CN106643975A - 分体电极连续料位计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分体电极连续料位计及其测量方法，该料位计通过单个测量电极在结构上的分体设计与在空间测量上的分离布置，特别是多个分体测量电极在测量空间的交叉叠加布置及与一体电极的混合布置，利用程序上对测量数据的运算、识别与判断，实现对物料料位的准确判断与生成。本发明实现了以往需要复杂切换部件和众多一体电极配合使用，并且需要复杂设计才能实现的测量效果。在结构上，极大减少了测量电极与运算处理部件间的连接电缆，极大降低切换部件的结构复杂程度，极大提升了测量响应速度，且不要前置的切换部件等，可适应高温、震动等恶劣环境。在等总测量不变长度下，极大提升测量精度，显著降低设备体积、质量，极大扩展了运用领域。

Description

分体电极连续料位计及其测量方法

技术领域

本发明涉及料位计领域，特别涉及一种分体电极连续料位计及其测量方法。

背景技术

电容(射频)料位计自从被发明以来已经被广泛运用于各种工业场合，分为开关量和连续量两种形式。作为连续测量物料的的连续式电容(射频)形式与雷达、超声波、导播雷达、压力式料位计一样是目前主要的连续测量料位方式。但是，在实际使用中由于测量对象介电特性的不断变化，无论是电容原理还是在此基础上增加一个电极利用射频导纳原理连续式料位计都存在严重的测量准确性差和可靠性差问题，严重影响到此类原理产品在工业现场的实际使用。在单个主电极的连续式电容(射频)料位计基础上，开发了多电极式电容(射频)料位计，使用多个测量电极，实现在不同测量范围内或测量点位置使用测量电极，通过多个测量电极的数据比较，实现了对于测量对象介电特征量变化带来的识别与修正，一定程度上提高了电容(射频)连续料位计测量的准确性。

由于拥有多个测量电极，通过依次独立测量测量电极与配合电极之间的空间(物料)电容特征量，由于有料和无料电极之间测量数据差异显著，通过多个电极的数据比较与综合计算，可以准确获取物料的料位数据。由于在实际产品设计中，在同样测量长度范围内，测量电极数量越多，测量精度越高。对于需要高精度的应用场合，需要很多测量电极。各个测量电极的依次运行，需要切换部件，进行电极间的切换，同时每个测量电极与分析运算部件之间都有一个电缆进行电连接；如有测量电极数据越多，电缆数量相应增加，切换部件的结构也越复杂，这些要求给产品设计与实际生产、使用带来了无法逾越的困难。

为了解决测量电极多，产品实际设计与生产困难的问题，后来出现了使用较少测量电极做标定电极，辅助一个主测量电极的设计方案。如已经失效的申请号：97245511.6的专利公开的连续电容传感器这种类型的多电极连续电容料位计，利用多个测量电极做定标电极，优化主测量电极数据，实现主电极连续测量过程对于物料介电特性变化带来的修正与优化。此类实际利用少数测量电极作为辅助标定电极，对主测量电极进行修正，一定程度上较少了测量电极的数量。但是各个标定电极之间距离大，此区间测量的精度很难保证，整体测量精度差。

而在专利CN02110211.2公开的一个设计方法中，通过类似总线结构将切换部件分散和前置，新增了一种前置可以编码的切换模块，在一定程度上减少了测量电极与分析运算部件之间的电缆的数量，优化了电缆结构。但是，这种内置编码器的切换模块的前置设计，设计困难，结构复杂。并且前端切换模块内部的电子芯片等部件很难在高温、震动等恶劣环境中长期工作，运行中可靠性不高，成本却增加不少，使用维护也更加困难。尤其电子部件的工作温度受限制比较大。这个切换部件前置的机构线路设计，还存在严重的不足。同时，此种方案在小测量范围，需要众多测量电极确保精度的运行环境要求中，应用更加困难，前置切换部件本身就增加了设备的体积，设备结构困难。当测量电极数量大于10个以上时候，电极部分的布线以及切换部件的结构设计就异常困难，甚至难以实施了！

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种分体电极连续料位计与测量方法，以解决现有技术中测量精度不高或测量设备复杂的问题。

