DE102019101598A1

DE102019101598A1 - Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes

Info

Publication number: DE102019101598A1
Application number: DE102019101598.7A
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: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-23
Also published as: EP3914904A1; CN113302480A; WO2020151869A1; US20220082513A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Füllgutes (3), sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Die zugrundeliegende Idee basiert darauf, ein Hochfrequenz-Signal (s) als Radar-Signal (S) in Richtung des Füllgutes (3) auszusenden, und das Radar-Signal (S) nach Durchgang durch das Füllgut (3) zu empfangen.Ein Phasendetektor (122) der Empfangs-Einheit (12) des Messgerätes (1) erzeugt ein erstes Auswertungssignal (s), das sich proportional mit einer Phasendifferenz (Δφ) zwischen dem empfangenen Radar-Signal (S) und dem erzeugten Hochfrequenz-Signal (s) ändert. Eine Auswertungs-Schaltung (123) der Empfangs-Einheit (12) bestimmt anhand des ersten Auswertungssignals (s) zumindest einen Realteil (Re) des Dielektrizitätswertes (DK). Vorteilhaft an dieser Methode der Dielektrizitätswert-Bestimmung ist, dass das Messgerät (1) am Behälter (2) eingesetzt werden kann, ohne dort kalibriert werden zu müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Füllgutes sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Messgerätes.
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, 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.
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 nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden.
Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes kann nach dem Stand der Technik vor allem bei flüssigen Füllgütern auf das kapazitive Messprinzip zurückgegriffen werden. Dabei wird der Effekt genutzt, dass sich die Kapazität eines Kondensators proportional mit dem Dielektrizitätswert desjenigen Mediums, das sich zwischen den zwei Elektroden des Kondensators befindet, ändert.
Alternativ ist es auch möglich, den Dielektrizitätswert eines (flüssigen) Mediums in einem Behälter-Inneren quasi parasitär bei dessen Radar-basierten 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 .
In der Regel ist das Messgerät vor Ort in der jeweiligen Prozessanlage zu kalibrieren, um die Einbausituation mit zu berücksichtigen. Zum einen bedeutet dies einen Mehraufwand beim Einbau. Zum anderen wird das Messgerät bzw. die entsprechende Sensorik jedoch oftmals in geschlossenen Behältern angeordnet. Daher ist die Schaffung eines definierten Kalibrierzustandes, wie das Vorhalten eines Kalibrier-Mediums mit definiertem Dielektrizitätswert, zumindest in diesen Fällen erst gar nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät bereitzustellen, das keine Kalibration erfordert.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Füllgutes. Hierzu umfasst das Messgerät:

- Eine Signalerzeugungs-Einheit, mit
- ◯ einem Hochfrequenz-Schwingkreis, der ausgelegt ist, ein elektrisches Hochfrequenz-Signal zu erzeugen,
- ◯ einer Sende-Antenne, die konzipiert ist, das Hochfrequenz-Signal als Radar-Signal in Richtung des Füllgutes auszusenden, und
- eine Empfangs-Einheit, mit
- ◯ einer Empfangs-Antenne, die konfiguriert ist, um das Radar-Signal nach Durchgang durch das Füllgut zu empfangen, und
- ◯ eine Auswertungs-Schaltung, die ausgelegt ist, anhand einer Phasendifferenz oder einer Signalstärke des empfangenen Radar-Signals den Dielektrizitätswert zu bestimmen.

Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten 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 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 Füllstandsmessgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Die Funktionsweise des Messgerätes beruht erfindungsgemäß darauf, den Dielektrizitätswert zumindest realwertig zu bestimmen, indem die Phasendifferenz des Radar-Signals zwischen Aussenden und Empfang gemessen wird. Diese kann ohne Kalibration dem Dielektrizitätswert des Füllgutes zugeordnet werden, da die Phasendifferenz des empfangenen Radar-Signals in Bezug zur Signalerzeugungs-Einheit ermittelt wird. Hierzu kann die Empfangs-Einheit einen Phasendetektor umfassen, der ausgelegt ist, ein erstes Auswertungssignal, das sich proportional mit einer Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Radar-Signal und dem Hochfrequenz-Signal ändert, zu erzeugen. Korrespondierend hierzu hat die Signalerzeugungs-Einheit einen Signalteiler zu umfassen, mittels dem das Hochfrequenz-Signal aus der Signalerzeugungs-Einheit auskoppelbar ist. Dementsprechend kann einer der Eingänge des Phasendetektors zur Erzeugung des Auswertungssignals an den Signalteiler angeschlossen werden. Hierdurch kann die Auswertungs-Schaltung anhand des ersten Auswertungssignals zumindest einen Realteil des Dielektrizitätswertes bestimmen.
Die Auswertungs-Schaltung kann außerdem ausgelegt werden, um zusätzlich oder alternativ zum Realteil einen Imaginärteil des Dielektrizitätswertes zu bestimmen, wenn die Empfangs-Einheit einen Amplituden-Detektor zur Erfassung der Signalstärke des empfangenen Radar-Signals umfasst. Dabei ist der Amplituden-Detektor so auszulegen, dass er das zweite Auswertungssignal in Abhängigkeit der Signalstärke des empfangenen Radar-Signals erzeugt. [Erwähnen, dass es sich um Analog-Signal oder ein entsprechend codiertes Digital-Signal handeln kann].
In diesem Fall kann die Auswertungs-Schaltung den Imaginärteil direkt anhand des zweiten Auswertungssignals bestimmen. Die Bestimmung kann jedoch auch indirekt erfolgen, indem der Amplituden-Detektor zumindest einen ersten regelbaren Empfangs-Verstärker umfasst, der das zweite Auswertungssignal mittels Verstärkung des empfangenen Radar-Signals erzeugt. Die Auswertungs-Schaltung ist dabei so auszulegen, dass sie die Verstärkung des Empfangs-Verstärkers derart mittels eines Regelsignals regelt, dass das zweite Auswertungssignal in etwa konstant ist. Somit kann die Auswerte-Schaltung anhand des zweiten Regelsignals den Imaginärteil des Dielektrizitätswertes bestimmen.
Die Dynamik der Dielektrizitätswert-Messung kann weiter erhöht werden, wenn parallel oder in Reihe zum ersten Empfangs-Verstärker zumindest ein zweiter Empfangs-Verstärker angeordnet ist, der analog zum ersten Empfangs-Verstärker mittels Verstärkung des empfangenen Radar-Signals das zweite Auswertungssignal erzeugt.
Zur Anpassung der Sende-Leistung des Radar-Signals kann die Signalerzeugungs-Einheit mindestens einen Sende-Verstärker umfassen, der entsprechend das Hochfrequenz-Signal des Hochfrequenz-Schwingkreises verstärkt. Dabei kann der erste Sende-Verstärker derart regelbar ausgelegt werden, dass die Verstärkung des ersten Sende-Verstärkers mittels des Regelsignals der Auswerte-Schaltung regelbar ist. Hierdurch kann der ein hoher Dynamik-Bereich abgedeckt werden, was insbesondere bei der Messung an stark dämpfenden Füllgütern vorteilhaft ist.
Um die Güte des Messgerätes bestimmen zu können, oder um negative Interferenzen zu vermeiden, kann die Signalerzeugungs-Einheit ein Verzögerungsglied umfassen, das ausgelegt ist, um das Hochfrequenz-Signal um eine definierte Phase zu verzögern.
Um die Güte zu bestimmen, ist das Verzögerungsglied so auszulegen, dass es mittels eines Steuersignals einschaltbar ist. Korrespondierend hierzu ist die Empfangs-Einheit auszulegen, um nach Einschalten des Verzögerungsgliedes anhand des zweiten Auswertungssignals eine Güte des Messgerätes zu bestimmen zu können. Dadurch wird der Effekt genutzt, dass die Amplitude des empfangenen Radar-Signals bei Verzögerung exponentiell abnimmt, wobei die Auswerte-Schaltung anhand der zugehörigen Zeitkonstante die Güte berechnen kann. Während einer Güte-Messung ist es notwendig, dass der Sende-Verstärker mittels des Steuersignals auf einen konstanten Verstärkungsfaktor einstellbar ist, um die Amplitude des empfangenen Radar-Signals hierdurch nicht zu beeinflussen.
Zur Unterdrückung von negativen Interferenzen kann das Verzögerungsglied ausgelegt werden, die Phase derart zu steuern, dass die Signalstärke des empfangen Radar-Signals am Amplituden-Detektor einen vordefinierten Grenzwert überschreitet. Die Phase wird also derart geregelt, dass die Amplitude des empfangenen Radar-Signals kein Minimum, das durch etwaige negative Interferenz verursacht ist, aufweist.
Die Frequenz des Radar-Signals ist grob auf den Typ an Füllgut bzw. an den Messbereich des Dielektrizitätswertes anzupassen. Allgemein ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn der Hochfrequenz-Schwingkreis ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signal mit einer konstanten Frequenz zwischen 1 GHz und 30 GHz zu erzeugen.
Analog zum erfindungsgemäßen Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes mittels des Messgerätes nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten gelöst. folgende Verfahrensschritte umfasst dieses Verfahren:

- Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals mittels eines Hochfrequenz-Schwingkreises,
- Aussenden des Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal in Richtung des Füllgutes mittels einer Sende-Antenne,
- Empfangs des Radar-Signals nach Durchgang durch das Füllgut mittels einer Empfangs-Antenne,
- Erzeugung eines ersten Auswertungssignals, das sich proportional mit einer Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Radar-Signal und dem ausgekoppelten Hochfrequenz-Signal ändert, mittels eines Phasendetektors,
- Bestimmung eines Realteils des Dielektrizitätswertes anhand des ersten Auswertungssignals durch eine Auswertungseinheit.

Zur Bestimmung des Imaginärteils des Dielektrizitätswertes kann das Verfahren folgende Verfahrensschritte ergänzt werden:

- Erzeugung eines von der Signalstärke des empfangenen Radar-Signals abhängiges, zweites Auswertungssignal mittels eines Amplituden-Detektors, und
- Bestimmung eines Imaginärteils des Dielektrizitätswertes durch die Auswertungseinheit anhand des zweiten Auswertungssignals.

Wenn das Messgerät ausgelegt ist, die Güte zu messen, kann das Verfahren so erweitert werden, dass die Funktionstüchtigkeit überwacht werden kann (auch bekannt unter dem Begriff „Predictive Maintenance“). In diesem Fall ist das Verfahren um folgende Verfahrensschritte zu erweitern:

- Bestimmung einer Güte des Messgerätes anhand des zweiten Auswertungssignals, und
- Einstufung des Messgerätes als nicht funktionsfähig, sofern die Güte einen vordefinierten Mindestwert unterschreitet.

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

1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Dielektrizitätswert-Messung eines Füllgutes in einem Behälter,
2: einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes,
3: eine mögliche Realisierungsvariante der Empfangs-Einheit des Messgerätes, und
4: eine mögliche Realisierungsvariante der Signalerzeugungs-Einheit des Messgerätes.

Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-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, wobei das Messgerät 1 zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK eine Signalerzeugungs-Einheit 11 und eine Empfangs-Einheit 12 umfasst, die je nach Auslegung zumindest teilweise in das Behälter-Innere überstehen können. Bei dem Füllgut 3 kann es sich um Flüssigkeiten wie Getränke, Lacke, Zement oder Treibstoffe, wie Flüssiggase oder Mineralöle handeln. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung des Messgerätes 1 bei Schüttgut-förmigen Füllgütern 3, wie bspw. Getreide.
Das Messgerät 1 kann mit einer übergeordneten Einheit 4, zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK als Betrag, oder komplexwertig mit Realteil und Imaginärteil übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
Der prinzipielle schaltungstechnische Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist in 2 dargestellt: Grundlegend basiert das Messgerät 1 auf einer Signalerzeugungs-Einheit 11, die zur Abstrahlung eines Radar-Signals SHF gen Füllgut 2 dient, sowie einer Empfangseinheit 12 zum Empfang des Radar-Signals S_HF, nachdem es das Füllgut 3 durchdrungen hat. Hierzu umfasst die Signalerzeugungs-Einheit 11 eine Sende-Antenne 112, die von einem Hochfrequenz-Schwingkreis 111 entsprechend mit einem elektrischen Hochfrequenz-Signal s_HF angesteuert wird. Zur Generierung des Radar-Signals SHF weist das Hochfrequenz-Signal s_HF dabei eine vorzugsweise konstante Frequenz zwischen 0,1 GHz bis 240 GHz auf. Dementsprechend kann der Hochfrequenz-Schwingkreis 111 im einfachsten Fall als Quarz-Oszillator ausgelegt werden, der gegebenenfalls auf Oberwellenauskopplung ausgelegt ist. Daneben könnte auch eine Gunn-Diode oder ein Halbleiter-Oszillator eingesetzt werden.
Die Sende-Antenne 112 und die korrespondierende Empfangs-Antenne 121 der Empfangs-Einheit 12 sind auf die Frequenz des Radar-Signals SHF bzw. des Hochfrequenz-Signals s_HF anzupassen. So können die Antennen 112, 121 bspw. als planare Patch-Antennen mit entsprechenden Kantenlängen konzipiert werden. Bei Auslegung der Antennen 112, 121 als Planar-Antennen kann das Messgerät 1 so ausgelegt werden, dass es planar mit der Innenwand des Behälters 2 abschließt. Eine nicht-planarer Auslegung des Messgerätes 1, bei der zumindest die Antennen 112, 121 in den Innenraum des Behälters 2 überstehen, bietet wiederum den Vorteil, dass die Antennen 112, 121 zueinander ausgereichtet sein können. Dies erhöht die Auflösung der Messung.
Erfindungsgemäß wird der Dielektrizitätswert DK des Füllgutes 3 dadurch bestimmt, dass die Phasendifferenz Δφ des Radar-Signals S_HF, die sich zwischen den Antennen 112, 121 bei Durchgang durch das Füllgut 3 einstellt, gemessen wird. Hierzu umfasst die Empfangs-Einheit 12 einen Phasendetektor 122, dessen einer Eingang an die Empfangs-Antenne 121 angeschlossen ist. Ausgelegt sein kann der Phasendetektor 122 beispielsweise als Hochfrequenz-Mischer oder als Gilbert-Zelle, die nicht in Sättigung betrieben ist.
