CN101300464A - 用于测定和监测容器内介质的料位高度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助渡越时间测量法测定和监测容器内介质的料位高度的装置，具有一个用于向至少一个延伸到容器内的导电的第一元件入射/出射测量信号的入射单元、一个在入射单元的区域内所具有的用于将装置固定在容器上的第一固定件，还具有一个用于测定料位测量信号的调节/计值单元。本发明的目的在于，提供一种入射装置，其成本低、效率高、具有高传输质量，但同时在机械上和化学上非常稳定。该目的由此得以实现，即入射单元具有一个介电材料的基体且基体内嵌入第一和第二元件，从而导电的第一元件和导电的第二元件在基体的区域内彼此并与容器电流上隔离并因此形成一种多导体系统。

Description

用于测定和监测容器内介质的料位高度的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测定和监测容器内介质的料位高度的装置，具有一个用于向至少一个延伸到容器内的导电的第一元件入射/出射测量信号的入射单元、一个在入射单元的区域内所具有的用于将装置固定在容器上的第一固定件，还具有一个用于从测量信号中测定料位高度的调节/计值单元。

背景技术

这种装置例如在过程测量技术的测量仪上使用。这些测量仪通常在自动化和过程控制技术上使用，以测定过程变量，例如像临界层、料位高度、介电常数或者过程进行中其他类型的物理和/或化学过程参数。由申请人例如以商品名Levelflex和Multicap生产和销售的测量仪主要用于确定和/或监测容器内介质的料位高度。在大量的渡越时间测量方法之一中，例如按照导入微波的方法、时域反射测量计或TDR测量法(Time Domain Reflection)，沿Sommerfeld或者Goubau波导管或者同轴波导管发射高频脉冲，其在环绕波导管的介质DK值(介电常数)的不连续性中部分反射。从高频脉冲的发射与介质反射回波信号的接收之间的时差中，可以测定料位高度。在FMCW方法(FrequencyModulated Continuous Waves)中，改变连续测量信号的频率范围并通过发射到反射测量信号的频差测量距离，在与上述测量原理的相互联系中同样可以采用该方法。

测定容器内的料位高度的大量测量方法中的另一种测量原理，是利用接触介质的测量探头和对应的容器壁或者基准探针，在探针由介质覆盖程度或容器内的介质料位高度改变的情况下，测定电容测量结构的电容变化。

上述两种方法均为接触式料位高度测量法，其中测量探头与所要测量的介质直接接触。这种测量探头通常通过过程接口、开口或者接管固定在容器内，从而测量电子装置处于过程的外面，也就是不与介质接触和测量探头与过程一体化。在下面的参考文献中，探讨的主题为这种测量探头或波导管的结构和测量信号向这种测量探头内的入射。

EP 1 069 649 A1介绍了一种结构简单的料位高度测量仪用波导管，其通过不与容器内装件交替作用和按照简单方式清理堆积物或沉积物，兼具单导体和公知的多导体波导管的优点。这一点由此实现，即多导体波导管在过程中至少部分由介电介质环绕并因此在各波导管之间不会形成附着物。

DE 100 27 228 A1介绍了一种向表面波导管内入射高频信号的实施方式。在该文献中，入射装置这样构成，使其有效导出干扰电压，因为表面波导管通过耦合处于外壳电位上。

DE 100 19 129 A1介绍了多种类型的入射单元，它们这样加长，使结构部件处于电磁能量辐射区域的外面。由此可以尽可能消除结构部件或者传感器上附着物形成对测量精度和测量灵敏度的影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种入射装置，其成本低、效率高、具有高传输质量，但同时在机械上和化学上非常稳定。

