CN112041644A - 阻抗点物位传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻抗阈值物位传感器(100)，包括：测量探头(102)，其能够被测量电容(110)中的所述测量探头(102)周围的介质影响，所述测量探头(102)包括测量电极(106)和与所述测量电极(106)隔离开的参考电极(108)，在所述测量电极和所述参考电极之间形成有测量电容(110)；测量谐振电路，其中布置有作为电容确定元件的所述测量探头(102)；电子单元(101)，其具有用于激励所述测量谐振电路的信号发生器(103)和用于确定所述测量谐振电路的响应信号的信号检测器(104)；以及信号处理单元(105)，其连接到所述电子单元(101)并用于产生测量信号，其中，所述测量电极(106)和所述参考电极(108)被设计或布置成使得介质的增大的填充物位与到达所述测量电极(106)时相比更早或同时到达所述参考电极(108)。

Description

阻抗点物位传感器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的阻抗点物位传感器。
背景技术
例如用于测量点物位或填充物位的阻抗点物位传感器基本上在现有技术中是众所周知的。用于感测预定义的填充物位的典型应用为过程容器，例如，过程工业中的过程罐、存储罐、筒仓或管道等。阻抗点物位传感器通常用作限位开关，即，确定在不同的液体中以及颗粒和粉末状的散装材料中填充介质是高于或是低于某一填充物位(即，点物位)。
还已知其它类型的限位开关和点物位传感器，它们根据使用领域、工艺条件和填充介质的特性进行选择。除了阻抗点物位传感器之外，还使用根据TDR(时域反射法(TimeDomain Reflectometry))原理操作的传感器、振动点物位传感器或电容式操作传感器。例如，限位开关的切换指令可以开启或停止装填设备或排空设备，以防止相应的过程容器溢出或清空。
为了简单起见，在本申请中等效地使用术语阻抗传感器、限位开关和点物位检测器代替术语阻抗点物位传感器。
图1示出了已知的阻抗传感器100。
图1示出了根据现有技术的具有阻抗传感器100的电路区块的简化断面图。根据现有技术的阻抗传感器100基本上由电子单元101和测量探头102组成。在本示例性实施例中，测量探头102为串联谐振电路的形式。在测量电极106和参考电极108之间形成有测量电容110，该测量电容与分立电感器109连接，形成串联谐振电路形式的测量谐振电路。
测量电极106相对于阻抗传感器100的纵向轴线L旋转对称，并且通过绝缘体107与处理室90隔离。参考电极108也相对于该阻抗传感器100中的纵向轴线L旋转对称。在该示例性实施例中，参考电极108为管子的形式，其同时形成传感器壳体的一部分。在从纵向轴线L的方向看时，测量电极106位于管子的前方，并被位于管子上的绝缘体107包围。绝缘体107同时形成壳体的前端。
有利地选择分立电感器109，使得对于各种各样的介质和覆盖状态(空的、满的和脏的)产生在100MHz和200MHz之间的谐振电路的谐振频率fres。
有利地，在100MHz和200MHz之间分析该测量谐振电路的随频率变化的复数值阻抗的绝对值|Z|，即，通过以在100MHz和200MHz之间的频率进行频率扫描的频率发生器103激励测量谐振电路，并且使用频率检测器104来检测测量谐振电路的响应信号(频率响应)。如果在测量探头102的区域中存在介质，则测量谐振电路的阻抗特性改变，即，特别是该测量谐振电路的谐振频率fres发生偏移，在该谐振频率处形成最小的阻抗。
频率扫描指的是在一个频率范围内具有多个连续频率的顺序激励，该频率范围理想地包含测量谐振电路的所有可能的谐振频率。
测量谐振电路的阻抗变化用于评估和控制单元105中的评估。具体地，针对频率变化Δf和阻抗Z的最小值的振幅变化(也称为振幅变化)评估频率响应，并由此产生切换指令。替代地，评估也可以在阻抗Z的最大值处进行。
图2以番茄酱介质为例示出了根据现有技术的阻抗传感器100的频率响应。
第一曲线200示出了干净的测量探头102的谐振特性。阻抗Z的绝对值相对于频率f示出。
第二曲线201示出了粘附有番茄酱的测量探头102的特性，并且曲线202示出了完全被番茄酱覆盖的测量探头102的特性。
