DE102017202214A1

DE102017202214A1 - Verfahren und Anordnung zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn

Info

Publication number: DE102017202214A1
Application number: DE102017202214.0A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Herschel; Dirk Nüßler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: DE102017202214B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn, die sich auf einem Förderband oder als Bandmaterial entlang einer Förderstrecke in einer Förderrichtung bewegt. Bei dem Verfahren wird mit einem seitlich der Materialbahn angeordneten HF-Sender ein Sendestrahl mit HF-Signalen auf die Vorderseite der Materialbahn gerichtet. An der Rückseite der Materialbahn sind mehrere über die Breite der Materialbahn verteilte diskrete HF-Reflektoren oder ein sich über die Breite der Materialbahn erstreckender flächiger HF-Reflektor angeordnet. Aus Richtung der Materialbahn reflektierte HF-Signale werden mit einem HF-Empfänger empfangen und ausgewertet, um daraus die lokalen Eigenschaften der Materialbahn zu bestimmen. Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung ermöglichen eine hohe örtliche Auflösung und lassen sich kostengünstig realisieren.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn, die sich auf einem Förderband oder als Bandmaterial entlang einer Förderstrecke bewegt, bei denen mit einem HF-Sender ein Sendestrahl mit HF-Signalen auf eine Vorderseite der Materialbahn gerichtet wird, aus Richtung der Materialbahn reflektierte HF-Signale mit einem HF-Empfänger als Messsignale empfangen werden und die Messsignale ausgewertet werden, um lokale Eigenschaften der Materialbahn zu bestimmen.
Die Bestimmung von Materialeigenschaften an Materialbahnen muss häufig im laufenden Betrieb erfolgen und stellt eine wichtige Komponente zur Qualitätssicherung dar. Ein Beispiel sind Dichtemessungen an Materialbahnen während der Produktion von Isoliermaterialien wie bspw. Mineralwolle. Anhand der Ergebnisse können Materialzuführung, das Verhältnis von verschiedenen Materialien oder Prozessparameter wie Druck und Temperatur bei der Produktion kontrolliert werden.
Stand der Technik
Bisher erfolgen derartige Messungen an Materialbahnen mit Verfahren der Röntgentechnologie oder - sofern Koppelmedien wie Wasser verwendet werden können - auch mit Ultraschallverfahren. In letzter Zeit wurden auch Verfahren entwickelt, mit denen nicht elektrisch leitfähige Materialien mit Hilfe von Hochfrequenzsensoren mit Strahlung vom Mikrowellen- bis in den THz-Bereich vermessen werden können.
Der Einsatz von HF-Sensoren (HF: Hochfrequenz) ist dabei von besonderem Interesse, da sie berührungslos messen und bei hohen Fördergeschwindigkeiten eingesetzt werden können. Aktuell existieren im Wesentlichen zwei Verfahren, die bei Hochfrequenzmessungen eingesetzt werden. Dabei werden mehrere HF-Sensoren quer zur Förderrichtung über die Materialbahn bewegt. Beim ersten Verfahren wird eine Transmissionsanordnung eingesetzt, bei der sich der HF-Sender und der HF-Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten der zu durchleuchtenden Materialbahn befinden. Beim zweiten Verfahren wird eine Reflexionsanordnung genutzt, bei der HF-Sender und HF-Empfänger auf derselben Seite der Materialbahn angeordnet sind. Die HF-Sensoren tasten punktuell die Materialbahn bzw. den Materialstrom ab und messen dabei die Dämpfung und die Laufzeitverzögerung, die das elektromagnetische HF-Signal beim Durchdringen der Materialbahn erhält. Aus dieser Information kann dann jeweils die lokale Dichte der Materialbahn bestimmt werden.
