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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung dielektrischer Profile oder zur Bestimmung des Aufbaus und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material, wobei das Material, von dem ein dielektrisches Profil gemessen werden soll, oder das inhomogen aufgebaute und/oder das inhomogen zusammengesetzte Material, dessen Aufbau und/oder 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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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 und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material ”dielektrisch gearbeitet” wird. Mit ”dielektrisch gearbeitet” ist gemeint, dass die dielektrischen Eigenschaften des inhomogen aufgebauten und/oder des inhomogen zusammengesetzten Materials ”ausgewertet”, ”herangezogen”, ”ausgenutzt” und/oder ”verwendet” werden.
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Einleitend heißt es auch, dass die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung dielektrischer Profile oder zur Bestimmung des Aufbaus und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen 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 und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material geht, so geht es erfindungsgemäß jedoch nicht ausschließlich um die Bestimmung des Aufbaus und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen 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 und/oder zur Messung dielektrischer Eigenschaften von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material und/oder zur Bestimmung des Aufbaus und/oder der Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material liefern zumeist mir 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 und/oder inhomogen 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 und auf die Druckschriften
US 61 04 200 A und
EP 0 952 444 A1 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 und/oder der Aufbau und/oder die Zusammensetzung von inhomogen aufgebautem und/oder inhomogen zusammengesetztem Material bestimmt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Prinzip der Transmissionsmessung oder der Doppel-Transmissionsmessung angewendet wird.
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Die Einrichtung zur Messung dielektrischer Profile, mit der das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt wird, ist eine Sonde, die 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. in 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 Transmissionsmessung in zwei unterschiedlichen Methoden anwenden.
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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 drangen, 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 stattdessen 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 dankbar, 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 Masssignals und lässt somit Rückschlüsse auf die Eigenschalen 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 ist als Möglichkeit der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Prinzip der Transmissionsmessung in zwei unterschiedlichen Methoden dargestellt worden. Es ist aber auch möglich, gleichzeitig eine Transmissionsmessung und eine Reflexionsmessung 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-Transmissionsmessung sowie Kombination aus Transmissionsmessung und Reflexionsmessung – 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 Transmissionsmessung 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 ungetragenen 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. 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.
