WO2000075645A2

WO2000075645A2 - Streufeldsonde

Info

Publication number: WO2000075645A2
Application number: PCT/EP2000/004690
Authority: WO
Original assignee: Hauni Maschinenbau Aktiengesellschaft
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2000-12-14
Also published as: US6411103B1; AU4924700A; PL352127A1; WO2000075645A3; CN1353812A; JP2003501655A; CN1173168C; EP1190239A2; DE19925468A1

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

Ansprüche

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.