DE602004006154T2

DE602004006154T2 - Sensor und gesamtvorrichtung zur hydrometrischen messung

Info

Publication number: DE602004006154T2
Application number: DE602004006154T
Authority: DE
Inventors: Michel Hoclet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: ATE360813T1; US7525321B2; EP1685389A1; FR2862758B1; DE602004006154D1; US20070079646A1; FR2862758A1; WO2005052561A1; EP1685389B1; CA2546589A1

Description

Ein Aspekt der hier beschriebenen Erfindung ist eine verteilte hydrometrische Messvorrichtung, gebildet durch elektronische Einrichtungen fähig zur Erzeugung eines Höchstfrequenz-Erregungssignals, eine Transmissionsleitung, und Messzellen, die durch diese Transmissionsleitung in Serie verbunden werden können, sowie elektronische Einrichtungen zur Verarbeitung der reflektierten Signale. Ein weiterer Aspekt ist die Verarbeitung der von den vorhergehenden Transducern stammenden Messungen.
Ein weiterer Aspekt der hier beschriebenen Erfindung ist die Trennung zwischen einerseits den aktiven elektronischen Komponenten, die das Erregungssignal erzeugen und die reflektierten Signale verarbeiten, und andrerseits den passiven Komponenten wie der Transmissionsleitung und den Messzellen, die feindlichen Bedingungen ausgesetzt sein bzw. werden können, insbesondere bezüglich Temperatur oder Strahlung.
Der in der Folge verwendeten Begriff "Höchstfrequenzkabel" definiert ein Kabel, bei dem die Dimensionen der Leiter und die Kennwerte des Dielektrikums dieser Leiter so sind, dass dieses Kabel eine charakteristische Impedanz mit einem konstanten Wert über einen breiten Frequenzbereich aufweist, der sich von einigen MHz bis mehrere GHz erstreckt. Seine Struktur kann koaxial, zweiadrig abgeschirmt oder zweiadrig unabgeschirmt sein. Ein solches Kabel wird benutzt, um die Transmissionsleitung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zu realisieren.
Unter Hydrometrie versteht man hier das Messen des Feuchtigkeitsgrads einer festen Substanz. Zwar besteht die einfachste Methode zum Messen dieses Feuchtigkeitsgrads dann, eine Materialprobe zu entnehmen, sie zu trocknen und dann ihren Masseverlust zu messen, jedoch ist dies nicht immer realisierbar, das solche Entnahmen nicht immer möglich oder wünschenswert sind.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird seit Jahren ein Verfahren entwickelt, das darin besteht, elektromagnetische Wellen in das Untersuchungsmaterial zu senden, wobei man sich der großen Abhängigkeit der Permittivität als Funktion des Feuchtigkeitsgrads des Materials bei hohen Frequenzen bedient, da die Permittivität von Wasser sehr viel höher ist als die von den Körpern bzw. Materialien, von denen es aufgesaugt wird, wie etwa Ton.
Unter diesen Verfahren haben diejenigen die größte Nähe zu der vorliegenden Erfindung, die auf der Permittivitätsmessung im Bereich hoher Frequenzen beruhen, die sich der Eigenfrequenz des Wasser, also 30 GHz bei Umgebungstemperatur, nähern. Sie bestehen darin, ein Höchstfrequenzsignal in eine Koaxialleitung zu senden, deren Dielektrikum (zum Beispiel Luft) in Höhe des Transducers durch eine Probe des Materials (zum Beispiel Ton) ersetzt wird, die sich im hydrometrischen Gleichgewicht mit dem Material befindet, dessen Wassergehalt man messen will. Die Resultate liefert generell ein Abgleich mit Tabellen von theoretischen und/oder experimentellen Resultaten.
Jedoch tritt insofern ein Problem auf, als es nicht leicht ist, konkret eine Anordnung zu konzipieren, die ermöglicht, die durch das ankommende Signal transportierte Leistung zwischen mehreren Sensoren aufzuteilen, damit jeder von diesen ein Signal zurücksendet, das ausreicht, um analysiert zu werden ohne einen exzessiven Teil des Gesamtsignals zu entnehmen. Außerdem, selbst dann, wenn es gelingt, die Erregungsenergie auf verschiedene Transducer zu verteilen, ist es sehr schwierig, die Interferenzen zwischen diesen eventuellen Transducern zu begrenzen. Diese Begrenzung ist sehr nachteilig, denn zahlreiche Anwendungen erfordern mehrere Simultanmessungen an verschiedenen Stellen einer Anlage ohne dazu die benutzte Gerätschaft vervielfachen zu müssen.
Der Artikel "Recent Advances in Broad-Band VHF and UHF Transmission Line Methods for Moisture Content and Dielectric Constant Measurement" (Walter J. Chudobiak et al., IEEE Trans. On Instrumentation and Measurement, Vol.28, 1979, Dez., Nr.4) und EP460315 offenbaren eine hydrometrische Höchstfrequenz-Messvorrichtung mit einem Höchstfrequenzkabel, längs dem sich mindestens zwei Messstationen befinden.
Um diesen Anforderungen zu genügen, betrifft die Erfindung eine verteilte hydrometrische Höchstfrequenzmessvorrichtung, umfassend:

– elektronische Generatoreinrichtungen sinusförmiger Wellenzüge mit Frequenzen, die mehrere Werte zwischen einigen MHz und einigen GHz in arithmetischer Progression annehmen,
– mindestens ein Höchstfrequenzkabel, längs dem sich wenigstens zwei Messstationen befinden, wobei jede Messstation einerseits eine Trenn- bzw. Teilungsvorrichtung hat, fähig der eintreffenden Welle nur einen Teil zu entnehmen, der eine ausreichende Energie hat, so dass die Messzelle ein durch die elektronischen Leseeinrichtungen messbares Echo zurücksendet, und andererseits eine eigentliche Messzelle hat, gebildet durch ein Höchstfrequenzleitungs-Teilstück, dessen distales Ende mit einem Kurzschluss endet, wobei dieses Teilstück eine Außenwand hat, die porös ist oder Öffnungen aufweist und deren Dielektrikum im Wesentlichen durch eine Probe eines homogenen dielektrischen Materials gebildet wird, dessen Permittivität eine monotone Funktion der Hydrometrie in dem betreffenden Messbereich ist,
– elektronische Leseeinrichtungen, die aufgrund von Signalen, die das Höchstfrequenzkabel durchlaufen haben, ermöglichen, diese Signale zu digitalisieren, einem Frequenzfiltern zu unterziehen, den komplexen Reflexionskoeffizienten in dem Frequenzbereich zu berechnen, eine Fourier-Transformation durchzuführen, um in dem Zeitbereich den komplexen Reflexionskoeffizienten zu berechnen, dann die Werte der reellen und imaginären Teile der Permittivität zu bestimmen, um das Maß der Feuchtigkeit und der Temperatur durch Korrelation mit Wertetabellen zu bestimmen, die vorher mit Hilfe einer anderen hydrometrischen Messmethode experimentell erstellt wurden.

Im aktuellen Stand der Technik kann die Digitalisierung der Signale, die das Höchstfrequenzkabel durchlaufen haben, nicht direkt für Frequenzen durchgeführt werden, die bis mehrere GHz gehen. Man muss daher im Voraus einen Schritt ausführen, in dem man durch eine dem Fachmann bekannte Technik die Frequenz wechselt (Multiplikation einer Frequenz F₁ mit einer Frequenz F₂, dann Selektion des Frequenzbandes F₁-F₂).
Die elektronischen Einrichtungen zum Erzeugen der sinusförmigen Wellenzüge mit Frequenzen, die in mathematischer Progression mehrere Werte zwischen einigen MHz und einigen GHz annehmen, müssen so frequenzstabil wie möglich sein. Sie werden vorzugsweise durch einen quarzstabilisierten Frequenzgenerator gebildet. Eventuell können sie durch einen Wobbelgenerator gebildet werden.
