CN103782138B - 液位监控 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种收集容器的液位调节方法，收集容器中收集有电介质。借助包含测量电容器的监控电路对液位进行监控，电容器的电容量根据液位至少在收集容器的液位范围内持续进行变化，该方法包含以下步骤：确定测量电容器的电容量；确定测量电容器的品质因子；根据测量电容器的品质因子确定电介质的介电常数；根据确定的测量电容器的电容量和电介质的介电常数确定收集容器的液位；根据液位从收集容器中排出电介质。

Description

液位监控
技术领域
本发明涉及一种对装有电介质(优先为冷凝液)的收集容器进行液位监控的方法以及相关的测量电容器的监控电路，该电容器根据收集容器的液位具有不断变化的电容量。此外，本发明还涉及一种冷凝液排出阀和冷凝液排出器。
背景技术
在当前技术水平下已经公开了不同的液位监控装置和方法。将蒸汽管道或者压力管道中形成的冷凝液自动排入冷凝液收集容器的冷凝液排出器(但不会有大量气体，例如水蒸气或者压力空气，从管道中溢出)通常具有一个液位监控装置。
在压力空气技术中，使用冷凝液排出器将冷凝液从压力空气管道中排出。冷凝液主要是由于压力空气压缩机吸入的环境空气中的湿度形成的。存在不同结构类型的冷凝液排出器。冷凝液排出器工作的原理是，打开阀门，冷凝液从压力空气管网中通过其中存在的压力被排出。冷凝液排出器根据其阀门控制类型和能量供给方式而存在差异。
浮子冷凝液排出器具有一个空心体，通过空心体内收集的冷凝液的浮力将浮子升起，由此对阀门进行控制。大部分情况下，阀门间接借助伺服控制器打开排出开口，冷凝液通过该开口排出。
此外还公开了电动控制、时间控制的电磁阀，该电磁阀在可调节的规定时间间隔内打开。其缺点在于，该电磁阀的打开与液位无关，即使在无冷凝液时也会打开，因此会因排出压力空气形成较高的能量损失。
电子液位调节阀可以通过电子传感器确定收集的液体数量，该传感器可以实现对液位的定量监控。如果达到特定的数量，则阀门打开，精确地排出该数量的液体，因而不会形成压力空气损失。具有电子液位调节阀门的冷凝液排出器由于较小的压力空气和能量损失，因而具有特别的优势，已经成为当前的技术水平。
使用电容量测量装置确定液位，尤其是使用伺服控制的薄膜阀门的冷凝液排出器具有特别的意义。电容量测量装置根据电容量确定冷凝液收集容器的液位，如果冷凝液作为电介质流入，则电容量随液位的变化而变化。因为冷凝液根据工作和环境条件可能具有不同的油和/或者污染物负担，大量额外的内容物也会影响到其容量，因此当前技术水平下公开的液位监控装置可能无法明确地根据实际的液位高度进行分析。
例如，EP 039125081 B1说明了一种从压力空气系统或者类似系统中排出冷凝液的装置，具有和压力空气系统持续连接的冷凝液收集室以及封闭收集室出口的薄膜阀门，在收集室中安排有两个通过电子装置和控制阀控制确定不同液位的薄膜阀门的电容式传感器。两个传感器相互垂直并间隔一定距离安排在垂直伸入收集室中、其外侧末端封闭的管道中，传感器和控制收集室预控制排出口的控制阀进行电气连接。
发明内容
上述发明的任务在于，提供一种可靠检测实际液位的方法以及对液位进行监控或者调节的电路。
根据本发明，该任务借助一种收集容器液位调节方法、一种收集容器液位监控装置、一种冷凝液可调节排出阀以及一种冷凝液排出器加以解决。所属结构的单项特征并不局限于单独使用，而是可以任意相互以及和其他结构的其他特征组合使用。
对收集容器液位调节方法进行了推荐，对此，收集容器中收集有电介质。借助包含测量电容器的监控电路对液位进行监控，电容器的电容量根据液位至少在收集容器的液位范围内持续进行变化。该方法包含以下步骤：
·确定测量电容器的电容量；
·确定测量电容器的品质因子；
·根据测量电容器的品质因子确定电介质的介电常数；
