EP4680949A1 - Messgerät zur bestimmung von dielektrizitätswert und leitfähigkeit - Google Patents

Messgerät zur bestimmung von dielektrizitätswert und leitfähigkeit

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Publication number
EP4680949A1
EP4680949A1 EP24706066.8A EP24706066A EP4680949A1 EP 4680949 A1 EP4680949 A1 EP 4680949A1 EP 24706066 A EP24706066 A EP 24706066A EP 4680949 A1 EP4680949 A1 EP 4680949A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
frequency
measuring
conductivity
electrode
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
EP24706066.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Blödt
Peter KLÖFER
Sylwester SZYMANSKI
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
Publication of EP4680949A1 publication Critical patent/EP4680949A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G—PHYSICS
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G01N33/14—Beverages
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/15—Medicinal preparations ; Physical properties thereof, e.g. dissolubility

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency-based measuring device for determining a dielectric value and a conductivity of a filling material.
  • field devices are often used to record various measured variables.
  • the measured variable to be recorded 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 product in a process plant.
  • the field devices each contain suitable sensors or are based on suitable measuring methods. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • the dielectric value (also known as "dielectric constant” or “relative permittivity”) of various media is of great interest for solids as well as liquid and gaseous filling materials, such as fuels, waste water, gases, gas phases or chemicals, as this value can be a reliable indicator of contamination, moisture content, substance concentration or substance composition.
  • the dielectric value of a filling material can be determined, for example, by measuring the amplitude, phase shift or signal propagation time of high-frequency signals as they pass through the filling material.
  • a high-frequency signal with a defined frequency or within a defined frequency band is coupled into the filling material: After passing through the filling material, the high-frequency signal is evaluated with regard to its amplitude, phase position or signal propagation time in relation to the emitted high-frequency signal.
  • the term "high frequency signal” in the context of this patent application refers to corresponding signals with frequencies between 10 MHz and 150 GHz.
  • a phase-based dielectric value measuring device is described, for example, in the publication WO 2022033831 A1.
  • the invention solves this problem by a measuring device for determining a dielectric value and an electrical conductivity of a filling material, the measuring device comprising the following components:
  • a first electrode that can be brought into galvanic contact with the filling material a second electrode that can be brought into galvanic contact with the filling material, a high-frequency measuring unit that is designed to o couple an electrical high-frequency signal into the first electrode via a high-frequency output, o receive the high-frequency signal after its interaction with the filling material at the second electrode via a high-frequency input, and to o determine the dielectric value of the filling material at least based on the received high-frequency signal, a conductivity measuring unit that is designed to o couple a measurement signal into one of the electrodes via a signal output, and o decouple the measurement signal after interaction with the filling material from the other electrode via a signal input, and o determine the conductivity of the filling material based on the decoupled measurement signal, and a signal decoupling unit that is designed to to be separated from each other in terms of signal technology.
  • the invention is based on the idea that the conductivity is also determined using the same electrodes used to determine the dielectric value using high frequency. This means that no separate electrodes or additional measuring devices need to be kept in order to be able to determine the conductivity of the contents in addition to the dielectric value. This means that the contents are subject to less external interference, which in turn improves the hygienic conditions in the container.
  • the high-frequency measuring unit can determine the dielectric value either in the form of the imaginary part or the real part, or as an amount. Depending on the design of the high-frequency measuring unit, the dielectric value can be determined based on the amplitude, the signal or signal group runtime, the signal quality and/or the impulse or frequency response of the received high-frequency signal. The frequency of the high-frequency signal is in principle dependent on the dielectric value. measuring range. If the measuring range of the dielectric value is between 60 and 90, i.e. for media with a high moisture content, the high-frequency measuring unit must be designed to generate the electrical high-frequency signal corresponding to this measuring range with a frequency between 0.1 GHz and 30 GHz, in particular between 2 GHz and 8 GHz.
  • any measuring principle that allows conductivity to be determined using two electrodes is suitable within the scope of the invention. Accordingly, the capacitive, conductive or transmittive measuring principle can be implemented in the conductivity measuring unit, for example, since all of these principles are based on the use of two electrodes.
  • a measuring device intended for process automation that is based on the capacitive-conductive measuring principle is described, for example, in the publication WO 2019141464 A1.
  • the implementation of the signal decoupling unit is also not strictly prescribed within the scope of the invention, as long as the high-frequency measuring unit and the conductivity measuring unit are sufficiently separated from one another in terms of signal technology towards the electrodes.
  • the design of the signal decoupling unit depends, among other things, on how the measuring units are implemented.
  • the signal decoupling unit can, for example, comprise a first diode arrangement, which is connected upstream or downstream of the high-frequency output and/or the high-frequency input in the signal direction.
  • the signal decoupling unit can comprise a second diode arrangement, which is connected upstream or downstream of the signal output and/or the signal input in the signal direction.
  • diode is to be understood in such a way that this also includes appropriately connected transistors and corresponding electronic components with equivalent functions.
  • the signal decoupling unit can also be equipped with a first signal switch, which is connected upstream of the first electrode, and/or a second signal switch, which is connected upstream of the second electrode.
  • a circulator, a duplexer and/or a diplexer can function as a signal switch, for example.
  • the signal decoupling unit for decoupling the measuring units comprises a first frequency filter which is connected upstream of the high-frequency measuring unit and/or a second frequency filter which is connected upstream of the conductivity measuring unit.
  • the signal decoupling unit comprises one or more signal switches or diodes in addition to one or more frequency filters.
  • a mixed design of the signal decoupling unit based on signal switches and diode arrangements is also possible.
  • the signal decoupling unit includes for signal separation, depending on the design of the measuring units, another design variable is that either the outputs of both measuring units are switched to the first electrode via the signal decoupling unit, in which case the inputs of both measuring units are switched to the second electrode (again each via the signal decoupling unit). Or the signal output of the conductivity measuring unit and the high-frequency unit are each switched to the second electrode via the signal decoupling unit, while the high-frequency output and the signal input are each switched to the first electrode via the signal decoupling unit.
  • the design of the signal decoupling unit based on frequency filters, signal switches or diode arrangements is based on realizing the signal separation between the measuring units and the electrodes.
  • An alternative or additional design variant for this is to operate the measuring units at different times from one another.
  • the signal decoupling unit is designed in this case to control the high-frequency measuring unit and the conductivity measuring unit, for example by means of a control signal, in such a way that one of the units is active and the other unit is inactive.
  • the term "unit" in the context of the invention is understood to mean any electronic circuit that is suitably designed for the intended purpose. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary computing operations of the respective unit.
  • different electronic units of the measuring device within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit.
