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

So ist in dem deutschen Gebrauchsmuster 297 16 639 U1 ein Mikrowellen- Streufeldsensor zur Feuchte und/oder Dichtemessung beschrieben, bei dem ein feuchtes dielektrisches Material in den Resonator eingeführt und durch Verschiebung der Resonanzfrequenz die Dichte und Feuchtigkeit des Materials bestimmt wird. Zur Vermeidung von Streuverlusten, die das Messergebnis ver- fälschen, wird vorgeschlagen, dass die Wellenlänge am Ort der Erzeugung des Resonanzsignals wesentlich geringer als im freien Raum des Resonators ist.

Der Resonator ist als Drahtschlaufe ausgebildet, die von einem dünnen Dielek- trikum umgeben ist. In einer anderen Ausführungsform wird der Resonator aus einem kreisrunden dielel<trischen Keramikkörper gebildet, wobei die Mikrowel- len über Koaxialleitungen und Icapazitiv wiricsamen Koppelstiften in den Reso- nator eingelcoppelt werden.

Diese Ausführungsformen sind gleichermaßen in der EP 0 908 718 A1 offen- bart.

In dem US-Patent 3,946,308 ist ein Mikrowellensensor zur Feuchtemessung beschrieben, der einen dielektrischen Resonator mit einem metallischen Leiter einem festen dielektrischen Material, sowie einer Einlass-und einer Auslas- santenne besteht.

Weiterhin ist aus der DE-OS 24 54 788 A1 ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Feuchtigkeitsbestimmung eines gasförmigen Mediums offenbart. Die- ser Druckschrift ist das grundlegende Verfahren zu Feuchtigkeitsmessung ei- nes Mediums mit Hilfe der Kreisgüte einer Resonanzkurve zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird in den Resonator eine Milcrowellenschwingung verän- derlicher Frequenz, das heißt ein gewobbeltes Signal, eingel<oppelt und ge- trennt davon wieder ausgekoppelt. Die Amplituden der ausgekoppelten Schwingungen werden als Funktion der Frequenz bei konstanten Amplituden der eingekoppetten Schwingungen gemessen und aufgezeichnet.

Neben diesen Verfahren, bei denen die Messinformation aus der Reflexion an dem zu untersuchenden Material gewonnen wird, sind Verfahren bekannt, bei denen die Veränderung elektromagnetischer Wellen bei der Transmission durch ein Material ausgewertet werden.

Das Problem der bekannten resonanten Mikrowellensensoren, die auf dem Re- flexionsverfahren beruhen, besteht in Streuverlusten, Breitbandigkeit und der Größe. Die bekannten Mikrowellensensoren sind zudem nicht optimal in Bau- werke zur in-situ-Messung der charakteristischen Materialeigenschaften inte- grierbar.

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

Die Aufgabe wird durch einen Wendelleiter gelöst, der innerhalb des Sensor- Wellenleiters angeordnet ist.

Die Verwendung des Wendelleiters als resonante metallische Helix erlaubt den Aufbau eines kompakten Sensor-Wellenleiters als Resonator. Mit dem Wen- delleiter kann die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors zudem eingestellt werden.

Der Sensor-Wellenleiter als Resonator ist vorzugsweise ein zylindrisches Rohr, wobei der Mikrowellenzuleiter zum Beispiel als koaxialer Hohlleiter an einer ersten Stirnfläche des Sensor-Wellenleiters angeordnet ist. Die zweite Stirn- fläche des Sensor-Wellenleiters ist offen, so dass das zu untersuchende Mate- rial in den Resonator eindringen kann. Hierdurch verändern sich die dielektri- schen Eigenschaften der Füllung in dem Sensor-Wellenleiter und die charakte- ristischen Größen des Resonators, das heißt die Resonanzfrequenz und Güte werden verstimmt. Mit diesen charakteristischen Größen können dann die Ei- genschaften des zu untersuchenden Materials, wie zum Beispiel die relative Luftfeuchtigkeit, in bekannter Weise ermittelt werden.

Die Resonanzfrequenz und Güte des Sensor-Wellenleiters werden aus dem Reflexionsfal<tor R berechnet.

Der Wendelleiter erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung des Sensor- Wellenleiters.

