CN102686988A - 用于确定至少一个过程变量的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定在容器中或者在管线中的介质的至少一个过程变量的设备，包括：至少第一元件（5）和第二元件（4），该第一元件（5）和第二元件（4）是用于确定过程变量的设备的必要组件并且在被暴露于过程温度Tp的接触位置（12）处接触。本发明的特征在于，第一元件（5）包括第一材料（M1）；第二元件（4）包括第二材料（M2）；第一材料（M1）和第二材料（M2）被以如下方式选择和相互匹配，使得在第一材料（M1）和第二材料（M2）之间的接触位置（12）处，出现取决于在过程温度Tp和参考温度Tref之间的差的热电压Uth；并且温度确定单元（11）测量热电压Uth并且由此确定过程温度Tp。进而，提出了一种相应的方法。

Description

用于确定至少一个过程变量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定在容器中或者在管线中的介质的至少一个过程变量的设备；该设备包括至少第一元件和第二元件，该第一元件和第二元件是用于确定该过程变量的设备的必要组件并且在被暴露于过程温度Tp的接触位置处接触。该设备例如是用于确定介质的填充水平、密度、粘度或者压力的测量装置。
背景技术
在测量技术中，已知多个不同的测量装置用于确定或者监测介质的一个或者多个过程变量。为了确定液体在容器中达到预定的填充水平或者为了监测最小或者最大填充水平，除了别的以外，应用了在所要监测的容器中的高度处置放的电子振动测量装置。
通常，电子振动测量装置具有两个叉状尖头，它们被经由膜被驱动单元在共振频率下激励至反相振荡。类似地，没有另外的可振荡单元或者单个杆的、所谓的膜振荡器是已知的。在这种情形中，驱动经由压电元件发生。如果振荡系统被被测量介质覆盖，则振荡衰减并且振荡频率降低，由此信号通知达到极限水平。用于液体的填充水平检测的、具有振荡叉的这种电子振动测量装置由本受让人依据商标LIQUIPHANT研制并且可获得并具有多种实施例。例如，在文献EP1261437B1中描述了一种LIQUIPHANT测量装置的构造。
还可以利用所述电子振动测量装置确定被测量介质的密度。液体的密度越高，振荡系统振荡的共振频率越低。然而，共振频率是依赖于温度的，从而还必须为了密度确定而确定介质的温度。除了该应用，多个另外的应用是已知的，其中，除了填充水平，例如，为了检测达到用于传感器的最大可允许过程温度，还要求过程温度的确定和监测。
直至现在，例如通过经由分开的过程连接使得另外的温度传感器外部地、即在填充水平或者密度测量装置的外侧与容器接触的温度测量已经是可能的。对于补偿了温度的密度测量，温度传感器和密度测量装置已经被连接到评价计算机。每一个另外的过程连接均相对于过程密封和卫生引起另外的风险，从而期望在无论如何均需要的测量装置中集成温度测量，并且因此节省另外的过程连接。
由于用以安装压电驱动/接收单元的方式，在电子振动填充水平测量装置的传感器外罩的近过程区域中集成温度传感器是困难的。这个驱动/接收单元是在传感器外罩的、可振荡单元从其背离的一侧上在传感器外罩中引入的。如果在传感器的外罩壁上紧固温度传感器，则它在这种情形中，例如对于压电元件的安装形成障碍。然而，温度传感器越远离过程，由它确定的温度越偏离过程温度。
