DE102016123453A1

DE102016123453A1 - Device and method for measuring particles

Info

Publication number: DE102016123453A1
Application number: DE102016123453.2A
Authority: DE
Inventors: Alwin Reinhardt; Alexander Teplyuk; Michael Höft
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2016-12-05
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Eine Einrichtung zur Messung von Partikeln (1) mit einer Radareinheit wird beschrieben, die eine Sendeantenne (3) zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich einer Sendekeule (S) und mindestens eine Empfangsantenne (4, 4a, 4b) zum Empfangen reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich einer Empfangskeule (E) hat. Die Sendekeule (S) ist im Winkel zur Empfangskeule (E) ausgerichtet. Die Sendekeule (S) und die Empfangskeule (E) überlappen sich in einem Detektionsraum (D) und laufen in Erstreckung der Sendekeule (S) von der Sendeantenne (3) und in Erstreckungsrichtung der Empfangskeule (E) von der mindestens einen Empfangsantenne (4, 4a, 4b) gesehen hinter dem Detektionsraum (D) wieder auseinander. Die Ausrichtung von der Sendekeule (S) zu der mindestens einen Empfangskeule (E) zueinander ist zur Reduzierung von Störeinflüssen durch Störobjekte (O) einstellbar.A device for measuring particles (1) with a radar unit is described, which has a transmitting antenna (3) for emitting an electromagnetic radar measuring field in the spatial area of a transmitting lobe (S) and at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) for receiving reflected radar waves in spatial area of a reception lobe (E) has. The transmitting lobe (S) is aligned at an angle to the receiving lobe (E). The transmitting lobe (S) and the receiving lobe (E) overlap in a detection space (D) and extend in the extension of the transmitting lobe (S) from the transmitting antenna (3) and in the extension direction of the receiving lobe (E) of the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) behind the detection space (D) apart again. The orientation of the transmitting lobe (S) to the at least one receiving lobe (E) to each other is adjustable to reduce interference by disturbing objects (O).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Partikeln mit einer Radareinheit, die eine Sendeantenne zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Radarmessfeldes im räumlichen Bereich eine Sendekeule und mindestens eine Empfangsantenne zum Empfang reflektierter Radarwellen im räumlichen Bereich einer Empfangskeule hat.The invention relates to a device for measuring particles with a radar unit which has a transmitting antenna for emitting an electromagnetic Radarmessfeldes in the spatial area a transmitting lobe and at least one receiving antenna for receiving reflected radar waves in the spatial area of a receiving lobe.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung von Partikeln mit einer solchen Einrichtung.The invention further relates to a method for measuring particles with such a device.

Es besteht ein Bedarf, Partikel bzw. in einem Volumenstrom Partikelströme zu messen, beispielsweise zur Emissionskontrolle von Feinstaub. Solche Partikel enthaltende Volumenströme können bei Schornsteinen industrieller Anlagen und Heizungsanlagen oder beim Auspuff von Fahrzeugen oder ähnliches austreten.There is a need to measure particles or in a volume flow particle flows, for example, for the emission control of particulate matter. Volume flow containing such particles can escape in chimneys of industrial plants and heating systems or in the exhaust of vehicles or the like.

Zur Partikelmessung ist beispielsweise eine sedimentäre Analyse bekannt, bei der Proben eines Partikelstroms z.B. mit einem Filter gesammelt und später analysiert werden. Dies kann nicht in Echtzeit erfolgen und ist nicht automatisierbar.For particle measurement, for example, a sedimentary analysis is known in which samples of a particle stream e.g. collected with a filter and analyzed later. This can not be done in real time and is not automatable.

Mit der triboelektrischen Methode wird eine elektrische Widerstandsänderung an einem elektrisch leitfähigen, widerstandsbehafteten Stab gemessen, der in dem Volumenstrom positioniert wird. Die Partikel, welche mit dem Messstab in Berührung kommen, verursachen eine solche elektrische Widerstandsänderung, sodass ein Rückschluss auf die Partikelkonzentration möglich ist. Das Verfahren ist allerdings nicht kontaktlos und misst nur das vom Messstab eingenommene Volumen. Die Installation der Messeinrichtung ist aufwendig und es ist keine weitere Analyse von Partikelmerkmalen, beispielsweise der Partikelgeschwindigkeit möglich.With the triboelectric method, an electrical resistance change is measured on an electrically conductive, resistive rod, which is positioned in the volume flow. The particles, which come into contact with the dipstick, cause such an electrical resistance change, so that a conclusion on the particle concentration is possible. However, the method is not contactless and measures only the volume occupied by the dipstick. The installation of the measuring device is complicated and there is no further analysis of particle characteristics, such as the particle velocity possible.

Mit optischen Messverfahren, bei denen der Volumenstrom mit sichtbarem oder unsichtbarem Licht durchleuchtet wird, lässt sich die Partikelkonzentration in Abhängigkeit einer Lichtabschwächung messen. Die Messung ist durch die Lichtdurchlässigkeit des Volumenstroms selbst begrenzt, sodass eine Partikelmessung in sehr dichtem Rauch kaum möglich ist. Auch hier lassen sich keine Rückschlüsse auf weitere Partikeleigenschaften, wie die Partikelgeschwindigkeit ziehen.With optical measuring methods in which the volume flow is transilluminated with visible or invisible light, the particle concentration can be measured as a function of a light attenuation. The measurement is limited by the light transmittance of the volume flow itself, so that a particle measurement in very dense smoke is hardly possible. Again, no conclusions can be drawn on other particle properties, such as the particle velocity.

In A. Reinhardt, A. Teplyuk, M. Höft: „Measurement Setup for Characterization of a Bistatic Radar Sensor for Monitoring Particulate Matter‟ , in: Proceedings of the 46^th European microwave conference EuRAD, London 2016 ist die grundsätzlich aus der Anwendung für das Wetterradar bekannte Partikelmessung mittels Radar beschrieben. Ein Problem stellen dabei unerwünschte, nicht zu messende Störobjekte dar, die zu einer Übersättigung des Radarsensors führen. Dies hat einen Einfluss auf die hierdurch zu reduzierende Sensitivität.In A. Reinhardt, A. Teplyuk, M. Hoeft: "Measurement Setup for Characterization of a Bistatic Radar Sensor for Monitoring Particulate Matter" , In: Proceedings of the 46 ^th European microwave conference EURAD, London 2016 is the principle described in the application for the weather radar known particle measurement using radar. A problem here are unwanted, not to be measured disturbing objects, which lead to a supersaturation of the radar sensor. This has an influence on the sensitivity to be reduced as a result.

A. Teplyuk, R. Knoechel, G. Khlopov: Aerosol Particle Sensor based on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spartial Resolution, in: IEEE-IMS 2009, Seiten 1173-1176 offenbaren eine bistatische Radareinrichtung mit im Winkel zueinander ausgerichteten Sende- und Empfangskeulen von Sende- und Empfangsantennen, um im Kreuzungsbereich Partikel zu messen. Die Sende- und Empfangsantennen des konkret realisierten bistatischen Radar sind direkt nebeneinander angeordnet und in etwa in die gleiche Strahlrichtung ausgerichtet, sodass sie am Ende der Radarkeulen einander überlappen. A. Teplyuk, R. Knoechel, G. Khlopov: Aerosol Particle Sensor Based on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spatial Resolution, in: IEEE-IMS 2009, pp. 1173-1176 disclose a bistatic radar with angularly aligned transmit and receive lobes of transmit and receive antennas to measure particles at the intersection. The transmitting and receiving antennas of the concretely realized bistatic radar are arranged directly next to each other and aligned approximately in the same beam direction, so that they overlap each other at the end of the radar lobes.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Messung von Partikeln mittels Radar zu schaffen, das bei möglichst einfachem Messaufbau eine hinreichend sensitive und zuverlässige Partikelmessung ermöglicht.Proceeding from this, it is an object of the present invention to provide an improved device and an improved method for measuring particles by means of radar, which allows for the simplest possible measurement setup a sufficiently sensitive and reliable particle measurement.

