CN113137998A - 用于探测容器中的填充介质的料位的料位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明示出并描述了一种用于探测填充介质的料位的料位传感器，其中料位传感器具有：带馈电线的发生器、天线、馈电器和控制器，其中发生器被构造用于产生具有谐振频率的电磁波并且经由馈电线来输出电磁波，该馈电线具有线路阻抗，该线路阻抗具有线路阻抗值，而且其中馈电器布置在馈电线与天线之间。本发明所基于的任务在于：说明一种灵敏度增加的料位传感器。该任务通过如下方式来解决：馈电器具有谐振电路；谐振电路和天线共同具有谐振输入阻抗，并且谐振电路将在该谐振频率下的谐振输入阻抗转换成具有预先给定的谐振阻抗值的实阻抗；而且天线具有与该谐振频率不同的天线谐振频率。

Description

用于探测容器中的填充介质的料位的料位传感器

技术领域

本发明涉及一种用于探测容器中的填充介质的料位的料位传感器。

该料位传感器具有：带馈电线的发生器、天线、馈电器和控制器。发生器、天线、馈电器和控制器是该料位传感器的重要组件。

发生器不仅被构造用于产生具有谐振频率的电磁波而且被构造用于经由馈电线来输出电磁波。在此，馈电线具有线路阻抗，该线路阻抗具有线路阻抗值。

馈电器布置在馈电线与天线之间，并且被构造用于将电磁波从馈电线传输到天线。馈电器例如是另一馈电线。

天线被构造用于将电磁波辐射到具有填充介质的容器中。

沿传输方向将电磁波从馈电线经由馈电器朝向天线传输。由天线辐射的电磁波具有如下传播方向，该传播方向无论如何都基本上与传输方向一致。

控制器被构造用于探测由天线辐射的电磁波的由于容器中的填充介质的料位变化引起的在该天线周围的近场的变化。控制器进一步被构造用于通过分析所探测到的该近场的变化来探测容器中的填充介质的料位。

在此，近场通过由天线辐射的电磁波来形成并且近场的变化由于容器中的填充介质的料位变化而发生。由于填充介质的料位变化，在天线周围的其它介质、例如空气被该填充介质所取代，或者反之亦然。如果该填充介质和该其它介质具有彼此不同的介电常数，则在天线周围的填充介质的料位变化使天线的近场发生变化。在下文，以此为前提条件。

天线的近场的变化也引起对天线的适配的变化，由此反射功率也随频率而发生变化。因此，为了探测容器中的填充介质的料位，要么可以使用在一个频率下的绝对反射功率，要么可以使用反射功率随着频率的变化曲线。然而，使用在一个频率下的绝对反射功率易受公差和周围环境条件的影响。在反射功率随着频率的变化曲线方面，情况不是如此，而且附加地可以在不同的填充介质具有不同的介电常数时在这些不同的填充介质之间进行区分。

背景技术

从现有技术中，例如公知如下料位传感器，所述料位传感器具有平面贴片天线，作为与表面波谐振器连接的天线。在此，贴片天线是半波长谐振器。也公知具有四分之一波长谐振器作为天线的料位传感器。这些料位传感器的缺点是对天线周围的近场的变化的灵敏度，该灵敏度只确保了对其介电常数大于某个介电常数值的填充介质的料位的探测，使得这些料位传感器并不适合于介电常数较小的填充介质。尤其是在小型容器中，贴片天线还产生寄生谐振，由此使探测容器中的介质的料位变得困难。此外，难以实现与容器中的介质分开的具有高灵敏度的贴片天线。

发明内容

因而，本发明的任务是说明一种灵敏度增加的料位传感器，使得其也适合于介电常数较小的介质。

该任务通过具有专利权利要求1的特征的料位传感器来解决。

在按照本发明的料位传感器中，馈电器具有谐振电路。谐振电路和天线沿传输方向共同具有谐振输入阻抗。谐振电路将在谐振频率下的谐振输入阻抗转换成具有预先给定的谐振阻抗值的实阻抗。天线具有与谐振频率不同的天线谐振频率。在此，天线的近场不受填充介质的影响，而是作为替代被其它介质或真空所包围。该其它介质优选地是空气。在此应考虑到：该其它介质和填充介质具有彼此不同的介电常数。如果之前执行的转换是在空气作为其它介质的情况下被执行的而且填充介质具有比空气更大的介电常数，则由于填充介质例如朝着天线方向的料位变化而引起的在天线周围的近场的变化引起谐振频率的减小。