Ein Nachteil dieser bisher bekannten Verfahren besteht darin, dass die Messung nicht an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen kann und ein mechanisches System zum Bewegen der HF-Sensoren über die Materialbahn erforderlich ist. Zur Vermeidung dieser Problematik können zwar Zeilenkameras eingesetzt werden, die über ein Array von HF-Sensoren die Materialbahn an mehreren Punkten gleichzeitig vermessen. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht jedoch darin, dass bei einem möglichst dichten Raster von Abtastpunkten die Anzahl der erforderlichen HF-Sensoren sehr schnell ansteigt. Dies ist mit einer erheblichen Zunahme der Kosten für ein derartiges System verbunden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Messung von Eigenschaften einer sich entlang einer Förderstrecke bewegenden Materialbahn anzugeben, die ein dichtes Raster an Messpunkten ermöglichen und sich mit geringeren Kosten realisieren lassen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn aus nicht elektrisch leitfähigem Material, die sich auf einem Förderband oder als Bandmaterial entlang einer Förderstrecke in einer Förderrichtung bewegt, wird mit einem HF-Sender ein Sendestrahl mit HF-Signalen auf eine Vorderseite der Materialbahn gerichtet. Aus Richtung der Materialbahn reflektierte HF-Signale werden mit einem HF-Empfänger als Messsignale empfangen. Die Messsignale werden ausgewertet, um lokale (Material-)Eigenschaften der Materialbahn zu bestimmen. Die Auswertung erfolgt dabei zumindest zum Teil auf Basis der Dämpfung und Laufzeitverzögerung, die das jeweilige HF-Signal beim Durchdringen der Materialbahn erhält. Unter reflektierten HF-Signalen sind dabei auch rückgestreute HF-Signale zu verstehen. Der Begriff der Hochfrequenz (HF) umfasst insbesondere den Frequenzbereich zwischen Mikrowellen- und Teraherz-Strahlung.
Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass an der Rückseite der Materialbahn mehrere über die Breite der Materialbahn verteilte diskrete HF-Reflektoren oder ein sich über die Breite der Materialbahn erstreckender flächiger HF-Reflektor angeordnet werden bzw. wird. Der HF-Sender wird seitlich der Materialbahn so angeordnet, dass der Sendestrahl in seiner Einfallsebene schräg, d.h. nicht senkrecht, auf die Vorderseite der Materialbahn auftrifft. Der Öffnungswinkel des Sendestrahls in der Einfallsebene wird vorzugsweise so groß gewählt, dass der Sendestrahl einen Anteil von wenigstens 25% der Breite, vorteilhaft wenigstens 50% der Breite, besonders bevorzugt die gesamte Breite der Materialbahn erfasst. Unter einer Anordnung des einen oder der mehreren HF-Reflektoren an der Rückseite der Materialbahn ist zu verstehen, dass die HF-Reflektoren von der Vorderseite der Materialbahn aus betrachtet, hinter bzw. unter der Materialbahn angeordnet sind, nicht jedoch, dass diese an der Materialbahn befestigt sind. Die seitliche Anordnung des HF-Senders bedeutet, dass dieser nicht über der Vorderseite der Materialbahn angeordnet wird, sondern seitlich davon. Mit dieser seitlichen Anordnung wird erreicht, dass in der Einfallsebene jeder Auftreffpunkt des Sendestrahls auf die Materialbahn einen anderen Abstand zum HF-Sender aufweist.
Das Verfahren kann mit einer bistatischen Anordnung von HF-Sender und HF-Empfänger oder auch mit einer monostatischen Anordnung durchgeführt werden, bei der HF-Sender und HF-Empfänger übereinstimmen, d.h. bei der die gleiche Antenne zum Senden und zum Empfang der HF-Signale genutzt wird. Das Verfahren nutzt die Radar-Technik für die Bestimmung der Eigenschaften der Materialbahn. In der vorliegenden Patentanmeldung werden HF-Sender und HF-Empfänger daher als auch Radarsender und Radarempfänger oder in Kombination auch als Radarsensoren bezeichnet.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung wird eine Reflexionsanordnung zur Bestimmung der Eigenschaften der Materialbahn eingesetzt. Durch die Anordnung eines oder mehrerer HF-Reflektoren über die gesamte Breite der Materialbahn in Verbindung mit der seitlichen Einstrahlung des Sendestrahls, der vorzugsweise zumindest annähernd die gesamte Breite der Materialbahn erfasst, kann mit nur einem einzigen Radarsensor ein entsprechend der Anordnung der HF-Reflektoren und Entfernungsauflösung der Radarmessung dichtes Raster an Messpunkten über die Breite der Materialbahn gleichzeitig abgetastet werden. Damit erfordern das Verfahren und die Anordnung keine mechanisch bewegten Baugruppen und lassen sich kostengünstig realisieren.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird unter der zu vermessenden Materialbahn quer zur Förderrichtung eine Reihe von einzelnen HF-Reflektoren angebracht, die in dem vom Sendestrahl erfassten Bereich liegt. Vorzugsweise liegt diese Reihe an HF-Reflektoren genau in der Einfallsebene des Sendestrahls. Durch die seitliche Beleuchtung der Materialbahn mit dem Sendestrahl können aufgrund der Entfernungsauflösung des Radars die einzelnen Reflektoren im Entfernungsbereich separiert werden. Aufgrund des (doppelten) Durchgangs der an den HF-Reflektoren rückreflektierten HF-Signale durch die Materialbahn werden diese abgeschwächt und verzögert. Beide Informationen können bei der Auswertung verwendet werden, um die Dichte der Materialbahn im Bereich der jeweiligen Reflektoren zu bestimmen.
