DE10102578A1

DE10102578A1 - Resonanter Mikrowellensensor

Info

Publication number: DE10102578A1
Application number: DE10102578A
Authority: DE
Inventors: Bert Jannsen; Arne Jacob
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2001-01-20
Filing date: 2001-01-20
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2021-01-21
Also published as: AU2002233155A1; EP1352233A2; WO2002057762A2; WO2002057762A3; US6798216B2; US20030137313A1; DE10102578C2

Abstract

Ein resonanter Mikrowellensensor (1) zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials (3) mittels der hochfrequenten Messung eines Reflexionsfaktors (r) eines hochfrequenten Resonanzsignals als Messgröße zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Stoffes mit DOLLAR A - einem Mikrowellenzuleiter (4) zur Zuleitung des hochfrequenten Signals, DOLLAR A - einem Sensor-Wellenleiter (2), der mit dem Mikrowellenzuleiter (4) gekoppelt ist, DOLLAR A hat einen Wendelleiter (5), der innerhalb des Sensor-Wellenleiters (2) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen resonanten Mikrowellensensor zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials mittels der hochfrequenten Messung eines Reflexionsfaktors mit

- einem Mikrowellenzuleiter zur Zuleitung des hochfrequenten Signals, und
- einem Sensor-Wellenleiter, der mit dem Mikrowellenzuleiter gekoppelt ist.

Die Messung von Stoffeigenschaften mit Mikrowellensensoren durch Auswer tung von Resonanzfrequenzen und der Güte einer Resonanzkurve, die durch Be aufschlagen des Mikrowellensensors mit einem gewobbelten hochfrequenten Si gnal aufgenommen wird, ist hinreichend bekannt. Hierbei wird das Signal mit veränderlicher Frequenz in den Mikrowellensensor eingekoppelt und die Reso nanzfrequenz und gegebenenfalls die Güte bestimmt.

So ist in dem deutschen Gebrauchsmuster 297 16 639 U1 ein Mikrowellen- Streufeldsensor zur Feuchte und/oder Dichtemessung beschrieben, bei dem ein feuchtes dielektrisches Material in den Resonator eingeführt und durch Verschie bung der Resonanzfrequenz die Dichte und Feuchtigkeit des Materials bestimmt wird. Zur Vermeidung von Streuverlusten, die das Messergebnis verfälschen, wird vorgeschlagen, dass die Wellenlänge am Ort der Erzeugung des Resonanzsi gnals wesentlich geringer als im freien Raum des Resonators ist.

Der Resonator ist als Drahtschlaufe ausgebildet, die von einem dünnen Dielektri kum umgeben ist. In einer anderen Ausführungsform wird der Resonator aus ei nem kreisrunden dielektrischen Keramikkörper gebildet, wobei die Mikrowellen über Koaxialleitungen und kapazitiv wirksamen Koppelstiften in den Resonator eingekoppelt werden.

Diese Ausführungsformen sind gleichermaßen in der EP 0 908 718 A1 offenbart.

In dem US-Patent 3,946,308 ist ein Mikrowellensensor zur Feuchtemessung beschrieben, der einen dielektrischen Resonator mit einem metallischen Leiter einem festen dielektrischen Material, sowie einer Einlass- und einer Auslassan tenne besteht.

Weiterhin ist aus der DE-OS 24 54 788 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feuchtigkeitsbestimmung eines gasförmigen Mediums offenbart. Dieser Druckschrift ist das grundlegende Verfahren zu Feuchtigkeitsmessung eines Me diums mit Hilfe der Kreisgüte einer Resonanzkurve zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird in den Resonator eine Mikrowellenschwingung veränderlicher Frequenz, das heißt ein gewobbeltes Signal, eingekoppelt und getrennt davon wieder ausgekoppelt. Die Amplituden der ausgekoppelten Schwingungen werden als Funktion der Frequenz bei konstanten Amplituden der eingekoppelten Schwingungen gemessen und aufgezeichnet.

Neben diesen Verfahren, bei denen die Messinformation aus der Reflexion an dem zu untersuchenden Material gewonnen wird, sind Verfahren bekannt, bei denen die Veränderung elektromagnetischer Wellen bei der Transmission durch ein Material ausgewertet werden.

