CN109425408A - Tdr填充水平测量仪器和用于运行其的方法 - Google Patents

Tdr填充水平测量仪器和用于运行其的方法 Download PDF

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Abstract

描述和示出了一种用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器，其包括至少一个发送单元、至少一个接收单元、至少一个评价单元和至少一个波导体，其中，波导体具有用于引导测量信号和反射信号的至少一个导体，其中，波导体具有至少两个波导体区段，其中，每个波导体区段具有至少一个功能性的波导体横截面，其中，功能性的波导体横截面相应于至少一个导体的横截面，其中，存在有至少一个参考反射器，其中，参考反射器如此设计及布置，使得在运行中测量信号的至少一部分在至少一个参考反射器处至少一次反射。说明一种TDR填充水平测量仪器这一任务通过如下方式来解决，即至少一个参考反射器通过在两个波导体区段之间的过渡形成。

Description

TDR填充水平测量仪器和用于运行其的方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量在容器中的介质的填充水平(Füllstand，有时也称为液位或料位)的TDR(时域反射，Time Domain Reflectometry)填充水平测量仪器，其包括用于发出脉冲形的电磁测量信号的至少一个发送单元、用于接收至少一个反射信号的至少一个接收单元、用于评价至少一个反射信号的至少一个评价单元和至少一个波导体(Wellenleiter)，其中，波导体具有用于引导测量信号和反射信号的至少一个导体，其中，波导体具有至少两个波导体区段，其中，每个波导体区段具有至少一个功能性的波导体横截面，其中，功能性的波导体横截面相应于至少一个导体的横截面，其中，存在有至少一个参考反射器(Referenzreflektor，有时也称为基准反射器)，并且其中，参考反射器如此设计及布置，使得在运行中测量信号的至少一部分在至少一个参考反射器处至少一次反射。
此外，本发明涉及一种用于运行用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器的方法，其中，TDR填充水平测量仪器具有用于发出电磁测量信号的至少一个发送单元、用于接收至少一个反射的反射信号的至少一个接收单元、用于评价至少一个反射信号的至少一个评价单元和至少一个波导体，其中，波导体具有用于引导测量信号和反射信号的至少一个导体，其中，波导体具有至少两个波导体区段，其中，每个波导体区段具有至少一个功能性的波导体横截面，其中，功能性的波导体横截面相应于至少一个导体的横截面，其中，存在有至少一个参考反射器，并且其中，参考反射器如此设计及布置，使得在运行中测量信号的至少一部分在至少一个参考反射器处至少一次反射。
背景技术
由现有技术已知的TDR填充水平测量仪器为了测量在容器中的介质、优选地液体的填充水平而使用时域反射(Zeitbereichsreflektometrie)的原理，其中，发送单元与待测量的介质的表面的间距基于由发送单元发出的且由表面反射的测量信号的行进时间(Laufzeit，有时也称为运转时间)来确定。然后，由所测量的间距在了解容器的深度的情况下确定在容器中的介质的填充水平。对于填充水平的正确的确定而言重要的是了解沿介质的方向发送的测量信号的传播速度。
测量信号的传播速度尤其取决于测量信号所运动通过的介质的电容率ε。
在一类TDR填充水平测量中存在有波导体，所述波导体从发送单元处沿介质的方向引导测量信号，并且所述波导体此外将在介质的表面处反射的反射信号引导至接收单元。取决于应用、尤其取决于测量周围环境的参数、以及取决于待测量的介质可以进行的是，在介质上方的测量信号通过带有不同电容率的区域。当在容器中的介质上方存在有温度梯度时，那么这例如是这种情况。
为了确定在介质上方的电容率分布，由印刷文献US 7,525,476 B1的现有技术已知，在确定的间距下在波导体处布置呈柱状的或另外设计的主体的形式的参考反射器。由于阻抗的变化，沿着波导体传播的测量信号同样在参考反射器处被反射。基于对在发送单元或接收单元与相应的参考反射器之间所经过的路段以及在参考反射器处反射的测量信号的行进时间的了解，可以确定包围在参考反射器上方的波导体的介质的电容率ε。该信息可被用于修正测量信号沿着波导体的传播速度并由此用于修正介质的填充水平确定。
此外，由印刷文献DE 20 2005 020 158 U1已知，参考反射器构造为呈波导体中的开口、槽口(Einkerbung)、突起部(Erhebung)或遮挡部(Blende)的形式的局部的干扰部位。
