4.15_Messen
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Inhalt dieses Vorlesungsteils - ROADMAP APPLIKATIONEN GR UN DL AG EN MW-VT TRIKA DIELEK 41 Einsatz von Mikrowellenenergie in der Verfahrenstechnik PROLOG APPLIKA TIONEN 410 Prolog OR T TE CH NI K 412 WW -dielektrischer Materialien mit Mikrowellen 413 Mikrowellen-Heizprozesse W ÄR M ET RA NS P ÄR M UN G+ 411 Mikrowellen – Eine Einführung ER W 1.5 414 MW-Technik : Theorie und Praxis 415 Applikationen Dielektrische Messverfahren Mikrowellenerwärmung (LowTherm) Mikrowellenwärmung (HighTherm) Anwendungen in der Chemie Plasmaerzeugung mit Mikrowellen FOLIE 1 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren APPLIKATIONEN Unterscheidung nach Anwendungsbereich Direkte Nutzung der dielektrischen Parameter - HF-Nachrichtentechnik: sehr geringe dielekt. Verluste (ε´´ <<1) - Mikrowellenerwärmung: hohe dielektrische Verluste (ε´´ > 1) Nutzung der dielektrischen Parameter zur indirekten Bestimmung von Materialeigenschaften (Feuchte, freies, gebundenes Wasser, Porosität) Unterscheidung nach Messbereich Messungen im Zeitbereich (time domain spectroscopy) - Bestimmung der Relaxation durch Anlegen einer Potentialdifferenz - Messungen aufwändig, teilweise ungenau Messungen im Frequenzbereich (frequency domain spectroscopy) - häufigste Messverfahren - Einbringen der zu untersuchenden Substanz in breitbandiges Feld - Messung der sich einstellenden Resonanzfrequenz gegenüber dem ungestörten Zustand - dielektrische Eigenschaften aus der Änderung der Resonanzfrequenz FOLIE 2 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren APPLIKATIONEN (A) Leitungsmessverfahren PRINZIP: Die Materialprobe ist Teil einer Hochfrequenzleitung, deren Leitungseigenschaften (Transmission / Reflexion) gemessen werden. Als Hochfrequenzleitungen werden Hohlleiter und Koaxialkabel verwendet. TRANSMISSIONSMETHODEN kurzgeschlossene Leitung (Messung der Phase und Amplitude) Offene Leitung (Messung transmittierter und reflektierter Leistung) REFLEXIONSMETHODEN Messung der von der Substanz reflektierten Leistung Bestimmung der Dielektrizitätszahl ε' und der Verlustzahl ε'' aus dem Reflexionskoeffizienten Γ Vorteile: einfache Handhabung (ebene Tastkopffläche) großer Messbereich (100 Mhz-20 GHz) einfache Kalibrierung (Bestimmung der Kapazität C0 von Luft) FOLIE 3 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Erläuterung der Reflexionsmethode - Bestimmung der komplexen Admittanz Y = jωCf + jωC0εr 1− 1 - Aus Y =Y 0 ergeben sich mit Z0 = Y0-1 =∣∣e j =∣∣cos j sin Tastkopf einer offenen Koaxialleitung und IΓI : Amplitude φ: Phase '' ' =tan die Dielektrizitätszahl und die Verlustzahl: −2∣∣2 sin ´ = C 0 Z 0 12∣∣cos ∣∣2 − Cf C0 Ersatzschaltbild des Tastkopfes Cf Leitungsanteil des el. Feldes C0 Luft C0 εr Probe ´´ = 1−∣∣2 C 0 Z 0 12∣∣cos ∣∣2 FOLIE 4 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren APPLIKATIONEN (B) Resonatorverfahren PRINZIP: Messung der Änderung der Resonanzfrequenz bei Einbringung einer Materialprobe in einen Hohlraumresonator LEMMA RESONATOR Ein Resonator ist ein abgeschlossener metallischer Hohlraum, in dem sich aufgrund stehender Wellen eine elektromagnetische Resonanz ausbildet. Die Resonanzfrequenz ist von den Abmessungen abhängig. Übliche Resonatoren sind zylinder- oder quaderförmig. In Abhängigkeit