CN1754086A - 用于确定和/或监控容器中介质的料位的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定和/或监控容器(2)中介质(5)的料位的装置，包括：第一传导元件(8)；第二传导元件(9)；和密封陶瓷(10)，其中密封陶瓷设置在两个传导元件(8，9)之间的区域中，用于过程分离；第一密封(11)，其位于第一传导元件(8)和密封陶瓷(10)之间；第二密封(12)，其位于密封陶瓷(10)和第二传导元件(9)之间；和调节/分析单元(13)，其根据电容测量结果或根据测量信号行程时间的测量结果，确定容器(2)中介质(5)的料位。
Description
本发明涉及一种用于确定和/或监控容器中介质的料位的装置。
为了确定容器中介质的料位，使用测量不同物理量的测量系统。根据这些量，得到有关料位的期望信息。除了机械采样之外，还使用电容、电导或液压测量探头，以及基于超声、微波或放射性辐射工作的检测器。
在大量应用场合中，例如在石化、化工或食品工业中，需要高度精确地测量容器(油罐、贮槽等)中的液体或松散材料的料位。于是，在这些情况中，更多地使用传感器，其中利用进入容纳填充物质的容器中的波导引导被耦合至传导元件或波导的短的电磁高频脉冲(TDR方法或脉冲雷达方法)或者连续调频微波(例如FMCW雷达方法)。对于波导，可以选择已知的变型：Sommerfeld、Goubau或Lecher。
由于在特别优选的实施例中，本发明适用于TDR料位测量仪表，这里比较详细地解释这种测量仪表的工作方式。从物理的观点出发，TDR测量仪表中使用以下效应：在两种不同介质(例如，空气和油，或空气和水)的界面，由于两种介质的介电常数突然(不连续地)变化，一部分被引导的高频脉冲或被引导的微波被反射并被经由传导元件传导回接收设备中。在这种情况中，两种介质的介电常数相差越大，被反射的部分(希望的回波信号)越大。根据高频脉冲或CW信号(回波信号)的反射部分的行程时间，可以确定到填充物质的上表面的距离。已知容器的空距离，可以计算容器中填充物质的料位。如果要确定界面，那么可以根据测量结果确定界面位置。
本发明的目的是提供一种料位测量装置，其适用于高温和/或高压范围。对于本发明，高温范围意味着装置可以在高达约400℃的过程温度下毫无间题地使用。高压范围意味着本发明的装置可以在高达约1000bar的压力下可靠地工作。
该目的通过具有以下部件的装置实现：
-第一传导元件、第二传导元件和密封陶瓷，其中密封陶瓷设置在两个传导元件之间的区域中，用于过程分离；
-第一密封，其位于第一传导元件和密封陶瓷之间；
-第二密封，其位于密封陶瓷和第二传导元件之间；
-调节/分析单元，其根据电容测量结果或根据测量信号行程时间的测量结果，确定容器中介质的料位。
在TDR料位测量仪表的情况中，第一传导元件是内部导体，而第二传导元件是外部导体。
还要提起的是，利用电容测量结果或利用高频测量信号的行程时间的测量结果确定料位的测量仪表的基本结构是已知的。例如，可以从申请人处得到相应仪表Multicap和Levelflex。在本发明中，已知仪表被修改，使得它们适用于高温范围和/或高压范围。
根据本发明的装置的具有优点的进一步发展，第一传导元件、第二传导元件和密封陶瓷基本相互同轴地排列。这个结构对于许多TDR料位测量仪表是典型的，但是对于电容测量仪表也是典型的。然而，应当注意，本发明不限于径向对称结构。于是，在电容测量仪表的情况和TDR料位测量仪表的情况中，两个传导元件也都可以相互平行排列。
在本发明的装置的优选实施例中，第一密封和/或第二密封是焊接密封或填料函盖。在填料函盖的情况中，优选使用衬垫，它由多个环状石墨部件制成。下面将详细说明这个实施例的有利特性。
