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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung
dielektrischer Profile bzw. zur Bestimmung des Aufbaus bzw. der
Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem
Material.
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Einleitend
heißt es, daß die Erfindung ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Messung dielektrischer Profile betrifft. Diese
Formulierung ist gewählt, weil bei der eigentlichen Problemstellung,
nämlich der Bestimmung des Aufbaus bzw. der Zusammensetzung
von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem Material ”dielektrisch
gearbeitet” wird Mit ”dielektrisch gearbeitet” ist
gemeint, daß die dielektrischen Eigenschaften des inhomogen
aufgebauten bzw. zusammengesetzten Materials ”ausgewertet”, ”herangezogen”, ”ausgenutzt” bzw. ”verwendet” werden.
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Einleitend
heißt es, daß die Erfindung ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Messung dielektrischer Profile bzw. zur Bestimmung
des Aufbaus bzw. der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem bzw.
zusammengesetztem Material betrifft. Ist weiter oben zum Ausdruck
gebracht worden, daß die Messung dielektrischer Profile
kein Selbstzweck ist, es insbesondere um die Bestimmung des Aufbaus
bzw. der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem
Material geht, so geht es erfindungsgemäß jedoch
nicht ausschließlich um die Bestimmung des Aufbaus bzw.
der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem
Material. Die Messung dielektrischer Profile kann z. B. auch in
der Geologie angewendet werden, z. B. zur Bestimmung und Charakterisierung
unterschiedlicher Erdschichten. Auch kann die Messung dielektrischer
Profile in abgeleiteter Form zur Bestimmung des Feuchtegehaltes
in Böden und in Bauwerken, insbesondere in Mauerwerken,
angewendet werden. Weitere mögliche Anwendungen der Messung
dielektrischer Profile sind in der Füllstandsmeßtechnik
bei der Charakterisierung bzw. Vermessung von Emulsionen zu sehen.
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Die
im Stand der Technik bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Messung
dielektrischer Profile bzw. zur Messung dielektrischer Eigenschaften
von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem Material bzw. zur
Be stimmung des Aufbaus bzw. der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem
bzw. zusammengesetztem Material liefern zumeist nur einen Wert,
der dem Mittelwert der Dielektrizitätszahl entlang der
Meßstrecke entspricht. Erst durch die Verwendung von Einrichtungen,
insbesondere von Sonden unterschiedlicher Länge oder von
mehreren Sonden an unterschiedlichen Positionen in dem inhomogen
aufgebautem bzw. zusammengesetztem Material wird eine ortsaufgelöste
Darstellung erreicht. Lediglich für den Sonderfall abrupter
Materialübergänge lassen sich Materialprofile
unter Verwendung einer Sonde in Kombination mit weitestgehend herkömmlichen
TDR-Verfahren bestimmen, wobei die zu erreichende Ortsauflösung
unmittelbar von der Materialschichtung abhängig ist und
somit nicht frei wählbar ist.
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Im übrigen
wird zum Stand der Technik auf die Literaturstelle C. Huebner
und K. Kupfer "Modelling of electromagnetic wave propagation
along transmission lines in inhomogeneous media" in MEASUREMENT SCIENCE
AND TECHNOLOGY, 18 (2007) Seiten 1147 bis 1154, verwiesen.
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Unter
Berücksichtigung dessen, was zuvor ausgeführt
worden ist, liegt der Erfindung die Aufgabe bzw. das Problem zugrunde,
ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art
anzugeben, mit dem bzw. mit der in besonders einfacher Weise mit
guter Ortsauflösung dielektrische Profile gemessen bzw. der
Aufbau bzw. die Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem bzw. zusammengesetztem
Material bestimmt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist nun zunächst
und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Material,
von dem ein dielektrisches Profil gemessen werden soll, bzw. das
inhomogen aufgebaute bzw. zusammengesetzte Material, dessen Aufbau
bzw. Zusammensetzung bestimmt werden soll, unter Verwendung elektromagnetischer
Wellen bezüglich seiner dielektrischen Eigenschaften sukzessive
vermessen wird. Dabei bedeutet das sukzessive Vermessen, daß dies
in einzelnen Teilstücken erfolgt, die jeweils so klein
gewählt werden, wie es die gewünschte Ortsauflösung
vorgibt.
