用于确定介电常数的测量设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于确定填充物质的介电值的测量设备以及一种用于操作该测量设备的相应方法。


背景技术：

2.在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，通常应用现场设备，其用于记录和/或影响过程变量。为了记录过程变量，采用传感器，其例如用在料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、ph氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等。这些传感器记录相应的过程变量、料位、流量、压力、温度、ph值、氧化还原电位、电导率或介电值。大量这些现场设备由endress hauser公司生产和销售。
3.在固体的情况下以及在液体，填充物质诸如燃料、废水或化学品的情况下，确定容器中填充物质的介电值(也称为“介电常数”或“相对电容率”)都是非常感兴趣的，因为该值可以是杂质、水分含量或物质组成的可靠指标。在这种情况下，在本发明的范围内被理解为“容器”也是开放的容器，诸如桶、湖泊或海洋或流动的水体。
4.已知的是，首先，在液体填充物质的情况下，使用电容测量原理来确定介电值。在这种情况下，利用电容器的电容与位于电容器的两个电极之间的介质的介电值成比例地变化的效果。在这种测量原理的情况下，介电值的测量发生在一些khz至mhz范围内的相当小的频率处。
5.可替代地，在介质的基于雷达的料位测量的情况下，还可以虚拟寄生地共同确定容器内部中的(液体)介质的介电值。在经由导电波导在介质中引导微波的情况下，这需要引导雷达的测量原理。在专利公开de 10 2015 117 205a1中描述了该组合的料位和介电测量。
6.在公开ep 0622 628a2中描述了基于引导雷达原理的另一种方法。根据该测量原理工作的测量设备由公司imko mikromodultechnik gmbh以多种形式的实施例出售。
7.使用上述方法的测量设备通常旨在执行校准。这意味着在生产中或在现场启动时需要额外的努力。此外，这些测量方法通常需要电路方面的复杂硬件，以便可以以高分辨率或在宽测量范围内确定介电值。另外，随着操作时间的增加，循环重新校准可能是必要的。此外，测量总系统的准确度的恶化可能会加重上述测量方法的负担。


技术实现要素：

8.因此，本发明的目的是提供一种克服这些缺点的测量设备。
9.本发明通过一种用于确定介质的介电值的测量设备来实现该目的，该测量设备包括如下组件：
[0010]-信号产生单元，其被设计为产生具有在频带内变化的频率的电高频信号，
[0011]-第一波导，其具有：
[0012]
输入耦合元件，所述输入耦合元件被设计为将所产生的高频信号耦合到所述第一
波导中，以及
[0013]
第一端部区域，所述第一端部区域被设计为用于反射所述高频信号，
[0014]
第一信号门，所述第一信号门被布置成与所述第一端部区域相对，所述高频信号经由所述第一信号门能够被输出耦合到所述介质中，
[0015]-第二波导，其具有：
[0016]
第二端部区域，所述第二端部区域被设计为用于反射所述高频信号，
[0017]
第二信号门，所述第二信号门被布置成与所述第二端部区域相对，其中，所述第二信号门被设计为并且被布置成与所述第一信号门相对，使得所述高频信号在通过所述介质之后，经由所述第二信号门可输入耦合到所述第二波导中，以及
[0018]
输出耦合元件，所述输出耦合元件被设计为从所述第二波导输出耦合所述高频信号，
[0019]-导电装置，所述导电装置使所述两个波导彼此电接触，以及
[0020]-信号评估单元，所述信号评估单元至少被连接到所述输出耦合元件，所述信号评估单元被设计为：
