DE102014113545A1

DE102014113545A1 - Device and method for monitoring a process variable of a medium

Info

Publication number: DE102014113545A1
Application number: DE102014113545.8A
Authority: DE
Inventors: Maik Weishaar; Dietmar Frühauf; Armin Wernet; Kaj Uppenkamp; Gerd Bechtel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-24
Also published as: WO2016041726A1

Abstract

Vorrichtung zur Überwachung zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (3) mit zumindest einer im kapazitiven Messmodus betriebenen Messsonde (1) und einer Elektronikeinheit (7), wobei die Elektronikeinheit (7) dazu ausgestaltet ist, die Messsonde (1) mit einem einstellbaren Anregesignal zu beaufschlagen, wobei innerhalb der Elektronikeinheit (7) eine Messschaltung (8) vorgesehen ist, welche dazu ausgestaltet ist, das von der Messsonde (1) erhaltene Antwortsignal unabhängig von der Frequenz des Anregesignals in ein Antwortsignal einer vorgegebenen Frequenz zu transformieren, wobei eine Auswerteeinheit (16) vorgesehen ist, die dazu ausgestaltet ist, die Prozessgröße aus dem von der Messsonde(1) erhaltenen transformierten Antwortsignal zu ermitteln.Device for monitoring at least one physical or chemical process variable of a medium (2) in a container (3) with at least one measuring probe (1) operated in the capacitive measuring mode and an electronic unit (7), the electronic unit (7) being designed to be the measuring probe (1) to act upon an adjustable excitation signal, wherein within the electronic unit (7) a measuring circuit (8) is provided, which is adapted to the response signal received from the measuring probe (1) independent of the frequency of the excitation signal in a response signal of a predetermined Frequency to transform, wherein an evaluation unit (16) is provided, which is adapted to determine the process variable from the received from the measuring probe (1) transformed response signal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter mit einer kapazitiven Messsonde. Die Prozessgröße kann beispielsweise durch einen Füllstand, die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Permittivität des Mediums gegeben sein, oder es ist überwachbar, ob sich Ansatz an der Messsonde gebildet hat.The invention relates to a method and a device for monitoring a process variable of a medium in a container with a capacitive measuring probe. The process variable may be given for example by a level, the electrical conductivity and / or the permittivity of the medium, or it is possible to monitor whether the sample has formed on the measuring probe.

Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen vertrieben, beispielsweise unter der Bezeichnung Liquicap oder Solicap.Corresponding field devices are marketed by the applicant in many different embodiments, for example under the name Liquicap or Solicap.

Eine kapazitive Messsonde umfasst in der Regel eine stabförmige Messsonde und gegebenenfalls eine die Messsonde koaxial umgebende Guard-Elektrode, welche auf dem gleichen elektrischen Potential liegt. Die Guard-Elektrode dient dabei der Verbesserung der Messung bei Ansatzbildung an der Messsonde. Dieses Vorgehen ist aus der Druckschrift DE 32 12 434 C2 bekanntgeworden.A capacitive measuring probe generally comprises a rod-shaped measuring probe and, if appropriate, a guard electrode which coaxially surrounds the measuring probe and which lies at the same electrical potential. The guard electrode serves to improve the measurement when forming a deposit on the probe. This procedure is from the publication DE 32 12 434 C2 known.

Das kapazitive Messverfahren ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt Die Messsonde wird mit einem Anregesignal in Form eines Wechselstroms beaufschlagt und aus dem von der Messsonde empfangenen Antwortsignal wird anschließend der Füllstand bestimmt. Dieser hängt ab von der Kapazität des von einer Messsonde und der Wandung des Behälters oder einer zweiten Elektrode gebildeten Kondensators. Je nach Leitfähigkeit des Mediums bildet hierbei entweder das Medium selbst oder eine Sondenisolierung das Dielektrikum des Kondensators. Die Kapazität wiederum wird oftmals aus einer Scheinstrommessung bestimmt, bei welcher der Betrag des durch die Beaufschlagung der Sonde mit einem Wechselstrom fließenden Scheinstroms gemessen wird. Da dieser aber einen Wirk- und Blindanteil aufweist, ist oftmals eine Admittanzmessung, bei welcher neben dem Scheinstrom der Phasenwinke zwischen dem Scheinstrom und der an der Messsonde anliegenden Spannung l gemessen wird, besser geeignet. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus, Aussagen über mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise in der DE102004008125A1 beschrieben.The capacitive measuring method is known per se from the state of the art. The measuring probe is subjected to an exciting signal in the form of an alternating current, and the filling level is then determined from the response signal received by the measuring probe. This depends on the capacitance of the capacitor formed by a measuring probe and the wall of the container or a second electrode. Depending on the conductivity of the medium, either the medium itself or a probe insulation forms the dielectric of the capacitor. The capacitance, in turn, is often determined from an apparent current measurement in which the magnitude of the apparent current flowing through the exposure of the probe to an alternating current is measured. However, since this has an active and reactive component, often an admittance measurement, in which the phase angle between the apparent current and the voltage applied to the measuring probe 1 is measured in addition to the apparent current, is more suitable. The additional determination of the phase angle also makes it possible to make statements about possible formation of a deposit, such as in the DE102004008125A1 described.

