Entwicklung innovativer Flüssigkeits- und hochauflösender Nahbereichssensoren

Die Ilmsens GmbH hat sich 2016 aus der TU Ilmenau heraus gegründet. Der Name „Ilmsens“ spiegelt zum einen den Bezug zu Ilmenau und der TU Ilmenau wider, zum anderen unterstreicht er den Fokus von Ilmsens: die Sensorik. Das Team um Hans-Christian Fritsch, Geschäftsführer von Ilmsens, entwickelt modernste Ultrabreitbandsensoren nach höchsten Qualitätsstandards. Die Sensoren von Ilmsens finden Anwendung in der Flüssigkeitsanalyse und in der Nahbereichssensorik (Smart Home, Electronic Fence, Vital sign detection) und bieten dort aufgrund ihrer Miniaturisierbarkeit, der Unempfindlichkeit gegenüber harschen Messumgebungen und ihrer Echtzeitfähigkeit einen großen Mehrwert.

Die Flüssigkeitsanalyse mittels Impedanzspektroskopie ermöglicht das Bestimmen der Zusammensetzung komplexer Stoffgemische sowie das Erkennen auftretender Änderungen. Das erlaubt nicht nur Aussagen über den aktuellen Zustand der Prozessflüssigkeit, sondern auch über die Entwicklung prädiktiver Modelle für einen vorausschauenden Betrieb (Predictive Maintenance). Damit können Probleme in Prozessen frühzeitig identifiziert und somit auch optimal reagiert werden.

Die hochauflösende Nahbereichssensorik der Ilmsens GmbH hingegen ermöglicht es, Objekte sowie kleinste Bewegungen zu detektieren. Die Bestimmung der Distanz zum Sensor, der Geschwindigkeit und der Position erfolgt zerstörungsfrei und ist damit unempfindlich gegen äußere Einflüsse, wie zum Beispiel Schlechtwetter oder Schmutz.

Ultrabreitbandmikrowellensensorik – ein sperriger Begriff

„Zerlegen wir den Begriff in seine Einzelteile und fangen von hinten an: Sensorik ist klar, das sind Sensoren,“ erklärt Geschäftsführer Hans-Christian Fritsch. „Mikrowellen bedeutet in dem Kontext, dass wir in einem Frequenzbereich von ein paar Gigahertz arbeiten. Dort wo auch WLAN und Mobilfunk senden. Ultrabreitband bedeutet, dass wir nicht nur einige wenige Frequenzen nutzen. Als guter Vergleich eignet sich immer eine Schießscharte in einer Wand. Ich kann durch die Wand durchschauen und sehe zwar, was dahinter ist, aber so einen richtigen Eindruck von der Welt kann ich noch nicht gewinnen. Ultrabreitband ist dann das Panoramafenster. Hier kann ich viel beobachten und eindeutige Informationen über die Welt aufnehmen. Zusätzlich entwickeln wir eigene Halbleiter Chips – das ist einzigartig für Startups“, so Fritsch. „Die Ultrabreitband-Technologie haben wir in zwei Richtungen entwickelt. Zum einen, die Flüssigkeitsanalyse (Impedanzspektroskopie) und zum anderen die hochauflösende Nahbereichssensorik. Bei Flüssigkeiten geben wir Aussagen über Zusammensetzungen, Verschmutzung, Qualitätsinformationen und Prozesse. Die Nahbereichssensorik ist ein empfindliches System, was in gewissen Grenzen Material durchdringen und dort kleinste Bewegungen detektieren kann."

"Im Vergleich zu optischen Systemen benötigen wir kein Licht. Dunkelheit, Dämpfe, Wände, Holz- oder Plastikverkleidungen stellen für die Ilmsens-Technologie keine Hürde dar.“

Impedanzspektroskopie - was ist das und wie funktioniert sie?

Obwohl Flüssigkeiten in vielfältigen industriellen Umgebungen als Rohstoff, Betriebsmittel, Zwischen- oder Endprodukt vorkommt, sind mit der Ilmsens Impedanzspektroskopie branchenübergreifend schnelle und berührungslose Messungen möglich, die Aussagen über die Effizienz und Qualität der Prozesse liefern. Das ist besonders dann interessant, wenn es sich entweder um empfindliche Prozessketten oder sehr aggressive Flüssigkeiten handelt.