Die Aufgabe wird durch die Einrichtung mit dem Merkmal des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit dem Merkmal des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the device having the feature of claim 1 and by the method having the feature of claim 11. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Es wird vorgeschlagen, dass die Sendekeule der Sendeantenne im Winkel zu der Empfangskeule der Empfangsantenne ausgerichtet ist, wobei sich die Sendekeule und die Empfangskeule in einem Detektionsraum überlappen. In Erstreckungsrichtung der Sendekeule von der Sendeantenne und in Erstreckungsrichtung der Empfangskeule von der mindestens einer Empfangsantenne gesehen laufen die Sendekeule und die mindestens eine Empfangskeule wieder hinter dem Detektionsraum auseinander. Die Einrichtung ist dabei zur Einstellung des Detektionsraums durch geeignete Ausrichtung der Sende- und Empfangskeule(n) zueinander so ausgebildet, dass der Detektionsraum an das Messvolumen angepasst und dabei frei von potentiellen Störern außerhalb des Messraums ist. Die Ausrichtung kann dabei durch Verändern von Position, Lage (z.B. des Schwenkwinkels) und/oder Polarisationswinkel der mindestens einen Sendeantenne und/oder der mindestens einen Empfangsantenne angepasst werden.It is proposed that the transmitting lobe of the transmitting antenna is oriented at an angle to the receiving lobe of the receiving antenna, wherein the transmitting lobe and the receiving lobe overlap in a detection space. In the direction of extension of the transmitting lobe from the transmitting antenna and viewed in the direction of extension of the receiving lobe from the at least one receiving antenna, the transmitting lobe and the at least one receiving lobe again diverge behind the detection space. The device is designed to set the detection space by suitable alignment of the transmitting and receiving lobe (s) to each other so that the detection space adapted to the measuring volume and thereby is free of potential interferers outside the measuring space. The orientation can be changed by changing the position, position (eg of the Pivoting angle) and / or polarization angle of the at least one transmitting antenna and / or the at least one receiving antenna can be adjusted.

Zur Bildung des Detektionsraumes sind Sender und Empfänger vertauschbar. Es ist daher auch möglich, dass mehrere Sendeantennen mit ihren Sendekeulen vorhanden sind, die mit mindestens einer Empfangskeule einen gemeinsamen Detektionsraum formen. Wenn daher von einer Sendeantenne und Sendekeule die Rede ist, schließt dies nicht aus, dass noch mindestens eine weitere Sendeantenne vorhanden ist.To form the detection space transmitter and receiver are interchangeable. It is therefore also possible that several transmitting antennas are present with their transmitting lobes, which form a common detection space with at least one receiving lobe. Therefore, if there is talk of a transmitting antenna and transmitting lobe, this does not exclude that at least one further transmitting antenna is present.

Damit wird die Empfindlichkeit der Einrichtung auf den Detektionsraum fokussiert, sodass Störobjekte in Erstreckungsrichtung hinter dem Detektionsraum keinerlei Einfluss auf die Sensitivität der Einrichtung haben. Da das Radarmessfeld berührungslos arbeitet, kann die Einrichtung sehr einfach auch unter Durchdringung eines Leitungssystems (Schornstein, Auspuff oder ähnliches), welches einen partikelgeladenen Volumenstrom führt, auf dem Volumenstrom ausgerichtet werden. Mit Hilfe der Überlappung der Sende- und Empfangskeulen wird ein „Detektionsvoxel“ geformt, das mit der Ausrichtung von Sende- und Empfangskeule frei konfigurierbar und definierbar und so auswählbar ist, dass keine Störobjekte darin vorkommen.Thus, the sensitivity of the device is focused on the detection space, so that disturbing objects in the extension direction behind the detection space have no effect on the sensitivity of the device. Since the Radarmessfeld works without contact, the device can be easily aligned even with the penetration of a pipe system (chimney, exhaust or similar), which leads a particle-laden volume flow, on the flow. With the help of the overlapping of the send and receive lobes, a "detection voxel" is formed, which is freely configurable and definable with the orientation of send and receive lobes and can be selected such that no disturbing objects occur therein.

Ein in einer Antennenkeule auftretendes Störobjekt wirkt sich nur dann negativ aus, wenn es sowohl in der Sendekeule, als auch in der Empfangskeule gleichzeitig vorkommt.A disturbing object occurring in an antenna lobe only has a negative effect if it occurs simultaneously both in the transmitting lobe and in the receiving lobe.

Durch eine solche Fokussierung von Sende- und Empfangskeule auf den Detektionsraum lassen sich Partikel robust - auch von außen prinzipiell durch Rohre hindurch - messen.Such a focusing of transmitting and receiving lobe on the detection space can be particles robust - even from the outside in principle through tubes - measure.

Die Sendekeule und Empfangskeule sind vorzugsweise im stumpfen Winkel (≤ 90 Grad) zueinander ausgerichtet. Damit wird sichergestellt, dass das Detektionsvolumen in Erstreckungsrichtung der Sendekeule eine hinreichend begrenzte Ausdehnung hat, die eine höchst sensitive Messung von Partikeln unter weitgehender Unempfindlichkeit vor Störobjekten sicherstellt.The transmitting lobe and receiving lobe are preferably aligned at an obtuse angle (≦ 90 degrees) to one another. This ensures that the detection volume in the extension direction of the transmitting lobe has a sufficiently limited extent, which ensures a highly sensitive measurement of particles with substantial insensitivity to interfering objects.

Die Radareinheit kann eine Mehrzahl von Empfangsantennen haben. Die Empfangskeulen dieser mehreren Empfangsantennen sind dann in unterschiedlichen Winkeln zur Sendekeule der Sendeantenne so ausgerichtet, dass sich die Sendekeule in einem gemeinsamen Detektionsraum mit den mehreren Empfangskeulen überlappt. Mit Hilfe dieser multidirektionalen Anordnung mehrerer auf die gemeinsame Sendekeule ausgerichteten Empfangskeulen lässt sich eine weitergehende Auswertung realisieren. So kann z.B. unter Ausnutzung der MIE-Theorie durch Vergleich der Empfangssignale der mehreren Empfangsantennen ein Rückschluss auf die Teilchengröße gezogen werden. Dabei wird ausgenutzt, dass im Verhältnis zur Wellenlänge kleine Objekte elektromagnetische Wellen kugelförmig in alle Raumrichtungen reflektieren, während große Objekte elektromagnetische Wellen hauptsächlich in Strahlrichtung streuen. Zudem kann die Messung robuster gegen eine Klumpenbildung von Partikeln durchgeführt werden. Mit solchen multidirektionalen, auf eine Sendekeule ausgerichteten Empfangskeulen gelingt es generell unterschiedlich große Partikel zu messen.The radar unit may have a plurality of receiving antennas. The reception lobes of these multiple receiving antennas are then aligned at different angles to the transmitting lobe of the transmitting antenna so that the transmitting lobe overlaps in a common detection space with the plurality of receiving lobes. With the aid of this multidirectional arrangement of a plurality of reception lobes aligned on the common transmission lobe, a further evaluation can be realized. Thus, e.g. Taking advantage of the MIE theory by comparing the received signals of the multiple receiving antennas, a conclusion about the particle size can be drawn. It exploits the fact that, in relation to the wavelength, small objects reflect spherical electromagnetic waves in all spatial directions, while large objects scatter electromagnetic waves mainly in the beam direction. In addition, the measurement can be carried out more robustly against the formation of lumps of particles. With such multidirectional receive lobes aligned on a transmission lobe, it is generally possible to measure particles of different sizes.