[0021]
在所述频带内接收被输入耦合到所述第一波导中的高频信号的频率相关的反射分量和/或被输入耦合到所述第一波导中的高频信号的频率相关的透射分量，
[0022]
基于所述反射分量确定频率相关的反射最小值和相应频率，和/或基于所述透射分量确定频率相关的透射最大值和相应频率，
[0023]
基于所述反射最小值的频率或基于所述透射最大值的频率，确定所述介电值的实部，和/或
[0024]
基于在所述反射最小值的频率处的透射分量来确定所述介电值的虚部，和/或
[0025]
基于所述虚部和所述实部来确定所述介电值的大小。
[0026]
通过这种结构，本发明的测量设备利用了作为根据填充物质的介电值和高频信号的频率的，在波导中和波导之间形成高频信号的驻波的效果。以这种方式，透射分量和反射分量很大程度上取决于频率和介电值，使得可以以高灵敏度测量介电值，并且取决于在大的值范围内的频带和波导的尺寸的选择。此外，本发明的测量设备提供了以下优点：信号评估单元可以通过广泛使用的并且因此成本有效的网络分析器芯片来实现。
[0027]
在这种情况下，术语“单元”在本发明的上下文中原则上是指任何电子电路，其被适当地设计用于预期的应用。因此，根据需要，它可以是用于产生或处理相应模拟信号的模拟电路。它也可以是数字电路，例如fpga或与程序协作的存储介质。在这种情况下，程序被设计为执行相应的方法步骤，或者应用单元所需的计算操作。在这种情况下，在本发明的范围内，料位测量设备的不同电子单元还可以潜在地使用共享的物理存储器和/或通过相同的物理数字电路来操作。
[0028]
当所述第一波导和所述输入耦合元件被设计为使得所述第一波导具有比所述输入耦合元件更高的阻抗，和当所述第二波导和所述输出耦合元件被设计为使得所述第二波导具有比所述输出耦合元件更高的阻抗时，可以有利于在波导中形成驻波。在这方面，特别有利的是，所述第一波导和所述输入耦合元件被设计为使得所述第一波导的阻抗比所述输入耦合元件的阻抗高至少40％，特别是至少20欧姆，以及所述第二波导和所述输出耦合元件被设计为使得所述第二波导的阻抗比所述输出耦合元件的阻抗高至少40％，特别是至少
20欧姆。
[0029]
可以通过将两个波导之间的导电装置设计为用于高频信号的反射器来优化测量设备的功耗，使得信号门之间的高频信号的耦合强度增加。同时，这潜在地改善了信噪比并增加了介电值测量的分辨率。在这种情况下，反射器可以被设计为例如金属或金属化板的装置，其中，反射器板的形状和取向优选地适配于波导的横截面形状，因此优选例如圆形或矩形形状。
[0030]
当在所述第一信号门处和/或在所述第二信号门处第一波导和/或所述第二波导以特别是90
°
的方式被弯曲，使得所述反射器例如被定位在所述一个或多个弯曲部的焦点中时，反射器板的数量可以被减少到1，视具体情况而定。在这种情况下，另外有利的是，一个或多个弯曲部的形状视情况而定对于聚焦而言是近似抛物线的。以这种方式，转而减小反射器面积。此外，通过减少反射器的数量，简化了对波导之间的待测量介质的样本空间的访问。
[0031]
通过确定所述第一波导和所述第二波导的尺寸，并且所述信号门以距彼此限定的间隔加以布置，使得所述两个端部区域之间的高频信号的信号路径长度例如是空气或真空中的波长的一半，其对应于频带的上限频率，或该波长的整数倍，例如两倍或三倍，有利于高频信号的形成。
[0032]
此外，在这方面，当所述输入耦合元件至多以距所述第一端部区域例如对应于空气或真空中的该波长的四分之五的间隔加以布置，其对应于所述频带的上限频率时，或者当所述输出耦合元件以至多距所述第二端部区域对应于空气或真空中的该波长的四分之五的间隔加以布置，其对应于所述频带的上限频率时是有利的。以这种方式，可以增加dk测量的灵敏度。
[0033]
