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Title:
DIELECTRIC CONSTANT-MEASURING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/194144
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a high-frequency-based measuring device (1) for determining the dielectric constant of media (2), comprising the following components: at least one first high-frequency electrode (11) which can be arranged in the medium (2) and which has a geometry such that phase-related discontinuities (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) are produced within a defined high-frequency band (∆f); a signal-generating unit (12) for coupling an electric high-frequency signal (sHF) into the first electrode (11), said high-frequency signal (sHF) comprising the frequency (f) of the discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2); and an analysis unit (13) which decouples the high-frequency signal (rHF) from the first electrode or a receiving electrode (11, 14) in order to ascertain the discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2) using the decoupled high-frequency signal (rHF) such that the dielectric constant (DK) of the medium (2) can be determined using the ascertained discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2). Advantageously, a high degree of measurement resolution can be achieved with limited hardware costs. Furthermore the measuring device (1) is capable of recalibrating itself by analyzing the phase-related discontinuity (f'1; ϕ'1, f'2; ϕ'2).

Inventors:
BLÖDT THOMAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2023/057907
Publication Date:
October 12, 2023
Filing Date:
March 28, 2023
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS HAUSER SE GMBH CO KG (DE)
International Classes:
G01N22/00
Domestic Patent References:
WO2022033831A12022-02-17
Foreign References:
US20140252250A12014-09-11
DE102020121154A12022-02-17
EP3929572A12021-12-29
DE102018130260A12020-06-04
DE102017130728A12019-06-27
Attorney, Agent or Firm:
BÜKER, Florian (DE)
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Claims:
Patentansprüche 1. Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes (DK) eines Mediums (2), umfassend: - Zumindest eine erste, im Medium (2) anordbare Hochfrequenz-Elektrode (11), wobei die erste Elektrode (11) eine derartige Geometrie aufweist, so dass die erste Elektrode (11) innerhalb eines definierten Hochfrequenz-Bandes (∆f) zumindest eine phasenbezogene Unstetigkeit (f‘1; ϕ‘1, f‘2; ϕ‘2) aufweist, - eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, um ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (sHF) derart in die erste Elektrode (11) einzukoppeln, so dass das Hochfrequenz-Signal (sHF) die Frequenz (f) der Unstetigkeit (f‘1; f‘2; ϕ‘2) umfasst, und - eine Auswerte-Einheit (13), die ausgelegt ist, o um das Hochfrequenz-Signal (rHF) aus der ersten Elektrode (11) und/oder aus einer zweiten Elektrode (14) auszukoppeln, o um anhand des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals (rHF) die zumindest eine Unstetigkeit (f‘1; ϕ‘1, f‘2; ϕ‘2) zu ermitteln, und o um zumindest anhand der ermittelten Unstetigkeit (f‘1; ϕ‘1, f‘2; ϕ‘2) den Dielektrizitätswert (DK) des Mediums (2) zu bestimmen. 2. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (11) bzw. die etwaige zweite Elektrode (14) einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen/aufweist, und/oder wobei sich die erste Elektrode (11) bzw. die etwaige zweite Elektrode (14) mit zunehmender Länge insbesondere konisch verjüngen/verjüngt. 3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Elektrode (14) in einem definierten Abstand (d) insbesondere parallel zur ersten Elektrode (12) angeordnet ist, wobei der Abstand (d) maximal ein Viertel derjenigen Wellenlänge (λ) beträgt, welche einer maximalen Frequenz (f) des Hochfrequenz-Signals (sHF) entspricht, um das Hochfrequenz-Signal (rHF) zur Bestimmung der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2) nach Durchgang durch das Medium (2) zu empfangen. 4. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte-Einheit (13) zur Bestimmung der der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2) einen Netzwerkanalysator umfasst, und/oder wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals (sHF) einen phasengesteuerten Regelkreis umfasst. 5. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Hochfrequenz-Signal (sHF) derart zu erzeugen, dass sich die Frequenz (f) über das Hochfrequenz-Band (∆f) zeitlich wiederkehrend insbesondere linear ändert. 6. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (11) derart ausgelegt und das Hochfrequenz-Band (∆f) derart gewählt ist, dass an die Unstetigkeit (∆f1) ein erster Frequenzbereich (∆f1) angrenzt, in welchem die Phasenlage (ϕ) eine frequenzbezogene, insbesondere zunehmende Mindest-Phasenänderung überschreitet. 7. Verfahren zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) mittels des Messgerätes (1) nach Anspruch 6, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Ermittlung einer Kalibrationskurve unter bekanntem Dielektrizitätswert (DK), wobei die Kalibrationskurve die Phase (ϕ) des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals (rHF) innerhalb des Frequenzbandes (∆f) in Abhängigkeit der Frequenz (f) des Hochfrequenz-Signals (sHF, rHF) darstellt, - Interpolation einer Kurve, insbesondere einer Gerade (a), auf Basis o der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1) der vorliegenden Kalibrationskurve und o der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1) einer aktuellen Messkurve, - derartiges Verschieben der Kurve (a) um eine definierte Frequenz (fa), so dass eine resultierende Kurve (a‘) die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich (∆f1) schneidet, - Bestimmung einer Steigung (m) der Messkurve im ersten Frequenzbereich (∆f1) anhand o des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Kurve (a‘) und der Messkurve, sowie o der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1) der Messkurve, und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes (DK) anhand der Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1) der Messkurve und der Steigung (m) der Messkurve im ersten Frequenzbereich (∆f1). 8. Verfahren zur Einstellung des Frequenzbandes (∆f) im Messgerät (1) nach einem Ansprüche 5 bis 6, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einkoppeln des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) in die erste Elektrode (11) über einen voreingestellten Frequenzumfang, - Erfassung der zumindest einen phasenbezogenen Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2) sowie Bestimmung des ersten Frequenzbereichs (∆f1) und des zweiten Frequenzbereichs (∆f2) innerhalb des Frequenzumfanges, und - derartige Einstellung des Frequenzbandes (∆f) innerhalb des Frequenzumfangs, so dass das Frequenzband (∆f) zumindest die eine phasenbezogene Unstetigkeit (f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2) und den ersten Frequenzbereich (∆f1) umfasst.
Description:
Dielektrizitätswert-Messgerät Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums. In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu erfassenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben. Die Bestimmung des Dielektrizitätswertes (auch bekannt als „Dielektrizitätszahl“ oder „Relative Permittivität“) diverser Medien ist sowohl bei Feststoffen, als auch bei flüssigen und gasförmigen Füllgütern, wie beispielsweise Treibstoffen, Abwässern, Gasen, Gasphasen oder Chemikalien von großem Interesse, da dieser Wert einen zuverlässigen Indikator für Verunreinigungen, den Feuchtegehalt, die Stoffkonzentration bzw. die Stoffzusammensetzung darstellen kann. Hochfrequenz-technisch kann der Dielektrizitätswert eines Mediums beispielsweise bestimmt werden, indem die Amplitude, die Phasenverschiebung oder die Signal-Laufzeit von Hochfrequenz- Signalen bei Durchgang durch das Medium gemessen wird. Dazu wird ein Hochfrequenz-Signal mit einer definierten Frequenz bzw. innerhalb eines definierten Frequenzbandes in das Medium eingekoppelt: Nach Durchgang durch das Medium wird das Hochfrequenz-Signal bezüglich seiner Amplitude, Phasenlage oder Signallaufzeit in Bezug zum ausgesendeten Hochfrequenz-Signal ausgewertet. Dabei bezieht sich der Begriff „Hochfrequenz-Signal“ im Kontext dieser Patentanmeldung auf entsprechende Signale mit Frequenzen zwischen 10 MHz