DE2454788A1

DE2454788A1 - Verfahren und vorrichtung zur feuchtigkeitsbestimmung eines gasfoermigen mediums

Info

Publication number: DE2454788A1
Application number: DE19742454788
Authority: DE
Inventors: Taro Miura; Takahiro Yamamoto
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1973-11-27
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1975-05-28
Also published as: JPS5718136B2; DE2454788B2; US3946308A; JPS5085379A; DE2454788C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Feuchtigkeitsbestimmung eines gasförmigen Mediums

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feuchtigkeitsbestimmung eines gasförmigen Mediums unter Ver-· wendung von Mikrowellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens»

Feuchtigkeitsmessgeräte, die allgemein unter dem Namen Hygrometer bekannt sind, sind in den verschiedensten Ausführungs·? formen seit langem in Gebrauch, Als Beispiele seien genannt, das Haarhygrometer, bei dem die feuchtigkeitsabhängige Kontraktion und Dehnung eines Haares zur Messung herangezogen wird, das Taupunkthygrometer, bei dem· der Taupunkt des zu untersuchenden Gases zur Feuohtigkeitsbestimmung gemessen

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BERLIN: TELEFON (03O) 8313O38 KABEL: PROPINDUS · TELEX Qt 84O57

MÜNCHEN: TELEFON (O89) 22 OB 80 KABEL: PROPINDUS · TELEX ÖB24344

virdy das Psychrometer, bei dem das Gewicht des in einem Gas vorhandenen Wasserdampfes gemessen wird. Weiterhin sind bekannt Assamann's Aspirationspsychrometer, bei denen eine Feuchtigkeitsmessung durch Einsaugen des zu messenden Gases durchgeführt wird, fernerhin das Absorptionshygrometer, bei dem die feuchtigkeitsabhängige Veränderung des elektrischen Widerstandes eines elektrischen Bauelements eine Aussage über die Luftfeuchtigkeit liefert.

Es ist allgemein bekannt, dass die erwähnten Instrumente keine genauen Messergebnisse liefern, im Betrieb unzuverlässig und nur schwierig zu handhaben sind. Das Messergebnis liegt nicht in Form eines elektrischen Signals vor, das direkt als Steuersignal für Regelzwecke verwendet werden könnte, auch bei dem zuletzt genannten Absorptionshygrometer muss die Änderung des Widerstandswertes erst umgesetzt werden.

Es wurde daher in jüngster Zeit ein neuartiges Feuchtigkeitsmeßsystem vorgeschlagen, das mit Hilfe zweier Hohlraumresonatoren arbeitet. Bei diesem System wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Übertragungseigenschaften von Luft für ein ultrahochfrequentes Signal, d.h. ein Mikrowellensignal, von der Luftfeuchtigkeit abhängen« Das hinsichtlich seiner Feuchtigkeit zu untersuchende Gas wird in den einen der Resonatoren gegeben, während der andere trockene Luft enthält. Mikrowellen geeigneten Modes werden in die zwei Resonatoren mit einer derartigen Frequenz eingekoppelt, dass die Resonatoren in Resonanz schwingen. Da der Wassergehalt des zu untersuchenden Gases j d.h. die Gasfeuchtigkeit die relative Dielektrizitätskonstante des Gases beeinflusst, ergibt sich ein Unterschied in den Resonanzfrequenzen der beiden im Aufbau identischen Hohlraumresonatoren. Diese Differenz, d.h. die Schwebungsfrequenz wird gemessen und daraus die Gasfeuchtigkeit bestimmt ·

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Nachteilig an diesem System ist, dass der Detektorkreis zum Bestimmen der Schwebungsfrequenz notwendigerweise sehr kompliziert ist und hohe Herstellungskosten erfordert und dass auch Temperaturdifferenzen zwischen den zwei Resonatoren, wie sie beim Hineingeben des zu messenden Gases in den einen Resonator entstehen können, in den Messwert eingehen und entsprechend berücksichtigt werden müssen, wenn man nicht einen Messfehler in Kauf nehmen will. Der Aufwand bei der Auswertung der Messergebnisse vergrössert sich dadurch bzw. ist der Einsatz eines derartigen Meßsystems sehr beschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,-ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das eine genaue Und billige Messung erlaubt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, die klein, leicht, einfach im mechanischen Aufbau und billig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Resonanzkurve eines mit dem zu untersuchenden Medium gefüllten Resonators aufgenommen, daraus die Kreisgüte und aus letzterer die Feuchtigkeit des Mediums bestimmt wird. Man geht dazu vorzugsweise in der Weise vor, dass Mikrowellenschwingungen veränderlicher Frequenz in den Resonator ein- und getrennt davon wieder ausgekoppelt werden und die Ampli·* tuden der ausgekoppelten Schwingungen als Funktion der Frequenz bei konstanten Amplituden der eingekoppelten Schwingungen gemessen und aufgezeichnet werden. Die Frequenz der eingekoppelten Mikrowellenschwingungen wird vorzugsweise gewobbelt. Die Erfindung geht damit von der Erkenntnis aus, dass die Kreisgüte von der Feuchtigkeit des im Resonator vorhandenen gasförmigen Mediums beeinflusst wird. Die Resonanzkurve, die gemessen wird, ist bekanntlich umso breiter, je schlechter die Kreisgüte des Resonators ist»

