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Die
Erfindung betrifft einen Mikrowellensensor zur Bestimmung wenigstens
einer dielektrischen Materialeigenschaft, mit einem Mikrowellenresonator
zur Ausbildung eines Mikrowellenfeldes, in das eine Materialprobe
einbringbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft mittels
eines derartigen Mikrowellensensors.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung verschiedener Materialeigenschaften durch
elektromagnetische Wechselfelder bei mehreren Frequenzen ist bereits
aus der
US 3,155,898 bekannt.
Dabei werden die Materialeigenschaften aus Messsignalen verschiedener
Sensoren, die über einer Materialschicht angeordnet sind,
ermittelt.
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Verfahren
und Vorrichtungen für eine dichteunabhängige Feuchtebestimmung
eines Materials, insbesondere in Form eines Schüttgutes,
mittels elektromagnetischer Wechselfelder mit Frequenzen zwischen
1 MHz und 10 MHz sind ferner aus
K. C. Lawrence: "Density-Independent
Multiple-Frequency Technique for Measuring Moisture Content in Grains
with a Radio-Frequency Permittivity Sensor", Ph. D. Dissertation
University of Georgia, Athens, Georgia, 1997 bekannt, s.
auch
K. Kupfer: "Electromagnetic Aquametry",
Springer Verlag 2005, S. 146–147.
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Ein
Zweifrequenzverfahren zur dichteunabhängigen Feuchtebestimmung
eines Materials mittels Wellenleiteranordnungen für elektromagnetische
Wechselfelder mit Frequenzen von 9 GHz und 12 GHz wurde ferner in Y.
Zhang und S. Okamura: "New Function of Dielectric Properties
for Density-Independent Moisture Measurement" in: Proceedings
of the 4th International Conference an Electromagnetic Wave Interaction
with Water and Moist Substances, Weimar 2001 S. 111–116 vorgeschlagen.
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Eine
weitere Messanordnung zur dichteunabhängigen Feuchtebestimmung
eines Materials mittels Microstrip-Wellenleitern für elektromagnetische
Wechselfelder mit Frequenzen von 300 MHz und 3 GHz wurde in Ma
et. al.: "A Fundamental Study an Microstrip Sensor for
Measuring Water Content and Ion Conductivity" ebenfalls
in: Proceedings of the 4th International Conference an Electromagnetic
Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar 2001, S.
462–467 vorgeschlagen.
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Die
Verwendung eines Resonators oder mehrerer Resonatoren für
Zwecke der Messung dielektrischer Materialeigenschaften ist eine
seit Langem verwendete Standardmethode. Resonatoren zur dichteunabhängigen
Feuchtebestimmung eines Materials sind unter anderen aus der
DE 2928487 A1 bekannt.
In
A. Kraszewski: "Microwave Instrumentation for
Moisture Content Measurement"; Journal of Microwave Power
8 (314), 1973, S. 332–333 werden Möglichkeiten
beschrieben, den Wassergehalt faden- oder folienförmiger
Materialien in Mikrowellenresonatoren zu bestimmen.
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Eine
weitere derartige Anordnung ist aus M. A. Rzepecka et.al.: "Modified
Perturbation Method for Permittivity Measurements at Microwave Frequencies",
Journal of Microwave Power 9 (4), 1974, S. 321–323 bekannt.
Dort wird eine Anordnung mit einem zylindrischen Hohlraumresonator
beschrieben, in den eine zylindrische Probe eingeführt
wird, wodurch die Frequenz der E020-Resonanzmode
verschoben wird. Gleichzeitig lässt sich über
zwei zusätzliche Schleifenkopplungen im gleichen Hohlraum
die H011-Resonanzmode anregen. Die beiden
Resonanzmoden werden ausgekoppelt, auf einen Mischer gegeben und
die sich ausbildende Differenzfrequenz über eine Kalibrierung
der Feuchte des Messobjektes zugeordnet. Der Doppelmessresonator wird
von zwei externen Mikrowellenoszillatoren angeregt, die mittels
zweier PLL-Schaltungen phasenstarr den Resonanzfrequenzen der E020- and H011-Resonanzmoden
nachgeführt werden.
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Jeder
Mikrowellenresonator, der aus kurzgeschlossenen oder reaktiv belasteten
Leitungsabschnitten besteht, ist mehrdeutig hinsichtlich seiner
Resonanzfrequenzen. Ein Hohlraumresonator weist in Abhängigkeit von
der Frequenz bei gegebenen geometrischen Abmessungen verschiedene
Resonanzmoden auf, die als Emnp- und Hmnp-Resonanzmoden auftreten können.
Problematisch für die Bestimmung einer Feuchte eines Materials
mittels eines Hohlraumresonators ist dabei in der Regel der geringe
Frequenzabstand, der bei einer Verschiebung einer Resonanzfrequenz
durch ein verlustbehaftetes Dielektrikum auftritt. Insbesondere
führt die Modenmehrdeutigkeit unter Umständen
zu Messfehlern, da das Dielektrikum ganz unterschiedlich bei verschiedenen
Moden wirkt.
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Aus
der
DE 2942971 A1 und
aus
W. Hoppe et. al.: "Dichteunabhängige
Feuchtigkeitsmessung in fadenförmigen Materialien unter
Verwendung zweier Gunn-Oszillatoren mit Hohlleitern unterhalb der
Grenzfrequenz"; Mikrowellenmagazin 3/81, S. 280–282 ist
ein Zweifrequenzverfahren zur dichteunabhängigen Feuchtigkeitsmessung
von fadenförmigen Materialien in einem Resonator unter
Verwendung zweier Gunn-Oszillatoren mit Hohlleitern unterhalb einer
Grenzfrequenz bekannt. Die Gunn-Oszillatoren werden durch die Resonanzmoden
H
011 und E
012 bei
11,5 GHz des Resonators stabilisiert. Durch Einschieben einer fadenförmigen Probe
in den Resonator verschiebt sich die Frequenz der E
012-Resonanzmode,
während die H
011-Resonanzmode in
ihrer Frequenz unverändert bleibt. Letztere Resonanzmode
wird als Lokal-Oszillator am Eingang eines Gegentaktmischers verwendet.
