CN104081170B - 料位测量装置 - Google Patents

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Abstract

料位测量装置包括控制单元1，控制单元1包括用于产生传输信号S的高频发生器4、放大器5a、放大器5b和估算单元，料位测量装置还包括与控制单元1空间分离的探针2，探针2包括测量阻抗6、参考阻抗7、第一整流器8a和第二整流器8b，料位测量装置还包括位于控制单元1和探针2之间的连接线3，其中第一整流器8a侦测探针2内的传输信号S的电压，将该电压作为第一直流电压信号发送至控制单元1，第二整流器8b通过测量电阻9a和9b将探针2内的探针电流转换成第二直流电压信号，两个信号均供控制单元1用以判断料位，其中整流器8a和8b彼此热耦合。

Description

料位测量装置
技术领域
本发明主要涉及一种用于判断容器中的介质的料位(Füllstand)的料位测量装置。
背景技术
电容料位传感器长久以来一直被用作限位开关和介质测量器。其最基本的优势在于没有机械运动的部分，并且可以“穿过”由电绝缘材料制成的壳体壁进行测量，即能够避免密封性的问题。
申请人已生产并销售了名为LMT100的用于测量水性介质的电子料位传感器和名为LMT110的用于测量油和脂肪的电子料位传感器。
专利文件DE102008027921B4揭示了一种用于电容料位传感器的导纳测量电路，其利用可调谐信号源产生的频谱激励探针，该探针由一个共振器和一个不受介质影响的参考阻抗构成。该导纳测量电路的响应提供了有关料位、可能的粘着物以及介质的种类的信息。由于控制单元包括半导体元件，其恒定工作温度被限制在85℃，在很多情况下都不适用。空间上相互分离的探针和控制单元可以解决这个问题。然而，由于这类装置需要在很高的频率下工作，其频率范围必然在100MHz以上，因而尽管具有被屏蔽的连接线，其共振反应及测量准确性仍明显较差。
专利文件US4259865A揭示了一种空间分离的电容料位传感器，其测量和参考电容会发生热衰减。测量这两种传感器的阻抗。其中一个传感器作为参考用于调整传输电压。工作频率未标明。受较长连接线上的压降和对干扰的敏感度的影响，该电路不够精确，且不适用于范围在10MHz以上的高频率。控制电压VR可以对温度偏移进行补偿。然而其造价昂贵且容易发生故障。
专利文件US6107924A揭示了一种用于测量频率范围在10MHz到300MHz的阻抗的测量装置。该传感器由适用于同轴电缆的变压感应振荡电路组成。其驻波比受测量电阻的影响，该驻波比在同轴缆线内通过定向耦合器测量可得。
此处，同轴电缆的质量，以及特别是由接触点或插入式连接器产生的驻波对测量结构有影响。产生参考信号是困难的。根据测量原理，同轴缆线的最小长度取决于频率。定向耦合器确实可以靠近振荡器，但不能靠近传感器。这最初看似一个优点，但需要文献中所推荐的附加的温度测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上面强调的缺陷。提供一种用于高工作频率的能温度补偿的料位测量装置。特别地，上述料位传感器的工作温度范围能够在确保测量精度的前提下扩大。
本发明的基本思想是不仅判断探针的电流或电压，还要判断它的阻抗。为此，直接在探针处测量电压和电流，而不是如现有技术所示的在与探针空间分离的控制单元处测量。
为此，需要通过低阻的独立连接线，将高频信号整流、滤波并以低频信号或直流电压传输给控制单元。
通过探针获得高频信号具有两个优点。由于传输电压受控，高频信号线的驻波几乎不影响测量。因此，传输信号几乎可以呈现任何形状，例如矩形。
测量线的寄生电容同样不会和测量干涉，因为其几乎无法影响被传输的直流电压信号。
本发明的另一个优点是，二极管是探针内仅有的半导体元件并决定工作温度范围。二极管可容许的最大接点温度为150℃。二极管均收容于一个普通壳体，即以最优方式彼此热耦合。因此，被测电流和温度值具有相同的温度偏移。
附图说明
本发明将参考图示进行详细描述。
图1为一实施例中的料位测量装置的电路图。
具体实施方式
图1为本发明的料位测量装置。控制单元1包括用作估算单元的微控制器 μC、高频发生器4(在本实施例中为可调谐振荡器)、第一测量放大器5a和第二测量放大器5b。控制单元1通过部分屏蔽的连接线3与探针2相连。探针2包括测量阻抗6。该测量阻抗6包括一个大小为几百纳亨的电感L1。设壳体的寄生电容标记为C0，大小为若干皮法。为了调谐可适当增大该寄生电容的容值。介质的电容也为同样的数量级。介质电阻R和介质电容C代表待测介质的阻抗。参考阻抗7由与探针2热耦合的欧姆电阻组成，且优选地不受介质的影响。
探针2还包括用于获取传输电压的第一峰值整流器8a。除了二极管D4和D5，第一峰值整流器8a还包括滤波冷凝器C13和C14，滤波冷凝器C13和C14的负载电阻分别为R14和R15。第一峰值整流器8a产生与传输振幅相应的直流电压，并将该直流电压传输至控制单元1。
第二峰值整流器8b将传输信号分为两个半波信号。经过阻值约为10欧姆的测量电阻9a和9b之后，该半波信号再次叠加，并被发送至上述测量阻抗6和并联的参考阻抗7。该参考阻抗由一个欧姆电阻组成，因此具有独立的频率。通过电阻9a和9b而降低的电压代表探针的电流。该电压经过低通滤波器R7/C5和R8/C6的滤波后，同样通过连接线3传输至控制单元1。
操作方式的描述如下：
高频发生器4产生频率范围在50MHz到200MHz的传输信号S。高频发生器4与微控制器μC相连，微控制器μC控制传输信号S的频率及振幅。因此，微控制器μC包括若干数模转换器。传输信号通过连接线3发送至探针2。传输电压在探针2处可通过上述方式测量。
测量电流后，被分为半波的传输电流再次叠加，如前所述，并作为完整的高频信号被发送至测量阻抗6和并联的参考阻抗7。
由于传输电压同样已知，根据欧姆定律：
电阻＝电压/电流
连接线3可以由单层或多层的印刷电路板上的部分或完整的电路组成。如前所述，这些连接线的阻抗可以不考虑。
不具有外部电路的运算放大器5a和5b是作为低通滤波器用来调整信号的。
微控制器μC具有数模转换器并将每个信号频率的电流和电压值读入存储 器。因此，具体的频率范围可以在测量阻抗6的期望共振点附近进行逐点扫描。显而易见地，还可以使用独立的模数转换器和外部存储器。
除了测量阻抗6，还要算出共振的共振频率和振幅的位置。参考阻抗7判断共振频率外的探针2的状态，用于进行校准和温度补偿。
高频发生器4最好是电压控制的共振器(Voltage Controlled Oscillator，VCO),其振幅可以通过探针2的电压来控制，该电压由整流器8a测量得到。因此探针2中的传输信号可以在各种测量频率下维持恒定。所有测量频率(测量点)都通过微控制器μC内的适当的软件进行调整，包括以下步骤：
获取电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号数字化；
将该电流信号和电压信号的振幅与目标值进行比对；
根据存储于微控制器μC内的特性曲线计算振幅控制信号；
发出振幅控制信号；
获取电流信号和电压信号，并将电流信号和电压信号数字化。
本发明涉及一种用于判断容器中介质的料位的料位测量装置，其包括控制单元1，该控制单元1包括用于产生传输信号S的高频发生器4、第一放大器5a、第二放大器5b和估算单元μC，该料位测量装置还包括与控制单元1空间分离的探针2，传输信号S应用于探针2，该探针2包括测量阻抗6、参考阻抗7、第一整流器8a和第二整流器8b，该料位测量装置还包括多芯的连接线3，用于在控制单元1和探针2之间传送信号，其中第一整流器8a获取探针2内的传输信号S的电压，并将该电压作为第一直流电压信号发送至控制单元1，第二整流器8b通过测量电阻9a和9b将探针2内的探针电流转换成第二直流电压信号，两个直流电压信号均通过多芯的连接线3发送至控制单元1以判断料位，其中整流器8a和8b彼此热耦合。
在一个有利的实施例中，探针的待测量电流被分为两个半波信号，并在通过测量电阻9a和9b之后叠加到一个高频信号上，最后发送到被测介质。
本发明料位测量传感器具有可调的高频发生器4，其频率范围在50MHz到200MHz，因此不会阻断邻近的频率范围。显而易见的，还可以使用多个高频发生器4。
测量阻抗6和参考阻抗7优选地并联设置，但测量阻抗6和参考阻抗7可以通过高频兼容模拟换向器连通或断开，从而进行不同的测量或为不同的介质产生多个共振点。
相关数字符号：
1 控制单元
2 探针
3 多芯连接线
4 高频发生器
5a 第一放大器
5b 第二放大器
6 测量阻抗
7 参考阻抗
8a 第一整流器
8b 第二整流器
9a 第一测量电阻
9b 第二测量电阻
μC 估算单元、微控制器
S 高频传输信号

