WO2021115763A1 - Messgerät zur bestimmung eines dielektrizitätswertes - Google Patents

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WO2021115763A1
WO2021115763A1 PCT/EP2020/082910 EP2020082910W WO2021115763A1 WO 2021115763 A1 WO2021115763 A1 WO 2021115763A1 EP 2020082910 W EP2020082910 W EP 2020082910W WO 2021115763 A1 WO2021115763 A1 WO 2021115763A1
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frequency signal
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Thomas Blödt
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/60—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using electron paramagnetic resonance

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for the phase-based determination of a dielectric value of a medium.
  • field devices are often used that are used to record various measured variables.
  • the measured variable to be determined can be, for example, a level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pFI value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process plant.
  • the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement methods. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • dielectric constant also known as "dielectric constant” or “relative permittivity”
  • dielectric constant or “relative permittivity”
  • a reliable one Represent an indicator for contamination, the moisture content or the composition of the substance.
  • One possible measuring principle for determining the dielectric value is to measure the phase position or the phase shift of high-frequency signals.
  • a high-frequency signal with at least one defined frequency or within a defined frequency band is coupled into a measurement section and, after reflection or transmission, a corresponding received signal is evaluated with regard to its phase position relative to the transmitted high-frequency signal.
  • high-frequency signal or “radar” in the context of this patent application refers to corresponding signals with frequencies between 0.1 GHz and 30 GHz.
  • phase-based dielectric value measuring device is described, for example, in the publication DE 102017 130728 A1.
  • the effect is used that the signal speed and thus the phase position depends on the dielectric value of the medium that prevails along the measuring section.
  • a distinction is made here between a relative and an absolute phase measurement, with what is known as a quadrant correction being carried out in addition in the case of an absolute phase measurement.
  • the measuring section can be implemented, for example, in the form of a measuring probe in which the floch frequency signal is carried. Otherwise, the measuring section can also be a defined sample area for the medium through which the floch frequency signal traverses as a freely emitted radar signal.
  • the measured phase position is highly dependent on the component or environment-related noise in the received signal, above all from external radiation.
  • a software-based correction is only possible to a limited extent, however, since this may generate physically implausible measured values.
  • individual degrees of phase noise can shift the measured value by several quadrants. This is particularly critical in the case of measurement methods in which a phase gradient is determined from the phase position, since in this case an offset and gradient error results.
  • the invention is therefore based on the object of providing a robust dielectric value measuring device which is based on the phase measurement of floch frequency signals.
  • the measuring device comprises at least the following components:
  • a signal generation unit which is designed to couple a floch frequency signal with a defined frequency into the measuring section
  • An evaluation unit which is designed to o to receive the high-frequency signal as the corresponding received signal after passing through the measurement section, o to determine a phase shift between the high-frequency signal and the received signal, for example by means of a network analyzer or a phase detector such as a Gilbert cell, and o to to determine the dielectric value of the medium based on the determined phase shift.
  • the measuring device also comprises at least one filter that is permeable to the frequency of the high-frequency signal.
  • the filter is arranged in such a way that the received signal and / or the generated high-frequency signal is / will be filtered. This ensures that the determined dielectric value is not falsified by noise caused by the component or the environment.
  • the filter should preferably be designed as a high-pass filter.
  • the high-pass filter (s) can be designed as an odd-order filter, in particular a first-order filter, so that the corresponding high-pass filter blocks below a previously defined lower limit frequency and above an upper limit frequency that is lower than the frequency of the high-frequency signal , directs.
  • the high-pass filter (s) is particularly advantageous here to design the high-pass filter (s) in such a way that the high-pass filter (s) has an approximately constant phase delay below the lower limit frequency. This makes the dielectric value measurement more robust against manufacturing tolerances of the electronic measuring device components and against thermal influences.
  • the frequency or the frequency band with which the signal generating unit of the measuring device according to the invention generates the high-frequency signal is to be set as a function of the medium or as a function of the measuring range.
  • the signal generation unit must therefore be designed accordingly to generate the electrical high-frequency signal with a particularly variable frequency between 0.1 GHz and 30 GHz, in the case of aqueous media preferably between 5 GHz and 8 GHz.
  • the evaluation unit is for this to be designed accordingly in order to be able to detect the phase shift at precisely this frequency.
  • the measuring section can be designed, for example, as an electrically or dielectrically conductive measuring probe, the measuring probe for coupling in the high-frequency signal in this case being connected to the signal generating unit via a first probe end.
  • the measuring probe at the first end of the probe can also be contacted with the evaluation unit (for example via a send / receive switch).
  • the evaluation unit for example via a send / receive switch.
  • the measuring probe opposite to the signal generating unit, can be in contact with the evaluation unit via the second probe end.
  • the high-frequency signal is received as a received signal by the evaluation unit at the second end of the probe.
