EP3332246A1 - Messeinrichtung zur messung der dielektrischen und/oder magnetischen eigenschaften einer probe mittels einer mikrowellen-transmissionsmessung, vorrichtung unter verwendung einer solchen messeinrichtung und verfahren unter verwendung einer solchen vorrichtung - Google Patents

Messeinrichtung zur messung der dielektrischen und/oder magnetischen eigenschaften einer probe mittels einer mikrowellen-transmissionsmessung, vorrichtung unter verwendung einer solchen messeinrichtung und verfahren unter verwendung einer solchen vorrichtung

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Publication number
EP3332246A1
EP3332246A1 EP16753274.6A EP16753274A EP3332246A1 EP 3332246 A1 EP3332246 A1 EP 3332246A1 EP 16753274 A EP16753274 A EP 16753274A EP 3332246 A1 EP3332246 A1 EP 3332246A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
frequency
cable
input
mixer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16753274.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert Klein
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3332246A1 publication Critical patent/EP3332246A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N22/04—Investigating moisture content
    • 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

Definitions

  • Measuring device for measuring the dielectric and / or magnetic properties of a sample by means of a microwave transmission measurement device using such a measuring device and method using such a device
  • the invention relates to a fair device for measuring the dielectric and / or magnetic properties of a sample by means of a microwave transmission measurement according to the preamble of claim 1, a device using such a measuring device according to claim 10 and a measuring method using such a device.
  • a device suitable for this purpose has a transmitting module and a receiving module, which are usually accommodated in a common housing made of metal.
  • the transmission module has at least one high-frequency generator (usually called a synthesizer, also called a synthesizer) for generating a high-frequency signal which is coupled into an RF coupling unit (transmitting antenna) connected to the synthesis generator, for which a transmitting is provided riger HF connection cable.
  • the synthesis generator is clocked by a so-called frequency standard, which emits a low-frequency signal with a frequency of, for example, 10 MHz.
  • the high-frequency signal generated by the at least one synthesis generator is also fed to the reception module which is connected to an RF decoupling unit (receiving antenna) and mixed there with the microwave received by the receiving antenna in a mixer.
  • a receiving-side RF connecting cable For the connection between the RF output unit and the receiving module, a receiving-side RF connecting cable is provided.
  • RF injection unit (transmitting antenna) and RF decoupling unit (receiving antenna) define a measuring path in which a sample is arranged during measuring operation.
  • an evaluation unit is provided, which can be designed as a separate module. This evaluation unit is supplied with the mixed signal.
  • a distinction is basically made between two types of measuring systems, namely so-called homodyne systems, which operate at one time with only one frequency and have only one high-frequency generator, and so-called heterodyne systems which operate with two closely adjacent frequencies and have two synthesis generators.
  • both systems are equal in that they operate by comparing two microwave signals, one passing through the sample, thereby experiencing attenuation and / or phase shift while the other microwave signal does not pass through the sample and serve as a reference.
  • This makes it necessary to provide a high frequency reference line (Lo line) between the transmitting module and the receiving module (this applies to both homodyne systems and heterodyne systems).
  • the radiofrequency reference line may extend within the housing, in the case where the transceiver module is housed in spaced apart housings, an RF interface extending between the housings is provided. Reference cable provided, which forms part of the RF reference line.
  • the measurement setup does not directly provide the insertion loss and phase shift of the sample, but the transfer function of the measurement system including the sample. Therefore, an empty measurement is additionally required, which provides the transfer function of the measuring system without the sample. Only the computation of the two transfer functions then supplies the vectorial transfer function (S21) of the sample, ie damping and phase shift.
  • the temperature dependence of the wave propagation speed in a coaxial cable has an increasing effect on the phase shift with increasing frequency of the shaft. This means that in non-constant environmental conditions, in particular temperatures, significant phase shifts in the antenna feed lines (transmitting side RF connection cable and receiving HF connection cable) and - if present - in the RF reference cable can occur, which distort the measurement result, in industrial Applications, however, often fail to avoid that at least one of the RF cables is made relatively long (a few meters), which of course exacerbates this problem, especially if such a device is installed outdoors, so that it is completely or partially exposed to sunlight.
  • measuring accuracies can occur if strong reflections occur in the region of the measuring path.
  • measurement errors occur, the caused by reflections on the sample or on reflectors in the environment.
  • DE 10 2012 010 255 B3 proposes to provide at least one synthesis generator for generating a high-frequency signal both on the transmitting side and on the receiving side and to couple these two synthesis generators in a phase-stable reproducible manner, for which a common frequency standard is provided, which activates the two synthesis generators via at least one low-frequency signal line, which is referred to here as a low-frequency synchronization signal line.
  • a receiving-side synthesis generator makes the use of the above-mentioned problematic high-frequency reference line superfluous in many applications, so that even if the transmitter module and the receiving module are spatially separated, no temperature-sensitive high-frequency reference cable is necessary.
  • the proposed system works well in principle, but it has the disadvantage that it works ideally only if it is operated permanently with a constant frequency or with two constant frequencies.
  • working with multiple frequencies can be problematic, especially if a frequency band is "driven through", that is, if the synthesizers change their frequencies at certain time intervals have to.
  • the locally spaced synthesis generators are coupled by a common low-frequency signal whose frequency is typically smaller by a factor of 100 to 500 than the frequency of the synthesis generators, it can not be guaranteed that both synthesis generators "lock in” on the same wave flank, which in turn can lead to inconsistent phase errors.
  • the object of the invention is to provide an improved measuring device or device for measuring the dielectric and / or magnetic properties of a sample by means of a microwave transmission measurement.
  • At least one HF bypass signal line is provided in measuring operation, the input of which can be coupled into the signal path between the first HF synthesis generator and the H F coupling unit and whose output can be coupled into the signal path between the HF output unit and mixer, so that when coupled HF bypass signal line, the RF signal is redirected from the measuring path in the first RF bypass signal line.
  • a portion of this RF bypass signal line is formed as outside of the housing / housing extending RF bypass cable.
  • the provision of an RF bypass cable serves to compensate for measurement errors caused by changes in temperature in the RF connecting cables to the antennas.
  • the RF bypass cable is preferably designed such that it has the same thermal and electrical properties as the RF connection cable to the antennas and that its length of the total length of the RF connecting cable has up.
  • the HF bypass cable is preferably laid so that it has the same temperature as the RF connection cable. If additionally a second HF bypass cable with a different length is used, the measurement error caused by a drift of the electronics can be compensated.
  • the calibration measurement serves to mathematically (that is, by the .DELTA.), The error, which results from different "snapping" of the synthesis generators during frequency change Evaluation unit).
  • the two HF bypass signal lines have the same electrical and thermal properties, and can be switched between the two RF bypass Signalle 'Maintenance, so that the possibility of a double calibration measurement is provided.
  • the calibration measurement can be used to the influence of the disturbing reflections at to at a blank measurement So far, an empty measurement is made as a comparative measurement with an empty measuring section, so that the influence of the sample on the microwave can be true.
  • the disturbing reflections occur mainly when the measuring path is empty. Therefore, this measurement is replaced by the calibration measurement, which is a bypass measurement.
  • the difference of the transfer function of the empty measurement path in relation to the RF bypass signal line must be determined, from which then the average value of the attenuation and phase shift is determined.
  • FIG. 1 shows the circuit diagram of a device of a first embodiment of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a device of a second embodiment of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a device of a first exemplary embodiment of a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a device of a second exemplary embodiment of the second embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a device of a third embodiment of the second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a device of a fourth embodiment of the second embodiment of the invention.
  • Figure 8 shows a first preferred application of the invention and Figure 9 shows a second preferred application of the invention.
  • high-frequency signal or “microwave” electromagnetic waves are called, which propagate in a conductor or free, and have a frequency between 800 MHz and 30 GHz.
  • High frequency (microwave) signal lines suitable for such frequencies are known in the art.
  • the sections of a high-frequency signal line running between a housing and an antenna are designed as coaxial cables and are referred to as RF cables.
  • the high-frequency Signalle ' ments are shown in phantom.
  • low frequency is meant here all electromagnetic waves or signals having a frequency below 200 MHz
  • Signal lines for transmitting such low frequency signals are referred to herein as low frequency signal lines and are shown in the drawings as solid lines (control and bus lines ) or with the pattern dash-dot-dot-dash.
  • the high-frequency Signalteitonne are usually designed as coaxial cable.
  • the low-frequency lines can be realized both with coaxial lines and with other cables.
  • higher quality coaxial cables are typically used for the high frequency signal lines than for the low frequency signal lines; This is however, not necessarily, it would also be possible to use, for example, sufficiently high-quality coaxial cables for all signal lines.
  • the terms "high-frequency signal line”, “RF cable” and "low-frequency signal line” are primarily functional.
  • FIG. 7 shows a classic heterodyne device, in which the measuring device consisting of the transmitter module SM and the receiver module EM is enclosed in a common metal housing G (usually of aluminum).
  • the transmission module SM has two transmission-side synthesis generators 12 and 14, two power dividers 18a, 18b, a transmission-side mixer 16 and a frequency normal 82.
  • the receiving module EM has only one receiver-side mixer 26.
  • the evaluation unit consists of a first microcontroller 40 (in the embodiment shown the only microcontroller).
  • Transmitter module SM and receiving module EM are connected to each other by means of a high-frequency reference line (F2).
  • the transmission module SM and the reception module EM are connected to the evaluation unit (ie to the first microcontroller) in each case by means of a low-frequency signal line (IF1, IF2).
  • the transmission module SM is connected by means of a transmission-side RF connecting cable 58 to an RF coupling unit 10 (hereinafter usually referred to as transmitting antenna)
  • the receiving module EM is by means of a receiving side RF connecting cable 59 with an RF decoupling unit 20 (hereinafter usually as Receiving antenna), for which the housing has a first RF signal output 31 a and a first RF signal input 51a.
  • Transmitting antenna 10 and receiving antenna 20 define a measuring path in which a sample can be arranged. The operation is as follows:
  • the frequency normal 82 clocks the two transmit-side synthesis generators 12, 14, wherein the clock frequency may be for example 10 MHz.
  • the first transmission-side synthesis generator 12 generates a first high-frequency signal F1 a first high frequency of, for example, 3 GHz
  • the second transmitting side synthesis generator 14 generates a second high frequency signal F2 having a high frequency slightly different therefrom, for example 3.001 GHz.
