CN106062582A - 用于确定或监测容器中存储的填充材料的填充水平的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在过程中确定或监测存储于容器(8)中的填充材料(7)的填充水平的装置，包括信号生成单元(1)，其生成高频测量信号，耦合/去耦单元(2)，其将高频测量信号耦合至天线单元(3)或将所述高频测量信号与天线单元(3)去耦，其中天线单元(3)具有波导管(4)和天线元件(5)，其在朝向填充材料的方向上变宽，其中天线单元(3)沿着填充材料(7)的表面(6)的方向发射高频测量信号并且接收由填充材料(7)的表面(6)反射的回波信号，和控制/评价单元(9)，其基于测量信号的传送时间确定容器(8)中填充材料(7)的填充水平。其中在天线单元(3)中或之上，提供至少一个过程隔离装置(10)，所述过程隔离装置保护耦合/去耦单元(2)不受该过程的影响，其中第一过程隔离装置(10)至少部分地由具有特定多孔性的介电材料制成并且其中第一过程隔离装置(10)被配置为对高频测量信号至少基本上透明。

Description

用于确定或监测容器中存储的填充材料的填充水平的装置

技术领域

本发明涉及一种在过程中确定或监测存储于容器中的填充材料的填充水平的装置，包括：信号生成单元，其生成高频测量信号，耦合/去耦单元，其将高频测量信号耦合至天线单元或将所述高频测量信号与天线单元去耦，其中天线单元具有波导管和天线元件，其在朝向填充材料的方向上变宽，其中天线单元在填充材料表面的方向上发射高频测量信号并且接收由填充材料表面反射的回波信号，和控制/评价单元，其基于测量信号的传送时间确定容器中填充材料的填充水平，其中在天线单元中或之上，提供至少一个过程隔离装置，所述过程隔离装置保护耦合/去耦单元不受该过程的影响。

背景技术

基于微波运行的雷达填充水平测量计的常用频率范围是在大约1GHz和100GHz之间。雷达测量计从微波测量信号的传送时间确定容器中填充材料的填充水平。传送时间方法利用下面的物理定律：微波测量信号的路径等于测量信号的传送时间与测量信号的传播速度的乘积。在填充水平测量的情况下，路径是天线与填充材料的表面之间的距离的两倍。有用的回波信号，即测量信号的被填充材料的表面反射的部分，并且它的传送时间使用所谓的回波函数或数字包络曲线确定。包络曲线将回波信号的幅度描绘为天线和填充材料表面之间的距离的函数。然后，可以从天线距容器底部的已知距离与由测量确定的从填充材料表面距天线的距离之间的差确定填充水平。

雷达测量计可以被区分为根据脉冲雷达原理工作的，并且利用宽带高频脉冲的测量计，以及FMCW(频率调制的连续波)测量计，在FMCW测量计的情况下，波长为λ的连续微波的频率，使用例如锯齿电压进行周期性地、线性地加以调制。

为了保证稳定的、好的测量性能，使用过程隔离元件在过程侧保护发射及接收测量信号的天线元件和测量电子元件不受环境影响。这种保护是非常重要的，因为，取决于操作的位置，填充水平测量计暴露于高温、高压和/或侵蚀性化学介质。取决于在测量位置的支配条件，对保护敏感电子器件部件的需求相对高。

由WO 2006/120124 A1已知一种填充水平测量计，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，在介电填充材料的外表面与邻接天线元件的内表面之间存在确定的距离。由于这种设计，填充材料可以随着温度的增加而膨胀，因而在填充材料内不会出现机械应力。

在由申请人以商标MICROPILOT售出的雷达测量计中，过程隔离装置通常由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/或化学稳定性。而且，PTFE的优点在于抑制沉积形成。如果在过程隔离装置上仍然成形了沉积物，则将其容易地清除也是可能的。

在400℃以上，塑料不再稳定。由于这个原因，陶瓷制成的过程隔离元件被优选用于高温和高压范围。但是，与塑料相比，陶瓷具有这样的缺点，即它们具有相对高的介电常数。这显著地降低了过程隔离装置的高频兼容尺寸。过程隔离装置的尺寸越小，它们更倾向于形成冷凝物和沉积物。然而，如果过程隔离装置的尺寸适应于冷凝物和沉积物问题，越来越多的高次模被激发。如果高次模被激发，则振铃，其描述了天线区域内部不期望反射的部分，被增强。“振铃”越强烈，填充水平测量计的测量性能变得越差。

