CN111566459B

CN111566459B - 探针单元

Info

Publication number: CN111566459B
Application number: CN201880085665.3A
Authority: CN
Inventors: 珍妮特·利尼格尔; 罗伯特·施密特; 佛朗哥·费拉多; 戈尔德·贝希特; 维利·胡维勒
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: US11326925B2; EP3740741A1; DE102018101206A1; EP3740741B1; US20210123785A1; CN111566459A; WO2019141464A1

Abstract

本发明涉及一种针对用于确定和/或监测贮藏器(3)中的介质(4)的至少一个过程变量的电容性和/或传导性设备(1)的探针单元(2)，包括：杆状探针主体(8)，以中空主体的形式配置，特别是具有圆柱形壁，并且具有内部容积(V)；至少一个环状电极(5a、5b)，其能够围绕所述探针主体的壁来安装，特别是可释放地安装；以及至少一个固定单元(9、10)，被配置为将所述至少一个电极(5a、5b)固定，特别是可释放地固定，在所述探针主体(8)上的可预先确定的位置处。本发明还涉及一种具有本发明的探针单元(2)的用于电容性和/或传导性确定和/或监测贮藏器(3)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)。

Description

探针单元

技术领域

本发明涉及一种针对用于确定和/或监测贮藏器中的介质的至少一个过程变量的电容性和/或传导性设备的探针单元。过程变量例如是贮藏器中的介质的料位、介质的电导率或介质的介电常数。在料位测量的情况下，这可涉及连续料位确定以及可预先确定的极限水平的检测两者。例如，贮藏器转而是容器或管道。

背景技术

基于电容性和/或传导性测量原理的现场装置本身从现有技术是已知的，并且由本申请人在许多不同实施例中制造，并且例如以商标Liquicap、Solicap和Liquipoint销售。电容性和传导性测量装置通常具有基本上圆柱形的传感器单元，该传感器单元具有至少一个传感器电极，该传感器单元可被至少部分引入到容器中。一方面，垂直延伸到容器中的杆状传感器单元被广泛使用，特别是用于连续料位测量。然而，为了检测极限水平，可引入到容器的侧壁中的传感器单元也是已知的。

在测量操作期间，传感器单元通常被供应有呈交流电流信号的形式的激励信号。根据由传感器单元接收的响应信号，接着可确定特定过程变量。在电容性测量原理中，利用了对由传感器电极和容器的壁或传感器电极和第二电极形成的电容器的电容的响应信号的依赖性。取决于介质的传导率，介质或传感器电极的绝缘形成电容器的电介质。

为了评估相对于料位从传感器单元接收的响应信号，接着，例如，可执行视在(总)电流测量或导纳测量。在视在电流测量的情况下，测量流经传感器单元的视在电流的大小。然而，因为视在电流具有有功部分和无功部分，所以在导纳测量的情况下，除了视在电流之外，还测量视在电流与施加到传感器单元的电压之间的相位角。此外，如例如从DE102004008125A1所知，相位角的额外确定使得能够收集关于可能的沉积形成的信息。

相比之下，在传导性测量原理的情况下，确定在传导性测量原理的情况下应用的传导性介质是否在探针电极与传导性容器的壁或第二电极之间提供电接触。

例如从文献DE102011004807A1、DE102013102055A1和DE102014107927A1已知呈多传感器形式的现场装置，其中这些现场装置既可以在电容性操作模式下工作，也可以在传导性操作模式下工作。除了过程变量之外，料位、各种介质特性(诸如，介质的电导率)乃至介质的介电特性(诸如，其介电常数)也可通过这些多传感器来确定，这在DE102013104781A1中有所描述。

电容性和/或传导性现场装置的众所周知的问题是在传感器单元的区域中形成沉积，这可能严重破坏测量结果。为了防止沉积问题，一方面，可为激励信号选择尽可能高的频率，这是因为基本上沉积的破坏影响随着激励信号的频率的增大而减小。然而，一方面，设计适用于高频的对应现场装置的电子器件与提高的复杂程度相关联。此外，另一方面，所需部件的额外成本因素不可忽略。

或者，如例如DE3212434C2中所述，已知使用补充电极，特别是所谓的保护电极。在这种情况下，保护电极同轴布置在传感器电极周围，并通过绝缘与传感器电极电隔离。此外，保护电极处于与传感器电极相同的电位下。

