DE102017130728A1

DE102017130728A1 - Messgerät zur Dielektrizitätswert-Bestimmung

Info

Publication number: DE102017130728A1
Application number: DE102017130728.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Brengartner; Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27
Also published as: US20190187071A1; US10983069B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) zur Messung eines Dielektrizitätswertes (DK) von Füllgütern (3) in Behältern (2). Das Messgerät (1) umfasst: Eine Sende-Schaltung (11) zum Aussenden eines ersten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signal (S) mit einer ersten Frequenz (f) und eines zweiten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals (S) mit einer zweiten Frequenz (f); Eine Empfangs-Schaltung (12) zum Empfang der zwei Hochfrequenz-Signale (S, S); Und eine Auswertungs-Schaltung (13), um eine erste Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Aussenden und Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals (S) zu ermitteln, um eine zweite Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Aussenden und Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals (S) zu ermitteln, und um eine Amplitude (A) von einem der empfangenen Hochfrequenz-Signale (S, S) zu ermitteln. Anhand dieser drei Werte (A, Δφ, Δφ) wird der Dielektrizitätswert (DK) bestimmt. Durch die Bestimmung der Phasenverschiebung (Δφ, Δφ) bei unterschiedlichen Frequenzen (f, f) ist es erfindungsgemäß möglich, insbesondere bei Feststoff-artigen Füllgütern 3 deren Dielektrizitätswert (DK) verfälschungsfrei, also ohne den Einfluss von Lufteinschlüssen oder Feuchtigkeit, zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät und ein Verfahren zur Messung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes.
In der Automatisierungstechnik, wie beispielsweise in groß-industriellen Prozess-Anlagen, werden vielfach Messgeräte eingesetzt, die zur Erfassung der relevanten Prozessparameter von Prozessmedien dienen. Die Erfassung der Prozessparameter basiert auf hierfür geeigneten Messprinzipien. Entsprechende Sensoren kommen unter anderem in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz. Sie erfassen in den Behältern oder Rohren, in denen sich das Prozessmedium befindet, die jeweiligen Prozessparameter, so wie den Füllstand, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, die Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert. Eine Vielzahl dieser Messgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permitivität“) ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen darstellen kann. Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes kann nach dem Stand der Technik vor allem bei flüssigen Füllgütern auf das kapazitive Messprinzip zurückgegriffen werden. Dabei wird der Effekt genutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators proportional mit dem Dielektrizitätswert desjenigen Mediums, das sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindet, ändert.
Alternativ ist es auch möglich, den Dielektrizitätswert eines (flüssigen) Mediums in einem Behälter-Inneren quasi parasitär bei dessen Füllstandsmessung mitzubestimmen. Dies erfordert das Messprinzip des geführten Radars, bei dem Mikrowellen über einen elektrisch leitfähigen Wellenleiter in das Medium geführt werden. Beschrieben ist diese kombinierte Füllstands- und Dielektrizitäts-Messung in der Offenlegungsschrift DE 10 2015 117 205A1 .
Beide geschilderten Messprinzipen sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Messung des Dielektrizitätswertes bei Feststoffen verfälscht werden kann. Grund dafür können bspw. Lufteinschlüsse in Granulat-artigen Füllgütern oder der Feuchteanteil in Korn- oder Pulverförmigen Füllgütern sein. In diesen Fällen wird nach dem Stand der Technik ein Mittelwert des Dielektrizitätswertes vom Füllgut und dem der Luft bzw. dem des Wassers ermittelt, obwohl der Dielektrizitätswert des reinen Füllgutes von Interesse ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät und ein Verfahren bereitzustellen, dass insbesondere bei Feststoff-artigen Füllgütern eine verbesserte Messung des Dielektrizitätswertes erlaubt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Messung eines Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes, umfassend:

- Eine Sende-Schaltung, die ausgelegt ist, ein erstes elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal mit einer ersten Frequenz und ein zweites elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal mit einer zweiten Frequenz in Richtung des Füllgutes auszusenden,
- eine Empfangs-Schaltung, die derart angeordnet und ausgestaltet ist, um das erste Hochfrequenz-Signal und das zweite Hochfrequenz-Signal zu empfangen, und
- eine Auswertungs-Schaltung, die konzipiert ist, um
- ◯ eine erste Phasenverschiebung zwischen dem Aussenden und dem Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals zu ermitteln,
- ◯ eine zweite Phasenverschiebung zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals zu ermitteln,
- ◯ eine Amplitude von zumindest dem empfangenen ersten Hochfrequenz-Signal zu ermitteln, und um
- ◯ anhand der Amplitude, der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung den Dielektrizitätswert zu
bestimmen.