Die Impedanzspektroskopie ist eine zerstörungsfreie, schnelle und kostengünstige Messmethode, mit der elektrische Materialparameter wie Impedanz, Leitfähigkeit und Permittivität erfasst werden können. Diese Parameter sind frequenzabhängig und variieren in Abhängigkeit von der Frequenz der elektrischen Wechselfelder, mit denen sie gemessen werden.

Jedes Material besitzt einen elektrischen Widerstand, der in Teilen frequenzabhängig und einzigartig für dieses Material ist. Dieser Wert (und in Ergänzung auch die Permittivität) beschreibt die „Durchlässigkeit“ bzw. den Widerstand einer Flüssigkeit für eine elektromagnetische Welle. Wird der an der Flüssigkeit reflektierte Anteil des Signals betrachtet, ergeben sich daraus Rückschlüsse über die Zusammensetzung des Materials. Je mehr Frequenzen ein Signal beinhaltet, desto besser ist eine Unterscheidung von Stoffen möglich.

„Vereinfacht gesagt ist das der Hintergrund zu der Flüssigkeitsanalyse, die wir durchführen,“ erklärt Fritsch. „Jedes Material hat einen Widerstand für elektromagnetische Wellen, welcher abhängig von der Frequenz dieser Welle ist. Die Kombination über einen großen Frequenzbereich ergibt eine Art Fingerabdruck – einen eindeutigen Identifikator für eine Substanz innerhalb eines Gemisches. Mit Hilfe entsprechender mathematischer Modelle ist man anschließend in der Lage, Zielparameter von Flüssigkeiten aus dem Impedanzspektrum abzuleiten, also die gesuchten Konzentrationen zu bestimmen“

Die Ultrabreitband-Impedanzspektroskopie ermöglicht so Einblicke in die untersuchten Materialien, die sonst nicht auf den ersten Blick ersichtlich wären. Dies kann für Anwender interessant sein, die sich Informationen wünschen, die über die Leistung herkömmlicher Sensoren hinausgehen.

Da jede Anwendung einzigartig ist, erfordert jedes Verfahren unterschiedliche Methoden der Interaktion mit dem Messstoff. „Wir besprechen die Möglichkeiten mit unseren Partnern, da jede Anlage oder jedes Produkt, in das unsere Sensoren eingebaut werden sollen, doch ihre ganz spezifischen Anforderungen an Sensordimensionierung, Einbauort, Formfaktor, Robustheit usw. hat.“ erläutert Hans-Christian die Implementierung der Ilmsens-Technologie.

Miniaturisiert, dynamisch und mobil einsetzbar – die Vorteile der Ilmsens-Technologie

„Das Systemkonzept unterscheidet sich signifikant von klassischen Radar- oder Messtechniklösungen,“ erklärt Hans-Christian. „Dadurch haben wir die Chance viele Informationen aufzunehmen, indem wir mittels der Breitbandsensoren gleichzeitig sehr schnell und miniaturisiert messen.“

Ilmsens hat eine hochinnovative Technologie entwickelt, die die bewährte Netzwerkanalysator- (NWA)-Messmethode in vielen Bereichen ersetzen kann. Da die NWA-Messung nur auf einer Frequenz durchgeführt wird, die nacheinander variiert wird, nimmt die Erfassung eines breiten Frequenzbandes sehr viel Zeit in Anspruch. Dies erfordert keine oder nur sehr langsame Änderungen der Eigenschaften des Messszenarios und schränkt damit die praktischen Einsatzmöglichkeiten ein. Das von Ilmsens entwickelte Messverfahren arbeitet im Zeitbereich und kann daher Tausende von Frequenzen gleichzeitig messen. Dies verkürzt die Messzeit erheblich und ermöglicht die Untersuchung von sich ändernden Objekten oder Szenarien. Speziell mit Funkmessungen wird z.B. die Vermessung von sich bewegenden Personen oder die Erfassung ihrer Vitalzeichen möglich.

