CN101144735A - 电容式材料高程指示器 - Google Patents

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Abstract

一种指示容器内的材料高程的方法，包括将一探针连接到容器，从而使得探针处的电容作为容器中材料高程的函数而变化。固定频率的一个周期性电信号加到探针上，从而使得信号的运行特征作为探针处电容的函数而变化。材料高程被探测为信号运行特征的函数。在操作的校准模式期间，周期性电信号的固定频率被改变，以使探针处的灵敏度最优化。在本发明的一个优选实施例中，这一过程是如此实现的：通过在操作的校准模式期间，将选定频率范围内的周期性电信号加到探针，并识别出在该频率范围内、探针对探针处电容变化最敏感时的频率。随后，在操作的测量模式期间，固定频率被设定为该识别出的频率。

Description

电容式材料高程指示器
技术领域
本发明的公开内容涉及将诸如贮存容器内的材料的高程等对象指示为容器内材料的电容的函数。尤其是，本发明涉及材料高程指示系统的校准，以使系统对材料高程变化的灵敏度最优化。
背景技术
美国专利5,048,335公开了一种系统，用于将容器中的材料高程指示为材料电容的函数。一探针适于连接至容器，以致其对作为材料高程的函数的容器内的电容变化敏感。一电路连接到该探针，从而使得电路的运行特征作为探针处电容的函数而变化。在探测预定运行特征的操作校准模式期间，一校准电路对应于容器内的预定材料高程状况来改变电路的运行特征，且当获得预定的运行特征时终止校准操作。该电路被设置在外壳中，且一通量敏感开关被设置在外壳内，用于从外壳以外启动操作的校准模式，而不打开外壳。
尽管在上述专利中所公开的系统取得了重大的商业认可和商业成功，仍然希望进一步的改进。例如，当试图探测材料高程时，可能会遇到若干困难，诸如具有非常低的介电特性。本专利公开的总目标是提供一种校准材料高程指示系统方法，以使探针处对材料高程变化的灵敏度最优化，并提供一种适于用这种方法校准的装置。通常这一目标是这样实现的，即在操作的校准模式期间通过改变施加到探针上的信号的电频率，并随后在操作的测量模式期间在一频率处进行操作，在所述的后一频率处，使得对于探针处介电特性变化的探针灵敏度及系统灵敏度最优化。
发明内容
本发明的公开内容体现了可以彼此独立实施或联合实施的多个方面。
根据本发明的一个方面来指示容器内材料高程的方法包括将一探针连接到容器，从而使得探针处的电容作为容器内的材料高程的函数而变。在固定频率处的周期性电信号被加到探针上，从而使得信号的运行特征作为探针处电容的函数而变。材料高程被探测为信号运行特征的函数。在操作的校准模式期间，周期性电信号的固定频率变化成使探针处的灵敏度最优化。在本发明的一个优选实施例中，这是通过在操作的校准模式期间将所选频率范围内的一个周期性电信号加到探针处，并识别出在该频率范围内、探针对探针处电容变化最敏感时的频率而实现的。在操作的测量模式期间，该固定频率随后被设置为所识别出的该频率。
附图说明
本发明的公开内容与作为它的各方面的另外的目标、特征、优点一起，将通过下列说明、所附权利要求和附图而最好地得以理解，所述附图是根据本发明的电容式材料高程指示系统的一个典型实施例的功能模块框图。
具体实施方式
附图是根据本发明公开内容的一个典型实施例而示出的用于探测和指示容器14内的材料12高程的系统10。系统10包括一探针16，该探针16连接到容器14，以致它能敏感到作为容器内材料12的高程的函数的容器电容变化。一个激励放大器18(driver amplifier)连接到探针16，用于将一个周期性电信号加到探针。激励器18接收来自可变频率发生器20的输入，用于控制加到探针的信号的频率。一个数字信号处理(DSP)引擎22控制可变频率发生器的运行，并接收来自发生器、且表示施加到探针的信号频率的输入。探针16也连至放大器24。放大器24优选地将来自探针16的电流反馈转换成一个电压信号，并将该电压信号以受控的可变增益施加到数字信号处理(DSP)引擎22。放大器24的增益由控制器26所控制，所述控制器26优选地采用可编程微处理器的形式。数字信号处理(DSP)引擎22接收来自控制器26的频率控制输入，并将表示为在探针16处所测得导纳的输出提供给控制器26。
可以为电阻器、电感器及更优选为电容器的参考阻抗30，被选择性地经由受控于控制器26的开关32，而并联连至探针16。控制器26优选地接收来自按钮34的输入，以启动操作的校准模式，并接收来自开关36的输入，以便在不必打开外壳的情况下启动操作的校准模式，所述开关36通过外壳40的壁而敏感到通量发生器38(flux generator)。外壳40可以是否防爆均可。通量抑制开关36(flux-repressive switch)可以包括例如对一外部磁通量发生器38敏感的一个簧片开关或一个霍尔开关，或是可以包括对一外部光通量发生器38敏感的一个光开关。控制器26也被连接到输入端/输出端42以接收来自远程电路的若干输入和/或提供若干输出，可选择地包括一个输入以启动操作的校准模式，所述若干输出可包括内部或外部继电器以指示容器内的材料高程、及透过外壳40可见的一个或多个发光二极管(LED)用于指示系统10、到远程显示电路等的数字和/或模拟连接的运行状态。在本发明的一个典型实施例中，激励器18也通过一个放大器44连接到探针16上的一个保护屏蔽，尽管使用一个保护屏蔽对本发明而言绝非必不可少。