Dabei bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz-Signal“ im Rahmen der Erfindung auf elektromagnetische Wellen im Bereich von Kurzwellen bis Mikrowellen (Radar), also von ca. 3 MHZ bis 300 GHz. Die Erfindung macht sich hierbei zunutze, dass der Dielektrizitätswert auf Basis des Zusammenhangs $\frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{1}}{2 π f_{H F 1}})}^{2} - 1}{D K - 1} = (1 - r) = \frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{2}}{2 π f_{H F 2}})}^{2} - 1}{D K - 1}$
ermittelt werden (co ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum). Durch die Bestimmung der Phasenverschiebung bei unterschiedlichen Frequenzen ist es somit möglich, vor allem bei Feststoff-artigen Füllgütern den Dielektrizitätswert verfälschungsfrei zu bestimmen.
Neben der Beachtung regulatorischer Rahmenbedingungen ist es vorzuziehen, wenn die Frequenzen des ersten Hochfrequenzsignals und des zweiten Hochfrequenz-Signal zwischen 10 MHz und 10 GHz betragen. Dieser Bereich stellt einen guten Kompromiss zwischen hinreichender Transmission durch das Füllgut und Bewirkung einer hinreichenden Phasenverschiebung dar. Um das Messgerät redundant auszulegen, ist es zudem von Vorteil, wenn die Amplituden beider Hochfrequenz-Signale (entweder separat oder als Summe) ermittelt werden.
Die Hochfrequenz-Signale lassen sich schaltungstechnisch aufwandsarm erzeugen, wenn die Sende-Schaltung einen ersten Schwingkreis, insbesondere einen Oszillator umfasst, der ausgelegt ist, um das erste Hochfrequenz-Signal und/oder das zweite Hochfrequenz-Signal zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der erste Schwingkreis ausgelegt ist, um sowohl das erste Hochfrequenz-Signal als auch das zweite Hochfrequenz-Signal, insbesondere gleichzeitig, zu erzeugen. Somit wird ein zweiter Schwingkreis überflüssig. Implementiert werden kann dies beispielsweise durch einen Oszillator, bspw. einen Quarzoszillator, der neben der Grundfrequenz auch in einer oder mehreren Oberfrequenzen angeregt wird, so dass auch diese neben der Grundfrequenz ausgekoppelt werden kann/können. Somit ist der erste Schwingkreis konzipiert, um das zweite Hochfrequenz-Signal mit einer Oberfrequenz, insbesondere der ersten Oberfrequenz des ersten Hochfrequenz-Signals zu erzeugen.
Unter Inkaufnahme eines umfangreicheren Schaltungsaufbaus ist es natürlich auch denkbar, dass die Sende-Schaltung einen zweiten Schwingkreis zur Erzeugung des zweiten Hochfrequenz-Signals umfasst. Insbesondere in diesem Fall kann die Sende-Schaltung so realisiert werden, dass sie neben der ersten Sende-Antenne eine zweite Sende-Antenne zum Aussenden des zweiten Hochfrequenz-Signals umfasst. Ohne Implementierung eines zweiten Schwingkreises bietet es sich wiederum eher an, dass die Sende-Schaltung lediglich eine erste Sende-Antenne zum Aussenden des ersten Hochfrequenz-Signals und des zweiten Hochfrequenz-Signals umfasst.
Unabhängig von der Auslegung der Sende-Schaltung ist es möglich, die Empfangs-Schaltung entweder so zu konzipieren, dass sie eine erste Empfangs-Antenne zum Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals und des zweiten Hochfrequenz-Signals umfasst, oder dass die Empfangs-Schaltung neben der ersten Empfangs-Antenne eine zweite Empfangs-Antenne zum Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals umfasst.
Von den Einsatzbedingungen, unter denen das erfindungsgemäße Messgerät eingesetzt wird, hängt wesentlich die Auslegung der Antennen ab. So können/kann der die erste Sende-Antenne, die zweite Sende-Antenne, die erste Empfangs-Antenne und/oder die zweite Empfangs-Antenne als Stab-Antenne, Horn-Antenne oder Planar-Antenne, insbesondere Fraktal-Antenne, ausgelegt werden. Eine Auslegung als Stab-Antenne(n) ist bspw. denkbar, wenn die Empfangs-Schaltung nahe an der Sende-Schaltung angeordnet ist, so dass eine geringe Richtwirkung erfordert wird. Stab-Antennen können mechanisch stabil ausgelegt werden, so dass sie auch unter mechanischer Belastung durch das Füllgut nicht beschädigt werden. Eine Auslegung als stark bündelnde Horn-Antenne(n) bietet sich hingegen bspw. an, wenn die Empfangs-Schaltung weiter entfernt zur Sende-Schaltung, bspw. gegenüberliegend an der Innenwand eines Behälters mit großem Innendurchmesser angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil von Horn-Antennen besteht in der guten Nebenkeulen-Unterdrückung, wodurch das Messgerät sehr robust gegenüber Fremdeinstrahlung ist und somit vereinfacht die Funkzulassung erhalten werden kann. Planar-Antennen können wiederum vorteilhaft eingesetzt werden, wenn am Einbauort insgesamt beschränkte Platzverhältnisse vorherrschen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Messgerätes ist es zudem denkbar, dass die Sende-Schaltung ausgelegt ist, das erste Hochfrequenz-Signal und/oder das zweite Hochfrequenz-Signal mit einer Amplituden-Modulation auszusenden. Sofern hierzu korrespondierend die Empfangs-Schaltung ausgestaltet ist, um die Amplituden-Modulation zu erkennen und dem entsprechenden Hochfrequenz-Signal zuzuweisen, kann das jeweilige Hochfrequenz-Signal hierüber selektiert werden. Somit ist es möglich, zwecks Bestimmung der Phasenverschiebung die Selektion des Hochfrequenz-Signals nicht (nur) anhand der Frequenz durchzuführen.
