EP1190239A2 - Streufeldsonde - Google Patents
StreufeldsondeInfo
- Publication number
- EP1190239A2 EP1190239A2 EP00931258A EP00931258A EP1190239A2 EP 1190239 A2 EP1190239 A2 EP 1190239A2 EP 00931258 A EP00931258 A EP 00931258A EP 00931258 A EP00931258 A EP 00931258A EP 1190239 A2 EP1190239 A2 EP 1190239A2
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- probe according
- field
- stray
- stray field
- electric field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
- G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
Definitions
- the invention relates to a stray field probe for measuring the dielectric properties of substances, with generating means for generating an electrical field, with shielding means for shielding the generated electrical field, the shielding means being designed such that the electrical field is at least partially outside the shielding means.
- Stray field probes of this type are known from the prior art. Using a stray electromagnetic field, these stray field probes measure dielectric properties of substances that are located in the stray electromagnetic field. For example, with the help of such stray field probes, the effective dielectric constant of a substance can be measured, in order to in turn indirectly determine the type of substance, its moisture, its density and the like. close. For a better understanding of such stray field probes and in particular for a better understanding of the present invention, the general technical background of such stray field probes will be discussed first. The aforementioned stray field probes are more generally referred to as dielectric probes. Such dielectric probes preferably generate an electrical high-frequency alternating field.
- the substance to be examined is then brought into this high-frequency alternating field, which increases the displacement current.
- a capacitor formed in this way is preferably part of a resonant circuit. Because the resonance increase in the field strength increases the sensitivity of the dielectric probe for determining changes in the dielectric constant.
- a dielectric constant that increases as a result of the introduction of the substance to be examined lowers the resonance frequency, while losses in the substance to be examined dampen the resonance.
- the substance to be examined can be introduced into the resonator.
- Such a procedure is known, for example, from our own patent application DE 1 97 05 260 A1 and the associated additional application DE 1 97 34 978 A1.
- the resonator of the dielectric probe is arranged in a housing, which housing each has an inlet and an outlet opening.
- a string of tobacco, in particular a string of cigarettes, is then passed through this inlet or outlet opening according to the device disclosed therein.
- the resonance frequency of the resonance circuit is influenced and measurement of the properties of the cigarette rod, for example the moisture or the density of the cigarette rod, is possible.
- a precise measuring method for measuring these resonance shifts is also described in the cited documents, so that a new description is not required at this point and reference is expressly made to the measuring methods described in the cited documents.
- the moisture of the substance to be examined i.e. in the tobacco processing industry
- the moisture of the tobacco to be processed can be measured very early. So it is desirable in the tobacco processing industry to examine the tobacco as bulk goods, i.e. even before the tobacco is introduced into the tobacco rod. Because only at this point can the moisture of the tobacco be sufficiently influenced. If the tobacco has already been processed into the tobacco rod, the moisture of the tobacco processed in this way can no longer be influenced sufficiently. From this it follows that it is necessary that the substance to be examined is not introduced as a sample into the resonator itself, but that it is guided past a resonator, from which resonator a stray field emerges. Such an embodiment of a resonator relates to the present invention, in particular the stray field probe of the present invention mentioned at the beginning.
- the substance to be examined is thus passed through a stray field present on the outside of the actual resonator.
- the resonator should preferably be designed such that the electrical field of the resonator is at least partially outside a shielding means, while the rest of the electrical field and also the magnetic field are within the shielding means and thus not with the substance to be examined, for example, the bulk tobacco to be examined interacts.
- the stray field probes of the type mentioned at the outset only a portion of the electric field which is located within the shielding means is coupled into the outside.
- the stray electrical field coupled into the exterior interacts with the substance to be examined.
- the measurement in the microwave range has proven to be particularly advantageous.
- inhomogeneous substances By decoupling the stray field according to the invention at two points of the shielding means, it is advantageously possible for inhomogeneous substances to have their dielectric properties even at small openings / points through which the stray field emerges or comes into contact with the substance to be examined examine. The moisture of the investigated substance can then be determined from these dielectric properties. It is thus possible thanks to the invention, even with inhomogeneous substances, such as leaf tobacco, which has an inhomogeneous moisture and density distribution, by a sufficiently large number of points for decoupling the electrical field or for coupling the electrical field to the one to be examined To carry out averaging of the individual measured values and thus to obtain a more precise measured value than was previously possible in the prior art.
- the disadvantages resulting from the arrangement of a large number of independent stray field probes according to EP-A-0 558 759 A1 are avoided by the invention.
- the invention uses only a single stray field probe or a single stray field resonator while it at the same time, the stray field is coupled into the outside at several points. It is thus possible according to the invention to cover a large surface area with the aid of a resonator according to the invention without having to accept the disadvantages of large openings, ie radiation.
- the invention is therefore particularly advantageously suitable for use in the tobacco processing industry. Because - as already mentioned several times - it is particularly important to analyze loose tobacco or leaf tobacco, which is inhomogeneous in terms of density and moisture. Such an analysis is now possible thanks to the invention in a simple manner with high accuracy.
- the electromagnetic field generated by the generating means is preferably a high-frequency alternating field.
- the generating means are preferably designed so that the stray field probe forms a resonator, i.e. that the high-frequency alternating field is in resonance.
- the preferred measurement method in this context and the exact measurement setup is described in the above-mentioned German patent applications DE 1 97 05 260 A1 and DE 1 97 34 978 A1. A renewed explanation is therefore omitted here, since the method described in these publications can be transferred to the present invention by the person skilled in the field of microwave measurement technology without problems.
- the shielding means are designed as a housing for the generating means.
- the openings are designed as holes in the housing.
- the housing is preferably a metallic housing.
- a particularly preferred embodiment decouples the electric field at locations of the same amplitude of the electric field by arranging the openings in the shielding means or in the housing such that they are located at the locations of the same amplitude. It is particularly preferred if the locations of the same amplitude are the maximum electric field of the same name.
- the locations of the same amplitude are the maximum electric field of the same name.
- a series of stray field probes or stray field resonators can be completely dispensed with.
- a single stray field resonator is sufficient to provide several measurement points with the aid of the plurality of openings, so that inhomogeneous measurement objects can also be measured.
- measurement of leaf tobacco or loose tobacco for example, which has an inhomogeneous density and moisture distribution, is also possible without any problems.
- the generating means for generating the resonant electric field are designed as waveguides.
- the waveguide is preferably designed as a line resonator by short-circuiting at both ends.
- the length of the waveguide is particularly preferably selected so that it is an integral multiple of half the wavelength. It is particularly preferred if the length of the waveguide is three times half the wavelength, even more preferably at least ten times half the wavelength at resonance.
- any number of measuring points can therefore advantageously be provided by simple means.
- the line resonator can be designed as a meander. In this way, a maximum number of measuring points per area can be accommodated.
- the surface is then preferably the surface of a wall on which the bulk material to be measured, for example the loose tobacco to be measured, is guided past.
- Another preferred embodiment has a waveguide designed as a cross. It is particularly preferred if the integer multiple of half the wavelength, which forms the total length of the cruciform waveguide, is an odd integer multiple of half the wavelength. Because at In such an embodiment, the electrical field, for example a microwave field, can be coupled into the waveguide in the middle of the line. Such an arrangement, which can also be selected with a meandering arrangement of the waveguide, prevents additional resonances occurring at frequencies other than the desired resonance frequency if the waveguide is long. Because such resonances can lead to mutually interfering resonances with a long length of the waveguide or with many openings in the shielding means, for example in the housing around the resonator serving as generating means.
- the choice of the target frequency as an odd multiple of half the wavelength is an advantageous countermeasure in this regard. Because then there is a field maximum in the middle of the line resonator. If the field is now coupled into the line resonator at this point, all resonances at which n is even are suppressed, since those there have a field zero. Such suppression of undesired resonances is also ensured in other embodiments which provide any coupling of the electrical field into the line resonator which is symmetrical with respect to the center of the waveguide.