从DE 102010031276 A1中，已知一种填充水平测量计，其适合于高温和高压范围。这里还有过程隔离元件，其允许微波基本上未受干扰地通过，其被插入发射高频测量信号的波导管内。为了避免前述的沉积物和/或冷凝物的形成，过程隔离元件被设计为中空件，其中面对远离过程的末端区域适于波导管的直径，并且面向过程的末端区域优选地设计为圆锥体或角锥体形状。发射区域的过程隔离元件的壁厚度约为发送和接收的测量信号的波长的一半。这种方式下，测量信号的不期望的反射被很大程度上避免。过程隔离装置由塑料材料、陶瓷材料或介电复合材料制成。优选地，使用陶瓷材料，因为它是耐高温和高压的。

然而，利用已知的设计，作为外部机械力的结果，例如作为打击的结果，圆锥体或角锥体的顶点具有破裂的风险。如果过程隔离装置不被密封，则其不再能实现其保护功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微波填充水平测量计的过程隔离装置，其对于微波测量信号来说是透明的且是高机械稳定的。

该目的通过制备第一过程隔离装置实现，第一过程隔离装置至少部分地由特定多孔性的介电材料制成。另外，所述第一过程隔离装置被配置为对高频测量信号至少基本透明。如以上已经提到的，由陶瓷制成的过程隔离装置非常适合用于自动化技术(特别地，过程自动化技术)中的高温和高压。然而，陶瓷-特别是氧化铝-具有这样的缺点，其对微波的透明度低，因为它具有大约10的高介电常数。作为这种左右为难的解决方案，现有技术提出了薄壁、中空、圆锥形过程隔离元件，然而它的机械稳定性低于固体材料制成的过程隔离装置。

根据本发明提出的避免这种左右为难局面的解决方案是通过从至少一种介电固体材料制备过程隔离装置。为了获得适于用于雷达测量计的尽可能低的介电常数和足够的尺寸，固体材料被设计为至少部分是多孔的。根据本申请，介电材料是塑料的，其适于高温和高压，或陶瓷的。另外，也可以使用具有需要的温度和压力稳定性的纤维增强复合材料。由于由至少部分发泡的固体材料制成的过程隔离装置的增强的稳定性，过程隔离装置的破裂和破坏的风险被有效地避免。过程隔离装置的高稳定性确保不需要大量的材料，并且因此没有显著的热能可以到达下游的传感器和电子部件。

为了获得过程隔离装置的介电材料的需要的透明度，材料的多孔性由此得以调整。作为指导方针：过程隔离装置的材料的介电常数越高，材料的多孔性必须越高。

借助于根据本发明的设计，过程隔离装置的尺寸可以以下述方式选择，其中沉积物和/或冷凝物问题(特别是面对过程的关键的过程隔离装置)仅起次要作用或根本不起作用。

通过过程隔离装置的材料的多孔性，介电材料的特性通过下述方式被优化：即一方面，过程隔离有效和长期地阻止填充材料进入填充水平测量计的电子部件或耦合/去耦单元的过程，并且另一方面，过程隔离对于微波测量信号来说是非常透明的。过程隔离对于微波是透明的，如果当信号通过过程隔离装置时，微波测量信号的强度仅会不明显地减弱的话。特别地，与本发明相关的透明度表示过程隔离装置的一个或多个材料的介电常数优选地为1到5之间。

多孔性限定了空隙体积(通常充满了空气)和多孔材料或材料混合物的总体积的比率。如果空隙彼此连接或连接到环境，则使用词语“材料的开放的多孔性”或“开放的多孔材料”。如果空隙不彼此连接也不连接到环境，则使用词语“材料的封闭的多孔性”或“封闭的多孔材料”。

关于发明，大量的具有不同设计的过程隔离装置都是可能的。过程隔离装置要实现的任务对于所述设计来说是特别重要的。

如果过程隔离装置被设计为封闭多孔的或至少在表面区域无孔的，没有介质可以进入填充水平测量计的区域，其被安装在过程隔离装置的相对于过程的下游。然而，通过过程隔离装置中的开放多孔结构，填充材料的气体或颗粒可以进入过程隔离后面的区域。开放多孔过程隔离装置无疑构成了至少填充材料的屏障：填充材料不能无障碍地进入过程隔离后面的区域，而是必须首先克服相当大的阻力。开放多孔过程隔离装置可以特别地用于测量计的低污染水平的应用中。

