DE2730577A1

DE2730577A1 - Mikrowellenhygrometer

Info

Publication number: DE2730577A1
Application number: DE19772730577
Authority: DE
Inventors: Taro Miura; Shinya Nakai; Makoto Suzuki; Takahiro Yamamoto
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1978-01-12
Also published as: DE2730577B2; DE2730577C3; GB1532166A; JPS536091A; US4103224A

Description

Dipl.-Ing. _j _

Rolf Ch am er '

Patentanwalt
Augsburg 31 · Postfach 242

Rehlingcnstraße 8
Telefon: 0821/36015

Poslschcckkontu: München Nr. 1547 89-801

7367/09 Augsburg, den 5. Juli 1977

TDK ELECTRONICS CO., LTD. 1*1-6, Uchikanda 2-chome, Chiyoda-ku , Tokyo, Japan

MIKROWELLENHYGROMETER

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Feuchtigkeit der Luft und/oder anderer Gase, nämlich ein Hygrometer unter Verwendung von elektrischen Mikrowellen, dessen elektrischer Ausgang eine Größe der gemessenen Feuchtigkeit darstellt.

Es ist bekannt, daß der Verlustfaktor bei der Übertragung von Mikrowellen auf Grund von Wassermolekülen (H₂O) in der Luft von drei Faktoren abhängt, nämlich dem Luftdruck, der Lufttemperatur und dem partiellen Dampfdruck. Demgemäß kann durch Messen des Mirowellenverlustes, des Luftdruckes und der Lufttemperatur der partielle Dampfdruck, d.h. die Luftfeuchtigkeit ermittelt werden· Dies ist in dem US-Patent 2, 792, 5^8 bereits beschrieben. Das US-Patent 2, 792, 5k8 weist jedoch die folgenden, auf der Verwendung eines Hohlraumresonators beruhenden Nachteile auf: Zunächst ist eine genaue Messung der Luftfeuchtigkeit dadurch erschwert, daß Druck und/oder Temperatur innerhalb und außer-

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halb des Hohlraumes verschieden sein können. Der zweite Nachteil besteht darin, daß der gemessene Feuchtigkeitswert im Laufe der Zeit von dem tatsächlichen Wert abweichen wird, weil das Metallgehäuse des Hohlraums in der feuchten Luft korrodiert.

Einen weiteren bekannten Feuchtigkeitsmesser hat das US-Patent 3, 9^6,3°8 zum Gegenstand. Es verwendet an Stelle des Hohlraumresonators einen dielektrischen Resonantor. Es hat jedoch den Nachteil, daß der Feuchtigkeitsmeßwert driftet, wenn ein Körper in die Nähe des dielektrischen Resonators kommt und einen Mikrowellenverlust verursacht. Dies Driften kann von einem menschlichen Körper und von jedem anderen dielektrischen Stoff verursacht werden.

Ziel der vorleigenden Erfindung ist es daher, die Nachteile und Anwendungsgrenzen der bekannten Feuchtigkeitsmesser durch einen neuen und verbesserten Mikrowellenhygrometer zu überwinden.

Dieses und weitere Ziele werden erreicht durch einen Mikrowellenhygrometer mit folgenden Bestandteilen: Ein Abschirmgehäuse mit einer kleinen Öffnung für den Lufteintritt, das das Abstrahlen von Mikrowellen verhindert, einen im Gehäuse angebrachten dielektrischen Resonator, einen Träger, auf dem der dielektrische Resonator an der Stelle befestigt ist, an welcher das elektrische Feld schwach ausgebildet ist sowie zwei Antennen zum Senden und Empfangen der Mikrowellen.

und weitere
Die oben aufgeführten/Ziele, Eigenschaften und mit der Erfindung verknüpften Vorteile werden besser verständlich durch nachfolgende Beschreibung, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.

Fig. 1 ist das Blockschema der elektrischen Schaltung des bekannten Mikrowellenhygrometers·

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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des vorliegenden Feuchtigkeitsmessers.

