DE102018111944A1 - Measuring device for determining a dielectric value - Google Patents

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DE102018111944A1 DE102018111944.5A DE102018111944A DE102018111944A1 DE 102018111944 A1 DE102018111944 A1 DE 102018111944A1 DE 102018111944 A DE102018111944 A DE 102018111944A DE 102018111944 A1 DE102018111944 A1 DE 102018111944A1
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Thomas Blödt
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2617Measuring dielectric properties, e.g. constants
    • G01R27/2623Measuring-systems or electronic circuits

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 DE 10 2015 117 205 A1 .Alternatively, it is also possible to determine the dielectric value of a (liquid) medium in a container interior quasi parasitically in its level measurement. This requires the measuring principle of the guided radar, in which microwaves are guided via an electrically conductive waveguide in the medium. Described is this combined level and dielectric measurement in the published patent application DE 10 2015 117 205 A1 ,

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.
The invention solves this problem by a measuring device for determining a dielectric value of a filling material. It includes:
  • - 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
umfasst. In diesem Fall ist der Addierer so auszulegen, dass die Summe an Perioden des Messsignals bestimmt wird, indem der Addierer zwei verschiedenen Ladungszuständen der Kondensatoren jeweils einen Bitwert zuordnet. Der Addierer kann anhand der zugeordneten Bitwerte im Anschluss einen Binärwert generieren, welcher der Summe an Perioden entspricht. Somit liegt die Summe bereits im Addierer selbst als digitaler Wert vor. Genutzt wird bei dieser Ausgestaltungsvariante des Addierers, dass das Signalende des Messsignals am Signalausgang pro Frequenzhalbierung jeweils invertiert wird.An alternative way of summing the periods is for the adder to have a
  • - 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
includes. In this case, the adder is to be designed so that the sum is determined at periods of the measurement signal in that the adder assigns a bit value to two different charge states of the capacitors. The adder can then use the assigned bit values to generate a binary value which corresponds to the sum of periods. Thus, the sum is already present in the adder itself as a digital value. Is used in this embodiment variant of the adder, that the signal end of the measuring signal at the signal output per frequency bisection is respectively inverted.

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 λ = λ 0 ( D K ) 1 / 2 = 30 m m ( 40 ) 1 / 2 4.7 m m

Figure DE102018111944A1_0001
ca. 13 mm beträgt. Analog hierzu ergibt sich in einem Signalpfad aus Kupfer (DK ca. 3) eine theoretische Wellenlänge von ca. 17,3 mm. Unter der vereinfachten Annahme, dass das Messsignal zu 2/3 im Signalpfad und zu 1/3 als elektromagnetische Welle im Füllgut verläuft, ergibt sich gemäß der Gewichtung 1 3 4,7 m m + 2 3 17,32 m m = 13,1 m m
Figure DE102018111944A1_0002
eine effektive Wellenlänge von ca. 13,1 mm. Entsprechend dieser effektiven Wellenlänge von 1311 mm, multipliziert mit der Signallänge, die der Signallaufzeit des Messsignals vom Signaleingang bis zum Signalausgang entspricht (also bspw. 1.5 Perioden = 1.5 ns bei 1 GHz), ergibt sich eine exemplarische Mindestlänge des Signalpfades von 19.65 mm.In the context of the invention, it is advantageous to dimension the signal path with a defined path length by taking into account the frequency of the measurement signal and the expected range of the dielectric value. The basis of such a dimensioning is that the path length has a minimum length that corresponds to the effective wavelength of the measurement signal in the medium: at a frequency of, for example, 1 GHz, the electromagnetic wave corresponding to the measurement signal has a wavelength of 30 mm in vacuum, wherein the theoretical wavelength in the medium (at an expected dielectric value of about 90) according to λ = λ 0 ( D K ) 1 / 2 = 30 m m ( 40 ) 1 / 2 ~ 4.7 m m
Figure DE102018111944A1_0001
about 13 mm. Analogously, in a signal path of copper ( DK approx. 3) a theoretical wavelength of approx. 17.3 mm. Under the simplified assumption that the measurement signal runs 2/3 in the signal path and 1/3 as the electromagnetic wave in the medium, the weighting results 1 3 * 4.7 m m + 2 3 * 17.32 m m = 13.1 m m
Figure DE102018111944A1_0002
an effective wavelength of about 13.1 mm. Corresponding to this effective wavelength of 1311 mm, multiplied by the signal length which corresponds to the signal propagation time of the measurement signal from the signal input to the signal output (ie 1.5 cycles = 1.5 ns at 1 GHz), an exemplary minimum signal path length of 19.65 mm results.

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.
The basic method according to the invention comprises, corresponding to the measuring device according to one of the aforementioned embodiments, the following method steps:
  • 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 zur DK-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.
Based on the following figures, the invention will be explained in more detail. It shows:
  • 1 : A measuring device for DK 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 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 in etwa formschlüssig zur Behälter-Innenwand angebracht, so dass ein vom Messgerät 1 erzeugtes elektrisches Feld in das Füllgut 3 eindringen kann. 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.For a general understanding of the measuring device according to the invention 1 is in 1 a schematic arrangement of the measuring device 1 on a container 2 with a filling 3 shown: To determine the dielectric value DK of the contents 3 is the measuring device 1 laterally at a connection of the container 2 , For example, arranged a flange connection. For this is the meter 1 mounted approximately positively to the container inner wall, so that one of the meter 1 generated electric field in the medium 3 can penetrate. For the contents 3 they can be liquids such as drinks, paints, cement or fuels, such as liquefied gases or mineral oils. However, it is also conceivable to use the measuring device 1 for bulk goods 3 , such as cereals.

Das Messgerät 1 kann mit einer übergeordneten Einheit 4, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.The measuring device 1 can with a parent unit 4 , for example a process control system. The interface can be implemented as "PROFIBUS", "HART", "Wireless HART" or "Ethernet". This can be the dielectric value DK be transmitted. But it can also provide other information about the general operating condition of the meter 1 be communicated.

Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in 2 dargestellt: Der Aufbau basiert auf einem Signalpfad 11, der an einem Signaleingang 111 von einem Signalgenerator 12 angesteuert wird. Als Messsignal sHF erzeugt der Signalgenerator 12 ein periodisches elektrisches Signal mit einer vordefinierten Frequenz fHF , beispielsweise 1 GHz.The basic circuit design of the measuring device according to the invention 1 is in 2 The structure is based on a signal path 11 , which is connected to a signal input 111 from a signal generator 12 is controlled. As a measuring signal s HF generates the signal generator 12 a periodic electrical signal with a predefined frequency HF , for example, 1 GHz.

