DE102009024203B4 - Mikrowellensensor und Verfahren zur Bestimmung dielektrischer Materialeigenschaften - Google Patents

Abstract

Mikrowellensensor (1) zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft, mit einem Mikrowellenresonator (3) zur Ausbildung eines Mikrowellenfeldes, in das eine Materialprobe einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (3) ein kurzgeschlossenes koaxiales Leitungsstück mit einem hohlzylindrischen Innenleiter (11) in einem hohlzylindrischen Außenleiter (13) aufweist, wobei der Innenleiter (11) kürzer als der Außenleiter (13) ist und wenigstens ein offenes erstes Ende (15) im Inneren des Außenleiters (13) aufweist, und dass der Mikrowellenresonator (3) zur Erfassung einer Frequenzabhängigkeit der wenigstens einen dielektrischen Materialeigenschaft geometrisch derart ausgebildet ist, dass ein Frequenzabstand wenigstens zweier aufeinander folgender Leerresonanzfrequenzen (f01 bis f0n) des Mikrowellenresonators (3) einen vorgegebenen Mindestfrequenzabstand erreicht.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Mikrowellensensor zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft, mit einem Mikrowellenresonator zur Ausbildung eines Mikrowellenfeldes, in das eine Materialprobe einbringbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft mittels eines derartigen Mikrowellensensors.
• Ein Verfahren zur Bestimmung verschiedener Materialeigenschaften durch elektromagnetische Wechselfelder bei mehreren Frequenzen ist bereits aus der US 3,155,898 A bekannt. Dabei werden die Materialeigenschaften aus Messsignalen verschiedener Sensoren, die über einer Materialschicht angeordnet sind, ermittelt.
• Verfahren und Vorrichtungen für eine dichteunabhängige Feuchtebestimmung eines Materials, insbesondere in Form eines Schüttgutes, mittels elektromagnetischer Wechselfelder mit Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 MHz sind ferner aus K. C. Lawrence: ”Density-Independent Multiple-Frequency Technique for Measuring Moisture Content in Grains with a Radio-Frequency Permittivity Sensor”, Ph. D. Dissertation University of Georgia, Athens, Georgia, 1997 bekannt, s. auch K. Kupfer: ”Electromagnetic Aquametry”, Springer Verlag 2005, S. 146–147.
• Ein Zweifrequenzverfahren zur dichteunabhängigen Feuchtebestimmung eines Materials mittels Wellenleiteranordnungen für elektromagnetische Wechselfelder mit Frequenzen von 9 GHz und 12 GHz wurde ferner in Y. Zhang und S. Okamura: ”New Function of Dielectric Properties for Density-Independent Moisture Measurement” in: Proceedings of the 4th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar 2001 S. 111–116 vorgeschlagen.
• Eine weitere Messanordnung zur dichteunabhängigen Feuchtebestimmung eines Materials mittels Microstrip-Wellenleitern für elektromagnetische Wechselfelder mit Frequenzen von 300 MHz und 3 GHz wurde in Ma et. al.: ”A Fundamental Study on Microstrip Sensor for Measuring Water Content and Ion Conductivity” ebenfalls in: Proceedings of the 4th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Weimar 2001, S. 462–467 vorgeschlagen.
• Die Verwendung eines Resonators oder mehrerer Resonatoren für Zwecke der Messung dielektrischer Materialeigenschaften ist eine seit Langem verwendete Standardmethode. Resonatoren zur dichteunabhängigen Feuchtebestimmung eines Materials sind unter anderen aus der DE 2928487 A1 bekannt. In A. Kraszewski: ”Microwave Instrumentation for Moisture Content Measurement”; Journal of Microwave Power 8 (314), 1973, S. 332–333 werden Möglichkeiten beschrieben, den Wassergehalt faden- oder folienförmiger Materialien in Mikrowellenresonatoren zu bestimmen.
• Eine weitere derartige Anordnung ist aus M. A. Rzepecka et. al.: ”Modified Perturbation Method for Permittivity Measurements at Microwave Frequencies”, Journal of Microwave Power 9 (4), 1974, S. 321–323 bekannt. Dort wird eine Anordnung mit einem zylindrischen Hohlraumresonator beschrieben, in den eine zylindrische Probe eingeführt wird, wodurch die Frequenz der E₀₂₀-Resonanzmode verschoben wird. Gleichzeitig lässt sich über zwei zusätzliche Schleifenkopplungen im gleichen Hohlraum die H₀₁₁-Resonanzmode anregen. Die beiden Resonanzmoden werden ausgekoppelt, auf einen Mischer gegeben und die sich ausbildende Differenzfrequenz über eine Kalibrierung der Feuchte des Messobjektes zugeordnet. Der Doppelmessresonator wird von zwei externen Mikrowellenoszillatoren angeregt, die mittels zweier PLL-Schaltungen phasenstarr den Resonanzfrequenzen der E₀₂₀- und H₀₁₁-Resonanzmoden nachgeführt werden.
• Jeder Mikrowellenresonator, der aus kurzgeschlossenen oder reaktiv belasteten Leitungsabschnitten besteht, ist mehrdeutig hinsichtlich seiner Resonanzfrequenzen. Ein Hohlraumresonator weist in Abhängigkeit von der Frequenz bei gegebenen geometrischen Abmessungen verschiedene Resonanzmoden auf, die als E_mnp- und H_mnp-Resonanzmoden auftreten können. Problematisch für die Bestimmung einer Feuchte eines Materials mittels eines Hohlraumresonators ist dabei in der Regel der geringe Frequenzabstand, der bei einer Verschiebung einer Resonanzfrequenz durch ein verlustbehaftetes Dielektrikum auftritt. Insbesondere führt die Modenmehrdeutigkeit unter Umständen zu Messfehlern, da das Dielektrikum ganz unterschiedlich bei verschiedenen Moden wirkt.
• Aus der DE 2 942 971 A1 und aus W. Hoppe et. al.: ”Dichteunabhängige Feuchtigkeitsmessung in fadenförmigen Materialien unter Verwendung zweier Gunn-Oszillatoren mit Hohlleitern unterhalb der Grenzfrequenz”; Mikrowellenmagazin 3/81, S. 280–282 ist ein Zweifrequenzverfahren zur dichteunabhängigen Feuchtigkeitsmessung von fadenförmigen Materialien in einem Resonator unter Verwendung zweier Gunn-Oszillatoren mit Hohlleitern unterhalb einer Grenzfrequenz bekannt. Die Gunn-Oszillatoren werden durch die Resonanzmoden H₀₁₁ und E₀₁₂ bei 11,5 GHz des Resonators stabilisiert. Durch Einschieben einer fadenförmigen Probe in den Resonator verschiebt sich die Frequenz der E₀₁₂-Resonanzmode, während die H₀₁₁-Resonanzmode in ihrer Frequenz unverändert bleibt. Letztere Resonanzmode wird als Lokal-Oszillator am Eingang eines Gegentaktmischers verwendet.
• Ein System mit zwei dielektrischen Resonatoren, die dicht nebeneinander angeordnet sind, ist ferner aus der DE 4342505 C1 bekannt. Die beiden Resonanzfrequenzen liegen symmetrisch zu einer Arbeitsfrequenz (z. B. 2,45 GHz) und sollen durch ein Material gleichsinnig verschoben werden. Die dichteunabhängige Feuchtemessung kann aus Differenzen der Frequenzverschiebungen und Gütefaktoren ermittelt werden.
• Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Feuchtewertes von dielektrischen Stoffen unter Verwendung mindestens eines Mikrowellenresonators sind ferner aus der DE 10 2007 041 429 A1 bekannt. Bei dem Verfahren werden für mindestens zwei Resonanzmoden mit voneinander verschiedenen Resonanzfrequenzen jeweils eine Verschiebung der Resonanzfrequenz ausgewertet und aus den gemessenen Verschiebungen der Resonanzfrequenzen ein dichteunabhängiger Feuchtewert berechnet. Als Mikrowellenresonatoren wird unter anderem eine Kombination wenigstens zweier Koaxialresonatoren mit jeweils einer Resonanzfrequenz vorgeschlagen.
