CN109073445B - 用于电容性填充水平测量设备的耦合元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于容器(3)中的介质(4)的至少一个过程变量的电容性确定和/或监测的装置(1)，该装置(1)包括：具有至少一个传感器电极(5)的至少一个传感器单元(2)、壳体(8)和电子单元(7)，其中，所述电子单元(7)被设计成：将高频激励器信号应用于所述传感器单元(2)，从所述传感器单元(2)接收响应信号，以及至少从所述响应信号宣告关于所述容器(3)中的介质(4)的填充水平。所述装置(1)包括耦合元件(11)，所述耦合元件(11)被布置和设计以便至少有时建立所述壳体(8a)的至少一部分区域与所述电子单元(7)的至少一个部件(7b)之间的导电连接，并且至少有时实现所述两个部件之间的电容性耦合。

Description

用于电容性填充水平测量设备的耦合元件
技术领域
本发明涉及一种用于容器中的介质的至少一个过程变量的电容性确定和/或监测的装置。过程变量是例如容器中的介质的填充水平、介质的电导率或者介质的电容率。在填充水平测量的情况下，这可以是连续的填充水平确定或者可预定的限位水平的检测。
背景技术
使用电容性测量原理的现场设备本身从现有技术已知并且在许多不同的实施例中由申请人制造并且例如在商标Liquicap、Solicap和Liquipoint下销售。
电容性填充水平测量设备通常具有带有至少一个传感器电极的基本上圆柱形的传感器单元，其至少部分地可引入到容器中。另一方面，特别地对于连续的填充水平测量而言，垂直地延伸到容器中的杆状传感器单元被广泛地使用。为了检测限位水平，然而，可引入到容器的侧壁中的传感器单元也是已知的。
为了防止独立于传感器电极的实施例的传感器电极上的沉积物形成，常常使用补充电极(特别地所谓的保护电极)，诸如例如在DE 32 12 434 C2中所描述的。保护电极被同轴地布置在传感器电极周围并且通过绝缘与传感器电极电隔离。而且，其位于与传感器电极相同的电势处。
在测量操作期间，传感器单元通常被供应有交流信号的形式的激励器信号。根据从传感器单元接收到的响应信号，然后填充水平能够被确定。这取决于由传感器电极和容器壁或者由传感器电极和第二电极形成的电容器的电容。取决于介质的导电性，介质或者传感器电极的绝缘形成电容器的电介质。
对于从传感器单元接收到的响应信号相对于填充水平的评价，所谓的视在电流测量或者导纳测量能够被执行。在视在电流测量的情况下，流过传感器单元的视在电流的幅度被测量。然而，由于视在电流具有活动部分和反应部分，因而在导纳测量的情况下，除视在电流之外，视在电流与传感器单元上的电压之间的相位角被测量。而且，相位角的附加确定允许收集关于可能的沉积物形成的信息，诸如例如从DE102004008125A1中已知的。
各种因素被考虑用于选择激励信号的频率。一方面，由于共振效应，施加的交流电压的频率应当选择得越低，传感器单元的长度越大。然而，另一方面，基本上对于所有传感器单元而言，沉积物形成的影响随着增加的频率而减少。进入此也是介质的电导率的影响。
从现有技术已知，现场设备仅适合于在一个或几个所选择的恒定频率处操作，该恒定频率通过争取相对于以上相反移动趋势的最好折中来选择。而且，从DE102011003158A1已知，给传感器单元供应频率扫描形式的可变频率的激励器信号，并且从属于不同的频率的响应信号选择对于特定应用(介质、传感器单元的实施例等)最佳的频率。
除选择用于激励器信号的适合的频率之外，电容性工作现场设备要求关于通常同样交流信号形式的从传感器单元接收到的响应信号的各种考虑。测量原理要求交流电流从现场设备的电子单元流动到传感器单元并且经由特定介质从传感器单元流动回到电子单元。取决于实施例，这样发生的电流回路可能对干扰信号的输入耦合敏感，其在给定情况下可能负面地影响测量结果的准确度。此外，由于电流回路，因而由现场设备造成的电磁波的发射也可能发生，其进而不利地影响设备的电磁兼容性。