Fig. 3(A) erläutert die Arbeitsweise dieses Mikrowellenhygrometers. Fig. 3(D) zeigt die Kurve des elektrischen Feldes in radialer

Richtung von dem dielektrischen Resonator ausgehend. Fig. 3(C) zeigt die Kurve des elektrischen Feldes in axialer

Richtung.
Fig. 4 ist die perspektisvische Ansicht eines weiteren Gehäuses für den Mikrowellenhygrometer entsprechend der vorliegende

Erfindung.
Fig. 5(A) erläutert die Arbeitsweise des Mikrowellenhygrometers

in Fig. 4.
Fig. 5(B) zeigt die Feldkurve des elektrischen Feldes in radialer

Richtung von dem dielektrischen Resonator ausgehend. Fig. 6 ist ein weiteres elektrostatisches Abschirmgehäuse. Fig. 7(A) zeigt die perspektivische Ansicht einer weiteren Aufbaumöglichkeit des Hygrometers entsprechend der vorleiegen-

Erfindung.
Fig. 7(B) zeigt die Kurve des elektrischen Feldes bei einem Aufbau

nach Fig. 7(A).
Fig. 8 und Fig. 9 zeigen die Bauweise der Antennen entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird zunächst die Funktionsweise des Mikrowellenhygrometers nach Fig. 1 beschrieben, das dem US-Patent 2, 792, 548 entspricht.

In Fig. 1 sendet der Kipposzillator 1 Mikrowellen durch das koaxiale Kabel 2 in den Hohlraumresonator 3. Der Verstärker 4 ist durch das koaxiale Kabel 5 und den Diodengleichrichter 6 ebenfalls mit dem Hohlraumresonator 3 verbunden. Dieser Hohlraumresonator 3 weist einen Lufteinlaß 7 und einen Luftaustritt 8 auf. Der Luft-

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strom verläuft in Pfeilrichtung. Die Lufttemperatur wird durch den am Lufteinlaß 7 angebrachten Temperaturabtaster 9 gemessen. Die Ausgangswerte des Verstärkers k und dos Temperaturabtasters 9 werden abwechselnd in Form von digitalen Impulsen über den Schalter Io auf den analog-digitalen Konverter 11 übertragen. Dessen Ausgabe wird von dem Prozessor 12 verarbeitet; das Ergebnis wird zur Anzeige des gemessenen Feuchtigkeitswertes auf die Anzeigevorrichtung 13 übertragen.

Bei diesem Aufbau werden in bestimmter Frequenz modulierte Mikrowellen von dem Kipposzillator 1 über das koaxiale Kabel 2 in den Hohlraumresonator 3 gesendet, wobei Luftdruck und Lufttemperatur in dem Hohraum bekannt sind. Diese Mikrowellen werden in dem Hohlraum 3 entsprechend der dort vorhandenen Luftfeuchtigkeit, des Luftdrucks und der Lufttemperatur gedämpft. Die gedämpfte Mikrowelle, die die Information über die Luftfeuchtigkeit in dem Hohlraum liefert, wird von dem Detektor 6 erfaßt, der ein Ausgabesignal entsprechend der Amplitude der Mikrowellen im Hohlraum 3 auf den Verstärker k überträgt. Es wird davon ausgegangen, daß die Mikrowellen der Einfachheit halber in Tonfrequenz moduliert sind. Der Ausgang des Verstärkers k wird über den Schalter Io und den analogdigitalen Konverter 11 an den Prozessor 12 gelegt. Der Ausgang des Temperaturabtasters 9 wird ebenfalls über den Schalter Io und den analog-digitalen Konverter 11 an den Prozessor 12 gelegt. Der Prozessor 12 ermittelt die Luftfeuchtigkeit aus den auf ihn übertragenen Informationen, indem er die Verluständerung der Mikrowellen bzw. die Änderung der elektrischen Ladung in dem Hohlraum 3 ermittelt. Die von dem Prozessor 12 so ermittelte Feuchtigkeit wird in der Vorrichtung 13 angezeigt. Dieser Feuchtigkeitsmesser weis die oben beschribenen, auf der Verwendung eines Hohlraumresonators beruhenden Nachteile auf.

