DE102020100861A1 - Measuring device for determining a dielectric value - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums (2), bei dem keine der Komponenten in das Medium (2) hineinragen muss. Hierzu basiert das Messgerät (1) auf einer Antennen-Anordnung (11), die zumindest zwei unterschiedlich lange und speziell angeordnete Spulenkerne (111, 111') umfasst. Dabei ist zur Einprägung eines Hochfrequenz-Signals (SHF) auf mindestens einen der Spulenkerne (111, 111') eine Spule (113, 113') aufgewickelt. Der Dielektrizitätswert wird durch Abgreifen eines entsprechenden Empfangssignals rHFan der bzw. den Spulen (113, 113') ermittelt. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Magnete (111, 111') bzw. der Spulen (113, 113') kann die Antennen-Anordnung (11) zum Medium (2) hin flach abschließend realisiert werden, wobei das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals (SHF) zu Bestimmung des Dielektrizitätswertes dennoch ausreichend tief in das Medium (2) eindringen kann.The invention relates to a measuring device (1) for determining the dielectric value of a medium (2), in which none of the components have to protrude into the medium (2). For this purpose, the measuring device (1) is based on an antenna arrangement (11) which comprises at least two specially arranged coil cores (111, 111 ') of different lengths. A coil (113, 113 ') is wound onto at least one of the coil cores (111, 111') to impress a high-frequency signal (SHF). The dielectric value is determined by tapping off a corresponding received signal rHFan the coil or coils (113, 113 '). This arrangement according to the invention of the magnets (111, 111 ') or the coils (113, 113') allows the antenna arrangement (11) to be implemented flat towards the medium (2), with the near field of the high-frequency signal (SHF ) can nevertheless penetrate sufficiently deep into the medium (2) to determine the dielectric value.
Description
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums.The invention relates to a measuring device for determining a dielectric value of a medium.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu erfassenden 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.In automation technology, in particular for process automation, field devices are often used that are used to record various measured variables. The measured variable to be recorded can be, for example, a level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pH value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process plant. To acquire the corresponding measured values, the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement methods. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätszahl“ 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, die Stoffkonzentration bzw. die Stoffzusammensetzung darstellen kann. Mögliche Messprinzipien zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes bestehen darin, die Amplitude, die Phasenverschiebung oder die Signal-Laufzeit von Hochfrequenz-Signalen zu messen. Hierbei wird ein Hochfrequenz-Signal mit einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in das Medium eingekoppelt und ein entsprechendes Empfangssignal bezüglich seiner Amplitude, Phasenlage oder Signallaufzeit in Bezug zum ausgesendeten Hochfrequenz-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.The determination of the dielectric value (also known as "dielectric constant" or "relative permittivity") of various media is of great interest for solids as well as for liquid and gaseous filling goods such as fuels, waste water, gases or chemicals, as this value is a reliable one Indicator for impurities, the moisture content, the substance concentration or the substance composition can represent. Possible measuring principles for determining the dielectric value are to measure the amplitude, the phase shift or the signal transit time of high-frequency signals. Here, a high-frequency signal with a defined frequency or within a defined frequency band is coupled into the medium and a corresponding received signal is evaluated with regard to its amplitude, phase position or signal propagation time in relation to the transmitted high-frequency signal. The term “high frequency signal” or “radar” in the context of this patent application refers to corresponding signals with frequencies between 0.1 GHz and 30 GHz.
