CN103069257B - 用于紧固填充水平测量设备的测量探针单元的围绕测量探针同轴布置的管到过程连接元件的连接的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请包括一种用于附接填充水平测量设备的测量探针单元的围绕测量探针同轴布置的管的方法，其中绳形状的或杆形状的测量探针的测量探针单元被围绕测量探针同轴布置的的管包围，其中测量探针单元使用过程连接元件被附接到容器，其中测量探针单元的测量探针和围绕测量探针同轴布置的管被可拆地连接到过程连接元件。本申请包括，在第一方法步骤中，同轴布置的管经由形状适配螺纹连接在限定连接区域中被可拆地连接到过程连接元件，以及在第二方法步骤中，利用被同轴布置并且在附接区域中附接到过程连接元件的管的径向变形紧固同轴布置的管到过程连接元件的可拆形状适配螺纹连接。本申请还包括并且包含用于附接填充水平测量设备的测量探针单元的同轴布置的管的相应装置。

Description

用于紧固填充水平测量设备的测量探针单元的围绕测量探针同轴布置的管到过程连接元件的连接的装置和方法
本发明涉及用于连接填充水平测量设备的测量探针单元的同轴布置的管的方法和装置，该主题在装置权利要求1的前序或方法权利要求5的前序中限定。
在自动化和过程控制技术中已知两种不同的测量原理，其允许借助被引入到容器的测量探针确定容器中介质的填充水平。受让人在工业自动化和过程控制技术领域中是活跃的，并且制造通常被称为现场设备的工业测量设备。其现场设备例如根据商标Levelflex、Liquicap和Solicap销售，该现场设备利用引入了测量探针的容器，该测量探针用于容器中介质的填充水平确定或极限水平确定。
这些测量原理中的一种是基于电容测量。在此情形下，测量探针被应用为电容式探针，例如为电极。它被插入容器并且对于由探针和探针周围的容器壁形成的电容器测量电容。该测量的电容对应于空容器的基本电容与特定于填充物质的电容增加系数和这种填充物质的填充水平的乘积的和。
这些测量原理中的另一种是基于行进时间测量。在这种情形下，填充水平测量设备产生电磁信号，该电磁信号沿着用作波导管的测量探针被发送进容器。这些电磁信号的一部分继而在填充物质的表面处由于测量探针周围介质的介电常数改变而被反射回来。这种回波信号在取决于填充水平的行进时间之后被接收回来。填充水平测量设备基于测量信号的行进速度以及在发送测量信号和接收到由填充物质的表面上的反射引起的回波信号之间的行进时间差确认行进距离。FMCW方法——频率调制连续波，在该情形下连续测量信号的频率被连续地改变。使用在发送信号和在反射信号返回时的反射信号之间的频率差测量距离。FMCW方法在上述测量探针作为波导管、表面波导管或同轴波导管的情况下同样可执行为使用上述行进时间测量原理的形式。
在时域反射计TDR——Time Domain Reflectometry——的情形下，例如，根据引导微波的方法，沿着索末菲尔德波导管（Sommerfeldwaveguide）、古博波导管（Goubau waveguide）或同轴波导管发送高频脉冲。如果该电磁信号碰撞容器中填充物质的表面，则信号的至少一部分由于在此介质边界处存在阻抗跃变被反射回来。作为时间函数的接收信号振幅是回波信号。该回波信号的每一个值对应于在离发送和接收元件一定距离处反射的回波的振幅。回波信号具有标记的最大值，其在每一个情形下对应于在填充物质的表面上反射的电磁信号的部分。根据在发送电磁信号和接收到最大值之间的时间差确认行进时间。基于测量布置的结构尺寸、特别是关于容器的填充水平测量设备的安装高度，和在例如位于上部填充物质上方的空气的介质中电磁信号的行进速度，根据行进时间得到容器中填充物质的填充水平以及由此得到容器中目前的填充水平。
在以下列举中，描述了这种测量探针的结构和测量信号到这些测量探针中的耦合。
DE102004060119A1公开了一种用于时域反射计的耦合单元，在该情形下，探针元件经由螺纹连接与测量探针的耦合单元连接。此结构具有的优点是，探针元件可以被现场移除和更换。