Dabei können zwei Empfangskeulen im stumpfen Winkel zueinander ausgerichtet sein. Eine der Empfangskeulen kann dabei im stumpfen Winkel zu der Sendekeule ausgerichtet sein. Die andere Empfangskeule kann dann im spitzen oder stumpfen Winkel oder rechtwinklig zur Sendekeule stehen.In this case, two receiving lobes can be aligned at an obtuse angle to each other. One of the reception lobes can be aligned at an obtuse angle to the transmitting lobe. The other receiving lobe can then be at an acute or obtuse angle or at right angles to the transmitting lobe.

Die Radareinheit kann zur Abstrahlung eines kontinuierlichen elektromagnetischen Feldes, eines gepulsten elektromagnetischen Feldes oder eines frequenzmodellierten elektromagnetischen Feldes oder einer Kombination davon eingerichtet sein. So ist denkbar, diese unterschiedlichen elektromagnetischen Felder zeitlich nacheinander einzusetzen, insbesondere um durch Vergleiche der Messergebnisse robustere Auswertungen zu erzielen oder unterschiedliche Partikeleigenschaften, wie Partikelgehalt (Dichte und Konzentration und Volumenstrom), Partikelgeschwindigkeit oder Partikelgröße zu bestimmen.The radar unit may be configured to emit a continuous electromagnetic field, a pulsed electromagnetic field or a frequency modeled electromagnetic field or a combination thereof. Thus, it is conceivable to use these different electromagnetic fields one after the other, in particular in order to achieve more robust evaluations by comparing the measurement results or to determine different particle properties, such as particle content (density and concentration and volume flow), particle velocity or particle size.

Die Einrichtung kann zur Ermittlung des Partikelgehalts im Volumenstrom, der Partikelgeschwindigkeit und/oder von Partikelgrößen in Abhängigkeit von den mit der mindestens einen Empfangsantenne empfangenen reflektierten Radarwellen eingerichtet sein. Unter dem Partikelgehalt wird insbesondere die Dichte der Partikel im Volumenstrom bzw. die Partikelkonzentration im Volumenstrom verstanden.The device can be designed to determine the particle content in the volume flow, the particle velocity and / or particle sizes as a function of the reflected radar waves received by the at least one receiving antenna. The particle content is understood in particular to mean the density of the particles in the volume flow or the particle concentration in the volume flow.

Die Ausrichtung der Sendekeule und der mindestens einen Empfangskeule zueinander kann beispielsweise mittels Aktuatoren zur Verstellung der Sendeantenne und/oder der mindestens eine Empfangsantenne erfolgen. Diese Aktuatoren sind mit der Einrichtung gekoppelt und von dieser so angesteuert, dass ein angepasstes Detektionsvolumen erreicht wird, das möglichst frei von äußeren Störeinflüssen ist und dabei eine möglichst hohe Sensitivität aufweist.The alignment of the transmitting lobe and the at least one receiving lobe relative to one another can take place, for example, by means of actuators for adjusting the transmitting antenna and / or the at least one receiving antenna. These actuators are coupled to the device and controlled by the device so that an adapted detection volume is achieved, which is as free of external interference as possible and thereby has the highest possible sensitivity.

Die Einstellung der Sendekeule und der mindestens einen Empfangskeule zueinander zur Formung eines geeigneten Detektionsvolumens kann auch mit Hilfe von Linsen erfolgen, die der Sende- und/oder Empfangsantenne vorgeschaltet sind. Durch geeignete Einstellung der mindestens einen vorgeschalteten Linse gelingt es ebenso, ein fokussiertes Detektionsvolumen bereitzustellen. The adjustment of the transmitting lobe and the at least one receiving lobe to each other for forming a suitable detection volume can also be carried out with the aid of lenses, which are connected upstream of the transmitting and / or receiving antenna. By suitably setting the at least one upstream lens, it is also possible to provide a focused detection volume.

Denkbar ist aber auch die Anordnung mindestens eines Spiegels im Fokus einer zugeordneten Sendeantenne oder Empfangsantenne. Damit gelingt es, die Sende- und Empfangsantenne räumlich nah beieinander z.B. auf einer Seite eines Schornsteins anzuordnen und mit Hilfe eines gegenüberliegenden Spiegels die Sendekeule oder Empfangskeule umzulenken.It is also conceivable, however, the arrangement of at least one mirror in the focus of an associated transmitting antenna or receiving antenna. This makes it possible to keep the transmitting and receiving antennas spatially close to one another, e.g. to arrange on one side of a chimney and with the help of an opposite mirror to redirect the transmitting lobe or receiving lobe.

Mit Hilfe eines mittels Aktoren ausrichtbaren Spiegels kann der Detektionsraum wahlweise eingestellt werden.With the aid of an alignable by means of actuators mirror the detection space can be optionally set.

Denkbar ist auch die Nutzung von Mikrospiegelarrays, bei denen die einzelnen Mikrospiegel in ihrer Ausrichtung einstellbar sind. Dadurch kann die Sende- und/oder Empfangskeule bedarfsweise angepasst werden, um einen gewünschten Detektionsraum in der Überschneidung zwischen Sendekeule und Empfangskeule zu schaffen.It is also conceivable to use micromirror arrays in which the individual micromirrors can be adjusted in their orientation. As a result, the transmitting and / or receiving lobe can be adapted as needed to create a desired detection space in the overlap between transmitting lobe and receiving lobe.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung von Partikeln in einem Volumenstrom in einem Schornstein unter Durchleuchtung des Abgasrohres;
2 - Diagramm des Spektrums des mit der Einrichtung aus 1 erfassten Empfangssignalpegels über die Frequenz ohne Volumenstrom, mit einem reinen Luftstrom und einem partikelbehafteten Volumenstrom;
3 - Einrichtung zum Messen von Partikeln in einem aus einem Schornstein austretendem Volumenstrom;
4 - Einrichtung mit einer Sendekeule und zwei Empfangskeulen;
5 - Skizze einer Einrichtung mit Linse im Strahlkegel einer Empfangsantenne zur Formung eines Detektionsraums;
6 - Skizze einer Einrichtung mit einem zusätzlichen Spiegel und einer Linse im Strahlkegel einer Empfangsantenne zur Formung eines Detektionsraums;
7 - Skizze einer Einrichtung zur Partikelmessung an einem Flugzeug zur Erfassung von Partikelwolken.

The invention will be explained in more detail with reference to embodiments with the accompanying drawings. Show it:

1 - Embodiment of a device for measuring particles in a flow in a chimney under fluoroscopy of the exhaust pipe;
2 - Diagram of the spectrum of the device 1 detected received signal level over the frequency without volume flow, with a pure air flow and a particulate volume flow;
3 - Device for measuring particles in a volumetric flow leaving a chimney;
4 - device with a transmitting lobe and two receiving lobes;
5 - Sketch of a device with lens in the beam cone of a receiving antenna for forming a detection space;
6 - Sketch of a device with an additional mirror and a lens in the beam cone of a receiving antenna for forming a detection space;
7 - Sketch of a device for particle measurement on an aircraft for detecting particle clouds.

