DE102022108337A1 - Dielectric value measuring device - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät (1) zur Dielektrizitätswert-Bestimmung an Medien (2), folgende Komponenten umfassend: Zumindest eine erste, im Medium (2) anordbare Hochfrequenz-Elektrode (11) mit derartiger Geometrie, so dass innerhalb eines definierten Hochfrequenz-Bandes (Δf) phasenbezogene Unstetigkeiten (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) entstehen; Eine Signalerzeugungs-Einheit (12) zur Einkopplung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) in die erste Elektrode (11), wobei das Hochfrequenz-Signal (sHF) die Frequenz (f) der Unstetigkeit (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) umfasst; Und eine Auswerte-Einheit (13), die das Hochfrequenz-Signal (rHF) aus der ersten bzw. einer Empfangs-Elektrode (11, 14) auskoppelt, um anhand des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals (rHF) die Unstetigkeit (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) zu ermitteln, so dass anhand der ermittelten Unstetigkeit (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) den Dielektrizitätswert (DK) des Mediums (2) bestimmbar ist. Vorteilhaft hieran ist, dass mit begrenztem Hardware-Aufwand eine hohe Messauflösung erreichbar ist. Außerdem wird das Messgerät (1) durch die Auswertung der phasenbezogenen Unstetigkeit (f'1; ϕ'1, f2; ϕ'2) in die Lage versetzt, sich selbst nachzukalibrieren.The invention relates to a high-frequency-based measuring device (1) for determining the dielectric value of media (2), comprising the following components: At least one first high-frequency electrode (11) which can be arranged in the medium (2) and has such a geometry that within a defined High-frequency band (Δf) phase-related discontinuities (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) arise; A signal generation unit (12) for coupling an electrical high-frequency signal (sHF) into the first electrode (11), the high-frequency signal (sHF) representing the frequency (f) of the discontinuity (f'1; ϕ'1, f '2; ϕ'2) includes; And an evaluation unit (13), which decouples the high-frequency signal (rHF) from the first or a receiving electrode (11, 14) in order to determine the discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) so that the dielectric value (DK) of the medium (2) can be determined based on the determined discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2). . The advantage of this is that a high measurement resolution can be achieved with limited hardware effort. In addition, the measuring device (1) is enabled to recalibrate itself by evaluating the phase-related discontinuity (f'1; ϕ'1, f2; ϕ'2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums.The invention relates to a high-frequency-based measuring device for determining a dielectric value of a medium.

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 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.In automation technology, especially for process automation, field devices are often used that are used to record various measured variables. The measured variable to be recorded can be, for example, a level, a flow, a pressure, the temperature, the pH value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process system. To record the corresponding measured values, the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement methods. A variety of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.

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.The determination of the dielectric value (also known as “dielectric constant” or “relative permittivity”) of various media is of great interest both for solids and for liquid and gaseous filling materials, such as fuels, waste water, gases, gas phases or chemicals, because this value can represent a reliable indicator for impurities, moisture content, substance concentration or substance composition.

Hochfrequenz-technisch kann der Dielektrizitätswert eines Mediums beispielsweise bestimmt werden, indem die Amplitude, die Phasenverschiebung oder die Signal-Laufzeit von Hochfrequenz-Signalen bei Durchgang durch das Medium gemessen wird. Dazu wird ein Hochfrequenz-Signal mit einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in das Medium eingekoppelt: Nach Durchgang durch das Medium 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 300 GHz.In terms of high-frequency technology, the dielectric value of a medium can be determined, for example, by measuring the amplitude, the phase shift or the signal transit time of high-frequency signals as they pass through the medium. For this purpose, a high-frequency signal with a defined frequency or within a defined frequency band is coupled into the medium: After passing through the medium, the high-frequency signal is evaluated with regard to its amplitude, phase position or signal transit 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 300 GHz.

Phasenbasierte Dielektrizitätswert-Messgeräte werden beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2017 130728 A1 beschrieben. Dort wird der Effekt genutzt, dass die Signallaufzeit des vor- und rücklaufenden Hochfrequenz-Signals und somit die Phasenverschiebung entlang einer Mess-Elektrode vom Dielektrizitätswert desjenigen Mediums abhängt, das die Mess-Elektrode vorherrscht. Die Veröffentlichungsschrift WO 2022033831 A1 beschreibt ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät mit zwei Elektroden. Dabei wird in eine der Elektroden das Hochfrequenz-Signal eingekoppelt, um ein entsprechendes Nahfeld zu erzeugen. Im Empfangsbereich des Nahfeldes ist eine weitere Elektrode angeordnet, um das Hochfrequenz-Signal nach Durchgang durch das Medium zu empfangen. Hierdurch resultiert in der Empfangs-Elektrode wiederum eine messbare Phasenverschiebung, über welche sich der Dielektrizitätswert des Mediums bestimmen lässt. Nachteilhaft an diesen Messprinzipien ist unter anderem, dass mittels der gemessenen Phasenverschiebung zumindest ohne vorherige Kalibration lediglich ein relativer Dielektrizitätswert bestimmbar ist.Phase-based dielectric value measuring devices are used, for example, in the publication DE 10 2017 130728 A1 described. The effect used there is that the signal transit time of the forward and return high-frequency signal and thus the phase shift along a measuring electrode depends on the dielectric value of the medium that dominates the measuring electrode. The publication document WO 2022033831 A1 describes a high-frequency-based measuring device with two electrodes. The high-frequency signal is coupled into one of the electrodes to generate a corresponding near field. A further electrode is arranged in the reception area of the near field in order to receive the high-frequency signal after it has passed through the medium. This in turn results in a measurable phase shift in the receiving electrode, which can be used to determine the dielectric value of the medium. The disadvantage of these measuring principles is, among other things, that only a relative dielectric value can be determined using the measured phase shift, at least without prior calibration.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes bereitzustellen, mittels dem der Dielektrizitätswert von Medien mit geringem technischen Aufwand und ohne vorherige Kalibration bestimmt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a high-frequency-based measuring device for determining the dielectric value, by means of which the dielectric value of media can be determined with little technical effort and without prior calibration.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums, das folgende Komponenten umfasst:

• - Zumindest eine erste, im Medium anordbare Hochfrequenz-Elektrode, wobei die erste Elektrode eine derartige Geometrie aufweist, so dass die erste Elektrode innerhalb eines definierten Hochfrequenz-Bandes zumindest eine phasenbezogene Unstetigkeit aufweist,
• - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um ein elektrisches Hochfrequenz-Signal derart in die erste Elektrode einzukoppeln, so dass das Hochfrequenz-Signal die Frequenz der Unstetigkeit umfasst, und
• - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist,
  • ◯ um das Hochfrequenz-Signal aus der ersten Elektrode und/oder aus einer zweiten Elektrode auszukoppeln,
  • ◯ um anhand des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals die zumindest eine Unstetigkeit zu ermitteln, und
  • ◯ um zumindest anhand der ermittelten Unstetigkeit den Dielektrizitätswert des Mediums zu bestimmen.

