CN100570288C - 用于电容性确定和/或监控料位的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电容性确定和/或监控容器(2)中的介质(1)的料位的装置。包括：至少一个探针单元(5)，其与介质(1)电绝缘；和至少一个电子器件单元(7)，其向探针单元(5)施加至少一个电子触发信号(AS)，从探针单元(5)接收电子测量信号，并关于料位分析测量信号，其中触发信号(AS)是交流电压信号。根据本发明，电子器件单元(7)在测量阶段向探针单元(5)施加触发信号(AS)，在测试阶段向探针单元(5)施加测试信号(TS)，在测试阶段从探针单元(5)接收测试测量信号，其中选择测试信号(TS)使得它包含具有基本恒定电压值的至少一个部分。

Description

用于电容性确定和/或监控料位的装置

技术领域

本发明涉及一种用于电容性确定和/或监控容器中的介质的料位的装置。包括：至少一个探针单元，其与介质电绝缘；和至少一个电子器件单元，其向探针单元施加至少一个电子触发信号，从探针单元接收电子测量信号，并关于料位分析测量信号，其中触发信号是交流电压信号。

背景技术

在电容式料位测量或监控的情况中，探针单元(例如探针棒和探针电缆)和容器(介质位于其中)壁或第二探针单元形成电容的两个电极。在这种情况中，介质用作电介质。由于电容器的电容随料位高度改变，可以从电容推导出料位。在这种情况中，为了测量电容，将触发信号馈送至探针单元。这往往是具有预定频率的交流电压。从“测量电容”分接出测量信号。这通常是电流信号，其往往例如被电阻元件转换为电压信号，用于进一步处理。然后由此确定或监控电容和料位。

由于导电介质可以导致短路或至少导致测量值恶化，实践中使用完全绝缘的探针。在这种情况中例如使用塑料绝缘体(PP、PTFE、PFA)。以这种方式，在导电介质的情况中获得独立于介电常数的测量结果，其中仅有被介质覆盖的绝缘电容仍然相关。

实践中，例如在测量热水的情况中，可能会发生介质在探针绝缘体的扩散，并且以这种方式，在过程连接中形成导电的过渡或界面电阻。在扩散的情况中，可能例如通过介质发生与容器壁或大地的电连接，特别是在通常接地的外壳的区域中。另一可能是，通过绝缘的破坏，介质可能渗透到探针单元并以这种方式同样形成与测量电容并联的导电电阻。这种附加电阻的效果导致测量值恶化并甚至导致测量仪表整体故障。

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种具有绝缘探针单元的电容式测量仪表，从而可以可靠地识别介质渗透绝缘体。

本发明通过以下特征实现该目的，其中电子器件单元在测量阶段向探针单元施加触发信号，在测试阶段向探针单元施加测试信号，在测试阶段从探针单元接收测试测量信号，其中选择测试信号使得它包含具有基本恒定电压值的至少一个部分。本发明在于以下特征：以两个不同信号触发探针单元。在一种情况中，触发信号用于测量阶段。这个信号是交流电压，诸如在现有技术中用于测量料位的交流电压。第二信号，即测试信号在测试阶段中被馈送至探针单元。这个信号是直流电压信号。从由此得到的测试测量信号，可以得到绝缘是否仍然完整或者介质是否已经渗入其中的结论。对于成功的测试，即，对于识别到绝缘已经受到威胁，应当得到探针单元被介质接触，即，应当得到破坏的或受扩散威胁的绝缘层恶化测量值的状态。于是，本发明允许可靠地识别绝缘的破坏或绝缘中的扩散，它们例如可以导致测量值恶化。以这种方式，还可以早期识别(预防性维护)仅仅非常轻微的破坏的探针。这显著增加了测量仪表的功能安全。

电容性测量仪表中的电容确定通常是使用连续施加的交流电压而实现的，其中测量流经测量电容的交流电流，该测量电容是由探针单元、容器壁和介质形成的。在本发明中，连续的交流电流测量优选规则地被测试阶段打断。在这种情况中发生的暂停时间中，直流电压电平被施加至探针。直流电压信号例如被处理器的输出端口或其它电子开关通过优选阻值较高(例如200kOhm)的电阻或者例如被相对于大地接通的分压器施加至测量探针。在电子器件单元使用微处理器的情况中，通过测试信号作为直流电压在探针单元得到的测试测量信号被通过模/数转换器读回到电子器件单元中，以在那里得到分析。如果探针单元未被破坏，那么得到已知的直流电压值，其与测试信号的特性相关。如果围绕探针或者探针单元的绝缘受到破坏，那么被读回的直流电压值依赖于破坏的类型以及介质的导电率而向着0V的方向下降。通过在交流电流(即，触发信号)和直流电流信号(即，测试信号)之间“来回切换”，电容测量的精度没有降低，而确定地检测在直至100Kohm范围中的绝缘故障。