- each leg of the cross has a length which corresponds to five times half the wavelength of the resonance. In this way, including a measuring point provided in the middle, five measuring points or openings can be provided in the housing for the line resonator.
- This embodiment was therefore a particularly simple and compact embodiment of the invention, which at the same time provides a sufficient number of measuring points.
- the distance between the actual line resonator and the housing which surrounds the line resonator is preferably provided by a pin connected to the line resonator at the points at which the electrical field is coupled out into the outer space, which pin is perpendicular to the Line resonator stands.
- the stray field can be coupled out particularly easily in order to interact with the material to be measured.
- the line length of the pins, which lead from the line resonator to the respective measuring window or opening in the shielding means are included in the length of the waveguide or line resonator. It is particularly preferred if the waveguide is designed with high resistance. This design of the waveguide results in a particularly high quality of the line resonator thus formed, so that the measurement results also have a special quality.
- the electrical field is coupled into the housing through openings in the housing surrounding the line resonator, which openings lie opposite the actual measurement openings in the housing.
- the coupling and decoupling is carried out with the help of appropriate antennas.
- the coupling of the electric field into the resonator is preferably carried out in the middle of the resonator.
- the decoupling can - but this is not absolutely necessary - be provided in the vicinity of the line ends of the line resonator, since there the conversion into the suppressed interference modes is low.
- a symmetrical arrangement of the coupling antennas i.e. a symmetrical decoupling completely avoids such conversion.
- Another preferred embodiment uses a cavity resonator as the generating means for generating the electrical resonant field.
- the electric field is coupled into the cavity, preferably in the middle of the cavity.
- the coupling of the generated electrical resonant field in the cavity resonator to the outside or to the measurement object takes place via antennas.
- These antennas are preferably designed as cylinders made of a dielectric, more preferably made of plexiglass cylinders.
- FIG. 2 shows an embodiment of the invention with a meandering waveguide
- Fig. 3 shows the embodiment of Figure 2 in a side view.
- Fig. 4 shows an embodiment of the invention with a cross shape arranged waveguide
- Fig. 5 is an exploded view of the embodiment of Fig. 4;
- Fig. 6 is a side view of the embodiment of Fig. 4;
- FIG. 7 shows a schematic plan view of a further embodiment of the invention with a cavity resonator
- Fig. 8 shows the electrical field distribution of the cavity resonator
- Fig. 9 shows a disturbing field distribution of the cavity resonator
- FIG. 1 schematically shows the principle of the present invention.
- the electric field is symbolized by the letter E.
- the corresponding magnetic field is symbolized by the letter H.
- the letter I symbolizes the length of the waveguide used in this embodiment.
- the signs "+” and "-” symbolize half-waves of the same name of the electric field E.
- the openings in the shielding means according to the invention are arranged at the locations of the shielding means which are adjacent to that in FIG + designated amplitudes of the same name of the electric field E.
- FIG. 2 shows an embodiment of the invention with a line resonator 2 arranged in a meandering shape in a schematic plan view.
- the schematically illustrated line resonator 2 is arranged in a plane parallel to the paper plane in FIG. 2.
- the line resonator 2 is located in a housing 4.
- the housing 4 has a wall 4a facing the viewer in FIG. 2.
- the wall 4a is interrupted for the purpose of illustration within the dashed line 6 in order to be able to represent the line resonator 2 arranged in a meandering manner.
- the line resonator 2 is a dielectric waveguide, which is short-circuited at its ends 8 in order to produce the line resonator 2.
- the housing has 4 openings 10.
- the openings 1 0 are circular.
- the diameter of the openings 1 0 is small compared to that through the Line resonator 2 generated resonance wavelength.
- the small arrow that extends radially from the center of the openings 10 symbolizes the stray electrical field coupled out from the housing resonator 2 at these points from the housing wall 4a in the direction of the viewer of FIG. 2.
- This stray electrical field is emitted by pins 1 2 arranged perpendicular to the plane of the drawing on the line resonator 2 at the center of the openings 10.
- the pins 1 2 thus serve as decoupling antennas for decoupling the stray electrical field from the line resonator 2 to the outside of the housing 4.
- the arrangement of the openings 1 0 and the pins 1 2 is chosen so that the openings 1 0 and the pins 1 2 are located at the same amplitude at the same place as the electrical field generated by the line resonator 2. 1, the pins 1 2 are located at the amplitude maxima of the electric field E denoted by the sign "+" in FIG. 1.
- FIG. 3 shows the embodiment of FIG. 2 in a side view.
- the same parts are labeled with the same reference numerals.
- the arrows from the pins 1 2 on the line resonator 2 which arc in the openings 10 in the housing wall 4a, symbolize outward and again on the outside 4b of the housing wall 4a, the stray field coupled out by the line resonator 2 by means of the pins 1 2.
- FIG. 3 the lower wall 4c of the housing 4 serving as shielding means is shown in FIG. 3.
- the lower wall 4c runs parallel to the upper wall 4a of the housing 4.
- the lower wall 4c has an opening 14 in the middle.
- a coupling antenna 1 6 with its longitudinal axis perpendicular to the plane of the lower wall 4c. The field is coupled into the housing 4 or the line resonator 2 from the coupling antenna 1 6.
- a substance is to be examined for its dielectric properties, this substance is directed past the stray field probe 1, which is supplied with the electrical field via the coupling antenna 1 6, directly past the outside 4b of the wall 4a of the housing 4.
- loose tobacco is to be examined for its dielectric properties in order, for example, to determine the moisture of the tobacco, this is shown on the first side 4b of the wall 4a by the stray field of the symbolized in FIG. 3 by the arrow above the wall 4a Line resonator 2 passed through. This can happen, for example, in that the stray field resonator 1 is part of an almost vertical, but slightly opposite, vertical wall, along which the loose tobacco glides.
- This resonance of the loose tobacco through the stray field emitted by the pins 1 2 changes the resonance curve of the line resonator 2.
- This change in the resonance frequency and the damping of the resonance frequency can be determined with the aid of the methods and test setups described in German patent applications DE 1 97 05 260 A1 and DE 1 97 34 978 A1. Subsequently, the average moisture content of the loose tobacco gliding past the outside 4b of the wall 4a can be determined.
- the housing 4 of the stray field probe preferably consists of a material with a low coefficient of thermal expansion. This material preferably contains an alloy that is approximately 64% iron and approximately 36% nickel.
- the housing 4 can have a temperature control arrangement, not shown, which keeps the working temperature of the housing 4 at least approximately constant.
- This temperature control arrangement of the housing 4 can have a sensor (not shown) for the temperature of the housing 4, which sensor controls a transistor (not shown) in such a way that the heat loss from the transistor keeps the temperature of the housing 4 at least approximately constant, preferably above the ambient temperature.
- the walls 4a, 4c and also the side walls of the housing 4 are further preferably at least partially coated on their inner sides with a corrosion-resistant metal or at least partially consist of such a metal.
- This coating is preferably made of an electrically highly conductive metal.
- the outer surfaces 4b, 4d and also the lateral outer surfaces of the housing 4 can also be coated with a corrosion-resistant metal.
- This coating metal preferably contains gold.
- the surface 4a of the housing 4 can preferably additionally be at least partially coated with a plastic of the polyaryl ether ketone (PEAK) group, in particular with a plastic made of polyether ether ketone (PEEK).
- PEAK polyaryl ether ketone
- PEEK polyether ether ketone
- a further layer (not shown) made of such a plastic can also be attached to the outside 4b of the outside wall 4a parallel to the first wall 4a.
- the line resonator 2 is arranged in a cross shape.
- the line resonator 2 is through a dielectric waveguide formed, which is short-circuited at its ends 8.