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Die
Einrichtung zur Messung dielektrischer Profile, mit der das zuvor
beschriebene Verfahren durchgeführt wird, ist vorzugsweise
eine Sonde, die vorzugsweise aus einer Leiterstruktur besteht und
die folgenden Randbedingungen erfüllen muß:
Die
Leiterstruktur muß die elektromagnetische Welle führen.
Das
elektromagnetische Feld der Sonde muß in den Außenraum
ragen, um einen Einfluß der dielektrischen Eigenschaften
des Außenraumes messen zu können.
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Sonden
der in Rede stehenden Art können in ein Material, z. B.
Festkörper oder in Flüssigkeiten eingebracht werden
oder auf der Oberfläche des Materials aufgebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere,
wie einleitend ausgeführt, zur Messung dielektrischer Profile
in der Geologie, z. B. zur Bestimmung und Charakterisierung unterschiedlicher
Erdschichten, vor allem aber auch zur Bestimmung des Feuchtegehaltes
in Böden und in Bauwerken, insbesondere in Mauerwerken,
weil der Feuchtegehalt des Materials die dielektrischen Eigenschaften
wesentlich beeinflußt. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann auch, wie eingangs ausgeführt, in der Füllstandsmeßtechnik
bei der Charakterisierung bzw. Vermessung von Emulsionen angewendet
werden, weil auch die Art und Zusammensetzung von Emulsionen die
dielektrischen Eigenschaften bestimmt.
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Im übrigen
können die dielektrischen Eigenschaften auch anderweitig
beeinflußt werden; so sind z. B. die dielektrischen Eigenschaften
der Materialien unter Umständen druck- und/oder temperaturabhängig.
Auch eine solche Druck- und/oder Temperaturabhängigkeit
kann also erfindungsgemäß erfaßt werden.
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Im
einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten der Realisierung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere
kann man das Prinzip der Reflexionsmessung oder das Prinzip der
Transmissionsmessung anwenden, das Prinzip der Transmissionsmessung
in zwei unterschiedlichen Methoden.
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Bei
der Reflexionsmessung wird aus der Laufzeit einer elektromagnetischen
Welle, die an einem Obstakel, das eine frei positionierbare definierte
Reflexi on darstellt, reflektiert wird, die effektive Dielektrizitätszahl
des Außenraumes in Wechselwirkung mit einer Sonde gemessen.
Aus einem Vergleich der gemessenen Laufzeit Δt
mess mit
der Laufzeit in Luft Δt
ref kann
man auf die effektive Dielektrizitätszahl ε
r.eff des Außenraumes schließen:
führen
zu
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Um
ein dielektrisches Profil zu messen, wird ein Obstakel z. B. auf
einer als Sonde ausgeführten Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens verschoben. In
jeder Position, die das Obstakel einnimmt, wird die Laufzeit des
reflektierten Meßsignals bestimmt. Folglich kann die effektive
Dielektrizitätszahl einzelner Teilstücke bzw.
Abschnitte gemessen werden, wenn die Position des Obstakels bekannt
ist. Alternativ können auch andere Verfahren angewendet
werden, die den Wellenwiderstand der Leitung lokal verändern
und somit eine Reflexion verursachen.
