DE3941032A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des wassergehalts in beliebigen materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrich­ tung zur Messung des Wassergehalts in verschiedenen Ma­ terialien und insbesondere in Feststoffen.

Die Messung des Volumanteils von Wasser in verschiedenen Stoffen und Gegenständen stellt nach wie vor ein nicht ganz gelöstes Problem dar.

Die Feuchtigkeit von Erdreich bzw. landwirtschaftlichen Bodenproben wird beispielsweise nach verschiedenen Verfahren ermittelt, wobei jedoch auch die geeignetsten Verfahren wesentliche Nachteile aufwei­ sen, die ihren Anwendungsbereich begrenzen. Beim zumeist angewandten Verfahren werden beispielsweise Fühler in Form von Gipskörpern angewandt, deren Feuchtigkeitsgehalt sich mit der Umgebung ausgleicht, wodurch wiederum die thermi­ sche Leitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit ge­ ändert werden, also Parameter, die elektrisch meßbar sind. Nachteile dieser Verfahren sind die hohe Zeitkonstante, die geringe chemische Widerstandsfähigkeit der Probekörper und die damit zusammenhängende Alterung und vor allem die Wechselwirkung mit einem beschränkten Volumelement des zu prüfenden Materials in der nächsten Umgebung, das für die meisten räumlich nicht homogenen Meßobjekte nicht genügend repräsentativ ist.

Ein weiteres, oft angewandtes Verfahren ist das kapazitive Meßverfahren. Als Meßfühler dient ein offener elektrischer Kondensator, meist in Form von zwei coplanaren Kreisrin­ gen, die durch ein Isoliermittel getrennt sind, dessen elektrisches Feld das gemessene Material durchdringt. Da Wasser eine hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, verur­ sacht ein Wassergehalt im Material eine Änderung der Kapa­ zität des Kondensators, die elektrisch meßbar ist. Dieses Verfahren weist einige der erwähnten Nachteile nicht auf, jedoch besteht eine wesentliche Einschränkung im Durch­ griff des elektrischen Feldes in die Tiefe des geprüften Materials. Eine Erhöhung der Feuchtigkeit des Materials führt ferner meist nicht nur zu einer Erhöhung der Dielek­ trizitätskonstante, sondern auch zu einer signifikanten Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit mit dem Ergebnis, daß das elektrische Feld im leitfähigen Material eine nur sehr kleine Intensität besitzt und auf die Grenzschicht zwischen dem Meßfühler und dem geprüften Material in einer Isolierschicht konzentriert, welche die Kondensatorelek­ troden von der geprüften Umgebung trennt. Prinzipiell ist deshalb die Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Meßanordnung ebenfalls nur gering, wobei noch die Schwierigkeit hinzu kommt, daß das gemessene Volumen des Materials nicht not­ wendig repräsentativ ist.

Andere Verfahren, z. B. die Messung der kernmagnetischen Resonanz, oder Verfahren der radioaktiven Durchstrahlung, sind sehr kostspielig, für die übliche technische Praxis zu kompliziert und im übrigen wegen der strengen Sicher­ heitsvorschriften nur für besondere Anwendungsbereiche ge­ eignet.

Eine weitere Gruppe von Verfahren zur Bestimmung des Was­ sergehalts bilden Verfahren, bei denen elektromagnetische Wellen, meist im Mikrowellenbereich, angewandt werden. Hierzu gehören die reflektometrischen Verfahren sowie die Durchstrahlungsverfahren. Bei reflektometrischen Verfahren wird der komplexe Reflexionskoeffizient der elektroma­ gnetischen Wellen gemessen. Aus diesem gemessenen Parameter können elektromagnetische Parameter der Umgebung berechnet werden, an deren Grenzfläche es zu einer Reflexion kommt; daraus wird dann die relative Volumenzusammensetzung die­ ser Umgebung abgeleitet. Dabei wird entweder die Reflexion direkt an der Grenze zum geprüften Material ausgenützt (vgl. GB 21 94 340 A; SU 13 63 036 A; DE 33 17 215 A) oder die Reflexion an einem Element, z. B. an einer Antenne, die im geprüften Material angeordnet ist (DE 33 17 200 A; DE 33 17 215 A).

