CN113056655A

CN113056655A - 测量设备

Info

Publication number: CN113056655A
Application number: CN201980075927.2A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·布勒德特; 斯特凡·普夫吕格尔
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-06-29
Also published as: DE102018129356A1; US20220003687A1; EP3884246B1; WO2020104166A1; US12000786B2; EP3884246A1

Abstract

本发明涉及一种用于测量位于容器(2)中的填装材料(3)的介电值(DK)的测量设备，所述测量设备包括下列组件：信号生成单元(12)，其被设计成借助于电AC电压信号(s_HF)驱动发射器电极(11a)，使得发射器电极(11a)在填装材料(3)的方向上发射雷达信号(S_HF)；接收器电极(11b)，其可被布置在容器(2)中，以便雷达信号(S_HF)在穿过填装材料(3)后能够被接收；以及评价单元(13)，其被配置成基于接收到的雷达信号(S_HF)查明发射器电极(11a)与接收器电极(11b)之间的幅度、相移和/或信号传播时间，并基于所确定的信号传播时间、相移和/或幅度来确定介电值(DK)。根据本发明的测量设备(1)以及随之而来的测量方法的优点在于，可以在大测量范围内以高测量分辨率确定介电值(DK)，即使是其复数值。这里，电路费用有限。

Description

测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定位于容器中的填装材料的介电值的测量设备。

背景技术

在自动化技术中——尤其是在过程自动化技术中——经常使用用于检测和/或修改过程变量的现场设备。为了检测过程变量，使用传感器，例如，在填充水平测量设备、极限水平测量设备、流速测量设备、压力和温度测量设备、pH测量设备、电导率测量设备或介电值测量设备中使用的传感器。它们检测相应的过程变量，诸如填充水平、极限水平、流速、压力、温度、pH值、氧化还原电势、电导率或介电值。在本发明的范围内，术语“容器”还指未封闭的容器，诸如水池、湖泊或流动的水体。恩德莱斯和豪瑟尔公司(Endress+Hauser)公司制造并销售各种此类现场设备。

介电值(也称为“介电值”或“相对诱电率”)的确定在固体和诸如推进剂、废水或化学药品的液体填充剂中都特别有意义，因为该值可以构成杂质、水分含量或物质组分的可靠指标。为了确定介电值，可以根据现有技术使用电容测量原理，尤其是在液体填装材料的情况下。在这种情况下，使用下列效果：电容器的电容与位于电容器的两个电极之间的介质的介电值成比例地变化。

可替选地，也可能在其填充水平测量期间以接近寄生方式确定容器内部内的(液体)介质的介电值。这需要制导雷达的测量原理，其中，经由导电波导将微波引导到介质中。在申请文件DE 10 2015 117 205 A1中描述了这种组合的填充水平和介电性测量。

基于电容或微波的介电值测量的进一步替选由电感测量组成。该测量原理基于下列事实：线圈的最终阻抗不仅取决于其绕组数、绕组材料和线圈芯的材料，而且还取决于填装材料，填装材料分别与线圈相邻，并且因而被线圈的磁场穿透。因而，可以通过测量复数线圈阻抗来确定介电值。

基于上述测量原理，可以在量方面非常精确地确定介电值；然而，只有在比较不精确的情况下才可能进行复数值确定。然而，复数值令人关注，以便能够对于其性质或组成更接近地表征填装材料。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供一种测量设备，借助于该测量设备还可以以复数值方式高精度地确定介电值。

本发明通过一种用于测量位于容器中的填装材料的介电值的测量设备来实现该目标。根据本发明，该测量设备至少包括：

-信号生成单元，其被设计成：

-借助于电AC电压信号驱动发射器电极，使得发射器电极在填装材料的方向上发射雷达信号，

-接收器电极，其被布置在容器中，使得在雷达信号穿过填装材料后接收雷达信号，

-评价单元，其被配置成：

o基于接收器电极接收到的雷达信号，查明发射器电极与接收器电极之间的幅度、相移和/或信号传播时间，和

o通过使用所查明的信号传播时间、相移和/或所查明的幅度来确定介电值。介电值的实部可以通过使用信号传播时间或相移来确定；虚部可以通过使用测得的信号幅度来确定。

根据本发明的测量设备以及相关联的测量方法的优点在于，可以在大的测量范围内以高测量分辨率来确定介电值，甚至其复数值。在这种情况下，仅需要有限数量的电路。

在本发明的背景下，术语“雷达”通常被定义成具有在0.03GHz至300GHz之间的频率的信号或电磁波。然而，关于根据本发明的测量设备，有利的是信号生成单元被设计成生成具有0.4GHz至30GHz之间的频率的AC电压信号。

