CN116547556A - 填充料位测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化雷达料位测量设备(1)，其能够被制造成紧凑的。为此目的，根据本发明的雷达料位测量设备的高频模块(11，12，120)在设备壳体(131)内借助于弹簧元件(130，133)被偏置，使得高频模块(11，12，120)的波导区段(120)以对应的力压靠天线装置(10)的对应的高频连接件(100)。从而确保了高频模块(11，12，120)借助于波导区段(100，120)与天线装置(10)的无间隙且因此低干扰的连接。这简化了料位测量设备(1)的模块化设计。在这种情况下，特别是在高频模块(11，12，120)朝向天线装置(10)容纳到设备壳体(13)的测量设备颈部(131)中的情况下，料位测量设备(1)能够被涉及成非常紧凑的。

Description

填充料位测量设备
技术领域
本发明涉及一种紧凑的模块化料位测量设备。
背景技术
在过程自动化中，对应的现场设备用于捕获相关的过程参数。为了获取相应的过程参数，因此在对应的现场设备中实现合适的测量原理，以便获取例如填充料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位或电导率作为过程参数。Endress+Hauser公司制造和销售多种这样的现场设备。
为了测量容器中的填充材料的填充料位，已经建立了非接触式测量方法，因为它们稳固并且需要最少的维护。无接触测量方法的另一个优点在于能够准连续地测量填充料位的能力。因此，基于雷达的测量方法主要用于连续填充料位测量领域(在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指频率在0.03GHz和300GHz之间的信号或电磁波)。一种已建立的测量方法是FMCW(“调频连续波”)。例如，在公开的专利申请DE 10 2013 108 490 A1中描述了基于FMCW的填充料位测量方法。
原则上，基于雷达的料位测量设备的天线装置将被附接成与容器内部直接接触，因为在天线装置和填充材料之间不存在雷达信号不可渗透的屏障。相比之下，料位测量设备的电子模块——诸如用于高频信号生成的雷达专用高频模块——以及用于数据处理和数据传输的其它单元在容器外部容纳在单独的设备壳体中。这是因为主要出于防爆目的而通常需要有源模块——即，通电模块——和无源天线装置之间的空间分离。为此，设备壳体包括测量设备颈部(neck)，天线装置经由该测量设备颈部机械连接到设备壳体。在这种情况下，朝向天线装置的对应的防爆屏障被布置在测量设备颈部中。除了防爆要求之外或作为防爆要求的替代，测量设备颈部可能必须满足进一步的保护功能。取决于应用，高温、高压或危险气体在容器内部占主导地位。因此，取决于应用，测量设备颈部必须起到压力密封、温度屏障和/或介质密封的作用。
为了使设备壳体和位于其中的(接口)模块不仅能够用在料位测量设备中，而且还可以作为用于其它现场设备类型的平台，并且为了使设备壳体能够被设计为总体上更加紧凑，专用于基于雷达的料位测量设备的高频模块能够被容纳在测量设备颈部中。然而，由于特殊的隔热和防爆要求，测量设备颈部的空间条件极其有限。为此，很难将雷达专用高频模块容纳在测量设备颈部。特别是在模块化设计的情况下，高频模块到天线装置的连接也是具有挑战性的，因为连接必须被设计成可释放的，并且对应的波导区段之间的任何插头连接增加了高频干扰的风险。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种紧凑的模块化料位测量设备。
本发明借助于一种基于雷达的料位测量设备来实现该目的，该基于雷达的料位测量设备用于确定容器中的填充料位，并且包括以下组件：
-天线装置，其能够经由高频连接件控制，并且借助于该天线装置，雷达信号能够在每种情况下朝向填充材料被发送，并且借助于该天线装置，在雷达信号在填充材料表面上反射之后，能够在每种情况下接收对应的接收信号，
-高频模块，其包括：
