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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichttiefenmessung von übereinander
liegenden Schichten sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung
betrifft eine Verwendung der Vorrichtung zur Detektion eines Lawinenopfers sowie
zur Ermittlung von Schichttiefen in einem Schüttgut.
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Als
Stand der Technik sind invasive und nicht invasive Verfahren zur
Ermittlung der verschiedenen Schichttiefen in einem Schüttgut, in
einer Flüssigkeit oder
in einem festen Medium, wie z.B. in einem Werkstoff bekannt.
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Als
Beispiel für
ein invasives Verfahren sind aktive Sonden bekannt, durch welche
ein verschüttetes
Lawinenopfer detektiert werden kann. In diesem Fall kann das verschüttete Lawinenopfer
als eine Schicht betrachtet werden, welche in einer Schichttiefe
in einem Schüttgut,
d.h. in einer Schneeschicht, vergraben liegt. Das Lawinenopfer kann
dann durch Einführen
der aktiven Sonden aufgespürt
werden, wenn dieses einen entsprechenden aktiven oder passiven Sender
mit sich führt.
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Nachteilig
daran ist, dass ein Lawinenopfer nur schwer und vor allem nicht
mehr rechtzeitig aufgespürt
werden kann, wenn dieses keinen entsprechenden Sender mit sich geführt hatte.
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Ein
Beispiel für
ein nicht invasives Verfahren ist das Ultraschallverfahren. Mittels
eines akustischen Wandlers werden Ultraschallwellen in ein zu untersuchendes
Medium, wie z.B. in einen Werkstoff, eingeleitet. Die von den jeweiligen
Schichten im Werkstoff zeitlich versetzt reflektierten Wellen werden
dann empfangen und mittels eines Bildgebungsverfahrens ausgewertet.
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Nachteilig
daran ist, dass geeignete Maßnahmen
notwendig sind, um die Akustikwellen überhaupt in das zu untersuchende
Objekt einleiten zu können.
U.U. ist die Oberfläche
mit einem Gel zu versehen oder der akustische Wandler direkt auf
die Oberfläche
aufzusetzen.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens anzugeben, mittels welchen die verschiedenen Schichttiefen
in einem festen, in einem flüssigen
Medium oder in einem Schüttgut
ermittelt werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst
mit einem Verfahren zur Schichttiefenmessung von übereinander
liegenden Schichten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei
dem Verfahren werden elektromagnetische Wellen mit einer sich innerhalb
eines Frequenzbereichs wiederholenden Sendefrequenz mittels einer
Sendeantenne auf die übereinander
liegenden Schichten gerichtet, welche in einem dem Frequenzbereich
korrespondierenden Nahfeldbereich der Sendeantenne vorliegen bzw.
erwartet werden. Anschließend
wird ein Verlauf einer Antennenimpedanz der Sendeantenne über den
Frequenzbereich gemessen und Stellen mit signifikanter Abweichung
im Verlauf zumindest ein Wert für
die Schichttiefe im Nahfeldbereich zugewiesen.
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Insbesondere
wird an den Stellen mit signifikanter Abweichung die jeweilige zugehörige Sendefrequenz
bzw. die jeweilige Wellenlänge
ermittelt, und dann aus der jeweiligen zugehörigen Nah-/Fernfeldgrenze im
Nahfeldbereich, d.h. im Untersuchungsbereich der zumindest eine
Wert für
die Schichttiefe abgeleitet.
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Die
Sendeantenne stellt dabei einen Wandler dar, der eine Leitungswelle,
im allgemeinen ein hochfrequentes elektrisches Signal, in eine Freiraumwelle
wandelt, die zur leitungsgebun denen Ausbreitung geeignet ist. Dazu
werden im sogenannten Nahfeld der Sendeantenne quasistationäre elektrische
und magnetische Felder angeregt, die ihrerseits elektromagnetische
Felder im Raum erzeugen. Die Ausdehnung des Nahfelds ist insbesondere
durch die Sendefrequenz, bzw. durch ihre korrespondierende Wellenlänge sowie
auch durch die Abmessungen der Antennenstruktur und das umgebende
Medium beeinflusst.