The invention solves this problem by means of a high-frequency-based measuring device for determining a dielectric value of a medium, which comprises the following components:

• - At least one first high-frequency electrode that can be arranged in the medium, the first electrode having a geometry such that the first electrode has at least one phase-related discontinuity within a defined high-frequency band,
• - a signal generation unit which is designed to couple an electrical high-frequency signal into the first electrode in such a way that the high-frequency signal includes the frequency of the discontinuity, and
• - an evaluation unit that is designed
  • ◯ to couple out the high-frequency signal from the first electrode and/or from a second electrode,
  • ◯ to determine at least one discontinuity based on the decoupled high-frequency signal, and
  • ◯ to at least determine the dielectric value of the medium based on the determined discontinuity.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Bestimmung des Dielektrizitätswertes auf Basis der Unstetigkeit ist, dass mit begrenztem Hardware-Aufwand eine sehr hohe Messauflösung erreichbar ist. Zur Bestimmung der Unstetigkeit kann die Auswerte-Einheit dementsprechend beispielsweise einen Netzwerkanalysator umfassen. Um das Hochfrequenz-Signal zu erzeugen, kann die Signalerzeugungs-Einheit analog zum Radar-basieren FMCW-Verfahren beispielsweise auf einem phasengesteuerten Regelkreis basieren. Des Weiteren wird das Messgerät durch die Auswertung der phasenbezogenen Unstetigkeit in die Lage versetzt, sich selbst kalibrieren zu können. Der Begriff „Unstetigkeit" richtet sich dabei nicht ausschließlich nach der mathematischen Definition. Darüber hinaus wird unter diesem Begriff auch eine begrenzte Zone zwischen zwei Frequenz-Bereichen verstanden, in denen sich die Phasenlage unterschiedlich, aber jeweils überwiegend linear ändert. Dabei bedeutet „begrenzt“, dass diese Zone im Vergleich zu den Frequenzbereichen vernachlässigbar klein ist, also bspw. maximal 1/20.The advantage of the inventive determination of the dielectric value based on the discontinuity is that a very high measurement resolution can be achieved with limited hardware effort. To determine the discontinuity, the evaluation unit can accordingly comprise, for example, a network analyzer. In order to generate the high-frequency signal, the signal generation unit can be analogous to the radar-based FMCW Methods based, for example, on a phase-controlled control loop. Furthermore, by evaluating the phase-related discontinuity, the measuring device is able to calibrate itself. The term “discontinuity” is not exclusively based on the mathematical definition. In addition, this term also means a limited zone between two frequency ranges in which the phase position changes differently, but predominantly linearly. “Limited” means that this zone is negligibly small compared to the frequency ranges, for example a maximum of 1/20.

Unter dem Begriff „Einheit wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie ein FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.Within the scope of the invention, the term “unit” means in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended purpose. Depending on the requirements, it can 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 procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, various 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.

Um eine oder mehrere phasenbezogene Unstetigkeiten zu bewirken, kann die erste Elektrode bzw. die etwaige zweite Elektrode insbesondere

• - einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen, und/oder
• - sich mit zunehmender Länge insbesondere konisch oder parabelförmig verjüngen oder verbreitern.

In order to cause one or more phase-related discontinuities, the first electrode or any second electrode can in particular

• - have a round or elliptical cross section, and/or
• - Taper or widen, particularly conically or parabolically, with increasing length.

Da der Dielektrizitätswert insbesondere von feuchtehaltigen Medin stark Temperaturabhängig ist, kann zur Temperaturkompensation der Dielektrizitätswert-Messung im Inneren der Sende-Elektrode oder im Inneren der Empfangs-Elektrode ein Temperatur-Sensor, wie beispielsweise ein kapazitiver Sensor oder ein Widerstands-basierter Sensor angeordnet werden. Demensprechend kann die Auswerte-Einheit bei geeigneter Auslegung anhand des Temperatur-Sensors den Dielektrizitätswert des Mediums temperaturkompensiert bestimmen, beispielsweise auf Basis einer Look-up Table oder einer Kompensationsfunktion.Since the dielectric value, particularly of moisture-containing media, is strongly dependent on temperature, a temperature sensor, such as a capacitive sensor or a resistance-based sensor, can be arranged inside the transmitting electrode or inside the receiving electrode to compensate for the temperature of the dielectric value measurement. Accordingly, with a suitable design, the evaluation unit can use the temperature sensor to determine the dielectric value of the medium in a temperature-compensated manner, for example based on a look-up table or a compensation function.

