DE19500559A1 - Sensorelement zur Umsetzung dielektrischer Materialeigenschaften in elektrisch meßbare Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umsetzung dielek­ trischer Materialeigenschaften in elektrisch meßbare Größen zur Anwendung in elektronischen Geräten für die zerstörungs­ freie Materialprüfung, insbesondere in Geräten zur indirekten Prüfung und Messung der Feuchte in festen Materialien, Schüttgütern und Flüssigkeiten auf elektrischem bzw. elektro­ magnetischem Wege.

Es ist vielfach üblich, in Geräten zur Materialfeuchtemessung das Prinzip der Leitfähigkeitsmessung zu verwenden. Es sind sowohl Geräte bekannt, welche die Leitfähigkeit des zu unter­ suchenden Materials unter Anwendung von Gleichstrom messen, als auch Geräte, welche die Leitfähigkeit unter Anwendung von niederfrequentem Wechselstrom messen. Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus, daß die Leitfähigkeit eines Materials au­ ßer vom Feuchtegehalt auch von störenden Beimengungen und da­ mit verbundener Elektrolytbildung abhängig sein kann. Der da­ durch verursachte Fehler der Feuchtemessung kann in vielen Fällen nicht toleriert werden.

Es sind weiterhin Geräte und Verfahren bekannt, bei welchen die von der Feuchte abhängige Dielektrizitätskonstante bei niedrigen bis mittleren Frequenzen über die Messung der Kapa­ zität eines mit dem zu untersuchenden Stoff gefüllten Konden­ sators ermittelt wird. Bei der Bestimmung des Feuchtegehalts von Materialien mit hohem Verlustfaktor zeigen auch diese Ge­ räte einen hohen Meßfehler.

Es sind daher weiterhin Geräte bekannt, welche in einer Brüc­ kenschaltung sowohl die Kapazität als auch den Verlustwider­ stand des gefüllten Kondensators messen und somit den Fehler der zuvor genannten Geräte und Verfahren vermeiden. Mit höher werdender Arbeitsfrequenz wird jedoch die Realisierung einer Brückenschaltung aufwendiger.

Bei weiteren bekannten Geräten wird der Meßkondensator in ei­ nen Schwingkreis einbezogen. Dabei verändert das in den Meß­ kondensator eingebrachte Material die Resonanzfrequenz und die Güte des Schwingkreises. Dieses Verfahren hat besonders bei höheren Frequenzen Realisierungsvorteile. Die Resonanz­ frequenzänderung allein oder Resonanzfrequenzänderung und Gü­ teänderung werden mit Hilfe einer angeschlossenen elektroni­ schen Schaltung bestimmt und zur Messung des Feuchtegehalts herangezogen. Die Eigenschaften bestimmter zu untersuchender Materialien, wie z. B. Baustoffe, erfordern den Übergang zu höheren Meßfrequenzen. Bei höheren Frequenzen im VHF- oder im UHF-Bereich ist die Realisierung des Schwingkreises mit dis­ kreten Bauelementen unter Einbeziehung eines offenen Meßkon­ densators problematisch. Solche aus bekannten Anordnungen für Messungen im VHF-Bereich erzeugen ein starkes Streufeld, sind von außen leicht beeinflußbar, haben eine niedrige Eigengüte und schlechte Stabilität der Resonanzfrequenz und lassen sich nur unter Schwierigkeiten in die Konstruktion einer Meßanord­ nung einfügen. Sie sind daher nur unter Inkaufnahme erhebli­ cher Nachteile in Einrichtungen zur Messung dielektrischer Materialeigenschaften einsetzbar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Sensorelement mit Schwingkreisverhalten zu schaffen, welches bei wesentlich verringertem Streufeld, wesentlich verringerter Möglichkeit der Beeinflußbarkeit von außen, hoher Güte, hoher Stabilität der Resonanzfrequenz und bei - durch Gestaltung als geschlos­ sene konstruktive Einheit - leichter Handhabbarkeit bzw. gu­ ter Integrierbarkeit in eine Meßanordnung die Erfassung der Dielektrizitätskonstante des zu untersuchenden Materials un­ beeinflußt vom Verlustfaktor bzw. die getrennte Erfassung von Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor gestattet.