- Pins 1 2 are also provided in the stray field probe 1 with a cross-shaped line resonator 2 for coupling the resonant electric field of the line resonator 2 to the substance to be measured.
- the pins 1 2 for decoupling the stray field into the outside space are arranged perpendicular to the line resonator 2 or to the plane of the drawing in FIG. 4.
- FIG. 5 shows schematically in an exploded view the structure of the stray field probe 1 from FIG. 4.
- the same parts are identified with the same reference numerals.
- 5 shows the housing 4.
- the line resonator 2 is embedded in the housing 4 in a cross-shaped recess 18.
- the pins 1 2, which are perpendicular to the line resonator 2 can be clearly seen.
- the housing 4 of the stray field probe 1 shown in FIGS. 4 and 5 is flat to be used in the above-mentioned bulkheads for loose tobacco.
- a cover 20 is placed on the housing 4.
- the cover 20 is made of an electrically conductive material.
- the cover 20 has openings 10.
- the center of the circular openings 1 0 lies exactly above the pins 1 2 in the extension of the longitudinal axis of the pins 1 2. Further above in FIG. 5 is shown an end plate 22.
- This end plate 22 consists of the above-mentioned non-conductive, non-metallic material PEEK . This end plate 22 serves to protect the recess 1 8 in the housing 4, the line resonator 2 with the pins 1 2 and also the cover plate 20 against external influences.
- FIG. 6 shows a schematic side view of the stray field probe 1 shown in FIGS. 4 and 5.
- the same parts are designated by the same reference numerals.
- the end plate 22 is not shown in this illustration.
- the electric field E is also indicated schematically in FIG. 6 by dashed lines. Fig. 6 that the maxima of the electric field E, which is resonant through the line resonator
- a coupling antenna 1 6 is guided into the housing 4 through an opening 24.
- the Einkoppelantelle 1 6 lies exactly below the pin 1 2 arranged in the middle (see Fig. 5).
- a coupling-out antenna 26 is provided for coupling out through an opening 28 provided on the edge of the housing 4 in the lower wall 4c of the housing 4.
- FIG. 7 schematically shows a stray field probe 1 that uses a cavity resonator 30.
- 7 symbolizes an H303 resonator. This means that three half-waves in the x- and z-direction and no half-wave in the y-direction can be propagated in the resonator (see the coordinate cross x, y, z, in FIG. 7).
- the coupling or decoupling takes place via coupling antennas 16 and 26 respectively.
- the cavity resonator 30 of FIG. 7 also has openings 10 in its cover 20. Under each opening is a plexiglass cylinder, not shown, which holds an antenna, not shown. The desired stray field can thus form between the antenna (not shown) and the cover 20. 7, only maxima of the same name of the electrical resonant field are provided with an opening 10 to the outside.
- FIG. 8 shows the electrical field distribution in a three-dimensional diagram.
- FIG. 8 shows the maxima of the electric field indicated in FIG. 7 by the sign "+".
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Streufeldsonde zum Messen von dielektrischen Eigenschaften von Stoffen, mit Erzeugungsmitteln zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, mit Abschirmmitteln zum Abschirmen des erzeugten elektrischen Feldes, wobei die Abschirmmittel derart ausgebildet sind, dass sich das elektrische Feld zumindest teilweise ausserhalb der Abschirmmittel befindet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abschirmmittel zur Auskopplung des elektrischen Feldes in den Aussenraum mindestens zwei Öffnungen aufweisen.
Description
Streufeldsonde
Die Erfindung betrifft eine Streufeldsonde zum Messen von dielektrischen Eigenschaften von Stoffen, mit Erzeugungsmitteln zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, mit Abschirmmitteln zum Abschirmen des erzeugten elektrischen Feldes, wobei die Abschirmmittel derart ausgebildet sind, daß sich das elektrische Feld zumindest teilweise außerhalb der Abschirmmittel befindet.
Derartige Streufeldsonden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Streufeldsonden messen mit Hilfe eines elektromagnetischen Streufeldes dielektrische Eigenschaften von Stoffen, die sich in dem elektromagnetischen Streufeld befinden. So läßt sich beispielsweise mit Hife derartiger Streufeldsonden die effektive Dielektrizitätskonstante eines Stoffes messen, um daraus wiederum indirekt auf die Art des Stoffes, seine Feuchte, seine Dichte u.dgl. zu schließen. Zum besseren Verständnis derartiger Streufeldsonden und insbesondere zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei zunächst auf den allgemeinen technischen Hintergrund derartiger Streufeldsonden eingegangen.
Die vorgenannten Streufeldsonden werden allgemeiner als Dielektrometersonden bezeichnet. Derartige Dielektrometersonden erzeugen bevorzugt ein elektrisches hochfrequentes Wechselfeld. In dieses hochfrequente Wechselfeld wird dann der zu untersuchende Stoff gebracht, wodurch sich der Verschiebungsstrom erhöht. Ein auf diese Weise gebildeter Kondensator ist vorzugsweise Bestandteil eines Resonanzkreises. Denn durch die Resonanzüberhöhung der Feldstärke vergrößert sich die Empfindlichkeit der Dielektrometersonde zur Bestimmung von Änderungen der Dielektrizitätskonstanten. Eine durch das Einbringen des zu untersuchenden Stoffes sich vergrößernde Dielektrizitätskonstante senkt die Resonanzfrequenz, während Verluste in dem zu untersuchenden Stoff die Resonanz bedampfen.
Zum Untersuchen des Stoffes gibt es zwei Möglichkeiten. Zum einen kann der zu untersuchende Stoff in den Resonator eingebracht werden. Ein derartiges Vorgehen ist beispielsweise aus der eigenen Patentanmeldung DE 1 97 05 260 A1 und der zugehörigen Zusatzanmeldung DE 1 97 34 978 A1 bekannt. Bei den dort gezeigten Vorrichtungen ist der Resonator der Dielektrometersonde in einem Gehäuse angeordnet, welches Gehäuse jeweils eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung aufweist. Durch diese Einlaß- bzw. Auslaßöffnung wird dann gemäß der dort offenbarten Vorrichtung ein Strang aus Tabak, insbesondere ein Zigarettenstrang hindurchgeleitet. Somit wird bei derdort gezeigten Vorrichtung durch das Hindurchleiten des Zigarettenstranges durch den Resonator die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises beeinflußt und so eine Messung der Eigenschaften des Zigarettenstranges, beispielsweise der Feuchte oder der Dichte des Zigarettenstranges, möglich. In den genannten Druckschriften ist auch ein genaues Meßverfahren zum Messen dieser Resonanzverschiebungen beschrieben, so daß an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet wird und auf die in den genannten Druckschriften beschriebenen Meßverfahren ausdrücklich verwiesen wird.
Die in den vorgenannten Druckschriften beschriebenen Anordnungen und Verfahren zum Messen der Dichte eines Stoffes, insbesondere zum Messen der Dichte eines Tabakstranges, haben sich im Stand der Technik bewährt. Denn aufgrund der in den oben genannten Druckschriften offenbahrten Verfahren und Anordnungen läßt sich die Dichte in einem Regelkreis messen, welcher gleichzeitig die Dichte beeinflußt. So läßt sich mit Hilfe dieser Vorrichtungen die Dichte eines derart untersuchten Stoffes, beispielsweise des mehrfach erwähnten Tabakstranges, genau einstellen.
Das in den genannten Druckschriften beschriebene Verfahren mißt den Resonanzwert an mindestens zwei Punkten der Resonanzkurve des Resonators, durch welchen der Stoff hindurchgeführt wird. Außer dem Mittelwert der gemessenen Werte und der Differenz können die dielektrischen Eigenschaften, z.B. die Feuchte des Stoffes und daraus dann die Dichte des Stoffes berechnet werden.
Insbesondere in der tabakverarbeitenden Industrie ist es jedoch wünschenswert, daß insbesondere die Feuchte des zu untersuchenden Stoffes, d.h. bei der tabakverarbeitenden Industrie die Feuchte des zu verarbeitenden Tabaks, sehr frühzeitig gemessen werden kann. So ist es in der tabakverarbeitenden Industrie wünschenswert, den Tabak noch als Schüttgut zu untersuchen, d.h. noch vor der Einbringung des Tabaks in den Tabakstrang. Denn nur zu diesem Zeitpunkt kann noch die Feuchte des Tabaks ausreichend beeinflußt werden. Ist der Tabak bereits in den Tabakstrang verarbeitet, so kann die Feuchte des derart verarbeiteten Tabaks nicht mehr ausreichend beeinflußt werden. Aus diesem ergibt sich, daß es erforderlich ist, daß der zu untersuchende Stoff nicht als Probe in den Resonator selbst eingebracht wird, sondern daßdieser an einem Resonator vorbeigeführt wird, aus welchem Resonator ein Streufeld heraustritt. Eine solche Ausführungsform eines Resonators betrifft die vorliegenden Erfindung, insbesondere die eingangs genannte Streufeldsonde der vorliegenden Erfindung.
Bei derartigen Streufeldsonden wird der zu untersuchende Stoff somit durch ein außen am eigentlichen Resonator vorhandenes Streufeld hindurchgeführt. Zu diesem Zweck ist der Resonator vorzugsweise so zu gestalten, daß sich das elektrische Feld des Resonators zumindest teilweise außerhalb eines Abschirmmittels befindet, während der Rest des elektrischen Feldes und auch das magnetische Feld sich innerhalb des Abschirmmittels befinden und somit nicht mit dem zu untersuchenden Stoff, beispielsweise dem zu untersuchenden Schüttabak, in Wechselwirkung geraten. Somit wird bei den Streufeldsonden der eingangs genannten Art nur ein Anteil des elektrischen Feldes, welches sich innerhalb der Abschirmmittel befindet, in den Außenraum gekoppelt. Dort tritt das in den Außenraum gekoppelte elektrische Streufeld in Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Stoff . Für die Messung der Feuchte von zu untersuchenden Stoffen, beispielsweise der Feuchte eines Tabaks, hat sich insbesondere die Messung im Mikrowellenbereich als vorteilhaft erwiesen.
Um nun mit Hilfe derartiger Streufeldsonden die bereits oben erwähnten Verluste in dem zu untersuchenden Stoff genau bestimmen zu können, ist es erforderlich,
daß Abstrahlungsverluste der Streufeldsonde vermieden werden. Dies ist notwendig, denn neben derartigen Verlusten in dem zu untersuchenden Stoff treten bei unmagnetischen Materialien neben Ohm'schen Verlusten in den Leitern, die bekannt sind, nur noch dielektrische Verluste auf . Letztere sind das Ziel der Messung. Es gilt daher, die Abstrahlungsverluste möglichst weitgehend zu unterdrücken. Eine derartige Unterdrückung der Abstrahlungsverluste bedeutet, daß das Fernfeld des elektrischen Feldes unterdrückt wird, so daß nur noch ein Nahfeld in der Nähe der Streufeldsonde vorhanden ist. Die genannten Abstrahlungsverluste werden insbesondere dann vermieden, wenn sich die Strahlungsanteile des Fernfeldes für möglichst alle Winkellagen wegen ihrer Gegenphasigkeit auslöschen. Eine derartige gegenseitige Auslöschung der Strahlungsanteile im Fernfeld ist jedoch nur dann möglich, wenn der Durchmesser der Öffnung, durch welche Öffnung das Streufeld aus den Abschirmmitteln der Streufeldsonde austritt, deutlich kleiner als die verwendete Wellenlänge ist. Dies hat jedoch wiederum den Nachteil zur Folge, daß aufgrund des kleinen Durchmessers der Streufeldöffnungen in der Streufeldsonde nur in diesem Bereich Messungen beispielsweise der Feuchte des zu untersuchenden Stoffes vorgenommen werden können. Man erhält daher aufgrund derartig aufgebauter Streufeldsonden, d.h. bei Streufeldsonden mit kleinen Öffnungen nur punktuelle Messungen der Dielektrizitätskonstanten des zu untersuchenden Stoffes. Dies ist wiederum nachteilig, wenn der zu untersuchende Stoff inhomogen ist. Eine solche Inhomogenität ist beispielsweise bei Schüttgut vorhanden. Beispielsweise bei losem Tabak, wie er von der tabakverarbeitenden Industrie verwendet wird, ist bereits aufgrund der willkürlichen Anordnung der einzelnen Tabakfasern in dem losen Tabak eine starke Inhomogenität vorhanden. Die Feuchte eines derartig inhomogenen Tabaks läßt sich daher nur sehr ungenau mit Hilfe punktförmig messender Streufeldsonden messen.
Zur Überwindung des vorgenannten Nachteils wurde nun im Stand der Technik vorgeschlagen, mehrere derartige Streufeldsonden zu verwenden. Mit Hilfe von mehreren Streufeldsonden oder Resonatoren würde es dann möglich sein, beispielsweise Blattabak, der oftmals teilweise auch nicht im klimatischen Gleichgewicht ist, auch bei ungleichmäßiger Feuchteverteilung im einzelnen Blatt des Blattabaks die Feuchte des Blattabaks näherungsweise zu bestimmen, indem über die verwendete Anzahl von Streufeldsonden gemittelt wird. Eine derartige Anordnung von mehreren Sonden ist beispielsweise aus der EP-A-0 558 759 A 1 bekannt.
Nachteilig bei der vorgenannten Anordnung von mehreren Resonatoren bzw.
Streufeldsonden ist es jedoch, daß - wenn beispielsweise im Mikrowellenbereich gemessen wird - die Mikrowellen über einen Powerdivider aufgeteilt werden müssen und hinter den Resonatoren bzw. Sonden wieder zusammengemischt werden müssen. Dies bedingt einen hohen Bauteileaufwand. Darüber hinaus ist es für eine solche Meßanordnung erforderlich, daß sehr hochwertige Resonatoren verwendet werden, um sicher zu stellen, daß alle Resonatoren mit identischer Resonanzfrequenz arbeiten. Alles in allem wird daher im Stand der Technik zur Überwindung der Probleme der Abstrahlung ein hoher technischer Aufwand betrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Streufeldsonde der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die vorgenannten Nachteile vermieden werden, und eine Streufeldsonde zur Verfügung gestellt wird, die auch inhomogene Stoffe oder Schüttgut zuverlässig auf ihre dielektrischen Eigenschaften, insbesondere auf ihre Feuchte untersuchen kann, während sie gleichzeitig einfach aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Streufeldsonde der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daßdie Abschirmmittel zur Auskopplung des elektrischen Feldes mindestens zwei Öffnungen aufweisen.
Durch das erfindungsgemäße Auskoppeln von dem Streufeld an zwei Stellen der Abschirmmittel ist es vorteilhaft möglich, auch bei kleinen Öffnungen/Stellen, durch die das Streufeld nach außen tritt, bzw. mit dem zu untersuchenden Stoff in Kontakt tritt, inhomogene Stoffe auf ihre dielektrischen Eigenschaften zu untersuchen. Aus diesen dielektrischen Eigenschaften läßt sich dann die Feuchte des untersuchten Stoffes bestimmen. Somit ist es dank der Erfindung möglich, auch bei inhomogenen Stoffen, wie etwa bei Blattabak, der eine inhomogene Feuchte- und Dichteverteilung aufweist, durch eine ausreichend große Anzahl von Stellen zur Auskopplung des elektrischen Feldes bzw. zur Kopplung des elektrischen Feldes mit dem zu untersuchenden Stoff eine Mittelung der einzelnen Meßwerte vorzunehmen und somit einen genaueren Meßwert zu erhalten, als dies bisher im Stand der Technik möglich war. Insbesondere werden durch die Erfindung auch die Nachteile vermieden, die sich aus dem Anordnen einer Vielzahl von unabhängigen Streufeldsonden gemäß der EP-A-0 558 759 A1 ergeben. Denn die dort notwendige aufwendige Baugleichheit der einzelnen Sonden bzw. die notwendige Aufteilung und Zusammenführung der elektromagnetischen Wellen vor und nach der Sonde ist aufgrund der Erfindung nicht mehr notwendig. Denn die Erfindung verwendet nur eine einzige Streufeldsonde bzw. einen einzigen Streufeldresonator, während sie
gleichzeitig das Streufeld an mehreren Stellen in den Außenraum auskoppelt. Somit wird es erfindungsgemäß möglich, einen großen Flächenbereich mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Resonators abzudecken, ohne daß die Nachteile großer Öffnungen, d.h. Abstrahlung, in Kauf genommen werden müssen. Die Erfindung eignet sich daher in besonders vorteilhafter Weise zur Verwendung in der tabakverarbeitenden Industrie. Denn dort kommt es - wie bereits mehrfach erwähnt - insbesondere darauf an, auch den bezüglich Dichte und Feuchte inhomogenen vorliegenden losen Tabak oder Blattabak zu analysieren. Eine solche Analyse ist nunmehr dank der Erfindung auf einfache Art und Weise bei gleichzeitig hoher Genauigkeit möglich.
Bevorzugt handelt es sich bei dem von den Erzeugungsmitteln erzeugten elektromagnetischen Feld um ein hochfrequentes Wechselfeld. Dabei sind die Erzeugungsmittel bevorzugt so ausgebildet, daß die Streufeldsonde einen Resonator bildet, d.h. daß sich das hochfrequente Wechselfeld in Resonanz befindet. Das in diesem Zusammenhang bevorzugte Meßverfahren und der genaue Meßaufbau ist in den bereits oben erwähnten deutschen Patentanmeldungen DE 1 97 05 260 A1 und DE 1 97 34 978 A1 beschrieben. Auf eine erneute Erläuterung wird daher hier verzichtet, denn das in diesen Druckschriften beschriebene Verfahren kann von dem Fachmann auf dem Gebiet der Mikrowellenmeßtechnik problemlos auf die vorliegende Erfindung übertragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Abschirmmittel als Gehäuse für die Erzeugungsmittel ausgebildet. Dabei sind die Öffnungen als Löcher in dem Gehäuse ausgebildet. Bei dem Gehäuse handelt es sich dabei bevorzugt um ein metallisches Gehäuse.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform koppelt das elektrische Feld an Orten gleicher Amplitude des elektrischen Feldes aus, indem die Öffnungen in den Abschirmmitteln bzw. in dem Gehäuse derart angeordnet sind, daß sie an den Stellen gleicher Amplitude liegen. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn es sich bei den Stellen gleicher Amplitude um gleichnamige maximales elektrischen Feldes handelt. Indem also die Abschirmung des in Resonanz befindlichen elektrischen Feldes an Stellen der gleichnamig gepolten Halbwellenmaxima des elektrischen Feldes unterbrochen wird, tritt eine Auskopplung eines Teiles des elektrischen Feldes als Streufeld nach außerhalb der Abschirmmittel derart auf, daß jede Auskopplung für sich genommen nicht strahlt, d.h. kein Fernfeld vorhanden ist. Auf diese Weise kommt es bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung
besonders vorteilhaft zu einer Begrenzung des Streufeldes auf die unmittelbare Nachbarschaft der derart aufgebauten Streufeldsonde. Denn durch die gleichnamige Polung der elektrischen Streufeidanteile, die aus der Streufeldsonde austreten, kann keine lange verbindende Feldlinie zwischen den verschiedenen Öffnungen in den Abschirmmitteln auftreten, welche Feldlinie zur Abstrahlung führen würde, da zwischen den einzelnen Öffnungen in den Abschirmmitteln im Außenfeld kein Potentialunterschied besteht.
Bei dieser Ausführungsform ist es daher besonders vorteilhaft, daß völlig auf eine Aneinanderreihung von mehreren Streufeldsonden bzw. Streufeldresonatoren verzichtet werden kann. Vielmehr ist dank der vorliegenden Erfindung bei dieser Ausführungsform ein einziger Streufeidresonator ausreichend, um mit Hilfe der mehreren Öffnungen mehrere Meßpunkte zur Verfügung zu stellen, so daß auch inhomogene Meßobjekte vermessen werden können. Somit ist mit Hilfe dieser Ausführungsform problemlos auch eine Messung beispielsweise von Blattabak oder losem Tabak möglich, welcher eine inhomogene Dichte- und Feuchteverteilung aufweist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Erzeugungsmittel zur Erzeugung des resonanten elektrischen Feldes als Wellenleiter ausgebildet. Der Wellenleiter wird dabei bevorzugt durch Kurzschluß an beiden Enden als Leitungsresonator ausgeführt. Dabei ist die Länge des Wellenleiters besonders bevorzugt so gewählt, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Länge des Wellenleiters das dreifache der halben Wellenlänge, noch weiter bevorzugt das mindestens zehnfache der halben Wellenlänge bei Resonanz beträgt. Bei diesen Ausführungsformen können daher vorteilhafterweise durch einfache Mittel eine beliebige Anzahl von Meßpunkten vorgesehen werden. Um beispielsweise eine ganze Fläche mit Meßpunkten zu versehen, kann der Leitungsresonator als Mäander ausgeführt sein. Auf diese Weise läßt sich eine maximale Anzahl von Meßpunkten pro Fläche unterbringen. Die Fläche ist dann bevorzugt die Oberfläche einer Wand, an der das zu vermessende Schüttgut, beispielsweise der zu vermessende lose Tabak, vorbeigeführt wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform weist einen als Kreuz ausgebildeten Wellenleiter auf. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn das ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge, welches die Gesamtlänge des kreuzförmigen Wellenleiters bildet, ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist. Denn bei
einer solchen Ausführungsform kann in der Mitte der Leitung das elektrische Feld, beispielsweise ein Mikrowellenfeld, in den Wellenleiter eingekoppelt werden. Eine solche Anordnung, die auch bei einer mäanderförmigen Anordnung des Wellenleiters gewählt werden kann, verhindert, daß bei einer großen Länge des Wellenleiters zusätzliche Resonanzen bei anderen Frequenzen als der gewünschten Resonanzfrequenz auftreten. Denn solche Resonanzen können bei einer großen Länge des Wellenleiters bzw. bei vielen Öffnungen in den Abschirmmitteln, beispielsweise in dem Gehäuse um den als Erzeugungsmittel dienenden Resonator, zu sich gegenseitig störenden Resonanzen führen. Die Wahl der Sollfrequenz als ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge ist diesbezüglich eine vorteilhafte Gegenmaßnahme. Denn dann befindet sich in der Mitte des Leitungsresonators betragsmäßig ein Feldmaximum. Wird nun an dieser Stelle das Feld in den Leitungsresonator eingekoppelt, werden alle Resonanzen, bei denen n gerade ist, unterdrückt, da jene dort eine Feldnullstelle aufweisen. Eine solche Unterdrückung unerwünschter Resonanzen ist bei anderen Ausführungsformen ebenfalls gewährleistet, die eine beliebige zur Mitte des Wellenleiters symmetrische Einkopplung des elektrischen Feldes in den Leitungsresonator bereitstellen.
Bei der bereits vorstehend erwähnten kreuzförmigen Anordnung des Leitungsresonators ist es besonders bevorzugt, daß jeder Schenkel des Kreuzes eine Länge aufweist, die dem fünffachen der halben Wellenlänge der Resonanz entspricht. Auf diese Weise lassen sich einschließlich eines in der Mitte vorgesehenen Meßpunktes fünf Meßpunkte bzw. Öffnungen in dem Gehäuse für den Leitungsresonator vorsehen. Bei dieser Ausführungsform handelte es sich somit um eine besonders einfache und kompakte Ausführungsform der Erfindung, die gleichzeitig eine ausreichende Anzahl von Meßpunkten zur Verfügung stellt.
Bei der vorstehend erwähnten kreuzförmigen Ausführungsform des Wellenleiters wird der Abstand zwischen dem eigentlichen Leitungsresonator und dem Gehäuse, welches den Leitungsresonator umgibt, bevorzugt durch an den Stellen der Auskopplung des elektrischen Feldes in den Außenraum jeweils ein mit dem Leitungsresonator verbundener Stift vorgesehen, welcher Stift senkrecht zum Leitungsresonator steht. Auf diese Weise läßt sich besonders einfach das Streufeld in den Außenraum auskoppeln, um mit dem zu messenden Stoff in Wechselwirkung zu treten. Dabei ist zu beachten, daß die Leitungslänge der Stifte, die von dem Leitungsresonator zu dem jeweiligen Meßfenster bzw. jeweiligen Öffnung in den Abschirmmitteln führen, in die Länge des Wellenleiters bzw. Leitungsresonators eingehen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Wellenleiter hochohmig ausgeführt wird . Durch diese Ausführung des Wellenleiters wird eine besonders hohe Güte des somit gebildeten Leitungsresonators erreicht, so daß die Meßergebnisse ebenfalls eine besondere Güte aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das elektrische Feld durch Öffnungen in dem den Leitungsresonator umgebenden Gehäuse in das Gehäuse eingekoppelt, welche Öffnungen den eigentlichen Meßöffnungen in dem Gehäuse gegenüberliegen. Dabei wird die Einkopplung und Auskopplung mit Hilfe von entsprechenden Antennen vorgenommen. Wie bereits oben erwähnt, wird die Einkopplung des elektrischen Feldes in den Resonator bevorzugt in der Mitte des Resonators vorgenommen. Die Auskopplung kann - dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich - in der Nähe der Leitungsenden des Leitungsresonators vorgesehen werden, da dort die Konversion in die unterdrückten Störmoden gering ist. Diesbezüglich sei angemerkt, daß eine symmetrische Anordnung der Auskoppelantennen, d.h. eine symmetrische Auskopplung derartige Konversion ganz vermeidet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform verwendet als Erzeugungsmittel zur Erzeugung des elektrischen resonanten Feldes einen Hohlraumresonator. Auch hier erfolgt die Einkopplung des elektrischen Feldes in den Hohlraumresonator bevorzugt in der Mitte des Hohlraumresonators. Die Kopplung des erzeugten elektrischen resonanten Feldes in dem Hohlraumresonator in den Außenraum bzw. an das Meßobjekt erfolgt über Antennen. Diese Antennen sind bevorzugt als Zylinder aus einem Dielektrikum, weiter bevorzugt aus Plexiglaszylindern ausgebildet.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in den Figuren der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip;
Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung mit mäanderförmig angeordneten Wellenleiter;
Fig. 3 die Ausführungsform der Fig. 2 in einer Seitenansicht;
Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung mit kreuzförmig
angeordnetem Wellenleiter;
Fig. 5 eine Explosionszeichnung der Ausführungsform der Fig. 4;
Fig. 6 eine Seitenansicht der Ausführungsform der Fig. 4;
Fig. 7 eine schematische Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Hohlraumresonator;
Fig. 8 die elektrische Feldverteilung des Hohlraumresonators der
Fig. 7; und
Fig. 9 eine störende Feldverteilung des Hohlraumresonators der
Fig. 7.
Die Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Mit dem Buchstaben E ist das elektrische Feld symbolisiert. Mit dem Buchstaben H ist das entsprechende magnetische Feld symbolisiert. Durch den Buchstaben I istdie Länge des in dieser Ausführungsform verwendeten Wellenleiters symbolisiert. Die Vorzeichen " + " und "-" symbolisieren gleichnamige Halbwellen des elektrischen Feldes E. Gemäß der Erfindung werden - wie vorstehend bereits erläutert - die Öffnungen in dem erfindungsgemäßen Abschirmmittel an den Stellen des Abschirmmittels angeordnet, die benachbart zu dem in der Fig. 1 mit + bezeichneten gleichnamigen Amplituden maximal des elektrischen Feldes E liegen.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mäanderförmig angeordneten Leitungsresonator 2 in einer schematischen Aufsicht. Der schematisch dargestellte Leitungsresonator 2 ist in einer zur Papierebene der Fig. 2 parallelen Ebene angeordnet. Der Leitungsresonator 2 befindet sich einem Gehäuse 4. Das Gehäuse 4 weist eine in der Fig. 2 dem Betrachter zugewandte Wand 4a auf. Die Wand 4a ist zu Darstellungszwecken innerhalb der gestrichelten Linie 6 unterbrochen, um den mäanderförmig angeordneten Leitungsresonator 2 darstellen zu können.
Bei dem Leitungsresonator 2 handelt es sich um eine dielektrischen Wellenleiter, welcher an seinen Enden 8 kurzgeschlossen ist, um den Leitungsresonator 2 zu erzeugen.
Weiterhin weist das Gehäuse 4 Öffnungen 1 0 auf. Die Öffnungen 1 0 sind kreisförmig. Der Durchmesser der Öffnungen 1 0 ist klein gegenüber der durch den
Leitungsresonator 2 erzeugten Resonanzwellenlänge. Im Bereich der Öffnungen 10 ist durch sich radial von dem Mittelpunkt der Öffnungen 1 0 erstreckende Pfeilchen das von dem Leitungsresonator 2 an diesen Stellen aus der Gehäusewand 4a in Richtung auf den Betrachter der Fig. 2 in den Außenraum ausgekoppelte elektrische Streufeld symbolisiert. Dieses elektrisches Streufeld wird von senkrecht zur Zeichnungsebene auf dem Leitungsresonator 2 in Höhe der Mittelpunkte der Öffnungen 10 angeordneten Stiften 1 2 abgestrahlt. Die Stifte 1 2 dienen demnach als Auskopplungsantennen zum Auskoppeln des elektrischen Streufeldes von dem Leitungsresonator 2 nach außerhalb des Gehäuses 4.
Die Anordnung der Öffnungen 1 0 bzw. der Stifte 1 2 ist so gewählt, daß sich die Öffnungen 1 0 bzw. die Stifte 1 2 an Stellen gleichnamige Amplituden maximal des von dem Leitungsresonator 2 erzeugten elektrischen Feldes befinden. Zieht man diesbezüglich die Fig. 1 heran, so befinden sich die Stifte 1 2 an den in der Fig. 1 mit dem Vorzeichen " + " bezeichneten Amplitudenmaxima des elektrischen Feldes E.
Die Fig. 3 zeigt die Ausführungsform der Fig. 2 in einer Seitenansicht. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Erneut symbolisieren die von den Stiften 1 2 auf dem Leitungsresonator 2 sich in die Öffnungen 10 in der Gehäusewand 4a bogenförmig nach außen und wieder auf die Außenseite 4b der Gehäusewand 4a auftreffenden Pfeilchen, das von dem Leitungsresonator 2 mittels der Stifte 1 2 ausgekoppelte Streufeld.
Zusätzlich ist in der Fig. 3 die untere Wand 4c des als Abschirmmittel dienenden Gehäuses 4 dargestellt. Die untere Wand 4c verläuft parallel zur oberen Wand 4a des Gehäuses 4. Die untere Wand 4c weist in der Mitte ein Öffnung 14 auf. In der Öffnung 1 4 befindet sich mit ihre Längsachse senkrecht zur Ebene der unteren Wand 4c eine Einkoppelantenne 1 6. Von der Einkoppelantenne 1 6 wird das Feld in das Gehäuse 4 bzw. den Leitungsresonator 2 eingekoppelt.
Soll nun ein Stoff auf seine dielektrischen Eigenschaften hin untersucht werden, wird dieser Stoff an der über die Einkoppelantenne 1 6 mit dem elektrischen Feld versorgte Streufeldsonde 1 direkt an der Außenseite 4b der Wand 4a des Gehäuses 4 vorbeigeleitet. Soll beispielsweise loser Tabak auf seine dielektrischen Eigenschaften hin untersucht werden, um beispielsweise die Feuchte des Tabaks festzustellen, so wird dieser an der ersten Seite 4b der Wand 4a durch das in der Fig. 3 durch die Pfeilchen oberhalb der Wand 4a symbolisierte Streufeld des
Leitungsresonators 2 hindurchgeführt. Dies kann etwa dadurch geschehen, daß der Streufeldresonator 1 Teil einer nahezu vertikalen, jedoch leicht gegenüber der vertikalen geneigten Wand ist, an der der lose Tabak entlanggleitet. Durch dieses Hindurchgleichen des losen Tabak durch das von den Stiften 1 2 abgestrahlte Streufeld wird die Resonanzkurve des Leitungsresonators 2 verändert. Diese Veränderung der Resonanzfrequenz und die Dämpfung der Resonanzfrequenz lassen sich mit Hife der in den deutschen Patentanmeldungen DE 1 97 05 260 A1 und DE 1 97 34 978 A1 beschriebenen Verfahren und Meßaufbauten feststellen. Anschließend läßt sich somit auf die durchschnittliche Feuchte des an der Außenseite 4b der Wand 4a vorbeigeglittenen losen Tabaks feststellen.
Das Gehäuse 4 der Streufeldsonde besteht bevorzugt aus einem Material mit einem niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Dieses Material enthält bevorzugt eine Legierung, die zu etwa 64% aus Eisen und zu etwa 36% aus Nickel besteht. Das Gehäuse 4 kann eine nicht dargestellte Temperaturregelanordnung aufweisen, die die Arbeitstemperatur des Gehäuses 4 zumindest annähernd konstant hält. Diese Temperaturregelanordnung des Gehäuses 4 kann einen nicht dargestellten Fühler für die Temperatur des Gehäuses 4 aufweisen, welcher Fühler einen nicht dargestellten Transistor derart steuert, daß die Verlustwärme des Transistors die Temperatur des Gehäuses 4 zumindest annähernd konstant hält, vorzugsweise oberhalb der Umgebungstemperatur konstant hält. Weiter bevorzugt sind die Wände 4a, 4c und auch die Seitenwände des Gehäuses 4 an ihren Innenseiten zumindest teilweise mit einem korrosionsbeständigen Metall beschichtet oder bestehen zumindest teilweise aus einem derartigen Metall. Diese Beschichtung ist bevorzugt aus einem elektrisch gut leitenden Metall ausgeführt. Auch können die Außenflächen 4b, 4d und auch die seitlichen Außenflächen des Gehäuses 4 mit einem korrosionsbeständigen Metall beschichtet sein. Dieses Beschichtungsmetall enthält bevorzugt Gold. Darüber hinaus kann die Oberfläche 4a des Gehäuses 4 bevorzugt zusätzlich zumindest teilweise mit einem Kunststoff der Polyaryletherketon (PEAK)- Gruppe, insbesondere mit einem Kunststoff aus Polyetheretherketon (PEEK), beschichtet sein. Auch kann parallel zur ersten Wand 4a eine weitere nicht dargestellte Schicht aus einem solchen Kunststoff an der Außenseite 4b der Außenwand 4a angebracht sein.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Streufeldsonde 1 . Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei der in der Fig. 4 dargestellten Streufeldsonde 1 ist der Leitungsresonator 2 kreuzförmig angeordnet. Auch hier ist der Leitungsresonator 2 durch einen dielektrischen Wellenleiter
gebildet, welcher an seinen Enden 8 kurzgeschlossen ist. Auch bei der Streufeldsonde 1 mit kreuzförmigen Leitungsresonator 2 sind Stifte 1 2 zum Ankoppeln des resonanten elektrischen Feldes des Leitungsresonators 2 an den zu vermessenden Stoff vorgesehen.
Auch bei dem kreuzförmig angeordneten Leitungsresonator 2 in der Streufeldsonde
1 gemäß der Fig. 4 sind die Stifte 1 2 zum Auskoppeln des Streufeldes in den Außenraum senkrecht zum Leitungsresonator 2 bzw. zur Zeichnungsebene der Fig. 4 angeordnet.
Die Fig. 5 zeigt schematisch in einer Explosionszeichnung den Aufbau der Streufeldsonde 1 aus der Fig. 4. Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 5 zeigt das Gehäuse 4. In dem Gehäuse 4 ist in einer kreuzförmigen Ausnehmung 1 8 der Leitungsresonator 2 eingebettet. In der perspektivischen Ansicht des Leitungsresonators 2 gemäß Fig. 5 sind die Stifte 1 2, die senkrecht auf dem Leitungsresonator 2 stehen, deutlich zu erkennen. Das Gehäuse 4 der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Streufeldsonde 1 ist flach ausgeführt, um in den oben erwähnten Schüttwänden für losen Tabak einsetzbar zu sein. Auf das Gehäuse 4 wird ein Deckel 20 aufgesetzt. Der Deckel 20 besteht aus einem elektrisch leitenden Material. Der Deckel 20 weist Öffnungen 10 auf. Der Mittelpunkt der kreisförmigen Öffnungen 1 0 liegt genau oberhalb der Stifte 1 2 in Verlängerung der Längsachse der Stifte 1 2. Weiter oberhalb in der Fig. 5 dargestellt ist eine Abschlußplatte 22. Diese Abschlußplatte 22 besteht aus dem oben erwähnten nicht leitenden nicht metallischen Material PEEK. Diese Abschlußplatte 22 dient dazu, die Ausnehmung 1 8 in dem Gehäuse 4, dem Leitungsresonator 2 mit den Stiften 1 2 und auch die Deckelplatte 20 vor äußeren Einflüssen zu schützen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Streufeldsonde 1 . In dieser Zeichnung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Abschlußplatte 22 ist in dieser Darstellung nicht dargestellt. Zusätzlich zu den körperlichen Gegenständen ist in der Fig. 6 auch das elektrische Feld E durch gestrichelte Linien schematisch angedeutet. Die Fig. 6, daß die Maxima des elektrischen Feldes E, welches resonant durch den Leitungsresonator
2 gebildet wird, exakt an den Positionen der Stifte 1 2 zum Auskoppeln des auch durch Pfeile dargestellten Streufeldes liegen. Da es sich um gleichnamige Maxima handelt (siehe Fig. 1 ), wird nur das durch die Pfeile dargestellte Streufeld durch die Öffnungen 1 0 in dem Deckel 20 gemäß der Pfeile nach außen gekoppelt. Ein Fernfeld, d.h. ein Abstrahlungsverlust entsteht jedoch aus den eingehend
erläuterten Gründen nicht.
Zur Einkopplung ist eine Einkoppelantenne 1 6 durch eine Öffnung 24 in das Gehäuse 4 geführt. Die Einkoppelantelle 1 6 liegt exakt unterhalb des in der Mitte angeordneten Stiftes 1 2 (siehe Fig. 5) . Zur Auskopplung ist eine Auskoppelantenne 26 durch eine am Rand des Gehäuses 4 in der unteren Wand 4c des Gehäuses 4 vorgesehenen Öffnung 28 vorgesehen.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Streufeldsonde 1 , die einen Hohlraumresonator 30 verwendet. Die Fig. 7 symbolisiert dabei einen H303-Resonator. Das bedeutet, daß in dem Resonator drei Halbwellen in x- und z-Richtung und keine Halbwelle in y- Richtung ausbreitungsfähig sind (siehe das Koordinatenkreuz x, y, z, in der Fig. 7). Auch bei dem Hohlraumresonator 30 der Fig. 7 erfolgt die Ein- bzw. Auskopplung über Koppelantennen 1 6 bzw. 26. In der Fig. 7 ist dabei das Verhältnis des Abstandes b' der Auskoppelantenne 26 zu der Seitenwand 32 des Hohlraumresonators 30 und der Gesamtbreite b des Hohlraumresonators 30 28/100.