此外，印刷文献EP 0 534 654 B1公开了将参考反射器设计成呈例如包围波导体的凸缘(Kragen)的形式的或呈单独地设计的波导体部件的连接的形式的非连续件(Diskontinuität)。
发明内容
从该现有技术出发，本发明基于如下任务，即说明一种TDR填充水平测量仪器，所述TDR填充水平测量仪器一方面具有特别高的可靠性，并且此外设计得特别简单。此外，本发明基于如下任务，即说明一种用于运行这样的TDR填充水平测量仪器的相应的方法。
根据本发明的第一教导，前面提及的任务通过开头描述的TDR填充水平测量仪器通过如下方式来解决，即至少一个参考反射器通过在带有不同形状和/或不同大小的功能性的波导体横截面的两个波导体区段之间的过渡来形成。根据本发明将看出的是，参考反射器可以特别简单地通过如下方式来设计，即波导体本身在至少一个区段中构造为参考反射器。因此可以以有利的方式放弃使用附加的安置在波导体处的用于生成参考反射的主体。
在此，至少两个波导体区段(参考反射器布置在所述波导体区段之间)沿测量信号的传播方向直接地依次地布置。
此外，波导体横截面(参考反射器布置在所述波导体横截面之间)在运行中参与测量信号的引导。
根据另一设计方案，发送单元和接收单元设计为单元、即设计为发送/接收单元。
根据一特别优选的设计方案，存在有至少两个参考反射器，其中，至少两个参考反射器构造为在带有不同形状和/或不同大小的功能性的波导体横截面的分别两个波导体区段之间的过渡。根据该设计方案，在至少两个区域中可以确定包围波导体的介质的电容率，从而在容器内的电容率分布可以被特别准确地探测。
功能性的波导体横截面可以例如旋转对称地尤其圆形地设计或椭圆形地或四边形地、尤其正方形地设计。
根据一设计方案，波导体具有刚好一个引导测量信号的导体。
根据下一个设计方案，波导体具有至少两个引导测量信号的导体。
根据一特别优选的设计方案，至少一个参考反射器设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变细部，即，在测量信号的传播方向上观察，在维持功能性的波导体横截面的形状的情况下设计为功能性的波导体横截面的大小的变小部(Verkleinerung)。备选地，参考反射器同样可以设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变厚部(Verdickung)，即，沿测量信号的传播方向观察，在维持功能性的波导体横截面的形状的情况下设计为功能性的波导体横截面的大小的变大部(Vergrößerung)。
同样可设想的是，在运行中至少一个参考反射器布置在介质内，从而也可以探测在介质、例如多相介质内的电容率分布。
此外，特别有利的是，在功能性的波导体横截面之间的形状和/或大小的过渡至少部分地跳跃式地设计。在这种设计方案的情况下，在过渡处反射的参考反射信号特别窄地设计，由此，行进时间的确定及由此包围波导体区段的介质的电容率的确定是特别准确的。同样可设想的是，在功能性的波导体横截面之间的形状和/或大小的过渡至少部分地阶梯状地设计。根据该设计方案，参考反射器取决于阶梯的数量和大小生成至少两个直接地依次的参考反射信号或在空间上或在时间上扩展的参考反射信号。该设计方案具有如下优点，即参考反射信号在评价时可特别良好地与在介质的表面处反射的反射信号区别开。
根据另一设计方案，在功能性的波导体横截面之间的形状和/或大小的过渡至少部分地以过渡区域的形式、即连续地设计。这种设计方案具有如下优点，即参考反射信号在时间上或在空间上扩展并由此可以与在介质的表面处反射的反射信号隔开。
特别有利地，在功能性的波导体横截面之间的形状和/或大小的过渡至少部分地沿测量信号的传播方向在空间上扩展。例如，过渡可以错开地阶梯状地或错开地跳跃式地设计。
根据另一有利的设计方案，存在有至少两个参考反射器，其中，至少两个参考反射器设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变细部。同样有利的是，存在有至少三个或多个参考反射器，所述参考反射器分别设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的优选地带有跳跃式的过渡的变细部。
根据另一设计方案，存在有至少两个参考反射器，其中，至少两个参考反射器设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变厚部。同样有利的是，至少一个参考反射器设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变细部和至少一个参考反射器设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的变厚部。同样有利的是，存在有至少三个或多个参考反射器，所述参考反射器分别设计为波导体的至少一个参与测量信号的引导的导体的优选地带有跳跃式的过渡的变厚部。