  • Fig. 1 A measuring device according to the invention for measuring the conductivity and dielectric value of a filling material in a container
  • Fig. 2 a detailed view of the measuring device with signal decoupling unit
  • Fig. 3 a first embodiment of the signal decoupling unit
  • Fig. 4 a second embodiment of the signal decoupling unit
  • Fig. 5 a third embodiment of the signal decoupling unit
  • Fig. 6 a fourth embodiment of the signal decoupling unit.
  • a container 3 is shown in Fig. 1, which is used, for example, in a pharmaceutical manufacturing process.
  • the container 3 is filled with a filling material 2, the dielectric value and conductivity of which are to be determined.
  • a measuring device 1 is attached via a lateral external connection of the container 3, such as a flange of size DN50, such that two electrodes 11, 12 protrude into the interior of the container or are immersed in the filling material 2.
  • the measuring device 1 can be contacted with a higher-level unit 4, such as a process control system.
  • the interface can be "PROFIBUS", "HART", “Wireless HART" or
  • Ethernet 1 must be implemented. The measured values can be transmitted via this. However, other information about the general operating status of the measuring device 1 can also be communicated.
  • the dielectric value and the conductivity of the filling material 2 are determined by the measuring device 1 according to the invention, each on the basis of a transmittive measurement.
  • high-frequency signals SHF are emitted with regard to the dielectric value via one of the electrodes 11, which functions as the first electrode 11 in this regard.
  • the second electrode 12 is used to receive the high-frequency signals SHF after the high-frequency signals SHF have passed through the filling material 2.
  • the measuring distance d through which the high-frequency signal SHF passes is determined by the structural distance d between the electrodes 11, 12. As can be seen from Fig. 2, the electrodes 11, 12 protrude to a defined depth h into the interior of the container or towards the filling material 2 for transmission or reception.
  • the high-frequency signals SHF are generated in a high-frequency measuring unit 13 of the measuring device 1 designed for this purpose and fed to the first electrode 11 via a high-frequency output 131.
  • the high-frequency measuring unit 13 is connected to the second electrode 12. connected via a high frequency input 132 in order to evaluate the high frequency signals SHF after reception
  • the electrodes 11, 12 are made entirely of a conductive material, such as turned stainless steel, or whether the electrodes 11, 12 merely have an electrically conductive surface coating. Any metallization of the electrode surface can be applied, for example, by means of plasma coating such as PECVD ("Plasma Enhanced Vapor Deposition").
  • PECVD Plasma Enhanced Vapor Deposition
  • the high-frequency measuring unit 13 can determine the real part of the dielectric value. Based on the signal propagation time or the phase position of the received high-frequency signal SHF, the real part of the dielectric value can be determined.
  • the pulse propagation time or the FMCW method can be implemented as measuring principles for determining the signal propagation time, analogous to radar-based distance measurement. Accordingly, the high-frequency measuring unit 13 is to be designed according to the respective measuring principle.
  • the filling material 2 can be liquids with a high water content, such as drinks or vaccines. Accordingly, the dielectric value range to be measured in these cases is between 60 and 90.
  • the high-frequency measuring unit 13 is preferably designed to generate the high-frequency signals SHF with a frequency f between 2 GHz and 8 GHz. It goes without saying that in the case of other dielectric value measuring ranges, other frequencies must be implemented accordingly.
  • c is the speed of propagation of the high-frequency signal SHF in the filling material 2 according to the speed of light;
  • DK is the dielectric value of the filling material 2.
  • the design of the electrode depth h also ensures that the measuring device 1 can be designed with compact dimensions. This means that the measuring device can also be attached to small container openings.
  • the depth h of the electrodes 11, 12 refers to a wall 16 of the measuring device 1 which is planar towards the filling material 2 or the interior of the container and which, in the exemplary embodiment shown, also functions as a signal ground for the high-frequency signal SHF. Accordingly, the wall 16 can be made from stainless steel, for example.
  • a minimum depth h of the electrodes 12, 13 in relation to the wall 16 is not fixed. In principle, it is even conceivable that the electrodes 11, 12 do not protrude beyond the wall 16 into the interior of the container.
  • the advantage of a depth h of the electrodes 11, 12 greater than zero, however, is the higher sensitivity of the dielectric value measurement
  • the distance d between the first electrode 11 and the second electrode 12 is preferably a maximum of one quarter and a minimum of one eighth of the wavelength A which, according to the above formula, corresponds to the frequency f of the high-frequency signal SHF. This makes use of the effect whereby the first electrode 11 emits the high-frequency signal SHF at this distance A/8 ⁇ d A/4 with the highest field density.
  • the distance "d" refers to the distance between the two points on the surfaces of the electrodes 11, 12 which are the closest to each other.
  • both electrodes 11, 12 have the same geometry or the same depth h and/or taper conically with increasing depth h, as is the case in Fig. 2.
  • both electrodes 11, 12 also each have a rounded electrode end. This is particularly advantageous for hygienically sensitive applications in which filling material deposits must be avoided.
  • This design of the electrodes 11, 12 is also advantageous for applications in which the filling material 2 is not stationary in the container s, but flows through a pipe section, for example, in order to suppress the formation of vortices in the pipe section, provided that the measuring device is arranged there.
  • the cross-sectional shape of the electrodes 11, 12 is not fixed within the scope of the invention.
  • the cross-section can have a round, elliptical or rectangular shape.
  • the electrodes 11, 12 are each electrically insulated by an insulation 17 which separates the respective electrode 11, 12 from the wall 16.
  • the electrical insulation 17 can be implemented, for example, as an injection-molded part.
  • the material used can be, for example, PP, PTFE, PEEK or a ceramic such as aluminum oxide.
  • the two insulations 17 are designed such that they are flush with the wall 16 towards the filling material 2.
  • the insulations 17 of the electrodes 11, 12 are each in turn separated by the wall 16 which functions as a signal ground. This achieves the additional advantageous effect that the high-frequency signal SHF has to pass completely through the filling material 2 without being able to couple at least partially directly from the first electrode 11 into the second electrode 12.
  • the sensitivity of the dielectric value measurement is thus further increased.
  • the electrodes 11, 12 are used to determine not only the dielectric value of the filling material 2, but also its conductivity. This makes it unnecessary to attach a separate conductivity measuring device to the container s, which creates better hygienic conditions.
  • the measuring device 1 also comprises a conductivity measuring unit 14 in addition to the high-frequency unit 13, which is connected to one of the electrodes 11, 12 via a signal output 141.
  • a signal input 142 of the conductivity measuring unit 14 is connected to the other electrode 11, 12.
