CN105452820A - 用于确定容器中的填充物质的填充水平的设备 - Google Patents

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CN105452820A CN201480041277.7A CN201480041277A CN105452820A CN 105452820 A CN105452820 A CN 105452820A CN 201480041277 A CN201480041277 A CN 201480041277A CN 105452820 A CN105452820 A CN 105452820A
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Abstract

本发明涉及一种在过程中确定或监测容器(8)中存储的填充材料(7)的填充水平的装置，具有产生射频测量信号的信号产生单元(1)；具有接入/接出单元(2)，其将射频测量信号接入天线单元(3)并且将所述测量信号接出天线单元(3)，其中天线单元(3)具有波导(4)和在填充材料的方向上变宽的天线元件(5)，其中天线单元(3)在填充材料(7)的表面(6)的方向发射射频测量信号并且接收在填充材料(7)的表面(6)反射的回波信号；以及具有控制/评价单元(9)，其使用测量信号的行进时间确定容器(8)中填充材料(7)的填充水平，其中在天线单元(3)中或之上提供过程隔离件(10)，该过程隔离件(10)对射频测量信号至少是大致可穿透的，并且保护接入/接出单元(2)不受该过程的影响，其中该过程隔离件(10)是均衡加压的模制部件，其由具有不同的物理和/或化学特性的至少两种塑料(11，12)产生。

Description

用于确定容器中的填充物质的填充水平的设备
技术领域
本发明涉及一种在过程中确定或监测位于容器中的填充物质的填充水平的设备，包括：信号产生单元，其产生高频测量信号；接入/接出单元，其将高频测量信号接入天线单元或接出天线单元，其中天线单元具有空心导体和朝着填充物质变宽的天线元件，经由该天线单元，沿着填充物质表面方向发射高频测量信号，并且接收在填充物质表面反射的回波信号；控制/评价单元基于测量信号的行进时间确定容器中填充物质的填充水平。在天线单元中或者之上，提供过程隔离件，其对高频测量信号来说至少是大致可穿透的，并且保护接入/接出单元不受该过程的影响。
背景技术
雷达测量装置经由测量信号的行进时间确定容器中填充物质的填充水平。行进时间方法利用下面的物理定律：行进距离等于测量信号的行进时间与传播速度的乘积。在填充水平测量的情况下，行进距离是天线与填充物质的表面之间的间距的两倍。如果测量信号是微波的，则基于所谓的回波函数即数字包络曲线确定所要的回波信号即部分在填充物质表面反射的测量信号及其行进时间。包络曲线将回波信号的幅度描绘为“天线-填充物质表面”间距的函数。然后，可以由天线距容器底部的已知间距与从测量确定的填充物质表面距天线的间距之间的差确定填充水平。
在微波测量装置的情况下，可以区分测量装置与FMCW测量装置(频率调制连续波)，其中测量装置根据脉冲雷达方法工作，并且利用宽带高频脉冲，而在FMCW测量装置的情况下，例如通过锯齿电压周期性地、线性频率调制波长为λ的连续微波。
为了保证稳定的、较好的测量性能，将辐射及接收测量信号的天线元件和测量电子元件采用不受外部影响的过程隔离元件的密封在过程侧。取决于使用的位置，填充水平测量装置可以经受高温、高压和/或侵蚀性化学介质。作为在测量位置的支配条件的函数，对保护敏感电子器件组件的需求相对较高。
由WO2006/120124A1已知一种填充水平测量装置，其中喇叭形天线至少部分地填充有温度稳定的介电材料。介电材料的尺寸使得在正常温度下，在介电填充体的外表面与邻接天线元件的内表面之间存在确定的间距。由于这种实施方式，填充体可以随着温度的增加而膨胀，因而在填充体内不会出现机械应力。