·根据确定的测量电容器的电容量和电介质的介电常数确定收集容器的液位；
·根据液位从收集容器中排出电介质，例如在规定的液位时。
上述方法的优点在于可以更精确、更可靠地进行定质液位调节。测量到的是实际液位指数的电容量不仅取决于液位，而且也取决于所收集电介质的介电常数。对此，从测量到的品质因子可以推导出介电常数，通过测量两个变量，即电容量和介电常数可以明确和精确地确定液位。因为存在不同的电介质成分可能会形成不同的介电常数，电容量的检测对于固定的电介质成分可以提供一个精确的、符合实际液位的液位数据。借助根据本发明的品质因子测定，可以推导出电解质的成分，从而可以对电容量与液位之间的关系进行相应的校正，例如通过刻度进行说明。根据电容量和品质因子的测定此外可以检验可信度，该检验可以提高本方法的可靠性。在一个或者两个测量参数超过或者低于规定的数值时，说明存在功能故障或者电磁干扰。
根据本发明，电介质可以是填充在收集容器中的具有任意机组状态的任意材料。优先为包含水作为主要成分的冷凝液。添加物包含诸如油和/或者固态的金属颗粒。
在本发明的意义上，品质因子是指可振动系统的阻尼数值，例如测量电容器或者监控电路。品质因子通常说明的是能量与转化后的损失能量以何比例存储到可振动系统中。
在一种结构中规定，测量电容器的品质因子通过测定监控电路的电路品质因子变化前后监控电路的输出电压差加以确定。测量电容器优先和SC－元件进行连接。在一种结构中，SC－元件除了测量电容器至少包含一个单极转换器，该转换器使得测量电容器交替连接输入电压和输出电压。在构成SC－元件时，液可以设计两个或者多个开关。SC－元件的基本原理是，电容器交替连接输入电压和输出电压。
转换电容元件(SC－元件)通常用于模拟过滤电路中。由于其结构，可以在遵守规定的框架条件的情况下构成一个过滤器，其基本频率仅取决于SC－元件的控制频率。到目前为止尚未公开过在传感器中使用SC－元件的情况。
其中，对于SC－元件而言，所考虑的等效电阻取决于所使用的电容器尺寸和开关频率。因此，所使用的电容器的电容量取决于等效电阻和开关频率，通过该方法可以确定未知传感器－电容器单纯的电容量。
在本发明中，输入电压是指SC－元件上施加的电流或者电压来源端的电压。该电压不强制要求是电路的供电电压。更确切地说，在一种实施形式中规定，SC元件至少串联一个可变电阻。优先将输入电压连接至转换器的接口上。
在本发明中，SC－元件的输出端为SC元件，即转换器与输入电压相对的接口。电容器可以连接至转换器共同的中间接口上。
在一种实施形式中规定，为了改变工作点或者电路品质因子，至少需要增大至少一个与开关部件(尤其是SC元件)串联的欧姆电阻。在一种结构形式中，连接或者断开电阻的连接。在另一汇总结构形式中规定，对电阻的数值进行修改，尤其是通过控制电位计。在一种优先使用的结构形式中规定，在SC－元件上连接一个可变的或者可加接的电阻。通过电阻变化，可以改变监控电路的工作点。
如果电路中仅存在物理上的理想部件，则调节开关频率的脉冲/暂停比或者安装附加电阻不会对电路的工作点变化造成影响。但实际上，对于真实部件而言存在显著的和可复制的与传感器－电容器品质因子存在关联的电路性能变化。该偏差并不强制是正面或者负面影响，其实际方向取决于对电路工作点的控制类型。首先需要对“名义电容量”和“在变化的工作点确定的电容量”进行区分。其偏差在诸如特征曲线图表中加以说明。微处理器可以在特征曲线图表中找到相关的一致性，并优先对电容器监控电路的品质因子进行分析。因为电容器的品质因子和收集容器中电介质的介电常数存在关联，因此可以推导出电介质的介电常数。
根据液位排出电介质在本发明中进行进一步的解释，例如包含根据确定的液位的排出时长、数量、时间点和/或者频率。
在一种结构中规定，收集容器中的电介质在超过规定的液位从收集容器中排出。
