DE3915280C2 - Vorrichtung zur mikrowellen-transmissions- oder absorptionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Strahlungssystem ist in der DE 34 15 610 A1 (Fig. 5) dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Anlage zur Feuchtigkeitsbestimmung eines bahnförmigen Gegenstandes, der zwischen dem aus Sende- und Empfangshornantenne bestehenden Strahlungssystem durchgeführt wird. Die Absorption der Mikrowellenstrahlung ist hierbei ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt der durchgeführten Bahn.

Es ist allgemein bekannt, daß es verschiedene Möglichkeiten gibt, das technische Problem der Absorption von Schwingungen zu beherrschen, die auf grundsätzlich verschiedenen physikalischen Wirkungsweisen beruhen (Haddenhorst, H.-G.: Durchgang von elektromagnetischen Wellen durch inhomogene Schichten (Teil II: Absorption von elektromagnetischen Wellen). In: Zeitschrift für angewandte Physik, VIII. Band, Heft 6, 1956, S. 264 bis 267).

Eine Möglichkeit (entsprechend der gattungsgemäßen Vorrichtung) ist die Verwendung eines geeigneten Absorptionsmaterials, das durch Umsetzung der eintreffenden Wellenenergie in Wärme oder ähnliche Mechanismen eine zwar relativ breitbandige Dämpfungswirkung erzielt, jedoch nicht besonders wirksam ist (dies mag auch der Grund sein, weshalb bei der Ausführung gemäß Fig. 5 der gattungsgemäßen Anordnung außer dem Absorptionsbelag 18 noch die dort gezeigte Neigung dargestellt ist; offensichtlich ist erkannt, daß der Absorptionsbelag 18 nicht ausreicht, um Störstrahlungen in befriedigender Wesie zu eliminieren, so daß ein "Hinausreflektieren" der unerwünschten Strahlungskomponenten durch die geneigten Außenflächen erreicht wird, wie dies durch die gestrichelten Pfeile erkennbar wird).

Eine grundsätzliche andere Möglichkeit der Absorption von Strahlung besteht in der Schaffung eines auf den spezifischen Charakter der Strahlung abgestimmten Resonators bzw. Resonanzkreises; das physikalische Prinzip der Resonanzabsorption führt aber zu einer Schmalbandigkeit, die nur bei der Dämpfung entsprechend schmalbandig definierter Strahlung einen sinnvollen Einsatz erlaubt. Im anderen Falle kann man zwar versuchen, durch geeignete Kopplungen mehrerer Resonanzabsorber mit benachbarten Resonanzfrequenzen die Frequenzcharakteristik breitbandiger zu gestalten, dies führt jedoch zwangsläufig zu wesentlich höherem konstruktivem Aufwand.

Bei der obengenannten Veröffentlichung sind in den Abb. 2a bis 2e keilrippenförmige bzw. pyramidenförmige Ausschnitte aus Hohlleiterwänden erkennbar mit einer spezifisch gewählten Materialzusammensetzung einer rippenförmigen Absorberschicht. Eine derartige Konstruktion hat bei der dort vermittelten technischen Lehre jedoch den Sinn eines Mittelungseffektes, da die räumliche Lage des E- Vektors der einfallenden Welle als unbekannt angenommen wird. Die Strahlen treffen daher offenbar in statistischer Verteilung ihrer Richtung auf die dort vorgeschlagenen rippenförmigen oder pyramidenförmigen Strukturen auf.

Eine ähnliche Lösung zeigt die DE-AS 23 19 731; hierbei ist eine Antennenhaube mit einem "die elektromagnetischen Wellen absorbierenden Material" belegt, wobei ebenfalls zwischen der Unterlage und dem absorbierenden Material eine reflektierende metallische Schicht vorgesehen ist. Auch hier wird die aus der oben genannten Druckschrift bekannte technische Lehre benutzt, durch eine Vielzahl von kegel- oder pyramidenförmigen Körpern eine insgesamt optimale Absorption zu erzielen, wobei auch hier Graphit als Füllstoff eingesetzt werden soll. Zweck dieser Vorrichtung ist das Einfangen von Nutzstrahlung, das dort gezeigte Prinzip stellt also eine Anwendung oder Variante der grundsätzlichen Überlegungen in der obengenannten Veröffentlichung dar.