  • the measuring section can also be designed as a defined sample area for the medium through which the high-frequency signal SHF traverses as a freely emitted radar signal.
  • the signal generation unit must include a transmitting antenna which is designed to transmit the high-frequency signal as a radar signal.
  • the evaluation unit must include a corresponding receiving antenna. The antennas are to be arranged or aligned opposite one another on the sample space in such a way that the receiving antenna receives the radar signal as a received signal after passing through the medium.
  • the term “unit” is understood to mean in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog ones Trade signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit.
  • different electronic units of the dielectric value measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a corresponding method for operating the measuring device. Accordingly, the process comprises at least the following process steps:
  • a measuring device for measuring the dielectric value of a medium in a container
  • FIG. 3 a graph of the amplitude and phase spectrum of the filter
  • FIG. 4 a possible implementation of the filter according to the invention.
  • the medium 2 can be liquids such as beverages, paints, cement or fuels such as liquefied gases or mineral oils. It is also conceivable, however, to use the measuring device 1 with media 2 in the form of bulk goods, such as, for example, grain.
  • the measuring device 1 can be connected to a higher-level unit 4, such as a process control system.
  • a higher-level unit 4 such as a process control system.
  • PROFIBUS "HART”, “Wireless HART” or “Ethernet” can be implemented as the interface. This can be used to transmit the dielectric value as an amount or as a complex value with real part and imaginary part. However, other information about the general operating state of the measuring device 1 can also be communicated.
  • the measuring device 1 comprises a measuring probe 11 which, after installation, extends into the interior of the container 3. As a result, the measuring probe 11 is in contact with the medium 2 at a corresponding minimum fill level of the medium 2, so that the measuring device 1 can determine the dielectric value of the medium 2 via the measuring probe 11.
  • the measuring device 1 is fundamentally based on a high-frequency signal SHF, which is impressed into the measuring probe 1, as a result of which the electromagnetic near field of the high-frequency signal SHF penetrates the medium 2.
  • the measuring probe 11 is designed to be electrically or dielectrically conductive, so that a correspondingly designed signal generating unit 12 of the measuring device 1 (see FIG. 2) can couple the high-frequency signal SHF into a first probe end 111.
  • the probe geometry or the length d must be adapted to the corresponding medium 2.
  • the signal generation unit 12 can be based, for example, on a controllable high-frequency oscillator, whose frequency is regulated by a "phase locked loop".
  • the frequency I or the frequency band of the floch frequency signal SHF is to be matched to the specific type of medium 2 or the specific value range of the dielectric value to be measured.
  • a frequency f HF between 0.433 GFIz and 6 GFIz is appropriate.
  • the advantage of using several different individual frequencies or a frequency band is, on the one hand, the possibility of additionally being able to determine the density of the medium 2.
  • alternative individual frequencies can be used.
  • the dielectric value of the medium 2 can be determined by an evaluation unit 13, the evaluation unit 13 being the one shown in FIG Embodiment this is in turn connected to the first probe end 111.
  • the evaluation unit 13 can in principle also be connected to the opposite, second probe end 112. In this case, the evaluation unit 13 receives the transmitted portion of the coupled-in floch frequency signal SHF, SO as received signal T HF , so that no transmission / reception switch 15 is required at the first probe end 111.
  • a sample area for the medium 2 can alternatively be defined as the measuring section, as is shown, for example, in the publication DE 102017 130728 A1:
  • the measuring section is transmitted by a transmitting antenna of the floch frequency signal SHF as a radar signal, and defined by a receiving antenna for receiving the corresponding received signal T HF .
  • the antennas are arranged or aligned opposite one another at a corresponding distance d.
  • the evaluation unit 13 determines a phase shift cp between the coupled-in high-frequency signal SHF and the received signal THF.
  • the evaluation unit 13 can carry out an absolute phase measurement, that is to say between 0 ° phase shift and theoretically infinite. Or the phase measurement is carried out as a relative measurement between 0 ° and 360 °, i.e. without additional quadrant correction.
  • the evaluation unit 13 for measuring the phase shift cp can include, for example, a network analyzer or a phase detector, such as a Gilbert cell. Using the measured phase shift cp, the evaluation unit 13 can again determine the dielectric value of the medium 2, for example on the basis of a corresponding calibration measurement series.
  • the measuring principle of the phase-based dielectric value measurement illustrated with reference to FIG. 2 offers the advantage that the dielectric value can be determined with high sensitivity. However, this measuring principle is correspondingly susceptible to internal or external noise sources.
  • the measuring device 1 therefore comprises a first high-pass filter 14 which is permeable to the frequency f hiF of the high-frequency signal SHF and which is arranged in the reception path in front of the evaluation unit 13.
  • the first high-pass filter 14 is matched to the high-frequency signal SHF in such a way that the corresponding signal components of the high-frequency signal SHF are suppressed by at least -10 dB, in particular at least -80 dB , below a defined lower limit frequency f gj.