在操作的测量模式期间，激励器18将一个优选为正弦信号的固定频率的周期性信号加到探针16。该信号的幅值作为探针16处的电容特性的函数而变化，该函数同样又是容器中的材料高程的函数。该信号通过放大器24传送到数字信号处理(DSP)引擎22，所述DSP引擎22决定了探针16处的视在导纳并将此导纳信号输出到控制器26。该导纳信号优选地是由探针16处返回的信号的实数分量和虚数分量的组合的绝对值，尽管实数分量和虚数分量能分别被输送到控制器26。控制器26监控来自DSP引擎22的导纳信号，以确定在容器16内的材料高程。当材料12接触探针16时，该高程测定可以是点高程测定，也可以是连续高程测定，即高程测定是材料高程相对于探针的连续函数。当然，应理解为尽管DSP引擎22和控制器26在附图中被图解为独立的部件，这些部件可以容易地组合。
可以在诸如外壳壳盖由技工移除或以其它方式构建或修理系统10的情况下，用按钮34来启动操作的校准模式，或者可以在不必打开外壳的情况下通过将磁体38在外部靠近开关36处，来启动操作的校准模式。操作的校准模式优选地是在材料12与探针16间隔开的情况下启动的，从而使得探针16被有效地暴露在空容器中。在本发明的典型实施例中涉及以下三个阶段：  (1)设定在放大器24处的增益，  (2)确定可变频率发生器20的校准频率范围，及(3)确定发生器20运行下列操作的校准模式时的固定频率。用控制器26通过在预定的固定频率处操作发生器20、并改变放大器24处的增益以使探针处的视在导纳最大化，从而设定在放大器24处的增益。在本发明的一个典型实施例中，例如，在放大器24处的增益能被设定为使30千赫兹频率处的导纳信号最大化。当激励级24处的增益如此设定时，发生器20随后在两个(或多个)预选频率上运行以确定探针16处的导纳-频率特性。已经发现，在探针16处的该导纳-频率特性曲线例如至少在15千赫兹到20千赫兹之间为线性的。因此，通过选择性也使发生器20在这两个频率上运行，并监控来自探针的返回信号，则在控制器26处使用相应的导纳值来建立线性的导纳-频率关系。
控制器26随后将校准频率范围的上限和下限确定为该线性关系和预选导纳值的函数。在本发明的一个典型实施例中，这些导纳值是按经验确定的。在一个实施例中，这些导纳值为8千姆欧(8Kmhos)和10千姆欧(10Kmhos)。使用这些按经验确定的导纳值及以前确定的导纳-频率关系，来确定校准频率范围的上限和下限。在本发明的一个典型实施例中，总的可用频率范围可以是在例如30千赫兹与100千赫兹之间。将预选的导纳值用于已确定的导纳-频率关系，可以识别出例如35千赫兹到45千赫兹的校准频率范围。可变频率控制器20随后由控制器26通过DSP引擎控制，以将周期性电信号通过激励器18加到探针16，激励器18工作在该频率范围内的若干离散频率处，例如在这个实施例中是在从35千赫兹到45千赫兹的范围内以1千赫兹或2千赫兹为阶跃单位来逐步增加频率。在每个频率阶跃处，探针16处的导纳由开关32开启和开关32闭合一起决定，以将参考阻抗30与探针16并联。参考阻抗30可以具有对应于探针处的所需最小灵敏度的值，例如两个皮法。在本发明的一个典型执行过程中，该值已经被选为对应于当轻质塑料颗粒组成的材料12达到探针的高度、在探针16处的电容变化。也可采用别的阻抗值。如果有需要，多个阻抗30及其相关联的开关32可以通过用于不同灵敏度的控制器26而被应用到与探针16并联的受控连接。所需的灵敏度可以通过输入端/输出端42而输入到控制器26。
在操作的校准模式期间每次增加频率时，导纳返回信号被DSP引擎22及控制器26两者监控，DSP引擎22和控制器26与并联到探针的参考阻抗30是否相连均可。选定了一个工作频率，优选地该频率处的导纳微分最大而阻抗30连接到电路或与电路断开。也就是说，在操作的校准模式期间，系统工作频率被选为校准频率，在放大器24仅带探针16时的输出、与放大器24带有与探针16并联的阻抗30时的输出之间的这一范围内，所选频率处的微分最大。控制器36及DSP引擎22随后将可变频率发生器20设成在该频率处运行直至启动下一个操作的校准模式。上面讨论的校准操作，优选为受到储存在控制器26内的适当软件的控制。
如果有需要，校准可以如美国专利5,088,325中所公开而受监控。
如附图中所示，发生器20、DSP引擎22及控制器26被定位(连接)到电路接地46。外壳40优选地固定到容器14并通过容器14连接到大地接地48。电路接地46优选地与大地接地48相隔离，且激励器18的输出优选地通过大地接地48而输送到探针16。这一优选但同时为可任选的特性，简化了系统电源的设计和成本。
此处已经公开了用于指示容器中的材料高程的一种方法和系统，其完全满足前面所提出的所有目标。该公开已经结合一典型实施例加以介绍，且已经讨论了多种修改和变动。考虑到前述说明，其它修改和变动易于被本领域的一般技术人员想到。本发明意在包括所有这样的修改和变动，使它们属于所附权利要求的精神和广义范围内。