Analog zum erfindungsgemäßen Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels des zuvor beschriebenen Messgerätes gelöst. Dementsprechend umfasst das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte:

- Aussenden des ersten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals mit einer ersten Frequenz in Richtung des Füllgutes,
- Aussenden des zweiten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals mit einer zweiten Frequenz in Richtung des Füllgutes,
- Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals nach Durchlaufen des Füllgutes,
- Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals nach Durchlaufen des Füllgutes,
- Ermitteln einer ersten Phasenverschiebung zwischen dem Aussenden und dem Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals,
- Ermitteln einer zweiten Phasenverschiebung zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals,
- Ermitteln einer Amplitude von zumindest dem empfangenen ersten Hochfrequenz-Signal, und
- Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Amplitude, der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät an einem Behälter,
2: eine erste Auslegungsvariante des Messgerätes,
3: eine zweite Auslegungsvariante des Messgerätes, und
4: eine bevorzugte Ausführungsform des Richtkopplers.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 gezeigt, das zur Messung eines Dielektrizitätswertes DK eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes 3 dient. Das Messprinzip des Messgerätes 1 basiert auf der Erzeugung von zumindest zwei elektromagnetischen Hochfrequenz-Signalen S_HF1 , S_HF2 mit Frequenzen f_HF1 , f_HF2 im Bereich zwischen 3 MHZ und 300 GHz (also im Bereich zwischen Kurzwelle und Mikrowelle), wobei die Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 verschiedene Frequenzen f_HF1 , f_HF2 aufweisen. Die zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 werden durch das Füllgut 3 hindurch ausgesendet. Bei dem Füllgut 3 kann es sich um ein Flüssiggut wie Kerosin, Waser etc. handeln. Daneben kann es sich aber auch um ein Feststoffartiges Füllgut 3 wie Kies, Mehl oder ähnliches handeln. Gerade bei Feststoffförmigem Füllgut 3 kann es aufgrund der Porosität vorkommen, dass es zu einem gewissen Anteil (1 - r) mit Luft (bzw. dem Gasgemisch oberhalb des Füllgutes 3) durchmischt ist. Andere Feststoffe wie Mehl können jedoch auch einen Anteil (1 - r) an gebundener Luftfeuchtigkeit aufweisen.
Nach Durchgang der Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 durch das Füllgut 3 werden die resultierenden Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ der zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 durch eine Auswerte-Schaltung 13 bestimmt. Der Einfluss durch den Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 auf die Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ ergibt sich dabei aus dem Zusammenhang $Δ φ_{1,2} = 2 π f_{H F 1,2} \frac{\sqrt{r (D K - 1) + 1}}{c_{0}}$
Außerdem wird die Amplitude A, bzw. die Dämpfung der Amplitude A von zumindest einem der beiden Signale S_HF1 , S_HF2 nach Durchgang durch das Füllgut 3 durch die Auswertungs-Schaltung 13 ermittelt. Auf Basis von $\frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{1}}{2 π f_{H F 1}})}^{2} - 1}{D K - 1} = (1 - r) = \frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{2}}{2 π f_{H F 2}})}^{2} - 1}{D K - 1}$
Kann die Auswertungs-Schaltung 13 somit den Dielektrizitätswert DK ermitteln. Die Lösung dieser Gleichung kann allgemein entweder numerisch durch eine entsprechende Software der Auswerte-Schaltung 13 realisiert werden. Sofern die erste Frequenz f_HF1 des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 in einem bestimmten Verhältnis zu der zweiten Frequenz f_HF2 des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 steht, ist je nach Verhältnis auch eine analytische Lösung der obigen Gleichung möglich. Sofern das Verhältnis der Frequenzen f_HF1 2:1 beträgt, besteht eine analytische Lösung in der Formel $\frac{r * Δ φ_{2}^{2}}{4 * Δ φ_{1}^{2}} - \frac{r}{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{1}}{2 π f})}^{2}} = \frac{(A - 1) * D K * k}{D K * k - 1}$
(k ist hierbei eine Konstante, die von der Distanz zwischen den Sende-Schaltung 11 und der Empfangs-Schaltung 12 sowie Absorption des Füllgutes 3 abhängt). Erfindungsgemäß wird also der Einfluss des Anteils r an Luft/Feuchtigkeit im Füllgut 3 durch den Effekt kompensiert, dass die Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ von der Frequenz f_HF1 , f_HF2 des jeweiligen Hochfrequenz-Signals S_HF1 , S_HF2 abhängig ist.
