Flexibel einsetzbare und hochpräzise

PROZESSTECHNIK
FORSCHUNG
Flexibel einsetzbare und hochpräzise
Ultrabreitbandsensoren aus Ilmenau
Mikrowellensensoren werden heutzutage im Industrieumfeld in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt, da sie
das kontinuierliche, zerstörungsfreie und oft auch berührungslose Messen einzelner Parameter ermöglichen. Für diese
Anwendungen haben sich verschiedene Realisierungsformen etabliert. So dienen schmalbandige Dopplersensoren der
Geschwindigkeitsmessung oder FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) Sensoren der Füllstandsmessung oder
Abstandsbestimmung. Welche Realisierungsformen genutzt werden, hängt dabei nicht nur von den messtechnischen
Parametern ab, sondern auch von den Anforderungen im praktischen Betrieb.
▲ Abb. 1: Sensorhardware
Kompakte Bauweise, Robustheit,
Energieeffizienz und Herstellungskosten haben auf die Auswahl geeigneter
Sensoren einen ebenso großen Einfluss. Dies zeigt die Grenzen klassischer Sensorkonzepte auf. Kleine und
günstige FMCW-Sensoren eignen sich
nicht für hochpräzise Impedanzmessungen und die hierfür eingesetzten
Netzwerkanalysatoren sind komplexe,
kostenintensive und verhältnismäßig
langsame Geräte.
An der TU Ilmenau wurde eine Technologie entwickelt, die in der Lage ist,
die Vorteile der etablierten Verfahren
in sich zu vereinen. Die Sensoren senden eine Pseudo-Rausch-Folge, eine
sog. M-Sequenz, aus und arbeiten ultrabreitbandig (UWB). Damit sind Auflösungsvermögen sowie Messgeschwindigkeit mit dem klassischen
Pulsverfahren vergleichbar. Gleichzeitig wird, wie bei FMCW-Sensoren,
eine kontinuierliche Wellenform eingesetzt, wodurch hohe Amplituden
vermieden werden können. Hierdurch
werden die Integration der einzelnen
Elektronikkomponenten und die Miniaturisierung des gesamten Sensors
möglich, welches eine Reduzierung
der Baugröße, des Energiebedarfs
und der Herstellungskosten zur Folge
hat. Weiterhin ist die genaue Kalibrierung des Sensors möglich, sodass in
bestimmten Bereichen eine mit Netz◄ A
bb. 2: Drei wesentliche Komponenten
der berührungslosen Vitalitätsüberwachung: Bewegung/Lokalisierung (oben),
Atmung (Mitte) und Puls (unten).
18 SENSOR MAGAZIN 4/2013
PROZESSTECHNIK
FORSCHUNG
▲ A
bb. 3: Beispiel Prozessablaufüberwachung
▲ A
bb. 4: Beispiele für die Überwachung
von Stoffkonzentrationen in Wasserlösungen mittels Impedanzmessung mit
UWB-Sensoren.
werkanalysatoren vergleichbare Funktionalität in Kombination mit hoher
Messgeschwindigkeit erreicht wird.
Diese Kombination von Integrierbarkeit und Kalibrierbarkeit sorgt für vielfältige Einsatzmöglichkeiten, auch
und vor allem außerhalb einer Laborumgebung. So lassen sich die Sensoren für präzise Impedanzmessungen,
hochauflösende Abstandsmessungen
oder die berührungslose Detektion
von Bewegungen einsetzen. Die Bewegung, die von den Sensoren wahrnehmbar ist, kann dabei die unterschiedlichsten Quellen und Ursachen
haben. So ist es beispielsweise möglich, ohne direkte Sichtverbindung
den Ausschlag einer Lautsprechermembran zu erkennen. Diese Empfindlichkeit für kleinste Bewegungen
lässt einen weiteren Anwendungsbereich zu.
Bei der Überwachung älterer Personen in der häuslichen Umgebung (AAL
– Ambient Assited Living), deren
Bedeutung aufgrund der demographischen Entwicklung in Zukunft weiter
steigen wird, und in verschiedenen
klinischen Situationen (z. B. im Falle
von Verbrennungen) ist es von Vorteil,
wenn auf das Anbringen von Elektroden mit direktem Hautkontakt verzichtet werden kann. Hier sind alternative Verfahren gefragt. Abb. 2 veranschaulicht, dass mithilfe der Sensoren
nicht nur die Bewegung einer Person
im Raum (Lokalisierung) und deren
Atmung (Heben und Senken des
Brustkorbes), sondern auch das Schlagen des Herzens (der sog. Herzspitzenstoß an der Brustoberfläche) registriert werden kann. Die Sensoren bieten folglich die Möglichkeit, Vitaldaten
(Atemrate und Puls) völlig berührungslos und komfortabel aus mehreren Metern Entfernung zu erfassen.
Wie beim Beispiel der Lautsprechermembran ist hierfür keine Sichtverbindung notwendig. Das Messprinzip
funktioniert auch in Notfallszenarien
(z. B. verrauchten Gebäuden) und
durch Wände oder Mauern hindurch.
Gleichzeitig ist die Sendeleistung so
gering, dass der Einsatz der Sensoren
unbedenklich und ohne jegliche Auswirkung auf die beobachteten Personen ist.
Im Bereich der Impedanzmessung
eignen sich die Sensoren besonders
für die Echtzeitüberwachung von
industriellen Prozessen, bei denen
die frühzeitige Erkennung von Konzentrationsänderungen unterschiedlicher Prozessmedien für eine Prozessablaufkontrolle oder für die finale
Qualitätssicherung von großer Bedeutung ist (Abb. 3).
Die UWB-Sensoren sind in der Lage,
die Konzentrationsänderungen in zu
untersuchenden Stoffen (wie z.B. Flüssigkeiten) bis zum ‰-Bruchteil zu
detektieren (siehe Abb. 4). Dabei analysieren die Sensoren die dielektrischen Eigenschaften des Prozessmediums mehrere hundert Mal pro Sekunde. Die Messwerte können mit
einem Referenzwert oder vorherigen
Werten verglichen werden, womit sich
Aussagen über die zeitliche Stabilität
eines Prozesses ableiten lassen.
Schließlich kann das Ergebnis des
Vergleichs grafisch dargestellt oder
direkt als Parameter an ein Steueroder Überwachungssystem übergeben werden.
► INFO
Autor:
Hans-Christian Fritsch
TU Ilmenau Service GmbH
Ehrenbergstr. 11
98693 Ilmenau
Tel.: 03677 46999-0
Fax: 03677 46999-99
E-Mail: [email protected]
www.tu-ilmenau.de
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