如果液位超过规定的数值，则排出阀打开。此外，在一种实施形式中规定，如果液位低于规定的数值，则排出阀关闭。在一种优先使用的结构中，确定排出阀体积流的排出阀打开角度根据确定的液位加以确定。例如，如果液位达到规定的最大值，排出阀打开至最大，如果液位达到规定的最小值，排出阀关闭。
此外，还建议了一种用于对收集容器进行液位监控的监控电路，其中，收集容器中装有电介质。该监控电路至少具有一个分配给收集容器的测量电容器，该电容器具有一个始终随液位变化的电容量。该监控电路在设计时应使得，可以确定测量电容器的电容量和测量电容器的品质因子，对此根据测量电容器的品质因子可以推导出电介质的介电常数，并根据确定的测量电容器的电容量和确定的电介质的介电常数确定收集容器的液位。测量电容器的电容量一方面根据收集容器的液位进行变化，另一方面根据收集容器中所收集的电介质的电气性能进行变化。介电常数由测量电容器的品质因子进行确定，由此可以精确地测定液位。出于该原因，根据本发明建议，除了电容器的电容量，还需要确定电介质的介电常数，以便在电介质成分不同时通过获得的数据精确地确定液位。因此，所建议的液位监控方法与收集容器中的电介质的成分无关。例如具有不同油含量的冷凝水。此外，冷凝液可能包含金属颗粒污染物。
特别优先的方法是，监控电路具有一个SC－元件，通过该元件至少根据液位和电介质的介电常数形成一个电压降。此外，优先设计一个改变工作点的装置，例如与SC－元件串联的可变或者可加接电阻。可变电阻可以是诸如电位计，优先为电子电位计。
在一种结构中规定，监控电路可以在第一和第二工作状态之间进行转换，在第一种工作状态下可以确定测量电容器的电容量，在第二种工作状态下可以确定测量电容器的品质因子。在一种特别优先使用的实施形式中规定，工作状态由电路的工作点加以确定。优先通过连接或者断开至少一个电阻使得监控电路中的电阻发生变化。
因为工作状态可以进行转换，因而至少部分监控电路部件可以用于不同的测量任务。对于监控电路工作点可变化的结构而言，优先通过改变与SC－元件串联的电阻在降低成本的同时实现较高的一体化程度。
在一种优先使用的结构中，监控电路具有一个优先为串联一体化装置的操作放大器。优先将SC－元件的输出端和操作放大器的转换输入端进行串联。
所推荐的监控电路的优点在于，该电路非常敏感。根据所使用的部件尺寸，可以确定测量电容器在几微法拉范围内的电容量变化。
在一种特别优先使用的结构中规定，测量电容器的电极至少部分由容纳电介质的收集容器提供。
例如测量电容器的第一电容器电极在收集容器用于容纳电介质的内部中心区域，第二电容器电极由金属的收集容器加以确定。测量电容器在设计时应使得在确定电极距离时避免在电容器电极之间的电介质液体形成值得注意的毛细现象。该距离根据需要的电介质确定其尺寸。电容器电极优先具有大于大约1cm的距离，特别优先为大于大约5cm。
概念“大约”说明的是技术领域常见的公差范围。尤其是，“大约”说明的是±10％的公差，优先为±5％。
在另一种结构中规定，收集容器具有内部和/或者外部金属涂层，该涂层构成第二电容器电极。在另一种结构中，收集容器包含金属或者由金属制成。
在一种实施形式中规定，监控电路具有以下结构：转换器通过共同的中间接口(COM－接口)和测量电容器的一个电极相连。可转换接口和一个可变电阻，例如电位计相连。第二个可转换接口和微处理器的AD－输入端相连。通过控制电位计改变监控电路的工作点。如果电位计在低欧姆处，则监控电路优先处于第一工作状态下，如果电位计在高欧姆处，则监控电路处于第二工作状态下。在本发明中，“低欧姆”是指电位计具有可忽略的较小电阻，尤其是线路电阻为大约1欧姆至1千欧姆，优先为大约1欧姆至100欧姆。“高欧姆”在本发明中是指电位计具有一个显著改变监控电路工作点的电阻。高欧姆电阻为大约1千欧姆或者更高，优先为高于约10千欧姆。
