DE102013112026A1

DE102013112026A1 - Vorrichtung und System zur Bestimmung des Brechungsindex

Info

Publication number: DE102013112026A1
Application number: DE201310112026
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt; Ronja Binczyk; Sergej Lopatin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30
Also published as: WO2015062766A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex, der an der Grenzfläche zu einem Medium (4) auftritt, mit einem selbsterregten System, bestehend aus – einer aktiven Hochfrequenz-Baugruppe (5) zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen mit einer innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes liegenden Betriebsfrequenz- einem Sensor (2), der mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird und der bezüglich des Mediums (4) zumindest temporär derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (4) ändert, und – einem Rückkopplungskreis (6, 7, 8, 9), der die elektromagnetischen – ellen auf den Sensor (2) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor, der die Frequenz des selbsterregten Systems detektiert, und mit einer Auswerteeinheit (21), die anhand der erfassten Frequenz den Brechungsindex an der Grenzfläche zu dem Medium (4) bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein System zur Bestimmung des Brechungsindex, der an der Grenzfläche zu einem Medium bzw. zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes auftritt.
Der Brechungsindex wird auch als Brechungszahl bezeichnet und entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum zur Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium. Der komplexe Brechungsindex ist mit der Permittivität und der Permeabilität verknüpft. Hierbei ist die Permittivität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder und die Permeabilität ein Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für magnetische Felder. Permittivität und dielektrische Leitfähigkeit sind synonyme Begriffe. Die relative Permittivität, die auch als Permittivitätszahl bzw. als Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, beschreibt die Permittivität eines Mediums zu der Permittivität des Vakuums. Magnetische Stoffe werden über die Permeabilität als diamagnetische, paramagnetische oder ferromagnetische Stoffe klassifiziert.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierung aber auch in der Fabrikautomatisierung, werden Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung und Überwachung von Prozessvariablen dienen. Unter dem Begriff ‘Feldgeräte‘ werden in Zusammenhang mit der Erfindung sowohl Aktoren als auch Sensoren verstanden. Sensoren erfassen beispielsweise die verschiedenen Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, pH-Wert, Trübung, Stoffkonzentration, Druck, Temperatur, Feuchte, Leitfähigkeit, Dichte und Viskosität. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firmengruppe Endress + Hauser angeboten und vertrieben.
Wichtige Prozessgrößen sind darüber hinaus die Feuchte und die Dielektrizitätskonstante. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein gesprochen auf die Bestimmung oder Überwachung des Brechungsindex‘, der an der Grenzfläche zu einem Medium auftritt. In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des zu überwachenden Mediums ist es daher mit der Erfindung möglich, sowohl Aussagen über die Dielektrizitätszahl als auch über die Permeabilität zu erhalten.
Ein wichtiger Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben: Feldgeräte weisen sowohl elektrische/elektronische als auch mechanische Komponenten auf. Für elektrische/elektronische und mechanische Komponenten ist Wasserkondensat oder Wasserdampf oftmals problematisch, da kondensiertes Wasser neben einer hohen Dielektrizitätszahl auch eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Ablagerungen in Form von Kondensat stören daher üblicherweise den Normalbetrieb der Feldgeräte. Darüber hinaus kann Kondensat auch zu einer Korrosion der metallischen Teile der Feldgeräte führen. Daher spielt der Schutz vor Wasserkondensat und Wasserdampf in der Automatisierungstechnik eine wichtige Rolle.
Um die Feldgeräte vor Wasserkondensat und Wasserdampf zu schützen, werden verschiedene Arten von Wasseradsorbern eingesetzt. Geeignete Wasseradsorber sind Silikagele und Zeolithe. Beide Adsorber sind in der Lage, Wassermoleküle effektiv binden und halten somit die elektrischen und mechanischen Komponenten trocken.
Silikagel gehört zu den einfachsten Wasseradsorbern. Bei Silikagel handelt es sich um ein amorphes Siliziumdioxid mit unregelmäßigen Poren. Solche Poren haben typischerweise eine breite Größenverteilung, die je nach Fertigungsverfahren von 1 nm bis 5 nm oder von 5 nm bis 30 nm reicht. Silikagel adsorbiert daher alle Moleküle, die aufgrund ihrer Größe in die Poren passen. Es hat darüber hinaus eine erhöhte Affinität zu den polaren Wassermolekülen. Silikagele gehören zu den moderaten Wasseradsorbern: sie können das Wasser je nach Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre leicht adsorbieren und desorbieren. Die feinporigen Silikagele nehmen bis zu 40–50 Masse-% Wasser auf. Das adsorbierte Wasser kann unter leichtem Vakuum oder bei erhöhten Temperaturen wieder nahezu vollständig freigestellt werden. Hierdurch ist der Anwendungsbereich für Silikagel eingeschränkt.
Zeolithe sind anorganische Kristalle auf Alumosilikatbasis mit Nanokanälen, die Moleküle einer bestimmten Größe im Kanalgitter binden können. Solche Stoffe sind auch unter einem Begriff ‘Molekularsiebe‘ bekannt. Als Zeolithe wird eine Stoffgruppe mit über 200 bekannten individuellen Substanzen, die meistens künstlich hergestellt werden, bezeichnet. Diese Substanzen haben eine komplexe Kristallstruktur und können unterschiedliche Moleküle von Wasser bis zu Aminosäuren und Peptiden adsorbieren.