  • the first high-pass filter 14 conducts the received signal T HF with the lowest possible attenuation of maximum -10 dB. This characteristic is shown schematically in the graph of FIG High-pass filter 14 in the received signal T HF suppresses any noise that can impair the determination of the dielectric value.
  • a second high-pass filter 14 ′ is also arranged in the signal path of the high-frequency signal SHF between the signal generation unit 12 and the transceiver switch 15.
  • the second high-pass filter 14 ′ also preferably has the filter characteristics shown in FIG. 3.
  • Fig. 3 also a further, advantageous design of the two high-pass filters 14, 14 'is shown: Accordingly, below the lower limit frequency f g, i corresponding signal components of the high-frequency signal SHF between the input and output of the high-pass filter 14 with a frequency related to f hiF is delayed in an approximately constant phase delay c between, in particular, 30 ° and 200 °. Above the lower limit frequency f g, i , the phase delay c decreases linearly in the schematic representation, so that the high-pass filter 14 passes the received signal T HF through above the upper limit frequency f g, h without a significant phase delay c, i.e. less than 10 °.
  • This frequency-dependent phase behavior results in the advantage that the dielectric value measurement becomes more robust against manufacturing tolerances of the electronic measuring device components and against thermal influences.
  • the high-pass filter 14 is designed as a two-dimensional conductor track structure 141 on a circuit card substrate 142.
  • a structurable copper or silver layer, for example, can be used as the conductor track material.
  • Characteristic for the conductor track structure 141 is a serial arrangement of three rectangles that are basically of the same area, which are approx. 2/3 tapered conductor tracks are connected to each other.
  • the signal THF, SHF to be filtered is supplied via one of the two outer contacts and, after appropriate filtering, tapped via the other outer contact. Because of the symmetrical structure of the high-pass filter 14, 14 'shown in FIG. 4 in the path direction, it is in principle irrelevant which of the two outer contacts is used as an input or as an output.
  • the middle rectangle has, in contrast to the two outer rectangles, an asymmetry in the form of a structure that is complementary on one side.
  • the high-pass filter 14 forms corresponding properties of an odd order, so that the frequency-dependent transmission behavior of the signal amplitude AHF shown in FIG. 3 results. It goes without saying that the high-pass filter 14, 14 'can also be realized in a hybrid manner with a correspondingly odd order instead of the variant embodiment shown in FIG. 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein robustes Messgerät (1) zur Phasen-basierten Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums (2), das zumindest folgende Komponenten umfasst: Eine Messstrecke (11), die in Kontakt mit dem Medium (2) bringbar ist, eine Signalerzeugungs-Einheit (12), um ein Hochfrequenz-Signal (sHF) mit einer definierten Frequenz (fHF) in die Messstrecke (11) einzukoppeln, und eine Auswertungs-Einheit (13), die ausgelegt ist, um nach Durchlaufen der Messstrecke (11) ein entsprechendes Empfangs-Signal (rHF) zu empfangen, um eine Phasenverschiebung (φ) zwischen dem Hochfrequenz-Signal (sHF) sowie dem Empfangs-Signal (rHF) zu ermitteln, und um anhand der ermittelten Phasenverschiebung (φ) den Dielektrizitätswert des Mediums (2) zu bestimmen. Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät (1) darüber hinaus zumindest einen für die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (sHF) durchlässigen Filter (14, 14'), der derart angeordnet ist, dass das empfangene Empfangs-Signal (rHF) und/oder das erzeugte Hochfrequenz-Signal (sHF) gefiltert werden/wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der ermittelte Dielektrizitätswert nicht durch Bauteil- oder Umwelt-bedingtes Rauschen verfälscht wird.

Description

Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Phasen-basierten Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums.
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 pFI-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätskonstante“ oder „Relative Permittivität “) diverser Medien ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen und gasförmigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern, Gasen oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt oder die Stoffzusammensetzung darstellen. Ein mögliches Messprinzip zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes besteht darin, die Phasenlage bzw. die Phasenverschiebung von Hochfrequenz-Signalen zu messen. Hierbei wird ein Hochfrequenz-Signal mit zumindest einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in eine Messstrecke eingekoppelt und nach Reflektion oder Transmission ein entsprechendes Empfangssignal bezüglich seiner Phasenlage zum ausgesendeten Hochfrequent-Signal ausgewertet. Dabei bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz-Signal“ bzw. „Radar“ im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 0.1 GHz und 30 GHz.
Beschrieben ist ein phasenbasiertes Dielektrizitätswert-Messgerät beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 102017 130728 A1. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass die Signalgeschwindigkeit und somit die Phasenlage vom Dielektrizitätswert desjenigen Mediums abhängt, das entlang der Messstrecke vorherrscht. Prinzipiell wird hierbei zwischen einer relativen und einer absoluten Phasenmessung unterschieden, wobei im Falle einer absoluten Phasenmessung zusätzlich eine so genannte Quadranten-Korrektur durchgeführt wird.
