Feuchtemessung Berührungslose Feuchtemessung in Schüttgütern mit Mikrowellen-Durchstrahlungsverfahren

Bei der Feuchtemessung in Schüttgütern stören Einflüsse wie Abrasion, Anbackungen, Verklumpungen oder Schütthöhenschwankungen. Berührend arbeitenden Sensoren stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Eine elegante Lösung liefern Mikrowellen-Durchstrahlungsverfahren.

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Die verbreitete Vorstellung, dass Material- und Produktfeuchtemessungen ähnlich unkompliziert sind wie Luftfeuchtemessungen, trifft in der Praxis leider nicht zu. Feuchtemessungen gehören noch immer zu den komplexesten Aufgaben in der Mess- und Regeltechnik, gehen doch in die Lösung eines jeden Messproblems die physikalischen und chemischen Eigenschaften des zu untersuchenden Materials ein. Materialfeuchtemesstechnik stellt daher auch für den erfahrenen Fachmann ein nur schwer durchschaubares Feld dar.

Einen neuen Ansatz bietet hier das mikrowellenbasierte Materialfeuchtemesssystem Moist xP, das auf einem Baukastensystem verschiedenster Mikrowellensensoren beruht. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, aus bisher nicht standardisierbaren Einzellösungen in der Feuchtemesstechnik standardisierte Lösungen zu generieren, die sich einfacher und umfassender anwenden lassen als die bisherige Gerätetechnik.

Grundlagen der Mikrowellen-Feuchtemessung

Dielektrische Messverfahren, zu denen auch die Mikrowellen-Feuchtemessverfahren gehören, basieren auf den besonderen dielektrischen Eigenschaften des Wassers. Wasser ist ein polares Molekül, dessen Ladungsschwerpunkte innerhalb des Moleküls örtlich nicht zusammenfallen. Deswegen richtet sich das Wassermolekül in einem von außen angelegten Feld in einer Vorzugsrichtung aus, es ist polarisierbar. Wird ein elektromagnetisches Wechselfeld angelegt, beginnen die Moleküle mit der Frequenz des Feldes zu rotieren (Orientierungspolarisation). Dieser Effekt wird makroskopisch durch die Dielektrizitätskonstante (DK) gekennzeichnet. Die relative DK von Wasser beträgt etwa 80, während die der meisten Feststoffe, auch die von Schüttgütern, wesentlich kleiner ist (im Bereich 2...10, vorzugsweise zwischen 3 und 6). Wegen dieses großen Unterschiedes lassen sich bereits kleine Wassermengen detektieren.

Bei zunehmenden Frequenzen kann das Wassermolekül wegen stoffinterner Bindungskräfte einem von außen angelegten elektromagnetischen Wechselfeld immer schlechter folgen. Zwischen der Rotationsbewegung der Moleküle (Polarisation) und dem äußeren Feld entsteht eine Phasenverschiebung. Im Mikrowellen-Frequenzbereich kommen daher zum Realteil der DK aufgrund der internen Bindungskräfte auch der Imaginärteil oder anders gesagt die dielektrischen Verluste hinzu. Die elektrischen Gesamtverluste eines Materials setzen sich aus den dielektrischen Verlusten und den Leitfähigkeitsverlusten von Ionen (z.B. Salze) zusammen.

Bei transmittiven Messungen wird immer der ganze Materialquerschnitt integral erfasst. Bei den genannten Frequenzen sind Feuchtemessungen an Schichten mit bis zu einigen Dezimetern Dicke möglich.

Wirkprinzipien für die Anwendung bei der Feuchtemessung

Aus der Literatur sind viele hochfrequenz- und mikrowellentechnische Wirkprinzipien bekannt, die sich für die Bestimmung von Materialparametern nutzen lassen. All diese Wirkprinzipien lassen sich unterteilen in wenige große Gruppen: resonante/aresonante Messverfahren, Transmissions-/Reflexionsanordnungen, Streufeld-/Strahlungsfeldanordnungen.

Für viele einfachere Messaufgaben sind reflektive Anordnungen gut geeignet (Abb. 2). Bei diesen wird aus einer Antenne eine elektromagnetische Welle ins Material eingestrahlt, oder es dehnt sich das elektromagnetische Feld einer Streufeld-Anordnung (z.B. offene Streifenleitung) in das Material aus. Gemessen werden sowohl die ins Material hineinlaufende elektromagnetische Welle als auch die vom Material reflektierte Welle. Reflexionsanordnungen benötigen prinzipiell nur von einer Seite Zugang zum Material.