技术方案：本发明提供一种分体电极连续料位计，包括电极测量部件、运算处理部件、至少一个分体测量电极与至少一个配对电极，所述电极测量部件与所述分体测量电极、所述配对电极和所述运算处理部件分别连接，所述分体测量电极至少拥有相互电连接的两个分体部分，所述运算处理部件用于根据所述电极测量部件的测量数据，经过运算判断物料料位。

优选的，所述分体测量电极的各个所述分体部分通过电缆和/或金属条和/或与所述分体部分相同材料的连接体电连接。

优选的，所述分体部分沿所述被测量物料的料位变化方向排列。

优选的，所述分体电极连续料位计包括至少两个分体测量电极，不同所述分体测量电极的至少部分分体部分交错排列。

优选的，所述分体电极连续料位计包括切换部件和至少两个分体测量电极；所述切换部件与所述电极测量部件相连，用于对与所述电极测量部件相连的分体测量电极进行切换，不同所述分体测量电极的至少部分分体部分交错排列。

优选的，至少一个所述一体电极与所述分体测量电极的至少部分分体部分交错排列，所述运算处理部件用于根据所述电极测量部件测量的结果判断料位所对应的分体测量电极并进一步判断料位对应的分体部分。

优选的，所述一体电极为N个，且所述分体部分共N组，每组M个，每个一体电极与每组分体部分交错排列。

优选的，所述配对电极由容器的金属壳体充当。

优选的，所述分体电极连续料位计还包括至少一个大量程测量电极，所述电极测量部件用于对大量程测量电极和所述分体测量电极进行测量获得第一测量结果和第二测量结果，所述运算处理部件用于根据所述第二测量结果对所述第一测量结果进行修正。

本发明另一方面还提供了一种料位测量方法，应用在上述的分体电极连续料位计中，所述电极测量部件测量所述分体测量电极与对应所述配对电极之间的电信号，所述运算处理部件根据所述电信号的变化确定物料的料位对应的分体部分。该电信号比如可以是电容和或电感和或电阻和或导纳等物理量。

优选的，所述电信号为电容值；所述运算处理部件根据所述电信号的变化确定物料的料位对应的分体部分包括：

当ΔC/ΔT的值的≥预设值A时，所述运算处理部件判断料位到达下一个分体部分对应的分段；当ΔC/ΔT的值≤预设值B时，所述运算处理部件判断料位在当前分体部分与下一分体部分对应的分段之间或停留在当前分体部分对应的分段；

所述ΔT为时间变化，ΔC为电容变化量。

优选的，所述分体电极连续料位计还包括切换部件和至少一个一体电极；所述料位测量方法还包括：

所述切换部件控制在不同时刻所述电极测量部件分别与每个所述一体电极、每个分体测量电极相连；

所述电极测量部件分别针对每个所述一体电极、每个分体测量电极的电信号进行测量；

所述运算处理部件根据针对每个所述一体电极测量的电信号判断料位与一体电极的位置关系并根据针对每个所述分体测量电极测量的电信号判断料位与所述分体部分的位置关系。

优选的，所述分体电极连续料位计还包括至少一个大量程测量电极，所述料位测量方法包括：

所述电极测量部件对所述大量程测量电极和所述分体测量电极的对应的电信号进行测量获得第一测量结果和第二测量结果；

所述运算处理部件根据所述第二测量结果对所述第一测量结果进行修正。

有益效果：本发明通过单个电极的分体设计，使得分体测量电极的每个分体部分只能测量一个受限范围内的数据，运算处理部件通过对于单个分体测量电极的整体连续数据分析，可以判断和区分料位在分体测量电极的那个具体分体部分；并且可以通过数据分析与运算，优化具体的生成的具体料位。

进一步的，通过对于多个分体测量电极在测量空间中各个分体部分的交叉布置，和或者通过分体测量电极与一体电极的混合布置可以更容易实现对于料位位置的精准判断。

本发明，通过测量电极的分体结构设计、通过相互之间的有序排列、与一体电极的组合布置和预设数学模型的对测量数据的综合分析能力，实现以往需要复杂切换部件与通过大量复杂布线才能完成的功能；结构简洁高效，极大提升了连续料位计的测量的精度、准确性和可靠性，并且可以适应高温等恶劣使用环境。尤其是在较小测量范围内，也可极大提高测量精度。扩展了此类产品应用的领域与适用范围。