Die Messstrecke kann beispielsweise in Form einer Mess-Sonde, in der das Flochfrequenz-Signal geführt wird, realisiert sein. Andernfalls kann es sich bei der Messstrecke auch um einen definierten Probenbereich für das Medium handeln, der von dem Flochfrequenz-Signal als frei abgestrahltes Radar- Signal durchlaufen wird. Unabhängig von der Auslegung der Messstrecke ist die gemessene Phasenlage jedoch stark abhängig von Bauteil- oder Umwelt bedingtem Rauschen im Empfangssignal, vor allem durch Fremdeinstrahlung. Eine Software-basierte Korrektur ist diesbezüglich jedoch nur bedingt möglich, da hierdurch gegebenenfalls physikalisch unplausible Messwerte generiert werden. Insbesondere bei einer breitbandigen relativen Phasenmessung können einzelne Grad Phasenrauschen den Messwert bereits um mehrere Quadranten verschieben. Dies ist insbesondere kritisch bei Messverfahren, bei denen aus der Phasenlage eine Steigung der Phase bestimmt wird, da sich in diesem Fall ein Offset- und Steigungs-Fehler ergibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein robustes Dielektrizitätswert-Messgerät bereitzustellen, das auf Phasenmessung von Flochfrequenz-Signalen basiert.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein entsprechendes Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums. Dafür umfasst das Messgerät zumindest folgende Komponenten:
- Eine Messstrecke, die in Kontakt mit dem Medium gebracht werden kann,
- Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein Flochfrequenz- Signal mit einer definierten Frequenz in die Messstrecke einzukoppeln, und
- eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um o nach Durchlaufen der Messstrecke das Hochfrequenz-Signal als entsprechendes Empfangs-Signal zu empfangen, o um beispielsweise mittels eines Netzwerkanalysators oder eines Phasendetektors, wie einer Gilbert-Zelle eine Phasenverschiebung zwischen dem Hochfrequenz-Signal und dem Empfangs-Signal zu ermitteln, und o um anhand der ermittelten Phasenverschiebung den Dielektrizitätswert des Mediums zu bestimmen.
Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät zudem zumindest einen für die Frequenz des Hochfrequenz-Signals durchlässigen Filter. Dabei ist der Filter so angeordnet, dass das empfangene Empfangs-Signal und/oder das erzeugte Hochfrequenz-Signal gefiltert werden/wird. Somit wird sichergestellt, dass der ermittelte Dielektrizitätswert nicht durch Bauteil- oder Umwelt bedingtes Rauschen verfälscht wird. Vorzugsweise ist der Filter als Hochpassfilter auszulegen. In diesem Fall kann der bzw. die Hochpassfilter derart als Filter ungerader Ordnung, insbesondere erster Ordnung, ausgelegt werden, dass der entsprechende Hochpassfilter unterhalb einer zuvor festgelegten, unteren Grenzfrequenz sperrt und oberhalb einer oberen Grenzfrequenz, die kleiner als die Frequenz des Hochfrequenz-Signals ist, leitet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den oder die Hochpassfilter so auszulegen, dass der/die Hochpassfilter unterhalb der unteren Grenzfrequenz eine in etwa konstante Phasenverzögerung aufweist/aufweisen. Hierdurch wird die Dielektrizitätswert-Messung robuster gegenüber Fertigungstoleranzen der elektronischen Messgeräte-Komponenten und gegenüber thermischen Einflüssen.
Die Frequenz bzw. das Frequenzband, mit der die Signalerzeugungs-Einheit des erfindungsgemäßen Messgerätes das Hochfrequenz-Signal erzeugt, ist abhängig vom Medium bzw. in Abhängigkeit des Messbereichs zu einzustellen. Je nach Dielektrizitätswert-Spanne muss die Signalerzeugungs- Einheit daher entsprechend ausgelegt sein, um das elektrische Hochfrequenz- Signal mit einer insbesondere veränderlichen Frequenz zwischen 0,1 GHz und 30 GHz zu erzeugen, im Fall von wasserhaltigen Medien vorzugsweise zwischen 5 GHz und 8 GHz. Die Auswertungs-Einheit ist hierzu korrespondierend auszulegen, um die Phasenverschiebung bei eben dieser Frequenz detektieren zu können.
