[发明专利]介电常数测量设备

说明书

本发明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：‑信号生成单元(11)，其用于将电高频信号(sHF)耦合到位于介质(2)中的发射电极(12)中，该发射电极(12)用于发射具有高频信号(sHF)的波长(λ)的至多四分之一的深度(h)的高频信号(sHF)；‑接收电极(13)，其同样位于介质(2)中，并且该接收电极(13)位于距发射电极(13)距离(d)处，距离(d)为高频信号(sHF)的波长(λ)的至多四分之一，以便在高频信号(sHF)已经穿过介质(2)后接收高频信号(sHF)；以及‑评估单元(14)，其被设计用以基于所接收的高频信号(sHF)来确定介电常数。由于电极(12、13)相对于根据本发明的高频信号(sHF)的波长(λ)的这种定尺寸和定位，因此可以最大化介电常数的测量的测量准确度和测量灵敏度，并且同时可以实现测量设备(1)的紧凑设计。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

因此，本发明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。

本发明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：