CN112384766A

CN112384766A - 填充料位测量装置

Info

Publication number: CN112384766A
Application number: CN201980044716.2A
Authority: CN
Inventors: 克劳斯·潘克拉茨; 罗尔夫·施瓦尔德; 克劳斯·法伊斯特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2021-02-19
Also published as: EP3824257A1; WO2020015934A1; EP3824257B1; DE102018117164A1; US20210293602A1

Abstract

本发明涉及一种基于雷达的填充料位测量装置(1)，该填充料位测量装置用于确定容器(2)内的填充物质(3)的填充料位(L)。该填充料位测量装置(1)包括：至少一个高频单元(10)，该至少一个高频单元(10)用于产生高频信号(S_HF)并且用于基于接收到的高频信号(R_HF)来确定填充料位(L)；波导(11)，其用于发射和/或接收高频信号(S_HF)。波导被细分为面对高频单元(10)的第一部分(11a)和可面朝填充物质(3)的第二部分(11b)，其中对高频信号(S_HF、R_HF)透明的绝缘体(12)将该第一部分(11a)与该第二部分(11b)流体隔离。本发明的特征在于第一空腔(13)，该第一空腔(13)与第二部分(11b)流体连接，其中该第一空腔(13)相对于第二部分(11b)布置在绝缘体(12)之后。这样提供的优点是，防止在绝缘体(12)上形成冷凝物，因而不会损坏填充料位测量装置(1)的功能。

Description

填充料位测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于雷达的填充料位测量装置，该填充料位测量装置用于测量位于容器内的填充物质的填充料位。

背景技术

在自动化技术中，尤其是在过程自动化技术中，经常应用现场装置，这些现场装置用于记录和/或影响过程变量。为了记录过程变量，应用传感器，例如在填充料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、pH氧化还原电势测量装置、电导率测量装置等中使用传感器。这些装置记录相应的过程变量，诸如填充料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电势和电导率。Endress+Hauser公司生产和销售大量的这类现场装置。

在容器中填充物质的情况下，对于填充料位测量而言，非接触式测量方法已被证明是可靠的，因为这类测量方法鲁棒且需要少量维护。非接触式测量方法的另一个优点是，它们几乎可以连续地测量填充料位，因而可以提供高分辨率。由于这个原因，主要应用基于雷达的测量方法。在这种情况下，已建立的测量原理是FMCW测量原理(“调频连续波”)和脉冲传播时间方法。在这两种情况下，雷达信号都是从天线发送，该天线固定在容器上并且被引向容器的内部。雷达信号沿填充物质的方向传播，并且在反射后被接收回来。在这种情况下，所发送的电磁波的频率处于标准化中心频率的区域中。因此，在本发明的范围内，术语“雷达”和“高频信号”指的是在0.3GHz和300GHz之间的频率。由于政府规定的限制，通常使用6GHz、26GHz或79GHz的频率。例如在DE 10 2010 063 430 A1中描述了脉冲传播时间方法的功能原理，而例如在WO 2012/139852 A1中涵盖了FMCW测量方法的功能原理。与测量原理无关，较高的频率是有利的，这是因为随着频率的升高，填充料位测量的分辨率也可能升高。

取决于容器的预期用途，高达200℃的温度和数巴的超压会在容器内部占主导地位。在这种情况下，一项特殊的挑战是将填充料位测量装置与容器内部流体隔离，这是因为取决于填充物质，在给定情况下，冷凝物可能会通过天线和随后的中空导体渗透到填充料位测量装置中。这样，填充料位测量装置的功能又会恶化。

为了防止这种情况，将中空导体细分为两个部分，其中第二部分面对天线，并且因此面对填充物质。在这种情况下，对高频信号透明的温度和压力阻挡绝缘体将第一部分与第二部分流体隔离。这样，防止气态填充物质渗透到填充料位测量装置中。然而，在这种构造的情况下，不排除冷凝物沉积在绝缘体上，结果阻止高频信号在中空导体中的传送。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种填充料位测量装置，可以在容器中的高温和高压的情况下应用该填充料位测量装置。

本发明通过一种填充料位测量装置来实现该目的，该填充料位测量装置用于确定位于容器内的填充物质的填充料位，该填充料位测量装置包括：

-高频单元，该高频单元被设计用于产生和/或处理高频信号以确定填充料位，

-中空导体，该中空导体耦合到高频单元，用于将高频信号发送到填充物质和/或用于接收在填充物质上反射的高频信号，其中该中空导体被细分为：

ο面向高频单元的第一部分，和

ο可面朝填充物质的第二部分，可以使该第二部分的通向容器的开口呈圆锥形扩展以形成天线，

以及

-绝缘体，该绝缘体对高频信号透明并且将该第一部分与该第二部分流体隔离。

根据本发明，填充料位测量装置的特征在于第一中空空间，该第一中空空间与第二部分流体连接。在这种情况下，第一中空空间相对于第二部分布置在绝缘体之后。在这种连接中，流体连接被定义为材料可渗透的连接，通过该连接，在所连接的腔室之间产生压力平衡。流体连接的中空空间优选地从容器的内部收集可能的冷凝物，这是因为第一中空空间相对于潜在很热的容器内部位于绝缘体后面的原则上较冷的区域中。以这种方式，绝缘体保持无冷凝物。