在一种优先使用的结构形式中规定，至少在第二种工作状态下，SC－元件的转换时间可以变化。在本发明中，转换时间的变化是指控制SC－元件的开关元件的频率和/或者脉冲宽度的信号发生了变化。优先规定，由约30％至约50％脉冲宽度(高电平)对约70％至约50％的暂停宽度(低电平)的脉冲/暂停宽度比，优先为约50％脉冲宽度对约50％暂停宽度的脉冲/暂停宽度比，转换为明显更小的约1％至约20％脉冲宽度对99％至约80％暂停宽度，优先为约5％脉冲宽度对约95％暂停宽度的脉冲/暂停宽度比。通过转换时间的变化至少可以更精确地测定品质因子。
在另一种实施形式中规定，监控电路具有两个开关部件。优先规定，在第二种工作状态下，第一电阻和第一开关部件串联，第二电阻和第二开关部件串联。尤其是，在第一种工作状态下，第一电阻和/或者第二电阻进行桥接。优先将第一电阻连接在SC－元件前面，第二电阻连接在SC－元件后面。
此外还建议了一种从冷凝液排除其中将冷凝液排出的可调节冷凝液排出阀，其中，冷凝液排出阀具有一个对用于容纳冷凝液的收集容器进行液位监控的上述装置。冷凝液排出阀优先具有一个薄膜阀门。在一种实施形式中，借助该装置调节冷凝液排出阀的打开程度。
此外还建议了一种冷凝液排出器，该排出器至少包含一个冷凝液收集容器和一个冷凝液排出阀。例如，冷凝液排出器可以用于压力空气系统中。
附图说明
其他有利的实施形式见下文的图纸。所述的其他形式并未进行限定，更确切地说，所述的特征可以相互组合或者和其他结构的上述特征进行组合。此外，需要说明的是，在图纸说明中所述的参考标号并未限制上述发明的保护范围，而是仅参考图纸中所示的实施形式。相同的部件或者具有相同功能的部件在下文中具有相同的参考标号。其中：
图1：冷凝液排出器；
图2：图1中冷凝液排出器的液位监控装置；
图3：图1中冷凝液排出器的可选液位监控装置。
图1显示的是压力空气系统的冷凝液排出器1的截面图。在压缩空气压缩过程中形成的冷凝液2通过输送管道3输送至冷凝液排出器1。冷凝液2由此处未作说明的压力空气压缩及吸入的环境空气中的湿度形成。
冷凝液2收集在冷凝液收集容器4中，在达到规定的液位5后通过排出阀6排出。在图1所示的实施形式中，排出阀6为薄膜阀门。
传感器7伸入冷凝液收集容器4中。传感器7至少包含一个测量电容器8，该电容器根据冷凝液收集容器4中的冷凝液2的液位具有始终变化的电容量。如果冷凝液2为电介质，通过电容量变化，电容量测量可以确定冷凝液收集容器4的液位。测量电容器8仅具有一个电容器电极。测量电容器8工作所需的第二个电极至少由冷凝液收集容器4的部分容器壁构成，该电极根据图2或者图3中所述的电路进行连接。
即使在较强污染的情况下，例如因压力空气管道锈蚀或者压力空气压缩机中的油，所示的装置也非常可靠。传感器7安排在冷凝液收集容器4干净区域9的通道中，以避免因可能会导致测量技术短路的覆层形成的错误测量。
干净区域9通过和潜水钟罩类似的装置11进行确定，该装置围绕传感器7进行安排。对于任意高度的液位(也可以超出最大规定的液位5)，在干净区域9中和潜水钟罩类似装置11中也不会有冷凝液2浸入。因为无冷凝液2到达传感器7的上半部分，因此可以避免冷凝液中的污染物在传感器的该部分形成覆层。如果覆层具有导电材料，例如铁锈颗粒，在传感器7以及冷凝液收集容器4的内侧会形成导电层。通过干净区域9可以避免因导电覆层形成的电流连接，因而可以避免传感器7和冷凝液收集容器4之间的测量技术短路。
干净区域9也需要为伺服控制的排出阀6提供能量。使用电磁阀10在阀门膜6.1上建立或者消除辅助压力，以便关闭或者打开阀门。冷凝液排出器1的干净区域9通过压缩空气进行能量供给。
图2显示的是监控电路15，该电路可以用于分析图1中冷凝液排出器1的液位。测量电容器8通过转换器S5和SC－元件20进行连接。转换器S5通过微处理器12进行控制。如果转换器S5和带输入电压(输入电压位于电位计P1后方)的测量电容器8相连，测量电容器以电量Q＝C·U进行充电。在另一个开关位置，测量电容器8以相同的电量放电。由此形成的电流取决于电容量和开关频率：I＝U·C·f，其中电流为I，输入电压U，测量电容器的电容量C，开关频率f。因为I＝U·R，R为SC元件的等效电阻，因此R＝1/(C·f)。