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Dieser
Zusammenhang ist z.B. im „RFID-Handbuch" von Klaus Finkenzeller,
Carl Hanser Verlag München
Wien, Auflage 2002, Seite 116ff beschrieben. Dort ist im Detail
der Loslösungsprozess
einer elektromagnetischen Welle erklärt. Am Beispiel einer kreisförmigen Leiterschleifenantenne oder
einer sog. magnetischen Antenne liegt die virtuelle Grenze zwischen
Nah- und Fernfeld
bei ca. λ/2π. Dabei geht
das ursprüngliche
rein magnetische Feld mit zunehmendem Abstand von der magnetischen Antenne
in ein elektromagnetisches Feld über,
wobei sich ab der o.g. Grenze zusätzlich das elektromagnetische
Feld von der Antenne löst.
Die Wellenlänge λ ist dabei
der Quotient aus Lichtgeschwindigkeit c und Frequenz des in der
Antenne fließenden
Erregerstroms.
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Im
Gegensatz zu den Vorgängen
im Fernfeld, bei welchen sich elektromagnetische Wellen bereits
von der Sendeantenne gelöst
haben, wirken im Nahfeld Absorptions- und Reflexionseffekte auf
eine sich noch nicht von der Sendeantenne losgelöste elektromagnetische Welle
unmittelbar auf die elektrischen Eigenschaften der Sendeantenne
zurück.
Dies ist insbesondere die elektrische Impedanz der Sendeantenne.
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Dieser
Effekt ist an sich störend,
wie z.B. bei Messungen von Antennenkenngrößen durch Messsonden im Nahfeld,
kann aber in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, um nun gezielt
diese Impedanzänderungen
der Sendeantenne zu messen. Über Variation
der Sendefrequenzen wird quasi die virtuelle Grenze zwischen Nah-
und Fernfeld im zu untersuchenden Medium im Sinne eines Scanners
verschoben. Sind in diesem Grenzbereich signifikante Änderungen
im Aufbau des Mediums vorhanden, wie z.B. in Form von Schichten
mit unterschiedlicher Dichte oder elektrischer Leitfähigkeit,
so sind diese über
signifikante Impedanzänderungen
feststellbar. Mittels bildgebender Verfahren lässt sich dann vorteilhaft der Aufbau
in der „Tiefe" rekonstruieren,
in dem Impedanzwerte jeder Sendefrequenz in die Betrachtung rechnerisch
einfließen.
Das Verfahren erfolgt dabei berührungslos
und ohne, dass zusätzliche
weitere Vorbereitungen am zu untersuchenden Medium vorgenommen werden
müssen.
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Zusätzlich lässt sich
ein räumliches
Bild in der Tiefe erstellen, wenn die Sendeantenne innerhalb eines
Koordinatensystems, d.h. in x- und/oder y-Richtung (siehe Figur)
mit einer entsprechend geeigneten Vorrichtung zum Verfahren der
Sendeantenne verschoben wird. Bildgebungsverfahren, welche die Summe
der Messwerte für
die jeweiligen Koordinaten dann in ein entsprechendes Bild umwandeln,
sind z.B. aus Computertomographie bekannt. Das Verschieben der Sendeantenne
in z-Richtung würde einer
Variation der Sendefrequenz entsprechen. Alternativ dazu ist es
auch möglich,
bei konstanter Frequenz die Sendeantenne vertikal zur Oberfläche der
zu untersuchenden übereinander
liegenden Schichten zu bewegen.
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Bei
einer Verfahrensvariante kann eine Vielzahl von Sendeantennen in
einer Reihe oder in einem Array angeordnet sein, wobei elektromagnetische
Wellen zumindest sequentiell mit einer Sendeantenne auf die Schichten
gerichtet werden. Es wird dann ein Verlauf einer jeweiligen Antennenimpedanz über den
Frequenzbereich gemessen und Stellen signifikanter Abweichung im
jeweiligen Verlauf zumindest ein Wert für die jeweilige Schichttiefe
zugewiesen.
