DE102018111944A1 - Measuring device for determining a dielectric value - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Füllgutes (3): Folgende Komponenten umfasst das Messgerät (1): Einen mit dem Füllgut (3) in Kontakt bringbaren Signalpfad (11) mit einem Signaleingang (111) und einem Signalausgang (112); Einen Signalgenerator (12) zur Erzeugung eines periodischen Messsignals (s) am Signaleingang (111); Eine Signalverarbeitungseinheit, wobei ein Addierer (131) diejenige Anzahl (∑) an Perioden des Messsignals (s) summiert, die der Signallaufzeit (s) vom Signaleingang (111) bis zum Signalausgang (112) entsprechen. Ein Phasendetektor (132) der Signalverarbeitungseinheit misst die Phasenverschiebung (φ) des Messsignals (s) zwischen Signaleingang (111) und Signalausgang (112); Eine Auswerteschaltung (13) bestimmt anhand der Phasenverschiebung (φ) und der summierten Perioden (∑) den Dielektrizitätswert (DK). Die Erfindung basiert also auf der Idee, die vom Dielektrizitätswert (DK) abhängige Signallaufzeit (t) des Messsignals (s) grob anhand der summierten Perioden (∑) und präzise anhand Phasenverschiebung (φ) zu bestimmen. Somit ist es möglich, den Dielektrizitätswert (DK) sehr präzise und gleichzeitig über einen weiten Wertebereich zu messen.The invention relates to a measuring device for determining a dielectric value (DK) of a filling material (3). The following components comprise the measuring device (1): a signal path (11) which can be brought into contact with the filling material (3) with a signal input (111) and a signal output (112); A signal generator (12) for generating a periodic measurement signal (s) at the signal input (111); A signal processing unit, wherein an adder (131) sums the number (Σ) of periods of the measurement signal (s) corresponding to the signal propagation time (s) from the signal input (111) to the signal output (112). A phase detector (132) of the signal processing unit measures the phase shift (φ) of the measurement signal (s) between the signal input (111) and the signal output (112); An evaluation circuit (13) determines the dielectric value (DK) based on the phase shift (φ) and the summed periods (Σ). The invention is thus based on the idea of roughly determining the signal transit time (t) of the measurement signal (s) dependent on the dielectric value (DK) on the basis of the summed periods (Σ) and precisely on the basis of phase shift (φ). Thus, it is possible to measure the dielectric value (DK) very precisely and simultaneously over a wide range of values.
Description
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Füllgutes sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Messgerätes.The invention relates to a measuring device for determining a dielectric value of a filling material and a corresponding method for operating the measuring device.
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-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, in particular in process automation technology, field devices are often used which serve for detecting and / or influencing process variables. For the detection of process variables, sensors are used which are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential, conductivity or the dielectric value. A large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser.
Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität“) von Füllgütern in Behältern 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. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nichtabgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden.The determination of the dielectric value (also known as "dielectric constant" or "relative permittivity") of fillings in containers is of great interest both for solids and for liquid fillers such as fuels, waste water or chemicals, since this value is a reliable indicator of Impurities, the moisture content or the composition can represent. The term "container" in the context of the invention, non-closed containers, such as pools, lakes or flowing waters understood.
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.In order to determine the dielectric value, it is possible to resort to the capacitive measuring principle according to the prior art, especially in the case of liquid filling products. In this case, the effect is used that changes the capacitance of a capacitor in proportion to the dielectric value of that medium, which is located between the two electrodes of the capacitor.
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
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.Another alternative to capacitive or microwave-based dielectric value measurement is inductive measurement. This measuring principle is based on the fact that the resulting impedance of a coil depends not only on its number of turns, the winding material and the material of the coil core, but also on the filling material, which is respectively adjacent to the coil and thus penetrated by the magnetic field of the coil. Accordingly, the dielectric value can be determined by measuring the complex coil impedance.