Das Messsignal wird in ein Vektorvoltmeter eingespeist, die zum Frequenzwechseln, einem Filtern, dem Digitalisieren, einem digitalen Filtern und dem Bestimmen der reellen und imaginären Komponenten der Permittivität fähig sind. Eine digitale Verarbeitung, dem Fachmann bekannt, kann zusätzlich angefügt werden, insbesondere für die Korrelation mit den voraufgezeichneten Messtabellen.
Ein vereinfachtes Mittel zum Erregen und zum Lesen der Signale besteht darin, einen Netzanalysator zu benutzten, wie man in der detaillierten Funktionsbeschreibung sehen wird. Ein solches Gerät, dem Fachmann bekannt, umfasst außerdem ein Vektorvoltmeter V_R mit einem Messkanal einer Referenzspannung am Ausgang der elektronischen Einrichtungen, die das Erregungssignal erzeugen. Eine solche Messung ermöglicht, die Signale zu normen, das heißt sie frei zu machen von konstanten Parametern, die insbesondere von dem Höchstfrequenzkabel und von Anschlusseinrichtungen abhängig sind. Schließlich besitzt ein Netzanalysator digitale Rechenmöglichkeiten.
Die Teilungsvorrichtung, fähig der eintreffenden Welle nur einen Teil mit einer ausreichenden Energie zu entnehmen, ist normalerweise so konzipiert, dass sie nur eine Energie entnimmt, die gerade noch ausreicht, damit die Messzelle ein durch die elektronischen Leseeinrichtungen messbares Echo zurücksendet, das heißt einige μw in der aktuellen Messgerätetechnik, wie weiter unten kommentiert. Noch genereller werden solche Teilungsvorrichtungen am besten so konzipiert, dass der Energieanteil, den sie in die Messzelle einspeisen, wenigstens gleich der minimalen Energiemenge ist, den diese Zelle benötigt.
In Wirklichkeit entnimmt jede Messzelle nicht eine konstante Menge sondern einen konstanten Anteil, und die einzuhaltende funktionelle Beschränkung besteht darin, darauf zu achten, dass die von der Quelle am weitesten entfernte Zelle wenigstens die minimale für die Messung notwendige Energiemenge erhält. In dem Maße, wie die Höchstfrequenzwelle die verschiedenen Messzellen durchläuft, nimmt ihre Energie ab und man muss den Anteil dieser durch jede Teilungsvorrichtung entnommen Energie modifizieren, wenn man ein optimiertes hydrometrischen Messsystem realisieren will, das dieser Welle nur das notwendige Minimum entnimmt.
Funktionsbedingt, wenn die Messvorrichtung zahlreiche Zellen umfasst, ist es selbstverständlich, dass die erste Zelle nur einen sehr kleinen Prozentsatz der eintreffenden Energie entnehmen darf, während die letzte den größten Teil entnehmen kann. Da die dimensionalen Charakteristika einer Zelle den Prozentsatz der Energie bestimmen, die sie entnimmt, muss eine optimierte hydrometrische Messleitung Messzellen enthalten, die alle leicht unterschiedlich sind.
Nichtsdestotrotz kann man die Realisierung des verteilten hydrometrischen Sensors vereinfachen, indem man in suboptimaler Weise Teilungsvorrichtungen realisiert, die der Höchstfrequenzwelle eine Energiemenge entnehmen, die größer ist als diejenige, für die sie normalerweise konzipiert sein müsste. Auf diese Weise kann man eine beschränkte Anzahl dimensionaler Varianten der verwendeten Teilungsvorrichtungen realisieren oder auch Teilungsvorrichtungen, die alle gleich sind, in allen Messstationen, was die Gesamtkosten des verteilten hydrometrischen Sensors reduziert.
Bei der Herstellung dieser Teilungsvorrichtung kann man auf alle in der Höchstfrequenz bekannten Einrichtungen zurückgreifen, insbesondere auf Leistungsteiler mit zwei sehr asymmetrischen Ausgängen. In diesem Fall genügt es, an den Ausgang der schwächeren Leistung eine einfache Messzelle nach Art einer "Sackgasse" anzuschließen.
In den anderen Fällen, die der bevorzugten Realisierung entsprechen, wird dieser Teiler für die asymmetrische Entnahme von Energie aus der Höchstfrequenzwelle durch einfaches Aneinanderfügen von zwei dielektrischen Medien mit unterschiedlichen Charakteristiken realisiert, von gleicher Art aber unterschiedlichen Querschnitts, und dies bei bzw. mit konstanter charakteristischer Impedanz.
Betrachten wir den Fall, wo das Kabel ein Koaxialkabel ist. Der Innen- und der Außendurchmesser des Höchstfrequenzkabels werden mit d_i und d_e bezeichnet. Der Durchmesser d_i ist auch der Durchmesser des Kabelkerns und der Durchmesser De ist auch der Innendurchmesser des peripheren Abschirmungsleiters. Mit d'_i und d'_e werden die verengten Durchmesser des Kabels bezeichnet und mit d''_i und d''_e die entsprechenden Durchmesser für die um das verengte Kabel herum angebrachte Messzelle. Man kann dann die notwendigen Betriebsbedingungen folgendermaßen ausdrücken: d'i < di di < d'e < de d''i < de d''e ≥ de
Außerdem ist der Anteil der in die Messzelle fließenden Energie abhängig von dem Anteil der Zelle (oder, falls es eine vor ihr angeordnete dielektrische Scheibe gibt, dem Anteil dieser Scheibe) an der dielektrischen Oberfläche gegenüber dem kranzförmigen Querschnitt des Dielektrikums des Höchstfrequenz-Einspeisungskabels, das heißt abhängig von dem Verhältnis:
Analog ist der in den verengten Teil des Kabels fließende Energieanteil abhängig von dem Verhältnis:
Um die gleiche charakteristische Impedanz – vorzugsweise 50 Ohm – beizubehalten, ist das Verhältnis zwischen den Durchmesser d_i und d_e des Höchstfrequenzkabels dasselbe wie das Verhältnis zwischen den Durchmessern d'_i und d'_e des verengten Kabels, sofern die Dielektrika denselben Permittivitätsindex haben.
Falls das Höchstfrequenzkabel zweiadrig und abgeschirmt ist, ist die Umsetzung unmittelbar, vorausgesetzt der Außendurchmesser d'_e des Isolators des verengten Kabels ist größer als der Abstandd zwischen den entferntesten Punkten der beiden Leiter in einem Querschnitt des Hauptkabels, wobei bzw. indem dieser Abstand dann dieselbe Rolle wie d_i spielen kann, obwohl die Berechnungen (sich) gegenüberstehender Querschnitte konsequenterweise korrigiert werden müsste.
In dem Fall, wo das Höchstfrequenzkabel zweiadrig und unabgeschirmt ist die Umsetzung unmittelbar in Bezug auf den vorhergehenden Fall. Hingegen bleiben die metallischen Oberflächen, welche die Messzelle begrenzen, perfekt miteinander verbunden, um die ganze Kabelachse herum, sind aber elektrisch mit nichts anderem verbunden.
Um die beiden folgenden Funktionen zu entkoppeln, nämlich die Teilung der eintreffenden Welle in zwei Wellen und das Interfacing zwischen dem dielektrischen Material des Kabels und der Materialprobe bezüglich des hydrometrischen Gleichgewichts, ist es vorzuziehen, dass sich vor jeder Messzelle eine einfache Adaptationsscheibe befindet, die vorzugsweise aus demselben Dielektrikum wie dem des Höchstfrequenzkabels ist und das radial den gesamten Raum des Resonators über eine bestimmte Länge einnimmt, gemessen gemäß der Ausbreitungsachse der Welle, ungefähr 5 bis 15 mm. Anschließend dringt das Höchstfrequenzkabel in die Messzelle ein, das heißt in einen Resonator, gefüllt mit einer Probe – homogen und adäquat verdichtet – eines Materials, der sich im hydrometrischen Gleichgewicht mit dem zu messenden Außenmedium befindet. Diese adäquate Verdichtung wird experimentell bestimmt.