In einer Weiterbildung dieser ersten Ausgestaltung werden als HF-Reflektoren dihedrale Winkelreflektoren eingesetzt und so ausgerichtet, dass sie die Polarisationsrichtung des einfallenden Sendestrahls bei Reflexion um 90° drehen. Die dihedralen Reflektoren werden hierzu auf den HF-Sender ausgerichtet und dann um 45° um die Achse, welche der Reflektor mit dem HF-Sender bildet, gedreht. Dihedrale Reflektoren, die unter 45° beleuchtet werden, drehen die Polarisationsrichtung um 90°. Dieses Verfahren wird üblicherweise zur Kalibration der Kreuzpolarisation während der Eichung von voll polarimetrischen Radarsystemen verwendet. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung kann es genutzt werden, um Reflexionen der Umgebung sowie von der Oberfläche der Materialbahn zu unterdrücken. Diese Reflexionen an der Oberfläche der zu vermessenden Materialbahn überlagern sich mit den Reflexionen der Reflektoren, so dass dies bei der Auswertung zu Störungen führen kann. Durch die hier vorgeschlagene Weiterbildung können die eigentlichen Messsignale, d.h. die an den HF-Reflektoren reflektierten HF-Signale, über die Polarisation bzw. Polarisationsfilter von den unerwünschten Reflexionen an der Oberfläche der Materialbahn getrennt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden bevorzugt für Materialbahnen eingesetzt, die mit Hilfe eines Förderbandes gefördert werden. In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung werden die HF-Reflektoren hierbei über das gesamte Förderband verteilt angeordnet, d.h. sowohl über die Breite als auch über die Länge des Förderbandes verteilt. Die Reflektoren können dabei in das Förderband integriert oder auch nur am Förderband angebracht werden, so dass sie sich mit dem Förderband in Förderrichtung bewegen. Die Bewegung des Bandes erzeugt in Abhängigkeit von der Position des jeweiligen Reflektors in Bezug zum HF-Sender eine Dopplerverschiebung des reflektierten Signales. Die Position der Reflektoren kann dann mit Hilfe einer Range-Doppler-Map getrennt werden. Bei entsprechender Ausdehnung des Sendestrahls in Förderrichtung werden vorzugsweise einzelne Messpunkte durch Tracking der einzelnen Reflektoren nachverfolgt, so dass die Messzeit und damit die Messdynamik für jeden Messpunkt deutlich erhöht wird.
Mit dieser zweiten Ausgestaltung wird die Sendeleistung des HF-Senders besser ausgenutzt als bei der ersten Ausgestaltung mit den in einer Reihe angeordneten HF-Reflektoren. Der Sendestrahl lässt sich nur begrenzt in Förderrichtung fokussieren, so dass bei der ersten Ausgestaltung ein großer Teil der Sendeleistung nicht auf die Reflektoren trifft. Da die Größe der Reflektoren die Auflösung des Systems beeinflusst, sind diese möglichst klein zu wählen. Gleichzeitig erfordert dies allerdings eine starke Fokussierung, um einen möglichst großen Anteil der Sendeleistung auf die Reflektoren bzw. die entsprechende Reihe an Reflektoren zu konzentrieren. Zwar könnte dies im Nahfeld gut erreicht werden, jedoch ist aus technischen Gründen ein gewisser Abstand zwischen HF-Sender und HF-Reflektor einzuhalten. Der größte Teil der gesendeten Leistung wird daher bei der ersten Ausgestaltung nicht von den Reflektoren erfasst. Bei der zweiten Ausgestaltung mit den über das gesamte Förderband verteilten Reflektoren wird die Sendeleistung deutlich besser ausgenutzt.