1 zeigt eine Skizze einer Einrichtung zur Messung von Partikeln 1 in einem Volumenstrom V, der in einem Schornstein 2 oder in einem Abgasrohr oder ähnliches in Strömungsrichtung (Pfeil) strömt. Um die in diesem Volumenstrom V enthaltenen Partikel 1, insbesondere den Partikelgehalt im Volumenstrom V, die Partikelgeschwindigkeit oder die Partikelgröße bzw. die Partikelgrößenverteilung zu messen, ist eine Einrichtung zur Partikelmessung in der Umgebung des Schornsteins 2 angeordnet. Die Einrichtung hat eine Sendeantenne 3 zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Diese bilden eine Sendekeule S in Abstrahlrichtung der Sendeantenne 3. Die Sendeantenne 3 kann hierzu beispielsweise eine Hornantenne mit einer Horngestaltung sein, die die Sendekeule S räumlich festlegt. Die Sendekeule S ist durch eine geeignete Ausrichtung der Sendeantenne 3 in Bezug auf den Schornstein 2 bzw. dem Volumenstrom V so ausgerichtet, dass die Sendekeule S den Volumenstrom V durchdringt. 1 shows a sketch of a device for measuring particles 1 in a volumetric flow V, which is in a chimney 2 or flows in an exhaust pipe or the like in the flow direction (arrow). To the particles contained in this volume flow V. 1 In particular, to measure the particle content in the volume flow V, the particle velocity or the particle size or the particle size distribution, is a device for particle measurement in the vicinity of the chimney 2 arranged. The device has a transmitting antenna 3 for the emission of electromagnetic waves. These form a transmitting lobe S in the emission direction of the transmitting antenna 3 , The transmitting antenna 3 This may be, for example, a horn antenna with a horn design, which defines the transmission lobe S spatially. The transmission lobe S is by a suitable orientation of the transmission antenna 3 in relation to the chimney 2 or the volume flow V aligned so that the transmitting lobe S the volume flow V penetrates.

Eine Empfangsantenne 4 ist nun zur Bildung eines bistatischen Radars so auf den Volumenstrom V bzw. den Schornstein 2 ausgerichtet, dass die Empfangskeule E der Empfangsantenne 4 die Sendekeule S in einem Detektionsraum D kreuzt. Auch hier ist die Empfangsantenne 4 z.B. als Hornantenne so ausgestaltet, dass sie sich innerhalb einer Empfangskeule E ausbreitende reflektierende elektromagnetische Wellen empfängt. Der überlappende Bereich von Sendekeule S und Empfangskeule E bildet einen Detektionsraum D, in dem die Empfangsantenne 4 und eine daran angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit 5 sensitiv ist. Die Steuerung der Sendeantenne 3 zur Beaufschlagung mit elektromagnetischer Energie in der zur Messung geeigneten Frequenz kann durch den Sendeteil der Sende- und Empfangseinheit 5 erfolgen. Diese kann räumlich getrennt zur Empfangseinheit sein, die an die Empfangsantenne 4 angeschlossen ist. Damit wird unter einer Sende- und Empfangseinheit 5 nicht notwendigerweise eine räumlich zusammengefasste Schaltungseinheit verstanden, sondern die funktional zusammenwirkenden Schaltungsteile, die letztendlich zu einer Messgröße des Empfangssignals der Empfangsantenne 4 führen, das ein Maß für die Partikel im Volumenstrom V innerhalb des Detektionsraums D ist.A receiving antenna 4 is now to form a bistatic radar so on the flow V and the chimney 2 aligned, that the receiving lobe E of the receiving antenna 4 the transmitting lobe S in a detection space D crosses. Again, the receiving antenna 4 For example, as a horn antenna configured to receive within a receiving lobe E propagating reflective electromagnetic waves. The overlapping area of transmitting lobe S and receiving lobe E forms a detection space D, in which the receiving antenna 4 and a connected control and evaluation unit 5 is sensitive. The control of the transmitting antenna 3 for the application of electromagnetic energy in the frequency suitable for the measurement by the transmitting part of the transmitting and receiving unit 5 respectively. This may be spatially separated from the receiving unit, which is to the receiving antenna 4 connected. This is under a transmitting and receiving unit 5 not necessarily understood a spatially combined circuit unit, but the functionally cooperating circuit parts, which ultimately to a measured variable the received signal of the receiving antenna 4 lead, which is a measure of the particles in the volume flow V within the detection space D.

So kann beispielsweise die Sendeantenne 3 einen Sendeverstärker und die Empfangsantenne 4 einen Empfangsverstärker haben, der dann nicht in der vor- bzw. nachgelagerten Sende- und Empfangseinheit 5, sondern als Teil der Sende- bzw. Empfangsantenne 3, 4 realisiert ist.For example, the transmitting antenna 3 a transmission amplifier and the receiving antenna 4 have a receiving amplifier, which then not in the upstream and downstream transmitting and receiving unit 5 but as part of the transmitting or receiving antenna 3 . 4 is realized.

Die Empfangsantenne 4 ist mit einem durch ein Pfeil symbolisierten Aktor 6 so ausrichtbar, dass der Überlappungsbereich der Empfangskeule E mit der Sendekeule S, welcher den Detektionsraum D bildet, veränderlich ist. Auf diese Weise kann der Detektionsraum D so eingestellt werden, dass er ein großes Messvolumen innerhalb des Schornsteins 2 ausfüllt und dabei frei von Störungen ist. Störobjekte O, die sich in Erstreckungsrichtung bzw. Strahlrichtung der Sendekeule S und der Empfangskeule E hinter dem Detektionsraum D befinden, haben keinen Einfluss auf das von der Empfangsantenne 4 detektierte, reflektierte Empfangssignal. Die Einrichtung ist damit im Wesentlichen nur im Detektionsraum D sensitiv.The receiving antenna 4 is with an actor symbolized by an arrow 6 be aligned so that the overlap region of the receiving lobe E with the transmitting lobe S, which forms the detection space D, is variable. In this way, the detection space D can be set to have a large measurement volume within the chimney 2 complies with and is free of interference. Disturbing objects O, which are located in the extension direction or beam direction of the transmitting lobe S and the receiving lobe E behind the detection space D, have no influence on that of the receiving antenna 4 detected, reflected received signal. The device is therefore essentially sensitive only in the detection space D.

Denkbar ist, dass ein solcher Aktor 6 zusätzlich auch für die Sendeantenne 3 vorgesehen ist, um den Abstrahlwinkel der Sendekeule relativ zur Empfangskeule E zu verändern und damit den Detektionsraum D einzustellen. Denkbar ist aber auch, dass ein Aktor 6 nur für die Sendeantenne 3 und nicht wie skizziert auch für die Empfangsantenne 4 vorhanden ist.It is conceivable that such an actor 6 additionally also for the transmitting antenna 3 is provided to change the radiation angle of the transmitting lobe relative to the receiving lobe E and thus set the detection space D. It is also conceivable that an actor 6 only for the transmitting antenna 3 and not as sketched for the receiving antenna 4 is available.

Entscheidend ist nur, dass mindestens eine der Sendeantenne 3 oder Empfangsantenne 4 einstellbar ist, um die Lage der Sendekeule S und der Empfangskeule E zueinander zu verändern und damit den Detektionsraum D einzustellen.Crucial is only that at least one of the transmitting antenna 3 or receiving antenna 4 is adjustable in order to change the position of the transmitting lobe S and the receiving lobe E to each other and thus to set the detection space D.