Resonante Messverfahren nutzen die Änderung von Resonanzparametern eines schwingungsfähigen Gebildes, in diesem Falle von Mikrowellenresonatoren. Dazu gehören z.B. Resonanzfrequenz, Güte und Kopplungsfaktoren. Der entscheidende Vorteil der Messung der Resonanzfrequenz besteht darin, dass sie sich auf eine Zeitmessung zurückführen lässt und damit eine erheblich größere Genauigkeit ermöglicht als andere Messverfahren. Deswegen lassen sich resonante Feuchtemessverfahren gut dort einsetzen, wo es besonders auf die Auflösung und Reproduzierbarkeit ankommt. Präzisionsfeuchtemessungen bis in den Spurenfeuchtebereich hinein sind mit resonanten Messverfahren darstellbar.

Ein großer Nachteil resonanter Messverfahren ist die Notwendigkeit exakter geometrischer Verhältnisse bezüglich Messgut und Resonator. Hochauflösende Messungen lassen sich am besten in geschlossenen Messsystemen durchführen. Dies schränkt die prozessnahe Einsetzbarkeit für eine Reihe von Messaufgaben etwas ein.

Den robustesten Typ von Mikrowellen-Messverfahren stellen die Transmissionsverfahren dar (Abb. 3). Da bei derartigen Messungen das Material durchstrahlt wird, erhält man immer einen integralen Feuchtewert über das Messvolumen und kann somit einfach über geringfügige Inhomogenitäten hinwegmitteln. Nachteilig ist, dass am Messort immer mindestens zwei Baugruppen – Sender und Empfänger – benötigt werden. Dies senkt die Integrationsfähigkeit von Transmissionsanordnungen teilweise erheblich, da in vielen Fällen nur wenig Platz für den Einbau vorhanden ist.

Bei der Transmissionsmessung nutzbare Mikrowellen-Parameter sind die Dämpfung und/oder die Phasenverschiebung der das Material durchlaufenden elektromagnetischen Welle. Eine einfache Dämpfungs- oder Phasenmessung ist insofern nachteilig, als in diese Messung Änderungen der Höhe des Messobjekts voll mit eingehen. Dies lässt sich z.B. durch die Kombination beider Messverfahren oder mit einer zusätzlichen Höhenmessung am Messobjekt umgehen.

Mikrowellenfeuchtemessung im Transmissionsverfahren

Eine Transmissionsanordnung zur Feuchtemessung beinhaltet immer mindestens Sender und Empfänger sowie eine ggf. in eine der Baugruppen integrierte Auswerteeinheit. Die bisher üblichen, dem Stand der Technik entsprechenden Anordnungen sehen vor, dass alle notwendigen Mikrowellensignale in einer Auswerteeinheit erzeugt und verarbeitet werden und die eigentliche Messanordnung lediglich von je einer Sende- und einer Empfangsantenne gebildet wird. Die Verbindung zu Sende- und Empfangsantennen erfolgt auf der Mikrowellenebene über Koaxialkabel.

Dies hat eine Reihe von Nachteilen: Die Leitungslängen der Signalleitungen bleiben auf wenige Meter begrenzt, d.h. die Auswerteeinheit muss sich immer in der Nähe des Messorts befinden. Für das Koaxialkabel muss spezielles, sehr verwindungssteifes und gepanzertes Kabel verwendet werden. Erweiterungen des Messsystems mit neuen Sensoren sind nicht ohne großen zusätzlichen Aufwand möglich. Trotz der Abschirmwirkung der Koaxialkabel ist wegen der langen HF-Leitungen die Möglichkeit des Eintrags von Störsignalen in die Auswerteeinheit hoch. In Folge sind alle Verbindungen zwischen Auswerteeinheit und Antennen als kritisch und zumindest stark wartungsintensiv anzusehen.

Mit dem Moist xP-Baukasten ist der Aufbau eines durchstrahlenden Feuchtemesssystems wesentlich entspannter möglich. Alle Moist xP-Feuchtesensoren enthalten einen Mikrocontroller und sind durch die verfügbaren Prozess-Schnittstellen busfähig. Damit erfolgt die Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger einerseits und Auswerteeinheit andererseits bereits digital auf Feldbusebene, und es können Entfernungen bis zu mehreren hundert Metern überbrückt werden.

Transmissionsanordnungen erzeugen ein Funkfeld, welches sich durch das Messgut erstreckt. Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften des Materials, die auf Feuchteänderungen zurückzuführen sind, äußern sich in einer Wechselwirkung innerhalb des Funkfeldes. Auswertbar ist dabei der komplexe Transmissionsfaktor T, der aus den Parametern Dämpfung und Phasenverschiebung gebildet wird [1].

Die Dämpfung in der Messstrecke setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der Funkfelddämpfung, die aus der elektrischen Länge der Messstrecke resultiert, und der Absortionsdämpfung des feuchten Materials. Die Funkfelddämpfung steigt unabhängig von den Einflüssen des Materials bei Verlängerung der Messstrecke. Sender und Empfänger können daher nicht beliebig weit voneinander angebracht werden.