文献DE 102006007199 A1描述一种振动式限位开关，其中在传输/接收单元的元件之间引入温度确定单元。在尚未公开的德国专利申请102009029490.2中，在填充水平测量装置的近过程元件中引入温度传感器。这些方案的缺点在于，它们使得测量装置的制造复杂化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定介质的至少一个过程变量的设备以及一种方法，进而，利用该设备和/或方法中的任何一种或者这两者，以简单的方式确定过程温度是可能的。
利用以下特征实现了关于设备的目的，包括：第一元件包括第一材料并且具有使得第一元件与第一端区域接触的第一连接线，第二元件包括第二材料并且具有使得第二元件与第一端区域接触的第二连接线，第一连接线的第二端区域和第二连接线的第二端区域被引导到暴露于参考温度Tref的温度确定单元，第一材料和第二材料被以如下方式选择和相互匹配，使得在于第一材料和第二材料之间的接触位置处，出现取决于在过程温度Tp和参考温度Tref之间的差的热电压Uth，并且温度确定单元测量热电压Uth并且由此确定过程温度Tp。
为了温度测量而要求的元件因此主要地是通过连接导线或者接触线补充从而使得能够测量热电压的、已经存在的测量装置的组件。测量装置的两个适当的组件的材料被以使得在它们之间引起热电压的方式选择。这个热电压与在过程温度和参考温度之间的温差成比例并且取决于材料的塞贝克系数的差。如果参考温度和过程温度是相同的，则热电压为零。因此，无任何温度测量元件被分开地引入测量装置中，但是，热电偶从已经存在的组件形成并且对于测量装置发挥功能而言是有必要的。
在本发明的第一实施例中，第二材料是不锈钢并且第一材料基本是镍铬化合物。
在本发明的优选实施例中，该设备是用于确定和/或监测在容器或者管线中的介质的极限填充水平的填充水平测量装置，包括：基本管状的传感器外罩，其中传感器外罩的两个端部之一被实现为膜；被置放在膜的外侧上的可振荡元件，该可振荡元件与膜形成可振荡单元；驱动/接收单元；鼻部，该鼻部被布置成在驱动/接收单元和膜之间的接触件并且在接触位置处接触膜；朝向膜挤压驱动/接收单元的夹持设备；和控制/评价单元；其中驱动/接收单元激励可振荡单元以执行机械振荡，并且其中控制/评价单元评价可振荡单元的振荡的振幅、频率和/或相位，并且鼻部和膜被以使得它们形成热电偶的方式实现。
与现有技术的方案相反，在驱动单元的区域中的已经窄的空间中没有引入任何温度传感器。相反，现有元件鼻部和膜或者传感器外罩被赋予另一项功能。膜是传感器外罩的一部分或者以分开组件的形式例如通过焊接而被紧固在传感器外罩上。因为在每一种情形中，它是固定的连接并且膜和传感器外罩的材料是相同的，热电偶不仅单独地由膜形成，而且还由传感器外罩形成。仅仅将要被从鼻部通过夹持设备引导到位于夹持设备后面的传感器外罩的区域中的连接线才是在传感器外罩的面向过程侧上的补充元件。相应地为这个另外的功能选择了鼻部和传感器外罩或者膜的材料。为了确定介质的温度而需要的另外的元件，诸如用于确定参考温度Tref的温度传感器以及温度确定单元可引入到传感器外罩的、位于夹持设备后面的、提供足够空间的部分中。
在本发明另外的进一步的改进中，鼻部和第一连接线由具有第一塞贝克系数a1的第一材料制造，并且膜和第二连接线由具有第二塞贝克系数a2的第二材料制造，其中a1不同于a2。塞贝克系数是具有电压比温度的单位的材料常数。能够在两种材料之间形成的热电压取决于这些值的差，即差|a1-a2|越大，测量效果越好。
本发明的进一步的改进提出，温度确定单元被布置于夹持设备背离驱动/接收单元的一侧上。通常，测量装置的电子器件位于这里。在传感器外罩内、特别地在背离过程的一侧上，与过程温度所处的范围相比，出现的温度通常地处于有限的范围内。因此，保护温度确定单元免受可能不利地影响它的功能能力的、非常高的过程温度。
在实施例中，温度确定单元被集成在控制/评价单元中。例如，在这种情形中，它是具有集成温度传感器的微控制器。