  • the conductivity measuring unit 14 couples a measuring signal SLF into the corresponding electrode 11, 12 via the signal output 141 in order to decouple it from the other electrode 11, 12 or to receive it after interaction with the filling material 2.
  • the conductivity measuring unit 14 can thus determine the electrical conductivity of the filling material 2 based on the coupled measuring signal SLF, in particular according to the capacitive-conductive measuring principle.
  • the measuring device 1 comprises a signal decoupling unit 15, which separates the high-frequency signal SHF of the high-frequency measuring unit 13 from the measurement signal SLF of the conductivity measuring unit 14.
  • a signal decoupling unit 15 which separates the high-frequency signal SHF of the high-frequency measuring unit 13 from the measurement signal SLF of the conductivity measuring unit 14.
  • the embodiment of the signal decoupling unit 15 shown in Fig. 3 comprises two circulators 153, 154, each of which is connected upstream of one of the electrodes 11, 12. Instead of the circulators 153, 154, it is also conceivable to use any other form of signal switches.
  • the signal outputs 131, 141 of both measuring units 13, 14 are connected via the first circulator 153 to the first electrode 11, while the signal inputs 131, 141 are electrically connected to the second electrode 12 via the second circulator 154.
  • the signal output 131 of the high-frequency measuring unit 13 and the signal input 142 of the conductivity measuring unit 14 are connected to the first electrode 11 via the first circulator 153, while the signal input 132 of the high-frequency measuring unit 13 and the signal output 141 of the conductivity measuring unit 14 are connected to the second electrode 12 via the second circulator 154.
  • the signal decoupling unit 15 is based on two frequency filters 155, 156, each of which is connected upstream of one of the signal inputs 132, 142.
  • the first frequency filter 155 is connected upstream of the signal input 132 of the high-frequency measuring unit 13 and is designed as a bandpass filter in such a way that only the frequency of the high-frequency signal SHF can pass through.
  • the second bandpass filter 156 is connected upstream of the signal input 142 of the conductivity measuring unit 14 and is permeable to the frequency of its measurement signal SLF.
  • the frequency filters 155, 156 are bandpass filters, it is alternatively also conceivable to design the first frequency filter 155 as a high-pass filter for the high-frequency signal SHF, while the second frequency filter 156 forms a low-pass filter for the measurement signal SLF.
  • the signal outputs 131, 141 of the measuring units 13, 14 are connected to the first electrode 11, while the signal inputs 132, 142 are connected to the second electrode via the respective frequency filter 155, 156.
  • the corresponding frequency filter 155, 156 must be connected upstream of the signal input 132, 142.
  • the embodiment of the signal decoupling unit 15 shown in Fig. 5 is based on two diode arrangements 151, 152, which are arranged between the measuring units 13, 14 and the electrodes 11, 12.
  • the first diode arrangement 151 of the High frequency measuring unit 13 is assigned and comprises two diodes, of which the first diode is connected downstream of the high frequency output 131 in the signal direction or upstream of the first electrode 11.
  • the second diode of the first diode arrangement 151 is connected upstream of the high frequency input 132 in the signal direction or downstream of the second electrode 12.
  • the second diode arrangement 152 relates to the conductivity measuring unit 14.
  • a third diode of the second diode arrangement 152 is connected downstream of the signal output 141 of the conductivity measuring unit 14.
  • a fourth diode of the second diode arrangement 152 is connected upstream of the signal input 142 of the conductivity measuring unit 14.
  • the embodiment variants of the signal decoupling unit 15 shown in Fig. 3 to Fig. 5 cannot simply be implemented separately within the scope of the invention.
  • an embodiment shown can additionally contain elements of other embodiments for better signal separation:
  • the variant of the signal decoupling unit 15 shown in Fig. 3 can be expanded to include the frequency filters 155, 156 between the circulators 153, 154 and the measuring units 13, 14.
  • the signal decoupling unit 15 in the embodiment according to Fig. 6 is not arranged between the measuring units 13, 14 and the electrodes 11, 12 in terms of signal technology. Rather, the signal decoupling unit 15 in this embodiment controls the measuring units 13, 14 in such a way that they measure at different times: This means that one of the measuring units 13, 14 is active for a defined period and measures the respective measured value, while the other unit 13, 14 is inactive within this period and does not measure. After the end of this period, the other measuring unit 13, 14 is activated or deactivated for a subsequent period. Accordingly, the measuring units 13, 14 are activated or deactivated by the
  • Signal decoupling unit 15 controls them. For example, they can be switched on and off via a control signal s c or a periodically switchable switch, as shown in Fig. 6. This embodiment of the signal decoupling unit 15 can also be combined with one of the embodiments described in Fig. 3 to Fig. 5 for the purpose of further improved signal separation. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1), mittels dem sowohl der Dielektrizitätswert, als auch die elektrische Leitfähigkeit eines Füllgutes (2) bestimmt werden können: Kern des Messgerätes (1) sind zwei Elektroden (11, 12), die jeweils galvanisch in Kontakt mit dem Füllgut (2) bringbar sind. Eine Hochfrequenz-Messeinheit (13) koppelt ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (SHF) in die erste Elektrode (12) ein und empfängt dieses nach dessen Wechselwirkung mit dem Füllgut (2) an der zweiten Elektrode (13). Anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals (SHF) wird der Dielektrizitätswert des Füllgutes (2) bestimmt. Eine Leitfähigkeits-Messeinheit (14) koppelt ein zusätzliches Mess-Signal (SLF) in eine der Elektroden (11, 12), um das Mess-Signal (SLF) nach Wechselwirkung mit dem Füllgut (2) aus der anderen Elektrode (11, 12) auszukoppeln. Anhand des ausgekoppelten Mess-Signals (SLF) wird wiederum die Leitfähigkeit des Füllgutes (2) bestimmt. Damit anhand der Signale (SHF, SLF) die Messwerte fehlerfrei bestimmt werden können, trennt eine Signalentkopplungs-Einheit (15) die Hochfrequenz-Messeinheit (13) und die Leitfähigkeits-Messeinheit (14) signaltechnisch voneinander.