通过评估和控制单元105实现切换指令(空的、满的)，并根据现有技术仅将谐振曲线的最小值用于评估。针对频率变化Δf和振幅变化ΔZ进行评估。如果谐振曲线的最小值在第一范围I内，则评估和控制单元105输出切换指令“空”。然而，如果最小值在第二范围II内，则输出切换指令“满”。可以在工厂将两个定义的切换范围I、II永久地编程到阻抗传感器100中，或通过客户校准进行设置和修改。由于通过客户进行的校准非常耗时并因此是不期望的，所以理想地，应将范围定义成使得标准设置足够容纳尽可能多的不同介质。
利用现有技术中已知的阻抗传感器100，观察到图3所示的效果，即，谐振点的位置和数值在很大程度上取决于使用情况。对于非金属测量容器，这种影响特别明显；在这种情况下，在从测量端(与介质首次接触，曲线300)到壳体(介质与参考电极之间的接触，曲线302)的过渡过程中，谐振点不能清晰地形成。在对于测量至关重要的区域中可能观察到可能导致切换错误的多个最小值和最大值(曲线301)。
特别是在非金属测量容器中以及当从上方将阻抗传感器安装在测量容器中时，可以观察到这种特性。
发明内容
本发明要解决的问题是提出一种阻抗点物位传感器，该传感器在所有安装位置和所有测量容器中均能提供可靠的测量值。
该问题通过具有权利要求1的特征的阻抗点物位传感器解决。有利的改进形成从属权利要求的主题。
根据本发明的阻抗点物位传感器，其包括测量探头，该测量探头能够被测量电容中的测量探头周围的介质影响，该测量探头包括测量电极和与测量电极隔离开的参考电极，在测量电极与参考电极之间形成有测量电容，该阻抗点物位传感器具有：测量谐振电路，其中布置有作为电容确定元件的测量探头；电子单元，其具有用于激励测量谐振电路的信号发生器和用于确定测量谐振电路的响应信号的信号检测器；以及信号处理单元，其连接到电子单元并用于生成测量信号；并且其特征在于，测量电极和参考电极被设计和布置成使得介质的增大的填充物位与到达测量电极时相比更早或同时到达参考电极。
测量电极和参考电极的上述设计特别意味着，在任何安装位置，增大的填充物位均比到达测量电极更早地到达参考电极，或者至少与到达测量电极同时到达参考电极。
在这种情况下，到达是指填充物位到达相应电极所处的高度。特别地，这并不意味着相应电极必须与填充介质接触。
由于在填充物位到达测量电极的高度的同时或在此之前填充介质与参考电极接触，因此对测量电容产生了定义的影响，以使得最小值和最大值以定义的方式形成，且与安装位置和周围的测量容器无关。
在一个实施例中，参考电极可以在测量电极的方向上具有延伸部。该延伸部具有的优点在于参考电极和测量电极可以被设计成使得，例如当被从上方安装在测量容器中时，它们位于同一高度，或参考电极甚至比测量电极更进一步突出到容器中，即，增大的填充物位同时到达测量电极和参考电极，或在测量电极之前先到达参考电极。
延伸部可以至少在某些部分中为销钉的形式，在这种情况下，延伸部在轴向方向上从测量电极的前侧突出。销钉状的延伸部具有的优点在于制造简单且不会造成任何凹口或边缘，例如，如果传感器用于食品工业，则该凹口或边缘可能会产生负面影响。
在本申请中，“在轴向方向上”是指阻抗传感器的纵向轴线的方向。特别地，轴向方向与旋转对称的测量电极的对称轴一致。以此方式，例如，测量电极可以为旋转部件的形式，这允许简单且低成本的制造。
例如，销钉状的延伸部可以被旋拧或焊接到参考电极上或与参考电极一体地形成。
在一个变形例中，延伸部成一定角度，在这种情况下，第一部分被布置或固定到参考电极上，且第二部分在轴向方向上延伸。以此方式，延伸部可以在径向方向上附接到参考电极，并因此仅在一点处而不是线性地连接到参考电极。为此，延伸部可以为弯曲丝线部件的形式，例如弯曲成90°的角度。
替代地，延伸部可以为在轴向方向上装配到测量电极上的管子的形式。该管子的优点在于其周向地连接到参考电极，并且同样周向地环绕测量电极，从而保持了旋转对称的结构。
该管子能够以可机械拆卸和导电的方式连接到参考电极，例如通过螺纹连接、插接连接等。因此，只有在安装情况和/或测量容器和/或其它条件需要其以获得可靠的测量结果时，才能够附接该延伸部。
为了确保填充介质良好的流入和流出，管子可以至少在参考电极侧的端部具有多个开口。这防止了在从上方垂直安装的情况下在管中形成气穴并阻止介质从下方进一步流入，或者防止了在从下方垂直安装的情况下介质收集在管子中并不再流出。
在特别不起眼且紧凑的变形例中，延伸部为在轴向方向上延伸的金属化层的形式。通常，测量电极被绝缘体包围，并因此与参考电极和处理室隔离。可以将金属化层施加到该绝缘体，并连接到后侧的参考电极。以此方式，可以在没有任何额外的附接部件的情况下实现参考电极的延伸部。
不能在整个区域上形成金属化层，而应仅覆盖绝缘层的一部分。否则将抑制测量电容的形成。.
