DE102019133259A1 - TDR-basiertes Dielektrizitätswert-Messgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein TDR-basiertes Messgerät (1) zur Messung des Dielektrizitätswertes (DK) eines Mediums (2), sowie ein entsprechendes Verfahren zur Parametrisierung eines solchen Messgerätes (1). Dabei zeichnet sich das Messgerät (1) durch eine Filter-Einheit (14) für das Mess-Signal (sHF, rHF) aus, deren Filter-Typ bzw. deren Filter-Parameter (R, C) variabel parametrisiert werden können. Genutzt wird dies erfindungsgemäß durch eine Analyse-Einheit (15) im Messgerät (1), die ausgelegt ist, die Formtreue der Flankenform des empfangenen Mess-Signals (rHF) in Bezug zur Flankenform des ausgesendeten Mess-Signals (sHF) zu ermitteln. Somit kann die Analyse-Einheit (15) den Filter-Typ oder die Filter-Parameter (R, C) der Filter-Einheit (14) automatisch so optimieren, dass die Formtreue einen Mindestwert erreicht. Durch die automatische Optimierung kann das Messgerät (1) erfindungsgemäß auch ohne manuelle Modifikation bei wechselnden Mess-Anwendungen bzw. bei wechselnden Mess-Sonden (11) mit verschiedenen Geometrien eingesetzt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein TDR-basiertes Dielektrizitätswert-Messgerät.
• In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung verschiedener Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, die Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Messwertaufnehmer-Einheiten bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
• Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität“) diverser Medien ist sowohl im Falle von Feststoffen, als auch bei flüssigen Medien und Gasen, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern, Gasen oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung darstellt. Unter dem Begriff „Behälter“ werden im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden.
• Zur Messung des Dielektrizitätswertes wird unter anderem das TDR-Prinzip (TDR ist ein Akronym für „Time Domain Reflectometry“; zu Deutsch „Zeitbereichsreflektometrie“) verwendet. Bei diesem Messprinzip wird ein flankenbasiertes Mess-Signal erzeugt und mit einer Wiederhol-Frequenz zwischen 0,1 MHz und 100 GHz in eine elektrisch leitfähige Mess-Sonde eingespeist. Dabei ist es prinzipiell nicht relevant, ob es sich um eine positive oder eine negative Flanke innerhalb des Mess-Signals handelt. Um den Dielektrizitätswert bestimmen zu können, wird die im Pikosekundenbereich befindliche Laufzeit der Flanke bis zum Empfang des reflektierten Hochfrequenz-Signals gemessen. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Laufzeit der Flanke abhängig vom Dielektrizitätswert desjenigen Stoffes ist, der die Mess-Sonde umgibt. Beschrieben ist das Funktionsprinzip TDRbasierter Messwertaufnehmer-Einheiten werden beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift EP 0622 628 A2 . Entsprechende Feldgeräte werden in zahlreichen Ausführungsformen beispielsweise als Teil der Endress+ Hauser Firmengruppe von der Firma IMKO Mikromodultechnik GmbH vertrieben.
• Aufgrund der sehr schnellen Signallaufzeit der Flanke innerhalb der Mess-Sonde im Nanosekunden-Bereich muss die entsprechende Signalerzeugungs-Einheit des Messgerätes ausgelegt sein, die im Mess-Signal zyklisch wiederkehrende Flanke mit einer möglichst hohen Flankensteilheit von unter 300 Pikosekunden zu erzeugen. Dabei werden als Spannungspegel beispielsweise 0 V und 300 mV verwendet. Somit wird der Auswertungs-Einheit des Messgerätes ermöglicht, das Mess-Signal bzw. die Flanke nach Reflektion in der Mess-Sonde die Flanke mit hinreichender Auflösung detektiert wird. Denn, je genauer die Flanke des reflektierten Messsignals detektierbar ist, desto genauer kann die Auswertungs-Einheit auch die Laufzeit und somit den Dielektrizitätswert bestimmen. Hierdurch bedingt muss die reflektierte Flanke in Bezug zum erzeugten Mess-Signal allerdings auch möglichst formtreu von der Auswertungs-Einheit empfangen werden.
• Damit die reflektierte Flanke in Bezug zum erzeugten Mess-Signal hinreichend formtreu empfangen wird, müssen die Signalerzeugungs-Einheit und die Auswertungs-Einheit mittels einer entsprechenden Filter-Einheit auf die jeweilige Mess-Sonde bzw. das verbindende Hochfrequenz-Kabel abgestimmt sein. Dabei sind zur Bestimmung verschiedener Medien bzw. verschiedener Dielektrizitätswert-Bereiche jedoch gegebenenfalls unterschiedliche Arten an Mess-Sonden mit individuell angepassten Geometrien erforderlich. Daher ist es nicht möglich, ein TDR-basiertes Messgerät für verschiedene Anwendungen einzusetzen, ohne (gegebenenfalls neben der Mess-Sonde) auch die Filter-Einheit für die jeweilige Anwendung entsprechend manuell anpassen zu müssen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein TDR-basiertes Dielektrizitätswert-Messgerät bereitzustellen, das auch ohne manuelle Modifikationen elektrischer Komponenten für möglichst viele Anwendungen einsetzbar ist.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein TDR-basiertes Messgerät zur Messung des Dielektrizitätswertes eines Mediums, umfassend:
• - Eine mit dem Medium in Kontakt bringbare Mess-Sonde,
• - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, gemäß dem TDR-Messprinzip ein flankenbasiertes Mess-Signal in die Mess-Sonde einzukoppeln,
• - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
  • ◯ nach Reflektion in der Mess-Sonde das reflektierte, Flankenbasierte Mess-Signal zu empfangen,
  • ◯ gemäß dem TDR-Messprinzip eine Signallaufzeit zwischen dem Einkoppeln und dem Empfang der jeweiligen Flanke zu ermitteln, anhand der Signallaufzeit den Dielektrizitätswert zu bestimmen.
• Dabei zeichnet sich das Messgerät aus, durch
• - eine Filter-Einheit, die ausgelegt ist,
  • ◯ das auszusendende und/oder das reflektierte Flankenbasierte Mess-Signal zu filtern, und
  • ◯ ihren Filter-Typ und/oder zumindest einen Filter-Parameter zu ändern, und
• - eine Analyse-Einheit, die ausgelegt ist,
  • ◯ einen Korrelations-Faktor zwischen der Flankenform des ausgesendeten und des empfangenen Mess-Signals, ein SWR-ratio, oder eine maximale Krümmung des empfangenen Mess-Signals zu ermitteln, und
  • ◯ den Filter-Typ und/oder den zumindest einen Filter-Parameter der Filter-Einheit derart einzustellen, so dass der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung einen
• Mindestwert erreicht bzw. gegen diesen Mindestwert konvergiert. Dabei richtet sich das entsprechende Konvergenz-Kriterium in Bezug zum Mindestwert nach dem jeweils implementierten Optimierungs-Algorithmus. Im Falle einer „Least Square“-Optimierung ist das entsprechende Konvergenz-Kriterium beispielsweise dann erreicht, sobald die Summe der quadrierten Anpassungsfehler minimal ist
• Die Erfindung beruht also darauf, die Formtreue der Flanke des empfangenen Mess-Signals in Bezug zum ausgesendeten Mess-Signal zu bestimmen und den Filter-Typ bzw. die Filter-Parameter der Filter-Einheit dahingehend zu optimieren, dass die reflektierte Flanke hinreichend formtreu ist. Durch die automatische Optimierung mittels einer entsprechend ausgelegten Analyse-Einheit kann das Messgerät erfindungsgemäß auch ohne manuelle Modifikation bei wechselnden Mess-Anwendungen bzw. mit wechselnden Mess-Sonden-Geometrien eingesetzt werden.
• Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Begriff „Einheit‟ prinzipiell jede elektronische und/oder elektrische 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 Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
• Erfindungsgemäß ist die Auslegung der Filter-Einheit bzw. des Filter-Typs prinzipiell nicht fest vorgeschrieben. Beispielsweise kann die Filter-Einheit zur Filterung des ausgehenden Signals einen Dämpfungsfilter umfassen. Dabei kann der Dämpfungsfilter als Filter-Typ auf einem T-Dämpfungsglied, einem Pi-Dämpfungsglied oder auf einem regelbaren Ohm'schen Widerstand basieren. Zur Filterung des ausgehenden Mess-Signals und des reflektierten Mess-Signals kann die Filter-Einheit zudem oder alternativ einen Hochpassfilter umfassen. Dabei ist auch die Ordnung des Filters, also die Anzahl an kapazitiven und/oder induktiven Bauteilen im Hochpass- oder Dämpfungsfilter, im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Als Filter erster Ordnung kann der Hochpass-Filter als Filter-Typ beispielsweise auf einem einzelnen regelbaren Kondensator basieren. Denkbar ist es jedoch auch, einen Hochpassfilter höherer Ordnung, beispielsweise bis hin zu neunter Ordnung, zu implementieren.
• Damit der Filter-Typ und/oder zumindest einer der Filter-Parameter änderbar sind, kann die die variabel einstellbare Filter-Einheit beispielsweise als FPGA oder als ASIC ausgelegt werden, da Schaltungsbausteine zumindest von FPGA's flexibel geändert werden können und somit wechselnde Funktionsblöcke implementiert werden können. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, dass neben der Filter-Einheit auch die Analyse-Einheit und/oder die Auswertungs-Einheit als Bestandteil des FPGA's ausgelegt werden.
• Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zur Parametrisierung dieses Messgerätes gelöst. Zur Parametrisierung des TDR-basierten Messgerätes nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten umfasst das Verfahren entsprechend folgende Verfahrensschritte:
• - Einkoppeln des flankenbasierten Mess-Signals in die Mess-Sonde über die variabel einstellbare Filter-Einheit,
• - Empfang des reflektierten Flanken-basierten Mess-Signals,
• - Ermittlung eines Korrelations-Faktors zwischen der Flankenform des ausgesendeten und des empfangenen Mess-Signals, oder Ermittlung der maximalen Krümmung des reflektierten Mess-Signals,
• - Änderung des zumindest einen Filter-Parameters und/oder des Filter-Typs der Filter-Einheit, sofern der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung einen Mindestwert nicht erreicht bzw. nicht gegen den Mindestwert konvergiert ist, und
• - Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, bis der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung den
• Mindestwert erreicht oder gegen den Mindestwert konvergiert. Dabei sind der Filter-Typ bzw. dessen Filter-Parameter entsprechend einem vordefinierten Optimierungs-Algorithmus, beispielsweise einer „Least Square“-Optimierung zu ändern. Als Korrelations-Muster kann, sofern der Korrelations-Faktor ermittelt wird, eine Pearson-Korrelation oder eine partielle Korrelation implementiert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Messgerät kann außerdem dahingehend erweitert werden, dass ein entsprechendes Signal generiert wird, sofern die Formtreue (also der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung) den Mindestwert nicht erreicht. Somit kann das Messgerät beispielsweise einer übergeordneten Einheit melden, sofern es momentan unter den gegebenen Bedingungen nicht einsatzbereit ist.
• Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• 1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur TDR-basierten Bestimmung der Dielektrizitätswertes eines Mediums in einem Behälter,
• 2 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Messgerätes,
• 3 ein Messdatenvergleich zwischen einer hinreichend formtreuen und einer nicht formtreuen Flanke des empfangenen Mess-Signals, und
• 4 die Verfahrensschritte des korrespondierenden Verfahrens zur Parametrierung des erfindungsgemäßen Messgerätes.
• Zum allgemeinen Verständnis ist in 1 ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 abgebildet, das zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums 2 dient und hierzu auf dem TDR-Messprinzip basiert, wie es beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift EP 0622 628 A2 beschrieben ist. Dabei befindet sich das Medium 2 in einem entsprechenden Behälter 3.
• Das Messgerät 1 kann, wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform gezeigt ist, mit einer übergeordneten Einheit 4, wie zum Beispiel einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann beispielsweise der Dielektrizitätswert DK übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
• Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK des Mediums 2 ist das Messgerät 1 bei der dargestellten Anwendung seitlich an einem Anschluss des Behälters 3, bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Bei dem Medium 2 kann es sich um Flüssigkeiten, wie Getränke, Lacke, Zement oder Treibstoffe, wie Flüssiggase oder Mineralöle handeln. Denkbar ist darüber hinaus auch die Verwendung des Messgerätes 1 bei Schüttgut-förmigen Medien 2, wie bspw. Getreide.
• Das Gehäuse des Messgerätes 1 ist in etwa formschlüssig zur BehälterInnenwand angebracht, wobei eine Mess-Sonde 11 des Messgerätes 1 zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK in das Innere des Behälters 3 hineinragt und somit einen stoffschlüssigen Kontakt mit dem Medium 2 ausbildet. Im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante ist es je nach Art des Mediums 2 jedoch auch möglich, dass die Mess-Sonde 11 nicht in das Behälter-Innere hineinragt, sondern als integraler Bestandteil des GeräteGehäuses ausgelegt ist, so dass die Mess-Sonde 11 in etwa planar zur Ebene der Behälterwand angeordnet ist.
• Allgemein richtet sich die Ausrichtung und die Geometrie der Mess-Sonde 11 nach der Art des Mediums 2 bzw. nach dem Messbereich des zu erfassenden Dielektrizitätswertes DK. Dementsprechend muss das Messgerät 1 individuell an die Impedanz der jeweiligen Mess-Sonde 11 und das etwaige Hochfrequenz-Kabel, über das die Mess-Sonde 11 kontaktiert ist, angepasst werden. Damit hierfür das einzelne Messgerät 1 erfindungsgemäß nicht manuell konfiguriert werden muss, umfasst es erfindungsgemäß eine Filter-Einheit 14, deren Filter-Typ bzw. die entsprechenden Filter-Parameter von einer Analyse-Einheit 15 variabel auf die jeweilige Mess-Sonde 11 angepasst wird. Diesbezüglich wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 nachfolgend näher anhand des schematischen Schaltungsaufbaus in 2 erläutert:
• Wie in 2 dargestellt ist, umfasst das Messgerät 1 zur Erzeugung eines gemäß dem TDR-Prinzip typischen Mess-Signals s_HF eine entsprechend ausgelegte Signalerzeugungs-Einheit 12. Hierzu koppelt die Signalerzeugungs-Einheit 12 das flankenbasierte Mess-Signal s_HF über die Filter-Einheit 14 in die Mess-Sonde 11 ein. Dabei ist der erzeugte Spannungsverlauf einer bei TDR typischen positiven Flanke des Mess-Signals s_HF in dem linken Graph von 3 dargestellt. Demnach erhöht sich die Spannung des Mess-Signals s_HF in einem Zeitfenster von weniger als 300 Pikosekunden quasi sprunghaft von 0 V auf ca. 300 mV.
• In der zwischen 1 cm und 10 cm langen Mess-Sonde 11 propagiert die Flanke des Mess-Signals s_HF entsprechend geführter elektromagnetischer Wellen mit Lichtgeschwindigkeit c, wobei diese gemäß $$c\sim \frac{c_0}{\sqrt{DK}}$$