Das Problem der bekannten resonanten Mikrowellensensoren, die auf dem Refle xionsverfahren beruhen, besteht in Streuverlusten, Breitbandigkeit und der Grö ße. Die bekannten Mikrowellensensoren sind zudem nicht optimal in Bauwerke zur in-situ-Messung der charakteristischen Materialeigenschaften integrierbar.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen verbesserten gattungsgemäßen reso nanten Mikrowellensensor zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch einen Wendelleiter gelöst, der innerhalb des Sensor- Wellenleiters angeordnet ist.

Die Verwendung des Wendelleiters als resonante metallische Helix erlaubt den Aufbau eines kompakten Sensor-Wellenleiters als Resonator. Mit dem Wendellei ter kann die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors zudem eingestellt wer den.

Der Sensor-Wellenleiter als Resonator ist vorzugsweise ein zylindrisches Rohr, wobei der Mikrowellenzuleiter zum Beispiel als koaxialer Hohlleiter an einer ersten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters angeordnet ist. Die zweite Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters ist offen, so dass das zu untersuchende Material in den Re sonator eindringen kann. Hierdurch verändern sich die dielektrischen Eigenschaf ten der Füllung in dem Sensor-Wellenleiter und die charakteristischen Größen des Resonators, das heißt die Resonanzfrequenz und Güte werden verstimmt. Mit diesen charakteristischen Größen können dann die Eigenschaften des zu un tersuchenden Materials, wie zum Beispiel die relative Luftfeuchtigkeit, in bekann ter Weise ermittelt werden.

Die Resonanzfrequenz und Güte des Sensor-Wellenleiters werden aus dem Re flexionsfaktor R berechnet.

Der Wendelleiter erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Sensor-Wel lenleiters.

Der Wendelleiter wird vorzugsweise durch einen Träger gehalten und in dem Sensor-Wellenleiter zentriert.

Zur Kopplung ist vorteilhafterweise zwischen der ersten Stirnfläche des Sensor- Wellenleiters und dem Wendelleiter eine Zwischenschicht vorgesehen. Die Dicke der Zwischenschicht bestimmt den Kopplungsfaktor. Mit der Zwischenschicht kann die Güte des Sensors eingestellt werden. Zur Erhöhung der Messdynamik sollte die Dicke der Zwischenschicht so gewählt werden, das eine möglichst gro ße Verkopplung erzielt wird.

Die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors wird maßgeblich durch die Di mension des Wendelleiters bestimmt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem Wendelleiter und dem zu unter suchenden Stoff bzw. einer sensitiven Schicht im Bereich der zweiten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters eine zusätzliche Koppelschicht vorgesehen ist. Die Dic ke der Koppelschicht bestimmt die Ankoppelung des Wendelleiters an das zu un tersuchende Material und damit die Messempfindlichkeit.

Bei dem Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Stoffes mit einem vor stehend beschriebenen resonanten Mikrowellensensor sollte die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors kleiner als die Grenz frequenz des Mikrowellensensors sein.

Die Länge des Sensor-Wellenleiters sollte in diesem Fall ausreichend groß sein, um eine Abstrahlung nach außen und damit Streuverluste zu vermeiden.

Der Träger und die Zwischenschicht sind vorzugsweise einstückig ausgeführt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenschicht und/oder der Träger aus Teflon besteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dar gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellensen sors;

Fig. 2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellensen sors mit Zwischenschicht und Koppelschicht;

Fig. 3 Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors;

Fig. 4 Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene gemessene relative Luftfeuchtigkeiten;

Fig. 5 Diagramm der Resonanzverschiebung in Abhängigkeit von der relati ven Luftfeuchtigkeit als Kalibrierkurve für den Mikrowellensensor.

Die Fig. 1 lässt einen erfindungsgemäßen resonanten Mikrowellensensor 1 erkennen, der mit einem Sensor-Wellenleiter 2 als Resonator in das zu unter suchende Material 3 eingebaut ist. Der Mikrowellensensor 1 besteht im wesentli chen aus einem Mikrowellenzuleiter 4 in Form eines koaxialen Hohlleiters und dem Sensor-Wellenleiter 2 als Resonator. In den Sensor-Wellenleiter 2 ist ein Wendelleiter 5 angeordnet, der sich in Längsrichtung des Sensor-Wellenleiters 2 erstreckt. Der Wendelleiter 5 ist eine resonante leitfähige Helix.