在本发明的背景下，术语“单元”原则上应被理解为意指被设计成适合于其预期目的的任何电子电路。因此，取决于需要，“单元”可以是用于生成或处理相应的模拟信号的模拟电路。然而，“单元”也可以是(基于半导体的)数字电路，诸如与程序交互的存储介质或FPGA。在这种情况下，程序被设计成执行相应的方法步骤或应用对应单元的必要计算操作。在这种背景下，在本发明的意义上，测量设备的各种电子单元也可以潜在地访问公共的物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。

如果发射器电极和接收器电极各自包括至少一个介电谐振器层和金属反射层，则测量设备可以以特别节能的方式操作，金属反射层相对于各自的另一电极被安装在介电谐振器层的后面。在这方面，也有利的是介电谐振器层由相对介电值在2至30之间的材料制成。雷达信号可以在填装材料的大范围的介电值内由谐振器层耦出或耦入。另外，有利的是用于生产介电谐振器层的材料的磁导率在0.5至10之间。结果，可以减小发射器和接收器电极的尺寸。

如果发射器电极和接收器电极各自包括至少一个平面辐射器阵列，则例如可以在印刷电路板的基础上实现高效的发射器电极或高效的接收器电极，该至少一个平面辐射器阵列被布置在介电谐振器层的前侧上，或者在介电谐振器层相对于另一电极的内部中。谐振器层可以由印刷电路板基板形成。金属反射层和平面辐射器可以被类似于导体迹线结构设计和制造成可选结构的铜或银层。为了优化雷达信号的发射，在这方面有利的是，介电谐振器层或印刷电路板基板的深度对应于雷达信号波长的四分之一或其倍数。

根据本发明，用于确定雷达信号的信号传播时间的方法不是固定地预定的。因而，可以使用诸如脉冲传播时间法，FMCW法(“调频连续波”的缩写)之类的测量原理或诸如干涉法之类的相位评价方法。例如在彼得·迪瓦恩(Peter Devine)，2000年的“雷达水平测量(Radar Level Measurement)”中描述了基于FMCW和基于脉冲雷达的传播时间测量方法的测量原理。

如果测量设备被配置成通过FMCW方法确定信号传播时间，则信号生成单元必须被设计成生成变化频率的AC信号，使得评价单元可以通过使用所发射的雷达信号与接收到的雷达信号之间的频率差确定信号传播时间。在实施脉冲传播时间方法时，必须将信号生成单元设计成生成脉冲AC信号，使得评价单元可以通过使用发射器电极和接收器电极之间的脉冲传播时间来确定信号传播时间。

类似于根据本发明的测量设备，本发明的目标也通过一种相应的方法来实现，该方法用于测量位于容器中的填装材料的介电值。对应于测量设备，该方法包括下列方法步骤：

-在填装材料方向上发射雷达信号，

-在雷达信号穿过填装材料后接收雷达信号，

-确定接收到的雷达信号的幅度和/或在雷达信号的发射和接收之间的信号传播时间，以及

-通过使用幅度、相移和/或信号传播时间来确定介电值。

附图说明

参考附图更详细地解释本发明。附图示出如下：

图1是根据本发明的测量设备在容器上的示意性布置；

图2是根据本发明的测量设备的基本设计；

图3是发射器电极和接收器电极的前视图；以及

图4是测量设备与电子振动极限水平检测器的可能集成。

具体实施方式

为了总体上理解根据本发明的测量设备1，图1中示出了测量设备1在容器2上的示意性布置。将要确定其介电值DC的填装材料3位于容器中。为此，测量设备1被侧向地布置在容器2的连接件上，诸如布置在法兰连接件上。在这种情况下，测量设备1被设计成使得测量设备1的两个电极11a、11b与填装材料3接触。电极11a、11b彼此平行地对准，使得填装材料3至少部分地位于电极11a、11b之间。

填装材料3可以是液体，诸如饮料、油漆、水泥或推进剂，诸如液态气体或矿物油。然而，也可设想将测量设备1用于诸如谷物或面粉之类的填充货物3。测量设备1可以被连接到上级单元4，例如过程控制系统。例如，可以将“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”实现为接口。由此可以传输介电值DC。然而，也可以传送关于测量设备1的总体操作状态的其他信息。