In jeder dieser Messzellen breitet sich die eintreffende Welle nicht mehr in einem vorzugsweise dem des Höchstfrequenzkabels entsprechenden Dielektrikum aus, sondern in der feuchtigkeitsempfindlichen Materialprobe. Die dielektrischen Charakteristika dieses Materials müssen entsprechend einer monotonen Funktion der Feuchtigkeit in dem Messraum des Sensors variieren, und seine Relaxationsfrequenz muss höher sein als die maximale Arbeitsfrequenz des Messsystems. Es muss außerdem in ausreichender Menge vorhanden sein, um ein Antwortsignal von ausreichender Stärke für die elektronischen Leseeinrichtungen zu gewährleisten, und so verdichtet sein wie empirisch ermittelt. Das feuchtigkeitsempfindliche Material ist vorzugsweise Ton.
Nach der bevorzugten Realisierungsart befinden sich die Leseeinrichtungen an demselben Ende des Höchstfrequenzkabels wie die Einrichtungen zur Erzeugung der sinusförmigen Wellenzüge und ist mit dem Höchstfrequenzkabel durch einen dem Fachmann bekannten Richtkoppler verbunden. Das Höchstfrequenzkabel arbeitet dann im Reflexionsbetrieb.
Nach dieser ersten Variante, bei der das Höchstfrequenzkabel zur Transmission dient, ist es möglich, gleichzeitig das am Kabeleingang eingespeiste Signal und das zum distalen Ende transmittierte Signal zu messen. Dies ermöglicht leicht, gleichzeitig den Reflexionskoeffizienten und den Transmissionkoeffizienten des Höchstfrequenzkabels zu berechnen, woraus ein besserer Rauschabstand der Messungen resultiert.
Das reflektierte Höchstfrequenzsignal wird in den Eingang eines ersten Vektorvoltmeters V_A eingespeist, während das zum Ende des Höchstfrequenzkabels transmittierte Signal in den Eingang eines zweiten Vektorvoltmeters V_B eingespeist wird. An den Anschlüssen des Voltmeters V_B ist vorzugsweise ein angepasster Widerstand angeschlossen. So ist es möglich, zugleich den komplexen Reflexionskoeffizienten und den komplexen Transmissionskoeffizienten des Höchstfrequenzkabels zu messen, wovon man durch dem Fachmann bekannte Berechnungen den reellen Teil und den imaginären Teil der Permittivität abzieht. Diese Werte werden dann mit Feuchtigkeits- und Temperaturmessungen korreliert, die durch eine andere Messmethode während einer vorausgehenden Eichphase durchgeführt wurden.
Nach einer einschränkenderen Variante befinden sich die Leseeinrichtungen am dem Ende des Höchstfrequenzkabels, das zu dem entgegengesetzt ist, mit dem die Einrichtungen zur Erzeugung der sinusförmigen Wellenzüge verbunden sind. Das Höchstfrequenzkabel arbeitet dann im Transmissionsbetrieb. In diesem Fall kann man auch Einrichtungen zur Messung des elektrischen Höchstfrequenzsignals am distalen Ende des Kabels und hinter den Einrichtungen zur Bestimmung des komplexen Transmissionskoeffizienten dieses Kabels hinzufügen.
Nach dieser zweiten Variante, bei der das Höchstfrequenzkabel im Reflexionsbetrieb arbeitet, misst ein einziges Vektorvoltmeter V_A den komplexen Reflexionskoeffizienten, von dem man durch dem Fachmann bekannte Berechnungen den reellen Teil und den imaginären Teil der Permittivität abzieht. Diese Werte werden dann mit Feuchtigkeits- und Temperaturmessungen korreliert, die man mittels einer anderen Messmethode durchgeführt hat, während einer vorhergehenden Eichphase.
Bei diesen beiden Varianten verlangt die praktische Realisierung, dass ein weiteres Vektorvoltmeter V_R die Messung einer Referenzspannung am Ausgang der elektronischen Einrichtungen durchführt, die das Erregungssignal erzeugen, wobei diese Messung dazu dient, die Signale zu normen, das heißt sie frei zu machen von konstanten Parametern, die insbesondere von dem Höchstfrequenzkabel und den Verbindungs- bzw. Anschlusseinrichtungen abhängen.
Es ist bei Höchstfrequenz generell vorteilhaft, sich frei zu machen von Störreflexionen am distalen Ende einer Leitung, indem man an ihrem distalen Ende eine entsprechende Last anbringt. Es ist hier vorteilhaft und natürlich, das distale Ende des Höchstfrequenzkabels mit einer Last zu verbinden bzw. zu schließen, die eine Impedanz aufweist, die im Wesentlichen gleich der charakteristischen Impedanz dieses Kabels ist. Aber das ist aus Gründen der Funktionsweise selbst der Erfindung nicht unabdingbar: ein unangepasstes Ende, wie zum Beispiel ein Ende "in der Luft", das heißt nicht angeschlossen, drückt sich durch ein extrem starkes reflektiertes Signal aus, das aber nach den Nutzsignalen ankommt und aus diesem Grund davon getrennt werden kann. Hingegen wäre ein unangepasstes Ende aufgrund diese Stärke des reflektierten Signals hinsichtlich der Impedanz ein Sättigungsrisiko für gewisse Schaltungen.
Um das hydrometrische Gleichgewicht zwischen der Innenseite dieser Zelle und der zu messenden Außenumgebung herzustellen, präsentiert die Erfindung zwei Varianten. Nach der ersten Variante enthält die Metallwand Löcher oder Schlitze, vorzugsweise in Längsrichtung gemäß der Achse des Höchstfrequenzkabels, um die Stromleitungen so wenig wie möglich zu stören.
Nach der zweiten Variante ist die Außenwand dieses Leitungsteils porös, hergestellt durch Sintern einen nichtoxidierbaren Metalls wie etwa Inox, bestimmte Bronzen oder Titan. Die leitfähigen Metalloberflächen, benutzt für die Kabel und die Abgrenzung der Messzellen, sind vorzugsweise aus Kupfer.
Varianten von Teilern und von Zellen:
Kehren wir zurück zu der Teilungsvorrichtung, fähig der eintreffenden Welle nur einen Teil mit einer ausreichenden Energie zu entnehmen und kombinierbar mit diversen Typen von Höchstfrequenzkabeln.
Die bevorzugte Realisierung einer erfindungsgemäßen Messzelle variiert sehr wenig in Abhängigkeit davon, ob das Höchstfrequenzkabel koaxial oder zweiadrig abgeschirmt ist (1. und 2. Realisierungsart).
Die erste Art der Realisation entspricht einem Koaxialkabel und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle eine koaxiale Struktur mit dem Höchstfrequenzkabel bildet, das den Betrieb der nachgeschalteten Messzellen gewährleistet und um das in Höhe der Messzelle eine plötzliche Verengung mit konstanter Impedanz aufweist. Sie ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsvorrichtung durch die einfache Aneinanderreihung von dielektrischen Medien an der Stelle realisiert wird, wo das Höchstfrequenzkabel durch die Parallelanordnung von zwei Medien ersetzt wird: einerseits ein Dielektrikum, das die Kontinuität des Kabels gewährleistet, und andererseits die Messzelle oder die dielektrische Adaptionsscheibe, wenn es eine gibt.
Man kann diese erste Realisierungsart auch noch so definieren, dass die Messzelle einen Hohlzylinder bildet, abgegrenzt durch drei leitfähige Metalloberflächen mit Kontakt zueinander: eine zylindrische Innenoberfläche, eine zylindrische Außenoberfläche und eine plane Scheibe am distalen Ende. Dieser Hohlzylinder ist koaxial zum Höchstfrequenzkabel und umgibt es, wobei dieses letztere an dieser Stelle eine abrupte Verengung des Dielektrikums und des Außenleiters aufweist, die Dimensionen dieser Elemente dabei aber so gewählt werden, dass die charakteristische Impedanz vor, innerhalb und hinter dieser Verengung so konstant wir möglich ist. Selbstverständlich, um die charakteristische Impedanz des Kabels beizubehalten, wenn der Durchmesser des Dielektrikums sich plötzlich reduziert, muss sich auch der Durchmesser des leitfähigen Kerns in einem dem Fachmann bekannten Maße reduzieren.
