Mikrowellen Feuchtemessung für Schüttgüter: Das Mikrowellen-Durchstrahlungsverfahren

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Anbackungen, Verklumpungen und Abrasionen lassen eine Temperatur- und Feuchtemessung in Schüttgütern ungenau werden. Mikrowellen bieten die Lösung und lassen die berührungslose Feuchtemessung zu.

Feuchtemessung per Mikrowellen: Durchstrahlungsverfahren löst Messprobleme

Die Messung der Luftfeuchte ist unkompliziert möglich. Dieser Fakt wird gern auf die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit in Schüttgütern übertragen, ohne dass dabei typische Probleme berücksichtigt werden.

Da die meisten Sensoren berührend arbeiten, sind in Schüttgütern dank Abrasionen, Schwankungen der Schüttguthöhe und Verklumpungen Probleme und ungenaue Messergebnisse zu erwarten. Generell spielen die chemischen sowie die physikalischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials eine Rolle. „Moist xP“, ein neues System zur Feuchtemessung, setzt auf Mikrowellen.

Nach einer Art Baukastensystem werden dabei verschiedene Sensoren genutzt, die standardisierte Lösungen generieren und die sich umfassend anwenden lassen. Die bisherige Technik zur Feuchtemessung kann dabei nicht mithalten.

Mikrowellen zur Feuchtemessung: Die Grundlagen der modernen Messverfahren

Feuchtemessverfahren auf Basis von Mikrowellen werden den dielektrischen Messverfahren zugerechnet und basieren auf den Eigenschaften des Wassers:

  • Wasser besteht aus polaren Molekülen
  • Ladungsschwerpunkte der Moleküle fallen örtlich nicht zusammen
  • Wassermoleküle sind polarisierbar, weil sie sich in einer Vorzugsrichtung ausrichten lassen
  • Rotation der Moleküle nach Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfelds möglich (Kennzeichnung als Dielektrizitätskonstante)

Die Dielektrizitätskonstante von Wasser liegt bei 80, Schüttgüter hingegen weisen nur eine Dielektrizitätskonstante von zwei bis zehn auf, meist liegt sie zwischen drei und sechs. Der Unterschied ist so groß, dass sich schon kleine Wassermengen detektieren lassen.

Das Wassermolekül besitzt stoffinterne Bindungskräfte, aufgrund derer es einem elektromagnetischen Wechselfeld, das angelegt wird, schlecht folgen kann. Somit kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen Rotation und Polarisation. Bei der Feuchtemessung über Mikrowellen sind daher dielektrische Verluste üblich.

Messverfahren beinhaltet einen Sender und einen Empfänger ( Foto: Shutterstock-Kaiskynet Studio )

Messverfahren beinhaltet einen Sender und einen Empfänger ( Foto: Shutterstock-Kaiskynet Studio )

Feuchtemessung setzt auf verschiedene Wirkprinzipien

Die Fachwelt kennt einige Wirkprinzipien, mit denen sich verschiedene Materialparameter bestimmen lassen. .

Es gibt dabei diese Gruppen von Wirkprinzipien:

  • resonante und aresonante Messverfahren
  • Transmissions- und Reflexionsanordnungen
  • Streu- und Strahlungsfeldanordnungen

Reflektive Anordnungen sind für die meisten einfachen Messaufgaben gut geeignet. Dabei wird eine elektromagnetische Welle, die aus einer Antenne gesendet wird, in das Material gestrahlt. Möglich ist auch die Ausdehnung des elektromagnetischen Felds, ein Beispiel dafür ist eine offene Streifenleitung. Gemessen werden immer die elektromagnetischen Wellen, die in das Material hineinlaufen und die von diesem reflektieren. Eine Reflexionsanordnung hat dabei den Vorteil, dass der Zugang zum Material immer nur auf einer Seite möglich sein muss.

Wird ein resonantes Messverfahren eingesetzt, müssen die Resonanzparameter geändert werden. Dies betrifft im Fall der Feuchtemessung über Mikrowellen die vorhandenen Mikrowellenresonatoren. Der große Vorteil der Messung: Die Rückführung auf eine Zeitmessung ist möglich, damit ist das Messverfahren deutlich genauer als andere.

