DE102006045711A1 - Verfahren zur Unterscheidung unterschiedlicher Füllmaterialien mittels Mikrowellenmessung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Unterscheidung unterschiedlicher Füllmaterialien, die in einem definierten Volumen konzentriert vorliegen und von einem benachbarten Gasvolumen aus für eine Mikrowellenmessung durch eine Mikrowellen-Sende- und Empfangseinheit an einer Grenzfläche zugänglich sind, bei dem mittels der Messung von Dielektrizitätskonstanten bzw. des dielektrischen Verlustwinkels und der Zuordnung zu vorgegebenen Materialeigenschaften unterschiedlicher Füllmaterialien die Füllmaterialien differenziert erkannt werden können. Produkt: Sensorik zur Kraftstoffunterscheidung, Ölqualitätskontrolle, Sensorik zur Füllstandsmessung.

Description

• Die Erfindung betrifft Messungen an Materialien mit Mikrowellensystemen, wobei ein konzentriert vorliegendes Füllmaterial an einer Grenzfläche zu einem benachbarten Gasvolumen mit entsprechendem Mikrowellensystem bzw. Radarsystem von einer Sende- und Empfangseinheit mit Mikrowellen beaufschlagt wird und die reflektierten Strahlen empfangen und ausgewertet werden.
• Die Füllstandsmessung mit Radar ist besonders in der chemischen Industrie mittlerweile sehr verbreitet. Dabei liegt bei allen radarbasierten Messverfahren ein Mikrowellensignal vor, welches in einem bestimmten Frequenzband auftritt und in Richtung des Messobjektes ausgesendet wird. Die von dem Messobjekt erzeugten Reflexionen können dann mit einer Elektronik ausgewertet werden und liefern je nach Messverfahren durch die Laufzeit abhängige charakteristische Phaseninformation oder direkt durch deren Laufzeitverhalten eine Entfernungsinformation.
• In vielen Fällen wird in Verbindung mit einer Füllstandsinformation eine Prozessautomatisierung versucht. Dabei werden die zusätzlichen Kenntnisse über beispielsweise die Menge des Füllgutes in den Prozess eingebracht. Dies könnte relevant sein, um abnormale Zustände bei Automatisierungsverfahren in industriellen Prozessen aufzudecken.
• Im Hinblick auf den Kraftfahrzeug-Treibstofftank stellt sich beispielsweise das Problem von Fehlbetankungen, die zu teilweise bleibenden gravierenden Funktionsstörungen von Motoren führen können.
• Bisher werden zur Diskriminierung verschiedener Materialien oder Materialgruppen unterschiedlichste Sensoren eingesetzt.
• Der Betrieb der meisten Sensoren ist jedoch mit einer Berührung eines zu charakterisierenden Mediums verbunden. Dies gilt vor allem für die Sensorik, die sich der Messung einer Leitfähigkeit bedient und Elektroden einsetzt oder für diese Sensorik, mittels der eine Dichte eines Materials gemessen wird. Dazu gibt es einige Messprinzipien, die zwar eine unmittelbare Berührung nicht zwingend erfordern, die jedoch lediglich in engen Messbereichen funktionieren bzw. erfassen. Dazu zählen beispielsweise induktive Leitfähigkeitssensoren.
• Sensoren, die über größere Entfernungen zwischen Messfühler und Medium bzw. Material wirkende Messverfahren bedienen, sind nicht so zahlreich. Von praktischer Bedeutung sind beispielsweise optische, akustische oder Mikrowellen basierte Verfahren. Insbesondere sind jedoch wenige bekannt, die über größere Abstände hinweg zuverlässige und reproduzierbare Messdaten liefern.
• Ein wesentliches Anliegen der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Unterscheidung unterschiedlicher Füllmaterialien. Die Lösung dieses Problems erfolgt durch die Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
• Dabei wird die Erscheinung ausgenutzt, dass die Absorptions- und Reflexionseigenschaften von Wellen im Mikrowellenbereich an der Grenzfläche des zu messenden Materials ausschlaggebend für Informationen sind, die mit zurück reflektierten Mess- bzw. Detektionsstrahlen aufnehmbar sind.
• Die vorliegende Erfindung nutzt somit die Absorptions- und Reflexionseigenschaften, die für unterschiedliche Materialien nicht identisch sind, um Veränderungen an Mikrowellen, die auf eine Oberfläche oder Grenzfläche eines zu diskriminierenden Stoffes treffen, oder auf diese eingestrahlt werden, um aus den entsprechenden Detektionsstrahlen, die zurück reflektiert werden, in entsprechend räumlicher Entfernung vom Medium, über einen Sensor aussagen über die Eigenschaften dieses Mediums oder Materials treffen zu können. Die so messbaren Eigenschaften sind insbesondere die Grundlage für die Materialerkennung. Mittelbar zu unterscheidende Materialeigenschaften sind beispielsweise die Dielektrizitätskonstante von Materialien oder der je nach Material unterschiedlicher dielektrische Verlustwinkel. Es können insbesondere sehr vorteilhaft Kraftstoffarten in Kraftfahrzeug-Tankanlagen unterschieden werden.