在US6,178,817B1、DE10045235A1和DE10003941A1中示出了探针元件与耦合单元的其他组合。在这种类型的测量探针连接的情形下，在过程空间中，探针元件借助耦合单元外部的连接元件与螺纹凸耳连接。
上述的测量探针的拧入连接也可应用在根据电容式或导电测量方法工作的测量设备的情形下。在DE200300901U1中，描述了一种用于电容式测量设备的简单的测量探针连接。
优选地，对于电容式填充水平测量以及也对于根据行进时间原理的填充水平测量，应用所谓的同轴探针作为测量探针单元。这些包括作为测量探针的内导体和同轴地围绕测量探针的、作为屏蔽导体的管。同轴探针提供的优点是，利用其执行的测量完全地与测量探针在容器中的安装情况无关地进行。结果，容器的形状和电性质对测量没有影响。同时，屏蔽导体导致最大信号质量。因此来自外部干扰和损失功率的影响被显著地降低。
为了能够应用这种同轴探针以用于电容式填充水平测量和/或根据上述行进时间原理的填充水平测量，绝对地需要内导体或测量探针与同轴布置的管或屏蔽导体电流地绝缘，并且该屏蔽导体电地处于基准电势、优选地被接地。为了这个原因，也在应用于利用导电填充物质填充的容器中的情形下，内导体和屏蔽导体之间不能存在电流连接。这种电流连接将导致短路，这将使得电容式填充水平测量和根据行进时间原理的填充水平测量是不可能的。
根据目前技术水平，存在不同的方法以用于实现在用于填充水平测量设备的测量探针单元的测量探针和围绕测量探针同轴布置的管之间的可拆的、电流隔离的连接。然而，这些具有的缺点是，测量探针或同轴布置的管可能由于振动或由于作用在其连接上的意外的力而松开。如果测量探针或围绕测量探针同轴布置的管变成完全地从其到过程连接元件的连接分离，则使用这种测量探针单元的测量不再是可能的。此外，在通常在下部区域中具有进给螺杆或泵的漏斗仓中，测量探针单元的掉下的测量探针或坠落的同轴管可以引起重大损坏。
在DE102006053399A1中公开了一种借助保持环或O形环的测量探针紧固，该保持环或O形环接合进测量探针上和测量探针保持器中的空腔以用于防止意外拆解。可以通过施加预定轴向的拉力来克服保持环或O形环在测量探针保持器中的空腔中的接合，并且因而测量探针可以与过程连接元件分离。
在现有技术中未示出了防止特别是由于发生测量设备或容器的振动而引起的、围绕测量探针同轴布置的管的连接意外拆解的紧固。
因此，本发明的目的是提供一种用于测量设备的同轴测量探针单元，其包括测量探针，该测量探针具有同轴地围绕该测量探针的管，其中使得围绕测量探针同轴布置的电流隔离的管能够简单的、紧固的和成本低廉地连接。
通过装置权利要求1的主题，也通过方法权利要求5的主题实现了本目的。
本发明的进一步的展开和实施例在分别的从属权利要求2-4的装置特征中和权利要求6-9的方法特征中阐述。
本发明包括：一种填充水平测量设备，其借助微波行进时间测量方法和/或电容式测量方法确认和/或监测位于容器的过程空间中的介质的填充水平或极限水平，并且至少由测量变送器和测量探针单元组成；本发明的装置用于连接测量探针单元的围绕测量探针同轴布置的管，该测量探针单元至少由缆线形状的或杆形状的测量探针和围绕测量探针同轴布置的管构成，其中借助过程连接元件实施该测量探针单元到该容器的连接，其中用于该测量探针单元的该测量探针和围绕测量探针同轴布置的管经由可拆连接而被连接到该过程连接元件，其中该同轴布置的管到该过程连接元件的可拆连接经由在限定连接区域中的形状互锁螺纹连接来实施，并且其中该同轴布置的管到该过程连接元件的可拆形状互锁螺纹连接借助该同轴布置的管在限定连接区域中的径向变形而被紧固。
在补充实施例中，通过由压力夹具引起的、至少在该限定连接区域中在该同轴布置的管上的外力，来提供该同轴布置的管在该限定连接区域中的径向变形。
在第一实施例中，由具有多边形空腔的压力夹具引起该同轴布置的管在该限定连接区域中的径向变形。
在第二实施例中，由具有椭圆形空腔的压力夹具引起该同轴布置的管在该限定连接区域中的径向变形。