Im Rahmen der Erfindung kann die Messstrecke beispielsweise als elektrisch oder dielektrisch leitfähige Mess-Sonde ausgelegt werden, wobei die Mess- Sonde zur Einkopplung des Hochfrequenz-Signals in diesem Fall über ein erstes Sonden-Ende mit der Signalerzeugungs-Einheit zu kontaktieren ist. Bei solch einer Auslegung der Messstrecke kann die Mess-Sonde am ersten Sonden-Ende (beispielsweise über eine Sende-/Empfangs-Weiche) auch mit der Auswertungs-Einheit kontaktiert werden. Hierdurch wird das Hochfrequenz-Signal am zweiten, gegenüberliegenden Sonden-Ende als Empfangs-Signal reflektiert, wodurch es von der Auswertungs-Einheit empfangen werden kann.
Alternativ kann die Mess-Sonde, gegenüberliegend zur Signalerzeugungs- Einheit, über das zweite Sonden-Ende mit der Auswertungs-Einheit kontaktiert sein. In diesem Fall wird das Hochfrequenz-Signal nach Transmission durch die Mess-Sonde von der Auswertungs-Einheit am zweiten Sonden-Ende als Empfangs-Signal empfangen.
Im Gegensatz zu einer Auslegung als Mess-Sonde kann die Messstrecke auch als definierter Probenbereich für das Medium konzipiert sein, der von dem Hochfrequenz-Signals SHF als frei abgestrahltes Radar-Signal durchlaufen wird. Hierzu muss die Signalerzeugungs-Einheit eine Sende- Antenne umfassen, die ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signals als Radar- Signal auszusenden. Die Auswertungs-Einheit muss eine entsprechende Empfangs-Antenne umfassen. Dabei sind die Antennen derart gegenüberliegend am Probenraum anzuordnen bzw. auszurichten, dass die Empfangs-Antenne das Radar-Signal nach Durchgang durch das Medium entsprechend als Empfangs-Signal empfängt.
Unter dem Begriff „Einheit wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Korrespondierend zu dem erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerät gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Messgerätes gelöst. Demnach umfasst das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte:
- Einkoppeln des Hochfrequenz-Signals in die Messstrecke mit einer definierten Frequenz,
- Empfang eines entsprechenden Empfangs-Signals nach Durchlaufen der Messstrecke,
- Filtern des Empfangs-Signals und/oder des Hochfrequenz-Signals,
- Ermittlung einer Phasenverschiebung zwischen dem Empfangs-Signal und dem Hochfrequenz-Signal, und
- Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Phasenverschiebung.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Dielektrizitätswert-Messung eines Mediums in einem Behälter,
Fig. 2: ein prinzipielles Schaltbild des erfindungsgemäßen Messgerätes,
Fig. 3: ein Graph des Amplituden- und Phasen-Spektrums des Filters, und Fig. 4: eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Filters. Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert- Messgerätes 1 ist in Fig. 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 3, der mit einem Medium 2 befüllt ist, gezeigt: Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums 2 ist das Messgerät 1 seitlich an einem Anschluss des Behälters 3, bspw. einem Flanschanschluss angeordnet. Flierzu ist das Messgerät 1 in etwa formschlüssig zur Behälter- Innenwand angebracht. Bei dem Medium 2 kann es sich um Flüssigkeiten wie Getränke, Lacke, Zement oder Treibstoffe, wie Flüssiggase oder Mineralöle handeln. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung des Messgerätes 1 bei Schüttgut-förmigen Medien 2, wie bspw. Getreide.
Das Messgerät 1 kann mit einer übergeordneten Einheit 4, wie zum Beispiel einem Prozessleitsystem verbunden sein. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert als Betrag, oder komplexwertig mit Realteil und Imaginärteil übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, umfasst das Messgerät 1 eine Mess- Sonde 11, die sich nach der Installation in das Innere des Behälters 3 erstreckt. Hierdurch ist die Mess-Sonde 11 bei entsprechendem Mindest- Füllstand des Mediums 2 in Kontakt mit dem Medium 2, so dass das Messgerät 1 über die Mess-Sonde 11 den Dielektrizitätswert des Mediums 2 ermitteln kann.
Grundlegend basiert das Messgerät 1 auf einem Hochfrequenz-Signal SHF, das in die Mess-Sonde 1 leingeprägt wird, wodurch das elektromagnetische Nah-Feld des Hochfrequenz-Signals SHF in das Medium 2 eindringt. Hierzu ist die Mess-Sonde 11 elektrisch oder dielektrisch leitfähig ausgelegt, so dass eine entsprechend ausgelegte Signalerzeugungs-Einheit 12 des Messgerätes 1 (siehe Fig. 2) das Hochfrequenz-Signal SHF in ein erstes Sonden-Ende 111 einkoppeln kann. Dabei ist die Sonden-Geometrie bzw. die Länge d auf das entsprechende Medium 2 anzupassen. Die Signalerzeugungs-Einheit 12 kann beispielsweise auf einem steuerbaren Hochfrequenzoszillator beruhen, dessen Frequenz durch eine „Phase Locked Loop“ geregelt wird. Dabei ist die Frequenz I bzw. das Frequenzband des Flochfrequenz-Signals SHF auf den konkreten Typ an Medium 2 bzw. den konkreten Wertebereich des zu messenden Dielektrizitätswertes abzustimmen. Für Medien 2, die einen hohen Wasseranteil aufweisen, bietet sich dementsprechend eine Frequenz fHF zwischen 0,433 GFIz und 6 GFIz an. Vorteilhaft an der Nutzung mehrerer unterschiedlicher Einzel-Frequenzen oder eines Frequenzbandes ist zum einen die Möglichkeit, zusätzlich die Dichte des Mediums 2 bestimmen zu können. Anderseits kann im Falle negativer Interferenzen bei einer konkreten Einzelfrequenz auf alternative Einzelfrequenzen ausgewichen werden.