Bei den zuvor geschilderten Messprinzipien hat das entsprechende Messgerät zumindest teilweise in das Behälter- bzw. Rohr-Innere überzustehen, so dass es nicht bündig mit der Behälter-Innenwand abschließt: Bei einer kapazitiven Messung muss zumindest eine der beiden Kondensator-Elektroden in das Behälter-Innere abstehen. Im Fall von geführtem Radar muss der elektrisch leitfähige Wellenleiter zumindest teilweise in das Medium eintauchen. Hierdurch besteht die Gefahr, dass das Messgerät einen Störkörper im Behälter oder Rohr bildet, an dem sich zudem Ablagerungen oder Keime anlagern können. Hinsichtlich der Dielektrizitätswert-Messung kann dies wiederum zu einer Verfälschung des Messwertes führen.In the previously described measuring principles, the corresponding measuring device has to protrude at least partially into the interior of the container or tube, so that it does not terminate flush with the container inner wall. In the case of a capacitive measurement, at least one of the two capacitor electrodes must be inserted into the container. Interior stand out. In the case of guided radar, the electrically conductive waveguide must at least partially submerge in the medium. As a result, there is the danger that the measuring device forms a disruptive body in the container or pipe, on which also deposits or germs can accumulate. With regard to the dielectric value measurement, this can in turn lead to a falsification of the measured value.
Eine weitere Einschränkung der nach dem Stand der Technik bekannten Messprinzipien kann darin bestehen, dass der Dielektrizitätswert entweder sehr präzise, jedoch nur über einen geringen Messbereich messbar ist, oder umgekehrt.A further limitation of the measuring principles known from the prior art can be that the dielectric value can be measured either very precisely, but only over a small measuring range, or vice versa.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Messgerät zur Dielektrizitätsmessung bereitzustellen.The invention is therefore based on the object to provide an improved measuring device for measuring the dielectric.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Füllgutes. Es umfasst:
- - Einen mit dem Füllgut in Kontakt bringbaren Signalpfad, mit
- ◯ einem Signaleingang, und
- ◯ einem Signalausgang,
- - einen Signalgenerator, der ausgelegt ist, ein periodisches Messsignal am Signaleingang einzuspeisen,
- - eine Signalverarbeitungseinheit, mit
- ◯ einem Addierer, der ausgelegt ist, eine Anzahl an Perioden des Messsignals, die der Signallaufzeit des periodischen Messsignals vom Signaleingang bis zum Signalausgang entsprechen, zu summieren, und/oder
- ◯ einem Phasendetektor, der ausgelegt ist, die Phasenverschiebung des Messsignals zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang zu messen, und
- - eine Auswerteschaltung, die ausgelegt ist, anhand der gemessenen Phasenverschiebung und/oder anhand der summierten Perioden den Dielektrizitätswert zu bestimmen.
- - One can be brought into contact with the medium in contact signal path, with
- ◯ a signal input, and
- ◯ a signal output,
- a signal generator designed to feed a periodic measurement signal at the signal input,
- - A signal processing unit, with
- ◯ an adder configured to sum a number of periods of the measurement signal corresponding to the signal propagation time of the periodic measurement signal from the signal input to the signal output, and / or
- ◯ a phase detector designed to measure the phase shift of the measurement signal between the signal input and the signal output, and
- - an evaluation circuit which is designed to determine the dielectric value on the basis of the measured phase shift and / or on the basis of the summed periods.
Erfindungsgemäß wird durch dieses Messgerät der Zusammenhang genutzt, dass die Signallaufzeit des periodischen Messsignals vom Signaleingang bis zum Signalausgang des Signalpfades proportional zur Wurzel des Dielektrizitätswertes ist. Dabei basiert die Idee der Erfindung darauf, die Signallaufzeit grob anhand der Summe an addierten Perioden zu bestimmen. Die Feinbestimmung der Signallaufzeit erfolgt auf Basis der gemessenen Phasenverschiebung. Somit ist es auf Basis der Erfindung möglich, den Dielektrizitätswert sehr präzise und gleichzeitig über einen weiten Messbereich messen zu können. Auch eine Mittelung des gemessenen Dielektrizitätswertes über eine Vielzahl an Messungen ist nicht erforderlich, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Dies senkt wiederum den Leistungsverbrauch des Messgerätes.According to the invention, the relationship is used by this measuring device that the signal propagation time of the periodic measurement signal from the signal input to the signal output of the signal path is proportional to the root of the dielectric value. The idea of the invention is based on roughly determining the signal propagation time based on the sum of added periods. The fine determination of the signal propagation time is based on the measured phase shift. Thus, based on the invention, it is possible to measure the dielectric constant very precisely and simultaneously over a wide measuring range. It is also not necessary to average the measured dielectric value over a large number of measurements in order to achieve the desired accuracy. This in turn lowers the power consumption of the meter.
