DE102020103191A1

DE102020103191A1 - Pulslaufzeit-basiertes Messgerät zur Leitfähigkeitsmessung

Info

Publication number: DE102020103191A1
Application number: DE102020103191.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt; Nicholas Tan Jerome
Original assignee: IMKO Micromodultechnik GmbH
Current assignee: IMKO Micromodultechnik GmbH
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pulslaufzeit-basiertes Messgerät (1), mit dem neben dem Dielektrizitätswert auch die Leitfähigkeit eines Mediums (2) gemessen werden kann. Hierzu umfasst das Messgerät (1) eine mit dem Medium (2) in Kontakt bringbare Mess-Sonde (11), eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, um gemäß einem Pulslaufzeit-basierten Messprinzip mit einer definierten Frequenz ein flankenbasiertes Mess-Signal (sHF) in die Mess-Sonde (11) einzukoppeln, und eine Auswertungs-Einheit (13, 13') mit der das Mess-Signal (rHF) nach Durchlaufen der Mess-Sonde (11) empfangen werden kann, so dass anhand des empfangenen Mess-Signals (rHF) die Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Dabei zeichnet sich das Messgerät (1) durch eine Filtereinheit (14) aus, die das Mess-Signal (sHF, rHF) entsprechend filtert. Dadurch wird eine verfälschungsfreie Bestimmung der Leitfähigkeit ermöglicht, auch wenn das Medium (2) mit Feuchtigkeit oder einen anderen Stoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durchsetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulslaufzeit-basiertes Messgerät zur Leitfähigkeitsmessung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Messgeräte 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 Messgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Messgeräte-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, eine Konzentration 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 werden unter anderem Pulslaufzeitbasiere Verfahren eingesetzt, hierunter insbesondere das TDR-Messprinzip (TDR ist ein Akronym für „Time Domain Reflectometry“; zu Deutsch „Zeitbereichsreflektometrie“). Bei diesem Messprinzip wird ein flankenbasiertes Mess-Signal, wie beispielsweise ein Puls, erzeugt und mit einer Wiederhol-Frequenz zwischen 0,1 MHz und 10 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 Hochfrequenz-Signals nach Durchlauf durch die Mess-Sonde gemessen. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Laufzeit der Flanke abhängig vom Dielektrizitätswert desjenigen Stoffes ist, der die Mess-Sonde umgibt. Eine mögliche Ausführungsform des TDR-Prinzips ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift EP 0622 628 A2 beschrieben. Entsprechende Messgeräte werden als Teil der Endress+ Hauser Firmengruppe in zahlreichen Ausführungsformen von der Firma IMKO Mikromodultechnik GmbH vertrieben.
Als weiteres Verfahren zur Pulslaufzeit-basierten Messung des Dielektrizitätswertes kann zudem das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuous Wave“) eingesetzt werden: Das entsprechende Messprinzip beruht darauf, ein kontinuierliches Mess-Signal mit modulierter Frequenz in die Mess-Sonde einzuprägen. Dabei liegt die Frequenz des Mess-Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb des festgelegten Frequenzbandes ändert. Bei einer Mittenfrequenz von 79 GHz beträgt das Frequenzband beispielsweise 2 GHz, also von 78 GHz bis 80 GHz. Gängige Frequenzbänder liegen beim FMCW-Verfahren zwischen 0.1 GHz und 200 GHz.