在第三实施例中，该压力夹具由至少两个部分实施和/或被相同地成形并镜像对称地布置。
此外，本发明包括一种用于连接在填充水平测量设备的测量探针单元中围绕测量探针同轴布置的管的方法，其中该填充水平测量设备被用于借助微波行进时间测量方法和/或电容式测量方法确认和监测位于容器的过程空间中的介质的填充水平，其中该测量探针单元包括缆线形状的或杆形状的测量探针和同轴地围绕该测量探针的管，其中该测量探针单元借助过程连接元件连接到该容器，其中用于该测量探针单元的该测量探针和围绕测量探针同轴布置的该管被可拆地连接到该过程连接元件，其中在第一步骤中，该同轴布置的管经由在限定连接区域中的形状互锁螺纹连接而被可拆地连接到该过程连接元件，并且其中在第二方法步骤中，该同轴布置的管到该过程连接元件的可拆形状互锁螺纹连接借助该同轴布置的管在该限定连接区域中的径向变形而被紧固。
在附加的方法步骤中，通过由压力夹具引起的、在该同轴布置的管上的力来实现径向变形。
在补充方法步骤中，该压力夹具利用多边形空腔产生该同轴布置的管在该限定连接区域中的逐点的径向变形。
在补充方法步骤中，该压力夹具利用椭圆形空腔产生该同轴布置的管在该限定连接区域中的区域的径向变形。
在附加的有利的方法步骤中，由具有对应空腔的至少两个部分形成的该压力夹具借助限定的力在该连接区域中围绕该同轴布置的管闭合，并且因此被连接到过程连接元件的该同轴布置的管在该限定连接区域中出现的径向变形确保防止该螺纹连接的旋松。
本发明主题的其他细节、特征和优点将从以下利用相关附图的描述中变得明显，其中呈现了本发明的实施例的优选示例。为了更好的概括和简化，图中示出的以及在结构和/或功能上对应的实施例的示例的部件或部件的组合被提供有相同的附图标记。附图的图示出如下：
图1根据本发明的、利用测量探针单元的过程测量技术的填充水平测量设备的示意性截面图示，
图2由过程连接元件、测量探针和围绕测量探针同轴布置的管组成的测量探针单元的一系列图示，
图3根据在本发明的连接的图2中的指示截取的、由压力夹具引起的管在过程连接的连接区域中的变形的截面图示A-A，以及
图4用于借助径向变形紧固同轴布置的管与过程连接元件的可拆形状互锁螺纹连接的多边形压力夹具的放大平面图和放大的三维表示。
图1示出了以时域反射计或TDR测量系统形式的填充水平测量设备2，用于使用测量探针单元7上的发送脉冲M，基于行进时间测量方法，来确认在容器4的过程空间6中的介质5的连续填充水平F。测量探针9的过程接触部分在这种情形下表示测量探针单元7的测量有效区域，该过程接触部分一般被实施为杆或缆线。测量探针单元7的测量无效区域基本用于在过程连接元件8中保持测量探针9以及用于将发送脉冲M耦合或供应进测量探针9。填充水平测量设备2的探针耦合元件、过程连接元件8例如经由过程螺纹19与凸缘或过程拧入部20连接，凸缘或过程拧入部20继而附接到容器6。测量探针9突出进入过程连接元件8的部分和过程连接元件8的金属壁在测量探针单元7的该测量无效区域中形成同轴波导管。在过程连接元件8中集成特定外导体自然也是可能的。经由实施为同轴系统的过程连接元件8，在测量变送器3中的高频单元中产生的高频测量信号作为发送脉冲M耦合进测量探针9。在测量探针单元7的测量无效区域中的该同轴系统被实施为，使得在该同轴系统中的发送脉冲M可以被耦合进和耦合出，并且被几乎无损地发送。由于波阻改变而至少部分地反射的想要的回波信号N行进回测量探针9并且由在测量变送器3中的测量电子设备、特别地是高频单元来接收。在图1中测量探针单元7被示出为同轴的测量探针单元7，其由测量探针9和在轴向地围绕测量探针9的管或管状外导体10组成。如上所述，这些同轴测量探针单元7具有的优点是，电容式填充水平测量和借助引导微波的填充水平测量完全地与测量探针单元7在容器4中的安装情况无关地进行。结果，容器4的形状和电性质对根据两种测量方法中的任何一种的填充水平测量没有影响。与此结合，外导体的存在导致最大信号质量，因为通过外导体10的屏蔽可以显著地降低由外部干扰、外来辐射和功率损失导致的对测量信号的电磁影响。