o发射/接收单元，其被设计成根据定义的测量原理生成雷达信号，并且在雷达信号在填充材料表面上反射之后，根据实现的测量原理基于对应的接收信号来确定填充料位，还包括：
o电子封装，在该电子封装中布置有发射/接收单元，使得发射/接收单元和第二波导区段能够为了防爆的目的借助于灌封直到馈通部而被封闭在电子封装内，并且包括：
o第二波导区段，为了传输雷达信号，该第二波导区段被连接到发射/接收单元，使得第二波导段被引导出电子封装，
-设备壳体，其邻近天线装置并且高频模块被布置在设备壳体中，或者高频模块被布置在设备壳体的测量设备颈部中，以及
-弹簧元件，该弹簧元件将高频模块或电子封装偏置抵靠设备壳体或测量设备颈部，使得被引导出的第二波导区段在公共波导轴线的方向上以对应的力压靠在高频连接件上。
根据本发明的弹簧元件确保了高频模块经由波导区段或对应的高频连接件与天线装置的无间隙并且因此低干扰的连接，其结果是简化了料位测量设备的模块化设计。在这种情况下，特别是在高频连接件和波导区段被设计为中空导体的情况下，通过挤压降低了HF干扰敏感性。在这种情况下，如果为了使天线装置电解耦而在高频连接件和波导区段之间布置双向形状配合的电隔离件，则也能够应用根据本发明的挤压波导区段的原理。
特别是在设备壳体包括测量设备颈部作为朝向天线装置的热解耦的情况下，根据本发明的电子模块的挤压具有有利的效果。在这种情况下，要连接到天线装置的高频模块能够在根据本发明的偏置下布置在测量设备颈部中。一方面，这节省了实际设备壳体中的空间。另一方面，这种设计使天线装置和高频模块之间的高频路径的长度最小化，从而进一步降低了填充料位测量范围内的HF干扰敏感性。
在本发明的意义上，高频模块或其波导区段是在压力下还是在张力下被弹簧元件压靠在高频连接件上并没有被固定规定。因此，弹簧元件可以设计为压力弹簧和拉伸弹簧。如果弹簧元件被设计为压力弹簧，则压力弹簧将被布置在电子封装的与波导区段相对的外侧上，以用于偏置设备壳体内或测量设备颈部内的高频模块。如果弹簧元件被设计为拉伸弹簧，则拉伸弹簧将被布置在电子封装的面向波导区段的外侧上，以用于偏置设备壳体内或测量设备颈部内的高频模块。取决于设计，弹簧元件因此能够被设计为例如一个或多个波形弹簧、螺旋弹簧或碟形弹簧。
为了使高频模块在制造期间能够简单且安全地插入到设备壳体或测量设备颈部中，可以设计具有至少一个这样的引导元件的料位测量设备，使得高频模块在设备壳体内或测量设备颈部内沿着高频连接件或波导区段的公共波导轴线被引导。这确保了波导区段在安装期间以精确配合与高频连接件对接。
在本发明的范围内，术语“单元”或“模块”原则上被理解为意指适当设计用于预期目的——例如为了高频生成或作为接口——的任何电子电路。取决于需要，对应的单元因此可以是用于生成或处理对应的模拟信号的模拟电路。然而，该单元也可以是数字电路(诸如FPGA)，或者与程序交互的存储介质。在这种情况下，程序被设计成执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在这种情况下，在本发明的意义上，测量设备的各种电子单元或模块也能够潜在地访问公共的物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。具体地，用于经由波导控制天线装置的发射/接收单元能够是基于例如FMCW方法或脉冲传输时间方法。
附图说明
参考以下附图更详细地解释本发明。在附图中：
图1示出了容器上的基于雷达的料位测量设备，
图2示出了根据本发明的料位测量设备的横截面图，以及
图3示出了在波导区段的区域中的料位测量设备的详细视图。
具体实施方式
为了基本理解基于雷达的填充料位测量，图1示出了具有填充材料2的容器3，其填充料位L将被确定。取决于填充材料2的类型并且取决于应用领域，容器3能够达100m以上高。容器3中的条件也取决于填充材料2的类型和应用领域。例如，在放热反应的情况下，会出现高温和高压负载。在含有灰尘或易燃物质的情况下，容器内部必须保持对应的防爆条件。