Die zeitliche Änderung der Frequenz ist bei FMCW standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinusförmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch umgesetzt werden. Dabei wird die Signallaufzeit durch die Mess-Sonde bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der instantanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Mess-Signal und dem momentan erzeugten Mess-Signal bestimmt, indem durch Mischen der entsprechenden elektrischen Hochfrequenzsignale ein entsprechendes Auswertungssignal generiert wird. Dabei kann die Laufzeit anhand der Frequenz des Auswertungssignals ermittelt werden, da sich die Frequenz des Auswertungssignals proportional zur Laufzeit ändert. Näher beschrieben wird das Messprinzip von FMCW beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
Vorteilhaft an Pulslaufzeit-basierten Messprinzipien ist prinzipiell, dass neben dem Dielektrizitätswert potenziell auch die elektrische Leitfähigkeit des Mediums bestimmt werden kann, indem die Amplitude des Mess-Signals nach Durchlauf durch die Mess-Sonde gemessen wird. Dabei korrelieren der gemessene Dielektrizitätswert und die gemessene Leitfähigkeit bei einem funktionsfähigen TDR-basierten Messwertwertaufnehmer invers proportional zueinander. Somit sind zur Bestimmung dieser zwei Messgrößen keine zwei separaten Messgeräte erforderlich. Möglich ist die zusätzliche Messung der Leitfähigkeit jedoch nur, wenn das Medium nicht durch Feuchtigkeit oder einen anderen Stoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durchmischt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Pulslaufzeit-basiertes Messgerät bereitzustellen, mit dem neben dem Dielektrizitätswert auch die Leitfähigkeit des Mediums zuverlässig bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums. Dabei basiert das Messgerät das auf einem Pulslaufzeit-basierten Verfahren und umfasst folgende Komponenten:

- Eine mit dem Medium in Kontakt bringbare Mess-Sonde,
- eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um gemäß dem jeweiligen Pulslaufzeit-basierten Messprinzip, wie dem TDR-Messprinzip oder dem FMCW-Messprinzip ein Mess-Signal in die Mess-Sonde einzukoppeln,
- eine Filtereinheit, die ausgelegt ist, das Mess-Signal mit
- ○ einem ersten Tiefpass, bzw.
- ○ einem Hochpass
zu filtern,
- eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
- ○ das Mess-Signal nach Durchlaufen der Mess-Sonde zu empfangen, und um
- ○ anhand des empfangenen Mess-Signals, vorzugsweise anhand deren der Amplitude nach Durchlaufen der Mess-Sonde, die Leitfähigkeit zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird mittels der Filtereinheit also eine verfälschungsfreie Bestimmung der Leitfähigkeit ermöglicht. Vorteilhaft an diesem Messgerät ist hierbei, dass ohne zusätzliche Komponenten neben der Leitfähigkeit auch der Dielektrizitätswert gemessen werden kann. Hierfür ist die Auswertungs-Einheit lediglich so auszulegen, dass sie gemäß dem jeweiligen Pulslaufzeit-basierten Messprinzip eine Laufzeit des Mess-Signals durch die Mess-Sonde ermitteln kann, so dass die Auswertungs-Einheit anhand der Signallaufzeit den Dielektrizitätswert des Mediums bestimmen kann.
Als Pulslaufzeit-basiertes Verfahren können sowohl das TDR-Verfahren, als auch das FMCW-Verfahren implementiert werden. Im Falle von TDR ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass das Mess-Signal gemäß dem TDR-Messprinzip erzeugt wird. Die Auswertungs-Einheit muss in diesem Fall entsprechend ausgelegt sein, um die Leitfähigkeit gemäß dem TDR-Messprinzip zu bestimmen. Im Falle des FMCW-Verfahrens ist die Signalerzeugungs-Einheit derart zu konzipieren, dass das Mess-Signal gemäß dem FMCW-Messprinzip erzeugt wird und die Auswertungs-Einheit die Leitfähigkeit gemäß dem FMCW-Messprinzip bestimmen kann.