Der Begriff „Periode“ definiert sich im Kontext der Erfindung als diejenige Zeit, innerhalb derer sich der Spannungs- bzw. Stromverlauf des Messsignals zyklisch wiederholt. Bei einem Sinussignal entspricht dies also einem Signaldurchlauf von 360° bzw. der entsprechenden Zeit; Bei einem Puls- oder Rechtecksignal entspricht dies der Zeit zwischen den positiven oder negativen Flanken zweier zyklisch aufeinanderfolgender Pulse/Rechtecke.The term "period" is defined in the context of the invention as the time within which the voltage or current profile of the measuring signal cyclically repeats. In the case of a sine signal, this therefore corresponds to a signal passage of 360 ° or the corresponding time; For a pulse or square wave signal, this corresponds to the time between the positive or negative edges of two cyclically consecutive pulses / squares.
Dementsprechend ist es erfindungsgemäß prinzipiell nicht festgelegt, welche Form (also bspw. Sinusförmig, Dreieckförmig, Sägezahnförmig oder Rechteckförmig) das Messsignal aufweisen muss. Je nach Auslegung ist es bspw. denkbar den Signalgenerator so auszulegen, dass das Messsignal in Form eines Rechtecksignals mit einem vordefinierten Puls-Pausenverhältnis, erzeugt wird.Accordingly, according to the invention, in principle it is not stipulated which shape (that is to say, for example, sinusoidal, triangular, sawtooth or rectangular) must have the measuring signal. Depending on the design, it is, for example, conceivable to design the signal generator such that the measurement signal is generated in the form of a rectangular signal with a predefined pulse-pause ratio.
Auch bezüglich der Frequenz des Messsignals gibt es keine starren Vorgaben. Vorteilhaft ist jedoch, wenn der Signalgenerator ausgelegt ist, das Messsignal mit einer Frequenz von mindestens 0,5 GHz bzw. insbesondere mit einer Frequenz zwischen 0,5 GHz und 6 GHz, zu erzeugen. Höhere Frequenzen können durch entsprechend kompaktere Signalgeneratoren erzeugt werden. Bei tieferen Frequenzen wirkt sich zudem die Leitfähigkeit des Füllgutes zunehmend auf die Messgenauigkeit aus.Also with regard to the frequency of the measuring signal, there are no rigid specifications. However, it is advantageous if the signal generator is designed to generate the measuring signal with a frequency of at least 0.5 GHz or in particular with a frequency between 0.5 GHz and 6 GHz. Higher frequencies can be generated by correspondingly more compact signal generators. At lower frequencies, moreover, the conductivity of the filling material increasingly affects the measuring accuracy.
Erfindungsgemäß muss der Addierer ausgelegt sein, diejenige Anzahl an Perioden des Messsignals zu summieren, die der Signallaufzeit des periodischen Messsignals vom Signaleingang bis zum Signalausgang entsprechen. Zu diesem Zweck kann der Addierer beispielsweise so ausgelegt sein, dass die Perioden am Signaleingang oder an einem Referenzoszillator (ausgehend vom Messsignal am Signaleingang) solange summiert werden, bis der Addierer das Eintreffen des Messsignals am Signalausgang, bspw. mittels eines Reset-Eingangs eines Set-Reset-Bausteins (auch bekannt als Set-Reset-Gate) des Addierers, detektiert.According to the invention, the adder must be designed to sum the number of periods of the measurement signal which correspond to the signal propagation time of the periodic measurement signal from the signal input to the signal output. For this purpose, the adder may for example be designed such that the periods at the signal input or at a reference oscillator (starting from the measuring signal at the signal input) are summed until the adder reaches the arrival of the measuring signal at the signal output, for example by means of a reset input of a set Reset block (also known as set-reset gate) of the adder, detected.