如以上已经提到的，假设第一过程隔离的介电材料的多孔性以使得介电材料具有特定的介电常数的方式选择。优选地，其介于1和5之间。

根据本发明的装置的优选实施例，第一过程隔离装置被设置为，使得其与过程接触的表面的至少一部分由封闭多孔介电材料制成。自然地，保护层也可以为无孔的。该设计确保没有填充材料或填充材料的颗粒可以在填充水平测量计的区域中从过程进入过程隔离装置。具有对沉积物敏感的部件的测量计的待保护内部空间，通过相应地设计的过程隔离装置有效地与过程密封。

可替换方案提供了第一过程隔离装置的内芯材料被设计为开放多孔。至少在接触过程的部分中，保护层被应用于内芯材料，其中保护层由封闭多孔或基本无孔的介电材料组成。对于芯的介电材料和保护层，可以使用相同材料或不同材料。

根据本发明的方案的一个有益的实施方式提供了第二过程隔离装置，当在高频测量信号的发射方向上看时，其被设置在第一过程隔离装置的前面。第二过程隔离装置可以由封闭多孔介电材料制成，或由开放多孔芯和包围开放多孔芯的封闭多孔或基本无孔的保护层组成。益处必须类似于关于第一过程隔离装置的前述解释加以评价。

在可替代实施方式中，第二过程隔离装置也被提供并且当在高频测量信号的发射方向上看时设置在第一过程隔离装置的前面。然而现在，第二过程隔离装置完全地由开放多孔介电材料组成。这种情况下，当第一过程隔离装置被破坏或损毁时，第二过程隔离装置仍然满足至少屏障的功能，其阻止填充材料或填充材料的颗粒无阻碍地进入通过过程隔离元件隔离的填充水平测量计的区域。

在第二过程隔离装置中，介电材料的多孔性也以使得介电材料具有特定的介电常数的方式确定尺寸。优选地，它也介于1到5之间。

以上已经提到，根据本发明的实施方式，第一和第二过程隔离装置包括由封闭多孔的或无孔的介电材料制成的保护层。优选地，两个保护层中的每一个的厚度为λ/2。这里，在这种情况下，λ代表高频测量信号的波长或者高频测量信号的脉冲的中心波长。

如前面已经提到的，介电材料是耐高温塑料或陶瓷。然而，复合材料，例如纤维增强塑料也可以被使用。优选地，介电材料是氧化铝，其取决于第一和第二过程隔离装置的设计，被设计为至少在限定部分是开放多孔的或封闭多孔的或基本无孔的。

附图说明

现在借助于附图更详细地解释本发明，其中：

图1：安装在容器上的根据本发明的装置的示意图，

图2：穿过根据本发明的填充水平测量计的优选实施方式的纵向截面，

图3：穿过图2所示的根据本发明的填充水平测量计的实施方式的部分的纵向截面的透视图，以及

图4：第一过程隔离元件的透视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的装置的实施方式的示意图。液体或固体的填充材料7存储于容器8中。用于确定容器8中的填充材料7的填充水平的是填充水平测量计17，其安装在容器8的盖16的开口19中。在信号生成单元1中生成的微波测量信号被耦合进入天线单元3，并经由天线5在填充材料7的表面6的方向上被发射。在表面6上，测量信号至少部分被反射作为回波信号。回波信号由天线单元3接收，并传送到控制/评价单元9中用于调节和评估填充水平测量值的目的。控制/评价单元9被分配给如例如在DE 3107444 A1中描述的延迟电路。测量信号的发送及回波信号的接收的正确定时受到双工器18的影响。部件1、9、18是所谓的换能器或发射器的一部分，并且通常布置在未在附图1中分开表示的换能器或发射器壳体中。特别地，对沉积物、压力和/或温度敏感的换能器的这些部件，通过过程隔离装置10，13被保护免受过程的负面影响。