在许多情况下，电流经由壳体的过程连接以及经由壳体返回到电子单元。而且，分别的接触是可用的，其与第一种情况相比较缩短了电流信号的路径，并且因此，减少了干扰信号的输入耦合的可能性，并且而且，增加了现场设备的电磁兼容性。电子单元与壳体之间的常规接触例如使用插头接触、焊接连接或者甚至滑动接触实现。然而，经常地特别地在对于接触的稳定性和耐用性的高要求的情况下，这样的接触仅在相对大的努力的情况下是可实现的。在焊接连接的情况下，例如，努力随着部件的日益约束条件中的增加的小型化而增长。相对于连接的耐用性和稳定性的另一问题产生，而且，在该情况下，其中被定位在现场设备的壳体内的单独部件是灌封的。例如，在滑动接触的情况下，磨损可能随着时间推移而发生。在插头接触的情况下，进而，特别地由于逐点接触，浇注和后续工作以及灌封化合物的流动能够导致接触位置上的力，其降低接触，或者在给定情况下，甚至使其中断。
发明内容
本发明的目标是提供一种壳体与电容性现场设备的电子单元之间的简单、可靠并且持久的接触。
本发明的目标通过用于容器中的介质的至少一个过程变量的电容性确定和/或监测的装置实现，该装置包括具有至少一个传感器电极的至少一个传感器单元、壳体和电子单元，
其中，电子单元被实现
-以给传感器单元供应高频激励器信号，
-以从传感器单元接收响应信号，以及
-以至少从响应信号提供关于容器中的介质的填充水平的信息。
而且，为装置提供耦合元件，其以这样的方式被布置和实现：至少有时建立壳体的至少一个部分与电子单元的至少一个部件之间的导电连接，并且至少有时实现两个部件之间的电容性耦合。
耦合元件优选地关心两个部件(壳体和电子单元)之间的电接触。否则，仍然至少存在电容性耦合。在这种情况下，耦合元件的至少一个部分和两个部件中的至少一个的至少一个部分因此形成电容器元件。因此，经由耦合元件始终能够保证沿着预定电流回路的电流信号的适当的流动。因此，电接触的降低的各种以上概述的可能原因通过使用本发明的耦合元件来消除。
本发明的目标基本上是提供一种鲁棒、稳定并且同时简单地构造的接触。特别地，而且能够保证由适当的电流信号经过的电流回路尽可能短。当借助于接触单元的电接触被降低或者中断时，总是仍然存在电容性耦合。而且，由于电容性耦合基本上随着电流信号的频率增长，因而在本发明中所提供的高频激励信号确保用于维持短电流回路的耦合总是足够的。
本发明的耦合元件优选地可释放地固定到壳体或者在壳体中固定。其特别地通过形状拟合固定到壳体或者在壳体中固定。
在附加的实施例中，在每种情况下，至少耦合元件和壳体至少在耦合区域中被实现使得其至少在这些耦合区域中的几何形状彼此匹配，特别地彼此互补。
在附加的优选的实施例中，耦合元件和壳体至少在两个耦合区域中至少有时形成导电接触并且至少有时形成电容器元件。在这样的情况下，电接触可以是点接触、线接触或者甚至面接触。
在其中壳体例如在至少部分中具有平面的情况下，耦合元件例如同样地具有平面并且然后被实现使得当耦合元件被固定到壳体或者在壳体中固定时两个平面彼此相对并且至少有时且至少部分地彼此接触。在耦合元件与壳体之间，因此有时存在导电连接并且有时存在电容性耦合。如果由两个耦合区域的接触实现的电接触不再存在，那么两个耦合区域仍然以平板电容器的形式形成电容器元件并且实现电容性耦合。电容性耦合的大小因此还取决于两个耦合区域的面积。
一般而言，一方面，耦合元件的几何形状和标示尺寸基本上与至少在其中应当进行接触的那个子段/那些子段中的壳体和/或电子单元的几何形状匹配。然而，而且，电容性耦合取决于特别地其在耦合中彼此分离的两个耦合区域和两个相互面对的表面的表面积，因为电容器元件特别地由两个耦合区域定义。
对于耦合元件与电子单元之间的接触和耦合(视情况而定)，各种各样的实施例是可能的，其全部落在本发明的范围之内。基本上，相同的想法适用于耦合元件与壳体之间的接触或者耦合。然而，当耦合元件与壳体或者与电子单元具有电连接和电容性耦合时，在许多情况中是足够的。在每种情况下，第二连接也可以是纯导电的。