Der zweite Eingang des Phasendetektors 122 greift das Hochfrequenz-Signal s_HF in der Signalerzeugungs-Einheit 11 zwischen dem Hochfrequenz-Schwingkreis 111 und der Sende-Antenne 112 ab. Hierzu weist die Signalerzeugungs-Einheit 11 einen entsprechenden Signalteiler 113 auf. Dabei kann der Signalteiler 113 beispielsweise als insbesondere asymmetrischer Leistungsteiler ausgelegt sein. Somit vergleicht der Phasendetektor 122 die Phasendifferenz Δφ vor Aussenden und nach Empfang des Radar-Signals S_HF. Dementsprechend repräsentiert das Ausgangssignal s_real des Phasendetektors 122 im Falle einer Auslegung als Mischers die Phasendifferenz Δφ in Form eines analogen Spannungswertes.
Wie aus 3 ersichtlich wird, kann das analoge Ausgangssignal s_real des Phasendetektors 122 in der Auslegung als Mischer oder Gilbert-Zelle einer Analog-/Digital-Wandlung unterzogen werden, so dass eine Auswertungs-Schaltung 123, beispielsweise ein Microcontroller, auf Basis des digitalisierten Signals s_real den Dielektrizitätswert DK bestimmen kann. Dabei beruht die Berechnung des Realteils RE_DK des Dielektrizitätswertes DK auf dem Zusammenhang $R e_{D K} \sim Δ φ$
Dadurch, dass die Phasendifferenz Δφ unmittelbar in Bezug zur Phase des Hochfrequenz-Signals s_HF am Hochfrequenz-Schwingkreis 111 bestimmt wird, kann der Dielektrizitätswert DK bzw. der Realteil RE_DK ohne vorherige Kalibration des Messgerätes 1 am Behälter 2 gemessen werden.
Mit der in 3 gezeigten Ausführungsvariante der Empfangs-Einheit 12 ist es zudem möglich, neben dem Realteil Re_DK des Dielektrizitätswertes DK auch dessen Imaginärteil IM_DK zu bestimmen. Hierzu wird das Radar-Signal SHF nach Empfang durch die Empfangs-Antenne 121 über einen Leistungsteiler 124 abgezweigt und dem Eingang eines Empfangs-Verstärker 126 als Teil eines Amplituden-Detektors 125 zugeführt. Prinzipiell nutzt diese Ausführungsform der Empfangs-Einheit 123 zur Bestimmung des Imaginärteils IM_DK den Effekt, dass der Imaginärteil IM_DK proportional zur Amplitude des empfangenen Radar-Signals SHF ist. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsvariante wird zur Bestimmung des Imaginärteils IM_DK jedoch nicht direkt die Amplitude des empfangenen Radar-Signals SHF gemessen. Vielmehr regelt die Auswerte-Schaltung 123 den Verstärkungsfaktor des Empfangs-Verstärkers 126 mittels eines entsprechenden Regelsignals s_c in der Form, dass das Ausgangs-Signal s_im des Empfangs-Verstärkers 126 in etwa konstant gehalten wird. Aufgrund dieser Form der Regelung liefert das Regelsignal s_c die eigentliche Information über die Amplitude des empfangenen Radar-Signals S_HF, so dass die Auswertungs-Schaltung 123 den Imaginärteil IM_DK des Dielektrizitätswertes DK anhand des jeweils aktuellen Wertes des Regelsignals s_c bestimmen kann. Sofern der Microcontroller der Auswertungs-Schaltung 123 keinen Analog-Eingang aufweist, ist dem Empfangs-Verstärker 126, wie in 3 gezeigt, ein entsprechender Analog-/Digital-Wandler nachzuschalten. Die Messung des Imaginärteils IM_DK des Dielektrizitätswertes DK mittels des Regelsignals s_c bietet den Vorteil, dass wiederum die Dynamik der Dielektrizitätswert-Messung erhöht wird. Dem Empfangs-Verstärker 126 kann, wie in 3 dargestellt, ein als Diode ausgelegter HF-Detektor nachgeschaltet werden, um die Signalstärke in Abhängigkeit der Temperatur zu ermitteln zu können. Hierzu kann der Microcontroller einen Quotienten aus dem ersten Auswertungssignal s_real zum zweiten Auswertungssignal s_im bilden.
