WO2005069023A1 - Vorrichtung zur erfassung von physikalischen eigenschaften eines gases oder eines gasgemisches mittels eines hochfrequenz-resonators - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung von physikalischen eigenschaften eines gases oder eines gasgemisches mittels eines hochfrequenz-resonators Download PDF

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WO2005069023A1
WO2005069023A1 PCT/DE2004/002767 DE2004002767W WO2005069023A1 WO 2005069023 A1 WO2005069023 A1 WO 2005069023A1 DE 2004002767 W DE2004002767 W DE 2004002767W WO 2005069023 A1 WO2005069023 A1 WO 2005069023A1
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frequency
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frequency resonator
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Ewald Schmidt
Jürgen Hasch
Hans-Oliver Ruoss
Jürgen Seidel
Klaus Linkenheil
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617—Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2635—Sample holders, electrodes or excitation arrangements, e.g. sensors or measuring cells
    • G01R27/2658—Cavities, resonators, free space arrangements, reflexion or interference arrangements
    • G01R27/2664—Transmission line, wave guide (closed or open-ended) or strip - or microstrip line arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
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    • H01P7/082—Microstripline resonators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F02P23/045—Other physical ignition means, e.g. using laser rays using electromagnetic microwaves

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting physical properties, in particular the pressure of a gas or a gas mixture by means of a high-frequency resonator.
  • Seen in isolation it is known, for example from DE 197 05 260 AI or DE 43 42 505 Cl, that for measuring physical properties of solid substances, in particular the density, these substances are fed to an RF resonator and then the high-frequency signal changes are evaluated , The resonance shift or a change in the dielectric constant caused thereby is then further processed.
  • Previous concepts for absolute pressure measurement or for differential pressure measurement in gases generally evaluate the effect of force from the pressure to be measured on a surface and, using a suitable measuring principle, the resulting change in an electrical signal.
  • Four groups of measuring principles are generally used for this purpose, namely: spring-elastic pressure measuring devices, such as bellows, capsule springs or flat spring pressure gauges; Liquid manometers, such as U-tube or ring tube manometers; Pressure transducers based on the inductive, capacitive, piezoresistive or strain gauge principle and direct electrical pressure transducers such as pressure-sensitive transistors, diodes, quartz crystals or pressure sensors based on the principle of surface acoustic waves (SAW). Due to their mechanical stresses, in particular due to changing stresses in the material, caused by temperature, thermal shock and the change in pressure, these electromechanical measuring principles themselves have a relatively high level of wear and therefore do not have adequate long-term stability.
  • spring-elastic pressure measuring devices such as bellows, capsule springs or flat spring pressure gauges
  • the pressure sensor and the associated measuring circuit associated with it should also be arranged in close proximity to one another. It follows that at least part of the measuring circuit is arranged directly on the sensor, for example by integrating a membrane, a strain gauge and the measuring circuit in a housing. This severely limits the design options of such a measuring device, which are required for use. Due to the proximity of the sensor and measuring circuit, the maximum operating temperature of measuring devices constructed in this way is limited to approximately 350 ° C.
  • the invention is based on a device for detecting physical properties of a medium in the area of a high-frequency resonator, in which a high-frequency alternating voltage is applied to the high-frequency resonator and a change in permittivity in the high-frequency resonator caused by the medium as a measurement volume can be evaluated.
  • the high-frequency resonator is advantageously constructed from discrete geometric components which, through their interaction, form an oscillatable structure in the area of the feeds represent high-frequency AC voltage.
  • a gas or a gas mixture as the medium to be examined is located between these components for measuring the pressure or the pressure difference of the medium.
  • the measuring device according to the invention can be implemented in a simple manner in a defined measuring setup for the resonator, in which the permittivity measurement does not require any measuring membranes or the like deformed by the pressurization.
  • the high-frequency resonator is advantageously formed by a line-bound resonator, the line leading through the medium to be examined.
  • the high-frequency resonator is designed as a coplanar line resonator.
  • the coplanar line resonator can be built up on a printed circuit board or a ceramic substrate or can be integrated into a semiconductor material, for example silicon.
  • the coplanar line of the line resonator is applied to a carrier substrate with a reference ground, for example with rear-side metallization.
  • a second variant can be built up on a carrier substrate without a reference mass, i.e. without a backside metallization.
  • the coplanar line without support substrate be constructed so that it floats in such a way that the surrounding medium forms the substrate of the coplanar line.