已知用于制造传感器单元的许多种方法。在从DE-C2744820已知的方法中，传感器单元包括具有轴向内部空间的基本上杆状的探针壳体，其中布置有面电极(arealelectrode)。首先，将金属管在内部和外部用塑料层进行注射成型。接着，将探针电极与金属线连接并推到绝缘主体上。转而将探针电极拧到金属管的螺纹部分上。最后，将整个布置用塑料涂层重新进行注射成型。

在根据DE-C3328210的探针单元的情况下，探针壳体依次由管状主要零件和锅状帽构成。布置在壳体的内部中的是三个电极，其中第一电极具有紧密靠在帽上的浅锅的形状，并且第二电极和第三电极被管状地实施。第一电极充当测量电极，而另外两个电极提供屏蔽功能。电极被布置在彼此间隔开并彼此电绝缘的壳体中。

最后，从EP0926474T1已知的是一种探针单元，在这种情况下，可径向压缩的夹紧锥体布置在基本上杆状的探针壳体的轴向锥形内部空间中。布置在夹紧锥体上的是至少一个面电极，其中面电极被夹紧锥体面式地且无间隙地压靠在探针壳体的壁上。EP0926474T1中所述的探针单元的优点在于，该探针单元可成本有效地并在不需要使用专用工艺装备的情况下制造。虽然可通过夹紧锥体实现简化，但所描述的探针单元仍然是相对复杂的构造。例如，必须例如由于适当的结构措施而始终以适当方式保证，在多个电极的情况下，电极彼此电绝缘。

发明内容

从上述现有技术开始，本发明的目的是进一步简化针对电容性和/或传导性测量装置的探针单元的构造。

该目的由根据本申请所要求保护的探针单元以及设备实现。

关于探针单元，该目的由一种针对用于确定和/或监测贮藏器中的介质的至少一个过程变量的电容性和/或传导性设备的探针单元实现。该探针单元具有杆状探针主体，该杆状探针主体以中空主体的形式加以实施，特别是具有圆柱形壁，并且具有内部容积。此外，该探针单元包括：至少一个环状电极，其围绕探针主体的壁可放置，特别是可释放地放置；以及至少一个固定单元，其被实施为将至少一个电极固定，特别是可释放地固定，在探针主体上的可预先确定的位置处。

固定单元被实施为将至少一个环状电极固定在探针主体上的可预先确定的位置处，特别是沿着探针主体的纵轴。优选地，固定单元至少部分是探针主体的整体部件。由于固定单元，本发明的探针单元易于生产，并且特别是，在不需要特殊工具的情况下特别容易地可组装。

此外，至少一个电极的环状实施例在计量上特别有利。针对现有技术的探针单元而设计成围绕探针主体的面式实施的电极经常具有中断。相比之下，根据本发明，可使用连续的环状电极，这在应用电容性测量原理时相对于电极之间或电极与壁之间的电场是特别有利的。

本发明的探针单元的实施例包括：提供至少一个开口，该开口布置在探针主体的靠近至少一个电极的区域中，并且通过该开口，可在电极和设备的至少一个额外部件，特别是印刷电路板，之间可产生连接，特别是电连接，该额外部件能够被引入到探针主体的内部容积中。在这种情况下，电极在每种情况下布置在探针主体的外部区域中，并且可经由至少一个开口与位于探针主体内的部件，特别是印刷电路板电连接。

另一实施例包括：电极具有电接触弹簧，其中当电极被固定在探针主体上时，该电接触弹簧从电极通到探针主体的内部容积中。与简单的接触线相比，以这种方式，能够实现相应电极与布置在探针壳体的内部中的部件之间的电接触的提高的稳定性。

关于固定单元，实施例提出固定单元具有至少一个卡扣元件。在这种情况下，固定单元特别是能够占据至少第一位置和第二位置并为了固定电极而从第一位置卡扣到第二位置中的元件。以这种方式，能够实现电极在探针壳体上的可释放固定。

关于卡扣元件，此处有利的是，在卡扣元件的第一位置中，电极围绕探针主体可放置，并且其中在卡扣元件的第二位置中，发生电极在探针主体上的可预先确定的位置处的固定。

关于电极，转而有利的是，至少一个电极是铸造零件、车削零件或环状金属片零件。对应零件特别容易地并且成本有效地可制造。

另一特别优选的实施例包括：探针单元包括至少两个电极，其中第一电极通过第一固定单元可固定在探针主体上的第一可预先确定的位置处，并且其中第二电极通过第二固定单元可固定在探针主体上的第二可预先确定的位置处。此外第一电极优选充当测量电极，并且第二电极例如充当保护电极。

