DE102020134379A1 - conductivity measurement - Google Patents

conductivity measurement Download PDF

Info

Publication number
DE102020134379A1
DE102020134379A1 DE102020134379.5A DE102020134379A DE102020134379A1 DE 102020134379 A1 DE102020134379 A1 DE 102020134379A1 DE 102020134379 A DE102020134379 A DE 102020134379A DE 102020134379 A1 DE102020134379 A1 DE 102020134379A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
signal
conductivity
medium
measuring
extremum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020134379.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Nicholas Tan Jerome
Alexey Malinovskiy
Stefan Scherr
Ghislain Daufeld
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to DE102020134379.5A priority Critical patent/DE102020134379A1/en
Publication of DE102020134379A1 publication Critical patent/DE102020134379A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein TDR-basiertes Messgerät (1) zur Messung einer Leitfähigkeit (σ) eines Mediums (2), sowie ein Verfahren zur Erstellung einer Kalibrations-Funktion (σ(A)) für das Messgerät (1). Kern der Erfindung ist dabei einerseits eine Abtast-Einheit (13) des Messgerätes (1), die ausgelegt ist, das TDR-basierte Empfangs-Signal (EHF) derart unterabzutasten, so dass ein zeitgedehntes Auswertungs-Signal (E(t,d)) erzeugt wird. Dies ermöglicht es der Auswertungs-Einheit (14) des Messgerätes (1), anhand des Auswertungs-Signals (E(t,d)) mit schaltungstechnisch begrenztem Aufwand ein definiertes Extremum (ME,121) und dessen Signal-Amplitude (A(ME)) zu ermitteln, so dass anhand der Signal-Amplitude (A(ME)) des Extremums (ME,121) und anhand einer Kalibrations-Funktion (σ(A)) die Leitfähigkeit (σ) des Mediums (2) bestimmt werden kann. Zur Kalibration werden entsprechende Signal-Amplituden (A(ME)) bei mehreren, unterschiedlich leifähigen Referenz-Medien (2) gemessen. Hierdurch kann anhand der während der Kalibration ermittelten Signal-Amplituden (A(ME)) in Verbindung mit den korrespondierenden Leitfähigkeitswerten (σ) die Kalibrations-Funktion (σ(A)) erstellt werden kann, insbesondere durch Interpolation mittels eines Polynoms zweiten Grades.The invention relates to a TDR-based measuring device (1) for measuring a conductivity (σ) of a medium (2) and a method for creating a calibration function (σ(A)) for the measuring device (1). The essence of the invention is, on the one hand, a sampling unit (13) of the measuring device (1), which is designed to undersample the TDR-based received signal (EHF) in such a way that a time-expanded evaluation signal (E(t,d) ) is produced. This enables the evaluation unit (14) of the measuring device (1) to calculate a defined extremum (ME,121) and its signal amplitude (A(ME )) so that the conductivity (σ) of the medium (2) can be determined using the signal amplitude (A(ME)) of the extremum (ME,121) and using a calibration function (σ(A)). . For calibration, corresponding signal amplitudes (A(ME)) are measured with several reference media (2) of different conductivity. In this way, the calibration function (σ(A)) can be created using the signal amplitudes (A(ME)) determined during the calibration in conjunction with the corresponding conductivity values (σ), in particular by interpolation using a polynomial of the second degree.

Description

Die Erfindung betrifft ein TDR-basiertes Messgerät zur Leitfähigkeits-Messung sowie ein Verfahren zu dessen Kalibration.The invention relates to a TDR-based measuring device for measuring conductivity and a method for calibrating it.

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 Messprinzipien. 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, which are used to record various measured variables. The measured variable to be determined can be, for example, a fill 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. In order to record the corresponding measured values, the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement principles. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.

Zur Leitfähigkeitsmessung ist das TDR-Prinzip („Time Domain Reflectometry“) bekannt. Hierbei wird ein pulsförmiges Spannungs-Signal getaktet in eine elektrisch leitfähige Messsonde (bspw. ein Koaxial-Kabel oder einen Metallstab) eingeprägt, wobei die Mess-Sonde in Kontakt mit dem Medium, dessen Leitfähigkeit zu bestimmen ist, steht. Das pulsförmige Signal wird in der Mess-Sonde reflektiert, wobei die Signal-Amplitude der reflektierten Pulse von der Leitfähigkeit des Mediums, welches die Mess-Sonde umgibt, abhängt. Somit kann durch Messung der Amplitude des reflektierten Signals die Leitfähigkeit des Mediums bestimmt werden. Aufgrund der schnellen Signallaufzeit der getakteten Pulse ist eine Bestimmung der Amplitude schaltungstechnisch jedoch sehr aufwändig.The TDR principle (“Time Domain Reflectometry”) is known for measuring conductivity. A pulsed voltage signal is clocked into an electrically conductive measuring probe (e.g. a coaxial cable or a metal rod), whereby the measuring probe is in contact with the medium whose conductivity is to be determined. The pulsed signal is reflected in the measuring probe, with the signal amplitude of the reflected pulses depending on the conductivity of the medium surrounding the measuring probe. Thus, by measuring the amplitude of the reflected signal, the conductivity of the medium can be determined. Due to the fast signal propagation time of the clocked pulses, however, determining the amplitude is very complex in terms of circuitry.

In der US-Patentschrift 8,947,102 B1 ist beispielsweise ein TDR-basiertes Leitfähigkeitsmessgerät beschrieben, welches die Signal-Amplitude durch Bildung der ersten Ableitung des nach Reflektion empfangenen Signals ermittelt. Allerdings erfordert dies einen hohen Aufwand zur Signalverarbeitung. Außerdem eignet sich dieser Ansatz lediglich für einen begrenzten Leitfähigkeits-Messbereich bzw. für spezifische Medien.In the U.S. Patent 8,947,102 B1 a TDR-based conductivity measuring device is described, for example, which determines the signal amplitude by forming the first derivation of the signal received after reflection. However, this requires a high outlay for signal processing. In addition, this approach is only suitable for a limited conductivity measurement range or for specific media.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein breit einsetzbares Messgerät zur Leitfähigkeitsbestimmung bereitzustellen.The object of the invention is therefore to provide a measuring device that can be used widely for determining conductivity.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein TDR-basiertes Messgerät zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums, das folgende Komponenten umfasst:

  • - Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein elektrisch pulsförmiges, also spannungstechnisch idealerweise rechteckförmiges Signal mit einer definierten Taktrate zu erzeugen,
  • - eine in das Medium einbringbare Mess-Sonde, in welche das pulsförmige Signal einkoppelbar ist, und mittels welcher die Pulse nach Reflektion in der Mess-Sonde als Empfangs-Signal empfangbar sind,
  • - eine Abtast-Einheit, die ausgelegt ist, das Empfangs-Signal derart unterabzutasten, um ein zeitgedehntes Auswertungs-Signal zu erzeugen, und
  • - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
    • ◯ anhand des Auswertungs-Signals ein definiertes Extremum und dessen Signal-Amplitude zu ermitteln, und
    • ◯ um anhand der Signal-Amplitude des Extremums und anhand einer Kalibrations-Funktion die Leitfähigkeit des Mediums zu bestimmen.
The invention solves this problem with a TDR-based measuring device for measuring the conductivity of a medium, which comprises the following components:
  • - A signal generation unit that is designed to generate an electrically pulsed signal, i.e. ideally a square-wave signal in terms of voltage, with a defined clock rate,
  • - a measuring probe that can be introduced into the medium, into which the pulse-shaped signal can be coupled and by means of which the pulses can be received as a reception signal after reflection in the measuring probe,
  • - a sampling unit which is designed to undersample the received signal in such a way as to generate a time-expanded evaluation signal, and
  • - an evaluation unit designed to
    • ◯ to determine a defined extremum and its signal amplitude based on the evaluation signal, and
    • ◯ to determine the conductivity of the medium based on the signal amplitude of the extremum and a calibration function.

Die Erfindung nutzt durch diesen Aufbau die Abtastung des Empfangs-Signals zu dessen Zeitdehnung, wodurch die Signalverarbeitung vereinfacht wird. Dies ermöglicht es signalverarbeitungstechnisch, im Empfangs-Signal vorhandene Extrema, also Signal-Maxima und -Minima indirekt zu identifizieren bzw. zu charakterisieren. Darüber hinaus basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass vor allem die Signal-Amplitude desjenigen Extremums, welches dem Sonden-Ende der Mess-Sonde zugeordnet ist, hinsichtlich der Leitfähigkeit des Mediums aussagekräftig ist. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Auswertungs-Einheit so auszulegen, dass sie zur Bestimmung der Medien-Leitfähigkeit die Signal-Amplitude dieses Extremums ermittelt. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Messgerät ist außerdem, dass es neben der Leitfähigkeitsmessung bei entsprechender Auslegung auch zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums und/oder zur Bestimmung des Füllstandes des Mediums im Behälter eingesetzt werden kann.With this structure, the invention uses the sampling of the received signal for its time expansion, which simplifies the signal processing. In terms of signal processing, this makes it possible to indirectly identify or characterize extremes present in the received signal, that is to say signal maxima and minima. In addition, the invention is based on the finding that the signal amplitude of that extremum which is associated with the probe end of the measuring probe is particularly meaningful with regard to the conductivity of the medium. Accordingly, it is advantageous to design the evaluation unit in such a way that it ascertains the signal amplitude of this extremum in order to determine the media conductivity. Another advantage of the measuring device according to the invention is that, in addition to measuring conductivity, it can also be used to determine the dielectric value of the medium and/or to determine the fill level of the medium in the container if it is designed appropriately.

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 ein FPGA oder ein 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 Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. physikalisch mittels derselben Digitalschaltung betrieben werden.Within the scope of the invention, the term “unit” is understood in principle to mean any electronic circuit that is suitably designed for the intended purpose. Depending on the requirement, 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 cooperation with a program. The program is designed to carry out the corresponding procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the measuring device within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be physically operated using the same digital circuit.

Die Auslegung der Mess-Sonde ist im Rahmen der Erfindung auf die spezifische Mess-Situation auszulegen, also abhängig vom zu untersuchenden Medium bzw. abhängig vom Messbereich, in dem die Leitfähigkeit zu bestimmen ist. Diesbezüglich kann die Mess-Sonde beispielsweise als Koaxial-Leiter oder als Doppelstab-Sonde mit insbesondere parallelen Stäben ausgelegt werden. Je nach Anwendung könnte sich jedoch auch jegliche andere Auslegungs-Geometrie als vorteilhaft erweisen, um die Leitfähigkeit im gewünschten Messbereich mit hinreichender Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit bestimmen zu können.Within the scope of the invention, the design of the measuring probe is to be designed for the specific measuring situation, ie depending on the medium to be examined or depending on the measuring range in which the conductivity is to be determined. In this regard, the measuring probe can be designed, for example, as a coaxial conductor or as a double-rod probe with, in particular, parallel rods. Depending on the application, however, any other design geometry could also prove advantageous in order to be able to determine the conductivity in the desired measuring range with sufficient accuracy or sensitivity.

Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Kalibrations-Verfahren zur Erstellung der Kalbrations-Funktion für TDR-basierte Leitfähigkeitsmessgeräte gelöst. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

  • - Einbringen einer elektrisch leitfähigen Mess-Sonde in ein Referenz-Medium mit bekannter Leifähigkeit,
  • - Getaktetes Einkoppeln eines elektrisch pulsförmigen Signals in die Mess-Sonde,
  • - Empfang der Pulse nach Reflektion in der Mess-Sonde als Empfangs-Signal,
  • - Erzeugung eines zeitgedehnten Auswertungs-Signals durch Unterabtastung des Empfangs-Signals, und
  • - Ermittlung eines definierten Extremums und der korrespondierenden Signal-Amplitude anhand des Auswertungs-Signals.
Corresponding to the measuring device according to the invention, the object on which the invention is based is also achieved by a corresponding calibration method for creating the calibration function for TDR-based conductivity measuring devices. The process includes the following process steps:
  • - Insertion of an electrically conductive measuring probe into a reference medium with known conductivity,
  • - Clocked coupling of an electrically pulsed signal into the measuring probe,
  • - Reception of the pulses after reflection in the measuring probe as a reception signal,
  • - Generating a time-expanded evaluation signal by subsampling the received signal, and
  • - Determination of a defined extremum and the corresponding signal amplitude based on the evaluation signal.

Dabei werden diese Verfahrensschritte jeweils an mindestens einem weiteren Referenz-Medium mit abweichender Leitfähigkeit durchgeführt. Abschließend kann die Kalibrations-Funktion anhand der zumindest zwei ermittelten Signal-Amplituden und anhand der korrespondierenden, bekannten Leitfähigkeitswerte erstellt werden.In this case, these process steps are each carried out on at least one further reference medium with a different conductivity. Finally, the calibration function can be created using the at least two determined signal amplitudes and using the corresponding, known conductivity values.