附图说明

图1A-1C为分体电极连续料位计及其分体测量电极不同连接结构示意图；

图2为分体电极连续料位计实施方案1示意图；

图3为分体电极连续料位计实施方案2示意图；

图4为分体电极连续料位计实施方案3示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种最基本的分体电极连续料位计，该分体电极连续料位计主要由测量电容形式的电极检测部件51、运算处理部件52、一个配对电极53(可以金属容器的壳体充当)、一个分体测量电极54组成。其中，运算处理部件与电容形式的电极检测部件相连接，电容形式的电极检测部件与所述配对电极、所述分体测量电极连接，电极检测部件、分体测量电极、配对电极以及被测量物料之间组成一测量回路。所述电容形式的电极测量部件，实时测量所述配对电极与分体测量电极之间物料的电容相关物理量，如电容值。图2所示，所述分体测量电极由四个分体4、5、6、7组成，分体之间电连接，用于形成电连接的可以是对测量结果影响尽量小的电缆和/或者是金属条等(图1A、1B所示的并联、串联)，也可以是与分体部分材料相同的一些连接体(图1C)。所述4个分体沿物料料位变化方向布置，相互之间有设定的间隔距离。当物料淹没所述分体7部分时，所述运算处理部件可以获得显著的电容值，如AF，当物料继续增加，在6与7分段之间时，所述运算处理部件获取的电容值，基本还是等于7分段时获取的值，或者增加量很少。这主要是因为在有效的电极测量面积里，物料相当于没有增加,物料虽然到达了这个测量部分，但是这个部分电极的实际新增的有效测量面积基本等于零或者非常小的增加。当物料继续增加到淹没6分段时，所述运算处理部件获取的电容值，增加到2AF，依次在物料增加过程中，所获得电容值分别为AF、2AF、3AF、4AF。而当物料介电特性发生变化时，所述运算处理部件测量到的电容值可能又会分别为XAF、X2AF、X3AF、X4AF。在本实施方案中，利用料位上升过程中，测量到的分体测量电极与配对测量电极之间的电容值随时间变化过程中，明显的差异规律性，所述运算处理部件可以按照预设的数学模型结合分体测量电极测量的特点，进行物位料位的判断。如：时间变化为ΔT，电容变化量ΔC，当ΔC/ΔT的值大于等于预设值A时，运算处理部件判断料位到达一个分段，并记录料位；当ΔC/ΔT的值小于等于预设值B时，判断料位在分段之间或者还停留在记录的分段位置。当ΔC/ΔT的值再次大于等于预设值A时，运算处理部件判断料位到达第2个分段，并记录料位。如此依次依据ΔC/ΔT与预设值的关系，判断料位变化过程。因为测量过程中分体测量电极的分体部分ΔC1/ΔT远大于分体测量电极各个分体部分连接部分之间的ΔC2/ΔT，所以此实施方案中即使当物料的介电特性发生变化时，也是能够判断物料的料位。当然也可以引入ΔC1/ΔT除以ΔC2/ΔT的值进一步消除物料特性变化可能带来的影响。但是要是仅仅通过一个分体测量电极完成各广泛的应用测量状况，很难，本实施案例仅仅适合物料变化缓慢，料位变化过程规律性强的情况下。

