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DE102015117205A1 - Verfahren zum Messen der Permittiviät eines Materials - Google Patents

Verfahren zum Messen der Permittiviät eines Materials Download PDF

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DE102015117205A1 DE102015117205.4A DE102015117205A DE102015117205A1 DE 102015117205 A1 DE102015117205 A1 DE 102015117205A1 DE 102015117205 A DE102015117205 A DE 102015117205A DE 102015117205 A1 DE102015117205 A1 DE 102015117205A1
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Abstract

Ein Verfahren zum Messen der Permittivität (ε) eines Materials (30) umfasst die folgenden Schritte. Ein Messstab (14) eines Materialniveausensors (10) wird in einen Behälter (20) eingeführt. Der Materialniveausensor (10) setzt eine Materialniveaumessung des Materials (30) fort, um einen ersten Merkmalswert zu erhalten. Der Materialniveausensor (10) wird vertikal mit einem vertikalen Abstand (Hair) bewegt. Der Materialniveausensor (10) setzt die Materialniveaumessung fort, um einen zweiten Merkmalswert zu erhalten, und subtrahiert den ersten Merkmalswert vom zweiten Merkmalswert, um eine Merkmalswertvariation zu erhalten, und berechnet die Merkmalswertvariation, um die Permittivität (ε) des Materials (30) zu erhalten.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Permittivität und insbesondere ein Verfahren zum Messen einer Permittivität eines Materials.
  • Gegenwärtig werden Materialniveausensoren, beispielsweise die Zeitbereichs-Reflexionsradarsensoren, zum Messen des Materialniveaus weit verbreitet verwendet. Daher sind Materialniveausensoren sehr wichtig.
  • Viele Faktoren beeinflussen jedoch die Genauigkeit des Materialniveausensors, beispielsweise die Permittivität des Materials. Dies liegt daran, dass die Permittivität des Materials die Laufzeit der Messsignale im Material beeinflusst, so dass die Genauigkeit der Messung durch die Materialniveausensoren beeinträchtigt werden kann.
  • Gegenwärtig wird jedoch die Permittivität des Materials nach dem Installieren eines Materialniveausensors, beispielsweise des Zeitbereichs-Reflexionsradarsensors, nicht genau und bequem gemessen, so dass die Genauigkeit des Materialniveausensors verringert wird.
  • Zum Lösen der vorstehend erwähnten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Messen der Permittivität eines Materials bereitzustellen.
  • Um die vorstehend erwähnte Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird das Verfahren zum Messen der Permittivität eines Materials auf einen Materialniveausensor, einen Behälter und das Material angewendet. Der Materialniveausensor umfasst eine Materialniveau-Messschaltung und einen Messstab. Von oben nach unten besteht der Behälter aus einem Leerbereich und einem mit dem Material gefüllten Bereich. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Der Messstab des Materialniveausensors wird in den Behälter eingeführt, so dass sich ein Teil des Messstabs des Materialniveausensors im Leerbereich des Behälters befindet und sich der andere Teil des Messstabs des Materialniveausensors im gefüllten Bereich des Behälters befindet, dabei befindet sich der Materialniveausensor an einem ersten Ort. Nachdem der Materialniveausensor am ersten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor eine Materialniveaumessung des Materials fort, um einen ersten Merkmalswert zu erhalten. Nachdem der erste Merkmalswert erhalten wurde, wird der Materialniveausensor vertikal mit einem vertikalen Abstand bewegt, der Messstab des Materialniveausensors ist jedoch nicht vollkommen vom gefüllten Bereich des Behälters entfernt, und der Materialniveausensor befindet sich an einem zweiten Ort. Nachdem der Materialniveausensor am zweiten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor die Materialniveaumessung des Materials fort, um einen zweiten Merkmalswert zu erhalten. Die Materialniveau-Messschaltung subtrahiert den ersten Merkmalswert vom zweiten Merkmalswert, um eine Merkmalswertvariation zu erhalten. Die Materialniveau-Messschaltung berechnet die Merkmalswertvariation, um die Permittivität des Materials zu erhalten.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Permittivität des Materials gemessen und berechnet werden kann, um die Genauigkeit des Materialniveausensors zu verbessern.