• Bei einer derartigen Kombination mehrerer Koaxialresonatoren mit jeweils einer Resonanzfrequenz tritt in den einzelnen Koaxialresonatoren jeweils eine andere Materialprobe oder ein anderer räumlicher Bereich einer Materialprobe mit einem Mikrowellenfeld des jeweiligen Koaxialresonators in Wechselwirkung. Dadurch sind die mit den verschiedenen Koaxialresonatoren durchgeführten Messungen nur bedingt miteinander vergleichbar. Dies wirkt sich nachteilig auf die Messgenauigkeit aus und kann insbesondere bei inhomogenen Materialproben, in denen dielektrische Eigenschaften räumlich variieren, zu erheblichen Messfehlern führen.
• Aus der DE 44 11 815 A1 ist ein Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums bekannt, bei welchem das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden. Dabei werden die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrichtungen gemessen. Ferner ist aus der DE 44 11 815 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bekannt, die Drucksensoren, Temperatursensoren, sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtungen orientierte elektromagnetische Hohlraumresonatoren aufweist. Dabei strömt das Medium durch die Hohlraumresonatoren hindurch, die jeweils mit paarweise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen versehen sind.
• Aus der DE 10 2006 046 657 A1 ist ein Verfahren zur Identifikation einer Probe in einem Behälter bekannt. Dabei wird der Behälter mit der Probe zu einem Resonator angeordnet, in den Resonator wird ein Hochfrequenzsignal zur Anregung einer resonanten Mode des Resonators eingekoppelt, die Resonanzkurve mindestens einer resonanten Mode wird gemessen, und aus der ermittelten Veränderung der Resonanzfrequenz im Vergleich zu einer Messung ohne Probenbehälter wird die Probe identifiziert. Ferner ist aus der DE 10 2006 046 657 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bekannt. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Resonator und eine Halterung für einen Behälter mit einer darin befindlichen zu untersuchenden Probe, sowie ein erstes Mittel zur Anregung einer resonanten Mode des mindestens einen Resonators. Dabei sind der Resonator und der Probenbehälter derartig zueinander angeordnet, dass nach der Anregung einer resonanten Mode des Resonators das resonante elektrische Feld des Resonators die Probe im Behälter zumindest partiell zu durchdringen vermag. Außerdem umfasst die Vorrichtung ein zweites Mittel zur Messung der durch die Probe veränderten Resonanzkurve des Resonators und ein drittes Mittel zur Ermittlung der Resonanzfrequenz.
• Aus der DE 196 50 112 C1 ist eine Einrichtung zum Messen eines Pulver-Massenstromes in einem Pulver-Gas-Gemisch während der Förderung des Pulver-Gas-Gemisches durch eine Förderleitung bekannt. Die Einrichtung umfasst eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit des Pulver-Gas-Gemisches in der Förderleitung, eine Massenmeßvorrichtung zum Messen der Pulvermasse pro Volumeneinheit in einem Abschnitt der Förderleitung. Die Massenmeßvorrichtung weist einen Mikrowellenresonator sowie Mittel zum Erfassen einer Änderung der Resonanzfrequenz und/oder der Mikrowellenamplitude des Mikrowellenresonators auf. Der Mikrowellenresonator weist eine Spule auf, die außen auf die Förderleitung aufgebracht ist. Aus der DE 196 50 112 C1 ist ferner ein Verfahren zum Messen eines Pulver-Massenstromes in einem Pulver-Gas-Gemisch während der Förderung des Pulver-Gas-Gemisches durch eine Förderleitung bekannt. Dabei wird unter anderem die Pulvermasse pro Volumeneinheit in einem Abschnitt der Förderleitung gemessen, indem eine Verschiebung der Resonanzfrequenz in einem an der Förderleitung angeordneten Mikrowellenresonator erfaßt wird. Bei dieser Messung werden eine Bezugs-Resonanzfrequenz für einen bekannten Bezugs-Pulver-Massenstrom ermittelt und zwei Meßfrequenzen zu beiden Seiten der Bezugs-Resonanzfrequenz eingestellt. Für einen zu messenden Pulver-Massenstrom werden die Resonatorspannungen bei den eingestellten Meßfrequenzen gemessen und deren Differenz gebildet. Aus der Spannungsdifferenz wird die Verschiebung der Resonanzfrequenz relativ zu der Bezugs-Resonanzfrequenz ermittelt.
• Aus der DE 28 48 993 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Wassergehaltes von elektrisch nicht leitenden isotropen Materialien bekannt, die einen frequenzmodulierten Mikrowellenoszillator umfasst, der in einer Transmissionsanordnung einen Hohlraummeßresonator speist, welcher in der Mitte mit der Probe beschickt ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Detektorschaltung zur Messung der Spitzenamplitude des Transmissionssignales, dessen Änderung der Gütefaktoränderung durch die eingebrachte Probe entspricht. Dabei ist die Mittenfrequenz des Mikrowellenoszillators über mehrere Stufen umschaltbar und bei der Umschaltung wird jeweils ein anderer Feldtyp im Resonator angeregt, so dass sich die Probe zur Messung hoher Wassergehalte in einem Knotenbereich des elektrischen Meßfeldes und zur Messung geringer Wassergehalte in einem Maximum des elektrischen Meßfeldes befindet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Mikrowellensensor und ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung dielektrischer Materialeigenschaften anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Mikrowellensensors durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Der erfindungsgemäße Mikrowellensensor zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft umfasst einen Mikrowellenresonator zur Ausbildung eines Mikrowellenfeldes, in das eine Materialprobe einbringbar ist. Der Mikrowellenresonator weist ein kurzgeschlossenes koaxiales Leitungsstück mit einem hohlzylindrischen Innenleiter in einem hohlzylindrischen Außenleiter auf, wobei der Innenleiter kürzer als der Außenleiter ist und wenigstens ein offenes erstes Ende im Inneren des Außenleiters aufweist.
• Im Unterschied zu aus der DE 10 2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren mit zwei oder mehr Koaxialresonatoren weist der erfindungsgemäße Mikrowellenresonator lediglich ein koaxiales Leitungsstück auf.
• Dies vereinfacht zum einen vorteilhaft die Bauweise des Mikrowellenresonators gegenüber den aus der DE 10 2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren mit zwei oder mehr Koaxialresonatoren.
• Zum anderen ermöglicht es, wenigstens zwei Resonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators für ein und dieselbe Materialprobe unter identischen Bedingungen zu ermitteln. Dadurch wird vorteilhaft die Messgenauigkeit des Mikrowellensensors erheblich gegenüber aus der DE 10 2007 041 429 A1 bekannten Mikrowellensensoren mit zwei oder mehr Koaxialresonatoren mit jeweils einer Resonanzfrequenz erhöht, indem die oben ausgeführten nachteiligen Auswirkungen einer Verwendung unterschiedlicher Materialproben oder unterschiedlicher räumlicher Bereiche einer Materialprobe in den verschiedenen Koaxialresonatoren vermieden werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung des Mikrowellensensors ist der Innenleiter zur Aufnahme wenigstens eines Teils der Materialprobe ausgebildet.
• Dadurch kann wenigstens ein Teil der Materialprobe in dem Innenleiter angeordnet werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Position der Materialprobe in dem Mikrowellenfeld in einfacher Weise reproduzierbar und Messergebnisse für verschiedene Materialproben zuverlässig vergleichbar sind. Die koaxiale oder hohlzylindrische Ausbildung des Resonators bzw. des Innen- und Außenleiters ermöglicht eine technisch einfachere Einführung der Messprobe, als beim häufig verwendeten H₀₁₁-Resonator.
