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Feuchtigkeitsfühler
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Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitsfühler nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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t:in besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Feuchtigkeitsmessung
in Heu, Stroh, Getreidekörnern und ähnlichen landwirtschaftlichen Materialien.
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Es ist bereits bekannt, die Dämpfung von Mikrowellen energie als
Maß für den Feuchtigkeitsgehalt von Materialien zu verwenden. In der GP-PS 1 354
474 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Materialien
beschrieben, insbesondere zur Bestimmung ihres Feuchtigkeitsgehalts, wobei die Einrichtung
einen mikrowellen-Streifenleiter aufweist, der sich in einer Umhüllung befindet,
durch welche Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen ist, hindurchgeführt
wird. Dieser Streifenleiter kann beispielsweise aus einem geradlinigen Drahtstück
bestehen, das sandwichartig zwischen zwei mit gegenseitigem Abstand verlaufenden
Masseebenen liegt.
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Ein bei der Messung der Feuchtigkeit einiger Materialien auftretendes
Problem liegt in der Anisotropie dieser
Materialien. Dies ist insbesondere
bei landwirtschaftlichen Materialien mit faseriger Struktur der Fall, beispielsweise
bei Heu oder Stroh sowie auch bei Korn und anderen Materialien.
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Es läßt sich zeigen, daß die Dämpfung in einer geradlinigen Ubertragungsleitung
bei einem gegebenen Feuchtigkeitsgehalt in Abhängigkeit von der relativen Orientierung
des Streifenleiters und der Orientierung des zu messenden Materials um bis zum Drei-
oder Vierfachen Schwanken kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Feuchtigkeitsfühler
zu schaffen, bei welchem eine Anisotropie des zu messenden Materials die Meßgenauigkeit
nicht beeinträchtigt.
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Diese Aufgabe wird bei einem Feuchtigkeitsfühler der in Rede stehenden
Gattung gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebende
Anordnung gelöst.
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Demgemäß verläuft die Übertragungsleitung entlang eines nichtgeradlinigen
Pfades, dessen im wesentlichen gleiche Distanzelemente in einer Vielzahl verschiedener
Richtungen verlaufen und alle mit gleichen Winkelabständen über einem Bogenquadranten
angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist der genannte Leitungspfad gekrümmt und verläuft
über einen oder mehrere Quadranten, wobei es zweckmäßig sein kann, die Anordnung
so zu treffen, daß der Leitungspfad mäanderförmig verläuft und sich aus einer Mehrzahl
aufeinanderfolgender Abschnitte zusammensetzt, die jeweils die Form eines Kreisbogenquadranten
haben. Dabei können diese Bogenquadranten alle einen gleichen Radius haben, was
aber nicht wesentlich ist. Jedoch sollten diese Bogenradien so groß sein, daß sie
nicht mit der Wellenlänge der Mikrowellenenergie in der Leitung vergleichbar sind.
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Es können alternativ nur ein einziger Leitungspfad vorgesehen oder
eine Mehrzahl paralleler Leitungspfade gebildet sein.
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Zur Ausführung der Erfindung kann als Ubertragungsleitung eine Schlitzleitung
verwendet werden. Eine Schlitzleitung ist besonders geeignet, da sie zweckmäßig
als leitende Schicht ausgeführt werden kann, die als auf einem dielektrischen Substrat
befindliche Masseebene ausgebildet sein kann. Die Schlitzleitung wird dabei durch
Entfernen der leitenden Schicht entlang eines streifenförmigen Pfades gebildet,
beispielsweise durch Ätzen. Die Mittel zum Ankoppeln und Abkoppeln der Mikrowellenenergie
auf die bzw.
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von der Streifenleitung weisen vorzugsweise Leiterstreifen auf, die
auf der anderen Seite des dielektrischen Substrats verlaufen. Die Kopplung zwischen
dem Leiterstreifen und der Streifenleitung erfolgt mittels überlappender, orthogonaler
Viertelwellenblindleitungen.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindung wird nachstehend unter bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Schlitzleitung nach der Erfindung, Fig. 2 einen
vergrößerten Schnitt in der Ebene Il-Il in Fig. 1, Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt
in der Ebene 1II-III in Fig. 1, Fig. 4 in perspektivischer Ansicht die unterseite
der in Fig. 1 gezeigten Streifenleiteranordnung, und
Fig. 5 einen
FeuchtigkeitsEül1ler mit der Schlitzleitungsanordnung nach Fig. 1.
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Gemäß aen Figuren 1, 2 und 3 weist der wirksame Teil eines Feuchtigkeitsfühlers
eine bchlitzleitung in Form eines dielektrischen Substrats 1 mit einer auf dessen
einer Seite aufgebrachten leitenden Schicht 2 auf, die als Masseebene dient. In
dieser leitenden Schicht sind zwei mäanderförmige Pfade 3 und 4 durch Entfernen
aes leitenden Schichtmaterials mittels Ätzen oder einer anderen geeigneten Methode
gebildet. Diese beiden Pfade 3 und 4 verlaufen elektrisch parallel zueinander und
gehen von einem gemeinsamen Eingangsabschnitt 5 aus und endigen in einem gemeinsamen
Ausgangsabschnitt (>. Der Eingangsabschnitt 5 und der Ausgangsabschnitt 6 verlaufen
jeweils geradlinig. Jeder der beiden Pfade 3 und 4 der Schlitzleitung setzt sich
aus einer Reihe von Kreisbogenquadranten zusammen. Dabei brauchen nicht alle Quadranten
den gleichen Radius zu haben, jedoch ist der Radius jedes einzelnen Kreisbogenquadranten
konstant.
