EP1352233A2 - Resonant microwave sensor - Google Patents

Resonant microwave sensor

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Publication number
EP1352233A2
EP1352233A2 EP02700148A EP02700148A EP1352233A2 EP 1352233 A2 EP1352233 A2 EP 1352233A2 EP 02700148 A EP02700148 A EP 02700148A EP 02700148 A EP02700148 A EP 02700148A EP 1352233 A2 EP1352233 A2 EP 1352233A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
microwave
waveguide
spiral conductor
microwave sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02700148A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bert Dipl.-Ing. JANNSEN
Arne Prof.Dr.-Ing. Jacob
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
TECHNISCHE UNIVERSITAT
Original Assignee
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
TECHNISCHE UNIVERSITAT
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Bergakademie Freiberg, TECHNISCHE UNIVERSITAT filed Critical Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Publication of EP1352233A2 publication Critical patent/EP1352233A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the invention relates to a resonant microwave sensor for determining properties of a material to be examined by means of the high-frequency measurement of a reflection factor
  • a microwave feeder for supplying the high-frequency signal
  • the measurement of material properties with microwave sensors by evaluating resonance frequencies and the quality of a resonance curve, which is recorded by applying a wobbled high-frequency signal to the microwave sensor, is well known.
  • the signal with variable frequency is coupled into the microwave sensor and the resonance frequency and, if necessary, the quality is determined.
  • German utility model 297 16 639 U1 a microwave stray field sensor for moisture and / or density measurement is described, in which a moist dielectric material is introduced into the resonator and the density and moisture of the material is determined by shifting the resonance frequency.
  • the wavelength at the location of the generation of the resonance signal is significantly less than in the free space of the resonator.
  • the resonator is designed as a wire loop, which is surrounded by a thin dielectric.
  • the resonator is formed from a circular dielectric ceramic body, the microwaves being coupled into the resonator via coaxial lines and capacitive coupling pins.
  • US Pat. No. 3,946,308 describes a microwave sensor for moisture measurement which consists of a dielectric resonator with a metallic conductor made of a solid dielectric material, and an inlet and an outlet antenna.
  • DE-OS 24 54 788 A1 discloses a method and a device for determining the moisture of a gaseous medium.
  • This document describes the basic procedure for measuring the moisture of a medium using the circular quality of a resonance curve.
  • a microwave oscillation of variable frequency that is to say a wobbled signal, is coupled into the resonator and is coupled out again separately therefrom.
  • the amplitudes of the coupled vibrations are measured and recorded as a function of the frequency with constant amplitudes of the coupled vibrations.
  • the problem with the known resonant microwave sensors which are based on the reflection method, consists in scattering losses, broadband and the size.
  • the known microwave sensors can also not be optimally integrated into structures for in-situ measurement of the characteristic material properties.
  • the object of the invention was therefore to create an improved generic resonant microwave sensor.
  • the task is solved by a spiral conductor which is arranged within the sensor waveguide.
  • spiral conductor as a resonant metallic helix allows the construction of a compact sensor waveguide as a resonator.
  • the resonance frequency of the microwave sensor can also be set using the spiral conductor.
  • the sensor waveguide as a resonator is preferably a cylindrical tube, the microwave feeder being arranged, for example, as a coaxial waveguide on a first end face of the sensor waveguide.
  • the second end face of the sensor waveguide is open so that the material to be examined can penetrate the resonator.
  • the properties of the material to be examined such as the relative air humidity, can be determined in a known manner.
  • the resonance frequency and quality of the sensor waveguide are calculated from the reflection factor R.
  • the spiral conductor preferably extends in the longitudinal direction of the sensor waveguide.
  • the spiral conductor is preferably held by a carrier and centered in the sensor waveguide.
  • an intermediate layer is advantageously provided between the first end face of the sensor waveguide and the spiral conductor.
  • the thickness of the intermediate layer determines the coupling factor.