Darüber hinaus sind klassische NWAs sperrige Laborgeräte für den stationären Einsatz und in der Regel groß, schwer und verbrauchen viel Energie. Dies macht NWAs für den mobilen Einsatz bei der Messung von Funkszenarien besonders ungeeignet. „Unsere Ilmsens-Geräte hingegen sind durch die monolithische Integration der Hochfrequenz-Elektronik miniaturisiert und können an den unterschiedlichsten Orten eingesetzt werden. Darüber hinaus verbrauchen sie deutlich weniger Energie und sind robuster gegenüber rauen Messumgebungen als ein Laborgerät.

Digitaler Zwilling trifft Vorhersagen über die Prozessentwicklung und gibt Handlungsempfehlungen

Softwareseitig ermöglicht der verbesserte Informationsgehalt der Messdaten die Erstellung eines "Digitalen Zwillings" für den untersuchten Prozess. Dieses Modell ist in der Lage, auf Basis der Messwerte Vorhersagen über die Prozessentwicklung zu treffen und Handlungsempfehlungen zu geben. Die Messdaten der Sensoren, die in verschiedenen Anlagen installiert sind, können miteinander verknüpft werden und ermöglichen weitere hilfreiche Rückschlüsse auf die Prozessoptimierung. Die hohe Messgeschwindigkeit ermöglicht die Messung von inhomogenen Materialproben oder Proben mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, z. B. bei der Blasen- und Flowmark-/Streifenerkennung.

Universelle Hardware erleichtert die Integration in bestehende Technik

Wie gesagt, wird der Sensor so gestaltet werden, dass er einfach in die bestehenden Prozesse integriert werden kann. Je nach Art der Auswertung - zum Beispiel Überwachung, Vergleich, Vorhersage oder Empfehlung – können sich unterschiedliche Anforderungen an die Prozesstechnik ergeben. So ist bei der Implementierung des Sensors in einen Prozess darauf zu achten, dass der Sensor an einer Stelle installiert wird, der für die Zielstellung der Messung repräsentativ ist.

Vom Sensor bis zu den Messdaten

„Nutzen wir maschinelle Lernalgorithmen zur Datenauswertung, muss dieser mittels Trainingsmessungen angelernt werden. Trainingsdaten und entsprechende Referenzdaten werden benötigt. Hier arbeiten wir dann eng mit unseren Kooperationspartner zusammen. Wie die Messdaten bzw. die berechneten Informationen dann dem Anwender präsentiert werden bzw. weiterverarbeitet werden, hängt dann wiederum vom jeweiligen Einsatzgebiet ab.“

Ein Hochtechnologie Produkt – Rückschläge und Schwierigkeiten

„Natürlich hatten wir auch mit Rückschlägen zu kämpfen, alles andere wäre schlicht und einfach gelogen,“ lacht Fritsch. „Um mal ein Beispiel zu nennen: Corona hat uns getroffen, weil wir, wie beschrieben im Projekt mit Partnern zusammenarbeiten und es vorgekommen ist, dass Partner die Projekte mit uns pausiert haben. Das war schon ärgerlich für uns. Aber alle pausierten Projekte sind mittlerweile wieder angelaufen, so dass ich das tatsächlich nur als Delle bezeichnen würde. Was für uns mit einem wirklichen Hochtechnologieprodukt, das sehr erklärungsbedürftig ist, eine Herausforderung war oder selbst heute noch ist, ist Partner, Berater oder Investoren erstmal soweit mitzunehmen und ihnen unsere Technologie zu erklären, dass sie sie am Ende auch entsprechend bewerten können.“

„Unser Geschäftsmodell ist darauf ausgelegt, dass wir die Experten für die Daten und die vorgelagerte Elektronik sind. Die Ilmsens Technologie ist in diversen Bereichen universell einsetzbar, jedoch sind wir in der Regel nicht die Experten für die Use Cases."

"Wir suchen uns die Kooperationspartner, die Domainwissen haben, um unsere Produkte für den Markt zu entwickeln. 5-HT Digital Hub Chemistry & Health ist ein ausgezeichneter Partner für uns und wir freuen uns sehr auf die Zusammenarbeit.“