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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens enthält einen dielektrischen Resonator, dessen Hauptbestandteile ein metallischer Käfig, ein fester dielektrischer Körper, der vorzugsweise im Inneren des Käfigs angeordnet ist, sowie eine Einkoppel- und Auskoppelantenne sind· Der metallene Käfig besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Messing, vorzugsweise aus gitterförmigem Material.

Die Erfindung sei unter Bezugnahme auf, die Zeichnungen, in denen unter anderem vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt sind, nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines Resonators gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. Ib und Ic Längsschnitte durch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 2 eine vollständige Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens in Blockdarstellung;

Fig. 3a bis 3c verschiedene Kurvenformen, wie sie mit der Anordnung nach Fig. 2 erhalten werden;

Fig. h eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Kreisgüte des Resonators von der relativen Feuchtigkeit des darin enthaltenen gasförmigen Mediums.

Die Ausftihrungsform nach Fig. 1a stellt einen dielektrischen Resonator 1 dar, dessen Käfig 3 aus einem Kupferdrahtnetz mit etwa 1 mm Drahtdurchmesser besteht. Im Käfig 3 ist ein dielektrischer Körper 5 angeordnet, weiterhin sind einander diametral gegenüberliegend eine Einkoppelantenne 7 und eine Auskoppelantenne 9 am Käfig 3 angebracht,

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-3-

Wenn dieser Resonator mit einer UHP-Schwingung von beispielsweise 10,7 GHz angeregt wird und im Η-Mode schwingt, dann muss der Radius des zylindrischen Käfigs 3 zur Aufrechterhaltung des Hauptmode oder Niedrigstmode kleiner als der kritische Grenzradius eines zylindrischen Wellenleiters bei 10,7 GHz sein» Der kleinere Radius ist erforderlich_t um Abstrahlungsverluste der Mikrowellenenergie in den freien Raum zu unterdrücken, wodurch Veränderungen oder Instabilitäten in der Feuchtigkeitsmessung aufgrund von Energieverlusten auf ein Minimum herabgesetzt werden. Ein geeignetes Mass für den Radius des Käfigs 3 für den E_Q1-Mode bei 10,7 GHz ist 0,9 cm, während der kritische Grenzradius 1,07 cm beträgt.

Der dielektrische Körper 5 besteht aus Titanoxid (TiO_) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante £ von 100 und einem elektrischen Gütefaktor Q von 200O₀ Dieser Körper hat einen Durchmesser von 0,5 cm und ist 0,2 cm hoch. Als Antennen 7 und 9 dienen jeweils die Seele eines Koaxialkabels, dessen Aussenleiter entfernt wurde, wobei die Seele aus einem verzinnten K^ipferdraht von 0,5 mm Durohmesser besteht.

Wenn über die Einkoppelantenne 7 eine 10,7 GHz-Schwingung dem dielektrischen Resonator 1 zugeführt wird, dann wird in diesem eine Resonanzschwingung erregt. Diese Schwingung hat eine Feldkonfiguration wie diejenigen einer E₁^-Schwingung in einem zylindrischen Resonator und macht es möglich, an der gegenüberliegenden Antenne 9 Mikrowellenenergie auszukoppeln.

Wenn der Resonator 1 in feuchte Luft gesetzt wird, dann nimmt der Gütefaktor Q des Resonanzkreises ab, weil Wasserdampf die in Resonanz befindliche Mikrowellenenergie absorbiert« Auf diese Weise stellt der Gütefaktor Q ein Mass für den Wassergehalt in der Luft, d.h. für deren Feuchtigkeit dar. Es gibt

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viele bekannte Verfahren, um die Kreisgüte eines Resonanzkreises zu messen« Bei einem dieser Verfahren wird die Halbwert streite der Mikroweilenenergie in eine Impulslänge umgewandelt. Dieses Verfahren wird bei der vorliegenden Ausführungsform benutzt. Hierauf wird später noch bezug genommen.