Mit diesem Aktor 6 oder einem zusätzlichen Aktor kann die Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4 optional nicht nur verschwenkt, sondern um die Achse ihrer Sendekeule S bzw. Empfangskeule E gedreht werden. Damit ist es möglich, zusätzlich die Polarisationsrichtung einzustellen. Auf diese Weise gelingt es durch das polarisationsabhängige Reflektionsverhalten der Partikel aus dem Empfangssignal weitere Aussagen zu den Partikeleigenschaften zu treffen, wie bspw. zur Partikelgrößenverteilung und zur Partikelsubstanz (d.h. zu den Materialeigenschaften).With this actor 6 or an additional actuator may be the transmitting antenna 3 and / or receiving antenna 4 optionally not only pivoted, but rotated about the axis of their transmitting lobe S or receiving lobe E. This makes it possible to additionally set the polarization direction. In this way, it is possible by the polarization-dependent reflection behavior of the particles from the received signal to make further statements about the particle properties, such as, for example, the particle size distribution and the particle substance (ie the material properties).

Die Partikelmenge und die Partikelgeschwindigkeit lassen sich aus der Dopplerverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal einfach bestimmen. Diese Dopplerverschiebung resultiert aus der Partikelbewegung oder einer Bewegung mindestens einer der Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4. Aus 1 ist für das bistatische Radar erkennbar, dass das Sendesignal in der Richtung seines Einheitsvektors $\vec{e_{0 S}}$

abgestrahlt und das Empfangsantenne in Richtung des Einheitsvektors

\vec{e_{0 E}}

zur Empfangsantenne 4 reflektiert wird. Ein Partikel P, d.h. ein Streuobjekt, bewegt sich in Richtung

\vec{ν}

Dann besteht ein Zusammenhang zwischen dem mit der Sendefrequenz fs ausgesendeten und dem mit der Empfangsfrequenz f_E empfangenen, reflektierten Empfangssignal nach der allgemeinen Formel:

f_{E} = f_{S} \frac{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 S}}}{C}}{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 E}}}{C}}

The particle quantity and the particle velocity can be easily determined from the Doppler shift between the transmitted and received signals. This Doppler shift results from particle movement or movement of at least one of the transmit antennas 3 and / or receiving antenna 4 , Out 1 is for the bistatic radar recognizable that the transmission signal in the direction of its unit vector

\vec{e_{0 S}}

radiated and the receiving antenna in the direction of the unit vector

\vec{e_{0 e}}

to the receiving antenna 4 is reflected. A particle P, ie a scattering object, moves in the direction

\vec{ν}

Then there is a relationship between the reflected received signal received at the transmission frequency fs and the received reception signal f _E according to the general formula:

f_{e} = f_{S} \frac{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 S}}}{C}}{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 e}}}{C}}

Deutlich wird, dass sowohl der Sender, als auch der Empfänger zur Frequenzverschiebung / Dopplerfrequenz beitragen.It becomes clear that both the transmitter and the receiver contribute to the frequency shift / Doppler frequency.

Wenn die Sendeantenne 3 senkrecht zum Partikelstrom, d.h. zur Partikelbewegungsrichtung ausgerichtet ist, dann trägt der Sender nicht zur Dopplerverschiebung bei. Der Partikelstrom verschiebt bei dieser Konstellation dennoch die Frequenz durch die Bewegung zur Empfangsantenne hin oder von dieser weg. Gleiches gilt entsprechend für die senkrechte Ausrichtung der Empfangsantenne 4 zum Partikelstrom.When the transmitting antenna 3 oriented perpendicular to the particle flow, ie the direction of particle movement, then the transmitter does not contribute to the Doppler shift. The particle flow in this constellation nevertheless shifts the frequency towards or away from the receiving antenna by the movement. The same applies accordingly for the vertical orientation of the receiving antenna 4 to the particle flow.

Wenn somit eine der Sende- oder Empfangsantennen 3, 4 orthogonal zur Objektbewegungsrichtung ausgerichtet ist, dann funktioniert das Verfahren - anders als beim monostatischen Radar - beim bistatischen Radar trotzdem. So if one of the transmitting or receiving antennas 3 . 4 aligned orthogonal to the object movement direction, then the method works - in contrast to the monostatic radar - the bistatic radar anyway.

Durch Umformen lässt sich dann aus den bekannten Größen die unbekannte Partikelgeschwindigkeit v berechnen. Die Partikelmenge ist proportional zur Leistung des Empfangssignals, d.h. der über einen relevanten Frequenzbereich integrierten Signalleistung bei den durch unterschiedliche Partikelgeschwindigkeiten auftretenden verschiedenen Dopplerfrequenzen.By reshaping, the unknown particle velocity v can then be calculated from the known quantities. The amount of particles is proportional to the power of the received signal, i. the signal power integrated over a relevant frequency range at the different Doppler frequencies occurring due to different particle velocities.

2 zeigt ein Diagramm des Spektrums des mit der Empfangsantenne 4 erfassten Empfangssignalpegels über die Frequenz im Bereich von 0 bis über 20 kHz. Der Empfangssignalpegel ist als Spannung in der Einheit dBV PK, d.h. die in einem Signalpeak erfasste Signalstärke in Dezibel/Volt aufgetragen. Erkennbar ist, dass das Empfangssignalpegelspektrum der reflektierten Wellen für einen reinen Luftstrom und ohne Volumenstrom V annährend gleich sind. Das Spektrum verläuft zunächst einmal bis zu einer Frequenz von etwa 9 kHz nahezu waagerecht bzw. leicht abfallend, um dann mit zunehmender Frequenz nahezu linear abzufallen. Der Frequenzbereich von etwa 200 Hz bis 12 kHz ist durch die sich bei verschiedenen Geschwindigkeiten bewegenden Partikeln beeinflusst. 2 shows a diagram of the spectrum of the with the receiving antenna 4 detected receive signal level over the frequency in the range of 0 to about 20 kHz. The receive signal level is plotted as voltage in the unit dBV PK, ie the signal strength detected in a signal peak in decibels / volt. It can be seen that the received signal level spectrum of the reflected waves are approximately the same for a pure air flow and without a volume flow V. The spectrum initially runs almost horizontally or slightly down to a frequency of approximately 9 kHz, and then decreases almost linearly with increasing frequency. The frequency range of about 200 Hz to 12 kHz is influenced by the moving at different speeds particles.

Für den Fall eines Partikelstroms weist das Spektrum eine signifikante Wölbung, beginnend von etwa 2 kHz bis etwa 12 kHz, auf. Dieser gewölbte Bereich des Spektrums ist ein Maß für den Partikelgehalt im Volumenstrom. Die Fläche der Aufwölbung im Vergleich zum ohne Partikel gemessenen Spektrum ist ein Maß zur Bestimmung des Partikelmassenstroms Qm und damit des Partikelgehalts M.In the case of a particle stream, the spectrum has a significant curvature, starting from about 2 kHz to about 12 kHz. This curved area of the spectrum is a measure of the particle content in the volume flow. The area of the bulge compared to the spectrum measured without particles is a measure for determining the particle mass flow Qm and thus the particle content M.

Die Partikelgeschwindigkeit ergibt sich unmittelbar aus der Frequenzverschiebung des Sendesignal im Vergleich zum Empfangssignal durch die Dopplerverschiebung. Die Partikelgeschwindigkeit v_p lässt sich aus der Empfangsfrequenz f_E, der Sendefrequenz fs und der Lichtgeschwindigkeit c in Luft nach der allgemeinen Formel: $f_{E} = f_{S} \frac{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 S}}}{C}}{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 E}}}{C}}$

ermitteln. Für den in 1 gezeigten Fall von rechtwinklig zueinander ausgerichteten Sende- und Empfangskeulen S, E mit einer in Partikelstromrichtung ausgerichteten Sende- oder Empfangskeule S, E reduziert sich die Formel durch das vereinfachte Winkelverhältnis und der sich aus der Differenz von Sendefrequenz fs und Empfangsfrequenz F_E ergebenden Dopplerfrequenz f_d nach Umformung auf die Formel:

V_{P} = \frac{f_{d} * c}{2 * \sqrt{2} * f_{S}}

The particle velocity results directly from the frequency shift of the transmission signal compared to the received signal by the Doppler shift. The particle velocity v _p can be calculated from the reception frequency f _E , the transmission frequency fs and the speed of light c in air according to the general formula:

f_{e} = f_{S} \frac{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 S}}}{C}}{1 - \frac{\vec{ν} * \vec{e_{0 e}}}{C}}

determine. For the in 1 shown case of rectangular aligned transmit and receive lobes S, E with aligned in the particle flow direction transmitting or receiving lobe S, E, the formula is reduced by the simplified angle ratio and the difference resulting from the transmission frequency fs and receiving frequency F _E Doppler frequency f _d after transformation to the formula:

V_{P} = \frac{f_{d} * c}{2 * \sqrt{2} * f_{S}}

Die durchschnittliche Dopplerfrequenz f_D liegt bei der dargestellten Glockenkurve etwa im Maximum der Aufwölbung des Spektrums.The average Doppler frequency f _D is in the illustrated bell curve approximately at the maximum of the bulge of the spectrum.