Diese Aufgabe wird durch einen Resonator mit den im Patentan­ spruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß das Sensorelement als nunmehr mechanisch kompakte und elektrisch geschirmte und da­ mit leicht handhabbare und in die Meßanordnung integrierbare Einheit mit den Eigenschaften hoher Güte, hoher Stabilität der Resonanzfrequenz, erheblich reduzierter Möglichkeit uner­ wünschter Beeinflussung von außen sowie erheblich verringer­ ter Erzeugung unerwünschter Streufelder die getrennte Erfas­ sung von Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor des zu untersuchenden Materials ermöglicht. Das zu untersuchende Ma­ terial, in welches das aus dem Spalt des zum Resonator gehö­ renden Streufeldkondensators austretende Feld eintaucht, ver­ ändert die Resonanzfrequenz und die Güte des Resonators. Bei­ de Größen können mit einer an den Resonator angeschlossenen Meßeinrichtung ermittelt werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Im oberen Teil der Figuren ist jeweils die Draufsicht auf das Sensorelement, im unteren Teil ein Längsschnitt durch den Re­ sonator dargestellt.

Der Resonator, ein kapazitiv verkürzter Viertelwellen- Leitungsresonator, ist zusammengesetzt aus dem Außenleiter mit Kurzschlußboden 1, dem Innenleiter 2 und den beiden Plat­ ten des Streufeldkondensators 3. Der Innenleiter 2 ist in Fig. 1 ein gerader zylindrischer Leiter, während er in Fig. 2 als Wendel ausgebildet ist. Der Innenleiter 2 nach Fig. 1 wird vorzugsweise für Resonanzfrequenzen im UHF-Bereich, der Innenleiter 2 nach Fig. 2 vorzugsweise für Resonanzfrequen­ zen im VHF-Bereich verwendet. Im Resonator können sich zu­ sätzlich Abgleichelemente 4 zum Abgleich von Resonanzfrequenz und Güte befinden. Die Koppelelemente 5 dienen zur Ankopplung des Resonators an eine Meßschaltung. Das in Fig. 1 aus Lei­ tung und angeschlossener Leiterschleife bestehende Koppelele­ ment 5 ist mit dem magnetischen Feld des Resonators verkop­ pelt, während der Stift des Koppelelements 5 in Fig. 2 mit dem elektrischen Feld des Resonators verkoppelt ist.

Wird der Resonator durch eine angeschlossene Meßschaltung er­ regt, entsteht in seinem Inneren ein elektromagnetisches Feld. Der Streufeldkondensator 3 wirkt derart, daß sich au­ ßerhalb des Resonators, vornehmlich in der Umgebung des zwi­ schen den beiden Platten des Streufeldkondensators 3 ausge­ bildeten Spaltes ein Feld ausbildet. Wird dafür Sorge getra­ gen, daß dieses Feld vollständig in das zu untersuchende Ma­ terial eintaucht, ist die sich hierbei ergebende Änderung der Resonanzfrequenz ein Maß für die Dielektrizitätskonstante und die Änderung der Güte ein Maß für den Verlustfaktor. Im Falle der Feuchtemessung kann über diese beiden Größen dem Material ein bestimmter Feuchtegehalt zugeordnet werden.

Bezugszeichenliste

1 Außenleiter mit Kurzschlußboden
2 Innenleiter
3 Streufeldkondensator
4 Abgleichelement
5 Koppelelement.

Claims (3)

1. Sensorelement zur Umsetzung dielektrischer Materialeigen­ schaften in elektrisch meßbare Größen, ausgebildet als ka­ pazitiv verkürzter, am Ende kurzgeschlossener Viertelwel­ len-Leitungsresonator auf Basis einer Koaxialleitung oder auf Basis einer koaxialen Wendelleitung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verkürzungskapazität als offener Streu­ feldkondensator ausgebildet ist, durch welchen das sich bei entsprechender Anregung im Resonator ausbildende elektro­ magnetische Feld in das außerhalb des Resonators befind­ liche Medium eintreten kann.

2. Sensorelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Resonator zusätzliche Abgleichelemente ent­ hält.

3. Sensorelement nach Patenanspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Resonator ein Koppelelement oder mehrere Koppelelemente zur Signalein- und zur Signalauskopplung enthält.