und 300 GHz. Phasenbasierte Dielektrizitätswert-Messgeräte werden beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 102017130728 A1 beschrieben. Dort wird der Effekt genutzt, dass die Signallaufzeit des vor- und rücklaufenden Hochfrequenz-Signals und somit die Phasenverschiebung entlang einer Mess- Elektrode vom Dielektrizitätswert desjenigen Mediums abhängt, das die Mess-Elektrode vorherrscht. Die Veröffentlichungsschrift WO 2022033831 A1 beschreibt ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät mit zwei Elektroden. Dabei wird in eine der Elektroden das Hochfrequenz-Signal eingekoppelt, um ein entsprechendes Nahfeld zu erzeugen. Im Empfangsbereich des Nahfeldes ist eine weitere Elektrode angeordnet, um das Hochfrequenz-Signal nach Durchgang durch das Medium zu empfangen. Hierdurch resultiert in der Empfangs-Elektrode wiederum eine messbare Phasenverschiebung, über welche sich der Dielektrizitätswert des Mediums bestimmen lässt. Nachteilhaft an diesen Messprinzipien ist unter anderem, dass mittels der gemessenen Phasenverschiebung zumindest ohne vorherige Kalibration lediglich ein relativer Dielektrizitätswert bestimmbar ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung des Dielektrizitätswertes bereitzustellen, mittels dem der Dielektrizitätswert von Medien mit geringem technischen Aufwand und ohne vorherige Kalibration bestimmt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Hochfrequenz-basiertes Messgerät zur Bestimmung eines Dielektrizitätswertes eines Mediums, das folgende Komponenten umfasst: - Zumindest eine erste, im Medium anordbare Hochfrequenz-Elektrode, wobei die erste Elektrode eine derartige Geometrie aufweist, so dass die erste Elektrode innerhalb eines definierten Hochfrequenz-Bandes zumindest eine phasenbezogene Unstetigkeit aufweist, - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, um ein elektrisches Hochfrequenz-Signal derart in die erste Elektrode einzukoppeln, so dass das Hochfrequenz-Signal die Frequenz der Unstetigkeit umfasst, und - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o um das Hochfrequenz-Signal aus der ersten Elektrode und/oder aus einer zweiten Elektrode auszukoppeln, o um anhand des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals die zumindest eine Unstetigkeit zu ermitteln, und o um zumindest anhand der ermittelten Unstetigkeit den Dielektrizitätswert des Mediums zu bestimmen. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Bestimmung des Dielektrizitätswertes auf Basis der Unstetigkeit ist, dass mit begrenztem Hardware-Aufwand eine sehr hohe Messauflösung erreichbar ist. Zur Bestimmung der Unstetigkeit kann die Auswerte-Einheit dementsprechend beispielsweise einen Netzwerkanalysator umfassen. Um das Hochfrequenz-Signal zu erzeugen, kann die Signalerzeugungs-Einheit analog zum Radar-basieren FMCW-Verfahren beispielsweise auf einem phasengesteuerten Regelkreis basieren. Des Weiteren wird das Messgerät durch die Auswertung der phasenbezogenen Unstetigkeit in die Lage versetzt, sich selbst kalibrieren zu können. Der Begriff „ Unstetigkeit“ richtet sich dabei nicht ausschließlich nach der mathematischen Definition. Darüber hinaus wird unter diesem Begriff auch eine begrenzte Zone zwischen zwei Frequenz-Bereichen verstanden, in denen sich die Phasenlage unterschiedlich, aber jeweils überwiegend linear ändert. Dabei bedeutet „begrenzt“, dass diese Zone im Vergleich zu den Frequenzbereichen vernachlässigbar klein ist, also bspw. maximal 1/20. Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie ein FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Um eine oder mehrere phasenbezogene Unstetigkeiten zu bewirken, kann die erste Elektrode bzw. die etwaige zweite Elektrode insbesondere - einen runden oder einen elliptischen Querschnitt aufweisen, und/oder - sich mit zunehmender Länge insbesondere konisch oder parabelförmig verjüngen oder verbreitern. Da der Dielektrizitätswert insbesondere von feuchtehaltigen Medin stark Temperaturabhängig ist, kann zur Temperaturkompensation der Dielektrizitätswert-Messung im Inneren der Sende-Elektrode oder im Inneren der Empfangs-Elektrode ein Temperatur-Sensor, wie beispielsweise ein kapazitiver