在一个实施例中，测试信号基本是直流电压信号。测试阶段应尽可能短，以不干扰测量并不需要太多能量。由于测试信号必须至少在一个时间周期中具有基本恒定的电压电平，所以这导致测试信号完全是直流电压信号。

在本发明的一个实施例中，电子器件单元将从测试测量信号得到的电压值与依赖于测试信号的电压额定值比较。如果在介质中没有发生电连接，那么测试信号基本上仅仅施加于探针单元的电容(即，内部导体和绝缘层)。于是，可以分接出一定的电压值。然而，这个值依赖于测试信号和其它存在的元件。如果得到这个值，那么绝缘状况良好，或者没有介质扩散进入、至少不足于产生负面影响。如果由于探针单元或电子器件单元所处的外壳中的介质，而产生了电连接，那么测试信号的电压在这个连接上下降。与此相关联，“可读出的”电压值低于期望值。对于相应发出警报或信号可以指定不同的公差范围。如果电压值落入第一公差范围，即，由渗透的介质得到的电阻在可能仍可容许的范围内，那么可以产生警报，其可以例如被解释为存在细裂纹。如果电压值进一步下降，那么发出明显报警，因为已经渗透了太多介质。可以对于特定的测量情况适当调节这些界限。

本发明的一个实施例中，在由测试测量信号得到的电压值与依赖于测试信号的电压额定值之间的差异大于可预定的公差范围的情况中，电子器件单元产生错误报告。当绝缘不再完整或者当介质通过扩散而渗透绝缘体时，可从测试测量信号确定的电压值改变。如果电压值对应于额定值，那么在介质中没有额外的电连接。然而如果电压值与额定值不同，那么介质已经渗透并且或者需要立即干涉或者至少应当对不久的将来计划合适的措施。

本发明的一个实施例中，测试信号这样实现，使得至少对于一个可预定的测试时间周期，基本恒定的电压值施加于探针单元。依赖于使用的元件，可以不立即在探针单元上产生恒定电压。结果，至少对于需要元件或元件组合的时间，施加恒定电压。这个时间长度可以例如由测量仪表上的探头测量而确定。

本发明的一个实施例中，在电子器件单元中提供至少一个微处理器。微处理器简化测量仪表的操作并且还提供了直接数字化测量信号的可能。另外，可以更容易地实现不同的测量或测试步骤。

附图说明

现在根据附图详细解释本发明，附图中：

图1是本发明的测量仪表的示意图；

图2是本发明中施加于探针单元的信号的示意图；和

图3是本发明的测量仪表的示意性等效电路。

具体实施方式

图1示意性显示了本发明的测量仪表的应用，其用于确定和/或监控容器2中的介质1的料位。介质1是液体；然而它也可以是松散材料。探针单元5(在这个实例中，是所谓的探针棒或探针电缆)和容器2的壁与介质1形成测量电容。其电容依赖于介质1的料位，从而可以从测量的电容值回推出料位。为了测量电容，探针单元5被电子器件单元7施加触发信号AS。这通常是具有可预定频率的交流电压信号。在探针单元5上作为测量信号测量的交流电流信号通常被经由电阻(未显示)转换为电压信号并且随后被适当分析。电子器件单元7向探针单元5施加触发信号AS，接收测量信号，并由此确定或监控料位。如果介质1导电，那么实际的探针单元被绝缘层6包围。如果由于老化或负载过重，绝缘层6变得不密封，或者如果介质1在绝缘层6中扩散，那么在测量仪表中形成电连接，其能够使测量信号退化或者可能甚至导致测量仪表故障。为了监控这种情况，根据本发明装备测量仪表。