  

  vom Dielektrizitätswert DK des umgebenden Mediums 2 abhängt. Dabei beschreibt co die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Vakuum. Nach Reflektion am Ende der Mess-Sonde 11 und einer entsprechenden Signallaufzeit t im Nanosekunden-Bereich wird die Flanke des reflektierten Mess-Signals r_HF durch eine Auswertungs-Einheit 13 des Messgerätes 1 empfangen. Sofern die Flanke als solche detektiert wird, bestimmt die Auswertungs-Einheit 13 die Signallaufzeit t zwischen dem Einkoppeln und dem Empfang der jeweiligen Flanke gemäß dem TDR-Messprinzip. Dabei ist eine von der Auswertungs-Einheit 13 detektierbare Flanke des reflektierten Mess-Signals r_HF , die in etwa formtreu zur Flanke des ausgesendeten Mess-Signals s_HF ist, wiederum im linken Graphen von 2 dargestellt. Demnach entspricht die Laufzeit t derjenigen Zeit im linken Graphen von 3, an dem das reflektierte Mess-Signal r_HF eine entsprechende Unstetigkeit (also in dem exemplarischen Beispiel bei ca. 3000 Pikosekunden) aufweist. Anhand des obigen Zusammenhanges und der physikalischen Gesetzmäßigkeit $$t\sim \frac{1}{c}$$

