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Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder Messgeräten zur Messung des Dielektrizitätswertes zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nichtabgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität“) 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, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung 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.
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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 .
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Eine weitere Alternative zum kapazitiven oder Mikrowellen-basierten Dielektrizitätswert-Messung besteht in induktiver Messung. Dieses Messprinzip beruht darauf, dass die resultierende Impedanz einer Spule nicht nur von ihrer Windungszahl, dem Windungsmaterial und dem Material des Spulenkerns abhängt, sondern auch vom Füllgut, das jeweils an die Spule angrenzt und somit vom Magnetfeld der Spule durchdrungen wird. Dementsprechend kann der Dielektrizitätswert mittels Messung der komplexen Spulen-Impedanz bestimmt werden.
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Auf Basis der oben genannten Messprinzipien ist der DK-Wert betragsmäßig sehr genau bestimmbar, eine komplexwertige Bestimmung ist jedoch nur vergleichsweise ungenau möglich. Gerade die komplexwertige Bestimmung ist jedoch interessant, um das Füllgut hinsichtlich seiner Eigenschaften bzw. seiner Zusammensetzung näher charakterisieren zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät bereitzustellen, mit dem der Dielektrizitätswert auch komplexwertig mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Messung eines Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes, umfassend:
- - Eine Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, wobei das Messgerät derart am Behälter anbringbar ist, dass das Wechselfeld das Füllgut zumindest teilweise durchläuft,
- - Eine Steuer-Schaltung, die ausgelegt ist, um die Erregerspule zur Erzeugung des Wechselfeldes mit einem definierten Wechselspannungs-Signal anzusteuern,
- - eine erste Empfangsspule mit einer definierten ersten Impedanz,
- - eine zweite Empfangsspule, die so dimensioniert ist, dass sie eine von der ersten Empfangsspule abweichende zweite Impedanz aufweist, wobei die erste Empfangsspule und die zweite Empfangsspule derart angeordnet sind, dass das Wechselfeld die erste Empfangsspule und die zweite Empfangsspule zumindest teilweise durchläuft, und
- - eine Auswerte-Schaltung, die konzipiert ist, um
- ○zumindest den Betrag der ersten Impedanz und den Betrag der zweiten Impedanz zu messen, und
- ○mittels der gemessenen ersten Impedanz und der zweiten Impedanz den Dielektrizitätswert zu bestimmen.
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Vorteilhaft an dem Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes ist, dass die Impedanzen der Spulen durch die Auswerte-Schaltung nicht komplexwertig erfasst werden müssen, um den Dielektrizitätswert komplexwertig bestimmen zu können. Hierdurch kann der Schaltungs- bzw. Rechenaufwand zur Ermittlung des Dielektrizitätswertes anhand der Impedanz(en) deutlich reduziert werden.
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Vorzugsweise sind die Erregerspule, die erste Empfangsspule und die zweite Empfangsspule auf einem gemeinsamen Spulenkern angeordnet. Somit ist sichergestellt, dass die zweite Empfangsspulen und die Erregerspule fluchtend zueinander angeordnet sind. Dies erhöht den Anteil des von der Erregerspule erzeugten Erregerfeldes in den Empfängerspulen und in dem Füllgut. Dadurch verbessert sich die potentiell erzielbare Genauigkeit der Messung. Um in diesem Fall das Erregerfeld außerdem mit einer möglichst hohen Feldstärke in Richtung des Füllgutes abzustrahlen, bietet es zudem sich an, wenn der Spulenkern mit einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich konzipiert ist, über die das Erregerfeld zumindest teilweise in den Spulenkern eintritt bzw. aus dem Spulenkern austritt. Hierbei ist der Spulenkern so auszubilden, dass die beiden Endbereiche in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Dementsprechend ist das Füllstandsmessgerät bei derartigem Spulenkern so zu konzipieren, dass die Ebene bei Anbringung des Messgerätes am Behälter dem Füllgut zugewandt ist.