为了能够独立于主要条件确定填充料位L，基于雷达的料位测量设备1在填充材料2上方的已知安装高度h处被附接到容器3。在这种情况下，料位测量设备1被紧固到容器3的对应的(凸缘)开口，或者被对准使得料位测量设备1的天线装置10垂直指向容器3内并朝向填充材料2。其中容纳有电子部件11的料位测量设备1的其余设备壳体13布置在容器馈通部的外部。由于设备壳体13中的电子组件11通过测量设备颈部131与天线装置10或容器内部的空间分离，一方面确保了容器3内的防爆。另一方面，设备壳体13或测量设备颈部131中的电子组件10免受来自容器内部的温度和压力负载影响。如图1和图2所示，测量设备颈部131具有对应的冷却肋，用于使设备壳体13热去耦。
由于在容器3上的布置，料位测量设备1可以经由天线装置10在填充材料2的表面的方向上垂直地发送雷达信号SHF。在填充材料表面上反射之后，料位测量设备1经由天线装置10再次接收反射的雷达信号RHF。在这种情况下，发送和接收相应的雷达信号SHF、RHF之间的信号传输时间与料位测量设备1和填充材料2之间的距离d成比例，其中信号传输时间例如能够由料位测量设备1借助于FMCW方法或者借助于脉冲传输时间方法来确定。因此，料位测量设备1能够例如基于对应的校准将测量的传输时间分配给相应的距离d。这样，只要安装高度h存储在料位测量设备1中，料位测量设备1可以根据下式再次确定填充料位L。
d＝h-L
通常，料位测量设备1经由容纳在设备壳体13中的接口模块——诸如“PROFIBUS”、“HART”或“Wireless HART”——连接到上级单元4，诸如过程控制系统。以这种方式，能够传输填充料位值L，例如以便在必要时控制容器3的流入或流出。然而，也能够传送关于料位测量设备1的一般操作状态的其它信息。
如图2所示，料位测量设备1内的天线装置10由高频模块11、12、120通过高频技术控制。在高频模块11、12、120的对应设计的发射/接收单元11中，FMCW方法或脉冲传输时间测量原理例如被实现用于基于进入的接收信号RHF来确定信号传输时间。此外，发射/接收单元11用于生成要发送的雷达信号SHF。为此，在所示的实施例变型中，发射/接收单元11在电路板的面向天线装置10的一侧上布置在测量设备颈部131内，例如作为单片封装的SMD部件。
电路板与发射/接收单元11一起被高频模块11、12、120的电子封装12包围。电子封装12能够由诸如PC、PE、PP或PA的塑料制成。一方面，这使得可以借助于用于防爆目的的灌封化合物(在图2中未明确示出)将电路板与发射/接收单元11附加地封装在一起。另一方面，根据本发明，发射/接收单元11到天线装置10的耦合借助于高频模块11、12、120成为可能。为此目的，在图2所示的实施例变型中，天线装置包括直的中空导体区段100作为高频连接件100，高频模块11、12、120可以通过高频技术经由该高频连接件100接触天线装置10。
为了从发射/接收单元11或向发射/接收单元11传输雷达信号SHF、RHF，同样直的中空导体段120被分配给高频模块11、12、120，该中空导体段120在料位测量设备1的完全组装状态下相对于电路板从发射/接收单元11朝向高频连接件100正交地延伸。在这种情况下，中空导体区段120经由螺纹连接件122被紧固到电子封装12的馈通部121，使得中空导体区段120穿过电子封装12的壁被引导至外部。为此，中空导体区段120在空腔周围具有在中空导体轴线a上对齐的外螺纹，使得中空导体段120通过对应的螺母从外部紧固在电子封装12上，如图2所示。代替图2中所示的螺纹连接件122，中空导体段120也能够相应地通过替代的紧固——例如借助于销——紧固到电子封装12的馈通部。
此外，电路板借助于至少一个紧固装置被安装在中空导体段120上，发射/接收单元11在该电路板上被布置在电子封装12内。在这种情况下，紧固装置能够是粘合剂连接件或者也是销或螺纹连接件。因此，电路板或发射/接收单元11在电子封装12内是自支撑的。也就是说，作为经由中空导体区段120的间接固定的结果，发射/接收单元11不需要直接固定到电子封装12。结果是，电路板以及因此电子封装12能够被设计成总体上非常紧凑，使得高频模块11、12、120在测量设备颈部131中的容纳被简化。