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Ein
System mit zwei dielektrischen Resonatoren, die dicht nebeneinander
angeordnet sind, ist ferner aus der
DE
4342505 bekannt. Die beiden Resonanzfrequenzen liegen symmetrisch
zu einer Arbeitsfrequenz (z. B. 2,45 GHz) und sollen durch ein Material
gleichsinnig verschoben werden. Die dichteunabhängige Feuchtemessung
kann aus Differenzen der Frequenzverschiebungen und Gütefaktoren
ermittelt werden.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Feuchtewertes von
dielektrischen Stoffen unter Verwendung mindestens eines Mikrowellenresonators
sind ferner aus der
DE
10 2007 041 429 A1 bekannt. Bei dem Verfahren werden für
mindestens zwei Resonanzmoden mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen
jeweils eine Verschiebung der Resonanzfrequenz ausgewertet und aus
den gemessenen Verschiebungen der Resonanzfrequenzen ein dichteunabhängiger
Feuchtewert berechnet. Als Mikrowellenresonatoren werden unter anderem
eine Kombination wenigstens zweier Koaxialresonatoren mit jeweils
einer Resonanzfrequenz vorgeschlagen.
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Bei
einer derartigen Kombination mehrerer Koaxialresonatoren mit jeweils
einer Resonanzfrequenz tritt in den einzelnen Koaxialresonatoren
jeweils eine andere Materialprobe oder ein anderer räumlicher
Bereich einer Materialprobe mit einem Mikrowellenfeld des jeweiligen
Koaxialresonators in Wechselwirkung. Dadurch sind die mit den verschiedenen
Koaxialresonatoren durchgeführten Messungen nur bedingt
miteinander vergleichbar. Dies wirkt sich nachteilig auf die Messgenauigkeit
aus und kann insbesondere bei inhomogenen Materialproben, in denen
dielektrische Eigenschaften räumlich variieren, zu erheblichen
Messfehlern führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Mikrowellensensor
und ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung dielektrischer Materialeigenschaften
anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des
Mikrowellensensors durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 10 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Mikrowellensensor zur Bestimmung
wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft umfasst einen
Mikrowellenresonator zur Ausbil dung eines Mikrowellenfeldes, in
das eine Materialprobe einbringbar ist. Der Mikrowellenresonator
weist ein kurzgeschlossenes koaxiales Leitungsstück mit einem
hohlzylindrischen Innenleiter in einem hohlzylindrischen Außenleiter
auf, wobei der Innenleiter kürzer als der Außenleiter
ist und wenigstens ein offenes erstes Ende im Inneren des Außenleiters
aufweist.
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Im
Unterschied zu aus der
DE
10 2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren mit zwei
oder mehr Koaxialresonatoren weist der erfindungsgemäße
Mikrowellenresonator lediglich ein koaxiales Leitungsstück
auf.
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Dies
vereinfacht zum einen vorteilhaft die Bauweise des Mikrowellenresonators
gegenüber den aus der
DE 10 2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren
mit zwei oder mehr Koaxialresonatoren.
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Zum
anderen ermöglicht es, wenigstens zwei Resonanzfrequenzen
des Mikrowellenresonators für ein und dieselbe Materialprobe
unter identischen Bedingungen zu ermitteln. Dadurch wird vorteilhaft
die Messgenauigkeit des Mikrowellensensors erheblich gegenüber
aus der
DE 10
2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren mit zwei
oder mehr Koaxialresonatoren mit jeweils einer Resonanzfrequenz
erhöht, indem die oben ausgeführten nachteiligen
Auswirkungen einer Verwendung unterschiedlicher Materialproben oder
unterschiedlicher räumlicher Bereiche einer Materialprobe
in den verschiedenen Koaxialresonatoren vermieden werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Mikrowellensensors ist der Innenleiter
zur Aufnahme wenigstens eines Teils der Materialprobe ausgebildet.
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Dadurch
kann wenigstens ein Teil der Materialprobe in dem Innenleiter angeordnet
werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Position der Materialprobe
in dem Mikrowellenfeld in einfacher Weise reproduzierbar und Messergebnisse
für verschiedene Materialproben zuverlässig vergleichbar
sind. Die koaxiale oder hohlzylindrische Ausbildung des Resonators
bzw. des Innen- und Außenleiters ermöglicht eine
technisch einfachere Einführung der Messprobe, als beim
häufig verwendeten H011-Resonator.
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Zum
anderen kann dadurch das Innere des Innenleiters als Raumbereich
für die Wechselwirkung der Materialprobe mit dem Mikrowellenfeld
genutzt werden, wodurch die Stärke der Wechselwirkung des
Mikrowellenfeldes mit der Materialprobe und damit die Messgenauigkeit
vorteilhaft erhöht werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Mikrowellensensors
sind Mikrowellen an einem Boden und/oder an einer Außenwand
des Mikrowellenresonators ein- und auskoppelbar.
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Durch
die Ein- und Auskoppelbarkeit von Mikrowellen kann der Resonator
insbesondere als Transmissionsresonator betrieben werden.