Bei kapazitiven Sonden stellt sich das Problem, dass die Frequenz der angelegten Wechselspannung auf Grund von Resonanzeffekten umso geringer zu wählen ist, je länger die Messsonde ist. Auf der anderen Seite verringert sich der Einfluss von Ansatzbildung bei höheren Messfrequenzen. Dabei spielt Ansatz bei kurzen und langen Messsonden gleichermaßen eine Rolle. Da in der Regel die entsprechenden Elektronikeinheiten nur zur Beaufschlagung der Messsonden mit einer konstanten Frequenz ausgelegt sind, gilt es für die Frequenz den besten Kompromiss zu finden. Deshalb wird zumeist eine Frequenz für das Anregesignal gewählt, welches für alle Längen der Messsonden gleichermaßen geeignet ist. Dieses liegt dann jedoch unterhalb der für kürzere Sonden optimalen Frequenz.For capacitive probes, the problem arises that the frequency of the applied AC voltage is lower the longer the probe is because of resonance effects. On the other hand, the influence of build-up decreases at higher measurement frequencies. Approach is equally important for short and long probes. Since usually the corresponding electronic units are designed only to load the measuring probes with a constant frequency, it is important to find the best compromise for the frequency. Therefore, a frequency is usually selected for the excitation signal, which is equally suitable for all lengths of the probes. However, this is below the optimum frequency for shorter probes.

Ein weiteres Problem tritt bei Medien auf, deren Leitfähigkeitswerte in einem Übergangsbereich zwischen einem Permittivitätsabhängigen und einem Permittivitätsunabhängigen Bereich liegen. Der Füllstand ist in diesem Übergangsbereich nicht zuverlässig bestimmbar, sodass entsprechende Medien der kapazitiven Füllstandsmessung normalerweise nicht zugänglich sind.Another problem arises with media whose conductivity values are in a transition region between a permittivity-dependent and a permittivity-independent region. The level can not be reliably determined in this transitional area, so that the corresponding media of the capacitive level measurement are normally not accessible.

Um diese beiden Problematiken zu überwinden, wurde in der Druckschrift DE102011003158A1 ein auf dem kapazitiven Messprinzip beruhendes Messgerät und Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Messsonde zumindest zeitweise mittels eines Frequenz-Sweeps mit einem Anregesignal beaufschlagt wird, welches eine Vielzahl an innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbands liegenden, aufeinander folgenden, diskreten Frequenzen aufweist, und wobei an Hand des Frequenzsuchlaufs eine für die jeweilige Anwendung optimale Messfrequenz ermittelt und aus dem zu dieser Messfrequenz gehörenden Antwortsignal der Füllstand bestimmt wird. Je nach Länge der Messsonde und/oder der Beschaffenheit des Mediums, insbesondere dem Leitfähigkeitswert, wird entsprechend eine unterschiedliche Messfrequenz ermittelt, bei welcher der Füllstand am genauesten bestimmbar ist.To overcome these two problems, was in the document DE102011003158A1 proposed based on the capacitive measuring principle measuring device and method in which the probe is at least temporarily acted upon by means of a frequency sweep with a start signal having a plurality of lying within a predetermined frequency band, consecutive discrete frequencies, and wherein at hand Frequency scan determines an optimal for each application measurement frequency and is determined from the belonging to this measurement frequency response signal level. Depending on the length of the measuring probe and / or the nature of the medium, in particular the conductivity value, a different measuring frequency is accordingly determined in which the filling level can be determined most accurately.

Zur Umsetzung des in dieser Druckschrift beschriebenen Vorgehens wird unter anderem also ein Signalgenerator benötigt, welcher zur Beaufschlagung der Messsonde mit einem Frequenz-Sweep geeignet ist. Ein solcher dynamischer Signalgenerator ist beispielsweise in der bisher noch nicht offengelegten Schrift DE102013107120.1 beschrieben. Dieser Signalgenerator erzeugt den Frequenz-Sweep mittels eines Taktgebers, welcher eine konstante Abtastfrequenz zur Verfügung stellt, die größer ist als die maximale diskrete Signalfrequenz im vorgegebenen Frequenzbereich. Darüber hinaus können in einer Speichereinheit zu jeder der diskreten Signalfrequenzen die Amplitudenwerte der entsprechenden periodischen Signale in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz gespeichert werden. Die gespeicherten Amplitudenwerte werden anschließend mittels einer Steuer- und/oder Recheneinheit sukzessive mit der Abtastfrequenz des Taktgebers aus der Speichereinheit ausgelesen. Diese erzeugt dann die periodischen Signale.To implement the procedure described in this document, among other things, therefore, a signal generator is needed, which is suitable for applying the probe with a frequency sweep. Such a dynamic signal generator is, for example, in the not yet disclosed font DE102013107120.1 described. This signal generator generates the frequency sweep by means of a clock, which provides a constant sampling frequency which is greater than the maximum discrete signal frequency in the predetermined frequency range. Moreover, in a memory unit at each of the discrete signal frequencies, the amplitude values of the corresponding periodic signals can be stored as a function of the sampling frequency. The stored amplitude values are then successively read out of the memory unit by means of a control and / or arithmetic unit with the sampling frequency of the clock generator. This then generates the periodic signals.

