CN105247326B - 用于监测介质的至少一个介质特定属性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用测量探针(1)以自动化技术监测介质的至少一个介质特定属性的方法和装置，其中在测量探针(1)的导电操作模式和电容操作模式中确定至少一个介质特定属性，其中导电操作模式和电容操作模式交替地被操作，其中基于在两个操作模式的至少一个中确定的测量值检查要监测的至少一个介质特定属性是否位于特定的公差带内，以及其中当要监测的至少一个介质特定属性位于特定的公差带之外时，产生报告和/或切换信号。

Description

用于监测介质的至少一个介质特定属性的方法

技术领域

本发明涉及一种使用测量探针以自动化技术监测介质的至少一个介质特定属性的方法和设备。

背景技术

由DE 32 12 434 C2已知通过检测经由传感器电极与导电容器的壁或第二电极之间的导电介质是否存在电接触来监测介质的液位(fill level)。由于随着要监测的介质的变化，所以堆积物(accretions)经常在测量探针上形成，因而要使用保护电极。这种保护电极同轴地围绕传感器电极，并且具有与传感器电极相同的电位。取决于堆积物的特性，该实施方式具有适当地产生保护信号的问题。

在DE 10 2006 047 780 A1中，描述了液位测量探针，其在较大的测量范围内对堆积物的形成是不敏感的。在已知的解决方案中，提供放大单元和限制元件，其中限制元件布置在放大单元的输出与保护电极之间。保护电极经由放大单元和例如为欧姆电阻的限制元件提供保护信号。传感器电极类似地提供操作信号。评估单元基于传感器电极上可分接(tappable)的电流信号和操作信号和/或保护信号监测液位。通过限制元件限制产生保护信号的放大单元。将限制了幅度的信号给予传感器电极，作为激励器信号。然后从传感器电极分接的是电流信号，为了监测液位，将该电流信号与操作信号或保护信号结合考虑。

由DE 10 2008 043 412 A1已知具有存储器单元的液位开关，其中将用于位于在容器中的不同介质的极限值存储在该存储单元中。在超过或未超过(subceeding)与介质匹配的极限值的情况下，产生切换信号。特别地，可以参考位于在容器中的介质建立用于测量值的极限值，以便堆积物的形成不影响可靠切换。由于堆积物的形成干扰了测量信号，因而错误地指示了不正确的过程变量，因此优选地将(确定切换点的)极限值设置在测量信号的范围之外，该极限值因为堆积物是可得到的。在这种情况下，该设备实施为电容或导电的液位测量装置。由于该设备可以自动调节以通过从介质的登记属性确定或计算最佳切换点交替容器中的介质(例如在清洁程序诸如CIP和SIP过程的环境下)，因而可以省略复杂的调整过程，该过程在介质交替的情况下通常是必要的。

当要监测的介质实质上不具有电导率(＜1μS/cm)或仅具有非常低的电导率时，借助导电测量方法的液位检测达到了它的极限。介质电导率相对于空气电导率的变化因此太小，以至于不能安全地通过测量电子学登记。通过导电测量方法难以监测的介质例如包括蒸馏水、糖浆和酒精。具有小于1μS/cm的电导率和小于20的介电常数的介质也是有问题的。油和脂肪特别地落入这些范围内。

在2013年3月1日提交的、2014年9月18日公开的DE 102013102055.0中描述了一种用于监测在容器中的介质的预定液位的方法。该方法包括下面的方法步骤：

液位测量探针在导电操作模式中操作为导电液位测量探针，并且在电容操作模式下操作为电容液位测量探针；

导电操作模式和电容操作模式交替地被操作；

基于两种操作模式的测量值，确定是否已经实现在容器中的介质的预定液位；

当超过和/或未超过预定的液位时产生报告。

本发明的目的在于提供一种方法和设备，其允许监测介质特定的过程变量，并且以此监测和/或控制在自动化技术中发生的过程。

对于实现该目的的方法，方法步骤如下：

在测量探针的导电操作模式和电容操作模式中确定至少一个介质特定属性；

导电操作模式和电容操作模式交替地被操作；

基于在两个操作模式的至少一个中确定的测量值，检查要监测的至少一个介质特定属性是否位于预定的公差带内；当要监测的至少一个介质特定属性位于预定的公差带之外时，产生报告和/或切换信号。该介质特定属性特别是电导率和/或介电常数。在导电介质的情况下应用导电测量方法，而在非导电或不佳导电介质的情况下应用电容测量方法。