Claims (15)

1.一种指示容器内材料的高程的方法，包括以下步骤：
(a)将一探针连接到容器，从而使得在所述探针处的电容作为容器内材料高程的函数而变化，
(b)将一固定频率的周期性电信号加到所述探针处，从而使得所述信号的运行特征作为所述探针处的电容的函数而变化，
(c)探测作为所述信号运行特征的函数容器内的材料高程，
(d)在操作的校准模式期间，改变所述周期性电信号的所述固定频率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤(d)包括：
(d1)启动操作的校准模式，
(d2)将所选频率范围的所述周期性电信号加到所述探针，
(d3)识别出在所述频率范围内、所述探针对探针处电容变化最敏感的频率，和
(d4)将所述步骤(b)中的所述周期性信号的所述固定频率设定为步骤(d3)中所识别出的频率。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述步骤(d3)包括：
(d3a)在所述频率范围内的一系列离散频率处施加所述步骤(d2)中的所述周期性电信号，
(d3b)在所述步骤(d3a)中的每个频率处，将一参考阻抗切换成与所述探针形成或断开并联，和
(d3c)识别所述频率范围内的一离散频率，在该频率下、所述探针处的运行特征主要受所述步骤(d3b)的影响。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述步骤(d)还包括：
(d5)将所述周期性电信号在第一和第二预选固定频率处加到所述探针，和
(d6)将所述步骤(d2)中的所述频率范围，选择为所述步骤(d5)中的所述第一和第二预选固定频率处所述探针的运行特征的函数。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述步骤(d6)包括：
(d6a)根据所述步骤(d5)中的所述第一和第二选定频率处的所述探针运行特征，确定在所述摞针处的导纳-频率特征，和
(d6b)将所述步骤(d2)中的所述选定频率范围的上限和下限频率确定为所述步骤(d6a)中所确定的所述导纳-频率特征的函数。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述步骤(d6b)包括将所述上限频率和下限频率选为对应于所述探针处的预选导纳的频率。
7.一种指示为材料电容的函数的容器内材料的高程的系统，包括：
探针，其适于连接到容器，以敏感为容器内材料的高程变化的函数的容器处的电容变化，
激励器，其连接到所述探针，用于将一个周期性电信号加到所述探针，
电路，其对所述探针处的运行特征敏感，以指示为探针处电运行特征的函数的相对所述探针的材料高程，和
频率发生器，其连接到所述激励器，用于在操作的校准模式期间改变所述周期性电信号的频率。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述电路包括：
用于启动操作的校准模式的装置，
连接到所述频率发生器的控制器，以将选定频率范围的周期性电信号加到所述探针，和
用于在所述范围内识别一频率的装置，在该频率处所述探针对容器中的材料高程的变化最敏感。
9.如权利要求8所述的系统，其中用于识别频率的所述装置包括一参考电容器和一开关，所述开关对所述控制器敏感，用于选择性地将所述参考电容器与所述探针并联。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器操作所述频率发生器，以便在操作的所述校准模式期间，在各离散频率下将所述周期性电信号加到所述探针，且其中用于识别频率的所述装置识别出所述离散频率其中之一，在该离散频率下，在所述探针处的运行特征发生最大变化，所述参考电容器与所述探针发生和断开并联。
11.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器包括若干装置，用于将所述频率范围选为所述激励器处第一与第二预定频率下所述探针运行特征的函数。
12.如权利要求7所述的系统，其中所述电路和所述频率发生器连接到电路接地，其中电路接地与大地接地相隔离，且其中所述激励器将所述电信号通过大地接地而加到所述探针。
13.用于指示容器内的材料的高程的系统，包括：
探针，其适于连接到容器，以敏感容器内的材料的高程变化，
激励器，其连接到所述探针，用于将一个周期性电信号加到所述探针，和
电路，其敏感所述探针处的运行特征，以指示出相对所述探针的容器内材料的高程，
所述电路连接到电路接地，所述电路接地与大地接地相隔离，所述激励器将所述电信号通过大地接地加到所述探针。
14.如权利要求13所述的系统，包括连接到大地接地的一外壳，其中安装所述激励器和所述电路。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述外壳适于安装到容器上，其连接到大地接地。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080319