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

Zur Kopplung ist vorteilhafterweise zwischen der ersten Stirnfläche des Sen- sor-Wellenleiters und dem Wendelleiter eine Zwischenschicht vorgesehen. Die Dicke der Zwischenschicht bestimmt den Kopplungsfalctor. Mit der Zwischen- schicht kann die Güte des Sensors eingestellt werden. Zur Erhöhung der Messdynamik sollte die Dicke der Zwischenschicht so gewählt werden, das eine möglichst große Verkopplung erzielt wird.

Die Resonanzfrequenz des Mikrowellensensors wird maßgeblich durch die Di- mension des Wendelleiters bestimmt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem Wendelleiter und dem zu un- tersuchenden Stoff bzw. einer sensitiven Schicht im Bereich der zweiten Stirn- fläche des Sensor-Wellenleiters eine zusätzliche Koppelschicht vorgesehen ist.

Die Dicke der Koppelschicht bestimmt die Ankoppelung des Wendelleiters an das zu untersuchende Material und damit die Messempfindlichkeit.

Bei dem Verfahren zur Messung von Eigenschaften eines Stoffes mit einem vorstehend beschriebenen resonanten Mil<rowellensensor sollte die Frequenz des gewobbelten Signals zum Anregen des Mikrowellensensors kleiner als die Grenzfrequenz des Mikrowellensensors sein.

Die Länge des Sensor-Wellenleiters sollte in diesem Fall ausreichend groß sein, um eine Abstrahlung nach außen und damit Streuverluste zu vermeiden.

Der Träger und die Zwischenschicht sind vorzugsweise einstückig ausgeführt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenschicht und/oder der Träger aus Teflon besteht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen : Figur 1-Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- sensors ; Figur 2-schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Mikrowellen- sensors mit Zwischenschicht und Koppelschicht ; Figur 3-Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Mikrowellensensors ; Figur 4-Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene gemes- sene relative Luftfeuchtigl (eiten ; Figur 5-Diagramm der Resonanzverschiebung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit als Kalibrierkurve für den Mikrowe ! ten- sensor.

Die Figur 1 lässt einen erfindungsgemäßen resonanten Mikrowellensensor 1 erkennen, der mit einem Sensor-Wellenleiter 2 als Resonator in das zu unter- suchende Material 3 eingebaut ist. Der Mikrowellensensor 1 besteht im we- sentlichenaus einem Mikrowellenzuleiter 4 in Form eines koaxialen Hohlleiters und dem Sensor-Wellenleiter 2 als Resonator. In den Sensor-Wellenleiter 2 ist ein Wendelleiter 5 angeordnet, der sich in Längsrichtung des Sensor-Wellen- leiters 2 erstreckt. Der Wendelleiter 5 ist eine resonante leitfähige Helix.

Der Sensor-Wellenleiter 2 ist mit einem Material 6 gefüllt, der für die nachzu- weisende Substanz oder Eigenschaft des zu untersuchenden Materials 3 sensi- tiv ist.

Über den Mikrowellenzuleiter 4 wird der Mil<rowellensensor 1 mit einem ge- wobbelten hochfrequenten Signal in einem an das zu untersuchende Material 3 und den Mikrowellensensor 1 angepassten Frequenzbereich beaufschlagt und es wird in bekannterweise der Reflexionsfaktor r gemessen.

Der Sensor-Wellenleiter 2 ist an einer ersten Stirnfläche 7 mit dem Mikrowel- lenzuleiter 4 gekoppelt und an der zweiten Stirnfläche 8 offen. Durch die offe- ne zweite Stirnfläche 8 können die nachzuweisenden Substanzen zum Beispiel durch Diffusion oder durch die Gasphase in den Sensor-Wellenleiter 2 eindrin- gen. Dabei werden die dielektrischen Eigenschaften der sensitiven Füllung des Sensor-Wellenleiters 2 verändert und die charakteristischen Größen des Reso- nators, das heißt die Resonanzfrequenz und Güte, verstimmt.

Die Abmaße des Sensor-Wellenleiters 2 als Resonator sind bei konventionellen Rundhohlleiter-Resonatoren im wesentlichen durch die Grenzfrequenzen feder Eigenwellen des Rundhohlleiters (E-oder H-Wellen) und die Dielektrizitätzahl und Permeabilität der Füllung des Sensor-Wellenleiters 2, festgelegt. Für die E- Wellen kann die Länge des Sensor-Wellenleiters 2 variabel sein. Der Radius des Sensor-Wellenleiters 2 bestimmt sich näherungsweise nach der Gleichung E-Wellen Für die H-Wellen bestimmt sich der Radius des Sensor-Wellenleiters 2 nähe- rungsweise nach der Gleichung H-Wellen Der Sensor-Wellenleiter 2 kann durch das Anbringen des Wendelleiters 5 in den Sensor-Wellenleiter 2 wesentlich kompakter ausgeführt werden. Die Re-

sonanzfrequenz des Resonators wird hierbei im Wesentlichen durch die Ab- messungen, das heißt durch die Drahtlänge, den Radius und die Steigung des Wendelleiters 5 bestimmt.