Für eine selektive Wasseradsorption werden zwei Zeolithe mit einer Kanalöffnung von 0,4 nm (Typ 4A) und 0,3 nm (Typ 3A) verwendet. Diese Stoffe finden in der Industrie eine breite Anwendung als Trocknungsmittel und können bis zu 25 Masse-% Wasser effektiv adsorbieren. Ein großer Vorteile der Zeolithe vom Typ 3A und 4A im Vergleich zu dem Trocknungsmittel Silikagel ist die sehr enge Porengrößeverteilung. Das garantiert eine exzellente Selektivität und Effizienz für die Adsorption von Wassermolekülen. Zudem bindet Zeolith das Wasser stark exotherm (67 kJ/mol bei Raumtemperatur) und bindet das Wasser bis 100–120°C. Eine vollständige Dehydratation unter normalem Luftdruck findet erst bei 300–450°C statt.
Für eine effektive Verwendung der Trocknungsstoffe in elektrischen/ elektronischen und mechanischen Geräten wird üblicherweise die Wasseraufnahmekapazität der Silikagel- oder Zeolithadsorber ständig beobachtet. Für Silikagel sind insbesondere farbige Indikatoren bekannt. Hierbei handelt es sich um Stoffe, die ihre Farbe verändern, sobald der Feuchtigkeitsanteil im Silikagel einen bestimmten Grenzwert erreicht. Solche Indikatoren ermöglichen jedoch keine ständige Beobachtung des Adsorptionsprozesses.
Bei einem bevorzugten Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung wird der Effekt ausgenutzt, dass die Wasseraufnahme in Adsorbermaterialien wie Zeolith oder Silikagel die elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Materialien verändert. Daher können die elektrischen Eigenschaften als Maß für die Wasseradsorption dienen: durch Bestimmung der Dielektrizitätszahl lässt sich der Sättigungsgrad des Adsorbers sehr genau und kontinuierlich ermitteln. Ebenso ist es möglich, die vorliegende Erfindung zur Oberflächenanalyse bzw. zur Analyse eines Mediums heranzuziehen. Insbesondere können Aussagen über die Reinheit von Medien getroffen werden.
Für eine Beobachtung der Wasseraufnahmekapazität in zeolithhaltigen Werkstoffen wurden bereits verschiedene elektrische Messverfahren vorgeschlagen. Insbesondere ist es bekannt, dass eine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Leitfähigkeit und dem Wassergehalt in Zeolith-Membranen besteht. In der US 3,186,225 wurde ein Sensor zum Zwecke der Feuchtigkeitskontrolle vorgeschlagen. Bei dem bekannten Sensor wird die Leitfähigkeit in einem Zeolithkörper mittels eingebauter Messelektroden bestimmt. In der US 2009/0261987 A1 ist ein analytischer Sensor beschrieben, der die adsorbierenden Zeolithpartikel in einer Matrix zwischen zwei Messelektroden einschließt.
In der WO 2011/124419 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Anteils eines adsorbierten Stoffes, welcher in einem Formkörper, Granulat oder Pulver aus einem Zeolith, einer Zeolithverbindung oder Silikagel als Adsorbermaterial enthalten ist, vorgestellt. Für den Fall, dass das Adsorbermaterial in Form eines Formkörpers vorliegt, sind mindestens zwei Elektroden voneinander beabstandet auf einer Oberfläche des Formkörpers aufgebracht und/oder fest in den Formkörper eingebracht. Für den Fall, dass das Adsorbermaterial in Form eines Pulvers oder Granulats vorliegt, wird ein Formkörper aus dem gleichen Material hergestellt und zwei Elektroden werden voneinander beabstandet auf eine Oberfläche des Formkörpers aufgebracht oder fest in den Formkörper eingebracht; anschließend wird der Formkörper in das Pulver oder Granulat eingebracht. Die Elektroden werden mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch eine elektrische Kenngröße des Adsorbermaterials ermittelt wird. Anhand der ermittelten elektrischen Kenngröße wird der Anteil des adsorbierten Stoffes im Adsorbermaterial ermittelt.
Die bekannten Verfahren zur Messung des Wasseranteils in Zeolith haben zwei Nachteile:

1. Die Zeolith-Sonde mit Elektroden ist mit der eigentlichen Messeinheit elektrisch verbunden. Elektrische Verbindungen können infolge z.B. der Oxidation der Elektroden problematisch sein. Weiterhin existieren die Trocknungsmittel meistens in Granulat- (Durchmesser bis 3–4 mm) oder Pulverform. Für entsprechende rieselfähige Stoffe ist eine Messung der Leitfähigkeit oder Kapazität mit eingetauchten Elektroden unsicher.