Analog zum erfindungsgemäßen Messgerät ist es auch während des Kalibrations-Verfahrens dienlich, wenn im Auswertungs-Signal des entsprechenden Referenz-Mediums jeweils dasjenige Extremum, das durch das Sonden-Ende der Mess-Sonde erzeugt wird, zur Ermittlung der entsprechenden Signal-Amplituden heranzuziehen. Dabei kann das zum Sonden-Ende zugehörige Extremum beispielsweise anhand einer definierten Signal-Laufzeit und/oder anhand einer definierten Polarität des Extremums zugeordnet wird.Analogously to the measuring device according to the invention, it is also useful during the calibration process if that extremum in the evaluation signal of the corresponding reference medium that is generated by the probe end of the measuring probe is used to determine the corresponding signal amplitudes. The extremum associated with the end of the probe can be assigned, for example, based on a defined signal propagation time and/or based on a defined polarity of the extremum.

Im Messbetrieb kann die Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums umso genauer bestimmt werden, wenn die Kalibrations-Funktion nicht nur als Look-Up-Table einzelner Werte-Paare hinterlegt ist, sondern wenn die Kalibrations-Funktion durch Interpolation der zumindest zwei Amplituden und der korrespondierenden, bekannten Leitfähigkeitswerte erstellt wird. Dabei kann der Interpolation vorzugsweise eine Polynomial-Funktion insbesondere zweiten Grades oder eine Treppenfunktion zugrunde gelegt werden. Bei lediglich zwei Referenzwerten kann als Approximation ein linearer Verlauf angenommen werden.In measuring operation, the conductivity of the medium to be examined can be determined all the more precisely if the calibration function is not only stored as a look-up table of individual pairs of values, but if the calibration function is generated by interpolation of the at least two amplitudes and the corresponding known conductivity values. In this case, the interpolation can preferably be based on a polynomial function, in particular of the second degree, or a step function. If there are only two reference values, a linear progression can be assumed as an approximation.

Mittels des erfindungsgemäßen Messgerätes kann auf Basis des gemessenen Leitfähigkeits-Wertes zusätzlich indirekt die Feuchte des Mediums bestimmt werden. Der hierfür relevante Messbereich liegt zwischen 0 mS/cm und 30 mS/cm. Insbesondere aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn auch bei der Kalibration die zumindest zwei Referenz-Medien derart gewählt sind, dass die korrespondierenden Leitfähigkeiten einen Leitfähigkeits-Bereich zwischen 0 mS/cm und 30 mS/cm abdecken.Using the measuring device according to the invention, the humidity of the medium can also be determined indirectly on the basis of the measured conductivity value. The relevant measuring range is between 0 mS/cm and 30 mS/cm. For this reason in particular, it is advantageous if the at least two reference media are also selected during the calibration in such a way that the corresponding conductivities cover a conductivity range between 0 mS/cm and 30 mS/cm.

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

  • 1: Ein TDR-basiertes Messgerät an einem Behälter,
  • 2: eine schematische Darstellung eines Auswertungs-Signals, und
  • 3: eine Abgleichs-Funktion zur Bestimmung der Leitfähigkeit.
The invention is explained in more detail on the basis of the following figures. It shows:
  • 1 : A TDR-based gauge on a vessel,
  • 2 : a schematic representation of an evaluation signal, and
  • 3 : an adjustment function to determine the conductivity.

Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Blockschaltbild eines gemäß des TDR-Prinzip arbeitenden Messgerätes 1 gezeigt, das zur Bestimmung einer Messgröße L, σ eines Mediums 2 in einem Behälter 3 dient. Dabei kann mittels des TDR-Prinzips grundsätzlich beispielsweise der Füllstand L des Mediums 2 in einem Behälter 3, der Dielektrizitätswert, oder die Leitfähigkeit σ des Mediums 2 bestimmt werden.For a basic understanding of the invention, 1 a block diagram of a measuring device 1 working according to the TDR principle is shown, which is used to determine a measured variable L, σ of a medium 2 in a container 3 . In principle, for example, the fill level L of the medium 2 in a container 3, the dielectric value, or the conductivity σ of the medium 2 can be determined by means of the TDR principle.

Zur Bestimmung der jeweiligen Messgröße L, σ erstreckt sich eine Mess-Sonde 12 von der Oberseite des Behälters 3 in das Behälter-Innere herab, so dass die Mess-Sonde 12 entsprechend tief in das Medium 2 eindringt. Dabei kann die Mess-Sonde 12 prinzipiell jeglicher Geometrie unterliegen, die sich zur Umsetzung des TDR-Prinzips eignet. Dementsprechend kann die Mess-Sonde 12 beispielsweise als Zweileiter in Form eines Koaxial-Leiters oder einer Doppelstab-Sonde ausgelegt sein. Sofern der Füllstand L zu bestimmen ist, erstreckt sich die Mess-Sonde 12 von der Oberseite des Behälters 3 bis kurz oberhalb des Behälterbodens. Dabei ist die Einbauhöhe h der Mess-Sonde 12 oberhalb des Behälterbodens im Falle dieser Anwendung bekannt und in einer Auswertungs-Einheit 14 des Messgerätes 1 hinterlegt.To determine the respective measured variable L, σ, a measuring probe 12 extends from the top of the container 3 down into the interior of the container, so that the measuring probe 12 penetrates the medium 2 correspondingly deep. In principle, the measuring probe 12 can be subject to any geometry that is suitable for implementing the TDR principle. Accordingly, the measuring probe 12 can be designed, for example, as a two-conductor in the form of a coaxial conductor or a double-rod probe. If the fill level L is to be determined, the measuring probe 12 extends from the top of the container 3 to just above the bottom of the container. The installation height h of the measuring probe 12 above the container bottom is known in the case of this application and is stored in an evaluation unit 14 of the measuring device 1 .

Gemäß des TDR-Prinzips wird über die Mess-Sonde 12 ein elektrisches Signal SHF entsprechend pulsförmig in Richtung des Mediums 2 geleitet. Zur Erzeugung des Signals SHF umfasst das Messgerät 1 eine Signalerzeugungs-Einheit 11. Dabei kann die Signalerzeugungs-Einheit 11 zur Umsetzung des TDR-Verfahrens beispielsweise auf einem Kondensator basieren, der zur Erzeugung des 100 ps bis ca. 1 ns dauernden Pulses entsprechend entladen wird. Damit das Hochfrequenz-Signal SHF gemäß des TDR-Verfahrens in der erforderlichen Taktrate, also die in der Praxis zwischen 100 KHz und 1 MHz, pulsförmig erzeugt wird, kann der Kondensator innerhalb der Signalerzeugungs-Einheit 11 entsprechend getaktet angesteuert werden.According to the TDR principle, an electrical signal S HF is conducted in the direction of the medium 2 via the measuring probe 12 in a correspondingly pulsed manner. To generate the signal S HF , the measuring device 1 includes a signal generation unit 11. The signal generation unit 11 for implementing the TDR method can be based on a capacitor, for example, which is discharged to generate the 100 ps to approximately 1 ns pulse becomes. So that the high-frequency signal S HF is generated in pulse form according to the TDR method at the required clock rate, ie between 100 kHz and 1 MHz in practice, the capacitor within the signal generation unit 11 can be clocked accordingly.