• Zum anderen kann dadurch das Innere des Innenleiters als Raumbereich für die Wechselwirkung der Materialprobe mit dem Mikrowellenfeld genutzt werden, wodurch die Stärke der Wechselwirkung des Mikrowellenfeldes mit der Materialprobe und damit die Messgenauigkeit vorteilhaft erhöht werden.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Mikrowellensensors sind Mikrowellen an einem Boden und/oder an einer Außenwand des Mikrowellenresonators ein- und auskoppelbar.
• Durch die Ein- und Auskoppelbarkeit von Mikrowellen kann der Resonator insbesondere als Transmissionsresonator betrieben werden.
• Ferner ist der Mikrowellenresonator vorzugsweise zur Erfassung einer Frequenzabhängigkeit der wenigstens einen dielektrischen Materialeigenschaft geometrisch derart ausgebildet, dass ein Frequenzabstand wenigstens zweier aufeinander folgender Leerresonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators einen vorgegebenen Mindestfrequenzabstand erreicht.
• Unter einer Leerresonanzfrequenz des Mikrowellenresonators wird dabei die Frequenz einer Resonanzmode des Mikrowellenresonators verstanden, wenn sich in dem Mikrowellenfeld keine Materialprobe befindet.
• Der Mindestfrequenzabstand wird dabei bevorzugt derart vorgegeben, dass sich die Werte der komplexen Permittivität der Materialprobe aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Permittivität an den durch den Mindestfrequenzabstand getrennten Resonanzfrequenzen signifikant voneinander unterscheiden. Dadurch wird die Messgenauigkeit des Mikrowellenresonators bei der Bestimmung der dielektrischen Materialeigenschaften vorteilhaft erhöht.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Mikrowellensensor einen hohlzylindrischen Grenzwellendämpfer auf, durch den die Materialprobe in den Mikrowellenresonator einführbar ist.
• Durch den Grenzwellendämpfer wird zum einen vorteilhaft eine Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Mikrowellenresonator verhindert. Zum anderen ist die Materialprobe durch den Grenzwellendämpfer vorteilhaft in einfacher Weise in den Mikrowellenresonator einführbar und nach einer Messung wieder entnehmbar. Insbesondere ermöglicht dies ein schnelles Auswechseln von Materialproben und damit die Möglichkeit, verschiedene Materialien unmittelbar nacheinander zu untersuchen. Der Mikrowellenresonator eignet sich dadurch vorteilhaft auch für Durchflussmessungen und Online-Messungen.
• In einer alternativen Ausgestaltung weist der Mikrowellenresonator eine Auskopplungsöffnung auf, so dass ein Streufeld mit dem außerhalb des Resonators befindlichen Messgut in Wechselwirkung treten kann. Um die Entfernung zwischen Messobjekt und Koaxialresonator zu verringern, kann vorzugsweise ein Wellenleiter zwischen geschaltet werden.
• Ein derart ausgestalteter Mikrowellensensor eignet sich als portables Messinstrument zur Untersuchung ortsfester Materialproben, die sich beispielsweise in Gebäudewänden oder Bodenbereichen befinden. Dabei wird die Auskopplungsöffnung des Mikrowellensensors in die Nähe der jeweiligen Materialprobe gebracht, sodass die Materialprobe im Bereich des offenen Endes des Mikrowellenresonators mit Mikrowellen in Wechselwirkung tritt.
• Eine Ausführung des Mikrowellensensors sieht vor, dass der Innenleiter einteilig ausgebildet ist und der Innenleiter an nur einem seiner Enden mit einem Boden oder einem Deckel des Mikrowellenresonators verbunden ist.
• Da der Innenleiter des Mikrowellenresonators kürzer als der Außenleiter ist, weist der Mikrowellenresonator bei dieser Ausführung einen Raumbereich auf, der nicht von dem Innenleiter umgeben ist und sich an das offene, erste Ende des Innenleiters anschließt. Dieser Raumbereich eignet sich vorteilhaft zur Platzierung einer Materialprobe, da in ihm die Materialprobe besonders intensiv mit Mikrowellen in Wechselwirkung treten kann.
• Eine alternative Ausführung des Mikrowellensensors sieht einen Innenleiter vor, der aus zwei voneinander durch einen Ausschnitt getrennten Innenleiterabschnitten besteht. Vorzugsweise schließen dabei die äußeren Enden des geteilten Innenleiters jeweils bündig mit dem Boden bzw. dem Deckel des Mikrowellenresonators ab.
• In dieser Ausführung eignet sich der Ausschnitt zwischen den beiden Innenleiterabschnitten vorteilhaft zur Platzierung einer Materialprobe, da in ihr die Materialprobe besonders intensiv mit Mikrowellen in Wechselwirkung treten kann.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft mittels eines erfindungsgemäßen Mikrowellensensors werden wenigstens zwei verschiedene Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f_0n des unbelasteten Mikrowellenresonators und für jede Leerresonanzfrequenz f_0i eine korrespondierende Lastresonanzfrequenz f_ri des mit einer Materialprobe belasteten Mikrowellenresonators ermittelt und ausgewertet. Dabei werden alle Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_rn für dieselbe Materialprobe ermittelt, wobei die Lage der Materialprobe relativ zum Mikrowellenresonator beibehalten wird.
• Das Verfahren nutzt vorteilhaft aus, dass sich Resonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators durch dessen Belastung mit einer dielektrischen Materialprobe verschieben, wobei die Verschiebung von dielektrischen Materialeigenschaften, insbesondere von der Dichte, Feuchte und Salzgehalt der Materialprobe, abhängt und sich daher zur Ermittlung derartiger Materialeigenschaften eignet. Die Ermittlung wenigstens zweier verschiedener Paare zueinander korrespondierender Leer- und Lastresonanzfrequenzen hat den Vorteil, dass sich daraus Hilfsgrößen bilden lassen, die von wenigstens einer ersten dieser Materialeigenschaften, beispielsweise der Dichte, zumindest näherungsweise unabhängig sind und eine direkte Bestimmung einer zweiten Materialeigenschaft der Materialprobe, beispielsweise eines Feuchtewertes, zulassen, ohne die erste Materialeigenschaft der Materialprobe bestimmen zu müssen.
• Entsprechend obigen Ausführungen wird durch die Ermittlung der verschiedenen Lastresonanzfrequenzen des Mikrowellenresonators für dieselbe Materialprobe die Messgenauigkeit des Verfahrens gegenüber aus der DE 10 2007 041 429 A1 bekannten Verfahren vorteilhaft erhöht, indem die oben ausgeführten nachteiligen Auswirkungen einer Verwendung unterschiedlicher Materialproben oder unterschiedlicher räumlicher Bereiche einer Materialprobe in verschiedenen Koaxialresonatoren vermieden werden.
• Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine Leerresonanzfrequenz des Mikrowellenresonators, die von der Belastung des Mikrowellenresonators mit der Materialprobe wenigstens annähernd unabhängig ist, ermittelt und als eine Referenzfrequenz verwendet wird.
• Eine derartige Referenzfrequenz eignet sich vorteilhaft zur Zuordnung ermittelter Lastresonanzfrequenzen zu Leerresonanzfrequenzen und zur Erkennung von eine Messung beeinflussenden Störeffekten, die unabhängig von einer Materialprobe sind. Die Verwendung einer derartigen Referenzfrequenz erhöht somit vorteilhaft die Qualität des Verfahrens.
• Eine weitere Ausgestaltung des Verfahren sieht vor, dass ein Feuchtewert der Materialprobe aus wenigstens einer ersten Hilfsgröße R_ij ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen f_0i und f_0j und den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen f_ri und f_rj gemäß