Beide Lösungsansätze sind ferner so ausgestaltet, dass sie nur eine geringe Leistungsaufnahme der jeweiligen Bauteile einer Elektronikeinheit gewährleisten. Diese strengen Anforderungen an die Leistungsaufnahme sind in Hinblick auf gängige Schnittstellen wie einer 4–20mA Schnittstelle oder einer NAMUR Schnittstelle notwendig. Die Leistungsaufnahme spielt insbesondere eine Rolle, wenn das entsprechende Feldgerät in einer explosionsfähigen Atmosphäre betrieben werden soll.Both approaches are also designed so that they only a low power consumption of the respective components of a Ensure electronics unit. These stringent requirements for power consumption are necessary with regard to common interfaces such as a 4-20mA interface or a NAMUR interface. The power consumption plays a particular role when the corresponding field device is to be operated in an explosive atmosphere.

Neben einer dynamischen Signalerzeugung und der Bestimmung der optimalen Messfrequenz für die Detektion des Füllstandes muss mittels einer geeigneten Messschaltung gewährleistet sein, dass die Messsonde mit unterschiedlichsten Frequenzen beaufschlagt werden kann, sowie dass das Antwortsignal der Messsonde bei unterschiedlichsten Frequenzen ausgewertet werden kann. Ein Problem hierbei besteht darin, dass die kapazitive Last einer Messsonde mit der Frequenz variieren kann.In addition to a dynamic signal generation and the determination of the optimum measurement frequency for the detection of the level must be ensured by means of a suitable measurement circuit that the probe can be acted upon with a variety of frequencies, and that the response signal of the probe can be evaluated at different frequencies. A problem here is that the capacitive load of a probe can vary with frequency.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und universell einsetzbare Messschaltung für eine kapazitive Messsonde bereitzustellen.The invention is therefore based on the object to provide a cost-effective and universally applicable measuring circuit for a capacitive probe.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter mit zumindest einer im kapazitiven Messmodus betriebenen Messsonde und einer Elektronikeinheit, wobei die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, die Messsonde mit einem einstellbaren Anregesignal zu beaufschlagen, wobei innerhalb der Elektronikeinheit eine Messschaltung vorgesehen ist, welche dazu ausgestaltet ist, das von der Messsonde erhaltene Antwortsignal unabhängig von der Frequenz des Anregesignals in ein Antwortsignal einer vorgegebenen Frequenz zu transformieren, wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die dazu ausgestaltet ist, die Prozessgröße aus dem von der Messsonde erhaltenen transformierten Antwortsignal zu ermitteln. Eine derart ausgestaltete Vorrichtung bietet verschiedene Vorteile: Unabhängig von der Frequenz des Anregesignals und ohne Informationsverlust kann zur Bestimmung der jeweiligen mindestens einen Prozessgröße jeweils ein Antwortsignal einer bestimmten konstanten vorgebbaren Frequenz ausgewertet werden. Dabei kann die Frequenz des Anregesignals in einem Bereich von 1kHz bis mindestens 10MHz liegen. Dadurch, dass das Antwortsignal auf eine bestimmte vorgebbare Frequenz transformiert wird, muss die Auswerteeinheit nicht zur Auswertung eines Antwortsignals mit einem breiten Frequenzspektrum ausgelegt sein. Dies ist insbesondere in Bezug auf den jeweiligen Mikrocontroller vorteilhaft. Insbesondere hochfrequente Signale können in der Regel nämlich mit einfachen und/oder Low-Power-Mikrocontrollern nicht verarbeitet werden. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird dies jedoch möglich. Weil trotz eines dynamischen Anregesignals eine Auswertung bei einer festen Frequenz ausgeführt werden kann, ist die erfindungsgemäße Lösung ferner kostengünstig und zeichnet sich zugleich durch eine geringe Leistungsaufnahme aus.The object is achieved by a device for monitoring at least one physical or chemical process variable of a medium in a container with at least one operated in the capacitive measurement mode measuring probe and an electronic unit, wherein the electronic unit is configured to act on the probe with an adjustable excitation signal, wherein a measuring circuit is provided within the electronic unit, which is designed to transform the response signal received from the probe independent of the frequency of the exciting signal into a response signal of a predetermined frequency, wherein an evaluation unit is provided, which is adapted to the process variable from the to determine the transformed response signal obtained from the measuring probe. A device designed in this way offers various advantages: Regardless of the frequency of the starting signal and without loss of information, in each case a response signal of a specific, constant predefinable frequency can be evaluated to determine the respective at least one process variable. In this case, the frequency of the start signal can be in a range of 1 kHz to at least 10 MHz. Because the response signal is transformed to a specific predefinable frequency, the evaluation unit need not be designed to evaluate a response signal having a broad frequency spectrum. This is particularly advantageous with respect to the respective microcontroller. In particular, high-frequency signals can generally not be processed with simple and / or low-power microcontrollers. However, this is possible by the procedure according to the invention. Because, in spite of a dynamic start signal, an evaluation can be carried out at a fixed frequency, the solution according to the invention is furthermore inexpensive and at the same time has a low power consumption.