Die Partikelkonzentration N_o bestimmt sich aus dem Partikelgehalt M, der Materialdichte pp und dem Messvolumen V nach der Formel: $N_{0} = \frac{M}{ρ_{P} * V}$

The particle concentration N _{o is} determined from the particle content M, the material density pp and the measurement volume V according to the formula:

N_{0} = \frac{M}{ρ_{P} * V}

Der Partikelgehalt M ist die Partikelmasse in einem Messvolumen V. Deutlich wird, dass die Partikelkonzentration N_o dabei proportional zu dem Partikelgehalt M ist. Aus der Radargleichung folgt zudem, dass ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Empfangsleistung P_R [W] und dem Partikelgehalt M besteht: $M = K * P_{R}$

The particle content M is the particle mass in a measurement volume V. It is clear that the particle concentration N _{o is} proportional to the particle content M. It also follows from the radar equation that there is a proportional relationship between the received power P _R [W] and the particle content M:

M = K * P_{R}

Die Linearkonstante K lässt sich einfach durch Kalibrierung ermitteln, wenn eine Messung ohne Partikel und eine Messung mit einer bekannten Partikelkonzentration durchgeführt wird. Damit kann aus der Empfangsleistung unmittelbar der Partikelgehalt als Gewichtseinheit pro Volumen berechnet werden.The linear constant K can be easily determined by calibration, if a measurement without particles and a measurement with a known particle concentration is performed. In this way, the particle content as weight unit per volume can be calculated directly from the received power.

Aus dem Diagramm wird ferner deutlich, dass in dem aufgewölbten Kurvenbereich für jede Frequenz eine bestimmte Empfangsleistung gemessen wird. Dabei steht jede Frequenz für eine Dopplerfrequenz und damit für eine Partikelgeschwindigkeit. Damit lässt sich mit der auf die Kalibrierkurve ohne Partikel normierten Leistungskurve eine Aussage darüber treffen, welche Partikelmenge sich mit welcher Geschwindigkeit bewegt. Es kann also auch eine Aussage über die Geschwindigkeitsverteilung der Partikel getroffen werden.It is also clear from the diagram that a specific reception power is measured for each frequency in the curved curve area. Each frequency represents a Doppler frequency and thus a particle velocity. With this, the power curve normalized to the calibration curve without particles can be used to make a statement as to which particle quantity moves at which speed. So it can also be a statement about the velocity distribution of the particles are made.

Durch Integration lässt sich der Partikelgehalt bestimmen. Durch Multiplikation des Partikelgehalts M [g/m³] mit der durchströmte Querschnittsfläche des Detektionsraums D und der Partikelgeschwindigkeit v [m/s] lässt sich die Partikelmenge pro Zeiteinheit (d.h. den Partikelmassestrom) berechnen. Unter der Annahme einer annähernd gleichen oder bekannten Geschwindigkeitsverteilung kann anstelle der Querschnittsfläche des Detektionsraums D auch, ggf. mit Gewichtung, die gesamte durchströmte Querschnittsfläche z.B. eines Schornsteines zur Berechnung des Partikelmassestroms genutzt werden.By integration, the particle content can be determined. By multiplying the particle content M [g / m ³ ] by the cross-sectional area of the detection space D and the particle velocity v [m / s], the amount of particles per unit of time (ie the particle mass flow) can be calculated. Assuming an approximately equal or known velocity distribution, the total cross-sectional area, eg of a chimney, used for calculating the particle mass flow can be used instead of the cross-sectional area of the detection space D, if necessary with weighting.

3 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zur Messung von Partikeln 1 für einen Volumenstrom V, der aus dem Schornstein 2 austritt. Der Detektionsraum D befindet sich dabei außerhalb des Schornsteins 2 in einem Bereich, in dem sich potentiell Störobjekte O aufhalten können. Ein solches Störobjekt O ist beispielsweise als Vogel symbolisiert. Denkbar sind aber auch andere Störobjekte O, wie beispielsweise fest installierte und Radarwellen reflektierende Decken und Wände. Derartige Störobjekte O beeinträchtigen das Empfangssignal der Einrichtung nicht, auch wenn sie sich in Strahlrichtung von der jeweiligen Sende- oder Empfangsantenne 3, 4, gesehen hinter dem Detektionsraum D, mit der Sende- und/oder Empfangskeule S, E überschneiden. 3 shows an embodiment of the device for measuring particles 1 for a volume flow V coming out of the chimney 2 exit. The detection space D is located outside the chimney 2 in an area where potentially interfering objects O may be present. Such a disturbing object O is symbolized, for example, as a bird. However, other disturbing objects O are also conceivable, such as permanently installed and radar-wave reflecting ceilings and walls. Such interfering objects O do not affect the receiving signal of the device, even if they are in the beam direction of the respective transmitting or receiving antenna 3 . 4 , seen behind the detection space D, with the transmitting and / or receiving lobe S, E overlap.

Auch hier kann somit eine Übersättigung des Radarsensors durch unerwünschte, nicht zu messende Störobjekte O vermieden werden, indem der Messraum auf den Überlappungsbereich von Sende- und Empfangskeule S, E des bistatischen Radars, d.h. auf den Detektionsraum D, eingeschränkt wird.Here, too, a supersaturation of the radar sensor by unwanted, not to be measured interfering objects O can be avoided by the measuring space on the overlapping region of the transmitting and receiving lobe S, E of the bistatic radar, i. to the detection space D, is limited.

4 zeigt eine Skizze einer weiteren Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Empfangsantennen 4a, 4b, deren jeweilige Empfangskeule E jeweils auf die Sendekeule S der Sendeantenne ausgerichtet ist, um diese jeweils in einem Überlappungsbereich zu schneiden. Der gemeinsame Überlappungsbereich der mindestens drei Sende- und Empfangskeulen S, E bildet dann den Detektionsraum D. Die jeweiligen Überlappungsbereiche einer Empfangsantenne 4a bzw. 4b mit der Sendeantenne 3 sind allerdings größer als der gemeinsame Detektionsraum 5. Aus der sich hierdurch ergebenden Differenz der Empfangssignale lassen sich dann weitere Rückschlüsse ziehen. 4 shows a sketch of another embodiment with a plurality of receiving antennas 4a . 4b whose respective receiving lobe E is respectively aligned with the transmitting lobe S of the transmitting antenna in order to cut each in an overlapping region. The common overlap region of the at least three transmit and receive lobes S, E then forms the detection space D. The respective overlap regions of a receive antenna 4a respectively. 4b with the transmitting antenna 3 However, they are larger than the common detection space 5 , From this resulting difference in the received signals can then draw more conclusions.