• Durch zusätzliche Feststellung eines Füllstandes kann eine Kombination zwischen Materialerkennung und Füllstand durchgeführt werden, wodurch die Betriebsdaten wesentlich ergänzt werden.
• Die Unterscheidung unterschiedlicher dielektrischer Materialeigenschaften kann insbesondere auch zur Unterscheidung verschiedener Salzgehalte in wässrigen Lösungen eingesetzt werden. Wird zusätzlich beispielsweise die Amplitude eines zurückreflektierten empfangenen Mikrowellenstrahles ausgewertet, so können weitere zusätzliche Materialeigenschaften wie die Unterscheidung zwischen wässrigen oder öligen Materialien getroffen werden.
• Anhand der Messung der Reflektivität des Füllmaterials lässt sich vorteilhaft beurteilen, ob Metallspäne beispielsweise in Schmierölen von Motoren vorhanden sind.
• Für die Erkennungssicherheit ist eine zuverlässige, das heißt stabile Signalauswertung notwendig. Hierzu werden vorteilhafter Weise Führungen beispielsweise in Hohlprofilen vorgesehen, innerhalb der Mikrowellenstrahlen gesendet und auch zurückreflektiert und empfangen werden.
• Im Folgenden werden anhand der begleitenden beispielhaften und schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
• 1 zeigt ein System mit einer Ausbreitungsform einer Freiraumwelle, die von der Sendeempfangseinheit aus gestrahlt und beispielsweise von einem Flüssigkeitsspiegel zurück reflektiert und empfangen wird,
• 2 zeigt ein System mit einer Mikrowellen-Sende- und -Empfangseinheit, die auf ein zu detektierendes Material als geführte Welle in einem Hohlprofil abgestrahlt wird an einer Grenzfläche zwischen Füllmaterial und Umgebung reflektiert wird und wiederum als geführte Welle zur Empfangsseite zurückgeführt wird.
• Typische Radarsensoren beziehungsweise Mikrowellensensoren zur Füllstandsmessung werten im Allgemeinen Materialeigenschaften aus, die an der Grenzfläche zwischen einem zu detektierenden Medium/Material und der zumeist darüber befindlichen Luft durch die eingestrahlte und zurück reflektierte Mikrowellenstrahlung aufgenommen und empfangsseitig ausgewertet werden können. Beispielsweise wird aus der Phasenlage der reflektierten Strahlen auf den Abstand zwischen Sensoreinheit und Füllgut geschlossen. Neben diesen Abstandsinformationen nimmt das Radarsignal doch noch weitere Informationen auf, die sich je nach Füllgut auch zur Abgrenzung und Unterscheidung zwischen Füllgütern eignen. Beispielsweise kann die Amplitude des am Füllgut reflektierten Signals ausgewertet werden. Dies wird bei zur Unterscheidung von wässrigen und öligen Füllmaterialien vorgenommen, wobei wässrige Füllmaterialien vergleichsweise starke Reflexionen in Bezug auf Mikrowellen zeigen und ölige Füllmaterialien vergleichsweise schwache Reflexionen bieten. Vorzugsweise verwendet man an dieser Stelle Radarsysteme mit geführter Welle. Um ein besonders gut definiertes Ausbreitungs- und Reflexionsverhalten zu erzielen, werden bestimmte Hohlprofile eingesetzt, die eine Führung der Mikrowellen erlauben. Je nach Anwendung und Ausführung des Radarsensors ist es möglich, auch feinere Unterschiede in der dielektrischen Eigenschaft der zu unterscheidenden Materialien aufzulösen und beispielsweise auf weitere Materialeigenschaften Rückschlüssel zuzulassen. Beispielsweise wird der Salzgehalt in wässrigen Lösungen über unterschiedliche dielektrische Eigenschaften der Materialien zu unterscheiden sein. Auch die Diskriminierung unterschiedlicher organischer Verbindungen wie beispielsweise Diesel- und Benzinkraftstoff kann durchgeführt werden, obwohl deren dielektrischer Kontrast vergleichsweise gering ist. Des Weiteren kann auf die Qualität von Ölen im Betrieb von beispielsweise Verbrennungsmotoren zurück geschlossen werden, da diese beispielsweise Metallspäne suspendiert im Öl aufweisen können, was die Reflektivität des Öles erhöht.