该目的按照本发明的构成由此得以实现，即入射单元具有一个介电材料的基体且基体内嵌入至少一个导电的第二元件，从而导电的第一元件和导电的第二元件在基体的区域内彼此并与容器电流上隔离。导电的第二元件例如作为管状的屏蔽导体构成，其在入射区在基体内同轴且电流上隔离地环绕导电的第一元件定位并因此形成一个多导体系统。导电的第二元件在过程侧完全由基体的材料包围并因此不接触过程，因此基体与导电的第二元件之间无需装入密封件并且可以不使用高耐久性的材料例如VA钢。导电的第二元件例如作为简单的板材弯曲件或者作为金属丝网构成。如果基体组件式构成，那么也可以设想，一个与导电的第二元件相应的模制件通过涂层过程二产生例如金属的导电涂层。

在本发明一种特别优选的实施方式中，容器由导电材料制成，或者在容器由非导电材料制成的情况容器至少在固定件的其他周围区域内具有导电涂层。为使测量信号可以从采用例如TEM模式构造的多导体系统最佳入射到采用例如TM01模式构造的测量探头上，具有优点的是容器由导电材料组成。环绕导电容器的测量装置过程接口的顶部区域起到反射器的作用，因此在从多导体系统向测量探头过渡时入射更大信号强度的测量信号或减少信号能量损失。通过这种措施大大提高或改善在从多导体系统向测量探头过渡时所入射的测量信号的传输与反射之间的比例。出于这一原因，明显提高测量装置的测量精度和测量灵敏度。如果容器不由导电材料组成，那么可以通过涂层方法，例如在容器的外表面或内表面上涂覆导电漆达到上述效果。容器采用介电基本材料进行导电涂层的这种构成，在按照现有技术具有由金属基体组成的常用入射单元的测量探头中也是具有优点的。

依据本发明解决方案的一种具有优点的实施方式，提出处于导电的第二元件外表面与容器之间固定件区域内的第一耦合区这样确定尺寸，使其在基体机械上足够稳定的情况下产生测量信号最佳的电磁耦合。导电的第二元件与导电容器之间的电磁耦合可以由此得到优化，即耦合面尽可能大和耦合元件的距离尽可能小，但这种条件的应用必然对基体机械稳定性的条件有所削弱。

依据本发明的装置一种依据目的的构成在于，用于电磁耦合的第一耦合区在结构、形状、耦合面和/或间隙宽度上这样构成，使其在导电的第一元件与导电的第二元件之间的一个入射区域内和/或在导电的第一元件的一个测量区内基本上构成测量信号的确定模式。

依据本发明的解决方案一种具有优点的构成提出，导电元件至少由两个组成部分，即一个内导体和一个测量探头组成。由于导电的第一元件两部分构成，可以很容易更换装置上的测量探头。

依据本发明的装置一种有益的构成，在第一组成部分与第二组成部分之间的区域内构成一个用于电磁耦合测量信号的第二耦合区。导电的第一元件的内导体和导电的第二元件的外导体完全由基体的材料包围并因此完全与过程分离构成。由此导电的第一元件、导电的第二元件与外壳基体之间无需用于将入射单元对过程介质密封的密封件；因此达到一种无密封的入射单元。

依据本发明的装置一种特别具有优点的构成，两个组成部分可借助一个固定及定位件机械上相互连接以及固定及定位件嵌入入射单元的基体内。

依据本发明的解决方案一种具有优点的构成，入射单元的基体组件式或者多部分构成。

依据本发明的解决方案一种非常具有优点的变化，入射单元的基体整体构成。

依据本发明的解决方案一种特别具有优点的进一步构成提出，导电的第一元件和导电的第二元件由金属、导电塑料和/或由介电材料的金属部件或者导电涂层部件构成。

本发明的装置另一种具有优点的构成在于，介电材料为优选可以压力注塑法加工的塑料和/或为陶瓷。

依据本发明的装置一种具有优点的构成提出，导电的第二元件具有开口，其中，相应的开口由基体的介电材料至少部分填充。通过填充开口，可以将机械力例如拉力导向外面或过程接口，所述力是在导电的第一元件与导电的第二元件之间的区域内由于例如测量探头上的拉力而可能出现的。因此避免在基体于过程侧包围嵌入的导电第二元件的部位上，由于机械上的力作用而出现会导致基体在这些部位上疲劳断裂或者破裂的强缺口应力和切力。

