DE2730577B2

DE2730577B2 - Mikrowellenhygrometer

Info

Publication number: DE2730577B2
Application number: DE2730577A
Authority: DE
Inventors: Taro Tokio Miura; Shinya Ichikawa Chiba Nakai; Makoto Tokio Suzuki; Takahiro Yachiyo Chiba Yamamoto
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1976-07-07
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2730577A1; DE2730577C3; GB1532166A; JPS536091A; US4103224A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenhygrometer zum Messen der Feuchtigkeit von Luft und/oder anderen Gasen mit einem festen dielektrischen Resonator, der in einem die Abstrahlung der Mikrowellen verhindernden metallischen Gehäuse angeordnet ist, das mindestens eine Öffnung für eine Luft- bzw. Gasströmung aufweist und in dem zum Ein- und Auskoppeln der Mikrowellen eine von einem Mikrowellengenerator gespeiste Sende- und eine an eine Auswerteinrichtung angeschlossene Empfangsantenne angeordnet ist.

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 Mikrowellenverlustes, des Luftdruckes und der Lufttemperatur der partielle Dampfdruck, d. h. die Luftfeuchtigkeit ermittelt werden. Dies ist in dem US-Patent 2 792 548 bereits beschrieben. Das US-Patent 2792548 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 außerhalb 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

wi das US-Patent 3946308 zum Gegenstand. Es verwendet an Stelle des Hohlraumresonators einen dielektrischen Resonator. Es hat jedoch den Nachteil, daß der Feuchtigkeitsmeßwert driftet, wenn ein Körper in die Nähe des dielektrischen Resonators kommt und einen Mikrowellenverlust verursacht. Dieses Driften kann von einem menschlichen Körper und von jedem anderen dielektrischen Stoff verursacht werden.

Ein Mikrowellenhygrometer der eingangs beschriebenen Art ist bereits aus der DE-OS 2454788 bekannt. Dieses weist jedoch den Nachteil auf, daß Mikrowellenverluste an den Halterungen des Resonators, die zu dessen Befestigung notwendig sind, auftreten können. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellenhygrometer zum Messen der Feuchtigkeit der Luft und/oder anderen Gasen zu schaffen, bei dem der dielektrische Resonator so angeordnet ist, daß die Mikrowellenverluste möglichst gering sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der feste dielektrische Resonator an einer solchen Stelle des metallischen Gehäuses von einem Träger getragen wird, an der die elektrische Komponente des Mikrowellenfeldes schwach ist.

Durch die Anordnung des Resonators an Stellen, an denen die Stärke des elektrischen Feldes schwach ist, wird der Verlust in den Trägern bzw. Befestigungsmitteln minimiert, wodurch die Güte des Hygrometers erhöht wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.

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

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des vorliegenden Feuchtigkeitsmessers;

Fig. 3(A) erläutert die Arbeitsweise dieses Mikrowellenhygrometers;

Fig. 3(B) 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 perspektivische Ansicht eines weiteren Gehäuses für den Mikrowellenhygrometer entsprechend der vorliegenden 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 vorliegenden 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 2792548 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 Luftstrom verläuft in Pfeilrichtung. Die Lufttemperatur wird durch den am Lufteinlaß 7 angebrachten Temperaturabtaster 9 gemessen. Die Ausgangswerte des Verstärkers 4 and des Temperaturabtasters 9 werden abwechselnd in Form von digitalen Impulsen über den Schalter 10 auf den analogdigitalen 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 Hohlraum 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 4 überträgt. Es wird davon ausgegangen, daß die Mikrowellen der Einfachheit halber in Tonfrequenz moduliert sind. Der Ausgang des Verstärkers 4 wird über den Schalter 10 und den analog-digitalen Konverter 11 an den Prozessor 12 gelegt. Der Ausgang des Temperaturabtasters 9 wird ebenfalls über den Schalter 10 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 wies die oben beschriebenen, auf der Verwendung eines Hohlraumresonators beruhenden Nachteile auf.

Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht eines Hygrometers nach der vorliegenden Erfindung. In der Figur weist das elektrostatische Abschirmgehäuse 20 an der Oben- und Untenseite zwei Metallplatten 21 und an den Seitenwänden ein Metallgitter 22 auf. Der dielektrische Resonator 23 in Form einer runden, dünnen Scheibe wird von dem am Bodenteil 21 befestigten Träger 24 gehalten. Zwei koaxiale Kabel 25 und 26 ragen durch die Bodenplatte 21 in das Gehäuse 20 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 40 Mascheneinheiten (40 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 MgTiO₃, TiO₂ und CaTiO₃ sind. Natürlich können auch andere Stoffe wie etwa Styrolharz oder Polyesterharz verwendet werden. Der Träger 24 besteht z. B. aus einem keramischen Material, das Mikrowellen nur geringfügig dämpft; selbstverständlich kann für den Träger 24 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 Stromverllauf in der Schleife ein elektrisches Feld. Entsprechend schwingt der dielektrische Resonator im TE[)_1U-Modus und im TEg„-Modus; dies zeigt Fig. 3(A). Der Pfeil in Fig. 3(A) zeigt die Stromrichtung. Der Verlauf der

i"> 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 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 24 befestigt. Dieser Aufbau minimiert den Verlust von Mikrowellen im Träger 24. Das elektrische Feld des dielektrischen Resonators 23 ist eingeschlossen in dem Abschirmgehäuse 20. Außerhalb des

-'"> dielektrischen Resonators 23 werden die Mikrowellen durch die in der Luft innerhalb des Gehäuses enthaltene Feuchtigkeit gedämpft. Die so gedämpten Mikrowellen werden von der zweiten Antenne aufgenommen und durch das koaxiale Kabel 26 in den -

i» nicht abgebildeien - äußeren Schaltkreis übertragen, wo durch Demodulation, Verstärkung und/oder digitale Konversion die Feuchtigkeitsanzeige erreicht wird.

Besonders hinzuweisen ist auf das Gittergehäuse

r> der Abschirmung in Fig. 2. Hierdurch kann die Luft frei durch das Gehäuse strömen. Es ist kein gezielter Luftstrom notwendig. Es is nur erforderlich, das Gerät in die zu messende Luft einzubringen; es kann mit dem vorliegenden Hygrometer also auch unbewegte

4« Luft gemessen werden. Auch die Ansprechi'.eit dieses Hygrometers ist sehr kurz (theoretisch bis zu 10 us), so daß auch plötzlich Schwankungen der Luftfeuchtigkeit gemessen werden können. Die versichleißabhängige Verfälschung der Meßwerte ist bei dieser Er-

4> findung sehr gering, weil der bei hoher Temperatur gebrannte Keramikresonator chemisch sehr stabil ist. Der typische Dielektrizitätsfaktor beträgt 20-30, der Temperaturkoeffizient 0,5 ppm/" C.

Der verhältnismäßig hohe Dielektrizitätsfaktor des

>u 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

r> Resonators sehr niedrig ist, sind auch Meßabweichungen infolge Temperaturschwankungen gering und entsprechend präzise Messungen möglich. Die Empfindlichkeit des Hygrometers hängt ab vom Aufbau der Halterung des dielektrischen Resonators. Hier ist

W) 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 20 eine Sättigung mit Mikrowellen ein, während der Verlust in dem Träger

(ή 20 minimal ist. Dies führt zu einer hohen Empfindlichkeit dieses Hygrometers.

Der Aufbau nach Fig. 2 kann mit durchschnittlichen technischen Kenntnissen verändert werden. Bei-

spielsweise 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 2OA aus einem zylindrischen Metallrohr 30 und, an dessen beiden Enden, zwei kreisförmigen Metallgittern. Ein dünner, kreisförmiger dielektrischer Resonator 23/4 wird innerhalb der Röhre 30 von dem Träger 32 gehalten, der mit drei Armen an der Wandung der Röhre befestigt ist. An den Enden der in die Röhre 30 ragenden Kabel 25 und 26 befinden sich zwei Schleifenantennen 27.