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Ferner
ist der Mikrowellenresonator vorzugsweise zur Erfassung einer Frequenzabhängigkeit
der wenigstens einen dielektrischen Materialeigenschaft geometrisch
derart ausgebildet, dass ein Frequenzabstand wenigstens zweier aufeinander
folgender Leerresonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators einen
vorgegebenen Mindestfrequenzabstand erreicht.
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Unter
einer Leerresonanzfrequenz des Mikrowellenresonators wird dabei
die Frequenz einer Resonanzmode des Mikrowellenresonators verstanden,
wenn sich in dem Mikrowellenfeld keine Materialprobe befindet.
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Der
Mindestfrequenzabstand wird dabei bevorzugt derart vorgegeben, dass
sich die Werte der komplexen Permittivität der Materialprobe
aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Permittivität
an den durch den Mindestfrequenzabstand getrennten Resonanzfrequenzen
signifikant voneinander unterscheiden. Dadurch wird die Messgenauigkeit
des Mikrowellenresonators bei der Bestimmung der dielektrischen
Materialeigenschaften vorteilhaft erhöht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Mikrowellensensor
einen hohlzylindrischen Grenzwellendämpfer auf, durch den
die Materialprobe in den Mikrowellenresonator einführbar
ist.
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Durch
den Grenzwellendämpfer wird zum einen vorteilhaft eine
Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Mikrowellenresonator verhindert.
Zum anderen ist die Materialprobe durch den Grenzwellendämpfer
vorteilhaft in einfacher Weise in den Mikrowellenresonator einführbar
und nach einer Messung wieder entnehmbar. Insbesondere ermöglicht
dies ein schnelles Auswechseln von Materialproben und damit die
Möglichkeit, verschiedene Materialien unmittelbar nacheinander
zu untersuchen. Der Mikrowellenresonator eignet sich dadurch vorteilhaft
auch für Durchflussmessungen und Online-Messungen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung weist der Mikrowellenresonator
eine Auskopplungsöffnung auf, so dass ein Streufeld mit
dem außerhalb des Resonators befindlichen Messgut in Wechselwirkung
treten kann. Um die Entfernung zwischen Messobjekt und Koaxialresonator
zu verringern, kann vorzugsweise ein Wellenleiter zwischen geschaltet
werden.
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Ein
derart ausgestalteter Mikrowellensensor eignet sich als portables
Messinstrument zur Untersuchung ortsfester Materialproben, die sich
beispielsweise in Gebäudewänden oder Bodenbereichen
befinden. Dabei wird die Auskopplungsöffnung des Mikrowellensensors
in die Nähe der jeweiligen Materialprobe gebracht, sodass
die Materialprobe im Bereich des offenen Endes des Mikrowellenresonators
mit Mikrowellen in Wechselwirkung tritt.
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Eine
Ausführung des Mikrowellensensors sieht vor, dass der Innenleiter
einteilig ausgebildet ist und der Innenleiter an nur einem seiner
Enden mit einem Boden oder einem Deckel des Mikrowellenresonators
verbunden ist.
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Da
der Innenleiter des Mikrowellenresonators kürzer als der
Außenleiter ist, weist der Mikrowellenresonator bei dieser
Ausführung einen Raumbereich auf, der nicht von dem Innenleiter
umgeben ist und sich an das offene, erste Ende des Innenleiters
anschließt. Dieser Raumbereich eignet sich vorteilhaft
zur Platzierung einer Materialprobe, da in ihm die Materialprobe
besonders intensiv mit Mikrowellen in Wechselwirkung treten kann.
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Eine
alternative Ausführung des Mikrowellensensors sieht einen
Innenleiter vor, der aus zwei voneinander durch einen Ausschnitt
getrennten Innenleiterabschnitten besteht. Vorzugsweise schließen
dabei die äußeren Enden des geteilten Innenleiters
jeweils bündig mit dem Boden bzw. dem Deckel des Mikrowellenresonators
ab.
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In
dieser Ausführung eignet sich der Ausschnitt zwischen den
beiden Innenleiterabschnitten vorteilhaft zur Platzierung einer
Materialprobe, da in ihr die Materialprobe besonders intensiv mit
Mikrowellen in Wechselwirkung treten kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung
wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft mittels eines
erfindungsgemäßen Mikrowellensensors werden wenigstens
zwei verschiedene Leerresonanzfrequenzen f01 bis
f0n des unbelasteten Mikrowellenresonators
und für jede Leerresonanzfrequenz f0i eine
korrespondierende Lastresonanzfrequenz fri des
mit einer Materialprobe belasteten Mikrowellenresonators ermittelt
und ausgewertet. Dabei werden alle Lastresonanzfrequenzen fr1 bis frn für
dieselbe Materialprobe ermittelt, wobei die Lage der Materialprobe
relativ zum Mikrowellenresonator beibehalten wird.
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Das
Verfahren nutzt vorteilhaft aus, dass sich Resonanzfrequenzen des
Mikrowellenresonators durch dessen Belastung mit einer dielektrischen
Materialprobe verschieben, wobei die Verschiebung von dielektrischen
Materialeigenschaften, insbesondere von der Dichte, Feuchte und
Salzgehalt der Materialprobe, abhängt und sich daher zur
Ermittlung derartiger Materialeigenschaften eignet. Die Ermittlung
wenigstens zweier verschiedener Paare zueinander korrespondierender
Leer- und Lastresonanzfrequenzen hat den Vorteil, dass sich daraus
Hilfsgrößen bilden lassen, die von wenigstens
einer ersten dieser Materialeigenschaften, beispielsweise der Dichte,
zumindest näherungsweise unabhängig sind und eine
direkte Bestimmung einer zweiten Materialeigenschaft der Materialprobe,
beispielsweise eines Feuchtewertes, zulassen, ohne die erste Materialeigenschaft
der Materialprobe bestimmen zu müssen.