  • the coplanar Manufacture cable in a simple way as a solid metal part or from metallized plastic.
  • the high-frequency resonator has a coil and a capacitor as inductive and capacitive components and that the medium to be examined is located between the capacitor plates.
  • the high-frequency resonator is a line-bound resonator, for example a coaxial line, the line leading through the medium to be examined.
  • the high-frequency resonator can also be a cavity resonator, the cavity resonator then being filled with the medium to be examined.
  • the execution of the measurement setup for determining the change in permittivity depends on the particular circumstances of the measurement environment or on the field of application of the device according to the invention.
  • the resonant circuit or the resonator is electrically excited by means of a high-frequency signal generated in an oscillator circuit.
  • the value for the relative permittivity can be determined from the resonance frequency or comparable electrical parameters, such as a change in the reflected voltage by magnitude and phase, a change in the transmitted voltage by magnitude and phase or the electrical transit time of the signals.
  • other possibly falsifying influencing variables such as temperature or air humidity can be included in the calculation and corrected.
  • an additional reference resonator which, with the exception of the pressure to be determined, is exposed to the same physical influences as the high-frequency resonator and with which compensation for temperature and / or moisture influences can be effected.
  • the high-frequency resonator is part of an ignition device on the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a high-frequency resonator for determining the change in permittivity, which is constructed from an oscillating circuit formed by a coil and a capacitor,
  • FIG. 2 shows a view of a high-frequency resonator which is constructed as a coaxial resonator
  • FIG. 3 shows a view of a high-frequency resonator which is constructed as a waveguide
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the high-frequency resonator is is controlled and the frequency is measured via a frequency counter
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the change in the reflection behavior of the high-frequency resonator is measured according to magnitude and phase
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the change in the reflection behavior of the high-frequency resonator is measured in the time domain by scanning
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the high-frequency resonator is driven by a noise source and the excited and reflected signal is correlated with one another
  • FIG. 8 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the transmission loss of the high-frequency resonator is measured
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the group delay of the high-frequency resonator is measured
  • FIG. 10 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the transit time and phase shift in the time domain are measured in the high-frequency resonator
  • FIG. 11 shows a circuit diagram of an evaluation circuit in which the resonance frequency of the high-frequency resonator is measured with a compensation of temperature and air humidity by means of a reference oscillator
  • FIG. 12 shows a view of a high-frequency resonator which is constructed as a coplanar line resonator on a carrier substrate with reference ground
  • FIG. 13 shows a view of a high-frequency resonator which is constructed as a coplanar line resonator on a carrier substrate without a reference mass
  • FIG. 14 is a view of a high-frequency resonator which is constructed as a free-floating coplanar line resonator without a carrier substrate.
  • FIG. 1 shows an oscillating circuit 1 which consists of a coil 2 and a capacitor 3 and thus represents a circuit principle of a resonator which can be controlled with a suitable high-frequency AC voltage in the resonant frequency range of the oscillating circuit 1.
  • the capacitance C of the capacitor 3 results from the following relationship,
  • Such an oscillating circuit 1 can, for example, form the basis for the pressure measurement of the gas mixture according to the invention, here an air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, not shown.
  • the resonance frequency for a certain permeability ⁇ r can be known , for example by measurement during production in a reference gas under reference pressure or by measurement under reference pressure before a pressure measurement. A change in pressure then causes a change in density of the gas contained in the measurement volume due to a connection to the combustion chamber, as a result of which there is a change in the permittivity ⁇ r of the high-frequency resonator or between the capacitor plates.
  • the relationship between the density and permittivity of a gas can be described by the law of Clausius-Mossotti:
  • the density p behaves like the pressure under the prerequisite that the temperature and the volume remain constant, which can be taken into account by including an additional temperature measurement.
  • a certain change in density and pressure can then be assigned to the degree of shift of the resonant frequency of the resonant circuit 1 by a change in permittivity ⁇ i to ⁇ .
  • a frequency shift from fi to f 2 is measured by means of a frequency measuring device and passed on to an evaluation device.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of an evaluation method for determining the high-frequency properties of the resonators described with reference to FIGS. 1 to 3 caused by the aforementioned changes in permittivity.
  • the resonator 10 shown symbolically here is excited by means of an oscillator circuit 11, for example a feedback amplifier or NRC, with a high-frequency AC voltage and a resonance frequency measurement is carried out by means of a frequency counter 12.
