DE10102578C2

DE10102578C2 - Resonanter Mikrowellensensor

Info

Publication number: DE10102578C2
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: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-01-21
Also published as: US20030137313A1; AU2002233155A1; EP1352233A2; US6798216B2; DE10102578A1; WO2002057762A2; WO2002057762A3

Description

Die Erfindung betrifft einen resonanten Mikrowellensensor zur Bestimmung von Eigen schaften eines zu untersuchenden Materials mittels der hochfrequenten Messung ei nes Reflexionsfaktors mit

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

Die Messung von Stoffeigenschaften mit Mikrowellensensoren durch Auswertung von Resonanzfrequenzen und der Güte einer Resonanzkurve, die durch Beaufschlagen des Mikrowellensensors mit einem gewobbelten hochfrequenten Signal aufgenommen wird, ist hinreichend bekannt. Hierbei wird das Signal mit veränderlicher Frequenz in den Mikrowellensensor eingekoppelt und die Resonanzfrequenz und gegebenenfalls die Güte bestimmt.

In der DE 39 15 477 C2 ist ein koaxialer Wendelleiter mit einem wendelförmigen In nenleiter zur Erzeugung eines Plasmas mit Mikrowellen beschrieben. Der Wellenleiter ist nach vorne hin offen.

In der DE 29 17 471 C2 ist ein Probenkopf mit einem zylindrischen Hohlraumresona tor und einer konzentrisch zur Hohlraumachse angeordneten, an den Innenleiter einer Koaxialleitung angeschlossenen Wendel offenbart. Eine Modulationsspule ist in Vor sprünge eingebaut, um die Kreissymmetrie des Hohlraumresonators gezielt zu stören.

In der DE 693 15 208 T2 ist ein Mikrowellensensor zur Messung von Eigenschaften des Materials beschrieben, bei dem die Schärfe der Grenzfrequenz-Charakteristik zur Bestimmung der Materialeigenschaften bestimmt wird. Hierzu wird der Mikrowellen sensor auch mit Frequenzen angeregt, die kleiner als die Grenzfrequenz sind.

In der DE 196 50 112 C1 ist ein Mikrowellensensor mit einem Mikrowellenzuleiter, mit dem Mikrowellenzuleiter gekoppelten Sensor-Wellenleiter, und einem innerhalb des Sensor-Wellenleiters angeordneten Wendelleiter offenbart. Es wird die Resonanzfre quenz und/oder die Mikrowellenamplitude des Mikrowellenresonators aufgenommen, um einen Pulver-Massestrom zu messen.

Das Problem der bekannten resonanten Mikrowellensensoren, die auf dem Reflexions verfahren beruhen, besteht in Streuverlusten, Breitbandigkeit und der Größe. Die be kannten Mikrowellensensoren sind zudem nicht optimal in Bauwerke zur in-situ-Mes sung der charakteristischen Materialeigenschaften integrierbar.

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

Die Aufgabe wird durch eine Zwischenschicht zwischen der ersten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters und dem Wendelleiter, und eine Koppelschicht zwischen dem Wendelleiter und dem zu untersuchenden Materials, das sich im Bereich der zweiten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters befindet, gelöst.

Die Dicke der Zwischenschicht bestimmt den Kopplungsfaktor. Mit der Zwischen schicht kann die Güte des Sensors eingestellt werden. Zur Erhöhung der Messdynamik sollte die Dicke der Zwischenschicht so gewählt werden, das eine möglichst große Verkopplung erzielt wird.

Zwischen dem Wendelleiter und dem zu untersuchenden Stoff bzw. einer sensitiven Schicht im Bereich der zweiten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters ist eine zusätzli che Koppelschicht vorgesehen. Die Dicke der Koppelschicht bestimmt die Ankoppe lung des Wendelleiters an das zu untersuchende Material und damit die Messempfind lichkeit.

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-Wellenlei ters ist offen, so dass das zu untersuchende Material in den Resonator eindringen kann. Hierdurch verändern sich die dielektrischen Eigenschaften 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 untersuchenden Materials, wie zum Beispiel die relative Luftfeuchtigkeit, in bekannter Weise ermittelt werden.

Die Resonanzfrequenz und Güte des Sensor-Wellenleiters werden aus dem Refle xionsfaktor r berechnet.

Der Wendelleiter erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Sensor-Wellenlei ters.

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

Bei der Messung von Eigenschaften eines Stoffes mit einem vorstehend beschriebe nen resonanten Mikrowellensensor sollte die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors kleiner als die Grenzfrequenz des Mikrowellensen sors 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 Te flon besteht.

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

Fig. 1 Schematische Darstellung eines herkömmlichen Mikrowellensensors;

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

Fig. 3 Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors;

Fig. 4 Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene gemessene rela tive Luftfeuchtigkeiten;

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

Die Fig. 1 lässt einen herkömmlichen 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 wesentlichen 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 ange ordnet, der sich in Längsrichtung des Sensor-Wellenleiters 2 erstreckt. Der Wendellei ter 5 ist eine resonante leitfähige Helix.

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

Über den Mikrowellenzuleiter 4 wird der Mikrowellensensor 1 mit einem gewobbelten hochfrequenten Signal in einem an das zu untersuchende Material 3 und den Mikro wellensensor 1 angepassten Frequenzbereich beaufschlagt und es wird in bekannter weise der Reflexionsfaktor r gemessen.

Der Sensor-Wellenleiter 2 ist an einer ersten Stirnfläche 7 mit dem Mikrowellenzuleiter 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 eindringen. Dabei werden die dielektrischen Eigenschaften der sensitiven Füllung des Sensor-Wellenleiters 2 verändert und die charakteristischen Größen des Resonators, 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
E-Wellen

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

Der Sensor-Wellenleiter 2 kann durch das Anbringen des Wendelleiters 5 in den Sensor-Wellenleiter 2 wesentlich kompakter ausgeführt werden. Die Resonanzfrequenz 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 erkennen, 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 eingestellt 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 Zwi schenschicht a ausgebildet sein. Die zweite Schicht b wird im wesentlichen durch die Höhe des Wendelleiters 5 bestimmt und legt die Resonanzfrequenz 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 aus reichend groß gewählt werden, um eine Abstrahlung, d. h. Streuung, aus dem Sensor- Wellenleiter 2 zu vermeiden.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen 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 Mikrowellenstecker versehen ist, eingeschraubt wird. Es ist weiterhin die Zwischen schicht a mit dem integral damit verbundenen Träger für den Wendelleiter 5 sowie der Wendelleiter 5 zu erkennen. Die Koppelschicht c ist ebenfalls vorhanden (nicht darge stellt).

Der Mikrowellensensor 1 wird in einem Frequenzbereich vorzugsweise von 1 bis 6 GHz eingesetzt. Der Drahtdurchmesser des Wendelleiters 5 beträgt vorzugsweise et wa 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 ver schieben, wobei sich bei einer Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit eine Verringe rung 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 Mikrowel lensensor bestimmt werden, der in der Fig. 5 als Resonanzverschiebung in Abhän gigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit aufgetragen ist. Unter Verwendung der Kali brierkurve 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 Feuchtesensor beschränkt. Er kann gleichermaßen zur Messung von Stoffeigenschaften verwendet werden, die zur Änderung der dielektrischen Eigenschaften des sensitiven 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, und
einem Wendelleiter (5), wobei der Wendelleiter (5) innerhalb des Sensor- Wellenleiters (2) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch
eine Zwischenschicht (a) zwischen dem ersten Stirnfläche (7) des Sensor- Wellenleiters (2) und dem Wendelleiter (5), und
eine Koppelschicht (c) zwischen dem Wendelleiter (5) und dem zu unter suchenden Material (3), das sich im Bereich der zweiten Stirnfläche (8) des Sensor-Wellenleiters (2) befindet.

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

3. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wendelleiter (5) sich in Längsrichtung des Sensor-Wellenleiters (2) er streckt.

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

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

6. Resonanter Mikrowellensensor (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (a) und/oder der Träger aus Teflon besteht.