DE102018130260A1

DE102018130260A1 - Measuring device

Info

Publication number: DE102018130260A1
Application number: DE102018130260.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) zur Messung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Mediums (3), umfassend: Ein Abstrahlelement (11a); Eine Signalerzeugungs-Einheit (12) die ausgelegt ist, ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (s) in das Abstrahlelement (11a) einzukoppeln, so dass das Abstrahlelement (11a) ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal (S) in Richtung des Mediums (3) abstrahlt; Ein Empfangselement (11b), und: Eine an das Empfangselement (11b) angeschlossene Auswertungs-Einheit (13) zur Ermittlung einer Signal-Amplitude, einer Phasenlage und/oder einer Signal-Laufzeit zwischen dem Sendeelement (11a) und dem Empfangselement (11b) anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals (S), und zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) anhand der Amplitude, der Laufzeit bzw. der Phasenlage. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Messgerät (1) ist, dass einerseits die Signalerzeugungs-Einheit (12) und die Auswertungs-Einheit (13) auf Basis bekannter Schaltungs-Prinzipien aufgebaut werden kann. Das erfindungsgemäß konzipierte Abstrahlelement (11a) bzw. das Empfangselement (11b) können mit wenigen Komponenten und daher mit geringem Fertigungsaufwand gefertigt werden.The invention relates to a measuring device (1) for measuring a dielectric value (DK) of a medium (3), comprising: a radiation element (11a); A signal generating unit (12) which is designed to couple an electrical high-frequency signal (s) into the radiating element (11a) so that the radiating element (11a) emits an electromagnetic high-frequency signal (S) in the direction of the medium (3) ; A receiving element (11b), and: an evaluation unit (13) connected to the receiving element (11b) for determining a signal amplitude, a phase position and / or a signal transit time between the transmitting element (11a) and the receiving element (11b) on the basis of the received high-frequency signal (S), and for determining the dielectric value (DK) on the basis of the amplitude, the transit time or the phase position. An advantage of the measuring device (1) according to the invention is that, on the one hand, the signal generation unit (12) and the evaluation unit (13) can be constructed on the basis of known circuit principles. The emitting element (11a) or the receiving element (11b) designed according to the invention can be manufactured with few components and therefore with little manufacturing effort.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes.The invention relates to a measuring device for determining the dielectric value of a filling material located in a container.

In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie-rungstechnik, 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, Grenzstandmessegräte, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder Dielektrizitätswert-Messgeräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Leitfähigkeit, oder den Dielektrizitätswert. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. 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 used in many cases, which serve to record and / or influence process variables. To detect process variables, sensors are used that are used, for example, in level measuring devices, point level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH measuring devices, conductivity measuring devices, or dielectric value measuring devices. They record the corresponding process variables, such as fill level, limit level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential, conductivity, or the dielectric value. In the context of the invention, the term “container” is also understood to mean non-closed containers, such as, for example, pools, lakes or flowing water. 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“) ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung darstellen kann. Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes kann nach dem Stand der Technik vor allem bei flüssigen Füllgütern auf das kapazitive Messprinzip zurückgegriffen werden. Dabei wird der Effekt genutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators proportional mit dem Dielektrizitätswert desjenigen Mediums, das sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindet, ändert.The determination of the dielectric value (also known as "dielectric constant" or "relative permittivity") is of great interest both for solids and for liquid filling goods, such as fuels, waste water or chemicals, since this value is a reliable indicator of impurities, the moisture content or can represent the composition of matter. According to the state of the art, the capacitive measuring principle can be used to determine the dielectric value, especially in the case of liquid filling goods. The effect is used that the capacitance of a capacitor changes in proportion to the dielectric value of the medium that 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 in a quasi-parasitic manner during its level measurement. This requires the measurement principle of the guided radar, in which microwaves are guided into the medium via an electrically conductive waveguide. This combined level and dielectric measurement is described in the published patent application DE 10 2015 117 205 A1 .

Eine weitere Alternative zum kapazitiven oder Hochfrequenz-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 high-frequency 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 adjoins the coil and is thus penetrated by the magnetic field of the coil. Accordingly, the dielectric value can be determined by measuring the complex coil impedance.

Auf Basis der oben genannten Messprinzipien ist der Dielektrizitätswert je nach Medium recht genau bestimmbar. Allerdings sind diese Messprinzipien technisch gegebenenfalls sehr schwierig umsetzbar.Based on the measuring principles mentioned above, the dielectric value can be determined very precisely depending on the medium. However, these measurement principles are technically very difficult to implement.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zur Messung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums bereitzustellen, das einfach zu realisieren bzw. zu fertigen ist.The invention is therefore based on the object of providing a measuring device for measuring a dielectric value of a medium which is simple to implement or to manufacture.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Messung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums, wobei das Messgerät hierzu folgende Komponenten umfasst:

- Ein Abstrahlelement und ein Empfangselement, mit jeweils
- ◯ einem Trägersubstrat, das zumindest eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist. Dabei ist in der Oberfläche entlang einer geradlinigen Achse eine Vertiefung ausgebildet ist, und jeweils
- ◯ einer elektrischen Leiterbahn, die entlang der geradlinigen Achse geführt ist.
Das Abstrahlelement und das Empfangselement sind derart innerhalb des Mediums anordbar, dass die Oberflächen des Abstrahlelementes und des Empfangselementes zueinander ausgerichtet sind. Weiterhin umfasst das Messgerät:
- Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein elektrisches Hochfrequenz-Signal in solch einer Form in die Leiterbahn des Abstrahlelementes einzukoppeln, dass das Abstrahlelement ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Signal in Richtung des Mediums abstrahlt, und
- eine Auswertungs-Einheit, die derart an die Leiterbahn des Empfangselementes angeschlossen ist, um
- ◯ anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals eine Signal-Amplitude, eine Phasenlage und/oder eine Signal-Laufzeit zwischen Abstrahlelement und Empfangselement zu ermitteln, und
- ◯ um anhand der ermittelten Signal-Laufzeit, der Phasenlage und/oder der Signal-Amplitude den Dielektrizitätswert des Mediums zu bestimmen.