因此，谐振频率不是固定频率，而是在谐振频率范围内，并且发生器被构造为产生在该谐振频率范围内的电磁波。在此，相应的谐振频率取决于天线的近场。

用于探测天线周围的近场的变化的控制器的构造方案例如包括：分析谐振输入阻抗。

相对于所描述的从现有技术中公知的料位传感器，按照本发明的料位传感器具有如下优点：对天线周围的近场的变化的灵敏度增加，使得该料位传感器也确保了对介电常数较小的填充介质的料位的探测。

在该料位传感器的一个设计方案中规定：馈电器附加地具有终端电路。于是，终端电路、谐振电路和天线沿传输方向共同具有终端输入阻抗。终端电路将终端输入阻抗设置到线路阻抗值。如果馈电线的线路阻抗值例如为50欧姆（Ohm），则终端输入阻抗的值也为50欧姆。因此，在馈电器与馈电线之间的过渡处没有发生反射。用于探测天线周围的近场的变化的控制器的构造方案例如包括：分析谐振频率的偏移。上文描述的谐振频率的减小就是这种偏移。

在上述设计方案的一个扩展方案中规定：终端电路具有四分之一波长线。在此，四分之一波长线优选地在使用空气隙的情况下被实现。在一个特别优选的设计方案中，终端电路由四分之一波长线组成。

在另一设计方案中规定：天线谐振频率大于该谐振频率。这具有如下优点：天线比在天线谐振频率小于该谐振频率时更小。另一优点是：谐振频率范围更大。否则，该谐振频率范围会被限制到天线谐振频率与一次谐波之间的频率范围。

原则上，发生器被构造用于产生具有任意谐振频率的电磁波。然而，尤其是在微波的频率范围内的谐振频率已经被证明适合于探测容器中的介质的料位。微波的频率范围例如是1 GHz至300 GHz的频率范围。因此，在该料位传感器的一个设计方案中规定：发生器被构造用于产生具有在微波的频率范围内的谐振频率的电磁波。

在另一设计方案中规定：天线被构造用于与填充介质直接接触。该直接接触的替代方案是天线与填充介质的间接接触。相对于间接接触而言，直接接触所具有的优点在于：能探测天线周围的近场的更微小变化，由此进一步增加灵敏度。由此，确保了对介电常数还更小的填充介质的料位的探测。

在另一设计方案中规定：控制器附加地被构造用于报告填充介质的所探测到的料位。控制器例如具有总线接口，而且通过将相对应的总线消息经由该总线接口和总线传输到控制室来实现该报告，接着在该控制室为用户显示该总线消息。

在另一设计方案中规定：馈电器具有圆柱形内导体和空心圆柱形外导体，用于传输电磁波。此外，外导体和内导体彼此同轴地布置。因此，外导体围绕着内导体布置。这种同轴馈电器具有对于传输电磁波来说有利的特性。

于是，内导体的部分优选地也形成天线。从现有技术中公知的料位传感器具有平面贴片天线作为天线。与平面贴片天线相比，内导体的部分作为天线更小，由此该料位传感器也更小。由于尺寸更小，该料位传感器也适合于只提供相应少量结构空间的应用。此外，与贴片天线相反，内导体的部分作为天线仅激发近场，因此该天线也适合于相对应地更小的容器。

在该料位传感器的另一设计方案中规定：谐振电路和/或终端电路布置在内导体与外导体之间。谐振电路和/或终端电路的该布置造成该料位传感器的尺寸的进一步减小并且引起对于电磁波来说有利的电特性。

经常要确定容器中的填充介质的料位，其中所述填充介质具有如下温度、尤其是高温，所述温度代表例如发生器和控制器的热负荷并且损害它们的功能。由于终端输入阻抗被设置到线路阻抗值，所以在馈电器与馈电线的过渡处没有发生反射，因此发生器以及还有控制器都可以与馈电器间隔开地布置，由此该发生器和该控制器与填充介质热解耦并且它们的热负荷降低。为了也降低馈电器的热负荷，在该料位传感器的一个设计方案中规定：外导体具有散热片。这些散热片被构造为将由填充介质传递到馈电器上的热量排出到该料位传感器的周围环境中。

在该料位传感器的另一设计方案中规定：谐振电路具有电介质和高频吸收体。在此，电介质优选地是玻璃、尤其是金属熔融玻璃。如果该料位传感器具有之前所描述的同轴馈电器，则在一个特别优选的设计方案中，谐振电路由电介质、高频吸收体和内导体组成。

要在其中探测填充介质的料位的具有用于该填充介质的内部空间的容器具有壁，该料位传感器布置在该壁上。如果该料位传感器的天线应该与在特定料位的情况下的填充介质直接接触，则在容器的壁中必须有孔。因此，在另一设计方案中，该料位传感器具有处理窗，该处理窗使在容器的壁中的孔封闭并且将天线布置在容器的内部空间中。

