CN114502966A

CN114502966A - 用于确定介电值的测量装置

Info

Publication number: CN114502966A
Application number: CN202080064183.7A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·布勒德特; 奥拉夫·特克斯托尔
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-05-13
Also published as: DE102019124825A1; US20220381703A1; EP4031842A1; WO2021052706A1; DE102019124825B4

Abstract

本发明涉及一种用于确定介质(2)的介电值(DK)的测量装置(1)，该测量装置至少具有以下部件：测量传感器(11)，该测量传感器具有至少一个第一导电电极(111)；以及高频单元，该高频单元被设计成将高频信号(S_HF)至少耦合到第一电极(111)中，并且使用对应的反射信号(THF)来确定介质(2)的介电值。根据本发明，测量装置(1)的特征在于，第一电极(111)被缠绕在可以与介质(2)接触的测量杆(110)上。通过缠绕电极，测量传感器(11)可以有利地被配置成显著较短，而不限制测量装置(1)的灵敏度。以这种方式，测量装置(1)也可以在受限的安装条件下使用。

Description

用于确定介电值的测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定填充材料的介电值的测量装置。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，频繁使用用于检测和/或修改过程变量的现场装置。待确定的测量变量例如可以是介质的料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位、电导率或介电值。为了检测对应测量值，现场装置各自包括合适的传感器或者基于合适的测量原理。各种这样的现场装置由Endress+Hauser公司制造和销售。

确定容器中的填充材料的介电值(也称为“介电常数”或“相对介电常数”)对于固体、液体和气体填充物(诸如，推进剂、废水或化学品)都特别重要，因为此值可以构成杂质、水分含量或物质组成的可靠指标。在本发明的范围内，术语“容器”也指不封闭的容器，诸如，盆、湖或流动的水体。

为了确定介电值，可以根据现有技术使用电容测量原理，尤其是在液体散装材料的情况下。在这种情况下，利用了以下效应：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改变。

TDR传感器(TDR是“时域反射法”的缩写)用于测量介电值。在这种测量原理中，传感器沿着导电的测量传感器传输频率介于0.1GHz与150GHz之间的脉冲高频信号，并测量脉冲的传输时间，直到接收到反射的高频信号。在这种情况下，利用了以下效应：脉冲传输时间取决于围绕测量传感器的物质的介电值。TDR传感器的功能原理在例如公开的专利申请EP 0622 628A2中加以描述。TDR传感器以许多设计出售，例如由IMKO MikromodultechnikGmbH公司出售。TDR传感器的优点还在于，除了确定介电值之外，还可以潜在地确定物质的介电损耗因子。

此外，还可以使用TDR原理在其基于雷达的料位测量期间，以接近寄生的方式确定容器内部的(液体)介质的介电值。此处，对应的高频信号也经由导电的测量传感器被导引到介质中。在申请文件DE 10 2015 117 205 A1中描述了这种组合式料位和介电性测量。在基于TDR的料位测量的情况下，测量传感器原则上在整个容器高度上延伸。

即使将仅测量介电值，一个基于TDR的测量传感器也无法被可选地设计成显著较紧凑，从而确保某个最小信号传输时间并由此实现足够高的测量精度。因此，若有疑问，存在如下风险：基于TDR的介电值测量装置对于某些安装情形而言过于庞大。

发明内容

因此，本发明基于以下目的：提供一种紧凑的介电值测量装置。

本发明通过一种用于确定介质的介电值的测量装置来实现此目的，该测量装置包括以下部件：

-测量传感器，该测量传感器具有

ο至少一个第一导电电极，

-高频单元，该高频单元被设计成将高频信号至少耦合到第一电极中，并基于对应的反射信号来确定介质的介电值。

在本发明的上下文中，术语“高频”通常定义0.1GHz与200GHz之间的信号。然而，取决于测量范围，有利的是，高频单元被设计成产生频率介于0.01GHz与10GHz之间、特别是0.433GHz与6GHz之间的高频电信号。

根据本发明，测量装置的特征在于，第一电极被缠绕在可以与介质接触的测量杆上。此举具有以下优点：测量传感器因此可以显著较短，而测量装置的灵敏度不会受到限制。因此，测量装置也可以在受限的安装条件下使用。在这种情况下，测量杆的几何形状不是固定地预定义的。测量杆可以例如具有圆形或矩形横截面。还可以设想，测量杆不具有直的轴线，而是实际上，轴线取决于使用场所而适当弯曲。

