[发明专利]用于确定介电常数的TDR测量装置

说明书

本发明涉及一种TDR测量装置，该TDR测量装置用于确定流经管道(1)的介质(2)的介电常数和可能根据介电常数推导的材料性质，特别是含水量和/或电导率，该TDR测量装置具有：信号产生电子器件(3)，该信号产生电子器件(3)产生TDR测量信号；发送和/或接收电子器件(4)，该发送和/或接收电子器件(4)发射和/或接收TDR测量信号；耦入/耦出装置(5)，该耦入/耦出装置(5)将TDR测量信号耦合到预定长度(L)的导电测量探头(6)中或将所述信号从测量探头(6)耦出；以及控制/评估电子器件(7)，该控制/评估电子器件(7)使用TDR测量信号在测量探头(6)上的传播时间来确定介电常数和可能根据所述介电常数推导的材料性质，尤其是含水量和/或电导率，其中测量探头(6)以电绝缘方式被布置在介质(2)所流经的管道(1)的内部(8)之外，或者其中测量探头(6)被放置在管道(1)中，使得测量探头(6)的面对介质(2)的外表面以与管道(1)的面对介质(2)的内表面齐平的方式终止，并且测量探头(6)被配置为使得测量信号在测量探头(6)上的传播时间和/或振幅取决于流经管道(1)的介质(2)的介电常数。

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c₀。在真空之外，传播速度c仅取决于波在其中传播的材料的介电常数εr和磁导率μr。在非磁性材料中，磁导率可以被设置为等于1，因此传播速度仅取决于介电常数(DK)。

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。