Auch bei dieser zweiten Ausgestaltung können aus der Laufzeitverzögerung und Dämpfung des HF-Signals nach Durchlauf durch die Materialbahn Rückschlüsse über die Materialdichte sowie die dielektrischen Eigenschaften der Materialbahn gezogen werden. Die Bandbreite des Radarsignals muss dabei hoch genug sein, um die Reflexionen der Materialbahn und der Bahn aus Reflektoren im Zeitbereich zu trennen. Zur Bestimmung der Permittivität muss die Laufzeit des HF-Signals mit der physikalischen Materialstärke der Materialbahn abgeglichen werden. Für die Ermittlung der elektrischen Laufzeit bieten sich unterschiedliche Verfahren an. Hierbei muss die Dicke der Materialbahn bekannt sein. In der Regel sind die Materialbahnen während der Produktion durch das Fertigungsverfahren exakt vorgegeben und somit bekannt. Alternativ kann auch über einen Entfernungssensor die Materialstärke über die Abstandsmessung zur Oberfläche der Materialbahn von oben und unten erfasst werden. Für die elektrische Laufzeitbestimmung wird vorzugsweise ein Autofokusverfahren verwendet. Hierbei wird das Förderband mit den Reflektoren etwas breiter gewählt als die Materialbahn. Der Radarsensor wird so angeordnet, dass er sowohl die Materialbahn mit dem darunter liegenden verdeckten Teil des Förderbandes als auch den unbedeckten Teil des Förderbandes beleuchtet. Wird jetzt einmal auf den verdeckten Teil und einmal auf den nicht verdeckten Teil des Förderbandes fokussiert, so werden unterschiedliche Korrekturparameter für die Phase erhalten. Bei bekannter Geometrie lässt sich aus diesen unterschiedlichen Phasenoffsets die Verzögerung des HF-Signals im Material abschätzen. Abgesehen von einer 2D-FFT (FFT: Fast Fourier Transformation) und dem Tracking der HF-Reflektoren ist bei dieser zweiten Ausgestaltung des Verfahrens keinerlei digitale Nachverarbeitung erforderlich. Dies begrenzt den Aufwand für eine praxistaugliche Echtzeitimplementierung deutlich.
In einer dritten vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung wird ein HF-Reflektor eingesetzt, der sich flächig über die gesamte Breite der Materialbahn erstreckt. Die Länge dieses HF-Reflektors in Förderrichtung wird dabei vorzugsweise wenigstens so groß wie die Ausdehnung des vom Sendestrahl erfassten Bereiches der Materialbahn in dieser Richtung gewählt. Bei Nutzung eines Förderbandes für den Materialtransport kann beispielsweise das gesamte Förderband mit einer entsprechend reflektierenden Schicht an der Ober- oder Unterseite versehen sein oder selbst den Reflektor bilden. Durch diese Nutzung eines flächigen Reflektors kann bei geringerer mechanischer Komplexität die Messauflösung weiter erhöht werden. Die Bildgebung erfolgt dabei über die Bildung einer synthetischen Apertur. Während sich bei klassischen SAR-Verfahren (SAR: Synthetic Aperture Radar) der Radarsensor über das Messobjekt bewegt, bewegt sich bei dem vorgeschlagenen Verfahren das Messobjekt (die Materialbahn) an dem Radarsensor vorbei. Die entscheidende relative Bewegung zwischen abzubildendem Objekt und Radarsensor bleibt jedoch bestehen. Mit der vorliegenden Ausgestaltung sollen vor allem für die HF-Strahlung transparente, schwach reflektierende Materialbahnen untersucht werden, so dass die direkte Reflexion an der Oberfläche der Materialbahn sehr gering ausfällt. Daher kann in diesem Fall auf einen stillstehenden oder sich mit der Materialbahn bewegenden flächigen HF-Rückstreuer bzw. HF-Reflektor auf der dem Radarsensor abgewandten Seite der Materialbahn zurückgegriffen werden. Abhängig von der mittleren Ausbreitungs- bzw. Fördergeschwindigkeit an jeder Stelle der Materialbahn ändert sich auch die Signallaufzeit des von dem flächigen Reflektor rückgestreuten HF-Signals. Es entsteht durch die schwankende Signallaufzeit ein virtuelles Höhenprofil, welches bei bekannter Stärke der Materialbahn auf dessen innere Beschaffenheit schließen lässt. Die Fokussierung der SAR-Abbildung erfolgt dabei auf den flächigen HF-Reflektor als Rückstreufläche. Die Permittivitäts- bzw. Dichteschwankungen des Materials werden, abhängig vom Abstand der Rückstreufläche zum Material und dem Öffnungswinkel des Sendestahls, auf diese Fläche projiziert, d.h. linear vergrößert. Diese Abbildung hängt ebenso von der Brechung an den Materialoberflächen ab, was sich jedoch bis auf die zu vermessenden Schwankungen ohne weiteres bei der Auswertung berücksichtigen lässt.