  • the quality of the sensor can be adjusted with the intermediate layer.
  • the thickness of the intermediate layer should be chosen so that the greatest possible coupling is achieved.
  • the resonance frequency of the microwave sensor is largely determined by the dimension of the spiral conductor.
  • an additional coupling layer is provided between the spiral conductor and the substance to be examined or a sensitive layer in the region of the second end face of the sensor waveguide.
  • the thickness of the coupling layer determines the coupling of the spiral conductor to the material to be examined and thus the measurement sensitivity.
  • the frequency of the wobbled signal for exciting the microwave sensor should be less than the cutoff frequency of the microwave sensor.
  • the length of the sensor waveguide should be sufficiently large to avoid radiation to the outside and thus scattering losses.
  • the carrier and the intermediate layer are preferably made in one piece.
  • the intermediate layer and / or the carrier consists of Teflon.
  • FIG. 1 Schematic representation of the microwave sensor according to the invention
  • FIG. 2 - schematic representation of the microwave sensor according to the invention with intermediate layer and coupling layer;
  • FIG. 4 diagram of the amount of reflection factor for various measured relative air humidities
  • Figure 5 Diagram of the resonance shift depending on the relative humidity as a calibration curve for the microwave sensor.
  • FIG. 1 shows a resonant microwave sensor 1 according to the invention, which is installed with a sensor waveguide 2 as a resonator in the material 3 to be examined.
  • the microwave sensor 1 essentially consists of a microwave feeder 4 in the form of a coaxial waveguide and the sensor waveguide 2 as a resonator.
  • a helical conductor 5 is arranged in the sensor waveguide 2 and extends in the longitudinal direction of the sensor waveguide 2.
  • the spiral conductor 5 is a resonant conductive helix.
  • the sensor waveguide 2 is filled with a material 6, which is sensitive to the substance or property of the material 3 to be examined.
  • a material 6 which is sensitive to the substance or property of the material 3 to be examined.
  • the wobbled high-frequency signal is applied to the microwave sensor 1 in a frequency range adapted to the material 3 to be examined and the microwave sensor 1, and the reflection factor r is measured in a known manner.
  • the sensor waveguide 2 is coupled to the microwave feeder 4 on a first end face 7 and is open on the second end face 8.
  • the substances to be detected can penetrate into the sensor waveguide 2 through the open second end face 8, for example by diffusion or through the gas phase.
  • the dielectric properties of the sensitive filling of the sensor waveguide 2 are changed and the characteristic sizes of the resonator, that is called the resonance frequency and quality, detuned.
  • the dimensions of the sensor waveguide 2 as a resonator are in conventional round waveguide resonators essentially by the cut-off frequencies f Q
  • Natural waves of the circular waveguide (E or H waves) and the dielectric constant and permeability of the filling of the sensor waveguide 2.
  • the length of the sensor waveguide 2 can be variable.
  • the radius of the sensor waveguide 2 is determined approximately according to the equation E waves.
  • the radius of the sensor waveguide 2 is determined approximately according to the equation H waves
  • the sensor waveguide 2 can be made much more compact by attaching the helix 5 in the sensor waveguide 2.
  • the re- The resonance frequency of the resonator is essentially determined by the dimensions, that is to say by the wire length, the radius and the pitch of the helical conductor 5.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the microwave sensor, in which an intermediate layer a, preferably made of Teflon, is arranged between the first end face 7 of the sensor waveguide 2 and the spiral conductor 5.
  • This intermediate layer a is used to adjust the distance and thus the coupling between the microwave feeder 4 and the helical conductor 5.
  • the quality of the microwave sensor 1 can essentially be adjusted with the intermediate layer a.
  • the thickness of the intermediate layer should be chosen so that the greatest possible coupling is achieved. This allows the measurement dynamics to be increased.
  • the spiral conductor 5 can be held on the intermediate layer a with a carrier centrally in the sensor waveguide 2.