根据另一设计方案，至少一个参考反射器在波导体处的位置取决于波导体的尺寸和测量周围环境和/或在运行中可期待的、在容器中的温度分布来确定。例如有利的是，存在有至少两个参考反射器，其中，至少两个参考反射器以有规律的间距沿着波导体布置。例如，测量信号到容器中的耦入与第一参考反射器的间距或在参考反射器之间的间距分别为1m。
根据一特别优选的设计方案，在测量信号到容器中的耦入(Einkopplung)之间的间距或在各个参考反射器之间的间距设计为测量信号的波长的数倍。优选地，过去的测量信号和返回的反射信号在结构上叠加。
根据另一设计方案，在测量信号到容器中的耦入之间的间距或在各个参考反射器之间的间距不相应于波长的数倍。该设计方案具有如下优点，即在介质的表面处反射的反射信号可以特别简单地与参考反射信号区别开。
根据填充水平测量仪器的另一设计方案，存在有至少两个参考反射器，所述参考反射器以不规律的间距沿着波导体布置。
此外，有利的是，至少在功能性的波导体横截面之间的、形成参考反射器的过渡单件式地设计。特别优选地，至少一个导体沿测量信号的传播方向不具有材料过渡或接合部位。波导体的至少一个导体优选地由一工件制造。
特别优选地，波导体由一工件制造。
根据另一设计方案，波导体构造为包括至少一个内部导体和至少一个外部导体的同轴导体，其中，至少一个参考反射器通过至少一个内部导体构造。
此外，有利的是，波导体设计为包括至少一个内部导体和至少一个外部导体的同轴导体，其中，至少一个参考反射器通过至少一个外部导体构造。
同样可设想的是，波导体设计为包括至少一个内部导体和至少一个外部导体的同轴导体，其中，至少一个参考反射器通过至少一个外部导体构造，并且其中，至少一个参考反射器通过至少一个内部导体构造。
特别优选地，通过内部导体形成的参考反射器和通过外部导体形成的参考反射器布置在一高度上。
同样有利地，通过内部导体形成的参考反射器和通过外部导体形成的参考反射器布置在不同高度上。
备选地，波导体可以设计为简单的单探子(Monosonde)或设计为双探子(Doppelsonde)。
如果波导体设计为包括第一导体和第二导体的双探子，至少一个参考反射器优选地通过导体构造。
备选的是，波导体设计为包括第一导体和第二导体的双探子，至少一个参考反射器通过第一导体构造，并且至少一个参考反射器通过第二导体构造。
特别优选地，通过第一导体形成的参考反射器和通过第二导体形成的参考反射器布置在一高度上。
同样有利的是，通过第一导体形成的参考反射器和通过第二导体形成的参考反射器布置在不同高度上。
根据本发明的第二教导，开头引出的任务通过开头描述的用于运行用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器的方法通过如下方式来解决，即至少一个参考反射器通过在带有不同形状和/或不同大小的功能性的波导体横截面的两个波导体区段之间的过渡形成，并且方法包括如下步骤：
- 沿着波导体通过发送单元发出测量信号，
- 通过接收单元接收至少一个反射信号，其中，反射信号相应于测量信号在至少一个参考反射器处的至少一个反射，
- 通过接收单元接收至少一个另外的反射信号，其中，另外的反射信号相应于测量信号在待测量的介质的表面处的反射，
- 由至少一个反射信号的行进时间通过评价单元确定包围波导体区段的介质的至少一个电容率ε，其中，反射信号相应于测量信号在至少一个参考反射器处的反射，
- 基于至少一个电容率ε确定测量信号沿着波导体的传播速度的修正因子(Korrekturfaktor)，以及
- 由至少一个另外的反射信号的行进时间和经修正的传播速度确定位于容器中的介质的填充水平，其中，另外的反射信号相应于测量信号在待测量的介质的表面处的反射。
在此，TDR填充水平测量仪器特别优选地根据前面描述的设计方案中的一个构造。
附图说明
详细地，现在存在大量设计和改进根据本发明的填充水平测量仪器和根据本发明的方法的可行方案。对此，不仅参考排在独立专利权利要求后面的专利权利要求，而且参考结合附图接下来对优选的实施例的描述。在附图中：
图1示出填充水平测量仪器的第一实施例，
图2示出波导体的第二实施例，
图3示出波导体的第三实施例，
图4示出波导体的第四实施例，
图5示出波导体的第五实施例，
图6示出波导体的第六实施例，
图7示出波导体的第七实施例，
图8示出波导体的第八实施例，以及
图9示出根据本发明的方法的第一实施例。
附图标记列表
1 TDR填充水平测量仪器
2 用于运行TDR填充水平测量仪器的方法
3 发送单元
4 接收单元
5 评价单元
6 波导体
7 参考反射器
8 功能性的波导体横截面
9 测量信号的发出
10 第一反射信号的接收
11 第二反射信号的接收
12 电容率的确定
13 修正因子的确定
14 填充水平的确定
15 孔
16 内部导体
17 外部导体。
具体实施方式