Auch bezüglich der der Summation der Perioden, kann der Addierer auf prinzipiell jede hierfür geeignete Art ausgelegt sein: Eine technische Realisierungsmöglichkeit besteht darin, dass der Addierer Perioden des Messsignals summiert, indem der Addierer korrespondierende Ladungswerte der positiven oder negativen Halbwellen jeweiliger Perioden des Messsignals, insbesondere mittels zumindest einer Kapazität bzw. eines Kondensators, kumuliert, also aufaddiert. Mittels des kumulierten Ladungswertes kann der Addierer im Anschluss, z.B. anhand einer look-up table, die Summe an Perioden bestimmen.With regard to the summation of the periods, the adder can also be designed in any suitable manner. A technical realization possibility is that the adder sums periods of the measurement signal by the adder corresponding charge values of the positive or negative half-waves of respective periods of the measurement signal, in particular by means of at least one capacitor or a capacitor, cumulative, that is added up. By means of the accumulated charge value, the adder can subsequently, e.g. Using a look-up table, determine the sum of periods.
Eine alternative Möglichkeit zur Summation der Perioden besteht darin, dass der Addierer eine
- - Kaskade, bestehend aus
- ◯ zumindest einem Frequenzteiler zur Frequenzteilung des am Signalausgang empfangenen Messsignals,
- ◯ und jeweils einen vor- bzw. nachgeschalteten Kondensator
- - Cascade, consisting of
- ◯ at least one frequency divider for frequency division of the measurement signal received at the signal output,
- ◯ and one upstream or downstream capacitor
In einer Weiterentwicklung kann das erfindungsgemäße Messgerät neben dem Dielektrizitätswert auch den dielektrischen Verlustfaktor des Füllgutes bestimmen. Hierzu umfasst das Messgerät einen am Signalausgang angeordneten Verstärker. Dessen Verstärkungsfaktor ist derart zu regeln, dass das empfangene und verstärkte Messsignal eine konstante Amplitude aufweist. In diesem Fall kann die Auswerteschaltung, sofern sie entsprechend ausgelegt ist, anhand des Verstärkungsfaktors den dielektrischen Verlustfaktor des Füllgutes bestimmen.In a further development, the measuring device according to the invention can determine not only the dielectric value but also the dielectric loss factor of the filling material. For this purpose, the measuring device comprises an amplifier arranged at the signal output. Its gain factor is to be regulated such that the received and amplified measurement signal has a constant amplitude. In this case, the evaluation circuit, if it is designed accordingly, determine the dielectric loss factor of the filling material on the basis of the amplification factor.
Erfindungsgemäß muss der Signalpfad des Messgerätes lediglich insofern mit dem Füllgut in Kontakt bringbar sein, als dass das elektrische Feld des Signalpfades, das durch das Messsignal hervorgerufen wird, hinreichend in das Füllgut eindringt, so dass eine Änderung des Dielektrizitätswertes de Füllgutes zu einer entsprechenden Dämpfung des elektrischen Felds, bzw. zu einer Änderung der Signalgeschwindigkeit im Signalpfad führt. Dementsprechend ist kein unmittelbarer Kontakt des Signalpfades zum Füllgut hin erforderlich. Vielmehr kann der Signalpfad durch ein dielektrisches Material, bspw. eine Glass- oder Keramik-Beschichtung vom Füllgut separiert sein. Hierdurch kann das Messgerät mit einer zum Füllgut hin planaren Oberfläche ausgelegt werden, so dass das Messgerät bündig und flach mit der Behälter-Innenwand abschließt.According to the invention, the signal path of the measuring device must only be brought into contact with the filling material insofar as the electric field of the signal path, which is caused by the measuring signal, penetrates sufficiently into the filling material that a change in the dielectric value de contents leads to a corresponding attenuation of the electric field, or to a change in the signal speed in the signal path. Accordingly, no direct contact of the signal path to the product is required. Rather, the signal path can be separated from the filling material by a dielectric material, for example a glass or ceramic coating. As a result, the measuring device can be designed with a surface that is planar with respect to the filling material, so that the measuring device is flush and flat with the container inner wall.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, den Signalpfad mit einer definierten Pfadlänge zu bemessen, indem die Frequenz des Messsignals und der zu erwartende Bereich des Dielektrizitätswertes berücksichtigt werden. Grundlage einer solchen Bemessung ist, dass die Pfadlänge eine Mindestlänge aufweist, die der effektiven Wellenlänge des Messsignals im Füllgut entspricht: Bei einer Frequenz von bspw. 1 GHz weist die elektromagnetische Welle, die dem Messsignal entspricht, im Vakuum eine Wellenlänge von 30 mm auf, wobei die theoretische Wellenlänge im Füllgut (bei einem zu erwartenden Dielektrizitätswert von ca. 90) gemäß
Allerdings muss die Pfadlänge nicht konstant sein. Vielmehr kann der Signalpfad eine veränderbare Pfadlänge aufweisen. Denn sofern eine hierfür vorgesehene Regeleinheit die Pfadlänge derart einstellt, dass das Ausgangssignal des Phasendetektors (zwischen dem Mischer und dem Kondensator) ein in etwa konstantes Puls-Pausenverhältnis von insbesondere jeweils 50 % aufweist, kann die Auswerteschaltung bei entsprechender Auslegung anhand der eingestellten Pfadlänge den Dielektrizitätswert auf alternative Weise bestimmen. Um die Pfadlänge veränderbar einzustellen, können beispielsweise unterschiedlich lange Pfadsegmente vorgehalten werden, die optional zugeschaltet werden können.However, the path length does not have to be constant. Rather, the signal path may have a variable path length. For if a control unit provided for this purpose sets the path length such that the output signal of the phase detector (between the mixer and the capacitor) has an approximately constant pulse-pause ratio of, in particular, 50% each, the evaluation circuit can, with a corresponding design, use the set path length to determine the dielectric value determine in an alternative way. To set the path length changeable, for example, different lengths path segments can be kept, which can be optionally switched.
Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes ist es mittels der erfindungsgemäßen Idee von Vorteil, wenn der Signalgenerator ausgelegt ist, das Messsignal nicht kontinuierlich, sondern mit einer definierten Signallänge, also einer definierten Anzahl an Perioden, zu erzeugen. Hierbei bietet es sich insbesondere an, wenn der Signalgenerator die Signallänge des Messsignals derart in Abhängigkeit der Signallaufzeit des Signals zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang steuern kann, dass die Signallänge mit steigender Signallaufzeit bspw. proportional zunimmt. Dies hat den Vorteil, dass der Signalgenerator das Messsignal nur solange erzeugen muss, wie es zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendig ist. Hierfür kann der Signalgenerator so ausgelegt werden, dass die Erzeugung des Messsignals gestoppt wird, sobald das Erreichen des Messsignals am Signalausgang detektiert wird. Hierbei könnte zudem eine Fehlererkennung implementiert werden: Im Fehlerfall, wenn also die Signallänge beispielsweise aufgrund von Nichterkennung des Messsignals am Signalausgang einen vordefinierten Maximalwert übersteigt, kann die Auswerteschaltung ein entsprechendes Fehlersignal ausgeben.To determine the dielectric value, it is advantageous by means of the idea according to the invention if the signal generator is designed to generate the measuring signal not continuously but with a defined signal length, that is to say a defined number of periods. In this case, it is particularly appropriate if the signal generator can control the signal length of the measuring signal in dependence on the signal propagation time of the signal between the signal input and the signal output, that the signal length increases proportionally with increasing signal propagation time, for example. This has the advantage that the signal generator only has to generate the measuring signal as long as it is necessary to carry out the method according to the invention. For this purpose, the signal generator can be designed so that the generation of the measuring signal is stopped as soon as the reaching of the measuring signal at the signal output is detected. In this case, an error detection could also be implemented: In the event of a fault, ie if the signal length exceeds a predefined maximum value, for example due to non-recognition of the measurement signal at the signal output, the evaluation circuit can output a corresponding error signal.
Das grundlegende erfindungsgemäße Verfahren umfasst korrespondierend zum Messgerät nach einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten folgende Verfahrensschritte:
- - Einspeisen des Messsignals am Signaleingang mittels des Signalgenerators,
- - Summieren der Perioden des Messsignals am Signaleingang mittels des Addierers, bis das Messsignal am Signalausgang detektiert wird, und/oder Messung der Phasenverschiebung des Messsignals zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang mittels des Phasendetektors, und
- - Ermittlung des Dielektrizitätswertes anhand der gemessenen Phasenverschiebung und/oder anhand der summierten Perioden durch die Auswerteschaltung.
