DE2942971A1

DE2942971A1 - Vorrichtung zur feuchtemessung mit hilfe von mikrowellen

Info

Publication number: DE2942971A1
Application number: DE19792942971
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Wolfgang Hoppe; Wolfgang Dr.-Ing. 2105 Seevetal Meyer; Dr.rer.nat. Wolfram 2000 Norderstedt Schilz
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-10-24
Filing date: 1979-10-24
Publication date: 1981-05-07

Description

Vorrichtung zur Feuchtemessung mit Hilfe von Mikrowellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Feuchtemessung mit Hilfe von Mikrowellen, die durch zwei Oszillatoren mit zwei benachbarten Frequenzen erzeugt werden, von denen die eine im Meßraum eine H-Schwingung und die andere eine E-Schwingung erzeugt und die Anordnung derart getroffen ist, daß beim Einbringen des Meßobjektes die H-Schwingung und damit die ihr zugeordnete Frequenz konstant bleiben und sich die E-Schwinung und sich damit die ihr zugeordnete Frequenz ändert und daß eine Auswerteeinrichtung angeordnet ist, in der mindestens die Differenz zwischen den beiden genannten Frequenzen gemessen wird.
In der Literatur, z.B. A. Kraszewski : Microwave Instrumentation for Moisture Content Measurement; Journal of Microwave Power 8 (314) 1973, insb. auf den Seiten 332, 333 werden Möglichkeiten beschrieben, den absoluten Wassergehalt faden- oder folienförmiger Materialien in Mikrowellen-Resonatoren zu bestimmen. Meßresonator und Referenzresonator bilden jedoch zwei getrennte Einheiten, deren Resonanzfrequenzen über einen oder zwei externe Oszillatoren angeregt werden müssen. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß einerseits der Meß- und andererseits der Referenzresonator nur schwer auf gleicher Temreratur gehalten werden können, wodurch das Meßergebnis verfälscht wird. Darüber hinaus wird in der oben angegebenen Literaturstelle selbst darauf aufmerksam gemacht, daß sämtliche Resonatorverfahren zwar sehr empfindlich messen können, die hohen Anforderungen an die Oszillatorfrequenz unter industriellen Bedingungen aber kaum erfüllt werden können.
Die Temperaturabhängigkeit der Differenzfrequenz läßt sich weitgehend dadurch eliminieren, daß nur ein Hohlraum benutzt wird, in dem MeB- und Referenzschwingung gleichzeitig angeregt werden.
Eine solche Anordnung wurde von M.A. Rzepecka et al. beschrieben in: Modified Perturbation Method for Permittivity Measurements at Microwave Frequencies; Journal of Microwave Power 9 (4) 1974, insb. Seiten 321-323. Die Anordnung (Fig. 3) besteht dort aus einem zylindrischen Hohlraumresonator, in den die ebenfalls zylindrische Probe koaxial eingeführt wird und dadurch die Hohlraumresonanz der E020-Schwingung in der Frequenz verschiebt. Gleichzeitig läßt sich über zwei zusätzliche Schleifenkopplungen im selben Hohlraum die H011-Schwingung anregen. Die beiden Resonanzfrequenzen werden ausgekoppelt, auf einen Mischer gegeben, und die sich ausbildende Differenzfrequenz über eine Eichung dem absoluten Wassergehalt des Meßobjektes zugeordnet. Der Doppelmeßresonator wird von zwei externen Mikrowellenoszillatoren angeregt, die mittels zweier PLL-Schaltungen phasenstarr den Resonanzfrequenzen der E- und H-Welle nachgeführt werden. Abgesehen vom Aufwand, den diese Lösung erfordert, bleibt das Problem bestehen, auf einfache Weise die relative Feuchte des Meßgutes zu bestimmen, wie in der deutschen Patentanmeldung nach P 29 28 487.5 vorgeschlagen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, mit einer einfachen Vorrichtung die erforderliche Temperatur- und Frequenzstabilität zu erreichen, die benötigt wird, um im industriellen Bereich Messungen der absoluten und relativen Feuchte von faden- und Djlienförmigen Materialien durchzuführen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung nach der Erfindung der Meßraum frequenzbestim- mender Bestandteile beider Oszillatoren. Das Meßobjekt ist also derart im Probenraum angeordnet, daß es sich im elektrischen Feld nur einer Eigenschwingung befindet, wodurch sich deren Güte und Resonanzfrequenz erniedrigt, während die andere (Referenz-)Schwingung konstant bleibt. Hierdurch sind ein gedrängter Aufbau sowie die Temperaturkonstanz der Differenzfrequenz gewährleistet.