在本发明的上下文中，没有规定波导的类型。例如，第一波导和/或第二波导可以是空心导体。在这种情况下，在本发明的上下文中，原则上没有固定地规定波导是否具有例如圆形或矩形横截面。然而，矩形横截面是有利的，因为波导更容易被产生，并且高频信号在波导中传播的模式可以更单独地加以设置。在这方面有利的是h10模式。当波导被设计为空心导体时，它们中的至少一个，优选两个，可以另外填充介电陶瓷、玻璃或塑料填充物，特别是hdpe、pp或ptfe，而不是空气或真空。一方面，这提供了波导整体上可以更紧凑地确定尺寸的优点。另外，在这种情况下，不需要单独实现防止介质渗透到波导中的信号门。相反，在这种情况下，它们直接由阻挡塑料填充形成。对于空心导体没有被完全填充塑料的情况，则选择由上述塑料之一或玻璃产生信号门。
[0034]
当在从1ghz至10ghz，特别是在2ghz至6ghz的频带内形成电高频信号，或者波导和输入耦合元件以及输出耦合元件关于此被适配时，信号产生单元可以被实现为网络分析器芯片。
[0035]
类似于本发明的测量设备，本发明的目的还通过一种通过根据上述实施例之一的测量设备确定介电值的方法来实现。这种方法包括以下方法步骤：
[0036]
通过所述信号产生单元产生电高频信号，
[0037]
经由所述输入耦合元件将所述高频信号输入耦合到所述第一波导中，
[0038]
在通过所述介质之后，通过所述输出耦合元件将所述高频信号从所述第二波导输出耦合，
[0039]
记录所述输入耦合高频信号的频率相关的反射分量和频率相关的透射分量，
[0040]
确定所述高频信号的频率相关反射最小值和相应频率，和/或确定所述高频信号的频率相关透射最大值和相应频率，
[0041]
基于所述反射最小值的频率或基于所述透射最大值的频率确定所述介电值的实部，和/或
[0042]
基于在所述反射最小值的频率处或在所述透射最大值的频率处的透射分量来确定所述介电值的虚部。
[0043]
然后，基于虚部和实部，可以根据以下公式确定介电值的大小：
[0044][0045]
在本发明的方法的另外发展中，补充地，可以确定在输入耦合元件和输出耦合元件之间的高频信号的相移。相移的测量表示用于确定介质的介电值的实部的另一机会。
[0046]
本发明的方法的另外发展可以通过基于反射最小值，特别是基于反射最小值的位置处的反射分量、基于宽度和/或基于反射最小值的边缘陡度确定测量设备的质量来实现。进而，基于该质量，可以推导出测量设备的操作条件。降低的质量可以例如是波导之间的吸积形成或现场设备的电子组件的故障的指示。另外，通过记录质量与测量周期数的关系，可以进行关于质量何时将低于预定义的最小值的预测，使得基于此，可以启动测量设备的及时维护。这种过程程序也被称为“预测性维护”。
附图说明
[0047]
现在将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：
[0048]
图1是用于容器中介质的介电值测量的本发明的测量设备，
[0049]
图2是测量设备的详细视图，
[0050]
图3是测量设备的输入耦合元件或输出耦合元件的详细视图，以及
[0051]
图4是测量设备中的频率相关的透射分量和频率相关的反射分量的曲线图。
具体实施方式
[0052]
为了提供对本发明的介电值测量设备1的一般理解，图1示出了测量设备1在包含介质2的容器3上的示意性布置。为了确定介质2的介电值dk，测量设备1被横向布置在容器2的端口(例如凸缘端口)处。为此，测量设备1例如与容器内壁齐平地安装，其中，测量设备1的两个波导11，12部分地突出到容器3中，使得介质2可以在波导11，12之间。介质2可以是液体，例如饮料、油漆、水泥或燃料，诸如液化气体或矿物油。然而，另一种选择是将测量设备1也应用于测量散装货物介质2，诸如谷物。
[0053]