2. Die elektrische Messung erfolgt mit mindestens zwei Elektroden, die auf den Messkörper eingebrannt oder gesputtert werden. Falls die Elektrode vom Material aufgrund von Haftungsfehlern gelöst wird, werden die Messwerte verfälscht ausgewertet. Im schlimmsten Fall wird dann ein wassergesättigter Zustand durch eine elektrische Messung nicht erkannt. Zudem erhöht sich durch die Wasseraufnahme das Volumen der Zeolithe. Als Folge davon können kritische mechanische Scherspannungen im Elektrodenbereich auftreten, die gleichfalls zu einem Ablösen der Elektroden führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein System vorzuschlagen, über die/über das der Brechungsindex, der an der Grenzfläche zwischen zwei Medien auftritt, mit hoher Messgenauigkeit bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex, der an der Grenzfläche zu einem Medium auftritt, gelöst mit einem selbsterregten System, bestehend aus

– einer aktiven Hochfrequenz-Baugruppe zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen mit innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes liegenden Betriebsfrequenz,
– einem Sensor, der mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird und der bezüglich des Mediums zumindest temporär derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums ändert, und
– einem Rückkopplungskreis, der die elektromagnetischen Wellen auf den Sensor rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems bestimmt wird,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend auch als Mikrowellen-Resonator bezeichnet. Je nach den an der Grenzfläche zu dem Medium herrschenden Gegebenheiten ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, Aussagen bezüglich der elektrischen oder magnetischen Eigenschaften bzw. der sich ändernden elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Mediums zu machen. Die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsemäßen Mikrowellen-Resonators sind vielfältig. Neben den bereits genannten Anwendungen ist es z.B. auch möglich, den Mikrowellen-Resonator zur Erkennung und Unterscheidung von Betriebsstoffen, z.B. von Ölen in der Produktion zu verwenden.
Das selbsterregte System schwingt im eingeschwungenen Zustand auf einer definierten Schwingfrequenz, die im Mikrowellenbereich angesiedelt ist. Die sich einstellende Schwingfrequenz des selbsterregten Systems, sprich des Mikrowellen-Resonators, hängt von dem Brechungsindex an der Grenzfläche zu dem Medium ab, wobei der Mikrowellen-Resonator bezüglich der Grenzfläche so angeordnet sein muss, dass die Schwingfrequenz durch die Eigenschaften des Mediums beeinflusst wird. Somit muss der Mikrowellen-Resonator in der nahen Umgebung zu dem Medium oder in dem Medium angeordnet sein. Im Falle der Bestimmung des Feuchtegehalts eines adsorbierenden Materials, z.B. der Bestimmung des Wassergehalts in einem wasseradsorbierenden Formkörper, z.B. aus Zeolith, ändert sich die Schwingfrequenz in Abhängigkeit von dem Feuchtgehalt des Formkörpers, da mit zunehmendem Feuchtegehalt die Dielektrizitätszahl zunimmt. Gemessen wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Schwingfrequenz bzw. die Frequenzänderung infolge des Einflusses des Mediums. Hierzu wird als Frequenzdetektor bevorzugt ein Frequenzzähler eingesetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Sensor aus einer Elektrode, die auf einem Isolationsmaterial angeordnet ist. Die Elektrode und das Isolationsmaterial und ggf. ein Formkörper bilden hierbei eine Messzelle.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Frequenzband, in dem das selbsterregte System schwingfähig ist, außerhalb der Eigenfrequenz des Sensors liegt. Die Eigenfrequenz des Sensors ist durch die geometrischen Abmessungen des Sensors bzw. die Laufzeit der reflektierten elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensors bestimmt. Als Folge hiervon weist das selbsterregte System eine geringe Güte auf; dies ist für das selbsterregte System sehr vorteilhaft. Darüber hinaus wird durch die von der Eigenfrequenz abweichende Frequenz verhindert, dass der Sensor als Antenne wirkt und grosse Energieanteile aufnimmt oder abstrahlt. Somit werden Störungen vermindert.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Medium um eine Flüssigkeit oder Gas adsorbierende feste, flüssige oder gasförmige Substanz handelt.
Bei dem erfindungsgemäßen System wird eine zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen beschriebene Vorrichtung an der Außenseite der Wandung eines Behälters oder in der Wandung eines Behälters angeordnet, wobei sich in dem Behälter das zu überwachende Medium befindet. Die Wandung besteht aus einem für die elektromagnetischen Wellen transparenten Material. Die Dicke der Wandung des Behälters zwischen dem Sensor und dem Medium ist in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten oder der magnetischen Permeabilität des zu überwachenden Mediums bemessen. Je höher die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist, umso dicker kann die Wandung ausgeführt sein.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Behälter um einen Tank oder einen Beutel. In der pharmazeutischen oder biotechnologischen Anwendung werden oftmals Einweg-Tanks oder Einweg-Beutel eingesetzt, die nach einmaligem Gebrauch entsorgt werden. Dies stellt kein Problem dar, da die Messzelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Systems kostengünstig herstellbar und ggf. recycelbar ist.
Neben der zuvor beschriebenen integralen Lösung von Sensor bzw. erfindungsgemäßer Vorrichtung und Behälter ist vorgesehen, dass der Sensor an der Außenseite der Wandung des Behälters angebracht ist oder temporär mit der Außenseite der Wandung des Behälters in Kontakt gebracht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems schlägt vor, dass die Messzelle so geformt ist, dass sie im Bereich der Befestigung an die Geometrie des Behälters oder im Falle eines festen Mediums an die Geometrie des Mediums angepasst ist.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße System zur Bestimmung und/oder Überwachung der Adsorption des Wasseranteils in einem Wasser adsorbierenden Material verwendet, wobei es sich bei dem Wasser adsorbierenden Material bevorzugt um einen Zeolith oder ein Silikagel handelt.
Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ist die Erfindung weiterhin beispielsweise für Analysezwecke geeignet. Über die Änderung des Brechungsindex lassen sich beispielsweise Aussagen über die Zusammensetzung des die Schwingfrequenz des Mikrowellen-Resonators beeinflussenden Mediums generieren. Insbesondere ist es möglich, eine Aussage über die Reinheit eines Mediums oder einer Oberflächenbeschichtung zu treffen. Ausschlaggebend für den Einsatz in möglichen Anwendungsbereichen ist, dass das zu überwachende oder zu bestimmende Material eine elektrische oder magnetische Kenngröße hat, die sich bei einer Änderung der Zusammensetzung des Materials gleichfalls ändert und die nachfolgend die Schwingfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Systems beeinflusst.
Nachfolgend sind beispielhaft einige Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Lösung genannt:

1. Messung der Feuchtanteil und Bestimmung der Feuchtaufnahmekapazität der Trocknungsmittel in Form eines Festkörpers, eines Granulats oder eines Pulvers.
2. Ständige Beobachtung eine Wasseradsorbers, der zum Schutz von elektronischen und mechanischen Geräten eingesetzt ist.
3. Kontinuierlicher Feuchtdosimeter.
4. Beobachtung der Adsorption in Zeolithen oder anderweitigen Adsorbern, die für die Adsorption von definierten Molekülen bestimmt sind.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für den Einsatz in einem festen Adsorbermaterial geeignet ist,
2: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die für den Einsatz in einem Adsorbermaterial aus einem Granulat oder Pulver geeignet ist,
3: ein Diagramm, das den Frequenzverlauf eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators unter dem Einfluss eines festen Adsorbermaterials wiedergibt,
4: ein Diagramm, das den Frequenzverlauf eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators unter dem Einfluss eines granulatförmigen Adsorbermaterial wiedergibt,
5: ein Diagramm, das die funktionale Abhängigkeit der Frequenz eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators von dem Wasseranteil in einem festen Adsorbermaterial zeigt,
6: eine erste Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Detektion der Frequenz eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators und
7: eine zweite Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung zur Detektion der Frequenz eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators.
1 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die beispielsweise zur Bestimmung oder Überwachung des Feuchtegehalts eines adsorbierenden Materials eingesetzt werden kann. Die Messzelle 1 ist für den Einsatz in Verbindung mit einem Formkörper 4 geeignet, der aus einem adsorbierenden Material besteht. Die Messzelle 1 dient im gezeigten Fall zur Bestimmung oder Überwachung des Feuchtegehalts in einem Formkörper 4 aus einem zeolithhaltigen Kompositmaterial.
Die Messzelle 1 weist eine Elektrode 2 auf, die auf einem Trägermaterial 13 angeordnet ist. Die Elektrode 2, das Isolationsmaterial 3 und der Trägerkörper 13 bilden die Messzelle 1. Die Messzelle 1 und die Elektronikkomponenten 5, 6, 7, 8, 9 bilden den erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonator bzw. das selbsterregte System. Das Trägermaterial 13 der Messzelle 1 ist bevorzugt an die Geometrie des Formkörpers 4 angepasst: Im gezeigten Fall ist das Trägermaterial 13 als Halfpipe ausgebildet und ist so dimensioniert, dass es den entsprechend ausgestalteten zylindrischen Formkörper 4 aus einem adsorbierenden Kompositmaterial aufnehmen kann. Bevorzugt wird die Messzelle 1 mit dem Formkörper 4 zur Trocknung der Luft in einem elektronischen Gerät, insbesondere in einem Feldgerät der Automatisierungstechnik eingesetzt. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung in beliebigen Applikationen eingesetzt werden kann. Die gezeigte Messzelle 1 ist beispielsweise für die Kontrolle des Sättigungsgrads in einem Feuchteadsorber auf Zeolith- oder Silikagel-Basis geeignet.
Die Bestimmung des Brechungsindex bzw. hier der Dielektrizitätskonstanten funktioniert wie folgt: Bezüglich der mit Mikrowellen einer definierten Schwingfrequenz beaufschlagten Elektrode 2 der Messzelle 1 ist der Formkörper 4 aus einem zeolithhaltigen Kompositmaterial oder Silikagel so angeordnet, dass die Schwingfrequenz des Mikrowellen-Resonators durch das Kompositmaterial des Formkörpers 4 beeinflusst wird. Die Mikrowellen werden von einer Hochfrequenz-Funktionseinheit 5 bzw. einer aktiven Hochfrequenz-Baugruppe 5 erzeugt. Zusammen mit einem Auskoppelnetzwerk 6 wird ein sinusförmiges Signal S erzeugt, dessen Periodenlänge bzw. Frequenzkomponente die Dielektrizitätszahl bzw. den aktuellen Sättigungsgrad des feuchteadsorbierenden Formkörpers 4 widerspiegelt.