Die Signalerzeugungs-Einheit 11 führt das auszusendende Hochfrequenz-Signal SHF über eine Sende-/Empfangs-Weiche 15 der Mess-Sonde 12 zu. Dabei ist die Auslegung der Sende-/Empfangs-Weiche 15 prinzipiell nicht fest vorgegeben. Im Falle von TDR kann die Sende-/Empfangs-Weiche 15 beispielsweise als rein als elektrischer Knoten ausgelegt sein.The signal generation unit 11 supplies the high-frequency signal S HF to be transmitted to the measuring probe 12 via a transmit/receive filter 15 . The design of the transmit/receive switch 15 is in principle not fixed. In the case of TDR, the transmit/receive switch 15 can be designed purely as an electrical node, for example.

In der Mes-Sonde 12 wird das pulsförmige Signal SHF durch den Sprung des Dielektrizitätswertes zum Medium 2 anteilhaft auf Höhe der Oberfläche des Mediums 2 reflektiert. Zusätzlich wird an demjenigen Sonden-Ende 121, welches dem Signal-Eingang der Mess-Sonde 12 zur Ein- bzw. Auskopplung des Signals SHF, EHF gegenüberliegt, ein weiterer wesentlicher Anteil EHF des Signals SHF reflektiert. Dementsprechend werden die reflektierten Pulse EHF nach einer korrespondierenden Signallaufzeit durch die Mess-Sonde 12 von einer Auswertungs-Einheit 14 des Messgerätes 1 entsprechend als Empfangs-Signal EHF empfangen. Hierzu ist die Auswertungs-Einheit 14 wiederum über die Sende-/Empfangs-Weiche 15 mit der Mess-Sonde 12 verbunden. Die Signallaufzeit zwischen Aussenden und Empfang des Signals SHF, EHF hängt vom Abstand d = h - L der Behälter-Oberseite zur Oberfläche des Mediums 2, bzw. von der Länge der Mess-Sonde 12 ab. Die Signal-Stärke bzw. die Amplitude des empfangenen Signals EHF hängt maßgeblich vom Dielektrizitätswert und von der Leitfähigkeit σ des Mediums 2 ab. Dementsprechend ist es prinzipiell möglich, mittels des TDR-Verfahrens den Füllstand L, den Dielektrizitätswert und die Leitfähigkeit σ des Mediums zu bestimmen. Allerdings ist es aufgrund der schnellen Signallaufzeit der Pulse SHF, EHF schaltungstechnisch äußerst schwierig, die Signallaufzeit und die Signal-Stärke messtechnisch zu erfassen.In the measuring probe 12, the pulse-shaped signal S HF is partially reflected at the level of the surface of the medium 2 due to the jump in the dielectric value to the medium 2. In addition, a further significant component E HF of the signal S HF is reflected at that probe end 121 which is opposite the signal input of the measuring probe 12 for coupling or decoupling the signal S HF , E HF . Accordingly, after a corresponding signal propagation time through the measuring probe 12, the reflected pulses E HF are received by an evaluation unit 14 of the measuring device 1 as a received signal E HF . For this purpose, the evaluation unit 14 is in turn connected to the measuring probe 12 via the transmit/receive switch 15 . The signal propagation time between transmission and reception of the signal S HF , E HF depends on the distance d=h−L from the top of the container to the surface of the medium 2 or on the length of the measuring probe 12 . The signal strength or the amplitude of the received signal E HF depends decisively on the dielectric value and on the conductivity σ of the medium 2 . Accordingly, it is in principle possible to determine the fill level L, the dielectric value and the conductivity σ of the medium using the TDR method. However, due to the fast signal propagation time of the pulses S HF , E HF , it is extremely difficult in terms of circuitry to measure the signal propagation time and the signal strength.

Erfindungsgemäß weist das Messgerät 1 daher eine Abtast-Einheit 13 auf, die zur Unterabtastung des Empfangs-Signals EHF zwischen der Sende-/Empfangs-Weiche 15 und der Auswertungs-Einheit 14 angeordnet ist. Dabei kann die Abtast-Einheit 13 sowohl als analoger Mischer, wie auch als digitaler Sampler ausgelegt sein. Unabhängig von der Realisierung der Abtast-Einheit 13 wird das Empfangs-Signal EHF durch die Abtast-Einheit 13 mit elektrischen Abtast-Pulsen gemischt. Dabei weicht die Abtastrate f'c, mit der die Abtast-Pulse erzeugt werden, um eine definierte, geringe Abweichung von weit weniger als 0.1 Promille von der Taktrate fc der erzeugten Hochfrequenz-Pulse SHF ab. Erzeugt werden die Abtast-Pulse bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Auswertungs-Einheit 14. Hierzu kann die Auswertungs-Einheit 14 analog zu der Signalerzeugungs-Einheit 11 wiederum einen Kondensator und einen entsprechenden Referenz-Taktgeber aufweisen.According to the invention, the measuring device 1 therefore has a sampling unit 13 which is arranged between the transmit/receive splitter 15 and the evaluation unit 14 for undersampling the received signal E HF . The sampling unit 13 can be designed both as an analog mixer and as a digital sampler. Irrespective of the implementation of the scanning unit 13, the reception signal E HF is mixed by the scanning unit 13 with electrical scanning pulses. The sampling rate f′ c at which the sampling pulses are generated deviates by a defined, small deviation of far less than 0.1 per thousand from the clock rate f c of the generated high-frequency pulses S HF . The sampling pulses are generated at the in 1 shown exemplary embodiment by the evaluation unit 14. For this purpose, the evaluation unit 14, analogous to the signal generation unit 11, can in turn have a capacitor and a corresponding reference clock generator.

