介电常数测量设备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于确定介质(2)的介电常数的基于高频的测量设备(1)，包括以下部件：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】介电常数测量设备


[0001]本专利技术涉及一种用于确定介质的介电常数的基于高频的测量设备。

技术介绍

[0002]在自动化技术中，尤其是对于过程自动化，经常使用用来检测各种被测变量的现场设备。待确定的被测变量可以例如是过程工厂中介质的料位、流量、压力、温度、pH、氧化还原电位、电导率或介电常数。为了检测对应的测量值，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集团公司生产和销售各种不同类型的现场设备。
[0003]介电常数(也称为“介电系数”或“相对电容率”)的确定对固体填料以及液体填料和气体填料(诸如推进剂、废水、气体、气相或化学品)都特别重要，这是因为该值可以构成杂质、水分含量、浓度或物质的组成的可靠指标。
[0004]例如，介质的介电常数可以通过测量高频信号在穿过介质时的振幅、相位偏移或信号传播时间以高频技术方式来确定。为了这个目的，将定义频率的或在定义频带内的高频信号耦合到介质中；在高频信号穿过介质之后，相对于所述发射的高频信号而言，就高频信号的振幅、相位偏移或信号传播时间来评估高频信号。在本专利申请的上下文中，术语“高频信号”是指频率介于10MHz与150GHz之间的对应信号。
[0005]例如，在DE 10 2017 130728A1中描述了一种基于相位的介电常数测量设备。在这种情况下，使用的效果是，高频信号的信号传播时间以及因此沿着测量探头的相位位置取决于沿着测量探头存在的介质的介电常数。原则上，在相对相位测量与绝对相位测量之间进行区分，其中，在绝对相位测量的情况下，额外执行所谓的象限校正。
[0006]例如，为了通过测量高频信号的传播时间来确定介电常数，可以使用TDR原理(“时域反射法”)。在该测量原理中，信号生成单元沿导电测量探头以脉冲状方式发送频率介于0.1GHz与150GHz之间的高频信号，并且测量高频脉冲的信号传播时间，直到高频脉冲在探头端部反射后被接收为止。在这种情况下，使用这样的效应，根据该效应，脉冲传播时间取决于测量探头周围物质的介电常数。例如，在公开EP 0622 628A2中描述了TDR传感器的功能原理。TDR传感器例如由IMKO Mikromodultechnik GmbH以若干实施例销售。TDR传感器的有利之处是，特别是在介于1与10之间的低介电常数的情况下，即使使用小型测量探头，也能够实现高测量准确度。
[0007]在卫生敏感应用的情况下，诸如在制药或食品行业中，其介电常数待确定的介质通常具有高水分含量，因而待确定的介电常数介于60与85之间的高范围内。然而，对于已知的基于高频的测量方法，诸如TDR方法，这意味着在这种情况下，测量探头必须被设计为具有对应的大的尺寸，以便能够实现足够的测量准确度。然而，由于制药和食品行业中的流管和过程容器时常非常小，因此介电常数测量设备也必须对应地紧凑，以便能够附接到小型过程连接器，诸如例如规格DN50的法兰。