在电子器件单元7中存在用于控制和测量的微处理器8。微处理器8在测量阶段向探针单元5施加触发信号AS并接收测量信号。在测试阶段，探针单元5被施加测试信号TS，并且接收测试测量信号。优选地，当介质1覆盖探针单元5时，发生测试阶段，因为以这种方式，在绝缘体6受到破坏的情况中，获得最大的测量效果。如果触发信号AS是交流电压，那么根据本发明，测试信号TS是直流电压。在这种情况中，必须这样选择测试信号TS，使得它至少在一个可调的时间中保持恒定电压值，如果在触发信号AS的情况中施加的电压改变，那么在测试信号TS的情况中电压必须至少在可预定的时间长度中保持恒定。时间长度特别地依赖于参与的元件的特性。测试信号TS允许读出测试测量信号。在所示的情况中，测试测量信号被通过模/数转换器9数字化，以随后可由微处理器8分析。从这个数字化的测试测量信号确定电压值，其与依赖于测试信号TS的电压额定值比较。如果绝缘6不再完整或者如果由于其它原因而介质1被渗透，那么测试测量信号的电压值向零移动或者与电压额定值不同。于是，可以由电子器件单元7发出警报信号。微处理器8对于执行本发明不是关键的；然而它可以更为简单且更易于更改地实现测量仪表。用于在触发信号和测试信号之间进行切换的开关是具有优点的。另外，模/数转换器9仅仅是将由测试测量信号得到的电压与额定电压值进行比较的一种可能实施方式。作为替代，它可以通过使用运算放大器作为比较器而实现。

图2示意性显示了信号序列，其根据本发明被施加至本发明的测量仪表的探针单元5。电压信号在触发信号AS的交流电压和测试信号TS的直流电压之间切换。测试阶段中可以规则地插入任何可预定的重复时间。如果绝缘层6受到威胁或者介质1在绝缘层6中扩散的可能性较小，那么可以相应地较为不频繁地执行测试。然而，可以将测试阶段保持地非常短，因为已经能够足够读出电压值。于是，通常的测量不受影响。于是，具有优点的是在每一测量阶段之后都有测试阶段。

图3显示了测量仪表的等效电路。左部涉及测量阶段，右部涉及测试阶段。交流电压源11通过耦合电容12与探针单元相连，耦合电容从触发信号中滤出直流部分。探针单元在这里由两个电容代表：在这种情况中涉及由介质引起的电容14和由绝缘层引起的电容13。从通过相应测量仪表10得到的电流测量，确定探针单元的总电容并由此确定料位。后侧代表以下情况：由于绝缘破坏，导电材料渗透入测量仪表。这导致导电连接或者说导致电阻15。这产生了与介质的导电连接并且将测量仪表与测量电阻16相连。在测试阶段中，通过开关19，由相应的直流电压源20通过电阻17向探针单元施加直流电压信号。开关19可以例如是通过合适地切换微处理器的输出端而实现的。现在，如果绝缘完全封闭，那么直流电压信号将仅施加于电容13、14。于是，将在模/数转换器18出现依赖于测试信号特性的电压值。在所示的情况中，电压被施加于两个电阻15、16，即，调整的电压值小于期望的值。以这种方式，有可能从监控电压值推导出绝缘层的状况。

附图标记

1   介质

2   容器

5   探针单元

6   绝缘体

7   电子器件单元

8   微处理器

9   模/数转换器

10  电流测量仪表

11  交流电压发生器

12  耦合电容

13  隔直电容

14  介质电容

15  绝缘击穿电阻

16  介质电阻

17  电阻

18  模/数转换器

19  开关

20  直流电压源

Claims (6)

1.用于电容性确定和/或监控容器(2)中的介质(1)的料位的装置，包括：至少一个探针单元(5)，其与介质(1)电绝缘；和至少一个电子器件单元(7)，其向探针单元(5)施加至少一个电子触发信号(AS)，从探针单元(5)接收电子测量信号，并关于料位分析测量信号，其中触发信号(AS)是交流电压信号，其特征在于，电子器件单元(7)在测量阶段向探针单元(5)施加触发信号(AS)，在测试阶段向探针单元(5)施加测试信号(TS)，在测试阶段从探针单元(5)接收测试测量信号，其中测试信号(TS)包含具有恒定电压值的至少一个部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中测试信号(TS)是直流电压信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其中电子器件单元(7)将由测试测量信号得到的电压值与依赖于测试信号(TS)的电压额定值比较。

4.根据权利要求3所述的装置，其中在由测试测量信号得到的电压值与依赖于测试信号(TS)的电压额定值之间的差异大于可预定的公差范围的情况中，电子器件单元(7)产生错误报告。

5.根据权利要求1所述的装置，其中测试信号(TS)如下实现，使得至少对于一个可预定的测试时间周期，恒定的电压值施加于探针单元(5)。

6.根据权利要求1所述的装置，其中在电子器件单元(7)中提供至少一个微处理器(8)。

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