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Dadurch
kann vorteilhaft schneller und ohne mechanisches Verfahren der Sendeantenne
ein Bereich mit übereinander
liegenden Schichten untersucht werden.
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Bei
einer weiteren Verfahrensvariante können die jeweiligen Verläufe der
Antennenimpedanz mittels eines Bildgebungsverfahrens vorteilhaft
in eine flächige
oder räumliche
Darstellung des Aufbaus der zu untersuchenden übereinander liegenden Schichten
rechnerisch, d.h. mittels eines Computers, zusammengesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Verlauf des
Betrags der Antennenimpedanz über
den Frequenzbereich gemessen. Alternativ kann dabei auch der Verlauf
des Real- und/oder Imaginärteils
und/oder der Verlauf des Winkels des komplexen Zeigers der Antennenimpedanz über den Frequenzbereich
gemessen werden. Es können
somit mehrere Aspekte der komplexen Impedanz zur Auswertung herangezogen
werden.
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Geeignet
sind insbesondere elektromagnetische Wellen, welche eine Frequenz
von mindestens 5 MHz sowie maximal von 5 GHz aufweisen. Diese Frequenzen
korrespondieren dabei mit Werten für die Grenze zwischen Nah-
und Fernfeld von ca. 1 cm bis ca. 10 m. Der dabei vorgebbare Frequenzbereich kann
auf das jeweilige zu untersuchende Medium abgestimmt werden.
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So
ist z.B. für
die Suche nach einem Lawinenopfer ein Frequenzbereich von ca. 2
bis 5 MHz vorteilhaft. Der zugehörige
Bereich für
die Nah- und Fernfeldgrenze liegt dann bei ca. 2 bis 5 m. Dieser Bereich
stellt sozusagen der Untersuchungsbereich dar, welcher bei gegebener
Antennengeometrie durch Auswahl des Frequenzbereichs der auszusendenden
elektromagnetischen Wellen eingestellt werden kann.
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Höherfrequente
elektromagnetische Wellen sind insbesonders vorteilhaft für zu untersuchende Medien,
wie z.B. von Schüttgut,
mit einer Gesamtdicke der Schichten von ca. 10 cm bis ca. 1 m. Dabei ist
vorauszusetzen, dass das zu untersuchende Medium nur eine geringe
elektrische Leitfähigkeit
aufweist. Im Gegensatz dazu würden
Messungen an Metallen oder Elektrolyten derart die Impedanz „verschieben" bzw. den messtechni schen
Eingangsbereich für
die Impedanzänderungen
derartig übersteuern,
dass kein messbarer Effekt im Sinne des o.g. Verfahrens möglich ist.
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Das
o.g. Verfahren ist daher besonders geeignet für die Untersuchung von nichtmetallischen Schichten
sowie von Schichten mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit
von max. 0,1 S/m, insbesondere von max. 1 S/m.
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Das
Verfahren kann besonders vorteilhaft mittels einer magnetischen
Antenne oder einer Leiterschleifenantenne bewerkstelligt werden.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst
mit einer Vorrichtung zur Schichttiefenmessung von übereinander
liegenden Schichten zur Durchführung
des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
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Dabei
umfasst die Vorrichtung einen Frequenzwobbler zur Erzeugung sich
wiederholender Ansteuersignale, einen damit verbundenen Hochfrequenzgenerator
zur Erzeugung entsprechender Sendefrequenzen, zumindest eine damit
verbundene Sendeantenne zur Aussendung von elektromagnetischen Wellen,
ein Impedanzmessgerät
zur Messung der Antennenimpedanz und zur Ausgabe von zugehörigen Messwerten.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine elektronische Auswerteeinheit,
welche mit dem Frequenzwobbler und dem Impedanzmessgerät verbunden
ist und welche Mittel zur Ableitung zumindest eines Wertes für die Schichttiefe
aus den Messwerten der Antennenimpedanz bei der jeweiligen angesteuerten
Sendefrequenz aufweist.