Die Dynamik des Messgerätes 1 kann weiter erhöht werden, wenn parallel oder in Reihe zum Empfangs-Verstärker 126 weitere Verstärker angeordnet sind, um ebenfalls mittels Verstärkung des empfangenen Radar-Signals SHF das zweite Auswertungssignal s_im zu erzeugen (nicht dargestellt in 3). Dabei können die etwaigen weiteren Verstärker analog zum Empfangs-Verstärker 123 geregelt werden. Anstelle der Regelung des Empfangs-Verstärkers 123 und der Bestimmung des Imaginärteils IM_DK anhand des Regelsignals ist es zwecks simplerer Auslegung alternativ auch denkbar, den Empfangs-Verstärker 123 nicht zu regeln und den Imaginärteil IM_DK direkt anhand des Auswertungssignals s_im, also dem Ausgangs-Signal des Empfangs-Verstärkers 123 zu bestimmen.
4 zeigt eine mögliche Erweiterung der Signalerzeugungs-Einheit 11, mit der die Güte des Messgerätes 1 gemessen bzw. überwacht werden kann. Dabei bezieht sich die Güte im Rahmen der Anmeldung auf die Definition Bandbreite pro Mittenfrequenz.
Zu Dessen Bestimmung ist zwischen dem Hochfrequenz-Schwingkreis 111 und der Sende-Antenne 112 ein Verzögerungsglied 115 zwischengeschaltet. Im Wesentlichen besteht das Verzögerungsglied 115 aus zwei Signalweichen, zwischen denen zum einen ein direkter Signalpfad des Hochfrequenz-Signals s_HF verläuft. Zum anderen ist zwischen den Signalweichen ein verzögernder Signalpfad angeordnet, der das Hochfrequenz-Signal s_HF um eine definierte Phase φ verzögert. Realisiert werden kann ein verzögernder Signalpfad beispielsweise, wie es in der Veröffentlichungsschrift DE102012106938 A1 beschrieben ist.
Die Signalweichen der Verzögerungseinheit 115 sind dabei so ausgelegt, dass das Hochfrequenz-Signal s_HF bei Anliegen eines Steuersignals s_t über den verzögernden Signalpfad geführt wird, während das Hochfrequenz-Signal s_HF ansonsten über den direkten Signalpfad geführt wird. Dabei kann die Signaltechnisch vordere Signalweiche bspw. als Wilkinson-Leistungsteiler ausgelegt sein, dem in jedem Signalpfad jeweils ein Verstärker nachgeschaltet ist. Je nachdem, ob der verzögernde-, oder der nichtverzögernde Pfad durchgeschaltet werden soll, ist die Verstärkung des korrespondierenden Verstärkers auf unendlich einzustellen, der andere Verstärkungsfaktor ist entsprechend auf null zu setzen.
Das Umschalten vom direkten zum verzögernden Signalpfad kann durch das Steuersignal s_t auch der Auswertungs-Schaltung 123 auf Seite der Empfangs-Einheit 12 mitgeteilt werden, indem beispielsweise das Steuersignal s_t zeitgleich auch an einem Eingang des Microcontrollers angelegt wird. Hierdurch kann der Auswerte-Schaltung 123 der Zeitpunkt des Verzögerns mitgeteilt werden, so dass die Auswerte-Schaltung 123 eine entsprechende Änderung des zweiten Auswertungssignals s_im infolge des Umschaltens an der Verzögerungseinheit 115 detektiert werden kann.