Die zweite Art der Realisation entspricht einem abgeschirmten Höchstfrequenzkabel mit zweiadriger Struktur. Der Querschnitt dieses Kabels umfasst dann nicht mehr einen zentralen Kern sondern zwei in Bezug auf die Symmetrieebene dieses Querschnitts symmetrisch angeordnete Leiter. Diese beiden Leiter sind von einem Dielektrikum umgeben, das selbst von einer leitfähigen Abschirmung umgeben ist. In Höhe jeder Messzelle hat dieses Dielektrikum (jedes Mal) einen kleineren Durchmesser, abgegrenzt durch ein Teilstück mit leitfähiger zylindrischer Oberfläche, das zugleich die Abschirmung der verengten Leitung und die Innenwand einer Messzelle in Form eines Hohlzylinders bildet, der demjenigen entspricht, der in dem Fall eines koaxialen Höchstfrequenzkabels beschrieben wird. Die Außenwand dieses Hohlraums wird durch ein zweites Teilstück mit einer leitfähigen Oberfläche gebildet, die porös ist oder Öffnungen enthält, die ein hydrometrisches Gleichgewicht mit dem Umgebungsmedium gewährleisten, wobei auch sie elektrisch mit der Abschirmung des Höchstfrequenzkabels verbunden ist. Dieser Hohlraum umschließt vorzugsweise eine dielektrische Scheibe, die sich radial zwischen den beiden leitfähigen Oberflächen erstreckt, wobei dieser Teil vorzugsweise aus demselben Material ist wie das Höchstfrequenzkabel, vorzugsweise mit einer Strukturkontinuität. Der restliche Hohlraum bis zu der distalen metallischen Kurzschlussscheibe bildet die Messzelle, die mit der Probe aus dem Material gefüllt ist, das sich im hydrometrischen Gleichgewicht mit dem zu messenden Medium befindet.
Eine dritte Art der Realisation einer erfindungsgemäßen Messzelle arbeitet mit einem Höchstfrequenzkabel des nicht abgeschirmten zweiadrigen Typs, das heißt gebildet durch zwei getrennte und durch ein Dielektrikum umgebene Leiter, das eine flache Form haben kann. Die Messzelle befindet sich wenigstens teilweise in der Dicke dieses Dielektrikums und ihre Form entspricht den oben beschriebenen Messzellen, außer dass sie elektrisch mit nichts verbunden ist. Wenn der Querschnitt des Höchstfrequenzkabels ein Dielektrikum zeigt, dessen Kontur außen zum Beispiel oval abgeflacht ist, kann die Messzelle ihrerseits zum Beispiel oval abgeflacht sein.
Eine vierte Art der Realisation entspricht dem Fall, wo die Teilungsvorrichtung nicht mehr eng mit der Messzelle verbunden ist, sondern zurückläuft zu irgend einer Höchstfrequenzvorrichtung, insbesondere einem Leistungsteiler mit zwei sehr asymmetrischen Ausgängen. Dieser Teiler ist zum Beispiel ein T- oder ein Y-Koppler, bei dem einer der Ausgänge viel weniger Leistung erhält als der andere. Dieser Ausgang wird dann mit einem Höchstfrequenzkabel-Teilstück verbunden, das mit dem Kabel vergleichbar ist, welches das Wesentliche der Höchstfrequenzwelle überträgt, und endet durch eine vereinfache Messzelle, die kein verengtes Kabel in ihrer Mitte umfasst. Der zentrale Leiter ist dann keine leitfähige zylindrische Oberfläche mehr, sondern ein einfacher leitender Draht, vorzugsweise aus Kupfer, dessen distales Ende mit einer die Zelle verschließenden leitfähigen Scheibe verbunden ist.
In all diesen Fällen kann die erfindungsgemäße sehr unterschiedlich aufgebaut und ausgebildet sein, solange sie die obigen Bedingungen respektiert, insbesondere insofern, dass in einem Teilstück der Kurzschlussleitung ihr Dielektrikum abrupt durch eine Probe aus einem Material ersetzt ist, die sich mit dem zu messenden Medium in einem hydrometrischen Gleichgewicht befindet. Sie ist so konzipiert, dass sich ihre Impedanz nur wenig von der des Höchstfrequenzkabels unterscheidet, durch das sie versorgt wird. Wenn die Zelle, wie dies generell der Fall ist, einen Durchmesser hat, der größer ist als der des Derivationskabels, muss die das Dielektrikum des Kabels durchlaufende Höchstfrequenzwelle durch ein dielektrisches Zwischenstück in diese Zone größeren Durchmessers geleitet werden, bevor sie direkt in Kontakt mit der Probe mit dem im hydrometrischen Gleichgewicht befindlichen Material kommt.
Betriebsweise:
Es ist nun möglich, die Funktionsweise der Teilungsvorrichtung zu verstehen, die fähig ist, nun einen Teil der eintreffenden Höchstfrequenzwelle zu entnehmen, wenn sie eng mit der Messzelle verbunden ist, wie in den drei ersten Realisationsarten. Die ankommende, das Dielektrikum des Höchstfrequenzkabels durchlaufende Welle trifft, wenn sie die Messzelle erreicht hat, auf eine zentrale Zone mit einem Dielektrikum, das mit dem des Kabels vergleichbar ist, und auf eine periphere Zone, welche die eigentliche Messzelle darstellt, wobei diese beiden Zonen durch eine leitfähige Oberfläche getrennt sind, die elektrisch mit dem peripheren Leiter des Höchstfrequenzkabels verbunden ist, so dass die Energie sich zwischen diesen beiden Zonen entsprechen ihrer jeweiligen Querschnitte verteilt.
Die jeweiligen Querschnitte der diesen beiden Medien entsprechenden Dielektrika werden in Abhängigkeit von dem für den nachfolgenden Teil des Höchstfrequenzkabels vorgesehenen Anteil an der eintreffenden Energie und folglich von der Anzahl der nachgeschalteten Transducer gewählt. Diese Wahl muss jedoch für jede Messzelle eine minimale Energie gewährleisten, damit das Retoursignal mit einem ausreichenden Rauschabstand gelesen werden kann. Es geht also darum, für die Installation eines erfindungsgemäßen verteilten hydrometrischen Sensors das optimale Verhältnis zwischen der Anzahl der Messstationen und der Genauigkeit des Signals zu bestimmen.
Unabhängig von der Realisierungsart der Messzellen kann die Erregung des mit den Messzellen verbundenen Höchstfrequenzkabels auf verschiedene Weisen erfolgen. Jede Weise muss dieses Kabel und die Messzellen einer Vielzahl von Signalen aussetzen, die eine Vielzahl von einander ähnlicher Frequenzen abdecken, wobei die Gesamtheit ein Frequenzband abdeckt, das von einigen MHz bis mehrere GHZ geht.
Die einfachste Weise besteht darin, das Höchstfrequenz-Erregungssignal durch einen sehr stabilen quarzgesteuerten Freqenzgenerator zu erzeugen. Es ist auch möglich, einen Wobbelgenerator zu benutzen, das heißt einen Generator einer sinusförmigen Welle über einen kurzen Zeitraum, deren Frequenz kontinuierlich zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert oder umgekehrt variiert. Jedoch ermöglicht eine solche Methode nicht, das Lesesignal einer Frequenzfilterung in einem ebenso schmalen Band wie bei einem Frequenzwandler zu unterziehen. Der Rauschabstand der Messvorrichtung leidet darunter.