Ein phasenbasiertes Dielektrizitätswert-Messgerät wird beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes mittels Signallaufzeit-Messung kann beispielsweise das TDR-Prinzip (TDR ist ein Akronym für „Time Domain Reflectometry“; zu Deutsch „Zeitbereichsreflektometrie“) angewendet werden. Bei diesem Messprinzip sendet der Sensor ein pulsförmiges Hochfrequenz-Signal mit einer Frequenz zwischen 0,1 GHz und 150 GHz entlang einer elektrisch leitfähigen Mess-Sonde aus und misst die Laufzeit des Pulses bis zum Empfang des reflektierten Hochfrequenz-Signals. Dabei wird der Effekt genutzt, dass die Pulslaufzeit abhängig vom Dielektrizitätswert desjenigen Stoffes ist, der die Mess-Sonde umgibt. Beschrieben ist das Funktionsprinzip von TDR-Sensoren beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
Unabhängig vom Messprinzip muss die Mess-Sonde des Messgerätes bei den gängigen Realisierungsvarianten in das Medium hineinstehen, damit das Medium bzw. dessen Dielektrizitätswert Einfluss auf die Phasen- oder Laufzeit-Messung hat. Insbesondere, wenn der Dielektrizitätswert in engen Rohren oder in Behältern mit Rührwerken oder Vergleichbarem zu messen ist, ist eine geeignete Montage des Messgerätes am Behälter gegebenenfalls nicht möglich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines bereitzustellen, bei dem keine der Komponenten in das Medium hineinstehen muss.Regardless of the measuring principle, the measuring probe of the measuring device must protrude into the medium in the common implementation variants so that the medium or its dielectric value has an influence on the phase or transit time measurement. In particular, if the dielectric value is to be measured in narrow pipes or in containers with agitators or something similar, it may not be possible to mount the measuring device appropriately on the container. The invention is therefore based on the object of providing a measuring device for determining the dielectric value of a device in which none of the components have to protrude into the medium.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums. Hierzu umfasst das Messgerät zumindest folgende Komponenten:
- - Eine Antennen-Anordnung, bestehend aus:
- ◯ Zumindest zwei Spulenkernen mit
- • einer überwiegend geraden Achse, die jeweils eine unterschiedliche Achslänge und einen entsprechenden Achs-Mittelpunkt aufweisen, und mit
- • endseitigen Abwinklungen an den Achs-Enden,
- • dass die Achs-Mittelpunkte auf einem gemeinsamen Normalenvektor liegen,
- • dass die Achsen der Spulenkerne in jeweils einer Ebene, welche jeweils orthogonal zum Normalenvektor verläuft, ausgerichtet sind, und
- • dass die Abwinklungen in etwa parallel zum Normalenvektor verlaufen, und
- • dass, sofern das Messgerät mit gen Medium gerichtetem Normalenvektor angeordnet ist, die Spulenkerne mit zunehmender Achslänge weiter vom Medium entfernt sind, und
- ◯ zumindest einer Spule, die auf einen der Spulenkerne aufgewickelt ist,
- ◯ Zumindest zwei Spulenkernen mit
- - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um in zumindest eine der zumindest einen Spule ein Hochfrequenz-Signal einzukoppeln, und
- - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
- ◯ aus zumindest einer der zumindest einen Spule ein Empfangssignal auszukoppeln, und um
- ◯ anhand des Empfangssignals, insbesondere einer Phasenlage oder einer Amplitude des Empfangssignals, den Dielektrizitätswert zu bestimmen.
- - An antenna arrangement consisting of:
- ◯ At least two coil cores with
- • a predominantly straight axis, each with a different axis length and a corresponding axis center point, and with
- • end bends at the axle ends,
- • that the center points of the axes lie on a common normal vector,
- • that the axes of the coil cores are each aligned in a plane which is orthogonal to the normal vector, and
- • that the bends run roughly parallel to the normal vector, and
- • that, if the measuring device is arranged with a normal vector directed towards the medium, the coil cores are further away from the medium with increasing axial length, and
- ◯ at least one coil that is wound onto one of the coil cores,
- ◯ At least two coil cores with
- a signal generation unit which is designed to couple a high-frequency signal into at least one of the at least one coil, and
- - An evaluation unit which is designed to
- ◯ to decouple a received signal from at least one of the at least one coil, and to
- ◯ to determine the dielectric value on the basis of the received signal, in particular a phase position or an amplitude of the received signal.
Dabei kann entweder auf jeden der Spulenkerne jeweils eine Spule aufgewickelt sein, oder zumindest derjenige/diejenigen Spulenkern/-kerne, auf die keine Spule aufgewickelt ist/sind, wird/werden als Permanentmagnet ausgelegt. Durch diese erfindungsgemäßen Anordnung der Magnete bzw. der Spulen kann eine zum Medium hin flach abschließende Antennen-Anordnung realisiert werden, mit der das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals zu Bestimmung des Dielektrizitätswertes hinreichend tief in das Medium eindringen kann.Either a coil can be wound onto each of the coil cores, or at least that / those coil cores / cores on which no coil is / are wound is / are designed as a permanent magnet. This inventive arrangement of the magnets or the coils allows an antenna arrangement to be realized that closes flatly towards the medium and with which the near field of the high-frequency signal can penetrate the medium sufficiently deep to determine the dielectric value.
