CN1257995A

CN1257995A - 液位计

Info

Publication number: CN1257995A
Application number: CN 99124390
Authority: CN
Inventors: 沃尔弗拉姆·吕特克; 约阿希德·诺伊豪斯; 拉尔夫·赖梅尔特; 沃纳·托伦
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2000-06-28
Also published as: JP2000258228A; CA2290266A1; EP1004858A1; JP3220124B2

Abstract

本发明涉及一种用于测量容器(3)内液体(1)液位的液位计,它可以在具有低介电常数的液体中无可指摘地测量,以及它的安装和维护既方便又经济。液位计包括:电子电路(13),它在工作时产生电磁信号;导体(7),它插入容器(3)内,浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)顺着此导体随液位一起浮动,浮子至少有一个反射电磁信号的分段;耦合器(9),它将信号从电路(13)传给导体(7),该导体(7)将信号导入容器(3)内并导出在浮子(11)上反射的信号;以及,接收和分析电路(15),它接收反射的信号、确定信号的传输时间和根据传输时间推断液位。

Description

液位计

本发明涉及一种用于测量容器内液体液位的液位计，其中，电磁信号朝充填物表面的方向发送并接收其回波。液位计测定信号用于去充填物表面及返回的路程所需要的传输时间，并据此确定液位。

借助于电磁信号工作的液位计用得很多，它们既可用于仓库管理也可用于加工工业，例如用于化学、食品工业和石油工业中。

此外在市场上可以买到借助微波工作的液位计。这些仪器分为两种；第一种，微波借助于天线朝充填物方向发送、在充填物表面反射以及接着在经过一个取决于距离的传输时间后重新接收，以及第二种，微波沿着波导朝充填物方向导引，在充填物表面由于在那里存在阻抗阶跃而反射，以及反射波沿着波导重新从容器引出。

作为波导既可以用单一的也可以用两个或多个互相平行排列的导体，它们从要测量的最高液位上方的一个位置向下延伸到容器内。

在DE-U9421870中说明了一种用于测量容器内液体液位的液位计，它包括：-电子电路，

--它在工作时产生电磁信号；-导体，

-它插入容器内；-耦合器，

-它将信号从电路传给导体，

---该导体将信号导入容器内并导出在充填物表面反射的信号；以及-接收和分析电路，

-它接收反射信号，

-它确定电磁信号的传输时间，以及

-它根据传输时间推断液位。

例如在EP-A780665中介绍了用于发生电磁信号的电子电路以及接收与分析电路。

在按DE-U9421870的液位计中，信号是短的电磁脉冲，它们在充填物表面被反射。在这里信号被反射的部分取决于充填物与处于充填物上方的介质介电常数之差。

若此差值越大，测量效果越明显以及可以无异议地确定传输时间。但如果此差值小，那么不再能够迅速地确定来自充填物表面的反射。在这种应用条件下所说明的这种液位计不能正常工作。这种成问题的应用的一个例子是测量装有油的容器的液位。油的介电常数约为2，通常处于油上方的空气介电常数为1。

这种效果还出现在借助于自由微波测量液位时，微波朝充填物表面的方向发送，在此表面反射以及分析它的回波信号以确定液位。

在DE-A4419462中介绍了一种用微波工作的液位计，其中微波被发送到插入容器中的波峰管内。在这里波峰管用作微波的波导管。在此文件中指出，当应用于充填物有低的介电常数时在波峰管内设一具有强反射表面的浮子。

波峰管尺寸很大因而不是一种轻便的构件，当只有小的位置和/或规定用于液位计的孔直径过小时它便无法使用。波峰管的安装麻烦和昂贵。此外，当例如波峰管要与粘滞和/或发粘的介质接触的应用情况下，需要按规定清洗，以便浮子能保持自由运动的能力。

本发明的目的是提供一种测量容器内液体液位的液位计，其中，朝充填物表面发送电磁信号并接收其回波，对于介电常数低的液体可以无可指摘地测量以及它的安装和维护既简单又经济。