在本发明的上下文中，术语“单元”被理解为原则上意指适合于所提出的预期目的的任何电子电路。因此，取决于要求，它可以是用于产生或处理对应的模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是与程序相互作用的数字电路，诸如，FPGA或存储介质。在这种情况下，程序被设计成执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在此上下文中，在本发明的意义上，料位测量装置的各种电子单元也可以潜在地访问公共的物理存储器或者通过同一物理数字电路来操作。

原则上，在本发明的范围内，没有规定测量原理是基于介电值的反射高频信号来确定的。然而，特别有利的是通过TDR测量原理中的一种来确定介电值。在这些情况下，高频单元被设计成以脉冲方式产生高频信号。测量杆内的测量传感器可以包括作为相对于高频信号的接地电位的第二电极。在这种情况下，第二电极可以例如具有与测量杆相同的几何形状，但是其尺寸相应地减小，即，例如是杆状，具有圆形横截面。

为了使高频信号的电磁近场可以以最小损耗穿透到介质中，第一电极必须与测量杆电绝缘。出于此目的，例如，第一电极可以被设计有对应的绝缘护套。然而，出于此目的，测量杆也可以由非导电材料制成。为了放大介质中的高频信号的电磁场，此处有利的是，测量杆的绝缘材料具有6与40之间的相对介电常数。

为了保护测量杆或第一电极免受环境影响(诸如，研磨介质)，根据本发明的测量杆可以设有非导电涂层。如果测量杆由绝缘材料制成，那么在这种情况下，电绝缘涂层可以具有比测量杆小的介电常数，以使得可以说确保从测量传感器的内部向外产生介电常数的梯度。因此，高频信号的电磁场到介质中的穿透被放大。因此，涂层可以例如由玻璃、PTFE、ABS或陶瓷组成。

因为围绕测量杆的第一电极的缠绕密度越高，介电值测量的灵敏度潜在地越高，所以有利的是，第一电极对于对应于高频信号频率的每个波长具有沿着测量杆至少2次缠绕的缠绕密度。

根据本发明的测量装置的测量传感器可以以一种方式扩展，以使得第三电极与第一电极大致重合地被缠绕在测量杆上。在这种情况下，第三电极相对于测量杆被布置在第一电极内。如果高频单元利用第一高频信号控制第三电极，以使得第一电极和第三电极处的高频信号的相位位置大致相同，那么这具有以下优点：沿着第一电极的高频信号的电磁近场在介质中被放大，并且介电值测量的灵敏度因此提高。特别在第三电极具有比第一电极大的横截面积时，可以使用这种效应。在此上下文中，横截面积应至少大了10％，但是横截面积大了多达400％也是可以设想的。在此上下文中，伸长的横截面也是有利的。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。如下所示：

图1示出了根据本发明的用于容器中的介质的介电值测量的测量装置；

图2示出了根据本发明的测量装置的测量传感器，以及

图3示出了根据本发明的测量传感器的横截面图。

具体实施方式

为了总体理解根据本发明的介电测量装置1，图1中示出了测量装置1在具有介质2的容器3上的示意性布置：为了确定介质2的介电值，测量装置1被侧向布置在容器3的连接件(例如，凸缘连接)上。出于此目的，测量装置1大致上以形状配合的方式被附接到容器内壁。介质2可以是液体，诸如，饮料、油漆、水泥或推进剂(如液化气或矿物油)。然而，也可以设想将测量装置1用于散装材料类型的介质2，诸如，谷物。

测量装置1可以连接到上级单元4，诸如，过程控制系统。“PROFIBUS”、“HART”、“无线HART”或“Ethernet”可以例如被实施为接口。介电值可以作为绝对值或者具有实部和虚部的复数值来传输。然而，也可以传达关于测量装置1的一般操作状态的其它信息。

如图1示意性地示出，根据本发明的测量装置1包括测量传感器11，该测量传感器在安装后延伸到容器3的内部中。以这种方式，测量传感器11在介质2的对应的最小料位处与介质2接触，以使得测量装置1可以经由测量传感器11而确定介质2的介电值。