TDR测量方法根据以下测量原理工作。高频测量信号经由测量探针9作为发送脉冲M被朝向介质5发送或被发送进入过程空间6。该发送脉冲M由于围绕测量探针9的材料或介质5的介电常数εr的不连续或DK值跳跃而作为想要的回波信号N被反射回，或者部分地由于测量探针9的几何结构改变而作为干扰回波信号被反射回。例如，当介质5上方气相的介电常数εr2（尤其在空气的情形下，εr2等于1）小于介质5的介电常数εr1时，在介质5的介面17处发生介电常数εr或波阻的不连续。使用高频测量信号的测量的行进时间和对行进速度的知识，转换公式导出单向行进距离。容器4中的介质5的填充水平F对应于容器4的高度或高频测量信号进入测量探针7的耦合位置减去高频测量信号单向行进的距离。考虑到容器4的几何结构，然后以相对或绝对值的形式确认介质5的填充水平F。由于介质3可能随着填充水平F在管10中上升，在管10和/或过程连接元件8中设置至少一个开口18。
而且，由想要的回波信号N、发送脉冲M和干扰回波信号组成的被接收的高频测量信号在测量变送器3中的控制/估算单元中例如通过滤波、时间变换和平滑化而被度量地并且信号技术地估算。如此获得的填充水平F的测量值或映射整个测量情况的回波曲线例如经由总线接口被转发至现场总线22，然后例如被转发至控制站和/或其他现场设备。然而，填充水平2的测量值或回波曲线也可以被呈现在填充水平测量设备2的集成显示器上或输出/输入单元上。例如，借助双线式线路实现填充水平测量设备2的供电。当填充水平测量设备2是所谓的双导体测量设备，在该情形下经由一个双线式线路专用地并且同时地结合和处理经由现场总线22的通信和经由供应线21的供电时，不存在用于供电的额外的供应线21。例如，根据CAN、HART、PROFIBUSDP、PROFIBUS FMS、PROFIBUS PA或基金会（FOUNDATION）现场总线标准实现经由现场总线22的数据传输或通信。
例如在根据电容式测量方法工作的填充水平测量设备2的情形下，本发明的、用于将测量探针9的同轴管10紧固于过程连接元件8的连接系统也是可应用的。利用电容式测量方法，选项包括填充水平F的连续测量和达到介质5的预定极限水平的信号通知。在这种情形下，由测量探针9和在同轴地围绕测量探针9的管10组成的同轴测量探针单元7形成电容器，其电容取决于介电介质5在容器4中的填充水平F。填充水平F可以从电容改变中推导。当测量探针单元7被介质5覆盖的程度或介质5在容器4中的填充水平F改变时，可以检测到该测量结构的电容的几乎成比例的改变。大约相似的测量原理是基于导电测量方法，在该情形下作为导电介质在容器中的填充水平的函数确认电导率的改变。例如，在受让人的公开文献DE10157762A1和DE10161069A1中，描述了用于测量电容的实施例的各种示例。一般地，为了测量电容的值，测量探针单元7被供应有操作信号，该操作信号通常是交流电压。测量探针9一般被实施或者为杆或者为缆线。
在被适配在容器4上的凸缘或过程螺纹上安设填充水平测量设备2之前，首先将测量探针9，并且此后将围绕测量探针9同轴布置的管10借助连接11连接到过程连接元件8。例如，在限定连接区域13中，以借助在测量探针9上的螺纹和在过程连接元件8上的螺纹的螺纹连接12的形式提供连接11。
在DE102006053399A1中，借助保持环或O形环紧固测量探针9，该保持环或O形环为了确保防止意外拆解而接合在测量探针9上和在过程连接元件8中的空腔。通过施加预定轴向的拉力，该紧固可以被克服，并且因而测量探针9可以与过程连接元件8分离。通过以保持环形式的该紧固元件防止了由于振动和摇动造成的、通过螺纹连接而被保持在过程连接元件8中的测量探针9的意外拆解。