由于和SC－元件串联的电阻R5下降的电压借助电容器C5进行确定，数值从微处理器12的模数－转换器－输入端21进行读取。通过读取的电压，在监控电路15第一个工作点的低欧姆P1状态下可以计算出测量电容器8的电容量。在接下来的步骤中将P1转换为高欧姆状态，监控电路15的工作点发生显著变化。从确定的P1的转换以及第一个工作点确定的名义电容量和变化后的工作点确定的电容量可以对品质因子和电介质的介电常数进行评价。其差异优先保存在微处理器的特征曲线中。此外，微处理器的任务还在于在特征曲线中寻找相关的一致性，并优先对确定的液位进行相应的匹配。
图3显示的是图1中冷凝液排出器1液位监控的监控电路15的另一种结构。通过监控电路15确定因外部物理影响(此处专指冷凝液收集容器4中液位的上升)造成的电容量变化进行测量，该电容量在电子控制阀6中用于从压力空气装置中排出冷凝液2。
监控电路15的基本原理为对变化的电容量的阻抗进行测量，从而得出测量电容器8的电容量数值和品质因子。
在图3中说明了微处理器12的一般结构。微处理器12拥有一个高分辨率的模数－转换器13和一个计时器14。对计时器14进行控制，使得可以对两个反相的相同时间长度的脉冲无叠加地进行调节，通过这两个脉冲对开关部件S1和S2进行控制。
监控电路15具有测量电容器8以及开关S1和S2，测量电容器的一个电极8.1由冷凝液收集容器4的至少部分容器壁构成。测量电容器8和开关S1和S2构成SC－元件。此外电阻R1和R2和开关部件S1和S2串联。电阻R1和R3借助开关部件S3和S4进行连接。开关电路15此外还包含一个操作放大器16，该放大器以积分仪的形式进行连接。
该方法的基础来自转换电容过滤器工作原理，也被称作SC－过滤器。可以看出，只要开关S3和S4接通，监控电路为具有虚拟接地点的反相积分仪。如果监控电路工作，S3和S4应持续接通，且S1或者S2保持接通，在操作放大器的输出端(相对于操作放大器未逆向输入端的虚拟接地点)可以调节测量到的电容量和积分电容量比例电压之间的比值。通过该方式可以确定测量电容器8未知电容量的绝对值。
如果要确定测量电容器8的品质因子，因保持S3和S4处于断开状态。由此电路的品质因子发生变化时使得测量电容器8相对于电路品质因子的品质因子部分也发生变化。从输出电压相对于接通开关S3和S4进行操作时的变化可以确定测量电容器8的品质因子。
电容器电极之间以油作为电介质时测量电容器8的品质因子比电容器电极以水作为电介质时的品质因子要差。这是由于分子移动性存在差异，从而使得分子在因作用的电场进行排列时存在较大的结构损失差异。
微处理器12除了测定测量电容器8的电容量，还可以评价品质因子，并可以推导出冷凝液收集容器4中的油含量或者电介质的介电常数。借助该数据可以获得说明冷凝液收集容器4填充度的具体数值，该数值与填充类型无关。

Claims (13)

1.一种收集容器(4)的填充液位控制的方法，所述收集容器能够装有电介质(2)，其中，通过具有测量电容器(8)的监控电路(15)来监控填充液位，所述测量电容器的电容至少在所述收集容器的填充液位范围之上与填充液位相关地持续进行变化，其中，所述监控电路(15)包括一个转换电容元件，所述转换电容元件包括测量电容器(8)、至少一个开关模块(S5；S1、S2)以及至少一个欧姆电阻器(P1；R1、R2)，所述至少一个欧姆电阻器(P1；R1、R2)与所述至少一个开关模块(S5；S1、S2)串联，所述方法具有以下步骤：
-确定所述测量电容器(8)的电容；
-通过增大与所述至少一个开关模块(S5；S1、S2)串联的至少一个欧姆电阻器(P1；R1、R2)的电阻或者通过改变转换电容元件的开关频率的脉冲/暂停比率，来改变所述监控电路(15)的操作点或者电路的品质因子；