Aufbau der Messeinrichtung

Eine gemäss diesen Grundlagen aufgebaute mikrowellenbasierte Feuchtemesseinrichtung in Transmissionanordnung beinhaltet einen hochstabilen Sender mit möglichst regelbarer Amplitude, einen möglichst empfindlichen und dennoch stabilen Empfänger sowie eine Auswerteeinheit, welche die digitalisierten Signale von Sender und Empfänger in einen Feuchtewert umwandelt.

Das Sendemodul wird realisiert mit einer modifizierten Feuchtesonde vom Typ Moist PP, die bereits per se eine mittels PLL frequenzstabilisierte Signalquelle enthält. Diese wird ergänzt durch Baugruppen zur Verstärkung und Regelung des Signalpegels, so dass an der Sendeantenne ein in Frequenz und Amplitude stabilisiertes und einstellbares Signal zur Verfügung steht.

Das Empfangsmodul wird gebildet durch einen speziellen mehrkanaligen Mikrowellendetektor, der die empfangenen Signale umschaltbar sowohl linear als auch logarithmisch auswerten kann. Dies hat Vorteile bezüglich der verschiedenen auftretenden Feuchtebereiche an unterschiedlichen Messgütern, die sowohl hohe als auch geringe Messempfindlichkeiten notwendig machen. Sender- und Empfängermesskopf enthalten Mikrowellenantennen mittlerer Bündelung. Zur Verstärkung des Bündelungseffektes können metallische Strahlformungselemente und aufgesetzte Mikrowellenlinsen aus Kunststoff eingesetzt werden. Diese wirken gleichzeitig als Schutzabdeckung und Abdichtung.

Sender und Empfänger werden über das Steuergerät Moist Control 100 miteinander verbunden. In diesem erfolgt die Berechnung und Ausgabe des feuchteabhängigen Basissignals Transmissionsindex TI und bei vorhandenen Kalibrierkurven der materialspezifischen Feuchte. Weiterhin verfügt das Steuergerät bereits über eine Reihe digitaler Filter für die Signalverarbeitung, die auf das Basissignal TI und auf die Feuchtesignale angewendet werden können.

Eine Einzelmessung geht sehr schnell vonstatten. Da der eigentliche Messvorgang keinerlei Integration o.ä. bedarf und die Wechselwirkung der elektromagnetischen Welle mit dem Messgut innerhalb weniger Nanosekunden einsetzt, ist die Messgeschwindigkeit nur durch die Zeitkonstanten vorrangig der digitalen Elektronik limitiert. Als begrenzender Faktor wirken hier vor allem Schnittstellen und Protokolle auf der Feldbusebene.

Die derzeit minimal einstellbare Messrate liegt bei 10 ms, typischerweise werden 100 bis 200 ms verwendet. Dies macht für viele Messungen eine Überwachung der Vorgänge in Echtzeit möglich.

Einfluss der Materialdicke

Die Materialdicke hat einen Einfluss auf das Messergebnis. Bei leichten Schwankungen lassen sich diese sehr einfach über die im Moist Control bereits vorgesehenen Filteralgorithmen kompensieren. Bei stärkeren Schwankungen der Höhe des Messguts – z.B. bei Schütthöhenschwankungen, wie sie auf Förderbändern häufig anzutreffen sind – ist dies nicht mehr möglich. In diesen Fällen kann eine Kompensation der Materialdicke mit einem zusätzlichen Abstandssensor vorgesehen werden. Dieser liefert eine Korrektursignal für das eigentliche Messsignal entsprechend dem aus einer festen Position gemessenen Abstand zum Material respektive der Materialdicke.

Die Korrektur des gemessenen Basissignals TI erfolgt ebenfalls im Steuergerät. Für eine möglichst genaue und reproduzierbare Messung ist es von Bedeutung, dass das Material eine bestimmte Mindestschichtdicke aufweist. Diese liegt materialabhängig typischerweise bei einigen Zentimetern. Ebenso kann eine maximale Schichtdicke nicht überschritten werden, da ansonsten die Dämpfung im Funkfeld zu groß wird. Für das Messsystem Moist T kann diese maximale Schichtdicke derzeit – ebenfalls materialabhängig – mit etwa 500 mm angegeben werden.

Literatur

[1] Kupfer, K.: Feuchtemessung an Zuschlagstoffen für die Betonherstellung unter Verwendung der Mikrowellenmesstechnik. Dissertation (A), HAB Weimar, 1990

Der Autor ist Geschäftsführer der hf sensor GmbH, Leipzig.

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