根据本发明，可以结合导电测量方法的优点和电容测量方法的优点。这样，存在提供与在扩展范围的介质上的介质特定属性可靠相关的信息的能力。由此测量装置的应用范围显著地扩大。在这种情况下，应当注意到，在临界区域中导电测量方法和电容测量方法的优点和缺点是相反的，因而在很大程度上彼此补偿。特别地，借助本发明的方法，可以安全地监测介质特定属性或过程，即使介电常数大于1.5。

导电测量方法优选地用于监测在要监测的介质具有＞5μS/cm时的介质。导电测量方法的优点在于传感器电极可以直接连接到介质。不需要传感器电极的绝缘。

电容测量方法的缺点在于，在介质具有增加的电导率的情况下，在传感器电极和介质之间需要绝缘。绝缘的阻抗是不利的，只要出现堆积物形成。本发明的方法提供了显著地扩展范围的机会，其中可以可靠地监测介质特定属性或过程。

在本发明方法的优选实施例中，在导电操作模式中确定至少一个介质特定属性。如果要监测的介质是非导电介质或具有低电导率的介质，则采用在电容操作模式中确定的测量值。相反地，如果要监测的介质是具有容易测量的、高电导率的介质，则采用在导电操作模式中获得的测量值。如果要监测的介质是具有在过渡区域中的电导率的介质，则采用在电容操作模式和导电操作模式中确定的测量值。将在电容操作模式中确定的测量值与在导电操作模式中获得的测量值进行比较。基于该比较，执行似真性检查。

经由外部接口，例如现场总线接口、磁性接口，诸如在2011年11月28日提交的、2013年5月29日公开的申请DE 10 2011 087 230.2中描述的，或者世界范围标准IO技术，诸如在IEC61131-9中描述的，提供相对于它的介质特定属性的至少一个监测位于容器中的介质的机会，并且将相应的信息提供给用户。此外，在某些情况下，还可以辅助实施在容器中的介质的限位监测。在这种情况下，应当注意到，当测量探针与介质接触从而被介质覆盖时，仅可以监测介质特定属性的至少一个。另外，在这种状态下，还可以发出到达预定液位的信号。

在本发明方法的优选实施例中，提供了使用确定的介质特定属性监测至少一个过程特定属性。优选地，介质的过程特定属性是之前已经提到的预定液位，一旦其到达，例如执行切换过程。例如，切换过程接通或关闭泵。

就此详细地，提供了存在与测量探针关联的、辅助监测介质特定属性的至少一个切换功能，通过该切换功能监测在容器中的介质的预定液位。就此而言，进一步提供了存在与测量探针关联的至少一个切换曲线，其将测量探针的测量值或从测量探针的测量值导出的变量以函数关系设置到介质的所监测介质特定属性的至少一个，并且其中在到达由切换曲线预定的测量探针的测量值的情况下，发出未超过和/或超过在容器中的介质的预定液位的信号。

就此而言特别有利的是可以通过操作人员适配用于限位切换的切换曲线或切换点到存在于容器中的特定过程条件。例如，提供机会来将限位切换的堆积敏感性单独地设置到当前的过程条件或设置到当前应用。具有应用特定的切换点的自产生切换曲线被产生来最佳地匹配到特定应用。这随后使用在用于确定预定液位的测量探针中，由此可以提高测量的准确性。经由上面指定的一个外部接口优选出现切换曲线的适应性。

与设备相关的目的由提供包括测量探针的特征实现，该测量探针被实施为它在导电操作模式中可操作为导电测量探针，在电容操作模式中可操作为电容测量探针。而且，提供控制/评估/输出单元，其被实施为交替地激活导电操作模式和电容操作模式。而且，控制/评估/输出单元基于在两个操作模式中至少一个确定的测量值检查要监测的介质特定属性是否位于预定的公差带内。并且当要监测的介质特定属性位于预定的公差带之外时产生报告。

而且，提供存在与测量探针关联的其中存储信息的存储器单元，该存储器单元将测量探针的测量值或从测量探针的测量值导出的变量以函数关系设置到介质的介质特定属性的至少一个。经由函数关系，预定用于控制/评估/输出单元的切换点。

优选地，测量探针包括传感器电极和保护电极。而且，提供第一电子单元，其被设计为它在导电操作模式中操作测量探针，和第二电子单元，其被设计为在电容操作模式中操作测量探针。而且，提供切换单元，经由其控制/评估/输出单元交替地激活测量探针的导电操作模式和电容操作模式。取决于接通的操作模式，第一电子单元或第二电子单元给传感器电极提供操作信号，给保护电极提供保护信号。基于在传感器电极上合成的分接信号和操作信号和/或保护信号，控制/评估/输出单元确定超过和/或未超过预定液位。