In einer ersten Ausgestaltung ist die Messschaltung dazu ausgestaltet, das Anregesignal auf die gleiche Frequenz wie das Antwortsignal zu transformieren, und die Auswerteeinheit ist dazu ausgestaltet, aus dem transformierten Anregesignal und dem transformierten Antwortsignal die zumindest einen Prozessgröße zu bestimmen. Dadurch wird es möglich, die mindestens eine Prozessgröße mittels einer Admittanzmessung, bei welcher neben dem Scheinstrom der Phasenwinke zwischen dem Scheinstrom und der an der Messsonde anliegenden Spannung gemessen wird, zu bestimmen. Dies ist insbesondere vorteilhaft in Bezug auf Ansatzbildung.In a first embodiment, the measuring circuit is configured to transform the excitation signal to the same frequency as the response signal, and the evaluation unit is configured to determine the at least one process variable from the transformed excitation signal and the transformed response signal. This makes it possible to determine the at least one process variable by means of an admittance measurement in which, in addition to the apparent current of the phase angle between the apparent current and the voltage applied to the measuring probe, is measured. This is particularly advantageous in terms of buildup.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist das Anregesignal zur Beaufschlagung der Messsonde ein konstantes Signal einstellbarer Frequenz. In diesem Falle erlaubt es die Erfindung, die Frequenz des Anregesignals zu Beginn optimal auf die Beschaffenheit des Mediums und auf die Länge der Messsonde einzustellen und vermeidet, dass jeweils lediglich die Frequenz, welche den besten Kompromiss für alle Längen der Messsonde erlaubt, verwendet werden muss. So werden vorteilhaft auch Medien mit einem Leitfähigkeitswert aus dem Übergangsbereich der kapazitiven Füllstandsmessung zugänglich.In a further possible embodiment, the excitation signal for acting on the measuring probe is a constant signal of adjustable frequency. In this case, the invention makes it possible to optimally adjust the frequency of the start signal to the nature of the medium and to the length of the probe and avoids that only the frequency which allows the best compromise for all lengths of the probe must be used , Thus, advantageously also media with a conductivity value from the transition region of the capacitive level measurement accessible.

Alternativ ist in einer anderen Ausgestaltung das Anregesignal zur Beaufschlagung der Messsonde gegeben ist durch einen Frequenz-Sweep mit aufeinanderfolgenden Signalen diskreter Frequenzen, welche innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs liegen. Durch die Transformation des Antwortsignals in ein Signal mit vorgebbare Frequenz kann die Auswertung auch für die Vielzahl der mittels des Frequenz-Sweeps erzeugten Antwortsignale erheblich vereinfacht werden.Alternatively, in another embodiment, the excitation signal for acting on the probe is given by a frequency sweep with successive signals discrete frequencies, which are within a predetermined frequency range. By transforming the response signal into a signal with a predefinable frequency, the evaluation can also be considerably simplified for the multiplicity of response signals generated by means of the frequency sweep.

Es ist von Vorteil, wenn das Anregesignal ein Rechtecksignal, Dreiecksignal oder ein Sinussignal ist.It is advantageous if the starting signal is a rectangular signal, triangular signal or a sinusoidal signal.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind innerhalb der Elektronikeinheit zur Generierung des Anregesignals ein Signalgenerator und eine breitbandige Treiberschaltung angeordnet. Der Signalgenerator kann dabei beispielsweise ein dynamischer Signalgenerator sein wie in der Einleitung der Beschreibung beschrieben. Die Treiberschaltung wiederum dient dem Treiben der Messsonde mit dem Anregesignal. Die Treiberschaltung sollte dabei breitbandig und zum Treiben großer kapazitiver Lasten ausgelegt sein. Dies hat folgenden Grund: Während die Kapazität der Messsonde bei gegebenem Füllstand gleich bleibt, ändert sich der Blindwiderstand mit der Frequenz des Anregesignals und hängt, sofern die Messsonde mit einem Frequenz-Sweep beaufschlagt wird, von der Bandbreite des Frequenzintervalls ab. Dies führt zu einer größeren Belastung der Treiberschaltung, welche zum Treiben von kapazitiven Lasten über mehr als eine Größenordnung geeignet sein muss. Insbesondere sollte die Treiberschaltung zum Treiben von Lasten zwischen 400pF und 4000pF ausgelegt sein.In a particularly preferred embodiment, a signal generator and a broadband driver circuit are arranged within the electronics unit for generating the start signal. The signal generator can be, for example, a dynamic signal generator as described in the introduction of the description. The driver circuit in turn serves to drive the measuring probe with the start signal. The driver circuit should be broadband and designed to drive large capacitive loads. This has the following reason: While the capacity of the probe remains the same at a given level, the reactance changes with the frequency of the start signal and depends, if the probe is subjected to a frequency sweep, on the bandwidth of the frequency interval. This leads to a greater load on the driver circuit, which must be suitable for driving capacitive loads of more than one order of magnitude. In particular, the driver circuit should be designed to drive loads between 400pF and 4000pF.

