CN114829914A

CN114829914A - 用于确定介电值的测量设备

Info

Publication number: CN114829914A
Application number: CN202080084941.1A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·布勒德特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-07-29
Also published as: EP4073496A1; US20230003667A1; US12000787B2; WO2021115763A1; DE102019134159A1

Abstract

本发明涉及用于以基于相位的方式确定介质(2)的介电值的稳健的测量设备(1)，该测量设备包括至少以下部件：测量区段(11)，可使该测量区段与介质(2)进行接触；信号生成单元(12)，该信号生成单元用于将限定的频率(f_HF)的高频信号(s_HF)注入到测量区段(11)；以及评估单元(13)，该评估单元被设计成在所述高频信号传递通过测量区段(11)之后接收对应接收信号(r_HF)，以确定高频信号(s_HF)与接收信号(r_HF)之间的相移

并且基于所确定的相移

来确定介质(2)的介电值。根据本发明，测量设备(1)还包括至少一个滤波器(14、14')，该滤波器传输高频信号(s_HF)的频率(f_HF)，并且该滤波器被布置成使得所接收的接收信号(r_HF)和/或所生成的高频信号(s_HF)被滤波。这确保了所确定的介电值不会因由部件或环境致使的噪声而失真。

Description

用于确定介电值的测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于基于相位确定介质的介电值的测量设备。

背景技术

在自动化技术中，特别是对于过程自动化，经常使用现场设备，所述现场设备用于捕获各种测得变量。待确定的测得变量例如可以是制炼厂中的介质的填充液位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位、电导率或介电值。为了捕获对应的测得值，现场设备各自包括合适的传感器或基于合适的测量方法。Endress+Hauser集团公司制造和销售了大量不同类型的现场设备。

在固体以及液体和气态填料(诸如，推进剂、废水、气体或化学品)两种情况下，对各种介质的介电值(也称为“介电常数”或“相对电容率”)的确定都具有重要意义，因为该值表示杂质、水分含量或物质组成的可靠指标。用于确定介电值的一种可能的测量原理是测量高频信号的相位角或相移。在这种情况下，将具有至少一个限定的频率或在限定的频带内的高频信号注入到测量区段中，并在反射或传输之后，相对于其相位位置关于经传输的高频信号来评估对应的接收信号。在本专利申请的上下文中，术语“高频信号”或“雷达”是指频率在0.1GHz(吉赫兹)与30GHz之间的对应信号。

例如，在公布文献DE 10 2017 130728 A1中描述了基于相位的介电值测量设备。在这种情况下，使用了以下效果：信号速度且因此相位角取决于沿着测量区段占优势的介质的介电值。原则上，区分相对相位测量和绝对相位测量，其中在绝对相位测量的情况下，额外地实施所谓的象限校正。

测量区段例如可以采用测量探针的形式，在该测量探针内引导高频信号。在其它情况下，测量区段也可能是介质的限定的探针区域，高频信号作为自由辐射的雷达信号传递通过该探针区域。然而，不管测量区段的设计如何，测得相位角高度取决于接收信号中的部件相关或环境相关的噪声，特别是由于外来辐射。然而，基于软件的校正在这方面仅在有限的范围内是可能的，因为由此可能生成物理上不可信的测得值。尤其是在宽带相对相位测量的情况下，个别的相位噪声程度可能已将测得值移位达几个象限。这在从相位位置确定相位斜率的测量方法的情况下尤其关键，因为在这种情况下会产生偏移和斜率误差。

发明内容

因此，本发明基于提供稳健的介电值测量设备的目标，其中该稳健的介电值测量设备基于对高频信号的相位测量。

本发明通过用于确定介质的介电值的对应测量设备来达成该目标。

为此目的，测量设备至少包括以下部件：

-测量区段，能够使所述测量区段与介质进行接触，

-信号生成单元，所述信号生成单元被设计成将具有限定的频率的高频信号注入到所述测量区段中，以及

-评估单元，所述评估单元被设计成：

ο接收传递通过测量区段之后的高频信号作为对应的接收信号，

ο例如通过网络分析仪或相位检测器(诸如，吉尔伯特单元)来确定高频信号与接收信号之间的相移，并且

ο基于所确定的相移来确定介质的介电值。

根据本发明，测量设备还包括对于高频信号的频率能够穿透的至少一个滤波器。在此，滤波器被布置成使得所接收的接收信号和/或所生成的高频信号被滤波。这确保了所确定的介电值不会因部件相关的或环境相关的噪声而失真。更优选地将该滤波器设计为高通滤波器。在这种情况下，高通滤波器可被设计为奇数阶滤波器，尤其是一阶滤波器，使得对应高通滤波器在先前限定的下截止频率以下的情况下进行阻断，而在上截止频率以上的情况下允许通过，所述上截止频率低于高频信号的所述频率。在此，特别有利的是设计高通滤波器，使得下截止频率以下的高通滤波器具有近似恒定的相位延迟。因此，介电值的测量相对于测量设备的电子部件的制造公差并且相对于热影响而言更加稳健。