Vorzugsweise, um den Rauschabstand zu verbessern, wendet man eine selbe sinusförmige Frequenz während einer ausreichenden Zeit an, um einen Gleichgewichtsbetrieb herzustellen, wählt dann eine neue Frequenz und wiederholt die Operation, usw. Derart erzeugt man zu jedem Zeitpunkt Erregung in einem extrem schmalen Frequenzband, was eine effizientere Filterung des empfangenen Signals ermöglicht. Diese Filterung erfolgt mit mehreren Wiederholungen über die gesamte Länge der Höchstfrequenzkette, wie es in dieser Technik üblicherweise praktiziert wird. Die schmalste Filterung erfolgt digital, direkt nach der Digitalisierung. Gute Leistungen erzielt man mit einem schmalen Band: mehrere zehn Hz, ja sogar einige Hz.
Schließlich besteht eine dritte, besser an die Laboratorien angepasste Methode dann, Erregungsimpulse zu erzeugen, die Dirac-Impulsen, fähig die Frequenzcharakteristik des Messsystems zu messen, so nahe wie möglich kommen. Sie wird hier nicht behandelt, denn einerseits ist sie dem Fachmann bekannt und andererseits eignet sie sich schlecht für industrielle Anwendungen.
Die bevorzugte Weise, die darin besteht, während einer ausreichenden Zeit eine selbe Frequenz anzuwenden und dann diese Frequenz zu verändern, kann wie folgt beschrieben werden.
Die sukzessiven Erregungsfrequenzen f_i werden so gewählt, dass sie eine arithmetische Progression bilden, wenn i variiert, und dies, um die Berechnung der Fourier-Transformierten bzw. -Transformation zu ermöglichen. Gemäß unserer Realisierung sind 1601 Messpunkte in arithmetischer Progression vorgesehen, zwischen einer minimalen Frequenz von 3 MHz und der maximalen Frequenz von 6 GHz.
Die Zeit zwischen zwei sukzessiven sinusförmigen Wellenzügen muss ausreichend lang sein, um die Herstellung eines permanenten Betriebs zu ermöglichen, bei dem das Erregungssignal und das durch jede Messzelle zurückgesandte Echo koexistieren. Die Unterscheidung jedes Echos ermöglicht, die Zelle zu lokalisieren, die es erzeugt hat. Beispielsweise beträgt diese Zeit zwischen zwei sukzessiven sinusförmigen Wellenzügen 187,5 ms.
Wenn jede bzw. irgendeine der Messzellen des Systems diesen Erregungswellen unterzogen wird, ist sie der Sitz von gedämpften Schwingungen zwischen dem tiefsten bzw. hintersten Teil und dem Eingang dieser Zelle, wobei jede Reflexion auf dem Eingang des Hohlraums bzw. Resonators eine Schwingung verursacht, die zu der Quelle zurückkehrt.
Die Fourier-Transformierte bzw. -Transformation dieser Antwort, die ermöglicht, von den Frequenzen zu der Zeit überzugehen, ist leicht zu interpretieren. Jede Messzelle erzeugt also ein ihre Signatur bildendes reflektiertes Signal, dargestellt als Funktion der Zeit durch eine Folge von äquidistanten Peaks bzw. Spitzen mit abnehmenden Amplituden. Diese konstante Distanz ermöglicht, den reellen Teil der Permittivität ε(ω) der Zelle zu bestimmen, der mit dem Feuchtigkeitsgrad verknüpft ist.
Theoretisch hat diese Zelle eine Länge "1" gemäß der Richtung des Wellenvektors, wobei der Weg, den diese Höchstfrequenzwelle in der Zelle durchlaufen muss, n₂₁ ist, wo n der Brechungsindex der Materialprobe ist. Wenn der Erlöschungs- bzw. Dämpfungskoeffizient χ nicht vernachlässigbar ist, wie wenn man sich der Transit- bzw. Übergangsfrequenz des Wassers nähert (ungefähr gegen 4 bis 5 GHz und darüber), erhält man die gesuchten Komponenten – reell ε'_r und imaginär ε'_i – der Permittivität ε(ω) durch:
In der Praxis, wenn die maximale Arbeitsfrequenz weit entfernt ist von der Relaxationsfrequenz des Wassers (ungefähr bzw. etwas unter 1 GHz), genügt es, zu berücksichtigen, dass der Brechungsindex für ein Teilstück der Leitung oder eine Zelle der Länge 1 mit der reellen Komponente ε'_r verknüpft ist durch:
Die theoretische Relation zeigt die Verknüpfung zwischen dem Dämpfungskoeffizienten der Linien und dem imaginären Teil ε''_r der Permittivität ε(ω), die ihrerseits mit der Temperatur verknüpft ist.
Die charakteristischen Größen des zu messenden Materials sind die Feuchtigkeit und die Temperatur. Die charakteristischen Größen des Signals des Sensors sind der Abstand zwischen den beobachtbaren Linien in der zeitlichen Darstellung des Signals, welches das Kabel durchlaufen hat, der hauptsächlich mit der reellen Permittivität verbunden ist, und den relativen Amplituden jeder Linie des Signals eines Sensors, die hauptsächlich mit der Leitfähigkeit des empfindlichen Materials und folglich mit seiner imaginären Permittivität verknüpft sind. Die vollständige Eichung eines Sensors muss diesen vier Größen Rechnung tragen, das heißt, aufgrund der beiden Charakteristika des Signals die beiden Charakteristika des Materials bestimmen.
Die Leitungsteilstücke, welche die beiden sukzessiven Transducer trennen, könnten a priori mit den Echos, welche die Nutzinformation tragen, Intermodulations-Störprodukte erzeugen. In der Praxis, da die Erfindung beträchtlich die Amplitude des die Nutzinformation tragenden Echos begrenzt (in Bezug auf einen Resonator nach dem Stand der Technik), sind diese Intermodulationsprodukte so schwach, dass sie sich mit dem Rauschen vermischen.
Das Lesen der hydrometrischen Werte und der Temperatur kann nur nach einer vorausgehenden Eichphase stattfinden, die mit Hilfe einer anderen Messmethode, etwa dem schon erwähnten Probentrocknen, erfolgt. Das eigentliche Lesen der hydrometrischen Werte und der Temperatur erfolgt experimentell durch Korrelation mit Tabellen von während der Eichphase erhaltenen Resultaten.
Diese Messungen sind durch bekannte Elektromagnetismus-Gleichungen mit dem Wassergehalt und der Temperatur verknüpft. Man kann auch ein Vektorvoltmeter oder einen Netzanalysator wie zum Beispiel HP8753B von Hewlett Packard benutzen, der den reellen Teil und den imaginären Teil des empfangenen Signals direkt angibt. Für mehr Genauigkeit kann man die Anwendungsanleitung 95-1 von Hewlett Packard konsultieren: "S-parameters techniques", Kapitel 6: "Measurement of S-parameters".
Jedoch, da diese Berechnungen langwierig sind, erfolgt das Lesen der Wassergehalt- und Temperaturmessungen vorzugsweise experimentell durch Korrelation mit Tabellen von vorher in einer Eichphase – mittels einer anderen Messmethode, etwa dem schon erwähnten Trocknen der Probe – erhaltenen Resultaten.
Die Eichung variiert mit den Charakteristika jeder Messzelle, vor allem mit den Dimensionen des Dielektrikums in dem Teil, wo sie verengt ist, und den Dimensionen des Transducer-Hohlraums bzw. -Resonators sowie der Art des Dielektrikums. Die bei einer Messzelle erfolgte Eichung kann folglich für eine andere Messzelle mit denselben Charakteristika benutzt werden.
Wenn mehrere Höchsffrequenzresonatoren in diversen Messstationen angeordnet sind, in Serie mittels eines Höchsffrequenzkabels, sendet jeder von ihnen seine eigene Signatur, aber mit einer zeitlichen Verschiebung, die von seinem Abstand von der Erregungsquelle abhängt. Es ist also leicht, die Antwort jeder Messzelle zu unterscheiden.