  • the first high-frequency signal F1 of the first transmitting-side synthesis generator 12 is supplied to a first power divider 18a, whose first output is connected to the transmitting antenna 10 and whose second output is connected to the transmitting-side mixer 26.
  • the second transmission-side synthesis generator 14 is connected to the second power divider 18b, the outputs of which are connected to the transmission-side mixer 16 and to the reception-side mixer 26 via the high-frequency reference line 50.
  • the second input of the receiving-side mixer 22 is connected to the receiving antenna 20.
  • the transmitting side mixer 16 generates a first intermediate frequency signal IF1 having a first intermediate frequency, which is the difference between the first high frequency (that is, the frequency of the transmitted microwave) and the second high frequency, that is, 1 MHz in the selected embodiment.
  • the receiver-side mixer 26 in turn generates a second intermediate frequency signal SF2 which is the difference of the received microwave (this signal is referred to here as F1 ') and the second high-frequency signal of the second transmitter-side synthesis generator 14.
  • the frequency of F1 and F is the same here, since the transmission through the sample P changes phase and amplitude, but not the frequency. For this reason, the two intermediate frequency signals IF1 and IF2 also have the same frequency, namely 1 MHz.
  • the transmitting-side RF connecting cable 58 and / or the receiving-side RF connecting cable 59 may be relatively long and unprotected, so that their temperature (for example, due to solar radiation) may change relatively rapidly over time. However, this leads to a change in the wave propagation speed, which in turn leads to a phase shift, which then - if no countermeasures are taken - leads to a measurement error.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a first embodiment of a device with which the error just described is corrected.
  • the basic structure of this device is identical to what has just been described, with the following elements being additionally provided:
  • a HF disconnecting device 30 (changeover switch), whose first output 31 is connected to the first RF signal output 31a and whose second output 32 is connected to a second RF signal output 32a of the housing.
  • the receiver-side mixer 26 is preceded by a switchable RF merge unit 50, the first input 51 is connected to the first RF signal input 51 and the second input 52 is connected to a second RF signal input 52a of the housing. Between the second RF signal output 32a and the second RF signal input 52a extends a first RF bypass cable 61.
  • the RF splitter 30 and the RF merger unit 30 can be switched such that the first RF signal F1 either the RF connection cable 58, 59 and the through the antennas 10, 20 defined measuring path passes through and thus to the high frequency signal F ', or that it passes through the first RF bypass cable 61 and thus to the high frequency signal F "H F-orders no Richtu ng 30 and RF merge unit 50 are driven by the microcontroller 40.
  • This first RF bypass cable 61 (in this embodiment the only RF bypass cable) preferably has the following properties: It has the same characteristics electrical and thermal properties such as the transmitting side RF connecting cable 58 and the receiving side RF connecting cable 59 ⁇ that is, all three cables are identical), it has a length which is the sum of the lengths of the transmitting side RF connecting cable 58 and the receiving end RF connection cable 59 corresponds and it is laid so that it has the same temperature as the two RF connecting cables 58, 59.
  • the latter feature can be achieved, for example, by laying the RF bypass cable in sections parallel to these cables.
  • the HF bypass cable 61 is switched so that the signal F "arrives at the receiver-side mixer 26, which the receiver-side mixer 26 mixes with the second high-frequency signal F2 second intermediate frequency signal IF2 and the first intermediate frequency signal IF1 is stored as a reference value (reference attenuation and phase shift).
  • the microcontroller 40 During normal operation (ie during the measurement on a sample located in the measuring section), the microcontroller 40 periodically switches over from the measuring section to the HF bypass cable. If there is a change in the phase shift between the currently measured phase shift between the second intermediate frequency signal IF2 and the first intermediate frequency signal IF1 and the stored reference phase shift, this can be attributed to a phase shift in the signal FT * and thus to a temperature change in the HF Close bypass cable 58, assuming that the electronics of transmitting and receiving module stable and drift-free works.
  • the signal FT has the same phase shift due to the temperature change of the HF connection cables 58, 59.
  • the change in the electrical properties of the cable can be calculated and transferred accordingly to the antenna cables 58 and 59 computationally.
  • the evaluation unit in this case the first microcontroller 40
  • FIG. 2 shows a second embodiment, which is very similar to the first embodiment.
  • two RF bypass cables are provided, namely the first RF bypass cable 61 and the second RF bypass cable 62.
  • all cables 58, 59, 61, 62 extending outside the housing are preferably identical.
  • the first HF bypass cable 61 can here also have a length which corresponds to the sum of the length of the two connection cables.
  • the second RF bypass cable must have a length different from the length of the first H F bypass cable.
  • a third RF signal output 33a and a third RF signal input are additionally provided.
  • the RF splitter 30 has three outputs 31, 32, 33, and the RF splitter unit 50 accordingly has three inputs 51, 52, 53. All cables can be laid very close to each other, since they are never operated simultaneously and are extremely decoupled via the switch so that there is no danger of cross-talkers (this also applies to the first embodiment).
  • the second phase shift is greater than the first phase shift, and as the temperature of the cable increases, the electrical length changes. If one notes (that is to say the evaluation unit) that the first and second phase shifts have changed with the same amount with respect to their respective reference phase shift, this can not be due to a temperature change of the cables, but is a phase shift which occurs in one Drift of electronics is justified. This phase error can then also be taken into account in the correction of the phase shift when measuring on the sample.
  • a system has two independent sources of error (temperature change of the cables and drift of the electronics) and two measurements are made, with the RF cables used having the same temperature coefficient so that the size of both errors can be determined.
  • bypass has another advantage: you can use the bypass as an empty measurement. Since the electrical length of the bypass is not adjusted to the electrical length of the measuring path, however, an offset will result for both the attenuation D in dB and for the phase shift Phi in 7 GHz, which must be taken into account in the calibration.
  • A, B, C coefficients which are determined during the calibration by means of regression.
  • the second task of the blank measurement is to determine the frequency response of the measurement with the sample despite nonlinear frequency response, e.g. caused by the dispersion of the antennas, to linearize. Therefore, in addition, a measurement is carried out which is similar in frequency response to the measurement with the sample, whereby both the frequency response and the mean value of the measurement is determined and calculated so that only frequency response affects the measurement, but not the absolute value of the Measurement.
  • the device is basically constructed as is known from DE 10 2012 010 255 B3, two additional HF bypass cables 61, 62 being provided, as described above. Just as in the embodiment described above, it is possible to switch between the measuring path and the two HF bypass cables 61, 62, but this achieves a different goal, as will be described in more detail later.
  • the two modules SM and EM are spatially separated and housed in separate metal housings G1 and G2. introduced.
  • the evaluation unit in the form of a first microcontroller 40 and a frequency normal 82 is integrated.
  • these components could equally well be housed in the first case G1 or in a separate case.
  • the transmission module SM has two transmission-side synthesis generators 12 and 14, which each generate a high-frequency signal F1 or F2, wherein the high frequencies are slightly different from each other, for example, the first high frequency in a switching state 3 GHz and the second high frequency 3.001 GHz.
  • the two transmitter-side synthesis generators 12, 14 are controlled by a second microcontroller 42, which is controlled by the first microcontroller 40.
  • the two microcontrollers 40, 42 are connected by means of a bus line 80.
  • the first synthesizer 12 feeds its high-frequency signal F1 into a power divider 18, which in turn is connected to a transmitting-side mixer 16 and the input 35 of a HF designed as a crossover. Separating device 30 is connected.
  • the first output 31 of this RF splitter 30 is connected to the RF injection unit 10 via a first RF signal output 31a of the housing and the transmit-side RF interconnect cable 58.
  • the RF splitter 30 has two further outputs 32, 33, which are each connected to an RF signal output 32a, 33a of the housing, from each of which an RF bypass signal cable 61, 62 extends.
  • These two RF bypass signal cables 61, 62 also here have the same electrical and thermal properties, but the second RF bypass signal line 62 has a greater length than the first RF bypass signal line 61 (as in the second embodiment).
  • the RF splitter 30 is constructed from two switches connected in series, which are controlled by the second microcontroller 42.
  • the second transmission-side synthesis generator 14 feeds the second high-frequency signal F2 generated by it directly into the transmission side Mixer 16, which is connected to the evaluation unit, namely with the microprocessor 40 and this the first intermediate frequency signal IF1 supplies.
  • the RF decoupling unit 20 is connected via the receiving-side RF connecting cable 59 and the first RF signal input 51 a to an input 51 of a symmetrical to RF separation device 30 formed RF merge device 50.
  • the two further inputs 52, 53 of the RF convergence device 50 are each connected via the further RF signal inputs 52a, 53a, each with an RF bypass cable.
  • the RF merger 50 is driven via the first microcontroller.
  • a reception-side synthesis generator 22 is provided, which in each case generates the same high frequency as the second transmission-side synthesis generator 14, ie, 3.001 GHz in the selected embodiment.
  • This receiving-side synthesis generator 22 is connected to the frequency standard 82 and is controlled by the microcontroller 40.
  • the receiving-side synthesis generator 22 feeds the third high-frequency signal F3 which it generates into the receiver-side mixer 26, whose second input is connected to the output 55 of the HF converger 50, so that it is at the appropriate switching state of RF splitter 30 and RF merger 50 the received by the sample P transmitted first high-frequency signal F1 'receives.
  • the transmitter-side mixer 16 generates a first intermediate-frequency signal IF1, likewise the receiver-side mixer 26 generates a second intermediate frequency signal IF2, the two intermediate frequencies being equal, namely 1 MHz in the described embodiment. These intermediate frequency signals are thus low frequency signals (low frequency signals). These two intermediate frequency signals 1F1 and IF2 are fed to the evaluation unit, ie the first microprocessor 40. In order to obtain from the phase shift between the first intermediate frequency signal IF1 and the second intermediate frequency signal IF2 a relevant statement about the phase shift which the first radio frequency quency signal F1 when passing through the sample P learns, can derive, all synthesis generators 12, 14 and 22 must be synchronized with each other.
  • This synchronization is provided by the frequency standard 82, which is connected to the receive-side synthesis generator 22 by a send-side low-frequency synchronization signal line 84a with the two transmit-side synthesis generators 12, 14 and with a receive-side low-frequency synchronization signal line 84b a clock signal TS emits, with the synthesis generators are coupled in a phase-stable reproducible.