Nach Durchlauf entlang des Signalpfades 11 wird das Messsignal eHF an einem entsprechenden Signalausgang 112 durch einen Phasendetektor 132 und einen Addierer 131 empfangen. Erfindungsgemäß dient dies dazu, diejenige Anzahl an Perioden des Messsignals sHF zu summieren, die der Signallaufzeit ts des periodischen Messsignals sHF vom Signaleingang 111 bis zum Signalausgang 112 entsprechen; Beziehungsweise dient dies dazu, eine Phasenverschiebung φ des Messsignals sHF zwischen dem Signaleingang 111 und dem Signalausgang 112 zu messen. Damit der Phasendetektor 132 die Phasenverschiebung φ des Messsignals sHF zwischen dem Signaleingang 111 und dem Signalausgang 112 messen kann, bzw. damit der Addierer 131 eine der Signallaufzeit ts entsprechenden Anzahl an Perioden des Messsignals sHF summieren kann, sind der Phasendetektor 132 und der Addierer 131 jeweils auch entsprechend mit dem Signaleingang 111 verbunden.After passing along the signal path 11 becomes the measuring signal e HF at a corresponding signal output 112 through a phase detector 132 and an adder 131 receive. According to the invention this serves to that number Σ at periods of the measuring signal s HF to sum up the signal transit time t s of the periodic measurement signal s HF from the signal input 111 to the signal output 112 correspond; Respectively, this serves a phase shift φ of the measuring signal s HF between the signal input 111 and the signal output 112 to eat. So that the phase detector 132 the phase shift φ of the measuring signal s HF between the signal input 111 and the signal output 112 can measure, and thus the adder 131 one of the signal transit times t s corresponding number Σ at periods of the measuring signal s HF can sum, are the phase detector 132 and the adder 131 each also corresponding to the signal input 111 connected.

Der Signalpfad 11 kann als metallischer Leiter, bspw. als kupferbasierte Leiterbahnstruktur auf einem Leiterplattensubstrat realisiert sein. Als mechanischer Schutz gegenüber dem Füllgut kann die Leiterplatte dabei ggf. mittels einer entsprechenden Glas- oder Keramikbeschichtung gekapselt werden. Hierbei kann ggf. parallel zum Signalpfad zudem eine entsprechende Gegenelektrode als Bezugsmasse dienen. Alternativ zu einer Auslegung des Signalpfades 11 als Schleife, wie in 2 gezeigt, wäre es außerdem möglich, den Signalpfad 11 so auszulegen, dass der Signaleingang 111 und der Signalausgang112 am gleichen Ende des Signalpfades 11 angeordnet sind. In diesem Fall wären der Signaleingang 111 und der Signalausgang 112 über eine entsprechende Sende-/Empfangsweiche zu trennen.The signal path 11 can be realized as a metallic conductor, for example as a copper-based interconnect structure on a printed circuit board substrate. As a mechanical protection against the filling material, the printed circuit board can optionally be encapsulated by means of a corresponding glass or ceramic coating. In this case, if appropriate, parallel to the signal path, a corresponding counterelectrode can also serve as the reference ground. Alternatively to a design of the signal path 11 as a loop, as in 2 It would also be possible to see the signal path 11 be interpreted that the signal input 111 and the signal output 112 at the same end of the signal path 11 are arranged. In this case, the signal input would be 111 and the signal output 112 to disconnect via a corresponding transceiver.

Genutzt wird die Summation bzw. die Bestimmung der Phasenverschiebung φ erfindungsgemäß, um hierüber die Signallaufzeit ts des Messsignals sHF vom Signaleingang 111 bis zum Signalausgang 112 zu ermitteln. Die Signallaufzeit ts ist wiederum entsprechend dem Zusammenhang t s = l 11 v s ( D K )

Figure DE102018111944A1_0003
mit v s c 0 ( D K ) 1 / 2
Figure DE102018111944A1_0004
vom Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 abhängig (l11 ist hierbei die Pfadlänge des Signalpfades 11; vs ist die Signalgeschwindigkeit des Messsignals sHF; c0 ist die bekannte Lichtgeschwindigkeit in Vakuum). Dabei kann die Proportionalitätskonstante zwischen der Signalgeschwindigkeit vS und der Wurzel des Dielektrizitätswertes DK beispielsweise durch Kalibration des Messgerätes 1 an einem Füllgut 3 mit bekanntem Dielektrizitätswert DK bestimmt werden (bspw. H2O: DK = 80 bei 20° C und Atmosphärendruck).The summation or the determination of the phase shift is used φ According to the invention, the signal transit time over this t s of the measuring signal s HF from the signal input 111 to the signal output 112 to determine. The signal transit time t s is again according to the context t s = l 11 v s ( D K )
Figure DE102018111944A1_0003
With v s ~ c 0 ( D K ) 1 / 2
Figure DE102018111944A1_0004
from the dielectric value DK of the contents 3 dependent ( 11 Here is the path length of the signal path 11 ; v s is the signal speed of the measurement signal s HF ; c 0 is the known speed of light in vacuum). The proportionality constant between the signal speed v p and the root of the dielectric value DK for example, by calibration of the meter 1 on a medium 3 with known dielectric value DK be determined (eg H 2 O: DK = 80 at 20 ° C and atmospheric pressure).

Da die Frequenz fHF des Messsignals sHF reziprok zu jeweils einer Periode des Messsignals sHF ist, ergibt sich der Zusammenhang zwischen der Signallaufzeit ts , der Summe an Perioden und der Phasenverschiebung φ gemäß t s = ( f H F ) 1 + φ

Figure DE102018111944A1_0005
Because the frequency HF of the measuring signal s HF reciprocally at each one period of the measurement signal s HF is, the relationship between the signal transit time arises t s , the sum Σ at periods and the phase shift φ according to t s = Σ ( f H F ) - 1 + φ
Figure DE102018111944A1_0005

Anhand dieses Zusammenhangs zwischen der Summe an Perioden, der Phasenverschiebung φ und dem Dielektrizitätswert DK kann eine entsprechend programmierte Auswerteschaltung 13 des Messgerätes 1, wie in 2 gezeigt, den Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 bestimmen.
Die Erfindung basiert also auf der Idee, die Signallaufzeit ts bzw. den Dielektrizitätswert DK grob anhand der summierten Perioden zu bestimmen, während die Feinbestimmung des Dielektrizitätswertes DK anhand Phasenverschiebung φ erfolgt.
Based on this relationship between the sum Σ at periods, the phase shift φ and the dielectric value DK can be a correspondingly programmed evaluation circuit 13 of the measuring device 1 , as in 2 shown, the dielectric value DK of the contents 3 determine.
The invention is thus based on the idea of signal propagation time t s or the dielectric value DK roughly based on the summed periods Σ during the fine determination of the dielectric value DK by phase shift φ he follows.