This task is solved by a measuring device for measuring a dielectric value of a medium, the measuring device comprising the following components:

- A radiating element and a receiving element, each with
- ◯ a carrier substrate which has at least one electrically conductive surface. A depression is formed in the surface along a straight axis, and in each case
- ◯ an electrical conductor track that is guided along the straight axis.
The emitting element and the receiving element can be arranged within the medium such that the surfaces of the emitting element and the receiving element are aligned with one another. The measuring device also includes:
A signal generation unit which is designed to couple an electrical high-frequency signal into the conductor track of the radiating element in such a form that the radiating element emits an electromagnetic high-frequency signal in the direction of the medium, and
- An evaluation unit, which is connected to the conductor track of the receiving element in such a way
- ◯ to determine a signal amplitude, a phase position and / or a signal transit time between the radiating element and the receiving element on the basis of the received high-frequency signal, and
- ◯ to determine the dielectric value of the medium on the basis of the determined signal transit time, the phase position and / or the signal amplitude.

Im Kontext dieser Erfindung definiert sich der Begriff „Hochfrequenz“ bzw. „Radar“ allgemein als Signal bzw. elektromagnetische Welle mit einer Frequenz zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Bezüglich des erfindungsgemäßen Messgerätes ist es jedoch von Vorteil, wenn die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das Wechselspannungs-Signal mit einer Frequenz zwischen 0,4 GHz und 30 GHz, zu erzeugen.In the context of this invention, the term "radio frequency" or "radar" is generally defined as Signal or electromagnetic wave with a frequency between 0.03 GHz and 300 GHz. With regard to the measuring device according to the invention, however, it is advantageous if the signal generation unit is designed to generate the AC voltage signal with a frequency between 0.4 GHz and 30 GHz.

Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für ihren Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine (halbleiterbasierte) Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Messgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.In the context of the invention, the term “unit” is understood in principle to mean any electronic circuit which is suitably designed for its intended use. Depending on the requirement, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a (semiconductor-based) digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding procedural steps or to use the necessary computing operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the measuring device in the sense of the invention can potentially also fall back on a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Messgerät ist, dass einerseits die Signalerzeugungs-Einheit und die Auswertungs-Einheit auf Basis bekannter Schaltungsblöcke aufgebaut werden kann. Das erfindungsgemäß konzipierte Abstrahlelement bzw. das Empfangselement können vom Aufbau her mit wenigen Baugruppen und wenigen Fertigungsschritten gefertigt werden.
Auch die Kontaktierung der Signalerzeugungs-Einheit an das Abstrahlelement, sowie die Kontaktierung der Auswertungs-Einheit an das Empfangselement kann beispielsweise auf Basis herkömmlicher Koaxialkabel erfolgen. Dabei versteht sich unter einem Koaxialkabel im Rahmen der Erfindung jegliches Kabel, dass einen inneren Leiter und einen äußeren Leiter umfasst, wobei der äußere Leiter den inneren Leiter in Bezug zum Kabel-Querschnitt ringförmig umschließt und gleichzeitig durch eine entsprechende Isolation elektrisch vom inneren Leiter isoliert ist. Klassifiziert werden solche Koaxialkabel standardmäßig über ihre Längen-unabhängige Kabel-Impedanz, die standardmäßig zwischen 40 Ohm und 120 Ohm liegt. Insgesamt wird durch die Erfindung also ein Messgerät zur Messung des Dielektrizitätswertes bereitgestellt, das einfach zu realisieren bzw. einfach zu fertigen ist.An advantage of the measuring device according to the invention is that, on the one hand, the signal generation unit and the evaluation unit can be constructed on the basis of known circuit blocks. The radiating element or the receiving element designed according to the invention can be constructed with a few assemblies and a few manufacturing steps.
The contacting of the signal generation unit to the emitting element and the contacting of the evaluation unit to the receiving element can also take place, for example, on the basis of conventional coaxial cables. In the context of the invention, a coaxial cable is understood to mean any cable which comprises an inner conductor and an outer conductor, the outer conductor enclosing the inner conductor in a ring shape with respect to the cable cross section and at the same time being electrically insulated from the inner conductor by appropriate insulation . Such coaxial cables are classified by their length-independent cable impedance, which is between 40 ohms and 120 ohms as standard. Overall, the invention thus provides a measuring device for measuring the dielectric value that is simple to implement or simple to manufacture.

Die Signalerzeugungs-Einheit kann beispielsweise über ein erstes Koaxialkabel an das erfindungsgemäße Abstrahlelement angeschlossen werden, indem die Leiterbahn des Abstrahlelementes als eine Verlängerung des inneren elektrischen Leiters des ersten Koaxialkabels ausgelegt wird, und indem der äußere Leiter des ersten Koaxialkabels an der Vertiefung elektrisch mit dem Trägersubstrat des Abstrahlelementes kontaktiert ist. Analog hierzu kann die Auswertungs-Einheit über ein zweites Koaxialkabel an das erfindungsgemäße Empfangselement angeschlossen werden, indem die Leiterbahn des Empfangselementes als eine Verlängerung des inneren elektrischen Leiters des zweiten Koaxialkabels ausgelegt wird, und indem der äußere Leiter des zweiten Koaxialkabels an der Vertiefung elektrisch mit dem Trägersubstrat des Empfangselementes kontaktiert ist.The signal generating unit can be connected, for example, via a first coaxial cable to the radiation element according to the invention, in that the conductor track of the radiation element is designed as an extension of the inner electrical conductor of the first coaxial cable, and by electrically connecting the outer conductor of the first coaxial cable with the carrier substrate at the depression the radiating element is contacted. Analogously to this, the evaluation unit can be connected to the receiving element according to the invention via a second coaxial cable, in that the conductor track of the receiving element is designed as an extension of the inner electrical conductor of the second coaxial cable, and by electrically connecting the outer conductor of the second coaxial cable to the recess Carrier substrate of the receiving element is contacted.