根据本发明的装置的进一步发展，特别是关于TDR料位测量仪表带来显著优点的发展，在密封陶瓷中提供至少一个材料槽。优选地，材料槽大致同轴延伸。这样，可以显著增加密封陶瓷的区域中通道的特性阻抗(也称为“特性波阻抗”和“波阻力”)，下面将详细解释。为了与槽无关地为密封陶瓷提供需要的径向稳定性，优选实施例提供了在材料槽区域中基本径向延伸的板条。
为了避免第一传导元件或波导在受到径向引导的力的作用时移动，或者为了避免弯曲力矩影响第一传导元件，提供止动元件，其用于安全稳定地放置第一传导元件。
另外，对于料位测量仪表的无故障运行，很重要的是在过程中存在的高温不由于热传递而达到电子装置，即调节/分析单元。否则，在过程中存在的高温将非常迅速地导致破坏并从而导致电子装置不再运行。在本发明的装置的优选实施例中，提供降温单元，其在轴向上位于密封陶瓷和调节/分析单元之间的区域中。
正如已经提到的，填料函盖，特别是石墨填料函盖优选地用于本发明，因为它们具有优秀的弹性以及温度和压力抵抗特性。然而，例如与焊接连接相比，它们具有不气密的缺点。为了仍然将测量仪表相对于朝向电子装置的气体侵蚀而密封，在降温单元和调节/分析单元之间的区域中提供玻璃通道。这样，玻璃通道在过程测量技术中是已知的，并且可以从申请人处与多种测量仪表相关地得到。
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是TDR料位测量仪表的示意图；
图2是本发明的装置的优选实施例的示意性透视图；
图3是图2中所示的本发明的装置的实施例的纵截面；
图4是密封陶瓷的透视图；
图4a是图4所示的密封陶瓷的平面图；
图4b是沿图4a的切削平面B-B得到的截面；和
图5是本发明的装置的第二优选实施例的纵截面。
图1显示了TDR料位测量仪表1，其安装在容器2的盖3上并且用于检测或监控容器2中存在的介质5的料位。为此，测量信号S由在调节/分析单元13中集成的发送单元产生并且被经由耦合单元7耦合至波导4。图1中将测量信号S大致示为脉冲。为了能够得到容器2中介质5的料位，波导4达到容器2的底部。当然，TDR料位测量仪表也可以位于容器内/上的其它合适位置。
在利用引导的高频测量信号进行料位测量的情况中，使用以下物理现象，即，测量信号一抵达具有不同介电常数的两种介质之间的界面，在波导4上引导的高频测量信号S的特定部分E就被反射。两种介质的介电常数相差越大，反射部分E越大。关于这一点，也称为阻抗跳变。在所示的情况中，当测量信号S达到介质5的表面6时，发生阻抗跳变。测量信号的反射部分E在回波曲线中表现为显著的峰值，或所谓的有效回波信号。回波曲线本身代表测量信号的振幅随行程时间的变化，或者随行程距离的变化。调节/分析单元13确定这个有效回波信号的行程时间，并且在已知容器2的高度的情况下由此计算容器2中介质5的料位。
根据上面所说的，很清楚，阻抗跳变不仅发生在利用测量信号的行程时间确定期望料位测量中的“空气或容器气体到介质5”的过渡处。阻抗跳变还发生在耦合单元7的区域中的不同过渡中。由于所有这些阻抗跳变都导致减少测量信号S强度的反射，并且因而减少测量精度或测量能力，所以这样实现耦合单元7，使得阻抗或波阻力在耦合单元7到波导4的范围上尽可能小。这样，过渡通常是不可避免的，因为测量信号必须被从同轴电缆30的毛细内部导体和外部导体引导到TDR料位测量仪表1的稳定波导4上。于是，需要波导4的充分的稳定性和尺寸，因为它a)通常长许多米并且b)或多或少与湍流的侵蚀性过程介质5直接接触。另外，这样实现本发明的TDR料位测量仪表，使得它还可以用于高温和/或高压范围。