为此，本发明针对一种用于测量容器内液体液位的液位计，它包括：-电子电路，

-它在工作时产生电磁信号；-导体，

-它插入容器内，浮子顺着此导体随液位一起浮动，

---浮子至少有一个反射电磁信号的分段；-耦合器，

-它将信号从电路传给导体，

---该导体将信号导入容器内并导出在浮子上反射的信号；以及-接收和分析电路，

-它接收反射的信号，

-它确定电磁信号的传输时间，以及

-它根据传输时间推断液位。

按一种设计，浮子是一个空心体，以及反射电磁波的分段是空心体的一个金属的或镀金属层的外表面。

按一种设计，分段是一个设在浮子内部反射电磁信号的表面。

按一种设计，分段是一个垂直于导体轴线延伸反射电磁信号的表面。

按一种设计，浮子用一种有高介电常数的材料制成，这种材料反射电磁信号。

按一种设计，在导体背离耦合器的那一端设支架，当液面低于支架时浮子搁在支架上。

按一种设计，浮子从各方面围绕着导体的圆柱段。

按一种设计，反射的分段有一反射的表面，此表面与充填物表面处于一个平面内。

这样一种液位计提供的优点是，即使液体有低的介电常数也能可靠地测量。

现在借助于表示六种实施例的附图进一步说明本发明及其他优点；在图中同样的部分采用相同的标号。其中表示：

图1按本发明的液位计第一种实施例示意图；液位计在容器内；

图2液位计第二种实施例；

图3液位计第三种实施例；

图4液位计第四种实施例；

图5液位计第五种实施例；以及

图6液位计第六种实施例；

图7图1的电子电路和接收与分析电路；以及

图8有和没有浮子时液位计的测量信号变化曲线。

图1表示按本发明的液位计第一种实施例。它用于测量在容器3内液体1的液位。

液位计包括一个设在容器3外部的外壳5，导体7与它连接，导体伸入容器3内。设有一个与外壳5连接的耦合器9，如图1中仅示意地表示的那样，耦合器装在容器3的孔内。此耦合器9例如可以有外螺纹，它借助于外螺纹可旋入制在此孔上的内螺纹中，或耦合器可以有一法兰，法兰可固定在围绕此孔的相配法兰上。同样可以设想其他一些为专业人员所熟知的固定方式。

导体7在耦合器9内从外壳5导引到容器3内。导体7例如是一根机械上刚性的杆，或机械上刚性的金属丝。但也完全可以采用一根张紧的钢索，它的一端固定在外壳5或耦合器9上，它的另一端固定在容器的底部。取代此另一端在容器底上的固定，也可以在此另一端上固定一个重物，借助于此重物将钢索张紧。

在导体7上设一浮子11，它漂浮在液体上并因而随容器3内的液位一起浮动。图1中用波纹线示意地表示液位。

设有一个电子电路13，它在工作时发生电磁信号S。此信号S通过耦合器9从电路13传给导体7，并沿着此导体7导入容器3内。

浮子11有至少一个反射电磁信号的分段，在分段上反射部分信号S。在浮子11上反射的信号R经导体7从容器3导出。

反射的信号R输入接收和分析电路15，它接收此信号，确定电磁信号S从电子电路13到浮子11以及反射信号R从浮子11到接收与分析电路15的传输时间，并据此推断液位。

电磁信号的传播速度和电子电路13与容器底部之间的距离以及接收及分析电路15与容器底部之间的距离，或者本来就是已知的，或者可通过简单的基准测量获得。根据测得的传输时间，借助于上述数据，便可得出浮子11的反射分段在容器底部上方的高度，从而得出液位高度。

在图1的实施例中，浮子11是有一中心孔的扁平环盘状空心体，导体7通过中心孔导引。浮子11从各方面围绕着导体7的圆柱段。在浮子11与导体7之间存在一个圆柱环状间隙，所以浮子11可沿导体7自由运动。

此浮子11反射电磁波的分段是空心体的金属或镀金属层的外表面17。外表面17面朝着耦合器9并垂直于导体7的轴线21延伸。

在导体7背离耦合器9的那一端设有支架19，当液体表面位于支架19的下方时浮子11搁在支架上。支架19在图中只是示意地表示，它例如由一个垂直于导体7的轴线21延伸的螺栓构成，螺栓例如穿过导体7旋入并有两个端部，这两个端部至少朝导体7的两侧伸出如此之远，以致浮子11可通过支架19固定在导体7上。

图2表示了按本发明的液位计第二种实施例。它与图1所示实施例的区别仅仅在于，设有另一种浮子11a和另一种支架19a。浮子11a是一个金属的或镀金属层的空心体，它与图1中表示的浮子11完全一样是圆柱环状的，不过与图1表示的浮子11不同，它不是扁平的而是沿轴向有一个高度H，高度的尺寸与浮子11a的外径D有同一个数量级。