在上文与具有电介质的谐振电路相结合的设计方案的一个扩展方案中规定：该电介质附加地也是该处理窗。该电介质确保了剩余料位传感器与介质的有效的、鲁棒的且化学上稳定的分开。

在另一设计方案中规定：谐振阻抗值在150欧姆至300欧姆的区间内。

在从现有技术中公知的布置在容器上的料位传感器的情况下，常常发生：天线周围的近场由于在容器中激发电磁波的更高模态而受损，所述更高模态由所辐射的电磁波尤其是在馈电器和/或天线的过渡区域内激发到容器中。通过电磁波的电磁场在过渡处的不连续性来进行该激发。更高模态是高于电磁波的基本模态的模态。容器本身通常也是用于传输电磁波的波导。如果现在通过电磁波将波导模态激发到容器中，则在容器中可形成驻波，这些驻波导致在探测近场的变化时的多值性。如果容器是空心圆柱体，则基本模态依据如下公式来计算：

因此，为了避免容器中波导模态，在另一设计方案中规定：该料位传感器在天线处具有模态过滤器；而且该模态过滤器被构造为避免容器中的电磁波的更高模态的激发。

在另一设计方案中规定：该模态过滤器具有喇叭部，该喇叭部具有喇叭内部空间；天线伸入该喇叭内部空间；并且该喇叭内部空间沿传输方向连续拓宽。在此，天线所辐射的电磁波由该喇叭部在喇叭内部空间中引导，由此至少减少或者甚至避免了电磁波在从天线到容器中的过渡处的不连续性。

优选地，喇叭内部空间的相对于传输方向的横截面为圆形，并且该横截面的半径在考虑容器的内部空间的几何形状和填充介质的所要假定的最高介电常数的情况下被确定为使得只激发容器中的电磁波的高于基本模态的有传播能力的更高模态，所述电磁波的频率高于谐振频率。在此，该半径优选地是喇叭内部空间的最小半径。由于喇叭内部空间沿传输方向连续拓宽，所以喇叭内部空间的最小半径在喇叭部的天线伸入其中的末端。

在另一设计方案中规定：喇叭部具有留空部，用于使填充介质进入到喇叭内部空间中。以这种方式确保了：在喇叭部的区域内的填充介质的料位变化时，在喇叭内部空间中没有形成气泡，而是喇叭内部空间与该填充介质的料位相对应地被填充该填充介质。

附图说明

详细地给出对该料位传感器进行设计和扩展的多种可能性。为此，不仅参阅专利权利要求1的专利从属权利要求，而且参阅随后结合附图对优选的实施例的描述。在附图中：

图1示出了料位传感器的实施例，该料位传感器布置在容器的壁中；

图2以截面图示出了料位传感器的实施例；

图3a以截面图示出了模态过滤器的实施例；以及

图3b以透视图示出了模态过滤器的实施例。

具体实施方式

图1抽象化地示出了用于探测容器中的填充介质的料位的料位传感器1的实施例。料位传感器1布置在容器3的壁2上。容器3具有内部空间4。内部空间4具有填充介质6的料位5。空气作为其它介质位于填充介质6的上方。填充介质6和空气具有彼此不同的介电常数。在容器3的壁2中构造有孔7，料位传感器1穿过该孔来接触容器3的内部空间4。

图2抽象化地示出了图1中的料位传感器1的纵剖面。料位传感器1具有：带馈电线9的发生器8、天线10、馈电器11、控制器12和模态过滤器13。发生器8被构造用于产生具有谐振频率的电磁波并且用于经由馈电线9来输出这些电磁波。谐振频率为6 GHz并且借此在微波的频率范围内。馈电线9具有线路阻抗，该线路阻抗具有为50欧姆的线路阻抗值。

馈电器11布置在馈电线9与天线10之间，并且被构造用于将电磁波从馈电线9朝向天线10传输。

馈电器11具有圆柱形内导体14和空心圆柱形外导体15，用于传输电磁波。外导体15和内导体14彼此同轴地布置并且具有圆形的横截面轮廓。外导体15还具有散热片16。散热片16被构造为将由填充介质6传递到馈电器11上的热量排出到周围环境中。馈电器11还具有：以金属熔融玻璃形式的电介质17；和高频吸收体18。在此，电介质17也用作处理窗。电介质17与外导体15一起将容器3的壁2中的孔7封闭。因此，电介质17也构造为：相对于填充介质6并且相对于容器3中的压力和温度稳定。不仅电介质17而且高频吸收体18都构造为环形并且布置在圆柱形内导体14与空心圆柱形外导体15之间。

