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Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Phasen-basierten Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser 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, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität“) diverser Medien ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen und gasförmigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern, Gasen oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung darstellen. Ein mögliches Messprinzip zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes besteht darin, die Phasenlage bzw. die Phasenverschiebung von Hochfrequenz-Signalen zu messen. Hierbei wird ein Hochfrequenz-Signal mit zumindest einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in eine Messstrecke eingekoppelt und nach Reflektion oder Transmission ein entsprechendes Empfangssignal bezüglich seiner Phasenlage zum ausgesendeten Hochfrequent-Signal ausgewertet. Dabei bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz-Signal“ bzw. „Radar“ im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 0.1 GHz und 30 GHz.
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Beschrieben ist ein phasenbasiertes Dielektrizitätswert-Messgerät beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
DE 10 2017 130728 A1 . Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Signalgeschwindigkeit und somit die Phasenlage vom Dielektrizitätswert desjenigen Mediums abhängt, das entlang der Messstrecke vorherrscht. Prinzipiell wird hierbei zwischen einer relativen und einer absoluten Phasenmessung unterschieden, wobei im Falle einer absoluten Phasenmessung zusätzlich eine so genannte Quadranten-Korrektur durchgeführt wird.
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Die Messstrecke kann beispielsweise in Form einer Mess-Sonde, in der das Hochfrequenz-Signal geführt wird, realisiert sein. Andernfalls kann es sich bei der Messstrecke auch um einen definierten Probenbereich für das Medium handeln, der von dem Hochfrequenz-Signal als frei abgestrahltes Radar-Signal durchlaufen wird. Unabhängig von der Auslegung der Messstrecke ist die gemessene Phasenlage jedoch stark abhängig von Bauteil- oder Umweltbedingtem Rauschen im Empfangssignal, vor allem durch Fremdeinstrahlung. Eine Software-basierte Korrektur ist diesbezüglich jedoch nur bedingt möglich, da hierdurch gegebenenfalls physikalisch unplausible Messwerte generiert werden. Insbesondere bei einer breitbandigen relativen Phasenmessung können einzelne Grad Phasenrauschen den Messwert bereits um mehrere Quadranten verschieben. Dies ist insbesondere kritisch bei Messverfahren, bei denen aus der Phasenlage eine Steigung der Phase bestimmt wird, da sich in diesem Fall ein Offset- und Steigungs-Fehler ergibt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein robustes Dielektrizitätswert-Messgerät bereitzustellen, das auf Phasenmessung von Hochfrequenz-Signalen basiert.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein entsprechendes Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums. Dafür umfasst das Messgerät zumindest folgende Komponenten:
- - Eine Messstrecke, die in Kontakt mit dem Medium gebracht werden kann,
- - Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein Hochfrequenz-Signal mit einer definierten Frequenz in die Messstrecke einzukoppeln, und
- - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
- ◯ nach Durchlaufen der Messstrecke das Hochfrequenz-Signal als entsprechendes Empfangs-Signal zu empfangen,
- ◯ um beispielsweise mittels eines Netzwerkanalysators oder eines Phasendetektors, wie einer Gilbert-Zelle eine Phasenverschiebung zwischen dem Hochfrequenz-Signal und dem Empfangs-Signal zu ermitteln, und
- ◯ um anhand der ermittelten Phasenverschiebung den Dielektrizitätswert des Mediums zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät zudem zumindest einen für die Frequenz des Hochfrequenz-Signals durchlässigen Filter. Dabei ist der Filter so angeordnet, dass das empfangene Empfangs-Signal und/oder das erzeugte Hochfrequenz-Signal gefiltert werden/wird. Somit wird sichergestellt, dass der ermittelte Dielektrizitätswert nicht durch Bauteil- oder Umwelt-bedingtes Rauschen verfälscht wird. Vorzugsweise ist der Filter als Tiefpassfilter auszulegen. In diesem Fall kann der bzw. die Tiefpassfilter derart als Filter ungerader Ordnung, insbesondere erster Ordnung, ausgelegt werden, dass der entsprechende Tiefpassfilter unterhalb einer zuvor festgelegten, unteren Grenzfrequenz sperrt und oberhalb einer oberen Grenzfrequenz, die kleiner als die Frequenz des Hochfrequenz-Signals ist, leitet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den oder die Tiefpassfilter so auszulegen, dass der/die Tiefpassfilter unterhalb der unteren Grenzfrequenz eine in etwa konstante Phasenverzögerung aufweist/aufweisen. Hierdurch wird die Dielektrizitätswert-Messung robuster gegenüber Fertigungstoleranzen der elektronischen Messgeräte-Komponenten und gegenüber thermischen Einflüssen.