例如，金属化层可以为条带形的。以此方式，可以通过附接到参考电极上的一个或两个条带实现金属化层，其延伸超出测量电极的平面并回到参考电极。
可以较薄地施加金属化层或将其布置在凹部中，使得围绕金属化层的材料产生无间断的表面。在这种情况下，无间断的表面是指没有间隙和边缘的表面，因此仍然可以在食品工业中使用。
下面将根据示例性实施例并参考附图详细说明本发明。
附图说明
图1示出了根据现有技术的阻抗传感器的简化断面图(已说明)。
图2示出了根据图1的阻抗传感器的期望的阻抗特性(已说明)。
图3示出了根据图1的阻抗传感器在塑料罐中的阻抗特性(已说明)。
图4示出了根据本申请的阻抗传感器的第一示例性实施例。
图5示出了根据本申请的阻抗传感器的第二示例性实施例。
图6示出了根据本申请的阻抗传感器的第三示例性实施例。
具体实施方式
除非另有说明，否则附图中相同的附图标记指代具有相同功能的相同部件。
为了简化附图，在图4至图6中未示出电子单元101和信号处理单元105。然而，与现有技术一样，它们包含在所有示例性实施例中。
图4示出了根据本申请的阻抗点物位传感器100的第一示例性实施例。在所示的示例性实施例中，如现有技术所使用的，以简化断面图示出了阻抗点物位传感器100。
根据图4的阻抗传感器100具有测量探头102，该测量探头在本示例性实施例中由沿轴向方向A取向并旋转对称的测量电极106和同样沿轴向方向A取向并旋转对称的参考电极108形成，在测量电极和参考电极之间形成有测量电容110和分立电感器109。在本示例性实施例中，参考电极108为阻抗点物位传感器100的管状壳体的形式，该壳体具有管状的延伸部112。在图4的示例性实施例中，延伸部112为管子118的形式，其与参考电极108一体地形成。测量电极106通过绝缘体107与参考电极108和处理室90隔离开并电绝缘。
在延伸部112的面向参考电极108的端部处，管子118具有在径向方向上延伸的至少一个开口120或多个开口120，并且当阻抗点物位传感器100从上方垂直安装在容器中时，该开口防止了空气被包围在延伸部112和绝缘体107之间形成的空腔中，该空气将阻止过程介质进入该空腔。当阻抗点物位传感器100从下方垂直安装在容器中时，收集在空腔中的介质可以通过开口120流出，并因此在此也避免了测量误差。
在图4所示的示例性实施例中，基本上在导电连接到参考电极108的管子118和测量电极106之间形成有测量电容110，该测量电容布置在由电感器109和测量电容110组成的串联谐振电路中。进入参考电极108和测量电极106之间的间隙的介质充当电介质，并改变测量电容110的数值。
使用在此所示的阻抗点物位传感器100进行测量时，产生积极影响的决定性因素是：延伸部112或管子118被设计和布置成使得在任何安装位置中，处理室90中待测量的介质的填充物位在到达测量电极106之前先到达参考电极108或延伸部118。
图5示出了具有延伸部112的阻抗点物位传感器100的替代实施例。根据图5的阻抗点物位传感器100与图4的阻抗点物位传感器100的不同之处仅在于延伸部112的设计，因此在此不再详细说明装置的其余部分。
在图4的示例性实施例中，延伸部112为参考电极108的销钉状延伸部112的形式。例如，延伸部112的第一部分114在径向方向上附接到参考电极108并被焊接到该参考电极。延伸部112的第二部分116与第一部分114一体地形成并在轴向方向A上延伸。第二部分116较长以使得延伸部112在轴向方向上突出超过测量电极106的前侧，从而在此处所示的安装位置中，确保增大的填充物位首先与参考电极108的延伸部112接触，并且填充物位在稍后的时间点到达测量电极106。
同样在该示例性实施例中，测量电容110的主要部分形成在延伸部112(在此主要为延伸部112的第二部分116)与测量电极106之间。然而，测量电容110的第二部分也将在测量电极106和参考电极108之间形成。
图5所示的结构的优点在于凹口和边缘的数量更少，并因此能够在食品工业中使用该结构。
图6示出了根据本申请的阻抗点物位传感器100的第三示例性实施例。阻抗点物位传感器100以立体图示出；在该附图中，从斜前方示出了阻抗点物位传感器100。可以特别清楚地看到阻抗点物位传感器100的旋转对称结构。