Folgende Baugruppen sind an der Messung beteiligt: die Elektrode 2 bzw. das Hochfrequenz-Element 2, die Hochfrequenz-Funktionseinheit 5 bzw. die aktive Hochfrequenz-Baugruppe 5, die passive Hochfrequenz-Baugruppe 7 und das Auskoppelnetzwerk 6. Das in Majorität passive frequenzbestimmende Element ist die Elektrode 2. Diese ist mit der aktiven Hochfrequenz-Baugruppe 5 verbunden. Die passive Hochfrequenz-Baugruppe 7 ist als in Minorität frequenzbestimmendes passives Element fest auf eine Betriebsfrequenz eingestellt. Die passive Hochfrequenz-Baugruppe 7 umfasst das für die Erzeugung der Schwingungen notwendige Beschaltungswerk 8 und die Stromversorgung 9. In einer Ausgestaltung ist zum Zwecke der Frequenzfeineinstellung (Minoritätenanpassung) noch die Zuführung einer Steuerspannung vorgesehen. Diese ist optional. Über das Auskoppelnetzwerk 6 wird das vom Sättigungsgrad des Formkörpers 4 abhängige Signal S abgegriffen. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, wird dem Eingang der Steuerspannung eine temperaturabhängige Spannung zur Kompensation des Temperatureinflusses zugeführt.
Die Elektrode 2 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise handelt es sich um eine kupfergeätzten Struktur in länglicher, runder oder quadratischer Form. Im gezeigten Fall ist die Form quadratisch. Über der Elektrode 2 ist zwecks Prozesstrennung eine Isolationsschicht 3 vorgesehen, die beispielsweise aus PP oder PTFE besteht. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Formkörper 4 aus z.B. zeolithhaltigen Kompositmaterial und der Elektrode 2 kann, muss aber nicht bestehen. Wird die Isolationsschicht 3 verwendet, so sind die Elektrode 2 und der Formkörper 4 elektrisch nicht miteinander verbunden.
Bevorzugt kann die Verbindung zwischen der Elektrode 2 und der aktiven Hochfrequenz-Baugruppe 5 aus einer periodisch mäanderförmigen Struktur bestehen. Eine entsprechende Struktur stellt bezüglich der Wärmeleitung einen relativ großen Widerstand dar; für die hochfrequenten Wellen handelt es sich jedoch nur um eine kurze Verbindungsleitung. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. bei dem erfindungsgemäßen System werden bevorzugt folgende Betriebs- bzw. Schwingfrequenzen eingesetzt: 2, 4 GHz, 433 MHz, 866 MHz oder 5.8 GHz. Ganz allgemein kann zumindest jede Frequenz im Frequenzbereich zwischen 300 MHz und 30 GHz eingesetzt werden.
2 zeigt einen Messaufbau, der für den Einsatz in einem Wasseradsorber geeignet ist, wenn dieser aus einem Granulat oder einem Pulver besteht. Die Messzelle 1a für das adsorbierende Granulat bzw. Pulver weist eine Messelektrode 2a auf. Zusätzlich zu der eigentlichen Messzelle 1a ist eine Referenz-Messzelle 1b mit einer Referenzelektrode 2b vorgesehen. Soll die Messzelle 1a den Feuchtegehalt in einem Zeolith- oder Silikagel-Granulat oder Pulver messen, so enthält die Referenz-Messzelle 1b bevorzugt ein wassergesättigtes oder ein trockenes Zeolith oder Silikagel. Der Messzelle 1a werden hochfrequente Wellen von dem Generator 5a zugeführt; der Referenz-Messzelle werden hochfrequente Wellen von dem Referenzgenerator 5b zugeführt. Während die Frequenz der Referenz-Messzelle 1b konstant bleibt, ändert sich die Frequenz der hochfrequenten Wellen, die der Messzelle 1a zugeführt werden, in Abhängigkeit von dem Sättigungsgrad des Zeolith- oder Silikagel-Granulats bzw. -Pulvers. Die Frequenzdifferenz zwischen den hochfrequenten Wellen von Messzelle und Referenz-Messzelle wird in dem Frequenzdifferenzbilder 10 ermittelt. Die Differenzfrequenz wird von dem Frequenzdetektor 11 detektiert. Anhand der temperaturkompensierten Differenzfrequenz ermittelt die Auswerteeinheit 21 den Sättigungsgrad des zu überwachenden Granulats oder Pulvers.
Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit der in 2 beschriebenen Ausgestaltung erwähnt, kann die erfindungsgemäße Lösung nicht nur für Formkörper 4 aus einem Adsorbermaterial, sondern auch für granulierte oder pulverartige Feuchtadsorber, wie Silikagel und Zeolith, verwendet werden. In diesem Fall wird Granulat in einer Messzelle 1a sozusagen als Schüttgut gemessen. Die Frequenzänderung wird mit einer bevorzugt identischen Messzelle 1b mit einem trockenen oder wassergesättigten Adsorber referenziert. Die temperaturkompensierte Frequenzdifferenz ist ein Maß für Feuchtegehalt im Granulat oder Pulver.
Die zuvor beschriebenen Messverfahren ermöglichen eine kostengünstige, kontinuierliche Überwachung des Sättigungsgrads in einem Wasseradsorber. Bevorzugt erfolgt die Überwachung durch einen Behälterwandung oder eine Verpackungsfolie hindurch. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem geschlossenen Gehäuse eines Feldgeräts eingesetzt werden: Das Adsorbermaterial bindet die Wassermoleküle in dem geschlossenen Gehäuse und der Feuchtegehalt wird kontinuierlich oder zeitweise ermittelt. Die Messdaten können dazu verwendet werden, eine frühzeitige Aussage darüber zu treffen, wann das Adsorbermaterial in den Sättigungszustand übergeht und nicht mehr in der Lage sein wird, zusätzliche Feuchtigkeit zu binden. Auch ist die erfindungsgemäße Lösung dazu geeignet, eine Dichtungsleckage und einen gesättigten Zustand des Adsorbermaterial rechtzeitig zu erkennen, bevor das Gerät ausfällt. Auf der Basis dieser Information können entsprechende Gegenmaßnahmen frühzeitig eingeleitet werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist daher für Predictive Maintenance und Advanced Diagnostics Maßnahmen bestens geeignet.