Alternativ zu einer Kontaktierung der Auswertungs-Einheit am Empfangselement kann das Empfangselement auch derart kurzgeschlossen werden, dass das Empfangselement als Reflektor für das Hochfrequenz-Signal dient. In diesem Fall kann die Signal-Laufzeit bzw. die Amplitude des reflektierten Hochfrequenz-Signals am Abstrahlelement selbst gemessen werden, so dass in diesem Fall auch die Auswertungs-Einheit mit dem Abstrahlelement zu kontaktieren ist.As an alternative to contacting the evaluation unit on the receiving element, the receiving element can also be short-circuited such that the receiving element serves as a reflector for the high-frequency signal. In this case, the signal transit time or the amplitude of the reflected high-frequency signal can be measured on the emitting element itself, so that in this case the evaluation unit must also be contacted with the emitting element.

Das anzuwendende Messprinzip zur Bestimmung der Signal-Laufzeit des Hochfrequenz-Signals ist erfindungsgemäß nicht fest vorgegeben. So kann als Messprinzip beispielsweise das Pulslaufzeit-Verfahren, das FMCW-Verfahren (Akronym für „Frequency Modulated Continuos Wave“) oder ein Phasenauswertungs-Verfahren, wie bspw. ein interferometrisches Verfahren, angewendet werden. Die Messprinzipien des FMCW- und Pulsradar- basierten Laufzeit-Messverfahren werden beispielsweise in „Radar Level Measurement“; Peter Devine, 2000 beschrieben.The measuring principle to be used for determining the signal transit time of the high-frequency signal is not predetermined according to the invention. For example, the pulse duration method, the FMCW method (acronym for “Frequency Modulated Continuos Wave”) or a phase evaluation method, such as an interferometric method, can be used as the measuring principle. The measurement principles of the FMCW- and pulse radar-based runtime measurement method are described, for example, in “Radar Level Measurement”; Peter Devine, 2000.

Wenn das erfindungsgemäße Messgerät konzipiert ist, um die Signallaufzeit mittels des FMCW-Verfahrens zu bestimmen, dann ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass sie das Wechselspannungs-Signal mit einer entsprechend variierenden Frequenz, insbesondere einer sägezahnförmigen Frequenzänderung, erzeugt. Dadurch kann die Auswertungs-Einheit die Signal-Laufzeit anhand einer Differenzfrequenz zwischen dem ausgesendeten Hochfrequenz-Signal und dem empfangenen Hochfrequenz-Signal bestimmen. Bei Implementierung des Pulslaufzeit-Verfahrens ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass sie das Wechselspannungs-Signal pulsförmig als Signalsprung oder in Form von hochfrequent modulierten Pulsen aussendet. Hierdurch kann die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung die Signal- bzw. Pulslaufzeit durch zwischen dem Abstrahl-Element und dem Empfangselement durch Unterabtastung des empfangenen Hochfrequenz-Signals bestimmen. Alternativ kann das Messgerät auch ausgelegt werden, um die Signallaufzeit mittels eines Phasenauswertungs-Verfahrens zu ermitteln. In diesem Fall kann das Hochfrequenz-Signal als sinusförmiges Signal ausgesendet werden und die Phasenlage am Empfangselement mit der Phasenlage des Hochfrequenz-Signals am Abstrahlelement verglichen werden. In diesem Fall ist der Abstand zwischen dem Empfangselement und dem Abstrahlelement so auszulegen, dass er mindestens der Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals entspricht.If the measuring device according to the invention is designed to determine the signal transit time by means of the FMCW method, then the signal generation unit is to be designed in such a way that it generates the AC voltage signal with a correspondingly varying frequency, in particular a sawtooth-shaped frequency change. As a result, the evaluation unit can determine the signal transit time on the basis of a difference frequency between the transmitted high-frequency signal and the received high-frequency signal. When implementing the pulse transit time method, the signal generation unit is to be designed in such a way that it transmits the AC voltage signal in pulse form as a signal jump or in the form of high-frequency modulated pulses. As a result, the evaluation unit can, with an appropriate design, determine the signal or pulse transit time between the radiation element and the receiving element by undersampling the received high-frequency signal. Alternatively, the measuring device can also be designed to determine the signal transit time by means of a phase evaluation method. In this In this case, the high-frequency signal can be emitted as a sinusoidal signal and the phase position at the receiving element can be compared with the phase position of the high-frequency signal at the radiation element. In this case, the distance between the receiving element and the emitting element must be designed so that it corresponds at least to the wavelength of the high-frequency signal.

Die Richtwirkung bzw. die Sende-/Empfangseffizienz des Hochfrequenz-Signals kann am Abstrahlelement auf verschiedene Arten optimiert werden: Zum einen ist dies möglich, indem die Vertiefung im Trägersubstrat des Abstrahlelementes und/oder des Empfangselementes mit einem runden, in etwa halbkreisförmigen Querschnitt konzipiert wird. In diesem Fall bietet es sich zudem an, den Durchmesser des runden Querschnittes in etwa dem Außendurchmesser des ersten bzw. zweiten Koaxialkabels anzupassen, so dass der äußere Leiter des Koaxialkabels leichter an das jeweilige Trägersubstrat angeschlossen werden kann. Weiterhin kann auf der Oberfläche des Trägersubstrates neben der elektrischen Leiterbahn insbesondere parallel zur Achse der Vertiefung zumindest eine das Hochfrequenz-Signal reflektierende erste Wandung angeordnet werden. Auch an demjenigen Endbereich der Vertiefung, der dem Koaxialleiter gegenüberliegt, kann zur verbesserten Reflektion des Hochfrequenz-Signals eine zweite Wandung angeordnet werden, die in etwa orthogonal zur Achse der Vertiefung ausgerichtet ist. Zur Reflektion des Hochfrequenz-Signals ist es erforderlich, dass die zweite Wandung zumindest eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist. Sofern jedoch im Gegensatz dazu die zweite Wandung elektrisch isolierend ausgelegt ist, kann bei der Abstrahlung bzw. dem Empfang des Hochfrequenz-Signals der „End-of-Line Effekt“ genutzt werden, also die freie Abstrahlung an dem Ende der Leiterbahn, die dem Koaxialkabel abgewandt ist. Zur Erhöhung der Sende-/Empfangseffizienz ist es außerdem von Vorteil, wenn die Vertiefung eine Länge aufweist, die der Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals, oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon, entspricht.The directivity or the transmission / reception efficiency of the high-frequency signal can be optimized on the emitting element in various ways: On the one hand, this is possible by designing the recess in the carrier substrate of the emitting element and / or the receiving element with a round, approximately semicircular cross section . In this case, it is also advisable to adapt the diameter of the round cross section approximately to the outside diameter of the first or second coaxial cable, so that the outer conductor of the coaxial cable can be more easily connected to the respective carrier substrate. Furthermore, at least one first wall reflecting the high-frequency signal can be arranged on the surface of the carrier substrate in addition to the electrical conductor track, in particular parallel to the axis of the depression. A second wall, which is oriented approximately orthogonally to the axis of the recess, can also be arranged at that end region of the recess which lies opposite the coaxial conductor for improved reflection of the high-frequency signal. To reflect the high-frequency signal, it is necessary for the second wall to have at least one electrically conductive surface. If, on the other hand, the second wall is designed to be electrically insulating, the "end-of-line effect" can be used when emitting or receiving the high-frequency signal, that is, the free radiation at the end of the conductor path, that of the coaxial cable is turned away. In order to increase the transmission / reception efficiency, it is also advantageous if the recess has a length that corresponds to half the wavelength of the high-frequency signal, or an integer multiple thereof.