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Entsprechend
obigen Ausführungen wird durch die Ermittlung der verschiedenen
Lastresonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators für dieselbe
Materialprobe die Messgenauigkeit des Verfahrens gegenüber
aus der
DE 10
2007 041 429 A1 bekannten Verfahren vorteilhaft erhöht,
indem die oben ausgeführten nachteiligen Auswirkungen einer
Verwendung unterschiedlicher Materialproben oder unterschiedlicher
räumlicher Bereiche einer Materialprobe in verschiedenen
Koaxialresonatoren vermieden werden.
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Eine
Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Leerresonanzfrequenz
des Mikrowellenresonators, die von der Belastung des Mikrowellenresonators
mit der Materialprobe wenigstens annähernd unabhängig
ist, ermittelt und als eine Referenzfrequenz verwendet wird.
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Eine
derartige Referenzfrequenz eignet sich vorteilhaft zur Zuordnung
ermittelter Lastresonanzfrequenzen zu Leerresonanzfrequenzen und
zur Erkennung von eine Messung beeinflussenden Störeffekten,
die unabhängig von einer Materialprobe sind. Die Verwendung
einer derartigen Referenzfrequenz erhöht somit vorteilhaft
die Qualität des Verfahrens.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahren sieht vor, dass ein Feuchtewert
der Materialprobe aus wenigstens einer ersten Hilfsgröße
R
ij wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen
f
0i und f
0j und den
dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen f
ri und
f
rj gemäß
gebildet
wird.
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Jede
gemäß Gleichung (1) gebildete erste Hilfsgröße
R
ij von den Lastresonanzfrequenzen nur über ein
Verhältnis zweier Resonanzfrequenzverschiebungen f
ri – f
0i und
f
rj – f
0j ab.
Dadurch sind die ersten Hilfsgrößen R
ij in
guter Näherung von der Dichte der jeweiligen Materialprobe
unabhängig und hängen im wesentlichen nur von
den relativen Permittivitäten ε ' / ri und ε ' / rj der
Materialprobe bei den jeweiligen Lastresonanzfrequenzen f
ri und f
rj gemäß
ab. Somit
eignen sich die gemäß Gleichung (1) gebildeten
ersten Hilfsgrößen R
ij vorteilhaft
zur Ermittlung eines dichteunabhängigen Feuchtewertes der
Materialprobe.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zur Bestimmung
der wenigstens einen dielektrischen Eigenschaft des Materials für
jede Leerresonanzfrequenz f0i jeweils eine
Leerbandbreite B0i der zugehörigen
Leerresonanzkurve und für jede Lastresonanzfrequenz fri jeweils eine Lastbandbreite Bri der
zugehörigen Lastresonanzkurve ermittelt und ausgewertet
wird.
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Die
Ermittlung und Auswertung von Bandbreiten der Leer- und Lastresonanzkurven
zusätzlich zu den Resonanzfrequenzen nutzt vorteilhaft
aus, dass sich auch die Bandbreiten durch die Belastung des Mikrowellenresonators
in Abhängigkeit von dielektrischen Materialeigenschaften
der Materialprobe ändern. Unter Verwendung ermittelter
Leer- und Lastbandbreiten lassen sich daher weitere Hilfsgrößen
zur Bestimmung dieser Materialeigenschaften bilden und dadurch die
Zu verlässigkeit der Messergebnisse und/oder die Anzahl
bestimmbarer Materialeigenschaften weiter erhöhen.
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In
einer Ausgestaltung des Bandbreiten einbeziehenden Verfahrens wird
ein Feuchtewert der Materialprobe aus wenigstens einer zweiten Hilfsgröße
H
ij ermittelt, die aus zwei verschiedenen
Leerresonanzfrequenzen f
0i und f
0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen
f
ri und f
rj und
den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B
0i und
B
0j und Lastbandbreiten B
ri und
B
rj gemäß
gebildet
wird.
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Auch
die gemäß Gleichung (3) gebildeten zweiten Hilfsgrößen
Hij sind vorteilhaft von der Dichte der Materialprobe
wenigstens in guter Näherung unabhängig und eignen
sich zur Bestimmung eines dichteunabhängigen Feuchtewertes
der Materialprobe. Diese zweiten Hilfsgrößen werden
vorzugsweise insbesondere dann zusätzlich oder alternativ
zu den gemäß Gleichung (1) gebildeten ersten Hilfsgröße
Rij zur Bestimmung eines Feuchtewertes einer
Materialprobe herangezogen, wenn für diese Materialprobe
eine Bestimmung des Feuchtewertes mittels der ersten Hilfsgrößen
nicht oder nur ungenau möglich ist.
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Alternativ
oder zusätzlich wird ein Feuchtewert der Materialprobe
aus einer dritten Hilfsgröße H ermittelt, die
aus den Leerresonanzfrequenzen f
01 bis f
0n, den Lastresonanzfrequenzen f
r1 bis
f
rn, den Leerbandbreiten B
01 bis
B
0n und den Lastbandbreiten B
r1 bis
B
rn gemäß
gebildet
wird.
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Auch
die gemäß Gleichung (4) gebildete dritte Hilfsgröße
H ist von der Dichte der Materialprobe in guter Näherung
unabhängig und eignet sich dadurch vorteilhaft zur Bestimmung
eines dichteunabhängigen Feuchtewertes der Materialprobe.
