Bestimmung der Materialfeuchte mit Mikrowellen

Autoren: Hans-Jürgen Schwarz

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Einleitung

Wassermoleküle stellen elektrische Dipole dar, die in ihrer Ausrichtung einem angelegten Wechselfeld zu folgen versuchen. Von einem gewissen Frequenzbereich an, der im Bereich der Mikrowellen liegt, können die Moleküle dem Wechselfeld nicht mehr schnell genug folgen, und es tritt eine Debye-Relaxation auf, die zum einen mit einer Abnahme der Dielekrizitätskonstanten (DK = Realteil ε' der komplexen relativen DK), zum anderen mit einem hohen dielektrischen Verlust (= Imaginärteil ε'' der komplexen relativen DK) verbunden ist.

Da für übliche trockene Baumaterialien die DK sehr klein ist und die dielektrischen Verluste praktisch vernachlässigbar sind, werden sowohl die DK als auch die dielektrischen Verluste eines kapillar-porösen Baustoffes wesentlich von dessen Wassergehalt bestimmt. Allerdings lassen sich die wesentlichen Nachteile der Leitfähigkeitsmethode und der Kapazitätsmethode vermeiden. Durch geeignete Wahl der Messfrequenz, nämlich zwischen 8.5 - 12.3 GHz wird erreicht, dass zum einen insbesondere Wasser mit geringer Bindungsenergie erfasst wird (die Relaxationsfrequenz ist abhängig von der Bindungsenergie des Wassers), zum anderen der Einfluss der Ionenleitfähigkeit praktisch vernachlässigbar wird.

Die bestehende Temperaturabhängigkeit der Relaxation kann softwareseitig kompensiert werden. Auch ist die Kompensation des Materialdichteeinflusses grundsätzlich möglich.

Da Mikrowellenmessungen kontaktfrei erfolgen, treten auch keine Probleme mit der Ankopplung an das Messobjekt auf. Allerdings ist der Einfluss der Kornabmessungen der Baustoffe sowie der Inhomogenitäten wie z.B. Hohlräumen in den Bauteilen noch nicht in ausreichendem Maße geklärt. Die heutige Technik im Bereich Mikrowellen, elektronische Datenverarbeitung und Signalverarbeitung weist jedoch die Möglichkeit für die Weiterentwicklung eines nach der Mikrowellenmethode arbeitenden Feuchtemessers auf.

Moleküle sind Teilchen, die aus mindestens zwei Atomen aufgebaut sind. Ein Molekül ist nach außen elektrisch neutral.

Effekt, wenn sich bei hochfrequenten elektrischen Feldern (Mikrowellen) permanente elektrische Dipole wie Wasser nicht schnell genug mehr ausrichten können