技术实现思路

[0008]因此，本专利技术的目的是提供一种用于确定介电常数的紧凑型测量设备，借助于该测量设备，能够以高准确度确定具有特别是高水分含量的介质的介电常数。
[0009]本专利技术通过一种用于确定介质的介电常数的基于高频的测量设备实现这个目的，其中该测量设备包括以下部件：
[0010]‑
信号生成单元，其被设计用以将具有定义的频率的电高频信号耦合到以下各项中，
[0011]‑
发射电极，其可以位于所述介质中，其中该发射电极用于发射所述高频信号，所述发射电极具有一定深度，该深度为与所述高频信号的频率相对应的波长的至多四分之一，并且特别是至多八分之一，
[0012]‑
接收电极，其可以位于所述介质中，并且该接收电极位于距所述发射电极一定距离处，该距离为与所述高频信号的频率相对应的波长的至多四分之一并且优选至少十六分之一，以便在所述高频信号穿过所述介质之后接收所述高频信号，以及
[0013]‑
评估单元，其连接到所述接收电极，该评估单元被设计用以至少基于所述接收的高频信号来确定所述介质的介电常数。
[0014]借助于电极的根据本专利技术的与高频信号的波长相关的这种定尺寸和布置，例如能够最大化介电常数测量的测量准确度或测量灵敏度，并且同时，能够实现测量设备的紧凑设计。
[0015]在本专利技术的上下文中，术语“单元”原则上是指以适合于预期目的的方式设计的任何电子电路。因此，取决于需要，它可以是用于生成或处理对应的模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是数字电路，诸如FPGA，或者与程序交互的存储介质。在这种情况下，程序被设计用以执行对应的方法步骤或被设计用以应用相应单元的必要计算操作。在这个背景下，本专利技术意义上的测量设备的各种电子单元也可以潜在地访问公共物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。
[0016]借助于测量设备，例如通过这样的评估单元能够将介电常数确定为复数值，所述评估单元被设计用以基于所述接收的高频信号的振幅来确定介电常数的虚部和/或基于所述接收的高频信号的信号传播时间或相位位置来确定介电常数的实部。对应于基于雷达的距离测量，对信号传播时间的确定可以例如借助于脉冲传播时间方法或FMCW方法进行。在这些情况下，信号生成单元和评估单元将被相应地设计，以便借助于脉冲传播时间方法或FMCW方法来确定高频信号穿过介质的信号传播时间。
[0017]电极的横截面的形式在本专利技术的范围内没有严格规定；为了实现简单的制造，发射电极和接收电极可以具有例如圆形横截面或椭圆形横截面。替代地，发射电极和接收电极可以被设计为具有矩形横截面并且彼此平行地布置。作为结果，由于电极的流体技术上的潜在有利的形状，测量设备可以用于例如具有流动介质的管道分段。如果期望最大可能的测量准确度，则发射电极或接收电极继而可以被设计为具有环形横截面，其中相应的其他电极被设计为具有圆形横截面并且居中地布置在所述环形电极内。针对沉积物的卫生防护或为了优化流动阻力，发射电极和/或接收电极也可以具有圆形电极端部。在这方面，若发射电极和/或接收电极随着增加的深度逐渐变细，特别是成锥形地逐渐变细，则也是有利的。
[0018]因为介电常数特别是含水分的介质的介电常数高度依赖于温度，所以为了介电常数测量的温度补偿，可以在发射电极的内部或在接收电极的内部布置温度传感器，诸如电容式传感器或基于电阻的传感器。因此，利用适当的设计，评估单元可以基于温度传感器(例如，基于查找表或补偿函数)以温度补偿的方式确定介质的介电常数。
[0019]高频信号的频率原则上应根据介电常数测量范围来选择。在介电常数的测量范围介于60与90之间的情况下，即，在高湿度介质的情况下，测量设备的信号生成单元应被设计成生成与该测量范围相对应的、频率介于2GHz与8GHz之间的电高频信号。类似地，评估单元也应被设计成使得它能够处理和评估所接收的处于对应频率的高频信号。
[0020]对应于根据本专利技术的介电常数测量设备，根据其中一个先前描述的实施例变形，本专利技术所基于的目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定介质(2)的介电常数的基于高频的测量设备，包括：
‑
信号生成单元(11)，所述信号生成单元(11)被设计用于将处于定义的频率(f)的电高频信号(s
HF
)耦合到以下各项中，
‑
发射电极(12)，所述发射电极(12)能够位于所述介质(2)中，其中所述发射电极(12)用于发射所述高频信号(s
HF
)，所述发射电极(12)具有深度(h)，所述深度(h)为与所述高频信号(s
HF
)的所述频率(f)相对应的波长(λ)的至多四分之一，
‑
接收电极(13)，所述接收电极(13)能够位于所述介质(2)中，并且所述接收电极(13)位于距所述发射电极(12)距离(d)处，所述距离(d)为与所述高频信号(s
HF
)的所述频率(f)相对应的所述波长(λ)的至多四分之一，以便在所述高频信号(s
HF
)穿过所述介质(2)之后接收所述高频信号(s
HF
)，以及
‑
评估单元(14)，所述评估单元(14)被连接到所述接收电极(13)并且被设计用以至少基于所接收的高频信号(s
HF
)来确定所述介质(2)的介电常数。2.根据权利要求1所述的测量设备，其中，所述评估单元(14)被配置用以基于所接收的高频信号(s
HF
)的振幅来确定所述介电常数的虚部，和/或基于所接收的高频信号(s
HF
)的信号传播时间或相位位置来确定所述介电常数的实部。3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其中，用于发射所述高频信号(s
HF
)的所述发射电极(12)和/或所述接收电极具有深度(h)，所述深度(h)为与所述高频信号(s
HF
)的所述频率(f)相对应的所述波长(λ)的至多八分之一。4.根据权利要求1、2或3所述的测量设备，其中，所述接收电极(13)距所述发射电极(12)的所述距离(d)为与所述高频信号(s
HF

【专利技术属性】
技术研发人员：帕布洛，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司，
类型：发明
国别省市：