测量装置1的操作模式基于测量传感器11，高频信号s_HF被施加到该测量传感器中，以使得高频信号s_HF的电磁近场穿透介质2。出于此目的，测量传感器11包括第一导电电极111，测量装置1的高频单元可以将高频信号s_HF耦合到该第一导电电极中。基于在第一电极111的端部处相应地反射的信号r_HF，介电值可以由高频单元确定。高频信号s_HF的频率f_HF将适应于具体类型的介质2或者待测量的介电值的具体值范围。因此，0.433GHz与6GHz之间的频率f_HF适合于具有高含水量的介质2。

原则上，在本发明的上下文中没有规定基于反射信号r_HF确定介电值的测量原理。这是因为，取决于设计，介电值可能影响所传输的高频信号s_HF的传输时间、振幅衰减和相移。

例如，在信号传输时间的情况下，FMCW方法(“调频连续波”)或TDR方法(“时域反射法”)的变形可以类似于制导雷达来实施。

在FMCW的情况下，用于产生高频信号s_HF的高频单元可以相应地包括“锁相环(PLL)”。这是基于可控的、电气的高频振荡器(作为标准实施为VCO)，该高频振荡器产生了高频电信号s_HF。在这种情况下，高频信号s_HF的频率经由反馈来调节，并且因此一方面相对于环境温度的波动被稳定化；另一方面，对于FMCW来说典型的高频信号s_HF的锯齿频率改变经由反馈来设定：反馈的实现在于，控制信号从高频振荡器的高频信号s_HF分支出来，并被馈送到相位比较器。转而，相位比较器将控制信号s_c的当前相移与恒定频率参考信号进行比较。参考信号此处具有可精确预设的参考频率，温度漂移可以忽略不计。

在FMCW的情况下，高频单元可以例如通过将所传输的高频信号s_HF与在第一电极111的端部处反射的信号r_HF混合来确定传输时间，并因此确定介电值，这是因为混合信号的频率随着传输时间线性变化。

随着TDR方法的实施，用于高频信号s_HF的循环的、脉冲式的产生的高频单元可以例如包括对应的循环控制振荡器，例如依次为压控振荡器或仅石英振荡器。为了确定传输时间或介电值，高频单元可以通过欠采样根据脉冲传输时间方法来处理反射信号r_HF。由于欠采样，反射信号r_HF沿着时间轴被拉伸，以使得可以在电路方面以简化方式确定对应于信号传输时间的信号最大值。

尽管可能存在时间拉伸，但是第一电极111必须具有限定的最小长度，以使得高频单元能够以足够的分辨率确定(反射的)高频信号s_HF，r_HF的信号传输时间，或者根据作为具有各种介电值的各种介质2的传输时间改变。实际上，这导致测量传感器11需要具有对应的最小长度。然而，因此，取决于安装情形或容器大小，测量装置1对于相应应用来说可能过于庞大。

基于根据本发明的测量传感器11，如图2所示，测量装置1可以具有显著较紧凑的设计：如图所示，出于此目的，第一电极111被缠绕在测量杆110上，其中测量杆110与第一电极111电绝缘。出于绝缘目的，第一电极111可以被设计为例如有外壳的Cu或Au电缆，或者出于此目的，测量杆110也可以由非导电材料制成。

第一电极111围绕测量杆110的缠绕密度越高，介电值测量的灵敏度也潜在地越高。然而，至少缠绕密度#_min将被设计成使得第一电极111对于根据下式对应于高频信号s_HF的频率f_HF的每个波长λ_HF具有沿着测量杆110至少2次缠绕的缠绕密度#_min：

(其中c是电磁波的传播速度，约3*10⁸m/s)。对于最小缠绕密度#_min，这导致：

因此，在高频信号s_HF的1GHz的频率f_HF下，根据该式的最小缠绕密度#_min对应于每米约20次缠绕。

在图2所示的实施例变形中，测量杆110具有直的轴线和圆形横截面。然而，通常，在本发明的范围内，横截面形状不被规定为固定的，并且例如也可以是矩形。与所示的实施例变形相反，如果使用场所需要，测量杆110的轴线也可以是弯曲的。

作为相对于(反射的)高频信号s_HF，r_HF的接地电位，在图2所示的实施例变形中，测量电极11包括杆状的第二电极112，该第二电极具有相对于测量杆110的圆心中的横截面同样为圆形的横截面，其中第二电极112也与测量杆110电绝缘。在这种情况下，第二电极112被设计成足够长，以至少在第一电极111被缠绕在测量杆110上的测量杆110的区域上延伸。