如图2所示，除了发射/接收单元11之外，还能够在高频模块11、12、120的电子封装12内布置另外的电路板15。如图所示，这些另外的电路板能够借助于例如机械柔性电缆束电连接到其上布置有发射/接收单元11的电路板。在这种情况下，为了制造高频模块11、12、120，发射/接收单元11和任何另外的电路板15能够借助于被设计为发射/接收单元11或另外的电路板15的负型的组装辅助装置例如从电子封装12的背离馈通部121的一侧插入。
在组装状态下，即一旦高频模块11、12、120被插入测量设备颈部131，设计为中空导体的高频连接件100和高频模块11、12、120的中空导体区段120以这样的精确配合彼此相邻(或者高频连接件100和中空导体区段120分别与以这样的精确配合布置在它们之间的电隔离件140相邻)，使得中空导体区段100、120形成共同的中空导体轴线a。因此，实现了雷达信号SHF在天线装置10和发射/接收单元11之间的无损传输。因此，在图2所示的实施例变型中，高频模块11、12、120被设计成使得在插入测量设备颈部131内期间，电子封装12相应地(从背离天线装置10的端部区域)在中空导体区段100、120的中空导体轴线a的方向上被引导。为此，在电子封装12的延伸部分——对应于测量设备颈部131的内壁——中，在该区域中围绕第二中空导体区段120径向对称地形成了对应的引导元件14。
由塑料或陶瓷制成并在图2中示出的可选的电隔离件140用于将天线装置10与发射/接收单元11或设备壳体13中的其它电子组件电解耦。为此，电隔离件140以精确配合布置在高频连接件100和中空导体区段120之间，其中电隔离件140由诸如陶瓷或塑料的电绝缘材料制成，并且具有对应于中空导体100、120的内部横截面的馈通部。
为了使天线装置10的高频连接件100和高频模块1、12、120的中空导体段120在电子封装12的插入状态下彼此相邻或者无间隙地与电隔离件140相邻，根据本发明，弹簧元件130在引导元件14的引导下将电子封装从测量设备颈部131内部朝向天线装置10挤压，使得中空导体区段120以对应的弹簧力压靠在高频连接件100的中空导体上。这进而确保无损信号传输。在图2所示的实施例变型中，弹簧元件130被设计成波形弹簧。在这种情况下，波形弹簧130在测量设备颈部131内被夹紧在凹槽或锁定环132和电子封装12的背离中空导体区段120的该外侧之间。
与图2中示出的实施例变型相比，可替代地，也可以想到将弹簧元件130、133设计为拉伸弹簧133并且将弹簧元件130、133在设备颈部131中夹紧在天线装置10和电子封装12之间，以便进而以对应的弹簧力将第二波导区段120拉向第一波导区段100。根据本发明的高频模块11、12、120的这种固定可能性在图3中示出。在那里示出的实施例中，弹簧环133在中空导体区段120的料位处设置在电子封装12的外侧。在这种情况下，弹簧环133被设计成在高频模块11、12、120插入测量设备颈部131中的状态下从内侧压靠电子封装12的引导元件14，使得引导元件14的环形外卷边向外接合在测量设备颈部131的对应的凹槽中。在这种情况下，弹簧环133的位置、外卷边的位置和凹槽的位置被选择为向下如此远，使得中空导体段120又以限定的张应力并且没有间隙地压靠在天线装置10的高频连接件100上。
不管弹簧元件130、133设计为拉伸弹簧133还是压力弹簧130，除了中空导体100、120之间的无间隙密封之外，夹紧还导致电子封装12固定在测量设备颈部12内。在这种情况下，根据本发明，如果电子封装件12直接容纳在设备壳体13中，中空导体区段120压靠高频连接件100也能够实现。如果料位测量设备1的设备壳体13不包括测量设备颈部131，或者如果中空导体形状的高频连接件100延伸穿过整个测量设备颈部131，则能够是这种情况。此外，如果单独中空导体区段100、120不被设计成中空导体，而是例如设计成介质波导，则也能够实现根据本发明的单独中空导体区段100、120的压靠。
附图标记列表
1 料位测量设备
2 填充材料
3 容器
4 上级单元
10 天线装置
11 发射/接收单元
12 电子封装
13 设备壳体
14 引导元件
15 电路板
100 高频连接件
120 波导区段