Weitere Kriterien für die Auswahl einer geeigneten Treiberschaltung liegen in einer möglichst hohen Amplitudenstabilität, einem geringen Leistungsverbrauch und einem möglichst gleichbleibenden Leistungsverbrauch unabhängig von der jeweiligen kapazitiven Last. Dabei sind außerdem möglichst geringe Kosten wünschenswert. All diese Kriterien führen zu der Auswahl der oben genannten Möglichkeiten für eine geeignete Treiberschaltung.Further criteria for the selection of a suitable driver circuit are the highest possible amplitude stability, low power consumption and power consumption that is as constant as possible regardless of the respective capacitive load. In addition, the lowest possible costs are desirable. All these criteria lead to the selection of the above possibilities for a suitable driver circuit.

Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Treiberschaltung eine komplementäre Gegentaktstufe, ein Spannungsfolger mit stromrückgekoppeltem Operationsverstärker, oder ein Spannungsfolger mit spannungsrückgekoppeltem Operationsverstärker ist.Therefore, it is advantageous if the driver circuit is a complementary push-pull stage, a voltage follower with a current-feedback operational amplifier, or a voltage follower with a voltage-feedback operational amplifier.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn ein einstellbares Widerstandnetzwerk mit unterschiedlich einstellbaren Shunt-Widerständen vorgesehen ist. Ein Shunt-Widerstand dient der Erzeugung eines zum fließenden Strom an der Messsonde proportionales Spannungssignal und ist in Reihe zu dieser geschaltet. Kann nun das Anregesignal aus einem breiten Frequenzintervall gewählt werden, oder ein Frequenz-Sweep verwendet werden, muss dann der Shunt-Widerstand entsprechend angepasst werden, was durch das einstellbare Widerstandsnetzwerk erreicht werden kann. Durch diese Möglichkeit der Bereichsumschaltung kann stets die bestmögliche Genauigkeit bzw. Auflösung für die jeweilige Messung erzielt werden.In addition, it is advantageous if an adjustable resistor network with differently adjustable shunt resistors is provided. A shunt resistor serves to generate a voltage signal proportional to the current flowing at the measuring probe and is connected in series therewith. If the excitation signal can now be selected from a wide frequency interval, or a frequency sweep is used, then the shunt resistor must be adapted accordingly, which can be achieved by the adjustable resistor network. This possibility of range switching can always achieve the best possible accuracy or resolution for the respective measurement.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist innerhalb der Messschaltung ein Mischer angeordnet, welcher Mischer dazu ausgestaltet ist, aus dem Antwortsignal der Messsonde ein transformiertes Antwortsignal konstanter Frequenz zu erzeugen, wobei ein erstes Signal für den Mischer das von der Messsonde empfangene Antwortsignal ist, wobei ein zweites Signal für den Mischer das Anregesignal ist, mit welchem die Messsonde beaufschlagt wird, und wobei ein Referenzsignal für den Mischer ein Signal mit konstanter vorgebbarer Frequenzdifferenz zum Anregesignal ist. Es werden zwei Signale vom eigentlichen Messzweig an den Mischer weitergeleitet, das von der Messsonde empfangene Antwortsignal und das Anrege- bzw. Treibersignal. Diese können dabei direkt mit Bezug zur Masse erfasst werden. Mischer finden sich im Stand der Technik hauptsächlich im Hochfrequenz-Bereich wieder; hier wird der Mischer jedoch für vergleichsweise niedrige Frequenzen eingesetzt. Die Verwendung eines Mischers zeichnet sich vorteilhaft durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Störungen und seine geringe Leistungsaufnahme. Da insbesondere hochfrequente Signale nicht mit den üblichen kostengünstigeren Mikrocontrollern verarbeitet werden können, ist ein Mischer darüber hinaus insbesondere aufgrund der Möglichkeit, solche Frequenzen zu niedrigeren Frequenzen transformieren zu können vorteilhaft.In a particularly preferred embodiment, a mixer is arranged within the measuring circuit, which mixer is designed to generate from the response signal of the measuring probe a transformed response signal of constant frequency, wherein a first signal for the mixer is the response signal received by the measuring probe, wherein a second Signal for the mixer is the excitation signal, with which the probe is acted upon, and wherein a reference signal for the mixer is a signal with a constant specifiable frequency difference to the excitation signal. Two signals are forwarded from the actual measuring branch to the mixer, the response signal received by the measuring probe and the excitation or driver signal. These can be recorded directly with reference to the mass. Mixers are found in the prior art mainly in the high frequency range again; however, the mixer is used here for comparatively low frequencies. The use of a mixer is distinguished by its insensitivity to interference and its low power consumption. In particular, since high-frequency signals can not be processed with the usual cheaper microcontrollers, a mixer is advantageous, in particular due to the possibility of being able to transform such frequencies to lower frequencies.

Dabei ist es von Vorteil, wenn der Mischer ein analoger Abwärtsmischer, insbesondere ein diskret aufgebauter JFET Mischer, ist. Eine derartige diskret aufgebaute Schaltungsanordnung ermöglicht es, durch Multiplikation des Antwortsignals und das Anrege- bzw. Treibersignals mit einem zusätzlich erzeugten Signal verschiedene Mischfrequenzen zu erzeugen. Dabei wird für das zweite erzeugte Signal eine konstante Frequenzdifferenz zum eigentlichen Antwortsignal gewählt, wobei am Ausgang des Mischers die Differenzfrequenz der beiden Eingangsfrequenzen realisiert wird.It is advantageous if the mixer is an analog down mixer, in particular a discretely constructed JFET mixer. Such a discretely constructed circuit arrangement makes it possible to generate different mixing frequencies by multiplying the response signal and the excitation or drive signal with an additionally generated signal. In this case, a constant frequency difference is selected for the second generated signal to the actual response signal, wherein at the output of the mixer, the difference frequency of the two input frequencies is realized.

Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Elektronikeinheit so ausgestaltet ist, dass das Anregesignal und das Antwortsignal durch denselben Schaltzweig zur Auswerteeinheit fließen. Dazu kann beispielsweise ein analoger Schalter vor dem Mischer verwendet werden. Vorteilhaft ergibt sich dadurch eine geringere Sensitivität gegenüber Störeinflüssen, wie Temperatur- und/oder Spannungsschwankungen.Moreover, it is advantageous if the electronic unit is designed such that the start signal and the response signal flow through the same switching branch to the evaluation unit. For this purpose, for example, an analog switch can be used in front of the mixer. Advantageously, this results in a lower sensitivity to interference, such as temperature and / or voltage fluctuations.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist zwischen der Messschaltung und der Auswerteeinheit ein statischer Filter integriert. Es ist dabei von Vorteil, wenn der Filter ein statischer Tiefpassfilter, insbesondere ein statischer Tiefpassfilter 6. Ordnung, ist, dessen Frequenz auf das transformierte Antwortsignal angepasst ist. Diese Maßnahme ergibt sich dadurch, dass nach der Abwärtsmischung viele verschiedene Frequenzen im Ausgangssignal des Mischers vorhanden sind. Der Filter filtert dann das Signal mit der gewünschten Frequenz heraus und verstärkt dieses. Dadurch, dass das Antwortsignal auf eine bestimmte vorgebbare Frequenz transformiert wird, kann dazu ein statisches Filter verwendet werden. Der Filter sorgt dabei für eine besonders störunempfindliche Schaltungsanordnung.In a preferred embodiment, a static filter is integrated between the measuring circuit and the evaluation unit. It is advantageous if the filter is a static low-pass filter, in particular a static low-pass filter 6th order, whose frequency is adapted to the transformed response signal. This measure results from the fact that many different frequencies are present in the output signal of the mixer after the downward mixing. The filter then filters out the signal at the desired frequency and amplifies it. Because the response signal is transformed to a certain predefinable frequency, a static filter can be used for this purpose. The filter ensures a particularly störunempfindliche circuitry.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine Prozessgröße ein kontinuierlicher oder vorgegebener Füllstand eines Mediums in einem Behälter ist.In a preferred embodiment, the at least one process variable is a continuous or predetermined level of a medium in a container.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter mit zumindest einer im kapazitiven Messmodus betriebenen Messsonde und einer Elektronikeinheit, wobei die Messsonde mit einem einstellbaren Anregesignal beaufschlagt wird, wobei das von der Messsonde erhaltene Antwortsignal unabhängig von der Frequenz des Anregesignal in ein Antwortsignal einer vorgegebenen Frequenz transformiert wird, und wobei die Prozessgröße aus dem von der Messsonde erhaltenen transformierten Antwortsignal ermittelt wird.The object according to the invention is also achieved by a method for monitoring at least one physical or chemical process variable of a medium in a container at least one in the capacitive measuring mode operated measuring probe and an electronic unit, wherein the probe is acted upon by an adjustable excitation signal, wherein the response signal received from the probe is transformed independently of the frequency of the exciting signal into a response signal of a predetermined frequency, and wherein the process variable of the the measured probe received transformed response signal is determined.

Zusammengefasst ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine kapazitive Messsonde mit einem Anregesignal mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen zu treiben und auszuwerten. Die Erfindung zeichnet sich zudem durch einen einfachen kostengünstigen und platzsparenden Aufbau, große Störunempfindlichkeit und hohe Genauigkeit aus und ist sowohl für eine statische als auch für dynamische Beaufschlagung der Messsonde geeignet. Ein weiterer hervorzuhebender Vorteil liegt in der geringen Leistungsaufnahme, welche insbesondere ein Betreiben der Vorrichtung in einer explosionsfähigen Atmosphäre möglich macht.In summary, the present invention makes it possible to drive and evaluate a capacitive measuring probe with a starting signal having a multiplicity of different frequencies. The invention is also characterized by a simple low-cost and space-saving design, high immunity to interference and high accuracy and is suitable for both static and dynamic loading of the probe. Another advantage to be emphasized is the low power consumption, which makes it possible in particular to operate the device in an explosive atmosphere.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden 1 bis 7 genauer beschrieben. Es zeigt:The invention will be apparent from the following 1 to 7 described in more detail. It shows:

1: eine schematische Darstellung einer Messsonde in einem Behälter gemäß Stand der Technik. 1 : a schematic representation of a measuring probe in a container according to the prior art.