Das Abstrahlverhalten großer Partikel ist anders als das kleiner Partikel. Kleine Partikel reflektieren die elektromagnetischen Wellen der Sendekeule S wesentlich gleichförmiger in alle Richtungen. Größere Partikel haben hingegen die Eigenschaft, dass sie im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Sendekeule S ausstrahlen, d.h. zur Sendeantenne 3 zurück (Abstrahlwinkel 0°) und von der Sendeantenne 3 in Hauptstrahlrichtung weg (Abstrahlrichtung 180°). Die großen Partikel lassen sich dann eher mit der Empfangsantenne 4b messen, die in einem wesentlich spitzeren bzw. kleineren Winkel zur Hauptstrahlrichtung der Sendekeule S ausgerichtet ist, als die erste Empfangsantenne 4b. Damit ist es möglich, auch eine Aussage zu den Partikelgrößen und zur Partikelgrößenverteilung zu machen. Hierzu müssen die zugänglichen Empfangssignale bei den Empfangsantennen 4a, 4b im Verhältnis zueinander gesetzt werden.The radiation behavior of large particles is different than the small particles. Small particles reflect the electromagnetic waves of the transmitting lobe S much more uniformly in all directions. By contrast, larger particles have the property that they radiate essentially in the extension direction of the transmitting lobe S, ie to the transmitting antenna 3 back (beam angle 0 °) and from the transmitting antenna 3 away in the main beam direction (emission direction 180 °). The large particles are then more likely to be with the receiving antenna 4b measure, which is aligned at a substantially sharper or smaller angle to the main beam direction of the transmitting lobe S, as the first receiving antenna 4b , This makes it possible to also make a statement about the particle sizes and particle size distribution. For this, the accessible reception signals at the receiving antennas 4a . 4b be set in relation to each other.

Auch hier ist mindestens eine der Empfangsantennen 4a, 4b mit einem Aktor 6 wie durch den Pfeil skizziert einstellbar, um auf diese Weise den Winkel der Empfangskeule E auf die Sendekeule S und diese weitere Empfangskeule E der anderen Empfangsantenne 4a, 4b so einzustellen, dass an den Volumenstrom V bzw. Schornstein 2 oder das Rohr optimal angepasste Detektionsvolumen D erreicht wird.Again, at least one of the receiving antennas 4a . 4b with an actor 6 as indicated by the arrow adjustable to order in this way the angle of the receiving lobe E on the transmitting lobe S and this further receiving lobe E of the other receiving antenna 4a . 4b to be set so that to the flow rate V or chimney 2 or the pipe optimally adapted detection volume D is achieved.

Anstelle einer nahezu deckenden Überlappung der Sende- und Empfangskeule S, E, die auf statische und dynamische Störobjekte empfindlich sind, lassen sich durch den reduzierten Detektionsraum D hoch sensitive Messungen ohne Gefahr eine Übersättigung erreichen. Der Detektionsraum D, d.h. das Detektionsvoxel ist mit Hilfe der einstellbaren Sende- oder Empfangsantennen 3, 4a, 4b frei konfigurierbar und definierbar und wird so eingestellt, dass keine Störobjekte darin vorkommen. Damit lassen sich sehr robuste Messungen erreichen.Instead of an almost covering overlapping of the transmitting and receiving lobes S, E, which are sensitive to static and dynamic disturbing objects, highly sensitive measurements can be achieved without danger of oversaturation by the reduced detection space D. The detection space D, ie the detection voxel is using the adjustable transmitting or receiving antennas 3 . 4a . 4b freely configurable and definable and is set so that there are no jamming objects in it. This makes it possible to achieve very robust measurements.

Durch die multidirektionale Anordnung der mehreren Empfangsantennen 4a, 4b lassen sich die Empfangssignale vergleichen. Mithilfe des Rückschlusses auf die Teilchengröße ist es möglich, die Messung robuster gegen Klumpenbildung zu machen.Due to the multidirectional arrangement of the multiple receiving antennas 4a . 4b the received signals can be compared. By inference of the particle size it is possible to make the measurement more robust against lump formation.

5 zeigt eine Skizze einer Einrichtung mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne 4, wobei der Empfangsantenne 4 eine Linse 7 im Strahlweg vorgeschaltet ist. Wiederum überschneiden sich die Sende- und Empfangskeule S, E in einem Detektionsraum D, der nun mithilfe der Linse 7 einstellbar ist. Hiermit ist eine problemangepasste Verformung des Detektionsvoxels D möglich. Auf diese Weise kann der Detektionsraum D beispielsweise sehr schmal an einen relativ dünnen Volumenstrom V für einen Schlauch angepasst werden. Denkbar ist aber auch hier eine weitere Kombination mit Aktoren 6 zur Verschwenkung der Sendeantenne 3 und/oder Empfangsantenne 4. Unter dem Begriff der Linse 7 wird auch eine Linsenanordnung mit einer Mehrzahl von Linsen verstanden. 5 shows a sketch of a device with a transmitting antenna and a receiving antenna 4 , wherein the receiving antenna 4 a lens 7 upstream in the beam path. Again, the transmit and receive lobes S, E overlap in a detection space D, which now uses the lens 7 is adjustable. This makes a problem-adapted deformation of the detection voxel D possible. In this way, the detection space D, for example, very narrow adapted to a relatively thin flow rate V for a hose. But it is also conceivable here another combination with actuators 6 for pivoting the transmitting antenna 3 and / or receiving antenna 4 , Under the concept of the lens 7 is also understood a lens assembly having a plurality of lenses.

Denkbar ist auch, dass sich die Linse 7 vor der Sendeantenne 3 befindet, oder dass sowohl für die Sende-, als auch für die Empfangsantenne 3, 4 jeweils eine Linse 7 vorgesehen ist.It is also conceivable that the lens 7 in front of the transmitting antenna 3 or that for both the transmit and receive antennas 3 . 4 one lens each 7 is provided.

6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Sendeantenne 3 und die Empfangsantenne 4 der Radareinheit mit der Sende- und Empfangseinheit 5 räumlich zusammengefasst sind. Erkennbar ist, dass im Strahlenraum der Empfangsantenne 4 ein Spiegel 8 angeordnet ist, der die Empfangskeule E umlenkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich noch eine Linse 7 in den Strahlungspfad der Empfangskeule E eingebaut, um die Empfangskeule E zu fokussieren. Diese Linse 7 ist optional. Die Strahlverformung kann auch nur durch einen Spiegel erfolgen. 6 shows an embodiment in which the transmitting antenna 3 and the receiving antenna 4 the radar unit with the transmitting and receiving unit 5 are spatially summarized. It can be seen that in the beam room of the receiving antenna 4 a mirror 8th is arranged, which deflects the receiving lobe E. In the illustrated embodiment, in addition, a lens 7 built into the radiation path of the receiving lobe E to focus the receiving lobe E. This lens 7 is optional. The beam deformation can also be done only by a mirror.

Mithilfe des Spiegels 8 gelingt es, die Radareinheit als kompaktes Gerät auszuführen und die Strahlungspfade so umzulenken, dass sie sich in dem Detektionsraum D schneiden.Using the mirror 8th It is possible to make the radar unit as a compact device and to redirect the radiation paths so that they intersect in the detection space D.