根据本发明的测量设备的信号生成单元生成高频信号的频率或频带将取决于介质或根据测量范围来进行设定。因此，取决于介电值的范围，信号生成单元必须相应地被设计成在在0.1GHz与30GHz之间、并且在水介质的情况下优选地在5GHz与8GHz之间的特别是可变的频率下生成高频电信号。评估单元将被对应地设计，以便能够检测正好在该频率下的相移。

在本发明的上下文内，测量区段例如可以被设计为导电的或导介电的测量探针，其中为了注入高频信号，在这种情况下测量探针将经由第一探针端与信号生成单元接触。在测量区段的此种设计的情况下，测量探针也可以在第一探针端处与评估单元接触(例如，经由发射/接收开关)。结果，第二相对探针端处的高频信号被反射为接收信号，由此所述信号可以由评估单元接收。

替代地，与信号生成单元相对的测量探针可以经由第二探针端与评估单元接触。在这种情况下，高频信号在传输通过测量探针之后，在第二探针端处被评估单元接收作为接收信号。

与作为测量探针的设计不同，测量区段也可以被设想为用于介质的限定的探针区域，高频信号s_HF作为自由辐射的雷达信号传递通过该探针区域。为此目的，信号生成单元必须包括发射天线，该发射天线被设计成将高频信号作为雷达信号进行传输。评估单元必须包括对应的接收天线。在这种情况下，天线将与探针空间相对地布置或对准，使得在传递通过介质之后，接收天线对应地接收所述雷达信号作为接收信号。

在本发明的上下文内，术语“单元”被理解成原则上是指为其预期目的而合适地设计的任何电子电路。因此，取决于要求，它可以是用于生成或处理对应模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是与程序交互的数字电路，诸如FPGA或存储介质。在这种情况下，程序被设计成执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在该上下文中，介电值测量设备的各种电子单元在本发明的意义上也可以潜在地访问共同的物理存储器或通过同一物理数字电路进行操作。

对应于根据前述实施例变体中的一个的根据本发明的介电值测量设备，该目标还通过用于操作测量设备的对应方法来达成。因此，该方法至少包括以下方法步骤：

-以限定的频率将高频信号注入到测量区段中，

-在传递通过所述测量区段之后接收对应接收信号，

-对所述接收信号和/或所述高频信号进行滤波，

-确定所述接收信号与所述高频信号之间的相移，以及

-基于所述相移来确定所述介电值。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。如下所示：

图1是根据本发明的用于容器中介质的介电值测量的测量设备，

图2是根据本发明的测量设备的基本电路图，

图3是滤波器的振幅和相位谱的曲线图，并且

图4是根据本发明的滤波器的可能的实现。

具体实施方式

为了实现对根据本发明的介电值测量设备1的一般理解，图1中示出了测量设备1在充满介质2的容器3上的示意性布置。要确定介质2的介电值，测量设备1横向布置在容器3的连接器上，例如在凸缘连接器上。为此目的，测量设备1以近似形状配合的方式附接到容器内壁。材料2可以是液体，诸如饮料、油漆、水泥或推进剂(诸如液态气体或矿物油)。然而，还可设想将测量设备1用于散装材料类型的介质2，诸如谷物。

测量设备1可以连接到上级单元4，诸如过程控制***。例如，可以将“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”作为接口实现。可以经由这些接口将介电值作为绝对值，或作为具有实部和虚部的复值来传输。然而，也可以传达关于测量设备1的一般操作状态的其他信息。

如图1中示意性地所示，测量设备1包括测量探针11，该测量探针在安装后延伸到容器3的内部中。以这种方式，测量探针11在介质2的对应最低填充液位处与介质2接触，使得测量设备1可以经由测量探针11确定介质2的介电值。

基本上，测量设备1基于注入到测量探针11中的高频信号s_HF，由此高频信号s_HF的电磁近场穿透介质2。为此目的，测量探针11被设计成导电或导介电的，使得测量设备1的对应地设计的信号生成单元12(参见图2)可以将高频信号s_HF注入到第一探针端111中。在此，探针几何形状或长度d必须适于对应的介质2。信号生成单元12可以基于例如可控高频振荡器，所述高频振荡器的频率由“锁相回路”调节。高频信号s_HF的频率f_HF或频带要与介质2的具体类型或与待测介电值的具体值范围相匹配。因此，0.433GHz与6GHz之间的频率f_HF适合用于具有高水含量的介质2。使用若干个不同的个别频率或一个频带的优点一方面在于，额外地确定介质2的密度的能力。另一方面，在具体个别频率处的负干扰的情况下，能够切换到替代的个别频率。