2: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 2 : a block diagram of an electronic unit according to the invention

In 1 ist eine typische Konstruktion für eine Messsonde 1 gezeigt, mittels welcher ein vorgegebener Füllstand im kapazitiven Messverfahren überwacht werden kann. Die Messsonde 1 ist an einem Behälter 2 angeordnet und ragt zum Teil in diesen hinein. Der Behälter wiederum ist zumindest teilweise mit einem Medium 3 gefüllt. Die Messsonde 1 setzt sich im vorliegenden Beispiel aus einer Messelektrode 5 und einer Guardelektrode 6 zusammen, welche der Vermeidung von Bildung von Ansatz dient. Die Messsonde ist außerhalb des Behälters mit einer Elektronikeinheit 7 verbunden, welche zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung verantwortlich ist. Insbesondere ermittelt die Elektronikeinheit des von der Messsonde empfangenen Antwortsignals oder der Antwortsignale den Füllstand des Mediums 3 in dem Behälter 2.In 1 is a typical design for a probe 1 shown, by means of which a predetermined level in the capacitive measuring method can be monitored. The measuring probe 1 is on a container 2 arranged and protrudes partially into this. The container in turn is at least partially with a medium 3 filled. The measuring probe 1 is in the present example of a measuring electrode 5 and a guard electrode 6 together, which serves to avoid formation of approach. The probe is outside the container with an electronics unit 7 connected, which is responsible for the signal acquisition, evaluation and / or feed. In particular, the electronic unit of the response signal received by the probe or the response signals determines the level of the medium 3 in the container 2 ,

Ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 7 ist Gegenstand von 2. Mittels eines Signalgenerators 9 wird ein periodisches Signal erzeugt. Dabei kann es sich entweder um ein konstantes Signal einstellbarer Frequenz handeln oder aber auch um einen Frequenz-Sweep. Mittels einer Messschaltung 8 wird die Messsonde 1 betrieben, sowie dass das Antwortsignal der Messsonde 1 bei unterschiedlichsten Frequenzen ausgewertet. Dazu wird im hier gezeigten Beispiel eine Admittanzmessung vorgenommen.A block diagram of an electronic unit according to the invention 7 is the subject of 2 , By means of a signal generator 9 a periodic signal is generated. This can either be a constant signal of adjustable frequency or else a frequency sweep. By means of a measuring circuit 8th becomes the measuring probe 1 operated, as well as that the response signal of the measuring probe 1 evaluated at different frequencies. For this purpose, an admittance measurement is made in the example shown here.

Um die Messsonde 1 zu beaufschlagen ist eine geeignete breitbandige Treiberschaltung 10 vorgesehen. Diese verstärkt das Anregesignal und prägt es einer Reihenschaltung bestehend aus der Messsonde 1 und einem über einen Analogschalter 11 zur Bereichsumschaltung wählbaren Shunt-Widerstand 12a, 12b in einem Widerstandsnetzwerk 12 auf. Über den jeweiligen Shunt-Widerstand 12a, 12b wird der Scheinstroms für die Admittanzmessung erzeugt.To the measuring probe 1 to act on is a suitable broadband driver circuit 10 intended. This amplifies the excitation signal and shapes it in a series circuit consisting of the measuring probe 1 and one via an analog switch 11 for range switching selectable shunt resistor 12a . 12b in a resistor network 12 on. About the respective shunt resistor 12a . 12b the apparent current is generated for the admittance measurement.

Über einen weiteren Analogschalter 13 werden das zur Beaufschlagung der Messsonde 1 verwendete Anrege- bzw. Treibersignal U_t bzw. und das von der Messsonde 1 empfangene Antwortsignal U_a an einen Mischer 14 weitergegeben. Bei dem Mischer 14 handelt es sich um eine diskret aufgebaute Schaltungsanordnung, die es ermöglicht durch Multiplikation des Messsignals mit einem zweiten zusätzlich erzeugten Signal U_z verschiedene Mischfrequenzen zu erzeugen. Insbesondere wird hierfür eine Abwärtsmischung realisiert, bei welcher das als Referenzsignal verwendete zweite zusätzlich erzeugte Signal U_z in Form eines Rechtecksignals eine konstante Frequenzdifferenz zum eigentlichen Antwortsignal U_a besitzt. Entsprechend wird am Ausgang des Mischers 14 die Differenzfrequenz der beiden Einfangsfrequenzen erzielt. Auf diese Weise kann aus dem Antwortsignal der Messsonde U_a ein transformiertes Antwortsignal konstanter Frequenz erzeugt werden.About another analog switch 13 become that for the admission of the measuring probe 1 used excitation or driver signal U _t or and that of the probe 1 received response signal U _a to a mixer 14 passed. At the mixer 14 it is a discretely constructed circuit arrangement, which makes it possible by multiplying the measurement signal with a second additionally generated signal U _z to produce different mixing frequencies. In particular, for this purpose, a downward mixing is realized in which the second additionally generated signal U _z used as the reference signal has a constant frequency difference to the actual response signal U _a in the form of a rectangular signal. Accordingly, at the output of the mixer 14 achieved the difference frequency of the two capture frequencies. In this way _, a transformed response signal of constant frequency can be generated from the response signal of the measuring probe U _a .