Der Verzicht auf diskrete HF-Reflektoren ermöglicht bei der dritten Ausgestaltung eine deutliche Vergrößerung der Auflösung. Diese wird nicht durch den mechanischen Aufbau sondern lediglich durch die Messrate des verwendeten Radarsensors und den daran angepassten Öffnungswinkel des Sendestrahls bzw. der in dem HF-Sender verwendeten Antenne begrenzt. Diese dritte Ausgestaltung eignet sich vor allem für stark transparente Materialien mit geringer Eigenreflexion. Der Eingriff in die Fördereinrichtung ist äußerst begrenzt. Die Auflösung quer zur Bewegungsrichtung der Materialbahn ergibt sich auch bei diesem Ansatz durch die Laufzeit des vom seitlich versetzt angebrachten HF-Sender einfallenden Signales. Für die Auswertung bzw. Bildgebung ist bei dieser Technik mittels synthetischer Apertur allerdings eine umfangreiche digitale Prozessierung erforderlich. Durch geeignete FPGAgestützte Vorverarbeitung und eine konsequente Prozess-Parallelisierung sind aber auch in diesem Fall echtzeitfähige Systeme zu erreichen.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Messung der Eigenschaften einer Materialbahn weist entsprechend eine Fördereinrichtung für die Materialbahn auf, mit der die Materialbahn auf einem Förderband oder als Bandmaterial entlang einer Förderstrecke in einer Förderrichtung bewegbar ist. Ein HF-Sender ist seitlich der Materialbahn so angeordnet, dass er einen Sendestrahl auf die Vorderseite der Materialbahn richtet, der in der Einfallsebene schräg auf die Vorderseite der Materialbahn trifft. Der HF-Sender ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass der Öffnungswinkel des Sendestrahls in der Einfallsebene einen Anteil von wenigstens 25% der Breite, vorteilhaft wenigstens 50% der Breite, besonders bevorzugt die gesamte Breite der Materialbahn erfasst. An einer Rückseite der Materialbahn sind zumindest innerhalb eines von dem Sendestrahl erfassten Bereiches mehrere über die Breite der Materialbahn verteilte diskrete HF-Reflektoren oder ein sich über die Breite der Materialbahn erstreckender flächiger HF-Reflektor angeordnet. Die Ausbildung und Anordnung der HF-Reflektoren erfolgt dabei entsprechend den unterschiedlichen Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens. So können beispielsweise diskrete HF-Reflektoren in wenigstens einer Reihe über die Breite der Materialbahn angeordnet sein oder diskrete HF-Reflektoren über das gesamte Förderband verteilt in das Förderband integriert oder am Förderband angebracht sein. Die HF-Reflektoren können dabei in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, bspw. auch durch trihedrale Elemente, Zylinder oder Felder aus Patchantennen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung. Weiterhin kann auch ein flächiger HF-Reflektor entweder statisch in dem vom Sendestrahl erfassten Bereich angeordnet sein oder am Förderband angebracht sein und sich über das gesamte Förderband erstrecken.
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Anordnung kommen dabei mit nur einem einzelnen Radarsensor aus, der entweder in monostatischer Anordnung, d.h. als einzelnes Sende- und Empfangselement, oder auch in bistatischer Anordnung, d.h. mit getrennten Sende- und Empfangselementen, realisiert werden kann. Selbstverständlich können bei Bedarf auch mehrere derartiger Radarsensoren eingesetzt werden. Zeilenkameras oder MIMO-Arrays werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung nicht benötigt. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen dennoch eine hohe örtliche Auflösung und lassen sich in kostengünstiger Weise realisieren.