Denkbar ist auch eine Variante, bei der für die Sendeantenne 3 ein Spiegel 8 und ggf. eine zusätzliche Linse 7 vorgesehen ist. Möglich ist auch, dass sowohl für die Sendeantenne 3, als auch für mindestens eine Empfangsantenne 4, 4a, 4b ein solcher Spiegel 8 vorhanden ist. Auch dieser Spiegel 8 kann justierbar sein, um seine Ausrichtung zu ändern. Geeignet ist hierfür eine Ausführungsform des Spiegels 8 mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln, die individuell ausrichtbar sind. Eine solche Mikrospiegelanordnung kann dann durch die Steuer- und Auswerteeinheit 5 so angesteuert werden, dass ein geeigneter Detektionsraum D geformt wird. Dieser kann für eine Folge von Vergleichsmessungen unterschiedlich eingestellt werden, um hieraus geeignete Aussagen über die Partikel im Volumenstrom V zu treffen.Also conceivable is a variant in which for the transmitting antenna 3 a mirror 8th and possibly an additional lens 7 is provided. It is also possible that both for the transmitting antenna 3 , as well as for at least one receiving antenna 4 . 4a . 4b such a mirror 8th is available. Also this mirror 8th can be adjustable to change its registration. Suitable for this is an embodiment of the mirror 8th with a variety of micromirrors that are individually alignable. Such a micromirror arrangement can then be controlled by the control and evaluation unit 5 be driven so that a suitable detection space D is formed. This can be set differently for a series of comparison measurements in order to make suitable statements about the particles in the volume flow V.

7 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung zur Partikelmessung, die an ein Luftfahrzeug 9 angebaut ist. Die Sendekeule S und Empfangskeule E sind dabei in Flugrichtung einander kreuzend zueinander ausgerichtet, so dass in Flugrichtung vor dem Bug des Luftfahrzeuges ein Detektionsvolumen D vorhanden ist. Nunmehr ist es durch das sich bewegende Radar möglich, Partikelwolken (Störobjekt O) in dem Detektionsraum D, wie z.B. Vulkanasche, zu detektieren. Die Partikelwolken müssen sich nicht bewegen. Auch hier tritt eine Geschwindigkeitsdifferenz über die Dopplerfrequenz f_D auf, die sich im Spektrum durch Aufwölbung bei der Dopplerfrequenz f_D bemerkbar macht. Wiederum kann die Fläche der aufgewölbten Spektrums als Maß für den Partikelgehalt herangezogen werden. 7 shows an embodiment of the device for particle measurement, which is attached to an aircraft 9 is grown. The transmitting lobe S and receiving lobe E are aligned in the direction of flight crossing each other, so that in the direction of flight in front of the bow of the aircraft, a detection volume D is present. Now it is possible by the moving radar to detect particle clouds (interfering object O) in the detection space D, such as volcanic ash. The particle clouds do not have to move. Again, a speed difference on the Doppler frequency f _D occurs, which makes noticeable in the spectrum by bulging at the Doppler frequency f _D. Again, the area of the bulged spectrum can be used as a measure of the particle content.

Es ist zur Messung von Partikel daher unerheblich, ob diese sich in einem Volumen bewegen oder ob sich das Radar in dem Volumen bewegt. Insofern ist der Begriff „Volumenstrom“ nicht auf sich in einem Volumen bewegende Partikel beschränkt.It is therefore irrelevant for the measurement of particles whether they move in a volume or whether the radar moves in the volume. In this respect, the term "volume flow" is not limited to particles moving in a volume.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

A. Reinhardt, A. Teplyuk, M. Hoeft: "Measurement Setup for Characterization of a Bistatic Radar Sensor for Monitoring Particulate Matter" [0007]
A. Teplyuk, R. Knoechel, G. Khlopov: Aerosol Particle Sensor Based on Millimeter Wave Coherent Radar with High Spatial Resolution, in: IEEE-IMS 2009, pp. 1173-1176 [0008]

Claims

Device for measuring particles (11) with a radar unit, the at least one transmitting antenna (3) for emitting an electromagnetic Radarmessfeldes in the spatial area of at least one transmitting lobe (5) and at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) for receiving reflected radar waves in the spatial Area of a receiving lobe (E) has, characterized in that the transmitting lobe (S) is aligned at an angle to the receiving lobe (E) and the transmitting lobe (S) and receiving lobe (E) in a detection space (D) overlap and extending in the extension direction of Transmission lobe (S) of the transmitting antenna (3) and in the extension direction of the receiving lobe (E) from the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) seen diverge behind the detection space (D) again, the orientation of the at least one transmitting lobe (S ) and the at least one receiving lobe (E) to each other to reduce interference by disturbing objects (O) is adjustable.

Setup after Claim 1 , characterized in that the transmitting lobe (S) and receiving lobe (E) are aligned at an obtuse angle to each other.

Setup after Claim 1 or 2 , characterized in that the radar unit has a plurality of receiving antennas (4a, 4b), wherein the receiving lobes (E) of the receiving antennas (4a, 4b) at different angles to the transmitting lobe (S) of the transmitting antenna (3) are aligned so that the transmitting lobe (S) overlaps in a common detection space (D) with the plurality of receiving lobes (E).

Setup after Claim 3 , characterized in that two receiving lobes (E) are aligned at an obtuse angle to each other.

Setup after Claim 4 , characterized in that one of the receiving lobes (E) is aligned at an obtuse angle to the transmitting lobe (S).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that this radar unit is adapted to emit a continuous electromagnetic field, a pulsed electromagnetic field and / or a frequency-modulated electromagnetic field.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for determining the particle content in a volume, the particle velocity and / or particle sizes in dependence of the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) received reflected radar waves is set up.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting antenna (3) and / or the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) upstream of a lens (7) for adjusting the transmitting lobe (5) and / or receiving lobe (E) is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting antenna (3) and / or the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) upstream of a mirror (8) for deflecting the transmitting lobe (S) and / or receiving lobe (E) is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one transmitting antenna (3) and / or the at least one receiving antenna (4) for adjusting the polarization is rotatable about its beam axis.

Method for measuring particles (1) with a device according to one of the preceding claims, characterized by - emitting an electromagnetic radar measuring field in the spatial region of at least one transmitting lobe (S) from a respective transmitting antenna (3) in the radar unit; - receiving reflected radar waves in the spatial area of at least one receiving antenna (4, 4a, 4b) of the radar unit; - Measuring the particles (1) in response to the received reflected radar waves, wherein the at least one transmitting lobe (S) and the at least one receiving lobe (E) to reduce interference by interfering objects (O) at an angle to each other so aligned that at least a transmitting lobe (S) and receiving lobe (E) in a detection space (D) overlap and in the respective extension direction of the at least one transmitting lobe (S) of the respective transmitting antenna (3) and in the Extension direction of the at least one receiving lobe (E) of the respective receiving antenna (4, 4a, 4b) seen from the detection space (D) diverge again.

Method according to Claim 11 , characterized by aligning the transmitting lobe (S) and receiving lobe (E) at an obtuse angle to each other.

Method according to Claim 11 or 12 , characterized by aligning a plurality of receiving lobes (E) of a plurality of receiving antennas (4a, 4b) at different angles to the transmitting lobe (S) of the transmitting antenna (3) so that the transmitting lobe (S) in a common detection space (D) with the overlaps several receiving lobes (E).

Method according to Claim 13 characterized by aligning two receiving lobes (E) at an obtuse angle to each other.

Method according to Claim 14 , characterized by aligning one of the two receiving lobes (E) at an obtuse angle to the transmitting lobe (S).

Method according to one of Claims 11 to 15 characterized by radiating a continuous electromagnetic field, a pulsed electromagnetic field and / or a frequency modulated electromagnetic field.

Method according to one of Claims 11 to 16 characterized by determining the particle content in a volume, the particle velocity and / or particle sizes as a function of the reflected radar waves received by the at least one receiving antenna (4, 4a, 4b).

Method according to one of Claims 11 to 17 characterized by rotating at least one of the transmit antennas (3) and / or receive antennas (4) about their beam axis to adjust the polarization.