Grundsätzlich ist es nicht relevant, ob die Auswerteschaltung 13 als eigenständiger Rechner, bspw. als Microcontroller oder als FPGA ausgelegt ist. Denkbar ist auch, die Auswerteschaltung 13 zusammen mit dem Signalgenerator 12, dem Phasendetektor 132 oder dem Addierer 131 als gemeinsames monolithische Halbleiterbauteil zu realisieren. Alternativ kann die Auswerteschaltung 13 in Form einer externen Recheneinheit, wie beispielsweise einem entsprechenden Programm der übergeordneten Einheit 4 implementiert sein.Basically, it is not relevant if the evaluation circuit 13 as a standalone computer, for example, is designed as a microcontroller or FPGA. It is also conceivable, the evaluation circuit 13 together with the signal generator 12 , the phase detector 132 or the adder 131 to realize as a common monolithic semiconductor device. Alternatively, the evaluation circuit 13 in the form of an external processing unit, such as a corresponding program of the higher-level unit 4 be implemented.

Anhand von 3 wird die erfindungsgemäße Idee, die vom Dielektrizitätswert DK abhängige Signallaufzeit ts des Messsignals sHF grob anhand der summierten Perioden und anhand Phasenverschiebung φ präzise zu bestimmen, näher anhand eines rechteckförmigen Messsignals sHF (im konkreten Beispiel mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von ca. 25% zu 75%; Die Pegel könnten z.B. 0 V und 5 V betragen) veranschaulicht: Dort hat das Messsignal sHF im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Signallänge von sechs Perioden. Neben dem zeitlichen Verlauf des Messsignals sHF am Signaleingang 111 ist außerdem der zeitgleiche Verlauf des am Signalausgang 112 empfangenen Messsignals eHF dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist das Messsignal eHF durch die Signallaufzeit ts längs des Signalpfades 11 nach Empfang am Signalausgang 112 zeitlich zum Signaleingang 111 versetzt. Wie zu erkennen ist, beträgt die Versetzung in diesem plakativen Beispiel ca. 1,5 Perioden. Bei einer Frequenz fHF des Messsignals von 1 GHz entspricht dies einer Signallaufzeit ts durch den Signalpfad 11 von ca. 1,5 ns.Based on 3 becomes the idea according to the invention, that of the dielectric value DK dependent signal transit time t s of the measuring signal s HF roughly based on the summed periods Σ and by phase shifting φ to determine precisely, in more detail using a rectangular measuring signal s HF (In the specific example, with a pulse-pause ratio of about 25% to 75%; the levels could be, for example, 0 V and 5 V) illustrates: There has the measurement signal s HF In the embodiment shown, a signal length of six periods. In addition to the time course of the measurement signal s HF at the signal input 111 is also the same time course of the signal output 112 received measurement signal e HF shown. As can be seen, the measuring signal is e HF by the signal transit time t s along the signal path 11 after reception at the signal output 112 temporally to the signal input 111 added. As can be seen, the offset in this illustrative example is about 1.5 periods. At a frequency HF of the measurement signal of 1 GHz this corresponds to a signal propagation time t s through the signal path 11 of about 1.5 ns.

Diese plakative Signallaufzeit ts von 1,5 ns bzw. 1.5 Perioden resultiert aus der definierten Pfadlänge l11 des Signalpfades 11 von ca. 19.65 mm und dem zu messenden Dielektrizitätswert DK ~ 90 gemäß t s l 11 c 0 ( D K ) 1 / 2

Figure DE102018111944A1_0006
This striking signal delay t s 1.5 ns or 1.5 periods results from the defined path length 11 the signal path 11 of about 19.65 mm and the measured dielectric value DK ~ 90 according to t s ~ l 11 c 0 * ( D K ) 1 / 2
Figure DE102018111944A1_0006

Wie ebenfalls in 3 dargestellt ist, summiert der Addierer 131 korrespondierend zu dieser exemplarischen Signallaufzeit ts von ca. 1,5 ns zwei Perioden (∑=2), der Phasendetektor detektiert eine Phasenverschiebung von ca. φ = - 180° = - 0,5 ns.Like also in 3 is shown, the adder sums 131 corresponding to this exemplary signal transit time t s of about 1.5 ns two periods (Σ = 2), the phase detector detects a phase shift of about φ = - 180 ° = - 0.5 ns.

Damit der in 2 gezeigte Signalgenerator 12 das Messsignal sHF nicht endlos, sondern lediglich mit einer definierten, begrenzten Signallänge erzeugt (in 3 entspricht die Signallänge des Messsignals sHF bzw. eHF sechs Perioden), kann der Signalgenerator 12 über einen entsprechenden Eingang durch das Eintreffen des Messsignals eHF am Signalausgang 112 wieder gestoppt werden (nicht in 2 dargestellt). Hierdurch wird die Signallänge bzw. die Anzahl dessen ausgesendeter Perioden so geregelt, dass sie mit steigender Signallaufzeit ts (also in Abhängigkeit des Dielektrizitätswertes DK) proportional zunimmt.Thus the in 2 shown signal generator 12 the measuring signal s HF not endless, but generated only with a defined, limited signal length (in 3 corresponds to the signal length of the measuring signal s HF respectively. e HF six periods), the signal generator can 12 via a corresponding input by the arrival of the measurement signal e HF at the signal output 112 be stopped again (not in 2 ) Shown. As a result, the signal length or the number of its emitted periods is controlled so that they with increasing signal propagation time t s (ie as a function of the dielectric value DK ) proportionally increases.

Eine schaltungstechnische Möglichkeit zur Realisierung des Phasendetektors 132 für rechteckförmige Messsignale sHF ist in 4 dargestellt: Der dortige Phasendetektor 132 umfasst einen Eingang für das Messsignal sHF , das am Signaleingang des Signalpfades 11 abgegriffen wird, sowie einen Eingang für das empfangene Messsignal eHF , das am Signalausgang 112 des Signalpfades 11 abgegriffen wird (siehe auch 2). Diesen Eingängen ist jeweils ein vorzugsweise ungetakteter Flankendetektor 134,
134` nachgeschaltet. Dabei können die Flankendetektoren 134, 134` prinzipiell sowohl zur Detektion der positiven- als auch der negativen Flanke ausgelegt sein. Durch die Flankendetektoren 134, 134` verliert das Messsignal sHF , eHF jeweils seine Amplituden-Information und behält nur seine die Phasenverschiebung φ als relative Zeitinformation.
A circuit technology possibility for the realization of the phase detector 132 for rectangular measuring signals s HF is in 4 shown: The local phase detector 132 includes an input for the measurement signal s HF , at the signal input of the signal path 11 is tapped, and an input for the received measurement signal e HF that at the signal output 112 the signal path 11 is tapped (see also 2 ). Each of these inputs is preferably a non-clocked edge detector 134 .
134` downstream. In this case, the edge detectors 134 . 134` in principle be designed both for detecting the positive and the negative edge. By the edge detectors 134 . 134` loses the measurement signal s HF . e HF each its amplitude information and only retains its phase shift φ as relative time information.