Das Höchsffrequenzkabel-Teilstück, das sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Transducern befindet, verhält sich auch wie ein Höchsffrequenzkabel-Teilstück, dessen Ende die durch die nächste Messzelle eingeführte Diskontinuität ist. Es präsentiert seinerseits, selbst wenn dies weniger ausgeprägt ist, eine Höchstfrequenzresonatorfunktion. Aber die Schwachheit der durch jeden Transducer entnommenen Energie reduziert in der Praxis die Amplitude solcher Echos auf einen vernachlässigbaren Wert.
Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den Figuren beschrieben.
Die 1 schematisiert eine bevorzugte Realisation einer erfindungsgemäßen Transducer-Vorrichtung, gebildet durch einen Teiler und eine Messzelle, wo diese auf ein Koaxialkabel montierte Messzelle vom koaxialen Typ ist.
Die 2 schematisiert eine zweite Realisation einer erfindungsgemäßen Transducer-Vorrichtung, gebildet durch einen Teiler und eine Messzelle, bei der ein abgeschirmtes zweiadriges Kabel verwendet wird.
Die 3 schematisiert eine weitere Realisation einer erfindungsgemäßen Transducer-Vorrichtung, gebildet durch einen Teiler und eine Messzelle, bei der ein nicht abgeschirmtes zweiadriges Kabel verwendet wird.
Die 4 schematisiert eine dritte Realisation einer vereinfachten erfindungsgemäßen Messzelle, das heißt, deren Leistungsteiler durch einen Y-förmigen Leistungsteiler gebildet wird, bei dem ein Ausgang eine Messzelle ist und der andere Ausgang der Stromabwärtsteil der Koaxialleitung.
Die 5 schematisiert eine erfindungskonforme verteilte hydrometrische Messvorrichtung,
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Die 1 schematisiert eine Realisierung einer Transducer-Vorrichtung, gebildet durch einen Teiler und eine zugeordnete Messzelle, wobei diese auf ein Koaxialkabel montierte Messzelle vom koaxialen Typ ist. Dieses Kabel umfasst in der Mitte einen elektrisch leitfähigen Kern 1 mit dem Durchmesser d_i, den eine dielektrische Hülle 2 aus Teflon und ein peripherer Leiter 3 umgeben, der hier durch ein Kupferrohr mit dem Innendurchmesser d_e gebildet wird, aber bei anderen Realisierungen ein Kupfergeflecht sein könnte. Es von einer Isolations- und Schutzhülle 13 umgeben.
Nach der Erfindung verengt sich das Koaxialkabel in Höhe der Messzelle 14, in der man die Feuchtigkeit des das Kabel umgebenden Materials wie zum Beispiel Ton zum Einschließen von Kernbrennstoff misst, abrupt. In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messzellen ungefähr einen Meter. Bei einer experimentellen Realisierung hat man Verbindungen bzw. Vereinigungen einer Messzelle und eines Teilers als verschiedenen Elementen des Höchstfrequenzkabels realisiert, die mit ihm beiderseits durch koaxiale Miniaturverbinder des Typs SMA verbunden sind. Das verengte Höchstfrequenzkabel-Teilstück umfasst einen Kern 5 mit dem Außendurchmesser d'_i, der in den zentralen Öffnungen der beiderseits angeordneten Verbinder steckt, ein Dielektrikum 6, auch dieses aus Teflon, und einen röhrenförmigen Leiter 7, gebildet durch ein Stück Kupferrohr mit einem Innendurchmesser d'_e von ungefähr 2,4 mm, der kleiner ist als der Innendurchmesser des beiderseits befindlichen peripheren Leiters 3 des Höchstfrequenzkabels. Diese letztere Bedingung ist notwendig, damit sich die das Dielektrikum des Höchstfrequenzkabels durchfließende Energie verteilen kann zwischen Stromabwärtsteil dieses Kabels und der Messzelle. Da die Isolationsmaterialien der Kabel also aus Teflon sind, um dieselbe charakteristische Impedanz beizubehalten, festgelegt auf 50 Ohm, ist das Verhältnis zwischen den Durchmessem d_i und d_e des Höchstfrequenzkabels dasselbe wie zwischen den Durchmessem d'_i und d'_e des verengten Kabels.
Der Anteil der Energie der Höchstfrequenzwelle, der durch den Teiler in die Messzelle 14 oder die vor ihr befindliche dielektrische Adaptionsscheibe 15 fließt, wird durch die gemeinsame Oberfläche zwischen dem rechten Querschnitt des Dielektrikums 2 und dem linken Querschnitt der Zelle 14 oder der dielektrischen Adaptationsscheibe 15. Er wird so festgelegt, dass das zu den Leseeinrichtungen zurückgesandte Echo diese mit einer Energie von ungefähr 1 bis 2 μW erreicht.
Die koaxialen Elemente 11, welche die elektrische Kontinuität gewährleisten, sind handelsübliche Koaxialverbinderelemente, die nicht detailliert dargestellt sind.
Bei dieser Anordnung durchquert der größte Teil der in dem Kabel von links in dem Dielektrikum 2 eintreffende Erregungswelle die Messstation 4, indem sie den verengten Kabelteil 5, 6, 7 passiert; aber ein sehr kleiner Teil der Energie der eintreffenden Welle, ungefähr 1 bis 2 μW, passiert außerhalb der Hülle 7, durchquert dabei die dielektrische Adaptationsscheibe 15 und dann die mit einer Tonprobe gefüllte Messzelle 14.
Der elektrisch leitende Ring 10 stellt am distalen Ende der Messzelle 14 einen Kurzschluss zwischen dem röhrenförmigen Leiter 7 und dem röhrenförmigen Außenleiter 12 her, um sie als Höchstfrequenzresonator funktionieren zu lassen. Die 1 zeigt, dass diese Elemente 10 und 12 durch das Gehäuse des Koaxialverbinders 11 elektrischen Kontakt haben. Selbstverständlich bilden diese beiden Teile für die Messzelle 14 nur eine einzige sich radial erstreckende plane leitfähige Oberfläche. Der in diesem Resonator eintreffende Wellenanteil wird durch den distalen Kurzschluss reflektiert und kehrt zurück zu dem Übergang zwischen dem Dielektrikum 2 und der Messzelle 14. Dort durchquert ein geringer Teil dieser Welle diesen Übergang und kehrt zum Kabeleingang zurück, wo er analysiert wird, während der Hauptteil dieser Welle in den Resonator zurückreflektiert wird, wo er wieder durch den distalen Kurzschluss reflektiert wird, usw., bis zum Abklingen dieser Welle.
Die Verbindungshülse 8 kann direkt die Rolle des Steckers des koaxialen Miniaturverbinders spielen, wenn es einen zufriedenstellenden Oberflächenzustand aufweist und wenn der Kern 5 den Durchmesser des entsprechenden Steckverbindungsstifts hat.
Der Anteil der eintreffenden Welle, der das Dielektrikum durchläuft und zu der Messzelle 14 transmittiert wird, wird durch die gemeinsame Oberfläche zwischen dem rechten Querschnitt des Dielektrikums 2 und dem linken Querschnitt des Resonators bestimmt. Er kann folglich angepasst werden in Abhängigkeit von den Durchmessern der benutzten Koaxialkabel.
Die Diskontinuitäten von dielektrischen Strukturen durch die Messzellen 14 hindurch erzeugen einen Signalverlust bzw. eine Signalschwächung, der bzw. die groß sein kann, wenn die sich gegenüberstehenden Oberflächen nicht perfekt sind. Es wird daher empfohlen, die Dielektrika nicht nur aus dem gleichen Material herzustellen, sondern wenn möglich mit kontinuierlicher oder durchgehender Struktur.