Nicht nur im Falle des FMCW-Messprinzips wird das Mess-Signal innerhalb eines Frequenzbandes mit einer definierten Frequenzänderung erzeugt, sondern auch beim TDR-Messprinzip kann die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt sein, um das Mess-Signal innerhalb eines definierten Frequenzbandes mit einer Frequenzänderung oder mit zumindest zwei variabel einstellbaren Einzelfrequenzen zu erzeugen. In diesem Fall ist es hinsichtlich einer verbesserten Leitfähigkeits- und Dielektrizitätswert-Messung besonders vorteilhaft, wenn der erste Tiefpass und/oder der Hochpass eine Grenzfrequenz, die innerhalb des Frequenzbandes liegt, aufweisen/aufweist Erfindungsgemäß ist es nicht fest vorgegeben, an welcher Stelle der erste Tiefpass und der Hochpass im Signalpfad des Mess-Signals zwischen der Signalerzeugungs-Einheit und der Auswertungs-Einheit angeordnet sein müssen, um die entsprechenden Eigenschaften zu erreichen. Dementsprechend kann die Filtereinheit beispielsweise so ausgelegt werden, dass der erste Tiefpasses das Mess-Signal entweder vor oder nach Durchlaufen der Mess-Sonde filtert. Daneben sind auch Anordnungen realisierbar, bei denen der erste Tiefpass das Mess-Signal sowohl vor als auch nach Durchlaufen der Mess-Sonde filtert. Hinsichtlich des Hochpasses kann auch dieser derart angeordnet sein, dass entweder das auszusendende Mess-Signal oder das Mess-Signal nach Durchlaufen der Mess-Sonde Hochpass-gefiltert wird. Demgegenüber sind wiederum auch Anordnungen denkbar, bei denen der Hochpass das Mess-Signal sowohl vor als auch nach Durchlaufen der Mess-Sonde filtert.
Im Rahmen der Erfindung sind der erste Tiefpass und der Hochpass vorzugsweise derart aufeinander abzustimmen, dass der Hochpass keine Frequenzvielfachen der Pole und/oder der Nullstellen des ersten Tiefpasses aufweist. Hierdurch ist eine monotone Charakteristik der Filter ab der jeweiligen Grenzfrequenz gewährleistet. In diesem Zusammenhang ist es außerdem vorteilhaft, wenn der Hochpass bzw. der erste Tiefpass in Bezug zur jeweils charakteristischen Grenzfrequenz mit einer flachen Charakteristik ausgelegt sind, also beispielsweise als Butterworth- oder Bessel-Filter.
Das Messgerät kann außerdem in der Form weiterentwickelt werden, dass der erste Tiefpass und/oder der Hochpass kurzschließbar ausgelegt sind/ist. Hierdurch können hohe bzw. tiefe Frequenzanteile im Mess-Signal optional zur Auswertungs-Einheit transmittiert werden, um die Bestimmung der Leitfähigkeit und des Dielektrizitätswertes je nach Bedarf zu vereinfachen. Nicht nur in diesem Fall kann die Auswertungs-Einheit beispielsweise so konfiguriert werden, dass sie abwechselnd die Leitfähigkeit und den Dielektrizitätswert bestimmt, wobei der Dielektrizitätswert bei kurzgeschlossenem Tiefpass zu messen ist. Die Leitfähigkeit ist in diesem Fall bei kurzgeschlossenem Hochpass zu messen.
Eine weitere potenzielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes kann darin bestehen, dass der erste Tiefpass bzw. der Hochpass jeweils mit einer änderbaren Grenzfrequenz ausgelegt sind/ist. Hierdurch kann der Messbereich der Leitfähigkeits- und Dielektrizitätswert-Messung erweitert werden. Hierzu kann die Filtereinheit beispielsweise als FPGA oder als ASIC ausgelegt werden, da Schaltungsbausteine zumindest von FPGA's flexibel geändert werden können und somit wechselbare Funktionsblöcke bzw. wechselbare Filtereigenschaften implementiert werden können. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, dass neben der Filtereinheit auch die Auswertungs-Einheit als Bestandteil des FPGA's ausgelegt werden, um den Schaltungsaufwand zu reduzieren. Einhergehend mit einer änderbaren Grenzfrequenz des Tiefpasses bzw. des Hochpasses kann zum gleichen Zweck außerdem die Signalerzeugungs-Einheit so ausgelegt sein, dass sie die Frequenz des Mess-Signals abhängig vom gewünschten Leitfähigkeits-Messbereich variabel anpassen kann.