  • low-frequency synchronization signal lines 84a , 84b are low-frequency signal lines, which are preferably physically identical, in particular of the same length (not shown) and of identical construction.Owing to the local separation of transmitter module SM and receiver module EM, transmitter-side RF connection cable 58 and receiver-side RF connection cable 59 can be very be made short, so that any temperature fluctuations lead to only small errors. The switchover to the RF bypass cable 61, 62 is therefore used for something else:
  • a calibration measurement is first performed by means of the first RF bypass signal line 61, that is, the currently measured phase difference between the mixture
  • the RF splitter 30 is switched to the second output 32 and the RF merger 50 to the second input 52, and a calibration measurement is performed based on the performed initial calibration, at which a corresponding reference phase shift has been measured, the evaluation unit can calculate the phase error possibly occurred by the frequency switching and perform a corresponding correction after switching back to the first output 31 and the first input 51 when measuring the sample P.
  • the electrical properties of the first HF bypass cable 61 change with temperature, which can be relatively long depending on local conditions.
  • the second HF bypass signal line 62 is provided, which has the same properties as the first HF bypass signal line 61 up to the length.
  • the two RF bypass cables 61, 62 are preferably laid parallel to one another, so that they can be assumed to have the same temperature.
  • a "double calibration measurement" can be carried out at certain time intervals. be performed, in which the two RF bypass signal lines are connected in succession between the transmission module SM and the receiving module, so that due to the different lengths of the two RF bypass signal lines, the temperature effect can be computationally eliminated, as described above.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the second embodiment.
  • both intermediate frequencies IF1 and IF2 can also be generated on the receiver side, so that the connection cable for the signal of the first intermediate frequency IF1 between the transmitter module SM and the evaluation module AE can be dispensed with.
  • a concrete exemplary embodiment is shown in FIG. 4:
  • the transmission module SM has only one synthesis generator 11. All further components are integrated into the receiving module EM, which thus has a first and a second receiving-side synthesis generator 23, 24, the second synthesis generator 24 generating a second high-frequency signal F2 having the same high frequency as the first high-frequency signal F1 of the transmitting-side synthesis generator 11 (FIG.
  • the first intermediate-frequency signal IF1 is generated by mixing the second high-frequency signal F2 with the third high-frequency signal F3, to which the first receiver-side mixer 27 serves, one input via a power divider 29 to the first receiving-side synthesis generator 23 and the other input to the second receiving-side synthesis generator 24 is connected.
  • the second intermediate frequency signal IF2 is generated as described above, for which the second receiver-side mixer 28 is used, which corresponds to the receiver-side mixer 26 of the first embodiment.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment in which only one transmitter-side frequency generator 11 is provided for generating a first high-frequency signal F1 and only one receiver-side frequency generator 22 for generating a further high-frequency signal, which for reasons of consistency is referred to here as the third high-frequency signal F3.
  • the third high-frequency signal F3 serves as a reference signal (this is in the previous embodiments, the first intermediate frequency signal 1F1) directly the clock signal TS of the frequency normal 82 or optionally derived directly from this signal. If the clock signal TS is to serve directly as a reference signal, as shown in the embodiment of FIG.
  • the frequency of the second intermediate frequency signal IF2 (the mixed signal of F3 and FT) be equal to the frequency of the clock signal TS. If the frequency of the clock signal TS is also 10 MHz here, for example, the frequency of the first high-frequency signal F1 could be 3 GHz and the frequency of the third high-frequency signal F3 3.01 GHz. This embodiment leads to a simplification of the circuit, but is still not recommended because filtering the IF and the frequency normal can not be separated.
  • optionally can be dispensed with the second RF bypass cable.
  • An embodiment of this is shown in FIG.
  • the RF splitter (switch) 30 here has only two outputs 31, 32 and the H F-Zusammen She hrein device 50 has only two inputs 51, 52 on.
  • the only HF bypass cable 61 which can be switched parallel to the measuring path can be used in exactly the same way as described above (ie for correcting any latching fault), but not for temperature compensation.
  • G1 first housing (transmitter-side housing)
  • G2 second housing (receiving-side housing)

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Abstract

Es wird eine Mikrowellen-Messeinrichtung mit einem Sendemodul (SM) und ei¬ nem Empfangsmodul (EM), sowie eine diese Module aufweisende Vorrichtung beschrieben. Die beiden Module (SM, EM) sind entweder in einem gemeinsamen Gehäuse (G) oder in getrennten Gehäusen untergebracht. Das Sendemodul (SM) ist mit einer Sendeantenne (10) koppelbar und das Empfangsmodul (EM) ist mit einer Empfangsantenne (20) koppelbar. Um Messfehler, insbesondere temperaturbedingte Messfehler, auszugleichen, verläuft außerhalb des Gehäuses (G) / der Gehäuse wenigstens ein HF-Bypass-Kabel (61), mittels dem Sendemodul (SM) und Empfangsmodul (EM) unter Überbrückung der durch die beiden Antennen (10, 20) definierten Messstrecke koppelbar sind.

Description

Messeinrichtung zur Messung der dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften einer Probe mittels einer Mikrowellen- Transmissionsmessung, Vorrichtung unter Verwendung einer solchen Messeinrichtung und Verfahren unter Verwendung einer solchen Vorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Messeirichtung zur Messung der dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften einer Probe mittels einer Mikrowellen- Transmissionsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Vorrichtung unter Verwendung einer solchen Messeinrichtung nach Anspruch 10 sowie eine Messverfahren unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.
In der Technik sind vielfältige Möglichkeiten bekannt, wie die dielektrischen Eigenschaften einer Probe, zu denen beispielsweise die Feuchtigkeit zählt, berührungslos gemessen werden können. Beispielsweise ist es möglich, die Probe mit Mikrowellen zu durchstrahlen und die gewünschten Informationen durch Vergleich der eingestrahlten Mikrowelle oder einem daraus abgeleiteten Signa! mit der transmittierten Mikrowelle oder einem daraus abgeleiteten Signal zu erhalten. Hierbei kann sowohl die Absorption als auch die Phasenverschiebung bestimmt werden, so dass aus der entsprechenden Messung die vollständigen Informationen über das komplexe Epsilon der Probe erhältlich sind. Eine hierfür geeignete Vorrichtung weist ein Sendemodul und ein Empfangsmodul auf, welche meist in einem gemeinsamen, aus Metall bestehenden Gehäuse untergebracht sind. Hierbei weist das Sendemodul wenigstens einen Hochfrequenzgenerator (meist als Synthesegenerator, auch Synthesizer genannt, ausgebildet) zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals auf, welches in eine mit dem Synthesegenerator verbundene HF-Einkopplungseinheit (Sendeantenne) eingekoppelt wird, wozu ein sendes- eitiges HF-Verbindungskabel vorgesehen ist. Getaktet wird der Synthesegenerator von einem sogenannten Frequenznormal, welches ein Niederfrequenzsignal mit einer Frequenz von beispielsweise 10 MHz abgibt. Das von dem wenigstens einen Synthesegenerator erzeugte Hochfrequenzsignal wird auch dem Emp- fangsmodul, welches mit einer HF-Auskopplungseinheit (Empfangsantenne) verbunden ist, zugeleitet und dort mit der von der Empfangsantenne empfangenen Mikrowelle in einem Mischer gemischt. Zur Verbindung zwischen HF- Auskopplungseinheit und Empfangsmodul ist ein empfangsseitiges HF- Verbindungskabel vorgesehen. HF-Einkopp!ungseinheit (Sendeantenne) und HF- Auskopplungseinheit (Empfangsantenne) definieren eine Messstrecke, in welcher im Messbetrieb eine Probe angeordnet ist. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche als separates Modul ausgebildet sein kann. Dieser Auswerteeinheit wird das gemischte Signal zugeleitet. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von Mess-Systemen, nämlich sogenannte homodyne Systeme, welche zu einem Zeitpunkt mit nur einer Frequenz arbeiten und nur einen Hochfrequenzgenerator aufweisen, und sogenannte hete- rodyne Systeme, welche mit zwei eng benachbarten Frequenzen arbeiten und zwei Synthesegeneratoren aufweisen. Beiden Systemen ist gleich, dass sie durch Vergleich von zwei Mikrowellensignalen arbeiten, wobei eine die Probe passiert und hierdurch eine Dämpfung und/oder eine Phasenverschiebung erfährt, während das andere Mikrowellensignal nicht durch die Probe durchtritt und als Referenz dient. Dies macht es notwendig, eine Hochfrequenz-Referenzleitung (Lo- Leitung) zwischen dem Sendemodul und dem Empfangsmodui vorzusehen (dies gilt sowohl für homodyne Systeme als auch für heterodyne Systeme). In dem Fall, dass Sende- und Empfangsmodul in einem Gehäuse untergebracht sind, kann die Hochfrequenz-Referenzleitung innerhalb des Gehäuses verlaufen, in dem Fall, dass Sende- und Empfangsmodul in Örtlich voneinander getrennten Gehäuse untergebracht sind, ist ein zwischen den Gehäusen verlaufendes HF-Referenzkabel vorgesehen, welches einen Teil der HF-Referenzleitung bildet. Der Messsaufbau liefert allerdings nicht direkt die Einfügungsdämpfung und Phasenverschiebung der Probe, sondern die Übertragungsfunktion des Messsystems inklusive der Probe. Daher ist zusätzlich eine Leermessung erforderlich, die die Übertragungsfunktion des Messsystems ohne die Probe liefert. Erst die Verrech- nung der beiden Übertragungsfunktionen liefert dann die vektorielle Übertragungsfunktion (S21) der Probe, also Dämpfung und Phasenverschiebung.
Unter Laborbedingungen ist das Vorsehen der oben erwähnten Hochfrequenz- Referenzleitung in der Regel unproblematisch, da hier einerseits keine großen örtlichen Distanzen überwunden werden müssen, und andererseits konstante Laborbedingungen, insbesondere eine im Wesentlichen konstante Temperatur, herrschen.
Wird eine solche Vorrichtung im industriellen Bereich eingesetzt, so tritt folgendes Problem auf: Die Temperaturabhängigkeit der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in einem Koaxialkabel wirkt sich mit zunehmender Frequenz der Welle auf die Phasenverschiebung verstärkt aus. Das bedeutet, dass bei nicht-konstanten Umweltbedingungen, insbesondere Temperaturen, erhebliche Phasenverschiebungen in den Antennenzuleitungen (sendeseitiges HF-Verbindungskabel und emp- fangsseitiges HF-Verbindungskabel) und - falls vorhanden - im HF-Referenzkabel auftreten können, welche das Messergebnis verfälschen, in industriellen Anwendungen lässt es sich jedoch häufig nicht vermeiden, dass zumindest eines der HF-Kabel relativ lang ausgebildet ist (einige Meter), was dieses Problem natürlich noch verschärft, insbesondere dann, wenn eine solche Vorrichtung im Freien in- stalliert ist, so dass sie ganz oder teilweise der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein kann.