  • 1 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Messen der Permittivität des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2a dass sich der Materialniveausensor am ersten Ort befindet,
  • 2b dass sich der Materialniveausensor am zweiten Ort befindet,
  • 3 ein Wellenformdiagramm einer Ausführungsform des ersten Zeitverlauf-Differenzwerts und des zweiten Zeitverlauf-Differenzwerts,
  • 4a einen Teil des Verfahrens zum Messen der Tiefe des Materials, und
  • 4b einen anderen Teil des Verfahrens zum Messen der Tiefe des Materials,
  • Für den technischen Inhalt der vorliegenden Erfindung sei auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Figuren verwiesen. Die folgende detaillierte Beschreibung und die Figuren beziehen sich auf die vorliegende Erfindung, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Messen der Permittivität des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung. 2a zeigt, dass sich der Materialniveausensor am ersten Ort befindet. 2b zeigt, dass sich der Materialniveausensor am zweiten Ort befindet.
  • Ein Verfahren zum Messen einer Permittivität ε eines Materials 30 gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf einen Materialniveausensor 10, einen Behälter 20 und das Material 30 angewendet. Der Materialniveausensor 10 umfasst eine Materialniveau-Messschaltung 12 und einen Messstab 14. Von oben nach unten besteht der Behälter 20 aus einem Leerbereich 22 und einem mit dem Material 30 gefüllten Bereich 24. Nämlich befinden sich im Behälter 20 von oben nach unten der Leerbereich 22 und der mit dem Material 30 gefüllte Bereich 24. Der Materialniveausensor 10 ist beispielsweise ein Zeitbereichs-Reflexionsradarsensor, er ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte.
  • Zuerst sei auf 1 und 2a Bezug genommen.
  • Schritt S02: Der Messstab 14 des Materialniveausensors 10 wird in den Behälter 20 eingeführt, so dass sich ein Teil des Messstabs 14 des Materialniveausensors 10 im Leerbereich 22 des Behälters 20 befindet und sich der andere Teil des Messstabs 14 des Materialniveausensors 10 im gefüllten Bereich 24 des Behälters 20 befindet, wobei sich der Materialniveausensor 10 an einem ersten Ort befindet (wie in 2a dargestellt ist).
  • Schritt S04: Nachdem der Materialniveausensor 10 am ersten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor 10 eine Materialniveaumessung des Materials 30 fort, um einen ersten Merkmalswert zu erhalten (wird nachstehend detailliert beschrieben).
  • Schritt S06: Nachdem der erste Merkmalswert erhalten wurde, wird der Materialniveausensor 10 vertikal mit einem vertikalen Abstand Hair (oder einem vertikalen Abstand Hm) bewegt, der Messstab 14 des Materialniveausensors 10 ist jedoch nicht vollkommen vom gefüllten Bereich 24 des Behälters 20 entfernt, und der Materialniveausensor 10 befindet sich an einem zweiten Ort (wie in 2b dargestellt ist). Ferner gleicht der vertikale Abstand Hair dem vertikalen Abstand Hm.
  • Schritt S08: Nachdem der Materialniveausensor 10 am zweiten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor 10 die Materialniveaumessung des Materials 30 fort, um einen zweiten Merkmalswert zu erhalten (wird nachstehend detailliert beschrieben).
  • Schritt S10: Die Materialniveau-Messschaltung 12 subtrahiert den ersten Merkmalswert vom zweiten Merkmalswert, um eine Merkmalswertvariation zu erhalten (wird nachstehend detailliert beschrieben).
  • Schritt S12: Die Materialniveau-Messschaltung 12 berechnet die Merkmalswertvariation, um die Permittivität ε des Materials 30 zu erhalten (wird nachstehend detailliert beschrieben).
  • Die vorstehend erwähnten Schritte S02 und S04 werden folgendermaßen detailliert beschrieben. Es sei wieder auf 1 und 2a Bezug genommen.
  • Wenn sich der Materialniveausensor 10 am ersten Ort befindet (wie in 2a dargestellt ist), ist eine Länge des Teils des Messstabs 14 des Materialniveausensors 10 im Leerbereich 22 des Behälters 20 eine erste Länge dair, und die Länge des anderen Teils des Messstabs 14 des Materialniveausensors 10 im gefüllten Bereich 24 des Behälters 20 ist eine zweite Länge dm.
