用于确定介电常数的TDR测量装置

技术领域

本发明涉及一种TDR测量设备，该TDR测量设备用于确定穿过管道的介质的介电常数和/或根据所述介电常数推导的材料性质，特别是含水量和/或电导率。不言而喻，管道可以是适合于携载介质的任何线。因此，它可以是闭合线或通道形线。

背景技术

已在许多工业应用中使用介电TDR测量原理来确定介质的含水量。经由射频电磁场，射频电磁场穿透待测量的材料来测量材料的介电常数(DC)。水在20℃时的介电常数的值为80，并且因此与固体的介电常数差异很大，其取决于材料，固体具有3至30的DC值。在这种强的介电对比度下，介电常数因此可以用作水含量或材料含水量的参数。

在过去的20年中，用于DC测量的TDR测量原理(时域反射法，也称为电缆雷达)作为一种用于工业中苛刻应用的精确的测量方法已经变得越来越流行。在相应的TDR测量的情况下，通常使用两线或三线平行波导。波导布置对应于实际的传感器或测量探头。将波导布置以棒或板的形式引入待检查的介质中。

对于DC测量，优选地产生电压跳变或信号边沿，该电压跳变或信号边沿沿着连接到波导的同轴电缆传播。如果将电压跳变施加到波导，则发生部分反射。测量信号的进一步传播部分在探头端被完全反射。可以在时域上测量波导的阶跃响应，从而反射时间表示水含量或全部介电性质的量度。

TDR技术用于含水量测量的应用的基础是以下物理关系：

因此，电磁波在真空中的传播速度c等于光速c

TDR测量面临的挑战在于电磁波在探头上的传播时间非常短。因此，必须使用短时而陡峭的脉冲(上升时间<300皮秒)进行测量。

从EP 0 478 815 A1中已知一种使用TDR方法来确定产品/介质的湿度的方法以及设备。在已知的方法中，借助于测量信号发送器将矩形信号施加到测量线。在这种情况下，信号的脉冲持续时间经选择为信号在测量线上的传送时间的两倍。信号被测量线反射，即，在测量线的端部处被反射。因此，通过叠加馈入到测量线中的测量信号的幅度和被测量线的端部反射或在测量线的端部处被反射的测量信号的幅度，在测量线的输入处或在测量信号发送器的输出处形成和信号。优选将测量线设计为探头。

在TDR方法中，必须确保电脉冲可以沿测量线/探头传播并且在测量线/探头的端部处被反射。介质的含水量由脉冲的传送时间确定。在已知的解决方案中，由信号处理电子器件触发的脉冲传播(run)经过电缆到达第一测量线，从第一测量线的端部到达第二测量线的起点，在第二测量线的端部被反射，然后传播返回到信号处理电子器件。脉冲的传送时间用于计算含水量值，并且经由标准模拟信号输出，该标准模拟信号例如基于0至20mA或4mA至20mA标准。但是，含水量也可以经由诸如RS 485的数字接口并行输出。

申请人基于TDR测量原理开发和销售多种测量设备。特别地，以Sono-Vario、Sono-Silo、Trime-Pico的名称提供测量设备。每个测量设备都由传感器或测量探头以及TDR测量电子器件组成，传感器或测量探头以及TDR测量电子器件各自被容纳在探头壳体内的电路板上或探头壳体外部的电路板上。TDR测量电子器件始终经由射频电缆/同轴电缆(在探头壳体内部或外部)连接到传感器或测量探头。

不同的探头设计针对不同的工业应用进行了优化设计。特别地，提供了在长度上变化，特别是在0.05m和0.5m之间变化的传感器。已知的解决方案主要经由杆布置或也经由平面传感器来实现；这些杆布置或平面传感器为涂层的，或者无涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种TDR测量设备，该TDR测量设备以非侵入方式测量流经管道的介质的参数，和/或检测管道的状态变化。与本发明相关的术语“非侵入”应被理解为是指经过测量设备的介质的流动不受到阻碍或干扰。