Damit die für die Abstrahlung bzw. für den Empfang relevante elektrische Leiterbahn im Bereich des Trägersubstrates erfindungsgemäß funktionieren kann, ist es essentiell, dass kein ungewollter, elektrischer Kontakt zum Trägersubstrat ausgebildet wird. Um dies zu vermeiden, kann die elektrische Leiterbahn zumindest im Bereich der Vertiefung mittels einer dielektrischen Füllung gekapselt werden. Hierdurch kann zudem sichergestellt werden, dass die Leiterbahn jeweils exakt in der Achse der Vertiefung positioniert bleibt.So that the electrical conductor track relevant for the radiation or for the reception can function according to the invention in the area of the carrier substrate, it is essential that no unwanted electrical contact is made with the carrier substrate. In order to avoid this, the electrical conductor track can be encapsulated at least in the region of the depression by means of a dielectric filling. This can also ensure that the conductor track remains exactly positioned in the axis of the recess.

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

1: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Messgerätes an einem Behälter,
2: eine Querschnittsansicht des Abstrahlelementes bzw. des Empfangselementes des erfindungsgemäßen Messgerätes,
3: eine perspektivische Ansicht des Abstrahl-/Empfangselementes, und
4: eine mögliche Integration des Messgerätes in einen vibronischen Grenzstand-Detektor.

The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1 : a schematic arrangement of a measuring device according to the invention on a container,
2nd a cross-sectional view of the emitting element or the receiving element of the measuring device according to the invention,
3rd : a perspective view of the emitting / receiving element, and
4th : a possible integration of the measuring device into a vibronic point level detector.

Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Dabei befindet sich in dem Behälter 2 ein Medium 3, dessen Dielektrizitätswert DK zu bestimmen ist. Bei dem Medium 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 Medien 3, wie bspw. Getreide oder Mehl. Das Messgerät 1 kann mit einer übergeordneten Einheit 4, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.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 2nd shown. It is in the container 2nd a medium 3rd , its dielectric value DK is to be determined. With the medium 3rd it can be liquids such as beverages, paints, cement or fuels such as liquid gases or mineral oils. However, the use of the measuring device is also conceivable 1 for bulk media 3rd such as cereals or flour. The measuring device 1 can with a parent unit 4th , for example a process control system. “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART” can be implemented as interfaces. This allows the dielectric value DK be transmitted. However, it can also provide other information about the general operating status of the measuring device 1 be communicated.

Zur Messung ist das Messgerät 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 2, wie bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Das Messgerät 1 ist so ausgelegt, dass ein Abstrahlelement 11a und ein Empfangselement 11b des Messgerätes 1 in Kontakt mit dem Medium 3 stehen. Dabei sind die zwei Elemente 11a, 11b parallel zueinander ausgerichtet, so dass sich das Medium 3 auch zwischen den Abstrahlelement 11a und dem Empfangselement 11b befindet. Das Abstrahlelement 11a dient zur Abstrahlung eines Hochfrequenz-Signals S_HF . Da das Empfangselement 11b dem Sendeelement 11a gegenüberliegend angeordnet ist, kann das Empfangselement 11b das Hochfrequenz-Signal SHF nach Durchdringen des Mediums 3 entsprechend empfangen. Der Dielektrizitätswert DK des Mediums 3 kann anhand der Signal-Laufzeit zwischen dem Sendeelement 11a und dem Empfangselement 11b, der Phasenlage am Empfangselement 11b, bzw. der Signal-Amplitude am Empfangselement 11b bestimmt werden. Da sich die Signal-Amplitude proportional zum Imaginärteil des Dielektrizitätswertes DK verhält, kann dementsprechend anhand der Signal-Amplitude der Imaginärteil des Dielektrizitätswertes DK bestimmt werden. Analog verhält es sich mit der Signal-Laufzeit bzw. der Phasenlage und dem den Realteil des Dielektrizitätswertes DK. Zur Ermittlung der Signal-Amplitude, der Phasenlage und/oder der Signal-Laufzeit zwischen dem Abstrahlelement 11a und dem Empfangselement 11b ist das Empfangselement 11b daher an eine entsprechend ausgelegte Auswertungs-Einheit 13 angeschlossen. Auf Basis der Signal-Amplitude, der Phasenlage und/oder der Signal-Laufzeit kann die Auswertungs-Einheit 13 den Dielektrizitätswert DK entsprechend komplexwertig bestimmen.The measuring device is for measuring 1 on the side of a connection of the container 2nd , such as a flange connection. The measuring device 1 is designed to be a radiating element 11a and a receiving element 11b of the measuring device 1 in contact with the medium 3rd stand. Here are the two elements 11a , 11b aligned parallel to each other so that the medium 3rd also between the radiating element 11a and the receiving element 11b located. The radiating element 11a is used to emit a high-frequency signal S _HF . Because the receiving element 11b the sending element 11a is arranged opposite, the receiving element 11b the high-frequency signal SHF after penetrating the medium 3rd received accordingly. The dielectric value DK of the medium 3rd can be based on the signal transit time between the transmission element 11a and the receiving element 11b , the phase position at the receiving element 11b , or the signal amplitude at the receiving element 11b be determined. Because the signal amplitude is proportional to the imaginary part of the dielectric value DK behaves, can accordingly the signal amplitude of the imaginary part of the dielectric value DK be determined. The same applies to the signal transit time or the phase position and the real part of the dielectric value DK . To determine the signal amplitude, the phase position and / or the Signal transit time between the radiating element 11a and the receiving element 11b is the receiving element 11b therefore to an appropriately designed evaluation unit 13 connected. On the basis of the signal amplitude, the phase position and / or the signal transit time, the evaluation unit can 13 the dielectric value DK determine accordingly complex value.

Zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals SHF ist das Abstrahlelement 11a an eine Signalerzeugungs-Einheit 12 angeschlossen. Dafür koppelt die Signalerzeugungs-Einheit 12 ein entsprechendes elektrisches Wechselspannungs-Signal s_HF in eine hierfür vorgesehene Leiterbahn 114a des Abstrahlelementes 11a ein. Dabei definiert die Frequenz des elektrischen Wechselspannungs-Signals s_HF die Wellenlänge des auszusendenden Hochfrequenz-Signals S_HF . Insbesondere für die in 2 und 3 gezeigte Ausführungsvariante des Abstrahlelementes 11a bzw. des Empfangselementes 11b ist es vorteilhaft, das Wechselspannungs-Signal und somit das Hochfrequenz-Signal SHF mit einer Frequenz zwischen 0,4 GHz und 30 GHz, zu erzeugen.To generate the high-frequency signal SHF is the radiation element 11a to a signal generation unit 12 connected. For this, the signal generation unit couples 12 a corresponding electrical AC voltage signal s _HF into a designated conductor track 114a of the radiating element 11a a. The frequency of the electrical AC voltage signal is defined s _HF the wavelength of the radio frequency signal to be transmitted S _HF . Especially for those in 2nd and 3rd shown embodiment of the radiation element 11a or the receiving element 11b it is advantageous to use the AC signal and thus the high-frequency signal SHF with a frequency between 0.4 GHz and 30 GHz.

Da es erfindungsgemäß nicht fest vorgeschrieben ist, welches Messprinzip zur Bestimmung der Signal-Laufzeit des Hochfrequenz-Signals SHF eingesetzt wird, sind die Auswertungs-Einheit 13 und der Signalerzeugungs-Einheit 12 in Abhängigkeit des implementierten Messprinzips, also beispielsweise FMCW oder das Pulslaufzeit-Verfahren, auszulegen. Hierbei kann auf jeweils bekannte Schaltungskomponenten zurückgegriffen werden: Im Fall von FMCW kann die Signalerzeugungs-Einheit 12 auf Basis einer PLL („Phase Locked Loop“) aufbaut sein; Die Auswertungs-Einheit 13 kann hierbei mittels eines Mischers das erzeugte Wechselspannungs-Signal s_HF mit dem empfangenen Hochfrequenz -Signal mischen, um anhand der Differenzfrequenz des gemischten Signals die Laufzeit zu ermitteln. Dies kann beispielsweise per FFT („Fast Fourier Transformation“) des gemischten Signals mittels eines entsprechenden Rechenblocks innerhalb der Auswertungs-Einheit 13 erfolgen.Since it is not strictly prescribed according to the invention, which measuring principle for determining the signal transit time of the high-frequency signal SHF are used are the evaluation unit 13 and the signal generation unit 12 depending on the measuring principle implemented, for example FMCW or the pulse transit time method. Known circuit components can be used here: In the case of FMCW can the signal generation unit 12 based on a PLL (“Phase locked loop”); The evaluation unit 13 can use a mixer to generate the AC voltage signal s _HF mix with the received high-frequency signal to determine the transit time based on the difference frequency of the mixed signal. This can be done for example by FFT ("Fast Fourier Transformation") of the mixed signal using a corresponding calculation block within the evaluation unit 13 respectively.

Bei Implementierung des Pulslaufzeit-Verfahrens kann die Signalerzeugungs-Einheit 12 zur pulsförmigen Erzeugung des Wechselspannungs-Signals s_HF beispielsweise einen entsprechend zyklisch angesteuerten Oszillator wie einen spannungsgesteuerten Oszillator oder lediglich einen Quarzoszillator umfassen. Die Auswertungs-Einheit 13 kann das empfangene Signal beim Pulslaufzeit-Verfahren durch Unterabtastung verarbeiten. Somit kann die Auswertungs-Einheit 13 die Signal-Laufzeit des korrespondierenden Signalmaximums in diesem Fall anhand des abgetasteten und somit zeitgedehnten Signals ermitteln.When implementing the pulse transit time method, the signal generation unit can 12 for the pulsed generation of the AC voltage signal s _HF for example, include a corresponding cyclically controlled oscillator such as a voltage controlled oscillator or just a quartz oscillator. The evaluation unit 13 can process the received signal in the pulse transit time method by subsampling. Thus the evaluation unit 13 in this case, determine the signal transit time of the corresponding signal maximum on the basis of the sampled and thus time-stretched signal.

Da erfindungsgemäß transmittiv gemessen werden soll, also vorwiegend das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals SHF detektiert werden soll, sind die Elemente 11a, 11b nah genug beieinander anzuordnen und entsprechend auszulegen. Eine hierfür geeignete Struktur des Abstrahlelementes 11a bzw. des Empfangselementes 11b wird anhand von 2 und 3 näher veranschaulicht: Von der Struktur her können die zwei Elemente 11a, 11b prinzipiell analog aufgebaut sein: Den Kern jedes Elementes 11a, 11b bildet ein Trägersubstrat 111a, b, das mindestens eine planare Oberfläche 112a, b aufweist. In der Oberfläche 112a, b ist jeweils eine Vertiefung 113a, b eingelassen. Dabei erstreckt sich die Vertiefung 113a, b, wie in 3 gezeigt, entlang einer geradlinigen Achse über die gesamte Oberfläche 112a, b des Trägersubstrates 111a, b.Since measurements are to be carried out according to the invention, that is to say predominantly the near field of the high-frequency signal SHF the elements are to be detected 11a , 11b to be arranged close enough together and to be interpreted accordingly. A suitable structure of the radiation element 11a or the receiving element 11b is based on 2nd and 3rd Illustrated in more detail: the structure of the two elements 11a , 11b basically be built analog: the core of each element 11a , 11b forms a carrier substrate 111a , b that have at least one planar surface 112a , b having. In the surface 112a , b is a specialization 113a , b let in. The recess extends 113a , b , as in 3rd shown along a straight axis across the entire surface 112a , b of the carrier substrate 111a , b .