Die Figur 2 lässt eine weitere Ausführungsform des Mikrowellensensors er- kennen, bei der zwischen der ersten Stirnfläche 7 des Sensor-Wellenleiters 2 und dem Wendelleiter 5 eine Zwischenschicht a vorzugsweise aus Teflon an- geordnet ist. Diese Zwischenschicht a dient zur Einstellung des Abstandes und damit der Kopplung zwischen dem Mikrowellenzuleiter 4 und dem Wendelleiter 5. Mit der Zwischenschicht a kann im wesentlichen die Güte des Mil<rowellen- sensors 1 eingestellt werden. Die Dicl<e der Zwischenschicht sollte so gewählt werden, dass eine möglichst große Verkopplung erzielt wird. Hierdurch kann die Messdynamik erhöht werden.

Der Wendelleiter 5 kann auf der Zwischenschicht a mit einem Träger zentral in dem Sensor-Wellenleiter 2 gehalten werden. Der Träger kann hierbei integral mit der Zwischenschicht a ausgebildet sein. Die zweite Schicht b wird im we- sentlichen durch die Höhe des Wendelleiters 5 bestimmt und legt die Reso- nanzfrequenz maßgeblich fest. Oberhalb des Wendelleiters 5 ist eine Koppel- schicht c vorgesehen, die die Ankopplung des Wendelleiters 5 an das sensitive Material 9 zum Nachweis der zu messenden Substanz und damit die Mes- sempfindlichkeit bestimmt.

Die Dicke c der Koppelschicht und die Dicke d des sensitiven Materials 9 müs- sen ausreichend groß gewählt werden, um eine Abstrahlung, d. h. Streuung, aus dem Sensor-Wellenleiter 2 zu vermeiden.

Der Aufbau des Mikrowellensensors 1 ist nochmals in der Figur 3 im Quer- schnitt gezeigt. Hierbei ist zu erkennen, dass der Mikrowellenzuleiter 4 in Form eines flexiblen koaxialen Hohlleiters in den Sensor-Wellenleiter 2, der mit ei- nem Mikrowellenstecker versehen ist, eingeschraubt wird. Es ist weiterhin die

Zwischenschicht a mit dem integral damit verbundenen Träger für den Wen- delleiter 5 sowie der Wendelleiter 5 zu erkennen.

Der Milcrowellensensor 1 wird in einem Frequenzbereich vorzugsweise von 1 bis 6 GHz eingesetzt. Der Drahtdurchmesser des Wendelleiters 5 beträgt vor- zugsweise etwa 0,2 mm und das Verhältnis des Durchmessers zur Steigung des Wendelleiters 5 liegt im Bereich von etwa 75.

Die Figur 4 lässt ein Diagramm des Reflexionsfaktorbetrages für verschiedene relative Luftfeuchtigkeiten in Abhängigkeit von der Frequenz erkennen. Es wird deutlich, dass die Resonanzfrequenzen sich in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit verschieben, wobei sich bei einer Erhöhung der relativen Luft- feuchtigkeit eine Verringerung der Resonanzfrequenz ergibt. Es ist weiterhin zu erkennen, dass die Güte des Resonators mit steigender relativer Luftfeuchtig- keit abnimmt.

Aus den gemessenen Reflexionsfal<toren kann eine Ka ! ibrierkurve für den Mi- krowellensensor bestimmt werden, der in der Figur 5 als Resonanzverschie- bung in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigl<eit aufgetragen ist. Unter Verwendung der Kalibrierl<urve kann bei nachfolgenden Messungen aus der Resonanzfrequenz direkt auf eine relative Luftfeuchtigkeit geschlossen wer- den.

Der Einsatz des Mikrowellensensors 1 ist nicht auf die Anwendung als Feuch- tesensor beschränkt. Er kann gleichermaßen zur Messung von Stoffeigen- schaften verwendet werden, die zur Änderung der dielektrischen Eigenschaf- ten des sensitiven Materials in dem Sensor-Wellenleiter 2 führen.