在由申请人以商标MICROPILOT售出的雷达测量装置的情况下，过程隔离件通常由PTFE制成。PTFE的优点在于对微波几乎是透明的。此外，其对于过程自动化中的许多应用具有足够的温度、压力和/或化学耐用性。而且，PTFE的优点使得堆积形成困难。如果在过程隔离件上不会出现堆积成形，则对其清除相当容易。
过程隔离件优选被均衡加压，随后通过机械处理进入最终的形状。通过高同质性区分均衡加压组件，由此可以排除由过程隔离区域中的异质性造成的传感器停工时间及测量误差。
在均衡加压过程中，利用下面的物理效应：压力沿着所有方向在液体和气体中均匀传播，并且在其所暴露的区域上产生力，该力与该区域面积成正比例。在PTFE处理的情况下，橡胶模填充有塑料粉末或颗粒塑料，特别是PTFE粉或PTFE颗粒，然后使液体紧闭进入加压设备的压力容器。该压力经由压力容器中的液体作用在橡胶模的所有侧面，均匀地压缩封闭的PTFE粉。在加压之后，从橡胶模去除PTFE模制部件，并且在烧结炉中烧结。
均衡加压的PTFE过程隔离的缺陷在于PTFE是相对昂贵的。PP粉及相应的PP颗粒材料比PTFE颗粒材料及相应的PTFE粉便宜大约10倍。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于填充水平测量装置的节省成本的过程隔离件。
该目的由下面的特征实现，该特征包括：过程隔离件是均衡加压的模制部件，其由具有不同的物理和/或化学特性的至少两种塑料制成，其中在过程隔离件的相应限定区域中装有至少两种塑料中的每一个。
优选地，两种塑料包括具有第一介电常数的第一塑料和具有第二介电常数的第二塑料，其中两个介电常数至少是近似相等的。本实施方式的优点在于：微波至少近似无扰动地穿过过程隔离。
将过程隔离件实施为一个单元。位于过程隔离件的不同区域中的至少两个不同的塑料以均衡加压方法彼此连接；然后将加压单元烧结并且机械加工。当然，在两个不同塑料的过渡区域中，可以找到两种塑料的颗粒。
在本发明设备的优选实施方式中，将过程隔离件实施为气密的。气密的过程隔离件防止过程的气体进入测量装置的电子设备区域中。
而且，连同本发明的解决方案一起提供：第一塑料具有比第二塑料更高的温度、压力和/或化学耐用性。特别地，将具有更高的温度、压力和/或更高的化学耐用性的第一塑料布置在过程隔离件的限定区域中，该区域面对该过程或接触该过程。在这种连接中，对于成本原因特别有利的原因在于：将布置第一塑料的限定区域实际实施为表面层。
优选地，第一塑料的表面层的厚度达到λ/4。在这种情况下，λ是高频测量信号的波长(FMCW方法)或者高频测量信号的脉冲的中心波长(脉冲雷达方法)。这种实施方式是有利的，并且消除了在两种塑料之间界面出现的相位跃变，当在其介电常数中不同时。
本发明设备的实施方式的有利形式提供：过程隔离件包括衬垫，其由第一塑料或第三塑料组成，该第三塑料与第一塑料相比具有更高的温度、压力和/或化学耐用性，其中衬垫的直径大于天线元件的最大直径。
有利地，第一塑料或第三塑料是PTFE或PEEK，而将相对节省成本的PP用作第二塑料。同样，可以使用PFA(全氟烷氧基-共聚物)。塑料、聚四氟乙烯和全氟烷氧基-共聚物具有较好的化学和物理特性，有助于其应用于过程隔离。需要提到的是可以抵抗几乎所有化学物的耐用性、非常高的耐温性、较好的微波传递系数以及较好的HF性能。
优选的是PTFE和PP的结合，其中在面向过程的、相应的介质接触区域中的过程隔离设置相对昂贵的PTFE，由于其较高的温度和压力阻抗，且由于其较高的化学耐用性，而远离过程区域的过程隔离由更加节省成本的PP组成。而且，两种塑料的结合的优点在于：在两种塑料的过渡区域中不会出现不希望有的微波反射，由于两种塑料的介电常数几乎相等。
当在更高的温度应用测量装置时，特别有利的是另一种结合由PEEK和PTFE组成。PEEK比PTFE更加温度稳定，并且比PFE更不倾向于流动。因此，在过程隔离的边缘区域，特别是衬垫区域中使用PEEK，而衬垫内的过程隔离基本上由PTFE组成。
如果用于过程隔离件的塑料的介电常数是不同的，则在过渡区域中出现相位跃变。在这种情况下，可以应用适当的测量，例如形成两种塑料中的一个的涂层厚度，使得移位实际上对应于λ/4或λ/4的整数倍，其中λ是微波的频率或微波脉冲的中心频率。由于所谓的λ/4波片的相移的影响，相移的微波相消干涉。