本发明设备的优选实施例提供了从保护信号和/或操作信号和电流信号和/或取决于该电流信号的电压信号确定至少一个幅度比，并且基于该幅度比确定超过和/或未超过在容器中的介质的液位。

附图说明

现在，将基于附图更详细地解释本发明，该附图表示如下：

图1是本发明设备的实施例的示意图。

图2a是通过本发明的测量探针的纵向截面的局部视图。

图2b是通过图2a中所示的测量探针的截面。

图3是表示作为电导率函数的不同食品介质的相对介电常数的图表。

图4是液位测量探针的切换曲线的示意图。

图5是不同操作模式的示意图。

图6是用于监测两种不同的介质特定属性的不同选项的示意图。

具体实施方式

图1表示用于监测在容器中的介质的介质特定属性的本发明的设备的优选实施例的示意图。本发明的设备包括测量探针1，其被实施为它在导电操作模式中可以操作为导电测量探针1，并且在电容操作模式I中可以操作为电容测量探针1。经由在所示情况下被实施为控制/评估/输出单元2的整体组件的控制单元2，可以将测量探针1交替地控制成导电操作模式II和电容操作模式I。当然，也可以将控制/评估/显示单元2的单独组件实施为分开的子组件。

对于导电操作模式应用及电容操作模式应用，测量探针1使用相同的传感器电极7、保护电极8和地电极11。优选地，将测量探针1齐平地安装或至少近似齐平地安装在容器上或中，以便它至少不时地与介质接触。然而，优选地，它与介质连续接触，以便保证连续监测介质特定属性。在图1中容器设有附图标记11。

申请人制造和销售了标号为FTW33的用于限位检测的液位测量探针1。这些探针与可以在本发明的解决方案中使用的探针具有相似的构造。然而，这些已知的液位测量探针不具有可切换的导电和电容操作模式。在申请人的专利申请DE 10 2013 102 055.0中的描述的是一种测量探针，其表现出在两个操作模式之间切换。然而，在该情况下，未监测介质的介质特定属性，而是，替代地，将测量探针用于限位检测。在本发明的情况下，如上已经所述，可以利用限位检测辅助地监测介质特定属性。然而，这仅在某些应用中是可能的，例如，在快速间歇过程(fast batch processes)的情况下，在该情况下测量探针总是以预定间隔重新接触介质。

如果容器由导电材料制成，诸如图1所示，则地电极11可以由容器的壁形成。当然，在容器具有非导电材料的壁的情况下，地电极11也可以实施为液位测量探针1的集成组件。相应实施例示出在图1(壁作为地电极11)和图2a、图2b(地电极11作为液位测量探针1的集成组件)中。同样地，一种选项是提供分开的电极作为地电极。

测量探针1经由第一电子单元3在导电操作模式中操作，并且经由第二电子单元4在电容操作模式I中操作。

经由切换单元6产生导电操作模式(图5中的区域II)和电容操作模式(图5中的区域I)的优选交替操作，其用于确定介质的介电常数(DK)。将切换单元6设计为模拟切换单元或数字切换单元。经由用于传感器电极7的操作信号AS和用于保护电极8的保护信号GS产生测量探针1的操作。

用于导电液位测量探针1的电子单元3的实施例的示例例如实施在申请人的上述液位测量探针FTW33中，其特别地提供用于在食品领域中。而且，从DE 10 2006 047 780 A1和DE 10 2008 043 412 A1已知合适的电子单元3。参考DE 10 2006 047 780 A1的图2和图3描述测量探针1在导电操作模式中的操作。该描述在此明确地并入本发明的公开中。

用作用于电容操作模式的电子单元4例如可以是容易改进的电子设备，诸如在申请人以标记LIQUICAP、Nivector或Minicap制造和销售的电容液位测量探针中的一个中使用的。

基于在电容操作模式和导电操作模式下确定的测量值，控制/评估/输出单元2确定介质的介质特定属性。然后，检查要监测的至少一个介质特定属性，特别是介电常数或电导率，是否位于在容器中运行的过程指定的预定公差带内。只要要监测的介质特定属性位于预定的公差带之外，则产生对应的报告和/或对应的切换信号，以便可以引入用于去除偏离的对策。