参考图2更详细地示出了测量设备1的基本电路设计：可以看出，电极11a、11b之一用作用于待发射的雷达信号S_HF的发射器电极11a。平行布置的第二电极11b用作已经穿透两个电极11a、11b之间的填装材料3的进入的雷达信号S_HF的接收器电极11b。交替的发射/接收也将是可能的。

原则上，两个电极11a、11b在结构方面类似地构造：每个电极11a，11b的芯形成由介电材料组成的板状谐振器层110。为了用作雷达信号S_HF的谐振器，谐振器层110的材料应被优选地选择为使得其介电值在2到30之间。在这方面，如果该材料的磁导率在0.5至10之间也是有利的，以便减小尺寸。因而，例如，

-陶瓷，诸如Al₂O₃，

-(玻璃纤维增强)塑料，尤其是诸如PE，PP和PTFE，

-或金属玻璃，诸如例如公开US 20160113113 A1中描述的，

可以用作潜在材料。金属反射层111优选地施加在另一电极11a、11b的谐振器层110的整个后表面上(相对于各自的另一电极11a、b)。金属反射层111用作雷达信号S_HF的反射器，由此增大两个电极11a、11b之间的雷达信号S_HF的强度。

为了生成雷达信号S_HF，信号生成单元12借助于相应的AC电压信号s_HF来驱动发射器电极11a。雷达信号S_HF的波长由AC电压信号s_HF的频率建立。由于根据本发明，通过测量接收到的雷达信号S_HF的幅度或通过测量发射器电极11a与接收器电极11b之间的信号传播时间来确定填装材料3的介电值DC，所以接收器电极11b被连接到为此而设计的评价单元13。结果，评价单元13相应地接收到达接收器电极的雷达信号S_HF作为电接收信号e_HF。由于振幅与介电值DC的虚部成比例，因此可以通过使用接收到的雷达信号S_HF的振幅来确定虚部。这类似地适用于信号传播时间或相移以及介电值DC的实部。

由于根据本发明，没有使用哪种测量原理来确定雷达信号SRF的信号传播延迟的规范，因此应取决于所实现的设计原理来设计评价单元13和信号生成单元12。在这种情况下，可以访问每个已知的电路组件：在FWCW的情况下，信号生成单元12可以基于PLL(“锁相环”)构建；评价单元13可以借助于混合器将发射的AC电压信号s_HF与接收信号e_RF混合，以便通过使用混合信号的频率差来查明传播时间。这可以例如通过借助于相应的计算块的混合信号e_HF的FFT(“快速傅立叶变换”)来完成。

在实现脉冲传播方法时，用于脉冲成型生成AC电压信号s_HF的信号生成单元12可以包括相应的循环控制的振荡器，例如压控振荡器或仅石英振荡器。评价单元13可以通过欠采样以脉冲传播方法处理接收信号e_HF。因此，评价单元13可以通过使用采样的并因此时间扩展了的信号来确定相应信号最大值的信号传播时间。

在发射器电极11a和接收器电极11b的所示实施例版本中，平面辐射器阵列112被安装在谐振器层110的前表面上(也是关于另一电极11a、b)。从图3中可以看出，在电极11a、11b的所示实施例版本中，阵列112包括三倍于三个近似矩形的贴片天线；在2GHz至30GHz之间的频率下，贴片天线的边缘长度可以在0.2mm至50mm之间。通常有利的是边缘长度明显小于雷达信号S_HF的波长的四分之一，因为在这种情况下不形成电磁远场。

在电学上，贴片天线优选地被施加到相同电势。为此，贴片天线例如可以经由分布网络彼此接触，分布网络被设计成相应的微带线(未示出)。与所示的实施例版本相反，贴片天线也可以被实现为例如分形或螺旋形辐射器。

图2和图3中所示的电极11a、11b的实施例的优点在于，它们可以基于印刷电路板来实现。在这种情况下，介电谐振器层110可以由印刷电路板基板形成。贴片天线112和后金属反射层111可以例如被实现为相应构造的铜或银层。

与所示的实施例相反，贴片天线的阵列112也可以被实现为印刷电路板内或谐振器层110内的下层，而不是表面布置。在该实施例中，谐振器层110也可以被配置在具有相应凹进的贴片天线112的前面(关于雷达信号S_HF的发射方向)。结果，雷达信号S_HF的发射或接收进一步聚焦在电极11a、11b之间的区域上。

