Mehrtor-Kalibrierverfahren für die Mikrowellentomografie

Marc Zimmermanns, Patrik Gebhardt, Malte Mallach, Thomas Musch, Ilona Rolfes

Klein­heu­ba­cher Ta­gung 2015, U.R.S.I. Lan­des­aus­schuss in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land e.V., Mil­ten­berg, Ger­ma­ny, Sep 28-30, 2015


Abstract

Die Mikrowellentomografie ist ein bildgebendes Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Komponentenverteilung innerhalb einer definierten Messumgebung. Mikrowellentomografiesysteme werden beispielsweise in der Prozessindustrie zur nichtinvasiven Vermessung und Visualisierung von Mehrphasenströmungen in Rohren genutzt. Dazu werden Mikrowellensignale mittels geeigneter Koppelstrukturen, die typischerweise symmetrisch entlang des Umfangs eines Messrohrs angeordnet sind, in das Messgebiet, d.h. das Innere des Rohrs, eingekoppelt. Auf Basis der reflektierten und transmittierten elektromagnetischen Felder am Rand des Messgebiets kann die Permittivitätsverteilung im Inneren rekonstruiert werden. Ein Mikrowellentomografiesensor, bestehend aus einem Messrohr mit N Antennen, kann als lineares N-Tor mit Hilfe einer Streumatrix beschrieben werden. Die Berechnung der elektromagnetischen Felder am Rand des Messgebiets aus den gemessenen Streuparametern erfordert eine vollständige Korrektur der Systemfehler und eine Verschiebung der Referenzebenen an den Rand des Messgebiets.In diesem Beitrag wird die Möglichkeit einer komplexen Systemfehlerkorrektur eines am Lehrstuhl für Elektronische Schaltungstechnik der Ruhr-Universität Bochum entwickelten 8-Tor Mikrowellentomografiesystems untersucht. Der vorliegende Sensor besteht aus einem Metallrohr mit 8 symmetrisch angeordneten dielektrischen Fenstern und Rechteckhohlleitern als Einkoppelstrukturen. Aufgrund des Sensordesigns wird die Verwendung von homogenen dielektrischen Zylindern als Kalibrierstandards untersucht, die in das Rohr eingefügt werden können. Auf diese Weise werden die Referenzebenen an die Übergänge zwischen den dielektrischen Fenstern und dem Inneren des Rohres verschoben. Dies ermöglicht eine korrekte Bestimmung der elektromagnetischen Felder am Rand des Messgebiets und somit die Rekonstruktion der Permittivitätsverteilung im Inneren.Zunächst wird in einem ersten Schritt ein Modell zur Beschreibung des Messaufbaus vorgestellt. Auf Basis dieses Modells wird die Adaption bestehender Kalibrieralgorithmen für die Mehrtor-Netzwerkanalyse untersucht. Dabei wird der Einfluss eines endlichen Signal-zu-Rausch-Verhältnis und des Übersprechens zwischen einzelnen Signalpfaden auf die Genauigkeit der Kalibrierung analysiert. Auf Basis dieser Untersuchung und der Eigenschaften des Messaufbaus wird die maximale erreichbare Genauigkeit der Kalibrierung bestimmt. Das vorhandene Simulationsmodell wird im Weiteren genutzt, um die Anforderungen an die Streuparameter der Kalibrierstandards zu definieren. Hierbei wird die Möglichkeit der Kalibrierung mit Hilfe von homogenen dielektrischen Zylindern im Inneren des Messrohrs überprüft. Auf Basis dieser Ergebnisse werden die notwendigen dielektrischen Eigenschaften der Materialien für die Kalibrierzylinder bestimmt. Abschließend werden mögliche Realisierungen der Kalibrierstandards vorgestellt.

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