本发明通过一种TDR测量设备来实现，该TDR测量设备用于确定流经管道的介质的介电常数和根据所述介电常数推导的材料性质，特别是含水量和/或电导率。根据本发明的进一步发展，根据本发明的解决方案还更适合于检测介质所流经的管道的状态变化，或者更适合于检测穿过管道的介质的属性。

TDR测量设备包括：信号产生电子器件，该信号产生电子器件产生TDR测量信号，优选地为跳跃信号，如EP 0 478 815 A1中所描述；发送和/或接收电子器件，该发送和/或接收电子器件发送和/或接收TDR测量信号；耦合/去耦合设备，该耦合/去耦合设备将TDR测量信号耦合到预定长度的导电测量探头或将TDR测量信号从测量探头去耦合；以及，控制/评估电子器件，该控制/评估电子器件基于TDR测量信号的传送时间来确定介质的介电常数和根据所述介电常数推导的材料性质，特别是含水量和/或电导率。电子器件优选地经由RF电缆连接到传感器。电子器件被安装在传感器上，或被布置成部分与传感器分离，距离通常在1m至2m之间。

优选地，测量探头被布置成在介质所流经的管道内部的方向上电绝缘，并且被设计成使得测量信号在测量探头上的传播时间取决于穿过管道的介质的介电常数。替代地，测量探头被布置成使得该测量探头与管道的面对可流动介质的内表面齐平。不言而喻，在这种情况下，必须设置至少两个携载测量信号的电极，这些电极彼此电绝缘。如果要在介电常数非常高的可流动介质，例如，软饮料的糖溶液上进行浓度测量，则测量探头的这种替代定位特别有用。在这些应用中，将测量探头与可流动介质隔离将导致测量精度显著降低。相应介质的介电常数高于50，通常在60至80之间。如果介质的电导率大于25ms/cm，则取决于探头几何结构，电短路将测量信号衰减到无法再被接收的程度。顺便提及，用于测量信号的频率优选在500MHz至2GHz的范围内。

可以使用的介质可以是液态的或粘性的。但是，介质也可以是块状材料或粉状物质。

根据本发明的TDR测量设备使得能够在穿过管道的同时以非侵入方式在线测量液体/粘性介质或块状材料的各种物理性质。由于测量探头被布置在介质的流路方向，因此介质可以以不受经过管道的测量探头的阻碍和影响的方式流动。此外，TDR测量设备可以检测介质所流经的管道壁中的变化。该信息随后可以用于补偿目的或用于故障状态检测。例如，结垢可以触发管道区域中的状态变化。

TDR测量设备用于以非侵入方式确定流经管道的介质的介电常数、电容率和/或电导率。特别地，根据本发明的TDR测量设备在确定含水量或电导率方面允许提高的精度。

根据本发明的TDR测量设备的有利实施例，测量探头由至少两个电极组成，该至少两个电极优选地被设计为导体迹线，其中第一电极携载TDR测量信号，其中至少一个另外的电极被设计为保护电极或接地电极。使用TDR技术记录测量值的传感器优先由一个或两个处于接地电位的导电电极和与高频测量信号耦合的导电电极组成。电极被并行引导，并且每个电极在端部区域处电接触。高频信号在“开放的”非电接触端被反射。测量探头经由同轴电缆连接到TDR测量电子器件(TDR测量电子器件通常被布置在电路板上)。TDR测量电子器件产生射频信号，测量在探头端部处反射的信号的传播时间，评估测量数据并且提供测量结果。取决于应用，电路板可以直接一体化在传感器壳体中。然而，取决于特定应用，可以将电路板布置成远离传感器壳体。