在另外的实施例中，驱动/接收单元包括压电元件并且第一连接线与压电元件的接触线一起被引导通过夹持设备。存在已知的实施例，其中压电元件的接触线被应用在柔性印刷电路板上。连接线在此情形中优选地在同一印刷电路板上被实现为另外的导电线路。
进而，本发明涉及一种用于使用用于确定与容器或者管线中的温度不同的过程变量的测量装置确定过程温度的方法，该测量装置包括至少一个第一元件和第二元件，该第一元件和第二元件是测量装置用于确定过程变量的必要组件并且在暴露于过程温度Tp的接触位置处接触。
利用如下特征实现了关于方法的目的，包括：第一元件由第一材料M1制造并且第二元件由第二材料M2制造，第一元件与第一连接线接触并且第二元件与第二连接线接触，连接线被引导到暴露于参考温度Tref的温度确定单元，第一材料和第二材料被以如下方式选择和相互匹配，使得在第一材料的第一元件和第二材料的第二元件之间形成热电压Uth，该热电压Uth取决于在过程温度Tp和参考温度Tref之间的差，在温度确定单元中测量热电压Uth，并且根据热电压Uth确定过程温度Tp。
在本发明的方法的实施例中，第一材料和第二材料被以使得它们的塞贝克系数相互不同的方式选择。
在用于确定温度的方法的特别有利的实施例中，使用电子振动填充水平测量装置，该电子振动填充水平测量装置包括：基本管状的传感器外罩，其中传感器外罩的两个端部之一被实现为膜；被置放在膜的外侧上的可振荡元件，该可振荡元件与膜形成可振荡单元；驱动/接收单元；鼻部，该鼻部被布置成在驱动/接收单元和膜之间的接触件并且在接触位置处接触膜；朝向膜挤压驱动/接收单元的夹持设备；和控制/评价单元；其中驱动/接收单元激励可振荡单元执行机械振荡，并且其中控制/评价单元评价可振荡单元的振荡的振幅、频率和/或相位；并且由鼻部和膜形成热电偶。
附图说明
现在将基于附图更加详细地解释本发明，其中的图如下地示出：
图1填充水平测量装置的细节的截面图示的表示；
图2测量原理的示意性表示。
具体实施方式
作为本发明的实施例的一个实例，示意性地在图1中示出了通过具有可振荡单元的填充水平测量装置1的过程侧端部区域的截面。可振荡单元由膜4和被牢固地连接到膜4的、被形成为振荡叉的可振荡元件3形成。膜4是传感器外罩2的一部分并且封闭过程侧端部区域。可振荡元件3、传感器外罩2和膜4由相同的材料、优选地由不锈钢制造。驱动/接收单元6被布置在传感器外罩2的内部中。在该实施例的实例中，驱动/接收单元6是由压电元件构成的堆叠驱动并且被夹持在压力螺钉7和鼻部5之间。替代压力螺钉7，还可设想其它紧固装置，例如轭。经由鼻部5，驱动/接收单元6的作用力被传递到膜4，膜4继而将可振荡元件3激励至机械振荡。鼻部5优选地是半球形的并且在接触位置12处的小区域上接触膜4。
鼻部5和膜4、分别地传感器外罩2，由不同的材料制造并且形成热电偶。因此，在该实施例中，鼻部5是包括第一材料M1的第一元件并且膜4是包括第二材料M2的第二元件。热电压Uth在接触位置12处形成。为了测量热电压，鼻部5被连接到包括与鼻部5相同的材料的第一连接线9。以相同的方式，膜4经由传感器外罩2而被连接到类似地包括与传感器外罩2相同的材料的第二连接线10。连接线9、10这两者均被引导到温度确定单元11。温度确定单元11优选地位于传感器外罩的、远离过程的区域中，从而在那里支配性的参考温度Tref与在接触位置12处支配性的、与所要确定的过程或者介质温度对应的温度Tp不同。特别地当可振荡单元3被过程介质覆盖时，过程温度Tp对应于介质的温度。对于温度Tref和Tp并非不同的情形，热电压Uth并不出现并且热电压的测量值为零。温度确定单元11例如是微控制器。这种电子组件对于高温敏感从而当温度确定单元11被从过程热绝缘时是有利的。优选地，温度确定单元11被集成到传感器电子器件中，从而用于温度确定单元11的、任何另外的组件都是不必要的。