  

  gebildet wird.
• Jede gemäß Gleichung (1) gebildete erste Hilfsgröße R_ij hängt von den Lastresonanzfrequenzen nur über ein Verhältnis zweier Resonanzfrequenzverschiebungen f_ri – f_0i und f_rj – f_0j ab. Dadurch sind die ersten Hilfsgrößen R_ij wenigstens in guter Näherung von der Dichte der jeweiligen Materialprobe unabhängig und hängen im Wesentlichen nur von den relativen Permittivitäten ε'_ri und ε'_rj der Materialprobe bei den jeweiligen Lastresonanzfrequenzen f_ri und f_rj gemäß

  

  ab. Somit eignen sich die gemäß Gleichung (1) gebildeten ersten Hilfsgrößen R_ij vorteilhaft zur Ermittlung eines dichteunabhängigen Feuchtewertes der Materialprobe.
• Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass zur Bestimmung der wenigstens einen dielektrischen Eigenschaft des Materials für jede Leerresonanzfrequenz f_0i jeweils eine Leerbandbreite B_0i der zugehörigen Leerresonanzkurve und für jede Lastresonanzfrequenz f_ri jeweils eine Lastbandbreite B_ri der zugehörigen Lastresonanzkurve ermittelt und ausgewertet wird.
• Die Ermittlung und Auswertung von Bandbreiten der Leer- und Lastresonanzkurven zusätzlich zu den Resonanzfrequenzen nutzt vorteilhaft aus, dass sich auch die Bandbreiten durch die Belastung des Mikrowellenresonators in Abhängigkeit von dielektrischen Materialeigenschaften der Materialprobe ändern. Unter Verwendung ermittelter Leer- und Lastbandbreiten lassen sich daher weitere Hilfsgrößen zur Bestimmung dieser Materialeigenschaften bilden und dadurch die Zuverlässigkeit der Messergebnisse und/oder die Anzahl bestimmbarer Materialeigenschaften weiter erhöhen.
• In einer Ausgestaltung des Bandbreiten einbeziehenden Verfahrens wird ein Feuchtewert der Materialprobe aus wenigstens einer zweiten Hilfsgröße H_ij ermittelt, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen f_0i und f_0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen f_ri und f_rj und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B_0i und B_0j und Lastbandbreiten B_ri und B_rj gemäß