  • Der erste Merkmalswert ist ein erster Zeitverlauf-Differenzwert t1. Der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1 gleicht einer ersten Zeit t01 zuzüglich einer zweiten Zeit t02. Die erste Zeit t01 gleicht dem Doppelten der ersten Länge dair, dividiert durch eine Luft-Wellen-Geschwindigkeit Vair. Die zweite Zeit t02 gleicht dem Doppelten der zweiten Länge dm, dividiert durch eine Material-Wellen-Geschwindigkeit Vm.
  • Das vorstehend Erwähnte kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: t1 = t01 + t02 = (2·dair/Vair) + (2·dm/Vm)
  • Die vorstehend erwähnten Schritte S06 und S08 werden folgendermaßen detailliert beschrieben. Es sei wieder auf 1 und 2b Bezug genommen. Eine dritte Länge d3 gleicht der ersten Länge dair zuzüglich des vertikalen Abstands Hair. Eine vierte Länge d4 gleicht der zweiten Länge dm abzüglich des vertikalen Abstands Hm (nämlich gleicht die zweite Länge dm der vierten Länge d4 zuzüglich des vertikalen Abstands Hm).
  • Die zweite Merkmalswert ist ein zweiter Zeitverlauf-Differenzwert t2. Der zweite Zeitverlauf-Differenzwert t2 gleicht einer dritten Zeit t03 zuzüglich einer vierten Zeit t04. Die dritte Zeit t03 gleicht dem Doppelten der dritten Länge d3, dividiert durch die Luft-Wellen-Geschwindigkeit Vair. Die vierte Zeit t04 gleicht dem Doppelten der vierten Länge d4, dividiert durch die Material-Wellen-Geschwindigkeit Vm.
  • Das vorstehend Erwähnte kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: t2 = t03 + t04 = (2·d3/Vair) + (2·d4/Vm) = [2·(dair + Hair)/Vair] + [2·(dm – Hm)/Vm]
  • Ferner gleicht der vertikale Abstand Hair dem vertikalen Abstand Hm.
  • Der vorstehend erwähnte Schritt S10 wird folgendermaßen detailliert beschrieben. Der erste Merkmalswert (nämlich der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1) abzüglich des zweiten Merkmalswerts (nämlich des zweiten Zeitverlauf-Differenzwerts t2) gleicht der Merkmalswertvariation. Gemäß den vorstehend erwähnten Gleichungen gleicht die Merkmalswertvariation dem negativen Doppelwert des vertikalen Abstands Hair, dividiert durch die Luft-Wellen-Geschwindigkeit Vair und dann zuzüglich des Doppelten des vertikalen Abstands Hm, dividiert durch die Material-Wellen-Geschwindigkeit Vm.
  • Das vorstehend Erwähnte kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: Die Merkmalswertvariation = t1 – t2 = (–2·Hair/Vair) + (2·Hm/Vm)
  • 3 zeigt ein Wellenformdiagramm einer Ausführungsform des ersten Zeitverlauf-Differenzwerts und des zweiten Zeitverlauf-Differenzwerts. Es sei auf 2a und 2b Bezug genommen. Wie in 3 dargestellt ist, ist gemäß einer Ausführungsform die Luft-Wellen-Geschwindigkeit Vair größer als die Material-Wellen-Geschwindigkeit Vm, so dass der zweite Zeitverlauf-Differenzwert t2 kleiner als der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1 ist. Und zwar ist der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1 größer als der zweite Zeitverlauf-Differenzwert t2.
  • Der vorstehend erwähnte Schritt S12 wird folgendermaßen detailliert beschrieben. Die Merkmalswertvariation wird berechnet, um die Permittivität ε des Materials 30 zu erhalten. Überdies ist die Luft-Wellen-Geschwindigkeit Vair eine Konstante c. Die Quadratwurzel der Permittivität ε ist ein Quadratwurzelwert √ε. Die Material-Wellen-Geschwindigkeit Vm gleicht der Konstante c, dividiert durch den Quadratwurzelwert √ε.