  • the carrier can be formed integrally with the intermediate layer a.
  • the second layer b is essentially determined by the height of the spiral conductor 5 and essentially determines the resonance frequency.
  • a coupling layer c is provided above the spiral conductor 5, which determines the coupling of the spiral conductor 5 to the sensitive material 9 for the detection of the substance to be measured and thus the sensitivity of the measurement.
  • the thickness c of the coupling layer and the thickness d of the sensitive material 9 must be selected to be sufficiently large in order to emit, i.e. Avoid scatter from the sensor waveguide 2.
  • the structure of the microwave sensor 1 is shown again in cross section in FIG. 3. It can be seen here that the microwave feeder 4 is screwed into the sensor waveguide 2, which is provided with a microwave plug, in the form of a flexible coaxial waveguide. It is still the one Intermediate layer a with the integrally connected support for the spiral conductor 5 and the spiral conductor 5 can be seen.
  • the microwave sensor 1 is preferably used in a frequency range from 1 to 6 GHz.
  • the wire diameter of the spiral conductor 5 is preferably approximately 0.2 mm and the ratio of the diameter to the pitch of the spiral conductor 5 is in the range of approximately 75.
  • FIG. 4 shows a diagram of the amount of reflection factor for different relative air humidities depending on the frequency. It becomes clear that the resonance frequencies shift depending on the relative air humidity, with an increase in the relative air humidity resulting in a reduction in the resonance frequency. It can also be seen that the quality of the resonator decreases with increasing relative humidity.
  • a calibration curve for the microwave sensor can be determined from the measured reflection factors, which is plotted in FIG. 5 as a resonance shift as a function of the relative atmospheric humidity. Using the calibration curve, it is possible to infer the relative air humidity directly from the resonance frequency in subsequent measurements.
  • the use of the microwave sensor 1 is not limited to the use as a moisture sensor. It can also be used to measure material properties that lead to a change in the dielectric properties of the sensitive material in the sensor waveguide 2.

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 einem Mikrowellenzuleiter (4) zur Zuleitung des hochfrequenten Signals, einem Sensor-Wellenleiter (2), der mit dem Mikrowellenzuleiter (4) gekoppelt ist, hat einen Wendelleiter (5), der innerhalb des Sensor-Wellenleiters (2) angeordnet ist.

Description

Resonanter Mikrowellensensor -j
Die Erfindung betrifft einen resonanten Mikrowellensensor zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials mittels der hochfrequen- ten 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 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.
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 Verschiebung der Resonanzfrequenz die Dichte und Feuchtigkeit des Materials bestimmt wird. Zur Vermeidung von Streuverlusten, die das Messergebnis ver- fälschen, wird vorgeschlagen, dass die Wellenlänge am Ort der Erzeugung des Resonanzsignals wesentlich geringer als im freien Raum des Resonators ist.
Der Resonator ist als Drahtschlaufe ausgebildet, die von einem dünnen Dielektrikum umgeben ist. In einer anderen Ausführungsform wird der Resonator aus einem 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 Auslassantenne 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 Mediums mit Hilfe der Kreisgüte einer Resonanzkurve zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird in den Resonator eine Mikrowellenschwingung verän- derlicher 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 Reflexionsverfahren beruhen, besteht in Streuverlusten, Breitbandigkeit und der Größe. 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 resonanten 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 Wendelleiter kann die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors zudem eingestellt werden.
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 Stirn- fläche des Sensor-Wellenleiters 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 Ei- genschaften 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 Reflexionsfaktor R berechnet.
Der Wendelleiter erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Sensor- Wellenleiters.
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 große Verkopplung erzielt wird.