附图说明

在附图所示本发明的实施例中，为便于概览和简化，在其结构上和/或功能上相应的部件或者部件组具有相同的附图符号。其中：

图1示出按照现有技术采用Sommerfeld波导管的时域反射测量计的示意总图；

图2示出按照现有技术入射单元的纵剖面图；

图3示出按照第一实施方式的入射单元的纵剖面图；

图4示出按照第二实施方式的入射单元的纵剖面图；

图5示出按照第三实施方式的入射单元的纵剖面图；

图6示出按照第三实施方式的入射单元的分解图；以及

图7示出按照第三实施方式的入射单元的立体分解图及局部视图。

具体实施方式

图1示出依据本发明的装置作为时域反射测量计32测量系统或TDR测量系统(Time Domain Reflectometry)的应用可能性，用于测定容器4内介质3的连续料位高度2。用于确定料位高度2的这种装置1或这种测量仪在自动化和过程技术中也称为现场设备。这种测量仪安装在过程接口8上，例如容器4的接管上，并将具有棒状和绳状测量探头21的测量探头通过一个作为同轴导体18a构成的入射单元13通过过程接口8的区域插入容器5的测量室内。

TDR测量方法按照下列测量原理工作：通过测量探头21，通过周围环境中的表面效应和沿测量探头21的表面输送的电磁波9在介质3的方向上或向过程室22发射。这种电磁波9在DK值突变或周围介质3的介电系数e_r不连续性以及波阻抗与此相关变化时部分反射。这种不连续性例如在覆盖介质3的气相特别是空气(e_r1≈1)的介电常数e_r1小于介质3的介电常数e_r2的情况下存在。利用电磁波9的测量的渡越时间，通过波速公式的换算测定经过的距离。该距离差相当于容器4的高度减去容器4内介质3的料位高度2。因为容器4的高度或电磁波9的入射位置已知，所以因此可以确定容器4内的料位高度2。

电磁波例如作为带宽0-1.5GHz的脉冲在发射/接收单元11上产生并借助入射单元13作为发射信号S入射到Sommerfeld波导管21内。也可以使用Goubau波导管21、同轴导体18a、微带或者同轴且平行设置但附图中没有详细示出的多个波导管或测量探头21。波导管21上根据周围介质3介电常数e_r的不连续性返回的反射信号R再由发射/接收单元11接收并预处理。这些预处理的测量信号10另一方面在调节/计值单元12内从测量技术和信号技术上进行计值并这样处理，使料位高度2的测量值或者表示测量信号10所处理的包络线的回波曲线信号通过现场总线30上的总线接口29传送到控制台。

料位高度2的测量值或者回波曲线信号也可以在这里未详细示出的一体化显示器或者装置1的输出/输入单元上显示。装置1或测量仪的电源31例如借助双线制线路实现。在测量仪或装置1为所谓的双线制测量仪，其通过现场总线30和电源31的通信仅和同时通过双线线路进行的情况下，可以取消通向电源31的线路。通过现场总线30的数据传输或通信例如按照CAN、HART、PROFIBUS DP、PROFIBUSFMS-PROFIBUS PA、或者FOUNDATION FIELDBUS标准进行。

图1示出用于确定容器4内的介质3料位高度2的时域反射测量计32，具有一个测量探头21，其作为传送电磁波的棒状或者绳状的表面波导管21构成。

装置1的这种实施方式也可以作为电容测量系统用于确定容器4内的介质3料位高度2，其中，测量探头21与基准电极或者容器4的内壁6之间通过测量信号10测定的电容取决于介质3的料位高度2和介电常数e_r。