Description

Messgerät zur Bestimmung von Dielektrizitätswert und Leitfähigkeit
Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes und einer Leitfähigkeit eines Füllgutes.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu erfassenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Füllgutes in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätszahl“ oder „Relative Permittivität“) diverser Medien ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen und gasförmigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern, Gasen, Gasphasen oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt, die Stoffkonzentration bzw. die Stoffzusammensetzung darstellen kann. Hochfrequenz-technisch kann der Dielektrizitätswert eines Füllgutes beispielsweise bestimmt werden, indem die Amplitude, die Phasenverschiebung oder die Signal-Laufzeit von Hochfrequenz-Signalen bei Durchgang durch das Füllgut gemessen wird. Dazu wird ein Hochfrequenz-Signal mit einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in das Füllgut eingekoppelt: Nach Durchgang durch das Füllgut wird das Hochfrequenz-Signal bezüglich seiner Amplitude, Phasenlage oder Signallaufzeit in Bezug zum ausgesendeten Hochfrequenz-Signal ausgewertet. Dabei bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz- Signal' im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 10 MHz und 150 GHz. Ein phasenbasiertes Dielektrizitätswert-Messgerät wird beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 2022033831 A1 beschrieben.
Insbesondere in der Pharma- und Lebensmittelbranche ist es zur Prozesskontrolle hilfreich, wenn neben dem Dielektrizitätswert auch die Leitfähigkeit der prozessbeteiligten Füllgüter bestimmt bzw. überwacht wird. Andererseits ist es jedoch aus hygienischer Sicht umso nachteilhafter, je mehr Messgeräte in Kontakt mit dem entsprechenden Füllgut gebracht werden müssen. Denn jeder zusätzliche Flansch-Anschluss am Prozess- Behälter, der für ein entsprechendes Messgerät vorgehalten werden muss, stellt aus hygienischer Sicht einen potenziellen Keim-Herd dar und muss entsprechend aufwändig ausgelegt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Dielektrizitätswert und die Leitfähigkeit von Füllgütern mit möglichst wenigen Messgeräten bestimmen zu können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes und einer elektrischen Leitfähigkeit eines Füllgutes, wobei das Messgerät hierzu folgende Komponenten umfasst:
Eine erste Elektrode, die galvanisch in Kontakt mit dem Füllgut bringbar ist, eine zweite Elektrode, die galvanisch in Kontakt mit dem Füllgut bringbar ist, eine Hochfrequenz-Messeinheit, die ausgelegt ist, um o über einen Hochfrequenz-Ausgang ein elektrisches Hochfrequenz-Signal in die erste Elektrode einzukoppeln, o das Hochfrequenz-Signal nach dessen Wechselwirkung mit dem Füllgut an der zweiten Elektrode über einen Hochfrequenz-Eingang zu empfangen, und um o zumindest anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals den Dielektrizitätswert des Füllgutes zu bestimmen, eine Leitfähigkeits-Messeinheit, die ausgelegt ist, o über einen Signal-Ausgang ein Mess-Signal in eine der Elektroden einzukoppeln, und o das Mess-Signal nach Wechselwirkung mit dem Füllgut aus der anderen Elektrode über einen Signal-Eingang auszukoppeln, und o um anhand des ausgekoppelten Mess-Signals die Leitfähigkeit des Füllgutes zu bestimmen, und eine Signalentkopplungs-Einheit, die ausgelegt ist, die Hochfrequenz-Messeinheit und die Leitfähigkeits-Messeinheit signaltechnisch voneinander zu trennen.
Die Erfindung basiert also auf der Idee, dass über diejenigen Elektroden, mittels denen der Dielektrizitätswert Hochfrequenz-basiert bestimmt wird, auch die Leitfähigkeit ermittelt wird. Somit müssen hierfür keine separaten Elektroden bzw. kein zusätzliches Messgerät vorgehalten werden, um neben dem Dielektrizitätswert die Leitfähigkeit des Füllgutes bestimmen zu können. Hierdurch erfährt das Füllgut einen geringeren Eingriff von außen, wodurch wiederum die hygienischen Rahmenbedingungen im Behälter verbessert werden.
Den Dielektrizitätswert kann die Hochfrequenz-Messeinheit entweder in Form des Imaginärteils bzw. des Realteils, oder als Betrag ermitteln. Je nach Auslegung der Hochfrequenz-Messeinheit kann die Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Amplitude, der Signal- bzw. Signalgruppen-Laufzeit, der Signal-Güte und/oder der Impuls- bzw. Frequenz-Antwort des empfangenen Hochfrequenz-Signals erfolgen. Dabei ist die Frequenz des Hochfrequenz-Signals prinzipiell in Abhängigkeit des Dielektrizitätswert- Messbereichs zu wählen. Bei einem Messbereich des Dielektrizitätswertes zwischen 60 und 90, also bei stark feuchtehaltigen Medien, ist die Hochfrequenz-Messeinheit so auszulegen, um das elektrische Hochfrequenz-Signal korrespondierend zu diesem Mess- Bereich mit einer Frequenz zwischen 0,1 GHz und 30 GHz, insbesondere zwischen 2 GHz und 8 GHz, zu erzeugen.
Hinsichtlich der Leitfähigkeits-Bestimmung bietet sich im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliches Messprinzip an, das die Ermittlung der Leitfähigkeit über zwei Elektroden erlaubt. Dementsprechend kann in der Leitfähigkeits-Messeinheit beispielsweise das kapazitive, konduktive, oder transmittive Messprinzip implementiert sein, da alle dieser Prinzipien auf der Verwendung zweier Elektroden basieren. Ein für die Prozessautomation vorgesehenes Messgerät, das auf dem kapazitiv-konduktiven Messprinzip basiert, ist beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift WO 2019141464 A1 beschrieben.
Auch die Realisierung der Signalentkopplungs-Einheit ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben, solange die Hochfrequenz-Messeinheit und die Leitfähigkeits- Messeinheit zu den Elektroden hin signaltechnisch ausreichend voneinander getrennt werden. Dabei richtet sich die Auslegung der Signalentkopplungs-Einheit unter anderem danach, wie die Messeinheiten realisiert sind. In Abhängigkeit hiervon kann die Signalentkopplungs-Einheit beispielsweise eine erste Dioden-Anordnung umfassen, welche dem Hochfrequenz-Ausgang und/oder dem Hochfrequenz-Eingang jeweils in Signalrichtung vor- bzw. nachgeschaltet geschaltet sind/ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Signalentkopplungs-Einheit eine zweite Dioden-Anordnung umfassen, welche dem Signal-Ausgang und/oder dem Signal-Eingang jeweils in Signalrichtung vor- bzw. nachgeschaltet geschaltet sind/ist. Dabei ist der Begriff „Diode“ so zu verstehen, dass hierunter auch entsprechend verschaltete Transistoren sowie entsprechende Elektronik- Bauteile mit äquivalenter Funktion fallen.
Alternativ oder zusätzlich zu Dioden kann die Signalentkopplungs-Einheit außerdem mit einer erste Signalweiche, welche der ersten Elektrode vorgeschaltet ist, und/oder einer zweite Signalweiche, welche der zweiten Elektrode vorgeschaltet ist, ausgestattet werden. Dabei kann als Signalweiche beispielsweise ein Zirkulator, ein Duplexer und/oder ein Diplexer ein fungieren.