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.In the context of the invention, the term “unit” is understood to mean in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the dielectric value measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.
Damit das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals hinreichend tief in das Medium eindringt, ist es vorteilhaft, wenn das Messgerät vier oder mehr Spulenkerne umfasst. Zum gleichen Zweck ist es außerdem vorteilhaft, wenn die zumindest zwei Spulenkerne in Bezug zum Normalenvektor in einem Abstand von höchstens 1/2 der jeweils kürzeren Achslänge zueinander angeordnet sind. Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die zumindest zwei Spulenkerne in Bezug zum Normalenvektor insbesondere um einen definierten Winkel zueinander verdreht sind. Hierdurch wird das Volumen des durchdrungenen Mediums erhöht. Dabei ist es zu einer symmetrischen Feld-Verteilung vorteilhaft, wenn der jeweilige Winkel 360°, geteilt durch zweimal die Anzahl an Spulenkernen beträgt, bzw. wenn die Verdrehung pro Spulenkern mit zunehmender Achslänge bzw. mit zunehmendem Abstand zum Medium im oder gegen den Uhrzeigersinn monoton zunimmt.So that the near field of the high-frequency signal penetrates sufficiently deeply into the medium, it is advantageous if the measuring device comprises four or more coil cores. For the same purpose it is also advantageous if the at least two coil cores are arranged in relation to the normal vector at a distance of at most 1/2 of the respective shorter axial length from one another. In addition, it is advantageous if the at least two coil cores are rotated with respect to the normal vector, in particular by a defined angle to one another. This increases the volume of the penetrated medium. It is advantageous for a symmetrical field distribution if the respective angle is 360 ° divided by twice the number of coil cores, or if the rotation per coil core is monotonous with increasing axis length or with increasing distance from the medium clockwise or counterclockwise increases.
Sofern auf mehr als einen Spulenkern eine Spule aufgewickelt ist, kann das Messgerät außerdem eine entsprechend ausgelegte Phasenverzögerungseinheit umfassen, mittels der das Hochfrequenz-Signal unter einer definierten Phasenverschiebung in die Spulen einkoppelbar ist. Hierbei ist die Phasenverzögerungseinheit vorzugsweise derart auszulegen, dass die jeweilige Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen 360°, geteilt durch die Anzahl an Spulen beträgt, bzw. dass die Absolut-Phasenverschiebung in Bezug zur Phasenlage des Hochfrequenz-Signals am kürzesten Spulenkern pro Spulenkern mit zunehmender Achslänge monoton zunimmt. Auch hierdurch wird eine tiefere Eindringung des Hochfrequenz-Signals in das Medium bewirkt. Zur Erzielung dieses Effektes kann die Signalerzeugungs-Einheit außerdem so ausgelegt werden, dass das Hochfrequenz-Signal in die Spule desjenigen Spulenkerns, der die größte Achslänge aufweist, in Bezug zu den Amplituden des Hochfrequenz-Signals an den anderen Spulen mit der größten Amplitude eingekoppelt wird, bzw. dass das Hochfrequenz-Signal in die Spule desjenigen Spulenkerns, der die kleinste Achslänge aufweist, in Bezug zu den Amplituden des Hochfrequenz-Signals an den anderen Spulen mit der geringsten Amplitude eingekoppelt wird. Es versteht sich von selbst, dass das Messgerät bei solch einer Auslegung mehrere Spulen umfassen muss.If a coil is wound onto more than one coil core, the measuring device can also include a correspondingly designed phase delay unit by means of which the high-frequency signal can be coupled into the coils with a defined phase shift. The phase delay unit should preferably be designed in such a way that the respective phase shift between the individual coils is 360 ° divided by the number of coils, or that the absolute phase shift in relation to the phase position of the high-frequency signal on the shortest coil core per coil core with increasing axis length increases monotonically. This also causes the high-frequency signal to penetrate deeper into the medium. To achieve this effect, the signal generation unit can also be designed in such a way that the high-frequency signal is coupled into the coil of the coil core with the greatest axial length in relation to the amplitudes of the high-frequency signal at the other coils with the greatest amplitude , or that the high-frequency signal is coupled into the coil of the coil core that has the smallest axial length in relation to the amplitudes of the high-frequency signal at the other coils with the lowest amplitude. It goes without saying that the measuring device must include several coils in such a design.