Anhand eines am gegenüberliegenden, zweiten Sonden-Ende 112 der Mess- Sonde 11 entsprechend reflektierten Empfangs-Signals THF kann der Dielektrizitätswert des Mediums 2 durch eine Auswertungs-Einheit 13 bestimmt werden, wobei die Auswertungs-Einheit 13 bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel hierzu wiederum am ersten Sonden-Ende 111 angeschlossen ist. Zum Splitten der Signale SHF, THF sind die Signalerzeugungs-Einheit 12 und die Auswertungs-Einheit 13 über eine Sende-/Empfangs-Weiche mit dem ersten Sonden-Ende 111 verbunden. Anstelle einer Kontaktierung der Auswertungs-Einheit 13 am ersten Sonden- Ende 111, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Auswertungs-Einheit 13 prinzipiell auch am gegenüberliegenden, zweiten Sonden-Ende 112 angeschlossen sein. In diesem Fall empfängt die Auswertungs-Einheit 13 als Empfangs-Signal THF den transmittierten Anteil des eingekoppelten Flochfrequenz-Signals SHF, SO dass keine Sende-/Empfangs-Weiche 15 am ersten Sonden-Ende 111 erforderlich ist.
Abweichend zu der in Fig. 2 gezeigten Mess-Sonde 11 kann als Messstrecke alternativ auch ein Probenbereich für das Medium 2 definiert werden, wie es beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 102017 130728 A1 gezeigt ist: Hierbei wird die Messstrecke durch eine Sende-Antenne zum Aussenden des Flochfrequenz-Signals SHF als Radar-Signal, und durch eine Empfangs- Antenne zum Empfang des entsprechenden Empfangs-Signals THF definiert. Dazu sind die Antennen in einem entsprechenden Abstand d gegenüberliegend zueinander angeordnet bzw. ausgerichtet. Zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes des Mediums 2 ermittelt die Auswertungs-Einheit 13 eine Phasenverschiebung cp zwischen dem eingekoppelten Hochfrequenz-Signal SHF und dem Empfangs-Signal THF.
Hierbei kann die Auswertungs-Einheit 13 eine absolute Phasenmessung durchführen, also zwischen 0° Phasenverschiebung und theoretisch unendlich. Oder die Phasenmessung wird als relative Messung zwischen 0° und 360° durchgeführt, also ohne zusätzliche Quadranten-Korrektur. Zwecks Abgleich der Phasenverschiebung cp in Bezug zur Phasenlage des Hochfrequenz-Signals SHF kann die Auswertungs-Einheit 13, wie in Fig. 2 dargestellt ist, über einen Signalteiler 16 an die Signalerzeugungs-Einheit 12 angekoppelt sein. Dabei kann die Auswertungs-Einheit 13 zur Messung der Phasenverschiebung cp beispielsweise einen Netzwerkanalysator oder einen Phasendetektor, wie beispielsweise eine Gilbert-Zelle umfassen. Anhand der gemessenen Phasenverschiebung cp kann die Auswertungs-Einheit 13 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibrations-Messreihe, wiederum den Dielektrizitätswert des Mediums 2 bestimmen.
Das anhand von Fig. 2 dargestellte Messprinzip der Phasen-basierten Dielektrizitätswert-Messung bietet den Vorteil, dass der Dielektrizitätswert mit hoher Empfindlichkeit bestimmbar ist. Dementsprechend anfällig ist dieses Messprinzip jedoch auch gegenüber Bauteil-internen oder externen Rauschquellen.
Erfindungsgemäß umfasst das Messgerät 1 daher einen für die Frequenz fhiF des Hochfrequenz-Signals SHF durchlässigen ersten Hochpassfilter 14, der im Empfangspfad vor der Auswertungs-Einheit 13 angeordnet ist. Hierzu ist der erste Hochpassfilter 14 so auf das Hochfrequenz-Signal SHF abgestimmt, dass unterhalb einer definierten unteren Grenzfrequenz fgj die entsprechenden Signalanteile des Hochfrequenz-Signals SHF mit mindestens -10 dB, insbesondere mindestens -80 dB unterdrückt werden. Oberhalb einer definierten, oberen Grenzfrequenz fg,h, die kleiner als die Frequenz fhiF des Hochfrequenz-Signals SHF bzw. des Empfangs-Signals THF ist, leitet der erste Hochpassfilter 14 das Empfangs-Signal THF mit einer möglichst geringen Dämpfung von maximal -10 dB. Dargestellt ist diese Charakteristik schematisch in dem Graph von Fig. 3. Somit wird durch den ersten Hochpassfilter 14 im Empfangs-Signal THF etwaiges Rauschen, das die Bestimmung des Dielektrizitätswertes beeinträchtigen kann, unterdrückt.