Da im Falle eines analogen zweiten Auswertungssignals s_im eine abrupte Verzögerung der Phase φ des Hochfrequenz-Signals s_HF zu einem exponentiellen Abfall der Amplitude führt, kann die Auswerte-Schaltung anhand der korrespondierenden Zeitkonstante die Güte des Messgerätes 1 bestimmen. Dabei kann das Messgerät 1 so weiterentwickelt werden, dass es sich bei Unterschreiten einer vordefinierten Mindest-Güte als funktionsuntüchtig einstuft und diesen Fehler-Zustand gegebenenfalls an die übergeordnete Einheit 4 übermittelt. Der Grund für eine Verminderung der Güte kann zum einen durch Alterung interner elektronischer Komponenten hervorgerufen werden. Zum anderen kann die Güte jedoch auch durch eine gehemmte Übertragung des Radar-Signals SHF zwischen den Antennen 112, 121 aufgrund von Ansatzbildung verringert werden.
Sofern auch die Signal-Erzeugungs-Einheit 11 einen Sende-Verstärker 114 aufweist, muss dieser so ausgelegt sein, dass der Sende-Verstärker 114 während der Bestimmung der Güte das Hochfrequenz-Signal s_HF mit einer konstanten Verstärkung verstärkt, damit die Amplitudenmessung des zweiten Auswertungssignals s_im hiervon nicht überlagert wird. Zu diesem Zweck kann der Sende-Verstärker 114 wiederum entsprechend mittels des Steuersignals st gesteuert werden. Alternativ kann dem Sende-Verstärker 114 die einsetzende Verzögerung auch derart mittels des Hochfrequenz-Signals s_HF mittgeteilt werden, dass ein separater Regelkreis RK, wie in 4 dargestellt ist, die einsetzende Verzögerung anhand des abgezweigten Hochfrequenz-Signals erkennt und die Verstärkung des Sende-Verstärkers 114 in diesem Fall konstant hält. Weiterhin kann der Regelkreis RK beispielsweise so realisiert sein, dass, sofern keine Phasenverzögerung φ detektiert wird, der Sende-Verstärker 114 mittels desjenigen Regelsignals r_t geregelt wird, mit dem auch der Empfangs-Verstärker 126 geregelt wird. Dadurch erhöht sich die Dynamik, mit der das Messgerät 1 den Dielektrizitätswert DK bestimmen kann.
Alternativ oder zusätzlich zur Bestimmung der Güte kann die Phasenverzögerung φ, die mittels des Verzögerungsgliedes 115 einstellbar ist, auch eingesetzt werden, um negative Interferenz des Radar-Signals SHF bei Durchgang durch das Füllgut 3 zu vermeiden. In diesem Fall ist die Phasenverzögerung φ so einzustellen, dass die Amplitude des empfangenen Radar-Signals SHF bzw. das zweite Auswertungssignal kein Interferenzbedingtes Minimum aufweist, sondern einen definierten Grenzwert überschreitet. Da die Amplitude durch die Auswerte-Schaltung 123 detektierbar ist, kann auch eine entsprechende Regelung des Verzögerungsgliedes 115 durch die Auswerte-Schaltung 123 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Behälter
3: Füllgut
4: Übergeordnete Einheit
11: Signalerzeugungs-Einheit
12: Empfangs-Einheit
111: Hochfrequenz-Schwingkreis
112: Sende-Antenne
113: Signalteiler
114: Sende-Verstärker
115: Verzögerungsglied
121: Empfangs-Antenne
122: Phasendetektor
123: Auswertungs-Schaltung
124: Leistungsteiler
125: Amplituden-Detektor
126: Empfangs-Verstärker
DK: Dielektrizitätswert
Im_DK: Imaginärteil des Dielektrizitätswertes
Re_DK: Realteil des Dielektrizitätswertes
SHF: Radar-Signal
s_c: Regelsignal
s_im: Zweites Auswertungssignal
s_real: Erstes Auswertungssignal
s_t: Steuersignal
s_HF: Hochfrequenz-Signal
x: Verstärkungsfaktor
φ: Phase
Δφ: Phasendifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015117205 A1 [0005]
DE 102012106938 A1 [0034]