在本发明中，至关重要的是，测量探头的尺寸和/或设计被设计成使得由测量信号产生的电磁场至少近似完全穿透管道的内部。场几何结构可以特别受到至少一个接地电极的布置和构造的影响。以这种方式，测量探头的第一有利实施例提供了，第一电极和保护电极或接地电极基本上布置在管道的彼此相对的表面区域之上或之中。

顺便提及，测量探头优选由被设计为导体迹线的三个电极组成，电极中的一个携载TDR测量信号并且相对于被设计为保护电极或接地电极的两个电极基本上居中地布置。

如已经描述的，一个实施例提供了，电极与介质之间没有直接接触。在此处，电极被布置在管道的外壁上，或者在管道的管壁中。不言而喻，管道本身至少在测量探头所在的区域中由不导电的材料制成。也可以将具有电极的相应的管道部段构造为独立单元，其中将该独立单元插入管道中。在此处，管道和独立单元优选具有相同的内管直径。在另一前述实施例中，电极相对于管道的内表面放置成使得，所述电极的面对介质的外表面与管道的面对介质的内表面齐平。

为了改进测量探头的进一步发展，电极基本上彼此平行并且相对于管道成螺旋形地布置。替代实施例提供了，电极以部分圆形的形式彼此平行地布置(见图4)，基本上垂直于流动介质穿过管道的流动方向。在所选择的实施例中，必须确保沿着测量探头传播的测量信号的电磁场完全或至少部分地穿透测量探头区域内的管道内部。在首先提到的两个实施例中，相对于电极长度而言的自由度与后一种电极布置相同。

此外，提供了电极优选具有相同的长度，但是宽度不同。利用电极的上述不同实施例，测量探头可以在宽范围内最佳地适合于相应的应用。如果电极位于彼此相对，则可以保证沿着测量探头传播的测量信号的电磁场遍及管道的横截面穿透内部。

此外，提出以如下方式配置TDR测量设备，使得除了确定穿过管道的介质的介电常数之外，还提供了关于管道壁的状态变化的信息。第一测量探头被设计成使得由测量信号产生的电磁场(即，测量场)至少近似完全穿透管道的内部，而第二测量探头被设计成使得由测量信号产生的电磁场穿过管道内部的在管道壁附近的局部区域。在第一测量探头中，沿着测量探头传播的测量信号的传播时间和/或衰减提供关于介质的介电常数的信息，第二测量探头中测量信号的传播时间和/或衰减提供关于管道的状态变化的信息。这使得可以检测在管道的内壁处发生的磨损以及介质在管道的内壁上的沉积/粘附。优选地，两个测量探头在管道上彼此在轴向上偏移地布置。这两个测量可以借助于开关交替地执行或彼此并行执行。

根据本发明的TDR测量设备的一个实施例提供了一种多传感器布置，该多传感器布置包括例如三个优选相对于彼此在轴向上偏移并且不同构造的测量探头。第一测量探头被设计成使得由测量信号产生的电磁场至少近似完全穿透管道的内部，而第二测量探头和第三测量探头被设计成使得由它们在管道内部通过测量信号产生的电磁场穿过管道壁区域内的不同厚度的环形区域。TDR测量设备的这种实施例使得例如可以检测介质是否以层流方式流经管道。此外，通过这种TDR测量设备，还可以检测在多组分介质流经管道的情况下是否进行了均匀混合，或者穿过管道的介质是否已被分解为不同的组分，例如油和水。

此外，如果将测量探头布置在用作法拉第笼的壳体中，则相对于本发明而言被认为是有利的。

根据本发明的TDR测量设备的非常有趣的实施例提出，信号产生电子器件、发送和/或接收电子器件、耦合/去耦合设备以及测量探头被布置在多层——优选三层——电路板上。特别地，在该实施例中，在电路板上设置有孔，该孔被定尺寸成使得管道可以近似齐平地布置在该孔中。在测量探头的该实施例中，还建议将电极相对于电路板中的孔布置在电路板的层状结构中，以使得第一电极中携载的测量信号与在管道中流动的介质相互作用。