而且，有利地将导电颗粒引入第一塑料和/或第三塑料中，因而引入过程接触方式布置的塑料中。采用这种方式，防止了过程隔离件的充电，这对在爆炸危险区域中使用是特别重要。
可以如下地实现高频匹配的最佳方式：经由一个或多个层形成的λ/4变压器，在高介电常数的填充材料中发射从自由空间(DK＝1)或空气到填充有介电材料特别是塑料的天线单元3中特别是到喇叭天线，或到喇叭天线的空心导体4中的高频转换，其中在每种情况下，各层的介电常数位于介电填充材料和空气的介电常数之间。在每种情况下，各层的厚度优选达到λ/4或者λ/4的整数倍。通过均衡加压具有相应厚度的不同塑料的多个层，可以特别简单且节省成本地制造对高频测量信号来说是透明的过程隔离10。
附图说明
现在基于附图更详细地解释本发明，其中：
附图1是本发明设备的实施方式的第一形式；
附图2是本发明设备的实施方式的第二形式；以及
附图3是本发明设备的实施方式的第三形式。
具体实施方式
附图1示出本发明设备的实施方式的示意图。填充物质7存在于容器8中。用于确定填充物质7的填充水平的是填充水平测量装置17，其安装在容器8的盖16的开口19中。经由天线单元3，沿填充物质7的表面6方向辐射信号产生单元1所产生且经由接入/接出单元2连接的测量信号。发送的信号在表面6上部分反射作为回波信号。回波信号由天线单元3接收，再经由接入/接出单元2接出，并且在控制/评价单元9中评价。与控制/评价单元9相结合的是延迟电路，例如，如在DE3107444A1中描述的。经由发射-接收分离器或定向耦合器18发生发送信号的传输及回波信号的接收的正确时钟计时。部件1、9、18是所谓的测量发射器的一部分，并且通常布置在未在附图1中分开表示的发射器壳体中。
在附图2、3和4中示出本发明的天线单元3连同过程隔离件10的不同实施方式。过程隔离件10优选实施为它对微波至少是大致可穿透的。这可以通过将塑料11、12用于过程隔离件10实现，其介电常数DK1、DK2近似相等或其介电常数DK1、DK2彼此轻微偏离，使得导致填充水平测量装置17的测量误差的扰动位于可容忍界限内。优选地，使用PTFE(聚四氟乙烯)和PP(聚丙烯)。
如果利用的塑料11、12的介电常数的不同使扰动导致测量误差不再是可允许的，则例如经由λ/4波片或λ/4层厚度适当地校正发生的相移。
过程隔离件10特别地保护接入/接出单元2不受过程的破坏性影响。原则上，在高频测量信号辐射方向上看到的过程隔离件10保护位于过程隔离件10的介质接触区域后的填充水平测量装置17的所有组件。
根据本发明，过程隔离件10是均衡加压的模制部件，其由具有不同的物理和/或化学特性的至少两种塑料11、12制成。在过程隔离件10的限定区域中提供至少两种塑料11、12中的每一个。优选地，将过程隔离件10实施为气密的。
附图2示出天线单元3，其由空心导体4及沿微波的辐射方向变宽的天线元件5组成。天线元件3由导电材料例如不锈钢或导电塑料组成。经由均衡加压产生由多个塑料的模制部件组成的过程隔离件10。
为了保证用于高频率测量信号的弱反射转换，过程隔离件10的面向过程的表面实施为向外凸出。通过该实施方式，可以消除在天线单元3中发生的波前相位差。然而，平面的、圆锥的或凹面的转换几何形状也提供了用于形成所需的辐射特征的其他选择。
高频测量信号经由接入/接出单元2接入或接出空心导体4。空心导体4可以实施成圆形或矩形的空心导体。优选地，将空心导体4实施成TE波模式形式。在空心导体4的区域中，过程隔离元件10具有锥尖或阶梯角锥的形状。由于锥形实施方式，可以在填充有空气和介电材料的空心导体的区域之间获得较好的匹配。这种匹配防止经由接入/接出单元2馈送的测量信号是部分反射回且衰减的。当然，空心导体4也可以完全被过程隔离件10的介电材料填充。
在经由均衡加压方法制造的如图2所示的本发明的过程隔离件10的实施例形式的情况下，过程隔离件10的接触过程的区域，或者过程隔离件10的包括面向填充物质7的衬垫13的区域由PTFE组成，而过程隔离件10的背离过程的区域由PP组成。
