ISBN 978-3-8439-4487-8

978-3-8439-4487-8, Reihe Messtechnik

Malte Mallach
Ultra-breitbandiges Mikrowellentomografie-System zur Untersuchung von Mehrphasenströmungen

237 Seiten, Dissertation Ruhr-Universität Bochum (2020), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die messtechnische Charakterisierung von Mehrphasenströmungen bildet die Grundlage für einen sicheren, energieeffizienten und wirtschaftlichen Betrieb von Produktionsanlagen. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Anwendbarkeit der Mikrowellentomografie (MWT) zur Charakterisierung von Mehrphasenströmungen. Die zentrale Aufgabenstellung ist die Entwicklung eines Systemkonzepts und neuartiger Hardwarekomponenten, wobei die Leistungsfähigkeit des Systems durch einen großen Nutzfrequenzbereich der Komponenten optimiert wird.

Im Rahmen der Arbeit wird ein ultra-breitbandiger MWT-Sensor entwickelt, der eine prozessgerechte Integration sowie die Abbildung von schnell veränderlichen Mehrphasenströmungen ermöglicht. Letzteres erfordert eine schnelle und hochgenaue Messung der S-Parameter des Sensors, die maßgeblich durch die elektromagnetischen Eigenschaften der Strömung beeinflusst werden. Dazu wird eine breitbandige Erfassungseinheit konzipiert, die eine parallele Messung aller Wellengrößen entsprechend des CW- bzw. FMCW-Verfahrens erlaubt. Ein Vergleich der Betriebsmodi zeigt, dass das FMCW-Verfahren vorteilhaft in Bezug auf die Kombination aus Messwiederholrate und Messrichtigkeit ist.

Die Eignung des MWT-Systems zur Abbildung von Mehrphasengemischen wird im Rahmen dieser Arbeit simulativ und experimentell untersucht. Die Lösung des inversen Streuproblems erfolgt mittels des linearen NOSER-Verfahrens, das eine Bestimmung der Permittivitätsverteilung mit hoher Wiederholrate erlaubt. Der große Nutzfrequenzbereich des entwickelten Systems erlaubt eine kontrastabhängige Anpassung der Rekonstruktionsfrequenz, wodurch die Abbildung stark unterschiedlicher Materialverteilungen und eine Optimierung der Genauigkeit ermöglicht werden. Es wird gezeigt, dass das entwickelte MWT-System eine Charakterisierung von Mehrphasengemischen erlaubt und demnach zur Überwachung, Regelung und Optimierung von verfahrenstechnischen Prozessen genutzt werden kann.