Zur einfachen Messung dieser Differenzfrequenz erfolgt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Auskopplung über zwei um 900 gegeneinander und um 900 zum jeweiligen H-Vektor angeordnete Auskoppelschleifen, die auch zu einer nunmehr um 450 zu den H-Vektoren verdrehten Auskoppelschleife zusammengefaßt werden können.
In weitererAusgestaltung der Erfindung sind die Einkopplungen für die Mikrowellenleistung senkrecht zueinander angeordnet, wodurch injection-locking weitgehend vermieden wird. Die Einkopplung erfolgt über Irisblenden im Falle üblicher Gunn-Oszillatoren oder über Schlitzblenden im Falle von Cut-Off-Oszillatoren. Die. letzteren liefern eine konstante Ausgangsleistung über breite Bänder der Frequenzverschiebung, wodurch in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die dichteunabhängige Feuchtemessung möglich wird. Da die Ausgangsleistung P1 nunmehr frequenzunabhängig eine monotone Funktion der belasteten Güte Q1 ist, steht neben der Differenzfrequenz der Leistungspegel der E-Schwingung als eine weitere Meßgröße zur Verfügung, die einen dichteunabhängigen Ausdruck A(y) zu berechnen gestattet, der nur eine Funktion der relativen Feuchte fiist: f1 (fo) Resonanzfrequenz des vollen (leeren) Resonators Q1 (QO) Güte des vollen (leeren)Resonators.
Es steht damit eine Vorrichtung zur Verfügung, mit der in einfacher Weise Messungen der relativen Feuchte im industriellen Prozeß möglich werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Ausführungsform des Mikrowellen-Doppeloszillators, Fig. 2 die Feldlinienbilder der Eigenschwingungen, Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein industrielles Feuchtemeßgerät und Fig. 4 eine Eichkurve mit Meßpunkten der gemessenen Feuchte.
In Fig. 1 ist der zylindrische Hohlraumresonator 1 gezeigt, der im Inneren eines kubischen Kupferblocks angeordnet ist.
ueber Schlitzblenden werden die rechteckigen Cut-Off-Hohlleiter mit Gunn-Dioden für die Erregungen der H011-Schwingung, wie bei 2 gezeigt, und die E012-Schwingung, wie bei 3 gezeigt, eingekoppelt.
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes, wie die aus dem Hohlraumresonator 1 gekoppelten Mikrowellenleistungen auf einen Mischer 4 gegeben werden. Die H011-Welle dient dabei zur Erzeugung der "örtlichen" Oszillator-Leistung, der sogen. local-oscillator = LO-Leistung, die E012-Welle wird auf den Signaleingang gegeben. Größe und Wert der Differenzfrequenz werden anschließend in einem Mikroprozessor 5 verarbeitet und die gemessene Feuchte als Endwert ausgegeben.
Wie die Modenbilder in Fig. 3 erkennen lassen, wird jeweils in die beiden senkrecht zueinander stehenden magnetischen H-Felder eingekoppelt und mit Schleifen ebenfalls den H-Feldern die Energie entnommen.
Bild 4 zeigt als Beispiel die gemessene Frequenzänderung der E012-Schwingung in Abhängigkeit von der Feuchte 4 eines Wollfadens.
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Claims

PATE.TTANSPRÜCHE: Vorrichtung zur Feuchtemessung mit Hilfe von Mikrowellen, die durch zwei Oszillatoren mit zwei benachbarten Frequenzen erzeugt werden, von denen die eine im Meßraum eine H-Schwingung und die andere eine E-Schwingung erzeugt und die Anordnung derart getroffen ist, daß beim Einbringen des Meßobjektes die H-Welle und die ihr zugeordnete Frequenz konstant bleiben und sich die E-Welle und sich damit die ihr zugeordnete Frequenz ändern und daß eine Auswerteeinrichtung angeordnet ist, in der mindestens die Differenz zwischen den beiden genannten Frequenzen gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßraum frequenzbestimmender Bestanclteil beider Oszillatoren ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung über zwei um 90° gegeneinander und um 900 zum jeweiligen H-Vektor angeordnete Auskoppelschleifen erfolgen oder über eine einzige um 450 zu den H-Vektoren verdrehten Auskoppelschleife.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungen für beide Mikrowellen senkrecht zueinander angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung über Irisblenden oder Schlitzblenden erfolgt
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gunn-Dioden in angeflanschten Cut-Off-Hohlleitern sitzen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Güte der E-Schwingung gemessen wird.