运算处理部件与所述电极测量部件集成在一个壳体内或以电连接的方式分离设置在不同壳体内。

实施方式2：

本实施方式为实施方式1的改进，本实施方案通过多个分体测量电极、多个一体电极之间的相互配合，实现分体电极连续料位计在绝大数工况下的高度可靠与精准测量。所述的分体电极连续料位计由1’、运算处理部件，2’、电极测量部件，3’、配对电极，4’、切换部件，5’、分体测量电极1的1-1分体，6’、分体测量电极1的1-2分体，7’、分体测量电极1的1-3分体，8’、分体测量电极1的1-4分体，9’、分体测量电极2的2-1分体，10’、分体测量电极2的2-2分体，11’、分体测量电极2的2-3分体，12’、分体测量电极2的2-4分体，13’、分体测量电极3的3-1分体，14’、分体测量电极3的3-2分体，15’、分体测量电极4的4-1分体，16’、分体测量电极4的4-2分体，17’、一体电极1，18’、一体电极2,，19’、一体电极3，20’、一体电极4。所述运算处理部件1’与所述电极测量部件2’相连，所述电极测量部件2’与配对测量电极3’相连、与切换部件4’相连，所述切换部件与分体测量电极1、分体测量电极2、分体测量电极3、分体测量电极4以及一体电极1、一体电极2、一体电极3、一体电极4相连，所述切换部件与所述运算处理部件相连接，切换部件在所述运算处理部件控制下，控制分体测量电极、一体电极分别与配对电极构成测量回路。所述分体测量电极的测量值分别表示为C1n、C2n、C3n、C4n，一体电极的测量值分别为C1、C2、C3、C4。本实施案例中，分体测量电极1的4个分体可分别排列于一体电极1、一体电极2、一体电极3、一体电极4之间、分体测量电极2的分体也排列于一体电极1、一体电极2、一体电极3、一体电极4之间，并都依次排列于分体测量电极1的分体之上、分体测量电极3的分体排列于一体电极1之下与一体电极2、一体电极3之间、分体测量电极4的分体排列于一体电极1、一体电极2和一体电极3、一体电极4之间，分体测量电极3、4的分体均位于分体测量电极1、2之上。所述运算处理部件1每次均测量获得C1n、C2n、C3n、C4n、C1、C2、C3、C4值。首先通过判断C1、C2、C3、C4值，判断料位在那个一体电极附件(料位可能在该一体电极的上面或者下面)，如C1、C2、C3、C4大于预设值或者|Cn-1-Cn|大于预设值。所述运算处理部件1再依据C1—C2是否大于预设值和或C3—C4是否大于预设值，判断料位在具体哪个分体测量电极的分体部分上。

当然，一体电极、分体测量电极的排列可以根据需要进行变换，比如图3所示的按照纸面由上到下的顺序依次为：一体电极4、分体测量电极4的4-2分体、分体测量电极2的2-4分体、分体测量电极1的1-4分体、一体电极3、分体测量电极3的3-2分体、分体测量电极2的2-3分体、分体测量电极1的1-3分体、一体电极2、分体测量电极4的4-1分体、分体测量电极2的2-2分体、分体测量电极1的1-2分体、一体电极1、分体测量电极3的3-1分体、分体测量电极2的2-1分体、分体测量电极1的1-1分体。

本实施方法也可以不需要一体电极，而是通过多个分体测量电极的合理排列实现，其中优选的方式中，不同分体测量电极的分体交错排列。

实施方式3：

本实施方式为实施方式1的进一步改进，主要改进之处在于在实施案例1的基础上增加一个长的一体电极即大量程测量电极8"(图4中的主测量电极)。本实施方式通过分体测量电极实现分体部分料位的识别，并用其结果修正长的一体电极的相关参数，使得一体电极的全量程测量数据更加准确。本实施案例利用的是分体测量电极可以在测量物料的介电特征发生变化时，仍然可靠测量分体部分料位的特点用其数据修正长一体电极的测量数据。

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。

本发明中，所述电极测量部件如果是电容测量部件即按照电容测量方式测量时，所述分体测量电极料位计至少需要一个配对测量电极；若所述电极测量部件未射频导纳测量部件即按照射频导纳原理测量时，所述分体测量电极料位计至少需要两个配对测量电极。

在本发明的优选实施例中，所述分体测量电极料位计还可以具有输出部件，用于输出模拟量和/或数字量和/或开关量和或脉冲信号。

本发明对应上述料位计，还公开了一种基于该料位计的料位测量方法，包括：

所述电极测量部件测量所述分体测量电极与对应所述配对电极之间的电信号，所述运算处理部件根据所述电信号的变化确定物料的料位对应的分体部分。

优选的，上述电信号为电容值；所述运算处理部件根据所述电信号的变化确定物料的料位对应的分体部分包括：

当ΔC/ΔT的值的≥预设值A时，所述运算处理部件判断料位到达下一个分体部分对应的分段；当ΔC/ΔT的值≤预设值B时，所述运算处理部件判断料位在当前分体部分与下一分体部分对应的分段之间或停留在当前分体部分对应的分段；