在图1中示出用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器1的第一实施例，所述TDR填充水平测量仪器包括用于发出脉冲形的电磁测量信号的至少一个发送单元3、用于接收至少一个反射信号的接收单元4、用于评价至少一个反射信号的评价单元5和用于引导测量信号和反射信号的波导体6。
波导体6局部区段地设计为参考反射器7，其中，每个参考反射器7通过在带有不同大小的功能性的波导体横截面8的两个波导体区段之间的跳跃式的过渡来形成。在所示出的实施例中，存在有两个参考反射器7，这两个参考反射器分别构造为波导体6的变细部。在此，各个波导体区段中的功能性的波导体横截面8分别圆形地设计。
基于参考反射器7的已知的位置或各个波导体区段的已知的长度和所测量的在参考反射器7处反射的反射信号的行进时间，可以确定包围相应的波导体区段的介质的电容率εr3或εr2，所述电容率可以被用于修正测量信号的传播速度并由此用于确定在容器中的介质的填充水平。
根据另一实施例，至少一个参考反射器7也布置在介质中，从而同样可以确定介质的电容率εrM。
图2示出带有参考反射器7的波导体6的第二实施例，其中，功能性的波导体横截面8的大小的过渡设计为在空间上扩展的连续的过渡区域。
图3示出带有两个参考反射器7的波导体6的第三实施例，其中，参考反射器7设计为波导体6的在空间上扩展的变细部，并且其中，第二参考反射器7设计为带有在空间上扩展的过渡区域的变厚部。
在图4中示出波导体6的另一实施例，其中，参考反射器7设计为在带有不同形状的功能性的波导体横截面8的两个波导体区段之间的过渡。详细地，在第一波导体区段中，功能性的波导体横截面8圆形地设计，并且在第二波导体区段中，功能性的波导体横截面8椭圆形地构造。
图5示出带有参考反射器7的波导体6的另一实施例，其中，参考反射器7设计为第一波导体区段和第二波导体区段的功能性的波导体横截面8的大小的阶梯形的过渡。
在图6中示出带有参考反射器7的波导体6的另一实施例，其中，设计为在带有不同大小的功能性的波导体横截面8的两个波导体区段之间的过渡的参考反射器7错开地跳跃式地设计并由此总体上设计为在空间上扩展的过渡区域。
在图7中示出的波导体6设计为包括内部导体16和外部导体17的同轴导体。外部导体17具有用于待测量的介质的通过(Durchlass)的孔15。内部导体16局部区段地设计为参考反射器7。
在图8中示出的波导体6同样设计为包括内部导体16和外部导体17的同轴导体。外部导体17具有用于待测量的介质的通过的孔15。此外，外部导体17局部区段地设计为参考反射器7。
在图9中示出用于运行用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器1的根据本发明的方法2的第一实施例。在此，TDR填充水平测量仪器1如在图1中所示出的那样设计。方法2包括如下步骤：
- 沿着波导体6通过发送单元3发出9测量信号，
- 通过接收单元4接收10第一反射信号，其中，反射信号相应于测量信号在第一参考反射器7处的反射，
- 通过接收单元4接收10第二反射信号，其中，所述反射信号相应于测量信号在第二参考反射器7处的反射，
- 通过接收单元4接收11另一反射信号，其中，反射信号相应于测量信号在待测量的介质的表面处的反射，
- 由第一反射信号和第二反射信号的行进时间通过评价单元5确定12包围相应的波导体区段的介质的电容率εr3和εr2，
- 基于所确定的电容率εr3和εr2确定13测量信号沿着波导体6的传播速度的修正因子，以及
- 由至少一个另外的反射信号的行进时间和经修正的传播速度确定14位于容器中的介质的填充水平，其中，所述另外的反射信号相应于测量信号在待测量的介质的表面处的反射。
所示出的方法2具有如下优点，即由于考虑到在介质上方的电容率分布或测量信号或反射信号的传播速度与该电容率分布的匹配，待测量的介质的填充水平的确定是特别可靠的。

Claims (12)

1.一种TDR填充水平测量仪器(1)，用于测量在容器中的介质的填充水平，所述TDR填充水平测量仪器包括用于发出脉冲形的电磁测量信号的至少一个发送单元(3)、用于接收至少一个反射信号的至少一个接收单元(4)、用于评价所述至少一个反射信号的至少一个评价单元(5)和至少一个波导体(6)，其中，所述波导体(6)具有用于引导所述测量信号和所述反射信号的至少一个导体，其中，所述波导体具有至少两个波导体区段，其中，每个波导体区段具有至少一个功能性的波导体横截面(8)，其中，所述功能性的波导体横截面(8)相应于所述至少一个导体的横截面，其中，存在有至少一个参考反射器(7)，并且其中，所述参考反射器(7)如此设计及布置，使得在运行中所述测量信号的至少一部分在所述至少一个参考反射器(7)处至少一次反射，
其特征在于，
所述至少一个参考反射器(7)通过在带有不同形状和/或不同大小的功能性的波导体横截面(8)的两个波导体区段之间的过渡形成。