图2显示了耦合单元7的优选实施例的示意性透视图，其最适用于高温和/或高压范围。图3显示了耦合单元7的纵截面。在本发明的技术方案中，高温范围意味着料位测量仪表1可以在高达约400℃的过程温度下毫无问题地使用；高压范围意味着料位测量仪表1可以在高达约1000bar的压力下可靠地工作。
正如已经说的，耦合单元7用于将从调节/分析单元13传递并且在由内部和外部导体构成的同轴电缆30上引导的高频测量信号尽可能无损地从或向波导4耦合。波导4在这种情况中对应于耦合单元7和同轴电缆30的内部导体8的直接延伸。当然，也可以实现所谓的直接耦合，其不使用同轴电缆。
同轴电缆30的旋转对称在耦合单元7中再次得以体现：内部导体8相对于耦合单元7的外部导体9中心排列。在所示的例子中，外部导体9对应于玻璃通道29、降温单元27、外壳罐17和旋入部分18的结合。外壳罐17的接触表面36和降温单元27的接触表面35优选地被焊接在一起。
在外壳罐17中，密封陶瓷10具有位于中心的通道，以容纳内部导体8。密封陶瓷10、将密封陶瓷10相对于外壳罐17的外壁密封的第一密封11、以及将内部导体8相对于外壳罐17密封的第二密封12的主要作用是将耦合单元7的两个传导元件8、9相对于过程密封，并且事实上特别是在过程中，即在容器2中存在上述提到的极限温度和/或压力的情况中。
密封陶瓷10优选地由氧化铝或氧化锆制成。当然，充分抵抗温度、压力和化学的任何其它陶瓷都可以用作密封陶瓷10。密封11、12优选地是所谓的填料函盖，诸如可以从不同制造者处得到的用于多种应用情况的多种结构。已经发现，石墨填料函盖特别好地适用于高温应用，因为它们耐高达550℃的温度和高达1000bar的压力(或者在惰性气氛的情况中为3000bar)。当然，两个密封11、12可以是焊接密封，其中焊接必须匹配特定的使用条件。而且，其中一个密封可以是焊接密封，而另一个是填料函盖，特别是石墨填料函盖。
根据本发明，耦合单元7相对于过程的密封特别地具有以下显著优点：
-高度化学稳定；
-高度耐热；
-高度耐压。
关于本发明的解决方案，优选地使用由独立的环形元件39构成的填料函盖11、12。与仅具有一个合适的较大高度的环形元件的填料函盖11、12相比，多个环形元件39构成的填料函盖11、12具有可连续独立预加应力的优点。这能够得到在要密封的整个表面上的高度恒定的径向应力。相反，尺寸对应于多个环形元件39的单个环形元件39仅可以被不均匀地预加应力，这也导致不均匀的径向应力，并且因而导致不均匀的密封。
位于内部导体8和密封陶瓷10之间的填料函盖12上的预加应力是通过止推环20实现的。止推环19和拉紧环21用于对填料函盖11预加应力。另外，外壳罐17或外部导体9和密封陶瓷10之间的填料函盖11由止推环19和拉紧环21轴向固定；内部导体8和密封陶瓷10之间的填料函盖12由螺母22和防松螺母24经由支撑陶瓷25轴向固定。
正如已经说明的，密封11、12用于将TDR料位测量仪表1的内部导体8和外部导体9相对于过程可靠地密封，即使在极限条件下。密封陶瓷10最适用于过程分离；然而，它确实具有显著的缺点，即，它还表现了对于高频测量信号的绝缘势垒。
在第一近似中，当外部导体9的直径是内部导体8直径值的14倍时，耦合单元7之内的阻抗跳变可以被避免。因为由于已经说明的原因，内部导体8必须具有一定的稳定性并且因而必须具有合适的大直径，外部导体9和耦合单元7具有相当大的尺寸。这种装置仅可用于特殊应用；另外，由于所需的相应较大量的材料，它们非常昂贵并且因而不适用于大量生产。另外，过程连接，即旋入部分18必须满足一定的标准。但是这还不足够：通过密封陶瓷10的合适的大尺寸，波阻力确实在遇到绝缘势垒时不会改变；但是，于是产生了将激发较高模态的不能在波导4上传播的测量信号的危险。结果，测量信号的强度减小并且测量精度降低。