Der Sensor-Wellenleiter 2 ist mit einem Material 6 gefüllt, der für die nachzuwei sende Substanz oder Eigenschaft des zu untersuchenden Materials 3 sensitiv ist.

Über den Mikrowellenzuleiter 4 wird der Mikrowellensensor 1 mit einem gewob belten hochfrequenten Signal in einem an das zu untersuchende Material 3 und den Mikrowellensensor 1 angepassten Frequenzbereich beaufschlagt und es wird in bekannterweise der Reflexionsfaktor r gemessen.

Der Sensor-Wellenleiter 2 ist an einer ersten Stirnfläche 7 mit dem Mikrowellen zuleiter 4 gekoppelt und an der zweiten Stirnfläche 8 offen. Durch die offene zweite Stirnfläche 8 können die nachzuweisenden Substanzen zum Beispiel durch Diffusion oder durch die Gasphase in den Sensor-Wellenleiter 2 eindrin gen. Dabei werden die dielektrischen Eigenschaften der sensitiven Füllung des Sensor-Wellenleiters 2 verändert und die charakteristischen Größen des Resona tors, das heißt die Resonanzfrequenz und Güte, verstimmt.

Die Abmaße des Sensor-Wellenleiters 2 als Resonator sind bei konventionellen Rundhohlleiter-Resonatoren im wesentlichen durch die Grenzfrequenzen f_G der Eigenwellen des Rundhohlleiters (E- oder H-Wellen) und die Dielektrizitätzahl und Permeabilität der Füllung des Sensor-Wellenleiters 2, festgelegt. Für die E-Wellen kann die Länge des Sensor-Wellenleiters 2 variabel sein. Der Radius des Sensor- Wellenleiters 2 bestimmt sich näherungsweise nach der Gleichung

Für die H-Wellen bestimmt sich der Radius des Sensor-Wellenleiters 2 nähe rungsweise nach der Gleichung

Der Sensor-Wellenleiter 2 kann durch das Anbringen des Wendelleiters 5 in den Sensor-Wellenleiter 2 wesentlich kompakter ausgeführt werden. Die Resonanz frequenz des Resonators wird hierbei im Wesentlichen durch die Abmessungen, das heißt durch die Drahtlänge, den Radius und die Steigung des Wendelleiters 5 bestimmt.

Die Fig. 2 lässt eine weitere Ausführungsform des Mikrowellensensors erken nen, bei der zwischen der ersten Stirnfläche 7 des Sensor-Wellenleiters 2 und dem Wendelleiter 5 eine Zwischenschicht a vorzugsweise aus Teflon angeordnet ist. Diese Zwischenschicht a dient zur Einstellung des Abstandes und damit der Kopplung zwischen dem Mikrowellenzuleiter 4 und dem Wendelleiter 5. Mit der Zwischenschicht a kann im wesentlichen die Güte des Mikrowellensensors 1 ein gestellt werden. Die Dicke der Zwischenschicht sollte so gewählt werden, dass eine möglichst große Verkopplung erzielt wird. Hierdurch kann die Messdynamik erhöht werden.

Der Wendelleiter 5 kann auf der Zwischenschicht a mit einem Träger zentral in dem Sensor-Wellenleiter 2 gehalten werden. Der Träger kann hierbei integral mit der Zwischenschicht a ausgebildet sein. Die zweite Schicht b wird im wesentli chen durch die Höhe des Wendelleiters 5 bestimmt und legt die Resonanzfre quenz maßgeblich fest. Oberhalb des Wendelleiters 5 ist eine Koppelschicht c vorgesehen, die die Ankopplung des Wendelleiters 5 an das sensitive Material 9 zum Nachweis der zu messenden Substanz und damit die Messempfindlichkeit bestimmt.

Die Dicke c der Koppelschicht und die Dicke d des sensitiven Materials 9 müssen ausreichend groß gewählt werden, um eine Abstrahlung, d. h. Streuung, aus dem Sensor-Wellenleiter 2 zu vermeiden.