Wie in 1 dargestellt ist, werden die Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 durch eine entsprechende Sende-Schaltung 11 des Messgerätes 1, die an der Innenwand des Behälters 2 angeordnet ist, erzeugt bzw. in Richtung des Füllgutes 3 ausgesendet. Zum Empfang der zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 nach Durchgang durch das Füllgut 3 ist gegenüberliegend zur Sende-Schaltung 11 an der Innenwand des Behälters 2 eine Empfangs-Einheit 12 angebracht. Zur Bestimmung der Amplitude A bzw. der Dämpfung und der jeweiligen Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ sind die Sende-Schaltung 11 und die Empfangs-Schaltung 12 entsprechend mit der Auswertungs-Schaltung 13 verschaltet.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sende-Schaltung 11 und die Empfangs-Schaltung 12 in etwa gegenüberliegend zueinander an der Innenwand des Behälters 3 angeordnet. Diese Anordnung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Sende-Schaltung 11 die Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 gerichtet aussendet, so dass die Amplitude A der Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 an der Empfangs-Schaltung 12 ausreichend hoch für eine Detektion ist. Unter solch einer Ausrichtung können die Sende-Schaltung 11 und die Empfangs-Schaltung 12 bspw. auch in einem Flanschanschluss 21 des Behälters 2 positioniert sein. Aufgrund des vergleichsweise kurzen Abstandes zwischen der Sende-Schaltung 11 und der Empfangs-Schaltung 12 wird bei der Anordnung im Flanschanschluss 21 die Gefahr, dass die Hochfrequenz-Signals S_HF1 , S_HF2 aufgrund übermäßiger Dämpfung nicht mehr detektierbar sind, vermindert.
Allgemein ist die Anordnung bzw. die Ausrichtung der Sende-Schaltung 11 und der Empfangs-Schaltung 12 zueinander jedoch nicht fest vorgegeben. So könnten die Schaltungen 11, 12 auch nebeneinander an der (Innen-)Wand des Behälters 2 angeordnet sein, insbesondere wenn die Richtwirkung der Sende-Schaltung 11 und der der Empfangs-Schaltung 12 gering ist. Selbst eine Anbringung an der Außenseite des Behälters 2 ist denkbar, sofern der Behälter 2 aus einem Material gefertigt ist, dass bei den Frequenzen f_HF1 , f_HF2 der Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 hinreichend transparent ist.
Prinzipiell ist je nach Auslegung der Sende-Schaltung 11 und der Empfangs-Schaltung 12 bezüglich deren Anordnung und Ausrichtung zueinander abzuwägen, dass

- einerseits die Distanz zwischen der Sende-Schaltung 11 und der Empfangs-Schaltung 12 ausreicht, um eine Mindest-Phasenverschiebung Δφ₁ , Δφ₂ detektieren zu können (im Frequenzbereich ab 10 MHz ca. 5 cm);
- Andererseits die Distanz und die Frequenzen f_HF1 , f_HF2 gering genug sind, so dass die Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 nicht komplett durch das Füllgut 3 absorbiert werden.

In 2 ist eine erste Auslegungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 gezeigt. Der dortige Aufbau der Sende-Schaltung 11 beruht auf zwei Sende-Antennen 113, 113', von denen die erste Sende-Antenne 113 das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 aussendet; Die zweite Sende-Antenne 113' sendet das zweite Sende-Signal S_HF2 aus. Hierzu werden die zwei Sende-Antennen 113, 113' von jeweils einem HF-Schwingkreis 111, 111' angesteuert. Dabei wird die Frequenz f_HF1 des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 durch den ersten HF-Schwingkreis 111 bestimmt. Analog hierzu definiert der zweite HF-Schwingkreis 111' die Frequenz f_HF2 des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 . Die HF-Schwingkreise 111, 111' können beispielsweise in Form eines VCO's („Voltage Controlled Oscillator“) oder als Quarzoszillator realisiert sein.