Reflektometrische Verfahren haben eine Reihe von Nach­ teilen. Die Korrelation zwischen einem Bezugsmaterial und dem geprüften Material ist kompliziert, und es ist nicht möglich, das Ausgangssignal eines einfachen Mikrowellen- Reflektometers direkt mit Werten der gesuchten Größe, also der relativen Volumenzusammensetzung des geprüften Ma­ terials, zu korrelieren und entsprechend zu eichen. Ein Reflektometer stellt ferner allgemein eine teure, kon­ struktiv aufwendige und schwierig zu bedienende Anordnung dar, die entsprechend eine geschulte Bedienung erfordert. Der gemessene Reflexionskoeffizient liefert ferner ledig­ lich eine Information über die Eigenschaften einer ebenen Trennfläche zwischen dem bekannten und dem gemessenen Milieu in einer Tiefe, die von der Wellenlänge abhängig ist. Eine geringe Unebenheit, Rauhigkeit, Riefung u. dgl. dieser Trennfläche verändert die Wellenlängencharak­ teristik und führt damit zu einer vollständigen Entwertung dieser Verfahrensweise. So ist z. B. wegen der Ungleichmä­ ßigkeit und Rauhigkeit der Erdoberfläche und des darauf vorhandenen Bewuchses keine Messung der Feuchtigkeit von landwirtschaftlichen Bodenproben mittels eines reflek­ tometrischen Distanzverfahrens möglich.

Bei Durchstrahlungsverfahren werden andererseits eine elektromagnetische Strahlungsquelle mit einer Sendeantenne sowie ein Empfänger mit einer Empfangsantenne und eine Auswerteeinrichtung herangezogen. Das elektromagnetische Signal pflanzt sich durch das geprüfte Medium zwischen der Sende- und der Empfangsantenne fort. Dabei wird entweder die Dämpfung dieses Signals (DE 33 39 602 A; SU 11 95 231 A; SU 13 77 690 A) oder die Phasenverschie­ bung gemessen (EP 2 17 111 A; SU 11 49 149 A; SU 11 91 795 A). Ein Hauptnachteil dieser Durchstrahlungsverfahren liegt in der Streuung der ausgestrahlten Energie, die den Abmessungen der Apertur der Sendeantenne umgekehrt proportional ist. Diese Streuung verursacht eine Reihe von Reflexionen in der Umgebung sowie falsche Signale, die von der Empfangsantenne aufgenommen werden. Im Hinblick darauf ist es vorteilhafter, die Wechselwirkung des elek­ tromagnetischen Signals mit dem gemessenen Material direkt im Innenraum einer entsprechenden elektrischen Leitung auszunützen (CS 2 29 723 A; US 44 23 623 A).

Diese Verfahren haben den Nachteil, daß der innere Wech­ selwirkungsraum der Leitung mit dem geprüften Material ge­ füllt sein muß, was bedeutet, daß dieses Material bewegt oder in Form von Proben abgenommen werden muß.

Das sog. Radiolokationsverfahren (SU 12 45 963 A) weist ferner die gleichen Nachteile wie die Durchstrahlungsver­ fahren und die reflektometrischen Verfahren aus.

Bei allen diesen Verfahren wird gefordert, daß die Wellen­ länge mit Rücksicht auf die beschränkten Abmessungen der Antennenapertur kurz sein muß. Damit fällt die praktische Anwendbarkeit dieser Methoden zumeist in den Mikrowellen­ bereich. Erzeugung, Empfang und Auswertung elektromagneti­ scher Signale werden andererseits mit kürzer werdender Wellenlänge komplizierter, teurer und gegenüber äußeren Einflüssen empfindlicher, beispielsweise gegenüber Korro­ sion der wellenleitenden Flächen. Bei der Messung der Feuchtigkeit von Materialien aufgrund der Änderung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflanzung sind andererseits zu kurze Wellenlängen des Signals unvorteilhaft, da der Wert des reellen Anteils der Dielektrizitätskonstante des Wassers für Wellenlängen unterhalb 10 cm sehr stark ab­ fällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Wassergehalts belie­ biger Materialien und insbesondere von Feststoffen anzuge­ ben, bei denen die oben erläuterten Nachteile des Stands der Technik nicht auftreten und die eine Bestimmung des Wassergehalts bei wählbarer Entfernung von der Oberfläche des Meßobjekts und wählbarer Größe des gemessenen Volumens erlauben, so daß keine Repräsentativitätsprobleme auftre­ ten.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Die abhängigen An­ sprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Er­ findungskonzeption.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß man durch das gemessene Material ein elektromagnetisches Feld eines elektromagnetischen Signals hindurchdringen läßt, das entlang einer offenen elektromagnetischen Leitung ge­ führt wird, die im gemessenen Material angeordnet wird. Dabei wird die Änderung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflanzung dieses elektromagnetischen Signals entlang der offenen elektromagnetischen Leitung gemessen, die durch Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes mit dem geprüften Material hervorgerufen wird. Aus der Ände­ rung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflazung des elektrischen Signals wird der Volumenanteil an Wasser im geprüften Material ermittelt.