- Feeding the measuring signal at the signal input by means of the signal generator,
- - Summing the periods of the measuring signal at the signal input by means of the adder, until the measuring signal is detected at the signal output, and / or measurement of the phase shift of the measuring signal between the signal input and the signal output by means of the phase detector, and
- - Determining the dielectric value based on the measured phase shift and / or on the basis of the summed periods by the evaluation circuit.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein Messgerät zurDK -Messung an einem Behälter mit einem Füllgut, -
2 : einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes, -
3 : zeitliche Verläufe eines Messsignals im Messgerät, -
4 : eine Realisierungsvariante des Phasendetektors des Messgerätes, -
5 : eine Realisierungsvariante des Addierers des Messgerätes, -
6 : zeitliche Verläufe des Messsignals am Frequenzteiler, und -
7 : eine Realisierungsvariante des Frequenzteilers des Addierers.
-
1 : A measuring device forDK Measurement on a container with a filling material, -
2 : a schematic structure of the measuring device according to the invention, -
3 : temporal courses of a measuring signal in the measuring device, -
4 : an implementation variant of the phase detector of the measuring device, -
5 : an implementation variant of the adder of the measuring device, -
6 : temporal courses of the measuring signal at the frequency divider, and -
7 : an implementation variant of the frequency divider of the adder.
Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Messgerätes
Das Messgerät
Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes
Nach Durchlauf entlang des Signalpfades
Der Signalpfad
Genutzt wird die Summation bzw. die Bestimmung der Phasenverschiebung
Da die Frequenz
Anhand dieses Zusammenhangs zwischen der Summe
Die Erfindung basiert also auf der Idee, die Signallaufzeit
The invention is thus based on the idea of signal propagation time
Grundsätzlich ist es nicht relevant, ob die Auswerteschaltung
Anhand von
Diese plakative Signallaufzeit
Wie ebenfalls in
Damit der in
Eine schaltungstechnische Möglichkeit zur Realisierung des Phasendetektors
134` nachgeschaltet. Dabei können die Flankendetektoren
134` downstream. In this case, the
Im Anschluss an den Flankendetektor
Zur weiteren Verbesserung der Phasengenauigkeit wäre es außerdem möglich, den Frequenzteilern
Die in
In
- Zum einen kann das Ausgangssignal des AND-Gatters
140 (analog zum Phasendetektor, vgl.4 ) lediglich einer einzigen Kapazität 138` zugeführt werden. Dementsprechend erhöht sich die Ladung bzw. dieSpannung der Kapazität 138` proportional zu der Anzahl∑ an Perioden. Durch Auslesen bzw. digitalisieren des analogen Spannungswertes, der an dieser Kapazität138' anliegt, kann ein korrespondierender Digitalwert erstellt werden. Dabei könnte die Digitalisierung wiederum durch Zuordnung des anliegenden Spannungswertes zu einem korrespondierenden Digitalwert einer look-uptable, der eine definierte Anzahl∑ an Perioden repräsentiert, erfolgen.
- On the one hand, the output signal of the AND gate
140 (analogous to the phase detector, cf.4 ) are only supplied to a single capacity 138 '. Accordingly, the charge or voltage of the capacitance increases138` proportional to the numberΣ at periods. By reading out or digitizing the analog voltage value at this capacity138 ' is present, a corresponding digital value can be created. In this case, the digitization could in turn be made by assigning the applied voltage value to a corresponding digital value of a look-uptable having a defined numberΣ represented at periods, take place.
Eine erweiterte Schaltung zur Summation der Perioden des am Ausgang des AND-Gatters
- In
6 ist zum einem das Ausgangssignal des AND-Gatters140 (oben,sieh auch 3 , unterste Reihe) dargestellt. Zum anderen ist dieses Signal nach Frequenzteilung durchden Frequenzteiler 135" (unten) in6 dargestellt: Wie zu erkennen ist, herrscht am Ausgang des AND-Gatters 140 nach Durchlauf der zwei Perioden des MesssignalssHF ein tiefer Spannungspegel vor. Dementsprechendweist die Kapazität 138` , die am Ausgang des AND-Gatters 140 anschließt, einen niedrigen Ladungszustand (entspricht logisch = 0) auf. Nach Frequenzteilungdurch den Frequenzteiler 135" verhält es sich an der zweiten Kapazität138" genau umgekehrt (siehe unten in6 ): Dort ist der Ladungszustand entsprechend des hohen Signalpegels „hoch“ bzw. „geladen“ (entspricht logisch = 1).
