温度补偿的介电常数测量设备的制作方法

本发明涉及一种用于确定介质的温度补偿的介电常数的测量设备。

背景技术：

1、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。被测变量例如可以是过程工厂中介质的填充料位、流量、压力、温度、ph值、氧化还原电位、电导率或介电常数。为了检测对应的被测值，现场设备分别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。

2、各种介质的介电常数(也称为“比电感容量”或“相对电容率”)的确定对于固体负载以及对于液体负载和气体负载，诸如燃料、废水、气体、气体相或化学品，都非常重要，这是因为该常数能够是污染物、水分含量、材料浓度或材料组成的可靠指标。确定介电常数的可能测量原理是测量高频信号的振幅、相移或信号渡越时间。具有定义的频率或在定义的频带内的高频信号由此被耦合到介质中，并且关于所发射的高频信号，相对于对应的接收信号的振幅、相位位置或信号渡越时间来评估该对应的接收信号。在本专利申请的上下文中，术语“高频信号”涉及频率在10mhz与100ghz之间的对应信号。

3、例如，在所公开的文献de 10 2017 130728a1中描述了基于相位的介电常数测量设备。在这种情况下，利用的效果是，高频信号的信号速度以及因此沿着测量探头的相位位置取决于沿着测量探头普遍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，另外执行所谓的象限校正。

4、例如，tdr(“时域反射测量”)原理可以被应用于借助于脉冲渡越时间测量来确定介电常数。在该测量原理中，传感器沿着导电的测量探头传输频率在0.1ghz与150ghz之间的脉冲高频信号并且测量脉冲的渡越时间，直到接收到反射的高频信号为止。在这里，利用的效果是，脉冲渡越时间取决于测量探头周围的物质的介电常数。例如在公开文献ep 0622628a2中描述了tdr传感器的功能原理。例如，tdr传感器由imko micromodultechnik gmbh公司以若干实施例销售。此外，tdr传感器的优点在于，除了介电常数之外，还能够潜在地确定物质的介电损耗因子。

5、在过程自动化中，介电常数通常要在不是在室温下运行的应用——诸如食品行业中的水分测量——中确定。然而，由于介电常数尤其是在含水介质的情况下强烈依赖于温度，介电常数测量因此需要根据应用进行温度补偿。特别地，为了能够经由介电常数确定介质的水分含量，因此需要非常精确且可重复的温度测量。然而，在介质上进行适当的温度测量通常是不可能的，这是因为在实践中很难将温度传感器一体化到介电常数测量设备中：如果温度传感器直接一体化到介常数测量设备的测量探头中并且因此在待检查的介质的位置处，那么这至少在基于高频的测量设备的情况下使介电常数测量显著失真。然而，远离测量探头的温度传感器的实现进而能够具有的结果是，例如，介质所位于的容器处的外部温度而不是待检查的介质的温度被测量。

技术实现思路

1、因此，本发明基于提供一种用于确定介电常数的测量设备的目的，借助于该测量设备，能够尽可能准确地测量介电常数以及进行温度补偿。

2、本发明经由一种用于确定介质的温度补偿的介电常数的测量设备实现这个目的，该测量设备包括以下部件：

3、-测量探头，测量探头具有：

4、○导电内导体，其至少在沿着轴线的部分中是棒状的，

5、○外导体，其围绕内导体布置并且包括至少一个导电内壁，其中内壁关于轴线对称，使得内壁沿着轴线延展，

6、○温度传感器，

7、■温度传感器被定位在内导体的第一端部区域中，外导体的内壁朝向端部区域延展，并且

8、■温度传感器包括至少两个电端子，其中第一端子处于内导体的电位，

9、测量探头被设计成使得，在测量设备的安装状态下，内导体的、其中定位有温度传感器的第一端部区域朝向介质定向。

10、为了控制测量探头，测量设备包括：

11、-控制/评估单元，控制/评估单元被设计成

12、○经由温度传感器的第二端子确定介质的温度，

13、○将高频电信号耦合到内导体或外导体中并且用以接收对应的接收信号，以及

14、○使用所确定的温度并且使用接收信号以温度补偿的方式确定介质的介电常数。

15、因此，根据本发明的测量设备一方面利用温度测量的位置与介电常数测量的位置一致的事实。另一方面，使用根据本发明的实现，即，只要温度传感器处于一侧上的内导体的电位，基于高频的介电常数测量就不被影响。为了这个目的，温度传感器能够例如被设计为电容式传感器或被设计为基于电阻的传感器，特别是被设计为pt1000。由此能够实现精确的介电常数测量和介电常数的精确温度补偿。

16、在本发明的范围内，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，程序被设计用于执行对应的方法步骤或用于应用相应的单元的必要计算操作。在这种场境下，本发明意义上的介电常数测量设备的各种电子单元也能够潜在地访问公共物理存储器或借助于同一物理数字电路来操作。

17、在本发明的范围内，在测量设备中实现哪种基于高频的测量原理以便确定介电常数是无关紧要的。例如，测量设备或控制/评估单元可以被设计为使用接收信号的相位位置、使用接收信号的振幅和/或使用接收信号的渡越时间，特别是组渡越时间或相位渡越时间来确定介质的介电常数。然而，也可以相应地设计控制/评估单元，以便借助于脉冲渡越时间方法、特别是借助于tdr方法或fmcw方法来确定介质的介电常数。

18、高频信号的频率原则上根据介电常数测量范围来选择。在介电常数的测量范围在1与140之间的情况下(除了水性介质之外，还包括1至1.5的气体和2至20的油性测量介质)，控制/评估单元将被相应地设计，以便产生频率在0.1ghz与30ghz之间的高频电信号。在其介电常数为约80至约100的含水介质的情况下，优选地相应地生成和评估频率在5ghz与8ghz之间的高频信号。就此而言，内导体的长度和外导体的几何形状应根据高频信号的频率设计。例如，外导体的内壁能够绕轴线对称地形成，使得它沿着轴线成锥形地、成指数地或成椭圆形地延展，以便将高频信号的近场引向介质。为了朝向介质的场的传播最佳地不被影响，温度传感器的内导体和/或第二端子能够经由内导体的与内导体的第一端部区域相对的第二端部区域与控制/评估单元接触。

19、为了能够减小测量探头的尺寸而不降低测量准确度，还能够在内导体与外导体之间引入电绝缘填充物。填充物的介电常数越高，测量探头就能够被设计得越小。因此，若填充物具有至少2的介电常数，则是有利的。因此，例如，聚乙烯、peek、ptfe或聚丙烯能够作为填充物被铸造用于这个目的。

20、与根据本发明的介电常数测量设备相对应地，根据先前描述的多个实施例变体中的一个，本发明所基于的目的还经由用于操作测量设备的对应的方法来实现。因此，该方法至少包括以下方法步骤：

21、-将高频信号耦合到测量探头中，

22、-将对应的接收信号从测量探头解耦，

23、-至少使用接收信号来确定介电常数，

24、-借助于温度传感器测量温度，以及

25、-使用所确定的温度对介电常数进行温度补偿。

26、例如，可以基于补偿函数或使用查找表来执行温度补偿。在这种场境下，可以通过关于具有已知介电常数和已知温度的介质对测量设备进行训练或校准来创建补偿函数或查找表。