在图2和图3中示出了本发明的对于围绕测量探针9同轴布置的管10的紧固。在测量探针9被连接和紧固在过程连接元件8中之后，围绕测量探针9同轴布置的管借助于旋转移动25以接合连接11的螺纹连接12而被连接到过程连接元件8。为了更简单地将管10连接到过程连接元件8，提供了在过程连接元件8上的螺纹和在管10中的螺纹具有相同的标称直径、相同的螺纹扣数、相同的节距和相同的侧面形式。因为该螺纹连接可以由于振动和材料热膨胀的差异而松开，所以根据本发明，提供了螺纹连接12的额外紧固。为了紧固在过程连接元件8上的螺纹和管10中螺纹之间的自由移动的、形状互锁螺纹连接12，根据本发明，在连接区域13中提供了：单独的螺纹通过管10的横截面的至少局部变形14而对彼此变紧，使得在螺纹的变形区域中，螺纹侧面互相挤压。这种螺纹连接在技术语言中被称为“卡滞的（frozen）”螺纹连接，因为如果可能的话，只能通过施加大量的力才可以松开它。由于在两个螺纹的变形的螺纹侧面之间的接触力增加，它成为在管10的材料和过程连接元件8的材料之间的、局部的材料结合的冷焊也是可能的。
图3示出了沿着图2的剖面A-A截取的截面，图示了本发明的对于在管10和过程连接元件8之间的螺纹连接的紧固。测量探针9被中心地连接且紧固在过程连接元件8中。测量探针9通过绝缘元件23而被与过程连接元件8的金属外壳24电流隔离地定位。管10被围绕测量探针9同轴布置并且借助螺纹的螺纹连接12连接到过程连接元件8，该螺纹在图3中未被明确示出。为了通过变形14紧固螺纹连接，例如，使用具有总共八边形空腔的压力夹具15，其在连接区域13中以打开状态被闭合地放置在管10周围。通过在压力夹具15上施加压力，于是将限定的、集中的和径向的力K作用在具有螺纹的、圆形地围绕的管10、10a上。力K的集中作用使在连接区域13中的管10、10b变形并且在过程连接元件8上的螺纹和管10上的螺纹之间的螺纹连接12变得被夹紧在一起。管10b的变形14在图3中被放大示出。
图4示出了具有六边形空腔16的压力夹具15的实施例。在本实施例中压力夹具15单侧地互相铰接，使得压力夹具15只可以在另一侧被移动分开。为了利用这些压力夹具15获得力K，可以应用已知的压缩压制工具或压制机器，例如根据商标Pressgun销售的那些。
附图标记列表
1   装置
2   填充水平测量设备
3   测量变送器
4   容器
5     介质
6     过程空间
7     测量探针单元
8     过程连接元件
9     测量探针
10    同轴布置的管、接地管、外导体
11    连接
12    螺纹连接、螺纹连接
13    连接区域
14    径向变形
15    压力夹具
16    空腔
17    介面、表面
18    开口
19    过程螺纹
20    凸缘、过程拧入部
21    供应线
22    现场总线
23    绝缘元件
24    金属外壳
25    旋转
F     填充水平
εr1  介质的介电常数
εr2  气相的介电常数
M     发送脉冲
N     想要的回波信号

Claims (12)

1.用于连接填充水平测量设备的测量探针单元的同轴布置的管的装置，其中所述填充水平测量设备被实施为用于借助微波行进时间测量方法和/或电容式测量方法确认和监测位于容器的过程空间中的介质的填充水平，其中所述填充水平测量设备至少包括测量变送器和测量探针单元，其中所述测量探针单元至少由缆线形状的或杆形状的测量探针和围绕所述测量探针同轴布置的管构成，其中所述测量探针单元到所述容器的连接借助过程连接元件来实施，其中用于所述测量探针单元的所述测量探针和围绕所述测量探针同轴布置的所述管经由可拆连接而被连接到所述过程连接元件，
其特征在于
同轴布置的所述管(10)到所述过程连接元件(8)的可拆连接(11)经由在限定连接区域(13)中的形状互锁螺纹连接(12)来实施，并且
同轴布置的所述管(10)到所述过程连接元件(8)的可拆形状互锁螺纹连接(12)借助同轴布置的所述管(10)在限定连接区域(13)中的径向变形(14)而被紧固，
其中所述螺纹连接(12)的单独的螺纹通过同轴布置的所述管(10)的至少局部变形而对彼此变紧，使得在所述螺纹的变形区域中，螺纹侧面互相挤压。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于