Durch die Unterabtastung des Empfangs-Signals EHF durch die Abtast-Einheit 13 wird der Auswertungs-Einheit 14 nicht das reine Empfangs-Signal EHF, sondern ein Auswertungs-Signal E(t,d) zugeführt, welches das Empfangs-Signal EHF zeitgedehnt abbildet. Vorteilhaft an der Zeitdehnung ist, dass das Auswertungs-Signal E(t,d) im Vergleich zum reinen Empfangs-Signal EHF technisch deutlich einfacher auswertbar ist: Der Grund hierfür liegt darin, dass das Empfangs-Signal EHF aufgrund der hohen Ausbreitungs-Geschwindigkeit der Pulse SHF, EHF eine entsprechend kurze Zeitskala t im Nanosekundenbereich aufweist. Durch die Zeitdehnung erhält das Auswertungs-Signal E(t,d) eine Zeitskala im Millisekunden-Bereich.Due to the undersampling of the received signal E HF by the sampling unit 13, the evaluation unit 14 is not supplied with the pure received signal E HF but rather with an evaluation signal E(t,d) which contains the received signal E HF time-expanded. The advantage of time stretching is that the evaluation signal E(t,d) is technically much easier to evaluate compared to the pure reception signal E HF : The reason for this is that the reception signal E HF , due to the high propagation Speed of the pulses S HF , E HF has a correspondingly short time scale t in the nanosecond range. Due to the time expansion, the evaluation signal E(t,d) is given a time scale in the millisecond range.

2 illustriert den zeitlichen Amplituden-Verlauf des zeitgedehnten Auswertungs-Signals E(t,d). Dabei verhält sich der Abstand d zum Sonden-Ende 121 hin proportional zur Zeit-Achse des Auswertungs-Signals E(t,d). Im Idealfall, also ohne jegliche äußere Störeinflüsse, umfasst das Empfangs-Signal EHF drei Signal-Extrema ME, wobei es sich im vorliegenden Auswertungs-Signal E(t,d) bei den zeitlich gesehen letzten beiden Extrema ME,2, ME,121 um Minima handelt. Das zeitlich gesehen letzte Extremum ME,121 ist durch die Reflektion der Pulse SHF, EHF am Sonden-Ende 121 der Mess-Sonde 12 bedingt, während das - zeitlich gesehen - vorige Extremum ME,2 im Empfangs-Signal EHF an der Oberfläche des Mediums 2 hervorgerufen wird. Ein in 2 nicht abgebildetes erstes Extremum ist der internen Reflektion der auszusendenden Pulse SHF an der Sende-/Empfangs-Weiche 15 zuzuordnen. Dabei weist dieses erste Extremum in der Regel eine entgegengesetzte Polarität zu den weiteren Extrema ME,2, ME,121 auf. Dementsprechend kann die Auswertungs-Einheit 14 die Minima ME,2, ME,121 beispielsweise aufgrund ihrer Polarität dem Sonden-Ende 121 bzw. der Füllgut-Oberfläche zuordnen. Darüber hinaus ist es gegebenenfalls möglich, die Extrema ME,2, ME,121 durch ihre Amplitude A(ME) und/oder ihre Lage t,d voneinander zu unterscheiden bzw. zuzuordnen. 2 illustrates the amplitude curve of the time-expanded evaluation signal E(t,d) over time. The distance d to the end of the probe 121 is proportional to the time axis of the evaluation signal E(t,d). In the ideal case, i.e. without any external interference, the received signal E HF comprises three signal extremes M E , whereby in the present evaluation signal E(t,d) the last two extremes M E,2 , M E,121 are minima. The last extremum M E,121 in terms of time is due to the reflection of the pulses S HF , E HF at the probe end 121 of the measuring probe 12, while the—in terms of time—previous extreme M E,2 in the received signal E HF at the surface of the medium 2 is caused. a in 2 The first extremum (not shown) is to be assigned to the internal reflection of the pulses S HF to be emitted at the transmit/receive splitter 15 . In this case, this first extreme generally has an opposite polarity to the further extremes M E,2 , M E,121 . Accordingly, the evaluation unit 14 can assign the minima M E,2 , M E,121 to the probe end 121 or the filling material surface, for example on the basis of their polarity. In addition, it may be possible to define the extremes M E,2 , M E,121 by their ampli tude A(M E ) and/or their position t,d to be distinguished from one another or to be assigned.

Dementsprechend kann die Auswertungs-Einheit 14 die Leitfähigkeit σ des Mediums 2 bestimmen, indem das aus dem Auswertungs-Signal E(t,d) das entsprechende Minimum ME,121 des Sonden-Endes 121 ermittelt, um anhand der Signal-Amplitude A(ME,121) dieses Minimums ME,121 die Leitfähigkeit σ des Mediums 2 zu bestimmen. Einen etwaigen Füllstand L des Mediums 2 im Behälter 3 kann die Auswertungs-Einheit 14 anhand des Auswertungs-Signals E(t,d) bestimmen, indem das Minimum ME,2 des Auswertungs-Signals E(t,d) identifiziert wird, das den an Oberfläche des Mediums 2 reflektierten Pulses EHF entspricht. Anhand der Signallaufzeit tm, die diesem Extremum ME,2 zugeordnet ist, kann die Auswertungs-Einheit 14 des Messgerätes 1 die Entfernung d zur Oberfläche des Mediums 2 bestimmen, um daraus den Füllstand L herzuleiten.Accordingly, the evaluation unit 14 can determine the conductivity σ of the medium 2 by determining the corresponding minimum M E,121 of the probe end 121 from the evaluation signal E(t,d) in order to use the signal amplitude A( M E,121 ) of this minimum M E,121 to determine the conductivity σ of the medium 2. The evaluation unit 14 can determine a possible level L of the medium 2 in the container 3 on the basis of the evaluation signal E(t,d) by identifying the minimum M E,2 of the evaluation signal E(t,d), which corresponds to the pulse E HF reflected on the surface of the medium 2 . The evaluation unit 14 of the measuring device 1 can determine the distance d to the surface of the medium 2 on the basis of the signal propagation time t m , which is assigned to this extreme M E,2 , in order to derive the filling level L therefrom.

Um anhand der Amplitude A(ME,121) des zeitlich letzten Minimums ME,121 in der Auswertungs-Kurve E(t,d) die Leitfähigkeit σ bestimmen zu können, muss der Auswertungs-Einheit 14 eine Kalibrations-Funktion σ(A) vorliegen, welche den Zusammenhang zwischen der Amplitude A(ME,121) und dem korrespondierenden Leitfähigkeitswert σ herstellt. Dargestellt ist eine solche Kalibrations-Funktion σ(A) beispielshaft in 3 Zur Erstellung einer solchen Kalibrations-Funktion σ(A) kann die Mess-Sonde (12) im Rahmen einer Vorab-Kalibration beispielsweise in Kontakt mit Wasser als Referenz-Medium 2 gebracht werden, wobei die Salz-Konzentration des Wassers schrittweise und kontrolliert erhöht wird. Dabei kann über die jeweils bekannten SalzKonzentrationen im Wasser auf die entsprechende Ionen-Leitfähigkeit σ in mS/cm rückgerechnet werden. Die Auswertungs-Einheit 14 ermittelt in diesem Fall für jede spezifische Salzkonzentration bzw. jeden spezifischen Leitfähigkeits-Wert σ jeweils die Signal-Amplitude A(ME,121) des zeitlich gesehen letzten Maximums ME,121 der Auswertungs-Kurve, indem analog zur regulären Ermittlung des Leitfähigkeitswertes σ im Messbetrieb jeweils