Wenn diese Änderung der Phasengeschwindigkeit der Fort­ pflanzung des elektromagnetischen Signals mindestens in zwei unterschiedlichen Frequenzbändern gemessen wird, kann nicht nur der relative Wassergehalt des Materials ermit­ telt, sondern auch die Dichte des festen oder als Schütt­ gut vorliegenden Materials bestimmt werden. Diese Auswer­ tung beruht auf der im Rahmen der Erfindung festgestellten unterschiedlichen Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit der Fortpflanzung des elektromagnetischen Signals entlang der offenen elektromagnetischen Leitung einerseits in der flüssigen und andererseits in der festen bzw. als Schütt­ gut vorliegenden Komponente des Materials.

Das Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens umfaßt folgende Komponenten:

Einen Signalgenerator, der elektrische Signale erzeugt, eine offene elektromagnetische Meßleitung, deren Eingang elektrisch an den Ausgang des Signalgenerators ange­ schlossen ist und die innerhalb des zu vermessenden Ma­ terials angeordnet und mit diesem in elektromagnetische Kopplung gebracht werden kann, sowie einen Meßblock, des­ sen Signaleingang mit dem Ausgang der elektromagnetischen Meßleitung und dessen Referenzeingang mit dem Ausgang des Signalgenerators elektrisch verbunden sind.

Die Konzeption dieser Vorrichtung besteht entsprechend darin, daß mit Hilfe des Meßblocks die Phasendifferenz der elektrischen Signale ermittelt wird. Die gesamte Meßlei­ tung oder zumindest der überwiegende Teil davon befindet sich im Meßfall innerhalb des geprüften Materials und ist mit diesem in elektromagnetischer Kopplung. Da der Signal­ generator auch direkt mit dem Referenzeingang des Meß­ blocks verbunden ist, kann entsprechend die Phasendiffe­ renz ermittelt werden, wobei der Ausgang des Signalgene­ rators entweder direkt oder über eine geschlossene elek­ tromagnetische Referenzleitung, die keine elektromagne­ tische Kopplung mit dem geprüften Material besitzt und deren Innenraum mit einem Referenzmaterial gefüllt ist, mit dem Referenzeingang des Meßblocks verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine konti­ nuierliche Messung des augenblicklichen Volumenanteils an Feuchtigkeit des gemessenen Materials, d. h. des Wasser­ gehalts des Materials, für beliebige Materialien, wobei auch eine Anzeige oder andere Datenausgänge für die entsprechenden Meßwerte vorgesehen sein können. Dabei sind die Größe des gemessenen Volumens sowie die Entfernung von der Oberfläche derart wählbar, daß das gemessene Volumen für das Gesamtobjekt genügend repräsentativ ist. Das elek­ tromagnetische Signal kann über eine Leitung in beliebiger Richtung in einem Wechselwirkungsraum beliebiger Form und Größe angeordnet werden, der mit dem geprüften Material gefüllt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach aufgebaut, billig herstellbar, leicht transportabel, weist eine hohe Meßgenauigkeit auf und erfordert keine besondere Schulung des Bedienungspersonals. Der elektrische Ausgang kann fer­ ner auch an ein System zur automatischen Messung und/oder Regelung angeschlossen werden.