• Die Anforderungsprofile der für die Füllstandsmessung und der für die Materialkategorisierung benötigten Elektroniksysteme liegen sehr eng beieinander. Somit können beide Auswertungen in ein und demselben Gerät erfolgen. Die Art des Radargerätes und des Auswerteverfahrens spielen hierbei untergeordnete Rollen. Denkbar ist die Implementierung einer Materialdiskriminierung sowohl in Pulsradarsystemen als auch in Ultrabreitbandsystemen wie auch in kontinuierlich strahlenden (CW, FMWCW) Radarsystemen.
• Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen einerseits in der Möglichkeit einer berührungsfreien Unterscheidungsmöglichkeit von Materialien, die sich in ihren dielektrischen Eigenschaften unterscheiden. Andererseits lassen sich Messsysteme und Messgeräte implementieren, die auf die Messung dielektrischer Eigenschaften von Materialien unterschiedlicher Art ausgelegt sind.
• Es gibt allgemein Systeme, bei denen das Radarsignal in Form einer Freiraumwelle entsprechend 1 von einer Antenne ausgestrahlt wird. Diese im Anschluss von einem Flüssigkeitsspiegel reflektierte Welle wird ihrerseits wieder von einer Sende- und Empfangseinheit empfangen. Andere Systeme wie beispielsweise entsprechend 1 richten die Sende- und Empfangseinheit auf einen Flüssigkeitsspiegel beziehungsweise auf eine Grenzfläche gezielt aus, wobei insbesondere eine geführte Welle entsteht, die mit einfachem formelmäßigen Zusammenhang zwischen Dielektrizitätskonstanter eines Mediums und der Reflexionsstärke an dessen Oberfläche in Verbindung ge bracht werden kann. Bei beiden Systemen ist es idealer Weise möglich, aufgrund der Reflexionsstärke auf bestimmte elektrische Eigenschaften zurück zu schließen.
• Die 1 und 2 zeigen jeweils einen Tank 2, der mit einer bestimmten Menge von Füllmaterial 3 im unteren Teil beladen ist. Es existiert eine Grenzfläche 4 zwischen dem Füllmaterial und einer darüber liegenden Gasschicht 5. Die von einer Mikrowellen-Sende/Empfangseinheit 1 ausgehende Mikrowelle wird im Fall der 1 als mehr oder weniger frei abgestrahlte Welle 6 durch das Gasvolumen oder durch die Gasschicht 5 hindurch bis zur Grenzfläche 4 ausgebreitet. Zurückreflektierte Wellen werden wiederum in der Sende- und Empfangseinheit 1 empfangen und weiterführend ausgewertet.
• In 2 wird ebenfalls mittels der Mikrowellensende- und Empfangseinheit 1 abgestrahlt und an der Grenzfläche 4 reflektierte Strahlung wieder empfangen. Aufgrund der Führung 8, die in 2 als Hohlprofil und rohrförmig ausgebildet ist, wird eine geführte Welle 7 dargestellt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Unterscheidung unterschiedlicher Füllmaterialien, die in einem definierten Volumen konzentriert vorliegen und von einem benachbarten Gasvolumen aus für eine Mikrowellenmessung durch eine Mikrowellen-Sende- und Empfangseinheit an einer Grenzfläche zugänglich sind, bei dem mittels der Messung von Dielektrizitätskonstanten bzw. des dielektrischen Verlustwinkels und der Zuordnung zu vorgegebenen Materialeigenschaften unterschiedlicher Füllmaterialien, die Füllmaterialien differenziert erkannt werden können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen Gasvolumen und Füllmaterial eine Mikrowellen durchlässige Schicht vorhanden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Unterscheidung verschiedener Kraftstoffarten in Kraftfahrzeug-Tankanlagen betrieben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem zusätzlich der Füllstand des Füllmaterials gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Unterscheidung mittels unterschiedlicher dielektrischer Materialeigenschaften zur Bestimmung des Salzgehaltes wässriger Lösungen eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich die Amplitude des reflektierten Empfangsstrahls zur Unterscheidung von wässrigen und öligen Materialien ausgewertet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich die Reflektivität des Füllmaterials zur Beurteilung von Schmierölen im Betrieb ausgewertet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sende- und Empfangsstrahlen der Mikrowellen-Sende und -Empfangseinheit (1) in einem Hohlprofil mindestens bis zur Grenzfläche (4) hin- und zurückgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Radargeräte eingesetzt werden wie Pulsradar, Ultrabreitbandradar, constant wave (CW) oder frequency modulated CW (FMDW-Radar).