Das Verfahren und die zugehörige Anordnung lassen sich in allen Bereichen einsetzen, in denen radartransparente Materialbahnen auftreten, in denen es zu Dichteschwankungen kommen kann. Dieses können bspw. Bahnen aus Mineralwolle, Steinwolle oder anderen Dämmmaterialien sein, wie bspw. Styroporplatten. Auch Schüttgut, in dem man die Dichte kontrollieren möchte, sowie Holz oder Sperrholzplatten, Gummibahnen usw. können mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung vermessen bzw. überwacht werden.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein erstes Beispiel einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung;
2A/B ein zweites Beispiel einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung; sowie
3 ein drittes Beispiel einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für eine mögliche erste Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Anordnung, bei dem diskrete HF-Reflektoren eingesetzt werden. Bei diesem Beispiel wird unter der zu vermessenden Materialbahn 1 eine Reihe von einzelnen HF-Reflektoren 2 quer zur Förderrichtung 3 der Materialbahn 1 angebracht. Diese HF-Reflektoren 2 sind statisch angeordnet, so dass sich die Materialbahn 1 in Förderrichtung 3 über diese Reflektoren hinweg bewegt. Die Materialbahn 1 kann dabei aus einem Bandmaterial gebildet sein, das sich frei über die HF-Reflektoren 2 hinweg bewegt oder auch aus einer Materialbahn, die mit Hilfe eines in der Figur nicht dargestellten Förderbandes in Förderrichtung 3 transportiert wird. Bei dieser Materialbahn kann es sich dann selbstverständlich auch um ein Bandmaterial handeln. Ein Radarsensor 4 wird seitlich der Materialbahn 1 angeordnet und beleuchtet die Szene von der Seite. Der Radarsensor 4 ist hierbei so angeordnet und ausgebildet, dass er einen Sendestrahl 5 emittiert, der sich über die gesamte Breite der Materialbahn 1 erstreckt und die HF-Reflektoren 2 erfasst. Der Radarsensor 4 weist in diesem Beispiel eine Antenne auf, die gleichzeitig als HF-Sender und HF-Empfänger dient. Durch die Entfernungsauflösung des Radars können die einzelnen HF-Reflektoren 2 im Entfernungsbereich separiert werden. Das von den HF-Reflektoren 2 reflektierte HF-Signal wird durch die über den Reflektoren liegende Materialbahn 1 abgeschwächt und verzögert. Beide Informationen können verwendet werden, um die Dichte der Materialbahn auf dem Verbindungslinien zwischen den HF-Reflektoren 2 und dem Radarsensor 4 zu bestimmen. Die geometrische Situation ist im rechten Teil der 1 nochmals im Schnitt senkrecht zur Förderrichtung der Materialbahn 1 dargestellt.
Die örtliche Auflösung bei dieser ersten Ausgestaltung ist allerdings durch die Entfernungsauflösung des Radars und die räumliche Ausdehnung der HF-Reflektoren 2 deutlich begrenzt. Diese müssen einen brandbreitenabhängigen Mindestabstand von mehreren Entfernungszellen haben. Ist der Abstand zwischen den HF-Reflektoren 2 zu gering, überlagern sich die Impulsantworten der einzelnen Reflektoren. Zwar sind sie in der Radarabbildung noch trennbar, es entsteht jedoch ein Amplituden- und Phasenfehler durch die Nebenzipfel der benachbarten Reflektoren. Über den Abstand zwischen den einzelnen Reflektoren entstehen linienförmige Blindspots, in denen keine Signale aufgenommen werden können. Dieses Problem kann durch die Anordnung mehrerer Radarsensoren 4 mit jeweils gegeneinander versetzten HF-Reflektoren 2 kompensiert werden. Jedoch erhöhen sich hierdurch der Platzbedarf, der technische Aufwand sowie die Kosten. Durch die Begrenzung der Messzeit auf den Durchlauf durch die HF-Reflektoren ist die Dynamik bei dieser Verfahrensvariante begrenzt.