在这方面有利的是，两个固定单元以这样的方式实施和布置，以使得第一电极和第二电极彼此电绝缘，特别是彼此具有可预先确定的间隔。

关于探针主体，最后，实施例包括：探针主体由电绝缘材料制成。

此外，支撑本发明的目的由一种用于电容性和/或传导性确定和/或监测贮藏器中的介质的至少一个过程变量的设备实现，该设备包括本发明的探针单元。

此处应注意的是，针对本发明的探针单元描述的实施例也可经过适当修改而应用到本发明的设备。

附图说明

现将基于附图来更准确地描述本发明，其中附图示出如下：

图1是根据现有技术的电容性料位测量装置的示意图，以及

图2是本发明的探针单元的优选实施例。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的基于典型电容性测量原理的现场装置1的示意图。该示例示出具有两个圆柱形地实施的电极5、6的探针单元2。探针单元2从容器3的顶部的过程连接3a开始向内伸入到部分填充有介质4的容器3中。当然，具有不同数量和实施例的电极5、6的电容性测量装置1的许多其它实施例是已知的，它们都落入本发明的范围内。除了这些测量装置1之外，在探针单元2如图1所示从上方伸入到容器3中的情况下，本发明还涉及探针单元2，其被引入到容器3的侧壁中。

在本示例中，探针单元2包括充当测量电极的探针电极5和同轴地围绕传感器电极5并与之绝缘的保护电极6。两个电极5、6与电子单元7电连接，其中电子单元7尤其负责信号记录、评估和/或馈送。为了确定特定过程变量，至少探针电极5被供应有激励信号E，并且过程变量基于从探针电极5接收的通常呈交流电的形式的接收信号R来确定。

在这种情况下，保护电极6优选如例如DE 32 12 434 C2中所述在与传感器电极5相同的电位下操作。然而，应注意，保护电极6对于电容性和/或传导性测量装置1来说并不是绝对必要的。

在本发明的情况下，为电容性和/或传导性测量装置1提供探针单元2，其中探针单元2具有特别简单的构造。在图2中以举例方式示出本发明的探针单元2的特别优选的实施例。

图2a示出探针单元2的立体图。探针单元2包括杆状探针主体8。在本示例中，探针主体8是圆柱形地实施的，并且优选由电绝缘材料制成。此处，探针主体8是具有内部容积V的中空主体。布置在内部容积V中的是例如设备1的各个部件(未示出)，特别是印刷电路板。布置在探针主体8的侧表面A周围的是两个环状电极5a、5b。这些电极是金属传导性的面元件，以闭合的，即完整的环的形式存在，并且可以是例如铸造零件、车削零件乃至闭合的环状金属片零件。此外，探针单元2包括第三电极6，其中第三电极6是面式地实施的并位于探针主体8的端面上。在其它实施例中，本发明的探针单元2也可以仅具有两个电极，或者三个以上电极。此外，可以选择将所有电极实施为环状，例如在图2a的第一电极5a和第二电极5b的情况下，或者为电极中的至少一个提供替代的例如平面的实施例，例如在图2a的第三电极6的情况下。

在每种情况下，本发明的两个环状电极5a、5b都以这样的方式用固定单元9、10固定在探针主体8上，以使得它们彼此之间自动具有可预先确定的间隔d。有利地，在本发明的情况下，圆形电极5a、5b可在每种情况下以简单方式固定在探针主体8上的可预先确定的位置处。由于在这些可预先确定的位置处的固定，电极5a、5b自动彼此电绝缘。为此，不需要复杂的工作步骤或特殊部件。

此外，探针主体8包括两个开口11、12，每个开口布置在环状电极5a、5b之一的区域中。由于开口11、12，可与位于探针主体8的内部容积V中的设备1的部件进行电极5a、5b的电连接。在这种情况下，尤其涉及设备1的部件，特别是电子单元7的部件，例如，印刷电路板。有利地，为每个电极5a、5b提供固定单元9、10和开口11、12。

图2b示出本发明的环状电极5a、5b的分开的视图。在所图示的实施例中，电极5a、5b中的每一个都设置有电接触弹簧13、14，其中电接触弹簧13、14以这样的方式实施，以使得当电极5a、5b固定在探针主体8上时，电接触弹簧13、14通到探针主体8的内部容积V中。此外，电极5a、5b的直径在每种情况下以这样的方式与探针主体8的直径相匹配，以使得电极5a、5b可基本上精确地适于围绕探针主体8放置。特别是，可避免在电极5a、5b与探针主体8之间出现空气间隙。