  • Das vorstehend Erwähnte kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: Vm = c/√ε Daher ist die Merkmalswertvariation = t1 – t2 = (–2·Hair/Vair) + (2·Hm/Vm) = (–2·Hair/c) + [2·Hm/(c/√ε)] = (–2·Hair/c) + (√ε·2·Hm/c) = (–2·Hair/c) + (√ε·2·Hair/c) = 2·Hair·(√ε – 1)/c Daher ist die Merkmalswertvariation·c/(2·Hair) = √ε – 1 [die Merkmalswertvariation·c/(2·Hair)] + 1 = √ε {[die Merkmalswertvariation·c/(2·Hair)] + 1}2 = ε
  • Wie vorstehend erwähnt wurde, gleicht der erste Merkmalswert (nämlich der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1) abzüglich des zweiten Merkmalswerts (nämlich des zweiten Zeitverlauf-Differenzwerts t2) der Merkmalswertvariation. Der erste Zeitverlauf-Differenzwert t1 und der zweite Zeitverlauf-Differenzwert t2 können durch den Materialniveausensor 10 erhalten werden. Daher wird die Merkmalswertvariation erhalten. Die Konstante c und der vertikale Abstand Hair sind bekannt. Daher wird gemäß den vorstehend erwähnten Gleichungen die Permittivität ε erhalten.
  • Gemäß der durch das vorstehend erwähnte erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Permittivität ε kann die Tiefe (nämlich das Niveau) des Materials 30 durch die Verwendung der Permittivität ε erhalten werden. Dies wird folgendermaßen detailliert beschrieben.
  • 4a zeigt einen Teil des Verfahrens zum Messen der Tiefe des Materials. 4b zeigt einen anderen Teil des Verfahrens zum Messen der Tiefe des Materials. Lm gibt die Tiefe (nämlich das Niveau) des Materials 30 an. Lt gibt die Messstablänge des Messstabs 14 (nämlich eine Tiefe des Behälters 20) an. t3 gibt einen dritten Zeitverlauf-Differenzwert an. t4 gibt einen vierten Zeitverlauf-Differenzwert an. Daher werden die folgenden Gleichungen erhalten. t3 = [2·(Lt – Lm)/Vair] + (2·Lm/Vm) t4 = 2·Lt/Vair Vair = c Vm = c/√ε t3 – t4 = (–2·Lm/c) + [2·Lm/(c/√ε)] = (–2·Lm/c) + (2·Lm·√ε/c) = 2·Lm·(√ε – 1)/c
  • Der dritte Zeitverlauf-Differenzwert t3, der vierte Zeitverlauf-Differenzwert t4, die Permittivität ε und die Konstante c sind bekannt, so dass die Tiefe Lm des Materials 30 entsprechend den vorstehend erwähnten Gleichungen erhalten wird.
  • Um die Verwendbarkeit des Materialniveausensors 10 zu erhöhen, umfasst der Materialniveausensor 10 überdies eine Zeitexpandierschaltung (in den 2a, 2b, 4a oder 4b nicht dargestellt und in der Materialniveau-Messschaltung 12 angeordnet). Die Zeitexpandierschaltung multipliziert die vorstehend erwähnte Merkmalswertvariation (nämlich t1 – t2 oder t3 – t4) mit einem Verstärkungswert, so dass eine Einheit der Merkmalswertvariation von einer Mikrosekunde zu einer Millisekunde multipliziert wird. Daher wird die Verwendbarkeit des Materialniveausensors 10 erhöht.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Permittivität ε des Materials 30 gemessen und berechnet werden kann, um die Genauigkeit des Materialniveausensors 10 zu verbessern.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf ihre Einzelheiten beschränkt ist. Verschiedene Substitutionen und Modifikationen wurden in der vorstehenden Beschreibung vorgeschlagen, und andere werden Fachleuten einfallen. Daher sollen alle solche Substitutionen und Modifikationen innerhalb des in den anliegenden Ansprüchen definierten Schutzumfangs der Erfindung eingeschlossen sein.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Messen einer Permittivität (ε) eines Materials (30), wobei das Verfahren auf einen Materialniveausensor (10), einen Behälter (20) und das Material (30) angewendet ist, der Materialniveausensor (10) eine Materialniveau-Messschaltung (12) und einen Messstab (14) umfasst, der Behälter (20) von oben nach unten aus einem Leerbereich (22) und einem mit dem Material (30) gefüllten Bereich (24) besteht, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: a. Der Messstab (14) des Materialniveausensors (10) wird in den Behälter (20) eingeführt, so dass sich ein Teil des Messstabs (14) des Materialniveausensors (10) im Leerbereich (22) des Behälters (20) befindet und sich der andere Teil des Messstabs (14) des Materialniveausensors (10) im gefüllten Bereich (24) des Behälters (20) befindet und wobei sich der Materialniveausensor (10) an einem ersten Ort befindet, b. nachdem der Materialniveausensor (10) am ersten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor (10) eine Materialniveaumessung des Materials (30) fort, um einen ersten Merkmalswert zu erhalten, c. nachdem der erste Merkmalswert erhalten wurde, wird der Materialniveausensor (10) vertikal mit einem vertikalen Abstand (Hair) bewegt, der Messstab (14) des Materialniveausensors (10) ist jedoch nicht vollkommen vom gefüllten Bereich (24) des Behälters (20) entfernt, und der Materialniveausensor (10) befindet sich an einem zweiten Ort, d. nachdem der Materialniveausensor (10) am zweiten Ort angeordnet wird, setzt der Materialniveausensor (10) die Materialniveaumessung des Materials (30) fort, um einen zweiten Merkmalswert zu erhalten, e. die Materialniveau-Messschaltung (12) subtrahiert den ersten Merkmalswert vom zweiten Merkmalswert, um eine Merkmalswertvariation zu erhalten, und f. die Materialniveau-Messschaltung (12) berechnet die Merkmalswertvariation, um die Permittivität (ε) des Materials (30) zu erhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Materialniveausensor (10) ein Zeitbereichs-Reflexionsradarsensor ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Merkmalswert ein erster Zeitverlauf-Differenzwert (t1) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Merkmalswert ein zweiter Zeitverlauf-Differenzwert (t2) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei, wenn sich der Materialniveausensor (10) am ersten Ort befindet, eine Länge des Teils des Messstabs (14) des Materialniveausensors (10) im Leerbereich (22) des Behälters (20) eine erste Länge (dair) ist und eine Länge des anderen Teils des Messstabs (14) des Materialniveausensors (10) im gefüllten Bereich (24) des Behälters (20) eine zweite Länge (dm) ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zeitverlauf-Differenzwert (t1) einer ersten Zeit (t01) zuzüglich einer zweiten Zeit (t02) gleicht, die erste Zeit (t01) dem Doppelten der ersten Länge (dair), dividiert durch eine Luft-Wellen-Geschwindigkeit (Vair), gleicht und die zweite Zeit (t02) dem Doppelten der zweiten Länge (dm), dividiert durch eine Material-Wellen-Geschwindigkeit (Vm), gleicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine dritte Länge (d3) der ersten Länge (dair) zuzüglich des vertikalen Abstands (Hair) gleicht und die vierte Länge (d4) der zweiten Länge (dm) abzüglich des vertikalen Abstands (Hm) gleicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der zweite Zeitverlauf-Differenzwert (t2) einer dritten Zeit (t03) zuzüglich einer vierten Zeit (t04) gleicht, die dritte Zeit (t03) dem Doppelten der dritten Länge (d3), dividiert durch die Luft-Wellen-Geschwindigkeit (Vair), gleicht und die vierte Zeit (t04) dem Doppelten der vierten Länge (d4), dividiert durch die Material-Wellen-Geschwindigkeit (Vm), gleicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Luft-Wellen-Geschwindigkeit (Vair) eine Konstante (c) ist, die Quadratwurzel der Permittivität (ε) ein Quadratwurzelwert (√ε) ist und die Material-Wellen-Geschwindigkeit (Vm) der Konstante (c), dividiert durch den Quadratwurzelwert (√ε) gleicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Materialniveausensor (10) ferner eine Zeitexpandierschaltung umfasst, wobei die Zeitexpandierschaltung die Merkmalswertvariation mit einem Verstärkungswert multipliziert, so dass eine Einheit der Merkmalswertvariation von einer Mikrosekunde zu einer Millisekunde multipliziert wird.
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