Die elektromagnetischen Wellen, die sich entlang der offe­ nen elektromagnetischen Leitung fortpflanzen, wechselwir­ ken über ihr Feld mit einem weiten Raum in der Umgebung. Die Phasenverschiebung gegenüber dem Referenzsignal, das dem Meßblock zur Messung des Phasenunterschiedes zugeführt wird, hängt in eindeutiger und signifikanter Weise vom Feuchtigkeitsgehalt dieses Raums ab. Der Einfluß der Dich­ te und der chemischen Zusammensetzung ist ferner gering, da die Dielektrizitätskonstante der entsprechenden Trockensubstanzen im Vergleich zur Dielektrizitätskonstan­ te des Wassers generell klein ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auch für eine bestimmte Dichte und auch für eine bestimmte chemische Zusammensetzung und Struktur der Trockensubstanz geeicht werden.

Eine meßtechnische Trennung der volumenbezogenen Feuch­ tigkeit von anderen Parametern, z. B. der Dichte, kann so vorgenommen werden, daß die Messung wenigstens in zwei Frequenzbändern des elektrischen Signals vorgenommen wird, von denen eines vorteilhaft im Bereich der Molekül­ absorption des Wassers, d. h. um 18 GHz, gewählt wird. Für übliche Messungen ist es ferner vorteilhaft, das elektromagnetische Signal als Impulssignal aus wieder­ kehrenden Impulsen einer Impulsdauer von mehreren Nano­ sekunden bis mehreren Zehn Nanosekunden anzuwenden, vorteilhaft im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 ns.

Eine erhöhte Leitfähigkeit des geprüften Materials beein­ flußt ferner die Messung der Phasenverschiebung nicht, da sich der überwiegende Teil der elektomagnetischen Welle, die sich entlang der elektromagnetischen Leitung fort­ pflanzt, im gemessenen Material befindet und ihre Dämpfung durch Verstärkung im Meßblock, der den Phasenunterschied ermittelt, kompensiert wird.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird im folgenden an­ hand von Beispielen verschiedener erfindungsgemäßer Vor­ richtungen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläu­ tert.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Messung des Wassergehalts beliebiger Materialien weist einen Signal­ generator 1 auf, der elektrische Signale erzeugt und des­ sen Ausgang 11 elektrisch einerseits an den Eingang einer offenen elektromagnetischen Leitung 3 und andererseits an den Referenzeingang 22 eines Meßblocks 2 angeschlossen ist. Der Ausgang der offenen elektromagnetischen Meßlei­ tung 3 ist andererseits elektrisch mit dem Signaleingang 21 des Meßblocks verbunden. Die offene elektromagnetische Meßleitung 3 befindet sich im geprüften, zu messenden Ma­ terial 4.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls einen Signalgenerator 1 auf, der elek­ trische Signale erzeugt und dessen Ausgang 11 elektrisch sowohl mit dem Eingang einer offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 als auch mit dem Eingang einer geschlossenen elektromagnetischen Referenzleitung 5 verbunden ist. Der Ausgang der offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 ist elektrisch mit dem Signaleingang 21 eines Meßblocks 2 verbunden, während der Ausgang der geschlossenen elektromagnetischen Referenzleitung 5 elektrisch an den Referenzeingang 22 des Meßblocks 2 angeschlossen ist. Die offene elektromagnetische Meßleitung 3 ist wiederum im geprüften Material 4 angeordnet.

Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls einen Signalgenerator 1 auf, der elek­ trische Signale erzeugt und dessen Ausgang 11 elektrisch mit dem Primäreingang 61 einer Richtungskopplungsab­ zweigung 6 verbunden ist. Der Primärausgang 62 der Rich­ tungskopplungsabzweigung 6 ist elektrisch an den Eingang einer offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 angeschlos­ sen, deren anderes Ende elektrisch entweder kurzgeschlos­ sen ist oder frei endet. Die offene elektromagnetische Meßleitung 3 befindet sich wiederum im geprüften Material 4. Ein sekundärer Ausgang 64 der Richtungskopplungsab­ zweigung 6 ist elektrisch mit dem Signaleingang 21 des Meßblocks 2 verbunden. Ein direkter sekundärer Ausgang 63 der Richtungskopplungsabzweigung 6 ist elektrisch an den Referenzeingang 22 des Meßblocks 2 angeschlossen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Messung des Wassergehalts von Materialien arbeitet wie folgt: Die vom Signalgenerator 1 erzeugten elektrischen Signale erzeugen am Eingang der offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 eine elektromagnetische Welle, die sich entlang dieser Meßleitung 3 fortpflanzt und mit ihrem elektromagnetischen Feld den umgebenden Raum durchdringt, der mit dem geprüf­ ten Material 4 gefüllt ist. Die Phasengeschwindigkeit die­ ser Welle hängt von den elektrischen Parametern des ge­ prüften Materials 4 ab. Die Phasengeschwindigkeit wird so bestimmt, daß der Phasenunterschied zwischen dem Signal, das entlang der offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 dem Signaleingang 21 des Meßblocks 2 zugeführt wird, und einem Referenzsignal gemessen wird, das dem Refe­ renzeingang 22 des Meßblocks 2 zugeführt wird.