2.根据权利要求1所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，在所述功能性的波导体横截面(8)之间的形状和/或大小的过渡至少部分地跳跃式地设计。
3.根据权利要求1或2所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，在所述功能性的波导体横截面(8)之间的形状和/或大小的过渡至少部分地以过渡区域的形式连续地设计。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，在所述功能性的波导体横截面(8)之间的形状和/或大小的过渡至少部分地沿所述测量信号的传播方向在空间上扩展。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，存在有至少两个参考反射器(7)，其中，所述至少两个参考反射器(7)设计为波导体(6)的至少一个参与引导所述测量信号的导体的变细部。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，所述至少一个参考反射器(7)在所述波导体(6)处的位置取决于所述波导体(6)的尺寸和测量周围环境和/或取决于在运行中可期待的、在所述容器中的温度分布来确定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，存在有至少两个参考反射器(7)，其中，所述至少两个参考反射器(7)以有规律的间距沿着所述波导体(6)布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，至少在所述功能性的波导体横截面(8)之间的、形成参考反射器(7)的过渡单件式地设计。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，所述波导体(6)设计为包括至少一个内部导体(16)和至少一个外部导体(17)的同轴导体，其中，至少一个参考反射器(7)通过所述至少一个内部导体(16)形成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的TDR填充水平测量仪器(1)，其特征在于，所述波导体(6)设计为包括至少一个内部导体(16)和至少一个外部导体(17)的同轴导体，其中，至少一个参考反射器(7)通过所述至少一个外部导体(17)形成。
11.一种用于运行用于测量在容器中的介质的填充水平的TDR填充水平测量仪器(1)的方法(2)，其中，所述TDR填充水平测量仪器(1)具有用于发出电磁测量信号的至少一个发送单元(3)、用于接收至少一个反射的反射信号的至少一个接收单元(4)、用于评价所述至少一个反射信号的至少一个评价单元(5)和至少一个波导体(6)，其中，所述波导体(6)具有用于引导所述测量信号和所述反射信号的至少一个导体，其中，所述波导体(6)具有至少两个波导体区段，其中，每个波导体区段具有至少一个功能性的波导体横截面(8)，其中，所述功能性的波导体横截面(8)相应于所述至少一个导体的横截面，其中，存在有至少一个参考反射器(7)，并且其中，所述参考反射器(7)如此设计及布置，使得在运行中所述测量信号的至少一部分在所述至少一个参考反射器(7)处至少一次反射，
其特征在于，
所述至少一个参考反射器(7)通过在带有不同形状和/或不同大小的功能性的波导体横截面(8)的两个波导体区段之间的过渡形成，
并且所述方法(2)包括如下步骤：
- 沿着所述波导体(6)通过所述发送单元(3)发出(9)测量信号，
- 通过所述接收单元(4)接收(10)至少一个反射信号，其中，所述反射信号相应于所述测量信号在所述至少一个参考反射器(7)处的至少一个反射，
- 通过所述接收单元(4)接收(11)至少一个另外的反射信号，其中，所述另外的反射信号相应于所述测量信号在待测量的介质的表面处的反射，
- 由所述至少一个反射信号的行进时间通过所述评价单元(5)确定(12)包围波导体区段的介质的至少一个电容率ε，其中，所述反射信号相应于所述测量信号在所述至少一个参考反射器(7)处的反射，
- 基于所述至少一个电容率ε确定(13)所述测量信号沿着所述波导体(6)的传播速度的修正因子，以及
- 由所述至少一个另外的反射信号的行进时间和经修正的传播速度确定(14)位于所述容器中的介质的填充水平，其中，所述另外的反射信号相应于所述测量信号在待测量的介质的表面处的反射。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述TDR填充水平测量仪器根据权利要求1至10中任一项设计。
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