Im Unterschied zu den gemäß Gleichung (3) gebildeten
zweiten Hilfsgrößen H hängt die dritte
Hilfsgröße H nicht nur von jeweils zwei Leer-
und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten, sondern von allen ermittelten
Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten ab. Sie ist dadurch
besser als die einzelnen zweiten Hilfsgrößen Hij geeignet, Messungenauigkeiten bei der
Ermittlung der einzelnen Resonanzfrequenzen und Bandbreiten auszugleichen
und liefert in der Regel einen zuverlässigeren Feuchtewert der
Materialprobe als die einzelnen zweiten Hilfsgrößen
Hij.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Feuchtewert
der Materialprobe alternativ oder zusätzlich aus wenigstens
einer vierten Hilfsgröße G
ij die
aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen f
0i und
f
0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen
f
ri und f
rj und
den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B
0i und
B
0j und Lastbandbreiten B
ri und
B
rj gemäß
gebildet
wird.
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Die
gemäß Gleichung (5) gebildeten vierten Hilfsgrößen
Gij hängen von der Feuchte der
Materialprobe in einer anderen Weise als die Hilfsgrößen
gemäß Gleichung (1), (3) und (4) ab und eignen
sich damit in Kombination mit diesen vorteilhaft zur Bestimmung
von zwei Materialkenngrößen wie Dichte und Feuchte.
Diese vierten Hilfsgrößen gemäß Gl.
(5) werden vorzugsweise insbesondere dann zur Bestimmung eines Feuchtewertes
einer Materialprobe herangezogen, wenn für diese Materialprobe
eine Bestimmung des Feuchtewertes mittels der gemäß Gleichung
(1), (3) oder (4) gebildeten ersten, zweiten oder dritten Hilfsgrößen
nicht oder nur ungenau möglich ist und die Resonanzfrequenz
und Bandbreite der ersten und zweiten verwendeten Frequenz in gleicher
Weise von der Feuchte der Materialprobe abhängen.
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Eine
weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine elektrische
Leitfähigkeit und/oder ein Salzgehalt der Materialprobe
aus wenigstens einer fünften Hilfsgröße
Q
ij ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen
Leerresonanzfrequenzen f
0i und f
0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen
f
ri und f
rj und den
jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B
0i und
B
0j und Lastbandbreiten B
ri und
B
rj gemäß
gebildet
wird. Bei Verwendung der Kenngrößen von Resonanzkurven
mit einem Mindestfrequenzabstand eignet sich die Hilfsgröße
gemäß Gleichung (6) zur feuchteunabhängigen
Bestimmung einer elektrischen Leitfähigkeit und/oder einem
Salzgehalt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen
beschrieben.
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Darin
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Mikrowellensensors,
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2 einen
Mikrowellenresonator mit einem einteiligem Innenleiter und einem
Grenzwellendämpfer,
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3 ein
erstes Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen
in einem Mikrowellenresonator,
-
4 einen
Mikrowellenresonator mit einem zweiteiligem Innenleiter, und
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5 ein
zweites Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen
in einem Mikrowellenresonator.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines Mikrowellensensors 1 mit einem
Mikrowellenresonator 3, einem Mikrowellengenerator 5,
einem Mikrowellendetektor 7 und einer Auswerteeinheit 9.
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Mittels
des Mikrowellengenerators 5 werden Mikrowellen erzeugt,
die mittels eines Wellenleiters, beispielsweise eines Koaxialkabels,
in den Mikrowellenresonator 3 eingekoppelt werden. Dadurch
bildet sich in dem Mikrowellenresonator 3 ein Mikrowellenfeld
aus. Mittels des Mikrowellendetektors 7 werden die Leistungen
dieses Mikrowellenfeldes frequenzabhängig erfasst. Die
von dem Mikrowellendetektor 7 erfassten Messsignale werden
der Auswerteeinheit 9 zugeführt und von ihr ausgewertet.
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Dabei
werden wenigstens zwei Leerresonanzfrequenzen f01 bis
f0n des unbelasteten Mikrowellenresonators 3 und
korrespondierende Lastresonanzfrequenzen fr1 bis
frn des mit einer Materialprobe belasteten
Mikrowellenresonators 3 sowie gegebenenfalls zugehörige
Leerbandbreiten B01 bis B0n und
Lastbandbreiten Br1 bis Brn ermittelt
und daraus wenigstens eine dielektrische Materialeigenschaft, beispielsweise
ein Feuchtewert oder eine Dichte, der Materialprobe bestimmt. Die
Ermittlung der Leerresonanzfrequenzen f01 bis
f0n, Lastresonanzfrequenzen fr1 bis
frn, Leerbandbreiten B01 bis
B0n und Lastbandbreiten Br1 bis
Brn kann dabei jeweils gleichzeitig oder
in aufeinander folgenden Messungen erfolgen.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel des Mikrowellenresonators 3.
Der Mikrowellenresonator 3 weist ein koaxiales Leitungsstück
mit einem hohlzylindrischen Innenleiter 11 in einem hohlzylindrischen
Außenleiter 13 auf, deren Längsachsen
sich entlang einer x-Richtung erstrecken. Der Innenleiter 11 ist
kürzer als der Außenleiter 13 und weist
ein offenes erstes Ende 15 im Inneren des Außenleiters 13 auf.
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Der
Innenleiter 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel
einteilig ausgebildet, wobei ein zweites Ende 17 des Innenleiters 11 an
einem Boden 19 des Mikrowellenresonators 3 angeordnet
ist und mit diesem abschließt. Der Boden 19 ist
als eine in einer yz-Ebene angeordnete kreisringförmige
Platte ausgebildet, deren Durchmesser zu einem Innendurchmesser
des Außenleiters 13 korrespondiert und den Mikrowellenresonator 3 an
dessen bodenseitigem Ende verschließt, indem sie entlang
ihres Außenumfangs mit einer Innenoberfläche des Außenleiters 13 abschließt.
