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Impedanzmesssystem

Kommerziell erhältliche Laborimpedanzmesssysteme sind versatil, haben einen erheblichen Funktionsumfang und erfordern in der Regel Fachkräfte zu ihrer Bedienung. Außerdem sind diese Geräte teuer und im Allgemeinen nicht prozesstauglich. Ein prozesstaugliches Gerät muss robust sein und sollte keine speziell ausgebildeten Fachkräfte zur Bedienung erfordern. Außerdem werden diese Geräte üblicherweise mit einem beschränkten Funktionsumfang eingesetzt, was einen hohen Aufwand wie bei Laborgeräten nicht rechtfertigt.

Im Fachbereich Analysenmesstechnik wurden modular aufgebaute Prozessmesssysteme entwickelt, welche über den für den jeweiligen Zweck erforderlichen Funktionsumfang bei hinreichender Präzision verfügen (Nacke et al. 2008). Durch das den Auswertealgorithmen zugrunde liegende Expertenwissen ist eine einfache Bedienbarkeit mit wenigen durch Modellbildung auf den Einsatzzweck abgestimmt Ausgabewerten erreichbar.

Komplexe Feldmesssysteme wie sie im iba auf der Grundlage kommerziell erhältlicher Komponenten entwickelt werden und beispielsweise in Biogasanlagen zum Einsatz kommen, sind bei vergleichbarer Präzision klein und robust aufgebaut und gestatten zuverlässige Messungen in rauer Umgebung.  Spezielle Impedanzmesssysteme für die Fleischkontrolle auf  Schlachthöfen (Pliquett et al. 1995) befinden sich derzeit in der Weiterentwicklung.

Anders als im Laborbereich spielt die Messgeschwindigkeit in unseren Forschungsarbeiten oft eine wesentliche Rolle. Während etablierte Laborgeräte für Messungen von Millihertz bis Megahertz je nach Einstellung mehrere Minuten benötigen, stehen in der Praxis oft nur Millisekunden zur Verfügung. In diesem Fall ist ein Frequenzsweep nicht möglich. Zeitbereichsbasierende Verfahren haben hier die Messungen im Frequenzbereich weitgehend verdrängt. Besonders Rechteckfunktionen, Multisinus, Chirp und digital generierte Maximalfolgen werden auch von uns heute stark forciert (Min et al. 2008).

Der in der Praxis interessierende Frequenzumfang zur Erforschung von Polarisationsphänomenen im Hoch- aber auch Niederfrequenzbereich ist ständig erweitert worden, so auch im iba. Praktisch interessieren heute Messungen von Gleichspannung bis in den Mikrowellenbereich (GHz-Bereich). Jedoch ist es selten notwendig, für eine Messaufgabe das gesamte Spektrum abzudecken, was die Konstruktion von Prozessmesssystemen erheblich vereinfacht und damit deren Zuverlässigkeit verbessert.

Die expertenbasierende Auswertung vereinfacht nicht nur die Handhabung der Geräte, sondern ist auch für eine kontinuierliche Prozessüberwachung mit Dokumentation kritischer Parameter geeignet. Die Interpretation der Messergebnisse erfolgt im Fachbereich auf der Grundlage biologisch-physikalischer Modelle, die in einem hohen Maße eine Selbstanpassung ihrer Schlüsselvariablen an einen laufenden Prozess gestatten.

Für die gesamte Kette von der Gerätesteuerung, Datenaufnahme, Auswertung bis zur Archivierung wurden im Fachbereich Analysenmesstechnik spezielle Programme entwickelt.  Beispielsweise ist das Softwarepaket IDA so ausgelegt, dass sämtliche verfügbaren Geräte mit einer einheitlichen Oberfläche eingebunden werden können und die Archivierung mit einheitlichen Datenstrukturen erfolgt.  Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, besonders von kontinuierlich arbeitenden Systemen, werden spezielle Algorithmen zur Selbstdiagnose und Kalibrierung implementiert.  So werden Drahtbrüche durch Abfragen nicht erlaubter Zustände erkannt bzw. wurde in der Bedienersoftware eine  open/short/load - Kalibrierroutine implementiert.

Nacke, T., Land, R., Barthel, A., Friedrich, J., Payerl, P., Helbig, M., Sachs, J., Schäfer, M., & Pliquett, U. 2008, "Process instrumentation for impedance spectroscopy - a modular concept", in 11th International Biennial Baltic Electronics Conference, BEC2008, pp. 235-238.

Pliquett, F., Pliquett, U., Schoberlein, L., & Freywald, K. H. 1995, "Impedanzmessungen zur Charakterisierung der Fleischbeschaffenheit", Fleischwirtschaft, vol. 75, no. 4, pp. 496-498.

Min, M., Pliquett, U., Nacke, T., Barthel, A., Annus, P., & Land, R. 2008, "Broadband excitation for short-time impedance spectroscopy", Physiol Meas., vol. 29, no. 6, pp. 185-192.
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