Der Aufbau des Mikrowellensensors 1 ist nochmals in der Fig. 3 im Querschnitt gezeigt. Hierbei ist zu erkennen, dass der Mikrowellenzuleiter 4 in Form eines flexiblen koaxialen Hohlleiters in den Sensor-Wellenleiter 2, der mit einem Mi krowellenstecker versehen ist, eingeschraubt wird. Es ist weiterhin die Zwischenschicht a mit dem integral damit verbundenen Träger für den Wendelleiter 5 sowie der Wendelleiter 5 zu erkennen.

Der Mikrowellensensor 1 wird in einem Frequenzbereich vorzugsweise von 1 bis 6 GHz eingesetzt. Der Drahtdurchmesser des Wendelleiters 5 beträgt vorzugs weise etwa 0,2 mm und das Verhältnis des Durchmessers zur Steigung des Wendelleiters 5 liegt im Bereich von etwa 75.

Die Fig. 4 lässt ein Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene relative Luftfeuchtigkeiten in Abhängigkeit von der Frequenz erkennen. Es wird deutlich, dass die Resonanzfrequenzen sich in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit verschieben, wobei sich bei einer Erhöhung der relativen Luft feuchtigkeit eine Verringerung der Resonanzfrequenz ergibt. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Güte des Resonators mit steigender relativer Luftfeuchtigkeit abnimmt.

Aus den gemessenen Reflexionsfaktoren kann eine Kalibrierkurve für den Mikrowellensensor bestimmt werden, der in der Fig. 5 als Resonanzverschie bung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit aufgetragen ist. Unter Verwendung der Kalibrierkurve kann bei nachfolgenden Messungen aus der Resonanzfrequenz direkt auf eine relative Luftfeuchtigkeit geschlossen werden.

Der Einsatz des Mikrowellensensors 1 ist nicht auf die Anwendung als Feuchte sensor beschränkt. Er kann gleichermaßen zur Messung von Stoffeigenschaften verwendet werden, die zur Änderung der dielektrischen Eigenschaften des sensi tiven Materials in dem Sensor-Wellenleiter 2 führen.

Claims

1. Resonanter Mikrowellensensor (1) zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials (3) mittels der hochfrequenten Messung eines Reflexionsfaktors (r) mit
einem Mikrowellenzuleiter (4) zur Zuleitung des hochfrequenten Signals,
einem Sensor-Wellenleiter (2), der mit dem Mikrowellenzuleiter (4) gekoppelt ist,
gekennzeichnet durch
einem Wendelleiter (5), wobei der Wendelleiter (5) innerhalb des Sensor-Wellenleiters (2) angeordnet ist.

2. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Sensor-Wellenleiter (2) ein zylindrisches Rohr haben, der Mikrowellenzuleiter (4) an einer ersten Stirnfläche (7) des Sensor-Wellen leiters (2) angeordnet ist und die zweite Stirnfläche (8) offen ist.

3. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Wendelleiter (5) sich in Längsrichtung des Sensor-Wel lenleiters (2) erstreckt.

4. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen Träger für den Wendelleiter (5) zum Zentrieren des Wendelleiters (5) in dem Sensor-Wellenleiter (2).

5. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ge kennzeichnet durch eine Zwischenschicht (a) zwischen der ersten Stirnflä che (7) des Sensor-Wellenleiters (2) und dem Wendelleiter (5).

6. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge kennzeichnet dass der Träger und die Zwischenschicht (a) einstückig sind.

7. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach allem der Ansprüche 4 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (a) und/oder der Träger aus Teflon besteht.

8. Resonanter Mikrowellensenssor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 ge kennzeichnet durch eine Koppelschicht (b) zwischen dem Wendelleiter (5) und dem zu untersuchenden Material (3), der sich im Bereich der zweiten Stirnfläche (8) des Sensor-Wellenleiters (2) befindet.

9. Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Materials (3) mit einem resonanten Mikrowellensensor (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei der Mikrowellensensor (1) mit gewobbelten hochfrequen ten Signalen angeregt und der Reflexionsfaktor (r) als Messgröße zur Bestimmung von Eigenschaften des zu untersuchenden Materials (3) be stimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors (1) kleiner als die Grenzfre quenz des Mikrowellensensors (1) ist.