  • an oscillator circuit 11 for example a feedback amplifier or NRC
  • FIG. 5 shows an evaluation method in which the reflection behavior of the resonator 10 is determined by measuring the amount 13 and phase 14 via a gate circuit 15 by means of a tunable generator 16.
  • a run time measurement 17 is carried out on the basis of FIG. 6, instead of measuring the amount and phase.
  • the resonator 10 is excited with a noise source 18 and the resonator properties are determined by a correlation 19 of the excitation signal and the signal reflected by the resonator 10.
  • a measurement of the transmission loss or a measurement of the filter curve according to the bandwidth and center frequency is carried out by means of a tunable generator 20.
  • FIG. 9 shows a measurement of the group delay according to amount 13 and phase 14 and from FIG. 10 a measurement of the delay and phase shift 17 in the time domain (see FIGS. 5 and 6).
  • FIG. 11 An evaluation method can be seen in FIG. 11, in which, in addition to the frequency measurement of the resonator 10 according to FIG. 4, the frequency counter 12 also carries out a frequency measurement on a reference resonator 21 with a reference oscillator 22 to compensate for the influence of temperature and / or air humidity becomes.
  • the high-frequency resonator is formed by a coplanar line-bound resonator, the line also leading through the medium to be examined here.
  • the coplanar line resonator 30 according to FIG. 12 consists of a conductor track 31, which is applied to a carrier substrate 32 with the dielectric ⁇ r .
  • the RF energy is supplied via a coaxial connection 33.
  • the printed circuit board 32 has a rear-side metallization 34, which serves as a reference ground.
  • FIG. 13 represents a coplanar line resonator 35, in which, in contrast to the previous exemplary embodiment, the printed circuit board 32 is constructed without a reference ground.
  • FIG. 14 also shows a coplanar line resonance gate 36, which represents a floating structure without a circuit board, in which the conductor 31 is surrounded by the medium to be measured as a substrate.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfre­quenz-Resonators vorgeschlagen, bei der der Hochfrequenz-­Resonator (10;30;35;36) mit einer hochfrequenten Wechsel­spannung beaufschlagt ist und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfre­quenz-Resonator (10;30;35;36) auswertbar ist. Der Hoch­frequenz-Resonator (10) ist aus diskreten geometrischen Komponenten (3;4;7;31) aufgebaut, die durch ihr Zusammen­wirken ein schwingfähiges Gebilde im Bereich der einge­speisten hochfrequenten Wechselspannung darstellen und sich ein Gas oder ein Gasgemisch als zu untersuchendes Medium zur Messung des Drucks oder der Druckdifferenz des Mediums zwischen diesen Komponenten (3;4;7;31) befindet.

Description

Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Gases oder eines Gasgemisches mittels eines Hochfrequenz-Resonators
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften, insbesondere der Druck eines Gases oder eines Gasgemisches mittels eines Hochfrequenz-Resonators .
Für sich gesehen ist es beispielsweise aus der DE 197 05 260 AI oder der DE 43 42 505 Cl bekannt, dass zur Messung von physikalischen Eigenschaften fester Stoffe, insbesondere der Dichte, diese Stoffe einem HF-Resonator zugeführt werden und dann die hochfrequenten Signaländerungen ausgewertet werden. Hierbei wird dann die Resonanzverschiebung beziehungsweise eine dadurch bewirkte Veränderung der Dielektrizitätskonstante weiterverarbeitet .
Es ist darüber hinaus beispielsweise aus der DE 198 52 652 AI bekannt, dass bei einer Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug die Zündung ei- nes Luft-Kraftstoff-Gemischs unter Verwendung eines koaxialen Leitungsresonators vorgenommen wird. Hierbei wird die Zündspule durch eine genügend starke Mikrowellenquelle, z.B. eine Kombination aus einem Hochfrequenzgenerator und einem Verstärker, ersetzt. Mit einem geometrisch optimierten koaxialen Leitungsresonator stellt sich dann die für die Zündung erforderliche Feldstärke am offenen Ende des kerzenähnlichen Leitungsresonators ein und zwischen den Elektroden der Kerze bildet sich mit dem Spannungsüberschlag eine zündfähige Plasmastrecke heraus.
Eine solche weitergebildete Vorrichtung ist außerdem in der nicht vorveröffentlichten DE 102 39 410.5 beschrieben, bei der durch eine in den Brennraum hineinragende Feldstruktur ein freistehendes Plasma im Luft-Kraftstoff- Gemisch zwischen dem aus der Wellenleiterstruktur einen vorgegebenen Betrag herausragenden Innenleiter und dem Außenleiter der Wellenleiterstruktur erzeugbar ist.