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Die Frequenz bzw. das Frequenzband, mit der die Signalerzeugungs-Einheit des erfindungsgemäßen Messgerätes das Hochfrequenz-Signal erzeugt, ist abhängig vom Medium bzw. in Abhängigkeit des Messbereichs zu einzustellen. Je nach Dielektrizitätswert-Spanne muss die Signalerzeugungs-Einheit daher entsprechend ausgelegt sein, um das elektrische Hochfrequenz-Signal mit einer insbesondere veränderlichen Frequenz zwischen 0,1 GHz und 30 GHz zu erzeugen, im Fall von wasserhaltigen Medien vorzugsweise zwischen 5 GHz und 8 GHz. Die Auswertungs-Einheit ist hierzu korrespondierend auszulegen, um die Phasenverschiebung bei eben dieser Frequenz detektieren zu können.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Messstrecke beispielsweise als elektrisch oder dielektrisch leitfähige Mess-Sonde ausgelegt werden, wobei die Mess-Sonde zur Einkopplung des Hochfrequenz-Signals in diesem Fall über ein erstes Sonden-Ende mit der Signalerzeugungs-Einheit zu kontaktieren ist. Bei solch einer Auslegung der Messstrecke kann die Mess-Sonde am ersten Sonden-Ende (beispielsweise über eine Sende-/Empfangs-Weiche) auch mit der Auswertungs-Einheit kontaktiert werden. Hierdurch wird das Hochfrequenz-Signal am zweiten, gegenüberliegenden Sonden-Ende als Empfangs-Signal reflektiert, wodurch es von der Auswertungs-Einheit empfangen werden kann.
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Alternativ kann die Mess-Sonde, gegenüberliegend zur Signalerzeugungs-Einheit, über das zweite Sonden-Ende mit der Auswertungs-Einheit kontaktiert sein. In diesem Fall wird das Hochfrequenz-Signal nach Transmission durch die Mess-Sonde von der Auswertungs-Einheit am zweiten Sonden-Ende als Empfangs-Signal empfangen.
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Im Gegensatz zu einer Auslegung als Mess-Sonde kann die Messstrecke auch als definierter Probenbereich für das Medium konzipiert sein, der von dem Hochfrequenz-Signals sHF als frei abgestrahltes Radar-Signal durchlaufen wird. Hierzu muss die Signalerzeugungs-Einheit eine Sende-Antenne umfassen, die ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal auszusenden. Die Auswertungs-Einheit muss eine entsprechende Empfangs-Antenne umfassen. Dabei sind die Antennen derart gegenüberliegend am Probenraum anzuordnen bzw. auszurichten, dass die Empfangs-Antenne das Radar-Signal nach Durchgang durch das Medium entsprechend als Empfangs-Signal empfängt.
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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 Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
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Korrespondierend zu dem erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerät gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Messgerätes gelöst. Demnach umfasst das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte:
- - Einkoppeln des Hochfrequenz-Signals in die Messstrecke mit einer definierten Frequenz,
- - Empfang eines entsprechenden Empfangs-Signals nach Durchlaufen der Messstrecke,
- - Filtern des Empfangs-Signals und/oder des Hochfrequenz-Signals,
- - Ermittlung einer Phasenverschiebung zwischen dem Empfangs-Signal und dem Hochfrequenz-Signal, und
- - Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Phasenverschiebung.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Dielektrizitätswert-Messung eines Mediums in einem Behälter,
- 2: ein prinzipielles Schaltbild des erfindungsgemäßen Messgerätes,
- 3: ein Graph des Amplituden- und Phasen-Spektrums des Filters, und
- 4: eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Filters.