Unter dem Begriff „Einheit‟ wird im Rahmen der Erfindung 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 potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb dieses Messgerätes gelöst. Dementsprechend umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

- Erzeugung eines Mess-Signals mit einer definierten Filtern des Mess-Signals mittels der Filtereinheit,
- Einkoppeln des Mess-Signals in die Mess-Sonde,
- Empfang des Mess-Signals nach Durchlaufen der Mess-Sonde, und
- Bestimmung der Leitfähigkeit anhand des empfangenen Mess-Signals.

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

1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Pulslaufzeit-basierten Bestimmung der Leitfähigkeit und des Dielektrizitätswertes eines Mediums in einem Behälter,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes, und
4 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes.

Zum allgemeinen Verständnis ist in 1 ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 abgebildet, das zur Bestimmung der Leitfähigkeit und des Dielektrizitätswertes eines Mediums 2 dient und hierzu auf einem Pulslaufzeit-basierten Messprinzip, wie dem TDR-Messprinzip oder dem FMCW-Messprinzip basiert. Dabei befindet sich das Medium 2 in einem entsprechenden Behälter 3.
Das Messgerät 1 kann, wie bei der Ausführungsform in 1 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 können beispielsweise die gemessenen Messwerte übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
Zur Bestimmung der zwei Messgrößen Leitfähigkeit und Dielektrizitätswert des Mediums 2 ist das Messgerät 1 bei der dargestellten Anwendung seitlich an einem Anschluss des Behälters 3, wie bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Das Gehäuse des Messgerätes 1 ist hierzu in etwa formschlüssig zur Behälter-Innenwand ausgelegt, wobei eine elektrisch leitfähige Mess-Sonde 11 des Messgerätes 1 zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes und der Leitfähigkeit 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. Alternativ kann die Mess-Sonde 11 beispielsweise auch als integraler Bestandteil des Geräte-Gehäuses ausgelegt werden, so dass die Mess-Sonde 11 in etwa planar in der Ebene der Behälterwand angeordnet ist und hierüber in Kontakt mit dem Medium 2 steht.
Bei dem Medium 2 kann es sich um Flüssigkeiten, wie Getränke, Lacke, Zement oder Treibstoffe, wie Flüssiggase oder Mineralöle handeln. Denkbar ist auch die Verwendung des Messgerätes 1 bei Schüttgut-förmigen Medien 2, wie bspw. Getreide oder Sand. Insbesondere bei solch Schüttgut-förmigen Medien 2 kann die Leitfähigkeitsmessung des Mediums 2 durch eingelagerte Feuchtigkeit jedoch verfälscht werden. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes 1, mit dem vor allem die Leitfähigkeit auch bei solchen Bedingungen zuverlässig gemessen werden kann, ist daher nachfolgend anhand der in 2 - 4 gezeigten Blockschaltbilder des Messgerätes 1 näher erläutert:
Zur Erzeugung eines gemäß dem TDR- oder FMCW-Prinzip typischen Mess-Signals s_HF umfasst das Messgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Signalerzeugungs-Einheit 12. Um das Mess-Signal s_HF in das Medium 2 einzukoppeln, ist die Signalerzeugungs-Einheit 12 elektrisch mit der Mess-Sonde 11 kontaktiert. Dabei ist die Frequenz bzw. das Frequenzband, mit der die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Mess-Signal s_HF erzeugt, zumindest in Abhängigkeit des Leitfähigkeits-Messbereichs zu wählen. Dabei ist die Frequenz umso höher einzustellen, je höher der Leitfähigkeits-Messbereich, der von Interesse ist, liegt.
In der zwischen 1 cm und 20 cm langen Mess-Sonde 11 propagiert das Mess-Signal s_HF entsprechend geführter elektromagnetischer Wellen mit Lichtgeschwindigkeit c, wobei diese gemäß $c \sim \frac{c_{0}}{\sqrt{D K}}$
vom Dielektrizitätswert DK des umgebenden Mediums 2 abhängt. Dabei beschreibt co die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Vakuum. Durch Reflektion am Ende der Mess-Sonde 11 wird das Mess-Signal r_HF nach zweifachem Durchlaufen der Mess-Sonde 11 nach einer entsprechenden Signallaufzeit t im Nanosekunden-Bereich mittels einer hierfür ausgelegten Auswertungs-Einheit 13 des Messgerätes 1 empfangen.