Bisherige Konzepte zur absoluten Druckmessung oder zur Differenzdruckmessung in Gasen werten in der Regel die Krafteinwirkung durch den zu messenden Druck auf einer Oberfläche und mit einem geeigneten Messprinzip die daraus resultierende Veränderung eines elektrischen Signals aus. Hierzu werden in der Regel vier Gruppen von Messprinzipien angewendet, nämlich: federelastische Druckmessgeräte, wie Federbalg-, Kapselfeder oder Plattfedermanometer; Flüssigkeitsmanometer, wie U-Rohr- oder Ringrohr-Manometer; Druckmessumformer nach dem induktiven, kapazitiven, piezoresisitiven oder Dehnungsmessstreifen- prinzip und unmittelbare elektrische Druckmessumformer, wie druckempfindliche Transistoren, Dioden, Schwingquarze oder Drucksensoren nach dem Prinzip der akustischen Oberflächenwellen (SAW = surface acustic wave) . Diese elektromechanischen Messprinzipien weisen aufgrund ihrer mechanischen Beanspruchungen, insbesondere durch wechselnde Spannungen im Werkstoff, verursacht durch Temperatur, Thermoschock und die Druckänderung selbst einen relativ hohen Verschleiß auf und besitzen daher keine ausreichende Langzeitstabilität.
Ferner ist zu beachten, dass wegen der kleinen Signalpegel und kleiner Signal/Rausch-Verhältnisse der Drucksensor und die damit verbundene, zugehörige Messschaltung darüber hinaus in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sein sollten. Daraus folgt, dass zumindest ein Teil der Messschaltung direkt am Sensor angeordnet ist, wie beispielsweise durch die Integration einer Membran, eines Dehnungs-Messstreifens und der Messschaltung in einem Gehäuse. Hierdurch sind die einsatzerforderlichen Gestaltungsmöglichkeiten einer solchen Messvorrichtung stark eingeschränkt. Durch die räumliche Nähe von Sensor und Messschaltung ist die Einsatzhöchsttemperatur derartig aufgebauter Messvorrichtungen auf etwa 350 °C begrenzt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz-Resonators, bei dem der Hochfrequenz-Resonator mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt ist und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsänderung im Hochfrequenz- Resonator auswertbar ist. In vorteilhafter Weise ist der Hochfrequenz-Resonator aus diskreten geometrischen Komponenten aufgebaut, die durch ihr Zusammenwirken ein schwingfähiges Gebilde im Bereich der eingespeisten hochfrequenten Wechselspannung darstellen. Ein Gas oder ein Gasgemisch als zu untersuchendes Medium befindet sich zur Messung des Drucks oder der Druckdifferenz des Mediums zwischen diesen Komponenten.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung lässt sich auf einfache Weise in einem definierten Messaufbau für den Resonator realisieren, bei dem durch die Permittivitätsmes- sung keine durch die Druckbeaufschlagung verformten Messmembranen oder ähnliches erforderlich sind. In vorteilhafter Weise wird der Hochfrequenz-Resonator durch einen leitungsgebundenen Resonator gebildet, wobei die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Hochfrequenz-Resonator als koplanarer Leitungsresonator ausgeführt. Hierbei kann der koplanare Leitungsresonator auf einer Leiterplatte oder einem keramischen Substrat aufgebaut werden oder in ein Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium, integriert sein.
Bei einer ersten Variante ist die Koplanarleitung des Leitungsresonators auf einem Trägersubstrat mit einer Bezugsmasse, zum Beispiel mit Rückseitenmetallisierung, aufgebracht. Ein zweite Variante kann auf einem Trägersubstrat ohne eine Bezugsmasse aufgebaut werden, d.h. ohne eine Rückseitenmetallisierung.
Gemäß einer dritten Version wird vorgeschlagen, dass die Koplanarleitung ohne Trägersubstrat derart freischwebend aufgebaut ist, dass das umgebende Medium das Substrat der Koplanarleitung bildet. Hierbei lässt sich die Koplanar- leitung auf einfache Weise als massives Metallteil oder aus metallisiertem Kunststoff herstellen.