  • - das pulsförmige Signal SHF getaktet in die Mess-Sonde 12 eingekoppelt wird,
  • - die elektrischen Pulse SHF nach Reflektion in der Mess-Sonde 12 als Empfangs-Signal EHF empfangen werden,
  • - durch Unterabtastung des Empfangs-Signals EHF das zeitgedehnte Auswertungs-Signal E(t,d) erzeugt wird, und
  • - anhand des Auswertungs-Signals E(t,d) jeweils das entsprechende Extremum ME,121 und dessen korrespondierende Signal-Amplitude A(ME,121) ermittelt wird.
In order to be able to determine the conductivity σ based on the amplitude A(M E,121 ) of the last minimum M E,121 in the evaluation curve E(t,d), the evaluation unit 14 must have a calibration function σ(A ) are present, which establishes the connection between the amplitude A(ME ,121 ) and the corresponding conductivity value σ. Such a calibration function σ(A) is shown as an example in 3 To create such a calibration function σ(A), the measuring probe (12) can be brought into contact with water as the reference medium 2 as part of a preliminary calibration, with the salt concentration of the water being increased step by step and in a controlled manner . The corresponding ion conductivity σ in mS/cm can be calculated using the known salt concentrations in the water. In this case, the evaluation unit 14 determines for each specific salt concentration or each specific conductivity value σ the signal amplitude A(ME ,121 ) of the last maximum ME ,121 of the evaluation curve in terms of time, by analogous to regular determination of the conductivity value σ in measuring mode
  • - the pulsed signal S HF is coupled into the measuring probe 12 in a clocked manner,
  • - the electrical pulses S HF are received as a reception signal E HF after reflection in the measuring probe 12,
  • - the time-expanded evaluation signal E(t,d) is generated by undersampling the received signal E HF , and
  • - The corresponding extremum M E,121 and its corresponding signal amplitude A(M E,121 ) is determined on the basis of the evaluation signal E(t,d).

Dabei werden die bei den unterschiedlichen Salzkonzentrationen bzw. Leitfähigkeiten σ ermittelten Signal-Amplituden A(ME,121) in der Auswertungs-Einheit 14 gespeichert, um hieraus zusammen mit den bekannten Leitfähigkeiten σ die Kalibrations-Funktion σ(A) zu erstellen. Dabei kann die Auswertungs-Einheit 14 die Kalibrations-Funktion σ(A) im simpelsten Fall als reine Look-Up-Table erstellen. Der Leitfähigkeitswert σ lässt sich jedoch potenziell genauer ermitteln, wenn die Auswertungs-Einheit 14 die Kalibrations-Funktion σ(A) in Form einer analytischen Funktion erstellt, wobei zur Erstellung in diesem Fall beispielsweise ein „Least-Square-Fif“ angewandt werden kann. Wie aus 3 zu erkennen ist, bietet sich als zugrundeliegende Funktion insbesondere eine Polynomial-Funktion 2. Grades oder eine Treppen-Funktion an, um die Messpunkte [σ;A] zu einer entsprechenden Kalibrations-Funktion σ(A) zu interpolieren.The signal amplitudes A(M E,121 ) determined for the different salt concentrations or conductivities σ are stored in the evaluation unit 14 in order to create the calibration function σ(A) therefrom together with the known conductivities σ. In the simplest case, the evaluation unit 14 can create the calibration function σ(A) as a pure look-up table. However, the conductivity value σ can potentially be determined more precisely if the evaluation unit 14 creates the calibration function σ(A) in the form of an analytical function, in which case, for example, a “least squares fif” can be used to create it. How out 3 can be seen, a polynomial function of the 2nd degree or a step function is particularly suitable as the underlying function in order to interpolate the measurement points [σ;A] to form a corresponding calibration function σ(A).

Mittels sukzessiver Anreicherung des Wassers als Referenz-Medium 2 mit Salz kann die Kalibrations-Funktion σ(A) während dieses Kalibrations-Verfahrens zumindest in einem Werte-Bereich zwischen 0 mS/cm und 30 mS/cm erstellt werden. Somit kann das Messgerät 1 im späteren Messbetrieb auch den Leitfähigkeitswert σ zumindest in diesem Werte-Bereich bestimmen. Dabei ist gerade dieser Messbereich insofern vorteilhaft, als dass insbesondere in diesem Messbereich über die Leitfähigkeit σ auch der Feuchtegehalt des Mediums 2 ermittelt werden kann. Nicht nur in diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die entsprechende Signal-Amplitude A(ME,121) im Rahmen Kalibration bei mindestens 20 verschiedenen Leitfähigkeiten σ bzw. Salzkonzentrationen ermittelt wird. Hierdurch erhält die Kalibrations-Funktion σ(A) eine erhöhte Auflösung.The calibration function σ(A) can be created during this calibration process at least in a value range between 0 mS/cm and 30 mS/cm by successively enriching the water as reference medium 2 with salt. In this way, the measuring device 1 can also determine the conductivity value σ at least in this value range in later measuring operation. This measuring range is particularly advantageous in that the moisture content of the medium 2 can also be determined via the conductivity σ in particular in this measuring range. Not only in this context is it advantageous if the corresponding signal amplitude A(M E,121 ) is determined as part of the calibration for at least 20 different conductivities σ or salt concentrations. This gives the calibration function σ(A) an increased resolution.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Messgerät 1 ist insgesamt, dass es neben Leitfähigkeitsmessung potenziell auch zur Füllstandsmessung eingesetzt werden kann. Dementsprechend kann die Mess-Sonde 12 des Messgerätes 1 abweichend zu 2 auch in anderer Ausrichtung am Behälter 3 angebracht werden, um in Kontakt mit dem Medium 2 gebracht zu werden, sofern lediglich die Leitfähigkeit σ, und kein Füllstand L zu bestimmen ist. Bei reiner Leitfähigkeits-Messung kann die Mess-Sonde 12 also beispielsweise nicht nur in Behältern 3, sondern auch in Rohrleitungs-Abschnitten, die vom Medium 2 durchströmt werden, angebracht werden.An overall advantage of the measuring device 1 according to the invention is that it can potentially also be used for level measurement in addition to conductivity measurement. Accordingly, the measuring probe 12 of the measuring device 1 can deviate 2 can also be attached to the container 3 in a different orientation in order to be brought into contact with the medium 2, provided that only the conductivity σ and no filling level L is to be determined. In the case of a pure conductivity measurement, the measuring probe 12 can therefore be installed not only in containers 3, but also in pipeline sections through which the medium 2 flows.