天线单元3的优选实施方式包括根据本发明的过程隔离装置10或10，13的至少一个，其在图中被更详细地示出。根据本发明的过程隔离装置10，13优选这样设计，使得它们对微波测量信号来说至少基本上是透明的。而且，取决于功能，它们被表征为高机械稳定性和对冷凝物和沉积物的低敏感性。

除了已经提到的电子器件的部件，在表面区域与过程或介质接触的第一过程隔离装置10，特别地，也防止填充材料的颗粒进入耦合/去耦单元2和天线单元5的波导管4，并且由此防止过程的有害影响。这些影响可以显著地破坏填充水平测量计17的测量精确度。原则上，当处于高频测量信号发射的方向看时的位于过程隔离装置10前方的填充水平测量计17的所有区域被第一过程隔离装置10保护，其面向所述过程，即与介质和/或过程接触。与此相关的一般规则是测量信号的波长越小，即测量信号的频率越高，天线单元3的选择尺寸的越小。波长越小，天线单元的发射和接收区域中的沉积物越多，破坏测量质量或测量性能。

不用说，取决于使用填充水平测量计17的应用，过程隔离装置10和过程隔离装置13的需要可以是非常不同的。可能的实施方式和过程隔离装置10，13的组合的范围谱因此是宽广的。

图2示出了穿过根据本发明的填充水平测量计17的优选实施方式的纵向截面。图3示出了穿过图2所示的根据本发明的填充水平测量计17的实施方式的部分的纵向截面的透视图。

降温单元22指示该实施方式适合于高温范围，即图2中描述的填充水平测量计17可以用于高达450□C的温度。该实施方式不同于已知解决方案之处在于过程隔离装置10，13的特定设计和/或设置。过程隔离装置10，其面向所述过程并且因此与介质或所述过程接触，包括圆筒20和圆锥体21。过程隔离装置具有芯14和介电保护层12，芯14由多孔介电材料组成，介电保护层12由无孔或封闭的多孔介电材料组成。不用说，芯14的材料和保护层12的材料是具有不同的多孔性的相同的材料，或芯14的材料和保护层12的材料是不同的。如果保护层具有λ/2的厚度，它的多孔性对于过程隔离装置10，13的透明度来说不重要。通过芯14得到足够的机械稳定性。为了让芯14也仅在可接受限度内减少过程隔离装置10，13的透明度，芯14由多孔介电材料组成。这里，多孔性选择的越高，芯14的材料的介电常数越高。为了获得同样的透明度，塑料的多孔性可以通常这样选择使得小于陶瓷的多孔性。最终使用的材料取决于过程中占优势的物理和化学条件。

在图2中示出的，并且其中第一过程隔离装置10被设计为非常稳定的实施方式中，第二过程隔离装置13的稳定性的需要会相对较低。因为毕竟仅当第一过程隔离装置10被毁坏或破裂时，第二过程隔离装置13可以与所述过程直接接触，冷凝物或沉积物的形成起到了次要作用。第二过程隔离装置13可以因此由例如开放或封闭的多孔介电材料组成。在示出的情况下，第二过程隔离装置13具有显著小于第一过程隔离装置10的尺寸。特别地，其具有双锥面的形状。不用说，第二过程隔离装置13也可以被设计为圆盘。如以上已经描述的，第二过程隔离装置13也可以被构造为类似于第一过程隔离装置10，即具有多孔芯和保护层。第二过程隔离装置13必须仅以这样的方式构造，使得如果第一过程隔离装置10被破坏或破裂，填充材料或填充材料7的颗粒也不能无障碍地进入填充水平测量计17的内部区域。第二过程隔离装置13被这样设计使得它至少满足屏障的功能。

以上已经提到了两个过程隔离装置10，13不需要气密。填充水平测量计的气密性通过玻璃馈通23在任何情况下获得。

图4示出了带有圆筒20和圆锥体21的第一过程隔离元件10的优选实施方式的透视图。过程隔离元件10可以设计为图2或图3所示的。取决于应用，过程隔离装置10全部或部分地由开放多孔和/或封闭多孔材料组成。例如，过程隔离装置10可以设计为全部是开放多孔的或封闭多孔的塑料。类似地，可以使用封闭多孔的或开放多孔的陶瓷。在两个实施方式中，保护层12可以另外地提供。第二过程隔离装置13也可以具有类似的设计。