Die Vorteile der zuvor genannten Ausführungsformen bestehen vor allem in der günstigen Herstellungstechnik mit einem Potenzial zur Integration auf Chipebene, z.B. auf Silizium, und in einer sehr geringen Neigung zur Verschmutzung durch Ablagerungen von Partikeln etc.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Resonator als induktive und kapazitive Komponenten eine Spule und einen Kondensator auf und dass das zu untersuchende Medium befindet sich zwischen den Kondensatorplatten. Nach einer anderen Ausführungsform stellt der Hochfrequenz-Resonator einen leitungsgebundenen Resonator, zum Beispiel eine Koaxialleitung, dar, wobei die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt. Andererseits kann der Hochfrequenz-Resonator auch ein Hohlraumresonator sein, wobei der Hohlraumresonator dann mit dem zu untersuchenden Medium gefüllt ist.
Die Ausführung des Messaufbaus zur Bestimmung der Permit- tivitätsänderung hängt von den jeweiligen Gegebenheiten der Messumgebung bzw. von dem Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ab. Für den Messvorgang wird der Schwingkreis, bzw. der Resonator mittels eines in einer Oszillatorschaltung erzeugten Hochfrequenzsignals elektrisch angeregt. Abhängig von einem geeigneten Auswerteverfahren kann der Wert für die relative Permittivität aus der Resonanzfrequenz oder vergleichbaren elektrischen Parametern, wie eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase oder die elektrische Laufzeit der Signale ermittelt werden. Mit den üblichen Auswerteverfahren für die Messgrößen können auch weitere eventuell verfälschenden Einflussgrößen, wie die Temperatur oder die Luftfeuchtigkeit in die Berechnung aufgenommen und korrigiert werden. Möglich ist hier auch die Anbringung eines zusätzlichen Referenz- Resonators, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz-Resonator ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatur- und/oder Feuchtigkeitseinflüssen be- wirkbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Hochfrequenz-Resonator Bestandteil einer Zündvorrichtung am Brennraum einer Brennkraftmaschine .
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild eines Hochfrequenz-Resonators zur Ermittlung der Permittivitätsänderung, der aus einem durch eine Spule und einen Kondensator gebildeten Schwingkreis aufgebaut ist,
Figur 2 eine Ansicht eines Hochfrequenz-Resonators der als koaxialer Resonator aufgebaut ist,
Figur 3 eine Ansicht eines Hochfrequenz-Resonators der als Hohlleiter aufgebaut ist,
Figur 4 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der der Hochfrequenz-Resonator mittels einer Oszil- latorschaltung angesteuert wird und die Frequenz ü- ber einen Frequenzzähler gemessen wird,
Figur 5 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Änderung des Reflexionsverhaltens des Hochfrequenz-Resonators nach Betrag und Phase gemessen wird,
Figur 6 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Änderung des Reflexionsverhaltens des Hochfrequenz-Resonators im Zeitbereich durch Abtastung gemessen wird,
Figur 7 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der der Hochfrequenz-Resonator mit einer Rauschquelle angesteuert wird und das angeregte und reflektierte Signal miteinander korreliert wird,
Figur 8 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Durchgangsdämpfung des Hochfrequenz- Resonators gemessen wird,
Figur 9 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Gruppenlaufzeit des Hochfrequenz-Resonators gemessen wird,
Figur 10 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Laufzeit- und Phasenverschiebung im Zeitbereich beim Hochfrequenz-Resonators gemessen wird,
Figur 11 ein Schaltbild einer Auswerteschaltung, bei der die Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators mit einer Kompensation von Temperatur und Luftfeuchtigkeit mittels eines Referenz-Oszillators gemessen wird, Figur 12 eine Ansicht eines Hochfrequenz-Resonators der als koplanarer Leitungsresonator auf einem Trägersubstrat mit Bezugsmasse aufgebaut ist
Figur 13 eine Ansicht eines Hochfrequenz-Resonators der als koplanarer Leitungsresonator auf einem Trägersubstrat ohne Bezugsmasse aufgebaut ist und
Figur 14 eine Ansicht eines Hochfrequenz-Resonators der als freischwebender koplanarer Leitungsresonator ohne Trägersubstrat aufgebaut ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Schwingkreis 1 dargestellt, der aus einer Spule 2 und einem Kondensator 3 besteht und damit ein Schaltungsprinzip eines Resonators darstellt, der mit einer geeigneten hochfrequenten Wechselspannung im Resonanzfrequenzbereich des Schwingkreises 1 angesteuert werden kann. Die Kapazität C des Kondensators 3 ergibt sich aus folgender Beziehung,
r - ε° ' Gr '"^ d
mit der Dielektrizitätskonstante ε0, der Kondensatorfläche A, dem Kondensatorplattenabstand d und der Permitti- vität εr, die sich mit dem Medium zwischen den Kondensatorplatten ändert.