Da die Signalerzeugungs-Einheit 12 und die Auswertungs-Einheit 13 bei den in 2 - 4 gezeigten Ausführungsvarianten elektrisch jeweils am selben Endbereich der Mess-Sonde 11 kontaktiert sind, sind die Signalerzeugungs-Einheit 12 und die Auswertungs-Einheit 13 über eine Sende-/Empfangsweiche 15 mit diesem Endbereich der Mess-Sonde 11 verbunden. Im Gegensatz zu den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsvarianten können die Signal-Erzeugungseinheit 12 und die Auswertungs-Einheit 13 auch an den jeweils gegenüberliegenden Endbereichen der Mess-Sonde 11 kontaktiert sein. In diesen Fällen durchläuft die Flanke des Mess-Signals s_HF , r_HF die Mess-Sonde 11 nur einmal, so dass keine Sende-/Empfangsweiche zwischen der Signal-Erzeugungseinheit 12 und der Auswertungs-Einheit 13 erforderlich ist.
Nach Durchlauf des Mess-Signals s_HF durch die Mess-Sonde 11 bestimmt die Auswertungs-Einheit 13 die Signallaufzeit t zwischen dem Einkoppeln und dem Empfang des Mess-Signals s_HF , r_HF gemäß dem jeweils implementierten Pulslaufzeit-Messprinzip. 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.
Die Auswertungs-Einheit 13 ermittelt zudem auch die Leitfähigkeit des Mediums 2 anhand des Mess-Signals r_HF , dass die Mess-Sonde 11 durchlaufen hat. Hierzu wird die Amplitude des in der Mess-Sonde 11 reflektierten Mess-Signals r_HF in Bezug zur Amplitude des auszusendenden Mess-Signals s_HF bestimmt.
Insbesondere Feuchtegehalt, der im Medium 2 eingelagert ist, kann die Bestimmung der Leitfähigkeit verfälschen. Erfindungsgemäß ist daher zwischen der Mess-Sonde 11 und der Signal-Erzeugungseinheit 12 bzw. der Auswertungs-Einheit 13 eine Filtereinheit 14 angeordnet, die auf einem ersten Tiefpass 141 und einem Hochpass 142 basiert.
Der erste Tiefpass 141 dient zur Filterung des Mess-Signals s_HF , r_HF und ist optimalerweise mit einer Grenzfrequenz ausgelegt, die sich innerhalb des Frequenzbandes des Mess-Signals s_HF befindet. Das heißt, der erste Tiefpass 141 ist so konzipiert, dass schwerpunktmäßig die hohen Frequenzanteile des Mess-Signals s_HF , r_HF herausgefiltert werden. Hierdurch werden störende Einflüsse außerhalb des zu messenden Leitfähigkeitsbereichs unterdrückt. Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der erste Tiefpass 141 eine flache Charakteristik aufweist, wie beispielsweise Butterworth- oder Bessel-Filter. Besonders vorteilhaft ist, wenn der erste Tiefpass 141 so konzipiert ist, dass es ab der Grenzfrequenz monoton zunehmend filtert.
Der Hochpass 142 dient dazu, tiefe Frequenzanteile des Mess-Signals s_HF , r_HF auszufiltern, um so den Messkontrast der Dielektrizitätswert-Messung zu erhöhen. Dementsprechend weist der Hochpass 142 eine Grenzfrequenz auf, die vorzugsweise im mittleren bis oberen Bereich des Frequenzbandes des Mess-Signals s_HF , r_HF liegt. Korrespondierend zum ersten Tiefpass 141 ist auch beim Hochpass 142 eine Auslegung als Butterworth- oder Bessel-Filter vorteilhaft, um eine flache und möglichst monotone Charakteristik sowie eine niedrige Filtergüte zu erreichen. Im Rahmen der Erfindung wirken der erste Tiefpass 141 und der Hochpass 142 dadurch insofern synergetisch zusammen, als dass sie funktional einen Bandpass für den Frequenzbereich bzw. den Messbereich, der von Interesse ist, bilden, ohne dass sie die für diese Anwendung unerwünschten Eigenschaften aufweisen, wie eine hohe Güte und die damit verbundene Abnahme der Mess-Auflösung.