在本示例中，两个固定单元9、10集成在探针主体8中，如图2c中最佳地示出。每个固定单元9、10包括多个卡扣元件15、16。在其它实施例中，可实现其它的固定。此外，可以选择每个固定单元9、10仅使用单个卡扣元件15、16。卡扣元件15、16提供以下优点：电极5a、5b可以可释放地安装在探针主体8上。在卡扣元件15、16的第一位置中，电极5a、5b可滑动到探针主体8上。

附图标记列表

1 测量装置

2 探针单元

3 容器

3a 容器中的开口

4 介质

5a、5b 第一和第二环状电极

6 第三平面电极

7 电子单元

8 探针主体

9、10 固定单元

11、12 探针主体中的开口

13、14 电极的接触弹簧

15、16 卡扣元件

E 激励信号

R 接收的信号

V 探针主体的内部容积

Claims

1.一种针对用于确定和/或监测贮藏器(3)中的介质(4)的至少一个过程变量的电容性和/或传导性设备(1)的探针单元(2)，包括：

杆状探针主体(8)，以中空主体的形式加以实施，并且具有内部容积(V)，

至少一个环状电极(5a、5b)，其围绕所述探针主体的壁可放置，以及

至少一个固定单元(9、10)，其被实施为将所述至少一个电极(5a、5b)固定在所述探针主体(8)上的可预先确定的位置处，

其中，在所述探针主体(8)的区域中，提供至少一个开口(11、12)，所述开口布置在所述至少一个电极(5a、5b)的区域中，并且通过所述开口，在所述电极(5a、5b)和所述设备(1)的至少一个额外部件之间可产生连接，所述额外部件能够被引入到所述探针主体(8)的内部容积(V)中，以及

其中，所述电极(5a、5b)具有电接触弹簧(13、14)，当所述电极(5a、5b)被固定在所述探针主体(8)上时，所述电接触弹簧从所述电极(5a、5b)通到所述探针主体(8)的所述内部容积(V)中。

2.根据权利要求1所述的探针单元(2)，

其中，所述杆状探针主体(8)被实施为具有圆柱形壁的中空主体的形式，所述至少一个环状电极(5a、5b)围绕所述探针主体的壁可释放地放置，并且所述至少一个固定单元(9、10)被实施为将所述至少一个电极(5a、5b)可释放地固定在所述探针主体(8)上的可预先确定的位置处。

3.根据权利要求1所述的探针单元(2)，

其中，所述至少一个额外部件是印刷电路板，以及所述连接被实施为电连接的形式。

4.根据权利要求1所述的探针单元(2)，

其中，所述固定单元(9、10)具有至少一个卡扣元件(15、16)。

5.根据权利要求4所述的探针单元(2)，

其中，在所述卡扣元件(15、16)的第一位置中，所述电极(5a、5b)围绕所述探针主体(8)可放置，并且其中在所述卡扣元件(15、16)的第二位置中，发生所述电极(5a、5b)在所述探针主体(8)上的所述可预先确定的位置处的固定。

6.根据权利要求4所述的探针单元(2)，

其中，在所述卡扣元件(15、16)的第一位置中，所述电极(5a、5b)围绕所述探针主体(8)可放置，并且其中在所述卡扣元件(15、16)的第二位置中，发生所述电极(5a、5b)在所述探针主体(8)上的所述可预先确定的位置处的粘附。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的探针单元(2)，

其中，所述至少一个电极(5a、5b)是铸造零件、车削零件或环状金属片零件。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的探针单元(2)，

包括至少两个电极(5a、5b)，其中第一电极(5a)通过第一固定单元(9)可固定在所述探针主体(8)上的第一可预先确定的位置处，并且其中第二电极(5b)通过第二固定单元(10)可固定在所述探针主体(8)上的第二可预先确定的位置处。

9.根据权利要求8所述的探针单元(2)，

其中，所述两个固定单元(9、10)以这样的方式布置和实施，以使得所述第一电极(5a)和所述第二电极(5b)彼此电绝缘。

10.根据权利要求8所述的探针单元(2)，

其中，所述两个固定单元(9、10)以这样的方式布置和实施，以使得所述第一电极(5a)和所述第二电极(5b)彼此具有可预先确定的间隔(d)。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的探针单元(2)，

其中，所述探针主体(8)由电绝缘材料制成。

12.一种用于电容性和/或传导性确定和/或监测贮藏器(3)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)，包括根据权利要求1-11中任一项所述的探针单元(2)。