在测量传感器11的图2所示的实施例变形中，电绝缘涂层113被涂覆到测量杆110或围绕第一电极111涂覆。涂层113主要用于机械地或化学地保护第一电极111免受外部影响。为了使待检查的介质2的介电值仍然对沿着第一电极111的高频信号s_HF的电磁场具有足够影响，有利的是，涂层113具有比同样电绝缘的测量杆110小的介电常数。如果测量杆110因此由相对介电常数介于6与40F*m^-1之间的材料制成，那么电绝缘涂层113可以例如由诸如玻璃、PTFE、ABS或陶瓷等材料制成，该材料具有相比测量杆110对应地较小的相对介电常数。

图3示出了根据本发明的测量传感器11的横截面图：在此图中，示出了扩展的实施例变形，其中第三电极114与第一电极111大致重合地被缠绕在测量杆110上。在这种情况下，第三电极114相对于测量杆110被布置在第一电极111内。

在所示的图示中，第一电极111与第三电极114两者具有相对于测量杆10的横截面伸长的横截面。在这种情况下，第三电极114的长度以及因此横截面积比第一电极111的横截面积大了约150％。测量传感器11的此实施例变形使得高频信号s_HF的电磁场能够沿着第一电极111以提高的强度被施加到待检查的介质2。结果，测量的灵敏度可以转而增加。先决条件是测量装置1的高频单元也将高频信号s_HF施加到第三电极114，并且实际上相对于第一电极111大致同相。因此，测量传感器11的大小可以通过第三电极114进一步减小，而不会降低灵敏度。围绕测量传感器11的测量区域的灵敏度或范围转而可以经由高频信号s_HF被施加到第三电极114中的信号强度来可变地调节。

参考标记列表

1 测量设备

2 介质

3 容器

4 上级单元

11 测量传感器

110 测量杆

111 第一电极

112 第二电极

113 涂层

114 第三电极

f_HF 高频信号的频率

r_HF 反射信号

s_HF 高频信号

#_min 最小缠绕密度

λ_HF 高频信号的对应波长

Claims

1.一种用于确定介质(2)的介电值的测量装置，包括：

-测量传感器(11)，所述测量传感器具有

○至少一个第一导电电极(111)，

-高频单元，所述高频单元被设计成将高频信号(s_HF)至少耦合到所述第一电极(111)中，并基于对应的反射信号(r_HF)来确定所述介质(2)的介电值(DK)，

其特征在于，

所述第一电极(111)被缠绕在能够与所述介质(2)接触的测量杆(110)上。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述高频单元被配置成以脉冲方式产生所述高频信号(s_HF)，以使得能够使用TDR测量原理来确定所述介电值。

3.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中所述测量杆(110)具有圆形横截面。

4.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中所述测量杆(110)包括非导电涂层(113)。

5.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中所述测量杆(110)由非导电材料制成，所述非导电材料尤其具有介于6与40之间的限定的相对介电常数。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其中所述电绝缘涂层(113)具有比所述测量杆(110)小的介电常数，并且特别是由玻璃、PTFE、ABS或陶瓷制成。

7.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中对于对应于所述高频信号(s_HF)的频率(f_HF)的每个波长(λ_HF)，所述第一电极(111)具有沿着所述测量杆(110)至少2次缠绕的缠绕密度#_min。

8.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中所述测量杆(110)内的测量传感器(11)包括第二电极(112)，所述第二电极特别是杆状的。

9.根据权利要求8所述的测量装置，其中所述第二电极(112)充当所述高频信号(s_HF)或所述反射信号(r_HF)的接地电位。

10.根据前述权利要求之一所述的测量装置，其中第三电极(114)与所述第一电极(111)大致重合地被缠绕在所述测量杆(110)上，所述第三电极相对于所述测量杆(110)被布置在所述第一电极(111)内部，并且特别具有比所述第一电极(111)大的横截面积。

11.根据权利要求10所述的测量装置，其中所述高频单元利用所述第一高频信号(s_HF)控制所述第三电极(114)，以使得所述第一电极(111)和所述第三电极(114)上的高频信号(s_HF)的相位位置大致相同。

12.根据前述权利要求之一所述的测量装置，所述高频单元被设计成产生频率介于0.1GHz与10GHz之间、特别是0.433GHz与6GHz之间的高频电信号(s_HF)。