Denkbar ist es außerdem, dass die Signalentkopplungs-Einheit zur Entkopplung der Messeinheiten einen ersten Frequenzfilter umfasst, welcher der Hochfrequenz- Messeinheit vorgeschaltet ist, und/oder einen zweiten Frequenzfilter, welcher der Leitfähigkeits-Messeinheit vorgeschaltet ist. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, die Signalentkopplungs-Einheit nicht lediglich auf Basis von Frequenzfiltern, Signalweichen oder Dioden-Anordnungen aufzubauen, sondern gemischt. Das heißt, die Signalentkopplungs-Einheit umfasst in diesem Fall neben einem oder mehreren Frequenzfiltern zusätzliche eine oder mehrere Signalweichen bzw. Dioden. Auch die gemischte Auslegung der Signalentkopplungs- Einheit auf Basis von Signalweiche(n) und Dioden-Anordnung(en) ist möglich.
Unabhängig davon, welche elektrischen Bauteile die Signalentkopplungs-Einheit zur Signaltrennung umfasst, besteht je nach Auslegung der Messeinheiten eine weitere Auslegungsvariable darin, dass entweder die Ausgänge beider Messeinheiten - über die Signalentkopplungs-Einheit - auf die erste Elektrode geschaltet sind, wobei in diesem Fall die Eingänge beider Messeinheiten auf die zweite Elektrode geschaltet sind (wiederum jeweils über die die Signalentkopplungs-Einheit). Oder der Signal-Ausgang der Leitfähigkeits-Messeinheit sowie der Hochfrequenz-Einheit sind über die Signalentkopplungs-Einheit jeweils auf die zweite Elektrode geschaltet, während der Hochfrequenz-Ausgang und der Signal-Eingang jeweils über die über die Signalentkopplungs-Einheit auf die erste Elektrode geschaltet sind.
Der Aufbau der Signalentkopplungs-Einheit auf Basis von Frequenzfiltern, Signalweichen bzw. Dioden-Anordnungen beruht darauf, die Signaltrennung zwischen den Messeinheiten und den Elektroden zu realisieren. Eine alternative oder zusätzliche Auslegungsvariante hierzu besteht darin, die Messeinheiten zeitlich versetzt zueinander zu betreiben. Das heißt, die Signalentkopplungs-Einheit ist in diesem Fall ausgelegt, um die Hochfrequenz-Messeinheit und die Leitfähigkeits-Messeinheit beispielsweise mittels eines Steuer-Signals derart zu steuern, dass jeweils eine der Einheiten aktiv und die andere Einheit inaktiv ist.
Allgemein wird unter dem Begriff „Einheit“ 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. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Gezeigt wird: Fig. 1 : Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Leitfähigkeits- und Dielektrizitätswert- Messung eines Füllgutes in einem Behälter,
Fig. 2: eine Detailansicht des Messgerätes mit Signalentkopplungs-Einheit,
Fig. 3: eine erste Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit,
Fig. 4: eine zweite Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit,
Fig. 5: eine dritte Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit, und
Fig. 6: eine vierte Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit.
Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein Behälter 3 gezeigt, welcher beispielsweise im Rahmen eines pharmazeutischen Herstellungs-Prozesses eingesetzt wird.
Dementsprechend ist der Behälter 3 mit einem Füllgut 2 befüllt, dessen Dielektrizitätswert und Leitfähigkeit zu bestimmen sind. Hierzu ist ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 über einen seitlichen Außenanschluss des Behälters 3, wie bspw. einen Flansch der Größe DN50 derart befestigt, so dass zwei Elektroden 11 , 12 in das Behälter-Innere abstehen bzw. in das Füllgut 2 eintauchen. Optional kann das Messgerät 1 mit einer übergeordneten Einheit 4, wie zum Beispiel einem Prozessleitsystem kontaktiert werden. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART‘, „Wireless HART‘ oder
„Ethernet1 implementiert sein. Hierüber können die Messwerte übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden der Dielektrizitätswert und die Leitfähigkeit des Füllgutes 2 durch das erfindungsgemäße Messgerät 1 jeweils auf Basis transmittiver Messung ermittelt. Hierzu werden bezüglich des Dielektrizitätswertes über eine der Elektroden 11 , welche diesbezüglich als erste Elektrode 11 fungiert, Hochfrequenz- Signale SHF ausgesendet. Die zweite Elektrode 12 dient für die Hochfrequenz-Signale SHF nach Durchgang der Hochfrequenz-Signale SHF durch das Füllgut 2 zu dessen Empfang. Dabei wird die Mess-Strecke d, welche das Hochfrequenz-Signal SHF durchläuft, durch den konstruktiven Abstand d der Elektroden 11 , 12 zueinander festgelegt. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, stehen die Elektroden 11 , 12 zum Senden bzw. zum Empfang bis zu einer definierten Tiefe h in das Behälter-Innere bzw. gen Füllgut 2 ab. Dabei werden die Hochfrequenz-Signale SHF in einer hierfür ausgelegten Hochfrequenz-Messeinheit 13 des Messgerätes 1 erzeugt und über einen Hochfrequenz-Ausgang 131 der ersten Elektrode 11 zugeführt. Mit der zweiten Elektrode 12 ist die Hochfrequenz-Messeinheit 13 signaltechnisch über einen Hochfrequenz-Eingang 132 verbunden, um die Hochfrequenz- Signale SHF nach Empfang entsprechend auszuwerten
Im Rahmen der Erfindung ist es dabei irrelevant, ob die Elektroden 11 , 12 komplett aus einem leitfähigen Material gefertigt sind, wie beispielsweise gedrehtem Edelstahl, oder ob die Elektroden 11 , 12 lediglich eine elektrisch leitfähige Oberflächen-Beschichtung ausweisen. Eine etwaige Metallisierung der Elektroden-Oberfläche kann beispielsweise mittels Plasmabeschichtung wie PECVD („Plasma Enhanced Vapor Deposition“) aufgetragen werden.
Anhand der Amplitude des empfangenen Hochfrequenz-Signals SHF kann die Hochfrequenz-Messeinheit 13 den Realteil des Dielektrizitätswertes bestimmen. Anhand der Signallaufzeit bzw. der Phasenlage des empfangenen Hochfrequenz-Signals SHF kann der Realteil des Dielektrizitätswertes bestimmt werden. Dabei können als Messprinzipien zur Bestimmung der Signallaufzeit analog zu Radar-basierter Abstandsmessung beispielsweise das Pulslaufzeit- oder das FMCW-Verfahren implementiert werden. Dementsprechend ist die Hochfrequenz-Messeinheit 13 gemäß des jeweiligen Messprinzips auszulegen.