本发明的装置的实施例提供两个耦合区域被标示尺寸使得在电容性耦合的情况下，与介质的阻抗和/或传感器单元的绝缘的阻抗相比较，耦合元件的电抗是小的。耦合元件的电抗与介质的阻抗串联连接。尽可能小的电抗使得相应地能够进行尽可能高效的信号传输。
在本发明的附加的实施例中，壳体的耦合区域和耦合元件的耦合区域基本上圆柱地实现，其中，至少耦合元件的耦合区域以这样的方式可释放地引入到壳体中：壳体的耦合区域的面对壳体内部的表面至少部分地且至少有时接触耦合元件的耦合区域的面对壳体内部的表面。因此，壳体包括至少一个圆柱形子段，在其内同样地圆柱地实现的耦合元件能够被定位。在这样的情况下，壳体的圆柱形子段和耦合元件的子段的半径彼此匹配使得耦合元件能够以这样的方式被固定在壳体内：壳体和耦合元件在两个耦合区域中至少部分地并且至少有时彼此接触，在每种情况下耦合区域包括圆柱形子段的至少一个剖面。
在本发明的装置的附加的实施例中，耦合元件包括接触单元，借助于接触单元能够在耦合元件与电子单元的部件之间建立电连接(特别地可释放的电连接)。在这种情况下，因此，在耦合元件与电子单元(特别地，电子单元的电路板)之间存在导电连接。
在这样的情况下，接触单元借助于插头、焊接或者压接连接与电子单元的部件电接触是有利的。例如，接触单元能够具有至少一个接触条、接触片、接触柱、接触针或者甚至接触弹簧。
在附加的实施例中，耦合元件由导电材料(特别地铜、锡、银、金或者这些元素中的至少两个的合金(诸如例如黄铜))制造。
有利地，电子单元的至少一个部件是电路板。耦合元件的耦合区域能够例如至少部分地被布置在壳体内的电路板周围。
在优选的实施例中，壳体包括过程适配器，借助于过程适配器装置可固定在容器处或容器上，并且当装置被固定在容器处或容器上时，过程适配器至少部分地与介质和/或容器电接触。在这样的情况下，在其中介质被定位的容器能够由或者导电材料或者电绝缘材料制造。然而，至少过程适配器应当通常由导电材料制造。
在附加的实施例中，传感器单元包括至少两个电极。例如，两个电极是传感器电极和保护电极。
过程变量有利地是容器中的介质的填充水平，特别地，可预定的填充水平、介质的电导率或者介质的电容率。
附图说明
现在将基于附图更确切地描述本发明，附图示出如下：
图1是现有技术的电容性填充水平测量设备的图示，
图2是(a)不具有耦合元件的情况下和(b)具有本发明的耦合元件的情况下具有针对激励器信号和响应信号所示的电流回路的两个电容性填充水平测量设备的示意图，以及
图3(a)是具有耦合元件的电容性填充水平测量设备的剖视图并且(b)是透视图中的耦合元件的可能的实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术的基于典型的电容性测量原理的现场设备1的示意图。该示例包括具有两个圆柱地实现的电极5、6的传感器单元2，其经由过程连接3a从顶部向内地突出到部分地充满介质4的容器3中。而且，基本上以容器3的壁终止的齐平传感器单元或者经由容器3的侧壁被引入到容器3中的传感器单元能够被使用。
本示例中的传感器单元2由同轴地围绕传感器电极5并且与其隔离的传感器电极5和保护电极6组成。这两个电极5、6与电子单元7电连接，其负责信号配准(--评价和/或--馈送)。特别地，电子单元7基于从传感器单元2接收到的响应信号，确定和/或监测容器3中的介质4的填充水平。
图2a同样地示出了具有传感器单元2的电容性填充水平测量设备，其包括传感器电极5和保护电极6。保护电极6与传感器电极5完全地电绝缘并且用于补偿沉积物形成。在这样的情况下，保护电极6优选地在与传感器电极5相同的电势处操作，诸如例如在DE 3212 434C2中所描述的。