- In
6 on the one hand is the output signal of the AND-gate140 (above, look too3 , bottom row). On the other hand, this signal is after frequency division by the frequency divider135 ' (below) in6 As you can see, the exit of the ANDgate 140 after passing through the two periods of the measuring signals HF a low voltage level. Accordingly, the capacity points138` at the output of the ANDgate 140 connects, a low state of charge (corresponds to logic = 0) on. After frequency division by the frequency divider135 ' it behaves at the second capacity138 ' exactly the opposite (see below in6 ): There is the state of charge according to the high signal level "high" or "charged" (corresponds to logic = 1).
Sofern also die Kapazität
Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der Frequenzteiler
- Sobald über einen Eingang des
Frequenzteilers 135 ,135' ,135" eine erste positive Flanke desjenigen Signals∑ , dessen FrequenzfHF zu teilen ist, anliegt, werden über einen hochohmigen Eingangs-WiderstandR7 die zwei KondensatorenC1 ,C2 , (beide jeweils ca. 10 pF) aufgeladen. Allerdings sperrt ein erster TransistorT1 , dessen Gate am KondensatorC1 kontaktiert ist; Ein zweiter TransistorT2 , dessen Gate an den zweiten KondensatorC2 angeschlossen ist, ist leitend. Dadurch, dass die Gate-Spannung am ersten TransistorT1 (nach vorherigem Reset, siehe nächster Abschnitt) auf Signalmassepotential liegt, kann sich der erste KondensatorC1 in Bezug zum zweiten KondensatorC2 nur geringer aufladen. Daher liegt eine zwischen dem Transistor-GateT1 angeordnete DiodeD1 unter Spannung in Sperrrichtung; Eine entsprechende zweite DiodeD2 , die zwischen dem Gate des zweiten TransistorsT2 und dem zweiten KondensatorC2 zwischengeschaltet ist, ist quasi stromfrei (beidseitig gleiches Potential).
- Once via an input of the
frequency divider 135 .135 ' .135 ' a first positive edge of that signalΣ whose frequencyHF is to be connected, are applied via a high-impedance input resistorR 7 the two capacitorsC 1 .C 2 , (both about 10 pF) charged. However, a first transistor blocksT 1 whose gate is on the capacitorC 1 is contacted; A second transistorT 2 whose gate is connected to the second capacitorC 2 connected is conductive. This causes the gate voltage on the first transistorT 1 (after previous reset, see next section) is at signal ground potential, the first capacitor canC 1 in relation to the second capacitorC 2 only charge a little. Therefore, there is one between the transistor gateT 1 arranged diodeD 1 under tension in the reverse direction; A corresponding second diodeD 2 between the gate of the second transistorT 2 and the second capacitorC 2 is in between, is virtually power-free (the same potential on both sides).
Sobald sich die Spannung am Eingang des Frequenzteilers
Da die nächste Flanke des Signals
Da der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messgerätgauge
- 22
- Behältercontainer
- 33
- Füllgutfilling
- 44
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 1111
- Signalpfadsignal path
- 1212
- Signalgeneratorsignal generator
- 1313
- Auswerteschaltungevaluation
- 111111
- Signaleingangsignal input
- 112112
- Signalausgangsignal output
- 131131
- Addiereradder
- 132132
- Phasendetektorphase detector
- 133133
- Verstärkeramplifier
- 134134
- Flankendetektoredge detector
- 135135
- Frequenzteilerfrequency divider
- 136136
- Mischermixer
- 137137
- TiefpassfilterLow Pass Filter
- 138138
- Kapazitätcapacity
- 139139
- Set-Reset-GateSet Reset Gate
- 140140
- AN D-GatterAT D gate
- AA
- Verstärkungsfaktorgain
- DKDK
- Dielektrizitätswertdielectric value
- eHF e HF
- Empfangenes MesssignalReceived measurement signal
- fHF HF
- Frequenz des MesssignalsFrequency of the measuring signal
- l11 11
- Pfadlänge des SignalpfadesPath length of the signal path
- rr
- Rücksetz-SignalReset signal
- SHF S HF
- Messsignalmeasuring signal
- ts t s
- SignallaufzeitSignal propagation time
- vs v s
- Signalgeschwindigkeit des MesssignalsSignal speed of the measurement signal
- φφ
- Phasenverschiebungphase shift
- ∑Σ
- Summierte Perioden des SignalsTotaled periods of the signal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102015117205 A1 [0005]DE 102015117205 A1 [0005]
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