在附图3所示的本发明的过程隔离件10的实施方式形式的情况下，使用PEEK和PTFE的材料组合。PEEK更加温度稳定，并且比PTFE更不易于于流动。因此，过程隔离件10的边缘区域特别是衬垫13由PEEK制成，而过程隔离件10的其他部分由PTFE组成。由于这样的材料布置，高频率测量信号仅在其通过过程隔离10的通道上“看到”PTFE。
附图4示出经过天线单元3的纵向截面，在这种情况下，过程隔离件10由这样的材料组合构成，即背离过程的区域中的PP和面向过程的区域中的PTFE。优选地，面向过程的PTFE表面层实施为导电的。为此，例如将导电碳颗粒14引入PTFE塑料中。这是有益的，由于PTFE基本上是可静电充电的。根据特定规范，将导电颗粒14混合到PTFE塑料中。调整导电颗粒14和第一塑料12的混合比，使得一方面实现非充电表面，另一方面，PTFE的较好的微波透射率不受影响或仅受很小影响。
附图标记
1信号产生单元
2接入/接出单元
3天线单元
4空心导体
5天线元件
6表面
7填充物质
8容器
9控制/评价单元
10过程隔离件
11第一塑料
12第二塑料
13衬垫
14导电颗粒
15凸缘
16盖
17填充水平测量装置
18发射/接收分离器，定向耦合器
19开口

Claims (11)

1.用于在过程中确定或监测位于容器(8)中的填充物质(7)的填充水平的设备，包括：
信号产生单元(1)，其产生高频测量信号；
接入/接出单元(2)，其把所述高频测量信号接入天线单元(3)或接出所述天线单元(3)，其中所述天线单元(3)具有空心导体(4)和朝着所述填充物质(5)变宽的天线元件，其中所述天线单元(3)沿所述填充物质(7)的表面(6)的方向发射所述高频测量信号，并且接收在所述填充物质(7)的表面(6)上反射的回波信号；以及
控制/评价单元(9)，其基于所述测量信号的行进时间确定所述容器(8)中所述填充物质(7)的填充水平；
其中，在所述天线单元(3)中或之上提供过程隔离件(10)，该过程隔离件对所述高频测量信号是至少大致可穿透的，并且保护所述接入/接出单元(2)不受所述过程的影响；以及
其中，所述过程隔离件(10)是均衡加压的模制部件，其由具有不同的物理和/或化学特性的至少两种塑料(11，12)制成。
2.如权利要求1所述的设备，
其中在所述过程隔离件(10)的相应限定区域中提供所述至少两种塑料(11，12)中的每一种。
3.如权利要求1或2所述的设备，
其中所述两种塑料(11，12)包括具有第一介电常数(DK1)的第一塑料(11)和具有第二介电常数(DK2)的第二塑料(12)，其中这两个介电常数(DK1，DK2)至少是近似相等的。
4.如权利要求1、2或3所述的设备，
其中所述过程隔离件(10)被实施为气密的。
5.如权利要求1-4中的一个或多个所述的设备，
其中所述第一塑料(11)比所述第二塑料(12)具有更高的温度、压力和/或化学耐用性。
6.如权利要求5所述的设备，
其中把具有更高温度、压力和/或化学耐用性的第一塑料(11)布置在所述过程隔离件(10)的限定区域中，该限定区域面对所述过程或接触所述过程。
7.如权利要求6所述的设备，
其中把布置所述第一塑料(11)的所述限定区域实际实施为表面层。
8.如权利要求1-5或7中一个或多个所述的设备，
其中所述第一塑料(11)的表面层的厚度优选达到λ/4，其中λ是所述高频测量信号的波长，或者所述高频测量信号的脉冲的中心波长。
9.如权利要求1-8中至少一个所述的设备，
其中所述过程隔离件(10)具有衬垫(13)，其由所述第一塑料(11)或第三塑料组成，所述第三塑料与所述第一塑料(11)相比具有更高的温度和化学耐用性，其中所述衬垫(13)的直径大于所述天线元件(5)的最大直径(D)。
10.如前述权利要求中的一个或多个所述的设备，
其中所述第一塑料(11)或所述第三塑料是PTFE或PEEK，并且所述第二塑料(12)是PP。
11.如权利要求7-10中至少一个所述的设备，
其中把导电颗粒(14)引入所述第一塑料(11)和/或所述第三塑料中。
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