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An
seinem ersten Ende 15 weist der Innenleiter 11 einen
scheibenförmigen Kondensator auf, der eine kapazitive Grundlast
darstellt und mit seiner Dimensionierung die Anpassung des Messverfahrens
an das Messobjekt erlaubt.
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An
einem dem Boden 19 gegenüber liegenden Ende weist
der Mikrowellenresonator 3 einen Deckel 23 auf,
der als eine kreisringförmige Platte ausgebildet ist, deren
Außendurchmesser zu dem Innendurchmesser des Außenleiters 13 korrespondiert
und deren Innendurchmesser mit dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 übereinstimmt,
so dass sie in der Mitte eine kreisförmige Deckelaussparung 25 aufweist,
deren Durchmesser mit dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 übereinstimmt
und die dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11 gegenüber
liegt. Entlang seines Außenumfangs schließt der
Deckel 23 mit der Innenoberfläche des Außenleiters 13 ab,
so dass der Deckel 23 den Mikrowellenresonator 3 an
dessen deckelseitigem Ende bis auf die Deckelaussparung 25 verschließt,.
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Zwischen
der Deckelaussparung 25 und dem ersten Ende 15 des
Innenleiters 11 befindet sich somit im Inneren des Mikrowellenresonators 3 ein
Raumbereich 27, der nicht von dem Innenleiter 11 umschlossen ist.
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Außen
an dem Mikrowellenresonator 3 ist deckelseitig ein hohlzylindrischer,
an beiden Enden offener Grenzwellendämpfer 29 angeordnet,
der sich von dem Deckel 23 in x-Richtung erstreckt und
dessen deckelseitiges erstes Ende die Deckelaussparung 25 umschließt,
wobei der Innendurchmesser des Grenzwellendämpfers 29 mit
dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 und somit auch
mit dem Durchmesser der Deckelaussparung 25 übereinstimmt.
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Auf
diese Weise ist eine Materialprobe durch den Grenzwellendämpfer 29 in
den Mikrowellenresonator 3 und insbesondere in den Raumbereich 27 zwischen
der Deckelaussparung 25 und dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11 sowie
in den Innenleiter 11 einführbar.
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Insbesondere
ist die Materialprobe derart in den Mikrowellenresonator 3 einführbar,
dass sie besonders intensiv vom Mikrowellenfeld durchdrungen wird.
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Vorzugsweise
wird eine Materialprobe dabei mittels eines nicht dargestellten
hohlzylindrischen Probenhalters durch den Grenzwellendämpfer 29 in
den Mikrowellenresonator 3 eingeführt. Dazu weist
der Probenhalter einen Außendurchmesser auf, der zu den
Innendurchmessern des Grenzwellendämpfers 29 und des
Innenleiters 11 korrespondiert, so dass er durch den Grenzwellendämpfer 29 in
den Innenleiter 11 geschoben werden kann.
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Der
Probenhalter ist ferner vorzugsweise mindestens so lang wie die
Summe der Länge des Grenzwellendämpfers 29 und
des Abstandes der Deckelaussparung 25 von dem ersten Ende 15 des
Innenleiters 11, besonders bevorzugt aber wie die Summe
der Längen des Grenzwellendämpfers 29 und
des Innenleiters 11 und des Abstandes der Deckelaussparung 25 von
dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11. Ferner ist
der Probenhalter vorzugsweise an einem Ende, das in den Mikrowellenresonator 3 eingeführt
wird, verschlossen.
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Dadurch
kann eine Materialprobe, mit der der Probenhalter wenigstens teilweise
befüllt wird, in einfacher Weise in den Raumbereich 27 und/oder
in den Innenleiter 11 eingebracht werden. Ferner kann die
Materialprobe nach einer Messung wieder in einfacher Weise aus dem
Mikrowellenresonator 3 entfernt werden, indem der Probenhalter
aus dem Grenzwellendämpfer 29 herausgezogen wird.
Die Befüllung des Probenhalters mit der Materialprobe kann
dabei vor oder nach dem Einschieben des Probenhalters in den Mikrowellenresonator 3 erfolgen.
Bei Durchflussmessungen wird der Probenhalter als Rohr ausgeführt,
durch welches das Messgut fließt
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Auf
diese Weise können vorteilhaft trockene oder feuchte feste,
pastöse oder flüssige Materialproben in den Mikrowellenresonator 3 eingeführt
werden. Ein Mikrowellenresonator 3 kann dabei vorteilhaft
geometrisch derart gestaltet werden, dass mit ihm dielektrische
Materialeigenschaften verschiedener derartiger Materialproben ermittelt
werden können.
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Der
Probenhalter ist vorzugsweise aus einem chemisch stabilen und im
jeweils relevanten Mikrowellenbereich dielektrisch wenigstens näherungsweise
dispersionsfreies Material, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen,
gefertigt, so dass er eine Messung von Leer- und Lastresonanzfrequenzen
und -bandbreiten des Mikrowellenresonators 3 möglichst
wenig beeinflusst.
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Am
Boden 19 weist der Mikrowellenresonator 3 einen
Mikrowelleneingang 31.1 zur Einkopplung von Mikrowellen
und einen Mikrowellenausgang 31.2 zur Auskopplung von Mikrowellen
auf. Der Mikrowelleneingang 31.1 ist beispielsweise über
ein Koaxialkabel mit dem Mikrowellengenerator 5 verbindbar,
der Mikrowellenausgang 31.2 ist entsprechend mit dem Mikrowellendetektor 7 verbindbar.
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3 zeigt
ein erstes Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen
in einem gemäß 2 ausgebildeten
unbelastetem Mikrowellenresonator 3. Die Mikrowellenleistungen
sind durch einen in dB angegebenen Übertragungsfaktor S
in Abhängigkeit einer Mikrowellenfrequenz f dargestellt,
wobei der Übertragungsfaktor S auf ein geeignetes Maximum
der Mikrowellenleistung bezogen ist.