Die Ausführungsform nach der Fig, 1b unterscheidet sich von derjenigen nach Fig, 1a dadurch, dass der Käfig 3 des dielektrischen Resonators 1 aus einem Messingrohrstück besteht. Wie im Fall des Resonators nach Fig, 1a ist der Radius des zylindrischen Käfigs kleiner als der kritische Grenzradius bei der Betriebsfrequenz, Zwischen dem dielektrischen Körper 5 und dem Käfig 3 erstreckt sich ein Zwischenraum "./", Dieser Zwischenraum unterstützt die von der speziellen Radiuswahl hervorgerufene Wirkung, d,h« setzt den Energieverlust aus dem zylindrischen Käfig herab. Vorzugsweise ist £ etwa 3 mm gross. Ein Zwischenraum ist vorzugsweise auch bei den Resonatoren nach den Figuren 1a und 1c vorzusehen.

Fig, 1c zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Resonators, Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig, 1b dadurch, dass die beiden Stirnseiten des Zylinders von Kupferdrahtnetzen 2 verschlossen sind« Diese Drahtnetze sollen Staub und andere Fremdkörper fernhalten*

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Feuchtigkeitsmessung soll anschliessend unter Bezugnahme auf FIg₉ 2 erläutert werden, in der ein vereinfachtes Blockschaltbild einer vollständigen Messanlage dargestellt ist. Mit Block 11 ist ein Wobbelgenerator bezeichnet, dessen Schwingungen von einer Gunn-Diode erzeugt werden und dessen Frequenz linear um die Mittenfrequenz von 10,7 GHz gewobbelt wird. Die gewobbelte

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Ausgangsschwingung wird über die Einkoppelantenne in den dielektrischen Resonator 1 eingekoppelt· Die an der Auskoppelantenne des Resonators zur Verfügung stehende Ausgangsenergie ist proportional der Stärke der Eingangsenergie, Diese Ausgangsenergie wird abgegriffen und gemessen. Sie wird zum Zwecke der Demodulation einem Gleichrichter 13 zugeführt. Da die Eingangsenergie aus dem'Oszillator 11 in Frequenzen vorliegt, die um die Mittenfrequenz linear und regelmässig gewobbelt sind, ergibt sich am Ausgang des Gleichrichters 13 eine Kurvenform, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist. Hierin ist die Ausgangsamplitude über der Frequenz aufgetragen. Die Maximalamplitude ergibt sich bei der Frequenz .10,7 GHz, diejenigen Frequenzen, bei denen die Amplitude jeweils auf die Hälfte des Spitzenwerts, d.h. um 3 dB abgefallen ist, liegen zu beiden Seiten der 10,7 GHz-Mittenfrequenz. Von jenen beiden Punkten wird die Halbwertsbreite Δί.. angegeben. Dieser Wert ist ein Mass für die Güte der Resonanzschwingung im dielektrischen Resonator. Der Ausgang des Gleichrichters 13 wird über einen Verstärker 15 einem Differenzierglied 17 zugeführt.

Im Differenzierglied 17 wird das ihm eingegebene Signal zweimal über der Zeit differenziert. Nach der ersten Differentiation ergibt sich eine Kurvenform, wie sie in Fig. 3b dargestellt, nach der zweiten Differentiation ergibt sich die in Fig. 3° dargestellte Kurvenform. Bei der Kurve nach Fig. Jc entspricht der Punkt A der Frequenz in jenem Zeitpunkt, bei dem die erstmalig differenzierte Ausgangsspannung während des Abfallens Null wird, und B entspricht der Frequenz zu demjenigen Zeitpunkt, bei dem diese Spannung Null wird während des Ansteigens. Der Frequenzabstand zwischen A und B ist A*V· Wenn die Gleichrichterdioden des Gleichrichters 13 eine quadratische Kennlinie aufweisen, dann hängen die Halbwertsbreite ^ f.. des dielektrischen Resonators und die Frequenzdifferenz A^o nach der Gleichung

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Af₂

miteinander zusammen. Der Wert A. f„ wird durch Messung ermittelt, dadurch ergibt sich durch Berechnung der Wert von

₁, Da die Güte Qs^f /Af₁ ist, kann damit auch die Güte des Resonanzkreises bestimmt werden, f als Mittenfrequenz ist im vorliegenden Fall 10,7 GHz.

Die Ausgangsspannung des Differenziergliedes 17 wird in einen Impulsbreitenmesskreis 19 eingegeben, dessen Ausgangsspannung proportional Af, a B - A ist. Dieses Ausgangs signal betätigt die Anzeigeeinrichtung 21, die direkt in Feuchtigkeitsprozent geeicht ist* Weiterhin kann das Ausgangssignal vom Messkreis 19 für Steuerzwecke abgegriffen werden.