Claims

Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Füllgutes (3), umfassend: - Eine Signalerzeugungs-Einheit (11), mit ◯ einem Hochfrequenz-Schwingkreis (111), der ausgelegt ist, ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (s_HF) zu erzeugen, ◯ einer Sende-Antenne (112), die konzipiert ist, das Hochfrequenz-Signal (s_HF) als Radar-Signal (S_HF) in Richtung des Füllgutes (3) auszusenden, und - eine Empfangs-Einheit (12), mit ◯ einer Empfangs-Antenne (121), die konfiguriert ist, um das Radar-Signal (S_HF) nach Durchgang durch das Füllgut (3) zu empfangen, und ◯ eine Auswertungs-Schaltung (123), die ausgelegt ist, anhand einer Phasendifferenz (Δφ) oder einer Signalstärke des empfangenen Radar-Signals (S_HF) den Dielektrizitätswert (DK) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Empfangs-Einheit (12) einen Phasendetektor (122) umfasst, wobei der Phasendetektor (122) ausgelegt ist, ein erstes Auswertungssignal (s_real) zu erzeugen, das sich proportional mit der Phasendifferenz (Δφ) zwischen dem empfangenen Radar-Signal (S_HF) und dem Hochfrequenz-Signal (s_HF) ändert, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (11) einen Signalteiler (113) umfasst, mittels dem das Hochfrequenz-Signal (s_HF) auskoppelbar ist, wobei der Phasendetektor (122) zur Erzeugung des Auswertungssignals (s_real) an den Signalteiler (113) angeschlossen ist, und wobei die Auswertungs-Schaltung (123) ausgelegt ist, anhand des ersten Auswertungssignals (s_real) zumindest einen Realteil (Re_DK) des Dielektrizitätswertes (DK) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Empfangs-Einheit (12) einen Amplituden-Detektor (124), der ein von der Signalstärke des empfangenen Radar-Signals (S_HF) abhängiges, zweites Auswertungssignal (s_im) erzeugt, umfasst.
Messgerät nach Anspruch 3, wobei die Auswertungs-Schaltung (123) ausgelegt ist, mittels des zweiten Auswertungssignals (s_im) einen Imaginärteil (Im_DK) des Dielektrizitätswertes (DK) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 3, wobei der Amplituden-Detektor (124) zumindest einen ersten regelbaren Empfangs-Verstärker (125) umfasst, wobei der Empfangs-Verstärker (125) ausgelegt ist, das zweite Auswertungssignal (s_im) mittels Verstärkung des empfangenen Radar-Signals (S_HF) zu erzeugen, wobei die Auswertungs-Schaltung (123) ausgelegt ist, die Verstärkung (x) des Empfangs-Verstärkers (125) derart mittels eines Regelsignals (s_c) zu regeln, dass das zweite Auswertungssignal (s_im) in etwa konstant ist, und wobei die Auswerte-Schaltung (123) ausgelegt ist, anhand des zweiten Regelsignals (s_c) den Imaginärteil (Im_DK) des Dielektrizitätswertes (DK) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 5, wobei parallel oder in Reihe zum ersten Empfangs-Verstärker (124) zumindest ein zweiter Empfangs-Verstärker angeordnet ist, um mittels Verstärkung des empfangenen Radar-Signals (S_HF) das zweite Auswertungssignal (s_im) zu erzeugen.
Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (11) zumindest einen Sende-Verstärker (114), der das Hochfrequenz-Signal (s_HF) verstärkt, umfasst.
Messgerät nach Anspruch 5 und 7, wobei der erste Sende-Verstärker (114) derart regelbar ausgelegt ist, dass die Verstärkung des ersten Sende-Verstärkers (114) mittels des Regelsignals (s_c) der Auswerte-Schaltung (123) regelbar ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (11) ein Verzögerungsglied (115) umfasst, das ausgelegt ist, um das Hochfrequenz-Signal (s_HF) um eine definierte Phase (φ) zu verzögern.
Messgerät nach Anspruch 9, wobei das Verzögerungsglied (115) mittels eines Steuersignals (st) einschaltbar ist, und wobei die Empfangs-Einheit (12) ausgelegt ist, nach Einschalten des Verzögerungsgliedes (115) anhand des zweiten Auswertungssignals (s_im) eine Güte des Messgerätes (1) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 7 und 10, wobei der Sende-Verstärker (114) mittels des Steuersignals (st) auf einen konstanten Verstärkungsfaktor einstellbar ist.
Messgerät nach Anspruch 3 und 9, wobei das Verzögerungsglied (115) ausgelegt ist, die Phasenverzögerung (φ) derart einzustellen, dass die Signalstärke des empfangen Radar-Signals (S_HF) am Amplituden-Detektor (124) maximal ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochfrequenz-Schwingkreis (111) ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signal (s_HF) mit einer konstanten Frequenz zwischen 2 GHz und 30 GHz zu erzeugen.
Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) mittels des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (s_HF) mittels eines Hochfrequenz-Schwingkreises (111), - Aussenden des Hochfrequenz-Signals (s_HF) als Radar-Signal (S_HF) in Richtung des Füllgutes (3) mittels einer Sende-Antenne (112), - Empfangs des Radar-Signals (S_HF) nach Durchgang durch das Füllgut (3) mittels einer Empfangs-Antenne (121), - Erzeugung eines ersten Auswertungssignals (s_real), das sich proportional mit einer Phasendifferenz (Δφ) zwischen dem empfangenen Radar-Signal (S_HF) und dem ausgekoppelten Hochfrequenz-Signal (s_HF) ändert, mittels eines Phasendetektors (122), - Bestimmung eines Realteils (Re_DK) des Dielektrizitätswertes (DK) anhand des ersten Auswertungssignals (s_real) durch eine Auswertungseinheit (123).
Verfahren, nach Anspruch 14, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung eines von der Signalstärke des empfangenen Radar-Signals (S_HF) abhängiges, zweites Auswertungssignal (s_im) mittels eines Amplituden-Detektors (124), - Bestimmung eines Imaginärteils (Im_DK) des Dielektrizitätswertes (DK) durch die Auswertungseinheit (123) anhand des zweiten Auswertungssignals (s_im).
Verfahren nach Anspruch 15, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Bestimmung einer Güte des Messgerätes (1) anhand des zweiten Auswertungssignals (s_im), und - Einstufung des Messgerätes (1) als nicht funktionsfähig, sofern die Güte einen vordefinierten Mindestwert unterschreitet.