Falls elektrische Parameter der einzelnen Komponenten des geprüften Materials 4 bekannt sind, ist es möglich, aus den Meßwerten die relative Volumenzusammensetzung einer aus zwei Komponenten bestehenden Mischung auszuwerten und das Ausgangssignal gemäß dem Volumenverhältnis der ver­ folgten Komponenten des geprüften Materials, z. B. dem Was­ sergehalt, in verschiedenen Stoffen oder Materialien direkt zu eichen. Für Mischungen aus mehr als zwei Kom­ ponenten müssen weitere benötigte Informationen durch wei­ tere Messungen erhalten werden. Dabei ist es möglich, so vorzugehen, daß die Messung in zwei oder mehr unterschied­ lichen Frequenzbändern der elektromagnetischen Wellen vor­ genommen wird. Auf der Basis von früher gemessenen oder bekannten Frequenzabhängigkeiten elektromagnetischer Para­ meter einzelner Komponenten des geprüften Materials und deren Werten in den gewählten Frequenzbändern ist es mög­ lich, mehr gesuchte Parameter des geprüften Materials, z. B. der volumenbezogenen Feuchtigkeit und der Dichte von landwirtschaftlichen Bodenproben, auszuwerten.

Die Vorrichtung von Fig. 2 arbeitet wird folgt: Der Si­ gnalgenerator 1 liefert am Ausgang 11 elektrische Impulse oder monochromatische elektrische Wellen, die elektroma­ gnetische Wellen sowohl am Eingang einer offenen elektro­ magnetischen Meßleitung 3 als auch am Eingang einer ko­ axialen elektromagnetischen Referenzleitung 5 erzeugen, also an einer Doppelleiterstruktur. Diese elektromagneti­ schen Wellen pflanzen sich als elektromagnetisches Signal entlang der offenen elektromagnetischen Doppelmeßleitung 3 bis zum Signaleingang 21 des Meßblocks 2 und entlang der koaxialen geschlossenen elektromagnetischen Referenzlei­ tung 5 zum Referenzeingang 22 des Meßblocks 2 fort. Im Meßblock 2 wird der Phasenunterschied des elektromagneti­ schen Signals zwischen dem Signaleingang 21 und dem Re­ ferenzeingang 22 gemessen. Die elektromagnetische Doppel­ leiter-Meßleitung ist offen, so daß das elektromagnetische Feld des sich entlang dieser Leitung fortpflanzenden Si­ gnals mit dem geprüften Material 4 in Wechselwirkung kommt. Die koaxiale elektromagnetische Referenzleitung 5 ist demgegenüber geschlossen, so daß das elektromagnetische Feld der Referenzwelle nicht in das geprüfte Material ein­ dringt. Das Ergebnis der Wechselwirkung der elektromagne­ tischen Wellen mit dem geprüften Material 4 ist eine Ände­ rung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflanzung dieser Wellen entlang der offenen elektromagnetischen Meßleitung 3, die sich wiederum als Phasenverschiebung im Meßblock 2 äußert. Diese Phasenverschiebung ist der Änderung der Pha­ sengeschwindigkeit proportional, die, unter Vernachlässi­ gung des Einflusses der Leitfähigkeit auf die Phasenver­ schiebung, der Quadratwurzel des Werts der Dielektrizi­ tätskonstante des geprüften Materials umgekehrt proportio­ nal ist.