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Bei
der Transmissionsmessung gibt es, wie bereits weiter oben ausgeführt,
zwei unterschiedliche Methoden:
Bei der reinen Transmissionsmessung
wird das Meßsignal an einem Ende der aus einer Leiterstruktur
bestehenden Sonde eingespeist und am anderen Ende empfangen. Gemessen
wird die Laufzeit des Meßsignals zwischen dem Zeitpunkt
des Aussendens und dem Zeitpunkt des Empfangens. Entscheidend für
die Laufzeit des Meßsignals ist dabei die effektive Permittivität
des die Sonde umgebenden Materials. Zum Erreichen einer ortsaufgelösten
Darstellung des Permittivitätsprofils des Materials entlang
der Sonde wird ein Obstakel entlang der Sonde verschoben, welches
die Eigenschaft besitzt, das elektromagnetische Feld der Sonde lokal
weiter in den Außenraum zu drängen, wodurch lokal
der Einfluß des die Sonde umgebenden Materials auf die
Laufzeit des Meßsignals erhöht wird. Aus der bekannten
Position des Obstakels und der entsprechenden Änderung
der Laufzeit lassen sich abschließend Rückschlüsse
auf die Permittivität des umgebenden Materials an der jeweiligen
Position des Obstakels ziehen.
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Bei
der Doppel-Transmissionsmessung wird auf eine zweite Meßstelle
am Ende der aus einer Leiterstruktur bestehenden Sonde verzichtet
und statt dessen ein hinreichend starker Reflektor realisiert. Das
Funktionsprinzip bzw. die Wirkungsweise des Obstakels und die daraus
resultierende Auswertung der Meßsignale ist weitestgehend
identisch zu der reinen Transmissionsmessung. Lediglich bedingt
durch die gemeinsame Anordnung des Meßsignal-Senders und
des Meßsignal-Empfängers am gleichen Ende der
Sonde ist das Auswerteverfahren dahingehend zu ändern,
daß nicht direkt die Laufzeit des transmittierten Meßsignals
bestimmt werden kann, sondern die Laufzeit des doppelt entlang der
Sonde gelaufenen Meßsignals. Das eingespeiste Meßsignal
wird nach einmaligem Durchlaufen der Meßstrecke am Ende
reflektiert und erst nach einem weiteren rückwärtigen
Durchlaufen der Meßstrecke am Einspeisepunkt detektiert.
Dementsprechend haben sich gegenüber der reinen Transmissionsmessung
sowohl die Laufzeit des Meßsignals verdoppelt als auch
der Einfluß des die Meßsonde umgebenden Materials.
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Bei
den zuvor beschriebenen Methoden der Transmissionsmessung wird ein
massives, die Sonde umgebendes Obstakel aus einem Material mit hoher
Permittivität gewählt, um den gewünschten
Effekt der lokalen Verdrängung des elektromagnetischen
Feldes in den die Sonde umgebenden Außenraum zu erzielen.
Alternativ sind Obstakelgeometrien und -materialien denkbar, die
den gegenteiligen Effekt haben und für eine lokale Ausdehnung
des elektromagnetischen Feldes im die Sonde umgebenden Außenraum
sorgen. Eine lokale Ausblendung des elektromagnetischen Feldes in
dem die Sonde umgebenden Außenraum führt ebenfalls
zu einer entsprechenden Beeinträchtigung der Laufzeit bzw.
der Laufzeiten des Meßsignals und läßt
somit Rückschlüsse auf die Eigenschaften des die
Sonde umgebenden Materials zu.
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Wie
mit der gemessenen effektiven Dielektrizitätszahl weiter
gearbeitet werden kann, kann für die Bestimmung der Feuchtigkeit
der Literaturstelle G. C. Topp und J. L. Davis "Measurement
of Soil Water Content Using Time-Domain Reflectrometry (TDR): A
Field Evaluation", Soil Science Society of American Journal,
Volume 49, Nr. 1, 1985, entnommen werden.