此外，如果将测量探针用于限位检测，则切换点特别地取决于介质的电导率或相对介电常数。至少一个切换曲线存储在存储器单元5中。如果例如介质的电导率是已知的，则可以基于存储的切换曲线确定相关的最佳切换点。切换曲线的示意图表示在图4中。在导电测量模式(第一y轴)中，计算传感器电极的电压(或电流)与保护电极的电压(或电流)之间的比S/G。可以关联本发明的解决方案使用的切换曲线的进一步示例表示在已经引用的DE102006047780A1中。本发明的解决方案的实施例提供了用户可以在某些限制内改变切换点或切换曲线。这样，一种选项是用户可以使切换点或切换曲线最佳地适配到在容器中运行或发生的过程。

在优选的实施例中，相对于限位检测区分三个区域I、II、III：

-在非导电介质或具有低电导率的介质的情况下，获得测量值，其在电容操作模式(区域I)中确定。优选地，区域I位于从300kΩ至无限大的电阻范围内。

-在要监测的介质具有很高的电导率的情况下，获得测量值，其在导电操作模式(区域II)中得到。优选地，区域II位于从0Ω至1MΩ的电阻范围内。

-在要监测的介质具有中间区域(III)的电导率的情况下，获得测量值，其在电容操作模式和导电操作模式中确定。作为电导率的函数，测量值设有适当的权重因子。在用于电容操作模式I及导电操作模式II的所示情况下，这些权重因子位于0％和100％之间，然而，它们沿着相反的方向移动。优选地，区域III位于从300kΩ至1MΩ的电阻范围内。

基于在电容操作模式和导电操作模式中确定的测量值，根据本发明方法的优选实施例，执行似真性检查。

就本发明而言，无论介质是什么，首先在导电操作模式中测量保护电压。保护电压描述了介质的电导率或电阻。图3表示相对于电导率绘制的各种食物的相对介电常数。如果介质的电阻是已知的，则基于图5还已知随后的测量位于三个区域I、II、III哪个中：

在区域I中，其中经由电容测量模式排他地确定测量值，

在区域II中，其中经由导电操作模式排他地提供测量值，或者

在中间区域III中，其中通过合适加权在电容操作模式I和导电操作模式II中确定的测量值形成用于液位监测的测量值。

在导电操作模式中测量的情况下，测量值总是取决于传感器电压(传感器电极7上测量的电压)与保护电压(保护电极8上测量的电压)的比。在这种连接下，再次参考DE 102006 047 780 A1的公开。

在非导电介质的情况下，在电容操作模式中排他地执行测量。在这种情况下，测量值取决于介质的介电常数。在它们之间的是过渡区域III，其中使从导电/电容操作模式得到的测量值一致和/或加权。为了稳定地产生加权而没有跳跃，将在电容操作模式和导电操作模式中确定的测量值从100至0％或从0％至100％成比例地加权。在已经提到的DE 102013 102 055.0中阐述与此相关的其它信息。将其图6和图7的描述明确地并入本文作为参考。

图6借由示例表示在容器中运行的过程的情况下测量探针如何监测介质特定属性的不同变形。该过程例如是发酵过程。

在所示的情况下在x轴上绘制的是介质的电导率。在非导电介质的情况下，监测电导率是不可能的。然后明显的替换方案是监测介电常数。这是在所示的情况下在y轴上描绘的。附图标记A借由示例指示变量，在该情况下监测介质特定属性、容器中导电介质的电导率(y方向)。公差带由两条虚线平行线表示。只要测量值X位于公差带内，则在容器中要监测的过程正确地运行。如果测量值离开公差带，则产生相应的报警信号或切换信号。而该过程必须自动或手动地校正。

附图标记C表示变量，在该情况下监测非导电介质的介质特定属性(x方向)。要监测的介质属性是介电常数。公差带再次由两条虚线平行线表示。只要测量值X位于公差带内，则在容器中监测的过程正确地运行。如果测量值离开公差带，则产生相应的报警信号或切换信号。而该过程必须自动或手动地校正。

附图标记B表示变量，在该情况下同时监测两个介质特定属性，介电常数和电导率。在x方向及y方向上产生监测。在这种情况下，公差带减少到由四条互相垂直的线表示的公差窗。只要测量值X位于公差窗内，则在容器中监测的过程正确地运行。如果测量值离开公差窗，则产生相应的报警信号或切换信号。而该过程必须自动或手动地校正。

附图标记列表

1 测量探针

2 控制单元、控制/评估/输出单元

3 第一电子单元

4 第二电子单元

5 存储器单元

6 切换单元

7 传感器电极

8 保护电极

9 绝缘

10 绝缘

11 地电极或金属容器

Claims (11)