图4、4a和4b中给出了密封陶瓷10的一个实施例，其优选地用于本发明的技术方案。图4显示了密封陶瓷10的透视图，图4a是图4的密封陶瓷的平面图；图4b是沿图4a的切削平面B-B得到的纵截面。
已经发现，密封陶瓷10的波阻力可以通过在密封陶瓷10中提供至少一个材料槽14而显著增加。这个材料槽或气隙轴向排列在密封陶瓷10中并且在密封陶瓷10中最多抵达深度T。由于密封陶瓷10要影响过程分离，材料槽14自然不适于延伸贯穿，尽管这从波传播的角度来看是最优的。于是，在过程的方向上，在深度T之外，测量信号再次具有绝缘势垒。可以通过在中心孔34的区域中轴向提供孔34的扩宽而最小化这个势垒效应。优选地，扩宽是锥形的，其中锥形扩宽在过程的方向上变大。基本上，扩宽开始于材料槽14的下限平面所处的深度T。
然而，锥形扩宽不是必需的。原理上，扩宽可以是任何形状的：于是扩宽可以构成为圆柱形或矩形。替代扩宽，内部导体8可以优选地在前述区域中具有尖头。这实现了与孔34的扩宽类似的效果。在两种情况中，可以提供撑条，用于相对于弯曲负载保护内部导体8。优选地，在孔34、尖头的区域中或者在耦合单元7的朝向过程的面上提供撑条。
由于填料函盖11、12的密封，密封陶瓷10受到径向应力。材料槽14自然地减小密封陶瓷10的稳定性。为了在径向上增加密封陶瓷的稳定性，提供多个径向延伸的板条15，它们分布在材料槽14的表面上。
上面已经提到，由于波导4与介质5直接接触，有时显著的力作用在波导4上并且最终影响内部导体8。这些力可以是轴向的拉伸或压缩力，或者是径向的作用力。后者可以导致在内部导体8上的弯曲力矩，在最坏的情况中，该力矩能够导致内部导体8弯曲以及填料函盖11、12的密封作用丧失。于是，期望的过程分离不再存在。为了减少内部导体8的扭曲/移位的危险，在降温单元27的较低的靠近过程的区域中提供支持元件25。支持元件25优选地是支撑陶瓷25。根据安装支持元件25的位置的温度条件，它还可以由非陶瓷的绝缘材料制成。支撑陶瓷25还防止内部导体8被轴向向上移动，也就是在远离过程的方向上移动。另外，经由螺纹与内部导体8紧密连接并且利用肩40支撑在密封陶瓷10上的止推环20防止内部导体8被在朝向过程的方向上移动。
为了将温度敏感电子装置，即调节/分析单元13与过程热解耦，提供降温单元27。这样实现降温单元27，使得它有效地保证在过程中存在的几百摄氏度的高温不破坏电子部件。空气在降温单元27之内的内部导体8和外部导体9之间用作绝缘材料。
单元27以不同方式实现降温：
-根据降温单元27的起伏外表面，从料位测量仪表1的靠近过程一侧到远离过程一侧的热流被减速；
-根据降温单元27的起伏以及因而放大的外表面，热被有效地释放到环境中；
-到环境的热传递通过对流而改善。
另外，从内部导体8到电子装置13的热传递被通过插塞接触31、32减少。优选地，插塞31实现为香蕉插头，其中插塞31和凹座32之间的接触表面被减小到最小。
为了将电子装置13与耦合单元7气密分离，提供玻璃通道29。这样的玻璃通道在过程测量技术中被广为所知并且可以从申请人处得到。
图5显示了本发明的装置的第二优选实施例的纵截面。特别地，它是用于TDR料位测量仪表的耦合单元7。TDR料位测量仪表可以从申请人处以商标LEVELFLEX得到。在本发明所示变型的情况中，它类似地是可用于高压和高温的耦合单元。这个耦合单元7的原理性机械结构与图3中所示的结构大体相同：这里密封陶瓷10也用于过程分离，即，它在高温和高压的情况中，表现了对于过程介质的有效势垒并且将耦合单元7的内部与过程分离。为了保证这个可靠的过程分离，在内部导体8和密封陶瓷10之间提供第一密封11；第二密封12位于密封陶瓷10和外部导体9之间。优选地，密封11、12是石墨填料函盖。当然，密封11、12也可以以现有技术已知的方案实现。
