Volume 74, Issue 5

Dielektrische Messungen des Wassergehaltes von Proben können erheblich durch elektrische Leitfähigkeit erschwert werden. In diesem Beitrag werden Möglichkeiten der Reduzierung unerwünschter Leitfähigkeitseffekte beschrieben, insbesondere die Verwendung der logarithmischen Ableitung des dielektrischen Spektrums. Es wird auf die Notwendigkeit von Kalibrierungsmessungen mit einer Referenz, deren Leitfähigkeit der der Messprobe ähnelt, hingewiesen. Die Parameter der dielektrischen Spektren geeigneter elektrisch leitender Referenzlösungen werden gegeben. Dielectric measurements of the water content of samples may significantly suffer from electrical conductivity. In this contribution possibilities to reduce undesired effects from the conductivity are discussed, in particular the use of the logarithmic derivative of the dielectric spectrum is considered. Also the necessity of calibrations with a reference of conductivity similar to the sample conductivity is set forth. The parameters of the dielectric spectra of suitable electrically conducting reference liquids are given.

Reale elektrische Materialien können entweder als nicht-ideale (d. h. verlustbehaftete) Dielektrika oder als nicht-ideale (d. h. κ < ∞) Leiter betrachtet werden. Der Übergangsbereich 0,01 < tan δ < 100 (Bereich großer Verluste) erfordert manchmal besondere Aufmerksamkeit. In diesem Bereich sind bemerkenswerte Effekte (a) das Auftreten von Nebenresonanzfrequenzen in begrenzten Bereichen von ε r ´ und tan δ , abhängig von der Art und dem Betrag der Kopplung und (b) Übergänge zwischen Wellenleitermoden (z. B. von E 01 - zu TEM-Mode in einem kreiszylindrischen Hohlraumresonator mit einem Stab aus verlustbehaftetem Dielektrikum). Einige wenige Beispiele und deren Auswirkung auf z. B. Kalibrierfunktionen werden diskutiert. Real electric materials may be described either as non-ideal (i. e. lossy) dielectrics or as non-ideal (i. e. κ < ∞) conductors. The transition range (high-loss range) sometimes requires special attention. In this range remarkable effects are (a) appearance of auxiliary resonant frequencies in limited ranges of ε r ′ and tan δ , depending on the kind and amount of coupling and (b) transitions between waveguide modes (e. g. from E 01 - to TEM-mode in a circular cavity with a centered rod of lossy dielectric). A few examples and their effect on e. g. calibration functions will be discussed.

This paper describes a new sensor for the production of green tea. It can measure the moisture content as high as 160 to 300% on dry basis by use of microwave at 3GHz. The wave traveling down along a microstripline detects the information on the moisture contents of the green tea leaves overlaid on the microstripline. The moisture content of the leaves is calculated from two signals of the ratio of attenuation and phase shift of the waves traveling over the microstripline. The error of the measurement was about 3% of the readings. Ein neuer Sensor für die Produktion von grünem Tee wird vorgestellt. Hohe Feuchtegehalte zwischen 160 und 300% (dry basis) werden mittels Mikrowelle bei 3GHz gemessen. Eine Welle auf einer Mikrostreifenleitung ermittelt die Informationen über den Feuchtegehalt der grünen Teeblätter, die auf der Mikrostreifenleitung liegen. Der Feuchtegehalt der Blätter wird aus dem Verhältnis von Dämpfung und Phasenverschiebung der sich auf der Mikrostreifenleitung ausbreitenden Wellen errechnet. Die Messabweichung betrug etwa 3%.

Bulk density and moisture in wheat predicted from near-field, free-space measurement at 5.8GHz with a pair of inexpensive microstrip antennas are compared to those predicted from measurement in the far field with a pair of sophisticated focused-beam, horn/lens antennas. Results of five different calibration algorithms for bulk density and moisture content determination from microwave measurements indicate that predictions from near-field measurements with microstrip antennas compare well with those derived from far-field measurements with horn/lens antennas. Computation of corresponding standard errors of calibration ( SEC ) indicates that the accuracy with which each entity can be determined remains within an acceptable range. Schüttdichte und Feuchte in Weizen, bestimmt mit Nahfeld-Freiraummessungen bei 5,8GHz mit einem Paar kostengünstiger Mikrostripantennen werden mit Freiraummessungen verglichen, die mit einem Paar fokussierter Hornlinsenantennen durchgeführt wurden. Resultate von fünf verschiedenen Kalibrieralgorithmen zur Schüttdichte- und Feuchtebestimmung für Mikrowellenmessungen zeigen, dass die Bestimmungen von Nahfeldmessungen mit Mikrostripantennen gut mit denen vergleichbar sind, die mit Fernfeldmessungen mit Hornlinsenantennen durchgeführt wurden. Berechnungen der entsprechenden Standardabweichungen der Kalibrierung (SEC) zeigen, dass die Genauigkeit, mit der jede Einheit bestimmt wird, innerhalb eines akzeptierbaren Bereiches bleiben kann.

