Feuchtemessverfahren und Feuchtesensoren
Im Arbeitsgebiet werden elektromagnetische Feuchtemessverfahren erforscht, weiterentwickelt und genutzt. Im Fokus stehen Resonatormessverfahren, Zeitbereichsreflektometrie (TDR), UWB-Messtechnik (ultra-wideband microwave impulse radar systems), Netzwerkanalyse, Sensorentwicklung. Wir entwickeln auf Feuchtemessung spezialisierte Resonatoren besonders für industrielle Problemstellungen. Zudem entwickeln wir Monitoringsysteme zur automatisierten Datenerfassung auf Basis der Zeitbereichsreflektometrie (engl. Time Domain Reflectometry – TDR).
Bei den genannten Verfahren sind über die elektromagnetischen Materialkenngrößen (dielektrische Kennwerte, frequenzabhängige komplexe Permittivität, elektrische Leitfähigkeit) Rückschlüsse auf Sekundärparameter des Materials wie Feuchte, Dichte, Temperatur und Druck möglich. Für die Erfassung der elektromagnetischer Materialeigenschaften steht uns diverse Messtechnik zur Verfügung. Die Materialeigenschaften werden wiederum in elektromagnetischen Simulationen genutzt, um Sensoren, Prozesse und Bauteile zu simulieren. Die Kenntnis der elektromagnetischen Materialkenngrößen ist auch eine wesentliche Voraussetzung zur erfolgreichen Planung und dem Einsatz nicht und minimal invasiver elektromagnetischer Verfahren (z. B. Resonatorverfahren, TDR, UWB) zum zeitlichen und räumlichen Monitoring physikalischer Zustandsgrößen.
Forschung
Frequenzverfahren: Resonatorverfahren
- Entwicklung von neuartigen Feuchtesensoren, auch für komplizierte Materialklassen
- Feuchtemessungen und Kalibrierungen mit standardisierten Referenzverfahren
- Entwicklung von anwendungsorientierten Kalibrier- und Auswerteverfahren
- Design von Feuchtemessgeräten
- Feuchtemonitoring
Zeitbereichsverfahren: TDR-Messverfahren (Time Domain Reflectometry)
- Entwicklung von TDR-Messsystemen zur automatisierten Datenerfassung und Rekonstruktion von Permittivitäts- und Feuchteverteilungen mittels inverser Modellierung
- Entwicklung und Optimierung breitbandiger TDR-Sensoren mit Hilfe elektromagnetischer Feldsimulationen
- Erarbeitung von multivariaten Auswerte- und Kalibrierverfahren zur Bestimmung des Wassergehalts
Elektromagnetische Materialeigenschaften
- Bestimmung breitbandiger elektromagnetischer Materialeigenschaften (Permittivität, Absorption, Transmission, Reflexion, Dämpfung, Ausbreitungsgeschwindigkeit)
- Theoretische Konzepte zur Modellierung der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit porösen Materialien
- Entwicklung von breitbandigen elektromagnetischen Mischgesetzen
- Einsatz von Leistungsmikrowellen zur Materialmodifizierung
Dienstleistung
- Bestimmung elektromagnetischer Materialeigenschaften im Wellenlängenbereich von 175 nm bis ca. 30 µm (z. B. nach DIN EN 410, DIN EN 12898)
- Machbarkeitsstudien (z. B. Prozessintegration, Querempfindlichkeiten)
- Numerische multiphysikalische 3D-Modellierung
- Unterausschuss Feuchte im Fachausschuss Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, DGZfP: Frank Bonitz
- Agilent UV-Vis-NIR Spektroskop, inklusive UMA und Integrationskugel
- Bruker IR-Spektroskop inklusive Integrationskugel
- ZVR Netzwerkanalysator Rohde & Schwarz (DC, 10 kHz – 4 GHz)
- Netzwerkanalysator PNA E8363B AGILENT (10 MHz – 40 GHz
- Spektrumanalysator FSL 6 Rohde & Schwarz (9 kHz – 6 GHz)
- Tektronix Kabeltester
- Campbell TDR 100 Zeitbereichsreflektometer
- Sequid TDR
- Truebner SMT 100
- Ilmsens Ultra Wideband (UWB) M-Sequenz-Radarsystem (17 MHz – 13.5 GHz)
- Mikrowellenleistungsgenerator
- Koaxiale Messzellen in verschiedenen Größen
- Koaxiale Oberflächensonden (100 MHz – 40 GHz)
- Druckversuchsstand bis 40 bar
- Resonatoren für unterschiedliche Frequenzen
- Resonatorfeuchtemessgeräte (100 MHz)
- Diverse Trockenschränke und Wägesysteme, Mikrowelle und Öfen