测量设备1可以被连接到上级单元4，例如过程控制系统。实现为接口的可以是例如“profibus”、“hart”、“无线hart”或“以太网”接口。以这种方式，介电值dk可以作为大小或者作为具有实部和虚部的复数值来传输。然而，也可以传送关于测量设备1的一般操作条件的其他信息。
[0054]
图2详细地示出了本发明的测量设备1的结构构造。基本上，测量设备1基于两个波导11，12，每个波导在其一端具有信号门113，122。在这种情况下，波导11，12被布置成使得
两个信号门113，122以限定的间隔d彼此相对地定位。因此，在信号门113，122之间形成介质2的样本空间，其介电值dk将被确定。
[0055]
在图2所示的实施例的情况下，波导11，12被设计为矩形横截面的空心导体。在这种情况下，高频信号s
hf
经由输入耦合元件111被横向输入耦合到第一波导11中。信号门113，122被设计为对于高频信号s
hf
是透明的。另外，两个波导11，12经由导电反射器13彼此电接触。当空心导体11，12填充有塑料填充物，特别是hdpe、pp或ptfe时，在这种情况下，不再需要单独地实现信号门113，122，因为塑料填充物防止介质2渗透到波导11，12中，并且同时确保高频信号s
hf
的有效输出和输入耦合。
[0056]
由于两个波导11，12的上述设计，根据本发明，高频信号s
hf
从第一波导11的第一信号门113被输出耦合到样本空间中，然后被引导通过介质2(图2中未示出)，然后经由第二信号门122被输入耦合到第二波导12中。类似于输入耦合元件111，在第二波导12上横向布置有输出耦合元件123，经由输出耦合元件123，可以输出耦合高频信号s
hf
的透射分量。
[0057]
在图2所示的测量设备1的实施例的示例的情况下，在它们的信号门113，122之后，两个波导11，12经历90
°
弯曲。在这种情况下，弯曲的形状近似为抛物线，使得反射器13例如位于抛物线的焦点处。因此，反射器13不仅使波导11，12彼此电接触。此外，由于高频信号s
hf
的反射，信号门113，122之间的高频信号s
hf
的透射t
hf
增加。如图2所示，反射器13以在此所示的实施例的形式位于具有测量设备1的相应壁14的平面中，该平面将处于安装状态下的容器3的内部与容器外部和测量设备1的内部分开。
[0058]
在与信号门113，122相对的端部上，波导11，12具有反射高频信号s
hf
的端部区域112，121。为此，端部区域112，121可以类似于反射器13加以设计，例如设计为金属化壁。另外，两个波导11，12的长度l(在每种情况下，从端部区域112，121开始并延伸到信号门113，122)的总和加上信号门113，122之间的间隔d理想地是高频信号s
hf
的波长λ
hf
的一半，或其整数倍(在这方面，两个波导11，12不必是相同的长度)。以这种方式，高频信号s
hf
根据高频信号s
hf
的频率f
hf
并且根据介质2的介电值dk在端部区域112，121之间形成驻波。当(诸如图2所示)输入耦合元件111和输出耦合元件123尽可能靠近(最佳地以高频信号s
hf
的波长λ
hf
的最大四分之五的间隔)反射端部区域112，121加以布置时，这种效果得到加强。
[0059]
为了使输入耦合元件111和输出耦合元件123尽可能靠近端部区域加以布置，诸如图3所示，与横向布置相反，这些输入耦合元件111和输出耦合元件123也可以被布置在波导11，12的端部区域112，121处。在这种情况下，元件111，123以90
°
弯曲，以便高频信号s
hf
依次在第一波导11的方向上被传输，或者从第二波导12的方向被接收。
[0060]
独立于输入耦合元件111和输出耦合元件123的布置，波导11，12和输入/输出耦合元件111，123有利地被设计成使得波导11，12具有比输出耦合元件111和输出耦合元件123更高的阻抗。有利地，在这种情况下，阻抗差总计为至少40％或20欧姆。在这种情况下，诸如图2和图3所示，输入耦合元件111和输出耦合元件123可以被设计为引脚，其中，它们的长度与高频信号s