Sofern das Messgerät auf dem transmittiven Prinzip ausgelegt ist und dementsprechend eine zweite Elektrode als Empfangs-Elektrode umfasst, ist es besonders vorteilhaft, wenn diese in einem definierten Abstand und möglichst parallel zur ersten Sende-Elektrode angeordnet ist. Dabei ist der Abstand mit höchstens einem Viertel der minimalen Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals auszulegen. Hierdurch befindet sich die Empfangs-Elektrode im Nahfeld der Sende-Elektrode, um das Hochfrequenz-Signal zur Bestimmung der Unstetigkeit nach Durchgang durch das Medium verlustarm zu empfangen. Hierdurch wird der Leistungsverbrauch des Messgerätes gesenkt bzw. dessen Sensitivität erhöht. Korrespondierend hierzu kann die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt werden, um das Hochfrequenz-Signal derart zu erzeugen, dass sich dessen Frequenz über das Hochfrequenz-Band zeitlich wiederkehrend insbesondere linear ändert, damit das Hochfrequenz-Signal die Frequenz der Unstetigkeit umfasst.If the measuring device is designed on the transmissive principle and accordingly includes a second electrode as a receiving electrode, it is particularly advantageous if this is arranged at a defined distance and, if possible, parallel to the first transmitting electrode. The distance must be designed to be no more than a quarter of the minimum wavelength of the high-frequency signal. As a result, the receiving electrode is located in the near field of the transmitting electrode in order to receive the high-frequency signal with little loss to determine the discontinuity after it has passed through the medium. This reduces the power consumption of the measuring device and increases its sensitivity. Correspondingly, the signal generation unit can be designed to generate the high-frequency signal in such a way that its frequency changes over time over the high-frequency band, in particular linearly, so that the high-frequency signal includes the frequency of the discontinuity.

Die Auflösung und insbesondere die Sensitivität der erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messung kann weiter erhöht werden, sofern die erste Elektrode derart ausgelegt ist und das Hochfrequenz-Band derart gewählt wird, dass an die Unstetigkeit innerhalb des Frequenzbandes ein erster Frequenzbereich angrenzt, in welchem die Phasenlage eine frequenzbezogene, insbesondere zunehmende Mindest-Phasenänderung überschreitet. In diesem Fall kann mittels des erfindungsgemäßen Messgerätes der Dielektrizitätswert auf Basis folgernder Verfahrensschritte mit äußerster Sensitivität ermittelt werden:

• - Ermittlung einer Kalibrationskurve unter bekanntem Dielektrizitätswert, wobei die Kalibrationskurve die Phase des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals innerhalb des Frequenzbandes in Abhängigkeit der Frequenz des Hochfrequenz-Signals darstellt,
• - Interpolation einer Kurve, insbesondere einer Gerade, auf Basis
  • ◯ der Unstetigkeit der vorliegenden Kalibrationskurve und
  • ◯ der Unstetigkeit einer aktuellen Messkurve,
• - derartiges Verschieben der Kurve um eine definierte Frequenz, so dass eine resultierende Kurve die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich schneidet,
• - Bestimmung einer Steigung der Messkurve im ersten Frequenzbereich anhand
  • ◯ des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Kurve und der Messkurve, sowie
  • ◯ der Unstetigkeit der Messkurve, und
• - Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Unstetigkeit der Messkurve und der Steigung der Messkurve im ersten Frequenzbereich.

The resolution and in particular the sensitivity of the dielectric value measurement according to the invention can be further increased if the first electrode is designed in such a way and the high-frequency band is selected such that a first frequency range adjoins the discontinuity within the frequency band, in which the phase position is frequency-related , in particular increasing minimum phase change exceeds. In this case, the dielectric value can be determined with extreme sensitivity using the measuring device according to the invention based on the following process steps:

• - Determination of a calibration curve with a known dielectric value, the calibration curve representing the phase of the coupled-out high-frequency signal within the frequency band as a function of the frequency of the high-frequency signal,
• - Interpolation of a curve, especially a straight line, on a basis
  • ◯ the discontinuity of the existing calibration curve and
  • ◯ the discontinuity of a current measurement curve,
• - shifting the curve by a defined frequency so that a resulting curve intersects the current measurement curve in the first frequency range,
• - Determination of a slope of the measurement curve in the first frequency range
  • ◯ the intersection point between the shifted curve and the measurement curve, as well
  • ◯ the discontinuity of the measurement curve, and
• - Determination of the dielectric value based on the discontinuity of the measurement curve and the slope of the measurement curve in the first frequency range.

Je nach Auslegung der Elektroden ist ggf. nicht genau bekannt, an welchen Stellen des Frequenzbandes sich entsprechende Unstetigkeiten befinden. Hierdurch ist es nötig, das Frequenzband entsprechend weit auszulegen. Depending on the design of the electrodes, it may not be known exactly at which points in the frequency band the corresponding discontinuities are located. This makes it necessary to make the frequency band correspondingly wide.

Durch ein unverhältnismäßig weit ausgelegtes Frequenzband erhöht sich jedoch einerseits die Leistungsaufnahme der Signalerzeugungs-Einheit. Andererseits erhöht sich mit der Weite des Frequenzbandes auch der Rechen- bzw. Auswertungs-Aufwand an der Auswerte-Einheit. Ein mögliches Verfahren, mittels dem das erfindungsgemäße Messgerät die Weite des Frequenzbandes automatisch so weit wie möglich reduzieren kann, umfasst daher folgende Verfahrensschritte:

• - Einkoppeln des elektrischen Hochfrequenz-Signals in die erste Elektrode über einen voreingestellten bzw. technisch maximal möglichen Frequenzumfang,
• - Erfassung von zumindest einer phasenbezogenen Unstetigkeit innerhalb dieses Frequenzumfanges,
• - Bestimmung des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs innerhalb des Frequenzumfanges, und
• - derartige Einstellung des Frequenzbandes innerhalb des Frequenzumfangs, so dass das Frequenzband zumindest die eine phasenbezogene Unstetigkeit und den ersten Frequenzbereich umfasst.

However, on the one hand, a disproportionately wide frequency band increases the power consumption of the signal generation unit. On the other hand, the width of the frequency band also increases the computing and evaluation effort on the evaluation unit. A possible method by which the measuring device according to the invention can automatically reduce the width of the frequency band as much as possible therefore includes the following method steps:

• - coupling the electrical high-frequency signal into the first electrode over a preset or technically maximum possible frequency range,
• - Detection of at least one phase-related discontinuity within this frequency range,
• - Determination of the first frequency range and the second frequency range within the frequency range, and
• - Such adjustment of the frequency band within the frequency range, so that the frequency band includes at least one phase-related discontinuity and the first frequency range.

Hieraus resultiert, dass das anschließend eingestellte Frequenzband in Bezug zu der bzw. den jeweiligen Elektroden lediglich so weit wie nötig ist. Auf dieser Basis ist es außerdem denkbar, den Typ an Elektrode/Elektroden nachträglich zu wechseln und das Verfahren nach dem Wechsel durchzuführen bzw. zu wiederholen.The result of this is that the subsequently set frequency band is only as wide as necessary in relation to the respective electrode(s). On this basis, it is also conceivable to subsequently change the type of electrode/electrodes and to carry out or repeat the procedure after the change.