Eine resonante Feuchtemessung kann überall dort gut eingesetzt werden, wo es auf die Reproduzierbarkeit sowie auf die Auflösung der Messergebnisse ankommt. Darstellbar sind dabei Ergebnisse, die bis in den Spurenfeuchtebereich hineingehen.

Nachteil des Messverfahrens: Zu Messgut und Resonator müssen die geometrischen Verhältnisse exakt bekannt sein. Daher lassen sich die besten Ergebnisse in einem geschlossenen Messsystem erzielen. Eine Reihe von Messungen kann somit nicht ausgeführt werden, dies gilt zumindest für die prozessnahen Messaufgaben.

Infografik: Berührungslose Feuchtemessung in Schüttgütern mit Mikrowellen-Durchstrahlungsverfahren“

Infografik: Berührungslose Feuchtemessung in Schüttgütern mit Mikrowellen-Durchstrahlungsverfahren

Transmissionsverfahren für die Feuchtemessung per Mikrowellen

Die Transmissionsverfahren gelten als die robustesten Verfahren zur Messung mithilfe von Mikrowellen. Das Material wird komplett durchstrahlt, daher liegt stets ein integraler Feuchtewert über das gesamte Messvolumen vor. Geringe Inhomogenitäten sind daher nicht relevant und bleiben unberücksichtigt. Allerdings müssen am Ort der Messung immer zwei Baugruppen vorhanden sein. Zum einen der Sender, zum anderen der Empfänger, sie beide senken die Integrationsfähigkeit der Transmissionsanordnungen.

Genutzt werden können bei der Transmissionsmessung die Dämpfung sowie die Phasenverschiebung der elektromagnetischen Welle, die das Material durchläuft. Beide Messverfahren werden meist kombiniert. Hier noch einmal das Transmissionsverfahren im Überblick:

  • Messverfahren beinhaltet einen Sender und einen Empfänger
  • teilweise ist eine Auswerteeinheit in den Baugruppen integriert
  • Mikrowellensignale werden in der Auswerteinheit erzeugt, Verarbeitung ebenfalls in der Einheit
  • eigentliche Messanordnung durch Sende- und Empfangseinheit gebildet
  • Koaxialkabel verbindet Sende- und Empfangsantennen

Damit sind einige Nachteile zu erwarten. Zum einen ist die Länge der Leitung, die für die Signalleitung zur Verfügung steht, auf wenige Meter beschränkt. Die Auswerteeinheit muss daher immer in der Nähe des Messortes befindlich sein. Das Koaxialkabel muss verwindungssteif und gepanzert sein, Erweiterungen mit neuen Sensoren sind nicht ohne Weiteres möglich. Diese erfordern einen hohen technischen Aufwand. Zudem besteht die Gefahr, dass Störsignale in die Auswerteeinheit eingetragen werden. Die Verbindungen zwischen Antennen und Auswerteeinheit sind meist stark wartungsintensiv.

Feuchtigkeitsmessungen werden für die unterschiedlichsten Materialien notwendig. ( Foto: Shutterstock- ArliftAtoz2205)

Feuchtigkeitsmessungen werden für die unterschiedlichsten Materialien notwendig. ( Foto: Shutterstock- ArliftAtoz2205)

Die Lösung: Moist xP-Baukasten

Um den genannten Nachteilen bei einer Feuchtemessung über Mikrowellen entgegenzuwirken, wurde der Moist xP-Baukasten entwickelt. Damit lässt sich ein durchstrahlendes Messsystem deutlich leichter aufbauen. Die Datenübertragung kann auf Feldbusebene erfolgen, die gilt ebenso für die Arbeit der Auswerteeinheit. Die verfügbaren Schnittstellen ermöglichen sogar Entfernungen von mehreren Hundert Metern.

Aufbau der Feuchtemesseinrichtung

Eine Einrichtung, die Mikrowellen zur Feuchtigkeitsmessung nutzt, muss einen hochstabilen Sender beinhalten. Dieser wiederum besitzt eine regelbare Amplitude, die sehr empfindlich ist und dennoch stabil sein kann. Außerdem ist eine Auswerteeinheit wichtig, denn die digitalisierten Signale müssen in einen Feuchtewert umgewandelt werden.