von Größe und Form der Kavität sowie der Art der Einkopplung elektromagnetischer Wellen bilden sich unterschiedliche Feldkonfigurationen (Moden) aus. Im einfachsten Fall der transversal elektrischen (TE- oder H-) Welle bzw. transversal magnetische (TM oder E-) Welle tritt in der jeweiligen Ausbildungsrichtung keine elektrische oder magnetische Feldkomponente auf. Die jeweiligen Moden sind durch Indizes beschrieben, die die Anzahl der Halbwellen der elektrischen oder magnetischen Feldstärke E oder H in der jeweiligen Raumrichtung angeben. FOLIE 5 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren APPLIKATIONEN LEMMA RESONATOR Die Resonanzwellenlänge lR,I bzw. Resonanzfrequenz fR,I eines leeren zylindrischen Resonators lassen sich aus den Abmessungen mit folgender Gleichung (1) für einen Emnp-Mode berechnen. R, I = d: Innenraumdurchmesser R, I = n-te Nullstelle der ersten Ableitung der Besselfunktion m-ter Ordnung 2 2 2 xm, n p d h 2 Entsprechend gilt Gleichung (2) für einen Hmnp-Mode : h: Innenhöhe des Resonators x m,n bzw. x´m,n: C0 = f R, I C0 = f R, I 2 2 2 x´m , n p h d 2 Bei der Wahl eines geeigneten Modes und geeigneter Resonatorp: Zahl der Halbwellen in axialer Richtung c0: Vakuumlichtgeschwindigkeit abmessungen sind die Probengröße und die Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Weiterhin muss die Koexistenz verschiedener Moden bei ein und derselben Abmessung bedacht werden. FOLIE 6 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren APPLIKATIONEN ZYLINDRISCHER RESONATOR Modendiagramm FOLIE 7 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren APPLIKATIONEN Bei Einbringen einer Materialprobe in die Resonatorkavität ändert sich die Resonanz gegenüber dem Leerzustand (Bild). Die Resonanzfrequenz verschiebt sich zu kleineren Frequenzen und die Kurve verbreitert sich. Gemessen werden - Resonanzfrequenzverschiebung : ∆ fR = f R,I - FR,V - Abschwächung α der Resonanzkurve: α = Imax (fR,I ) - Imax (fR,V) - Güte des leeren und gefüllten Resonators: QI bzw. QV Q I= f R,I f QV = I c0 ´ = 1,31 d f R ,V '' =´ f R, V fV 2 fV f I 1 1 − =´ − QV QV f R ,V f R, I FOLIE 8 GMBU 1.5 Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren APPLIKATIONEN Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstanten Störungsmethode (Cavity Perturbation Method): - Einbringen einer geringen Substanzmenge - vernachlässigbare Änderungen der Resonanzeigenschaften - Berechnung der DK aus den Maxwell-Gl. bei definierter Mode (E010) Absolutmethode: - explizite Berechnung der Feldverteilung im Resonator mit Lösung der Maxwellgleichung (Besselfunktionen) - hoher Rechenaufwand - u.U. nicht eindeutige Lösungen Kalibrierung: - Bestimmung der DK aus der Änderung der Resonanzkurve gegenüber bekannten Kalibriersubstanzen - Problem: Auswahl geeigneter Kalibriersubstanzen - häufigste Methode FOLIE 9 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren Bestimmung der relativen Dielektrizitätskonstanten FOLIE 10 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren FOLIE 11 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren FOLIE 12 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren FOLIE 13 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren FOLIE 14 GMBU 1.5 APPLIKATIONEN Dielektrische Messverfahren Resonatorverfahren FOLIE 15 GMBU