Im Anschluss an den Flankendetektor 134, 134' wird das Messsignal sHF , eHF jeweils einem (wiederum vorzugsweise ungetakteten) Frequenzteiler 135, 135` zugeführt, der hieraus jeweils ein Signal mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von 50 % generiert. Die so erhaltenen Signale werden einem Mischer 136 zugeführt. Für die in 4 gezeigte Ausführungsvariante des Phasendetektors 132 bietet sich als Mischer 136 insbesondere eine Gilbert-Zelle an. Je nach Art des Messsignals sHF , eHF ist es jedoch gegebenenfalls vorteilhaft, als Mischer 136 ein XOR-Gatter oder ein Äquivalenz-Gatter (XNOR) einzusetzen. Das anhand des Mischers 136 erhaltene Signal weist ein Puls-Pausenverhältnis auf, das (linear-) proportional zur Phasenverschiebung φ ist.Following the edge detector 134 . 134 ' becomes the measuring signal s HF . e HF in each case one (again preferably non-clocked) frequency divider 135 . 135` fed, each of which generates a signal with a pulse-pause ratio of 50%. The signals thus obtained become a mixer 136 fed. For the in 4 shown embodiment of the phase detector 132 offers itself as a mixer 136 in particular a Gilbert cell. Depending on the type of measurement signal s HF . e HF however, it may be advantageous as a mixer 136 use an XOR gate or an equivalence gate (XNOR). The basis of the mixer 136 The signal obtained has a pulse-pause ratio that is (linear) proportional to the phase shift φ is.

Zur weiteren Verbesserung der Phasengenauigkeit wäre es außerdem möglich, den Frequenzteilern 135, 135' weitere Frequenzteiler nachzuschalten bzw. so den Teilerfaktor zu erhöhen. Wie in 4 dargestellt, kann dem Mischer 136 zudem ein Tiefpassfilter 137 nachgeschaltet sein, um hochfrequente Störsignal-Anteile auszufiltern. Mittels des so erhaltenen Signals wird eine Kapazität 138 geladen. Dabei ist die Ladung bzw. die Spannung an der Kapazität 138 wiederum (linear-) proportional zum Puls-Pausenverhältnis des Signals des Mischers 136, und dementsprechend auch (linear-) proportional zur Phasenverschiebung φ des Messsignals sHF , eHF zwischen Signaleingang 111 und Signalausgang 112. Durch eine entsprechende Analog-/Digitalwandlung des analogen Spannungswertes der Kapazität 138 kann folglich die Phasenverschiebung φ als digitaler Wert der Auswerteschaltung 13 (siehe 2) übertragen werden. Zum Reset der Kapazität 138, nachdem das Messsignal sHF , eHF in voller Signallänge die Kapazität 138 geladen hat, dient ein entsprechendes Reset-Signal r. Hiermit kann die Kapazität 138 bspw. für den nächsten Messzyklus geerdet bzw. entladen werden.To further improve the phase accuracy, it would also be possible to use the frequency dividers 135 . 135 ' to add further frequency dividers or to increase the divider factor. As in 4 pictured, can the mixer 136 also a low pass filter 137 be downstream to filter out high-frequency interference signal components. By means of the signal thus obtained becomes a capacity 138 loaded. Here is the charge or the voltage at the capacity 138 again (linear) proportional to the pulse-pause ratio of the signal of the mixer 136 , and accordingly also (linear) proportional to the phase shift φ of the measuring signal s HF . e HF between signal input 111 and signal output 112 , By a corresponding analog / digital conversion of the analog voltage value of the capacitance 138 can therefore phase shift φ as digital value of the evaluation circuit 13 (please refer 2 ) be transmitted. To reset the capacity 138 after the measurement signal s HF . e HF in full signal length the capacity 138 has loaded, serves a corresponding reset signal r , This can be the capacity 138 For example, be grounded or discharged for the next measurement cycle.

Die in 4 gezeigte Ausführungsvariante des Phasendetektors 132 umfasst am Eingang für das empfangene Messsignal eHF zusätzlich einen Eingangsverstärker 133. Dieser dient dazu, den Amplitudenverlust des empfangenen Messsignals eHF durch die elektrische Impedanz des Signalpfades 11 auszugleichen. Dabei kann der Eingangsverstärker 133 in einer Weiterentwicklung der Erfindung so ausgelegt werden, dass dessen Verstärkungsfaktor A so geregelt wird, dass das empfangene, verstärkte Messsignal eHF eine in etwa konstante Amplitude aufweist. Ursache für eine unterschiedliche Dämpfung kann der dielektrische Verlustfaktor des Füllgutes 3 sein, der je nach Art des Füllgutes 3 verschieden sein kann. Dabei repräsentiert der dielektrische Verlustfaktor des Füllgutes 3 die komplexwertige elektrische Impedanz des Füllgutes 3. Dementsprechend kann die Auswerteschaltung 13 bei dieser Weiterentwicklung ausgelegt werden, um anhand des am Eingangsverstärker 133 eingestellten Verstärkungsfaktors A den dielektrischen Verlustfaktor des Füllgutes 3 zu bestimmen, bspw. durch Zuordnung des ermittelten Verstärkungsfaktors zu einem äquivalenten Verlustfaktor anhand einer look-up table. Somit ließe sich das Füllgut 3 auf Basis des Dielektrizitätswertes DK und des dielektrischen Verlustfaktors noch tiefergehend charakterisieren.In the 4 shown embodiment of the phase detector 132 includes at the input for the received measurement signal e HF in addition an input amplifier 133 , This serves to reduce the amplitude of the received measurement signal e HF by the electrical impedance of the signal path 11 compensate. The input amplifier can do this 133 be designed in a further development of the invention so that its amplification factor A is regulated so that the received, amplified measurement signal e HF has an approximately constant amplitude. The reason for a different attenuation can be the dielectric loss factor of the filling material 3 depending on the type of product 3 can be different. In this case, the dielectric loss factor of the filling material represents 3 the complex-valued electrical impedance of the filling material 3 , Accordingly, the evaluation circuit 13 be designed in this advancement, based on the input amplifier 133 set amplification factor A the dielectric loss factor of the filling material 3 For example, by assigning the determined gain factor to an equivalent loss factor using a look-up table. Thus, the contents could be 3 based on the dielectric value DK and the dielectric loss factor.