还有可能消除有关密封陶瓷的化学稳定性的考虑。已经发现，陶瓷的化学稳定性基本上完全依赖于它的纯度。纯度大于或等于99.7％的高纯陶瓷可耐受水解。
上述过程分离具有不气密的缺点。然而，这个任务可以通过玻璃通道29实现，该玻璃通道将耦合单元7的朝向过程的空间区域与背离过程的空间区域气密分离。于是玻璃通道29具有气密的显著优点；玻璃通道29的缺点是，玻璃不具有密封陶瓷10的化学稳定性。在本发明中，密封陶瓷10和玻璃通道29的两个优点相结合，使得可以补偿对方的缺点，同时两个密封10、29的优点还被共享。
正如前面叙述的，玻璃通道29对于入侵的过程介质在化学上不是非常惰性。由于尽管有密封陶瓷10，仍不能排除过程介质将随时间而渗入密封陶瓷10和玻璃通道29之间的空间区域并随后破坏玻璃通道，所以在过程方向上在玻璃通道29之前提供辅助密封51，特别是塑料密封。用于密封51的优选材料是PEEK。由密封51相对于内部导体8和外部导体9提供的密封是经由O形环44、45实现的。密封51是可选的并且具有相当的冗余密封功能：如果过程介质确实随时间而穿透密封陶瓷10进入耦合单元7的内部，则密封51保护玻璃通道29。为了相对于由过程压力在密封51或密封元件41上施加的力而保护玻璃通道29，提供金属环47。这个金属环47用作密封元件41的支座，使得即使在玻璃通道的端面由于制造原因而不完全平坦的情况中，也不会有局部应力作用在玻璃上。
在图3所示的本发明的装置的实施例情况中，通过在密封陶瓷10中提供材料槽而增加密封陶瓷10的波阻力。于是，在这种实施例中，应注意保持在通过耦合单元7的高频测量信号路径上的波阻力尽可能恒定并且避免阻抗跳变。然而，要考虑的一个因素是，在较长的时间期间，过程介质可以渗透进入耦合单元7内部中的空腔并且沉积在那里。然而，这些沉积或收集确实导致在高频测量信号的传播路径中波阻力的完全自由的改变，并且因而导致料位确定中的测量误差。
因此，在图5给出的本发明的装置的实施例中，在密封陶瓷10和玻璃通道29或密封51之间的空间区域基本上被绝缘材料完全填充。通过将所有空腔填充绝缘材料，在耦合单元7之内达到定义的状态。由于不再存在相应的空腔，所以任何种类的沉积都不再改变这种定义的状态。优选地，绝缘填充材料是陶瓷。在所示的情况中，它是具有中心孔的陶瓷盘42，中心孔精确配合内部导体8的直径。耦合单元7内部发生的仅有的阻抗跳变在密封陶瓷10的区域中位于内部导体8的直径为达到所需的机械强度而造成跳变的位置。这不是图5的实施例中的关键因素，因为耦合单元7的其它部分以及在到调节/分析单元13的同轴电缆30上的信号路径可以被设计为避免较大的阻抗跳变，使得尽管确实由于在阻抗跳变处的一次反射而损失了一小部分有用信号，但是不会发生将通过所谓的阻尼振荡而危及附近区域中的测量精度的多重反射。
为了保证耦合单元7中非常恒定的波阻力，必须特别是在发生高电场强度的那些区域中以绝缘材料进行填充。相反，例如两个空腔49、52对测量信号的传播干扰非常小，因为在这些相对远离内部导体8的区域中，电场强度已经相对较小。另外，这些空腔49、52对于平衡和减少例如作为过程压力的结果而产生的应力是有用的。于是，环形空腔49用于在发生机械应力的情况中摆脱焊缝50的负担。应力本身被传递至螺旋连接53。
附图标记
1 料位测量仪表
2 容器
3 盖
4 波导
5 介质
6 介质表面
7 耦合单元
8 第一传导元件/内部导体/棒
9 第二传导元件/外部导体
10 绝缘元件/密封陶瓷
11 第一密封/填料函盖
12 第二密封/填料函盖
13 调节/分析单元
14 材料槽
15 板条
16 材料槽
17 外壳罐
18 旋入部分
19 第一止推环
20 第二止推环
21 第一拉紧环
22 螺母
23 肩
24 防松螺母
25 止动单元/支撑陶瓷
26 肩
27 降温单元
28 空腔
29 玻璃通道
30 同轴电缆
31 插塞
32 凹座
33 螺母
34 孔
35 接触表面
36 接触表面
37
38 肩
39 环形密封元件
40 肩
41 密封元件
42 陶瓷盘
43 密封环
44 O形环
45 O形环
46 垫圈/石墨平垫
47 金属环
48 陶瓷盘
49 空腔
50 焊缝
51 密封
52 空腔
53 螺旋连接
Claims (15)
1.用于确定和/或监控容器(2)中介质(5)的料位的装置，包括：第一传导元件(8)；第二传导元件(9)；和密封陶瓷(10)，其中密封陶瓷(10)为了过程分离而设置在两个传导元件(8，9)之间的区域中；第一密封(11)，其位于第一传导元件(8)和密封陶瓷(10)之间；第二密封(12)，其位于密封陶瓷(10)和第二传导元件(9)之间；和调节/分析单元(13)，其根据电容测量结果或根据测量信号行程时间的测量结果，确定容器(2)中介质(5)的料位。
2.根据权利要求1所述的装置，其中第一传导元件(8)、第二传导元件(9)和密封陶瓷(10)基本上相互同轴设置。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中第一传导元件(8)是TDR料位测量仪表(1)的内部导体，第二传导元件(9)是TDR料位测量仪表(1)的外部导体。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中第一密封(11)和/或第二密封(12)是焊接密封。
5.根据权利要求1、2或4所述的装置，其中第一密封(11)和/或第二密封(12)是填料函盖，该填料函盖由至少一个环形部件(39)构成。
6.根据权利要求5所述的装置，其中第一密封(11)和/或第二密封(12)是石墨填料函盖。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中在密封陶瓷(10)内提供至少一个材料槽(14)。
8.根据权利要求7所述的装置，其中材料槽(14)大致同轴延伸。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中在材料槽(14)的区域中提供基本径向延伸的板条(15)。
10.根据权利要求1、7或8所述的装置，其中提供止动元件(22、24、25)，它们防止第一传导元件(8)相对于第二传导元件(9)在轴向上运动。
11.根据权利要求1、7或8所述的装置，其中提供至少一个降温单元(27)，其在轴向上设置在密封陶瓷(10)和调节/分析单元(13)之间的区域中。
12.根据前述任一权利要求所述的装置，其中在密封陶瓷(10)和调节/分析单元(13)之间的区域中提供玻璃通道(29)。
13.根据权利要求12所述的装置，其中在降温单元(27)和调节/分析单元(13)之间的区域中提供玻璃通道(29)。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中在玻璃通道(29)之前提供另一密封元件(41)。
15.根据权利要求1-6或10-14之一所述的装置，其中在密封陶瓷(10)和玻璃通道(29)之间的区域中的材料槽被至少广泛地填充绝缘材料。
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Granted publication date: 20080423 |