基于在测量探针11的相对的第二探针端112处对应地反射的接收信号r_HF，介质2的介电值可以由评估单元13确定，其中在图2中示出的示例性实施例中，评估单元13为此目的进而连接到第一探针端111。要分离信号s_HF、r_HF，信号生成单元12和评估单元13经由发射/接收开关连接到第一探针端111。代替在第一探针端111处接触评估单元13，如图2中所示，评估单元13原则上也可以连接到相对的第二探针端112。在这种情况下，评估单元13接收注入的高频信号s_HF的发射部分作为接收信号r_HF，使得在第一探针端111处不需要发射/接收开关15。

与图2中示出的测量探针11不同，介质2的探针范围也可以替代地被限定为测量区段，例如如公布文献DE 10 2017 130728A1中所示。在此，测量区段由用于将高频信号s_HF作为雷达信号传输的发射天线并且由用于接收对应的接收信号r_HF的接收天线限定。为此目的，天线以对应的距离d彼此相对地布置或对准。

要确定介质2的介电值，评估单元13确定注入的高频信号s_HF与接收信号r_HF之间的相移

在这种情况下，评估单元13可以实施绝对相位测量，即，在0°的相移与理论上的无穷大之间。替代地，将相位测量作为0°与360°之间的相对测量实施，即无需额外的象限校正。为了将相移

关于高频信号s_HF的相位角进行比较，如图2中所示，评估单元13可以经由信号分频器16联接到信号生成单元12。在这种情况下，为了测量相移

评估单元13可以包括例如网络分析仪或相位检测器，诸如吉尔伯特单元。借助于测得的相移

评估单元13进而可以确定介质2的介电值，例如基于对应的校准测量系列。

图2中示出的介电值的基于相位的测量的测量原理提供了可以以高灵敏度确定介电值的优点。然而，这种测量原理也容易受到部件内部或外部的噪声源的影响。

根据本发明，测量设备1因此包括能够透过高频信号s_HF的频率f_HF的第一高通滤波器14，所述第一高通滤波器布置在评估单元13上游的接收路径中。为此目的，第一高通滤波器14被调谐到高频信号s_HF，使得在限定的下截止频率f_g,l以下，高频信号s_HF的对应信号分量被抑制达至少﹣10dB(分贝)，尤其是至少﹣80dB。在限定的上截止频率f_g,h以上，第一高通滤波器14以尽可能低的至多-10dB的衰减传导接收信号r_HF，其中该上截止频率低于高频信号s_HF或接收信号r_HF的频率f_HF。图3的曲线图中示意性地示出了该特性。因此，在接收信号r_HF中通过第一高通滤波器14抑制了可能损害介电值的确定的任何噪声。

出于同样的原因，在图2中示出的测量设备1的实施例变体中，第二高通滤波器14'也布置在信号生成单元12与发射/接收开关15之间的高频信号s_HF的信号路径中。在此，第二高通滤波器14'也优选地具有图3中示出的滤波器特性。代替上述两个高通滤波器14、14'，也可设想在发射/接收开关15与测量探针11的第一探针端111之间布置对应的滤波器(图2中未示出)。

图3还示出了上述两个高通滤波器14、14'的另一有利设计：因此，在下截止频率f_g,l以下，使在高通滤波器14的输入与输出之间的高频信号s_HF的对应信号分量延迟特别是在30°与200°之间的相位延迟σ，所述相位延迟相对于频率f_HF是近似恒定的。在下截止频率f_g,l以上，相位延迟σ在示意性表示形式中线性减小，使得高通滤波器14使在上截止频率f_g,h以上的接收信号r_HF通过，而没有任何明显的相位延迟σ，即小于10°。这种取决于频率的相行为产生以下优点：介电值的测量相对于测量设备的电子部件的制造公差并且相对于热影响而言更加稳健。

图4中示出了用于实现具有图3中示出的属性的高通滤波器14的可能变体。在该变体中，高通滤波器14被设计为印刷电路板基板142上的二维导电带结构141。例如，可结构化的铜或银层可用作导电带材料。此处导电带结构141的特性是三个矩形的串联布置，它们原则上具有相同的面积，并且与外部触点相比，它们通过渐缩达大约2/3的两个导电带彼此连接。在这种情况下，经由两个外部触点中的一个供应要滤波的信号r_HF、s_HF，并在对应的滤波之后，经由另一外部触点分接经滤波的信号。由于图4中示出的高通滤波器14、14'在路径方向上的对称设计，原则上所述两个外部触点中的哪一个用作输入或用作输出是无关紧要的。