Sensor oder ein Widerstands-basierter Sensor angeordnet werden. Demensprechend kann die Auswerte-Einheit bei geeigneter Auslegung anhand des Temperatur-Sensors den Dielektrizitätswert des Mediums temperaturkompensiert bestimmen, beispielsweise auf Basis einer Look-up Table oder einer Kompensationsfunktion. Sofern das Messgerät auf dem transmittiven Prinzip ausgelegt ist und dementsprechend eine zweite Elektrode als Empfangs-Elektrode umfasst, ist es besonders vorteilhaft, wenn diese in einem definierten Abstand und möglichst parallel zur ersten Sende-Elektrode angeordnet ist. Dabei ist der Abstand mit höchstens einem Viertel der minimalen Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals auszulegen. Hierdurch befindet sich die Empfangs-Elektrode im Nahfeld der Sende-Elektrode, um das Hochfrequenz-Signal zur Bestimmung der Unstetigkeit nach Durchgang durch das Medium verlustarm zu empfangen. Hierdurch wird der Leistungsverbrauch des Messgerätes gesenkt bzw. dessen Sensitivität erhöht. Korrespondierend hierzu kann die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt werden, um das Hochfrequenz-Signal derart zu erzeugen, dass sich dessen Frequenz über das Hochfrequenz-Band zeitlich wiederkehrend insbesondere linear ändert, damit das Hochfrequenz- Signal die Frequenz der Unstetigkeit umfasst. Die Auflösung und insbesondere die Sensitivität der erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert- Messung kann weiter erhöht werden, sofern die erste Elektrode derart ausgelegt ist und das Hochfrequenz-Band derart gewählt wird, dass an die Unstetigkeit innerhalb des Frequenzbandes ein erster Frequenzbereich angrenzt, in welchem die Phasenlage eine frequenzbezogene, insbesondere zunehmende Mindest-Phasenänderung überschreitet. In diesem Fall kann mittels des erfindungsgemäßen Messgerätes der Dielektrizitätswert auf Basis folgernder Verfahrensschritte mit äußerster Sensitivität ermittelt werden: - Ermittlung einer Kalibrationskurve unter bekanntem Dielektrizitätswert, wobei die Kalibrationskurve die Phase des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals innerhalb des Frequenzbandes in Abhängigkeit der Frequenz des Hochfrequenz-Signals darstellt, - Interpolation einer Kurve, insbesondere einer Gerade, auf Basis o der Unstetigkeit der vorliegenden Kalibrationskurve und o der Unstetigkeit einer aktuellen Messkurve, - derartiges Verschieben der Kurve um eine definierte Frequenz, so dass eine resultierende Kurve die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich schneidet, - Bestimmung einer Steigung der Messkurve im ersten Frequenzbereich anhand o des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Kurve und der Messkurve, sowie o der Unstetigkeit der Messkurve, und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes anhand der Unstetigkeit der Messkurve und der Steigung der Messkurve im ersten Frequenzbereich. Je nach Auslegung der Elektroden ist ggf. nicht genau bekannt, an welchen Stellen des Frequenzbandes sich entsprechende Unstetigkeiten befinden. Hierdurch ist es nötig, das Frequenzband entsprechend weit auszulegen. Durch ein unverhältnismäßig weit ausgelegtes Frequenzband erhöht sich jedoch einerseits die Leistungsaufnahme der Signalerzeugungs-Einheit. Andererseits erhöht sich mit der Weite des Frequenzbandes auch der Rechen- bzw. Auswertungs- Aufwand an der Auswerte-Einheit. Ein mögliches Verfahren, mittels dem das erfindungsgemäße Messgerät die Weite des Frequenzbandes automatisch so weit wie möglich reduzieren kann, umfasst daher folgende Verfahrensschritte: - Einkoppeln des elektrischen Hochfrequenz-Signals in die erste Elektrode über einen voreingestellten bzw. technisch maximal möglichen Frequenzumfang, - Erfassung von zumindest einer phasenbezogenen Unstetigkeit innerhalb dieses Frequenzumfanges, - Bestimmung des ersten Frequenzbereichs und des zweiten Frequenzbereichs innerhalb des Frequenzumfanges, und - derartige Einstellung des Frequenzbandes innerhalb des Frequenzumfangs, so dass das Frequenzband zumindest die eine phasenbezogene Unstetigkeit und den ersten Frequenzbereich umfasst. Hieraus resultiert, dass das anschließend eingestellte Frequenzband in Bezug zu der bzw. den jeweiligen Elektroden lediglich so weit wie nötig ist. Auf dieser Basis ist es außerdem denkbar, den Typ an Elektrode/Elektroden nachträglich zu wechseln und das Verfahren nach dem Wechsel durchzuführen bzw. zu wiederholen. Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig.1: Ein erfindungsgemäßes Dielektrizitätswert-Messgerät an einem Behälter, und Fig.2: ein Verlauf der Phase an der Empfangs-Elektrode des erfindungsgemäßen Messgerätes in Abhängigkeit der Frequenz. Zum Verständnis des erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messgerätes 1 ist in Fig.1 eine schematische Anordnung des Messgerätes 1 an einem Behälter 3 gezeigt: Dabei ist der Behälter 3 mit einem Medium 2 gefüllt, dessen Dielektrizitätswert DK zu bestimmen ist. Um den Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 bestimmen zu können, ist das Messgerät 1 über einen seitlichen Außenanschluss des Behälters 3, wie bspw. einen Flansch der Größe DN50 derart befestigt, dass es in Verbindung mit dem Behälter-Inneren bzw. dem Medium 2 steht. Optional kann das Messgerät 1 mit einer übergeordneten Einheit 4, wie zum Beispiel einem Prozessleitsystem kontaktiert werden. Als Schnittstelle kann etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART“ oder „Ethernet“ implementiert sein. Hierüber kann der Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 beispielsweise als Betrag, oder komplexwertig mit Realteil und Imaginärteil übermittelt werden. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden. Die in Fig.1 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 ermittelt den Dielektrizitätswert DK des Mediums 2 transmittiv, also indem Hochfrequenz-Signale sHF über eine Sende-Elektrode 11 ausgesendet und im Anschluss durch eine Empfangs-Elektrode 14 empfangen werden. Dabei wird das jeweilige Hochfrequenz-Signal s HF in einer hierfür ausgelegten Signalerzeugungs-Einheit 12 des Messgerätes 1 erzeugt und in die Sende-Elektrode 11 eingekoppelt. Durch die Auslegung mittels zweier Elektroden 11, 14 wird das Medium 2 über eine definierte Mess-Strecke durchstrahlt. Aufgrund dieser Positionierung der Empfangs-Elektrode 14 in Bezug zur Sende-Elektrode 11 wird die Empfindlichkeit der Dielektrizitätswert-Messung optimiert. Weiter verbessert wird dies, sofern beide Elektroden 11, 14 dieselbe Geometrie bzw. dieselbe Länge aufweisen, wie es in Fig.1 schematisch dargestellt ist. Hochfrequenztechnisch ist es irrelevant, ob die Elektroden 11, 14 komplett aus einem leitfähigen Material gefertigt sind, wie beispielsweise gedrehtem Edelstahl, oder ob die Elektroden 11, 14 lediglich eine elektrisch leitfähige Oberflächen-Beschichtung ausweisen. Eine etwaige Metallisierung der Elektroden-Oberfläche kann beispielsweise mittels Plasmabeschichtung wie PECVD („Plasma Enhanced Vapor Deposition“) aufgetragen werden. Damit das Messgerät 1 eine maximale Auflösung erzielen kann, wird über die Sende-Elektrode 11 in der gezeigten Ausführungsvariante lediglich das Nahfeld des Hochfrequenz-Signals sHF ausgekoppelt. Vorteilhaft hieran ist die geringe Dämpfung in Medien 2 mit hohen Dielektrizitätswerten und die damit verbundene, hohe Messempfindlichkeit. Außerdem werden störende Effekte des Fernfeldes vermieden, wie beispielsweise unerwünschte Reflexionen an der Innenwand des Behälters 2, wodurch die Messung verfälscht werden kann. Um lediglich im Nahfeld abzustrahlen ist zumindest die Sende-Elektrode 11 mit einer Länge zu bemessen, die gemäß wesentlich kleiner als ein Viertel der minimalen Wellenlänge λ des Hochfrequenz-Signals sHF ist, also beispielsweise ein Achtel der Wellenlänge λ. Hierbei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hochfrequenz-Signals sHF im Medium 2 mit Lichtgeschwindigkeit; DK ist der Dielektrizitätswert des Mediums 2. Zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK des Mediums 2 ist die Phasenlage ϕ in Abhängigkeit der Frequenz f des Hochfrequenz-Signals s HF , r HF zu bestimmen. Dementsprechend ist die Empfangs-Elektrode 14 mit einer Auswerte-Einheit 13, wie bspw. einem Netzwerkanalysator verbunden, welcher die Phasenlage ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz- Signals rHF entsprechend frequenzaufgelöst