Die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors wird maßgeblich durch die Dimension des Wendelleiters bestimmt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem Wendelleiter und dem zu untersuchenden Stoff bzw. einer sensitiven Schicht im Bereich der zweiten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters eine zusätzliche Koppelschicht vorgesehen ist. Die Dicke der Koppelschicht bestimmt die Ankoppelung des Wendelleiters an das zu untersuchende Material und damit die Messempfindlichkeit.
Bei dem Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Stoffes mit einem vorstehend beschriebenen resonanten Mikrowellensensor sollte die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors kleiner als die Grenzfrequenz 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 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- sensors;
Figur 2 - schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors mit Zwischenschicht und Koppelschicht;
Figur 3 - Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors;
Figur 4 - Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene gemessene relative Luftfeuchtigkeiten;
Figur 5 - Diagramm der Resonanzverschiebung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit als Kalibrierkurve für den Mikrowellensensor.
Die Figur 1 lässt einen erfindungsgemäßen resonanten Mikrowellensensor 1 erkennen, der mit einem Sensor-Wellenleiter 2 als Resonator in das zu untersuchende Material 3 eingebaut ist. Der Mikrowellensensor 1 besteht im we- sentlichenaus 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-Wellen- leiters 2 erstreckt. Der Wendelleiter 5 ist eine resonante leitfähige Helix.
Der Sensor-Wellenleiter 2 ist mit einem Material 6 gefüllt, der für die nachzuweisende Substanz oder Eigenschaft des zu untersuchenden Materials 3 sensitiv ist. Über den Mikrowellenzuleiter 4 wird der Mikrowellensensor 1 mit einem ge- wobbelten 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 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 eindrin- gen. 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 fQ 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 .
2.405 . . . . r= γ= = ,l variabel
2πfg Λ/εμ
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 Wendelieiters 5 in den Sensor-Wellenleiter 2 wesentlich kompakter ausgeführt werden. Die Re- sonanzfrequenz des Resonators wird hierbei im Wesentlichen durch die Abmessungen, das heißt durch die Drahtlänge, den Radius und die Steigung des Wendelleiters 5 bestimmt.
Die Figur 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 Zwischenschicht 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 Koppel- Schicht 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 müs- sen 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 Figur 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 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 vorzugsweise etwa 0,2 mm und das Verhältnis des Durchmessers zur Steigung des Wendelleiters 5 liegt im Bereich von etwa 75.
Die Figur 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 Luftfeuchtigkeit eine Verringerung der Resonanzfrequenz ergibt. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Güte des Resonators mit steigender relativer Luftfeuchtig- keit abnimmt.
Aus den gemessenen Reflexionsfaktoren kann eine Kalibrierkurve für den Mikrowellensensor bestimmt werden, der in der Figur 5 als Resonanzverschiebung 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 Feuch- tesensor 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

Ansprüche
1 . Resonanter Mikrowellensensor (1 ) zur Bestimmung von Eigenschaften eines zu untersuchenden Materials (3) mittels der hochfrequenten Mes- sung 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- 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) erstreckt.
4. Resonanter Mikrowellensensor (1 ) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, gekennzeichnet durch einen Träger für den Wendelleiter (5) zum Zentrieren des Wendeileiters (5) in dem Sensor- Wellenleiter (2).
5. Resonanter Mikrowellensensor (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (a) zwischen der ersten Stirnfläche (7) des Sensor-Wellenleiters (2) und dem Wendelleiter (5) .
Resonanter Mikrowellensensor (1 ) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und die Zwischenschicht (a) einstückig sind.
7. Resonanter Mikrowellensensor (1 ) nach allem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (a) und/ oder der Träger aus Teflon besteht.
8. Resonanter Mikrowellensenssor (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 gekennzeichnet 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 hochfrequenten Signalen angeregt und der Reflexionsfaktor (r) als Messgröße zur Bestimmung von Eigenschaften des zu untersuchenden Materials (3) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors (1 ) kleiner als die Grenzfrequenz des Mikrowellensensors (1 ) ist.
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EP (1) EP1352233A2 (de)
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