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Insbesondere für eine ausführliche Analyse des Füllgutes kann das Messgerät so erweitert werden, um das Wechselspannungs-Signal mit einer veränderbaren Frequenz zu erzeugen. Hierfür ist die Steuer-Schaltung so auszulegen, dass sie die Frequenz des Wechselspannungs-Signals kontinuierlich, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz, verändert. Korrespondierend hierzu ist auch die Auswerte-Schaltung so zu konzipieren, dass sie den Dielektrizitätswert in Abhängigkeit der Frequenz erfassen kann. Speziell in diesem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 1 MHz werden verstärkt Molekül- bzw. Ionen-Bindungen schwingungstechnisch angeregt. Daher kann bei Änderung der Frequenz in diesem Bereich auf Basis der Dielektrizitätswert-Messung gegebenenfalls eine chemische Analyse des Füllgutes durchgeführt werden.
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Um den Dielektrizitätswert im Behälter ortsabhängig messen zu können, bzw. um daraus eventuell auf die Homogenität des Füllgutes schließen zu können, kann das erfindungsgemäße Messgerät zudem eine dritte Empfangsspule mit einer Impedanz vorsehen, die der Impedanz der ersten Empfangsspule oder der zweiten Empfangsspule entspricht, aber nicht am gleichen Ort angeordnet ist. Jedoch ist auch die dritte Empfangsspule so anzubringen, dass das Wechselfeld auch die dritte Empfangsspule zumindest teilweise durchläuft. Insbesondere wenn an die Eingänge der Auswerte-Schaltung nicht auf Wechselspannungssignale ausgelegt sind, kann die Auswerte-Schaltung zur Messung der rein betragsmäßigen Impedanzen der ersten Empfangsspule und der zweiten Empfangsspule jeweils einen Gleichrichter des von der Empfangsspule induzierten Stroms umfassen. Zu einer weiteren Anpassung des Pegels an den Eingängen der Auswerte-Schaltung kann zusätzlich einem oder beiden der zwei Gleichrichtern jeweils ein Logarithmierer nachgeschaltet werden. Anstelle von Logarithmierern könnten auch entsprechende Hochpassfilter, (spannungsgesteuerte) Verstärker oder Dämpfer eingesetzt werden.
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Im Sinne der Erfindung ist es natürlich nicht ausgeschlossen, dass die Auswerte-Schaltung ausgelegt ist, um die Impedanzen der ersten Empfangsspule und der zweiten Empfangsspule nicht nur betragsmäßig, sondern auch komplexwertig zu erfassen.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Messgerätes an einem Behälter,
- 2: eine elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes, und
- 3: eine magnetische Feldverteilung bei Auslegung des erfindungsgemäßen Messgerätes mit einem gemeinsamen Spulenkern.
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Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 2 mit einem Füllgut 3 gezeigt: Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK des Füllgutes 3 ist das Messgerät 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 2, bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Hierzu ist das Messgerät 1 so angebracht, dass es ein von ihm erzeugtes magnetisches Wechselfeld B11 das Füllgut 3 zumindest teilweise durchdringt. Bei dem Füllgut 3 kann es sich um Flüssigkeiten wie Getränke, Lacke, Zement oder Treibstoffe wie Flüssiggase oder Mineralöle handeln. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung des Messgerätes 1 bei Schüttgut-förmigen Füllgütern 3, wie bspw. Getreide. Das Messgerät 1 kann mit einer übergeordneten Einheit, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