在高频情况下，由于原则上中空导体的较小的尺寸，所以当高频单元被设计用于产生频率大于75GHz，尤其是大于100GHz的高频信号时，本发明对于填充料位测量装置而言是尤其有利的。

优选地，在绝缘体和第一中空空间之间的中空导体的热阻的大小被确定为使得容器中至少180℃的温度与第一中空空间中的温度的温差达到至少30℃。这会增加第一中空空间中的冷凝速率，并且降低在绝缘体上形成冷凝物的风险。在这一点上，一方面，可以通过相应地确定绝缘体和第一中空空间之间的距离的大小或通过在该区域中的中空导体的横截面积来设定绝缘体和第一中空空间之间的中空导体的热阻。另一方面，热阻可能会相应地受到中空导体的材料的影响，所述材料例如是具有15W/(m*K)的导热系数λ_H的不锈钢。

除了设置热阻之外，还可以通过与第二部分流体连接的第二中空空间来补充地降低在绝缘体上形成冷凝物的风险。在这种情况下，第二中空空间相对于第二部分布置在绝缘体之前。由于第二中空空间增加，整个中空空间中的压力上升减慢，并且因此，形成冷凝物所需的压力——在中空空间温度下气体的分压被明显推迟地达到。

通过用螺纹将第一中空空间与第二部分流体连接，可以以简单的方式产生流体连接。例如，这种情况可以通过将中空导体设计成使得第二部分形成第一部分的保持架来实现。可替代地，自然地同样可以选择实现在结构上与该两个部分的机械固定完全脱离的流体连接。

本发明不排除的是，诸如从现有技术中已知的，本发明的填充料位测量装置包括过程隔离部，作为对中空导体中的绝缘体的补充。在这种情况下，过程隔离部将中空导体的第二部分与填充物质阻隔开。由于通常用诸如PMMA、PTFE或PS的对高频信号透明的塑料材料来产生这种过程隔离，因此可能会发生过程隔离部与中空导体形状互锁不充分的情况。因此，在这些情况下，可能有利的是，在过程隔离部和第二部分的端部区域之间布置流体密封部，尤其是由至少两个密封环构成的流体密封部。当本发明的填充料位测量装置包括附加的过程隔离部时，可以根据流体密封部的渗透系数来设计第一中空空间，以使得中空空间的容积的大小被确定为每10^-12kg/(s*bar)密封部的渗透系数至少1.2cm³。这样确定大小确保了在装置的充分使用时间内，第一中空空间不会完全充满冷凝物。因此，填充料位测量装置的足够的寿命得以确保。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，本发明的附图示出如下：

图1是原则上安装在容器上的本发明的填充料位测量装置的布置，

图2是本发明的填充料位测量装置的部件的示意图，以及

图3是填充料位测量装置的主要部件的详细视图。

具体实施方式

为了提供对本发明的基本理解，图1示出了本发明的基于雷达的填充料位测量装置1在容器2上的布置。填充物质3位于容器2的内部，该填充物质3的填充料位L待确定。

为了确定填充料位L，将填充料位测量装置1以相对于容器底部预先已知的安装高度h安装在容器2上、在填充物质3上方。取决于容器大小，该安装高度h甚至可以大于100m。将填充料位测量装置1布置在容器2的顶部上，以使得填充料位测量装置1可以向填充物质3发送高频信号S_HF。这可以使用FMCW方法或脉冲传播时间方法，例如在79GHz或更高的频率下发生。

在填充物质表面上反射之后，填充料位测量装置1接收所反射的高频信号R_HF，其中由填充料位测量装置1测量的在发送和接收高频信号S_HF、R_HF之间的传播时间取决于填充料位测量装置1离填充物质表面的距离d。填充料位测量装置3使用其安装高度h，根据传播时间，或离填充物质表面的距离d来进行填充料位L的后续计算：

L＝h-d

诸如图1所示，可以借助于总线系统——例如“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”总线系统——将本发明的填充料位测量装置1连接到上级单元4，例如过程控制系统或分布式数据库。以此方式，一方面，可以发送关于填充料位L的信息，以便在给定情况下控制进出容器2的进出流量。另外，可以传达关于填充料位测量装置1的工作状态的信息。