1.一种利用测量探针以自动化技术监测在容器中的介质的至少电导率和/或介电常数的方法，所述测量探针被实施为在导电操作模式中操作为导电测量探针，并且在电容操作模式中操作为电容测量探针，包括：

所述导电操作模式和所述电容操作模式交替地被操作，

基于在所述两个操作模式的至少一个中确定的值，检查至少所述电导率和/或所述介电常数是否位于预定的公差带内，

当所述电导率和/或所述介电常数位于所述预定的公差带之外时，产生报告和/或切换信号，以及

使用所确定的电导率和/或所述介电常数监测位于所述容器中的介质的至少预定液位，

在要监测的非导电介质或具有低电导率的介质的情况下，采用在所述电容操作模式中确定的值，

在要监测的介质具有电导率的情况下，采用在所述导电操作模式中获得的值，以及

在要监测的介质具有在过渡区域中的电导率的情况下，采用在所述电容操作模式和所述导电操作模式中确定的值，以及

向在所述电容操作模式和所述导电操作模式中确定的值提供权重因子。

2.如权利要求1所述的方法，其中，

在所述过渡区域中，将在所述电容操作模式中确定的测量值与在所述导电操作模式中确定的测量值进行比较，以及其中，基于所述比较执行似真性检查。

3.如权利要求1所述的方法，其中，

存在与所述测量探针关联的切换功能，用于监测在所述容器中的介质的预定液位。

4.如权利要求3所述的方法，其中，

存在与所述测量探针关联的至少一个切换曲线，所述切换曲线将所述测量探针的测量值或从所述测量探针的测量值导出的变量以函数关系设置到所述介质的至少一个介质特定属性，以及

在到达由所述切换曲线预定的所述测量探针的测量值的情况下，发出未超过和/或超过所述容器中的介质的所述预定液位的信号。

5.如权利要求4所述的方法，其中，

所述切换曲线由操作人员适配，使得所述切换曲线被优化来处理在所述容器中支配的条件。

6.一种用于监测在容器中的介质的电导率和/或介电常数的设备，包括：

测量探针，所述测量探针被实施为在导电操作模式中操作为导电测量探针，并且在电容操作模式中操作为电容测量探针；

控制/评估/输出单元，所述控制/评估/输出单元被实施为交替地激活所述导电操作模式和所述电容操作模式；以及

控制/评估/输出单元，所述控制/评估/输出单元基于在所述两个操作模式的至少一个中确定的值，检查所述电导率和/或所述介电常数是否位于预定的公差带内，并且当所述电导率和/或所述介电常数位于所述预定的公差带之外时产生报告，并且

使用所确定的电导率和/或所述介电常数监测位于所述容器中的介质的至少预定液位，

在要监测的非导电介质或具有低电导率的介质的情况下，采用在所述电容操作模式中确定的值，

在要监测的介质具有电导率的情况下，采用在所述导电操作模式中获得的值，以及

在要监测的介质具有在过渡区域中的电导率的情况下，采用在所述电容操作模式和所述导电操作模式中确定的值，以及

向在所述电容操作模式和所述导电操作模式中确定的值提供权重因子。

7.如权利要求6所述的设备，其中，

存在与所述测量探针关联的存储器单元，在所述存储器单元中存储信息，所述存储器单元将所述测量探针的测量值或从所述测量探针的测量值导出的变量以函数关系设置到所述介质的至少一个介质特定属性，以及

经由所述函数关系，预定用于所述控制/评估/输出单元的切换点。

8.如权利要求6所述的设备，其中，

所述测量探针包括传感器电极和保护电极，

提供第一电子单元，第一电子单元被设计为在所述导电操作模式中操作所述测量探针，

其中，提供第二电子单元，第二电子单元被设计为在所述电容操作模式中操作所述测量探针，以及

提供切换单元，所述控制/评估/输出单元经由所述切换单元交替地激活所述测量探针的导电操作模式和电容操作模式。

9.如权利要求8所述的设备，其中，

取决于接通了所述导电操作模式还是所述电容操作模式，所述第一电子单元或所述第二电子单元给所述传感器电极提供操作信号，并且给所述保护电极提供保护信号。

10.如权利要求9所述的设备，其中，

基于所述传感器电极上的合成的可分接信号和所述操作信号和/或所述保护信号，所述控制/评估/输出单元确定超过和/或未超过预定液位。

11.如权利要求9所述的设备，其中，

所述控制/评估/输出单元从所述保护信号和/或所述操作信号和电流信号和/或取决于所述电流信号的电压信号确定至少一个幅度比，并且基于所述幅度比确定超过或未超过在所述容器中的介质的液位。

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