BezugszeichenlisteReference List

11
Messgerätgauge
22
Mediummedium
33
Behältercontainer
1111
Pulserzeugungs-Einheitpulse generation unit
1212
Mess-Sondemeasuring probe
1313
Abtast-Einheitscanning unit
1414
Auswertungs-Einheitevaluation unit
1515
Sende-/Empfangs-WeicheTransmit/receive switch
121121
Sonden-Endeprobe end
A(ME)A(ME)
Amplitude des Signal-MaximumsAmplitude of the signal maximum
di.e
AbstandDistance
E(t,d)E(t,d)
Auswertungs-Signalevaluation signal
EHFEHF
Empfangs-Signalreceive signal
fcFC
Taktrateclock rate
f'cf'c
Abtastratesampling rate
hH
Einbauhöheinstallation height
LL
Füllstandlevel
MEME
Signal-Maximumsignal maximum
SHFSHF
Pulsförmiges SignalPulse signal
tt
Signallaufzeitsignal propagation time
σσ
Leitfähigkeitconductivity
σ(A)σ(A)
Kalibrations-Funktioncalibration function

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 8947102 B1 [0004]US8947102B1 [0004]

Claims (10)

Messgerät zur Messung einer Leitfähigkeit (σ) eines Mediums (2), umfassend: - Eine Signalerzeugungs-Einheit (11), die ausgelegt ist, mit einer definierten Taktrate (fc) ein elektrisch pulsförmiges Signal (SHF) zu erzeugen, - eine in das Medium (2) einbringbare Mess-Sonde (12), in welche das pulsförmige Signal (SHF) einkoppelbar ist, und mittels welcher die Pulse (SHF) nach Reflektion in der Mess-Sonde (12) als Empfangs-Signal (EHF) empfangbar sind, - eine Abtast-Einheit (13), die ausgelegt ist, das Empfangs-Signal (EHF) derart unterabzutasten, um ein zeitgedehntes Auswertungs-Signal (E(t,d)) zu erzeugen, und - eine Auswertungs-Einheit (14), die ausgelegt ist, um ◯ anhand des Auswertungs-Signals (E(t,d)) ein definiertes Extremum (ME,121) und dessen Signal-Amplitude (A(ME)) zu ermitteln, und ◯ um anhand der Signal-Amplitude (A(ME)) des Extremums (ME,121) und anhand einer Kalibrations-Funktion (σ(A)) die Leitfähigkeit (σ) des Mediums (2) zu bestimmen.Measuring device for measuring a conductivity (σ) of a medium (2), comprising: - a signal generation unit (11) which is designed to generate an electrically pulsed signal (S HF ) at a defined clock rate (f c ), - a measuring probe (12) that can be introduced into the medium (2), into which the pulse-shaped signal (S HF ) can be coupled, and by means of which the pulses (S HF ) can be received as a received signal (S HF ) after reflection in the measuring probe (12) E HF ) can be received, - a sampling unit (13) which is designed to undersample the received signal (E HF ) in such a way as to generate a time-expanded evaluation signal (E(t,d)), and - a Evaluation unit (14), which is designed to ◯ determine a defined extremum (M E,121 ) and its signal amplitude (A(M E )) based on the evaluation signal (E(t,d)), and ◯ to determine the conductivity (σ) of the medium (2) using the signal amplitude (A(M E )) of the extremum (M E,121 ) and using a calibration function (σ(A)). Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Auswertungs-Einheit (14) ausgelegt ist, die Signal-Amplitude (A(ME)) desjenigen Extremums (ME,121) zu ermitteln, welches dem Sonden-Ende (121) der Mess-Sonde (12) zugeordnet ist.measuring device claim 1 , wherein the evaluation unit (14) is designed to determine the signal amplitude (A(M E )) of that extremum (M E,121 ) which is assigned to the probe end (121) of the measuring probe (12). is. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mess-Sonde (12) als Koaxial-Leiter oder als Doppelstab-Sonde mit insbesondere parallelen Stäben ausgelegt ist.measuring device claim 1 or 2 , wherein the measuring probe (12) is designed as a coaxial conductor or as a double-rod probe with, in particular, parallel rods. Verwendung des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums (2) und/oder zur Bestimmung des Füllstandes (L) des Mediums (2) in einem Behälter (3).Use of the measuring device (1) according to one of the preceding claims for determining the dielectric value of the medium (2) and/or for determining the filling level (L) of the medium (2) in a container (3). Verfahren zur Erstellung einer Kalibrations-Funktion (σ(A)) für ein TDR-basiertes Leitfähigkeitsmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einbringen einer elektrisch leitfähigen Mess-Sonde (12) in ein Medium mit bekannter Leifähigkeit (σ), - Getaktetes Einkoppeln eines elektrisch pulsförmigen Signals (SHF) in die Mess-Sonde (12), - Empfang der Pulse (SHF) nach Reflektion in der Mess-Sonde (12) als Empfangs-Signal (EHF), - Erzeugung eines zeitgedehnten Auswertungs-Signals (E(t,d)) durch Unterabtastung des Empfangs-Signals (EHF), und - Ermittlung eines definierten Extremums (ME,121) und der korrespondierenden Signal-Amplitude (A(ME)) anhand des Auswertungs-Signals (E(t,d)), wobei die vorherigen Verfahrensschritte jeweils an zumindest zwei unterschiedlich leitfähigen Medien (2) durchgeführt werden, und - Erstellung der Kalibrations-Funktion (σ(A)) anhand der zumindest zwei ermittelten Signal-Amplituden (A(ME)) und anhand der korrespondierenden Leitfähigkeitswerte (σ).Method for creating a calibration function (σ(A)) for a TDR-based conductivity measuring device (1) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps: - introducing an electrically conductive measuring probe (12) into a medium with known conductivity ( σ), - Clocked coupling of an electrically pulsed signal (S HF ) into the measuring probe (12), - Reception of the pulses (S HF ) after reflection in the measuring probe (12) as a received signal (EHF), - Generation of a time-expanded evaluation signal (E(t,d)) by undersampling the received signal (E HF ), and - determination of a defined extremum (M E,121 ) and the corresponding signal amplitude (A(M E )) based on the evaluation signal (E(t,d)), the previous method steps being carried out on at least two differently conductive media (2), and - creation of the calibration function (σ(A)) based on the at least two determined signals amplitudes (A(M E )) and based on d he corresponding conductivity values (σ). Verfahren nach Anspruch 5, wobei im Auswertungs-Signal (E(t,d)) jeweils dasjenige Extremum (ME,121), das jeweils durch ein Sonden-Ende (121) der Mess-Sonde (12) erzeugt wird, zur Ermittlung der entsprechenden Signal-Amplituden (A(ME)) herangezogen wird.procedure after claim 5 , wherein in the evaluation signal (E(t,d)) in each case that extremum (ME ,121 ) which is generated in each case by a probe end (121) of the measuring probe (12) for determining the corresponding signal amplitudes (A(M E )) is used. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das zum Sonden-Ende (121) zugehörige Extremum (ME,121) anhand einer definierten Signal-Laufzeit (t) und/oder anhand einer definierten Polarität des Extremums (ME,121) zugeordnet wird.procedure after claim 6 , wherein the extremum (ME , 121) associated with the probe end (121) is assigned on the basis of a defined signal propagation time (t) and/or on the basis of a defined polarity of the extremum (ME ,121 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Kalibrations-Funktion (σ(A)) durch Interpolation der zumindest zwei Amplituden (A(ME)) und der korrespondierenden, bekannten Leitfähigkeitswerte (σ) erstellt wird.Procedure according to one of Claims 5 until 7 , wherein the calibration function (σ(A)) is created by interpolating the at least two amplitudes (A(M E )) and the corresponding known conductivity values (σ). Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Interpolation eine Polynomial-Funktion insbesondere zweiten Grades oder eine Treppenfunktion zugrunde gelegt wird.procedure after claim 8 , the interpolation being based on a polynomial function, in particular of the second degree, or a step function. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die zumindest zwei Medien (2) derart gewählt sind, dass die korrespondierenden Leitfähigkeiten (σ) einen Leitfähigkeits-Bereich zwischen 0 mS/cm und 30 mS/cm abdecken.Procedure according to one of Claims 5 until 9 , wherein the at least two media (2) are selected such that the corresponding conductivities (σ) cover a conductivity range between 0 mS/cm and 30 mS/cm.
DE102020134379.5A 2020-12-21 2020-12-21 conductivity measurement Pending DE102020134379A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020134379.5A DE102020134379A1 (en) 2020-12-21 2020-12-21 conductivity measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020134379.5A DE102020134379A1 (en) 2020-12-21 2020-12-21 conductivity measurement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020134379A1 true DE102020134379A1 (en) 2022-06-23