Schließlich ist dem Mischer 14 noch ein statisches Filter 15 nachgeschaltet, weil das Ausgangssignal des Mischers 14 durch die einfache diskrete Mischung viele verschiedene Frequenzen enthält. Das auf diese Weise transformierte Antwortsignal wird schließlich an den Mikrocontroller 16 weitergegeben und dort verarbeitet. Durch die Abwärtsmischung auf eine niedrige konstante Frequenz kann mit einem einfachen Mikrocontroller 16 mit integriertem Analog-Digital-Wandler gearbeitet werden. Als Konsequenz zeichnet sich die Messschaltung durch eine geringe Leistungsaufnahme und einen geringen Kostenaufwand aus.Finally, the mixer 14 another static filter 15 downstream, because the output signal of the mixer 14 by the simple discrete mixture contains many different frequencies. The response signal transformed in this way is finally sent to the microcontroller 16 passed on and processed there. By downconverting to a low constant frequency can be done with a simple microcontroller 16 be worked with integrated analog-to-digital converter. As a consequence, the measuring circuit is characterized by a low power consumption and a low cost.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Messsonde probe
22: Behälter container
33: Medium medium
44: Bewandung des Behälters Wasting the container
55: Messelektrode measuring electrode
66: Guardelektrode Guard electrode
77: Elektronikeinheit electronics unit
88th: Messschaltung measuring circuit
99: Signalgenerator signal generator
1010: Treiberstufe driver stage
11 11: Analogschalter zur Bereichsumschaltung Analog switch for range switching
1212: Widerstandsnetzwerk Resistor network
12a, 12b12a, 12b: Shunt-Widerstände Shunt resistors
1313: Analog-Schalter Analog switches
1414: Mischer mixer
1515: Filter filter
1616: Mikrocontroller microcontroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3212434 C2 [0003]
DE 102004008125 A1 [0004]
DE 102011003158 A1 [0007]
DE 102013107120 [0008]

Claims

Device for monitoring at least one physical or chemical process variable of a medium ( 2 ) in a container ( 3 ) with at least one measuring probe operated in the capacitive measuring mode ( 1 ) and an electronics unit ( 7 ), wherein the electronic unit ( 7 ) is adapted to the measuring probe ( 1 ) with an adjustable starting signal, wherein within the electronics unit ( 7 ) a measuring circuit ( 8th ), which is designed to be connected to the measuring probe ( 1 ) to be transformed independently of the frequency of the start signal into a response signal of a predetermined frequency, wherein within the electronic unit an evaluation unit ( 16 ), which is designed to determine the process variable from that of the measuring probe ( 1 ) to determine the transformed response signal obtained.

The device of claim 1, wherein the measurement circuit is configured to transform the excitation signal to the same frequency as the response signal, and wherein the evaluation unit is configured to determine from the transformed excitation signal and the transformed response signal the at least one process variable.

Apparatus according to claim 1, wherein the excitation signal for acting on the measuring probe ( 1 ) is a constant signal of adjustable frequency.

Apparatus according to claim 1, wherein the excitation signal for acting on the measuring probe ( 1 ) is given by a frequency sweep with successive signals of discrete frequencies which are within a predetermined frequency range.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein the starting signal is a rectangular signal, triangular signal or a sinusoidal signal.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein within the electronics unit ( 7 ) for generating the start signal, a signal generator ( 9 ) and a broadband driver circuit ( 10 ) are arranged.

Device according to at least claim 5, wherein the driver circuit ( 10 ) is a complementary push-pull stage, a voltage follower with current-feedback operational amplifier, or a voltage follower with voltage-feedback operational amplifier.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein an adjustable resistor network ( 12 ) with differently adjustable shunt resistors ( 12a . 12b ) is provided.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein within the measuring circuit ( 8th ) a mixer ( 14 ), which mixer ( 14 ) is adapted from the response signal of the measuring probe ( 1 ) generate a transformed constant frequency response signal, wherein a first signal for the mixer ( 14 ) that from the measuring probe ( 1 received response signal, wherein a second signal for the mixer is the excitation signal with which the measuring probe ( 1 ) is applied, and wherein a reference signal for the mixer is a signal with a constant predefinable frequency difference to the excitation signal.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein the mixer ( 14 ) is an analog down mixer, in particular a discretely constructed JFET mixer.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein the electronic unit ( 7 ) is configured so that the start signal and the response signal by the same switching branch to the evaluation unit ( 16 ) flow.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein between the measuring circuit ( 8th ) and the evaluation unit ( 16 ) a static filter ( 15 ) is integrated.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein the filter ( 15 ) is a static low-pass filter, in particular a static low-pass filter 6th order, whose frequency is adapted to the transformed response signal.

Device according to at least one of the preceding claims, wherein the at least one process variable is a continuous or predetermined fill level of a medium ( 2 ) in a container ( 3 ).

Method for monitoring at least one physical or chemical process variable of a medium ( 2 ) in a container ( 3 ) with at least one measuring probe operated in the capacitive measuring mode ( 1 ) and an electronics unit ( 7 ), whereby the measuring probe ( 1 ) is acted upon by an adjustable excitation signal, whereby that of the measuring probe ( 1 ) is transformed independently of the frequency of the start signal into a response signal of a predetermined frequency, and where the process variable from that of the measuring probe ( 1 ), the transformed response signal obtained is determined.