Der größte Teil des Signals durchquert die Messzelle 14 im Dielektrikum 6; er erreicht später eine andere Messstation 4, die sich weiter hinten in dem Kabel befindet, der dargestellten ähnlich ist und analoge Phänomene aufweist. Man kann so leicht eine Leitung mit mehr als zehn Messzellen realisieren, wobei die Grenze hauptsächlich von den Leistungen der Lesevorrichtung abhängt. Wenn man die Leistungen eines solchen Messsystems mit einer großen Anzahl von Messzellen optimieren möchte, ist es vorzuziehen, den Anteil der eintreffenden, in die Messzellen geleiteten Energie progressiv zu modifizieren, wie weiter oben erläutert.
Um die Anwendung bzw. Ausführung zu vereinfachen und von den Verarbeitungsmöglichkeiten zu profitieren haben wir als Erregungseinrichtung und Signalleseeinrichtung einen Netzanalysator des Typs HP 8510 von Hewlett Packard benutzt. Ein solches Gerät umfasst einen Frequenzgenerator, benutzt zur Erzeugung der Erregungssignale. Es umfasst auch drei Vektorvoltmeter V_A, V_B und V_R, wobei das dritte einen Messkanal einer Referenzspannung bildet, abgegriffen am Anfang des Höchstfrequenzkabels mit Hilfe eines Höchstfrequenzleistungskopplers. Die anderen Messkanäle sind auf die gleiche Weise mit dem Kabel gekoppelt, der Kanal A am Anfang des Höchstfrequenzkabels und der Kanal B, nur bei den Transmissionsversuchen benutzt, am distalen Ende des Kabels.
Mehrere Filterungen innerhalb des Geräts optimieren die Messungen. Nach der Digitalisierung erfolgt mit einer Frequenz F2 ein Frequenzwechsel des Nutzsignals, die sich von der Anfangsfrequenz F1 um 10 kHz unterscheidet. Mehrere andere Einstellungen sind versucht worden, einschließlich Bandbreiten von einigen Hz.
Das Ende der Leitung, geschlossen mit einer angepassten Last, sendet kein Echo zurück. Aber es wurden auch Versuche mit unangepassten Lasten durchgeführt.
Der Netzanalysator kann also den Reflexionskoeffizienten der Wellen S₁₁(ω) am Eingang der Leitung durch seine reelle Komponente und seine imaginäre Komponente messen, was ermöglicht, für jede Messzelle den reellen und imaginären Wert ε(ω) und μ_r(ω) zu messen.
Der Rauschabstand der Messungen hängt ab von dem Rauschabstand des Analysators, der 10⁵ beträgt. Jedoch erzeugen in der Praxis die Inhomogenitäten des Kabels ein konstantes Rauschen, das den Rauschabstand auf einen Effektivwert von 10⁴ reduziert. Außerdem nimmt der Rauschabstand ab, wenn das zu messende Signal zu schwach wird gegenüber Eingangscharakteristika des Analysators.
Die 2 schematisiert eine Realisationsvariante einer erfindungsgemäßen Transducervorrichtung, gebildet durch einen Teiler und eine Messzelle, auf ein nicht abgeschirmtes zweiadriges Kabel montiert, wobei die Messzelle ihre koaxiale Struktur beibehält. Der Kern wird einfach durch zwei Leiter ersetzt, die in Bezug auf den Außendurchmesser des Dielektrikums relativ eng beieinander liegen.
Diese Messzelle wird also auf der Grundlage des Höchstfrequenzkabels gebildet, das ein Paar identischer leitfähiger Kerne 21 und ein Dielektrikum 22 umfasst, dessen Peripherie durch Bearbeitung in Höhe der Messzelle 24 verengt ist, so dass das Dielektrikum 26 einen reduzierten Querschnitt aufweist. Anschließend bringt man wie vorhergehend um das Dielektrikum 26 herum ein leitfähiges Hüllenstück 27 und dann am distalen Ende dieses gebildeten Hohlraums einen leitfähigen Ring 30 an, ehe man eine Verbindungshülse 28, ähnlich der schon genannten Hülse 8, um das Kabel herum anordnet, an der Stelle der Messzellen nach der bevorzugten Realisierungsart. Es zeigt sich, dass die auftretenden elektromagnetischen Phänomene dieselben sind.
Die 3 schematisiert eine Realisationsvariante einer erfindungsgemäßen Tranducervorrichtung, gebildet durch Teiler und eine Messzelle, mit einem nicht abgeschirmten zweiadrigen Kabel, wo die Messzelle ihre koaxiale Struktur beibehält. Die einzige Veränderung in Bezug auf die vorhergehende Variante ist das Fehlen einer elektrischen Verbindung zwischen den Oberflächen, welche die Messzelle begrenzen, und den beiden Leitern des Höchstfrequenzkabels. Die Messzelle 14 ist durch eine metallische Hülle 47 abgegrenzt und ist ringförmig. Der leitfähige Kern umfasst hier zwei parallele Elemente 1A und 1B, die den in der Mitte der metallischen Hülle 47 gebildeten Hohlraum durchqueren. Die metallische Hülle 47 und die Scheibe 15 bilden einen für die Zelle 14 einen geschlossenen Resonator.
Die 4 ist eine dritte Realisation einer vereinfachten erfindungsgemäßen Messzelle, das heißt, deren Leistungsteiler durch einen Y-förmigen Leistungsteiler gebildet wird, bei dem ein Ausgang eine Messzelle ist und der andere Ausgang der Stromabwärtsteil der Koaxialleitung. Er umfasst am Ende der Messzelle 14 einen Widerstand 50 zur Anpassung an die Impedanz des Kabels. Der Kern 5 dringt in die Messzelle 14 ein und ist am Boden 49 der metallischen Hülle 48 festgelötet.
Die oben beschriebenen Realisationen benutzen Verbinder und Höchstfrequenz-Labormesseinrichtungen, die teuer sind. Für eine industrielle Anwendung könnten diese Einrichtungen ersetzt werden durch weniger teure Einrichtungen, welche dieselben Funktionen erfüllen, wie etwa die Verbindung der Vektorvoltmeter mit einer Reflektometer-Höchstfrequenzbrücke und mit Richtkopplern. Aber es ist vorzuziehen, die obigen Lehren zu nutzen, um eine wie anschließend schematisierte spezifische Anlage zu konzipieren.
Die 5 veranschaulicht eine komplette Realisation der Erfindung. Eine Barriere 35 schließt ein Tonvolumen von der Außenseite ab. Eine Serie Koaxialkabel 37 dringen dort ein, und diese Koaxialkabel 37, ausgestattet mit Transducern 38, gebildet durch einen Teiler und eine zugeordnete Messzelle, ähnlich den beschriebenen und kaskadenförmig verbunden.
Ein asymmetrischer Leistungsteiler, realisiert durch einen Leistungskoppler 39, ermöglicht, an eine der Leitungen eine vereinfachte Messzelle 40 anzuschließen. Jedes der Koaxialkabel 37 wird gespeist durch einen Multiplexing-Schrank 41 außerhalb des Tonvolumens 36 mit einem quarzgesteuerten und PLL-stabilisierten Frequenzgenerator, der die sinusförmigen Wellenzüge mit Frequenzen erzeugt, die mehrere Werte in arithmetischer Progression zwischen einigen MHz und einigen GHz annehmen. Die Signale, die jedes Kabel durchlaufen haben (hier als Reflexion) werden durch Richtkoppler 42 entnommen und in das diesem Kabel zugeordnete Vektorvoltmeter 43 eingespeist. Eine Verarbeitungseinrichtung 44 mit Mikrocontroller ist mit jedem dieser Vektorvoltmeter verbunden, die durch einen bidirektionalen Bus 45 mit einem Informatiksystem verbunden sind, das die Betriebsparameter bestimmen kann und numerische bzw. digitale Werte der reellen und imaginären Teile der Permittivität in jeder der Messzellen erhält, bevor es den Vergleich mit den Tabellen von voraufgezeichneten Messungen durchführt. Das Ganze bildet ein Beispiel einer erfindungskonformen Vorrichtung für verteilte hydrometrische Messungen.