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Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerätes 1 ist in 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 3, der mit einem Medium 2 befüllt ist, gezeigt: Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums 2 ist das Messgerät 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 3, bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Hierzu ist das Messgerät 1 in etwa formschlüssig zur BehälterInnenwand angebracht. Bei dem Medium 2 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 2, wie bspw. Getreide.
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Das Messgerät 1 kann 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 der Dielektrizitätswert 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.
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Wie in 1 schematisch dargestellt ist, umfasst das Messgerät 1 eine Mess-Sonde 11, die sich nach der Installation in das Innere des Behälters 3 erstreckt. Hierdurch ist die Mess-Sonde 11 bei entsprechendem Mindest-Füllstand des Mediums 2 in Kontakt mit dem Medium 2, so dass das Messgerät 1 über die Mess-Sonde 11 den Dielektrizitätswert des Mediums 2 ermitteln kann.
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Grundlegend basiert das Messgerät 1 auf einem Hochfrequenz-Signal sHF , das in die Mess-Sonde 11 eingeprägt wird, wodurch das elektromagnetische Nah-Feld des Hochfrequenz-Signals sHF in das Medium 2 eindringt. Hierzu ist die Mess-Sonde 11 elektrisch oder dielektrisch leitfähig ausgelegt, so dass eine entsprechend ausgelegte Signalerzeugungs-Einheit 12 des Messgerätes 1 (siehe 2) das Hochfrequenz-Signal sHF in ein erstes Sonden-Ende 111 einkoppeln kann. Dabei ist die Sonden-Geometrie bzw. die Länge d auf das entsprechende Medium 2 anzupassen. Die Signalerzeugungs-Einheit 12 kann beispielsweise auf einem steuerbaren Hochfrequenzoszillator beruhen, dessen Frequenz durch eine „Phase Locked Loop“ geregelt wird. Dabei ist die Frequenz fHF bzw. das Frequenzband des Hochfrequenz-Signals sHF auf den konkreten Typ an Medium 2 bzw. den konkreten Wertebereich des zu messenden Dielektrizitätswertes abzustimmen. Für Medien 2, die einen hohen Wasseranteil aufweisen, bietet sich dementsprechend eine Frequenz fHF zwischen 0,433 GHz und 6 GHz an. Vorteilhaft an der Nutzung mehrerer unterschiedlicher Einzel-Frequenzen oder eines Frequenzbandes ist zum einen die Möglichkeit, zusätzlich die Dichte des Mediums 2 bestimmen zu können. Anderseits kann im Falle negativer Interferenzen bei einer konkreten Einzelfrequenz auf alternative Einzelfrequenzen ausgewichen werden.
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Anhand eines am gegenüberliegenden, zweiten Sonden-Ende 112 der Mess-Sonde 11 entsprechend reflektierten Empfangs-Signals rHF kann der Dielektrizitätswert des Mediums 2 durch eine Auswertungs-Einheit 13 bestimmt werden, wobei die Auswertungs-Einheit 13 bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hierzu wiederum am ersten Sonden-Ende 111 angeschlossen ist. Zum Splitten der Signale sHF , rHF sind die Signalerzeugungs-Einheit 12 und die Auswertungs-Einheit 13 über eine Sende-/Empfangs-Weiche mit dem ersten Sonden-Ende 111 verbunden. Anstelle einer Kontaktierung der Auswertungs-Einheit 13 am ersten Sonden-Ende 111, wie es in 2 dargestellt ist, kann die Auswertungs-Einheit 13 prinzipiell auch am gegenüberliegenden, zweiten Sonden-Ende 112 angeschlossen sein. In diesem Fall empfängt die Auswertungs-Einheit 13 als Empfangs-Signal rHF den transmittierten Anteil des eingekoppelten Hochfrequenz-Signals sHF , so dass keine Sende-/Empfangs-Weiche 15 am ersten Sonden-Ende 111 erforderlich ist.