图2示出按照现有技术的一种入射单元13的纵剖面图。基体16由金属或者导电材料24组成，其作为外导体20与作为入射区34内导体19的导电的第一元件14或波导管21共同在入射区内形成一个同轴导体18a。基体16通过固定件17例如螺纹旋接件与容器4固定连接。如果导电或者金属的容器4a用于储存介质3，此外在基体16与导电或者金属的容器4a之间在固定件17上存在一个导电触点。通过一个同轴插头接口33，测量信号10入射到内导体19或导电的第一元件14内或从其出射。内导体19特别是通过内导体加厚19b而在机械上保持并固定在基体16内。通过入射区34的同轴构成，在那里形成入射的测量信号10的一种TEM模式，其优选构成所入射的测量信号10几乎无损失和无干扰的波导。在波导管21的测量区35内，为最佳测量容器4内的介质3料位高度2，在波导管21的邻近区域内作为TM₁₀模式的构成由此实现，即从导电基体16向导电或者金属容器4a上的过渡表现为外导体20或导电的第二元件15的180°扩展。容器顶部通过与基体16的电接触而具有与入射区34连接的反射器的作用，由此在从入射区34内的同轴导体18a向测量区35内的单个波导管21上过渡时损失更少的能量。特别是在低频情况下，容器顶部起到强反射器的作用。因此可以将至少多两倍的测量能量入射到波导管21上或从其出射，由此提高装置1的测量精度和测量灵敏度。

出于过程密封性的原因，在每个与过程室22直接接触的材料过渡(也就是例如从内导体10和/或外导体20到介电材料23)之间加入密封件25，其在图2中未详细示出，但在图3、5和6中示出。

图3示出第一个依据本发明的入射单元13的纵剖面图。基体16由介电材料23组成。基体16通过一个固定件17例如螺纹旋接件机械固定在过程接口8的区域内并通过密封件25也对介质3密封地与容器4密封连接。在入射单元13的入射区34内，测量探头或波导管21构成为具有一个外导体20和一个内导体19的多导体系统19，特别是同轴导体19a。内导体19特别是通过内导体加厚19b机械上保持并固定在基体16内。通过一个同轴插头接口33，测量信号10入射到内导体19或导电的第一元件14内或从其出射。金属或者导电材料24的内导体19嵌入介电材料23的基体16内并通过密封件25，例如O形圈而在两种材料23、24之间密封封闭。入射单元13的基体16由介电材料23构成的优点是，制造极为复杂和成本高的金属基体16，如从图1和图2所看到的那样，可以通过例如压力注塑、热压、铸造、挤压或者快速模型机等简单和成本低的制造方法，利用例如塑料或者陶瓷等成本低的材料制造。通过入射单元13的上述这种结构，在固定件17的区域内会丧失射入导电的第一元件14内的测量信号10的大量能量，因为那里在使用导电或者金属容器4a的情况下测量信号10产生强反射。此外，因此在导电的第一元件14的测量区35内不构成所要求的模式，例如TM₀₁模式。

为在入射区34内可以构成所入射的测量信号10所要求的TEM模式，外导体20必须安装在介电基体16的内部或者上面。如果通过例如蒸镀方法将金属或者导电材料4a涂覆在基体16的外表面上，那么虽然产生了外导体20，但这种涂层机械上或者化学上不是特别稳定。这种实施方式在附图中没有详细示出。

另一种可能性是，导电的第二元件15与导电的第一元件14电流上隔离设置嵌入基体16内，从而在一个金属或者导电的容器4a与导电的第二元件15之间通过耦合面28构成第一耦合区26a。该第一耦合区26a的间隙宽度27和耦合面28这样选择，使其在基体16机械上足够稳定的情况下，根据通过导电的第一元件14的机械负荷形成的拉力和切力产生最佳的电磁耦合26。因此所入射的测量信号10向导电的第一元件14内的最佳过渡，由同轴导体18a利用测量信号10在入射区34内所构成的TEM模式到达利用测量信号10在测量区35内所构成的TM01模式的Sommerfeld或者Goubau波导管21上，如在图2中所介绍的那样。导电的第二元件15完全嵌入基体16的介电材料23内，从而在这些部件23、25之间无需为保持密闭的过程密封而加入附加的密封件25。