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In
dem ersten Messdiagramm sind drei Leerresonanzfrequenzen f01 bis f03 erkennbar,
wobei eine erste Leerresonanzfrequenz f01 z.
B. um 0,8 GHz auftritt und die beiden anderen Leerresonanzfrequenzen
f02 und f03 im Bereich
von 2,5 GHz und 3,25 GHz auftreten. Damit betragen die Differenzen
zwischen der ersten Leerresonanzfrequenz f01 und
der zweiten Leerresonanzfrequenz f02 1,7
GHz und der dritten Leerresonanzfrequenz f03 etwa
2,45 GHz.
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Dementsprechend
eignet sich ein Mikrowellenresonator 3 mit einem in 3 dargestellten
Messdiagramm vornehmlich zur Bestimmung dielektischer Materialeigenschaften
von Materialproben, für die sich die Werte der komplexen
Permittivität an den durch den Frequenzabstand von etwa
1,7 GHz voneinander getrennten Frequenzen von etwa 0,8 GHz und 2,45
GHz signifikant voneinander unterscheiden. Für eine andere
Materialprobe wird bevorzugt ein Mikrowellenresonator 3 mit
geeignet geänderten geometrischen Abmessungen, insbesondere
des In nenleiters 11 und/oder des Außenleiters 15,
verwendet, so dass die jeweilige Materialprobe an verschiedenen
Leerresonanzfrequenzen entsprechend signifikante Unterschiede der
komplexen Permittivität aufweist. Mit anderen Worten: die
geometrischen Abmessungen des Mikrowellenresonators 3 werden vorzugsweise
der jeweils zu untersuchenden Materialprobe angepasst, um die Messgenauigkeit
zu optimieren.
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Zusätzlich
zu dem ersten Messdiagramm des unbelasteten Mikrowellenresonators 3 wird
ein entsprechendes Messdiagramm für den mit der Materialprobe
belasteten Mikrowellenresonator 3 erfasst und daraus drei
Lastresonanzfrequenzen fr1 bis fr3 ermittelt, die den drei Leerresonanzfrequenzen
f01 bis f03 entsprechen. Zusätzlich
werden aus den Messdiagrammen gegebenenfalls die zugehörigen
Leerbandbreiten B01 bis B03 und Lastbandbreiten
Br1 bis Br3 ermittelt.
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Aus
den ermittelten Leer- und Lastresonanzfrequenzen f01 bis
f03 und fr1 bis
fr3 und gegebenenfalls den Leer- und Lastbandbreiten
B01 bis B03 und
Br1 bis Br3 werden
dann mittels der Auswerteeinheit 9 eine oder mehrere Hilfsgrößen,
beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der Gleichungen
(1), (3) bis (6), gebildet und daraus eine dielektrische Materialeigenschaft
der Probe, beispielsweise ein dichteunabhängiger Feuchtewert, eine
Dichte und/oder eine elektrische Leitfähigkeit und/oder
ein Salzgehalt, ermittelt.
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Wenn
eine der Lastresonanzfrequenzen fr1 bis
fr3, beispielsweise die dritte fr3 von dielektrischen Materialeigenschaften
der Materialprobe weitgehend unabhängig ist, sodass sie
sich gegenüber der korrespondierenden Leerresonanzfrequenz,
in diesem Beispiel also gegenüber f03,
nicht oder nur geringfügig ändert, dann wird die
entsprechende Leerresonanzfrequenz f03 bei
der Auswertung bevorzugt nicht zur direkten Ermittlung dielektrischer
Materialeigenschaften der Materialprobe herangezogen, sondern als
eine Referenzfrequenz genutzt, beispielsweise zur Kalibrierung des
Mikrowellensensors 1 und/oder zur Feststellung möglicher
von der Materialprobe unabhängiger Störeffekte,
die eine Messung beeinflussen.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikrowellenresonators 3.
Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Innenleiter 11 in diesem Ausführungsbeispiel
aus zwei voneinander durch einen Ausschnitt 28 getrennten
Innenleiterabschnitten 11.1, 11.2, die im Inneren
des Mikrowellenresonators 3 zueinander spiegelsymmetrisch
bezüglich einer durch einen Mittelpunkt des Mikrowellenresonators 3 in
einer yz-Ebene verlaufenden Symmetrieebene angeordnet und ausgebildet
sind.
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Dabei
schließt ein zweites Ende 17.1 eines ersten Innenleiterabschnitts 11.1 bündig
mit dem Boden 19 des Mikrowellenresonators 3 ab
und ein zweites Ende 17.2 des zweiten Innenleiterabschnitts 11.2 schließt bündig
mit dem Deckel 23 des Mikrowellenresonators 3 ab.
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Jeder
Innenleiterabschnitt 11.1, 11.2 weist ferner an
einem offenen, ersten Ende 15 einen scheibenförmigen
Kondensator 21 auf, der wie im ersten Ausführungsbeispiel
ausgebildet ist. Der zweite Innenleiterabschnitt 11.2 wirkt
in diesem Ausführungsbeispiel auch als Grenzwellendämpfer,
indem er die Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Mikrowellenresonator 3 ganz
oder wenigstens teilweise verhindert.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel weist der Deckel 23 des
Mikrowellenresonators 3 eine kreisförmige Deckelaussparung 25 auf,
deren Durchmesser mit den Innendurchmessern der Innenleiterabschnitten 11.1, 11.2 übereinstimmt
und die von dem zweiten Ende 17.2 des zweiten Innenleiterabschnitts 11.2 umschlossen
ist.