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

• 1: Ein erfindungsgemäßes Dielektrizitätswert-Messgerät an einem Behälter, und
• 2: ein Verlauf der Phase an der Empfangs-Elektrode des erfindungsgemäßen Messgerätes in Abhängigkeit der Frequenz.

The invention is explained in more detail using the following figures. It shows:

• 1 : A dielectric value measuring device according to the invention on a container, and
• 2 : a course of the phase at the receiving electrode of the measuring device according to the invention as a function of the frequency.

Zum Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerätes 1 ist in 1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 3 gezeigt: Dabei ist der Behälter 3 mit einem Medium 2 gefüllt, dessen Dielektrizitätswert DK zu bestimmen ist. Um den Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 bestimmen zu können, ist das Messgerät 1 über einen seitlichen Außenanschluss des Behälters 3, wie bspw. einen Flansch der Größe DN50 derart befestigt, dass es in Verbindung mit dem Behälter-Inneren bzw. dem Medium 2 steht. 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 „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 beispielsweise 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.To understand the dielectric value measuring device 1 according to the invention, see 1 a schematic arrangement of the measuring device 1 on a container 3 is shown: The container 3 is filled with a medium 2, the dielectric value DK of which is to be determined. In order to be able to determine the dielectric value DK of the medium 2, the measuring device 1 is attached via a lateral external connection of the container 3, such as a flange of size DN50, in such a way that it is in connection with the interior of the container or the medium 2. Optionally, the measuring device 1 can be contacted with a higher-level unit 4, such as a process control system. “PROFIBUS”, “HART”, “Wireless HART” or “Ethernet” can be implemented as an interface. This can be used to transmit the dielectric value DK of the medium 2, for example, as an amount or as a complex value with a real part and an imaginary part. However, other information about the general operating status of the measuring device 1 can also be communicated.

Die in 1 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ermittelt den Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 transmittiv, also indem Hochfrequenz-Signale s_HF über eine Sende-Elektrode 11 ausgesendet und im Anschluss durch eine Empfangs-Elektrode 14 empfangen werden. Dabei wird das jeweilige Hochfrequenz-Signal s_HF in einer hierfür ausgelegten Signalerzeugungs-Einheit 12 des Messgerätes 1 erzeugt und in die Sende-Elektrode 11 eingekoppelt. Durch die Auslegung mittels zweier Elektroden 11, 14 wird das Medium 2 über eine definierte Mess-Strecke durchstrahlt. Aufgrund dieser Positionierung der Empfangs-Elektrode 14 in Bezug zur Sende-Elektrode 11 wird die Empfindlichkeit der Dielektrizitätswert-Messung optimiert. Weiter verbessert wird dies, sofern beide Elektroden 11, 14 dieselbe Geometrie bzw. dieselbe Länge aufweisen, wie es in 1 schematisch dargestellt ist.In the 1 The embodiment variant shown of the measuring device 1 according to the invention determines the dielectric value DK of the medium 2 transmittively, i.e. by sending high-frequency signals s _HF via a transmitting electrode 11 and then receiving them by a receiving electrode 14. The respective high-frequency signal s _HF is generated in a signal generation unit 12 of the measuring device 1 designed for this purpose and coupled into the transmitting electrode 11. Due to the design using two electrodes 11, 14, the medium 2 is irradiated over a defined measuring path. Due to this positioning of the receiving electrode 14 in relation to the transmitting electrode 11, the sensitivity of the dielectric value measurement is optimized. This is further improved if both electrodes 11, 14 have the same geometry or the same length, as in 1 is shown schematically.

Hochfrequenztechnisch ist es irrelevant, ob die Elektroden 11, 14 komplett aus einem leitfähigen Material gefertigt sind, wie beispielsweise gedrehtem Edelstahl, oder ob die Elektroden 11, 14 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.In terms of high-frequency technology, it is irrelevant whether the electrodes 11, 14 are made entirely of a conductive material, such as turned stainless steel, or whether the electrodes 11, 14 only have an electrically conductive surface coating. Any metallization of the electrode surface can be applied, for example, using plasma coating such as PECVD (“Plasma Enhanced Vapor Deposition”).

Damit das Messgerät 1 eine maximale Auflösung erzielen kann, wird über die Sende-Elektrode 11 in der gezeigten Ausführungsvariante lediglich das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals s_HF ausgekoppelt. Vorteilhaft hieran ist 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. Um lediglich im Nahfeld abzustrahlen ist zumindest die Sende-Elektrode 11 mit einer Länge zu bemessen, die gemäß $$c=\frac{f\ast \mathrm{\lambda }}{\sqrt{DK}}$$

wesentlich kleiner als ein Viertel der minimalen Wellenlänge λ des Hochfrequenz-Signals s_HF ist, also beispielsweise ein Achtel der Wellenlänge λ. Hierbei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hochfrequenz-Signals s_HF im Medium 2 mit Lichtgeschwindigkeit; DK ist der Dielektrizitätswert des Mediums 2.So that the measuring device 1 can achieve maximum resolution, only the near field of the high-frequency signal s _HF is coupled out via the transmitting electrode 11 in the embodiment variant shown. The advantage of this is the low attenuation in media 2 with high dielectric values and the associated high measurement sensitivity. In addition, disruptive effects of the far field are avoided, such as unwanted reflections on the inner wall of the container 2, which can falsify the measurement. In order to radiate only in the near field, at least the transmitting electrode 11 must be dimensioned with a length that corresponds to $$c=\frac{f\ast \mathrm{\lambda }}{\sqrt{DK}}$$

is significantly smaller than a quarter of the minimum wavelength λ of the high-frequency signal s _HF , for example an eighth of the wavelength λ. Here c is the propagation speed of the high-frequency signal s _HF in medium 2 at the speed of light; DK is the dielectric value of the medium 2.

Zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK des Mediums 2 ist die Phasenlage ϕ in Abhängigkeit der Frequenz f des Hochfrequenz-Signals s_HF, r_HF zu bestimmen. Dementsprechend ist die Empfangs-Elektrode 14 mit einer Auswerte-Einheit 13, wie bspw. einem Netzwerkanalysator verbunden, welcher die Phasenlage ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals r_HF entsprechend frequenzaufgelöst auswertet, beispielsweise mit einer frequenzbezogenen Auflösung von zumindest 100 kHz. Damit die Phasenlage ϕ in Abhängigkeit der Frequenz f ermittelbar ist, muss die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal s_HF entsprechend so erzeugen, dass das Hochfrequenz-Signal s_HF innerhalb eines entsprechenden Frequenzbandes Δf und innerhalb eines definierten Zeitintervalls quasi alle Frequenzen f aufweist. Hierzu kann die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal s_HF beispielsweise mit einer sich zeitlich konstant verändernden Frequenz f generieren, wie es vom FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuous Wave“) bekannt ist. Umsetzbar ist ein solcher Frequenzverlauf beispielsweise durch Realisierung der Signalerzeugungs-Einheit 12 als phasengesteuerter Regelkreis (besser bekannt als „PLL“ bzw. „Phase Locked Loop“)To determine the dielectric value DK of the medium 2 according to the invention, the phase position ϕ must be determined as a function of the frequency f of the high-frequency signal s _HF , r _HF . Accordingly, the receiving electrode 14 is connected to an evaluation unit 13, such as a network analyzer, which evaluates the phase position φ of the coupled-out high-frequency signal r _HF in a frequency-resolved manner, for example with a frequency-related resolution of at least 100 kHz. So that the phase position ϕ can be determined as a function of the frequency f, the signal generation unit 12 must generate the high-frequency signal s _HF in such a way that the high-frequency signal s _HF has virtually all frequencies f within a corresponding frequency band Δf and within a defined time interval . For this purpose, the signal generation unit 12 can generate the high-frequency signal s _HF , for example, with a frequency f that changes constantly over time, as is known from the FMCW method (“Frequency Modulated Continuous Wave”). Such a frequency curve can be implemented, for example, by implementing the signal generation unit 12 as a phase-controlled control loop (better known as “PLL” or “Phase Locked Loop”)

Alternativ zu transmittiver Messung ist es im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, den Dielektrizitätswert reflektiv mittels lediglich einer ersten Elektrode zu bestimmen. In diesem Fall koppelt die Auswerte-Einheit 13 das Hochfrequenz-Signale r_HF nach dessen Einkopplung und Durchgang durch diese erste Elektrode wieder aus. Nachteilhaft hieran ist jedoch, dass der Sende- und Empfangspfad in diesem Fall signaltechnisch aufwändiger voneinander zu trennen sind, beispielsweise mittels eines Zirkulators. Vorteilhaft ist, dass das Messgerät 1 in diesem Fall kompakter auslegbar ist.As an alternative to transmissive measurement, it is also possible within the scope of the invention to determine the dielectric value reflectively using only a first electrode. In this case, the evaluation unit 13 couples out the high-frequency signal r _HF after it has been coupled in and passed through this first electrode. The disadvantage of this, however, is that in this case the transmission and reception paths have to be separated from one another in terms of signal technology, for example by means of a circulator. It is advantageous that the measuring device 1 can be designed to be more compact in this case.

Die Geometrie der Elektroden 11, 14 ist im Rahmen der Erfindung von zentraler Bedeutung: Sie ist so auszulegen, dass hierdurch im ausgekoppelten Hochfrequenz-Signal r_HF innerhalb desjenigen Frequenzbandes Δf, in dem die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal s_HF erzeugt, eine oder mehrere phasenbezogene Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ hervorgerufen werden, wie es in dem Graph von 2 gezeigt ist. Wie schematisch aus 1 zu erkennen ist, können solche Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ durch eine mit zunehmender Länge konische Verjüngung der Elektroden 11, 14 erreicht werden. Begünstigt wird die Bildung von Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ außerdem dadurch, dass sich die Empfangs-Elektrode 14 im Nahfeld der Sende-Elektrode 11 befindet. Auch der Querschnitt kann Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ bzw. die zugrundeliegenden Moden des Hochfrequenz-Signals s_HF beeinflussen. Denkbar ist beispielsweise ein runder oder elliptischer Elektroden-Querschnitt. Dabei ist ein runder Querschnitt insofern vorteilhaft, als dass hierdurch die Elektroden 11, 14 aufwandsarm fertigbar sind, beispielsweise mittels Drehen eines entsprechenden Edelstahl-Rohlings.The geometry of the electrodes 11, 14 is of central importance within the scope of the invention: it is to be designed in such a way that in the coupled out high-frequency signal r _HF within the frequency band Δf in which the signal generation unit 12 generates the high-frequency signal s _HF , one or more phase-related discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ are caused, as shown in the graph of 2 is shown. Like schematically 1 can be seen, such discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ can be achieved by tapering the electrodes 11, 14 conically as the length increases. The formation of discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ is also favored by the fact that the receiving electrode 14 is located in the near field of the transmitting electrode 11. The cross section can also influence discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ or the underlying modes of the high-frequency signal s _HF . For example, a round or elliptical electrode cross section is conceivable. A round cross-section is advantageous in that the electrodes 11, 14 can be produced with little effort, for example by turning a corresponding stainless steel blank.