Die Erfindung betrifft alle Fälle, wo eine verteilte hydrometrische Messung mittels eines einzigen Kabels oder einer Gruppe parallelgeschalteter Kabel notwendig ist. Die hohen Kosten des Netzanalysators können durch die Realisierung einer entsprechenden Elektronik reduziert werden. Außerdem sind diese Kosten mit einer großen Anzahl von Messstationen verbunden.
Die Bestandteile bzw. Bauteile verleihen der Erfindung eine intrinsische Festigkeit gegenüber ionisierender Strahlung, was sie besonders nützlich macht für die Messung des Wassergehalts des Tons, der Nuklearabfallbehälter umgibt.

Claims

Hydrometrische Höchstfrequenzmessvorrichtung, umfassend: – elektronische Generatoreinrichtungen sinusförmiger Wellenzüge mit Frequenzen, die mehrere Werte zwischen einigen MHz und einigen GHz in arithmetischer Progression annehmen, – mindestens ein Höchstfrequenzkabel, längs dem sich wenigstens zwei Messstationen (4) befinden, wobei jede Messstation einerseits eine Trenneinrichtung hat, fähig der eintreffenden Welle nur einen Teil zu entnehmen, der eine ausreichende Energie hat, so dass die Messzelle ein durch die elektronischen Leseeinrichtungen messbares Echo zurücksendet, und andererseits eine Messzelle (14) hat, gebildet durch ein Höchstfrequenzleitungs-Teilstück, dessen distales Ende mit einem Kurzschluss endet, wobei dieses Teilstück eine Außenwand hat, die porös ist oder Öffnungen aufweist und deren Dielektrikum im Wesentlichen durch eine Probe eines homogenen dielektrischen Materials gebildet wird, dessen Permittivität eine monotone Funktion der Hydrometrie in dem betreffenden Messbereich ist, – elektronische Leseeinrichtungen, die aufgrund von Signalen, die das Höchstfrequenzkabel durchlaufen haben, ermöglichen, die Werte der reellen und imaginären Teile der Permittivität zu bestimmen, um das Maß der Feuchtigkeit und der Temperatur durch Korrelation mit Wertetabellen zu bestimmen, die vorher mit Hilfe einer anderen hydrometrischen Messmethode experimentell erstellt wurden.
Hydrometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektronischen Leseeinrichtungen Einrichtungen umfassen: um diese Signale zu digitalisieren, um sie einem Frequenzfiltern zu unterziehen, um den komplexen Reflexionskoeffizienten im Frequenzbereich zu berechnen, um eine Fourier-Transformierte zu ermitteln, um den komplexen Reflexionskoeffizienten im Zeitbereich zu berechnen und dann um die Werte der reellen und imaginären Teile der Permittivität zu bestimmen.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Leseeinrichtungen sich an demselben Ende des Höchstfrequenzkabels wie die Generatoreinrichtungen der sinusförmigen Wellenzüge befinden und mit diesem Höchstfrequenzkabel durch einen Richtungskoppler verbunden sind.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Höchstfrequenzkabel koaxial ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei der das Höchstfrequenzkabel bifilar abgeschirmt ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Höchstfrequenzkabel bifilar unabgeschirmt ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Messzelle mit dem Höchstfrequenzkabel koaxial ist und dieses auf Höhe dieser Zelle eine brüske Verengung aufweist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Einrichtung, die fähig ist, der eintreffenden Welle nur einen Teil mit einer ausreichenden Energie zu entnehmen, ein Leistungsteiler ist, und die Messzelle sich in einer Abzweigung in Bezug auf das Höchstfrequenzkabel befindet.
Hydrometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Außenwand der Messzelle Schlitze aufweist, die entsprechend Ausbreitungsvektoren der Welle orientiert sind.
Hydrometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Außenwand der Messzelle porös ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 6 oder den Ansprüchen 1, 4 und 6, bei der die Messzelle einen Hohlraum von hohler zylindrischer Form umfasst, abgegrenzt durch: – eine leitfähige zylindrische Innenoberfläche, die auch die Abschirmung des eingeengten Teils des Höchsffrequenzkabels bildet, – eine leitfähige zylindrische Außenoberfläche, elektrisch durch ihre beiden Enden mit der Abschirmung der beiden Höchstfrequenzkabelstücke, die sie umgeben, verbunden, – den distalen Teil dieses Hohlraums, gebildet durch eine leitfähige Scheibe, die über 360° den Kontakt zwischen den beiden zylindrischen Oberflächen und dem flussabwärts befindlichen Teil des Höchstfrequenzkabels herstellt, wobei dieser Hohlraum an seinem dem Generator zugewandten Ende mit dem gleichen Dielektrikum wie das Kabel gefüllt ist, das den ganzen Raum zwischen den beiden Zylindern über eine Länge von einigen Millimetern einnimmt, und in dem restlichen Teil mit der Probe aus homogenem dielektrischem Material gefüllt ist, dessen Permittivität eine monotone Funktion der Hydrometrie ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, bei der die Messzelle einen Hohlraum von hohler zylindrischer Form umfasst, abgegrenzt durch: – eine leitfähige zylindrische Innenoberfläche, die auch die Abschirmung des eingeengten Teils des Höchstfrequenzkabels bildet, – eine leitfähige zylindrische Außenoberfläche, elektrisch durch ihre beiden Enden mit der Abschirmung der beiden Höchstfrequenzkabelstücke, die sie umgeben, verbunden, – den distalen Teil dieses Hohlraums, gebildet durch eine leitfähige Scheibe, die über 360° den Kontakt zwischen den beiden zylindrischen Oberflächen herstellt, wobei dieser Hohlraum an seinem dem Generator zugewandten Ende mit dem gleichen Dielektrikum wie das Kabel gefüllt ist, das den ganzen Raum zwischen den beiden Zylindern über eine Länge von einigen Millimetern einnimmt, und in dem restlichen Teil mit der Probe aus homogenem dielektrischem Material gefüllt ist, dessen Permittivität eine monotone Funktion der Hydrometrie ist.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine (oder mehrere) distale Messzelle(n) der eintreffenden Höchstfrequenzwelle einen größeren Teil entnimmt (entnehmen) als die am nächsten bei der Quelle befindlichen Zellen.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrika des Höchstfrequenzkabels und der Messzelle eine kontinuierliche Struktur haben.
Hydrometrische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem selben Generator sinusförmiger Wellenzüge, einer Multiplexeinrichtung, die diese Wellenzüge sukzessiv auf ein Ende von mehreren Höchstfrequenzkabeln schaltet, einem mit jedem dieser Höchstfrequenzkabel verbundenen Vektorvoltmeter (43) und den elektronischen Einrichtungen, die ermöglichen, den komplexen Reflexionskoeffizienten im Frequenzbereich zu berechnen, eine Fourier-Transformierte zu ermitteln, um den komplexen Reflexionskoeffizienten im Zeitbereich zu berechnen und dann die Werte der reellen und imaginären Teile der Permittivität zu bestimmen, um das Maß der Feuchtigkeit und der Temperatur durch Korrelation mit Wertetabellen zu bestimmen, die vorher mit Hilfe einer anderen hydrometrischen Messmethode experimentell erstellt wurden.
Hydrometrische Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich die Leseeinrichtungen an dem Ende des Höchstfrequenzkabels befinden, das demjenigen entgegengesetzt ist, das mit den Generatoreinrichtungen sinusförmiger Wellenzüge verbunden ist.
Hydrometrisches Messsystem mit wenigstens einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator sinusförmiger Wellenzüge und die elektronischen Leseeinrichtungen durch einen Netzanalysator gebildet werden.
Hydrometrisches Messsystem mit wenigstens einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator sinusförmiger Wellenzüge ein Frequenzsynthesator ist und die elektronischen Leseeinrichtungen durch ein Vektorvoltmeter (43) gebildet werden, das mit digitalen Verarbeitungseinrichtungen verbunden ist.