在图6所示的示例性实施例中，参考电极108的延伸部112为施加到绝缘体107上的L形金属化层130的条带形式。在所示的示例性实施例中，金属化层130为窄条带的形式，其宽度约为0.5至10mm。因此，所示的实施例在没有额外的附接部件的情况下起作用，并且由于金属化层，因此可以实现特别紧凑且非常低成本的参考电极108的延伸部112。在本示例性实施例中，金属化层130具有5-1000μm的厚度。
图6所示的实施例还确保了增大的填充物位始终首先到达参考电极108或与之电连接的延伸部112，而与阻抗点物位传感器101的安装位置无关。
例如，金属化层130也可以被布置在绝缘体107中的凹部中，使得在绝缘体107和金属化层130之间不形成台阶。
100 阻抗点物位传感器
101 电子单元
102 测量探头
103 信号发生器
104 信号检测器
105 信号处理单元
106 测量电极
107 绝缘体
108 参考电极
109 电感器
110 测量电容
112 延伸部
114 第一部分
116 第二部分
118 管子
120 开口
130 金属化层
A 轴向方向

Claims (10)

1.一种阻抗点物位传感器(100)，包括：
-测量探头(102)，其能够被测量电容(110)中的所述测量探头(102)周围的介质影响，所述测量探头(102)包括测量电极(106)和与所述测量电极(106)隔离开的参考电极(108)，在所述测量电极和所述参考电极之间形成有测量电容(110)，
-测量谐振电路，其中布置有作为电容确定元件的所述测量探头(102)，
-电子单元(101)，其具有用于激励所述测量谐振电路的信号发生器(103)和用于确定所述测量谐振电路的响应信号的信号检测器(104)，
-信号处理单元(105)，其连接到所述电子单元(101)并用于产生测量信号，并且
其特征在于，
所述测量电极(106)和所述参考电极(108)被设计和布置成使得介质的增大的填充物位与到达所述测量电极(106)时相比更早或同时到达所述参考电极(108)。
2.根据权利要求1所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述参考电极(108)在所述测量电极的方向上具有延伸部(112)。
3.根据权利要求2所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述延伸部(112)至少在一些部分中为销钉的形式，其中，在从轴向方向(A)看时，所述延伸部(112)突出超过所述测量电极(106)的前侧。
4.根据权利要求3所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述延伸部(112)成一定角度，其中，第一部分(114)被布置或固定到所述参考电极(108)上，且第二部分(116)在所述轴向方向(A)上延伸。
5.根据权利要求2所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述延伸部(112)为管子(118)的形式，其在所述轴向方向(A)上装配在所述测量电极上。
6.根据权利要求5所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述管子可拆卸地连接到所述参考电极(108)。
7.根据权利要求5或6所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述管子(118)至少在所述参考电极侧的端部具有一个或多个开口(120)。
8.根据权利要求2所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述延伸部(112)为在所述轴向方向(A)上延伸的金属化层(130)的形式。
9.根据权利要求2所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述金属化层(130)为条带形的。
10.根据权利要求8至9中任一项所述的阻抗点物位传感器(100)，
其特征在于，
所述金属化层(130)位于凹部中，使得用环绕所述金属化层(130)的材料产生无间断的表面。
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