如图4中所示，与两个外部矩形形成对比的是，中间矩形的一端处具有呈补充结构形式的不对称性。因此，高通滤波器14形成对应的奇数阶属性，使得产生图3中示出的信号振幅A_HF的取决于于频率的传输行为。可以理解的是，高通滤波器14、14'也可以以具有对应奇数阶而不是图4中示出的实施例变体的混合方式来实现。

附图标记列表

1 测量设备

2 介质

3 容器

4 上级单元

11 测量探针

12 信号生成单元

13 评估单元

14、14' 滤波器

15 发射/接收开关

16 信号分频器

111 第一探针端

112 第二探针端

141 导电带结构

142 印刷电路板基板

A_HF 滤波器处的信号强度

d 测量探针的长度

f_HF 高频或接收信号的频率

f_g,l 下截止频率

f_g,h 上截止频率

r_HF 接收信号

s_HF 高频信号

相移

σ 相位延迟

Claims

1.一种用于确定介质(2)的介电值的测量设备，包括：

-测量区段(11)，能够使所述测量区段(11)与所述介质(2)进行接触，

-信号生成单元(12)，所述信号生成单元(12)被设计成将具有限定的频率(f_HF)的高频信号(s_HF)注入到所述测量区段(11)中，

-评估单元(13)，所述评估单元(13)被设计成

ο接收传递通过所述测量区段(11)之后的对应接收信号(r_HF)，

ο确定所述高频信号(s_HF)与所述接收信号(r_HF)之间的相移

并且，

ο基于所确定的相移

来确定所述介质(2)的介电值，

其特征在于

滤波器(14、14')，所述滤波器(14、14')对于所述高频信号(s_HF)的所述频率(f_HF)能够穿透，所述滤波器被布置成使得所接收的接收信号(r_HF)和/或所生成的高频信号(s_HF)被滤波。

2.根据前述权利要求中的一项所述的方法，

其特征在于

第一滤波器(14)和/或第二滤波器(14')被设计为高通滤波器。

3.根据权利要求2所述的测量设备，

其特征在于

所述高通滤波器(14、14')被设计为奇数阶滤波器，尤其是一阶滤波器，使得对应高通滤波器(14、14')在下截止频率(f_g,l)以下的情况下进行阻断，而在上截止频率(f_g,h)以上的情况下允许通过，所述上截止频率低于所述高频信号(s_HF)的所述频率(f_HF)。

4.根据权利要求3所述的测量设备，

其特征在于

所述下截止频率(f_g,l)以下的所述高通滤波器(14、14')具有近似恒定的相位延迟(σ)。

5.根据前述权利要求中的一项所述的测量设备，其中，所述评估单元(13)包括用于确定所述相移

的网络分析仪或相位检测器，尤其是吉尔伯特单元。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的测量设备，其中，所述信号生成单元(12)被设计成生成具有在0.1GHz与30GHz之间、优选地在5GHz与8GHz之间的特别是可变的频率(f_HF)的高频电信号(s_HF)，并且

其中，所述评估单元(13)被设计成检测在对应频率(f_HF)下的所述相移

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的测量设备，其中，所述测量区段(11)被设计为导电的或导介电的测量探针(11)，所述测量探针经由第一探针端(111)与所述信号生成单元(12)接触以便注入所述高频信号(s_HF)。

8.根据权利要求6所述的测量设备，其中，所述测量探针(11)经由所述第一探针端(111)与所述评估单元(13)接触，使得在与所述第一探针端(111)相对的第二探针端(112)处，所述高频信号(s_HF)被反射为接收信号(r_HF)。

9.根据权利要求7所述的测量设备，其中，所述探针(111)经由所述第二探针端(112)而与所述评估单元(13)接触，使得所述高频信号(s_HF)作为接收信号(r_HF)被传输到所述第二探针端(112)。

10.根据权利要求1至6中的一项所述的测量设备，其中，所述信号生成单元(12)包括发射天线，所述发射天线被设计成将所述高频信号(s_HF)作为雷达信号进行传输，其中所述评估单元(13)包括接收天线，并且其中所述天线在所述测量区段上彼此相对地布置和对准，使得在传递通过所述介质(2)之后，所述接收天线对应地接收所述雷达信号作为接收信号(r_HF)。

11.一种用于通过根据前述权利要求中的一项所述的测量设备(1)来确定介质(2)的介电值的方法，包括以下方法步骤：

-以限定的频率(f_HF)将高频信号(s_HF)注入到测量区段(11)中，

-在传递通过所述测量区段(11)之后接收对应接收信号，

-对所述接收信号(r_HF)和/或所述高频信号(s_HF)进行滤波，

-确定所述接收信号(r_HF)与所述高频信号(s_HF)之间的相移

以及

-基于所述相移

来确定所述介电值。