入射单元13应将尽可能多的测量信号10强度或电磁波9的强度入射到测量探头21内，方法是通过入射单元依据本发明的构成，测量信号10在从同轴导体18a或者多导体18向单导体或者测量探头21过渡时几乎没有反射。测量信号10的传输与反射成比例。

如果容器4b由不导电材料组成，那么可以通过在外壁5、内壁6或者过程接口8或者容器4b顶部的区域内壁7的中间区域内涂覆导电涂层产生第一耦合区26a。由此如此前已经介绍的那样，根据容器4的导电或者导电涂层顶部的反射特性，达到测量信号10从多导体系统18向测量探头21的更好过渡。

图4示出入射单元13依据本发明第二实施方式的纵剖面图。入射单元13与图3几乎相同构成。区别在于，内导体19或导电的第一元件14也利用一个第二耦合区26b两部分构成。通过构成两部分的电流上隔离的内导体19，实现入射单元13的密封自由度，也就是说，为保持密闭的过程密封无需使用附加的密封件25。波导管21或者测量探头21通过一个固定及定位件17c，例如未详细示出的螺纹旋接件或者卡口连接件，以与嵌入介电材料23内的内导体19同轴设置固定并定位在基体16内。固定及定位件17c在测量探头21上和对应件在基体16内这样构成，使测量探头21一方面与入射单元13可松开地构成并因此可以更换测量探头21，而另一方面产生固定及定位件17c的机械稳定性，从而吸收或补偿作用于测量探头21的力。

从内导体19到波导管或测量探头21上的第二耦合区26b及固定及定位件17c这样构成，使其为测量信号10所使用的发射频率达到最佳的电磁耦合26并产生固定装置良好的机械稳定性。

图5、6和7示出入射单元13依据本发明第三实施方式的纵剖面图、纵剖面分解图和少量断面的分解图。在该实施方式中，基体16和/或内导体19由单件组件式构成。介电材料23的基体16例如由一个支承体16a、一个填充体16b和一个间隔衬套体16d组成。支承体16a预先规定入射单元13的外部形状并用于将入射单元13通过一个固定件17，例如螺纹旋接件17a固定在容器4的过程接口8内。支承体16a具有优点地组件式由一个过程转接件和一个测量电子装置外壳转接件构成，它们通过一个连接件机械上相互连接。这一点在附图中未详细示出，但这种构成的优点是，根据过程接口8和测量电子装置外壳36，基体16的支承体16a由于组件式结构可以产生相应过程转接件和测量电子装置外壳转接件的大量组合。

测量探头或波导管21中心且密封地通过一个密封件25嵌入该支承体16a内。通过内导体螺纹旋接件19a，内导体19与波导管或测量探头21电连接且机械连接。间隔衬套体16d通过内导体19的上部插入并将填充体16b与间隙16c对中心保持。填充体16b内的间隙16c这样构成，使该填充体和环绕其的导电的第二元件15可以利用相应的开口15a造型合理地插入利用接片16e构成的支承体16a内。基体16和输送测量信号10的导体由内导体19、波导管21、间隔衬套体16d、填充体16b和外导体20组成的组件式结构通过保险环17b固定在支承体16a内。

接片16e使支承体16a并因此使整个入射单元13产生机械上更大的稳定性和刚性，方法是作用于内导体19和波导管21并由其传递到基体16上的拉力和切力通过接片16e截获。例如管状的导电的第二元件15内由此所需的开口15a例如缝隙，对借助外导体20与导电或者金属容器4b之间的第一耦合区26a的电磁耦合26仅有微小影响。由于管状导电的第二元件15内的这种开口15a或者在使用两个与内导体19平行设置的屏蔽导体形式的外导体20的情况下，可以将外导体20继续导入测量区35内并因此形成多个测量探头或波导管21的同轴或者平行设置，从而进一步提高装置1的机械稳定性。