Korrespondierend zu den zwei Sende-Antennen 113, 113' der Sende-Schaltung 11 weist die Empfangs-Schaltung 12 bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante zwei Empfangs-Antennen 121, 121' auf. Dabei ist die erste Empfangs-Antenne 121 ausgelegt, um zumindest das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 nach Durchgang durch das Füllgut 3 zu empfangen. Analog hierzu ist die zweite Empfangs-Antenne 121' zum Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 ausgelegt. Hierbei sind die erste Empfangs-Antenne 121 und die zweite Empfangs-Antenne 121' vorzugsweise so konzipiert, dass Quereinflüsse des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 auf die zweite Empfangs-Antenne 121', und umgekehrt, minimiert werden.
Um darüber hinaus etwaige Quereinflüsse des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 auf die zweite Empfangs-Antenne 121' herauszufiltern, ist der zweiten Empfangs-Antenne ein erster Hochpass 131 nachgeschaltet. Zur Unterdrückung eventueller Quereinflüsse des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 auf die erste Empfangs-Antenne 121 ist diese an einen entsprechenden Tiefpass 132 angeschlossen. Dabei unterdrückt der Tiefpass 132 die Frequenz f_HF2 des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 . Analog hierzu unterdrückt der Hochpass 131 die höhere Frequenz f_HF1 des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 . Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 sind der Hochpass 131 und der Tiefpass 132 der Auswertungs-Schaltung 13 zugeordnet. Ebenso könnte(n) der Hochpass 131 und/oder der Tiefpass 132 jedoch auch als Bestandteil der Empfangs-Schaltung 12 ausgelegt sein.
Neben der Minimierung der Querempfindlichkeit der Empfangs-Antennen 121, 121' sind sowohl die Sende-Antennen 113, 113', als auch die Empfangs-Antennen 121, 121', wie in Zusammenhang mit 1 thematisiert, auf die Einbausituation im Behälter 2 auszulegen. Dementsprechend ist eine Auslegung als Stab-Antenne(n) vorteilhaft, wenn bspw. bei naher Anordnung der Empfangs-Schaltung 12 zur Sende-Schaltung 11 eine geringe Richtwirkung ausreichend ist, die Antennen 113, 113', 121, 121', jedoch mechanisch stabil sein müssen. Eine Auslegung als stark bündelnde Horn-Antenne(n) bietet sich hingegen bspw. an, wenn die Empfangs-Schaltung 12 gegenüberliegend zur Sende-Schaltung 11, also weiter entfernt an der Innenwand des Behälters 2 angeordnet ist. Planar-Antennen können wiederum bei beengten Platzverhältnissen eingesetzt werden, zum Beispiel bei der Integration der Empfangs-Schaltung 12 und der Sende-Schaltung 11 im Flanschanschluss 21.
Die Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ zwischen Aussenden und Empfang der Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 werden in der Auswerte-Schaltung 13 mittels zwei Phasenkomparatoren 133, 134 (auch unter dem Begriff „Phasenvergleicher“ oder „Phasendetektor“ bekannt) ermittelt. Der erste Phasenkomparator 133 vergleicht das von der ersten Empfangs-Antenne 121 empfangene, erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 (nachdem es durch den ersten Tiefpass 132 gefiltert ist) mit dem auszusendenden, ersten Hochfrequenz-Signal S_HF. Hierzu wird das auszusendende, erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 in der Sende-Schaltung 11 zwischen dem ersten HF-Schwingkreis 111 und der Sende-Antenne 113 von einem ersten Duplexer 114 abgezweigt und, wie das empfangene erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 , dem ersten Phasenkomparator 133 zugeführt. Dementsprechend ermittelt der erste Phasenkomparator 133 die Phasenverschiebung Δφ₁ des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 . In gleicher Weise wird die Phasenverschiebung Δφ₂ des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 ermittelt: Ein zweiter Phasenkomparator 134 vergleicht das zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 vor dem Aussenden mit der Situation nach Empfang durch die zweite Empfangs-Antenne 121' bzw. nach Filterung durch den ersten Hochpass 131. Hierzu wird wiederum das auszusendende, zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 in der Sende-Schaltung 11 zwischen dem zweiten HF- Schwingkreis 111' und der zweiten Sende-Antenne 113' von einem zweiten Duplexer 114' abgezweigt. Anstelle der zwei Duplexer 114, 114' können auch entsprechende Leistungsteiler verwendet werden.