Erfindungsgemäß ist es nicht fest vorgeschrieben, an welcher Stelle des Signalpfades zwischen der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Auswertungs-Einheit 13 der erste Tiefpass 141 bzw. der Hochpass 142 jeweils angeordnet sind. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante sind der erste Tiefpass 141 und der Hochpass 142 in Reihe zwischen der Sende-Empfangs-Weiche 15 und dem kontaktierten Endbereich der Mess-Sonde 11 angeordnet. Hierdurch wird das Mess-Signal s_HF , r_HF sowohl vor Durchlaufen als auch nach Reflektion in der Mess-Sonde 11 gefiltert. Vorteilhaft an dieser Ausführungsvariante ist, dass das Messsignal s_HF , r_HF doppelt gefiltert wird, wodurch prinzipiell einfachere Filter niedrigeren Grades verwendet werden können.
In der Ausführungsvariante gemäß 3 hingegen sind der erste Tiefpass 141 und der Hochpass 142 im Empfangspfad parallel zueinander zwischen der Sende-/Empfangsweiche 15 und der Auswertungs-Einheit 13 angeordnet. In diesem Fall wird das Mess-Signal r_HF nach Durchlauf durch die Mess-Sonde 11 jeweils separat per Hochpass 142 oder per erstem Tiefpass 141 gefiltert. Dementsprechend kann die Auswertungs-Einheit 13 mittels des Tiefpassgefilterten Mess-Signals r_HF separat die Leitfähigkeit des Mediums 2 ermitteln. Auf Basis des Hochpass-gefilterten Mess-Signals r_HF kann die Auswertungs-Einheit 13 wiederum separat den Dielektrizitätswert des Mediums 2 bestimmen. Vorteilhaft hieran ist, dass auch die hohen Frequenzanteile des Mess-Signals r_HF zur Bestimmung der Leitfähigkeit zur Verfügung stehen. Korrespondierend hierzu stehen die tiefen Frequenzanteile des Mess-Signals r_HF zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes zur Verfügung. Dies erhöht jeweils die Auflösung der Dielektrizitätswert- bzw. der Leitfähigkeits-Messung. Der Vorteil der in 3 gezeigten Ausführungsvariante ist außerdem, dass das Mess-Signal s_HF , r_HF insgesamt eine geringere Dämpfung erfährt.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ist der Hochpass 142 zwischen der Sende-/Empfangsweiche 15 und der Signal-Erzeugungs-Einheit 12 angeordnet, während der erste Tiefpass 141 zwischen der Sende-/Empfangsweiche 15 und der Auswertungs-Einheit 13 angeordnet ist. Bei dieser Anordnung wird das Mess-Signal s_HF vor Einkoppeln in die Mess-Sonde 11 Hochpass-gefiltert; Nachdem das Mess-Signal r_HF in der Mess-Sonde 11 reflektiert ist, wird es tiefpassgefiltert. Zusätzlich zum ersten Tiefpass 141 umfasst die Filtereinheit 14 bei der der in 4 dargestellten Ausführungsvariante im Signalpfad zwischen der Sende-/Empfangsweiche 15 und der Auswertungs-Einheit 13 einen zweiten Tiefpass 141', der in Reihe zum ersten Tiefpass 141 geschaltet ist. Dabei sind die Tiefpässe 141, 141' durch einen Trennverstärker 143 getrennt und weisen eine voneinander abweichende Grenzfrequenz auf. Hierdurch ist es potentiell möglich, bezüglich der Leitfähigkeit einen erweiterten Messbereich zu erschließen.