Inspection and evaluation of conducting, magnetic and dielectric properties of materials without destroying them is very useful in industries. This paper has reported planar electromagnetic sensors, (i) meander, (ii) mesh and (iii) interdigital configuration for nondestructive applications. The characterization of three types of planar sensors has been studied and comparative performance has been evaluated based on their areas of applications and results are presented here. Die zerstörungsfreie Untersuchung und Bewertung von leitenden, magnetischen und dielektrischen Materialeigenschaften ist in vielen Industriezweigen sehr nützlich. In diesem Beitrag werden planare elektromagnetische Sensoren mit (i) Mäander-, (ii) maschenförmiger und (iii) interdigitaler Konfiguration für zerstörungsfreie Anwendungen vorgestellt. Die Eigenschaften von drei Sensortypen wurden untersucht und Vergleiche basierend auf den Anwendungsfeldern durchgeführt.

Die Messung der Feuchteverteilung in Bentonit-Verschlussbauwerken ist für die Erkennung von Lösungszutritten und für Langzeitsicherheitsanalysen erforderlich. Dafür wurde ein TDR-Feuchtemesssystem mit flexiblen Kabelsensoren eingesetzt. Finite-Elemente-EM-Feldsimulationen vom Sensor und vom umgebenden Material dienten zur Vereinfachung von Kalibrierungen. Mit TDR-Messungen war es möglich, die Feuchte- und Dichteverteilung längs der Kabelsensoren zu detektieren. Im Druckversuchsstand konnte das Fortschreiten der Feuchtefront in Bentonit bei Druckerhöhung bestimmt werden. The measurement of moisture distribution in bentonite gate structures is stringently necessary for the indefinable trend of fluid access and for long-term security analyses. A TDR moisture measurement system using flexible cable sensors has been applied. Finite element electromagnetic field simulation of both the sensor and the surrounding material was used to simplify calibrations. Using TDR, it was possible to detect the moisture and density distribution along the cable sensors. In a pressure test stand it was possible to determine the moisture profile during a pressure increase.

Spatial-TDR ermöglicht die Erfassung von Feuchteprofilen entlang von Kabelsensoren. Hierfür sind unabhängige Messungen erforderlich, wofür der Sensor beidseitig anschlossen ist. Bei ausgeprägt verlustbehafteten Böden ist der Übergang vom Sensor zur Zuleitung im TDR-Signal schwierig zu identifizieren. Diese Information ist aber für die Bestimmung von Feuchteprofilen von großer Bedeutung. Zur Verbesserung der Identifizierbarkeit des Sensorendes wurden Sensorschalter entwickelt. Spatial-TDR allows to record moisture profiles along extended flat band cables. For this purpose independent measurements are necessary where the sensor is connected from both sides. For distinctively electrical lossy materials it is difficult to identify the transition from the sensor to the input lead. But this information is absolutely necessary for the determination of moisture profiles. In order to afford a unique and reliable identification of the end of the sensor, switches are developed.

Die Time-Domain-Reflektometrie ist eingeführtes Messverfahren zur Materialfeuchtebestimmung. Mit einfachen Auswertemethoden erhält man den mittleren Wassergehalt entlang einem Sensor. Aufwendigere Algorithmen erlauben die Bestimmung von Wassergehaltsprofilen. Ein entsprechendes Rekonstruktionsverfahren wurde entwickelt. Damit können Wassergehaltsverteilungen in verlustlosen und verlustbehafteten Materialien aus TDR-Messungen berechnet werden. Time-domain reflectometry (TDR) is a well-known method for measuring moisture in materials. Standard waveform analysis only provides the average water content along the TDR sensor, while more sophisticated methods are required to resolve the spatial water content profile. A reconstruction algorithm has been developed which calculates water content profiles based on TDR reflection data. Several examples in lossless and lossy materials are presented.