Beim Aufbau nach Fig. 4 bauen die durch eines der Kabel 25 oder 26 auf den dielektrischen Resonator 23/4 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 23/4 eine Resonanzschwingung im TM o₁₀-Modus entsteht. Dies zeigt Fig. 5(A), wobei die Pfeile die Richtung des 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 23/4 mit seinem äußeren Rand an dem Träger 32 befestigt ist, ist der Verlust an Mikrowellen in dem Träger gering. Der größte Teil der von dem Resonator 23A ausgehenden Mikrowellen erfüllt den umgebenden Luftraum innerhalb der Abschirmung 30.

Das Hygrometer nach Fig. 4 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 £eigl einen weiteren Aufbau einer elektrostatischen Abschirmung, bei welchem das Abschirmgehäuse 20ß aus einem zylindrischen Metallgitter sowie aus zwei kreisförmigen Metallgittern 40 besteht. Mit diesem Gehäuse 20/4 sowie einem dielektrischen Resonator und zwei Antennen kann dasselbe Ergebnis erreicht werden wie bei dem Aufbau nach Fig. 2 und Fig. 4.

Fig. "(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 23B. Die Mikrowellen schwinger hier nach dem TE[J₁ ,-Modus; der Pfeil in Fig. 7(A] zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes.

Fig. 7(B) zeigt den 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, während es beiderseits den Enden der Säule zu auf Null abnimmt. Der Resonator in Fig. 7(A) kann den Resonatorin 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 Ab·

p g

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

Die Antenne 27B in Fig. 9 ist Ü-förmig, wobei di« innere Leitungsader eines koaxialen Kabels U-förmig mit der äußeren Leitungsader verbunden ist. Die Antennen 27/4 und 27 B können an die Stelle der Antennen 27 in den Fig. 2 und Fig. 4 treten, sofern ihre Richtungen mit derjenigen des im Resonator 22 schwingenden elektrischen Feldes übereinstimmt.

Hervorzuheben ist, daß auch das Abschirmgehäusc 20 in Fig. 2 mit dem Resonator 23/4 in Fig. 4, bzw das Abschirmgehäuse 2OA in Fig. 4 mit dem Resonator 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 Reaktionen oder Korrosion kann ei auch in Räumen mit hoher Temperatur und/oder hoher Feuchtigkeit verwendet werden, wo die Verwendung bekannter Feuchtigkeitsmesser bisher ausgeschlossen war. Insbesondere in der chemischer Industrie und in der Druckindustrie, wo präzise Kontrolle der Luftfeuchtigkeit eine besondere Rolle spielt kann er eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenhygrometer zum Messen der Feuchtigkeit von Luft und/oder anderen Gasen > mit einem festen dielektrischen Resonator, der in einem die Abstrahlung der Mikrowellen verhindernden metallischen Gehäuse angeordnet ist, das mindestens eine öffnung für eine Luft- bzw. Gasströmung aufweist und in dem zum Ein- und Aus- ^|n koppeln der Mikrowellen eine von einem Mikrowellengenerator gespeiste Sende- und eine an eine Auswerteinrichtung angeschlossene Empfangsantenne angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der feste dielektrische Resonator (23, '"· 23 A, 23B) an einer solchen Stelle des metallischen Gehäuses (20;20A, 20B) vor einem Träger (24, 32} getragen wird, an der die elektrische Komponente des Mikrowellenfeldes schwach ist.

2. Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch ge- -<> kennzeichnet, daß der dielektrische Resonator eine dünne in TE°_IU-Mode erregte Kreisscheibe ist, die in ihrem Mittelpunkt befestigt ist.

3. Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonator 2~> eine dünne in TE °_1U-Mode erregte Scheibe ist, die an ihrem Umfang gehalten wird.

4. Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Resonator aus einer in TE°,,-Mode erregten Säule besteht, die w an ihren Enden je eine Gehäuseplatte trägt, die den Resonator tragen.