壳体8包括用于将设备1连接到容器3的过程连接的过程适配器9，所述容器3至少部分地填充介质4。测量设备1经由电源线12被供应有电能。在给定情况下，而且，借助于电源线12与上级单元(诸如例如过程控制系统或者计算机[未示出])的通信能够被执行，诸如例如，测量信号、参数信号等的传输。
交流信号的形式的激励器信号在图2a的实施例的情况下通过壳体8的大部分并且经由电子单元7流动(此处，例如，存在于两个电路板7a和7b上)。一方面，这样的布置或者电流回路(诸如电流回路10a)对于现场设备1的电磁兼容性可能是不利的。在高频激励信号的情况下，图2a的现场设备表示由于电磁波的发射而产生的干扰源。
与图2a相比，图2b中所示的现场设备包括本发明的耦合元件11，但是除此之外仍具有相同的构造。因此，在此不重新解释相同的附图标记。耦合元件11实现激励器信号或者响应信号通过基本上更短的电流回路10b传递，而不是通过电流回路10a。一方面，耦合元件11的使用有利地增加现场设备的电磁兼容性，尤其是对于电磁波的发射。由耦合元件11实现的另一显著优点涉及现场设备1内的不同的信号路径。当响应信号(因此实际的测量信号)经由耦合元件11馈送回到电子单元7时，将电力供应到现场设备经由电源线12发生。如果电子单元7包括至少一个输入滤波器[未示出]，则能够经由电源线12耦合到现场设备1中的干扰信号部分能够减少或者甚至消除。在这种情况下，信号路径能够有利地沿着电流回路10b被隔离到测量电路中并且沿着电源线12隔离到供电/通信电路中。至少一个输入滤波器的应用不降低实际的测量信号。
在图3中示出了本发明的耦合元件11的优选的实施例。当图3a示出剖视图中的具有耦合元件11的电容性现场设备1时，耦合元件11的更详细视图由图3b中的透视图提供。现场设备1的壳体8至少在至少部分地定义壳体的耦合区域8a的子段中圆柱地实现。耦合元件11同样地在子段中圆柱地实现，其至少部分地定义其耦合区域11a，并且具有适合壳体8的尺寸。耦合元件11基本上准确地适配到现场设备1的壳体8中，使得两个耦合区域8a和11a至少有时并且部分地接触并且形成电连接。在另一情况中，两个耦合区域8a和11a以圆柱形电容器的形式形成电容器元件，经由其实现壳体8与耦合元件11之间的电容性耦合。电容性耦合一方面随着激励信号的频率并且另一方面随着两个耦合区域8a和11a的表面积增长。由此，导致耦合元件11的尺寸能够被选择得越小，激励信号的频率越大。
而且，耦合元件11包括用于与电子单元7的电路板9b电连接的接触单元13。对于该实施例而言，总是存在耦合元件11与电路板9b之间的导电连接。相比之下，有时(特别地当两个耦合区域11a和8a接触时)在耦合元件11与壳体之间存在经由区域的电连接。然而，各种影响能够导致两个耦合区域11a和8a的接触不再存在。这能够例如起因于耦合元件11或者壳体8的制造公差。然而，接触的缺乏还能够起因于壳体8内的单独部件的灌封。而且，在发生较大的温度梯度时，单独部件的不同的膨胀系数可能导致耦合元件11和壳体8不再接触或者不再完全接触的事实。在这种情况下，至少在耦合区域11a和8a中的由导电材料制造的两个部件之间仍然存在电容性耦合，这保证交流信号仍然通过短电流回路10b。
附图标记
1 电容性填充水平测量设备
2 传感器单元
3 容器
3a 容器的过程连接
4 介质
5 传感器电极
6 保护电极
7 电极单元7a、7b电路板
8 现场设备的壳体
8a 壳体的耦合区域
9 过程适配器
10a、10b 电流回路
11 耦合元件
11a 耦合元件的耦合区域
12 电源线
13 接触单元

Claims (13)

1.一种用于容器(3)中的介质(4)的填充水平、电导率或者电容率的电容性确定和/或监测的装置，所述装置包括具有至少一个传感器电极(5)的至少一个传感器单元(2)、壳体(8)和电子单元(7)，
其中，所述电子单元(7)被实现
-以给所述传感器单元(2)供应高频激励器信号，
-以从所述传感器单元(2)接收响应信号，以及