取决于应用，例如由于容器2内的填充物质3暂时经历的化学反应，高达200℃或甚至更高的温度T_C和/或数巴的正压会在容器2的内部占主导地位。此外，在给定情况下，由于气泡的形成或过度填充，腐蚀性填充物质3会与填充料位测量装置1直接接触。这些影响会降低填充料位测量装置1的功能。除了填充料位测量装置1的电子部件的有限的温度稳定性之外，在填充料位测量装置1中尤其会经历冷凝物形成。

在图2中以横截面图示出填充料位测量装置1在这方面至关重要的部件：

-高频单元10用于产生要发送的高频信号S_HF并且用于处理反射的高频信号R_HF。高频单元10包括特定功能原理所需的功能块：在实施FMCW方法的情况下，可以借助于PLL(“锁相环”)来产生高频信号S_HF；接收到的高频信号R_HF可以与瞬时发送的高频信号S_HF进行混频，因而可以根据混频信号的差频来确定距离d和填充料位L。相应设计的评估块可以例如借助于混合信号的FFT(“快速傅立叶变换”)来确定差频。

-中空导体11连接到高频单元10，在该情况下，至少中空导体11的内壁与信号线导电，以便将高频信号S_HF输出耦合到容器2中并且将在容器2中反射的高频信号R_HF耦合回到高频单元10中。在图2所示的实施例的情况下，朝填充物质3的中空导体11定向的开口呈圆锥形扩展，从而实现相应的天线。

-对高频信号S_HF、R_HF透明的材料(例如，PMMA、PTFE或PC)制成的过程隔离部15将天线和中空导体11密封，与填充物质3阻隔，以防止填充物质3渗透到中空导体11中。

图3示出了图2的填充料位测量装置1的放大细节A。如从该细节图可以看出，在朝向过程隔离部15的天线区域中，通过两个外部密封环16补充地密封中空导体11，这是因为在给定的情况下，过程隔离部15可能不具有适配天线所需的精度。填充料位测量装置1的耐压性主要通过中空导体11内部的绝缘体12来实现。在实施例的所示示例中，绝缘体12为圆盘形，并且取决于预期的正压，该绝缘体12的厚度可以在200μm至5mm之间。理想地，该厚度等于高频信号S_HF、R_HF的半波长。而且，绝缘体12对于高频信号S_HF、R_HF是透明的，因此是透射的。因此，绝缘体12的材料可以是例如玻璃。

绝缘体12将中空导体11分为面朝高频单元10的第一部分11a和第二部分11b，该第二部分11b在操作期间面朝填充物质3。绝缘体12将两个部分11a、11b彼此液密地密封。在这种情况下，中空导体11在实施例的所示示例中被设计成使得，第二部分11b形成第一部分11a的保持架。就这一点而言，第一部分11a具有外螺纹，而第二部分11b具有相应的内螺纹，以使得中空导体11的第一部分11a可以通过形成的螺纹14被拧入到形成保持架的第二部分11b中。因此，诸如图3中所示，在拧入之前，可以借助于焊接将绝缘体12安装在第一部分11a上。

取决于材料，密封环16仅具有在10^-12kg/(s*bar)的数量级内的有限的小气体渗透系数。结果，尽管有密封环16，并且尽管有过程隔离部15，但随着延长的操作持续时间，诸如填充物质3的气态部分的气体会扩散到中空导体的第二部分11b中。然而，为了不在绝缘体12上产生冷凝物，例如水冷凝物，本发明的填充料位测量装置1包括第一中空空间13。该中空空间相对于第二部分11b布置在绝缘体12后面一定距离a处，因此布置在第一部分11a的区域中。在这种情况下，在所示的实施例中，中空空间13围绕中空导体11旋转对称地布置。但是，原则上，第一中空空间的旋转对称设计在本发明的范围内不是必须的。如图3所示，中空空间13通过螺纹14与第二部分11b流体连接，使得可以通过该中空空间13产生气体输送或压力平衡。

这种情况的结果是，因为根据本发明，将第一中空空间13相对于绝缘体12布置，使绝缘体12进一步远离填充物质3，所以在容器2中的高温T_C下，在绝缘体12上不会产生冷凝物，而是在第一中空空间13中产生冷凝物。