Fig. 2 zeigt die perspaktivische Ansicht eines Hygrometers nach der vorliegenden Erfindung. In der Fig. weist das elektrostatische

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Abschirmgehäuse 2o an der Oben- und Untenseite zwei Metallplatten und an den Seitenwänden ein Metallgitter 22 auf. Der dielektrische Resonator 23 in Form einer runden, dünnen Scheibe wird von dem am Bodenteil 21 besfestigten Träger 2k gehalten. Zwei koaxiale Kabel 25 und 26 ragen durch die Bodenplatte 21 in das Gehäuse 2o hinein. Am Ende der Kabel 25 und 26 befinden sich zwei Schleifenantennen 27« Die Antenne 27 hat die Form einer gebogenen inneren Kabelader, deren Ende mit der äußeren Kabelader des entsprechenden Kabels verbunden ist. Die Metallplatten 21 und das Gitter 22 bestehen aus leitfähigem Material, wie Kupfer oder Messing. Die Maschendichte des Gitters ist so bemessen, daß ein Austreten der Mikrowellen verhindert wird. Der Versuch hat ergeben, daß das ein Gitter mit ko Mascheneinheiten (ko Maschen pro Zoll) für Mikrowellen von 9 GHz ausreicht. Der dielektrische Resonator besteht, beispielsweise, aus keramischem Material mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie etwa eine Keramik, deren Hauptbestandteile MgTiO , TiO_ und CaTiO

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sind. Natürlich können auch andere Stoffe wie etwa Styrolharz oder Polyesterharz verwendet werden. Der Träger 2k besteht z.B. aus einem Keramischen °

/Material, das Mikrowellen nur geringfügig dämpft; selbstverständlich kann für den Träger 2k auch ein anderer dielektrischer Stoff und/oder Leiter verwendet werden.

Wenn bei dem Aufbau nach Fig. 2 Mikrowellen durch das koaxiale Kabel 25 auf den dielektrischen Resonator 23 gerichtet werden, wird der Resonator elektrisch mit der Schleifenantenne 27 gekoppelt, wobei sich ein Magnetfeld senkrecht zur Schleife aufbaut. M.a.W. entsteht parallel zu dem Stromverlauf in der Schleife ein elektrische Feld. Entsprechend schwingt der dielektrische Resonator im TE°_lo-Modus und im TE^^-Modus; dies zeigt Fig. 3(A). Der Pfeil in Fig. 3(A) zeigt die Stromrichtung. Der Verlauf der Größe des elektrischen Feldes ist in diesem Fall in Fig. 3(B) und Fig. 3(C) zu sehen. Es zeigt sich, daß das Feld am Scheibenrand

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am größten ist und seitlich abnimmt. Wie aus Fig. 3(B) zu sehen ist die Feldstärke in Scheibenmitte nahezu Null. Aus diesem Grunde ist der Resonator 23 in Scheibenmitte an dem Träger 2'4 befestigt. Dieser Aufbau minimiert den Verlust von Mikrowellen im Träger 24. Das elektrische Feld des dielektrischen Resonators 23 ist eingeschlossen in dem Abschirmgehäuse 2o. Außerhalb des dielektrischen Resonators 23 werden die Mikrowellen durch die in der Luft innerhalb des Gehäuses enthaltene Feuchtigkeit gedämpft. Die so gedämpften Mikrowellen werden von der zweiten Antenne aufgenommen und durch das koaxiale Kabel 26 in den -nicht bagebilrteten- äußeren Schaltkreis übertragen, wo durch Demodulation, Verstärkung und/oder digitale Konversion die Feuchtigkeitsanzei.ge erreicht wird.

Besonders hinzuweisen ist auf das Gittergehäuse der Abschirmung in Fig. 2. Hierdurch kann die Luft frei durch das Gehäuse strömen. Es ist kein gezielter Luftstrom notwendig. Es ist nur erforderlich, dns Gerät in die zu messende Luft einzubringen; es kann mit dem vorliegenden Hygrometer also such unbeifegte Luft gemessen werderit Auch die Ansprechzeit dieses Hygrometers ist 3ehr kurz( theoretisch bis zu Io jlib), sodaß auch plötzliche Schwankungen der Luftfeuchtigkeit gemessen werden können. Die verschleißabhängige Verfälschung der Meßwerte ist bei dieser Erfindung sehr gering, weil der bei hoher Temperatur gebrannte Keramikresonator chemisch sehr stabil ist. Der typische Dielektrizitätsfaktor beträgt 2o-3o, der Temperaturkoeffizient ο,5 ppm/ C.