Durch den Trennverstärker 143 wird die Filterwirkung der beiden Einzelfilter 141, 141' quasi multipliziert, ohne dass die Güte ungewollt erhöht wird. Dabei kann der Trennverstärker 143 alternativ auch als Filterkoppler ausgelegt sein. Um die Lauzeitverzögerung des Mess-Signals r_HF , die durch den Trennverstärker 143 verursacht ist, zu kompensieren, ist zwischen der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Sende-/Empfangsweiche 15 zusätzlich ein Phasenverzögerungsglied 144 angeordnet. Auf einer Leiterkarte kann das Phasenverzögerungsglied 144 beispielsweise in Form einer mäanderförmigen Leiterbahn entsprechender Länge realisiert werden.
Im Zuge der in 2 und 4 gezeigten Ausführungsvariante ist es alternativ auch denkbar, den ersten Tiefpass 141 bzw. den Hochpass 142 kurzschließbar auszulegen, wobei das Kurzschließen durch die Auswertungs-Einheit 13 gesteuert werden kann. Im Falle dieser Auslegung kann die Auswertungs-Einheit 13 den Dielektrizitätswert und die Leitfähigkeit des Mediums 2 beispielsweise alternierend bestimmen. Dabei ist die Leitfähigkeit dann zu bestimmen, wenn der Tiefpass 141 nicht kurzgeschlossen ist und gegebenenfalls der Hochpass 142 kurzgeschlossen ist. Bei kurzgeschlossenem Tiefpass 141 (und ggf. nicht kurzgeschlossenem Hochpass 142) kann wiederum der Dielektrizitätswert bestimmt werden, so dass die jeweils vorteilhaften hohen Frequenzanteile miteinbezogen werden.
Im Gegensatz zu den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsvarianten ist es alternativ auch möglich, den ersten Tiefpass 141 zwischen der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Sende-Empfangs-Weiche 15 anzuordnen. In diesem Fall wird das Mess-Signal s_HF lediglich vor Einkopplung in die Mess-Sonde 11 gefiltert.
Unabhängig von den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsvarianten ist es zudem vorteilhaft, den ersten Tiefpass 141 und den Hochpass 142 so aufeinander abzustimmen, dass der Hochpass 142 keine Frequenzvielfachen der Pole und/oder der Nullstellen des ersten Tiefpasses 141 aufweist. Hierdurch ist eine monotone Charakteristik der Filter 141, 142 ab der jeweiligen Grenzfrequenz gewährleistet.
Um in verschiedenen Messbereichen messen zu können, besteht eine zusätzliche, nicht explizit in den Figuren dargestellte Weiterbildung des Messgerätes 1 außerdem darin, die Signalerzeugungs-Einheit 12 so auszulegen, dass das Mess-Signal s_HF je nach zu messendem Leitfähigkeitsbereich einstellbar mit verschiedenen Frequenzen bzw. verschiedenen Frequenzbereichen erzeugt werden kann. Auch der Wechsel zwischen den einzelnen Pulslaufzeit-basierten Messprinzipien ist in diesem Zusammenhang vorstellbar. Zu diesem Zweck kann außerdem der erste Tiefpass 141 mit einer änderbaren Grenzfrequenz ausgelegt werden, oder die Filtereinheit 14 kann mehrere Tiefpässe 141 mit verschiedenen Grenzfrequenzen, die parallel zueinander angeordnet und individuell zuschaltbar sind, umfassen. Hierdurch ist es mithilfe des Messgerätes 1 möglich, einen weiten Leitfähigkeitsbereich zu erfassen und je nach Einstellung die jeweilige Leitfähigkeit einzelner Komponenten von Stoffgemischen zu bestimmen. Hierüber lässt sich je nach Anwendung wiederum deren Gemisch-Anteil, wie beispielsweise den Alkoholanteil in Getränken während des Gärprozesses, bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Pulslaufzeit-basiertes Messgerät
2: Medium
3: Behälter
4: Übergeordnete Einheit
11: Mess-Sonde
12: Signalerzeugungs-Einheit
13: Auswertungs-Einheit
14: Filtereinheit
15: Sende-/Empfangsweiche
141: Hochpass
142: Tiefpass
143: Trennverstärker
144: Verzögerungsglied
rHF,sHF: Flankenbasiertes Mess-Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0622628 A2 [0004]