auswertet, beispielsweise mit einer frequenzbezogenen Auflösung von zumindest 100 kHz. Damit die Phasenlage ϕ in Abhängigkeit der Frequenz f ermittelbar ist, muss die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal sHF entsprechend so erzeugen, dass das Hochfrequenz-Signal sHF innerhalb eines entsprechenden Frequenzbandes ∆f und innerhalb eines definierten Zeitintervalls quasi alle Frequenzen f aufweist. Hierzu kann die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal s HF beispielsweise mit einer sich zeitlich konstant verändernden Frequenz f generieren, wie es vom FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuous Wave“) bekannt ist. Umsetzbar ist ein solcher Frequenzverlauf beispielsweise durch Realisierung der Signalerzeugungs-Einheit 12 als phasengesteuerter Regelkreis (besser bekannt als „PLL“ bzw. „Phase Locked Loop“) Alternativ zu transmittiver Messung ist es im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, den Dielektrizitätswert reflektiv mittels lediglich einer ersten Elektrode zu bestimmen. In diesem Fall koppelt die Auswerte-Einheit 13 das Hochfrequenz-Signale r HF nach dessen Einkopplung und Durchgang durch diese erste Elektrode wieder aus. Nachteilhaft hieran ist jedoch, dass der Sende- und Empfangspfad in diesem Fall signaltechnisch aufwändiger voneinander zu trennen sind, beispielsweise mittels eines Zirkulators. Vorteilhaft ist, dass das Messgerät 1 in diesem Fall kompakter auslegbar ist. Die Geometrie der Elektroden 11, 14 ist im Rahmen der Erfindung von zentraler Bedeutung: Sie ist so auszulegen, dass hierdurch im ausgekoppelten Hochfrequenz-Signal rHF innerhalb desjenigen Frequenzbandes ∆f, in dem die Signalerzeugungs-Einheit 12 das Hochfrequenz-Signal s HF erzeugt, eine oder mehrere phasenbezogene Unstetigkeiten f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 hervorgerufen werden, wie es in dem Graph von Fig.2 gezeigt ist. Wie schematisch aus Fig.1 zu erkennen ist, können solche Unstetigkeiten f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 durch eine mit zunehmender Länge konische Verjüngung der Elektroden 11, 14 erreicht werden. Begünstigt wird die Bildung von Unstetigkeiten f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 außerdem dadurch, dass sich die Empfangs-Elektrode 14 im Nahfeld der Sende-Elektrode 11 befindet. Auch der Querschnitt kann Unstetigkeiten f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 bzw. die zugrundeliegenden Moden des Hochfrequenz-Signals s HF beeinflussen. Denkbar ist beispielsweise ein runder oder elliptischer Elektroden-Querschnitt. Dabei ist ein runder Querschnitt insofern vorteilhaft, als dass hierdurch die Elektroden 11, 14 aufwandsarm fertigbar sind, beispielsweise mittels Drehen eines entsprechenden Edelstahl-Rohlings. Wie anhand von Fig.2 verdeutlicht wird, führen phasenbezogene Unstetigkeiten f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 zu einer Trennung des Verlaufs der Phasenlage ϕ in zumindest jeweils einen ersten Frequenzbereich ∆f1 und einen zweiten Frequenzbereich ∆f2. Dabei spiegelt die in Fig.2 dargestellte Phasenlage ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals rHF einen Absolutwert wider, wobei als Referenzphase beispielsweise die Phasenlage des Hochfrequenz-Signals s HF vor Einkopplung herangezogen werden kann. Wie erkennbar ist, ändert sich die Phasenlage ϕ im mittleren, zweiten Frequenzbereich ∆f 2 quasi nicht. Mathematisch gesehen wird in diesem Frequenzbereich ∆f 2 also eine frequenzbezogene Maximal-Phasenänderung unterschritten. Im ersten Frequenzbereich ∆f 1 ändert sich die die Phasenlage ϕ hingegen mit zu- bzw. abnehmender Frequenz f des Hochfrequenz-Signals sHF, rHF deutlich. Die Phasenlage ϕ überschreitet in diesem Frequenzbereich ∆f1 also eine frequenzbezogene Mindest-Phasenänderung von bspw.20° pro 10 MHz. Das Vorhandensein der Unstetigkeiten f‘ 1 , f‘ 2 kann erfindungsgemäß genutzt werden, um hieraus den Dielektrizitätswert DK zu bestimmen: Wie aus Fig.2 hervorgeht, verschiebt sich die Kurve des Phasenverlaufs ϕ(f) mit zunehmendem Dielektrizitätswert DK insgesamt hin zu höheren Phasenlagen ϕ. Darüber hinaus verschieben sich auch die Unstetigkeiten