热电压越高，在鼻部5的材料的塞贝克系数a1和传感器外罩2的材料的塞贝克系数a2之间的差越大。为了能够在过程和温度确定单元11的场所之间存在小的温差dT=|Tp–Tref|的情形中确定过程温度Tp，因此当差a1-a2的幅度尽可能大时是有利的。如果膜4和传感器外罩2由不锈钢、例如由不锈钢316l制造，则制造镍铬化合物的鼻部5是有利的。
温度确定单元11是分开的电子器件模块或者被集成到控制/评价单元21中。有利地，温度确定单元11是具有集成温度传感器的微控制器，从而在温度确定单元11的场所处的参考温度Tref在任何时间都是已知的，而无需分开的温度传感器。
图2示出用于确定过程温度Tp的测量原理的略图。在接触位置处，第一材料M1和第二材料M2经受所要确定的过程温度Tp。包括相同材料的连接线，在每一种情形中，均远离过程并且朝向处于参考温度Tref的比较测量点11a地引导。在比较测量点11a中的端点经由在该实例中包括材料M1的连接导线而被引导到形式为微控制器的温度确定单元11，并且确定在连接导线的端点之间的势差。
比较测量点11a在这种情形中还可以位于微控制器11内。电势差等于热电压Uth。过程温度Tp由热电压Uth的值得出：
Tp=Uth/（a2-a1）+Tref。
用词语表达，过程温度由在温度确定单元的场所处的参考温度和热电压与两种材料的塞贝克系数之差的商的和得出。
参考字符列表
1     填充水平测量装置
2     传感器外罩
3     可振荡元件
4     膜/第二元件
5     鼻部/第一元件
6     驱动/接收单元
7     压力螺钉
8     接触线
9     第一连接线
10    第二连接线
11    温度确定单元
11a   比较测量点
12    接触位置
21    控制/评价单元
M1    第一材料
M2    第二材料

Claims (10)

1.一种用于确定在容器中或者在管线中的介质的至少一个过程变量的设备，包括至少第一元件（5）和第二元件（4），所述第一元件（5）和第二元件（4）是所述设备用于确定所述过程变量的必要组件并且在暴露于过程温度Tp的接触位置（12）处接触，
其特征在于，
所述第一元件（5）包括第一材料（M1）并且具有使得所述第一元件（5）与第一端区域接触的第一连接线（9）；
所述第二元件（4）包括第二材料（M2）并且具有使得所述第二元件（4）与第一端区域接触的第二连接线（10）；
所述第一连接线（9）的第二端区域和所述第二连接线（10）的第二端区域被引导到暴露于参考温度Tref的温度确定单元（11）；
所述第一材料（M1）和所述第二材料（M2）被以如下方式选择和相互匹配，使得在于所述第一材料（M1）和所述第二材料（M2）之间的所述接触位置（12）处，出现取决于在所述过程温度Tp和所述参考温度Tref之间的差的热电压Uth；
并且所述温度确定单元（11）测量所述热电压Uth并且由此确定所述过程温度Tp。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述第二材料（M2）是不锈钢并且所述第一材料（M1）基本是镍铬化合物。
3.根据权利要求1或者2所述的设备，
其特征在于，