Aus gleichem Grund ist bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante des Messgerätes 1 außerdem ein zweiter Hochpassfilter 14' im Signalpfad des Hochfrequenz-Signals SHF zwischen der Signalerzeugungs-Einheit 12 und der Sende-/Empfangs-Weiche 15 angeordnet. Dabei weist auch der zweite Hochpassfilter 14' vorzugsweise die in Fig. 3 dargestellten Filter- Charakteristika auf. Anstelle der zwei Hochpassfilter 14, 14' ist es ebenso denkbar, einen entsprechenden Filter zwischen der Sende-/Empfangs-Weiche 15 und dem ersten Sonden-Ende 111 der Mess-Sonde 11 anzuordnen (nicht in Fig. 2 dargestellt).
In Fig. 3 ist außerdem eine weiterführende, vorteilhafte Auslegung der zwei Hochpassfilter 14, 14' gezeigt: Demnach werden unterhalb der unteren Grenzfrequenz fg,i entsprechende Signalanteile des Hochfrequenz-Signals SHF zwischen Eingang und Ausgang des Hochpassfilters 14 mit einer in Bezug zur Frequenz fhiF in etwa konstanten Phasenverzögerung c zwischen insbesondere 30 ° und 200 ° verzögert. Oberhalb der unteren Grenzfrequenz fg,i nimmt die Phasenverzögerung c in der schematischen Darstellung linear ab, so dass der Hochpassfilter 14 das Empfangssignal THF oberhalb der oberen Grenzfrequenz fg,h ohne signifikante Phasenverzögerung c, also weniger als 10 ° durchleitet. Durch dieses Frequenz-abhängige Phasenverhalten ergibt sich der Vorteil, dass die Dielektrizitätswert-Messung robuster gegenüber Fertigungstoleranzen der elektronischen Messgeräte- Komponenten und gegenüber thermischen Einflüssen wird.
Eine mögliche Variante zur Realisierung des Hochpassfilters 14, welcher die in Fig. 3 dargestellten Eigenschaften aufweist, ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Variante ist der Hochpassfilter 14 als zweidimensionale Leiterbahnstruktur 141 auf einem Leiterkartensubstrat 142 ausgelegt. Dabei kann als Leiterbahnmaterial beispielsweise eine strukturierbare Kupfer- oder Silber-Schicht verwendet werden. Kennzeichnend für die Leiterbahnstruktur 141 ist hierbei eine serielle Anordnung von drei prinzipiell gleichflächigen Rechtecken, die im Vergleich zur äußeren Kontaktierung durch zwei um ca. 2/3 verjüngte Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Dabei wird das zu filternde Signal THF, SHF über eine der zwei äußeren Kontaktierungen zugeführt und nach entsprechender Filterung über die andere äußere Kontaktierung abgegriffen. Aufgrund des in Pfadrichtung symmetrischen Aufbau des in Fig. 4 dargestellten Hochpassfilters 14, 14' ist es prinzipiell irrelevant, welcher der zwei äußeren Kontaktierungen als Eingang bzw. als Ausgang dient.