3 zeigt ein Diagramm, das den Frequenzverlauf eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators für ein Adsorbermaterial wiedergibt. Im gezeigten Fall handelt es sich bei dem Adsorbermaterial um ein festes Kompositmaterial aus 65% Zeolith 4A und 35% PFA. Die Wasseraufnahme aus der Umgebungsluft erfolgt im gezeigten Fall über einen auf der X-Achse ablesbaren Zeitraum bei Raumtemperatur. Am Startpunkt ist der Feuchtegehalt des Adsorbermaterial Null, am Endpunkt ist der Sättigungszustand des Adsorbermaterials erreicht. Klar ersichtlich ist anhand des Diagramms, dass die Schwingfrequenz des Mikrowellen-Resonators mit steigendem Wasseranteil nahezu kontinuierlich abnimmt. Je höher der Wasseranteil in dem Adsorbermaterial ist, desto höher wird die Dielektrizitätszahl des Adsorbermaterials und desto intensiver ist die Wechselwirkung der Mikrowellen mit dem Adsorbermaterial. Der Abfall zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt liegt im gezeigten Fall bei 18 MHz, so dass der erfindungsgemäße Mikrowellen-Resonator sich durch eine hohe Messempfindlichkeit auszeichnet.
Das in 4 dargestellte Diagramm zeigt den Frequenzverlauf eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators für ein granulatförmiges Adsorbermaterial. Insbesondere ist in 4 das typische Verhalten der Schwingfrequenz in einer Messzelle mit einem trockenen Silikagel (1–0,1 mm) während der Wasseraufnahme aus Umgebungsluft bei Raumtemperatur gezeigt. Auch hier ist die Frequenzänderung der Schwingfrequenz ein Maß für den jeweiligen Sättigungsgrad des adsorbierenden Materials.
In 5 ist ein Diagramm dargestellt, das die funktionale Abhängigkeit der Frequenz eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators von dem Sättigungsgrad bzw. dem Wasseranteil (in %) in einem festen Adsorbermaterial, z.B. in Zeolith zeigt. Mit steigendem Wasseranteil in dem Zeolith-Adsorber nimmt die Schwingfrequenz des Mikrowellen-Resonators kontinuierlich ab. Die Messempfindlichkeit ist hierbei besonders hoch, wenn der Anteil von Wasser in dem Zeolith bei 5–6% liegt. Daher lässt sich die erfindungsgemäße Lösung besonders effektiv z.B. für das Erkennen einer Leckage an einem Feldgerät in der Anfangsphase (z.B. unmittelbar auf die Fertigung folgend), wenn die Adsorptionsleistung des Adsorbermaterials die höchste Effizienz hat.
6 zeigt eine erste vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Detektion der Frequenz eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators. Auf die Leitung 12 wird ein Hochfrequenzsignal gegeben. Dieses Hochfrequenzsignal ist zumindest annähernd sinusförmig. Das Hochfrequenzsignal stammt beispielsweise aus dem Elektronikteil 14 eines Feldgeräts, insbesondere eines Sensors der Automatisierungstechnik, der auf der Basis von Mikrowellen arbeitet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Sensor um ein Radar-Füllstandsmessgerät.
Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie die Frequenz des Hochfrequenzsignals mit möglichst geringem Aufwand und mit möglichst geringen Kosten für Baugruppen und Stromverbrauch realisiert. Das Hochfrequenzsignal wird dem Hochfrequenzmischer 15 zugeführt. Dem Hochfrequenzmischer 15 wird weiterhin ein Hochfrequenzsignal zugeführt, das in dem Hochfrequenz-Oszillator 16 erzeugt wird. Bei dem Hochfrequenz-Oszillator 16 handelt es sich um einen VCO, dessen Ausgangsfrequenz sich entsprechend einer Steuerspannung einstellt. In der technischen Ausführung kann beispielsweise ein kostengünstiger VCO aus dem WLAN-Segment verwendet werden. Am Ausgang des Hochfrequenzmischers 15 liegt ein Signal an, welches aus einer Überlagerung der Summe und der Differenz der beiden Frequenzen der Hochfrequenzsignale besteht, die von der Feldgeräteelektronik 14 und dem Hochfrequenzgenerator 16 stammen. Im einfachsten Fall besteht der Hochfrequenzmischer 15 aus einer einzelnen Diode.