  

  gebildet wird.
• Auch die gemäß Gleichung (3) gebildeten zweiten Hilfsgrößen H_ij sind vorteilhaft von der Dichte der Materialprobe wenigstens in guter Näherung unabhängig und eignen sich zur Bestimmung eines dichteunabhängigen Feuchtewertes der Materialprobe. Diese zweiten Hilfsgrößen werden vorzugsweise insbesondere dann zusätzlich oder alternativ zu den gemäß Gleichung (1) gebildeten ersten Hilfsgröße R_ij zur Bestimmung eines Feuchtewertes einer Materialprobe herangezogen, wenn für diese Materialprobe eine Bestimmung des Feuchtewertes mittels der ersten Hilfsgrößen nicht oder nur ungenau möglich ist.
• Alternativ oder zusätzlich wird ein Feuchtewert der Materialprobe aus einer dritten Hilfsgröße H ermittelt, die aus den Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f_0n, den Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_rn, den Leerbandbreiten B₀₁ bis B_0n und den Lastbandbreiten B_r1 bis B_rn gemäß

  

  gebildet wird.
• Auch die gemäß Gleichung (4) gebildete dritte Hilfsgröße H ist von der Dichte der Materialprobe in guter Näherung unabhängig und eignet sich dadurch vorteilhaft zur Bestimmung eines dichteunabhängigen Feuchtewertes der Materialprobe. Im Unterschied zu den gemäß Gleichung (3) gebildeten zweiten Hilfsgrößen H_ij hängt die dritte Hilfsgröße H nicht nur von jeweils zwei Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten, sondern von allen ermittelten Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten ab. Sie ist dadurch besser als die einzelnen zweiten Hilfsgrößen H_ij geeignet, Messungenauigkeiten bei der Ermittlung der einzelnen Resonanzfrequenzen und Bandbreiten auszugleichen und liefert in der Regel einen zuverlässigeren Feuchtewert der Materialprobe als die einzelnen zweiten Hilfsgrößen H_ij.
• In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Feuchtewert der Materialprobe alternativ oder zusätzlich aus wenigstens einer vierten Hilfsgröße G_ij ermittelt, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen f_0i und f_0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen f_ri und f_rj und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B_0i und B_0j und Lastbandbreiten B_ri und B_rj gemäß

  

  gebildet wird.
• Die gemäß Gleichung (5) gebildeten vierten Hilfsgrößen G_ij hängen von der Feuchte der Materialprobe in einer anderen Weise als die Hilfsgrößen gemäß Gleichung (1), (3) und (4) ab und eignen sich damit in Kombination mit diesen vorteilhaft zur Bestimmung von zwei Materialkenngrößen wie Dichte und Feuchte. Diese vierten Hilfsgrößen gemäß Gl. (5) werden vorzugsweise insbesondere dann zur Bestimmung eines Feuchtewertes einer Materialprobe herangezogen, wenn für diese Materialprobe eine Bestimmung des Feuchtewertes mittels der gemäß Gleichung (1), (3) oder (4) gebildeten ersten, zweiten oder dritten Hilfsgrößen nicht oder nur ungenau möglich ist und die Resonanzfrequenz und Bandbreite der ersten und zweiten verwendeten Frequenz in gleicher Weise von der Feuchte der Materialprobe abhängen.
• Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine elektrische Leitfähigkeit und/oder ein Salzgehalt der Materialprobe aus wenigstens einer fünften Hilfsgröße Q_ij ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen f_0i und f_0j, den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen f_ri und f_rj und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten B_0i und B_0j und Lastbandbreiten B_ri und B_rj gemäß

  