Im Falle des Abstrahlelementes 11a koppelt die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Wechselspannungssignal s_HF über eine elektrische Leiterbahn 114a in das Abstrahlelement 11a ein, wobei die elektrische Leiterbahn 114a entlang der geradlinigen Achse der Vertiefung 113a geführt ist. Analog hierzu greift die Auswertungs-Einheit 13 das empfangene Hochfrequenz-Signal S_HF über eine elektrische Leiterbahn 114b ab, die entlang der Achse der Vertiefung 113a im Trägersubstrat 111b des Empfangselementes 11b verläuft. Bei der Auslegung des Messgerätes 1 sind das Abstrahlelement 11a und das Empfangselement 11b dementsprechend so zueinander zu positionieren, dass die Oberfläche 112a des Abstrahlelementes 11a zu der Oberfläche 112b des Empfangselementes 11b ausgerichtet ist. Zum effizienten Abstrahlen bzw. zum effizienten Empfang des Hochfrequenz-Signals S_HF ist es vorteilhaft, wenn das Trägersubstrat so dimensioniert ist, dass die Länge der Vertiefung 113a, b der Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals S_HF , oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon, entspricht.In the case of the radiating element 11a couples the signal generation unit 12 the AC signal s _HF via an electrical conductor track 114a in the radiation element 11a one, the electrical trace 114a along the straight axis of the depression 113a is led. The evaluation unit works in the same way 13 the received radio frequency signal S _HF via an electrical conductor track 114b starting along the axis of the depression 113a in the carrier substrate 111b of the receiving element 11b runs. When designing the measuring device 1 are the radiation element 11a and the receiving element 11b accordingly position each other so that the surface 112a of the radiating element 11a to the surface 112b of the receiving element 11b is aligned. For efficient radiation or efficient reception of the high-frequency signal S _HF it is advantageous if the carrier substrate is dimensioned such that the length of the depression 113a , b half the wavelength of the radio frequency signal S _HF , or an integer multiple thereof.

Damit das Hochfrequenz-Signal SHF ausgehend von der Oberfläche 112a, b des Trägersubstrates 111a, b die erforderliche Richtwirkung erfährt, ist zumindest die Oberfläche 112a, b leitfähig auszulegen. Bei einem ansonsten elektrisch isolierend ausgelegten Trägersubstrat 111a, b kann dies beispielsweise durch entsprechende Beschichtung wie beispielsweise PVD („Physical Vapor Deposition“) erfolgen. Alternativ kann auch bereits das Trägersubstrat 111a, b an sich aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt werden.So that the high-frequency signal SHF starting from the surface 112a , b of the carrier substrate 111a , b the required directivity is at least the surface 112a , b interpret conductive. With an otherwise electrically insulating carrier substrate 111a , b can do this, for example, by appropriate coating such as PVD ("Physical Vapor Deposition"). Alternatively, the carrier substrate can already be used 111a , b to be made of an electrically conductive material.

Wie bei den Ausführungsvarianten in 2 und 3 gezeigt ist, kann die Richtwirkung der Elemente 11a, b verstärkt werden, indem auf der Oberfläche 112a, b des Trägersubstrates 111a, b parallel zur der elektrischen Leiterbahn 114a, b beidseitig jeweils eine erste Wandung 115a, b angeordnet ist, die zur Reflektion des Hochfrequenz-Signals SHF dient. In der gezeigten Darstellung sind diese ersten Wandungen 115a, b orthogonal zu der Oberfläche 112a, b des Trägersubstrates 111a, b aufgestellt. Erfindungsgemäß kann der Winkel jedoch auch von 90° abweichend ausgelegt werden, um die Richtwirkung weiter zu erhöhen. Die Richtwirkung des Sendeelementes 11a und Empfangselementes 11b hängt darüber hinaus vom Querschnitt ab, den die Vertiefung 113a, b entlang der Achse aufweist. Bei der in 2 bzw. 3 gezeigten Ausführungsvariante ist der Querschnitt der Vertiefung 113a, b daher rund.As with the design variants in 2nd and 3rd is shown, the directivity of the elements 11a , b be reinforced by on the surface 112a , b of the carrier substrate 111a , b parallel to the electrical conductor track 114a , b a first wall on each side 115a , b is arranged to reflect the high-frequency signal SHF serves. In the illustration shown, these are the first walls 115a , b orthogonal to the surface 112a , b of the carrier substrate 111a , b set up. According to the invention, however, the angle can also be designed to deviate from 90 ° in order to further increase the directional effect. The directivity of the transmission element 11a and receiving element 11b also depends on the cross-section that the recess 113a , b along the axis. At the in 2nd respectively. 3rd The variant shown is the cross section of the depression 113a , b therefore round.

Wie in 3 gezeigt ist, ermöglicht der runde Querschnitt der Vertiefung 113a, b, dass die Signalerzeugungs-Einheit 12 bzw. die Auswertungs-Einheit 13 jeweils über ein Koaxialkabel 14a, b an die entsprechende elektrische Leiterbahn 114a, b angeschlossen werden kann. Realisiert werden kann dies, indem die Leiterbahn 114a des Abstrahlelementes 11a als Verlängerung des inneren elektrischen Leiters des ersten Koaxialkabels 14a ausgelegt wird, bzw. indem die Leiterbahn 114b des Empfangselementes 11b als Verlängerung des inneren elektrischen Leiters des zweiten Koaxialkabels 14b ausgelegt wird. Dabei wird der äußere Leiter des jeweiligen Koaxialkabels 14a, b an der Vertiefung 113a, b bspw. durch Löten mit dem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat 11a, b kontaktiert. Somit wird der innere Leiter des Koaxialkabels 14a, b entlang der Vertiefung 113a, b ohne den äußeren Leiter und ohne die dazwischen befindliche Isolation des Koaxialkabels 14a, b weitergeführt.As in 3rd is shown, the round cross section of the recess 113a , b that the signal generation unit 12 or the evaluation unit 13 each via a coaxial cable 14a , b to the corresponding electrical conductor track 114a , b can be connected. This can be achieved by the conductor track 114a of the radiating element 11a as an extension of the inner electrical conductor of the first coaxial cable 14a is designed, or by the conductor track 114b of the receiving element 11b as an extension of the inner electrical conductor of the second coaxial cable 14b is interpreted. The outer conductor of the respective coaxial cable 14a , b at the recess 113a , b For example, by soldering with the electrically conductive carrier substrate 11a , b contacted. Thus, the inner conductor of the coaxial cable 14a , b along the depression 113a , b without the outer conductor and without the insulation of the coaxial cable in between 14a , b continued.