Bei der US-PS 4 381 510 steht ein anderes physikalisches Prinzip im Vordergrund, es soll nämlich ein Absorber geschaffen werden, mit dem die unter einem beliebigen Einfallswinkel einfallende Strahlungsenergie eingekoppelt und absorbiert wird und dabei diese Energie innerhalb der dort gebildeten hohlleiterähnlichen Gebilde gefangen wird, wodurch eine Reflexion wirksam verhindert werden soll. Auch hier wird von statistisch verteilten Einfallswinkeln der Strahlung ausgegangen, so daß die Formgestaltung der dort gezeigten Gebilde unter dem Kriterium einer optimalen mittleren Absorption erfolgen muß.

Schließlich zeigt die US-PS 36 68 196 ein Absorberelement, bei dem es um eine geschickte Wahl des Absorbermaterials geht; Zahl und Größe der dort angedeuteten konischen Abschnitte sind hierbei jedoch ohne Bedeutung, da diese lediglich zur Vergrößerung der Oberfläche des verwendeten energieabsorbierenden Belags dienen sollen. Es handelt sich hierbei also um einen Absorptionsbelag, dessen physikalische Wirkungsweise vergleichbar mit dem eingangs erwähnten Prinzip der Schwingungsdämpfung ist.

Im Gegensatz hierzu sind die äußeren Randbedingungen bei gattungsgemäßen Vorrichtungen insofern anders, als Sende- und Empfangsantenne relativ zum Absorberelement eine definierte Ausrichtung haben.

Bei Messungen mit einer gattungsgemäßen Anlage, die beispielsweise bei einem Förderband verwendet werden kann, das Schüttgut transportiert, treten naturgemäß auch gestreute und/oder an Umgebungsgegenständen reflektierte Mikrowellenkomponenten auf, die die Empfangs-Hornantenne erreichen und zu einer Verfälschung des Meßergebnisses führen. Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung sind daher die Gehäuse für die Anlage bzw. die für derartige unerwünschte Reflexion und Streustrahlung verantwortlichen Flächen gemäß einem der oben behandelten Prinzipien mit Absorptionsmaterial abgedeckt, die eine entsprechende Dämpfung der Mikrowellen-Streustrahlung bewirken sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung die Absorberelemente so auszugestalten, daß sie eine verbesserte Dämpfungswirkung aufweisen und in Anpassung an die bei der jeweiligen Meßanordnung gegebenen räumlichen und konstruktiven Gegebenheiten vielseitig einsetzbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit im wesentlichen darin, die einzelnen Absorberelemente hinsichtlich ihrer räumlichen Gestaltung an der erwarteten Streustrahlung zu orientieren; außer einer Erhöhung der Absorbtionswirkung hat die beanspruchte Ausgestaltung den Vorteil, daß sich bei vertikaler Anordnung praktisch keine Ablagerungen oder Schmutz auf den Seitenflächen des Absorbers bilden bzw. halten können.

Es vesteht sich von selbst, daß Materialwahl und Wahl des von den Absorber-Seitenflächen eingeschlossenen Winkels (α) in gewissen Grenzen derart ausgewählt werden muß, daß eine optimale Anpassung an die Strahlungscharakteristik des abzuschirmenden Strahlungssystems erreicht wird.

Solche Absorberelemente lassen sich einzeln oder in Kombination im von Streustrahlung besonders "gefährdeten" Umfeld der Hornantennen individuell mit geringem Aufwand plazieren und sind konstruktiv sehr einfach zu handhaben.

Da die Absorberelemente beispielsweise bei der oben erläuterten Transmissionsmessung zur Feuchtigkeitsbestimmung eine definierte Orientierung zu dem zu messenden Objekt (beispielsweise Förderband mit Schüttgut) haben, derart, daß ein großer Teil der Streustrahlung im wesentlichen parallel zur Mittelachse der Absorberelemente eintrifft, läßt sich die Einstrahlwinkel-Bedingung durch eine entsprechend "spitze" Gestaltung der Absorberelemente relativ leicht erfüllen, insbesondere dann, wenn bei der Verwendung von linear polarisierten Antennen, wie z. B. Rechteck-Hornantennen, die Absorberelemente entsprechend der Polarisationsebene des Strahlungssystems ausgerichtet werden. In diesem günstigsten Falle kann dann die auftreffende, polarisierte Strahlung praktisch vollständig vom Absorberelement aufgenommen werden.