Weiterhin können (auch hier insbesondere beim industriellen Einsatz) Messun- genauigkeiten dann auftreten, wenn im Bereich der Messstrecke starke Reflexio- nen auftreten. Insbesondere bei offenen Messsystemen, bei denen sich die Probe berührungslos in eine Freiraum-Messstrecke befindet, treten Messfehler auf, die durch Reflexionen an der Probe oder an Reflektoren in der Umgebung verursacht werden.
Um auch bei schwankenden Umweltbedingungen konstant gute Messergebnisse erreichen zu können, schlägt die DE 10 2012 010 255 B3 vor, sowohl auf der Sendeseite als auch auf der Empfangsseite wenigstens einen Synthesegenerator zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Signals vorzusehen und diese beiden Synthesegeneratoren phasenstarr reproduzierbar zu koppeln, wozu ein gemeinsames Frequenznormal vorgesehen ist, welches die beiden Synthesegeneratoren über jeweils wenigstens eine Niederfrequenz-Signalleitung, welche hier als Niederfre- quenz-Synchronisations-Signalleitung bezeichnet wird, ansteuert. Das Vorsehen eines empfangsseitigen Synthesegenerators macht den Einsatz der oben erwähnten, problematischen Hochfrequenz-Referenzleitung in vielen Anwendungsfällen überflüssig, sodass auch dann, wenn Sendemodul und Empfangsmodul örtlich voneinander getrennt sind, kein temperaturempfindliches Hochfrequenz- Referenzkabel notwendig ist. Aufgrund der Tatsache, dass Sendemodul und Empfangsmodul örtlich getrennt sind, wird die Möglichkeit geschaffen, die Antennenkabel relativ kurz zu halten. Es muss gegebenenfalls nur eine Niederfrequenz- Leitung (in Form eines Niederfrequenzkabels) großer Länge vorgesehen sein, welche die beiden Module miteinander verbindet. Solche Niederfrequenz- Signalleitungen sind gegen die oben erwähnten Umwelteinflüsse auch bei großer Länge nahezu unempfindlich, so dass kein Nachkalibrieren auch bei stark schwankenden Umwelteinflüssen, insbesondere einer sich stark verändernden Temperatur, notwendig ist. Eine solche Vorrichtung kann grundsätzlich sowohl als homodynes System als auch als heterodynes System ausgebildet sein.
Das vorgeschlagene System funktioniert grundsätzlich gut, es hat jedoch den Nachteil, dass es nur dann ideal funktioniert, wenn es dauerhaft mit einer konstanten Frequenz beziehungsweise mit zwei konstanten Frequenzen betrieben wird. Problematisch kann jedoch das Arbeiten mit mehreren Frequenzen sein, insbesondere, wenn ein Frequenzband„durchfahren" wird, das heißt, wenn die Synthesegeneratoren in gewissen zeitlichen Abständen ihre Frequenzen ändern müssen. Da die örtlich voneinander beabstandeten Synthesegeneratoren durch ein gemeinsames Niederfrequenz-Signal gekoppelt sind, dessen Frequenz typischerweise um einen Faktor 100 bis 500 kleiner ist als die Frequenz der Synthesegeneratoren, kann beim Frequenzwechsel nicht sichergestellt werden, dass beide Synthesegeneratoren auf der selben Wellenflanke„einrasten", was wiederum zu nicht ausgleichbaren Phasenfehlern führen kann.
Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine verbesserte Messeinrichtung beziehungsweise Vorrichtung zur Messung der dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften einer Probe mittels einer Mikrowellen- Transmissionsmessung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge- löst.
Erfindungsgemäß ist im Messbetrieb wenigstens ein HF-Bypass-Signalleitung vorgesehen, deren Eingang in den Signalweg zwischen dem ersten HF- Synthesegenerator und der H F-Einkopplungseinheit einkoppelbar und deren Aus- gang in den Signalweg zwischen HF-Auskopplungseinheit und Mischer einkoppelbar ist, so dass bei eingekoppelter HF-Bypass-Signalleitung das HF-Signal von der Messtrecke in die erste HF-Bypass-Signalleitung umgeleitet wird. Ein Teil dieser HF-Bypass-Signalleitung ist als außerhalb des Gehäuses / der Gehäuse verlaufendes HF-Bypass-Kabel ausgebildet.
Das bedeutet, dass während des Messbetriebs zwischen der Messtrecke und der HF-Bypass-Signalleitung umgeschaltet werden kann, so dass dem ersten Eingang des Mischers entweder das HF-Signal, welches die Messtrecke durchlaufen hat, oder das HF-Signal, welches die Messtrecke mittels der wenigstens einen HF-Bypass-Signalleitung umgangen hat, zugeführt wird, so dass außer den Messungen an den Proben auch Kalibriermessungen durchgeführt werden können Durch die Möglichkeit der Kalibriermessungen können folgende Verbesserungen erreicht werden:
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung dient das Vorsehen eines HF- Bypass-Kabels dazu, Messfehler, die durch Temperänderungen in den HF- Verbindungskabeln zu den Antennen auftreten, auszugleichen. Hierzu ist das HF- Bypass-Kabel vorzugsweise so ausgebildet, dass es dieselben thermischen und elektrischen Eigenschaften wie die HF-Verbindungskabel zu den Antennen aufweist und dass dessen Länge der Gesamtlänge der HF-Verbindungskabel auf- weist. Hierbei ist das HF-Bypass-Kabel vorzugsweise so verlegt, dass es dieselbe Temperatur wie die HF-Verbindungskabel aufweist. Wird hierbei zusätzlich ein zweites HF-Bypass-Kabel mit abweichender Länge verwendet, so kann zusätzlich der Messfehler ausgeglichen werden, der durch einen Drift der Elektronik auftritt.
In einer zweiten Ausführungsform, bei der die Vorrichtung gemäß dem in der DE 10 2012 010 255 B3 beschriebenen Prinzip ausgebildet ist, dient die Kalibriermessung dazu, beim Frequenzwechsel den Fehler, welcher durch unterschiedliches„Einrasten" der Synthesegeneratoren entsteht, rechnerisch (das heißt durch die Auswerteeinheit) auszugleichen.
Um sich nicht wieder Fehler durch schwankende Umweltbedingungen, wie insbesondere schwankende Temperaturen,„einzuhandeln", ist es auch in diesem Fall zu bevorzugen, zwei HF-Bypass-Signalleitungen vorzusehen, die sich in ihrer Länge unterscheiden, wobei die beiden HF-Bypass-Signalleitungen gleiche elektrische und thermische Eigenschaften aufweisen, wobei zwischen den beiden HF- Bypass-Signalle'rtung umgeschaltet werden kann, so dass die Möglichkeit einer doppelten Kalibriermessung geschaffen wird. Schließlich kann die Kalibriermessung dazu dienen, den Einfluss der störenden Reflexionen bei der bei einer Leermessung zu eliminieren. Bisher wird bei leerer Messstrecke eine Leermessung als Vergleichsmessung gemacht, damit der Einfluss der Probe auf die sie durchstrahlende Mikrowelle durch Differenzbildung be- stimmt werden kann. Die störenden Reflexionen treten aber vornehmlich bei leerer Messstrecke auf. Daher wird diese Messung durch die Kalibriermessung, welche eine Bypass-Messung ist, ersetzt. Zusätzlich muss dann in einer zweiten Messung der Unterschied der Übertragungsfunktion der leeren Messstrecke in Relation zur HF-Bypass-Signalleitung bestimmt werden, aus der dann der Mittelwert der Dämpfung und Phasenverschiebung bestimmt wird.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen
Figur 1 die Schaltskizze einer Vorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 eine Schaltskizze einer Vorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 eine Schaltskizze einer Vorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Figur 4 eine Schaltskizze einer Vorrichtung eines zweiten Ausführungsbei- spiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 5 eine Schaltskizze einer Vorrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 6 eine Schaltskizze einer Vorrichtung eines vierten Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 eine Schaltskizze einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 8 eine erste bevorzugte Anwendung der Erfindung und Figur 9 eine zweite bevorzugte Anwendung der Erfindung.
Für das Folgende gelten folgende Definitionen und Konventionen:
Als„Hochfrequenzsignal" oder„Mikrowelle" werden elektromagnetische Wellen bezeichnet, die in einem Leiter oder frei propagieren, und eine Frequenz zwischen 800 MHz und 30 GHz aufweisen. Für solche Frequenzen geeignete Hoch- frequenz-Signalleitungen (Mikrowellenleiter) sind in der Technik bekannt. Die zwischen einem Gehäuse und einer Antenne (HF-Einkoppiungseinheit und HF- Auskoppeleinheit) verlaufenden Abschnitte einer Hochfrequenz-Signalleitung sind als Koaxialkabel ausgebildet und werden als HF-Kabel bezeichnet. In den Figuren sind die Hochfrequenz-Signalle'rtungen strichpunktiert dargestellt.
Unter„Niederfrequenz" werden hier alle elektromagnetischen Wellen oder Signale mit einer Frequenz unter 200 MHz verstanden. Signalleitungen zur Übertragung von solchen niederfrequenten Signalen werden hier als Niederfrequenz- Signalleitungen bezeichnet und sind in den Zeichnungen als durchgezogene Li- nien (Steuer- und Bus-Leitungen) oder mit dem Muster Strich-Punkt-Punkt-Strich dargestellt.
Nicht alle Signalleitungen (seien es Hochfrequenz-Signalleitungen oder Niederfrequenz-Signalleitungen) haben in der Beschreibung und den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber einen eigenen Namen / ein eigenes Bezugszeichen erhalten.