Family

ID=81847050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020134379.5A Pending DE102020134379A1 (en) 2020-12-21 2020-12-21 conductivity measurement

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020134379A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023106371A1 (en) 2023-03-14 2024-09-19 Endress+Hauser SE+Co. KG Measuring device for determining dielectric value and conductivity
WO2024193918A1 (en) * 2023-03-17 2024-09-26 Endress+Hauser SE+Co. KG Determining properties of contents

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8947102B1 (en) 2011-08-05 2015-02-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Soil water and conductivity sensing system
DE102012009868B4 (en) 2011-12-02 2018-03-01 Krohne Messtechnik Gmbh frequency synthesizer
DE102019110256A1 (en) 2018-05-09 2019-11-14 Imko Micromodultechnik Gmbh TDR measuring device for determining the dielectric constant
WO2020035472A1 (en) 2018-08-16 2020-02-20 Endress+Hauser SE+Co. KG Fill level measuring device
DE102018123429A1 (en) 2018-09-24 2020-03-26 Endress+Hauser SE+Co. KG Level meter

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8947102B1 (en) 2011-08-05 2015-02-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture Soil water and conductivity sensing system
DE102012009868B4 (en) 2011-12-02 2018-03-01 Krohne Messtechnik Gmbh frequency synthesizer
DE102019110256A1 (en) 2018-05-09 2019-11-14 Imko Micromodultechnik Gmbh TDR measuring device for determining the dielectric constant
WO2020035472A1 (en) 2018-08-16 2020-02-20 Endress+Hauser SE+Co. KG Fill level measuring device
DE102018123429A1 (en) 2018-09-24 2020-03-26 Endress+Hauser SE+Co. KG Level meter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SKIERUCHA, Wojciech, et al.: A TDR-based soil moisture monitoring system with simultaneous measurement of soil temperature and electrical conductivity. In: Sensors, 2012, 12. Jg., Nr. 10, S. 13545-13566.

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023106371A1 (en) 2023-03-14 2024-09-19 Endress+Hauser SE+Co. KG Measuring device for determining dielectric value and conductivity
WO2024193918A1 (en) * 2023-03-17 2024-09-26 Endress+Hauser SE+Co. KG Determining properties of contents

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2652462B1 (en) Measuring device, control device and measuring instrument for level measurement
DE102012003373B4 (en) Method for monitoring and method for operating a working according to the radar principle level measuring system and corresponding level measuring system
WO2015018586A1 (en) Dispersion correction for fmcw radar in a pipe
EP2811269A1 (en) Multi-threshold measuring device
DE102020134379A1 (en) conductivity measurement
DE102009007382A1 (en) Method and device for compensation of supply influences during fault location
EP3308110A1 (en) Method for testing the functionality of a radar-based fill state measuring device
EP2652465B1 (en) Determination of media characteristics during filling level measurement
EP3006905B1 (en) Method and device for measuring a fill level
WO2021115763A1 (en) Measuring device for determining a dielectric value
EP3467451A1 (en) Fill level measuring device and method for determining the level of a medium by continuous wave radar measurement
WO2013110783A2 (en) Envelope calculation by means of phase rotation
EP2789996B1 (en) Echo curve determination with different resolution in different areas
EP3605029B1 (en) Impedance sensor and method for determining the switching state of an impedance sensor
EP2652463B1 (en) Device for measuring emulsions, comprising a vertical tube
DE102019133259A1 (en) TDR-based dielectric value measuring device
EP4196775B1 (en) Temperature-compensated dielectric-constant measuring device
DE102018102367A1 (en) Method for detecting potential fault conditions on an FMCW-based level gauge
DE102018119976A1 (en) level meter
EP4071447B1 (en) Method for determining the conductivity of a medium, method of operating a magnetic-inductive flowmeter, and magnetic-inductive flowmeter
EP3605028B1 (en) Method for determining a switching condition of an impedance sensor and impedance sensor
DE102020100861A1 (en) Measuring device for determining a dielectric value
DE102012112749A1 (en) Method for evaluating measurement signals of a level gauge
DE102020134061A1 (en) Radio frequency based field device
DE102022108337A1 (en) Dielectric value measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified