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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen
Bestimmung der Konzentration der enthaltenen Bestandteile in einem Medium
mittels Auswertung der das Medium durchdringenden Mikrowellen.
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Verfahrensgemäß erfolgt
eine Messung unter Anwendung von Mikrowellen, die von einem Mikrowellenstrahler/-empfänger ausgesandt
und empfangen, dabei ein Probengefäß mit einem Medium durchdringen,
von einem mechanischen Modulator reflektiert und nach dem synchronen
Detektor in einem Mikroprozessor über eine empfangene Interferenzwelle
dahingehend ausgewertet werden, dass Rückschlüsse auf die Konzentration der
in dem zu untersuchenden Medium enthaltenen Bestandteile gezogen
werden können.
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Es
ist denkbar, dass auch pulverförmige
Gemische, Gemische aus festen und flüssigen Stoffen sowie gasförmige Stoffe
mit dem erfinderischen Verfahren untersucht werden.
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Nach
RU 220 28 04 wird die Abhängigkeit zwischen
einem Flüssigkeitsstand
in einem Meßgefäß und der
sich daraus ergebenden Zahl N von Halbwellen, erzeugt auf Mikrowellenbasis,
bei Nutzung einer konstanten Frequenz dazu genutzt, auf den Wert
von ε zu
schließen.
Das Verfahren ist sehr kompliziert, kann nicht für strömende Flüssigkeiten verwendet werden
und ist nicht geeignet, in einem geschlossenen Produktionskreislauf
eingesetzt zu werden. Eine Echtzeitmessung ist hiermit nicht möglich.
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Zur
RU 205 73 25 wird vorgeschlagen,
die Phasenverschiebung der durch das Eich- und Messmedium gegangenen
Mikrowellensignals zu messen. Die dabei ermittelte Verschiebung
der Phasen ist proportional zur Veränderung der Dielektrizitätskonstanten ε des Mediums
im Messtrakt gegenüber
der des geeichten Mediums. Nachteilig dieses Verfahrens ist, dass
für jede
Messung ein geeichtes Medium neu vorbereitet werden muss.
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Mit
AT 39 75 11 und
AT 40 91 90 ist bekannt, dass das Wachstum
von Mikroorganismen nun überwacht
werden kann, indem die elektrische Impedanz des die Mikroorganismen enthaltenen
Mediums geprüft
wird. Das Verfahren beruht darauf, dass Mikroorganismen, die in
einem flüssigen
Nährboden
wachsen oder sich vermehren, hochmolekulare Inhaltsstoffe abbauen,
dadurch der Ionengehalt des Mediums zunimmt, seine Leitfähigkeit
steigt – bei
sinkender Impedanz – und
diese Veränderungen
gemessen werden.
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Bei
GB 9720496 wird verfahrensgemäß eine Kapazitätsmessung
des Mediums dargelegt, wobei 2 Elektroden unterschiedliche Frequenzen
elektrischer Wellen in das Prüfmedium
abgeben.
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In
DE 103 06 194 A1 wird
ein Mikrowellen-Sensor vorgestellt, bei dem dieser mit einem selbstmischenden
Oszillator, mit einer Sende- und Empfangsantenne, mit einer Impedanz,
die zwischen die Strom- bzw. Spannungsversorgung und den Oszillator
geschaltet ist, und mit einer Auswerteschaltung in Wirkverbindung
steht, wobei der selbstmischende Oszillator sowohl das Sendesignal
erzeugt als auch das Sendesignal mit dem Empfangssignal mischt und
das niederfrequente Mischprodukt (Doppler-Signal) an der Impedanz
abgegriffen und der Auswerteschaltung zugeführt wird.
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Die
US-Patentschrift 4.453.125 beschreibt einen alkoholgefüllten mit
Mikrowellen beaufschlagten Sensor, wobei dieser aus einem Mikrowellen-Oszillator,
einem Mikrowellen-Empfänger
und einem Mikrowellen-Übertragungselement
besteht, das die Verbindung zwischen dem Oszillator und dem Empfänger herstellt.
Die Mikrowellenübertragung
wird mittels eines vorhandenen Alkoholgemisches ermöglicht,
wobei über
dem Gemisch eine Lichtquelle angeordnet ist und die Mikrowellen
aus dem Gemisch in ein Alkohol/Ölgemisch
eintreten, die Mikrowellen bei Anwesenheit verdünnten Alkohols einen Dielektrizitätsverlust
erzeugen, währenddessen
die gemessene Spannung am Empfänger
mit der festgestellten Alkoholkonzentrationsrate in einer bestimmten
Beziehung steht. Das dielektrische Substrat wird röhrenförmig vorbereitet,
damit der Sensor unter konstanten Ausgangsbedingungen arbeiten kann.
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Im
Patent
DE 196 48 126
A1 wurde das klassische Schema der Messung der Materialsfeuchtigkeit
mittels der Messung des Koeffizienten der Absorption der Mikrowellenausstrahlung
bei dem Durchgang durch das untersuchte Material verwendet.
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Es
werden der Empfänger
und der Sender der Mikrowellenausstrahlung getrennt verwendet. Das
zu messende Objekt ist zwischen ihnen positioniert.
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Im
Patent
DE 40 00 925
C2 wird das Interferometer verwendet. In einer Schulter
befindet sich das zu untersuchende feuchte Material. Die Geschwindigkeitsänderung
des Mikrowellensignals wird beim Durchgang durch das zu messende
Material mittels Frequenzmodulation gemessen. Der Wassergehalt des
Materials wird aus der bekannten Beziehung zwischen Zwischenfrequenzsignal
und Wassergehalt bestimmt.
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Im
Patent
US 6.359.446
B1 wird das Verfahren der unzerstörenden Kontrolle der dielektrischen Materialien
mittels der Analyse des Interferenzsignals verwendet. Dieses Signal
wird als Ergebnis der Interferenz zwischen dem Ausgangssignal und
dem Signal, das durch das untersuchte Material durchgeht, gebildet.
Hier werden der Mikrowellenstrahler sowie der Empfänger separat
verwendet.
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Die
Auswertung des genannten Standes der Technik hat gezeigt, dass es
keine Verfahren gibt, die unter Anwendung bekannter physikalischer
Gesetzmäßigkeiten,
wie des zielgerichteten Einsatzes von Mikrowellen, und deren verfahrensgemäßen, technischen
Umsetzung eine einfache, schnelle Analyse, flüssiger Medien, Gemische fester
und flüssiger
Bestandteile sowie gasförmiger
Stoffe in Bezug auf die Feststellung von Konzentrationen der in
ihnen enthaltenen Bestandteile anbieten. Oftmals erfordern die bekannten
technischen Lösungen
aufwendige Vorbereitungshandlungen (Eichungen), es werden Impedanz-
und Kapazitätsmessungen
angeboten und es sind keine kontaktlosen Messungen in kontinuierlichen
Produktionsprozessen mit hinreichender Genauigkeit möglich.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Analyseverfahren unter Zuhilfenahme
weniger technischer Elemente vorzuschlagen, wobei das Aussenden
und Empfangen von Mikrowellen definierter Frequenz erfolgt, diese
sich nach Durchgang durch ein Medium – gegebenenfalls innerhalb
eines Probengefäßes und
einer Reflexion von einem mechanischen Modulator innerhalb eines
Wellenleiters bzw. des Wiedereintritts in diesen überlagern,
wobei eine teilweise Absorption in einem flüssigen oder in einem anderen
zu untersuchenden Medium (Pulvergemisch, Gemisch aus festen und
flüssigen
Stoffen oder einem gasförmigen
Gemisch) und eine Phasenverschiebung der stehenden Welle erfolgt
und die aufgenommene Interferenzwelle als ein Maß zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten ε – berechnet in
einem externen Mikroprozessor, nachdem ein Synchrondetektor passiert
wurde – des
Messmediums genutzt wird. Entsprechend der zu lösenden Aufgabe soll über die
festgestellte Veränderung
von ε des Messmediums
eine Konzentrationsüberwachung
von 2 in dem Messmedium enthaltenen Bestandteilen erfolgen können.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabenstellung wie folgt gelöst,
wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf
den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der
Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 2.
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Folgende
ergänzende
Hinweise zur erfindungsgemäßen Lehre
sind erforderlich.
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Ein
Mikrowellenstrahler/-empfänger
und ein mechanischer, oszillierender Modulator bilden innerhalb
eines als Wellenleiter zu bezeichnenden Messgefäßes eine stehende Welle. Der
Mikrowellenstrahler/-empfänger
registriert so dann ein empfangenes Signal. Dabei müssen störende Einflüsse, wie
z.B. mechanischer Lärm
kompensiert werden. Damit ein verwertbares Signal aus der Summe
der reflektierten und sich überlagernden
Wellen sowie der störend wirkenden
Einflüsse
gewonnen werden kann, wird ein synchronisierender Detektor nach
dem Messgefäß vor der
Signalauswertung in einem Mikroprozessor zwischengeschaltet.
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Nachdem
ein zu untersuchendes Medium sich im Probengefäß befindet und sich gegebenenfalls
die dielektrischen Eigenschaften des Mediums ändern stellt sich in Abhängigkeit
von der Höhe
L1 des Probengefäßes eine
Absorption und eine Phasenverschiebung der stehenden Welle ein.
Diese Meßwertverfälschung
kompensiert der synchronisierende Detektor, sodaß verwertbare und geänderte Signale
vom Mikroprozessor ausgewertet werden können.
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Dabei
wird die Höhe
L1 des Probengefäßes im Zusammenhang
mit der Dielektrizitätskonstanten ε des Mediums
so gewählt,
dass die volle Absorption ausgeschaltet wird.
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Da
die Dielektrizitätskonstanten ε für viele Stoffe
stark temperaturabhängig
sind, sollten bei den Messungen möglichst stabile Temperaturen
gewährleistet
sein oder es müssen
die entsprechenden Schwankungen berücksichtigt werden.
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Es
ist auch denkbar, dass die Höhe
(die Größe) des
Probengefäßes bedeutend
den Betrag der vollen Absorption der Mikrowellenstrahlung im zu
untersuchenden Medium übertrifft.
In diesem Fall besitzt der Wellenleiter an seinem in das Probengefäß ragenden
unteren Ende einen hermetischen Abschluß, ein sogenanntes Mikrowellenfenster,
bestehend aus mikrowellendurchlässigem
Material.
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Die
Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung zur Realisierung des Verfahrens in einem
geschlossenen Meßsystem
mit kontinuierlichem Mediendurchfluß
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2 Ein
Diagramm zur Darstellung des Ersatzes von Wasser durch Ethanol (Kurve
1) und des Ersatzes von Ethanol durch Wasser (Kurve 2)
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3 Ein
Diagramm zur Darstellung des Ersatzes Zuckersirup/Wasser und Wasser/Zuckersirup
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Die
verwendeten Bezugszeichen lauten:
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- I
- Mikrowellenstrahler/-empfänger
- 2
- Medium
- 3
- mechanischer
Modulator
- 4
- Wellenleiter
- 5
- Probengefäß
- 6
- Mikrowellen
- 7
- Boden
- 8
- Synchrondetektor
- 9
- Mikroprozessor
- 10
- Abdeckung
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Die
innerhalb eines Wellenleiters (4) sich geradlinig vom Mikrowellenstrahler/-empfänger (1),
z.B. von einer Gunn-Diode oder einem Autodyne-Sensor sich ausbreitenden
Mikrowellen (6) durchdringen auf ihrem Weg zum Boden (7)
des Wellenleiters 4 z.B. ein flüssiges Medium (2),
welches in einem Probengefäß (5)
enthalten ist, wobei dort ein ständiger Durchfluss
dieses flüssigen
Mediums (2) stattfindet. Nach Erreichen des Bodens (7),
der hier verschieblich ausgebildet, mittels eines mechanischen Modulators
(3) (z.B. einem Piezoelement), die Wegstrecke der Mikrowellen
(6) verkürzen
oder verlängern
kann, erfolgt dort eine Reflexion der Mikrowellen (6) – unter erneutem
Durchgang durch das Probengefäß (5) – wobei
in Überlagerung
mit den ausgesandten Mikrowellen (6) seitens des Mikrowellenstrahlers/-empfängers I
ein abweichendes Interferenzsignal mit veränderter Amplitude und einer
Phasenverschiebung entsteht, wenn im Durchfluss des flüssigen Mediums
(2) durch das Probengefäß (5)
Veränderungen
vom Sollwert der Dielektrizitätskonstanten ε der prozentual
in bekanntem Konzentrationsverhältnis
zueinander stehenden Bestandteile auftreten.
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Als
ein Maß von
gegebenenfalls auftretenden Veränderungen
kann die von bekannten Werten abweichende Amplitude des Interferenzsignals,
welches zur Berechnung eines aktuellen Wertes ε in den Mikroprozessor (9)
(nicht näher
dargestellt) gelangt, herangezogen werden.
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Beispielhafte
Anwendungen des Verfahrens können
mit den Darstellungen der 2 und 3 belegt
werden. Hier sind Konzentrationsänderungen bzgl.
des Zusammenhanges zwischen sich vergrößernder/verkleinernder Amplitude
(Spannungsänderungen
im mV-Bereich) über die
Zeit dargestellt.
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Als
wesentlicher Vorteil gegenüber
dem bekannten Verfahren soll hervorgehoben werden, dass ein Medium
(2) jeweils kontaktlos untersucht werden kann, es zu hochempfindlichen
Messungen nutzbar und mit geringem gerätetechnischen Aufwand realisierbar
ist. Es ist denkbar, dass das Verfahren auch durchgeführt wird,
wenn das Probengefäß 5 nach 1 keinen
Zu- bzw. Abfluss besitzt.