121 电子封装中的馈通部
122 螺纹连接件
130 弹簧元件
131 测量设备颈部
132 锁定环
133 弹簧环
140 电隔离件
a 波导轴线
d 距离
h 安装高度
L 填充料位
RHF 反射的雷达信号
SHF 雷达信号

Claims (9)

1.一种用于确定填充材料(2)的填充料位(L)的基于雷达的料位测量设备，包括以下部件：
-天线装置(10)，所述天线装置能够经由高频连接件(100)控制，并且
o借助于所述天线装置(10)，雷达信号(SHF)能够在每种情况下朝向所述填充材料(2)被发送，以及
o借助于所述天线装置(10)，在所述雷达信号(SHF)在填充材料表面上反射之后，接收信号(RHF)能够在每种情况下被接收，
-高频模块(11，12，120)，所述高频模块包括：
o发射/接收单元(11)，所述发射/接收单元被设计成生成所述雷达信号(SHF)，并且在所述雷达信号(SHF)在填充材料表面上反射之后，基于对应的接收信号(RHF)来确定所述填充料位(L)，包括：
o电子封装(12)，在所述电子封装中布置有所述发射/接收单元(11)，并且包括：
o第二波导区段(120)，为了传输雷达信号(SHF，RHF)，所述第二波导区段(120)被连接到所述发射/接收单元(11)，使得所述第二波导区段(120)被引导出所述电子封装(12)，
-设备壳体(13)，所述设备壳体被连接到所述天线装置(10)，并且所述高频模块(11，12，120)被布置在所述设备壳体(13)中，以及
-弹簧元件(130，133)，所述高频模块(11，12，120)借助于所述弹簧元件(130，133)抵靠所述设备壳体(13)被偏置，使得所述波导区段(120)在公共波导轴线(a)的方向上以对应的力压靠在所述高频连接件(100)上。
2.根据权利要求1所述的料位测量设备，其中，所述弹簧元件(130，133)被设计为压力弹簧(130)，所述压力弹簧(130)在所述电子封装(12)的、与所述波导区段(120)相对的外侧上被布置在所述设备壳体(13)内，以用于偏置所述高频模块(11，12，120)。
3.根据权利要求1所述的料位测量设备，其中，所述弹簧元件(130，132)被设计为拉伸弹簧(133)，所述拉伸弹簧(133)在所述电子封装(12)的、面向所述波导区段(120)的外侧上被布置在所述设备壳体(13)内，以用于偏置所述高频模块(11，12，120)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的料位测量设备，其中，所述弹簧元件(130，133)被设计为波形弹簧(130)、螺旋弹簧、碟形弹簧和/或弹簧环(133)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的料位测量设备，其中，所述设备壳体(13)经由测量设备颈部(131)被连接到所述天线装置(10)，所述高频模块(11，12，120)布置在所述测量设备颈部中。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的料位测量设备，其中，至少所述发射/接收单元(11)借助于灌封而被灌封在所述电子封装(12)内。
7.根据前述权利要求中的一项所述的料位测量设备，包括：
-至少一个引导元件(14)，所述至少一个引导元件被设计成沿着所述公共波导轴线(a)在所述设备壳体(13)内或在所述测量设备颈部(131)内引导所述高频模块(11，12，120)。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的料位测量设备，其中，所述高频连接件(100)和所述第二波导区段(120)被设计为中空导体。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的料位测量设备，其中，双向形状配合的电隔离件(140)被布置在所述高频连接件(100)和所述波导区段(120)之间。
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