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Dadurch
kann eine Materialprobe durch die Deckelaussparung 25 in
den Innenleiter 11 bzw. dessen Innenleiterabschnitte 11.1, 11.2 und
den Ausschnitt 28 zwischen ihnen eingeführt werden.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird dazu vorzugsweise
ein oben näher beschriebener zu den Abmessungen des Innenleiters 11 korrespondierender
hohlzylindrischer Probenhalter verwendet, der mit der Materialprobe
befüllbar und durch die Deckelaussparung 25 in
den Innenleiter 11 einschiebbar ist.
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In
einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels weist auch
der Boden 19 eine zu der Deckelaussparung 25 korrespondierende
Bodenaussparung auf, durch die die Materialprobe in den Innenleiter 11 einführbar
und entnehmbar ist. In diesem Fall wirkt auch der erste Innenleiter 11.1 als
ein Grenzwellendämpfer, der eine Abstrahlung von Mikrowellen
aus dem Mikrowellenresonator 3 ganz oder wenigstens teilweise
verhindert.
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5 zeigt
ein in einem gemäß 4 ausgebildeten
Mikrowellenresonator 3 erfasstes, zweites Messdiagramm.
Daraus ist eine Aufspaltung der Resonanzfrequenzen erkennbar, die
ebenfalls zur Ermittelung dielektrischer Materialeigenschaften ausgewertet
werden kann. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Aufspaltung
von Resonanzfrequenzen in der Regel eine größere
Menge von Leer- und Lastfrequenzen und -bandbreiten ermittelbar
und auswertbar sind als im Fall eines Mikrowellenresonators 3 mit
einteilig ausgeführtem Innenleiter 11 wie dem
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Dabei werden Hilfsgrößen gemäß den
Gleichungen (1), (3), (4) und/oder (5) bevorzugt jeweils aus Paaren
von Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten gebildet,
die zu jeweils verschiedenen aufgespaltenen Resonanzfrequenzen gehören,
also beispielsweise aus der ersten Leerresonanzfrequenz f01 und der dritten Leerresonanzfrequenz f03 in 5 und den
dazu gehörigen Lastresonanzfrequenzen fr1 und
fr3 und gegebenenfalls den entsprechenden
Leer- und Lastbandbreiten, nicht jedoch aus Paaren von Leer- und
Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten, die zu derselben aufgespaltenen
Resonanzfrequenz gehören, da letztere eng benachbart sind
und daher in der Regel zu größeren Messfehlern
führen.
-
- 1
- Mikrowellensensor
- 3
- Mikrowellenresonator
- 5
- Mikrowellengenerator
- 7
- Mikrowellendetektor
- 9
- Auswerteeinheit
- 11
- Innenleiter
- 11.1
- erster
Innenleiterabschnitt
- 11.2
- zweiter
Innenleiterabschnitt
- 13
- Außenleiter
- 15
- erstes
Ende eines Innenleiters
- 17
- zweites
Ende eines Innenleiters
- 17.1
- zweites
Ende eines ersten Innenleiterabschnitts
- 17.2
- zweites
Ende eines zweiten Innenleiterabschnitts
- 19
- Boden
- 21
- scheibenförmiger
Kondensator
- 23
- Deckel
- 25
- Deckelaussparung
- 27
- Raumbereich
- 28
- Ausschnitt
- 29
- Grenzwellendämpfer
- 31.1
- Mikrowelleneingang
- 31.2
- Mikrowellenausgang
- x,
y, z
- Richtung
- f
- Mikrowellenfrequenz
- S
- Übertragungsfaktor
- f01 bis f0n
- Leerresonanzfrequenzen
- fr1 bis frn
- Lastresonanzfrequenzen
- B01 bis B0n
- Leerbandbreiten
- Br1 bis Brn
- Lastbandbreiten
- Rij
- erste
Hilfsgröße
- Hij
- zweite
Hilfsgröße
- H
- dritte
Hilfsgröße
- Gij
- vierte
Hilfsgröße
- Qij
- fünfte
Hilfsgröße
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 3155898 [0002]
- - DE 2928487 A1 [0006]
- - DE 2942971 A1 [0009]
- - DE 4342505 [0010]
- - DE 102007041429 A1 [0011, 0017, 0018, 0019, 0038]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - K. C. Lawrence: ”Density-Independent
Multiple-Frequency Technique for Measuring Moisture Content in Grains
with a Radio-Frequency Permittivity Sensor”, Ph. D. Dissertation
University of Georgia, Athens, Georgia, 1997 [0003]
- - K. Kupfer: ”Electromagnetic Aquametry”,
Springer Verlag 2005, S. 146–147 [0003]
- - Y. Zhang und S. Okamura: ”New Function of Dielectric
Properties for Density-Independent Moisture Measurement” in:
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Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar 2001 S.
111–116 [0004]
- - Ma et. al.: ”A Fundamental Study an Microstrip Sensor
for Measuring Water Content and Ion Conductivity” ebenfalls
in: Proceedings of the 4th International Conference an Electromagnetic
Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar 2001, S.
462–467 [0005]
- - A. Kraszewski: ”Microwave Instrumentation for Moisture
Content Measurement”; Journal of Microwave Power 8 (314),
1973, S. 332–333 [0006]
- - M. A. Rzepecka et.al.: ”Modified Perturbation Method
for Permittivity Measurements at Microwave Frequencies”,
Journal of Microwave Power 9 (4), 1974, S. 321–323 [0007]
- - W. Hoppe et. al.: ”Dichteunabhängige Feuchtigkeitsmessung
in fadenförmigen Materialien unter Verwendung zweier Gunn-Oszillatoren
mit Hohlleitern unterhalb der Grenzfrequenz”; Mikrowellenmagazin
3/81, S. 280–282 [0009]