附图标记

1    装置

2    料位高度

3    介质

4    容器

4a   导电或者金属容器

4b   非导电容器

1    外壁

2    内壁

3    壁的中间区

4    过程连接

5    电磁波

6    测量信号

7    发射/接收单元

8    调节/计值单元

9    入射单元

10   导电的第一元件

11   导电的第二元件

15a  开口

1    基体

16a  支承体

16b  填充体

16c  间隙

16d  间隔衬套体

16e  接片

1    固定件

17a  螺纹旋接件

17b  安全环

17c  固定及定位件

1    多导体，多导体系统

18a  同轴导体

1    内导体

19a  内导体螺纹旋接件

19b  内导体加厚件

1    外导体

2    测量探头，波导管

3    过程室

4    介电材料，绝缘材料

5    金属或者导电材料

6    密封件

7    电磁耦合

26a  第一耦合区

26b  第二耦合区

1    间隙宽度

2    耦合面

3    总线接口

4    现场总线

5    电源装置

6    时域反射测量计

7    同轴插头接口

8    实施区；入射区

9    测量计

10   测量电子装置外壳

S    发射信号

R    反射信号

e_r   介电系数，介电常数

Claims (12)

1.用于测定和监测容器(4)内介质(3)的料位高度(2)的装置，具有：入射单元(13)，用于向至少一个延伸到容器(4)内的导电的第一元件(14)入射/出射测量信号(10)；第一固定件(17)，其在入射单元(13)的区域内，用于将装置(1)固定在容器(4)上；和调节/计值单元(12)，用于从测量信号(10)中测定料位高度(2)，其特征在于，所述入射单元(13)具有由介电材料(23)制成的基体(16)，并且该基体(16)内嵌入至少一个导电的第二元件(15)，从而所述导电的第一元件(14)和所述导电的第二元件(15)在所述基体(16)的区域内彼此电流隔离并与所述容器(4)电流隔离。

2.按权利要求1所述的装置，其中，容器(4a)由导电材料制成，或者在容器(4b)由非导电材料制成的情况下至少在固定件(17)的其他周围区域内具有导电涂层。

3.按权利要求2所述的装置，其中，这样确定处于导电的第二元件(15)外表面与容器(4)之间的固定件(17)的区域内的第一耦合区(26a)的尺寸，使得在基体(16)足够机械稳定的情况下产生测量信号(10)最佳的电磁耦合(26)。

4.按权利要求3所述的装置，其中，用于电磁耦合的第一耦合区(26a)在结构、形状、耦合面(28)和/或间隙宽度(27)上这样构成，使其在导电的第一元件(14)与导电的第二元件(15)之间的入射区域(34)内和/或在导电的第一元件(14)的测量区(35)内基本上构成一种确定模式的测量信号(10)。

5.按权利要求1所述的装置，其中，导电的第一元件(14)至少由两个组成部分，即一个内导体(19)和/或一个测量探头(21)组成。

6.按权利要求5所述的装置，其中，在第一组成部分(19)与第二组成部分(21)之间的区域内构成用于测量信号(10)电磁耦合的第二耦合区(26b)。

7.按权利要求5或6所述的装置，其中，两个组成部分(19、20)能够借助固定及定位件(17c)彼此机械连接，并且固定及定位件(17c)嵌入入射单元(13)的基体(16)内。

8.按权利要求1、3或7所述的装置，其中，入射单元(13)的基体(16)组件式或者多部分构成。

9.按权利要求1、3或7所述的装置，其中，入射单元(13)的基体(16)整体构成。

10.按权利要求1或5所述的装置，其中，导电的第一元件(14)和导电的第二元件(15)由金属、导电塑料构成和/或由介电材料(23)的金属或者导电涂层的部件构成。

11.按权利要求1或10所述的装置，其中，介电材料(23)为优选可以压力注塑法加工的塑料和/或为陶瓷。

12.按权利要求1、3、10或11所述的装置，其中，导电的第二元件(15)具有开口(15a)，其中，相应的开口(15a)由基体(16)的介电材料(23)至少部分填充。

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