Bei nicht oder in mehreren Polarisationsebenen abgestrahlter Strahlung kann eine gute Absorption beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Stirnseiten der Absorberelemente ebenfalls schräg nach außen verlaufende Stirnflächen aufweisen.

Dadurch, daß die dachförmig aufgebauten Absorberelemente derart ausgestaltet sind, daß die Dicke ihrer Seitenplatten mit dem Abstand von der Spitze zunimmt, so daß sie einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt aufweisen, trifft der durch das Absorberelement transmittierte Strahlungsanteil unter einem größeren Einfallswinkel auf die zweite, hintere Grenzfläche des Absorbers auf und wird dort stärker reflektiert.

Der zur vorderen Grenzschicht zurückreflektierte Anteil trifft ebenfalls unter steilerem Einfallswinkel und somit stärkerer Reflexion auf die vordere Grenzschicht auf.

Wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung diese Variante der Keilwinkel, d. h. der zwischen äußerer und innerer Grenzfläche eingeschlossene Winkel (γ) so gewählt, daß an der inneren Grenzfläche Totalreflexion auftritt, wenn der Einstrahlwinkel an der äußeren Grenzfläche dem Brewsterwinkel entspricht, so bewirkt diese, daß der mehrfach reflektierte Strahlungsanteil erst an der unteren Stirnfläche der keilförmigen Seitenflächen des Absorberelements das Absorberelementen verlassen kann, und folglich erheblich stärker bedämpft ist als nach nur einmaliger Durchstrahlung des Absorbers.

Eine wesentliche Verringerung des Keilwinkels kann erreicht werden, wenn an der inneren Grenzfläche, d. h. an der Innenseite der Seitenplatten, eine metallische Auflage aufgebracht ist und der Keilwinkel dann so gewählt ist, daß die von dieser metallischen Auflage gebildeten inneren Grenzfläche reflektierte Strahlung an der äußeren Grenzfläche totalreflektiert wird, wenn der Einstrahlwinkel an der äußeren Grenzfläche wiederum dem Brewsterwinkel entspricht.

In diesem Fall muß an der hinteren Grenzfläche die Bedingung für Totalreflexion (noch) nicht erfüllt sein, erst für den Anteil der Strahlung, der die vordere Grenzschicht (wieder) erreicht, muß der Einfallswinkel größer sein als der Grenzwinkel für Totalreflexion.

Bei diesen beschriebenen Ausführungsformen wirken die keilförmigen Seitenflächen der Absorberelemente sozusagen als "Strahlungsleiter", die die zu dämpfende Strahlung zur unteren Stirnseite der Seitenflächen "ableitet".

Bei einer weiteren Ausbildung ist folglich vorgesehen, diesen "Öffnungsquerschnitt" der Seitenplatten dadurch weiter zu bedämpfen, daß dort eine stark absorbierende, elektkrisch angepaßte Materialschicht angeordnet ist, die gegebenenfalls wiederum an ihrer Unterseite mit einer weiteren Metallplatte abgeschlossen sein kann.

Dadurch wird erreicht, daß für die Seitenplatten des Absorberelements auch verlustloses oder nur mit geringem Verlust behaftetes Material verwendet werden kann, was zu einer erheblichen Reduktion der Herstellungskosten führt. Im letzteren Fall, wenn ein zusätzlicher "Metallabschluß" vorgesehen wird, wird der dort anlangende Strahlungsanteil wieder in die Seitenflächen des Absorberelements zurückreflektiert, wo ein weiterer Teil der Strahlungsenergie absorbiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Konzeption läßt sich sehr flexibel auf Vorrichtungen auslegen und anpassen, wie dies in weiteren Unteransprüchen angegeben ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1-3 drei Ausführungsbeispiele eines Absorberelementes und