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Dabei
können
in vorteilhafter Weise die zuvor genannten Bestandteile der Vorrichtung
in einem Gerät
als Detektor integriert sein, so dass eine einfache Handhabbarkeit
möglich
ist. Auch ist es möglich, an
diese Vorrichtung die Sendeantenne anschließbar zu gestalten, um Rückwirkungen
der Vorrichtung auf die Impedanz der Sendeantenne möglichst
gering zu halten.
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Vorzugsweise
verfügt
die Vorrichtung über graphische
Ausgabemittel für
die abgeleiteten Werte der Schichttiefe, so dass visuell Änderungen
sofort erkannt werden können.
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Die
Sendeantenne kann beispielsweise als Dipolantenne oder als magnetische
Antenne ausgebildet sein.
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Die
Verwendung der Vorrichtung ist insbesondere vorteilhaft zur Detektion
eines Lawinenopfers, welches als eine Schicht innerhalb übereinander
liegender Schneeschichten verschüttet
ist. Insbesondere trägt
hier die gegenüber
Schnee erhöhte elektrische
Leitfähigkeit
des menschlichen Körpers zur
möglichen
Detektion bei.
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Weiterhin
ist die Vorrichtung zur Ermittlung von Schichttiefen von in Schichten
vorliegendem Schüttgut,
wie z.B. von Erdschichten, etc. geeignet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird am Beispiel der Verwendung der Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens zur Detektion eines Lawinenopfers erläutert.
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Dabei
zeigt die Figur ein in einer Schneeschicht S1 verschüttetes Lawinenopfer
S2,M, welches eine Schicht S2 innerhalb der zu untersuchenden übereinander
liegenden Schichten S1, GR,S3 darstellt. Das beispielhafte Lawinenopfer
M ist dabei in einer Tiefe T2 unter einer Schneeoberfläche OF verschüttet. GR
bezeichnet dabei den Grund.
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Oberhalb
der Schneeoberfläche
OF ist ein erfindungsgemäßer Detektor
DET als beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu sehen.
Der Detektor DET umfasst dabei die schon eingangs genannten Komponenten
wie HF-Frequenzgenerator HFG zur Erzeugung hochfrequenter elektrischer
Signale in einem vorgebbaren Frequenzbereich f1,..f2. Zur zyklischen
Ansteuerung ist beispielhaft der HF-Frequenzgenerator HFG mit einem
Frequenzwobbler WOB verbunden, welcher mittels hier beispielhaft
zyklischer sägezahnförmiger Ansteuersignale
F1,..,F2 den HF-Frequenzgenerator HFG auf der niederfrequenten Seite
ansteuert. Die „Wobbler"-Funktionalität ist bereits
häufig,
neben bekannten Sinus-, Rechteck- oder Dreieckfunktionalitäten, in HF-Frequenzgeneratoren
integriert. Weiterhin ist parallel zu den Zuführungsleitungen einer beispielhaften
Dipolantenne als Sendeantenne ANT ein beispielhaftes Impedanzmessgerät ZMES geschaltet, welches über eine
entsprechende weitere Leitung oder Datenverbindung zugehörige Messwerte
ausgeben kann. Das Impedanzmessgerät ZMES kann dabei beispielhaft
den Betrag |Z| der Impedanz Z der Sendeantenne ANT, sowie deren
Realteil R, Imaginärteil
I oder den Winkel φ des
komplexen Zeigers der Impedanz Z ausgeben. Allgemein ist die Impedanz
Z ermittelbar aus dem Verhältnis
der an der Sendeantenne ANT anliegenden Spannung und des in die
Antenne ANT fließenden
Stroms. Schließlich umfasst
der Detektor DET neben der Sendeantenne ANT eine Auswerteeinheit
AE, welche die Impedanzmesswerte MW in Zugehörigkeit zur jeweiligen Sendefrequenz
f1,..,f2 erfassen kann. Im Beispiel der vorliegenden Figur werden – da messtechnisch günstiger – die Ansteuersignale
F1,.., F2 als Repräsentant
der HF-Sendefrequenzen f1,..,f2 zur Auswertung herangezogen.