In 5 ist eine mögliche schaltungstechnische Realisierungsvariante des Addierers 131 gezeigt: Gemäß der dortigen Auslegung summiert der Addierer 131 die Anzahl an Perioden des Messsignals sHF , die der Signallaufzeit ts des periodischen Messsignals sHF vom Signaleingang 111 bis zum Signalausgang 112 entsprechen, indem der Addierer 131 die Perioden am Signaleingang 111 summiert, bis das Messsignal sHF am Signalausgang 112 eintrifft. Hierzu detektiert der Addierer 131 das Eintreffen des Messsignals eHF am Signalausgang 112 durch einen Reset-Eingang 1R eines Set-Rest-Gates 139. An dem Set-Eingang 1S des Set-Reset-Gates 139 wird das Messsignal sHF des Signaleingangs 111 abgegriffen (vergleiche auch 2). Der Ausgang des Set-Rest-Gates 139 wird auf den Eingang eines AND-Gatters 140 geführt, wobei der weitere Eingang des AND-Gatters 140 das Messsignal sHF am Signaleingang 111 abgreift. Hierdurch liegt am Ausgang des AND-Gatters 140 das Messsignal SHF nur solange an, bis das Messsignal eHF den Signalausgang 112 bzw. das Set-Reset-Gate 139 erreicht. Das am Ausgang des AND-Gatters 140 anliegende Signal entspricht also dem untersten, in 3 gezeigten Signal ∑ = 2. Die Summation der Perioden des am Ausgang des AND-Gatters 140 anliegenden Signals kann dabei prinzipiell auf verschiedene Weise erfolgen. Zwei mögliche Ausführungsmöglichkeiten werden anhand von 5 veranschaulicht:

  • 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. die Spannung der Kapazität 138` proportional zu der Anzahl an Perioden. Durch Auslesen bzw. digitalisieren des analogen Spannungswertes, der an dieser Kapazität 138' 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.
In 5 is a possible circuit implementation variant of the adder 131 shown: According to the local interpretation of the adder sums 131 the number Σ at periods of the measuring signal s HF , the signal propagation time t s of the periodic measurement signal s HF from the signal input 111 to the signal output 112 match by the adder 131 the periods at the signal input 111 sums up until the measurement signal s HF at the signal output 112 arrives. For this purpose, the adder detects 131 the arrival of the measuring signal e HF at the signal output 112 through a reset input 1R a set-remainder gate 139 , At the set entrance 1S of the set reset gate 139 becomes the measuring signal s HF of the signal input 111 tapped (compare also 2 ). The output of the set-remainder gate 139 gets to the input of an AND gate 140 led, with the further input of the AND gate 140 the measuring signal s HF at the signal input 111 taps. This is due to the output of the AND gate 140 the measuring signal SHF only on until the measuring signal eHF the signal output 112 or the set reset gate 139 reached. That at the output of the AND gate 140 adjacent signal thus corresponds to the lowest, in 3 shown signal Σ = 2. The summation of the periods of the output of the AND gate 140 applied signal can be done in principle in various ways. Two possible execution options are based on 5 illustrates:
  • 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 increases 138` proportional to the number Σ at periods. By reading out or digitizing the analog voltage value at this capacity 138 ' 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 number Σ represented at periods, take place.

Eine erweiterte Schaltung zur Summation der Perioden des am Ausgang des AND-Gatters 140 anliegenden Signals besteht in einer kaskadierten Anordnung von Frequenzteilern 135" und Kapazitäten 138', 138", wie es in 5 am Ausgang des NAND-Gatters 140 dargestellt ist (im gezeigten Beispiel besteht die Kaskade zu Anschauungszwecken lediglich aus einer Kaskaden-Stufe). Bei einer kaskadierten Auslegung sind die Kapazitäten 138', 138" mit einer im Vergleich zur ersten Ausführungsvariante geringen Kapazität dimensioniert, so dass bereits eine Halb-Periode des Messsignals sHF ein vollständiges Auf- bzw. Entladen der jeweiligen Kapazität 138', 138" (bspw. auf einen Ladungszustand bzw. Spannungspegel von größer als 5 V bzw. bei Entladen auf 0 V) bewirkt. In diesem Fall repräsentieren die Spannungswerte/Ladungszustände an den Kapazitäten 138', 138" bereits einzelne Bits eines Binärwertes, der wiederum die Anzahl der summierten Perioden repräsentiert. Dabei wird diese Funktionsweise anhand von 6 näher veranschaulicht:

  • In 6 ist zum einem das Ausgangssignal des AND-Gatters 140 (oben, sieh auch 3, unterste Reihe) dargestellt. Zum anderen ist dieses Signal nach Frequenzteilung durch den Frequenzteiler 135" (unten) in 6 dargestellt: Wie zu erkennen ist, herrscht am Ausgang des AND-Gatters 140 nach Durchlauf der zwei Perioden des Messsignals sHF ein tiefer Spannungspegel vor. Dementsprechend weist die Kapazität 138`, die am Ausgang des AND-Gatters 140 anschließt, einen niedrigen Ladungszustand (entspricht logisch = 0) auf. Nach Frequenzteilung durch den Frequenzteiler 135" verhält es sich an der zweiten Kapazität 138" genau umgekehrt (siehe unten in 6): Dort ist der Ladungszustand entsprechend des hohen Signalpegels „hoch“ bzw. „geladen“ (entspricht logisch = 1).
An extended circuit for summing the periods of the output of the AND gate 140 applied signal consists in a cascaded arrangement of frequency dividers 135 ' and capacities 138 ' . 138 ' as it is in 5 at the output of the NAND gate 140 is shown (in the example shown, the cascade consists of illustrative purposes only of a cascade stage). For a cascaded design, the capacities are 138 ' . 138 ' dimensioned with a small compared to the first embodiment, the capacity, so that already a half-period of the measurement signal s HF a complete loading or unloading of the respective capacity 138 ' . 138 ' (For example, to a state of charge or voltage level greater than 5 V or when discharged to 0 V) causes. In this case, the voltage values / charge states represent the capacitances 138 ' . 138 ' already single bits of a binary value, which in turn is the number Σ represents the summed periods. This functionality is based on 6 illustrates in more detail:
  • In 6 on the one hand is the output signal of the AND-gate 140 (above, look too 3 , bottom row). On the other hand, this signal is after frequency division by the frequency divider 135 ' (below) in 6 As you can see, the exit of the AND gate 140 after passing through the two periods of the measuring signal s HF a low voltage level. Accordingly, the capacity points 138` at the output of the AND gate 140 connects, a low state of charge (corresponds to logic = 0) on. After frequency division by the frequency divider 135 ' it behaves at the second capacity 138 ' exactly the opposite (see below in 6 ): There is the state of charge according to the high signal level "high" or "charged" (corresponds to logic = 1).