Ein solcher Schwingkreis 1 kann beispielsweise die Grundlage für die erfindungsgemäße Druckmessung des Gasgemischs, hier ein Luft-Kraftstoffgemisch im Brennraum des nicht dargestellten Verbrennungsmotors, darstellen. Für den zuvor erwähnten Schwingkreis 1 aus den Bausteinen 2 und 3 kann die Resonanzfrequenz für eine bestimmte Per- mittivität εr, beispielsweise durch Messung bei der Herstellung in einem Referenzgas unter Referenzdruck oder durch Messung unter Referenzdruck vor einer Druckmessung, bekannt sein. Eine Druckänderung bewirkt dann eine Dichteänderung des aufgrund einer Verbindung mit dem Brennraum in dem Messvolumen enthaltenen Gases, wodurch eine Veränderung der Permittivität εr des Hochfrequenz- Resonators, bzw. zwischen den Kondensatorplatten, erfolgt. Der Zusammenhang zwischen der Dichte und der Permittivität eines Gases kann durch das Gesetz von Clausi- us-Mossotti beschrieben werden:
M ε0(ε - 1)— = NΛ * a , mit der Molmasse M, der Dichte des Gases P p, der Avogadro-Konstante NA und der Polarisierbarkeit α.
Die Dichte p verhält sich hierbei wie der Druck unter der Vorrausetzung, dass die Temperatur und das Volumen konstant bleiben, was unter Einbeziehung einer zusätzlichen Temperaturmessung berücksichtigt werden kann.
Dem Grad der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 1 durch eine Permittivitätsänderung εi nach ε kann dann wiederum eine bestimmte Dichte- und Druckänderung zugeordnet werden. Eine Frequenzverschiebung von fi nach f2 wird mittels einer Frequenzmesseinrichtung gemessen und von dieser an eine Auswertevorrichtung weitergegeben.
Geht man beim beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem koaxialen Leitungsresonator als Hochfrequenz-Resonator aus, so besteht folgender Zusammenhang zwischen der Per- mittivitat ε und der Resonanzfrequenz f:
Figure imgf000012_0001
Hierdurch ist somit gezeigt, dass die Bestimmung des Drucks durch die Veränderung der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonators, bzw. des Schwingkreises 1 nach der Figur 1, möglich ist.
Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen Hochfrequenz-Resonators zur Druckmessung ist in Figur 2 gezeigt, bei dem ein koaxialer Leitungsresonator 4 mit einem Außenleiter 5 und einem Innenleiter 6 aufgebaut ist mit b als Durchmesser des Innenleiters 6 und a als Durchmesser des Außenleiters 5. Es handelt sich hier um ein mit dem zu messenden Medium gefülltes Stuck einer Hochfrequenzleitung als Resonator, wobei auch hier die Änderung der relativen Permittivitat εr eine Änderung der Leitungskapazitat C nach der Beziehung c= 2π - ε0 - ε, 'a^ In
Hierdurch ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf der Hochfrequenzleitung 4. Durch die Verwendung der Hochfrequenzleitung 4 als kurzgeschlossener oder offener Resonator ergibt sich eine Änderung der Resonanzfrequenz fr, so dass für eine Hochfrequenzleitung 4 mit der Lange 1 folgendes gilt:
/. 2-- v - ε0ε, Bei einem in Figur 3 dargestellten Hohlleiter 7 als Hochfrequenz-Resonator bewirkt eine Änderung der Permittivi- tät εr eine Änderung der Resonanzfrequenz des Hohlleiter- modes nach der Beziehung:
Figure imgf000013_0001
In Figur 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Auswerteverfahren zur Bestimmung der durch die zuvor erwähnten Permittivitätsänderungen hervorgerufenen Hochfrequenzeigenschaften der anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Resonatoren gezeigt.
Der hier symbolisch gezeigte Resonator 10 wird mittels einer Oszillatorschaltung 11, beispielsweise ein rückgekoppelter Verstärker oder NRC, mit einer hochfrequenten Wechselspannung angeregt und eine Resonanzfrequenzmessung wird mittels eines Frequenzzählers 12 durchgeführt.