Insbesondere in der Lebensmittel- oder Pharmabranche kann es sich bei dem Füllgut 2 um stark wasserhaltige Flüssigkeiten wie Getränke oder Impfstoffe handeln. Dementsprechend liegt der zu erfassende Dielektrizitätswert-Bereich in diesen Fällen zwischen 60 und 90. Entsprechend dieses Bereichs ist die Hochfrequenz-Messeinheit 13 vorzugsweise so ausgelegt, um die Hochfrequenz-Signale SHF mit einer Frequenz f zwischen 2 GHz und 8 GHz zu erzeugen. Es versteht sich von selbst, dass im Falle anderer Dielektrizitätswert-Messbereiche entsprechend andere Frequenzen zu implementieren sind.
Damit insbesondere im Dielektrizitätswert-Bereich zwischen 60 und 90 eine hohe Auflösung erzielt werden kann, wird über die erste Elektrode 11 vorzugsweise das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals SHF ausgekoppelt. Vorteilhaft ist hieran die geringe Dämpfung in Medien 2 mit hohen Dielektrizitätswerten und die damit verbundene, hohe Messempfindlichkeit. Außerdem werden störende Effekte des Fernfeldes vermieden, wie beispielsweise unerwünschte Reflexionen an der Innenwand des Behälters 2, wodurch die Messung verfälscht werden kann. Hierzu ist die Erste Elektrode 11 zur überwiegenden Abstrahlung im Nahfeld mit einer Tiefe h auszulegen, die gemäß wesentlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge A des Hochfrequenz-Signals SHF ist, also beispielsweise ein Achtel der Wellenlänge A. Hierbei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hochfrequenz-Signals SHF im Füllgut 2 gemäß Lichtgeschwindigkeit; DK ist der Dielektrizitätswert des Füllgutes 2. Durch die Konzipierung der Elektroden-Tiefe h wird nebenher sichergestellt, dass das Messgerät 1 mit kompakten Abmessungen ausgelegt werden kann. Hierdurch ist das Messgerät auch an kleinen Behälter-Öffnungen anbringbar. Die Tiefe h der Elektroden 11 , 12 bezieht sich dabei auf eine gen Füllgut 2 bzw. Behälter-Inneren planare Wandung 16 des Messgerätes 1 , welche im gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Signalmasse für das Hochfrequenz-Signal SHF fungiert. Dementsprechend kann die Wandung 16 beispielsweises aus einem Edelstahl gefertigt sein. Eine in Bezug zur Wandung 16 minimale Tiefe h der Elektroden 12, 13 ist nicht fest vorgegeben. Prinzipiell ist es sogar denkbar, dass die Elektroden 11 , 12 nicht über die Wandung 16 hinaus in das Behälter- Innere abstehen. Vorteilhat an einer Tiefe h der Elektroden 11 , 12 größer null ist jedoch die höhere Empfindlichkeit der Dielektrizitätswert-Messung.
Der Abstand d zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 beträgt vorzugsweise maximal ein Viertel und minimal ein Achtel derjenigen Wellenlänge A, die gemäß obiger Formel zur Frequenz f des Hochfrequenz-Signals SHF korrespondiert. Hierdurch wird der Effekt ausgenutzt, wonach die erste Elektrode 11 das Hochfrequenz- Signal SHF in diesem Abstand A/8 < d A/4 mit der höchsten Felddichte aussendet. Der Abstand „d“ bezieht sich dabei auf die Entfernung zwischen denjenigen zwei Punkten auf den Oberflächen der Elektroden 11 , 12 die den geringsten Abstand zueinander aufweisen.
Durch diese Positionierung der zweiten Elektrode 12 in Bezug zur ersten Elektrode 11 wird bewirkt, dass die Empfindlichkeit der Dielektrizitätswert-Messung maximiert wird. Unterstützt wird dieser Effekt, wenn beide Elektroden 11 , 12 dieselbe Geometrie bzw. dieselbe Tiefe h aufweisen und/oder sich mit zunehmender Tiefe h konisch verjüngen, wie es in Fig. 2 der Fall ist. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante weisen beide Elektroden 11 , 12 zudem jeweils ein abgerundetes Elektroden-Ende auf. Vorteilhaft ist dies insbesondere bei hygienisch sensiblen Anwendungen, bei denen Füllgut- Ablagerungen zu vermeiden sind. Auch für Anwendungen, bei denen das Füllgut 2 nicht stationär im Behälter s lagert, sondern beispielsweise einen Rohrleitungs-Abschnitt durchströmt, ist diese Auslegung der Elektroden 11 , 12 vorteilhaft, um Wirbelbildung im Rohrleitungs-Abschnitt zu unterdrücken, sofern das Messgerät dort angeordnet ist. Die Querschnittsform der Elektroden 11 , 12 ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben. Prinzipiell kann der Querschnitt beispielsweise eine runde, elliptische oder rechteckige Form aufweisen. Elektrisch isoliert werden die Elektroden 11 , 12 jeweils durch eine Isolation 17, welche die jeweilige Elektrode 11 , 12 gegenüber der Wandung 16 abtrennt. Dabei kann die elektrische Isolation 17 beispielsweise als Spritzgussteil realisiert sein. Als Material kann beispielsweise PP, PTFE, PEEK oder eine Keramik, wie Aluminiumoxid verwendet werden. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die zwei Isolationen 17 so ausgelegt, dass sie gen Füllgut 2 bündig zur Wandung 16 abschließen. Außerdem wird aus Fig. 2 ersichtlich, dass die Isolationen 17 der Elektroden 11 , 12 jeweils wiederum durch die als Signalmasse fungierende Wandung 16 getrennt sind. Hierdurch wird der zusätzlich vorteilhafte Effekt erreicht, dass das Hochfrequenz-Signal SHF vollständig das Füllgut 2 durchlaufen muss, ohne zumindest teilweise direkt von der Erste Elektrode 11 in die Zweite Elektrode 12 einkoppeln zu können. Somit wird die Empfindlichkeit der Dielektrizitätswert-Messung weiter erhöht.