如已经提到的，保护层的厚度优选为λ/2。在从多孔结构到保护层的过渡中-如本发明呈现的-介电常数增加。这是发生了附加的λ/2的相移的原因。因此，两分波之间的总路径差是2*λ/2+相移λ/2＝3/2λ，并且干扰是破坏性的。然而，如果介电常数在过渡中减小，并且因此相移不会发生，则可应用λ/4。

附图标记列表

1 信号生成单元

2 耦合/去耦单元

3 天线单元

4 波导管

5 天线元件

6 表面

7 填充材料

8 容器

9 控制/评价单元

10 第一过程隔离装置

11 多孔介电材料

12 保护层

13 第二过程隔离装置

14 多孔介电材料制成的芯

15 保护层

16 盖

17 填充水平测量计

18 双工器

19 开口

20 圆筒

21 圆锥体

22 降温单元

23 玻璃馈通

Claims (10)

1.一种在过程中确定或监测存储于容器(8)中的填充材料(7)的填充水平的装置，包括：

信号生成单元(1)，所述信号生成单元(1)生成高频测量信号，耦合/去耦单元(2)，所述耦合/去耦单元(2)将所述高频测量信号耦合至天线单元(3)或将所述高频测量信号与所述天线单元(3)去耦，其中，所述天线单元(3)具有波导管(4)和天线元件(5)，所述天线元件(5)在所述填充材料的方向上变宽，

其中，所述天线单元(3)在所述填充材料(7)的表面(6)的方向上发射所述高频测量信号并且接收由所述填充材料(7)的表面(6)反射的回波信号，以及

控制/评价单元(9)，所述控制/评价单元(9)基于所述测量信号的传送时间确定所述容器(8)中的所述填充材料(7)的填充水平，

其中，在所述天线单元(3)中或所述天线单元(3)上，提供至少一个过程隔离装置(10)，所述过程隔离装置保护所述耦合/去耦单元(2)不受所述过程的影响，

其中，所述至少一个过程隔离装置(10)至少部分地由具有特定多孔性的介电材料制成，并且其中，第一过程隔离装置被配置为对所述高频测量信号至少基本上透明。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中，所述第一过程隔离装置(10)的介电材料的多孔性以使得所述介电材料具有特定的介电常数的方式选择。

3.根据权利要求1或2所述的装置，

其中，所述第一过程隔离装置(10)被设置为，使得所述第一过程隔离装置(10)的与所述过程接触的表面的至少一个部分由封闭多孔介电材料制成。

4.根据权利要求1或2所述的装置，

其中，所述第一过程隔离装置(10)的内芯(14)被设计为开放多孔的，其中，保护层(12)被至少应用于所述过程隔离装置(10)的与所述过程接触的部分上，并且其中，所述保护层(12)由封闭多孔或基本上无孔的介电材料组成。

5.根据权利要求1至4的一项或多项所述的装置，

其中，提供第二过程隔离装置(13)，所述第二过程隔离装置(13)当在所述高频测量信号的发射方向上看时被设置在所述第一过程隔离装置(10)的前面，其中，所述第二过程隔离装置(13)由封闭多孔介电材料制成，或其中，所述第二过程隔离装置(13)由开放多孔芯和包围所述开放多孔芯的封闭多孔的或基本无孔的保护层(15)组成。

6.根据权利要求1至4的一项或多项所述的装置，

其中，提供第二过程隔离装置(13)，所述第二过程隔离装置(13)当在所述高频测量信号的发射方向上看时被设置在所述第一过程隔离装置(10)的前面，其中，所述第二过程隔离装置(13)完全由开放多孔介电材料制成。

7.根据权利要求5或6所述的装置，

其中，所述第二过程隔离装置(13)的介电材料的多孔性以使得所述介电材料具有特定的介电常数的方式确定尺寸。

8.根据权利要求4或5所述的装置，

其中，两个保护层(12，15)的每一个的厚度优选为λ/2，其中λ代表所述高频测量信号的波长或者高频测量信号的脉冲的中心波长。

9.根据权利要求1至8的至少一项所述的装置，

其中，所述介电材料是耐高温塑料或陶瓷。

10.根据前述权利要求的一项或多项所述的装置，

其中，所述介电材料是氧化铝。