Claims

Pulslaufzeit-basiertes Messgerät zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums (2), umfassend: - Eine mit dem Medium (2) in Kontakt bringbare Mess-Sonde (11), - eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, um gemäß einem Pulslaufzeit-basierten Messprinzip ein entsprechendes Mess-Signal (s_HF) in die Mess-Sonde (11) einzukoppeln, - eine Filtereinheit (14), die ausgelegt ist, das Mess-Signal (s_HF, r_HF) mit ○ einem ersten Tiefpass (141) und/oder ○ einem Hochpass (142) zu filtern, und - eine Auswertungs-Einheit (13), die ausgelegt ist, um ○ das Mess-Signal (r_HF) nach Durchlaufen der Mess-Sonde (11) zu empfangen, und um ○ anhand des empfangenen Mess-Signals (r_HF) die Leitfähigkeit zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Auswertungs-Einheit (13) ausgelegt ist, um die Leitfähigkeit anhand der Amplitude des empfangenen Mess-Signals (r_HF) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswertungs-Einheit (13, 13') ausgelegt ist, um ○ gemäß dem Pulslaufzeit-basierten Messprinzip eine Laufzeit des Mess-Signals (s_HF, r_HF) durch die Mess-Sonde (11) zu ermitteln, und um ○ anhand der Signallaufzeit den Dielektrizitätswert (DK) des Mediums (2) zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, um das Mess-Signal (s_HF) gemäß dem TDR-Messprinzip zu erzeugen, und wobei die Auswertungs-Einheit (13) ausgelegt ist, die Leitfähigkeit) gemäß dem TDR-Messprinzip zu bestimmen.
Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Mess-Signal (s_HF) gemäß dem FMCW-Messprinzip zu erzeugen, und wobei die Auswertungs-Einheit (13) ausgelegt ist, die Leitfähigkeit) gemäß dem FMCW-Messprinzip zu bestimmen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Mess-Signal (s_HF) innerhalb eines Frequenzbandes mit einer definierten Frequenzänderung oder mit zumindest zwei variabel einstellbaren Einzelfrequenzen zu erzeugen.
Messgerät nach Anspruch 6, wobei der erste Tiefpass (141) und/oder der Hochpass (142) eine Grenzfrequenz, die innerhalb des Frequenzbandes liegt, aufweisen/aufweist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtereinheit (14) derart ausgelegt ist, - dass der erste Tiefpass (141) das Mess-Signal (r_HF) vor und/oder nach Durchlaufen der Mess-Sonde (11) filtert, und/oder - dass der Hochpass (142) das Mess-Signal (r_HF) vor und/oder nach Durchlaufen der Mess-Sonde (11) filtert.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tiefpass erste (141) und der Hochpass (142) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Hochpass 142 keine Frequenzvielfachen der Pole und/oder der Nullstellen des Tiefpasses 141 aufweist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Tiefpass (141) und/oder der Hochpass (142) als Butterworth- oder Bessel-Filter ausgelegt sind/ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Tiefpass (141) kurzschließbar ausgelegt ist, und/oder wobei der erste Tiefpass (141) mit einer änderbaren Grenzfrequenz ausgelegt ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hochpass (142) kurzschließbar ausgelegt ist, und/oder wobei der Hochpass (142) mit einer änderbaren Grenzfrequenz ausgelegt ist.
Verfahren zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums (2) mittels des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung eines flankenbasierten Mess-Signals (s_HF) mit einer definierten Frequenz gemäß dem Pulslaufzeit-basierten Messprinzip, - Filtern des Mess-Signals (s_HF, r_HF) mittels der Filtereinheit (14), - Einkoppeln des flankenbasierten Mess-Signals (s_HF) in die Mess-Sonde (11), - Empfang des Mess-Signals (r_HF) nach Durchlaufen der Mess-Sonde (11), und - Bestimmung der Leitfähigkeit anhand des empfangenen Mess-Signals (r_HF) .