Der innere Leiter des Koaxialkabels 14a, b kann entlang der Achse der Vertiefung 113a, b ausgerichtet werden, indem der innere Leiter in demjenigen Endbereich der Vertiefung 113a, b, der dem Koaxialleiter 14a, b gegenüberliegt, an einer entsprechenden zweiten Wandung 116a, b fixiert wird. Dies kann wiederum beispielsweise mittels Löten erfolgen. Sofern die zweite Wandung 116a, b reflektierend ausgelegt werden soll, so ist zumindest dessen Oberfläche elektrisch leitfähig auszulegen. Um das Hochfrequenz-Signal SHF weiter fokussieren zu können, kann diese zweite Wandung 116a, b außerdem so konzipiert werden, dass sie in etwa orthogonal zur Achse der Vertiefung 113a, b ausgerichtet ist, wie es in 3 dargestellt ist. Wenn jedoch der „End-of-Line Effekt“ genutzt werden soll, so ist die zweite Wandung 116a, b jedoch aus einem elektrisch isolierenden Material zu fertigen. In diesem Fall kann die Leiterbahn 114a, b beispielsweise mittel Kleben an der zweiten Wandung 116a, b fixiert werden.The inner conductor of the coaxial cable 14a , b can along the axis of the depression 113a , b be aligned by placing the inner conductor in that end region of the recess 113a , b which is the coaxial conductor 14a , b opposite, on a corresponding second wall 116a , b is fixed. This can again be done, for example, by means of soldering. If the second wall 116a , b should be designed to be reflective, at least its surface is to be designed to be electrically conductive. In order to be able to focus the high-frequency signal SHF further, this second wall can 116a , b also be designed to be approximately orthogonal to the axis of the recess 113a , b is aligned as it is in 3rd is shown. However, if the “end-of-line effect” is to be used, then the second wall is 116a , b but to be made from an electrically insulating material. In this case, the conductor track 114a , b for example medium gluing to the second wall 116a , b be fixed.

Durch die Realisierung des Abstrahlelementes 11a bzw. des Empfangselementes 11b auf Basis eines herkömmlichen Koaxialkabels, das bspw. eine standardmäßige Impedanz zwischen 40 Ohm und 120 Ohm aufweist, sind das Abstrahlelement 11a und das Empfangselement 11b mit geringem Aufwand fertigbar.By realizing the radiating element 11a or the receiving element 11b The radiating element is based on a conventional coaxial cable, which has, for example, a standard impedance between 40 ohms and 120 ohms 11a and the receiving element 11b can be manufactured with little effort.

Zur nachträglichen Fixierung der Leiterbahn 114a, b in Bezug zur Vertiefung 113a, b kann die Vertiefung 113a, b bzw. der darüber befindliche Bereich zwischen den ersten Wandungen 115a, b und der zweiten Wandung 116a, b mit einer Füllung 117a, b vergossen werden, wie es in 2 angedeutet wird. Damit die Füllung 117a, b das Hochfrequenz-Signal SHF nicht dämpft, sollte die Füllung 117a, b aus einem dielektrischen Material bestehen. Das Material der Füllung 117a, b ist dementsprechend so zu wählen, dass es vorzugsweise einen Dielektrizitätswert zwischen 2 und 30 aufweist. In diesem Zusammenhang ist es außerdem vorteilhaft, wenn dieses Material eine magnetische Permeabilität zwischen 0,5 und 10 aufweist. Dementsprechend können als Materialien beispielsweise

- Keramiken wie Al₂O₃,
- (Glasfaserverstärkte) Kunststoffe, wie insbesondere PE, PP, PTFE,
- metallische Gläser, wie beispielsweise gemäß der Veröffentlichungsschrift US 20160113113 A1 beschrieben, oder
- Mischstoffe wie Al₂O₃ mit Eisenspänen

verwendet werden.For subsequent fixing of the conductor track 114a , b in relation to the deepening 113a , b can the deepening 113a , b or the area above it between the first walls 115a , b and the second wall 116a , b with a filling 117a , b be shed like it in 2nd is indicated. So the stuffing 117a , b the high frequency signal SHF should not dampen the filling 117a , b consist of a dielectric material. The material of the filling 117a , b is to be chosen accordingly so that it preferably has a dielectric value between 2 and 30. In this context, it is also advantageous if this material has a magnetic permeability between 0.5 and 10. Accordingly, as materials, for example