hf
的频率范围f
1-f2匹配。参考反射器13，在这种情况下，重要的是将引脚定向成使得高频信号s
hf
的e场根据h10模式正交于反射器13的表面延伸，诸如图2中的实施例的示例的情况。然而，原则上，可替代地，将引脚111，123布置成或者将波导11，12构造成高频信号s
hf
例如以te31模式或h20模式传播也是一种选择。
[0061]
由于测量设备1的上述构造，根据本发明，总体上实现的是，在输入耦合元件111和
输出耦合元件123之间的高频信号s
hf
的吸收部分a
hf
和反射分量r
hf
(以及透射分量t
hf
)在很大程度上取决于高频信号s
hf
的频率f
hf
。在这种情况下，以下公式一般地适用于相对于输出耦合元件123处的发射功率，在输入耦合元件111处输入耦合的高频信号s
hf
的功率：
[0062]
t
hf
a
hf
r
hf
＝0db或100％
[0063]
图4的曲线图示出了高频信号s
hf
的频率相关的透射/反射。因此，图4示出了根据频率f
hf
，输入耦合元件111和输出耦合元件123之间的高频信号s
hf
的透射分量t
hf
和反射分量r
hf
。在这种情况下，高频信号s
hf
的频带f
2-f1在所示情况下在2ghz和6ghz之间延伸。该曲线图示出了特别是在反射分量r
hf
的情况下，介质2产生最小值，其中，反射最小值的频率f
min
与介质2的介电值dk的实部成比例。因此，相应地设计的信号评估单元可以在记录频率相关的反射分量r
hf
之后记录反射最小值，并且基于相应的频率f
min
，进而计算介质2的介电值dk的实部re
dk
。信号评估单元又可以基于在反射最小值的频率f
min
处的透射分量t
hf
来确定虚部im
dk
。
[0064]
因此，基于以下公式：
[0065][0066]
可以计算介质的介电值dk的大小。可替代地，为了基于反射最小值确定介电值dk，同样可以确定对应于反射最小值的全局透射最大值，诸如可以在图4的曲线图中看到的。在这种情况下，信号评估单元可以基于透射最大值的频率来确定介质2的介电值dk的实部re
dk
。虚部im
dk
又可以基于在透射最大值的频率处的透射分量t
hf
来确定。为了记录透射分量t
hf
和反射分量r
hf
以及为了确定im
dk
、re
dk
和dk，信号评估单元可以例如基于网络分析器芯片进行操作，该网络分析器芯片对应地与输出耦合元件123和输入耦合元件111连接。
[0067]
在输入耦合元件111处的高频信号s
hf
的产生可以通过相应的信号产生单元来实现。信号产生单元可以是例如压控振荡器，其频率f
hf
通过相控环("锁相环")来控制，使得信号产生单元例如以锯齿形频率变化产生期望频带f
1-f2内的高频信号s
hf
。此外，该功能可以由可能存在的网络分析器芯片执行，这取决于其设计。
[0068]
附图标记列表
[0069]
1 测量设备
[0070]
2 介质
[0071]
3 容器
[0072]
4 上级单元
[0073]
11 第一波导
[0074]
12 第二波导
[0075]
13 反射器
[0076]
14 壁
[0077]
111 输入耦合元件
[0078]
112 第一端部区域
[0079]
113 第一信号门
[0080]
121 第二端部区域
[0081]
122 第二信号门
[0082]
123 输出耦合元件
[0083]
dk 介电值
[0084]fhf 频率
[0085]
im
dk 介电值的虚部
[0086]
re
dk 介电值的实部
[0087]rhf 反射分量
[0088]shf 高频信号
[0089]
t
hf 透射分量
[0090]
λ
hf 波长