Am Ausgang des Hochfrequenzmischers 15 ist ein Tiefpass 17 angebracht. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Tiefpass 17 um einen passiven Tiefpass, das aus einem Widerstand und zwei Kondensatoren besteht. Der Tiefpass 17 ist derart dimensioniert, dass nur eine Frequenz nach 0 Hz (Gleichspannung) mit hoher Amplitude transmittiert wird. Dem Tiefpass 17 ist ein Gleichrichter 18, der als Detektor fungiert, nachgeschaltet. Der Gleichrichter 18 besteht beispielsweise aus mindestens einer Diode, die vorteilhafter Weise von einer Kapazität/von einem Kondensator ergänzt wird. Das Zusammenschalten von Tiefpass 17 und des Gleichrichter 18 bewirkt, dass ein Gleichspannungssignal transmittiert und das üblicherweise sinusförmige Hochfrequenzsignal mit zunehmender Frequenz immer stärker gedämpft wird. Das Ausgangssignal der beiden Baugruppen 17, 18 wird einer Regelschaltung bzw. einer Steuerungsschaltung 19 zugeführt. Diese stellt den Hochfrequenz-Oszillator 16 so ein, dass die Amplitude des Ausgangssignals des Gleichrichters 18 maximiert wird. Folglich entspricht die Frequenz des Ausgangssignals 20 (bzw. die Ausgangsspannung) des VCO 16 der Frequenz des auf die Leitung 12 gegebenen Hochfrequenzsignals der Feldgeräteelektronik 14.
In Abwandlung zu der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung kann anstelle des Tiefpasses 17 ein schmalbandiges Bandpassfilter eingesetzt werden. Hierdurch liegt die maximale Amplitude an den Gleichrichter 18 nicht bei 0 Hz (Gleichspannung), sondern bei der Transmissionsfrequenz des Bandpassfilters. Folglich wird der bevorzugt als VCO ausgebildete Hochfrequenz-Oszillator 16 auf die Differenzfrequenz zwischen dem von der Feldgeräteelektronik 14 gelieferten Hochfrequenzsignal und dem Hochfrequenzsignal, das am Ausgang des Bandpasses ansteht, eingestellt.
Die gemessene Schwingfrequenz lässt sich somit folgendermaßen berechnen, wobei die Auswertung in der Auswerteeinheit 21 erfolgt:
Frequenz der Feldgeräteelektronik 14 = Frequenz des VCO 16 + Transmissionsfrequenz des Tiefpasses 17
Um die Kosten für die Schaltungsanordnung weiter zu reduzieren, ist vorgesehen, dass der VCO 16 durch einen deutlich kostengünstigeren Hochfrequenz-Oszillator mit einer festen Betriebsfrequenz ersetzt wird. In diesem Fall wird der Bandpassfilter durch einen abstimmbaren Bandpassfilter ersetzt. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die dem Bandpassfilter zugeordneten Kapazitäten durch Varaktordioden ersetzt werden. Den Varaktordioden wird eine Steuerspannung zugeführt. Die Regeleinheit 19 und das Ausgangssignal 20 sind dann zwischen dem Gleichrichter 18 und dem Bandpass angeordnet. Bevorzugt wird übrigens der Hochfrequenzmischer 15 bei allen beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft in der Sättigung betrieben.
7 zeigt eine weitere vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Detektion der Frequenz des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Resonators. Die gezeigte Schaltungsanordnung ist wesentlich einfacher und somit kostengünstiger aufgebaut, allerdings ist die Messgenauigkeit auch geringer. Das von der Feldgeräteelektronik 14 zur Verfügung gestellte Hochfrequenzsignal 12 wird einem Bandpassfilter 22 zugeführt. Der Bandpassfilter 22 besitzt eine frequenzabhängige Kennlinie. Bevorzugt ist der Bandpassfilter 22 als passiver Filter ausgelegt, um Temperaturabhängigkeiten zu verringern. Das Hochfrequenzsignal 12 muss eine konstante Amplitude aufweisen oder durch einen zwischen die Feldgeräteelektronik 14 und den Bandpassfilter 22 geschalteten Begrenzerverstärker (in 7 nicht gesondert dargestellt) stabilisiert werden. Die Frequenzabhängigkeit des Bandpassfilters 22 führt zu einer frequenzabhängigen Amplitude des Ausgangssignals 23, das am Ausgang eines Gleichrichters 18 ansteht. Die Gleichspannung des Ausgangssignals 23 entspricht eindeutig einer Frequenz.
Bei einer weiteren Variante, die von der Schaltungsanordnung nach 6 ausgeht, wird die Regeleinheit 19 eingespart. Ein kostengünstiger Hochfrequenz-Oszillator 16 lässt sich in der Frequenz nicht verändern. Ein Bandpassfilter (bzw. Tiefpassfilter) wird auf die Differenzfrequenz zwischen dem von der Feldgeräteelektronik 14 gelieferten Hochfrequenzsignal 12 und dem von dem Hochfrequenzoszillator 16 gelieferten Hochfrequenzsignal fest und somit ohne Steuerungsmöglichkeit eingestellt. Wird anstelle des Bandpasses ein Tiefpass 17 verwendet, haben die beiden Hochfrequenzsignale die gleiche Frequenz. Wird die Frequenz des Hochfrequenzsignals 12 variiert, verringert sich die Amplitude am Ausgang des Tiefpasses 17 und des Gleichrichters 18. Die Amplitude des Signals am Ausgang des Gleichrichters 18 steht nun in einer festen Übertragungsfunktion zur Frequenz des Hochfrequenzsignals 12 und kann nachfolgend beispielsweise einem A/D-Wandler (nicht dargestellt) zugeführt werden. Wird als Filter ein 17 verwendet, so ist nur die Differenzfrequenz der beiden Hochfrequenzsignale detektierbar. Wird die Frequenz des Hochfrequenzsignals des Hochfrequenz-Oszillators 16 an eine Bandgrenze des zu detektierenden Frequenzbereichs gelegt, so ist dennoch eine eindeutige Zuordnung des Frequenzbandes möglich.