2 zeigt ein Beispiel einer möglichen zweiten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Anordnung, bei dem die Sendeleistung des Radarsensors 4 besser ausgenutzt wird. Bei der in 1 dargestellten ersten Ausgestaltung wird der größte Teil der gesendeten Leistung nicht von den Reflektoren erfasst, da sich der Sendestrahl in Förderrichtung der Materialbahn 1 nicht ausreichend fokussieren lässt. Bei der hier vorgeschlagenen zweiten Ausgestaltung der 2 wird dieses Problem dadurch gelöst, dass weitere Reflexionspunkte bzw. Reflektoren 2 unter der Materialbahn 1 realisiert werden. Im einfachsten Fall wird hierbei unter der Materialbahn ein Band mit Reflexionspunkten, bspw. mittels kleiner Kugeln oder Strahlungselemente, verwendet, wie dies in 2A schematisch angedeutet ist.
2A zeigt hierzu die Verhältnisse bei einer Anwendung mit einem Förderband 6. Die Reflektoren 2 können hierbei in das Material des Förderbandes 6 integriert werden oder als planare Struktur auf der Oberfläche des Förderbandes 6 angebracht werden. Die Reflektoren 2 bewegen sich dann während der Förderung der Materialbahn 1 mit dieser Materialbahn mit. Die Bewegung des Förderbandes 6 erzeugt in Abhängigkeit von der Position des jeweiligen Reflektors 2 in Bezug zum Radarsensor 1 eine Dopplerverschiebung des reflektieren HF-Signales. Die Position der Reflektoren 2 lässt sich somit auf einer Range-Doppler-Karte trennen. Durch Tracking der einzelnen Reflektoren 2 können einzelne Messpunkte nachverfolgt werden, was die Messzeit und somit die Messdynamik für jeden Punkt deutlich erhöht. 2B zeigt hierzu die Situation beim Transport einer Materialbahn 1 mit einem derartigen Förderband 6, in das entsprechende Reflektoren 2 integriert sind. Auch hier wird mit dem Sendestrahl 5 wieder die gesamte Breite der Materialbahn 1 von der Seite beleuchtet. Durch die zusätzliche Materialschicht zwischen dem Radarsensor 4 und dem bewegten Förderband 6 mit den Reflektoren 2 gemäß der Darstellung der 2B wird die elektromagnetische Welle gedämpft und verzögert. Aus der Laufzeitverzögerung und der Dämpfung des HF-Signales kann dann die Materialdichte oder können auch dielektrische Eigenschaften der Materialbahn 1 bestimmt werden, wie dies bereits in der vorangehenden Beschreibung erläutert wurde.
3 zeigt schließlich noch ein Beispiel für eine mögliche dritte Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung. In diesem Beispiel ist unter dem Förderband 6 eine rückstreuende Fläche 7, bspw. als rückstreuende Platte, angebracht.
Diese rückstreuende Fläche 7 erstreckt sich über die gesamte Breite der Materialbahn 1 und über eine Länge, die den vom Radarstrahl 5 erfassten Bereich der Materialbahn überschreitet, wie dies in der Querschnittsdarstellung der 3 ersichtlich ist. Die Bildgebung erfolgt dabei über die Bildung einer synthetischen Apertur, wie dies bereits an anderer Stelle der vorliegenden Beschreibung erläutert wurde.