Fig. 4 und 5 zwei Anwendungsbeispiele mehrerer Absorberelemente bei einer Vorrichtung zur Transmissionsmessung.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele sind lediglich als Schnittdarstellung gezeigt, es handelt sich jedoch um rippenförmige Absorberelemente mit dachförmigem Querschnitt (wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt), wobei die äußeren Seitenflächen M einen Winkel α miteinander einschließen. Die symbolisch mit "R" dargestellte Streustrahlung trifft unter einem Einstrahlwinkel R auf die Seitenflächen M auf und wird dort in Abhängigkeit von ihrer Polarisationsebene und dem Wert des Einstrahlwinkels R mehr oder weniger stark absorbiert, wie dies oben erläutert ist. Das Material der Seitenteile sollte hierbei möglichst stark dämpfend sein.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind keilförmige Seitenplatten 11A, 11B vorgesehen, d. h., ihre innere Grenzfläche L und die äußere Seitenfläche M bilden einen Keilwinkel γ.

Bei einer entsprechenden Wahl des Einstrahlwinkels R und des Keilwinkels γ läßt sich wie in Fig. 1 dargestellt erreichen, daß eine parallel zur Achse X-X einfallende Strahlungskomponente R in der Seitenplatte "gefangen" wird, dadurch, daß jeweils die Reflexionsbedingungen erfüllt werden. Solche Strahlungskomponenten können demnach die Seitenplatte erst durch deren untere Stirnseite verlassen, was in unterbrochener Linie dargestellt ist. Demzufolge sind dort Absorberflächen 13A, 13B angeordnet, die dem ohnehin schon bei seinem Durchgang durch die Seitenplatten stark bedämpften Strahlungsanteil weitere Strahlungsenergie entziehen. Bei genügend starker Absorptionswirkung der Abschlußelemente 13A, 13B kann hierbei bei geeigneten Anwendungsfällen als Material für die Seitenplatten 11A, 11B weniger stark absorbierendes Material eingesetzt werden.

Letztlich führt der lange Strahlungsweg einerseits in Verbindung mit entsprechend gewähltem Eiinstrahlwinkel R und Keilwinkel γ zu einer sehr starken Bedämpfung.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das unter Fig. 1 erläuterte Prinzip noch dahingehend erweitert worden, daß die innere Grenzfläche L durch eine metallische Auflage 22C, 22D gebildet wird, so daß an dieser inneren Grenzfläche, unabhängig vom Einstrahlwinkel R immer Totalreflexion auftritt.

Als weitere Variante ist das untere Absorberelement 23A, 23B nach unten mit einer weiteren Metallauflage 52A, 52B abgeschlossen, so daß der bereits bedämpfte Strahl das Absorberelement 12 an dieser Stelle ebenfalls nicht verlassen kann und wieder in die Seitenplatten 12A, 12B zurückreflektiert wird, wo eine weitere Bedämpfung stattfinden kann.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Variante dargestellt, die sich durch besonders konstruktive Einfachheit auszeichnet, hier sind die beiden Seitenplatten sozusagen zusammengeführt zu einer einzigen keilförmigen Platte, die nach unten mit einer Absorberschicht 33A abgeschlossen ist, so daß auch hier der mehrfach reflektierte Anteil der Streustrahlung dort letztlich abschließend bedämpft wird, bevor er das Absorberelement 13 verlassen kann.

Es versteht sich von selbst, daß die geschilderten Ausführungsbeispiele nur exemplarischer Natur sind, es lassen sich insbesondere je nach Anwendungsfall auch Mischformen oder geeignete Kommbinationen dieser Varianten bilden, um das Absorptionsvermögen in Anpassung an die jeweils auftretende Streustrahlung und deren Polarisationseigenschaften zu optimieren.

In den Fig. 4 und 5 sind zwei Ausführungsbeispiele zur Anwendung solcher Absorberelementee dargestellt; hierbei wird von einer Anordnung zur Transmissionsmessung ausgegangen, wie sie im Prinzip aus der vorgenannten DE-OS 34 15 610 bekannt sind, so daß auf eine detaillierte Erläuterung einer solchen Anlage hier verzichtet werden kann.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel werden Absorberelemente 13 entsprechend Fig. 3 in zwei Ebenen beidseitig der Hornantenne 60 übereinander angeordnet, derart, daß die Projektion der Absorberelemente 13 auf die Ebene senkrecht zur Hauptstrahlrichtung diese vollständig überdecken. Hierdurch wird erreicht, daß einerseits eine optimale Absorptionswirkung gegeben ist, daß aber andererseits eventuell von der durchgeführten Materialbahn 61 herabfallendes Meßgut, wie beispielsweise Schüttgut 61A, durch die Anordnung der Absorberelemente 13 hindurchfallen kann und somit nicht zu einer Verschmutzung und Beeinträchtigung der Absorberwirkung führt.