-确定所述测量电容器(8)的品质因子，其中，通过在所述监控电路(15)的操作点或者电路的品质因子改变之前和之后确定所述监控电路(15)的输出电压之间的差值，确定所述测量电容器(8)的品质因子；
-根据所述测量电容器(8)的已确定的品质因子，确定电介质(2)的介电常数；
-根据所述测量电容器(8)的确定的电容和电介质的介电常数，确定所述收集容器(4)中的电介质的填充液位；
-根据填充液位从所述收集容器中排出电介质(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述收集容器中达到预先设置的填充液位(5)时，所述电介质(2)从所述收集容器中排出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电介质为冷凝液(2)。
4.一种收集容器(4)的填充液位监控的监控电路(15)，所述收集容器能够装有电介质(2)，其中，所述监控电路(15)包括能分配给所述收集容器(4)的至少一个测量电容器(8)，以使得所述测量电容器的电容至少在所述收集容器(4)的填充液位范围之上与填充液位相关地持续进行变化，其中，设计所述监控电路(15)，以便确定所述测量电容器(8)的电容和所述测量电容器(8)的品质因子，并且根据所述测量电容器(8)的已确定的品质因子，得出关于电介质(2)的介电常数的结论，其中，根据所述测量电容器(8)的确定的电容和所述电介质(2)的确定的介电常数，确定所述收集容器(4)中的电介质的填充液位，其特征在于，通过在监控电路(15)的操作点或者电路的品质因子改变之前和之后，确定在监控电路(15)的输出电压之间的差值，来确定所述测量电容器(8)的品质因子，其中，所述监控电路包括一个转换电容元件，所述转换电容元件包括测量电容器(8)和至少一个开关模块(S5；S1、S2)，并且其中，为了改变操作点或者电路的品质因子，与所述至少一个开关模块(S5；S1、S2)串联的至少一个欧姆电阻器(P1；R1、R2)增大，或者转换电容元件的开关频率的脉冲/暂停比率改变。
5.根据权利要求4所述的监控电路(15)，其特征在于，设计所述监控电路(15)，以便所述监控电路(15)在第一和第二操作状态之间进行切换，其中，在第一操作状态下确定所述测量电容器(8)的电容，并且在第二操作状态下确定所述测量电容器(8)的品质因子。
6.根据权利要求5所述的监控电路(15)，其特征在于，与转换电容元件(20)串联的电阻器(P1；R1、R2)改变，以便在第一操作状态和第二操作状态之间进行切换。
7.根据权利要求5所述的监控电路(15)，其特征在于，在第二操作状态下，至少一个高欧姆电阻器(P1；R1、R2)与至少一个开关模块(S5；S1、S2)串联。
8.根据权利要求5所述的监控电路，其特征在于，所述转换电容元件(20)的切换次数至少在第二操作状态下变化。
9.根据权利要求7所述的监控电路(15)，其特征在于，与所述开关模块(S5；S1、S2)串联的电阻器(P1；R1、R2)在第一操作状态下具有低电阻或被断开。
10.一种包括根据权利要求4所述的监控电路(15)以及收集容器(4)的结构，其特征在于，所述收集容器(4)至少部分可利用测量电容器电极(8.1)。
11.一种用于从冷凝液排出管(1)中排出冷凝液(2)的受控冷凝液排放阀(6)，其中，所述冷凝液排放阀(6)包括根据权利要求4所述的收集容器(4)的填充液位监控的监控电路(15)。
12.根据权利要求11所述的冷凝液排放阀(6)，其特征在于，构成所述冷凝液排放阀(6)，以便通过所述监控电路(15)控制所述冷凝液排放阀(6)的开放程度。
13.一种冷凝液排出管(1)，其至少包括冷凝液收集容器(4)以及根据权利要求12或11所述的冷凝液排放阀(6)。
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