Erfindungsgemäß wird mittels der Elektroden 11 , 12 nicht nur der Dielektrizitätswert des Füllgutes 2 bestimmt, sondern zusätzlich dessen Leitfähigkeit. Hierdurch wird es überflüssig, ein separates Leitfähigkeits-Messgerät am Behälter s anzubringen, wodurch bessere hygienische Voraussetzungen geschaffen werden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, umfasst das Messgerät 1 hierzu neben der Hochfrequenz-Einheit 13 zudem eine Leitfähigkeits-Messeinheit 14, die über einen Signal-Ausgang 141 mit einer der Elektroden 11 , 12 verbunden ist. Ein Signal-Eingang 142 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 ist mit der anderen Elektrode 11 , 12 verbunden. Analog zur Hochfrequenz-Einheit 13 koppelt die Leitfähigkeits-Messeinheit 14 über den Signal-Ausgang 141 ein Mess-Signal SLF in die entsprechende Elektrode 11 , 12 ein, um dies nach Interaktion mit dem Füllgut 2 aus der anderen Elektrode 11 , 12 auszukoppeln bzw. zu empfangen. Dadurch kann die Leitfähigkeits-Messeinheit 14 anhand des eingekoppelten Mess-Signals SLF insbesondere gemäß des kapazitiv-konduktiven Messprinzips die elektrische Leitfähigkeit des Füllgutes 2 ermitteln.
Um über die zwei Elektroden 1 , 12 sowohl die Leitfähigkeit, als auch den Dielektrizitätswert bestimmen zu können, umfasst das erfindungsgemäße Messgerät 1 eine Signalentkopplungs-Einheit 15, welche das Hochfrequenz-Signal SHF der Hochfrequenz-Messeinheit 13 signaltechnisch vom Mess-Signal SLF der Leitfähigkeits- Messeinheit 14 trennt. Wie anhand von Fig. 3 bis Fig. 6 verdeutlicht wird, gibt es hierzu prinzipiell mehrere Ausführungsvarianten:
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit 15 umfasst zwei Zirkulatoren 153, 154, welche jeweils einer der Elektroden 11 , 12 vorgeschaltet sind. Anstelle der Zirkulatoren 153, 154 ist es auch denkbar, jegliche andere Formen von Signalweichen einzusetzen. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante sind die Signal-Ausgänge 131 , 141 beider Messeinheiten 13, 14 über den ersten Zirkulator 153 auf die erste Elektrode 11 verschaltet, während die Signal-Eingänge 131 , 141 über den zweiten Zirkulator 154 elektrisch mit der zweiten Elektrode 12 verbunden sind. Anstatt dieser Verschaltung ist es natürlich auch denkbar, dass der Signal-Ausgang 131 der Hochfrequenz-Messeinheit 13 und der Signal-Eingang 142 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 über den ersten Zirkulator 153 mit der ersten Elektrode 11 verbunden sind, während der Signal-Eingang 132 der Hochfrequenz-Messeinheit 13 und der Signal-Ausgang 141 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 über den zweiten Zirkulator 154 mit der zweiten Elektrode 12 verbunden sind.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante basiert die Signalentkopplungs-Einheit 15 auf zwei Frequenzfiltern 155, 156, welche jeweils einem der Signal-Eingänge 132, 142 vorgeschaltet sind. Dabei ist der erste Frequenzfilter 155 dem Signal-Eingang 132 der Hochfrequenz-Messeinheit 13 vorgeschaltet und derart als Bandpass ausgelegt, um lediglich die Frequenz des Hochfrequenz-Signals SHF durchzulassen. Der zweite Bandpass 156 ist dem Signal-Eingang 142 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 vorgeschaltet und für Frequenz von dessen Mess-Signal SLF durchlässig. Anstatt die Frequenzfilter 155, 156 als Bandpässe auszulegen, ist es alternativ auch denkbar, den ersten Frequenzfilter 155 entsprechend als Hochpass für das Hochfrequenz-Signal SHF auszulegen, während der zweite Frequenzfilter 156 einen Tiefpass für das Mess-Signal SLF ausbildet.
Auch bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante sind die Signal-Ausgänge 131 , 141 der Messeinheiten 13, 14 mit der ersten Elektrode 11 verbunden, während die Signal- Eingänge 132, 142 über den jeweiligen Frequenzfilter 155, 156 mit der zweiten Elektrode
12 verbunden sind. Analog zu Fig. 3 ist es auch hinsichtlich der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform denkbar, dass der Signal-Ausgang 131 der Hochfrequenz-Messeinheit
13 und der Signal-Eingang 142 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 mit der ersten Elektrode
11 verbunden sind, während der Signal-Eingang 132 der Hochfrequenz-Messeinheit 13 und der Signal-Ausgang 141 der Leitfähigkeits-Messeinheit 14 mit der zweiten Elektrode
12 verbunden sind. Auch in diesem Fall ist der entsprechende Frequenzfilter 155, 156 jeweils dem Signal-Eingang 132, 142 vorzuschalten.
Anstatt, die Frequenzfilter 155, 156 jeweils dem Signal-Eingang 132, 142 der Messeinheit 13, 14 vorzuschalten, ist es außerdem denkbar, die Frequenzfilter 155, 156 den Signal- Ausgängen 131 , 141 nachzuschalten: Durch die resultierende Bandbreitenbegrenzung führt dies zu einer Verringerung des Rauschens.
Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsvariante der Signalentkopplungs-Einheit 15 basiert auf zwei Dioden-Anordnungen 151 , 152, die zwischen den Messeinheiten 13, 14 und den Elektroden 11 , 12 angeordnet sind. Dabei ist die erste Dioden-Anordnung 151 der Hochfrequenz-Messeinheit 13 zugeordnet und umfasst zwei Dioden, von denen die erste Diode dem Hochfrequenz-Ausgang 131 in Signalrichtung nachgeschaltet bzw. der ersten Elektrode 11 vorgeschaltet ist. Die zweite Diode der ersten Dioden-Anordnung 151 ist dem Hochfrequenz-Eingang 132 in Signalrichtung vorgeschaltet bzw. der zweiten Elektrode 12 nachgeschaltet. Die zweite Dioden-Anordnung 152 betrifft die Leitfähigkeits- Meseinheit 14. Korrespondierend zur ersten Dioden-Anordnung 151 ist eine dritte Diode der zweiten Dioden-Anordnung 152 dem Signal-Ausgang 141 der Leitfähigkeits- Meseinheit 14 nachgeschaltet. Eine vierte Diode der zweiten Dioden-Anordnung 152 ist dem Signal-Eingang 142 der Leitfähigkeits-Meseinheit 14 vorgeschaltet.
Es versteht sich von selbst, dass die in Fig. 3 bis Fig. 5 gezeigten Ausführungsvarianten der Signalentkopplungs-Einheit 15 im Rahmen der Erfindung nicht lediglich separat realisierbar sind. So kann eine gezeigte Ausführungsform zu einer besseren Signaltrennung beispielsweise zusätzlich Elemente anderer Ausführungsformen beinhalten: Beispielsweise kann die in Fig. 3 gezeigte Variante der Signalentkopplungs- Einheit 15 zwischen den Zirkulatoren 153, 154 und den Messeinheiten 13, 14 um die Frequenzfilter 155, 156 erweitert werden.
