CN1250944C - 测定物料极限料位的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测定带有已知介电常数物料的极限料位的方法和装置，本发明使用支架，其中设置导电棒，当达到极限料位时浸入所要监测的物料中，并与一电路连接。该电路产生高频发射脉冲，它们按照时域反射测量法原理通过导线传送到棒上。物料临界层上向空气中反射的信号借助其曲线形状计值。

Description

测定物料极限料位的方法及其装置

本发明涉及一方法，用于测定带有已知介电常数物料的极限料位，使用支架作为过程引线，其中设置带有一端的导电棒或者设置多个分别带有一端的导电棒，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料中，其中，处于支架中的棒端通过电线与产生高频发射脉冲的电路连接，电路为接收回波具有回波放大器，其中，高频发射脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法原理，通过电线传送到棒上，其中，物料临界层上向空气反射的信号被导回回波放大器用于计值，反射信号时基扩展，并分为三个时间上连续的区域，即发射脉冲(I段)，渡越时间(II段)和时间扫描窗口(III段)，其中，时间扫描窗口在一起动时间点开始。同样，本发明还涉及上述方法应用的时域反射计。

为确定容器中介质的极限料位或者料位，公开了在时域反射测量法(time domain reflectometry，TDR)的基础上使用传感器测量料位或极限料位，对此US-A-5.609.059有所介绍。这种传感器作为连续的系统工作，并以测量沿一裸露的波导管传输的电磁信号的渡越时间为基础，即对渡越时间和反射到波导管上的脉冲计值。根据介质的料位，波导管伸入或者不伸入介质中，在第一种所述情况下利用信号传递一极限值。波导管例如为索末菲(Sommerfeld)导线、古博(Goubau)导线、同轴电缆、微波带或者同轴或者平行设置两条电线，例如两个探测棒。如果它们与介质接触，那么，波阻抗由于不同于空气的介电常数而改变。介质在与周围介质的临界面上或也在介质内部层形成的情况下，由于其介电特性的跳跃式变化，造成在浸入的波导管的传输特性中的不连续性，以至于沿着或在波导管内部传输的脉冲在这些部位上至少部分得到反射。因此，从回射的信号中通过将接收回射脉冲的时间点与发射的时间点进行比较可以确定临界层的距离或高度。在这种情况下，通过回波-振幅的计值进行渡越时间测量。若DK值较低，则不能进行振幅计值。

Wolfgang Hillberg介绍了导线上的脉冲过程：《导线上的脉冲》，Oldenbourg出版社，1981年。只要导线特性，特别是横截面保持相同，波在导线上就不变地延续。如果这一点突然改变，那么，在这一部位上，正向波被分裂为反射的回程的部分波和断裂的继续行进的部分波。接合处上的反射波具有与正向波相同的形状；只是反射波的运行方向以及振幅得到改变。如果将陡波发送到一导线的裸露导线端上，也就是在某个波阻抗向波阻抗∞过渡时以及输入端上匹配关系情况下，那么，回程波的电压增加一倍，电流相反。在导线端短接情况下，反射带有反向符号的电压，电流在相同符号时增加一倍。

在TDR传感器运行中，随着发射-触发信号的每个周期都产生并发出发射脉冲。回程反射信号被输送到信号扫描电路，以便可显示和可计值短时的时基扩展过程。这一点随着扫描频率的触发信号得到触发，其中，周期信号在扫描-触发-时间点上受到扫描。通过扫描-触发信号相对于发射-触发信号与时间成正比的延迟，扫描装置产生输出信号，其振幅变化通过探测信号相应的瞬时值产生。输出信号由此显示探测信号的时基扩展的图像。在放大和滤波后，该输出信号或其时隙形成反射分布图，从中可以测定回程反射信号的渡越时间并由此测定临界层的距离。

这种类型传感器中的问题是，相对于高频干扰信号具有较高的干扰灵敏性。耦合在波导管上的干扰信号与回程反射信号重叠，并同样由宽带扫描电路测定。典型的窄带干扰信号在对电磁一致性(EMV)进行测试时，通过80MHz至1GHz基本频率的载波振荡，利用低频调幅(例如1kHz)复制。如果载波频率处于扫描频率整数倍的附近，也就是处于所谓“频率接收窗口”的里面，那么，这种干扰不能通过按照扫描装置的低通滤波得到遏制。因为干扰信号按照带通滤波扫描的类型利用扫描频率受到扫描，所以相对于无干扰情况，反射分布图受到振荡的覆盖，使其计值变得困难，可能会出现误差。根据采用宽带接收电路和起到棒形天线作用的探针的测量原理，干扰的耦合因素非常高。因此，在干扰处于频率接收窗口内的情况下，一般很难对有效信号计值。

DE29815069U1公开了一种TDR极限料位传感器，它由浸入物料中的波导管构成，波导管上连接一抽样电路，抽样电路具有一发射脉冲发生器，用于产生脉冲的高频波信号，一接收器，用于接收高频波信号，一发射/接收分离器，用于区分发射的和接收的高频波信号，一扫描器，用于扫描接收的高频波信号，一扫描脉冲发生器，用于控制扫描器，还有一中间存储器，用于暂时储存接收的高频波信号。抽样电路具有两个振荡器，其中至少一个可在频率中变化，一个控制发射发生器，另一个控制扫描脉冲发生器。混频器从两个频率中形成差值，用于将时基扩展系数调整到额定值上。然而，这种装置的反射信号计值很差或很难，因为信号和反射信号几乎重叠，并且只有非常困难地花费很高的结构费用才能足以区分开来。

本发明的目的在于，提供一种方法，用于测定物料的极限料位以及确定物料的介电常数，同时提供一时域反射计，作为极限值开关为实施该方法用于测定物料的极限料位，时域反射计一方面具有提高的抗干扰性，可以通用，即不依赖于温度、压力，或者特别是不依赖于介质一液体或者松散物料的特性，并且也适用于带有较低介电常数DK(DK处于1.8至5之间)的物料。

该目的通过以下方法得以实现，即用于测定带有已知介电常数物料的极限料位的方法，使用支架作为过程引线，其中设置带有一端的导电棒或者设置分别带有一端的导电棒，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料中，其中，处于支架中的棒端通过电线与产生高频发射脉冲的电路连接，电路为接收回波具有回波放大器，其中，高频发射脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法、TDR测量法原理，通过电线传送到棒上，其中，物料临界层上向空气中反射的信号被导回回波放大器用于计值，反射信号时基扩展，并分为三个时间上连续的区域，即发射脉冲I段，渡越时间II段和时间扫描窗口III段，其中，时间扫描窗口在一起动时间点开始，具有下列特征：

a)在所要测定物料的两种运行状态下，即覆盖，短接或快速短接，以及无覆盖，空载运行时，棒-介质或棒-空气临界层上的反射信号通过波阻抗的变化产生，这种变化存在于棒-介质或者棒-空气临界层上，

b)回波放大器上收到的时基扩展反射信号的曲线形状用于确定极限料位，其中，在时间扫描窗口的内部，对反射信号的至少三个具有重要意义的点进行数字或借助于曲线作法计值，并从至少一个II段期间的曲线变化中测定基准电压，其中

c)无覆盖，空载运行，可以由此识别：时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：

·只存在一个测深点，它处于预先规定的第一个界线下面，界线通过偏置与基准电压区别开来，

d)第一种覆盖状态，可以由此识别：时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：

·存在一个测高点，它处于预先规定的第二个界线的上面，其中，该第二个界线同样从基准电压和偏置中测定，

e)第二种不同的覆盖状态，可以由此识别：时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：

·存在两个测深点，

·按时间先后排在第二的测深点以预先规定的数量低于第一个测深点，

f)第三种不同的覆盖状态，可以由此识别：时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：

·存在一个测深点，它处于预先规定的第一个界线下面，界线通过偏置与基准电压区别开来，

·在时间扫描窗口的起始时间点和测深点之间有一转折点，它处于一局部测高点和一局部测深点之间，其中，局部测深点和局部测高点超过预先规定的最小距离。

此外，该目的通过一时域反射计得以实现，它作为极限值开关用于测定带有已知介电常数物料的极限料位，带有支架作为过程引线，其中设置带有一端的导电棒或者设置分别带有一端的导电棒，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料中，其中，处于支架中的棒端通过电线与产生高频发射脉冲的电路连接，电路为接收反射信号、回波，具有回波放大器，其中，高频发射脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法原理，通过电线可传送到棒上，并且物料临界层上向空气中反射的信号被导回和时基扩展进回波放大器中用于计值，其中，棒和过程引线的波阻抗这样选择，在计值中可以分为三个时间上连续的区域，即发射脉冲I段，渡越时间II段和时间扫描窗口III段，其中，时间扫描窗口内部测定的反射信号的曲线形状用于确定极限料位，其中电路对曲线形状的具有重要意义的点计值。

本发明的主要优点在于，与现有技术相反，即使在DK值较低情况下也能可靠地计值。

作为极限值开关用于测定带有已知介电常数物料的极限料位的时域反射计，由作为过程引线的支架组成，其中至少设置带有一端的导电棒，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料中，其中，处于支架中的棒端通过电线与产生高频发射脉冲的电路连接，脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法、TDR测量法原理，通过电线可发送到棒上，其中，物料临界层上向空气中反射的信号被导回电路用于计值，其中，棒的波阻抗这样选择，使它与物料的波阻抗区别开来，得到的反射信号的曲线形状用于确定极限料位，并且直至对曲线形状的三个具有重要意义的点进行计值。优选物料具有大于1.8的介电常数。

本发明从这一事实出发，在接合处上反射的波具有与正向波相同的形状；只是回程波的运行方向以及振幅有所改变。在过程引线中使用两个平行棒的情况下，棒之间的波阻抗通过处于其间的物料得到改变。这种设置的波阻抗按如下计算：

$Z\·\frac{120}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}}}\·1n\left(\frac{2\mathrm{\α}}{d}\right)$

Z波阻抗/Ohm

ε_Γ相对介电常数(DK值)

α棒中心之间的距离/mm

d棒直径/mm

空载运行测量理解为来自发射脉冲的那个反射信号，它在空载运行时反射到棒端上，这意味着，棒端没有与物料接触。在极限料位情况下，反射的强度取决于DK值，在DK值较高时导致在从空气向介质过渡上最大部分得到反射，浸入物料中的棒端几乎还没有对信号变化产生影响。

依据本发明，对反射的脉冲形状计值，因为在不同的波阻抗情况下，不仅反射带有不同高度的振幅和不同的极性，而且依赖于物料的介电常数一DK值和棒被物料浸湿的反射信号会变形。如果物料的DK值大于10，那么，在棒端上出现几乎完全相反的脉冲，因为快速短接。带有较高DK值的典型介质是水，ε_Γ≈80或者Prilε_Γ≈40。

平均DK值处于5-10范围内；这里典型的介质是醋、蜂蜜和乙醇。在这里，棒上仅有条件地构成高反射，然而比带有低于5DK值介质的情况下要高得多。低DK值处于＞1-5范围内，其中，1为空气的DK值。该范围内典型的介质是咖啡粉、石膏、大米、盐和糖。在这些DK值中，棒上仅构成较小的反射，因为DK值与空气没有太大的区别，以至于因此差不多都存在带有裸露端电线的情况。当然，对带有DK值＞1.8的物料的识别已经覆盖了在过程自动化范围内使用的所有物料95％的光谱。

当物料具有DK值＞10的较高介电常数时，识别特征为d)，当物料具有5至10之间DK值的中等介电常数时，识别特征为e)，当物料具有DK值＜5的较低介电常数时，识别特征为f)。

采用本发明取得的结果表明，本发明以突出的方式完全适合于依据极限值带有粘附特性识别各种类型的介质，特别是松散物料或者液体或者粘性介质，如蜂蜜，因为依据本发明的方法如同时域反射计一样也可以忍受一定范围的粘附而不会出现误差，并始终能够识别出棒上没有物料或者介质。依据本发明的时域反射计识别的物料明显多于现有技术公开的传感器，在介质的DK值较低时对粘附在棒上的介质也不敏感，并在即使DK值较低的情况下也能够可靠地计值。

过程引线的波阻抗和尺寸最好这样选择，从而由此形成具有用于可靠计值极限料位的最多六个具有重要意义点的反射信号。最好由此对曲线形状的最多六个具有重要意义的点进行计值。反射信号的曲线形状最好在A/D转换之后借助电路扫描，其中，测定曲线形状处于时间扫描窗口中的具有重要意义的点，特别是测高点、测深点、局部测高点、局部测深点，并将其位置输送计值。通过依据本发明独特的曲线形状的计值，具有优点的是，即使在发射脉冲约300-600ps相当缓慢的上升时间情况下也可以使用较短的棒长度。较短棒长度的实用性与必须使用明显更长棒的振幅计值相比是另一个优点。

过程引线可以特别是过程螺栓连接。在本发明一优选的实施方式中，过程引线为带外部金属螺纹的管形过程引线，在过程引线的内部至少有一个绝缘体，作为棒以及同一棒的绝缘支架。

时间扫描窗口可以变化，而且同一窗口的起始时间点可以由此确定，即反射信号以一预先规定值偏离基准值，或者特别是以一预先规定值低于基准值。

最好使用两个平行设置在支架中的棒，其中，作为电线使用同轴电缆，其可选择的长度用于可预先规定延长正向的发射脉冲和返回的反射信号之间的渡越时间，并因此用于其短时的检波能力，其中，带有一个棒的同轴电缆的内导体和另一个棒通过外导体与电路的接地连接或者电容与接地连接。

电路最好具有延迟电路，电路中产生发射脉冲的矩形电压，随后将其输送到两个支路并延迟，其中，第一个支路的延迟提供发射脉冲，并大于提供扫描脉冲的第二个支路的延迟，其中，时基扩展借助于顺序-抽样-开关电路进行。时基扩展系数在此方面不必公知。

在本发明一优选的实施方式中，反射的信号由四-二极管-抽样电路扫描，并通过回波放大器以及通过A/D转换器输送到微处理器或者微控制器，它对反射的信号计值，并将结果“覆盖识别”或者“无覆盖识别”发送到显示单元或者转换成开关信号。

时间扫描窗口的起始时间点一般可以始终借助反射识别，渡越电线或者时间导线连接在过程引线上由于不同的波阻抗而产生反射。

按照这种方式测定的起始时间点带来的优点是，电路的时基扩展系数只需带有约±10％至±20％的精度，以至于电路能够以很少的费用实现。

从II段期间的多数曲线分布中，可以例如通过在多数曲线上取平均值确定一基线作为基准电压，其中，时间扫描窗口的起始时间点由此确定，即反射信号以一预先规定值偏离基线，并测定从反射信号中获得的时基扩展的信号在时间扫描窗口内，是否具有测高点，第一个测深点，第二个测深点和/或者局部测深点和局部测高点以及转折点。

从反射信号中获得的时基扩展的信号可以在一个周期中多次进行模-数转换和计值，其中，测定多数值并从中产生电压-平均值，该平均值作为测高点计值的基线，据此确定时基扩展的信号的值低于基线的值是否超过预先规定值，由此确定反射的起始时间点，此后在其他周期中从这一测定的起始时间点出发，利用扫描的最大重复率测定时基扩展信号，并询问时基扩展信号中是否含有测高点，第二个测深点或者局部测深点和局部测高点。

为测定极限料位，或者使用滤波器，例如FIR滤波器，或者使用两个计数器，而且一个计数器用于“覆盖识别”，一个计数器用于“无覆盖识别”，并将据此的识别发送到其中一个计数器上。

在支架中最好设置两个平行的棒。电线最好是同轴电缆，其可选择的长度用于可预先规定延长正向的发射脉冲和返回的反射信号之间的渡越时间，并因此用于其通过电路的可区别性，并因此是过程引线上的渡越时间导线，其中，带有其中一个棒的同轴电缆的内导体和另一个棒通过外导体与电路的接地连接。渡越时间导线因此连接在过程引线上。

同轴电缆的波阻抗可选择与过程引线的波阻抗不匹配。然而，在本发明一优选的实施方式中，同轴电缆的波阻抗选择与过程引线的波阻抗不匹配。

在本发明的一实施方式中，过程引线内部的绝缘体由带有不同介电常数的不同材料分层地组成，例如聚醚醚酮(PEEK)和特氟隆(PTFE)，以至于该绝缘体是层电介质，其中，这些材料一方面密封过程引线，另一方面具有最小厚度，它对于形成用于确定时间扫描窗口起动时间点的反射信号来说是必需的。过程引线最好为圆柱形，最好由电绝缘材料，如特氟隆或者PEEK组成，棒处于其中。这种材料还能在化学侵蚀性介质中使用时对棒进行保护。

在本发明一优选的实施方式中，棒具有涂层，例如特氟隆，陶瓷或者PEEK，其中，在使用特氟隆或者PEEK情况下，涂层厚度最好为0.1至1mm之间。在本发明的一实施方式中，棒从过程引线中伸出的长度为2至15cm，最好在5至7cm之间。

渡越时间电线从电路至连接到在棒处于过程引线中末端上的长度，在本发明的一实施方式中至少为30cm，最好30cm至60cm，以便简化发射脉冲和反射信号之间的短时分离。棒的间距最好在10mm和30mm之间。波阻抗可以通过该间距与棒直径的比例进行选择。过程引线的高度最好在2cm和5cm之间。在本发明一实施方式中，过程引线为气密结构，最好不超过30bar(30×10⁵帕斯卡)的压力。

附图简要说明，其中：

图1示出测量装置的方框图，带有设置在其上的过程引线，

图2a，b示出过程引线的等效电路图(a)，带有等效电路图所属的电压(b)，

图3示出测量到的不同物料的回波曲线，

图4示出过程引线的图示横截面，

图5示出一计值算法的流程框图，用于在使用“识别”和“不识别”两个计数器情况下测定极限料位，

图6a-d示出带有为其计值所使用的极限值的各回波曲线。

图1示出测量电路的基本结构，带有圆柱形过程引线12，它伸入含有物料介质11的容器10中。同轴电缆13连接在棒3，4的后端上，并起到渡越时间导线的作用。同轴电缆13在具有两个支路18，19的电路14中结束。

在作为TDR传感器或TDR传感器电子机构的电路14的运行中，利用发射-触发信号XTS的每个周期，该触发信号由触发-发生器23产生并借助于第一个延迟级20延迟一恒定的持续时间并具有脉冲复检频率fPRF通过发射级17产生并发出发射脉冲XS。典型的脉冲复检频率处于100kHz至几个MHz之间。

在电路14的信号扫描电路中，这里为四-二极管-抽样-电路22，发射级17的发射脉冲XS和反射信号XSonde受到扫描和时基扩展，由此信号，例如可以在微控制器或者微处理器中更为简单地计值。

周期性回程反射信号XSonde输送到信号扫描电路22，以便可以时基扩展地显示和计值短时过程。该电路利用扫描频率fA的触发信号XTA触发，其中，触发信号XTA利用第二个延迟级21并延迟一变化的持续时间，在扫描-触发时间点扫描周期性信号X_Sonde。这一变化的延迟可以通过微处理器16加以影响。通过扫描-触发信号相对于发射-触发信号与时间成正比的延迟，例如通过扫描-触发信号XTA相对于发射-触发信号XTS略微减小的频率，或者通过扫描-触发信号XTA相对于发射-触发信号XTS的相位调制，信号扫描装置22产生输出信号，其振幅变化通过探测信号的相应瞬时值得知。输出信号因此显示探测信号X_Sonde的时基扩展的图像。

在回波放大器15中放大和滤波后，该输出信号或同一信号的时隙形成反射分布图X_Video，从中可以测定回程反射信号的渡越时间并因此测定临界层的距离。反射分布图X_Video。通过A/D转换器24输送到微处理器16，微处理器对反射分布图依据本发明计值，并将结果“覆盖识别”或者“无覆盖识别”发送到例如显示单元25或者转换成开关信号。

反射信号的测量曲线如前所述依据软件计值，并确定最大值和/或者最小值和/或者转折点。从这些独特的曲线点中得出反射信号在不同介电常数DK时发生变化，以至于采用本发明也可以近似值的方式确定一种物料的DK值。原则上始终类似的曲线变化在所要测量物料的DK值方面有重要区别。从曲线变化中可以得知，物料的DK值越高，发射信号和反射信号之间依据曲线的升幅也就越高。

只是在物料的DK值较低时才会出现困难，如果这些物料低于DK 2.2...3值，然而，带有2.2...3数量级和低于此数量级的较低DK值的物料仍能准确鉴别，特别是在使用两个彼此平行分布的棒的情况下，其中，利用依据本发明的过程引线12，无论是带有较高还是带有较低DK值的物料都能有效计值。

图2a，b示出过程引线12(图2a)的等效电路图，带有等效电路图所属的电压(图2b)。在图2a中，为介绍本发明示出了过程引线12的等效电路图，左起TDR开关电路，接下去是导向过程引线12中棒上的渡越时间导线。TDR开关电路和渡越时间导线具有例如各为75Ohm的波阻抗。过程引线12例如为管形的金属过程引线12，带有多个合并的不同介电常数的绝缘材料，金属棒作为各带一端的探针设置在其中，其中，棒通过物料水平面的上升或者下降可浸湿或者释放。绝缘材料例如具有140Ohm或170Ohm的波阻抗，金属过程引线12本身为-245Ohm的波阻抗。棒例如具有250Ohm的波阻抗；物料或者棒端的波阻抗未公开。

与此顺序相应的是图2b中示出的利用正电压突变激励时反射信号的电压。在这种情况下重要的是，在两个棒的空载运行情况下，反射信号与发射脉冲相比一方面表现出过高，另一方面又具有与发射脉冲相同的符号。在短接情况下，反射信号的电压变化表现出下降，具有与发射脉冲相反的符号。

图3示出测量到的不同物料的回波曲线，它们是在利用依据图4的过程引线12的脉冲30激励时获得的。曲线图的左边是发送到棒上的发射脉冲。其右边列出包括空载运行曲线L_空载运行在内的不同物料，即Pril、蜂蜜和咖啡的不同反射。在发射脉冲和反射信号之间有一个相当直的曲线部分L_空载运行，它反映渡越时间导线并可将发射脉冲与反射信号实现足够的短时分离。

在回波放大器上得到的时基扩展反射信号的曲线形状用于确定极限料位，其中，例如对反射信号的三个具有重要意义的，处于预先规定的时间扫描窗口内部的点进行数字或借助于曲线作法计值。

可以看出，空载运行曲线相当于带有与发射脉冲相同符号方向的反射信号。如果反射信号或时基扩展信号的电压值超过预先规定值，那么，单个或者两个棒的自由端识别为未浸湿，棒处于空载运行中。如果棒正巧过渡到空载运行中，那么得到开关信号。

如果要么只识别处于预先规定电压界线上面的测高点，要么相应于发射信号的符号方向识别测深点，并且测高点具有与发射脉冲相反的符号方向(快速-短接)，物料的极限料位才被视为识别。在这种情况下，物料具有＞10的DK值。如果识别两个短时相距较远的并具有与发射脉冲相同符号方向的测深点，并在两个测深点之间测量的电压差超过预先规定的界线，或相应于发射脉冲的符号方向识别两个测高点，那么，同样识别具有5至10之间DK值物料的极限料位。

如果识别带有与发射脉冲相同符号方向的测深点和随后的带有与发射脉冲相反符号方向的测高点，或相应于发射脉冲的符号方向识别测高点，它们短时几乎彼此相邻并由此形成一准转折点，并且在测深点和测高点之间测量的电压差超过预先规定的界线，同样识别物料的极限料位。咖啡曲线的准转折点在这里通过两个短时几乎彼此相邻的极限点依据图3的最小值和最大值确定。

如果物料具有10以上DK值的高介电常数，识别只出现测高点的特征，它高于预先规定的电压界线并具有与发射脉冲相反的符号方向(快速短接)。

如果物料具有5至10DK值的中等介电常数，识别出现两个测深点的特征，它们在短时相距较远并如发射脉冲一样具有相同的符号方向，其中，在两个测深点之间测量的电压差超过预先规定的界线。

如果物料具有＜5DK值的低介电常数，识别出现带有与发射脉冲相同符号方向测深点和随后带有与发射脉冲相反符号方向测高点的特征，它们在短时几乎相邻并由此构成准转折点，其中，在测深点和测高点之间测量的电压差超过预先规定的界线。

反射信号的短时相距较远的两个测深点具有例如3至10msec之间的短时距离。与此相反，反射信号的随后测高点的测深点，在带有1.5-5之间低DK值的物料中，具有典型的仅0.1至3msec的短时距离。

依据TDR传感器的基本原理，从反射信号中获得的时基扩展的信号可以在一个周期中多次进行模-数转换和计值，其中，测定多数值并从中产生电压-平均值，作为用于释放时间扫描窗口的起动点和计值测高点的基准线，基线，据此确定时基扩展的信号的值是否超过了基准线下面的预先规定值，由此确定反射的起始时间点，此后在其他周期中从这一测定的起始时间点出发，利用扫描的高重复率测定时基扩展信号，并询问时基扩展信号中是否含有测高点，第二个测深点或者准转折点。

为测定极限料位，最好使用两个计数器，而且一个计数器用于“识别”，一个计数器用于“不识别”，其中，例如依据图5的流程框图使用计值算法。状态“覆盖”或“不覆盖”的检波最好例如通过FIR滤波器滤波，然后才发出。复检频率例如为增加耐干扰性的目的可以提高。

图4中示出过程引线12的图示横截面。过程引线12，例如处于压力罐上，为带金属螺纹的圆柱形过程引线12，在过程引线的内部有由绝缘材料8构成的作为片9的支架1以及棒3，4，在它们的端上各引入同轴电缆13的连接导线6，7，它们是渡越时间导线。同轴电缆13的波阻抗可与电路14的波阻抗匹配，然而，它不与过程引线12的波阻抗匹配，以至于在波阻抗之间形成突变，并由此在过程引线12上也形成所要求的反射，它的作用是明确确定反射信号开始。同轴电缆13和电路14的波阻抗例如可以处于65Ohm和85Ohm之间，最好为75Ohm。

电绝缘材料8可以是一特氟隆片8，其中，棒3，4的端穿过附加的PEEK片9，它安放在特氟隆片上。圆柱形过程引线1具有约4cm的高度s。棒3，4对称设置在圆柱体1的内部，穿出特氟隆圆柱体1。棒3，4具有2至15cm之间，最好5至7cm的自由棒长度。

过程引线12也可以是圆柱形过程引线12，仅由一种电绝缘材料8构成，如部分晶体的热塑性塑料特氟隆(PTFE)或者PEEK构成，棒3，4处于同一材料的过程引线内部。在这里，过程引线12的波阻抗不或不完全与渡越时间导线或同轴电缆13的波阻抗匹配。

依据本发明的时域反射计具有的优点是，特别是由于两个平行分布的棒3，4，由此实现反射脉冲的良好的反射性，反射脉冲通过渡越时间导线具有与发射脉冲在时间上的足够的分离，以至于反射特性，即反射信号产生的曲线形状，可以得到良好的计值。在时域反射计的另一个实施变化中，棒采用特氟隆或者陶瓷涂层，其中，在使用特氟隆时，层厚最好为0.1mm至1mm之间。在本发明的另一实施方式中，棒的间距(d)为10mm至30mm之间，正如过程引线12的高度(s)也可以为2cm和5cm之间那样。

图6a-d示出带有为其计值所使用的极限值的各回波曲线。图6a示出空载运行-回波曲线。如果时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性的话：只存在一个测深点TP，它处于预先规定的第一个界线(界线1)下面，即识别为空载运行，无覆盖。界线1从基线和预先规定的偏置中测定。

图6b示出Pril的回波曲线。如果时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：存在一个测高点HP，它处于预先规定的第二个界线(界线2)的上面，即由此识别第一种覆盖状态。界线2从基线和预先规定的偏置中测定。

图6c示出蜂蜜的回波曲线。如果时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性：

-存在两个测深点TP1，TP2，它们具有与发射脉冲相同的方向。

-第二个测深点TP2以预先规定的数量Δs处于测深点TP1的下面。

即由此识别第二种覆盖状态。

图6d示出咖啡的回波曲线。如果时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性的话：

-只存在一个测深点TP，它处于预先规定的第一个界线(界线1)下面。界线1从基线和预先规定的偏置中测定。

-在时间扫描窗口的起始时间点和测深点TP之间存在转折点，它处于局部测深点LTP和局部测高点LHP之间。局部测深点LTP和局部测高点在这种情况下超过预先规定的最小距离。

即由此识别第三种覆盖状态。

时间扫描窗口的起始时间点在此方面如下测定：

-测定II段中的基线。

-以预先规定的数量低于III段中的基线。

时间扫描窗口的起始时间点一般可以始终借助反射识别，渡越时间导线与过程引线12耦合上由于不同的波阻抗而产生反射。按照这种方式测定的起始时间点带来的优点是，电路14的时基扩展系数只需带有约±10％至±20％的精度，以至于电路14可以很少的费用实现。

Claims (20)

1.一种用于测定带有已知介电常数的物料(11)的极限料位的方法，使用支架(1)作为过程引线(12)，其中设置一个带有一端的导电棒(3，4)或者设置多个分别带有一端的导电棒(3，4)，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料(11)中，其中，处于支架(1)中的棒(3，4)端通过电线(5)与用于产生高频发射脉冲的电路(14)连接，电路为接收回波具有回波放大器(15)，其中，高频发射脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法原理，通过电线(5)传送到棒(3，4)上，其中，物料(11)临界层上向空气中反射的信号被导回回波放大器(15)用于计值，反射信号时基扩展，并分为三个时间上连续的区域，即发射脉冲I段，渡越时间II段和时间扫描窗口III段，其中，时间扫描窗口在一起动时间点开始，具有以下特征：

a)在所要测定物料(11)的两种运行状态下，即覆盖，短接或快速短接，以及无覆盖，空载运行时，棒-介质或棒-空气临界层上的反射信号通过波阻抗的变化产生，这种变化存在于棒-介质或者棒-空气临界层上，

b)回波放大器(15)上收到的时基扩展反射信号的曲线形状用于确定极限料位，其中，在时间扫描窗口的内部，对反射信号的三个或三个以上具有重要意义的点进行数字或借助于曲线作法计值，并从II段期间的曲线变化中测定基准电压，其中

c)无覆盖，空载运行，通过时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性来识别：

·只存在一个测深点(TP)，它处于预先规定的第一个界线下面，界线通过偏置与基准电压区别开来，

d)第一种覆盖状态，通过时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性来识别：

·存在一个测高点(HP)，它处于预先规定的第二个界线的上面，其中，该第二个界线同样从基准电压和偏置中测定，

e)第二种不同的覆盖状态，通过时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性来识别：

·存在两个测深点(TP1，TP2)，

·时间上第二测深点(TP2)以预先规定的数量处于第一测深点(TP1)的下面，

f)第三种不同的覆盖状态，通过时间扫描窗口内部的反射信号具有以下特性来识别：

·存在一个测深点(TP)，它处于预先规定的第一个界线下面，界线通过偏置与基准电压区别开来，

·在时间扫描窗口的起始时间点和测深点(TP)之间有一转折点，它处于一局部测高点(LHP)和一局部测深点(LTP)之间，其中，局部测深点(LTP)和局部测高点(LHP)超过预先规定的最小距离。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，时间扫描窗口的起始时间点由此确定，即反射信号以预先规定值偏离基准值。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用两个平行设置在支架(1)中的棒(3，4)，其中，作为电线(5)使用同轴电缆(13)，其长度选择为用于预先规定延长正向的发射脉冲和返回的反射信号之间的渡越时间，并因此用于其短时的检波能力，其中，带有一个棒(3，4)的同轴电缆(13)的内导体和另一个棒(3，4)通过外导体与电路(14)的接地连接或者电容与接地连接。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，当物料具有介电常数值大于10的高介电常数时，识别特征为d)，当物料具有5至10之间介电常数值的中等介电常数时，识别特征为e)或者当物料具有介电常数值小于5的低介电常数时，识别特征为f)。

5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，

-从II段期间的多数曲线变化中确定一基线作为基准电压，

-时间扫描窗口的起始时间点由此确定，即反射信号以一预先规定值偏离基线，和

-测定在时间扫描窗口内部从反射信号中获得的时基扩展的信号，是否具有测高点，第一个测深点，第二个测深点或者局部测深点和局部测高点以及转折点。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，为测定极限料位，或者使用滤波器，或者使用两个计数器，而且一个计数器用于“覆盖识别”，一个计数器用于“无覆盖识别”，并将据此的识别发送到计数器之一上。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，对曲线形状的最多六个具有重要意义的点：测深点(TP)、第一测深点(TP1)、第二测深点(TP2)、测高点(HP)、局部测深点(LTP)和局部测高点(LHP)计值。

8.一种时域反射计，作为极限值开关使用，用于测定带有已知介电常数物料(11)的极限料位，使用支架(1)作为过程引线(12)，其中设置一个带有一端的导电棒(3，4)或者设置多个分别带有一端的导电棒(3，4)，其另一端当达到极限料位时浸入所要监测的物料(11)中，其中，处于支架(1)中的棒(3，4)端通过电线(5)与用于产生高频发射脉冲的电路(14)连接，电路具有回波放大器(15)以便接收反射信号和回波，其中，高频发射脉冲作为受到引导的微波，按照时域反射测量法原理，通过电线(5)可传送到棒(3，4)上，并且物料临界层上向空气中反射的信号被导回和时基扩展进回波放大器(15)用于计值，其中，棒(3，4)和过程引线(12)的波阻抗这样选择，使在计值中可以分为三个时间上连续的区域，即发射脉冲I段，渡越时间II段和时间扫描窗口III段，其中，时间扫描窗口内部测定的反射信号的曲线形状用于确定极限料位，其中电路(14)对曲线形状的最多六个具有重要意义的点：测深点(TP)、第一测深点(TP1)、第二测深点(TP2)、测高点(HP)、局部测深点(LTP)和局部测高点(LHP)计值。

9.按权利要求8所述的时域反射计，其特征在于，在支架(1)中设置两个平行的棒(3，4)，电线(5)为同轴电缆(13)，其长度选择为用于预先规定延长正向的发射脉冲和返回的反射信号之间的渡越时间，并因此是过程引线(12)上的渡越时间导线，其中，带有一个棒(3，4)的同轴电缆(13)的内导体和另一个棒(3，4)通过外导体与电路(14)的接地连接。

10.按权利要求9所述的时域反射计，其特征在于，同轴电缆(13)的波阻抗选择与过程引线(12)的波阻抗不匹配。

11.按权利要求8所述的时域反射计，其特征在于，过程引线(12)为带外部金属螺纹的管形过程引线(12)，在过程引线的内部有一个绝缘体，作为棒(3，4)以及同一棒的绝缘支架(1)。

12.按权利要求11所述的时域反射计，其特征在于，过程引线(12)作为绝缘支架(1)的内部绝缘体以分层方式由带有不同的介电常数的不同电绝缘材料(8)组成，并因此是层电介质，其中，这些电绝缘材料(8)一方面密封过程引线(12)，另一方面具有最小厚度，它对于形成用于确定时间扫描窗口起动时间点的反射信号来说是必需的。

13.按权利要求11所述的时域反射计，其特征在于，过程引线(12)为圆柱形，由特氟隆或者聚醚醚酮的电绝缘材料组成，棒(3，4)处于其中。

14.按权利要求8或者11所述的时域反射计，其特征在于，棒(3，4)具有涂层，该涂层包括特氟隆，陶瓷或者聚醚醚酮，其中，在使用特氟隆或者聚醚醚酮情况下，涂层厚度为0.1mm至1mm之间。

15.按权利要求8或者11所述的时域反射计，其特征在于，棒从过程引线(1，12)中伸出的长度为2至15cm之间。

16.按权利要求8或者9所述的时域反射计，其特征在于，渡越电线(5)从电路(14)至连接到处于过程引线(12)中的棒(3，4)末端上的长度至少为30cm。

17.按权利要求8或者11所述的时域反射计，其特征在于，棒(3，4)的间距(d)在10mm和30mm之间。

18.按权利要求8或者11所述的时域反射计，其特征在于，过程引线(12)的高度在2cm和5cm之间。

19.按权利要求8或者11所述的时域反射计，其特征在于，过程引线(12)为气密结构，最高可达30×10⁵帕斯卡的压力。

20.按权利要求8所述的时域反射计，其特征在于，反射的信号由四-二极管-抽样电路扫描，并通过回波放大器(15)以及通过A/D转换器(24)输送到微处理器(16)，微处理器对反射的信号计值，并将结果“覆盖识别”或者“无覆盖识别”发送到显示单元(25)或者转换成开关信号。

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