- ceramics such as Al ₂ O ₃ ,
- (Glass fiber reinforced) plastics, such as in particular PE , PP , PTFE ,
- metallic glasses, such as according to the publication US 20160113113 A1 described, or
- Mixtures such as Al ₂ O ₃ with iron filings

be used.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 kann einerseits als eigenständiges Gerät konzipiert werden. Andererseits ist es jedoch auch möglich, das Messgerät 1 mit einem anderen Feldgerät, das eine weitere Prozessgröße ermittelt, kombiniert werden. In 4 wird daher eine mögliche Integration des Dielektrizitätswert-Mesgerätes 1 in einem vibronischen Grenzstand-Sensor 5 gezeigt, wobei der gezeigte Grenzstand-Sensor 5 auf dem Zwei-Schwinggabel Prinzip basiert. Dabei ist das Abstrahlelement 11a in einer der zwei Schwinggabeln integriert, das Empfangselement 11b ist gegenüberliegend in der zweiten Schwinggabel integriert. Durch die Integration des Sende- und Empfangselementes 11a, 11b bzw. der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Auswertungs-Einheit 13 im Grenzstandsensor 5 lassen sich diese zwei Messprinzipien, Grenzstand-Detektion und Dielektrizitäts-Messung, in ein und demselben Messgerät realisieren.The measuring device according to the invention 1 can be designed as a standalone device. On the other hand, it is also possible to use the measuring device 1 can be combined with another field device that determines another process variable. In 4th is therefore a possible integration of the dielectric value measuring device 1 in a vibronic point level sensor 5 shown, with the point level sensor shown 5 is based on the dual tuning fork principle. Here is the radiating element 11a integrated in one of the two tuning forks, the receiving element 11b is integrated opposite in the second tuning fork. By integrating the transmitting and receiving element 11a , 11b or the signal generation unit 12 and the evaluation unit 13 in the point level sensor 5 these two measuring principles, point level detection and dielectric measurement, can be implemented in one and the same measuring device.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: MessgerätMeasuring device
22nd: Behältercontainer
33rd: FüllgutProduct
44th: Übergeordnete EinheitParent unit
55: Vibronischer Grenzstand-DetektorVibronic point level detector
11 a,b 11 a, b: Abstrahl-/ EmpfangselementRadiating / receiving element
1212: Signalerzeugungs-EinheitSignal generation unit
1313: Auswertungs-EinheitEvaluation unit
14a,b14a, b: KoaxialkabelCoaxial cable
111 a,b111 a, b: TrägersubstratCarrier substrate
112 a,b112 a, b: Oberflächesurface
113 a,b113 a, b: Vertiefungdeepening
114 a,b114 a, b: LeiterbahnConductor track
115 a,b115 a, b: Erste WandungFirst wall
116 a,b116 a, b: Zweite WandungSecond wall
117 a, b117 a, b: Dielektrische FüllungDielectric filling
DKDK: DielektrizitätswertDielectric value
S_HF S _HF: Hochfrequenz-SignalHigh frequency signal
s_HF s _HF: Wechselspannungs-SignalAC signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102015117205 A1 [0004]
US 20160113113 A1 [0031]

Claims

Measuring device for measuring a dielectric value (DK) of a medium (3), comprising: - A radiating element (11a) and a receiving element (11b), each with ◯ a carrier substrate (111a, b), which has at least one electrically conductive surface (112a, b ), in which a recess (113a, b) is formed in the surface (112a, b) along a straight axis, and in each case ◯ an electrical conductor track (114a, b) which is guided along the straight axis, the radiating element ( 11a) and the receiving element (11b) can be arranged within the medium (3) such that the surfaces (112a, b) of the emitting element (11a) and the receiving element (11b) are aligned with one another, - a signal generating unit (12), which is designed to couple an electrical high-frequency signal (s _HF ) into the conductor track (114a) of the radiating element (11a) in such a way that the radiating element (11a) radiates an electromagnetic high-frequency signal (S _HF ) in the direction of the medium (3) lt, and - an evaluation unit (13), which is connected to the conductor track (114b) of the receiving element (11b) in order to um on the basis of the received high-frequency signal (S _HF ) a signal amplitude, a phase position and / or to determine a signal transit time between emitting element (11a) and receiving element (11b), and ◯ in order to determine the dielectric value (DK) on the basis of the determined signal transit time, the phase position and / or the signal amplitude.

Measuring device after Claim 1 The signal generating unit (12) is connected to the radiation element (11a) via a first coaxial cable (14a), in that the conductor path (114a) of the radiation element (11a) is designed as an extension of the inner electrical conductor of the first coaxial cable (14a) and in that the outer conductor of the first coaxial cable (14a) on the recess (113a) is in electrical contact with the surface (112a) of the radiating element (11a).

Measuring device after Claim 1 or 2nd , wherein the evaluation unit (13) is connected to the receiving element (11b) via a second coaxial cable (14b), in that the conductor track (114b) of the receiving element (11b) is designed as an extension of the inner electrical conductor of the second coaxial cable (14b) and in that the outer conductor of the second coaxial cable (14b) on the recess (113b) is in electrical contact with the surface (112b) of the receiving element (11b).

Measuring device after Claim 2 or 3rd , wherein the first coaxial cable (14a) and / or the second coaxial cable (14b) have an impedance between 40 ohms and 120 ohms.

Measuring device according to one of the Claims 2 to 4th , wherein the recess (113a, b) in the carrier substrate (111a, b) of the emitting element (11a) and / or the receiving element (11b) has a round cross section, the diameter of which is approximately the outside diameter of the first or second coaxial cable (14a, b) corresponds to, is formed.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein on the surface (112a, b) of the carrier substrate (111a, b) in addition to the electrical conductor track (114a, b), in particular parallel to the axis of the depression (112a, b), at least one the high-frequency signal ( S _HF ) reflecting first wall (115a, b) is arranged.

Measuring device according to one of the Claims 2 to 6 A second wall (116a, b), which is approximately orthogonal to the axis, is arranged at an end region of the depression (113a, b), which lies opposite the coaxial conductor (14a, b), for reflecting the high-frequency signal (S _HF ) the recess (113a, b) is aligned.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the electrical conductor track (114a, b) is encapsulated at least in the region of the depression (113a, b) by means of a dielectric filling (117a, b).

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the recess (113a, b) has a length which corresponds to half the wavelength of the high-frequency signal (S _HF ), or an integer multiple thereof.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the signal generating unit (12) is designed to generate the alternating voltage signal (s _HF ) with a varying frequency such that the evaluation unit (13) determines the signal transit time on the basis of a frequency difference between the emitted radar signal (S _HF ) and the received radar signal (S _HF ).

Measuring device according to one of the Claims 1 to 9 , The signal generating unit (12) is designed to emit the alternating voltage signal (s _HF ) in such a pulsed manner that the evaluation unit (13) determines the signal transit time based on a pulse transit time between the emitting element (11a) and the receiving element (11b ) certainly.

Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the signal generating unit (12) is designed, the AC voltage signal (s _HF ) with a frequency between 0.4 GHz and 30 GHz.