此外，提供了管道是柔性的或刚性的软管或测量毛细管，其至少在穿过孔的区域中由非导电材料构成。

在不同的实施例中，根据本发明的解决方案的特征在于以下优点：

-根据本发明的测量探头可以通过适当的制造方法来小型化。因此，测量探头或传感器最适合于一体化到其它部件中，例如一体化到插头/耦合器或壳体中。根据本发明的测量探头也可以一体化到电路板中。

-根据本发明的测量探头以非接触方式工作，因此，在这种情况下，电极不与介质直接接触。因此保护电极免受周围环境和介质的影响。不发生磨损。在根据本发明的解决方案的非接触和非侵入实施例中，电极都可以一体化到测量探头的壁中，或者在替代实施例中一体化到电路板本身中。例如，此处使用IMKS方法(一体化金属/塑料注射成型)。

-测量探头可以围绕介质在其中流动的管道。非接触或非侵入测量探头还具有不影响介质的流动路径的优点。因此，不发生管道压力损失或介质的湍流。也不必特别注意管道中的相应的安装位置。消除了关于入口路径或出口路径的间距要求。根据本发明的测量探头也可以安装在管弯头中。此外，测量探头可以具有不同的几何形状或横截面。例如，横截面可以是圆形的、角形的或椭圆形的。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。这些附图示出如下：

图1：根据本发明的TDR测量设备的第一实施例的示意图，

图2：TDR测量探头的第一实施例，

图3：TDR测量探头的第二实施例，

图4：TDR测量探头的第三实施例，以及

图5：根据本发明的TDR测量设备的第二实施例的示意表征。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的TDR测量设备的第一实施例的示意表征，该TDR测量设备用于以非接触或非侵入方式至少确定穿过管道1的介质2的介电常数和可选地推导的介质性质，和/或该TDR测量设备用于检测介质2所流经的管道1的状态变化。TDR测量设备由传感器或测量探头6和测量电子器件16组成。在所示的情况下，两个部件6、16彼此间隔开并且通过测量线14彼此连接。测量线14优选是同轴电缆。

测量电子器件16的电子部件布置在电路板12上：信号产生电子器件3、发送和/或接收电子器件4、耦合/去耦合设备5和控制/评估电子器件7。信号产生电子器件3产生TDR测量信号，而发送和/或接收电子器件4发射TDR测量信号和/或接收在测量探头上反射的TDR测量信号。TDR测量信号到测量线14和测量探头6的耦合和去耦合经由耦合/去耦合设备5进行。从这里，测量信号经由与射频电缆14相连接的射频插头连接器18传送到测量探头6。基于TDR测量信号在测量探头6上的传播时间，控制/评估电子器件至少确定介电常数和/或电容率和可能根据所述介电常数和/或电容率推导的介质的特性或参数。这些介质性质特别是含水量和/或电导率。此外，根据本发明的TDR测量设备适于替代地或附加地检测管道1的状态变化。状态变化例如由在管道1的内壁上的沉积物引起。测量数据或者关于管道1的状态变化的数据经由接口15被转发到上级控制/显示设备。转发可以是有线或无线的。

在图2至图5中更详细地描述传感器或测量探头6的优选实施例。

根据本发明的传感器或测量探头6与先前已知的传感器的不同之处在于，根据本发明的传感器或测量探头6连接待检查的介质在其中被引导的到管道1，特别以使得根据本发明的传感器或测量探头6与所述介质隔离的方式。测量探头6可以被安装在管道6的外壁上，但是也可以一体化到管道1的壁中。此外，可以将测量探头6放置成使得电极9、10、11指向管道6内部的表面与管道6的内表面齐平。有利地，可以优选使用IMKS方法(一体化金属/塑料注射成型)在一个方法步骤中制造管道部段和电极9、10、11。随后可以经由适当的附件将相应的部件引入管道中。替代地，也可以将电极9、10、11施加到现有管道1的外表面。