Im Gegensatz zu den in Fig. 3 bis Fig. 5 gezeigten Ausführungsvarianten ist die Signalentkopplungs-Einheit 15 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 signaltechnisch nicht zwischen den Messeinheiten 13, 14 und den Elektroden 11 , 12 angeordnet. Vielmehr steuert die Signalentkopplungs-Einheit 15 bei dieser Ausführungsform die Messeinheiten 13, 14 derart, dass sie zeitlich versetzt messen: Das heißt, eine der Messeinheiten 13, 14 ist jeweils für eine definierte Periode aktiv und misst den jeweiligen Messwert, während die andere Einheit 13, 14 innerhalb dieser Periode inaktiv ist und nicht misst. Nach Ende dieser Periode wird die jeweils andere Messeinheit 13, 14 für eine darauffolgende Periode aktiviert bzw. deaktiviert. Entsprechend werden die Mess- Einheiten 13, 14 je nach ihrer Auslegung durch die
Signalentkopplungs-Einheit 15 gesteuert. Beispielsweise können sie über ein Steuer- Signal sc bzw. eine periodisch umschaltbaren Schalter ein und ausgeschaltet werden, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Auch diese Ausführungsform der Signalentkopplungs-Einheit 15 kann zwecks weitere verbesserter Signaltrennung mit einer der in Fig. 3 bis Fig. 5 beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden. Bezugszeichenliste
1 Messgerät
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Erste Elektrode
12 Zweite Elektrode
13 Hochfrequenz-Messeinheit
14 Leitfähigkeits-Messeinheit
15 Signalentkopplungs-Einheit
16 Wandung
17 Elektrische Isolation
131 Hochfrequenz-Ausgang
132 Hochfrequenz-Eingang
141 Signal-Ausgang
142 Signal-Eingang
151 Erste Dioden-Anordnung
152 Zweite Dioden-Anordnung
153 Erste Signalweiche
154 Zweite Signalweiche
155 Erster Frequenzfilter
156 Zweiter Frequenzfilter d Abstand zwischen den Elektroden f Frequenz des Hochfrequenz-Signals h Tiefe der Elektrode
SHF Hochfrequenz-Signal
SLF Mess-Signal sc Steuer-Signal
A Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals

Claims

Patentansprüche
1 . Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes und einer elektrischen Leitfähigkeit eines Füllgutes (2), umfassend:
Eine erste Elektrode (11), die galvanisch in Kontakt mit dem Füllgut (2) bringbar ist, eine zweite Elektrode (12), die galvanisch in Kontakt mit dem Füllgut (2) bringbar ist, eine Hochfrequenz-Messeinheit (13), die ausgelegt ist, um o über einen Hochfrequenz-Ausgang (131) ein elektrisches Hochfrequenz- Signal (SHF) in die erste Elektrode (12) einzukoppeln, o nach dessen Wechselwirkung mit dem Füllgut (2) an der zweiten Elektrode (13) über einen Hochfrequenz-Eingang (132) zu empfangen, und um o zumindest anhand des empfangenen Hochfrequenz-Signals (SHF) den Dielektrizitätswert des Füllgutes (2) zu bestimmen, eine Leitfähigkeits-Messeinheit (14), die ausgelegt ist, o über einen Signal-Ausgang (141) ein Mess-Signal (SLF) in eine der Elektroden (11 , 12) einzukoppeln, und o das Mess-Signal (SLF) nach Wechselwirkung mit dem Füllgut (2) aus der anderen Elektrode (11 , 12) über einen Signal-Eingang (142) auszukoppeln, und o um anhand des ausgekoppelten Mess-Signals (SLF) die Leitfähigkeit des Füllgutes (2) zu bestimmen, und eine Signalentkopplungs-Einheit (15), die ausgelegt ist, die Hochfrequenz- Messeinheit (13) und die Leitfähigkeits-Messeinheit (14) signaltechnisch voneinander zu trennen.
2. Messgerät nach Anspruch 1 , wobei die Hochfrequenz-Messeinheit (13) (14) ausgelegt ist, um anhand einer Amplitude, einer Signal- bzw. Signalgruppen-Laufzeit, einer Signal- Güte und/oder einer Impuls- bzw. Frequenz-Antwort des empfangenen Hochfrequenz- Signals (SHF) einen Imaginärteil, einen Realteil oder einen Betrag des Dielektrizitätswertes zu bestimmen.
3. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenz-Messeinheit (13) ausgelegt ist, das elektrische Hochfrequenz-Signal (SHF) mit einer Frequenz zwischen 0,1 GHz und 30 GHz, insbesondere zwischen 2 GHz und 8 GHz, zu erzeugen. 4. Messgerät nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Leitfähigkeits-Messeinheit (14) ausgelegt ist, die Leitfähigkeit des Füllgutes (2) mittels eins kapazitiven, konduktiven, und/oder transmittiven Messprinzips zu bestimmen.
5. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Signalentkopplungs-Einheit (15) eine erste Dioden-Anordnung (151), welche dem Hochfrequenz-Ausgang (131) und/oder dem Hochfrequenz-Eingang (132) jeweils in Signalrichtung vor- bzw. nachgeschaltet geschaltet sind/ist, und/oder eine zweite Dioden-Anordnung (152), welche dem Signal-Ausgang (141) und/oder dem Signal-Eingang (142) jeweils in Signalrichtung vor- bzw. nachgeschaltet geschaltet sind/ist, umfasst.
6. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Signalentkopplungs-Einheit (15) eine erste Signalweiche (153), welche der ersten Elektrode (11 ) vorgeschaltet ist, und/oder eine zweite Signalweiche (154), welche der zweiten Elektrode (12) vorgeschaltet ist, umfasst.
7. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Signalentkopplungs-Einheit (15) einen ersten Frequenzfilter (155), welcher der Hochfrequenz-Messeinheit (13) vorgeschaltet ist, und/oder einen zweiten Frequenzfilter (156), welcher der Leitfähigkeits-Messeinheit (14) vorgeschaltet ist, umfasst.
8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Signalentkopplungs-Einheit
(15) ausgelegt ist, die Hochfrequenz-Messeinheit (13) und die Leitfähigkeits-Messeinheit
(14) insbesondere mittels eines Steuer-Signals (sc) derart zu steuern, dass jeweils eine der Messeinheiten (13, 14) aktiv und die andere Messeinheit (13, 14) inaktiv ist.
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