Zumindest außerhalb der Gehäuse sind die Hochfrequenz-Signalteitungen in der Regel als Koaxialkabel ausgebildet. Die Niederfrequenzleitungen können sowohl mit Koaxiaileitungen als auch mit anderen Kabeln realisiert werden. Aus Kostengründen werden für die Hochfrequenz-Signa!leitungen in der Regel Koaxialkabel mit höherer Güte als für die Niederfrequenz-Signalleitungen verwendet; dies ist jedoch nicht zwingend, es wäre auch möglich, z.B. für alle Signalleitungen hinreichend hochwertige Koaxialkabel zu verwenden. Insofern sind die Begriffe„Hochfrequenz-Signalleitung", „HF-Kabel" und„Niederfrequenz-Signalleitung" in erster Linie funktional zu verstehen.
Zum besseren Verständnis wird mit Bezug auf Figur 7 zunächst auf den Stand der Technik eingegangen. Die Figur 7 zeigt eine klassische heterodyne Vorrichtung, bei der die aus Sendemodul SM und Empfangsmodul EM bestehende Messeinrichtung in einem gemeinsamen metallenen Gehäuse G (meist aus Aluminium) eingehaust ist.
Das Sendemodul SM weist zwei sendeseitige Synthesegeneratoren 12 und 14, zwei Leistungsteiler 18a, 18b, einen sendeseitigen Mischer 16 und ein Frequenz- normal 82 auf. Das Empfangsmodul EM weist lediglich einen empfangsseitigen Mischer 26 auf. Die Auswerteeinheit besteht aus einem ersten Mikrokontroller 40 (im gezeigten Ausführungsbeispiel der einzige Mikrokontroller). Sendemodul SM und Empfangsmodul EM sind mittels einer Hochfrequenz-Referenzleitung (F2) miteinander verbunden. Das Sendemodul SM und das Empfangsmodul EM sind mit der Auswerteeinheit (d. h. mit dem ersten Mikrokontroller) jeweils mittels einer Niederfrequenz-Signalleitung (IF1 , IF2) verbunden. Weiterhin ist das Sendemodul SM mittels eines sendeseitigen HF-Verbindungskabels 58 mit einer HF- Einkopplungseinheit 10 (im Folgenden meist als Sendeantenne bezeichnet) verbunden, das Empfangsmodul EM ist mittels eines empfangsseitigen HF- Verbindungskabels 59 mit einer HF-Auskopplungseinheit 20 (im Folgenden meist als Empfangsantenne bezeichnet) verbunden, wozu das Gehäuse einen ersten HF-Signalausgang 31 a und einen ersten HF-Signaleingang 51a aufweist. Sendeantenne 10 und Empfangsantenne 20 definieren eine Messtrecke, in welcher eine Probe angeordnet werden kann. Die Funktionsweise ist wie folgt: Das Frequenznormal 82 taktet die beiden sendeseitigen Synthesegeneratoren 12, 14, wobei die Taktfrequenz beispielsweise 10 MHz betragen kann. Der erste sendeseitige Synthesegenerator 12 erzeugt ein erstes Hochfrequenzsignal F1 mit einer ersten Hochfrequenz von beispielsweise 3 GHz und der zweite sendeseitige Synthesegenerator 14 erzeugt ein zweites Hochfrequenzsignal F2 mit einer hierzu leicht verschiedenen Hochfrequenz von beispielsweise 3,001 GHz. Das erste Hochfrequenzsignal F1 des ersten sendeseitigen Synthesegenerators 12 wird einem ersten Leistungsteiler 18a zugeführt, dessen erster Ausgang mit der Sendeantenne 10 und dessen zweiter Ausgang mit dem sendeseitigen Mischer 26 verbunden ist. Der zweite sendeseitige Synthesegenerator 14 ist mit dem zweiten Leistungsteiler 18b verbunden, dessen Ausgänge mit dem sendeseitigen Mischer 16 und über die Hochfrequenz-Referenzleitung 50 mit dem empfangsseitigen Mi- scher 26 verbunden sind. Der zweite Eingang des empfangsseitigen Mischers 22 ist mit der Empfangsantenne 20 verbunden.
Somit erzeugt der sendeseitige Mischer 16 ein erstes Zwischenfrequenzsignal IF1 mit einer ersten Zwischenfrequenz, welche die Differenz zwischen der ersten Hochfrequenz (also der Frequenz der gesendeten Mikrowelle) und der zweiten Hochfrequenz ist, im gewählten Ausführungsbeispiel also 1 MHz beträgt. Der empfangsseitige Mischer 26 wiederum erzeugt ein zweites Zwischenfrequenzsignal SF2, welches die Differenz der empfangenen Mikrowelle (dieses Signal wird hier als F1' bezeichnet) und dem zweiten Hochfrequenzsignal des zweiten sen- deseitigen Synthesegenerators 14 ist. Die Frequenz von F1 und F ist hierbei gleich, da die Transmission durch die Probe P zwar Phase und Amplitude ändert, nicht jedoch die Frequenz. Aus diesem Grunde haben die beiden Zwischenfre- quenzsignale IF1 und IF2 auch dieselbe Frequenz, hier nämlich 1 MHz. Aus dem Vergleich des ersten Zwischenfrequenzsignals IF1 mit dem zweiten Zwischenfre- quenzsignal !F2 kann in bekannter Art und Weise sowohl auf die Phasenverschiebung als auch auf die Dämpfung, welche die von der Sendeantenne 10 abgestrahlte Mikrowelle bei Durchstrahlung der Probe P erfährt, geschlossen werden, woraus wiederum auf die dielektrischen Eigenschaften der Probe geschlossen werden kann. Die entsprechenden Berechnungen werden von der Auswer- teeinheit, nämlich dem ersten Mikrokontroller 40 durchgeführt. In industriellen Anwendungen können das sendeseitige HF-Verbindungskabel 58 und/oder das empfangsseitige HF-Verbindungskabel 59 relativ lang sein und ungeschützt verlaufen, so dass sich ihre Temperatur (beispielsweise durch Sonneneinstrahlung) über die Zeit relativ stark verändern kann. Dies führt jedoch zu einer Änderung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, was wiederum zu einer Phasenverschiebung führt, welche dann - sofern keine Gegenmaßnahmen getroffen werden - zu einem Messfehler führt.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung, mit der der eben beschriebene Fehler korrigiert wird. Der Grundaufbau dieser Vorrichtung ist identisch zum eben Beschriebenen, wobei zusätzlich folgende Elemente vorgesehen sind:
Dem ersten Leistungsteiler 18a ist eine als Weiche ausgeführte HF- Auftrenneinrichtung 30 (Umschalter) nachgeschaltet, deren erster Ausgang 31 mit dem ersten HF-Signalausgang 31a verbunden ist und dessen zweiter Ausgang 32 mit einem zweiten HF-Signalausgang 32a des Gehäuses verbunden ist. Ebenso ist dem empfangsseitigen Mischer 26 eine umschaltbare HF- Zusammenführeinheit 50 vorgeschaltet, deren erster Eingang 51 mit dem ersten HF-Signaleingang 51 verbunden ist und dessen zweiter Eingang 52 mit einem zweiten HF-Signaleingang 52a des Gehäuses verbunden ist. Zwischen dem zweiten HF-Signalausgang 32a und dem zweiten HF-Signaleingang 52a erstreckt sich ein erstes HF-Bypass-Kabel 61. Somit kann mittels der HF-Auftrenneinrichtung 30 und der HF-Zusammenführeinheit 30 derart umgeschaltet werden, dass das erste Hochfrequenzsignal F1 entweder die HF-Verbindungskabel 58, 59 und die durch die Antennen 10, 20 definierte Messstrecke durchläuft und somit zum Hochfrequenzsignal F' wird, oder dass es das erste HF-Bypass-Kabel 61 durchläuft und somit zum Hochfrequenzsignal F" wird. H F-Auftren nein richtu ng 30 und HF- Zusammenführeinheit 50 werden vom Mikrokontroller 40 angesteuert.
Dieses erste HF-Bypass-Kabel 61 (in diesem Ausführungsbeispiel das einzige HF-Bypass-Kabel) hat vorzugsweise folgende Eigenschaften: Es hat dieselben elektrischen und thermischen Eigenschaften wie das sendeseitige HF- Verbindungskabel 58 und das empfangsseitige HF-Verbindungskabel 59 {das heißt alle drei Kabel sind baugleich), es weist eine Länge auf, welche der Summe der Längen des sendeseitigen HF-Verbindungskabels 58 und des empfangsseiti- gen HF-Verbindungskabels 59 entspricht und es ist so verlegt, dass es die gleiche Temperatur wie die beiden HF-Verbindungskabel 58, 59 aufweist Das letztgenannte Merkmal kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das HF- Bypass-Kabel abschnittsweise parallel zu diesen Kabeln verlegt wird. Bei Erst-Kalibrierung der Vorrichtung wird zusätzlich zur üblichen Kalibrierung auf das HF-Bypass-Kabel 61 umgeschaltet, sodass am empfangsseitigen Mischer 26 das Signal F" ankommt, welches der empfangsseitige Mischer 26 mit dem zweiten Hochfrequenzsignal F2 mischt. Die Phasenverschiebung zwischen dem so erzeugten zweiten Zwischenfrequenzsignal IF2 und dem ersten Zwischenfre- quenzsignal IF1 wird als Referenzwert (Referenz-Dämpfung und -Phasenverschiebung) gespeichert.
Während des Regelbetriebs (also während der Messung an einer sich in der Messtrecke befindenden Probe) wird vom Mikrokontroller 40 periodisch von der Messtrecke auf das HF-Bypass-Kabel umgeschaltet. Ergibt sich hierbei zwischen der aktuell gemessenen Phasenverschiebung zwischen dem zweiten Zwischen- frequenzsignals IF2 und dem ersten Zwischenfrequenzsignal IF1 und der gespeicherten Referenz-Phasenverschiebung eine Änderung der Phasenverschiebung, so lässt dies auf eine Phasenversch iebu ng im Signal FT* und somit auf eine Temperaturveränderung im HF-Bypass-Kabel 58 schließen, sofern man die Annahme trifft, dass die Elektronik von Sende- und Empfangsmodul stabil und driftfrei arbeitet.
Bei symmetrischer Anordnung folgt daraus wegen der oben beschriebenen Ei- genschaften des HF-Bypass-Kabels in Bezug auf die Verbindungskabel 58, 59, dass das Signal FT aufgrund der Temperaturveränderung der HF- Verbindungskabel 58, 59 die selbe Phasenverschiebung aufweist. Bei unsymmet- rischer Kabellänge kann die Änderung der elektrischen Eigenschaften der Kabel berechnet und entsprechend auf die Antennenkabel 58 und 59 rechnerisch übertragen werden. Ohne Korrektur würde die Auswerteeinheit (hier der erste Mikro- kontroller 40) diese Phasenverschiebung der Probe„zurechnen", was zu einem entsprechenden Messfehler führen würde. Aufgrund der Bypass-Messung ist die rein temperaturbedingte Phasenverschiebung jedoch bekannt, sodass vom Mikrokontroller eine entsprechende Korrektur - im mathematisch einfachsten Fall schlicht durch Abzug der am HF-Bypass-Kabel gemessenen temperaturbedingten Phasenverschiebung von der im Messpfad gemessenen Phasenverschiebung - durchgeführt werden kann.
Die Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, welches der ersten Ausführung sform sehr ähnlich ist. Der Unterschied besteht darin, dass zwei HF-Bypass- Kabel vorgesehen sind, nämlich das erste HF-Bypass-Kabel 61 und das zweite HF-Bypass-Kabel 62. Auch hier sind alle außerhalb des Gehäuses verlaufende Kabel 58, 59, 61 , 62 vorzugsweise baugleich. Das erste HF-Bypass-Kabel 61 kann auch hier eine Länge aufweisen, welche der Summe der Länge der beiden Verbindungskabel entspricht. Das zweite HF-Bypass-Kabel muss eine von der Länge des ersten H F-Bypass-Kabels abweichende Länge aufweisen. Damit zwei HF-Bypass-Kabel angeschlossen werden können, sind zusätzlich ein dritter HF- Signalausgang 33a und ein dritter HF-Signaleingang vorgesehen. Die HF- Auftrenneinrichtung 30 weist dementsprechend drei Ausgänge 31 , 32, 33 und die HF-Zusammenführeinheit 50 weist dementsprechend drei Eingänge 51 , 52, 53 auf. Alle Kabel können sehr eng beieinanderliegend verlegt werden, da sie nie gleichzeitig betrieben werden und über die Umschalter extrem stark entkoppelt sind, sodass keine Gefahr von Übersprechern besteht (dies gilt auch fürs erste Ausführungsbeispiel).
Bei der Kalibrierung der Vorrichtung erhält man nun zwei Referenz- Phasenverschiebungen bezüglich IF1, nämlich die erste Referenz- Phasenverschiebung, welche man durch Mischen von F ' (erstes HF-Bypass- Kabel) mit F2 erhält, und die zweite Referenz-Phasenverschiebung, welche man durch Mischen von Ff" (zweites HF-Bypass-Kabel) mit F2 erhält. Beim Messbetrieb erhält man natürlich entsprechend auch eine erste Phasendifferenz und eine zweite Phasendifferenz (jeweils bezogen auf IF1), so dass die Auswerteeinheit zusätzlich zur Temperaturkompensation Driftfehler der Elektronik (Sendemodul und Empfangsmodul) kompensieren kann, wie folgende Überlegung zeigt:
Aufgrund der größeren Länge des zweiten HF-Bypass-Kabels ist die zweite Phasenverschiebung größer als die erste Phasenverschiebung und bei zunehmender Temperatur der Kabel ändert sich die elektrische Länge. Stellt man (das heißt die Auswerteeinheit) fest, dass sich erste und zweite Phasenverschiebung mit gleichem Betrag bezüglich ihrer jeweiligen Referenz-Phasenverschiebung geändert haben, so kann dies nicht an einer Temperaturänderung der Kabel liegen, sondern es handelt sich um eine Phasenverschiebung , welche in einem Drift der Elektronik begründet liegt. Dieser Phasenfehler kann dann ebenfalls bei der Kor- rektur der Phasenverschiebung bei Messung an der Probe berücksichtigt werden.
Mathematisch allgemeiner gesprochen hat man ein System mit zwei voneinander unabhängigen Fehlerquellen (Temperaturänderung der Kabel und Drift der Elektronik) und man führt zwei Messungen durch, wobei die verwendeten HF-Kabel den gleichen Temperaturkoeffizienten haben, so dass sich die Größe beider Fehler bestimmen lässt.
Das Vorhandensein eines Bypass bieten einen weiteren Vorteil: Man kann den Bypass als Leermessung benutzen. Da die elektrische Länge des Bypasses nicht auf die elektrische Länge des Messpfades abgeglichen ist, wird sich jedoch sowohl für die Dämpfung D in dB als auch für die Phasenverschiebung Phi in 7GHz ein Offset ergeben, der bei der Kalibrierung berücksichtigt werden muss.
Ausgehend von der Kalibriergleichung in der einfachsten Form W = A* Phi/mu + B * D/m" + E erhält man nun unter Berücksichtigung des Offset D0 und Phi0 für D bzw. Phi:
W = A* (Phi+Phi0)/mu + B * (D+D0)m" + E
= A* (Phi)/mu + B * (D)m" + C/ m" + E mit:
W Wassergehalt
m" Flächengewicht der Probe,
A, B, C, Koeffizienten, die sich bei der Kalibrierung mittels Regression bestimmt werden.
Die zweite Aufgabe der Leermessung ist, den Frequenzgang der Messung mit der Probe trotz nichtlinearen Frequenzgangs, der z.B. durch die Dispersion der Antennen verursacht wird, zu linearisieren. Es wird daher zusätzlich eine Messung durchgeführt, die in ihrem Frequenzgang der Messung mit der Probe ähnlich ist, wobei sowohl der Frequenzgang als auch der Mittelwert der Messung bestimmt und so verrechnet wird, dass lediglich Frequenzgang die Messung beeinflusst wird, aber nicht der absolute Wert der Messung.
Mit Bezug auf die Figur 3 wird nun eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, welche ebenfalls als heterodynes System ausgebildet ist.
Die Vorrichtung ist grundsätzlich so aufgebaut, wie es aus der DE 10 2012 010 255 B3 bekannt ist, wobei zusätzlich zwei HF-Bypass-Kabel 61, 62 vorgesehen sind, wie es oben beschrieben wurde. Genauso wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel kann zwischen der Messstrecke und den beiden HF-Bypass- Kabeln 61 , 62 umgeschaltet werden, jedoch wird hierdurch ein anderes Ziel erreicht, wie dies später näher beschrieben wird. Die beiden Module SM und EM sind örtlich getrennt und in separaten metallenen Gehäusen G1 und G2 unterge- bracht. Im zweiten Gehäuse G2 ist auch die Auswerteeinheit in Form eines ersten Mikrokontrollers 40 sowie ein Frequenznormal 82 integriert. Diese Bauteile könnten jedoch genauso in im ersten Gehäuse G1 oder in einem separaten Gehäuse untergebracht sein.
Das Sendemodul SM weist zwei sendeseitige Synthesegeneratoren 12 und 14 auf, welche jeweils ein Hochfrequenzsignal F1 beziehungsweise F2 erzeugen, wobei die Hochfrequenzen leicht verschieden voneinander sind, beispielsweise kann die erste Hochfrequenz in einem Schaltzustand 3 GHz und die zweite Hoch- frequenz 3,001 GHz betragen. Die beiden sendeseitigen Synthesegeneratoren 12, 14 werden von einem zweiten Mikrokontroller 42, welcher vom ersten Mikro- kontroller 40 gesteuert wird, angesteuert. Die beiden Mikrokontroller 40, 42 sind mittels einer Busleitung 80 verbunden. Getaktet werden die HF- Synthesegeneratoren über eine sendeseitige Niederfrequenz-Synchronisations- Signalleitung 34a vom Frequenznormal 82. Der erste sendeseitige Synthesegenerator 12 speist sein Hochfrequenzsignal F1 in einen Leistungsteiler 18, welcher wiederum mit einem sendeseitigen Mischer 16 und dem Eingang 35 einer als Weiche ausgebildeten HF-Auftrenneinrichtung 30 verbunden ist. Wie im zuvor geschriebenen Ausführungsbeispiel ist der erste Ausgang 31 dieser HF- Auftrenneinrichtung 30 über einen ersten HF-Signalausgang 31a des Gehäuses und das sendeseitige HF-Verbindungskabel 58 mit der HF-Einkopplungseinheit 10 verbunden. Auch hier weist die HF-Auftrenneinrichtung 30 zwei weitere Ausgänge 32, 33 auf, welche jeweils mit einem HF-Signalausgang 32a, 33a des Gehäuses verbunden sind, von welchen sich jeweils ein HF-Bypass-Signalkabel 61 , 62 erstreckt. Diese beiden HF-Bypass-Signalkabel 61 , 62 weisen auch hier gleiche elektrische und thermische Eigenschaften auf, wobei jedoch die zweite HF- Bypass-Signalleitung 62 eine größere Länge als die erste HF-Bypass- Signalleitung 61 aufweist (wie im zweiten Ausführungsbeispiel). Die HF- Auftrenneinrichtung 30 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei hinterei- nandergeschalteten Weichen aufgebaut, welche vom zweiten Mikrokontroller 42 angesteuert werden. Der zweite sendeseitige Synthesegenerator 14 speist das von ihm erzeugte zweite Hochfrequenzsignal F2 unmittelbar in den sendeseitigen Mischer 16, welcher mit der Auswerteeinheit, nämlich mit dem Mikroprozessor 40 verbunden ist und diesem das erste Zwischenfrequenzsignal IF1 zuführt.
Die HF-Auskopplungseinheit 20 ist über das empfangsseitige HF- Verbindungskabel 59 und den ersten HF-Signaleingang 51 a mit einem Eingang 51 einer symmetrisch zur HF-Auftrenneinrichtung 30 ausgebildeten HF- Zusammenführeinrichtung 50 verbunden. Die beiden weiteren Eingänge 52, 53 der HF-Zusammenführeinrichtung 50 sind jeweils über die weiteren HF- Signaleingänge 52a, 53a mit jeweils einem HF-Bypass-Kabel verbunden. Die HF- Zusammenführeinrichtung 50 wird über den ersten Mikrokontroller angesteuert.
Im Empfangsmodul EM ist ein empfangsseitiger Synthesegenerator 22 vorgesehen, welcher jeweils dieselbe Hochfrequenz wie der zweite sendeseitige Synthesegenerator 14, im gewählten Ausführungsbeispiel also 3,001 GHz, erzeugt. Dieser empfangsseitige Synthesegenerator 22 ist mit dem Frequenznormal 82 verbunden und wird vom Mikrokontroller 40 angesteuert. Der empfangsseitige Synthesegenerator 22 speist das von ihm erzeugte dritte Hochfrequenzsignal F3 in den empfangsseitigen Mischer 26, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang 55 der HF-Zusammenführeinrichtung 50 verbunden ist, so dass er bei entsprechendem Schaltzustand von HF-Auftrenneinrichtung 30 und HF- Zusammenführeinrichtung 50 das durch die Probe P transmittierte erste Hochfrequenzsignal F1 ' empfängt.
Der sendeseitige Mischer 16 erzeugt ein erstes Zwischenfrequenzsignal IF1 , ebenso erzeugt der empfangsseitige Mischer 26 ein zweites Zwischenfrequenzsignal IF2, wobei die beiden Zwischenfrequenzen gleich sind, im beschriebenen Ausführungsbeispiel nämlich 1 MHz betragen. Diese Zwischenfrequenzsignale sind also Niederfrequenzsignale (NF-Signale). Diese beiden Zwischenfrequenzsignale 1F1 und IF2 werden der Auswerteeinheit, d. h. dem ersten Mikroprozessor 40, zugeführt. Damit man aus der Phasenverschiebung zwischen dem ersten Zwischenfrequenzsignal IF1 und dem zweiten Zwischenfrequenzsignal IF2 eine relevante Aussage über die Phasenverschiebung, welche das erste Hochfre- quenzsignal F1 beim Durchtritt durch die Probe P erfährt, ableiten kann, müssen sämtliche Synthesegeneratoren 12, 14 und 22 zueinander synchronisiert sein. Für diese Synchronisation sorgt das Frequenznormal 82, welches mit einer sendesei- tigen Niederfrequenz-Synchronisations-Signalleitung 84a mit den beiden sendes- eitigen Synthesegeneratoren 12, 14 und mit einer empfangsseitigen Niederfre- quenz-Synchronisations-Signalleitung 84b mit dem empfangsseitigen Synthesegenerator 22 verbunden ist und ein Taktsignal TS aussendet, mit dem die Synthesegeneratoren phasenstarr reproduzierbar gekoppelt werden. Das„Herz" eines solchen Frequenznormals ist in der Regel ein Schwingquarz, dessen Reso- nanzfrequenz als Normalfrequenz benutzt wird. Typischerweise beträgt diese Normalfrequenz zwischen 1 und 30 MHz, insbesondere 10 MHz, wie in diesem Ausführungsbeispiel gewählt. Beide Niederfrequenz-Synchronisations- Signalleitungen 84a, 84b, sind Niederfrequenz-Signalleitungen, welche vorzugsweise körperlich identisch, insbesondere mit gleicher Länge (nicht dargestellt) und mit identischem Aufbau ausgebildet. Aufgrund der örtlichen Trennung von Sendemodul SM und Empfangsmodul EM können sendeseitiges HF- Verbindungskabel 58 und empfangsseitiges HF-Verbindungskabel 59 sehr kurz ausgeführt sein, sodass etwaige Temperaturschwankungen zu nur kleinen Fehlern führen. Die Umschaltmöglichkeit auf die HF-Bypass-Kabel 61 , 62 wird des- halb für etwas anderes genutzt:
Wie oben beschrieben, werden bei einer Erstkalibrierung Referenz- Phasendifferenzen zwischen IF1 und der Mischung aus FT und F3, zwischen IF1 und der Mischung aus F ' und F3 und zwischen IF1 und der Mischung aus FT" und F3, wobei F2 und F3 dieselbe Frequenz aufweisen, bestimmt und gespeichert, auf welche während dem Messbetrieb zurückgegriffen wird. Dieser Prozess muss für jedes Hochfrequenzpaar, welches während eines Messprozesses genutzt werden soll, durchgeführt werden. Im Messzustand ist der Eingang 35 der HF-Auftrenneinrichtung mit deren erstem Ausgang 31 verbunden und der erste Eingang 51 der HF- Zusammenführeinrichtung 50 ist mit deren Ausgang 55 verbunden, so dass die Vorrichtung wie oben beschrieben arbeitet und die beiden HF-Bypass-Kabel funktionslos sind (wie oben mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben).
Wird nun vom System ein Frequenzwechsel durchgeführt (das heißt die sendesei- tigen Synthesegeneratoren 12, 14 werden vom zweiten Mikrokontroller 42 entsprechend angesteuert und der empfangsseitige Synthesegenerator 22 wird vom ersten Mikrokontroller 40 entsprechend angesteuert), ist die Phasenlage des empfangsseitigen Synthesegenerators 22 in Bezug auf die sendeseitigen Synthesegeneratoren 12, 14 nicht mehr bekannt, da das System nicht„weiß" wie die Synthesegeneratoren„einrasten". Es wird deshalb nach einem Frequenzwechsel (beispielsweise von 3,000 GHz, bzw. 3,001 GHz auf 4,000 GHz bzw. 4,001 GHz) zunächst eine Kalibriermessung mittels der ersten HF-Bypass-Signalleitung 61 durchgeführt, das heißt, dass die aktuell gemessene Phasendifferenz zwischen der Mischung aus F1 " und F3 (aktuelles IF2) und IF1 gemessen wird. Hierfür wird die HF-Auftrenneinrichtung 30 auf den zweiten Ausgang 32 und die HF- Zusammenführeinrichtung 50 auf den zweiten Eingang 52 umgeschaltet und eine Kalibriermessung durchgeführt. Aufgrund der durchgeführten Erst-Kalibrierung, bei welcher eine entsprechende Referenz-Phasenverschiebung gemessen wurde, kann die Auswerteeinheit den durch das Frequenzumschalten ggf. aufgetretenen Phasenfehler errechnen und nach dem Zurückschalten auf den ersten Ausgang 31 bzw. den ersten Eingang 51 beim Messen der Probe P eine entsprechende Korrektur durchführen.
In der industriellen Anwendung jedoch, bei welchen mit schwankenden Tempera- turen zu rechnen ist, ändern sich mit der Temperatur auch die elektrischen Eigenschaften des ersten HF-Bypass-Kabels 61 , welches je nach örtlichen Gegebenheiten relativ lang sein kann. Um dies ausgleichen zu können, ist die zweite HF- Bypass-Signalleitung 62 vorgesehen, welche bis auf die Länge dieselben Eigenschaften wie die erste HF-Bypass-Signalleitung 61 aufweist. Die beiden HF- Bypass-Kabel 61 , 62 sind vorzugsweise parallel zueinander verlegt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass sie dieselbe Temperatur aufweisen. Somit kann in gewissen zeitlichen Abständen eine„doppelte Kalibriermessung" durchge- führt werden, bei der die beiden HF-Bypass-Signalleitungen zeitlich nacheinander zwischen Sendemodul SM und Empfangsmodul geschaltet werden, so dass aufgrund der unterschiedlichen Längen der beiden HF-Bypass-Signalleitungen der Temperatureffekt rechnerisch eliminiert werden kann, wie dies oben beschrieben wurde.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform. Mittels der phasenstarr reproduzierbar gekoppelten Synthesegeneratoren lassen sich beide Zwischenfrequenzen IF1 und IF2 auch auf der Empfängerseite gene- rieren, so dass das Verbindungskabel für das Signal der ersten Zwischenfrequenz IF1 zwischen dem Sendemodul SM und dem Auswertemodul AE entfallen kann. Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 gezeigt: In diesem Fall weist das Sendemodul SM nur einen Synthesegenerator 11 auf. Alle weiteren Bauelemente sind in das Empfangsmodul EM integriert, welches somit einen ersten und einen zweiten empfangsseitigen Synthesegenerator 23, 24 aufweist, wobei der zweite Synthesegenerator 24 ein zweites Hochfrequenzsignal F2 erzeugt, welches die selbe Hochfrequenz hat wie das erste Hochfrequenzsignal F1 des sendeseitigen Synthesegenerators 11 (beispielsweise wieder 3 GHz), während der erste Synthesegenerator 23 (wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auch) ein drittes Hochfrequenzsignal F3 mit einer hierzu leicht verschiedenen Hochfrequenz (beispielsweise wieder 3,001 GHz) erzeugt. Das erste Zwischenfrequenzsignal IF1 wird durch Mischen des zweiten Hochfrequenzsignals F2 mit dem dritten Hochfrequenzsignal F3 erzeugt, wozu der erste empfangsseitige Mischer 27 dient, dessen einer Eingang über einen Leistungsteiler 29 mit dem ersten emp- fangsseitigen Synthesegenerator 23 und dessen anderen Eingang mit dem zweiten empfangsseitigen Synthesegenerator 24 verbunden ist. Das zweite Zwischenfrequenzsignal IF2 wird wie oben beschrieben erzeugt, wofür der zweite empfangsseitige Mischer 28 dient, der dem empfangsseitigen Mischer 26 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auch, werden alle Synthesegeneratoren 11 , 23, 24 von dem Frequenznormal 82 phasenstarr getaktet. Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein sendeseitiger Frequenzgenerator 11 zur Erzeugung eines ersten Hochfrequenzsignals F1 und nur ein empfangsseitiger Frequenzgenerator 22 zur Erzeugung eines weiteren Hochfrequenzsignals, welches der Konsistenz halber hier als drittes Hochfrequenzsignal F3 bezeichnet wird, vorgesehen sind. Hier dient als Referenzsignal (dies ist in den vorherigen Ausführungsbeispielen das erste Zwischenfrequenz- signal 1F1) direkt das Taktsignal TS des Frequenznormals 82 oder gegebenenfalls ein unmittelbar aus diesem abgeleitetes Signal. Soll das Taktsignal TS unmittelbar als Referenzsignal dienen, wie dies im Ausführungsbeispiel der Figur 5 gezeigt ist und wozu eine weitere Niederfrequenz-Synchronisations-Signalleitung 84c vorgesehen ist, welches das Frequenznormal 82 mit dem ersten Mikroprozessor 40 verbindet, so muss die Frequenz des zweiten Zwischenfrequenzsignals IF2 (des Mischsignals aus F3 und FT) gleich zu der Frequenz des Taktsignals TS sein. Beträgt die Frequenz des Taktsignals TS auch hier 10 MHz, so könnte beispielsweise die Frequenz des ersten Hochfrequenzsignals F1 3 GHz und die Frequenz des dritten Hochfrequenzsignals F3 3,01 GHz betragen. Dieses Ausführungsbeispiel führt zu einer Vereinfachung der Schaltung, ist aber dennoch nicht empfehlenswert, da durch eine Filterung die IF und das Frequenznormal nicht separiert werden kann.