图2示出了TDR测量探头6的第一实施例。在所示的实施例中，传感器具有两个电极9、10，这两个电极9、10在管道1的纵向轴线19的方向被布置在管道1之上或之中。管道1——通常也称为与本发明相关的测量体——必须是电绝缘体(例如塑料/陶瓷)，因为否则测量场无法在管道1中传播，因此也就不受到介质2的影响。电极9、10有利地具有相同的长度L，但是具有不同的宽度B。通过改变电极9、10的宽度B和/或长度L，可以使测量场最佳地适应于相应的测量任务。

图3示出了TDR测量探头6的第二实施例，该TDR测量探头6被称为螺旋传感器或轴向螺旋。在所示的实施例中，三个电极9、10、11沿着管道1或测量体的纵向轴线19安装。反过来，测量体1至少在测量探头的区域中必须由电绝缘材料(例如塑料/陶瓷)制成，因为否则测量场不能在管道1的或测量体的内部8中传播，并且不能与待测量的介质2相互作用。电极9、10、11的长度L大致确定了传感器6的灵敏度，因为测量信号到电极端部和背面的传播时间随着电极9、10、11更长而延长。在所示的螺旋传感器中，关于长度L，还有宽度B，有很多选项。

在螺旋传感器的情况下，电极9、10、11以螺旋形式平行地形成在管道1或测量体上。电极9、10、11有利地具有相同的长度，但是在该设计中也可以具有不同的宽度。利用电极10、11、12的宽度和长度以及螺旋的节距，可以有利地调整测量场以适应相应的测量任务。

在图4中可以看到TDR测量探头6的第三实施例。在被称为同心传感器6或近似圆形导体的这种传感器6中，三个电极9、10、11相对于纵向轴线19同中心地布置在管道1之上或之中，但圆形未闭合。在此处，管道1或管道部段连同测量探头6也必须再次是电绝缘体(例如塑料/陶瓷)，因为否则测量场无法传播到测量体1的内部8中并且无法与待测量的介质相互作用。电极9、10、11有利地具有相同的长度，宽度可以相同或不同。通过改变电极9、10、11的宽度和/或长度，可以有利地针对相应的测量任务来定测量场的尺寸。

图5示出了根据本发明的TDR测量设备17的第二实施例的示意表征，该TDR测量设备17可以称为PCB板上解决方案。省略了对测量电子器件16的各个电子部件3、4、5、7的描述，因为除了一个例外，它们与图1所示的部件相同。

测量探头6或传感器优选地对应于图4所示的部分圆形导体。然而，在该实施例中，由部分圆形组成的测量探头6不是同中心地布置在管道1之上或之中，而是同中心地布置在电路板12中的孔13中，待测量的介质2在该管道1中被引导。管道1被引导穿过该孔13。

孔13优选地位于射频连接或耦合/去耦合电子器件附近。优选地将三个部分圆形电极9、10、11围绕孔13同中心地布置在电路板12的三层中。在根据图5所示的本发明的TDR测量设备17的实施例中，省略了图1所示的射频插头连接器18和同轴电缆14。孔13位于半圆形导体路径传感器9、10、11的中心区域中，例如，测量毛细管1或管被引导穿过该孔13，待测量的液态介质2在该测量毛细管1或管中流动。测量体1至少在穿过电路板12的孔13的区域中由非导电材料制成。

参考标记列表

1 管道

2 介质

3 信号产生电子器件

4 发送/接收电子器件

5 耦合/去耦合设备

6 测量探头或传感器

7 控制/评估电子器件

8 管道的内部

9 电极或热敏电阻

10 接地电极或保护电极

11 接地电极或保护电极

12 电路板

13 孔

14 测量线/同轴电缆

15 接口

16 测量电子器件

17 TDR测量设备

18 射频插头连接器

19 纵向轴线