Aus Figur 5 ist ein Auswerteverfahren zu entnehmen, bei dem eine Bestimmung des Reflektionsverhaltens des Resonators 10 durch eine Messung von Betrag 13 und Phase 14 ü- ber eine Torschaltung 15 mittels eines durchstimmbaren Generators 16 durchgeführt wird. In vergleichbarere Weise wird anhand Figur 6 eine LaufZeitmessung 17, anstatt der Messung von Betrag und Phase durchgeführt.
Bei einem Auswerteverfahren nach Figur 7 wird eine Anregung des Resonators 10 mit einer Rauschquelle 18 und einer Bestimmung der Resonatoreigenschaften durch eine Korrelation 19 vom Anregungssignal und vom Resonator 10 reflektiertem Signal durchgeführt. Nach einer Alternative des Auswerteverfahrens nach Figur 8 wird eine Messung der Durchgangsdämpfung bzw. eine Messung der Filterkurve nach der Bandbreite und Mittenfrequenz mittels eines durchstimmbaren Generators 20 durchgeführt. Aus Figur 9 ist in Abwandlung zu der Figur 8 eine Messung der Gruppenlaufzeit nach Betrag 13 und Phase 14 und aus Figur 10 eine Messung der Laufzeit- und Phasenverschiebung 17 im Zeitbereich (vgl. Figur 5 und 6) zu entnehmen.
Aus Figur 11 ist ein Auswerteverfahren zu entnehmen, bei dem mittels des Frequenzzählers 12 zusätzlich zu der Frequenzmessung des Resonators 10 nach der Figur 4 noch eine Frequenzmessung an einem Referenz-Resonator 21 mit einem Referenzoszillator 22 zur Kompensation des Einflusses von Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit durchgeführt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach Figur 12, 13 oder 14 wir der Hochfrequenz-Resonator durch einen koplanaren leitungsgebundenen Resonator gebildet, wobei auch hier die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt. Insbesondere besteht der koplanare Leitungsresonator 30 nach der Figur 12 aus einer Leiterbahn 31, die auf einem Trägersubstrat 32 mit dem Dielektrikum εr aufgebracht ist. Die Zuführung der HF-Energie erfolgt über einen Koaxial- anschluss 33. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt die Leiterplatte 32 eine Rückseitenmetallisierung 34, die als Bezugsmasse dient.
Das aus der Figur 13 ersichtliche Ausführungsbeispiel stellte einen koplanaren Leitungsresonator 35 dar, bei im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Leiterplatte 32 ohne eine Bezugsmasse aufgebaut ist. Die Figur 14 zeigt weiterhin einen koplanaren Leitungsresona- tor 36, der einen freischwebenden Aufbau ohne eine Leiterplatte darstellt, bei dem der Leiter 31 vom zu messenden Medium als Substrat umgeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz- Resonators, bei der der Hochfrequenz-Resonator (10) mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt ist und eine durch das Medium als Messvolumen bewirkte Permittivitätsän- derung im Hochfrequenz-Resonator (10) auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) aus diskreten geometrischen Komponenten (3; 4; 7; 31) aufgebaut ist, die durch ihr Zusammenwirken ein schwingfähiges Gebilde im Bereich der eingespeisten hochfrequenten Wechselspannung darstellen und sich ein Gas oder ein Gasgemisch als zu untersuchendes Medium zur Messung des Drucks oder der Druckdifferenz des Mediums zwischen diesen Komponenten (3; 4; 7; 31) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Resonator (10) als induktive und kapazitive Komponenten eine Spule (2) und einen Kondensator (3) aufweist und dass sich das zu untersuchende Medium zwischen den Kondensatorplatten befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Resonator (10) einen leitungsgebundenen Resonator (4) darstellt, wobei die Leitung durch das zu untersuchende Medium führt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Resonator als koplanarer Leitungsresonator (30;35;36) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der koplanare Leitungsresonator (30; 35) auf einer Leiterplatte oder einem keramischen Substrat aufgebaut ist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der koplanare Leitungsresonator (30;35;36) in ein Halbleitermaterial integriert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem koplanaren Leitungsresonator (30) die Koplanarleitung (31) auf einem Trägersubstrat (32) mit einer Bezugsmasse (34) aufgebracht ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem koplanaren Leitungsresonator (35) die Koplanarleitung (31) auf einem Trägersubstrat (32) ohne eine Bezugsmasse aufgebracht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem koplanaren Leitungsresonator (36) die Koplanarleitung (31) ohne Trägersubstrat aufgebaut ist, wobei das umgebende Medium das Substrat für die Koplanarleitung (31) bildet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der leitungsgebundene Resonator (4) durch eine Koaxialleitung gebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Resonator (10) ein Hohlraumresonator (7) ist, wobei der Hohlraumresonator (7) mit dem zu untersuchenden Medium gefüllt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) eine Oszillatorvorrichtung (11) vorgeschaltet ist und eine mit dem Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) und/oder der Oszillatorvorrichtung (11) verbundene Messeinrichtung (12) vorhanden ist und dass eine mit der Messeinrichtung (12) verbundene Auswertevorrichtung vorhanden ist, die in Abhängigkeit von der Permittivitätsänderung des Hochfrequenz-Resonators (10) ein Ausgangssignal erzeugt, das über eine geeignete Schnittstelle in einer übergeordneten Datenverarbeitungsanlage weiterverarbeitbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Referenz-Resonator (21) vorhanden ist, der mit Ausnahme des zu bestimmenden Drucks den gleichen physikalischen Einflüssen wie der Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) ausgesetzt ist und mit dem eine Kompensation von Temperatur- oder sonstigen Einflüssen bewirkbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) Bestandteil einer Zündvorrichtung am Brennraum einer Brennkraftmaschine ist.