Auch der Hohlraumresonator 30 der Fig. 7 weist Öffnungen 1 0 in seinem Deckel 20 auf. Unter jeder Öffnung steht ein nicht dargestellter Plexiglaszylinder, der jeweils eine nicht dargestellte Antenne hält. Zwischen der nicht dargestellten Antenne und dem Deckel 20 kann sich somit das gewünschte Streufeld bilden. Gemäß Fig. 7 sind immer nur gleichnamige Maxima des elektrischen resonanten Feldes mit einer Öffnung 1 0 nach außen versehen.
Die Fig. 8 zeigt die elektrische Feldverteilung in einem dreidimensionalen Schaubild. Die Fig. 8 zeigt die in der Fig. 7 durch das Zeichen " + " angedeuteten Maxima des elektrischen Feldes.
Neben der in der Fig. 8 dargestellten Resonanz H303 sind noch andere Resonanzen in dem Hohlraumresonator 30 vorhanden. Alle Resonanzen mit geraden Zahlen (z.B. H203, H204, H404, ...) können leicht unterdrückt werden, da sie alle im Mittelpunkt eine Nullstelle des elektrischen Feldes E aufweisen und an dieser Stelle die Einkopplung mit der Einkoppelantenne 1 6 erfolgt.
Eine störendere Resonanz liegt jedoch bei H 1 03 mit H 301 überlagert. Diese Resonanz hat eine Nullstelle des elektrischen Feldes E bei etwa 28% der Gesamtbreite auf der Symmetrieachse. Aus diesem Grund ist gemäß Fig. 7 die Auskoppelantenne 26 bei 28% (b') der Gesamtbreite b des Hohlraumresonators 30
vorgesehen. Dieser Wert läßt sich experimentell für jeden Hohlraumresonator 30 ermitteln. Die Fig. 9 zeigt die dreidimensionale Feldverteilung des elektrischen Feldes E bei der Resonanz H 1 03 mit H301 .
Claims
1 . Streufeldsonde zum Messen von dielektrischen Eigenschaften von Stoffen, insbesondere von losem Tabak, mit Erzeugungsmitteln (2, 30) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (E), mit Abschirmmitteln (4, 4a, 4c, 20) zum Abschirmen des erzeugten elektrischen
Feldes (E), wobei die Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) derart ausgebildet sind, daß sich das elektrische Feld (E) zumindest teilweise außerhalb der Abschirmmittel (4,
4a, 4c, 20) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) zur Auskopplung des elektrischen Feldes mindestens zwei Öffnungen ( 1 0) aufweisen.
2. Streufeldsonde nach Anspruch 1 , wobei die Öffnungen ( 1 0) derart angeordnet sind, daß das elektrische Feld (E) an Orten gleicher Amplitude auskoppelbar ist.
3. Streufeldsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Erzeugungsmittel (2, 30) derart ausgebildet sind, daß das elektrische Feld (E) in Resonanz ist.
4. Streufeldsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Erzeugungsmittel (2, 30) derart ausgebildet sind, daß das elektrische Feld (E) ein hochfrequentes Wechselfeld ist.
5. Streufeldsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen ( 1 0) derart angeordnet sind, daß das elektrische Feld (E) an dessen Maxima auskoppelbar ist.
6. Streufeldsonde nach Anspruch 5, wobei die Öffnungen ( 1 0) derart ausgebildet sind, daß das elektrische Feld (E) an den Maxima des elektrischen Feldes (E) auskoppelbar ist, die ein gleiches Vorzeichen aufweisen.
7. Streufeldsonde nach Anspruch 1 , wobei die Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) als Gehäuse (4) für die Erzeugungsmittel (2, 30) ausgebildet sind.
8. Streufeldsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen ( 1 0) Durchmesser aufweisen, die klein gegen die Wellenlänge des elektrischen Feldes (E) sind.
9. Streufeldsonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Erzeugungsmittel (2, 30) als Wellenleiter (2) ausgebildet sind.
1 0. Streufeldsonde nach Anspruch 9, wobei der Wellenleiter durch Kurzschluß an seinen beiden Enden (8) als Leitungsresonator (2) ausgeführt ist.
1 1 . Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 9 oder 1 0, wobei die Länge des Wellenleiters (2) etwa n x Λ/2 beträgt, wobei N > 3, bevorzugt > 1 0 ist.
1 2. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , wobei der Wellenleiter (2) als Mäander ausgebildet ist.
1 3. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 1 oder 1 2, wobei n ungerade ist, und wobei in der Mitte des Wellenleiters (2) das elektrische Feld (E) in den Wellenleiter (2) eingekoppelt ist.
1 4. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 0 bis 1 2, wobei der Wellenleiter (2) als Kreuz ausgebildet ist.
1 5. Streufeldsonde nach Anspruch 1 4, wobei jeder Schenkel des Wellenleiterkreuzes eine Länge aufweist, die 5 x λ/2 entspricht.
1 6. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 0 bis 1 5, wobei der Wellenleiter (2) hochohmig ist.
1 7. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 0 bis 1 6, wobei der Wellenleiter (2) an den Stellen zur Auskopplung des elektrischen Feldes (E) senkrecht zu seiner Längsachse angebrachte Stifte ( 1 2) aufweist.
1 8. Streufeldsonde nach den Ansprüchen 8, 1 7 und nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stifte ( 1 2) einen Abstand zwischen dem im Inneren des Gehäuses (4) vorgesehenen Weilenleiter (2) und der Gehäuseaußenwand (4a) überbrücken.
1 9. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 8, wobei die zur Vervollständigung des Meßkreises notwendige Meßauskopplung der Streufeldauskopplung zur Herstellung des außerhalb der Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) liegenden elektrischen Feldes (E) gegenüberliegt.
20. Streufeldsonde nach Anspruch 1 9, wobei die Meßauskopplung (26) an symmetrisch zueinander angeordneten Punkten angeordnet ist.
21 . Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Erzeugungsmittel (2, 30) als Hohlraumresonator (30) ausgebildet sind.
22. Streufeldsonde nach Anspruch 21 , wobei die Einkopplung des elektrischen Feldes (E) in der Mitte des Hohlraumresonators (30) erfolgt.
23. Streufeldsonde nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei an den Stellen zur Auskopplung des elektrischen Feldes (E) in den Außenraum jeweils Antennen ( 1 2) im Inneren der Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) vorgesehen sind, die den Hohlraumresonator (30) im Inneren der Abschirmmittel (4, 4a, 4c, 20) mit dem Außenraum zur Auskopplung des elektrischen Feldes (E) in den Außenraum verbinden.
24. Streufeldsonde nach Anspruch 23, wobei die Antennen ( 1 2) als Zylinder aus einem Dielektrikum, bevorzugt als Zylinder aus Plexiglas, ausgebildet sind.
25. Verfahren zum Messen von dielektrischen Eigenschaften von Stoffen, mit den Schritten: ein resonantes elektrische Feld (E) wird innerhalb von Abschirmmitteln (4,
4a, 4c, 20) erzeugt; durch Öffnungen ( 1 0) in den Abschirmmitteln (4, 4a, 4c, 20) wird ein Teil des resonanten elektrischen Feldes (E) an Stellen gleichnamiger Maxima des elektrischen Feldes (E) als Streufeld in einen Raum gekoppelt, in dem sich der zu untersuchende Stoff befindet; die Veränderung der Resonanzfrequenz des resonanten elektrischen Feldes
(E) wird gemessen.
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