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Abweichend zu der in
2 gezeigten Mess-Sonde
11 kann als Messstrecke alternativ auch ein Probenbereich für das Medium
2 definiert werden, wie es beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
DE 10 2017 130728 A1 gezeigt ist: Hierbei wird die Messstrecke durch eine Sende-Antenne zum Aussenden des Hochfrequenz-Signals
sHF als Radar-Signal, und durch eine Empfangs-Antenne zum Empfang des entsprechenden Empfangs-Signals
rHF definiert. Dazu sind die Antennen in einem entsprechenden Abstand
d gegenüberliegend zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet.
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Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums 2 ermittelt die Auswertungs-Einheit 13 eine Phasenverschiebung φ zwischen dem eingekoppelten Hochfrequenz-Signal sHF und dem Empfangs-Signal rHF . Hierbei kann die Auswertungs-Einheit 13 eine absolute Phasenmessung durchführen, also zwischen 0° Phasenverschiebung und theoretisch unendlich. Oder die Phasenmessung wird als relative Messung zwischen 0° und 360° durchgeführt, also ohne zusätzliche Quadranten-Korrektur. Zwecks Abgleich der Phasenverschiebung φ in Bezug zur Phasenlage des Hochfrequenz-Signals sHF kann die Auswertungs-Einheit 13, wie in 2 dargestellt ist, über einen Signalteiler 16 an die Signalerzeugungs-Einheit 12 angekoppelt sein. Dabei kann die Auswertungs-Einheit 13 zur Messung der Phasenverschiebung φ beispielsweise einen Netzwerkanalysator oder einen Phasendetektor, wie beispielsweise eine Gilbert-Zelle umfassen. Anhand der gemessenen Phasenverschiebung φ kann die Auswertungs-Einheit 13 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibrations-Messreihe, wiederum den Dielektrizitätswert des Mediums 2 bestimmen.
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Das anhand von 2 dargestellte Messprinzip der Phasen-basierten Dielektrizitätswert-Messung bietet den Vorteil, dass der Dielektrizitätswert mit hoher Empfindlichkeit bestimmbar ist. Dementsprechend anfällig ist dieses Messprinzip jedoch auch gegenüber Bauteil-internen oder externen Rauschquellen.
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Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät 1 daher einen für die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF durchlässigen ersten Tiefpassfilter 14, der im Empfangspfad vor der Auswertungs-Einheit 13 angeordnet ist. Hierzu ist der erste Tiefpassfilter 14 so auf das Hochfrequenz-Signal sHF abgestimmt, dass unterhalb einer definierten unteren Grenzfrequenz fg,l die entsprechenden Signalanteile des Hochfrequenz-Signals sHF mit mindestens -10 dB, insbesondere mindestens -80 dB unterdrückt werden. Oberhalb einer definierten, oberen Grenzfrequenz fg,h , die kleiner als die Frequenz fHF des Hochfrequenz-Signals sHF bzw. des Empfangs-Signals rHF ist, leitet der erste Tiefpassfilter 14 das Empfangs-Signal rHF mit einer möglichst geringen Dämpfung von maximal -10 dB. Dargestellt ist diese Charakteristik schematisch in dem Graph von 3. Somit wird durch den ersten Tiefpassfilter 14 im Empfangs-Signal rHF etwaiges Rauschen, das die Bestimmung des Dielektrizitätswertes beeinträchtigen kann, unterdrückt.
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Aus gleichem Grund ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Messgerätes 1 außerdem ein zweiter Tiefpassfilter 14' im Signalpfad des Hochfrequenz-Signals sHF zwischen der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Sende-/Empfangs-Weiche 15 angeordnet. Dabei weist auch der zweite Tiefpassfilter 14' vorzugsweise die in 3 dargestellten Filter-Charakteristika auf. Anstelle der zwei Tiefpassfilter 14, 14' ist es ebenso denkbar, einen entsprechenden Filter zwischen der Sende-/Empfangs-Weiche 15 und dem ersten Sonden-Ende 111 der Mess-Sonde 11 anzuordnen (nicht in 2 dargestellt).