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Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau des Messgerätes 1 wird anhand von 2 verdeutlicht: Kern des Aufbaus sind drei Spulen 11, 13, 14, von denen eine Spule als Erregerspule 11 ausgelegt ist und hierzu von einer Steuer-Schaltung 12 mit einem Wechselspannungs-Signal SAC angesteuert wird. Dementsprechend wird das magnetische Wechselfeld B11 durch die Erregerspule 11 erzeugt. Prinzipiell ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, das Wechselspannungs-Signal SAC bzw. das Wechselfeld B11 mit einer bestimmten Frequenz f erzeugt werden muss. So kann die Frequenz f bspw. in einem Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz liegen. Hierbei ist die Wahl der Frequenz f auch von den zu erwartenden Eigenschaften des Füllgutes 3 abhängig zu machen. Vorteilhaft an dem spezifischen Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 1 MHz ist, dass dort verstärkt Molekül- bzw. Ionen-Bindungen schwingungstechnisch angeregt werden, so dass auf Basis der Dielektrizitätswert-Messung eine chemische Analyse des Füllgutes 3 durchführbar ist.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante wird die Frequenz f in der Steuer-Schaltung 12 durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 121 eingestellt. Darüber hinaus ist die Frequenz f bei der gezeigten Ausführungsvariante veränderbar, da die Frequenz f des Oszillators 121 in der Steuer-Schaltung 12 durch einen entsprechenden Spannungsgenerator 122 gesteuert wird. Dieser kann vorzugsweise so konzipiert werden, dass sich die Frequenz f kontinuierlich, insbesondere in einem Bereich zwischen 100 kHz und 1 MHz, verändert (auch bekannt unter „Sägezahn“-förmiger Anregung). Durch das Ändern der Frequenz f ist es möglich, dass der Dielektrizitätswert DK des Füllgut 3 in Abhängigkeit der Frequenz f bestimmbar ist. Dies ist insofern von Vorteil, als dass der Dielektrizitätswert DK(f) des Füllgutes 3 je nach Art des Füllgutes 3 eine charakteristische Abhängigkeit von der Frequenz f aufweist, über die sich somit auf die Beschaffenheit des Füllgutes 3 rückschließen lässt.
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Die zwei weiteren Spulen 13, 14 des Messgerätes 1 dienen als Empfangsspulen. Wie in 2 schematisch dargestellt, sind diese zwei Empfangsspulen 13, 14 so in Bezug zur Erregerspule 11 angeordnet, dass sie von einem möglichst großen Anteil des magnetischen Feldes B11 der Erregerspule 11 durchflossen werden. Wie zu erkennen ist, bietet sich hierfür eine konzentrische Anordnung in direkter Nähe zueinander an.
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Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK des Füllgutes 3 mittels der drei Spulen 11, 13, 14 ist möglich, da der Strom bzw. die Leistung, die durch das magnetische Wechselfeld B11 der Erregerspule 11 in den zwei Empfangsspulen 13, 14 induziert wird, nicht nur von den drei Spulen 11, 13, 14 abhängt, sondern zudem vom Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3. Denn auch das Füllgut 3 wird erfindungsgemäß zumindest teilweise vom Wechselfeld B11 der Erregerspule 11 durchflossen. Somit kann bei angeschalteter Sendespule 11 durch Messung der resultierenden Impedanzen Z13 , Z14 der zwei Empfangsspulen 13, 14 der Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 bestimmt werden. Hierzu können die gemessenen Impedanzen Z13 , Z14 beispielsweise mit Referenz-Werten, die mittels Kalibration ermittelt wurden und in einer Look-up table hinterlegt sind, abgeglichen werden. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsvariante ist hierzu eine Auswerte-Schaltung 15 mit einem entsprechend ausgelegten Microcontroller 153 vorgesehen. Dabei ist der Microcontroller 15 über zwei entsprechende Eingänge jeweils mit den zwei Empfangs-Spulen 13, 14 kontaktiert.
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Charakteristisch für das erfindungsgemäße Messgerät 11 ist, dass die zwei Empfangsspulen 13, 14 eine voneinander abweichende Spulen-Impedanz aufweisen. Erreicht werden kann dies unter anderem durch eine unterschiedliche Windungszahl, Windungsmaterial, Windungsquerschnitt oder eine unterschiedliche Wickelanordnung (z. B. mehrfach gekreuzt oder höhere Wicklungsdichte in den äußeren Spulenbereichen). Daneben ist es auch denkbar, hierfür zumindest eine der Empfangsspulen 13, 14 mit einem zusätzlichen elektrischen Bauteil wie einem Kondensator, einer Induktivität oder einem Widerstand zu verschalten. Dabei könnte solch ein Bauteil beispielsweise durch den Microcontroller 153 optional zugeschaltet werden, um eine Messbereichs-Umschaltung vorzunehmen.