所述设备是用于确定和/或监测在容器或者管线中的介质的极限填充水平的填充水平测量装置（1）并且包括：基本管状的传感器外罩（2），其中所述传感器外罩（2）的两个端部之一被实现为膜（4）；被置放在所述膜（4）的外侧上的可振荡元件（3），所述可振荡元件（3）与所述膜（4）形成可振荡单元；驱动/接收单元（6）；鼻部（5），所述鼻部（5）作为接触件被布置在所述驱动/接收单元（6）和所述膜（4）之间，并且在所述接触位置（12）处接触所述膜（4）；朝向所述膜（4）挤压所述驱动/接收单元（6）的夹持设备（7）；和控制/评价单元（21）；其中所述驱动/接收单元（6）激励所述可振荡单元以进行机械振荡，并且其中所述控制/评价单元（21）评价所述可振荡单元的振荡的振幅、频率和/或相位；
并且所述鼻部（5）和所述膜（4）被以使得它们形成热电偶的方式实现。
4.根据权利要求3所述的设备，
其特征在于，
所述鼻部（5）和所述第一连接线（9）由具有第一塞贝克系数a1的第一材料（M1）制造，
并且所述膜（4）和所述第二连接线（10）由具有第二塞贝克系数a2的第二材料（M2）制造，其中a1不同于a2。
5.根据权利要求3或者4所述的设备，
其特征在于，
所述温度确定单元（11）被布置于所述夹持设备（7）背离所述驱动/接收单元（6）的一侧上。
6.根据权利要求3到5中的一项所述的设备，
其特征在于，
所述温度确定单元（11）被集成到所述控制/评价单元（21）中。
7.根据权利要求3到6中的一项所述的设备，
其特征在于，
所述驱动/接收单元（6）包括压电元件，并且所述第一连接线（9）与所述压电元件的接触线（8）一起被引导通过所述夹持设备（7）。
8.一种用于利用用于确定与容器或者管线中的温度不同的过程变量的测量装置确定过程温度Tp的方法，所述测量装置包括至少第一元件（5）和第二元件（4），所述第一元件（5）和第二元件（4）是所述测量装置用于确定所述过程变量的必要组件并且在暴露于过程温度Tp的接触位置（12）处接触，
其特征在于，
所述第一元件（5）由第一材料M1制造并且所述第二元件（4）由第二材料M2制造；
所述第一元件（5）与第一连接线（9）接触并且所述第二元件（4）与第二连接线（10）接触；
所述连接线（9，10）被引导到暴露于参考温度Tref的温度确定单元（11）；
所述第一材料（M1）和所述第二材料（M2）被以如下方式选择和相互匹配，使得在所述第一材料（M1）的所述第一元件（5）和所述第二材料（M2）的所述第二元件（4）之间形成热电压Uth，所述热电压Uth取决于在所述过程温度Tp和所述参考温度Tref之间的差；
在所述温度确定单元中测量所述热电压Uth；
并且根据所述热电压Uth确定所述过程温度Tp。
9.根据权利要求8的方法，
其特征在于，
所述第一材料（M1）和所述第二材料（M2）被以使得它们的塞贝克系数相互不同的方式选择。
10.根据权利要求8或者9的方法，
其特征在于，
电子振动填充水平测量装置（1）被用于确定所述过程温度Tp；其中所述电子振动填充水平测量装置（1）包括：基本管状的传感器外罩（2），其中所述传感器外罩（2）的两个端部之一被实现为膜（4）；被置放在所述膜（4）的外侧上的可振荡元件（3），所述可振荡元件（3）与所述膜（4）形成可振荡单元；驱动/接收单元（6）；鼻部（5），所述鼻部（5）作为接触件被布置在所述驱动/接收单元（6）和所述膜（4）之间，并且在所述接触位置（12）处接触所述膜（4）；朝向所述膜（4）挤压所述驱动/接收单元（6）的夹持设备（7）；和控制/评价单元（21）；其中所述驱动/接收单元（6）激励所述可振荡单元以执行机械振荡，并且其中所述控制/评价单元（21）评价所述可振荡单元的振荡的振幅、频率和/或相位，
并且由所述鼻部（5）和所述膜（4）形成热电偶。
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