  gebildet wird. Bei Verwendung der Kenngrößen von Resonanzkurven mit einem Mindestfrequenzabstand eignet sich die Hilfsgröße gemäß Gleichung (6) zur feuchteunabhängigen Bestimmung einer elektrischen Leitfähigkeit und/oder einem Salzgehalt.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben.
• Darin zeigen:
• 1 ein Blockschaltbild eines Mikrowellensensors,
• 2 einen Mikrowellenresonator mit einem einteiligem Innenleiter und einem Grenzwellendämpfer,
• 3 ein erstes Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen in einem Mikrowellenresonator,
• 4 einen Mikrowellenresonator mit einem zweiteiligem Innenleiter, und
• 5 ein zweites Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen in einem Mikrowellenresonator.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Mikrowellensensors 1 mit einem Mikrowellenresonator 3, einem Mikrowellengenerator 5, einem Mikrowellendetektor 7 und einer Auswerteeinheit 9.
• Mittels des Mikrowellengenerators 5 werden Mikrowellen erzeugt, die mittels eines Wellenleiters, beispielsweise eines Koaxialkabels, in den Mikrowellenresonator 3 eingekoppelt werden. Dadurch bildet sich in dem Mikrowellenresonator 3 ein Mikrowellenfeld aus. Mittels des Mikrowellendetektors 7 werden die Leistungen dieses Mikrowellenfeldes frequenzabhängig erfasst. Die von dem Mikrowellendetektor 7 erfassten Messsignale werden der Auswerteeinheit 9 zugeführt und von ihr ausgewertet.
• Dabei werden wenigstens zwei Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f_0n des unbelasteten Mikrowellenresonators 3 und korrespondierende Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_rn des mit einer Materialprobe belasteten Mikrowellenresonators 3 sowie gegebenenfalls zugehörige Leerbandbreiten B₀₁ bis B_0n und Lastbandbreiten B_r1 bis B_rn ermittelt und daraus wenigstens eine dielektrische Materialeigenschaft, beispielsweise ein Feuchtewert oder eine Dichte, der Materialprobe bestimmt. Die Ermittlung der Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f_0n, Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_rn, Leerbandbreiten B₀₁ bis B_0n und Lastbandbreiten B_r1 bis B_rn kann dabei jeweils gleichzeitig oder in aufeinander folgenden Messungen erfolgen.
• 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Mikrowellenresonators 3. Der Mikrowellenresonator 3 weist ein koaxiales Leitungsstück mit einem hohlzylindrischen Innenleiter 11 in einem hohlzylindrischen Außenleiter 13 auf, deren Längsachsen sich entlang einer x-Richtung erstrecken. Der Innenleiter 11 ist kürzer als der Außenleiter 13 und weist ein offenes erstes Ende 15 im Inneren des Außenleiters 13 auf.
• Der Innenleiter 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet, wobei ein zweites Ende 17 des Innenleiters 11 an einem Boden 19 des Mikrowellenresonators 3 angeordnet ist und mit diesem abschließt. Der Boden 19 ist als eine in einer yz-Ebene angeordnete kreisringförmige Platte ausgebildet, deren Durchmesser zu einem Innendurchmesser des Außenleiters 13 korrespondiert und den Mikrowellenresonator 3 an dessen bodenseitigem Ende verschließt, indem sie entlang ihres Außenumfangs mit einer Innenoberfläche des Außenleiters 13 abschließt.
• An seinem ersten Ende 15 weist der Innenleiter 11 einen scheibenförmigen Kondensator auf, der eine kapazitive Grundlast darstellt und mit seiner Dimensionierung die Anpassung des Messverfahrens an das Messobjekt erlaubt.
• An einem dem Boden 19 gegenüber liegenden Ende weist der Mikrowellenresonator 3 einen Deckel 23 auf, der als eine kreisringförmige Platte ausgebildet ist, deren Außendurchmesser zu dem Innendurchmesser des Außenleiters 13 korrespondiert und deren Innendurchmesser mit dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 übereinstimmt, so dass sie in der Mitte eine kreisförmige Deckelaussparung 25 aufweist, deren Durchmesser mit dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 übereinstimmt und die dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11 gegenüber liegt. Entlang seines Außenumfangs schließt der Deckel 23 mit der Innenoberfläche des Außenleiters 13 ab, so dass der Deckel 23 den Mikrowellenresonator 3 an dessen deckelseitigem Ende bis auf die Deckelaussparung 25 verschließt.
• Zwischen der Deckelaussparung 25 und dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11 befindet sich somit im Inneren des Mikrowellenresonators 3 ein Raumbereich 27, der nicht von dem Innenleiter 11 umschlossen ist.
• Außen an dem Mikrowellenresonator 3 ist deckelseitig ein hohlzylindrischer, an beiden Enden offener Grenzwellendämpfer 29 angeordnet, der sich von dem Deckel 23 in x-Richtung erstreckt und dessen deckelseitiges erstes Ende die Deckelaussparung 25 umschließt, wobei der Innendurchmesser des Grenzwellendämpfers 29 mit dem Innendurchmesser des Innenleiters 11 und somit auch mit dem Durchmesser der Deckelaussparung 25 übereinstimmt.
• Auf diese Weise ist eine Materialprobe durch den Grenzwellendämpfer 29 in den Mikrowellenresonator 3 und insbesondere in den Raumbereich 27 zwischen der Deckelaussparung 25 und dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11 sowie in den Innenleiter 11 einführbar.
• Insbesondere ist die Materialprobe derart in den Mikrowellenresonator 3 einführbar, dass sie besonders intensiv vom Mikrowellenfeld durchdrungen wird.
• Vorzugsweise wird eine Materialprobe dabei mittels eines nicht dargestellten hohlzylindrischen Probenhalters durch den Grenzwellendämpfer 29 in den Mikrowellenresonator 3 eingeführt. Dazu weist der Probenhalter einen Außendurchmesser auf, der zu den Innendurchmessern des Grenzwellendämpfers 29 und des Innenleiters 11 korrespondiert, so dass er durch den Grenzwellendämpfer 29 in den Innenleiter 11 geschoben werden kann.
• Der Probenhalter ist ferner vorzugsweise mindestens so lang wie die Summe der Länge des Grenzwellendämpfers 29 und des Abstandes der Deckelaussparung 25 von dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11, besonders bevorzugt aber wie die Summe der Längen des Grenzwellendämpfers 29 und des Innenleiters 11 und des Abstandes der Deckelaussparung 25 von dem ersten Ende 15 des Innenleiters 11. Ferner ist der Probenhalter vorzugsweise an einem Ende, das in den Mikrowellenresonator 3 eingeführt wird, verschlossen.
• Dadurch kann eine Materialprobe, mit der der Probenhalter wenigstens teilweise befüllt wird, in einfacher Weise in den Raumbereich 27 und/oder in den Innenleiter 11 eingebracht werden. Ferner kann die Materialprobe nach einer Messung wieder in einfacher Weise aus dem Mikrowellenresonator 3 entfernt werden, indem der Probenhalter aus dem Grenzwellendämpfer 29 herausgezogen wird. Die Befüllung des Probenhalters mit der Materialprobe kann dabei vor oder nach dem Einschieben des Probenhalters in den Mikrowellenresonator 3 erfolgen. Bei Durchflussmessungen wird der Probenhalter als Rohr ausgeführt, durch welches das Messgut fließt.
• Auf diese Weise können vorteilhaft trockene oder feuchte feste, pastöse oder flüssige Materialproben in den Mikrowellenresonator 3 eingeführt werden. Ein Mikrowellenresonator 3 kann dabei vorteilhaft geometrisch derart gestaltet werden, dass mit ihm dielektrische Materialeigenschaften verschiedener derartiger Materialproben ermittelt werden können.
• Der Probenhalter ist vorzugsweise aus einem chemisch stabilen und im jeweils relevanten Mikrowellenbereich dielektrisch wenigstens näherungsweise dispersionsfreies Material, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, gefertigt, so dass er eine Messung von Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten des Mikrowellenresonators 3 möglichst wenig beeinflusst.