  

  kann die Auswertungs-Einheit 13 anhand der gemessenen Signallaufzeit t in diesem Fall den Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 bestimmen.
• Damit die Flanke des reflektierten Mess-Signals r_HF durch die Auswertungs-Einheit 13 detektierbar ist, muss die reflektierte Flanke in Bezug zu der Flanke des ausgesendeten Mess-Signals s_HF in etwa formtreu sein. Das heißt, die oben beschriebene Unstetigkeit der reflektierten Flanke r_HF muss in Form einer definierten Mindest-Krümmung vorliegen, wie es im linken Graphen von 3 der Fall ist.
• Bei der im rechten Graphen von 3 dargestellten Flanke des reflektierten Mess-Signals r_HF ist dies jedoch nicht der Fall: Dort ist es der Auswertungs-Einheit 13 nicht möglich, eine entsprechende Mindest-Krümmung bzw. eine Unstetigkeit im Mess-Signal r_HF zu detektieren, da die Flanke des reflektierten Mess-Signals r_HF keine ausreichende Formtreue mehr zum ausgesendeten Mess-Signal s_HF aufweist. Eintreten kann dies beispielsweise, wenn das Messgerät 1 an einem neuen Behälter 3 mit einem Medium 2 eingesetzt wird, dessen zu messender Dielektrizitätswert-Bereich signifikant von dem des vorherigen Einsatzortes abweicht. Auch eine während des Messbetriebs schleichend eintretende Abnutzung der Mess-Sonde 11 und eine damit verbundene Änderung der Sonden-Geometrie kann ursächlich dafür sein, dass die Filter-Parameter R, C bzw. der Filter-Typ der Filter-Einheit 14 nicht mehr passen, um eine hinreichende Formtreue der reflektierten Flanke zu gewährleisten. Damit das Messgerät 1 beispielsweise in solch einem Fall nicht manuell neu konfiguriert werden muss, ist die Filter-Einheit 14 erfindungsgemäß so ausgelegt, dass ihr Filter-Typ bzw. zumindest einen ihrer Filter-Parameter R, C geändert werden kann.
• Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Filter-Einheit 14 zur Dämpfung des auszusendenden Mess-Signals s_HF einen Dämpfungsfilter 141. Ausgelegt werden kann der Dämpfungsfilter 141 im einfachsten Fall beispielsweise als regelbarer Widerstand R, insbesondere zwischen 0 Ohm und 200 Ohm, wobei dessen Regelung durch eine Analyse-Einheit 15 erfolgt. Damit lediglich das zur Mess-Sonde 11 ausgehende Mess-Signal s_HF durch den Dämpfungsfilter 141 gefiltert wird, ist zwischen dem Dämpfungsfilter 141 und der Mess-Sonde 11 eine entsprechende Signalweiche 16 angeordnet, die das in der Mess-Sonde 11 reflektierte Mess-Signal r_HF zur Auswertungs-Einheit 13 hin abzweigt. Zur Hochpassfilterung des einzukoppelnden und des reflektierten Mess-Signals s_HF , r_HF umfasst die Filter-Einheit zudem einen einstellbaren Hochpass-Filter 142, welcher der Mess-Sonde 11 vorgeschaltet ist. Dabei kann der Hochpassfilter 142 im einfachsten Fall wiederum als regelbarer Kondensator C ausgelegt werden.
• Zwecks Regelbarkeit der Filter-Einheit 14 bietet es sich im Rahmen der Erfindung allgemein an, die Filter-Einheit 14 auf Basis eines FPGA's zu realisieren, da sich bei FPGA's einzelne Schaltungsblöcke allgemein frei konfigurieren lassen können. Somit ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, nicht nur die Filter-Parameter R, C der Filter, 141, 142, sondern beispielsweise auch den Filter-Typ des Dämpfungs-Filters 141 je nachdem, womit eine optimale Formtreue der reflektierten Flanke erreicht werden kann, anzupassen. So kann der Dämpfungsfilter 141 bedarfsabhängig beispielsweise als T-Dämpfungsglied oder als Pi-Dämpfungsglied ausgelegt werden.
• Gesteuert wird die Einstellung der Filter-Parameter R, C bzw. eine etwaige Anpassung des Filter-Typs innerhalb der Filter-Einheit 14 von der Analyse-Einheit 15, wie aus in 2 ersichtlich wird. Wie zuvor beschrieben, stellt hierbei die Formtreue der Flanke im reflektierten Mess-Signal r_HF in Bezug zur ausgesendeten Flanke s_HF die entscheidende Zielgröße dar. Erfindungsgemäß ist die Analyse-Einheit 15 daher ausgelegt, die Formtreue entsprechend zu beurteilen und die Filter-Einheit 14 so einzustellen, dass die Formtreue zumindest ein definiertes Mindestmaß aufweist, bzw. weitestmöglich optimiert wird. Dabei kann die Analyse-Einheit 15 die Formtreue im Rahmen der Erfindung potentiell auf verschiedene Arten ermitteln:
• Einerseits kann ein Korrelations-Faktor zwischen der Flankenform des ausgesendeten Mess-Signals s_HF und der Flankenform des empfangenen Mess-Signals s_HF , r_HF ermittelt werden. Hierzu kann die Analyse-Einheit 15 als Korrelationsmuster beispielsweise eine Pearson-Korrelation oder eine partielle Korrelation anwenden. Daneben ist es außerdem möglich, es wie aus der Nachrichtentechnik bekannt ist, ein SWR-ratio (Akronym für „Standing Wave Ratio“; zu Deutsch „Stehwellenverhältnis“) zwischen dem auszusendenden Mess-Signal s_HF und dem empfangenen Mess-Signal r_HF , zu ermitteln.
• Eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung der Formtreue besteht darin, dass die Analyse-Einheit 15 eine etwaige Unstetigkeit oder eine maximale Krümmung im empfangenen Mess-Signals r_HF ermittelt. Je höher die maximale Krümmung bzw. die Unstetigkeit im empfangenen Mess-Signal r_HF ist, als desto höher wird wiederum die Formtreue eingestuft.
• Die Analyse-Einheit 15 kann im reflektierten Mess-Signal r_HF eine maximale Krümmung ermitteln, obwohl das empfangene Mess-Signal r_HF in der Regel in Form einer Datenreihe vorliegt: In diesem Fall kann die Datenreihe durch die Analyse-Einheit 15 beispielsweise mittels Splines in eine entsprechende Funktion überführt werden. Dabei stellt die zweite Ableitung einer solchen Funktion wiederum das Maß für die Krümmung der Funktion dar. Dementsprechend entspricht der Ort (bzw. die korrespondierende Signallaufzeit t) des Maximums dieser zweiten Ableitung wiederum dem Ort der maximalen Krümmung. Bei Implementierung eines entsprechenden Algorithmus kann die Analyse-Einheit 15 beispielsweise auf solch eine Weise die maximale Krümmung des empfangene Mess-Signals r_HF berechnen.
• Auf Basis der ermittelten Formtreue, beispielsweise in Form des Korrelations-Faktors, des SWR-ratios oder in Form der ermittelten maximalen Krümmung, ist es der Analyse-Einheit 15 möglich, den Filter-Typ bzw. den zumindest einen Filter-Parameter der Filter-Einheit 14 derart einzustellen, dass der Korrelations-Faktor bzw. die maximale Krümmung einen Mindestwert erreicht, also eine definierte Mindest-Formtreue der empfangenen Flanke vorliegt. Weiterführend ist es im Sinne der Erfindung natürlich auch denkbar, dass die Analyse-Einheit 15 den Filter-Typ bzw. den zumindest einen Filter-Parameter R, C der Filter-Einheit 14 derart optimiert, dass auch die Formtreue (beispielsweise wiederum in Form des Korrelations-Faktors, des SWR-ratios oder in Form der ermittelten maximalen Krümmung) einen unter den gegebenen Voraussetzungen maximalen Wert erreicht. Dabei werden die Änderung der Filter-Parameter R, C bzw. des Filter-Typs, und die anschließende Ermittlung der Formtreue im Zuge der Optimierung so lange wiederholt, bis der Korrelations-Faktor bzw. die maximale Krümmung den erforderlichen Mindestwert entweder erreicht oder gegen ihn konvergiert.
• In diesem Zusammenhang kann die Analyse-Einheit 15 bzw. das Messgerät 1 so ausgelegt werden, dass eine Meldung generiert wird, sofern der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung den Mindestwert nicht erreicht sind, oder trotz Optimierung nicht erreicht werden können. Dies kann beispielsweise der übergeordneten Einheit 4 mitgeteilt werden, um mitzuteilen, dass das Messgerät 1 derzeit nicht funktionsfähig ist.
• Im Rahmen der Optimierung ist der Algorithmus, auf dessen Basis die Analyse-Einheit 15 den Filter-Typ bzw. die Filter-Parameter R, C der Filter-Einheit 14 optimiert, ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Als Optimierungsmethode bietet sich in diesem Zusammenhang die „Least Square“-Optimierung an. Zusammenfassend ist das Verfahren, mit dem die Analyse-Einheit 15 die Filter-Einheit 14 hinsichtlich der Formtreue des empfangenen Mess-Signals r_HF optimal einstellt, in 4 dargestellt.
• Bezugszeichenliste