Die Frequenz, mit der das Hochfrequenz-Signal erzeugt wird, ist prinzipiell in Abhängigkeit des Dielektrizitätswert-Messbereichs zu wählen. Bei einem Messbereich des Dielektrizitätswertes zwischen 2 und 140 (umfasst neben wässrigen Medien Gase mit 1 bis 1,5 und ölige Messmedien mit 2 bis 20) ist die Signalerzeugungs-Einheit entsprechend auszulegen, um das elektrische Hochfrequenz-Signal mit einer Frequenz zwischen 0,1 GHz und 30 GHz zu erzeugen. Bei wässrigen Medien, deren Dielektrizitätswert ca. 80 bis 100 beträgt, ist das Hochfrequenz-Signal vorzugsweise entsprechend mit einer Frequenz zwischen 5 GHz und 8 GHz zu erzeugen. Auch die Achslänge der Spulenkerne ist unter anderem in Abhängigkeit des Dielektrizitätswert-Messbereichs zu wählen. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn sich die Achslängen um eine Längendifferenz zwischen jeweils 1/5 und 2/5, insbesondere zwischen 3/10 und 4/10 unterscheiden.The frequency with which the high-frequency signal is generated is to be selected in principle depending on the dielectric value measuring range. With a measuring range of the dielectric value between 2 and 140 (in addition to aqueous media, it includes gases with 1 to 1.5 and oily media with 2 to 20), the signal generation unit must be designed accordingly to generate the electrical high-frequency signal with a frequency between 0.1 GHz and 30 GHz. In the case of aqueous media, the dielectric value of which is approximately 80 to 100, the high-frequency signal should preferably be generated at a frequency between 5 GHz and 8 GHz. The axis length of the coil cores is also to be selected depending on the dielectric value measuring range, among other things. Is advantageous in this Relationship when the axis lengths differ by a length difference between 1/5 and 2/5, in particular between 3/10 and 4/10.
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 zumindest eine der zumindest einen Spule,
- - Auskoppeln eines entsprechenden Empfangssignals aus zumindest einer der zumindest einen Spule, und
- - Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand des Empfangssignals.
- - Coupling of the high-frequency signal into at least one of the at least one coil,
- Decoupling of a corresponding received signal from at least one of the at least one coil, and
- - Determination of the dielectric value based on the received signal.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein erfindungsgemäßes Dielektrizitätswert-Messgerät an einem Behälter, -
2 : einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes, und -
3 : eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Antennen-Anordnung.
-
1 : A dielectric value measuring device according to the invention on a container, -
2 : a schematic structure of the measuring device according to the invention, and -
3 : a plan view of the antenna arrangement according to the invention.
Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerätes
Das Messgerät
Wie in
Die Antennen-Anordnung
An beiden Enden der Achsen umfassen die zwei Spulenkerne
Die zwei Spulenkerne
Angesteuert werden die zwei Spulen
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Spulen
Bei der in
Eine weitere Möglichkeit, die Auflösung auf diese Art zu erhöhen, besteht im Gegensatz zu der in
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- MessgerätMeasuring device
- 22
- Mediummedium
- 33
- Behältercontainer
- 44th
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 1111
- Antennen-AnordnungAntenna arrangement
- 1212th
- Signalerzeugungs-EinheitSignal generation unit
- 1313th
- Auswertungs-EinheitEvaluation unit
- 1414th
- Sende-/Empfangs-WeicheTransmit / receive switch
- 1515th
- PhasenverzögerungseinheitPhase delay unit
- 111, 111'111, 111 '
- SpulenkernCoil core
- 112, 112'112, 112 '
- AbwinklungAngulation
- 113, 113'113, 113 '
- SpuleKitchen sink
- I111 , I111I111, I111
- AchslängeAxle length
- m111, m111,m111, m111,
- Achs-MittelpunktAxis center point
- rHFrHF
- EmpfangssignalReceived signal
- SHFSHF
- Hochfrequenz-SignalHigh frequency signal
- ňň
- NormalenvektorNormal vector
- αα
- Winkelangle
- φφ
- PhasenverschiebungPhase shift
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102017130728 A1 [0004]DE 102017130728 A1 [0004]
- EP 0622628 A2 [0005]EP 0622628 A2 [0005]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: HAHN, CHRISTIAN, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE |
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R163 | Identified publications notified |