Wenn die Dielektrizitätskonstante der beiden Komponenten einer Zweikomponentenmischung bekannt und genügend unter­ schiedlich ist, ist der Wert der Phasenverschiebung, aus­ gedrückt durch einen Spannungs- oder Stromwert, ein nicht­ lineares Maß der relativen Volumenzusammensetzung an bei­ den Komponenten. Für Gemische mit mehreren Komponenten müssen die erforderlichen Informationen durch weitere Mes­ sungen erhalten werden. Dabei kann so vorgegangen werden, daß die Messung in verschiedenen Frequenzbändern vorgenom­ men wird und verschiedene Parameter aufgrund der ent­ sprechenden Frequenzabhängigkeiten ermittelt werden.

Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Signalgenerator 1 erzeugt ein elektrisches Impulssignal oder eine monochromatische elek­ trische Welle und erregt damit über eine Richtungs­ kopplungsabzweigung 6 an einer offenen elektromagnetischen Meßleitung 3 eine direkte elektromagnetische Welle, die sich impedanzartig gegen das vollständig unangepaßte Ende der Meßleitung 3 fortpflanzt, wo sie reflektiert wird und sich als reflektierte Welle gegen die Richtungskopplungs­ abzweigung 6 fortpflanzt. Die Richtungskopplungsabzweigung 6 liefert an ihrem direkten sekundären Ausgang 63 einen Teil der Energie der direkten Welle und an ihrem sekundä­ ren Ausgang 64 einen Teil der Energie der rückläufigen Welle. Der Phasenunterschied der Signale an den sekundären Ausgängen 63 und 64 der Richtungskopplungsabzweigung 6 hängt von der Phasengeschwindigkeit ab, mit der sich die elektromagnetische Welle entlang der offenen elektromagne­ tischen Meßleitung 3 fortpflanzt. Da das elektromagneti­ sche Feld dieser Welle im geprüften Material 4 verläuft, ist die Phasengeschwindigkeit ihrer Fortpflanzung von den elektrischen Parametern des geprüften Materials 4 abhän­ gig. Der durch den Meßblock 2 gemessene Phasenunterschied gibt entsprechend eine Information über elektrische Para­ meter des geprüften Materials 4. Von dieser Information wird die relative Volumenzusammensetzung des Materials aufgrund bekannter elektrischer Parameter der einzelnen Komponenten ausgewertet und ermittelt.

Die Erfindung kann vor allem in der Landwirtschaft, im Bauwesen, in der chemischen Industrie sowie in der Lebens­ mittelindustrie besonders vorteilhaft angewandt werden, d. h. überall dort, wo Medien in Form von Mischungen aus mehreren Komponenten mit unterschiedlicher Dielektrizi­ tätskonstante oder magnetischer Permeabilität vorliegen, deren gegenseitiges Verhältnis festgestellt werden soll.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung des Was­ sergehalts kann beispielsweise in der Landwirtschaft di­ rekt zur Messung der volumenbezogenen Feuchtigkeit von Bodenproben herangezogen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch mit gleichen Vorteilen auch im Bauwesen angewandt werden, z. B. zur kontinuierlichen Messung der Feuchtigkeit von Sand und anderen Materialien. Eine elektromagnetische Meßleitung in Form einer billigen Doppelleitung oder von Stahlbetonbewehrungen kann während des Baus in Stahlbetonkonstruktionen eingebaut werden, mit deren Hilfe dann jeweils die innere Feuchtigkeit gemessen werden kann.

Zur Messung des Wassergehalts in verschiedenen Gemischen und Lösungen ist dieses Meßprinzip ferner auch in der che­ mischen Industrie und in der Lebensmittelindustrie vor­ teilhaft anwendbar. Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Messung des Volumenverhältnisses von Komponenten von Ge­ mischen können dementsprechend in außerordentlich breiter Weise zur Bestimmung der Zusammensetzung beliebiger Ma­ terialien herangezogen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Was­ sergehalts beliebiger Materialien ermittelt den durch­ schnittlichen Wert der Zusammensetzung im gesamten Wech­ selwirkungsraum der offenen elektromagnetischen Meßlei­ tung; sie kann deshalb auch als Meßanordnung zur Bestim­ mung der Höhe von Flüssigkeiten oder von Schüttgut einge­ setzt werden. Der Wert des Phasenunterschieds, der am Aus­ gang der Meßanordnung erhalten wird, hängt in diesem Fall davon ab, welcher Teil der offenen elektromagnetischen Meßleitung sich unterhalb der Oberfläche des Meßguts be­ findet.