Sofern also die Kapazität 138`, die direkt am Ausgang des AND-Gatters 140 kontaktiert ist, als Isb („Least Significant Bit“) zugeordnet wird, und sofern die Kapazität 138", die dem Frequenzteiler 135" nachgeschaltet ist, als msb („Most Significant Bit“) interpretiert wird, ergibt sich bei dem in 2 und 7 dargestellten Signal anhand der zwei Kapazitäten 138', 138" ein Binärwert von „10“, welches einem Hexadezimalwert von „zwei“, also der Anzahl an Perioden , entspricht. Diese Bits sind entsprechend in einem Speicher abzulegen, auf den die Auswerteschaltung 13 zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK zurückgreifen kann. Gemäß dieser Auslegung des Addierers 131 ist bei einer Anzahl von maximal Emax zu erwartenden Perioden (dies hängt wiederum von der Auslegung der Pfadlänge l11 des Signalpfades 11 ab) der Addierer 131 entsprechend 2∑max mal mit einem jeweiligen Frequenzteiler 135"/Kondensator 138" zu kaskadieren.So unless the capacity 138` , which is directly at the output of the AND gate 140 is contacted as Isb ("Least Significant Bit") is assigned, and provided the capacity 138 ' that the frequency divider 135 ' is interpreted as msb ("Most Significant Bit"), results in the in 2 and 7 represented signal based on the two capacities 138 ' . 138 ' a binary value of "10", which is a hexadecimal value of "two", ie the number of periods Σ , corresponds. These bits must be stored accordingly in a memory to which the evaluation circuit 13 for determining the dielectric value DK can fall back. According to this interpretation of the adder 131 is at a number of maximum Emax expected periods (this in turn depends on the design of the path length 11 the signal path 11 ab) the adder 131 corresponding to 2 Σmax times with a respective frequency divider 135 ' / Capacitor 138 "to cascade.

Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der Frequenzteiler 135, 135', 135" ist in 7 aufgezeigt: Die dortige Schaltung basiert auf zwei parallel angeordneten Kondensatoren C1 , C2 . Diese werden durch das Signal , dessen Frequenz fHF zu halbieren ist, in unterschiedlicher Weise be- und entladen:

  • Sobald über einen Eingang des Frequenzteilers 135, 135', 135" eine erste positive Flanke desjenigen Signals , dessen Frequenz fHF zu teilen ist, anliegt, werden über einen hochohmigen Eingangs-Widerstand R7 die zwei Kondensatoren C1 , C2 , (beide jeweils ca. 10 pF) aufgeladen. Allerdings sperrt ein erster Transistor T1 , dessen Gate am Kondensator C1 kontaktiert ist; Ein zweiter Transistor T2 , dessen Gate an den zweiten Kondensator C2 angeschlossen ist, ist leitend. Dadurch, dass die Gate-Spannung am ersten Transistor T1 (nach vorherigem Reset, siehe nächster Abschnitt) auf Signalmassepotential liegt, kann sich der erste Kondensator C1 in Bezug zum zweiten Kondensator C2 nur geringer aufladen. Daher liegt eine zwischen dem Transistor-Gate T1 angeordnete Diode D1 unter Spannung in Sperrrichtung; Eine entsprechende zweite Diode D2 , die zwischen dem Gate des zweiten Transistors T2 und dem zweiten Kondensator C2 zwischengeschaltet ist, ist quasi stromfrei (beidseitig gleiches Potential).
A possible circuit realization of the frequency divider 135 . 135 ' . 135 ' is in 7 The circuit there is based on two parallel capacitors C 1 . C 2 , These are by the signal Σ whose frequency HF to halve is loaded and unloaded in different ways:
  • Once via an input of the frequency divider 135 . 135 ' . 135 ' a first positive edge of that signal Σ whose frequency HF is to be connected, are applied via a high-impedance input resistor R 7 the two capacitors C 1 . C 2 , (both about 10 pF) charged. However, a first transistor blocks T 1 whose gate is on the capacitor C 1 is contacted; A second transistor T 2 whose gate is connected to the second capacitor C 2 connected is conductive. This causes the gate voltage on the first transistor T 1 (after previous reset, see next section) is at signal ground potential, the first capacitor can C 1 in relation to the second capacitor C 2 only charge a little. Therefore, there is one between the transistor gate T 1 arranged diode D 1 under tension in the reverse direction; A corresponding second diode D 2 between the gate of the second transistor T 2 and the second capacitor C 2 is in between, is virtually power-free (the same potential on both sides).

Sobald sich die Spannung am Eingang des Frequenzteilers 135, 135', 135" für das Frequenz- zu teilende Signal ändert, kann die jetzt negative Flanke des Signals über die zwei Kondensatoren C1 , C2 jeweils zu den zwei Dioden D1 und D2 übertragen werden. Hierbei wird jetzt, da die Diode D2 stromfrei ist, der zweite Kondensator C2 wieder auf den ersten Kondensator C1 umgeladen, wobei die Spannung an der ersten Diode D1 kurzzeitig in Sperrrichtung wechselt. Dieser Wechsel wird über die zweite Diode D2 an das Gate des zweiten Transistors T2 übertragen. Durch diese kurze negative Flanke am Gate sperrt der zweite Transistor T2 wieder. Aufgrund der gleichzeitigen Sperrwirkung der ersten Diode D1 kann der erste Transistor T1 nicht umschalten.As soon as the voltage at the input of the frequency divider 135 . 135 ' . 135 ' for the frequency to be divided signal Σ changes, the now negative edge of the signal Σ over the two capacitors C 1 . C 2 each to the two diodes D 1 and D 2 be transmitted. This is now, since the diode D 2 is current-free, the second capacitor C 2 back to the first capacitor C 1 reloaded, with the voltage at the first diode D 1 momentarily reversed. This change is via the second diode D 2 to the gate of the second transistor T 2 transfer. This short negative edge at the gate blocks the second transistor T 2 again. Due to the simultaneous blocking effect of the first diode D 1 may be the first transistor T 1 do not switch.

Da die nächste Flanke des Signals am Eingang des Frequenzteilers 135, 135', 135" wieder positiv ist, bewirkt dies wieder ein Umladen des zweiten Kondensators C2 auf den ersten Kondensator C1 . Aufgrund der Dioden D1 und D2 kann die positive Flanke des Eingangssignals jedoch die Gates der beiden Transistoren T1 , T2 nicht beeinflussen. Hierdurch wird ein Umschalten jeweils mit den negativen Flanken bewirkt und es ergibt sich am Gate des ersten Transistors T1 bzw. einem nachgeschalteten Ausgangswiderstand R4 der mit der Source des zweiten Transistors T2 verschaltet ist, ein Ausgangssignal /2 mit der halben Frequenz fHF /2 des Eingangssignals bei einem Puls- Pausenverhältnis von exakt 50:50.Because the next edge of the signal Σ at the input of the frequency divider 135 . 135 ' . 135 ' is positive again, this again causes a reloading of the second capacitor C 2 on the first capacitor C 1 , Due to the diodes D 1 and D 2 can be the positive edge of the input signal Σ however, the gates of the two transistors T 1 . T 2 do not influence. As a result, a switching is effected in each case with the negative edges and it results at the gate of the first transistor T 1 or a downstream output resistance R 4 with the source of the second transistor T 2 is interconnected, an output signal Σ / 2 with half the frequency HF / 2 of the input signal Σ at a pulse-pause ratio of exactly 50:50.