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Die Mikrowellenenergie wird auf den Eingangsabschnitt 5 angekoppelt
und aus dem Ausgangsabschnitt 6 ausgekoppelt.
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Diese Kopplungen erfolgen über Mikrostreifen 7 und 8, bei welchen
es sich um Leiterstreifen handelt, die auf die Unterseite des dielektrischen Substrats
1 der Streifenleiteranordnung aufgebracht sind. Diese Streifen sind aus Fig. 4 deutlicher
ersichtlich. Der Eingangsmikrostreifen 7 und der Ausgangsmikrostreifen 8 verlaufen
jeweils rechtwinklig zum Eingangs- bzw. Ausgangsabschnitt 5 bzw. 6 der Streifenleitung,
und sowohl die Eingangs- und Ausgangsabschnitte 5 und 6 der Streifenleitung als
auch die Mikrostreifen 7 und 8 haben jeweils eine über ihren Kreuzungspunkt hinausragende
Verlängerung in Form einer Viertelwellenblindleitung. Da
die Wellenlänge
bei einer gegebenen Frequenz in einer Schlitzleitung und in einer Streifenleitung
etwas voneinander verschieden sind, sind auch die Blindleitungslängen der Streifenleitungen
und der Schlitzleitung trotz Abstimmung auf die gleiche Frequenz etwas voneinander
verschieden.
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Beispielsweise bei einer Frequenz von 10 GHz beträgt die Wellenlänge
sm in einer Streifenleitung 15,6 mm, während die Wellenlänge ss in einer Schlitzleitung
bei einem kupferbeschichteten Substrat aus Glasfaserlaminat einer bestimmten Dicke
19,4 mm beträgt.
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Auf den Streifenleiter 7 wird die Energie über einen Gunn-Diodenoszillator
9 und einen Isolator 10 angekuppelt.
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Das Ausgangssignal vom Streifenleiter 8 wird von einem Kristalldedektor
11 aufgenommen. Die Zufuhr des elektrischen Stroms zur Gunn-Diode 9 und die Abnahme
des abgetasteten Signals vom Detektor 11 erfolgen über nicht dargestellte freie
Zu- und Ableitungen. Die Funktion des Isolators 10 besteht im Schutz des Oszillators
9 vor Beschädigungen durch Energie, die zum Oszilator 9 zurückreflektiert werden
kann.
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Jedoch wird die reflektierte Energie durch bestmögliche Anpassung
der Wellenwiderstände der Streifenleiter an denjenigen der Schlitzleitung verringert.
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Im Gebrauch des Feuchtigkeitsfühlers läßt man das Material, dessen
Feuchtigkeit zu messen ist, über die Schicht 2 auf dem Substrat~1 fließen, welche
die Schlitzleitung aufweist, also über die in Fig. 1 in der Draufsicht sichtbare
Oberfläche der leitenden Schicht 2. Ein Beispiel eines solchen Feuchtigkeitsfühlers
ist in Fig. 5 dargestellt. Eine geneigt verlaufende Metallrinne 20 dient zur Führung
von Korn oder anderen Material, dessen Feuchtigkeitsgehalt zu messen ist, und diese
Rinne weist einen Längenabschnitt auf, der durch isolierende Seitenwände 21 und
22 und einen Boden 23 begrenzt ist, welch letzterer
durch einen
Teil der Schicht 2 der Schlitzleitungsanordnung gebildet ist oder in unmittelbarer
Nähe dazu verläuft. Zur Verbesserung der Fließeigenschaften kann die Oberfläche
der Schicht 2 mit einem dünnen Kunststoffüberzug bedeckt sein. Die Mittellinie 24
der Schlitzleitungsanordnung ist in Fig. 5 strichpunktiert angedeutet. Das Substrat
1 bildet die Deckwand eines Metallkasten 27, der die Streifenleitung Komponenten
enthält und als elektromagnetische Abschirmung dient.
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Bemerkenswert ist, daß die Enden der Schlitzleitung außerhalb der
Rinne 20 liegen, so daß die Wände der Rinne keine störenden Auswirkungen auf die
rechtwinkligen Kopplungskreuzungspunkte zwischen den Mikrostreifen und der Schlitzleitung
im Bereich von deren Endabschnitten 5 und 6 haben. Die Metallrinne 20 kann erforderlichenfalls
über den Kasten 27 hinaus verlängert werden.
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Im Betrieb wird die Eingangsmikrowellenenergie zweckmäßigerweise
mittels einer rechteckwellenmodulierten Gleichspannung an die Gunn-Diode 9 angelegt.
Obwohl die Modulation mit irgendeiner geeigneten Frequenz erfolgen kann, erscheint
eine Frequenz im Audiobereich zweckmäßig.
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Das zu messende Material tritt in das dielektrische Feld ein, das
im Bereich der von den beiden Pfaden 3 und 4 gebildeten Schlitzleitungsanordnung
verläuft, und dämpft die Mikrowellenenergie um ein Maß, das vom Feuchtigkeitsgehalt
des Materials, beispielsweise von Getreidekörnern, abhängt. Diese Abschwächung erscheint
als Verringerung des Ausgangssignals am Kristalldetektor 11 und kann gemessen werden.
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Ein Vorteil des dargestellten Ausführungsbeispiels liegt darin, daß
die Mikrowellenenergie nicht auf das und von dem Substrat 1 an- und abgekoppelt
wird. Die
einzigen Eingangs- und Ausgangsverbindungen sind elektrische
Leitungen zur Zufuhr des elektrischen Stromes zur Gunn-Diode 9 und zum Abnehmen
des abgetasteten Signals vom Kristalldetektor 11.
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