Die Hornantenne 60 ist so ausgerichtet, daß die E-Komponente ihrer elektromagnetischen Strahlung senkrecht zur Längsachse der Absorberelemente 13 verläuft, was durch den Vektor E des elektrischen Feldes in Fig. 4 angedeutet ist.

Die Anordnung der Absorberelemente 13 läßt sich leicht modular aufbauen und an geeigneten Gestellen oder Halterungen neben der Hornantenne plazieren.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Absorberelement 12 eingesetzt, das im wesentlichen dem in Fig. 1 oder 2 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Die keilförmige Gestaltung ist im Bereich der Hornantenne 60 derart modifiziert, daß eine Aussparung 12A verbleibt, in deren Bereich die Hornantenne 60 plaziert wird.

Bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 ist die Zuführrichtung der Materialbahn 61 mit dem auszumessenden Gut 61A nur beispielhaft dargestellt; auf die Orientierung dieser Bahn relativ zu den Absorberelementen kommt es nicht an.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Mikrowellen-Transmissions- oder Absorptionsmessung mit einem aus Sende- und Empfangshornantenne bestehenden Sende- und Empfangssystem, bei der Sendeantenne und Empfangsantenne einander gegenüber und das auszumessende Medium, beispielsweise eine Materialschicht, zwischen diesen angeordnet ist, und mit Absorberelementen zur Reduzierung elektromagnetischer Streustrahlung, deren Oberfläche zumindest teilweise nichtorthogonal zur Hauptstrahlrichtung des Strahlungssystems angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberelemente (11, 12, 13) im wesentlichen rippenförmig mit keilförmig angeordneten äußeren Seitenflächen (M) ausgebildet sind, wobei der von den äußeren Seitenflächen (M) eingeschlossene Winkel (α) unterhalb von 90° liegt und derart gewählt ist, daß der Einstrahlwinkel (R) etwa dem Brewsterwinkel entspricht, so daß die entsprechende Polarisationskomponente der Streustrahlung (R) vollständig absorbiert wird, daß die äußeren Seitenflächen aus der Außenseite zweier Seitenplatten (11A, 11B/12A, 12B) aus verlustarmem Material gebildet sind, wobei die Dicke dieser Seitenplatten mit dem Abstand von der Spitze (S) zunimmt, so daß die Seitenplatten einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt mit einem eingeschlossenen Keilwinkel (γ) aufweisen, und daß die Seitenplatten an ihrer unteren Stirnseite eine stark absorbierende, elektrisch angepaßte Materialschicht (13A, 13B/23A, 23B/33A) aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel (γ) so gewählt ist, daß an der inneren Grenzfläche (L) Totalreflexion auftritt, wenn der Einstrahlwinkel (R) an der äußeren Seitenfläche (M) dem Brewsterwinkel entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenplatten (12A, 12B) an ihrer Innenseite eine metallische Auflage (22C, 22D) aufweisen und daß der Keilwinkel (γ) so gewählt ist, daß die von dieser durch die metallische Auflage (22C, 22D) gebildeten inneren Grenzfläche (L) reflektierte Strahlung an der äußeren Seitenfläche (M) totalreflektiert wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Stirnseite der Seitenplatten (22A, 22B) mit einer Metallplatte (52) abgeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, im wesentlichen parallel zur Materialschicht (61) und parallel zueinander ausgerichtete Absorberelemente (13) hinter der Öffnungsebene der Hornantenne (60) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Absorberelemente (13) in mindestens zwei Ebenen derart höhenversetzt zueinander angeordnet sind, daß sie in ihrer Projektion auf die Ebene orthogonal zur Hauptstrahlrichtung diese vollständig überdecken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Absorberelemente (11, 12, 13) sich beidseitig einer der Hornantennen (60) parallel zur Materialbahn (61) erstreckt und eine Aussparung (12A) im Bereich oberhalb der Öffnung der Hornantenne (60) aufweist.