f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 mit zunehmendem Dielektrizitätswert DK hin zu kleineren Frequenzen f. Dieser Effekt ist erfindungsgemäß nutzbar, um den Dielektrizitätswert DK zu bestimmen: In der einfachsten Ausführung kann die Auswerte-Einheit 13 anhand der Verschiebung von einer der Unstetigkeiten f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 den Dielektrizitätswert DK bestimmen, da diese Verschiebung im entsprechenden Frequenzband ∆f durch eine Kurve, wie die in Fig.2 gezeigte Gerade a beschreibbar ist. Im Gegensatz zur gezeigten Darstellung ist es beispielsweise bei einem sehr weit abzudeckenden Dielektrizitätswert-Messbereich außerdem möglich, die bei unterschiedlichen Dielektrizitätswerten DK korrespondierenden Unstetigkeiten f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 nicht mittels einer Gerade a zu interpolieren, sondern mittels einer anderen Funktion, wie beispielsweise einer exponentielle Kurve. Zu einer absoluten Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK muss in der Auswertungs-Einheit 13 t eine Kalibrationskurve bzw. deren entsprechende Unstetigkeit f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 hinterlegt sein. Dabei stellt die Kalibrationskurve die Phase ϕ des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals r HF innerhalb des Frequenzbandes ∆f in Abhängigkeit der Frequenz f des Hochfrequenz-Signals s HF , r HF dar. Hierdurch kann die Unstetigkeit f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 der aktuellen Messkurve in Bezug zur Unstetigkeit f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 und somit in Bezug zum Dielektrizitätswert DK der Kalibrationskurve gesetzt werden. Bei dem in Fig.2 dargestellten Graphen wird die Kalibrationskurve durch die oberste der drei Kurven dargestellt. Bei den darunter befindlichen Kurven handelt es sich um Messkurven, bei denen das Medium 2 jeweils einen unterschiedlichen Dielektrizitätswert DK aufweist. Die Kalibrationskurve bzw. die entsprechende Unstetigkeit f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 kann beispielsweise durch eine Kalibrationsmessung erhalten werden, entweder ohne Medium 2, also bei Umgebungsluft mit DK = 1, oder mit einem Medium 2 mit bekanntem Dielektrizitätswert DK. Auf Basis der Kalibrationskurve kann die Auswerte-Einheit 13 außerdem die Auflösung der erfindungsgemäßen Dielektrizitätswert-Messung maximieren, wenn der Dielektrizitätswert DK nicht ausschließlich anhand der Unstetigkeit f‘1;ϕ‘1, f‘2;ϕ‘2 der aktuellen Messkurve ermittelt wird: Hierzu muss die Auswerte-Einheit 13 die Gerade a auf Basis - der Unstetigkeit f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 der vorliegenden Kalibrationskurve und - der Unstetigkeit f‘ 1 ;ϕ‘ 1 , f‘ 2 ;ϕ‘ 2 aktuellen Messkurve interpolieren, beispielsweise mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate („Least Square Fit“). Nach entsprechender Erstellung der Gerade a fließt diese dann wie folgt in die Berechnung des Dielektrizitätswertes DK mit ein, was wiederum in der Auswerte-Einheit 13 durchgeführt wird: - Verschieben der auf diese Wiese erstellten Geraden a um eine definierte Frequenz fa, so dass sichergestellt ist, dass die resultierende Gerade a‘ die aktuelle Messkurve im ersten Frequenzbereich ∆f1 schneidet, wie in Fig.2 dargestellt ist, - Bestimmung der Steigung m der Messkurve im ersten Frequenzbereich ∆f 1 anhand o des Schnittpunktes zwischen der verschobenen Gerade a‘ und der aktuellen Messkurve, sowie o der Unstetigkeit f‘ 1 ;ϕ‘ 1 der Messkurve und - Bestimmung des Dielektrizitätswertes DK anhand der Unstetigkeit f‘ 1 ;ϕ‘ 1 der aktuellen Messkurve und der Steigung m.

Bezugszeichenliste 1 Messgerät 2 Medium 3 Behälter 4 Übergeordnete Einheit 11 Erste Elektrode 12 Signalerzeugungs-Einheit 13 Auswerte-Einheit 14 Zweite Elektrode a Mathematische Gerade/Kurve DK Dielektrizitätswert f Frequenz des Hochfrequenz-Signals f a Verschiebung der Gerade (a) in den ersten Bereich f‘ 1,2 Phasenbezogene Unstetigkeit s HF Einzukoppelndes Hochfrequenz-Signal r HF Ausgekoppeltes Hochfrequenz-Signal ∆f Frequenzband ∆f 1,2 Frequenzbereiche λ Wellenlänge des Hochfrequenz-Signals ϕ Phasenlage des ausgekoppelten Hochfrequenz-Signals