馈电器11具有谐振电路19和终端电路20。在此，谐振电路19具有电介质17和高频吸收体18。终端电路20具有四分之一波长线，其中该四分之一波长线在使用空气隙的情况下被实现。因此，不仅谐振电路19而且终端电路20都布置在内导体14与外导体15之间。在当前实施例中，馈电线9具有：与馈电器11相同的内导体14和相同的外导体15；以及在内导体14与外导体15之间的馈电电介质21。馈电线9在发生器8与控制器12的区域内也作为单线来示出。

沿传输方向22将电磁波从馈电线9经由馈电器11朝向天线10传输。天线10被构造用于将电磁波辐射到具有填充介质6的容器3的内部空间4中。内导体14的部分23形成天线10，其方式是该部分23沿传输方向22伸出超过电介质17。天线10被构造用于与填充介质6直接接触。在介质6的料位5足够高的情况下，天线10与填充介质6直接接触。

沿传输方向22，谐振电路19和天线10共同具有谐振输入阻抗Z_R。天线为谐振输入阻抗Z_R尤其是提供电容贡献。谐振电路19将在谐振频率下并且在填充介质6不影响天线10的近场的情况下的谐振输入阻抗Z_R转换成实阻抗，该实阻抗具有预先给定的谐振阻抗值Z_R= 200欧姆。因此，在探测填充介质6的料位5之前、即在生产性地使用料位传感器1之前进行该转换。

沿传输方向22，终端电路20、谐振电路19和天线10共同具有终端输入阻抗Z_E。终端电路20将终端输入阻抗Z_E设置到为50欧姆的线路阻抗值。由于馈电线9的线路阻抗与终端输入阻抗Z_E相同，所以电磁波在从馈电线9到馈电器11的过渡处不产生反射。

因此，馈电器11的主要组件——圆柱形内导体14、空心圆柱形外导体15、环形电介质17和环形高频吸收体同轴地来构造。

控制器12被构造用于探测由天线10辐射的电磁波的由于容器3的内部空间4中的填充介质6的料位5的变化引起的在天线10周围的近场的变化。由于填充介质6和空气具有互不相同的介电常数，所以容器3的内部空间4中的填充介质6的料位5的变化在天线10附近引起近场的变化。近场的变化也引起对天线10的适配的变化，由此反射功率也随频率而发生变化。由于介质6的料位5例如朝着天线10方向的变化而引起的在天线10周围的近场的变化引起谐振频率的减小。为了探测反射功率的变化，控制器12在当前实施例中与馈电线9连接。

控制器12进一步被构造用于通过分析所探测到的该近场的变化来探测内部空间4中的填充介质6的料位。控制器12也被构造用于报告所探测到的填充介质6的料位。

图3a是模态过滤器13的实施例的纵剖面，而图3b是该模态过滤器13的透视图。模态过滤器13被构造为：避免更高模态的电磁波在容器3的内部空间4中传播。模态过滤器13具有凸缘24和喇叭部25，该喇叭部具有喇叭内部空间26。喇叭内部空间26引导由天线10辐射的电磁波。在该实施例中，凸缘24用于将模态过滤器13布置在馈电器11上。在其它实施例中，该凸缘用于布置在容器3的壁2上。如果布置有模态过滤器13，则天线10伸入到喇叭内部空间26中。喇叭内部空间26沿传输方向22连续拓宽。

在该实施例中，喇叭内部空间26关于传播方向22旋转对称地来构造。因此，喇叭内部空间26的相对于传输方向22的所有横截面都是圆形。尤其是，喇叭内部空间26的相对于传输方向22的横截面27为圆形，并且横截面27的半径28在考虑容器3的内部空间4的几何形状和填充介质6的所要假定的最高介电常数的情况下被确定为使得避免更高模态的电磁波在容器3的内部空间4中的传播。半径28是喇叭内部空间26的最小半径。天线10穿过横截面27。即，该天线在喇叭内部空间26中处在该喇叭内部空间的半径最小的位置。

喇叭部13具有三个留空部29，用于使填充介质6进入喇叭内部空间26。以这种方式确保了：在喇叭部25的区域内的填充介质6的料位5的变化不导致在喇叭内部空间26中有气泡，而是喇叭内部空间26与填充介质6的料位5相对应地被填充填充介质6。