Bei Moist PP wird ein Sendemodul mit einer modifizierten Feuchtesonde realisiert. Die Signalquelle ist dabei frequenzstabil und wird durch Baugruppen ergänzt, die der Verstärkung und Regelbarkeit des Signalpegels dienen. Eine Sendeantenne stellt ein Signal zur Verfügung, welches in Bezug auf Frequenz und Amplitude einzustellen ist.

Das Empfangsmodul wird durch einen Mikrowellendetektor dargestellt, der mehrkanalig arbeitet und die empfangenen Signale umschaltet. Die Auswertung der Signale erfolgt logarithmisch und linear. Damit lassen sich die Feuchtewerte in verschiedenen Schüttgütern ermitteln, außerdem sind sehr geringe Messempfindlichkeiten möglich.

Der Kopf von Sender und Empfänger enthält jeweils Mikrowellenantennen mit mittlerer Bündelung. Der Effekt der Bündelung kann noch verstärkt werden, wenn Mikrowellenlinsen aus Kunststoff aufgesetzt und Strahlungsformelemente aus Metall verwendet werden. Die beiden schützen ebenso, wie sie abdecken.

Ein Steuergerät verbindet Sender und Empfänger miteinander. Das Steuergerät selbst nimmt die Berechnung sowie die anschließende Ausgabe des Basissignals vor, welches abhängig vom jeweiligen Feuchtegrad ist. Die Berechnung ist auch für die Kalibrierkurven möglich.

Das Steuergerät verfügt über digitale Filter, mit denen sich die Signale verarbeiten lassen, wobei die Filter auch für die Feuchtesignale und das Basissignal genutzt werden können.

Die Einzelmessung ist binnen kürzester Zeit möglich, der jeweilige Messvorgang bedarf keiner Integration. Zeitkonstanten der digitalen Elektronik limitieren die Messgeschwindigkeit, wobei dieser Einflussfaktor der einzige ist. Eine Integration ist für den Messvorgang nicht nötig. Begrenzend wirken lediglich die Protokolle, die auf Feldbusebene möglich sind, sowie die Schnittstellen.

Je nachdem, wie dick das Material, das Vermessen werden soll, ist, wird das Messergebnis mehr oder weniger genau ausfallen. ( Foto: Shutterstock-MONOPOLY919 )

Je nachdem, wie dick das Material, das Vermessen werden soll, ist, wird das Messergebnis mehr oder weniger genau ausfallen. ( Foto: Shutterstock-MONOPOLY919 )

So beeinflusst das Material die Messung

Je nachdem, wie dick das Material, das Vermessen werden soll, ist, wird das Messergebnis mehr oder weniger genau ausfallen. Mit Moist xP ist es möglich, leichte Schwankungen zu kompensieren. Dafür sind verschiedene Filteralgorithmen integriert worden. Eine starke Schwankung, wie sie zum Beispiel auf Förderbändern oder anderen Orten, an denen Schüttgut verladen oder gelagert werden soll, verhindert die Kompensation bei der Messung.

Hierbei muss die Materialdicke kompensiert werden, was über einen weiteren Abstandssensor möglich ist. Dieser bringt ein Korrektursignal, mit dem das eigentliche Messsignal korrigiert wird. Das Korrektursignal wird aus einem festen Punkt heraus erzeugt.

Im Steuergerät wird das Basissignal gemessen und korrigiert. Damit die Messung so exakt wie möglich und vor allem auch reproduzierbar ist, muss das Material eine bestimmte Schichtdicke aufweisen, welche abhängig vom jeweiligen Material differieren kann.

Meist liegt sie bei wenigen Zentimetern. Eine maximale Schichtdicke lässt sich nicht überschreiten, im Funkfeld würde ansonsten die Dämpfung zu groß werden. Für Moist T gilt derzeit eine maximale Schichtdicke von 500 mm, wobei dieses Maß immer noch abhängig vom Material ist.

Über den Autor

Marius Beilhammer

Marius Beilhammer Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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