Unabhängig von der jeweiligen Anordnung kann die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung folglich auch als Fühlereinrich­ tung für automatische Regelsysteme verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung des Wassergehalts in beliebigen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß im geprüften Material durch Fortpflanzung eines elek­ tromagnetischen Signals entlang einer offenen elek­ tromagnetischen Meßleitung eine elektromagnetisches Feld erzeugt und die Änderung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflanzung dieses elektromagnetischen Signals ent­ lang der offenen elektromagnetischen Meßleitung gemes­ sen wird, die durch Wechselwirkung des elektromagneti­ schen Feldes mit dem geprüften Material verursacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Phasengeschwindigkeit der Fortpflan­ zung des elektromagnetischen Signals entlang der offe­ nen elektromagnetischen Meßleitung in wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzbändern des elektromagneti­ schen Signals gemessen und aufgrund der zuvor ermittel­ ten unterschiedlichen Abhängigkeit der Phasengeschwin­ digkeiten der Fortpflanzung des elektromagnetischen Signals entlang der offenen elektromagnetischen Meßlei­ tung, die einerseits in einer flüssigen und anderer­ seits in einer festen bzw. als Schüttgut vorliegenden Komponente des geprüften Materials angeordnet ist, der relative Volumenanteil an Wasser bzw. auch die Dichte der festen bzw. als Schüttgut vorliegenden Komponente des geprüften Materials ausgewertet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein elektromagnetisches Signal einer Fre­ quenz von etwa 18 GHz angewandt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Impulssignal aus wiederkehrenden Im­ pulsen einer Impulsdauer im Bereich von 1 bis 100 ns und vorzugsweise im Bereich von 1 bis 40 ns angewandt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch

• - einen Signalgenerator (1), der elektrische bzw. elek­ tromagnetische Signale erzeugt,
• - eine offene elektromagnetische Meßleitung (3), deren Eingang elektrisch an den Ausgang (11) des Signalge­ nerators (1) angeschlossen ist und die innerhalb des zu messenden Materials (4) angeordnet und mit diesem in elektromagnetische Kopplung gebracht werden kann, sowie
• - einen Meßblock (2), dessen Signaleingang (21) mit dem Ausgang der elektromagnetischen Meßleitung (3) und dessen Referenzeingang (22) mit dem Ausgang (11) des Signalgenerators (1) elektrisch verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine geschlossene elektromagnetische Referenzleitung (5), deren Innenraum mit einem Referenzmaterial gefüllt ist, deren Eingang elektrisch an den Ausgang (11) des Si­ gnalgenerators (1) und deren Ausgang elektrisch an den Referenzeingang (22) des Meßblocks (2) angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Richtungskopplungsabzweigung (6), deren Primäreingang (61) mit dem Ausgang (11) des Signalgenerators (1), de­ ren Primärausgang (62) elektrisch mit dem Eingang der offenen elektromagnetischen Meßleitung (3), die sich innerhalb des gemessenen Materials (4) befindet und de­ ren anderes Ende elektrisch kurzgeschlossen ist oder frei endet, und deren direkter sekundärer Ausgang (63) elektrisch mit dem Referenzeingang (22) des Meßblocks (2) verbunden sind, wobei ein sekundärer Rückausgang (64) der Richtungskopplungsabzweigung (6) elektrisch mit dem Signaleingang (21) des Meßblocks (2) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen Signalgenerator (1), der elektrische bzw. elektromagnetische Signale einer Frequenz von etwa 18 GHz erzeugt.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, gekenn­ zeichnet durch einen Signalgenerator (1), der elektrische bzw. elektromagnetische Signale in Form von Impulssignalen aus wiederholten Impulsen einer Impulsdauer im Bereich von 1 bis 100 ns und vorzugs­ weise 1 bis 40 ns erzeugt.

10. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9 zur Bestimmung des Wassergehalts von Bodenproben, als Meßanordnung zur Bestimmung der Höhe von Flüssigkei­ ten, insbesondere Wasser, oder von wasserhaltigem Schüttgut in Behältern und/oder als Fühlereinrichtung zur Erfassung von Wassergehalten für Regelsysteme.