen sehr weiten Frequenzbereich mit rein transversal elektromagnetischen
Moden (TEM) arbeitet. Dies ermöglicht
genauere Messergebnisse, da der Eindeutigkeitsbereich des Sensors
gegenüber
bekannten Sensoren, welche mit TE- und TM-Moden arbeiten, d.h. elektromagnetische
Felder mit Feldkomponenten, welche in alle Raumrichtungen gerichtet
sind, aufweisen, deutlich vergrößert wird.
Dabei ist diese Eigenschaft von den geometrischen Abmessungen des Hohlraumresonators
weitgehend unabhängig,
so dass der Leitungsresonator sehr kompakt aufgebaut werden kann.
Dies begünstigt
die Möglichkeit,
den gesamten Leitungsresonator in das Fluid
- 22
- Innenleiterinner conductor
- 44
- Außenleiterouter conductor
- 66
- Spaltgap
- 88th
- AbschlussplatteEnd plate
- 1010
- Stirnplattefaceplate
- 1111
- Fluidfluid
- 1212
- Öffnungenopenings
- 1414
- Stirnseitefront
- 1616
- Zuleitungenleads
Claims (11)
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DE102005035797 | 2005-07-27 | ||
DE102005035797.0 | 2005-07-27 | ||
DE102006034884A DE102006034884A1 (en) | 2005-07-27 | 2006-07-25 | Fluid permittivity or permeability measurement unit has conducting resonator filled by dipping with holes below cutoff frequency |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102006034884A1 true DE102006034884A1 (en) | 2007-04-05 |
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ID=37852878
Family Applications (1)
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DE102006034884A Withdrawn DE102006034884A1 (en) | 2005-07-27 | 2006-07-25 | Fluid permittivity or permeability measurement unit has conducting resonator filled by dipping with holes below cutoff frequency |
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