通过由压力夹具(15)引起的、至少在所述限定连接区域(13)中在同轴布置的所述管(8)上的外力，来提供同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的所述径向变形(14)。
3.根据权利要求1或2中的至少一项所述的装置，
其特征在于
同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的所述径向变形(14)由具有多边形空腔(16)的压力夹具(15)引起。
4.根据权利要求1或2中的至少一项所述的装置，
其特征在于
同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的所述径向变形(14)由具有椭圆形空腔(16)的压力夹具(15)引起。
5.根据权利要求2所述的装置，
其特征在于
所述压力夹具(15)由至少两个部分实施和/或被至少相同地成形并镜像对称地布置。
6.根据权利要求3所述的装置，
其特征在于
所述压力夹具(15)由至少两个部分实施和/或被至少相同地成形并镜像对称地布置。
7.根据权利要求4所述的装置，
其特征在于
所述压力夹具(15)由至少两个部分实施和/或被至少相同地成形并镜像对称地布置。
8.用于连接在填充水平测量设备的测量探针单元中围绕测量探针同轴布置的管的方法，其中所述填充水平测量设备被用于借助微波行进时间测量方法和/或电容式测量方法确认和监测位于容器的过程空间中的介质的填充水平，其中所述测量探针单元包括缆线形状的或杆形状的测量探针和同轴地围绕所述测量探针的管，其中所述测量探针单元借助过程连接元件连接到所述容器，其中用于所述测量探针单元的所述测量探针和围绕所述测量探针同轴布置的所述管被可拆地连接到所述过程连接元件，
其特征在于
在第一步骤中，同轴布置的所述管(10)经由在限定连接区域(13)中的形状互锁螺纹连接(13)而被可拆地连接到所述过程连接元件(8)，并且
在第二方法步骤中，同轴布置的所述管(10)到所述过程连接元件(8)的可拆形状互锁螺纹连接(13)借助同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的径向变形(14)而被紧固，
其中所述螺纹连接(12)的单独的螺纹通过同轴布置的所述管(10)的至少局部变形而对彼此变紧，使得在所述螺纹的变形区域中，螺纹侧面互相挤压。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于
由压力夹具(15)引起的在同轴布置的所述管(10)上的力实现所述径向变形(14)。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于
所述压力夹具(15)利用多边形的空腔(16)产生同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的逐点的径向变形(14)。
11.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于
所述压力夹具(15)利用椭圆形的空腔(16)产生同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中的区域的径向变形(14)。
12.根据前述的权利要求中的至少一项所述的方法，
其特征在于
由具有对应空腔(16)的至少两个部分形成的所述压力夹具(15)借助限定的力在所述连接区域(13)中围绕同轴布置的所述管(10)闭合，并且因此出现的、同轴布置的所述管(10)在所述限定连接区域(13)中对所述过程连接元件(8)的径向变形(14)确保防止所述螺纹连接(12)的旋松。
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