1

TDR-basiertes Dielektrizitätswert-Messgerät

2

Medium

3

Behälter

4

Übergeordnete Einheit

11

Mess-Sonde

12

Signalerzeugungs-Einheit

13

Auswertungs-Einheit

14

Filter-Einheit

15

Analyse-Einheit

141

Dämpfungsfilter

142

Hochpassfilter

C, R

Filter-Parameter

c

Ausbreitungsgeschwindigkeit

DK

Dielektrizitätswert

rHF

Reflektiertes Mess-Signal

sHF

Flankenbasiertes Mess-Signal

t

Signallaufzeit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 0622628 A2 [0004, 0019]

Claims (10)

1. TDR-basiertes Messgerät zur Messung des Dielektrizitätswertes (DK) eines Mediums (2), umfassend: - Eine mit dem Medium (2) in Kontakt bringbare Mess-Sonde (11), - eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, gemäß dem TDR-Messprinzip ein flankenbasiertes Mess-Signal (s_HF) in die Mess-Sonde (11) einzukoppeln, - eine Auswertungs-Einheit (13), die ausgelegt ist, um o nach Reflektion in der Mess-Sonde (11) das reflektierte, Flankenbasierte Mess-Signal (r_HF) zu empfangen, o gemäß dem TDR-Messprinzip eine Signallaufzeit zwischen dem Einkoppeln und dem Empfang der jeweiligen Flanke zu ermitteln, anhand der Signallaufzeit den Dielektrizitätswert (DK) zu bestimmen, gekennzeichnet durch - eine Filter-Einheit (14), die ausgelegt ist, o das auszusendende und/oder das reflektierte Flankenbasierte Mess-Signal (SHF, rHF) zu filtern, und o ihren Filter-Typ und/oder zumindest einen Filter-Parameter (R, C) zu ändern, und - eine Analyse-Einheit (15), die ausgelegt ist, o einen Korrelations-Faktor zwischen der Flankenform des ausgesendeten und des empfangenen Mess-Signals (SHF, rHF), ein SWR-ratio, oder eine maximale Krümmung des empfangenen Mess-Signals (r_HF) zu ermitteln, und o den Filter-Typ und/oder den zumindest einen Filter-Parameter (R, C) der Filter-Einheit (14) derart einzustellen, so dass der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio und/oder die maximale Krümmung einen Mindestwert erreicht oder gegen den Mindestwert konvergiert.
2. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Filter-Einheit (14) zur Filterung des ausgehenden Signals (s_HF) einen Dämpfungsfilter (141) umfasst.
3. Messgerät nach Anspruch 2, wobei der Dämpfungsfilter (141) als Filter-Typ auf einem T-Dämpfungsglied, einem Pi-Dämpfungsglied oder auf einem regelbaren Ohm'schen Widerstand basiert.
4. Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Filter-Einheit (14) zur Filterung des ausgehenden Signals (s_HF) und des reflektierten Signals (r_HF) einen Hochpassfilter (142) umfasst.
5. Messgerät nach Anspruch 4, wobei der Hochpass-Filter (142) als Filter-Typ auf einem regelbaren Kondensator basiert.
6. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die variabel einstellbare Filter-Einheit (14) als FPGA ausgelegt ist.
7. Verfahren zur Parametrisierung des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einkoppeln des flankenbasierten Mess-Signals (s_HF) in die Mess-Sonde (11) über die variabel einstellbare Filter-Einheit (14), - Empfang des reflektierten Flanken-basierten Mess-Signals (r_HF), - Ermittlung eines Korrelations-Faktors zwischen der Flankenform des ausgesendeten und des empfangenen Mess-Signals (s_HF, rH_F), oder Ermittlung der maximalen Krümmung des reflektierten Mess-Signals (r_HF), - Änderung des zumindest einen Filter-Parameters und/oder des Filter-Typs der Filter-Einheit (14), sofern der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung einen Mindestwert nicht erreicht, und - Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, bis der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung den Mindestwert erreicht oder gegen den Mindestwert konvergiert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei, sofern der Korrelations-Faktor ermittelt wird, als Korrelations-Muster eine Pearson-Korrelation oder eine partielle Korrelation verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zumindest eine Filter-Parameter und/oder der Filter-Typ entsprechend einem vordefinierten Optimierungs-Algorithmus, insbesondere einer „Least-Square“-Optimierung geändert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, wobei ein Signal generiert wird, sofern, sofern der Korrelations-Faktor, das SWR-ratio bzw. die maximale Krümmung den Mindestwert nicht erreicht bzw. nicht gegen den Mindestwert konvergiert.

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