-以至少从所述响应信号提供关于所述容器(3)中的介质(4)的填充水平的信息，
其中，耦合元件(11)被提供，所述耦合元件(11)被布置和实现为以电接触的形式建立所述壳体的至少一个部分与所述电子单元(7)的至少一个部件(7b)之间的导电连接，或者如果所述电接触被降低或中断则实现所述壳体的至少一个部分与所述电子单元(7)的至少一个部件(7b)之间的电容性耦合，使得所述两个部件形成电容器元件，
其中，所述耦合元件(11)可释放地在所述壳体(8)中固定，
其中，在每种情况下，所述耦合元件(11)和所述壳体(8)至少在耦合区域(8a、11a)中被实现使得至少在这些耦合区域(8a、11a)中的几何形状彼此匹配，特别地彼此互补，并且
其中，所述耦合元件(11)准确地适配到所述装置的所述壳体(8)中，使得所述两个耦合区域(8a)和(11a)至少有时并且部分地接触并且形成电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述耦合元件(11)和所述壳体(8)至少在所述两个耦合区域(8a、11a)中至少有时形成导电接触，并且至少有时形成电容器元件。
3.根据权利要求2所述的装置，
其中，所述两个耦合区域(8a、11a)被标示尺寸使得在所述电容性耦合的情况下，与所述介质(4)的阻抗和/或所述传感器单元(2)的绝缘的阻抗相比较，所述耦合元件(11)的电抗是小的。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述壳体(8)的所述耦合区域(8a)和所述耦合元件(11)的所述耦合区域(11a)圆柱地实现，并且
其中，至少所述耦合元件(11)的所述耦合区域(11a)以这样的方式可释放地引入到所述壳体(8)中：所述壳体(8)的所述耦合区域(8a)的面对壳体内部的表面至少部分地并且至少有时接触所述耦合元件(11)的所述耦合区域(11a)的面对所述壳体内部的表面。
5.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述耦合元件(11)包括接触单元(13)，借助于所述接触单元(13)，能够在所述耦合元件(11)与所述电子单元(7)的所述部件(7b)之间建立电连接。
6.根据权利要求5所述的装置，
其中，借助于所述接触单元(13)，能够在所述耦合元件(11)与所述电子单元(7)的所述部件(7b)之间建立可释放的电连接。
7.根据权利要求5所述的装置，
其中，所述接触单元(13)借助于插头、焊接或者压接连接与所述电子单元(7)的所述部件(7b)电接触。
8.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述耦合元件(11)由导电材料制造。
9.根据权利要求8所述的装置，
其中，所述耦合元件(11)由铜、锡、银、金或者这些元素中的至少两个的合金制造。
10.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述电子单元(7)的所述至少一个部件(7b)是电路板。
11.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述壳体(8)包括过程适配器(9)，借助于所述过程适配器(9)，所述装置能够固定在所述容器(8)处或所述容器(8)上，并且当所述装置被固定在所述容器(3)处或所述容器(3)上时，所述过程适配器(9)至少部分地与所述介质(4)和/或所述容器(3)电接触。
12.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述传感器单元(2)包括至少两个电极(5、6)。
13.根据权利要求1至3中的一项所述的装置，
其中，所述填充水平是所述容器中的介质的可预定的填充水平。
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