Das mittlere Rechteck weist, wie in Fig. 4 dargestellt ist, im Gegensatz zu den zwei äußeren Rechtecken eine Asymmetrie in Form einer einseitig ergänzenden Struktur auf. Hierdurch bildet der Hochpassfilter 14 entsprechende Eigenschaften ungerader Ordnung, so dass das in Fig. 3 gezeigte frequenzabhängige Transmissionsverhalten der Signalamplitude AHF resultiert. Es versteht sich von selbst, dass der Hochpassfilter 14, 14' anstelle der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante ebenso hybrid mit entsprechend ungerader Ordnung realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Messgerät
2 Medium
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Mess-Sonde
12 Signalerzeugungs-Einheit
13 Auswertungs-Einheit 14,14' Filter
15 Sende-/Empfangs-Weiche
16 Signalteiler
111 Erstes Sonden-Ende
112 Zweites Sonden-Ende
141 Leiterbahnstruktur
142 Leiterkartensubstrat
AHF Signalstärke am Filter d Länge der Mess-Sonde fiHF Frequenz des Hochfrequenz- bzw. Empfangs-Signals fg,i Untere Grenzfrequenz fg,h Obere Grenzfrequenz r HF Empfangs-Signal
SHF Hochfrequenz-Signal cp Phasenverschiebung s Phasenverzögerung

Claims

Patentansprüche
1 . Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums (2), umfassend:
- Eine Messstrecke (11 ), die in Kontakt mit dem Medium (2) bringbar ist,
- Eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, ein Hochfrequenz-Signal (SHF) mit einer definierten Frequenz (fHF) in die Messstrecke (11 ) einzukoppeln,
- eine Auswertungs-Einheit (13), die ausgelegt ist, um o nach Durchlaufen der Messstrecke (11 ) ein entsprechendes Empfangs-Signal (r HF) ZU empfangen, o eine Phasenverschiebung (cp) zwischen dem Hochfrequenz- Signal (SHF) und dem Empfangs-Signal (r HF) ZU ermitteln, und o um anhand der ermittelten Phasenverschiebung (cp) den Dielektrizitätswert des Mediums (2) zu bestimmen, gekennzeichnet durch einen für die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (SHF) durchlässigen Filter (14, 14‘), der derart angeordnet ist, dass das empfangene Empfangs- Signal (THF) und/oder das erzeugte Hochfrequenz-Signal (SHF) gefiltert werden/wird.
2. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Filter (14) und/oder der zweite Filter (14‘) als Hochpassfilter ausgelegt sind/ist.
3. Messgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Hochpassfilter (14, 14‘) derart als Filter ungerader Ordnung, insbesondere erster Ordnung, ausgelegt ist/sind, dass der entsprechende Hochpassfilter (14, 14‘) unterhalb einer unteren Grenzfrequenz (fgj) sperrt und oberhalb einer oberen Grenzfrequenz (fg,h), die kleiner als die Frequenz (fHF) des Hochfrequenz-Signals (SHF) ist, leitet.
4. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Hochpassfilter (14, 14‘) unterhalb der unteren Grenzfrequenz (fgj) eine in etwa konstante Phasenverzögerung (o) aufweist/aufweisen.
5. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Einheit (13) zur Ermittlung der Phasenverschiebung (cp) einen Netzwerkanalysator oder einen Phasendetektor, insbesondere eine Gilbert- Zelle umfasst.
6. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das elektrische Hochfrequenz-Signal (SHF) mit einer insbesondere veränderlichen Frequenz (fHF) zwischen 0,1 GHz und 30 GHz, vorzugsweise zwischen 5 GHz und 8 GHz, zu erzeugen, und wobei die Auswertungs-Einheit (13) ausgelegt ist, die Phasenverschiebung (cp) bei der entsprechenden Frequenz (fHF) zu detektieren.
7. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messstrecke (11 ) als elektrisch oder dielektrisch leitfähige Mess-Sonde (11 ) ausgelegt ist, die zur Einkopplung des Hochfrequenz-Signals (SHF) über ein erstes Sonden-Ende (111) mit der Signalerzeugungs-Einheit (12) kontaktiert ist.
8. Messgerät nach Anspruch 6, wobei die Mess-Sonde (11 ) derart über das erste Sonden-Ende (111 ) mit der Auswertungs-Einheit (13) kontaktiert ist, dass das Hochfrequenz-Signal (SHF) an einem dem ersten Sonden-Ende (111) gegenüberliegenden, zweiten Sonden-Ende (112) als Empfangs-Signal (HHF) reflektiert wird.
9. Messgerät nach Anspruch 7, wobei die Sonde (111 ) über das zweite Sonden-Ende (112) derart mit der Auswertungs-Einheit (13) kontaktiert ist, dass das Hochfrequenz-Signal (SHF) als Empfangs-Signal (HHF) zum zweiten Sonden-Ende (112) transmittiert wird.
10. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Signalerzeugungs-Einheit und (12) eine Sende-Antenne umfasst, die ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signals (SHF) als Radar-Signal auszusenden, wobei die Auswertungs-Einheit (13) eine Empfangs-Antenne umfasst, und wobei die Antennen derart gegenüberliegend an der Messstrecke angeordnet und ausgerichtet sind, dass die Empfangs-Antenne das Radar-Signal nach Durchgang durch das Medium (2) entsprechend als Empfangs-Signal (OHF) empfängt.
11. Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes eines Mediums (2) mittels des Messgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Einkoppeln des Hochfrequenz-Signals (SHF) in die Messstrecke (1 1 ) mit einer definierten Frequenz (fhiF), - Empfang eines entsprechenden Empfangs-Signals (r HF) nach
Durchlaufen der Messstrecke (11 ),
- Filtern des Empfangs-Signals (r HF) und/oder des Hochfrequenz-Signals (SHF),
- Ermittlung einer Phasenverschiebung (cp) zwischen dem Empfangs- Signal (OHF) und dem Hochfrequenz-Signal (SHF), und
- Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Phasenverschiebung (F)·
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