15. Messverfahren zur Erfassung von physikalischen Eigenschaften eines Mediums im Bereich eines Hochfrequenz- Resonators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich durch eine Druckänderung ergebende Permitti- vitätsänderung der den Hochfrequenz-Resonator (10; 30; 35; 36) bildenden Anordnung durch Ermittlung der Hochfrequenzeigenschaften ausgewertet wird, wobei insbesondere eine Änderung der Resonanzfrequenz, eine Änderung der reflektierten Spannung nach Betrag und Phase, eine Änderung der übertragenen Spannung nach Betrag und Phase, die elektrische Laufzeit der Signale oder Einflüsse auf elektrische Rauschsignale ausgewertet wird.
16. Messverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Auswertung weitere das Messergebnis beeinflussende Größen, insbesondere die Temperatur, und sich hieraus ergebende mechanische oder elektrische Veränderungen des Hochfrequenz-Resonators (10; 30; 35; 36) , erfasst und zur Kompensation des Messergebnisses herangezogen werden.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2471024A (en) * 2009-06-11 2010-12-15 Wivenhoe Technology Ltd Determining dielectric properties of a material
US8380640B2 (en) 2008-09-04 2013-02-19 United Parcel Service Of America, Inc. Driver training systems
CN102944751A (zh) * 2012-11-12 2013-02-27 中国传媒大学 基于混波室的介电常数测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62265547A (ja) * 1986-05-13 1987-11-18 Hiroshi Ito 音波を電気信号に変換する方法
US5334941A (en) * 1992-09-14 1994-08-02 Kdc Technology Corp. Microwave reflection resonator sensors
US5500599A (en) * 1993-12-08 1996-03-19 Nu-Tech Gmbh Method and apparatus for the measurement of the dielectric constant of sample materials
US6055846A (en) * 1997-03-20 2000-05-02 The Texas A&M University System Method and apparatus for in situ calibration of gas flowmeters
DE10207446A1 (de) * 2002-01-22 2003-07-31 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, Zündungssteuerungsvorrichtung und Zündvorrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62265547A (ja) * 1986-05-13 1987-11-18 Hiroshi Ito 音波を電気信号に変換する方法
US5334941A (en) * 1992-09-14 1994-08-02 Kdc Technology Corp. Microwave reflection resonator sensors
US5500599A (en) * 1993-12-08 1996-03-19 Nu-Tech Gmbh Method and apparatus for the measurement of the dielectric constant of sample materials
US6055846A (en) * 1997-03-20 2000-05-02 The Texas A&M University System Method and apparatus for in situ calibration of gas flowmeters
DE10207446A1 (de) * 2002-01-22 2003-07-31 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs, Zündungssteuerungsvorrichtung und Zündvorrichtung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 144 (P - 697) 6 May 1988 (1988-05-06) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8380640B2 (en) 2008-09-04 2013-02-19 United Parcel Service Of America, Inc. Driver training systems
US8407152B2 (en) 2008-09-04 2013-03-26 United Parcel Service Of America, Inc. Commercial and residential backups
GB2471024A (en) * 2009-06-11 2010-12-15 Wivenhoe Technology Ltd Determining dielectric properties of a material
CN102944751A (zh) * 2012-11-12 2013-02-27 中国传媒大学 基于混波室的介电常数测量方法

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