Bei allen zuvor beschriebenen Ausgestaltungen lässt sich die Regeleinheit/Steuereinheit 19 sowohl in Analogtechnik als auch digital in einem Mikroprozessor realisieren. Wird in Kauf genommen, dass die Frequenz des von dem Hochfrequenz-Oszillator 16 gelieferten Hochfrequenzsignals von der Frequenz des Hochfrequenzsignals abweicht, das an dem Tiefpass 17 anliegt, lassen sich sehr kostengünstige Bauteile verwenden, die für Märkte entwickelt wurden, die Massenfertigung benötigen. Beispielhaft können die Bereiche GPS, WLAN oder UMTS genannt werden.
Bezugszeichenliste

1: Messzelle
1a: Messzelle
1b: Referenzzelle
2: Elektrode / Hochfrequenzelement /Sensor
2a: Messelektrode
2b: Referenzelektrode
3: Isolationsmaterial
4: Formkörper
5: Hochfrequenzgenerator / aktive Hochfrequenz-Baugruppe
5a: Hochfrequenzgenerator
5b: Referenzgenerator
6: Auskoppelnetzwerk
7: passive Hochfrequenz-Baugruppe
8: Beschaltungsnetzwerk
9: Stromversorgung
10: Frequenzdifferenzbilder
11: Frequenzdetektor
12: Leitung
13: Trägermaterial
14: Sensorelektronik / Feldgeräteelektronik
15: Hochfrequenzmischer
16: Hochfrequenzgenerator
17: Tiefpass
18: Gleichrichter
19: Regelschaltung/Steuerschaltung
20: Ausgangssignal
21: Auswerteeinheit
22: Bandpass
23: Ausgangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3186225 [0012]
US 2009/0261987 A1 [0012]
WO 2011/124419 A1 [0013]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Brechungsindex, der an der Grenzfläche zu einem Medium (4) auftritt, mit einem selbsterregten System (2, 5, 8), bestehend aus – einer aktiven Hochfrequenz-Baugruppe (5) zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen mit einer innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes liegenden Betriebsfrequenz, – einem Sensor (2), der mit den elektromagnetischen Wellen beaufschlagt wird und der bezüglich des Mediums (4) zumindest temporär derart angeordnet ist, dass sich die Phasenlage der an der Grenzfläche reflektierten elektromagnetischen Wellen unter dem Einfluss des Mediums (4) ändert, und – einem Rückkopplungskreis (6, 7, 8, 9), der die elektromagnetischen Wellen auf den Sensor (2) rückkoppelt, wodurch die Frequenz des selbsterregten Systems (2, 5, 8) bestimmt wird, mit einem Frequenzdetektor (11), der die Frequenz des selbsterregten Systems detektiert, und mit einer Auswerteeinheit (21), die anhand der erfassten Frequenz den Brechungsindex an der Grenzfläche zu dem Medium (4) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor aus einer Elektrode (2) besteht, die auf einem Isolationsmaterial (3) angeordnet ist, und wobei die Elektrode (2) und das Isolationsmaterial (3) eine Messzelle (1) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (21) anhand des Brechungsindex die Dielektrizitätskonstante oder die magnetische Permeabilität des Mediums (4) bestimmt oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Frequenzband, in dem das selbsterregte System (2, 5, 8) schwingfähig ist, außerhalb der Eigenfrequenz des Sensor (2) liegt, wobei die Eigenfrequenz des Sensors (2) durch die geometrischen Abmessungen des Sensors bzw. die Laufzeit der reflektierten elektromagnetischen Wellen innerhalb des Sensors (2) bestimmt ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei es sich bei dem Medium (4) um eine Flüssigkeit oder Gas adsorbierende feste, flüssige oder gasförmige Substanz handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei es sich bei dem Medium (4) um eine Flüssigkeit oder ein Gas adsorbierende feste, flüssige oder gasförmige Substanz handelt.
System bestehend aus einer Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1–6 und einem Behälter mit einer Wandung aus einem für die elektromagnetischen Wellen transparenten Material, wobei die Dicke der Wandung des Behälters zwischen Sensor (2) und Medium (4) in Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstanten oder der magnetischen Permeabilität des zu überwachenden Mediums (4) bemessen ist.
System nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Behälter um einen Tank oder einen Beutel handelt.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Sensor an der Außenseite der Wandung des Behälters angebracht ist oder temporär mit der Außenseite der Wandung des Behälters in Kontakt gebracht wird.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Sensor in die Wandung des Behälters integriert ist.
System nach zumindest einem der Ansprüche 6–10, wobei die Messzelle (1) so geformt ist, dass sie im Bereich der Befestigung an die Geometrie des Behälters oder im Falle eines festen Mediums (4) an die Geometrie des Mediums (4) angepasst ist.
Verwendung der Vorrichtung, wie sie in zumindest einem der Ansprüche 1–6 beschrieben ist, oder des Systems, wie es in zumindest einem der Ansprüche 7–11 beschrieben ist, zur Bestimmung und/oder Überwachung der Adsorption des Wasseranteils in einem Wasser adsorbierenden Material, wobei es sich bei dem Wasser adsorbierenden Material bevorzugt um einen Zeolith oder ein Silikagel handelt.