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Zuvor
sind als Möglichkeiten der Realisierung des erfindungsgemäßen
Verfahrens das Prinzip der Reflexionsmessung und das Prinzip der
Transmissi onsmessung dargestellt worden, das Prinzip der Transmissionsmessung
in zwei unterschiedlichen Methoden. Es ist aber auch möglich,
gleichzeitig eine Reflexionsmessung und eine Transmissionsmessung
durchzuführen, wenn das einzusetzende Obstakel geeignet
gewählt wird. Da das Obstakel für die Transmissionsmessung
eine gewisse Länge haben muß und außerdem
keine Totalreflexion verursachen darf, kommt es zu Reflexionen am
Anfang und am Ende des Obstakels. Daher muß bei der Wahl
des Obstakels sichergestellt werden, daß die einzelnen
Reflexionen getrennt erfaßt werden können. Ist
dafür Sorge getragen, können sowohl das am Anfang
des Obstakels reflektierte Meßsignal als auch das am Ende
reflektierte Meßsignal zur Laufzeitmessung verwendet werden.
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Abhängig
von der verwendeten Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens – Reflexionsmessung, Transmissionsmessung, Kombination
aus Reflexionsmessung und Transmissionsmessung – existieren
mehrere Realisierungsmöglichkeiten zur Erstellung von geeigneten
Obstakeln. Das Obstakel kann z. B. aus dielektrischem Material oder
aus metallischem Material realisiert und mechanisch verfahren werden. Alternativ
können auch PIN-Dioden-Schalter verwendet werden, die elektronisch
angesteuert werden. Die Positionierung des Obstakels kann also sowohl
manuell als auch automatisch erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit,
die gesamte Sonde zu verschieben. In einem solchen Fall dient das
Ende der Sonde als Obstakel, und durch die Verschiebung der Sonde
ergibt sich ein dielektrisches Profil.
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Unabhängig
von den beschriebenen Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Verfahrens können zur Erzeugung geeigneter Meßsignale
und zur entsprechenden Auswertung entfernungsmessende Mikrowellenmeßverfahren
bzw. allgemeiner laufzeitmessende Mikrowellenmeßverfahren
eingesetzt werden, wie z. B. TDR-Systeme, FMCW-Radarsysteme, Netzwerkanalysatoren
und trägerfrequente Puls-Radarsysteme.
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Die 1, 2 und 3 zeigen
schematische Darstellungen in bezug auf die verschiedenen, zuvor
erläuterten Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Verfahrens, nämlich 1 eine schematische
Darstellung der Reflexionsmessung, 2 eine schematische
Darstellung der reinen Transmissi onsmessung und 3 eine
schematische Darstellung der Doppel-Transmissionsmessung.
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In
den Figuren ist jeweils ein inhomogen aufgebautes bzw. zusammengesetztes
Material dargestellt, bei dem die einzelnen Teilstücke
die eingetragenen effektiven Dielektrizitätszahlen ε1 bis ε6 haben.
In einer Bohrung mit einem relativ kleinen Durchmesser – man
kann deshalb das erfindungsgemäße Verfahren auch als
minimal invasives Verfahren bezeichnen – wird eingebracht
bzw., ist eingebracht als Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Sonde, die
aus einer Leiterstruktur besteht und die weiter oben aufgeführten
Randbedingungen erfüllt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen
befindet sich auf der Sonde ein Obstakel, das auf der Sonde verschiebbar
ist. Wie das Obstakel ausgeführt sein kann und wie das Obstakel
längs der Sonde bewegt werden kann, ist weiter oben ausgeführt.
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In
der 1 ist besonders deutlich die Verschiebung des
Obstakels um Teilbereiche lmech erkennbar. In
der 3, in der schematisch die Doppel-Transmissionsmessung
dargestellt ist, ist am Ende der Meßstrecke ein Reflektor
vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - C. Huebner
und K. Kupfer ”Modelling of electromagnetic wave propagation
along transmission lines in inhomogeneous media” in MEASUREMENT
SCIENCE AND TECHNOLOGY, 18 (2007) Seiten 1147 bis 1154 [0005]
- - G. C. Topp und J. L. Davis ”Measurement of Soil Water
Content Using Time-Domain Reflectrometry (TDR): A Field Evaluation”,
Soil Science Society of American Journal, Volume 49, Nr. 1, 1985 [0018]