Claims (1)

1.一种用于判断容器中介质的料位的料位测量装置，包括控制单元(1)，所述控制单元(1)包括用于产生传输信号(S)的高频发生器(4)、第一放大器(5a)、第二放大器(5b)和用于估算探针信号的估算单元(μC)，所述探针信号已经过所述第一放大器(5a)和所述第二放大器(5b)放大，所述料位测量装置还包括与所述控制单元(1)空间分离的探针(2)，所述传输信号(S)应用于所述探针(2)，所述探针(2)包括测量阻抗(6)、用于校准和温度补偿且不受所述介质影响的参考阻抗(7)、第一整流器(8a)和第二整流器(8b)，所述料位测量装置还包括多芯的连接线(3)，用于在所述控制单元(1)和所述探针(2)之间传送信号，利用传输信号(S)激励探针(2)，并将所述探针信号发送至所述控制单元(1)，
其特征在于，
所述第一整流器(8a)判断所述探针(2)内的所述传输信号(S)的电压，并将所述电压转换成第一直流电压信号，通过所述多芯的连接线(3)发送至所述控制单元(1)的所述第一放大器(5a)；所述第二整流器(8b)通过测量电阻(9a、9b)将所述探针(2)内的探针电流转换成第二直流电压信号，并通过所述多芯的连接线(3)将所述第二直流电压信号发送至所述第二放大器(5b)以判断所述探针(2)的阻抗，两个直流电压信号均通过所述多芯的连接线(3)发送至所述控制单元(1)以判断料位，其中所述整流器(8a、8b)彼此热耦合。
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