附图标记

1 料位传感器

2 壁

3 容器

4 内部空间

5 料位

6 填充介质

7 孔

8 发生器

9 馈电线

10 天线

11 馈电器

12 控制器

13 模态过滤器

14 内导体

15 外导体

16 散热片

17 电介质

18 高频吸收体

19 谐振电路

20 终端电路

21 馈电电介质

22 传输方向

23 部分

24 凸缘

25 喇叭部

26 喇叭内部空间

27 横截面

28 半径

29 留空部

Z_R 谐振输入阻抗

Z_E 终端输入阻抗。

Claims (19)

1.一种用于探测容器中的填充介质的料位的料位传感器（1），

- 其中所述料位传感器（1）具有：带馈电线（9）的发生器（8）、天线（10）、馈电器（11）和控制器（12），

- 其中所述发生器（8）被构造用于产生具有谐振频率的电磁波并且经由所述馈电线（9）来输出所述电磁波，所述馈电线具有线路阻抗，所述线路阻抗具有线路阻抗值，

- 其中所述馈电器（11）布置在所述馈电线（9）与所述天线（10）之间，并且被构造用于将所述电磁波从所述馈电线（9）朝向所述天线（10）传输，

- 其中所述天线（10）被构造用于将所述电磁波辐射到具有填充介质的容器中，

- 其中将所述电磁波沿传输方向（22）从所述馈电线（9）经由所述馈电器（11）朝向所述天线（10）传输，而且

- 其中所述控制器（12）被构造用于探测由所述天线（10）辐射的电磁波的由于容器中的填充介质的料位变化引起的在所述天线（10）周围的近场的变化并且被构造用于通过分析所探测到的所述近场的变化来探测所述容器中的填充介质的料位，

其特征在于，

- 所述馈电器（11）具有谐振电路（19），

- 所述谐振电路（19）和所述天线（10）沿所述传输方向（22）共同具有谐振输入阻抗（Z_R），并且所述谐振电路（19）将在所述谐振频率下的谐振输入阻抗（Z_R）转换成具有预先给定的谐振阻抗值的实阻抗，而且

- 所述天线（10）具有与所述谐振频率不同的天线谐振频率。

2.根据权利要求1所述的料位传感器（1），其特征在于，所述馈电器（11）具有终端电路（20）；而且所述终端电路（20）、所述谐振电路（19）和所述天线（10）沿所述传输方向（22）共同具有终端输入阻抗（Z_E），并且所述终端电路（20）将所述终端输入阻抗（Z_E）设置到所述线路阻抗值。

3.根据权利要求2所述的料位传感器（1），其特征在于，所述终端电路（20）具有四分之一波长线，其中所述四分之一波长线优选地在使用空气隙的情况下被实现。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述天线谐振频率大于所述谐振频率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述谐振频率在微波的频率范围内。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述天线（10）被构造用于与所述填充介质直接接触。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述控制器（12）被构造用于报告所探测到的所述填充介质的料位。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述馈电器（11）具有圆柱形内导体（14）和空心圆柱形外导体（15），用于传输所述电磁波，而且所述外导体（15）和所述内导体（14）彼此同轴地布置。

9.根据权利要求8所述的料位传感器（1），其特征在于，所述内导体（14）的部分（23）形成所述天线（10）。

10.根据权利要求8或9所述的料位传感器，其特征在于，所述谐振电路（19）和/或所述终端电路（20）布置在所述内导体（14）与所述外导体（15）之间。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述外导体（15）具有散热片（16）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述谐振电路（19）具有电介质（17）和高频吸收体（18），其中所述电介质（17）优选地是玻璃、尤其是金属熔融玻璃。

13.根据权利要求12所述的料位传感器（1），其特征在于，所述电介质（17）也是处理窗。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述谐振阻抗值在150欧姆至300欧姆的区间内。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述料位传感器（1）在所述天线（10）处具有模态过滤器（13）；而且所述模态过滤器（13）被构造为避免容器中的波导模态。

16.根据权利要求15所述的料位传感器（1），其特征在于，所述模态过滤器（13）具有喇叭部（25），所述喇叭部具有喇叭内部空间（26）；所述天线（10）伸入所述喇叭内部空间（26）；并且所述喇叭内部空间（26）沿所述传输方向（22）连续拓宽。

17.根据权利要求16所述的料位传感器（1），其特征在于，所述喇叭内部空间（26）的相对于所述传输方向（22）的横截面（27）为圆形；并且所述横截面（27）的半径（28）在考虑容器的内部空间的几何形状和填充介质的所要假定的最高介电常数的情况下被确定为使得避免在所述容器中激发波导模态。

18.根据权利要求17所述的料位传感器（1），其特征在于，所述半径（28）是所述喇叭内部空间（26）的最小半径。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的料位传感器（1），其特征在于，所述喇叭部（25）具有留空部（29），用于使填充介质进入所述喇叭内部空间（26）。

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