• Am Boden 19 weist der Mikrowellenresonator 3 einen Mikrowelleneingang 31.1 zur Einkopplung von Mikrowellen und einen Mikrowellenausgang 31.2 zur Auskopplung von Mikrowellen auf. Der Mikrowelleneingang 31.1 ist beispielsweise über ein Koaxialkabel mit dem Mikrowellengenerator 5 verbindbar, der Mikrowellenausgang 31.2 ist entsprechend mit dem Mikrowellendetektor 7 verbindbar.
• 3 zeigt ein erstes Messdiagramm frequenzabhängiger Mikrowellenleistungen in einem gemäß 2 ausgebildeten unbelastetem Mikrowellenresonator 3. Die Mikrowellenleistungen sind durch einen in dB angegebenen Übertragungsfaktor S in Abhängigkeit einer Mikrowellenfrequenz f dargestellt, wobei der Übertragungsfaktor S auf ein geeignetes Maximum der Mikrowellenleistung bezogen ist.
• In dem ersten Messdiagramm sind drei Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f₀₃ erkennbar, wobei eine erste Leerresonanzfrequenz f₀₁ z. B. um 0,8 GHz auftritt und die beiden anderen Leerresonanzfrequenzen f₀₂ und f₀₃ im Bereich von 2,5 GHz und 3,25 GHz auftreten. Damit betragen die Differenzen zwischen der ersten Leerresonanzfrequenz f₀₁ und der zweiten Leerresonanzfrequenz f₀₂ 1,7 GHz und der dritten Leerresonanzfrequenz f₀₃ etwa 2,45 GHz.
• Dementsprechend eignet sich ein Mikrowellenresonator 3 mit einem in 3 dargestellten Messdiagramm vornehmlich zur Bestimmung dielektischer Materialeigenschaften von Materialproben, für die sich die Werte der komplexen Permittivität an den durch den Frequenzabstand von etwa 1,7 GHz voneinander getrennten Frequenzen von etwa 0,8 GHz und 2,45 GHz signifikant voneinander unterscheiden. Für eine andere Materialprobe wird bevorzugt ein Mikrowellenresonator 3 mit geeignet geänderten geometrischen Abmessungen, insbesondere des Innenleiters 11 und/oder des Außenleiters 15, verwendet, so dass die jeweilige Materialprobe an verschiedenen Leerresonanzfrequenzen entsprechend signifikante Unterschiede der komplexen Permittivität aufweist. Mit anderen Worten: die geometrischen Abmessungen des Mikrowellenresonators 3 werden vorzugsweise der jeweils zu untersuchenden Materialprobe angepasst, um die Messgenauigkeit zu optimieren.
• Zusätzlich zu dem ersten Messdiagramm des unbelasteten Mikrowellenresonators 3 wird ein entsprechendes Messdiagramm für den mit der Materialprobe belasteten Mikrowellenresonator 3 erfasst und daraus drei Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_r3 ermittelt, die den drei Leerresonanzfrequenzen f₀₁ bis f₀₃ entsprechen. Zusätzlich werden aus den Messdiagrammen gegebenenfalls die zugehörigen Leerbandbreiten B₀₁ bis B₀₃ und Lastbandbreiten B_r1 bis B_r3 ermittelt.
• Aus den ermittelten Leer- und Lastresonanzfrequenzen f₀₁ bis f₀₃ und f_r1 bis f_r3 und gegebenenfalls den Leer- und Lastbandbreiten B₀₁ bis B₀₃ und B_r1 bis B_r3 werden dann mittels der Auswerteeinheit 9 eine oder mehrere Hilfsgrößen, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der Gleichungen (1), (3) bis (6), gebildet und daraus eine dielektrische Materialeigenschaft der Probe, beispielsweise ein dichteunabhängiger Feuchtewert, eine Dichte und/oder eine elektrische Leitfähigkeit und/oder ein Salzgehalt, ermittelt.
• Wenn eine der Lastresonanzfrequenzen f_r1 bis f_r3, beispielsweise die dritte f_r3, von dielektrischen Materialeigenschaften der Materialprobe weitgehend unabhängig ist, sodass sie sich gegenüber der korrespondierenden Leerresonanzfrequenz, in diesem Beispiel also gegenüber f₀₃, nicht oder nur geringfügig ändert, dann wird die entsprechende Leerresonanzfrequenz f₀₃ bei der Auswertung bevorzugt nicht zur direkten Ermittlung dielektrischer Materialeigenschaften der Materialprobe herangezogen, sondern als eine Referenzfrequenz genutzt, beispielsweise zur Kalibrierung des Mikrowellensensors 1 und/oder zur Feststellung möglicher von der Materialprobe unabhängiger Störeffekte, die eine Messung beeinflussen.
• 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikrowellenresonators 3. Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Innenleiter 11 in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei voneinander durch einen Ausschnitt 28 getrennten Innenleiterabschnitten 11.1, 11.2, die im Inneren des Mikrowellenresonators 3 zueinander spiegelsymmetrisch bezüglich einer durch einen Mittelpunkt des Mikrowellenresonators 3 in einer yz-Ebene verlaufenden Symmetrieebene angeordnet und ausgebildet sind.
• Dabei schließt ein zweites Ende 17.1 eines ersten Innenleiterabschnitts 11.1 bündig mit dem Boden 19 des Mikrowellenresonators 3 ab und ein zweites Ende 17.2 des zweiten Innenleiterabschnitts 11.2 schließt bündig mit dem Deckel 23 des Mikrowellenresonators 3 ab.
• Jeder Innenleiterabschnitt 11.1, 11.2 weist ferner an einem offenen, ersten Ende 15 einen scheibenförmigen Kondensator 21 auf, der wie im ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist. Der zweite Innenleiterabschnitt 11.2 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel auch als Grenzwellendämpfer, indem er die Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Mikrowellenresonator 3 ganz oder wenigstens teilweise verhindert.
• Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Deckel 23 des Mikrowellenresonators 3 eine kreisförmige Deckelaussparung 25 auf, deren Durchmesser mit den Innendurchmessern der Innenleiterabschnitten 11.1, 11.2 übereinstimmt und die von dem zweiten Ende 17.2 des zweiten Innenleiterabschnitts 11.2 umschlossen ist.
• Dadurch kann eine Materialprobe durch die Deckelaussparung 25 in den Innenleiter 11 bzw. dessen Innenleiterabschnitte 11.1, 11.2 und den Ausschnitt 28 zwischen ihnen eingeführt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird dazu vorzugsweise ein oben näher beschriebener zu den Abmessungen des Innenleiters 11 korrespondierender hohlzylindrischer Probenhalter verwendet, der mit der Materialprobe befüllbar und durch die Deckelaussparung 25 in den Innenleiter 11 einschiebbar ist.
• In einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels weist auch der Boden 19 eine zu der Deckelaussparung 25 korrespondierende Bodenaussparung auf, durch die die Materialprobe in den Innenleiter 11 einführbar und entnehmbar ist. In diesem Fall wirkt auch der erste Innenleiter 11.1 als ein Grenzwellendämpfer, der eine Abstrahlung von Mikrowellen aus dem Mikrowellenresonator 3 ganz oder wenigstens teilweise verhindert.
• 5 zeigt ein in einem gemäß 4 ausgebildeten Mikrowellenresonator 3 erfasstes, zweites Messdiagramm. Daraus ist eine Aufspaltung der Resonanzfrequenzen erkennbar, die ebenfalls zur Ermittelung dielektrischer Materialeigenschaften ausgewertet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Aufspaltung von Resonanzfrequenzen in der Regel eine größere Menge von Leer- und Lastfrequenzen und -bandbreiten ermittelbar und auswertbar sind als im Fall eines Mikrowellenresonators 3 mit einteilig ausgeführtem Innenleiter 11 wie dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Dabei werden Hilfsgrößen gemäß den Gleichungen (1), (3), (4) und/oder (5) bevorzugt jeweils aus Paaren von Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten gebildet, die zu jeweils verschiedenen aufgespaltenen Resonanzfrequenzen gehören, also beispielsweise aus der ersten Leerresonanzfrequenz f₀₁ und der dritten Leerresonanzfrequenz f₀₃ in 5 und den dazu gehörigen Lastresonanzfrequenzen f_r1 und f_r3 gegebenenfalls den entsprechenden Leer- und Lastbandbreiten, nicht jedoch aus Paaren von Leer- und Lastresonanzfrequenzen und -bandbreiten, die zu derselben aufgespaltenen Resonanzfrequenz gehören, da letztere eng benachbart sind und daher in der Regel zu größeren Messfehlern führen.
• Bezugszeichenliste