在图2中所示的电极11a，11b的实施例版本中，用于将AC电压信号s_HF发射至发射器电极11a的信号生成单元12与其金属反射层111接触。评价单元13类似地与接收器电极11b的金属反射层111接触。代替以这种形式接触电极11a、11b，作为反射层111的附加或替选，还可能使信号生成单元12或评价单元13与贴片天线阵列112接触。这导致发射和接收效率更高。

图4示出了介电值测量设备1在电子振动极限水平传感器5中的可能集成，其中，所示的极限水平传感器5基于双振荡叉原理。在这种情况下，发射器电极11a被集成在两个振荡叉之一中；接收器电极11b与第二振荡叉相对地集成。通过将电极11a、11b或信号生成单元12和评价单元13集成，可以在一个相同的测量设备中实现极限水平测量和介电测量这两个测量原理。

参考标记列表

1 测量设备

2 容器

3 填装材料

4 上级单元

5 电子振动边界检测器

11a、b 发射器/接收器电极

12 信号生成单元

13 评价单元

110 谐振器层

111 反射层

112 平面辐射器阵列

DC 介电值

d 谐振器层的深度

e_HF 接收信号

S_HF 雷达信号

s_HF AC电压信号

Claims

1.一种用于测量位于容器(2)中的填装材料(3)的介电值(DC)的测量设备，包括：

-信号生成单元(12)，所述信号生成单元被设计成：

-借助于电AC电压信号(s_HF)驱动发射器电极(11a)，使得所述发射器电极(11a)在所述填装材料(3)的方向上发射雷达信号(S_HF)，

-接收器电极(11b)，所述接收器电极被布置在所述容器(2)中，使得在所述雷达信号(S_HF)穿过所述填装材料(3)后接收所述雷达信号(S_HF)，以及

-评价单元(13)，所述评价单元被配置成：

o基于所述接收器电极(11b)接收到的所述雷达信号(S_HF)，查明所述发射器电极(11a)与所述接收器电极(11b)之间的幅度、相移和/或信号传播时间，和

o基于所查明的信号传播时间、相移和/或所查明的幅度来确定所述介电值(DC)。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述发射器电极(11a)和所述接收器电极(11b)各自至少包括：

-介电谐振器层(110)；以及

-金属反射层(111)，所述金属反射层相对于各自的另一电极(11a、11b)被安装在所述介电谐振器层(110)的后面。

3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，所述介电谐振器层(110)由相对介电值在2至30之间的材料制成，和/或

其中，用于生产所述介电谐振器层(110)的材料的磁导率在0.5至10之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的测量设备，其中，所述发射器电极(11a)和所述接收器电极(11b)各自至少包括：

-平面辐射器(112)阵列，所述平面辐射器阵列被布置在所述介电谐振器层(110)的前侧上，或者在所述介电谐振器层(110)相对于另一电极(11a、11b)的内部中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，其中，所述介电谐振器层(110)的深度(d)对应于所述雷达信号(S_HF)波长的四分之一或其倍数。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，其中，所述信号生成单元(12)被设计成生成具有变化频率(f)的所述AC电压信号(s_HF)，使得所述评价单元(13)通过使用所发射的雷达信号(S_HF)与所接收到的雷达信号(S_HF)之间的频率差确定所述信号传播时间。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的测量设备，其中，所述信号生成单元(12)被设计成以脉冲发射所述AC电压信号(s_HF)，使得所述评价单元(13)通过使用所述发射器电极(11a)和所述接收器电极(11b)之间的脉冲传播时间来确定所述信号传播时间。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的测量设备，其中，所述信号生成单元(12)被设计成生成频率在0.4GHz至30GHz之间的所述交流电压信号(s_HF)。

9.一种用于测量位于容器(2)中的填装材料(3)的介电值(DC)的方法，包括下列方法步骤：

-在所述填装材料(3)方向上发射雷达信号(S_HF)，

-在所述雷达信号(S_HF)穿过所述填装材料(3)后接收所述雷达信号，

-确定所接收到的雷达信号(S_HF)的幅度和/或在所述雷达信号(S_HF)的发射和接收之间的信号传播时间，以及

-通过使用所述幅度和/或所述信号传播时间来确定所述介电值(DC)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过使用所述脉冲传播时间方法确定所述信号传播时间。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，通过使用所述FMCW方法确定所述信号传播时间。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，通过使用相位评价方法，尤其是干涉方法确定所述信号传播时间。