所述ΔT为时间变化，ΔC为电容变化量。

在一实施例中，所述分体电极连续料位计还包括切换部件和至少一个一体电极；所述料位测量方法还包括：

所述切换部件控制在不同时刻所述电极测量部件分别与每个所述一体电极、每个分体测量电极相连；

所述电极测量部件分别针对每个所述一体电极、每个分体测量电极的电信号进行测量；

所述运算处理部件根据针对每个所述一体电极测量的电信号判断料位与一体电极的位置关系并根据针对每个所述分体测量电极测量的电信号判断料位与所述分体部分的位置关系。

另一实施例中，所述分体电极连续料位计还包括至少一个大量程测量电极，所述料位测量方法包括：

所述电极测量部件对所述大量程测量电极和所述分体测量电极的对应的电信号进行测量获得第一测量结果和第二测量结果；

所述运算处理部件根据所述第二测量结果对所述第一测量结果进行修正。

需要强调的是，本发明上述实施例中，电极测量部件以电容测量方式为例，但在其他实施例中，电极测量部件还可以电容测量方式和/或射频导纳方式。

上述各实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种分体电极连续料位计，其特征在于，包括电极测量部件、运算处理部件、至少一个分体测量电极与至少一个配对电极，所述电极测量部件与所述分体测量电极、所述配对电极和所述运算处理部件分别连接，所述分体测量电极至少拥有相互电连接的两个分体部分，所述运算处理部件用于根据所述电极测量部件的测量数据，经过运算判断物料料位。

2.根据权利要求1所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述分体测量电极的各个所述分体部分通过电缆和/或金属条和/或与所述分体部分相同材料的连接体电连接。

3.根据权利要求1所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述分体部分沿所述被测量物料的料位变化方向排列。

4.根据权利要求3所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述分体电极连续料位计包括切换部件和至少两个分体测量电极；所述切换部件与所述电极测量部件相连，用于对与所述电极测量部件相连的分体测量电极进行切换，不同所述分体测量电极的至少部分分体部分交错排列。

5.根据权利要求3所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述分体电极连续料位计还包括切换部件和至少一个一体电极；所述切换部件与所述电极测量部件相连，用于对与所述电极测量部件相连的电极进行切换。

6.根据权利要求5所述的分体电极连续料位计，其特征在于，至少一个所述一体电极与所述分体测量电极的至少部分分体部分交错排列，所述运算处理部件用于根据所述电极测量部件测量的结果判断料位所对应的分体测量电极或料位所对应的一体电极。

7.根据权利要求6所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述一体电极为N个，且所述分体部分共N组，每组M个，每个一体电极与每组分体部分交错排列。

8.根据权利要求1所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述配对电极由容器的金属壳体充当。

9.根据权利要求1所述的分体电极连续料位计，其特征在于，所述分体电极连续料位计还包括至少一个大量程测量电极，所述电极测量部件用于对大量程测量电极和所述分体测量电极进行测量获得第一测量结果和第二测量结果，所述运算处理部件用于根据所述第二测量结果对所述第一测量结果进行修正。

10.一种料位测量方法，应用在如权利要求1所述的分体电极连续料位计中，其特征在于，所述电极测量部件测量所述分体测量电极与对应所述配对电极之间的电信号，所述运算处理部件根据所述电信号确定物料的料位。

11.如权利要求10所述的料位测量方法，其特征在于，所述电信号为电容值；所述运算处理部件根据所述电信号确定物料的料位包括：

当ΔC/ΔT的值≥预设值A时，所述运算处理部件判断料位到达下一个分体部分对应的分段；当ΔC/ΔT的值≤预设值B时，所述运算处理部件判断料位在当前分体部分与下一分体部分对应的分段之间或停留在当前分体部分对应的分段；

所述ΔT为时间变化，ΔC为电容变化量。

12.如权利要求10或11所述的料位测量方法，其特征在于，所述分体电极连续料位计还包括切换部件和至少一个一体电极；所述料位测量方法还包括：

所述切换部件控制在不同时刻所述电极测量部件分别与每个所述一体电极、每个分体测量电极相连；

所述电极测量部件分别针对每个所述一体电极、每个分体测量电极的电信号进行测量；

所述运算处理部件根据针对每个所述一体电极测量的电信号判断料位与一体电极的位置关系并根据所述一体电极测量的电信号和针对每个所述分体测量电极测量的电信号判断料位与所述分体部分的位置关系。

13.如权利要求10或11所述的料位测量方法，其特征在于，所述分体电极连续料位计还包括至少一个大量程测量电极，所述料位测量方法包括：

所述电极测量部件对所述大量程测量电极和所述分体测量电极的对应的电信号进行测量获得第一测量结果和第二测量结果；

所述运算处理部件根据所述第二测量结果对所述第一测量结果进行修正。