因此，通过减小绝缘体12和第一中空空间13之间的中空导体11的热阻R_th,H，可以避免在绝缘体12上形成冷凝物，其中

在这种情况下，λ_H是所用中空导体材料的导热系数，单位为W/(m*K)。用于中空导体11的潜在材料的不锈钢例如具有15W/(m*K)的导热率λ_H。

A_H是在绝缘体12和第一中空空间13之间的区域中的中空导体11的横截面面积。横截面积A_H是在中空导体11的旋转对称设计情况下。

在这种情况下，D_o为中空导体11的外径，并且D_i为中空导体11的内径。在中空导体11为正方形的情况下，横截面积A_H为另一种。

在这种情况下，D_o和D_i分别是长方体形中空导体11的外边缘长度和内边缘长度。

当在结构上建立热阻R_th,H以使得容器2中至少180℃的温度T_C至第一中空空间13中的温度的温度差达到至少30℃时，提供足够的安全性以防止在绝缘体11上形成冷凝物。优选地根据密封环16的渗透系数来确定第一中空空间13的容积的大小，以便防止在绝缘体12上形成冷凝物。足够的确定大小规则是，中空空间13的容积应为每10^-12kg/(s*bar)密封部的渗透系数至少1.2cm³。在这种情况下，考虑到密封环16的渗透系数在给定情况下取决于容器2中的温度T_C。

图3所示的填充料位测量装置1包括呈第二中空空间17的形式的本发明可选扩展。与第一中空空间13相比，相对于在绝缘层12前面的中空导体11的第二部分11b对第二中空空间17进行定位。这样，可以补充地降低在绝缘体12上形成冷凝物的风险，因为通过增加第二中空空间，总中空空间中的压力上升减慢，并且形成冷凝物所必需的压力被推迟地达到。

该扩展在以下情况下是有意义的：例如，出于结构或制造原因，当第一中空空间13的尺寸不能根据上述容积规格而确定得足够大时，或者例如，出于结构原因，当中空导体11的热阻R_th,H又不能减小到上述最大值时。

附图标记列表

1填充料位测量装置

2容器

3填充物质

4上级单元

10高频单元

11中空导体

11a第一中空导体部分

11b第二中空导体部分

12绝缘体

13第一中空空间

14螺纹

15过程隔离部

16密封环

17第二中空空间

A_H中空导体的横截面积

a第二中空导体部分与中空空间之间的距离

D_O中空导体的外径或边缘长度

D_i中空导体的内径或边缘长度

d填充料位测量装置到填充物质的距离

h填充料位测量装置的安装高度

L填充料位

S_HF,R_HF高频信号

R_th,H中空导体的热阻

T_C容器内部中的温度

λ_H热导率

Claims

1.一种填充料位测量装置，所述填充料位测量装置用于确定位于容器(2)内的填充物质(3)的填充料位(L)，所述填充料位测量装置包括：

-高频单元(10)，所述高频单元(10)被设计用于产生和/或处理高频信号(S_HF、R_HF)，以便确定填充料位(L)，

-中空导体(11)，所述中空导体(11)耦合到所述高频单元(10)，以便将所述高频信号(S_HF)发送到所述填充物质(3)，和/或以便接收在所述填充物质(3)上反射的高频信号(R_HF)，其中，所述中空导体被细分为

o面向所述高频单元(10)的第一部分(11a)，和

o能面朝所述填充物质(3)的第二部分(11b)，

以及

-绝缘体(12)，所述绝缘体(12)对所述高频信号(S_HF、R_HF)透明，并且将所述第一部分(11a)与所述第二部分(11b)流体隔离，

其特征在于，

-第一中空空间(13)，所述第一中空空间(13)与所述第二部分(11b)流体连接，其中，所述第一中空空间(13)相对于所述第二部分(11b)被布置在所述绝缘体(12)之后。

2.根据权利要求1所述的填充料位测量装置，

其特征在于，

-第二中空空间(17)，所述第二中空空间(17)与所述第二部分(11b)流体连接，其中，所述第二中空空间(17)相对于所述第二部分(11b)被布置在所述绝缘体(12)之前。

3.根据权利要求1或2所述的填充料位测量装置，其中，所述高频单元(10)被设计用于产生具有大于75GHz，尤其是大于100GHz的频率的高频信号(S_HF、R_HF)。

4.根据前述权利要求中的一项所述的填充料位测量装置，

其特征在于，

所述绝缘体(12)和所述第一中空空间(13)之间的中空导体(11)的热阻(R_th,H)的大小被确定为使得所述容器(2)中至少180℃的温度(T_C)至所述第一中空空间(13)中的温度的温度差达到至少30℃。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的填充料位测量装置，

其特征在于，

螺纹(14)将所述第一中空空间(13)与所述第二部分(11b)流体连通。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的填充料位测量装置，包括：

-过程隔离部(15)，所述过程隔离部(15)阻挡所述第二部分(11b)的能面朝所述填充物质(3)的端部区域。

7.根据权利要求6所述的填充料位测量装置，其中，在所述过程隔离部(15)和所述第二部分(11b)的端部区域之间布置有流体密封部，尤其是由至少两个密封环(16)构成的流体密封部。

8.根据权利要求7所述的填充料位测量装置，

其特征在于，

根据所述流体密封部的渗透系数来设计所述第一中空空间(13)，以使得所述中空空间(13)的容积的大小被确定为每10^-12kg/(s*bar)的密封部的渗透系数至少1.2cm³。