Da der in 7 gezeigte Frequenzteiler 135, 135', 135" ungetaktet ist, ist dieser vor jedem Mess-Zyklus über einen Reset-Eingang r, der das Gate des Transistors T1 ansteuert, zurückzusetzen: An den Reset-Eingang r wird hierzu ein kurzer Puls einiger Nanosekunden angelegt. Dieser Puls überträgt sich über die zwei Kapazitäten C1 , C2 auf die Gates der zweier n-Kanal Transistoren T1 , T2 durch die zwei Dioden D1 , D2 in Sperrrichtung nur sehr gedämpft. Beim anschließenden Wieder-Ausschalten am Reset-Eingang r ergibt sich ein kurzer Spannungsabfall am Strom durch beide Dioden D1 , D2 , da das Signal am ersten Transistor T1 direkt am Gate anliegt, und somit nicht nur die Flanke des Pulses wirkt. Da auch der Gleichanteil des Pulses wirkt, ergibt sich am Gate des Transistors T1 weiterhin eine positive Spannung. Durch die Reihenschaltung aus den zwei Kondensatoren C1 , C2 und einem hochohmigen Eingangswiderstand R7 gelangt nur die Flanke an das Gate des Transistors T2 und verursacht dort eine kurze negative Amplitude, wodurch dieser Transistor T2 sperrt. Über eine dritte Diode D3 gelangt der Puls des Reset-Eingangs r auf den Eingang für das Signal , dessen Frequenz fHF zu halbieren ist. Mit der hieraus resultierenden negativen Flanke wird der Kondensator C1 kurzzeitig negativ und auf den Kondensator C2 umgeladen. Hierdurch liegt die Diode D1 kurzfristig in Durchlassrichtung (durch den negativen Peak). Dadurch gelangt dieser negative Peak an das Gate des Transistors T1 , wodurch dieser sperrt. Dieser Effekt tritt ebenso am Kondensator C2 auf. Da die zweite Diode D2 jedoch in Sperrrichtung liegt, reicht dort die Spannung nicht aus, um den Feldeffekttransistor T2 leitend zu schalten.Since the in 7 shown frequency divider 135 . 135 ' . 135 ' is not clocked, this is before each measurement cycle via a reset input r which is the gate of the transistor T 1 controls, reset: to the reset input r For this purpose, a short pulse of a few nanoseconds is applied. This pulse is transmitted across the two capacities C 1 . C 2 to the gates of the two n-channel transistors T 1 . T 2 through the two diodes D 1 . D 2 only very damped in the reverse direction. When subsequently switching off again at the reset input r This results in a short voltage drop across the current through both diodes D 1 . D 2 because the signal is at the first transistor T 1 is applied directly to the gate, and thus not only affects the edge of the pulse. Since the DC component of the pulse also acts, results at the gate of the transistor T 1 continue to be a positive tension. By the series connection of the two capacitors C 1 . C 2 and a high impedance input resistor R 7 only the edge reaches the gate of the transistor T 2 and causes there a short negative amplitude, causing this transistor T 2 locks. About a third diode D 3 the pulse of the reset input arrives r on the input for the signal Σ whose frequency HF to halve is. With this resulting negative edge becomes the capacitor C 1 momentarily negative and on the capacitor C 2 transhipped. This is the diode D 1 short-term in the forward direction (through the negative peak). As a result, this negative peak reaches the gate of the transistor T 1 , whereby this locks. This effect also occurs on the capacitor C 2 on. Because the second diode D 2 However, in the reverse direction, the voltage is not sufficient there to the field effect transistor T 2 to turn on.

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]

Claims (12)

Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Füllgutes (3), umfassend: - Einen mit dem Füllgut (3) in Kontakt bringbaren Signalpfad (11), mit ◯ einem Signaleingang (111), und ◯ einem Signalausgang (112), - einen Signalgenerator (12), der ausgelegt ist, ein periodisches Messsignal (sHF) am Signaleingang (111) einzuspeisen, - eine Signalverarbeitungseinheit, mit ◯ einem Addierer (131), der ausgelegt ist, eine Anzahl (∑) an Perioden des Messsignals (sHF), die der Signallaufzeit des periodischen Messsignals (sHF) vom Signaleingang (111) bis zum Signalausgang (112) entsprechen, zu summieren, und/oder ◯ einem Phasendetektor (132), der ausgelegt ist, die Phasenverschiebung (φ) des Messsignals (sHF) zwischen dem Signaleingang (111) und dem Signalausgang (112) zu messen, und - eine Auswerteschaltung (13), die ausgelegt ist, anhand der gemessenen Phasenverschiebung (φ) und/oder anhand der summierten Perioden (∑) den Dielektrizitätswert (DK) zu bestimmen.Measuring device for determining a dielectric value (DK) of a filling material (3), comprising: - 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), - Signal generator (12), which is designed to feed a periodic measurement signal (s HF ) at the signal input (111), - a signal processing unit, with ◯ an adder (131) which is designed a number (Σ) of periods of the measurement signal (s HF ) corresponding to the signal propagation time of the periodic measurement signal (s HF ) from the signal input (111) to the signal output (112), and / or ◯ a phase detector (132) designed to phase shift (φ) the measurement signal (s HF ) between the signal input (111) and the signal output (112), and - an evaluation circuit (13) which is designed based on the measured phase shift (φ) and / or on the basis of the summed periods (Σ) the dielectric value (DK) to be determined men. Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Signalgenerator (12) ausgelegt ist, das Messsignal (sHF) in Form eines Rechtecksignals mit einem vordefinierten Puls-Pausenverhältnis, zu erzeugen.Meter after Claim 1 wherein the signal generator (12) is adapted to generate the measurement signal (s HF ) in the form of a square wave signal with a predefined pulse-pause ratio. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Signalgenerator (12) ausgelegt ist, das Signal (sHF) mit einer Frequenz zwischen 0,5 GHz und 6 GHz zu erzeugen.Meter after Claim 1 or 2 wherein the signal generator (12) is adapted to generate the signal (s HF ) at a frequency between 0.5 GHz and 6 GHz. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Addierer (131) ausgelegt ist, diejenige Anzahl (∑) an Perioden des Messsignals (sHF), die der Signallaufzeit des periodischen Messsignals (sHF) vom Signaleingang (111) bis zum Signalausgang (112) entsprechen, zu summieren, indem der Addierer (131) die Perioden am Signaleingang (111) oder an einem Referenzoszillator summiert, bis der Addierer (131) das Eintreffen des Messsignals (eHF) am Signalausgang (112) detektiert.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the adder (131) is designed, the number (Σ) of periods of the measuring signal (s HF ), the signal propagation time of the periodic measuring signal (s HF ) from the signal input (111) to the signal output (112 ), in that the adder (131) sums the periods at the signal input (111) or at a reference oscillator until the adder (131) detects the arrival of the measurement signal (e HF ) at the signal output (112). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Addierer (131) ausgelegt ist, Perioden des Messsignals (sHF) zu summieren, indem der Addierer (131) korrespondierende Ladungswerte der positiven oder negativen Halbwellen jeweiliger Perioden des Messsignals (sHF), insbesondere mittels zumindest eines Kondensators (134, 134'), kumuliert, und indem der Addierer (131) mittels des kumulierten Ladungswertes, insbesondere anhand einer look-up table, die Summe (∑) an Perioden bestimmt.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the adder (131) is designed to sum periods of the measuring signal (s HF ) by the adder (131) corresponding charge values of the positive or negative half-waves of respective periods of the measuring signal (s HF ), in particular by means of at least one capacitor (134, 134 '), and in that the adder (131) determines the sum (Σ) of periods by means of the accumulated charge value, in particular by means of a look-up table. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Addierer (131) eine - Kaskade, bestehend aus ◯ zumindest einem Frequenzteiler (135') zur Frequenzteilung des am Signalausgang (112) empfangenen Messsignals (sHF), ◯ und jeweils einen vor- bzw. nachgeschalteten Kondensator (138', 138")umfasst, wobei der Addierer (131) ausgelegt ist, die Summe (∑) an Perioden des Messsignals (sHF) zu bestimmen, indem der Addierer (131) zwei verschiedenen Ladungszuständen der Kondensatoren (138', 138") jeweils einen Bitwert zuordnet, und indem der Addierer (131) anhand der zugeordneten Bitwerte einen Binärwert, welcher der Summe (∑) an Perioden entspricht, generiert.Measuring device according to one of Claims 1 to 4 in which the adder (131) has a cascade, comprising at least one frequency divider (135 ') for frequency division of the measurement signal (s HF ) received at the signal output (112), and one upstream or downstream capacitor (138', 138 "), wherein the adder (131) is arranged to determine the sum (Σ) at periods of the measurement signal (s HF ) by the adder (131) having two different charge states of the capacitors (138 ', 138") Bit value, and in that the adder (131) generates, based on the assigned bit values, a binary value corresponding to the sum (Σ) of periods. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Einen am Signalausgang (112) angeordneten Verstärker (133), dessen Verstärkungsfaktor (A) derart geregelt ist, dass das empfangene, verstärkte Messsignal (eHF) eine konstante Amplitude aufweist, wobei die Auswerteschaltung (13) ausgelegt ist, anhand des Verstärkungsfaktors (A) einen dielektrischen Verlustfaktor des Füllgutes (3) zu bestimmen.Measuring device according to one of the preceding claims, comprising: - an amplifier (133) arranged at the signal output (112) whose amplification factor (A) is controlled such that the received, amplified measuring signal (e HF ) has a constant amplitude, wherein the evaluation circuit ( 13) is designed to determine a dielectric loss factor of the filling material (3) on the basis of the amplification factor (A). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalpfad (11) eine veränderbare Pfadlänge (l11) aufweist, wobei eine Regeleinheit vorgesehen ist, die ausgelegt ist, die Pfadlänge (l11) derart einzustellen, dass ein Ausgangssignal des Phasendetektors (132) ein in etwa konstantes Puls-Pausenverhältnis von insbesondere jeweils 50 % aufweist, und wobei die Auswerteschaltung (13) ausgelegt ist, um anhand der eingestellten Pfadlänge (l11) den Dielektrizitätswert (DK) zu bestimmen.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the signal path (11) has a variable path length (l 11 ), wherein a control unit is provided which is adapted to set the path length (l 11 ) such that an output signal of the phase detector (132) in each case has a constant pulse-pause ratio of in each case 50%, and wherein the evaluation circuit (13) is designed to determine the dielectric value (DK) based on the set path length (l 11 ). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalgenerator (12) ausgelegt ist, das Messsignal (sHF) mit einer definierten Signallänge zu erzeugen.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the signal generator (12) is designed to generate the measuring signal (s HF ) with a defined signal length. Messgerät nach Anspruch 9, wobei der Signalgenerator (12) ausgelegt ist, die Signallänge des Messsignals (sHF) derart in Abhängigkeit der Signallaufzeit des Messsignals (sHF) zwischen dem Signaleingang (111) und dem Signalausgang (112) zu steuern, dass die Signallänge mit steigender Signallaufzeit, insbesondere linear, zunimmt.Meter after Claim 9 in which the signal generator (12) is designed to control the signal length of the measuring signal (s HF ) in dependence on the signal propagation time of the measuring signal (s HF ) between the signal input (111) and the signal output (112) such that the signal length increases with increasing signal propagation time , in particular linear, increases. Messgerät nach Anspruch 10, wobei die Auswerteschaltung (13) ausgelegt ist, ein Fehlersignal auszugeben, sofern die Signallänge einen vordefinierten Maximalwert übersteigt.Meter after Claim 10 , wherein the evaluation circuit (13) is designed to output an error signal, if the signal length exceeds a predefined maximum value. Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) mittels des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einspeisen des Messsignals (sHF) am Signaleingang (111) mittels des Signalgenerators (12), - Summieren der Perioden des Messsignals (sHF) am Signaleingang (111) mittels des Addierers (131), bis das Messsignal (sHF) am Signalausgang (112) detektiert wird, und/oder Messung der Phasenverschiebung (φ) des Messsignals (sHF) zwischen dem Signaleingang (111) und dem Signalausgang (112) mittels des Phasendetektors (132), und - Ermittlung des Dielektrizitätswertes (DK) anhand der gemessenen Phasenverschiebung (φ) und/oder anhand der summierten Perioden (∑) durch die Auswerteschaltung (13).Method for determining the dielectric value (DK) by means of the measuring device (1) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps: Feeding the measuring signal (s HF ) at the signal input (111) by means of the signal generator (12), - summing the periods of the measuring signal (s HF ) at the signal input (111) by means of the adder (131) until the measuring signal (s HF ) at the signal output (112) is detected, and / or measurement of the phase shift (φ) of the measurement signal (s HF ) between the signal input (111) and the signal output (112) by means of the phase detector (132), and - Determining the dielectric value (DK) from the measured phase shift (φ) and / or on the basis of the summed periods (Σ) by the evaluation circuit (13).
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