Da erfindungsgemäß zusätzlich zur Ermittlung der Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ auch die die Dämpfung der Amplitude A von zumindest einem der zwei Hochfrequenz-Signale S_HF2 , S_HF2 zu bestimmen ist, wird bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 die Amplitude A des empfangenen, ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 ermittelt. Hierzu zweigt ein Richtkoppler 136 das von der ersten Empfangs-Antenne 121 empfange Hochfrequenz-Signal S_HF1 vor dem Tiefpass 132 zu einem Gleichrichter 135', beispielsweise einer Brückenschaltung aus vier Dioden, ab. Die Amplitude A des gleichgerichteten, ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 kann im Anschluss beispielsweise über einen Analogeingang eines Microcontrollers 135 bzw. einer äquivalenten Schaltung erfasst werden. Zudem sind an entsprechenden Digital-Eingängen des Microcontrollers 135 die Ausgänge der zwei Phasenkomparatoren 133, 134 angeschlossen, so dass dem Microcontroller 135 hierüber die Phasenverschiebungen Δφ₁ , Δφ₂ der zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 übermittelt werden. Auf Grundlage des Zusammenhangs $\frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{1}}{2 π f_{H F 1}})}^{2} - 1}{D K - 1} = (1 - r) = \frac{{(\frac{c_{0} * Δ φ_{2}}{2 π f_{H F 2}})}^{2} - 1}{D K - 1}$
kann der Microcontroller 135 also mittels einer entsprechenden Routine bzw. mittels eines entsprechenden Programms den bereinigten Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 berechnen.
Allgemein müssen das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 und das zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 zwar mit konstanten Frequenzen f_HF1 , f_HF2 ausgesendet werden. Wie aus der obigen Formel hervorgeht, ist es per se jedoch nicht erforderlich, dass die erste Frequenz f_HF1 in einem bestimmten Verhältnis zur zweiten Frequenz f_HF2 steht.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante ist es einerseits möglich, das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 gleichzeitig mit dem zweiten Hochfrequenz-Signal S_HF2 auszusenden. Alternativ ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch ein abwechselndes Aussenden denkbar, um bspw. Energie zu sparen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1, die im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsvariante eine reduzierte Anzahl an Komponenten erfordert: In der Sende-Schaltung 11 ist lediglich die erste Sende-Antenne 113 implementiert. Über sie wird sowohl das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 als auch das zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 ausgesendet. Darüber hinaus umfasst die Empfangs-Schaltung 12 in 3 keine zweite Empfangs-Antenne 121'. Dementsprechend ist die erste Empfangs-Antenne 121 für beide Frequenzen f_HF1 , f_HF2 ausgelegt, so dass über sie beide Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 empfangbar sind.
Auch die Erzeugung der zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 erfolgt bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante nicht separat mittels zweier HF-Schwingkreise 111, 111', sondern mittels nur einem Oberwellen-Schwingkreises 111", bspw. in Form eines Quarz-Oszillators. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass der Oberwellen-Schwingkreis neben einer Grundfrequenz f_HF1 zudem zumindest eine Oberfrequenz f_HF2 erzeugt. Somit bilden die Grundfrequenz f_HF1 und die (erste) Oberfrequenz f_HF2 die Basis für die zwei Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 .
Im Gegensatz zu der Ausführung mit lediglich einem Oberwellen-Schwingkreis 111 " wäre es bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante auch denkbar, das erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 und das zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 wie in 2 separat durch zwei HF-Schwingkreise 111, 111' zu erzeugen und über einen Koppler der ersten Sende-Antenne 113 zuzuführen.
Da die in 3 dargestellte Empfangs-Schaltung 12 lediglich eine Empfangs-Antenne 121 umfasst, zweigt der Richtkoppler 136 die von der Empfangs-Antenne 121 empfangenen Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 dreifach auf, und zwar zum ersten Hochpass 131, zum ersten Tiefpass 132 und zum Gleichrichter 135'. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsvariante sind der erste Hochpass 131 und der erste Tiefpass 132 folglich zwingend erforderlich. Denn dasjenige von der Empfangs-Antenne 121 empfangenen Hochfrequenz-Signal S_HF1 , S_HF2 , das dem jeweiligen Phasenkomparator 133, 134 nicht zugeordnet ist (vgl. 2), muss entsprechend rausgefiltert werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch den ersten Tiefpass 132 nur das empfangene, erste Hochfrequenz-Signal S_HF1 dem ersten Phasenkomparator 133 zugeführt wird, und dass durch den ersten Hochpass 131 nur das empfangene, zweite Hochfrequenz-Signal S_HF2 dem zweiten Phasenkomparator 134 zugeführt wird.
Analog hierzu werden auch die auszusenden Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 für die zwei Phasenkomparatoren 133, 134 entsprechend gefiltert: Zwischen dem Oberwellen-Schwingkreis 111 " und der ersten Sende-Antenne 113 wird ein hinreichender Leistungsanteil der auszusendenden Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 mittels des ersten Duplexers 114 ausgekoppelt und über einen dritten Duplexer 137 weiter aufgesplittet. Die zwei aufgesplitteten Signalanteile werden jeweils über einen zweiten Tiefpass 138 und einen zweiten Hochpass 139 geführt, bevor der durch den zweiten Hochpass 139 geführte Signalanteil dem zweiten Phasenkomparator 134 zugeführt wird; Der über den zweiten Tiefpass 138 geführte Signalanteil wird, wie das vom ersten Tiefpass 132 kommende erste Hochfrequenz-Signal S_HF dem ersten Phasenkomparator 133 zugeführt. Damit wird wiederum erreicht, dass durch den zweiten Tiefpass 138 nur das erste auszusendende Hochfrequenz-Signal S_HF1 dem ersten Phasenkomparator 133 zugeführt wird, und dass durch den zweiten Hochpass 139 nur das zweite auszusendende Hochfrequenz-Signal S_HF2 dem zweiten Phasenkomparator 134 zugeführt wird.