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In 3 ist außerdem eine weiterführende, vorteilhafte Auslegung der zwei Tiefpassfilter 14, 14' gezeigt: Demnach werden unterhalb der unteren Grenzfrequenz fg,l entsprechende Signalanteile des Hochfrequenz-Signals sHF zwischen Eingang und Ausgang des Tiefpassfilters 14 mit einer in Bezug zur Frequenz fHF in etwa konstanten Phasenverzögerung σ zwischen insbesondere 30 ° und 200 ° verzögert. Oberhalb der unteren Grenzfrequenz fg,l nimmt die Phasenverzögerung σ in der schematischen Darstellung linear ab, so dass der Tiefpassfilter 14 das Empfangssignal rHF oberhalb der oberen Grenzfrequenz fg,h ohne signifikante Phasenverzögerung σ also weniger als 10 ° durchleitet. Durch dieses Frequenz-abhängige Phasenverhalten ergibt sich der Vorteil, dass die Dielektrizitätswert-Messung robuster gegenüber Fertigungstoleranzen der elektronischen Messgeräte-Komponenten und gegenüber thermischen Einflüssen wird.
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Eine mögliche Variante zur Realisierung des Tiefpassfilters 14, welcher die in 3 dargestellten Eigenschaften aufweist, ist in 4 dargestellt. Bei dieser Variante ist der Tiefpassfilter 14 als zweidimensionale Leiterbahnstruktur 141 auf einem Leiterkartensubstrat 142 ausgelegt. Dabei kann als Leiterbahnmaterial beispielsweise eine strukturierbare Kupfer- oder SilberSchicht verwendet werden. Kennzeichnend für die Leiterbahnstruktur 141 ist hierbei eine serielle Anordnung von drei prinzipiell gleichflächigen Rechtecken, die im Vergleich zur äußeren Kontaktierung durch zwei um ca. 2/3 verjüngte Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Dabei wird das zu filternde Signal rHF , sHF über eine der zwei äußeren Kontaktierungen zugeführt und nach entsprechender Filterung über die andere äußere Kontaktierung abgegriffen. Aufgrund des in Pfadrichtung symmetrischen Aufbau des in 4 dargestellten Tiefpassfilters 14, 14' ist es prinzipiell irrelevant, welcher der zwei äußeren Kontaktierungen als Eingang bzw. als Ausgang dient.
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Das mittlere Rechteck weist, wie in 4 dargestellt ist, im Gegensatz zu den zwei äußeren Rechtecken eine Asymmetrie in Form einer einseitig ergänzenden Struktur auf. Hierdurch bildet der Tiefpassfilter 14 entsprechende Eigenschaften ungerader Ordnung, so dass das in 3 gezeigte frequenzabhängige Transmissionsverhalten der Signalamplitude AHF resultiert. Es versteht sich von selbst, dass der Tiefpassfilter 14, 14' anstelle der in 4 dargestellten Ausführungsvariante ebenso hybrid mit entsprechend ungerader Ordnung realisiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Medium
- 3
- Behälter
- 4
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Mess-Sonde
- 12
- Signalerzeugungs-Einheit
- 13
- Auswertungs-Einheit
- 14,14'
- Filter
- 15
- Sende-/Empfangs-Weiche
- 16
- Signalteiler
- 111
- Erstes Sonden-Ende
- 112
- Zweites Sonden-Ende
- 141
- Leiterbahnstruktur
- 142
- Leiterkartensubstrat
- AHF
- Signalstärke am Filter
- d
- Länge der Mess-Sonde
- fHF
- Frequenz des Hochfrequenz- bzw. Empfangs-Signals
- fg,l
- Untere Grenzfrequenz
- fg,h
- Obere Grenzfrequenz
- rHF
- Empfangs-Signal
- sHF
- Hochfrequenz-Signal
- φ
- Phasenverschiebung
- σ
- Phasenverzögerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017130728 A1 [0004, 0021]