Der verhältnismäßig hohe Dielektrizitätsfaktor des Resonators 23 macht es möglich, die Außenmaße des Hygrometers gering zu halten und innerhalb kurzer Zeit das thermische Gleichgewicht zwischen Hygrometer und umgebender Luft herzustellen. Da andererseits der Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators sehr niedrig ist, sind auch Meßabweichungen infolge TemperatürSchwankungen gering

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und entsprechend präzise Messungen möglich. Die Empfindlichkeit des Hygrometers hängt ab vom Aufbau der Halterung des dielektrischen Resonators. Hier ist zu unterstreichen, daß der dielektrische Resonator 23 mit dem Teil an der Halterung befestigt ist, bei dem das elektrische Feld am schwächsten ist. Hierdurch tritt innerhalb der Abschirmung 2o eine Sättigung mit Mikrowellen ein, während der Verlust in dem Träger 2o minimal ist. Dies führt zu einem hohen Empfindlichkeit dieses Hygrometers.

Der Aufbau nach Fig. 2 kann mit durchschnittlichen technischen Kenntnissen vorändert werden. Beispielsweise kann statt aller Seitenwände nur ein Teil aus Metallgitter bestehen. Ferner kann statt der Seitenteile auch das Boden- und/oder Deckelteil ein Gitterfenster für die Luftdurchfuhr aufweisen.

Fig. 4 zeigt die perspektivische Ansicht eines zweiten Gehäuses für das Hygrometer. In diesem besteht die elektrostatische Abschirmung 2o A aus einem zylindrischen Metallrohr Jo und, an dessen beiden Enden, zwei kreisförmigen Metallgittern. Ein dünner, kreisförmiger dielektrischer Resonator 23 A wird innerhalb der Röhre Jo von dem Träger J2 gehalten, der mit drei Armen an der Wandung der Röhre befestigt ist. An den Enden der in die Röhre 3o ragenden Kabel 25 und 26 befinden sich zwei Schleifenantennen 27.

Beim Aufbau nach Fig. k bauen die durch eines der Kabel 25 oder 26 auf den dielektrischen Resonator 23 A gerichteten Mikrowellen ein magnetisches Feld senkrecht zum Verlauf der entsprechenden Schleife der Antenne 27 auf. Es wird also parallel zum Strom in der Schleife 27 ein elektrisches Feld geschaffen, wodurch im dielektrischen Resonator 23 A eine Resonanzschwingung im TM . -Modus entsteht. Dies zeigt Fig. 5(A), wobei die Pfeile die Richtung des

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elektrischen Feldes bezeichnen. Fig. 5(B) zeigt den Verlauf der Stärke des elektrischen Feldes. Hier ist darauf hinzuweisen, daß das elektrische Feld in der Mitte des Resonators am stärksten ist und radial abnimmt. Am äußeren Rand ist es schwach. Da der Resonator 23 Λ mit seinem äußeren Rand an dem Träger 32 besfestigt ist, ist der Verlust an Mikrowellen in dem Träger gering. Der größte Teil der von dem Resonator 23 A ausgehenden Mikrowellen erfüllt den umgebenden Luftraum innerhalb der Abschirmung 3°·

Das Hygrometer nach Fig. ¹I erzielt dieselben Resultate wie dasjenige nach Fig. 2. Es ist aber besser als dieses geeignet, die Luftfeuchtigkeit in Zu- und Ableitungen zu großem Räumen zu messen. Hervorzuheben ist dabei der Vorteil, daß die Form des Trägers frei variiert werden kann, solange nicht der Luftstrom behindert wird.

Fig. 6 zeigt einen weiteren Aufbau einer elektrostatischen Abschirmung, bei welchem das Abschirmgehäuse 2o B aus einem zylindrischen Metallgitter sowie aus zwei kreisförmigen Metallgittern *to besteht. Mit diesem Gehäuse 2o A sowie einem dielektrischen Resonator und zwei Antennen kann dasselbe Ergebnis erreicht werden wie bei dem Aufbau nach Fig. 2 und Fig. ¹I.

Fig. 7(A) zeigt eine Aufbauvariante für den dielektrischen Resonator. Hier besteht der Resonator 23 B aus einem säulen- oder zylinderförmigen Körper, an dessen Extremitäten zwei metallne Abschirmplatten 50 angebracht sind. Diese Platten bilden die Träger des Resonators 23 B. Die Mikrowellen schwingen hier nach dem TE ₁₁-Modus; der Pfeil in Fig. 7(A) zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes.