Da die Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante durch einen Oberwellen-Schwingkreis 111 " erzeugt werden, sind der erste Tiefpass 132 und zweite Tiefpass 138 auf die Grundfrequenz f_HF1 des Oberwellen-Schwingkreises 111" abgestimmt. Der erste Hochpass 131 und der zweite Hochpass 139 sind auf die (erste) Oberfrequenz f_HF2 des Oberwellen-Schwingkreises 111" abgestimmt.
Eine Möglichkeit zur weiteren Reduktion der effektiven Anzahl an Komponenten des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in 4 veranschaulicht: Die dort gezeigte Idee basiert auf der Integration des Richtkopplers 136, des ersten Hochpasses 131 und des ersten Tiefpasses 132 innerhalb einer Leiterbahnstruktur. Hierbei wird das Prinzip von Stab-Antennen genutzt, wonach die Länge der Antenne zur Übertragung eines elektromagnetischen Signals auf die Wellenlänge des Signals abgestimmt sein muss. Dementsprechend weist die in 4 gezeigte Leiterbahnstruktur drei parallel zueinander geführte Leiterbahnen auf, von denen eine erste äußere Leiterbahn eine Länge von mindestens einem Achtel der Wellenlänge λ₂ des zweiten Hochfrequenz-Signals S_HF2 (oder einem Ganzzahligen Vielfachen hiervon) aufweist und somit die Funktion des ersten Hochpasses 131 übernimmt. Die andere äußere Leiterbahn weist eine Länge von mindestens einem Viertel der Wellenlänge λ₁ des ersten Hochfrequenz-Signals S_HF1 (oder wieder einem Ganzzahligen Vielfachen hiervon) auf; Somit übernimmt die zweite äußere Leiterbahn die Funktion des ersten Tiefpasses 132. Über die mittlere Leiterbahn werden die von der ersten Empfangsantenne 121 empfangenen Hochfrequenz-Signale S_HF1 , S_HF2 zugeführt. Die resultierende Leiterbahnstruktur kann bspw. auf derjenigen Leiterkarte implementiert sein, auf der auch die weiteren Komponenten 131-139 der Auswertungs-Schaltung 13 aufgebracht sind.
Die in 3 gezeigte Ausführungsvariante umfasst seitens der Sende-Schaltung 11 zwischen dem Oberwellen-Schwingkreis 111" und der ersten Sende-Antenne 113 einen Sende-Verstärker 112. Auch auf Seiten der Empfangs-Schaltung 12 ist ein Empfangs-Verstärker 122 hinter der ersten Empfangs-Antenne 122 angeordnet. Somit kann das Sende- und Empfangsverhalten individuell auf den jeweiligen Behälter 2 bzw. die jeweilige Einsatzsituation angepasst werden. Zwar sind der Sende-Verstärker 112 und der Empfangs-Verstärker 122 bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mitdargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Verstärker 112, 122 auch dort implementiert werden können.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Behälter
3: Füllgut
11: Sende-Schaltung
12: Empfangs-Schaltung
13: Auswertungs-Schaltung
21: Flanschanschluss
111, 111': HF-Schwingkreise
111": Oberwellen-Schwingkreis
112: Sendeverstärker
113, 113': Sende-Antennen
114, 114': Duplexer
121, 121': Empfangs-Antennen
122: Empfangsverstärker
131: Erster Hochpass
132: Erster Tiefpass
133: Erster Phasenkomparator
134: Zweiter Phasenkomparator
135': Gleichrichter
135: Microcontroller
136: Richtkoppler
137: Duplexer
138: Zweiter Tiefpass
139: Zweiter Hochpass
DK: Dielektrizitätswert
f_HF1, f_HF2: Frequenzen der Hochfrequenz-Signale
r: Anteil an Fremdstoffen (Gase, Feuchtigkeit) im Füllgut
S_HF1, S_HF2: Hochfrequenz-Signale
λ₁, λ₂: Wellenlängen der Hochfrequenz-Signale
Δφ₁, Δφ₂: Phasenverschiebungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015117205 A1 [0004]

Claims

Messgerät zur Messung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3), umfassend: - Eine Sende-Schaltung (11), die ausgelegt ist, ein erstes elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal (S_HF1) mit einer ersten Frequenz (f_HF1) und ein zweites elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal (S_HF2) mit einer zweiten Frequenz (f_HF2) in Richtung des Füllgutes (3) auszusenden, - eine Empfangs-Schaltung (12), die derart angeordnet und ausgestaltet ist, um das erste Hochfrequenz-Signal (S_HF1) und das zweite Hochfrequenz-Signal (S_HF2) zu empfangen, und - eine Auswertungs-Schaltung (13), die konzipiert ist, um ◯ eine erste Phasenverschiebung (Δφ₁) zwischen dem Aussenden und dem Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1) zu ermitteln, ◯ eine zweite Phasenverschiebung (Δφ₂) zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) zu ermitteln, ◯ eine Amplitude (A) von zumindest dem empfangenen ersten Hochfrequenz-Signal (S_HF1) zu ermitteln, und um ◯ anhand der Amplitude (A), der ersten Phasenverschiebung (Δφ₁) und der zweiten Phasenverschiebung (Δφ₂) den Dielektrizitätswert (DK) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Sende-Schaltung (11) so ausgelegt ist, dass die Frequenzen (f_HF1, f_HF2) des ersten Hochfrequenzsignals (S_HF1) und des zweiten Hochfrequenz-Signal (S_HF2) zwischen 10 MHz und 10 GHz betragen.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Amplitude (A) beider Hochfrequenz-Signale (S_HF2) ermittelt wird.
Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Sende-Schaltung (11) einen ersten Schwingkreis (111), insbesondere einen Oszillator umfasst, der ausgelegt ist, um das erste Hochfrequenz-Signal (S_HF1) und/oder das zweite Hochfrequenz-Signal (S_HF2) zu erzeugen.
Messgerät nach Anspruch 4, wobei der erste Schwingkreis (111) ausgelegt ist, um das erste Hochfrequenz-Signal (S_HF1) und das zweite Hochfrequenz-Signal (S_HF2), insbesondere gleichzeitig, zu erzeugen.
Messgerät nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste Schwingkreis (111) konzipiert ist, um das zweite Hochfrequenz-Signal (S_HF2) mit einer Oberfrequenz (f_HF2), insbesondere der ersten Oberfrequenz des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1) zu erzeugen.
Messgerät nach Anspruch 4, wobei die Sende-Schaltung (11) einen zweiten Schwingkreis (111') zur Erzeugung des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) umfasst.
Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende-Schaltung (11) eine erste Sende-Antenne (113) zum Aussenden des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1) und des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) umfasst, oder wobei die Sende-Schaltung (11) neben der ersten Sende-Antenne (113) eine zweite Sende-Antenne (113') zum Aussenden des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) umfasst.
Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Empfangs-Schaltung (12) eine erste Empfangs-Antenne (121) zum Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1) und des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) umfasst, oder wobei die Empfangs-Schaltung (12) neben der ersten Empfangs-Antenne (121) eine zweite Empfangs-Antenne (121') zum Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) umfasst.
Messgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die erste Sende-Antenne (113), die zweite Sende-Antenne (113'), die erste Empfangs-Antenne (121) und/oder die zweite Empfangs-Antenne (121') als Stab-Antenne, Horn-Antenne oder Planar-Antenne, insbesondere Fraktal-Antenne, ausgelegt sind/ist.
Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende-Schaltung (11) ausgelegt ist, das erste Hochfrequenz-Signal (S_HF1) und/oder das zweite Hochfrequenz-Signal (S_HF2) mit einer Amplituden-Modulation auszusenden, und wobei die Empfangs-Schaltung (12) ausgestaltet ist, um die Amplituden-Modulation zu erkennen und dem entsprechenden Hochfrequenz-Signal (S_HF1, S_HF2) zuzuweisen.
Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) mittels des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden des ersten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals (S_HF1) mit einer ersten Frequenz (f_HF1) in Richtung des Füllgutes (3), - Aussenden des zweiten elektromagnetischen Hochfrequenz-Signals (S_HF2) mit einer zweiten Frequenz (f_HF2) in Richtung des Füllgutes (3), - Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1) nach Durchlaufen des Füllgutes (3), - Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals (S_HF2) nach Durchlaufen des Füllgutes (3), - Ermitteln einer ersten Phasenverschiebung (Δφ₁) zwischen dem Aussenden und dem Empfang des ersten Hochfrequenz-Signals (S_HF1), - Ermitteln einer zweiten Phasenverschiebung (Δφ₁) zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zweiten Hochfrequenz-Signals (SHF2), - Ermitteln einer Amplitude (A) von zumindest dem empfangenen ersten Hochfrequenz-Signal (S_HF1), und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) anhand der Amplitude (A), der ersten Phasenverschiebung (Δφ₁) und der zweiten Phasenverschiebung (Δφ₂).