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Der Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 kann somit mit hoher Genauigkeit komplexwertig bestimmt werden, ohne dass hierfür die Impedanzen Z13 , Z14 der zwei Empfangsspulen 13, 14 komplexwertig ermittelt werden müssen, sondern lediglich betragsmäßig. Vorteilhaft hieran ist, das eine betragsmäßige Erfassung der Impedanzen Z13 , Z14 mit wesentlich reduziertem Schaltungs- bzw. Rechenaufwand im Microcontroller 153 implementiert werden kann, da unter anderem die Phasenlage nicht bestimmt werden muss. Dementsprechend können den Eingängen des Microcontrollers 153 zur Pegelanpassung Gleichrichter 151, 152 und/oder Logarithmierer (nicht dargestellt) vorgeschaltet werden. Anstelle von Logarithmierern könnten auch entsprechende Hochpassfilter, (spannungsgesteuerte) Verstärker oder Dämpfer eingesetzt werden. Damit der Microcontroller 153 die Impedanzen Z13 , Z14 bspw. durch Messung der Spannung an den zwei Empfangsspulen 13, 14 ermitteln kann, ist es vorteilhaft, eine Impedanz-Anpassung zwischen den Gleichrichtern 151, 152 und der jeweiligen Empfangsspule 13, 14 durchzuführen. Sofern dem Microcontroller 153 lediglich ein analoger Eingang steht, kann diesem Eingang bspw. ein geeigneter Umschalter zur Umschaltung zwischen den zwei Gleichrichtern 151, 152 vorgeschaltet sein.
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Bei Bestimmung des komplexwertigen Dielektrizitätswertes DK(f) in Abhängigkeit der Frequenz f ist es darüber hinaus möglich, den komplexwertigen und frequenzabhängigen Dielektrizitätswert DK(f) in Form eines Nyquist-Diagramms graphisch darzustellen.
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Eine bevorzugte Anordnung der drei Spulen 11, 13, 14 auf einem gemeinsamen Spulenkern 16 ist als Querschnittsansicht in 3 dargestellt: Dabei umfasst der Spulenkern 16 in der dargestellten Variante einen mittleren, ersten Endbereich 161, hinter dem die drei Spulen 11, 13, 14 auf dem Spulenkern 16 aufgewickelt sind. Als ankerförmige Erweiterung des Spulenkerns 16 schließt ein zweiter Endbereich 162 an, so dass die beiden Endbereiche 161, 162 eine gemeinsamen Ebene 17 bilden. Somit kann der zweite Endbereich 162 bspw. ringförmig um den ersten Endbereich 161 in der gemeinsamen Ebene 17 ausgelegt sein. Denkbar wäre jedoch auch jegliche andere Formgebung des zweiten Endbereichs.
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Vorteilhaft an einer solchen Konzipierung des Spulenkerns 16 ist, dass das erzeugte Erregerfeld B11 mittels dieser Formgebung über den ersten Teilbereich 161 und den zweiten Teilbereich 162 verstärkt in Richtung des Füllgutes 3 gerichtet werden kann. Dementsprechend ist das Messgerät 1 so auszulegen, dass die gemeinsame Ebene 17 bei Anbringung des Messgerätes 1 am Behälter 2 dem Füllgut 3 zugewandt ist. Damit kein Füllgut 3 in das Innere des Messgerätes 1 eindringen kann, sowie zur Abdichtung des Behälters 2 nach außen ist das Messgerät 1 entlang der Ebene 17 mit einer entsprechenden Wandung aus magnetfelddurchlässigem Material, bspw. PTFE, Glas oder Keramik, auszugestalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Behälter
- 3
- Füllgut
- 4
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Erregerspule
- 12
- Steuer-Schaltung
- 13
- Erste Empfangsspule
- 14
- Zweite Empfangsspule
- 15
- Auswerte-Schaltung
- 16
- Spulenkern
- 121
- Spannungsgesteuerter Oszillator
- 122
- Spannungsgenerator
- 151
- Erster Gleichrichter
- 152
- Zweiter Gleichrichter
- 153
- Microcontroller
- 161
- Erster Endbereich
- 162
- Zweiter Endbereich
- B11
- Wechselfeld
- DK
- Dielektrizitätswert
- f
- Frequenz des Wechselspannungs-Signals
- SAC
- Wechselspannungs-Signal
- Z13,14
- Impedanzen der Empfangsspulen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015117205 A1 [0004]