Wie anhand von 2 verdeutlicht wird, führen phasenbezogene Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ zu einer Trennung des Verlaufs der Phasenlage ϕ in zumindest jeweils einen ersten Frequenzbereich Δf₁ und einen zweiten Frequenzbereich Δf₂. Dabei spiegelt die in 2 dargestellte Phasenlage ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals r_HF einen Absolutwert wider, wobei als Referenzphase beispielsweise die Phasenlage des Hochfrequenz-Signals s_HF vor Einkopplung herangezogen werden kann. Wie erkennbar ist, ändert sich die Phasenlage ϕ im mittleren, zweiten Frequenzbereich Δf₂ quasi nicht. Mathematisch gesehen wird in diesem Frequenzbereich Δf₂ also eine frequenzbezogene Maximal-Phasenänderung unterschritten. Im ersten Frequenzbereich Δf₁ ändert sich die die Phasenlage ϕ hingegen mit zu- bzw. abnehmender Frequenz f des Hochfrequenz-Signals s_HF, r_HF deutlich. Die Phasenlage ϕ überschreitet in diesem Frequenzbereich Δf₁ also eine frequenzbezogene Mindest-Phasenänderung von bspw. 20° pro 10 MHz.Like based on 2 is made clear, phase-related discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ lead to a separation of the course of the phase position ϕ into at least a first frequency range Δf ₁ and a second frequency range Δf ₂ . This reflects the in 2 shown phase position ϕ of the coupled-out high-frequency signal r _HF reflects an absolute value, whereby, for example, the phase position of the high-frequency signal s _HF before coupling can be used as a reference phase. As can be seen, the phase position ϕ practically does not change in the middle, second frequency range Δf ₂ . Mathematically speaking, in this frequency range Δf ₂ a frequency-related maximum phase change is undershot. In the first frequency range Δf ₁ , however, the phase position ϕ changes significantly with increasing or decreasing frequency f of the high-frequency signal s _HF , r _HF . The phase position ϕ in this frequency range Δf ₁ therefore exceeds a frequency-related minimum phase change of, for example, 20° per 10 MHz.

Das Vorhandensein der Unstetigkeiten f'₁, f'₂ kann erfindungsgemäß genutzt werden, um hieraus den Dielektrizitätswert DK zu bestimmen: Wie aus 2 hervorgeht, verschiebt sich die Kurve des Phasenverlaufs ϕ(f) mit zunehmendem Dielektrizitätswert DK insgesamt hin zu höheren Phasenlagen ϕ. Darüber hinaus verschieben sich auch die Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ mit zunehmendem Dielektrizitätswert DK hin zu kleineren Frequenzen f. Dieser Effekt ist erfindungsgemäß nutzbar, um den Dielektrizitätswert DK zu bestimmen: In der einfachsten Ausführung kann die Auswerte-Einheit 13 anhand der Verschiebung von einer der Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ den Dielektrizitätswert DK bestimmen, da diese Verschiebung im entsprechenden Frequenzband Δf durch eine Kurve, wie die in 2 gezeigte Gerade a beschreibbar ist. Im Gegensatz zur gezeigten Darstellung ist es beispielsweise bei einem sehr weit abzudeckenden Dielektrizitätswert-Messbereich außerdem möglich, die bei unterschiedlichen Dielektrizitätswerten DK korrespondierenden Unstetigkeiten f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ nicht mittels einer Gerade a zu interpolieren, sondern mittels einer anderen Funktion, wie beispielsweise einer exponentielle Kurve.The presence of the discontinuities f' ₁ , f' ₂ can be used according to the invention to determine the dielectric value DK: As from 2 As can be seen, the curve of the phase progression ϕ(f) shifts overall towards higher phase positions ϕ as the dielectric value DK increases. In addition, the discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ also shift towards smaller frequencies f as the dielectric value DK increases. This effect can be used according to the invention to determine the dielectric value DK: In the simplest embodiment, the evaluation unit 13 determines the dielectric value DK based on the shift of one of the discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ , since this shift in the corresponding frequency band Δf is represented by a curve such as that in 2 shown straight line a can be written. In contrast to the illustration shown, for example, if the dielectric value measuring range has to be covered very broadly, it is also possible not to interpolate the discontinuities f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ corresponding to different dielectric values DK using a straight line a, but rather using another function, such as an exponential curve.

Zu einer absoluten Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK muss in der Auswertungs-Einheit 13 t eine Kalibrationskurve bzw. deren entsprechende Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ hinterlegt sein. Dabei stellt die Kalibrationskurve die Phase ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals r_HF innerhalb des Frequenzbandes Δf in Abhängigkeit der Frequenz f des Hochfrequenz-Signals s_HF, r_HF dar. Hierdurch kann die Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ der aktuellen Messkurve in Bezug zur Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ und somit in Bezug zum Dielektrizitätswert DK der Kalibrationskurve gesetzt werden. Bei dem in 2 dargestellten Graphen wird die Kalibrationskurve durch die oberste der drei Kurven dargestellt. Bei den darunter befindlichen Kurven handelt es sich um Messkurven, bei denen das Medium 2 jeweils einen unterschiedlichen Dielektrizitätswert DK aufweist. Die Kalibrationskurve bzw. die entsprechende Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ kann beispielsweise durch eine Kalibrationsmessung erhalten werden, entweder ohne Medium 2, also bei Umgebungsluft mit DK = 1, oder mit einem Medium 2 mit bekanntem Dielektrizitätswert DK.For an absolute determination of the dielectric value DK, a calibration curve or its corresponding discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ must be stored in the evaluation unit 13 t. The calibration curve represents the phase ϕ of the coupled out high-frequency signal r _HF within the frequency band Δf as a function of the frequency f of the high-frequency signal s _HF , r _HF . This allows the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ of the current measurement curve is set in relation to the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ and thus in relation to the dielectric value DK of the calibration curve. At the in 2 In the graphs shown, the calibration curve is represented by the top of the three curves. The curves below are measurement curves in which the medium 2 each has a different dielectric value DK. The calibration curve or the corresponding discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ can be obtained, for example, by a calibration measurement, either without medium 2, i.e. with ambient air with DK = 1, or with a medium 2 with a known Dielectric value DK.

Auf Basis der Kalibrationskurve kann die Auswerte-Einheit 13 außerdem die Auflösung der erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messung maximieren, wenn der Dielektrizitätswert DK nicht ausschließlich anhand der Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ der aktuellen Messkurve ermittelt wird: Hierzu muss die Auswerte-Einheit 13 die Gerade a auf Basis

• - der Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ der vorliegenden Kalibrationskurve und
• - der Unstetigkeit f₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂ aktuellen Messkurve interpolieren, beispielsweise mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate („Least Square Fit“). Nach entsprechender Erstellung der Gerade a fließt diese dann wie folgt in die Berechnung des Dielektrizitätswertes DK mit ein, was wiederum in der Auswerte-Einheit 13 durchgeführt wird:
• - Verschieben der auf diese Wiese erstellten Geraden a um eine definierte Frequenz f_a, so dass sichergestellt ist, dass die resultierende Gerade a' die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich Δf₁ schneidet, wie in 2 dargestellt ist,
• - Bestimmung der Steigung m der Messkurve im ersten Frequenzbereich Δf₁ anhand
  • ◯ des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Gerade a' und der aktuellen Messkurve, sowie
  • ◯ der Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁ der Messkurve und
• - Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK anhand der Unstetigkeit f'₁;ϕ'₁ der aktuellen Messkurve und der Steigung m.