Fig. 7(B) zeigt des Verlauf der Stärke des elektrischen Feldes bei Schwingung nach dem TE ..-Modus. Hervorzuheben ist, daß bei Fig. 7(B) das Feld Maximalstärke in der Mitte der Säule aufweist,

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während es beiderseits den Enden der Säule zu auf Null abnimmt. Der Resonator in Fig. 7(A) kann den Resonator in Fig. 2 oder Fig. 4 ersetzen, wobei die Antennen im TE -Modus angeregt werden. Der Resonator nach Fig. 7(A) kann auch in dem Gehäuse nach Fig. 6 eingebaut werden. Dort wird er an den Abschirmplatten do befestigt.

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Antennen. Fig. 8 zeigt eine Stabantenne 27 Λ, bei der der innere Kabelstrang eines koaxialen Kabels senkrecht nach oben verlängert ist.

Die Antenne 27 B in Fig. 9 ist U-förmig, wobei die innere Leitungsader einos koaxialen Kabels u-förmig mit der äußeren Leitungsader verbunden ist. Die Antennen 27 Λ und 27 B können an die Stelle der Antennen 27 in den Fig. 2 und Fig. k treten, sofern ihre Richtung© mit derjenigen des im Resonator 23 schwingenden elektrische Feldes übereinstimmt.

Hervorzuheben int, daß auch das AbschirtngQhäuse 2o in Fig. 2 mit dem Resonator 23 A in Fiß. ■'. , bzw. das Abschirmgehäuse 2o A in Fig. h mit dem Resonattr 23 in Fig. 2 kombiniert werden können. Ferner kann das Metallgitter bei all diesen Gehäusen durch eine solide Metallwandung ersetzt werden, wobei der Lufteintritt durch eine Öffnung erfolgt, die klein genug ist, um ein Abstrahlen der Wellen zu verhindern. Die koaxialen Kabel können ebenfalls durch andere Leiter für Zuführung und Ableitung der Mikrowellen ersetzt werden. Auch die Form des dielektrischen Resonators ist nicht auf die gezeigte Scheiben- oder Zylinderform beschränkt. Auch andere Formen, etwa eine polygonale Säulenform, sind möglich.

Wegen der Unempfindlichkeit dieses Hygrometers gegen chemische

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Reaktionen oder Korrosion kann er auch in Räumen mit hoher
Temperatur und/oder hoher Feuchtigkeit verwendet werden, wo die Verwendung bekannter Feuchtigkeitsmesser bisher ausgeschlossen war. Insbesondere in der chemischen Industrie und in der Druckindustrie, wo präzise Kontrolle der Luftfeuchtigkeit eine besondere Rolle spielt, kann er eingesetzt werden.

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Claims

Dipl.-Ing.

Rolf Charrier

P a I e η t a η w a 11 Augsburg 31 · Postfach 242

RchlingenstraHe 8
Telefon: 0821/36015

Postscheckkonto: München Nr 1547 89-801
7367/Ο9

Patentansprüche :

Mikrowellenhygrometer mit einer Sende- und einer Empfangsantenne und einem Resonator, dadurch gekennzeich net, daß dar Resonator ein dielektrischer Resonator ist, der in einem die Abstrahlung der Mikrowellen verhindernden Gehäuse angeordnet ist, das mindestens eine Öffnung für eine Luftströmung aufweist, und der Resonator an einer Stelle des Gehäuses von einem Träger getragen wird, wo das elektrische Feld schwach ist.

Hygrometer nach Anspruch l), dadurch gekennzeichnet , daß der dielektrische Resonator eine dünne in TE°. -Mode erregte Kreisscheibe ist, die in ihrem Mittelpunkt befestigt ist.

Hygrometer nach Anspruch l), dadurch gekennzeichnet , daß der dielektrische Resonator eine

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Umfang gehalten wird.

dünne in TE -Mode erregte Scheibe ist, die an ihrem

km Hygrometer nach Anspruch l), dadurch gekennzeichnet , daß der dielektrische Resonator aus einer in TE° -Mode erregten Säule besteht, die an ihren Enden je eine Gehäuseplatte trägt, die den Resonator tragen.

5· Hygrometer nach Anspruch l), dadurch gekennzeichnet , daß das Abschirmgehäuse mindestens teilweise aus einem G i tier he sleM-. 709882/1068

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6. Hygrometer nach Anspruch 5)» dadurch gekennzeichnet , daß das Gitter mindestens ko Maschen pro Zoll aufweist.

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