支架19a由成形在导体7背对耦合器那一端上的圆柱形端段构成。

图3、4、5和6中表示了其它一些实施例，它们与前面两种的区别仅仅在于浮子11b、11c、11d和11e的具体设计。这些液位计当然同样可以设有如图1和2所表示的实施例中相同的支架。

在图3的实施例中，浮子11b有一个用塑料例如聚四氟乙烯(PTFE)制的圆柱环形空心体23。反射电磁信号的部分表面是设在空心体23面朝耦合器的端面上的环形盘状金属板25。这种实施例的优点是，环盘状金属板可以松动地放在一个简单的浮子上。这样做成本低，装配简单，并因而只需要少量的费用。

在图4的实施例中浮子11c是一个实心的圆柱环，它用一种有高介电常数的材料制造，这种材料反射电磁波。高的介电常数指的是此介电常数的数值明显地大于处于充填物上方的介质的介电常数值。典型地，处于充填物上方的是空气，它的介电常数为1。与空气相结合，若有一种具有介电常数大于3的材料，便足以获得一个足够高的反射系数。

这种浮子的优点在于它们是一个均质体。因为不需要任何连接，所以此类浮子的加工十分简单。

当例如由于力学和/或化学稳定性的原因应采用介电常数低的材料制的实心浮子时，如图5所示可设浮子11d，它有一实心的基体27，在此基体面朝耦合器的端面上施加一个薄的强烈反射电磁信号的镀层29，例如金属镀层、安置一块薄的金属板或涂覆一个导电的塑料层。

图6表示具有浮子11e的另一种实施例，其中反射电磁信号的层31设在浮子11e两个分体33之间。分体33既可以是实心的构件也可以是空心体。层31例如是其中一个分体的金属镀层、一个金属盘或一个由导电塑料构成的层。层31最好完全处于浮子11e的内部。

这样做提供的优点是，反射电磁信号的分段，在这里是盘31，与充填物不接触。因此它实际上不存在被腐蚀的危险。所以此分段可以用简单的和便宜的材料制造。

浮子11、11a、11b、11c、11d、11e的各个部分的材料和尺寸，最好考虑到充填物的比重按这样的方式选择，即，使各种反射分段都有一个与充填物表面处于同一平面内并垂直于导体7轴线21延伸的反射面。

在图1的浮子11中这是外表面17，在图2的浮子11a中这是空心体面朝耦合器的一个环形盘状端面；在图3的浮子11b中这是金属板25；在图4的浮子11c中这是浮子11c面朝耦合器的一个环形盘状端面；在图5的浮子11d中这是层29；以及在图6的浮子11e中这是反射层31。

当反射分段有一个反射面以及此反射面与充填物表面处于一个平面内时，那么由传输时间的测量直接得出正确的液位。要不然必须确定充填物表面与反射平面之间的距离，以及相应地修正传输时间的测量或测得的液位。

图7表示电子电路13和接收与分析电路15的框图实施例。

电子电路13有发射时钟发送器50和发射脉冲发生器52。发射时钟发送器50的发射时钟脉冲输入发射脉冲发生器52。最好采用一种发出电磁信号的发射脉冲发生器52，电磁信号有低能量高频短脉冲的形式。例如在US-A 5345471和US-A 5361070中介绍了这种发射脉冲发生器以及可与之结合使用的电子电路和接收与分析电路。可以发生具有峰值功率小于1μW和有效功率1nW或低于1nW的脉冲，其频率为100MHz和100MHz以上。发射时钟脉冲速率例如为若干MHz。

电磁信号经耦合器9输入导体7。反过来，反射信号沿导体7经导体7、耦合器9、定向耦合器54和连接在定向耦合器54下游的高通滤波器56到达接收与分析电路15。

接收与分析电路15包括一延时器58，发射时钟发生器50的发射时钟脉冲到达其入口以及延时器发出一取样时钟脉冲，它相应于延迟一个可变的延迟时间后的发射时钟脉冲。可变的延迟时间例如借助于锯齿波发生器提供。取样时钟脉冲输入取样脉冲发生器60，它根据取样时钟脉冲发生取样脉冲，并输入取样和保持电路62的第一入口。取样的和发射的脉冲发生器52、60最好一致，所以由它们发出的电磁信号的差别仅仅是可变的延迟时间。

反射的信号经定向耦合器54和高通滤波器56到达取样和保持电路62的第二入口。

工作时最好周期性地以发射时钟脉冲频率发生短的发射脉冲，以及反射的回波信号输入取样和保持电路62。在那里，在每个回波信号上叠加一个取样脉冲并拾取由此合成的总信号，借助于下游的放大器64放大，借助于与放大器64串联的模数转换器66数字化，并作为取样值输入微处理器68。

总信号用于度量回波信号与取样脉冲的一致性。回波信号周期性地到达，而前后相继的取样脉冲通过按锯齿波函数变化的延时彼此不同。假定前后相继的回波信号没有明显的差别，取样和保持电路62便提供一个回波信号频闪观测的记录。这一假定通常始终能满足，因为在两个发射脉冲之间的时间间隔内液位实际上没有变化。

微处理器68经第一根导线70与发射时钟发生器50连接，经第二根导线72与取样时钟发生器58连接。工作时微处理器68有规律地起动测量循环。在一个测量循环过程中，如前面已说明的那样周期性地发出电磁信号以及反射信号被取样。当走过了全部按锯齿波函数规定的延时后，一次测量循环终结。各个取样值分别结合给定的当前的延迟进行记录。这便提供了一个测量信号变化过程，由此可确定传输时间。

图8表示了两条测量信号变化曲线，其中用字母a表示的测量信号变化曲线是借助于没有浮子的液位计记录下来的，用字母b表示的第二条测量信号变化曲线是借助于有一个用聚四氟乙烯(PTFE)制的浮子的液位计记录的，此浮子有一个面朝耦合器的用铝箔敷层的端面。两种测量均通过介电常数低的充填物进行。所画的曲线分别表示标准化后的取样值与延迟时间的关系。

在短的延迟时间的情况下测量信号变化曲线a和b是一致的。两条测量信号变化曲线a和b第一个极值是由于在耦合器9的区域内反射引起的，在那里必然发生阻抗阶跃。测量信号变化曲线a的第二个极值归因于在充填物表面的反射，而测量信号变化曲线b的第二个极值则归因于在浮子上的反射。

测量信号变化曲线b第二个极值的幅度大约有测量信号变化曲线a第二个极值的三倍那么大，以及在测量信号变化曲线b中反射的尖峰信号的宽度明显地比测量信号变化曲线a中的小。

可借助于它确定液位的精度主要取决于，确定第二个极值的位置的精度能有多高。极值的幅度越大以及相关的反射的尖峰信号的宽度越小，则此精度越高。图8清楚地表示，由于按本发明使用了浮子，在充填物有低介电常数的情况下可显著地提高测量精度。

Claims

1.用于测量容器(3)内液体(1)液位的液位计，它包括：-电子电路(13)，

-它在工作时产生电磁信号；-导体(7)，

-它插入容器(3)内；浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)顺着此导体随液位一起浮动，

---浮子至少有一个反射电磁信号的分段；-耦合器(9)，

-它将信号从电路(3)传给导体(7)，

---该导体(7)将信号导入容器(3)内并导出在浮子(11)上反射的信号；以及-接收和分析电路(15)，

-它接收反射的信号，

-它确定信号的传输时间，以及

-它根据传输时间推断液位。

2.按照权利要求1所述的液位计，其中，浮子(11)是一空心体，以及反射电磁波的分段是空心体的一个金属的或镀金属层的外表面(17)。

3.按照权利要求1所述的液位计，其中，分段是一个设在浮子(11e)内部反射电磁信号的表面。

4.按照权利要求1所述的液位计，其中，分段是一个垂直于导体(7)轴线(21)延伸反射电磁信号的表面。

5.按照权利要求1所述的液位计，其中，浮子(11c)用一种有高介电常数的材料制成，这种材料反射电磁信号。

6.按照权利要求1所述的液位计，其中，在导体(7)背离耦合器(9)的那一端设支架(19、19a)，当液面低于支架(19、19a)时浮子(11、11a)搁在支架上。

7.按照权利要求1所述的液位计，其中，浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)从各方面围绕着导体(7)的圆柱段。

8.按照前列诸权利要求之一所述的液位计，其中，反射的分段有一反射的表面，此表面与充填物表面处于一个平面内。