Based on the calibration curve, the evaluation unit 13 can also maximize the resolution of the dielectric value measurement according to the invention if the dielectric value DK is not determined exclusively based on the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ of the current measurement curve: For this purpose, the evaluation unit 13 must base the straight line a

• - the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ of the present calibration curve and
• - Interpolate the discontinuity f ₁ ;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ current measurement curve, for example using the least square fit method. After the straight line a has been created accordingly, it is then included in the calculation of the dielectric value DK as follows, which in turn is carried out in the evaluation unit 13:
• - Shifting the straight line a created in this way by a defined frequency f _a , so that it is ensured that the resulting straight line a' intersects the current measurement curve in the first frequency range Δf ₁ , as in 2 is shown,
• - Determination of the slope m of the measurement curve in the first frequency range Δf ₁
  • ◯ the intersection point between the shifted straight line a' and the current measurement curve, as well as
  • ◯ the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ of the measurement curve and
• - Determination of the dielectric value DK based on the discontinuity f'₁;ϕ' ₁ of the current measurement curve and the slope m.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11

Messgerätmeasuring device

22

Mediummedium

33

Behältercontainer

44

Übergeordnete EinheitParent unit

1111

Erste ElektrodeFirst electrode

1212

Signalerzeugungs-EinheitSignal generation unit

1313

Auswerte-EinheitEvaluation unit

1414

Zweite ElektrodeSecond electrode

aa

Mathematische Gerade/KurveMathematical straight line/curve

DKDK

DielektrizitätswertDielectric value

ff

Frequenz des Hochfrequenz-SignalsFrequency of the radio frequency signal

fafa

Verschiebung der Gerade (a) in den ersten BereichShifting the straight line (a) into the first area

f'1,2f'1,2

Phasenbezogene UnstetigkeitPhase-related discontinuity

sHFsHF

Einzukoppelndes Hochfrequenz-SignalHigh-frequency signal to be coupled in

rHFrHF

Ausgekoppeltes Hochfrequenz-SignalDecoupled high-frequency signal

ΔfΔf

FrequenzbandFrequency band

Δf1,2Δf1,2

FrequenzbereicheFrequency ranges

λλ

Wellenlänge des Hochfrequenz-SignalsWavelength of the radio frequency signal

ϕϕ

Phasenlage des ausgekoppelten Hochfrequenz-SignalsPhase position of the decoupled high-frequency signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102017130728 A1 [0005]DE 102017130728 A1 [0005]
• WO 2022033831 A1 [0005]WO 2022033831 A1 [0005]

Claims (8)

Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Mediums (2), umfassend: - Zumindest eine erste, im Medium (2) anordbare Hochfrequenz-Elektrode (11), wobei die erste Elektrode (11) eine derartige Geometrie aufweist, so dass die erste Elektrode (11) innerhalb eines definierten Hochfrequenz-Bandes (Δf) zumindest eine phasenbezogene Unstetigkeit (f'₁; ϕ'₁, f'₂; ϕ'₂) aufweist, - eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, um ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (s_HF) derart in die erste Elektrode (11) einzukoppeln, so dass das Hochfrequenz-Signal (s_HF) die Frequenz (f) der Unstetigkeit (f'₁; ϕ'₁, f'₂; ϕ'₂) umfasst, und - eine Auswerte-Einheit (13), die ausgelegt ist, o um das Hochfrequenz-Signal (r_HF) aus der ersten Elektrode (11) und/oder aus einer zweiten Elektrode (14) auszukoppeln, o um anhand des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals (r_HF) die zumindest eine Unstetigkeit (f'₁; ϕ'₁, f'₂; ϕ'₂) zu ermitteln, und o um zumindest anhand der ermittelten Unstetigkeit (f'₁; ϕ'₁, f'₂; ϕ'₂) den Dielektrizitätswert (DK) des Mediums (2) zu bestimmen.High-frequency-based measuring device for determining a dielectric value (DK) of a medium (2), comprising: - At least one first high-frequency electrode (11) which can be arranged in the medium (2), the first electrode (11) having such a geometry, as follows that the first electrode (11) has at least one phase-related discontinuity (f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ ) within a defined high-frequency band (Δf), - a signal generation unit (12) which is designed is to couple an electrical high-frequency signal (s _HF ) into the first electrode (11) in such a way that the high-frequency signal (s _HF ) has the frequency (f) of the discontinuity (f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ ), and - an evaluation unit (13) which is designed to decouple the high-frequency signal (r _HF ) from the first electrode (11) and/or from a second electrode (14). , o in order to determine the at least one discontinuity (f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ ) based on the decoupled high-frequency signal (r _HF ), and o at least on the basis of the determined discontinuity (f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ ) to determine the dielectric value (DK) of the medium (2). Messgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (11) bzw. die etwaige zweite Elektrode (14) einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen/aufweist, und/oder wobei sich die erste Elektrode (11) bzw. die etwaige zweite Elektrode (14) mit zunehmender Länge insbesondere konisch verjüngen/verjüngt.measuring device Claim 1 , wherein the first electrode (11) or any second electrode (14) has/has a round or elliptical cross section, and/or wherein the first electrode (11) or any second electrode (14) increases in length especially tapered/tapered. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (14) in einem definierten Abstand (d) insbesondere parallel zur ersten Elektrode (12) angeordnet ist, wobei der Abstand (d) maximal ein Viertel derjenigen Wellenlänge (λ) beträgt, welche einer maximalen Frequenz (f) des Hochfrequenz-Signals (s_HF) entspricht, um das Hochfrequenz-Signal (r_HF) zur Bestimmung der Unstetigkeit (f'₁;ϕ'₁, f'₂;ϕ'₂) nach Durchgang durch das Medium (2) zu empfangen.measuring device Claim 1 or 2 , wherein the second electrode (14) is arranged at a defined distance (d), in particular parallel to the first electrode (12), the distance (d) being a maximum of a quarter of the wavelength (λ) which corresponds to a maximum frequency (f) of the High-frequency signal (s _HF ) corresponds to receive the high-frequency signal (r _HF ) for determining the discontinuity (f'₁;ϕ' ₁ , f'₂;ϕ' ₂ ) after passage through the medium (2). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte-Einheit (13) zur Bestimmung der der Unstetigkeit (f'₁;ϕ'_1, f'₂;ϕ'₂) einen Netzwerkanalysator umfasst, und/oder wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals (s_HF) einen phasengesteuerten Regelkreis umfasst.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (13) for determining the discontinuity (f'₁;ϕ' _1, f'₂;ϕ' ₂ ) comprises a network analyzer, and / or wherein the signal generation unit ( 12) comprises a phase-controlled control loop for generating the high-frequency signal (s _HF ). Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signal (s_HF) derart zu erzeugen, dass sich die Frequenz (f) über das Hochfrequenz-Band (Δf) zeitlich wiederkehrend insbesondere linear ändert.Measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the signal generation unit (12) is designed to generate the high-frequency signal (s _HF ) in such a way that the frequency (f) repeats over time over the high-frequency band (Δf), in particular linearly changes. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (11) derart ausgelegt und das Hochfrequenz-Band (Δf) derart gewählt ist, dass an die Unstetigkeit (Δf₁) ein erster Frequenzbereich (Δf₁) angrenzt, in welchem die Phasenlage (ϕ) eine frequenzbezogene, insbesondere zunehmende Mindest-Phasenänderung überschreitet.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the first electrode (11) is designed and the high-frequency band (Δf) is selected such that a first frequency range (Δf ₁ ) adjoins the discontinuity (Δf ₁ ), in which the phase position ( ϕ) exceeds a frequency-related, in particular increasing, minimum phase change. Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) mittels des Messgerätes (1) nach Anspruch 6, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Ermittlung einer Kalibrationskurve unter bekanntem Dielektrizitätswert (DK), wobei die Kalibrationskurve die Phase (ϕ) des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals (r_HF) innerhalb des Frequenzbandes (Δf) in Abhängigkeit der Frequenz (f) des Hochfrequenz-Signals (s_HF, r_HF) darstellt, - Interpolation einer Kurve, insbesondere einer Gerade (a), auf Basis o der Unstetigkeit (f'_1;ϕ'₁) der vorliegenden Kalibrationskurve und o der Unstetigkeit (f'_1;ϕ'₁) einer aktuellen Messkurve, - derartiges Verschieben der Kurve (a) um eine definierte Frequenz (f_a), so dass eine resultierende Kurve (a`) die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich (Δf<sub>1</sub>) schneidet, - Bestimmung einer Steigung (m) der Messkurve im ersten Frequenzbereich (Δf<sub>1</sub>) anhand ◯ des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Kurve (a') und der Messkurve, sowie ◯ der Unstetigkeit (f'<sub>1;</sub>ϕ'<sub>1</sub>) der Messkurve, und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) anhand der Unstetigkeit (f'<sub>1;</sub>ϕ'<sub>1</sub>) der Messkurve und der Steigung (m) der Messkurve im ersten Frequenzbereich (Δf<sub>1</sub>).Method for determining the dielectric value (DK) using the measuring device (1). Claim 6 , comprising the following method steps: - Determination of a calibration curve under a known dielectric value (DK), whereby the calibration curve represents the phase (ϕ) of the coupled-out high-frequency signal (r <sub>HF</sub> ) within the frequency band (Δf) as a function of the frequency (f) of the high-frequency signal (s <sub>HF</sub> , r <sub>HF</sub> ), - interpolation of a curve, in particular a straight line (a), based on o the discontinuity (f'<sub>1;</sub>ϕ' <sub>1</sub> ) of the present calibration curve and o the discontinuity (f'<sub>1;</sub>ϕ' <sub>1</sub> ) a current measurement curve, - shifting the curve (a) by a defined frequency (f <sub>a</sub> ), so that a resulting curve (a`) intersects the current measurement curve in the first frequency range (Δf ₁ ), - determining a slope (m) the measurement curve in the first frequency range (Δf ₁ ) based on ◯ the intersection between the shifted curve (a') and the measurement curve, as well as ◯ the discontinuity (f'_1;ϕ' ₁ ) of the measurement curve, and - determination of the dielectric value (DK) based on the discontinuity (f'_1;ϕ' ₁ ) of the measurement curve and the slope (m) of the measurement curve in the first frequency range (Δf ₁ ). Verfahren zur Einstellung des Frequenzbandes (Δf) im Messgerät (1) nach einem Ansprüche 5 bis 6, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einkoppeln des elektrischen Hochfrequenz-Signals (s_HF) in die erste Elektrode (11) über einen voreingestellten Frequenzumfang, - Erfassung der zumindest einen phasenbezogenen Unstetigkeit (f'₁;ϕ'_1, (f'₂;ϕ'₂) sowie Bestimmung des ersten Frequenzbereichs (Δf₁) und des zweiten Frequenzbereichs (Δf₂) innerhalb des Frequenzumfanges, und - derartige Einstellung des Frequenzbandes (Δf) innerhalb des Frequenzumfangs, so dass das Frequenzband (Δf) zumindest die eine phasenbezogene Unstetigkeit (f'₁;ϕ'_1, (f'₁;ϕ'₂) und den ersten Frequenzbereich (Δf₁) umfasst.Method for setting the frequency band (Δf) in the measuring device (1) according to one Claims 5 until 6 , comprising the following method steps: - coupling the electrical high-frequency signal (s _HF ) into the first electrode (11) over a preset frequency range, - detecting the at least one phase-related discontinuity (f'₁;ϕ' _1, (f'₂;ϕ' ₂ ) and determination of the first frequency range (Δf ₁ ) and the second frequency range (Δf ₂ ) within the frequency range, and - such adjustment of the frequency band (Δf) within the frequency range so that the frequency band (Δf) has at least one phase-related discontinuity ( f'₁;ϕ' _1, (f'₁;ϕ' ₂ ) and the first frequency range (Δf ₁ ).

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