Projekt 11738/01

Mikrowellen-Meßgerät zur berührungslosen Feuchtemessung bei bewegten Produkten

Projektdurchführung

TEWS-Elektronik
Sperberhorst 10
22459 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Vorhabens soll ein Mikrowellen-Messgerät entwickelt werden, das dichteunabhängige Messwerte aus einer berührungslosen Messung ermittelt. Das Messgerät soll in der Lage sein, auch bei bewegten Produkten zuverlässige Messwerte zu liefern. Mit diesen Eigenschaften stellt das geplante Gerät eine erhebliche Innovation auf dem Gebiet der Feuchte-Messtechnik dar und hebt sich von den zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Messgeräten deutlich ab.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden· Entwicklung eines Antennensystems mit Hilfe von Simulationen und Messungen sowie Bau dieser Antennen.
· Entwicklung einer vektoriellen Signalerfassung bestehend aus einer schnell einstellbaren Signalquelle und einem schnellen Signaldetektor.
· Erstellung von Auswertungsalgorithmen zur Korrektur systematischer Messfehler sowie zur Kompensation von Dichteeinflüssen auf das Messergebnis basierend auf Messungen und Simulationen.
· Entwicklung einer schnellen Auswertungshardware (Mikroprozessorsystem) und Implementierung der Algorithmen auf dieser Hardware.
· Fertigung eines System-Prototypen und Erprobung unter praxisnahen Bedingungen bei einem Referenzkunden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen dieses Projektes wurde der Prototyp eines Messgerätes auf Basis eines Mikrowellen-Messverfahrens zur berührungslosen Messung der Feuchte bei bewegten Produkten entwickelt.

Die zentrale Komponente des Messgerätes ist ein homodyner, vektorieller Netzwerkanalysator. Da ein bewegtes Produkt vermessen werden soll, wurde bei der Entwicklung dieses Analysators auf eine hohe Messgeschwindigkeit Wert gelegt. Der Prototyp ermöglicht innerhalb einer Millisekunde etwa 100 Messungen in einem Frequenzbereich zwischen 6,8 GHz und 9,6 GHz. Der Analysator wird an zwei Antennen (Hornstrahler), zwischen denen sich das zu vermessende Produkt befindet, angeschlossen. Bei manchen Applikationen kann auch ein vereinfachtes Messverfahren eingesetzt werden, bei dem lediglich eine Antenne notwendig ist.

Die gesamte Mikrowellenelektronik wird über einen speziellen Mess-prozessor gesteuert. Er führt mit maximaler Geschwindigkeit die für die Datenauswertung erforderlichen Messungen durch, bereitet die Daten auf und überträgt sie dann zum Auswertungsrechner (Industrie-PC). Der Auswertungsalgorithmus beruht auf der Analyse von Signalen im Zeitbereich. Die im Frequenzbereich aufgenommenen Messdaten werden mittels einer Fourier-Transformation in den Zeitbereich transformiert, durch unterschiedliche Methoden aufbereitet und bei Bedarf in den Frequenz-bereich zurücktransformiert.

Aus den bereinigten Messdaten wird eine dichte- bzw. schichtdickenunabhängige Zwischengröße berechnet, die dann über eine Kalibrationskurve in einen Feuchtewert umgesetzt wird. Die Auswertung erfolgt erheblich langsamer als die eigentliche Messwertaufnahme, so dass am laufenden Produkt lediglich Stichprobenmessungen vorgenommen werden. In Anbetracht der niedrigen Reaktionsgeschwindigkeiten von Trocknern, die von dem entwickelten Prototypen geregelt werden können, ist die Messgeschwindigkeit jedoch mehr als ausreichend hoch. Dagegen eignet sich der entwickelte Prototyp weniger zur Detektion von Feuchtenestern in schnell bewegten Produkten.

Der Prototyp wurde in einigen Applikationen getestet. Die wichtige Anforderung der Dichte- bzw. Schichtdickenabhängigkeit konnte mit guter Näherung erfüllt werden.

Die Kompensation des Einflusses der Produkttemperatur auf das Feuchtemessergebnis konnte nicht verwirklicht werden. Hierfür reichte die Messauflösung bei der Frequenz-bandbreite von ca. 3 GHz nicht aus. Die Fortführung dieser Arbeiten besitzt nur geringe Priorität, da die Produkttemperatur bei bewegten Produkten auch berührungslos mit etablierten Infrarot-Meßsystem bestimmbar ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Arbeiten zur Entwicklung der Hardware konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Lediglich die Arbeiten zur Entwicklung einer breitbandigen, planaren Antennenstruktur führten zu keinem befriedigenden Ergebnis. Da jedoch dieser Teil für den Prototypen nicht von Bedeutung ist, wurden die Arbeiten abgebrochen und konventionelle Hornstrahler als Antennen verwendet. Aus Kostengründen sollten diese Antennen jedoch bei einem Seriengerät nicht eingesetzt werden. Daher werden die Arbeiten zur Entwicklung einer geeigneten Antenne nach Abschluss des Förderprojektes fortgeführt.

Für ein marktreifes Gerät sind weitere Entwicklungsarbeiten hinsichtlich Antennenausführung, Datenaufbereitung und Ergebnisdarstellung notwendig.


Fazit

Die mit der Bewilligung gesteckten Ziele wurden erreicht. Die notwendigen Entwicklungsarbeiten bis zur Marktreife des Messgerätes zur berührungslosen Feuchtemessung bei bewegten Produkten muss die Fa. ohne weitere Förderung aus eigner Kraft leisten. Danach ist eine angemessene Multiplikatorwirkung und Umsetzung zu erwarten (wirtschaftliches Eigeninteresse des Unternehmens).