- Feuchteschnellbestimmer auf Basis Mikrowellentrocknung
- Feuchteschnellbestimmer auf Basis Infrarottrocknung
- Kryostat zur temperaturabhängigen Kalibrierung (-30° – 200°C)
- Hochtemperatur-Kammerofen bis 1400 °C
- Dynamische Dampfsorption (DVS), Dewpoint-PotentiaMeter (WP4C) sowie Druckplattenapparaturen zur Messung der Feuchtespeicherung von Materialien
- Coulometer WDS400 Sartorius
- Gesättigte Salzlösungen zur Einstellung bestimmter relativer Feuchten
- Numerische multiphysikalische 3D-Modellierungspakete, ANSYS HFSS
Projekte
Fördermittelgeber/in
Freistaat Thüringen aus Landesmitteln des Thüringer Ministeriums für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft
Richtlinie zur Förderung der Forschung (FOR-Richtlinie)
Projektträger/in
Thüringer Aufbaubank
Projektleiter/in
Dipl.-Ing. Martin Schickert
Partner/innen
Laufzeit
Dez 2018 - Aug 2021
Kurzfassung
Ziel des Projektes ist der Aufbau eines Tomographielabors mit der erstmaligen Kombination eines Ultraschall- und eines Mikrowellen-Messsystems. Beide Multikanal-Messsysteme sollen tomographische Abbildungen in Reflexion und Transmission realisieren und damit universell einsetzbar sein. Durch die Kombination der spezifischen Empfindlichkeiten von elastischen und elektromagnetischen Wellen
wird eine erweiterte, räumlich und zeitlich hochaufgelöste Materialcharakterisierung und Zustandsanalyse von Produkten aus heterogenen Materialien über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg ermöglicht.
Projekte
Fördermittelgeber/in
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
Projektträger/in
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF); Forschungsgemeinschaft der Ziegelindustrie e.V.
Projektleiter/in
Dr. rer. nat. Ralf Wagner
Partner/innen
Institut für Ziegelforschung Essen e.V.
Laufzeit
Nov 2019 - Dez 2022
Kurzfassung
Moderne Ziegel weisen komplexe Materialmischungen mit verschiedensten Zusatzstoffen und einen innovativen Produktionsprozess auf. In der Aufbereitung werden die Rohstoffkomponenten zerkleinert, gemischt und eine geeignete Plastizität für die Formgebung eingestellt. In allen Bereichen der Aufbereitung spielt Wasser eine bedeutende Rolle, besonders für den Tonaufschluss und der Plastizitätsregulierung. Derzeitig ist eine kontinuierliche Feuchtebestimmung mit den vorhandenen Messverfahren nicht möglich. Ziel des beantragten Projektes ist es, eine onlinefähige Feuchtemessung für die Ziegelproduktion zu ermöglichen, um die Feuchte in den Ausgangsmaterialien kontinuierlich und dichteunabhängig zu erfassen. Dadurch werden eine gleichmäßige Plastizität am Extruder und eine texturarme Formgebung möglich, wodurch Ausschuss durch Bruch reduziert und Trocknungsenergie eingespart wird. Den kmU (keramische Industrie, Messtechnikhersteller) kommt nahezu der alleinige Nutzen dieses Projektes zu. Auf Basis dielektrischer Mess-methoden soll das Feuchtemessgerät für die inhomogenen Ausgangsmaterialien entwickelt werden. Dafür werden Sensoren für ein Mehrparameterverfahren erarbeitet, die die spektralen Eigenschaften der Permittivität ausnutzen. Eine breitbandige Bestimmung der Permittivität definiert die Frequenzbereiche, indem die physikalischen Einflussgrößen Dichte und Feuchte ihre größte Sensitivität unabhängig voneinander aufweisen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse und der Definition der speziellen Anforderungen der Ziegelindustrie, sollen geeignete Sensoren mit Hilfe simulativer Werkzeuge designet werden. Es sind Auswertealgorithmen für das Mehrparameterverfahren zu erarbeiten. Zusammen mit einer Mikrowellenelektronik werden Sensor und Auswertealgorithmus in einem Laboraufbau realisiert und erprobt. Es werden Kalibrierungen erstellt und die erarbeiteten Anforderungen an das Messsystem überprüft. Ein Demonstrator erprobt die kontinuierliche, onlinefähige Feuchtemessung Vor Ort.