In Anwendungsfällen, in denen schwankende Umwelteinflüsse, insbesondere schwankende Temperaturen keine entscheidende Rolle spielen, kann gegebenenfalls (wie im ersten Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform) auf das zweite HF-Bypass-Kabel verzichtet werden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Figur 6 gezeigt. Die HF-Auftrenneinrichtung (Weiche) 30 weist hier nur zwei Ausgänge 31 , 32 und die H F-Zusammenfü hrein richtung 50 weist nur zwei Eingänge 51 , 52 auf. Das einzige HF-Bypass-Kabel 61 , welche parallel zur Messtrecke schaltbar ist kann in diesem Fall genauso genutzt werden wie oben beschrieben (also zur Korrektur eines etwaigen Einrastfehlers), jedoch nicht zur Temperaturkompensation. Wie dies bereits erwähnt wurde, zeigen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Verbesserung insbesondere beim industriellen Einsatz einer solchen Vorrichtung, beispielsweise bei der Online-Messung von auf einem Förderer, beispielsweise einem Förderband 60 geförderten Schüttgütern SG wie Kohle oder Erz {Fig. 6) oder bei der Online-Messung von durch ein Rohr (65) strömender Flüssigkeit (Fig. 7). Auch die Messung in einem Behälter ist möglich. Gezeigt sind hier Messvorrichtungen entsprechend den ersten beiden Ausführungsbeispielen.
Bezugszeichenliste
10 HF-Einkopplungseinheit
11 sendeseitiger Synthesegenerator
12 erster sendeseitiger Synthesegenerator
14 zweiter sendeseitiger Synthesegenerator
16 sendeseitiger Mischer
18 Leistungsteiler
18a erster Leistungsteiler
18b zweiter Leistungsteiler
20 HF-Auskopplungseinheit
22 empfangsseitiger Synthesegenerator
23 erster empfangsseitiger Synthesegenerator
24 zweiter empfangsseitiger Synthesegenerator
26 empfangsseitiger Mischer
27 erster empfangsseitiger Mischer
28 zweiter empfangsseitiger Mischer
29 Leistungsteiler
30 HF-Auftrenneinrichtung
31 erster Ausgang der HF-Auftrenneinrichtung
31a erster HF-Signalausgang
32 zweiter Ausgang der HF-Auftrenneinrichtung
32a zweiter HF-Signalausgang
33 dritter Ausgang der HF-Auftrenneinrichtung
33a dritter HF-Signalausgang
35 Eingang
40 erster Mikrokontroller
42 zweiter Mikrokontroller
50 HF-Zusammenführeinheit
51 erster Eingang
51a erster HF-Signaleingang 52 zweiter Eingang
52a zweiter HF-Signaleingang
53 dritter Eingang
53a dritter HF-Signaleingang
55 Ausgang
58 sendeseitiges HF-Verbindungskabel
59 empfangsseitiges HF-Verbindungskabel
61 erstes HF-Bypass-Kabel
62 zweites HF-Bypass-Kabel
80 Bus
82 Frequenznormal
90 Förderband
95 Rohr
F1 erstes Hochfrequenzsignal mit erster Frequenz
F2 zweites Hochfrequenzsignal mit zweiter Frequenz
F3 drittes Hochfrequenzsignal mit dritter Frequenz
IF1 erstes Zwischenfrequenzsignal mit erster Zwischenfrequenz
IF2 zweites Zwtschenfrequenzsignal mit zweiter Zwischenfrequenz
TS Taktsignal
SM Sendemodul
EM Empfangsmodul
G gemeinsames Gehäuse
G1 erstes Gehäuse (sendeseitiges Gehäuse)
G2 zweites Gehäuse (empfangsseitiges Gehäuse)
SG Schüttgut

Claims

Patentansprüche
1. Messeinrichtung zur Messung der dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften einer Probe (P) mittels einer Mikrowellen- Transmissionsmessung mit
einem Sendemodul (SM) mit einem ersten Synthesegenerator (11 , 12) zur Erzeugung eines ersten Hochfrequenzsignals (F1 ) mit einer ersten Frequenz, und einem mit dem ersten Synthesegenerator (11 , 12) verbindbaren ersten HF-Signalausgang (31a), an welchen eine HF-Einkopplungseinheit (10) mittels eines sendeseitigen HF- Verbindungskabels (58) koppelbar ist,
einem Empfangsmodul (EM), mit einem ersten HF-Signaleingang (51a), an welchen eine HF-Auskopplungseinheit (20) mittels eines empfangsseitigen HF-Verbindungskabels (59) koppelbar ist, und einem HF-Mischer (26, 28) mit einem ersten Mischereingang, welcher mit dem ersten HF-Signaleingang (51a) verbindbar ist, einem zweiten Mischereingang, welcher mit dem ersten HF-Synthesegenerator in einem homodynen System oder einem zweiten HF- Synthesegenerator in einem heterodynen System verbunden oder verbindbar ist, und einem Mischerausgang, welcher ein NF-Signal ausgibt, welches aus den beiden den Eingängen zugeleiteten HF- Signalen gemischt ist,
wobei Sendemodul (SM) und Empfangsmodul (EM) entweder in einem gemeinsamen Gehäuse (G) oder in voneinander getrennten Gehäusen (G1 , G2) angeordnet sind,
einer Auswerteeinheit, welche mit dem Ausgang des Mischers verbunden ist und somit in einem ersten Betriebszustand der Vorrichtung das NF-Signal in einem ersten Zustand verarbeitet, dadurch gekennzeichnet,
dass das Sendemodul zusätzlich wenigstens einen mit dem ersten Synthesegenerator verbindbaren zweiten HF-Signalausgang (32a) aufweist und dass das Empfangsmodul (EM) zusätzlich wenigstens einen mit dem ersten Mischereingang des Mischers verbindbaren zweiten HF- Signaleingang (52a) aufweist,
sodass wenigstens ein außerhalb des Gehäuses (G) / der Gehäuse (G1 , G2) verlaufendes erstes HF-Bypass-Kabel (61) angeschlossen werden kann, dessen Eingang in den Signalweg zwischen dem ersten HF-Synthesegenerator (11 , 12) und der HF-Einkopplungseinheit einkoppelbar (10) und dessen Ausgang in den Signalweg zwischen HF-Auskopplungseinheit (20) und Mischer (26, 28) einkoppelbar ist, so dass bei eingekoppeltem erstem HF-Bypass-Kabel (61) das HF- Signal von der Messtrecke, welche bei eingekoppeltem sendeseiti- gem HF-Verbindungskabel (58) und eingekoppeltem empfangsse'rti- gem HF-Verbindungskabel (59) durch die HF-Auskopplungseinheit (10) und die HF-Einkopplungseinheit (10) definiert wird, in das erste HF-Bypass-Kabel (61 ) umgeleitet wird, so dass die Vorrichtung dann einen zweiten Betriebszustand einnimmt, in welchem das NF- Signal einen zweiten Zustand aufweist, in welchem es keine Informationen über eine in der Messstrecke positionierte Probe (P) enthält
Messeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass das Sendemodul weiterhin einen mit dem ersten Synthesegenerator verbindbaren dritten HF-Signalausgang (33a) aufweist und dass das Empfangsmodul zusätzlich weiterhin einen mit dem ersten Mischereingang des Mischers verbindbaren dritten HF- Signaleingang (53a) aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass eine erste HF-Umschalt- oder Aufteileinrichtung (30) mit einem mit dem ersten HF-Synthesegenerator verbundenen Eingang (35), einem mit dem ersten HF-Signalausgang (31a) verbundenen ersten Ausgang (31 ), einem mit dem zweiten HF-Signalausgang (32a) ver- bundenen zweiten Ausgang (32) und einem mit dem dritten HF- Signalausgang (33a) verbundenen dritten Ausgang (33) vorgesehen ist, und
dass eine zweite HF-Umschalteinheit (50) mit einem mit dem ersten HF-Signaleingang (51 a) verbundenen ersten Eingang (51), einem mit dem Mischer verbundenen Ausgang (55), einem mit dem zweiten HF-Signaleingang (52a) verbundenen zweiten Eingang (52) und einem mit dem dritten HF-Signaleingang (53a) verbundenen dritten Eingang (53) angeordnet ist.
4. Messeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste HF-Synthesegenerator ein sendeseitiger HF- Synthesegenerator (12) ist, dass der zweite HF-Synthesegenerator ein empfangsseitiger HF-Synthesegenerator (22) ist und dass die HF- Synthesegeneratoren (12, 22) jeweils mittels einer Niederfrequenz- Synch ron isations-Sig al leitu ng mit einem Frequenznormal verbunden und an dieses phasenstarr gekoppelt sind.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sendeseitige HF-Synthesegeneratoren (12, 14), und ein empfangsseitiger HF-Synthesegenerator (22) oder ein sendeseitiger (11) und zwei emp- fangsseitige Synthesegeneratoren und ein weiterer Mischer vorgesehen sind.
6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine empfangsseitige H F-Synthesegenerator Teil eines Sendemoduls ist, dass der wenigstens eine empfangsseitige HF- Synthesegenerator Teil eines Empfangsmoduls ist, dass Sendemodul und dass Sendemodul und Empfangsmodul örtlich voneinander beabstandet sind und dass die wenigstens eine HF-Bypass-Signalleitung und die Nie- derfrequenz-Synchronisations-Signalleitung zwischen Sendemodu! und Empfangsmodul verlaufen.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das sen- deseitige HF-Verbindungskabel, das empfangsseitige HF- Verbindungskabel und das HF-Bypass-Kabel identisch aufgebaut sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Längen des sendeseitigen HF-Verbindungskabels und des empfangs- seitigen HF-Verbindungskabels der Länge des HF-Bypass-Kabels entspricht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei die Messeinheit nach Anspruch 2 ausgebildet ist, und einem mit dem dritten HF- Signalausgang und dem dritten HF-Signaleingang verbunden zweiten HF- Bypass-Kabel, wobei die beiden HF-Bypass-Kabel identisch aufgebaut sind und dass zweite HF-Bypass-Kabel eine größere Länge als das erste HF- Bypass-Kabel aufweist.
14. Messverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine HF- Bypass-Kabel zur Kompensation von Temperaturfehlem der HF- Verbindungskabel, und/oder des Drifts der elektronischen Komponenten von Sende- und Empfangsmodul und/oder zur Durchführung von Leermessungen genutzt wird.
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