1

Mikrowellensensor

3

Mikrowellenresonator

5

Mikrowellengenerator

7

Mikrowellendetektor

9

Auswerteeinheit

11

Innenleiter

11.1

erster Innenleiterabschnitt

11.2

zweiter Innenleiterabschnitt

13

Außenleiter

15

erstes Ende eines Innenleiters

17

zweites Ende eines Innenleiters

17.1

zweites Ende eines ersten Innenleiterabschnitts

17.2

zweites Ende eines zweiten Innenleiterabschnitts

19

Boden

21

scheibenförmiger Kondensator

23

Deckel

25

Deckelaussparung

27

Raumbereich

28

Ausschnitt

29

Grenzwellendämpfer

31.1

Mikrowelleneingang

31.2

Mikrowellenausgang

x, y, z

Richtung

f

Mikrowellenfrequenz

S

Übertragungsfaktor

f₀₁ bis f_0n

Leerresonanzfrequenzen

f_r1 bis f_rn

Lastresonanzfrequenzen

B₀₁ bis B_0n

Leerbandbreiten

B_r1 bis B_rn

Lastbandbreiten

R_ij

erste Hilfsgröße

H_ij

zweite Hilfsgröße

H

dritte Hilfsgröße

G_ij

vierte Hilfsgröße

Q_ij

fünfte Hilfsgröße

Claims (15)

1. Mikrowellensensor (1) zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft, mit einem Mikrowellenresonator (3) zur Ausbildung eines Mikrowellenfeldes, in das eine Materialprobe einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (3) ein kurzgeschlossenes koaxiales Leitungsstück mit einem hohlzylindrischen Innenleiter (11) in einem hohlzylindrischen Außenleiter (13) aufweist, wobei der Innenleiter (11) kürzer als der Außenleiter (13) ist und wenigstens ein offenes erstes Ende (15) im Inneren des Außenleiters (13) aufweist, und dass der Mikrowellenresonator (3) zur Erfassung einer Frequenzabhängigkeit der wenigstens einen dielektrischen Materialeigenschaft geometrisch derart ausgebildet ist, dass ein Frequenzabstand wenigstens zweier aufeinander folgender Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n) des Mikrowellenresonators (3) einen vorgegebenen Mindestfrequenzabstand erreicht.
2. Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (11) zur Aufnahme wenigstens eines Teils der Materialprobe ausgebildet ist.
3. Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen an einem Boden (19) und/oder an einer Außenwand des Mikrowellenresonators (3) ein- und auskoppelbar sind.
4. Mikrowellensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen hohlzylindrischen Grenzwellendämpfer (29), durch den die Materialprobe in den Mikrowellenresonator (3) einführbar ist.
5. Mikrowellensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenresonator (3) eine Auskopplung aufweist und dort ein zum Betrieb als mobiler Mikrowellenresonator (3) geeigneter Wellenleiter angeordnet ist, dessen Streufeld an einem offenen Ende mit ortsfesten dielektrischen Stoffen in Wechselwirkung tritt.
6. Mikrowellensensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (11) an nur einem seiner Enden (15, 17) mit einem Boden (19) oder einem Deckel (23) des Mikrowellenresonators (3) verbunden ist.
7. Mikrowellensensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (11) aus zwei voneinander durch einen Ausschnitt (28) getrennten Innenleiterabschnitten (11.1, 11.2) besteht.
8. Mikrowellensensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Ende (17.1) eines ersten Innenleiterabschnitts (11.1) bündig mit einem Boden (19) des Mikrowellenresonators (3) abschließt und ein zweites Ende (17.2) des zweiten Innenleiterabschnitts (11.2) bündig mit einem Deckel (23) des Mikrowellenresonators (3) abschließt.
9. Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer dielektrischen Materialeigenschaft mittels eines Mikrowellensensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenigstens zwei verschiedene Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n) des unbelasteten Mikrowellenresonators (3) und für jede Leerresonanzfrequenz (f₀₁ bis f_0n) eine korrespondierende Lastresonanzfrequenz (f_r1 bis f_rn) des mit einer Materialprobe belasteten Mikrowellenresonators (3) ermittelt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn) für dieselbe Materialprobe ermittelt werden, wobei die Lage der Materialprobe relativ zum Mikrowellenresonator (3) beibehalten wird, und ein Feuchtewert der Materialprobe aus wenigstens einer ersten Hilfsgröße (R_ij) ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n) und den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn) gemäß

   

   gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leerresonanzfrequenz (f₀₁ bis f_0n) des Mikrowellenresonators (3), die von der Belastung des Mikrowellenresonators (3) mit der Materialprobe wenigstens annähernd unabhängig ist, ermittelt und als eine Referenzfrequenz verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der wenigstens einen dielektrischen Eigenschaft des Materials für jede Leerresonanzfrequenz (f₀₁ bis f_0n) jeweils eine Leerbandbreite (B₀₁ bis B_0n) einer zugehörigen Leerresonanzkurve und für jede Lastresonanzfrequenz (f_r1 bis f_rn) jeweils eine Lastbandbreite (B_r1 bis B_rn) einer zugehörigen Lastresonanzkurve ermittelt und ausgewertet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtewert der Materialprobe aus wenigstens einer zweiten Hilfsgröße (H_ij) ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n), den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn) und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten (B₀₁ bis B_0n) und Lastbandbreiten (B_r1 bis B_rn) gemäß

    

    gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchtewert der Materialprobe aus einer dritten Hilfsgröße (H) ermittelt wird, die aus den Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n), den Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn), den Leerbandbreiten (B₀₁ bis B_0n) und den Lastbandbreiten (B_r1 bis B_rn) gemäß

    

    gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialeigenschaft, wie Feuchte oder Dichte der Materialprobe aus wenigstens einer vierten Hilfsgröße (G_ij) ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n), den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn) und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten (B₀₁ bis B_0n) und den Lastbandbreiten (B_r1 bis B_rn) gemäß

    

    gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Leitfähigkeit und/oder ein Salzgehalt der Materialprobe aus wenigstens einer fünften Hilfsgröße (Q_ij) ermittelt wird, die aus zwei verschiedenen Leerresonanzfrequenzen (f₀₁ bis f_0n), den dazu korrespondierenden Lastresonanzfrequenzen (f_r1 bis f_rn) und den jeweils zugehörigen Leerbandbreiten (B₀₁ bis B_0n) und den Lastbandbreiten (B_r1 bis B_rn) gemäß

    

    gebildet wird.

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