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Im
Beispiel der vorliegenden Figur ist nun die Sendeantenne ANT in
einem Abstand AB quasi als Sonde über der Schneeoberfläche OF angeordnet, von
welcher sich eine elektromagnetische Welle EMW gerade noch nicht
gelöst
hat. Dieser beispielhafte Grenzzustand ist die eingangs genannte
Grenze Gλ zwischen
Nahfeld NF und Fernfeld FF bei einer korrespondierenden Wellenlänge λ bzw. einer
innerhalb des Sendefrequenzbereichs f1–f2 korrespondierenden Sendefrequenz
f1,..,f2. Dadurch, dass diese elektromagnetische Welle EMW noch
mit der Sendeantenne ANT über
das E-Feld verbunden ist, wirkt diese in Form einer Impedanzänderung
auf die Sendeantenne ANT zurück.
Diese Änderungen
haben gemäß dem Beispiel
ihre Ursache darin, dass zu einem Teil die eingezeichnete elektromagnetische
Welle EMW nun den menschlichen Körper
M mit seiner im Vergleich zur umgebenden Schneeschicht S1 erhöhten Leitfähigkeit
durchdringt.
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Im
Beispiel der Figur ist weiterhin der zum Frequenzbereich f1,..,f2
bzw. zum korrespondierenden Wellenlängenbereich λ1–λ2 zugehörige Nahfeldbereich
als Untersuchungsbereich UB eingetragen, welcher von den jeweiligen
Nah-/Fernfeldgrenzen Gλ1–Gλ2 überstrichen
wird. Zu den jeweiligen Grenzen Gλ1,Gλ, Gλ2 sind zur
Verdeutlichung die jeweiligen Schichttiefen T1–T3, bei welchen gerade die
Untersuchung erfolgt, eingetragen.
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Die
Auswerteeinheit AE zeigt nun auf einem Display an, wie sich für den Nahfeldbereich
UB die Antennenimpedanz Z im Verlauf V durch das Vorhandensein des
beispielhaften menschlichen Körpers S2,M
nun ändert.
Die zugehörige
signifikante Änderung
1 ist dabei mittels eines Pfeils dargestellt. Es wird dies bezüglich angemerkt,
dass der Verlauf V der Antennenimpedanz Z gemäß der vorliegenden Figur nur
beispielhaft und folglich auch nur qualitativ zu verstehen ist.
Die signifikante Knickstelle 1 kann nun mittels eines in der Auswerteeinheit
AE ausführbaren
Programms ermittelt werden, wobei dieser Stelle auf der x-Achse
ein Schichttiefenwert T2 zugeordnet wird. Dies kann rechnerisch
dadurch erfolgen, dass z.B. im Verlauf V der Antennenimpedanz Z
das zugehörige
Ansteuersignal F1,..,F2 ermittelt wird, diesem Signal dann die zugehörige Sendefrequenz f1,..,f2
zugeordnet wird. Über
die Beziehung λ =
c/f kann aus der Sendefrequenz f1,..,f2 die korrespondierende Wellenlänge λ1,..,λ2 ermittelt
werden. Letztlich lässt
sich über
eine lineare Abbildung die Nah-/Fernfeldgrenze Gλ und somit die zugehörige Schichttiefe
T2 ermitteln. Im Beispiel einer magnetischen Antenne ANT wäre folglich
die Schichttiefe T2 = λ/2π.
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Im
Beispiel der Figur ist weiterhin strichliiert der Verlauf V der
Antennenimpedanz Z dargestellt, wenn der Untersuchungsbereich UB
erweitert würde. In
diesem Fall würde
der Grund GR mit seiner erhöhten
Leitfähigkeit
in der Schichttiefe T4 zu einer weiteren Änderung 2 im Verlauf V der
Antennenimpedanz Z führen.
Dies ist durch einen weiteren Pfeil gekennzeichnet.