Das Diagramm von Fig. k zeigt die Ergebnisse, wie sie mit einer Anordnung der vorbeschriebenen Weise erzielt wurden. Diese Kurve zeigt die Gütewerte Q über der relativen Feuchtigkeit R,H. in Prozent,

In der vorangegangenen Beschreibung wurde die Erfindung am Beispiel von feuchter Luft als dem zu messenden Gas beschrieben, dies schränkt jedoch nicht die Benutzungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ein. Da sich das Messverfahren auf die Messung einer Mikrowellendämpfung in einem Gas gründet, kann das Verfahren und die Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung bei jedem polaren Gas verwendet werden. Als Käfig kann ein solcher aus Kupferdrahtnetz, aus Messingdrahtnetz (Fig, 1a) oder aus einem massiven Material (Figuren Ib und 1c), das aus Kupfer, Messing oder anderen Metallen bestehen kann, verwendet werden. Auch die Antennen brauchen nicht von der

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angegebenen Art zu sein, es kann jede Antenne verwendet werden, wie sie in der Wellenleitertechnik üblich ist.

Als dielektrischer Körper, der im Wege der Mikrowellenenergie liegt, können solche aus dem schon angegebenen TiO₂, aber auch aus MgTiO„j CaTiO- oder ähnliche Verbindungen bestehen. Es können auch andere keramische dielektrische Materialien verwendet werden, die aus einer beliebigen Kombination solcher Materialien bestehen, vorausgesetzt, dass sie einen Gütewert von wenigstens 1000 aufweisen. Es können sogar organische dielektrische Materialien, wie Styrolharze, dafür verwendet werden. Auch ihre Gestalt ist nicht auf die zylindrische Ausführungsform im vorgenannten Beispiel beschränkt.

Die erfindungsgemässe Anlage kann sehr kompakt und im Gewicht leicht aufgebaut werden. Wenn ein dielektrisches Material mit temperaturunabhängiger Dielektrizitätskonstante als dielektrischer Körper im Resonator verwendet wird, dann wirken sich Temperaturänderungen nicht auf das Messergebnis aus, da die auf den Resonator einwirkenden Temperaturänderungen in das Messergebnis nicht eingehen. Die Erfindung erlaubt damit eine Feuchtigkeitsmessung mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit und ist hierin den konventionellen Hygrometern weit überlegen«

Nach dem erfindungsgemässen Verfahren und der dazu bestimmten Vorrichtung können sowohl relative Feuchtigkeit als auch absolute Feuchtigkeit gemessen werden» Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt darin, dass diese während der Messung sehr schnell anspricht.

Im Gegensatz zu den üblichen Hygrometern, die sich mit der Zeit abnutzen, weist das vorliegende Gerät eine lange Lebens-

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dauer auf, da zu seinem Betrieb kein physikalischer Kontakt zwischen Flächen oder Punkten notwendig ist und seine Einzelteile leicht auswechselbar sind« Es ist kaum notwendig zu betonen, dass die Messgenauigkeit des Geräts durch einen Vergleich mit der Messung eines Referenzgases noch gesteigert werden kann«

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Claims

-11-Ansprüche

1«J Verfahren zur Feuchtigkeitsbestimmung eines gasförmigen Mediums unter Verwendung von Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkurve eines mit dem zu untersuchenden Medium gefüllten Resonators aufgenommen, daraus die Kreisgüte und aus letzterer die Feuchtigkeit des Mediums "bestimmt wird»

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenschwingungen veränderlicher Frequenz in den Resonator ein- und getrennt davon wieder ausgekoppelt werden und die Amplituden der ausgekoppelten Schwingungen als Funktion der Frequenz bei konstanten Amplituden der eingekoppelten Schwingungen gemessen und aufgezeichnet werden.

3· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Mikrowellenschwingungen gewobbelt wird,

k. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dielektrischer Resonator (i) vorgesehen ist, dessen Hauptbestandteile ein metallischer Käfig (3)t ^e^ⁿ fester dielektrischer Körper (5) sowie eine Einkoppel- und Auskoppelantenne (7 bzw. 9) sind«

5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Körper (5) im Käfig (3) angeordnet ist.

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6, Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (3) aus Kupfer oder Messing besteht,

7» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (3) aus einem netzförmigen Material besteht,

8, Vorrichtung nach einem der Ansprüche k bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (3) an seinen beiden Stirnseiten mit je einem Netz (2) verschlossen ist,

9» Vorrichtung nach einem der Ansprüche k bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Käfigs (3) kleiner ist als der kritische Grenzradius für den Grundmode eines kreisförmigen ¥ellenleiters bei der Frequenz der eingekoppelten Schwingung,

10, Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Körper (5) zylindrisch ist,

11» Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Körper (5) aus einem keramischen Material besteht,

12, Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung des gewünschten Mode der dielektrische Körper (5) zwischen der Eirikoppel- und der Auskoppelantenne (7 bzw, 9) angeordnet ist.

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