Bezugszeichenliste

1: Materialbahn
2: HF-Reflektoren
3: Förderrichtung
4: Radarsensor
5: Sendestrahl
6: Förderband
7: rückstreuende Fläche

Claims

Verfahren zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn (1), die sich auf einem Förderband (6) oder als Bandmaterial entlang einer Förderstrecke in einer Förderrichtung (3) bewegt, bei dem - mit einem HF-Sender (4) ein Sendestrahl (5) mit HF-Signalen auf eine Vorderseite der Materialbahn (1) gerichtet wird, - aus Richtung der Materialbahn (1) reflektierte HF-Signale als Messsignale empfangen werden, und - die Messsignale ausgewertet werden, um lokale Eigenschaften der Materialbahn (1) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass - der HF-Sender (4) seitlich der Materialbahn (1) angeordnet wird, so dass der Sendestrahl (5) in der Einfallsebene schräg auf die Vorderseite der Materialbahn (1) trifft, und - an einer Rückseite der Materialbahn (1) zumindest in einem vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich mehrere über eine Breite der Materialbahn (1) verteilte diskrete HF-Reflektoren (2) oder ein sich über eine Breite der Materialbahn (1) erstreckender flächiger HF-Reflektor (7) angeordnet werden oder wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten HF-Reflektoren (7) an der Rückseite der Materialbahn (1) in wenigstens einer Reihe angeordnet werden, die in einem vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Messsignale anhand der von den HF-Reflektoren (2) reflektierten HF-Signale lokale Dichten der Materialbahn (1) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als HF-Reflektoren (2) dihedrale Winkelreflektoren eingesetzt und so ausgerichtet werden, dass sie eine Polarisationsrichtung des einfallenden Sendestrahls (5) bei Reflexion um 90° drehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Reflektoren (2) bei Nutzung eines Förderbandes (6) über das gesamte Förderband (6) verteilt angeordnet in das Förderband (6) integriert oder am Förderband (6) angebracht werden, so dass sie sich mit dem Förderband (6) in Förderrichtung (3) bewegen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Positionen der vom Sendestrahl (5) jeweils erfassten HF-Reflektoren (2) bei der Auswertung unter Nutzung eines Range-Doppler-Diagramms unterschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der vom Sendestrahl (5) jeweils erfassten HF-Reflektoren (2) mit einer Tracking-Technik nachverfolgt werden, um eine Messzeit für den Empfang der Messsignale für jede dieser Positionen zu erhöhen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der Messsignale anhand der von den HF-Reflektoren (2) reflektierten HF-Signale lokale Dichten und/oder lokale dielektrische Eigenschaften der Materialbahn (1) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderband (6) mit den HF-Reflektoren (2) breiter als die Materialbahn (1) gewählt wird und eine elektrische Laufzeit der HF-Signale zur Bestimmung einer Permittivität der Materialbahn (1) mit Hilfe eines Autofokusverfahrens gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige HF-Reflektor (7) eine Längenausdehnung in Förderrichtung aufweist, die den vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung auf Basis einer SAR-Bildgebung erfolgt, aus der lokale Dichten und/oder lokale dielektrische Eigenschaften der Materialbahn (1) bestimmt werden.
Anordnung zur Messung von Eigenschaften einer Materialbahn (1), mit - einer Fördereinrichtung, mit der die Materialbahn (1) in einer Förderrichtung (3) bewegt werden kann, - einem HF-Sender (4), mit dem ein Sendestrahl (5) mit HF-Signalen auf eine Vorderseite der von der Fördereinrichtung bewegten Materialbahn (1) gerichtet werden kann, - einem HF-Empfänger, mit dem aus Richtung der Materialbahn (1) reflektierte HF-Signale empfangen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass - der HF-Sender (4) so seitlich der von der Fördereinrichtung bewegten Materialbahn (1) angeordnet und ausgebildet ist, dass der Sendestrahl (5) in der Einfallsebene schräg auf die Vorderseite der Materialbahn (1) trifft, und - an einer Rückseite der Materialbahn (1) zumindest in einem vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich mehrere über eine Breite der Materialbahn (1) verteilte diskrete HF-Reflektoren (2) oder ein sich über eine Breite der Materialbahn (1) erstreckender flächiger HF-Reflektor (7) angeordnet sind oder ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten HF-Reflektoren (7) an der Rückseite der Materialbahn (1) in wenigstens einer Reihe angeordnet sind, die in einem vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich liegt.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Reflektoren (2) als dihedrale Winkelreflektoren ausgebildet und so ausgerichtet sind, dass sie eine Polarisationsrichtung des einfallenden Sendestrahls (5) bei Reflexion um 90° drehen.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung ein Förderband (6) für die Materialbahn (1) aufweist und die HF-Reflektoren (2) über das gesamte Förderband (6) verteilt in das Förderband (6) integriert oder am Förderband (6) angebracht sind, so dass sie sich mit dem Förderband (6) in Förderrichtung (3) bewegen.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige HF-Reflektor (7) eine Längenausdehnung in Förderrichtung aufweist, die den vom Sendestrahl (5) erfassten Bereich übersteigt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Sender (4) und der HF-Empfänger in einer monostatischen Anordnung durch das gleiche HF-Element gebildet werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Sender (4) und der HF-Empfänger in einer bistatischen Anordnung voneinander getrennt angeordnet sind.