用于物位测量的方法

专利名称：用于物位测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于物位测量的方法。
背景技术：
当前在大量工业应用中进行物位测量。在典型的物位测量中，单一的填充物质位 于容器中，该填充物质的物位被利用物位测量仪表而得到检测。除此之外，在大量应用中，在容器中并不是仅有一种填充物质，而是有两种不同的 填充物质。当容器中存在具有不同比重的两种不同填充物质时，具有较小比重的填充物质 在平衡条件下处于具有较大比重的填充物质之上。形成了两个完全分离的层。两种填充物 质之间的边界被称作分界层。例如在石化工业中出现分界层，它们例如是由水和碳氢化合物(例如，油)形成 的。另一个例子是食品工业，其中例如在油脂分离器中形成分界层。如果在容器中存在两种不同的填充物质，那么进行所谓的分界层测量。分界层测量代表一种特殊形式的物位测量，并且用于确定分界层在容器中的位置 和/或容器中两种填充物质的物位。术语“物位”是指一种特定填充物质的层在容器中所 处的高度。在工业测量技术的许多领域中使用分界层测量，以确定位于容器中的各填充物 质的量，特别是体积和/或重量。分界层测量是利用根据渡越时间原理工作的物位测量仪表进行的，该测量仪表例 如是本申请人的以Levelflex和Mikropilot为商标的产品。这里，电磁信号被送入容器。这例如是这样进行的电磁信号被利用天线以自由辐 射的形式辐射入容器；或者波导被插入容器，电磁信号在波导上被以导向电磁波的形式发 送入容器。这些电磁信号的一部分在上方的填充物质的填充物质上表面上反射。信号的另 一部分透过上方的填充物质并且在两种填充物质之间的界面上反射。测量仪表接收由这些 反射形成的回波信号，并且由此确定在发送信号以及接收回波之间所经过的渡越时间，所 述回波是由在上方填充物质的填充物质上表面上的反射所引起的，此外该测量仪表还确定 另一个在发送信号以及接收通过在分界层或或下方填充物质的填充物质上表面上的反射 所引起的回波信号之间所经过的渡越时间。这两个渡越时间的确定基于已知的渡越时间测量方法。在导向电磁信号的情况 中，例如使用时域反射计。这里，例如根据导向微波的方法，高频脉冲被沿着Sommerfeld波 导、Goubau波导或同轴波导传输。如果这个电磁信号达到容器中的填充物质上表面，那么 至少一部分信号由于在这个介质边界存在的阻抗跳变而被反射回来。接收的随时间变化的 信号幅度代表回波信号。这个回波信号的每一个值都对应于在与发送及接收元件一定距离 处反射的回波的幅度。回波信号具有显著的峰值，其对应于电磁信号在一个物位上表面上 反射的部分。从发射电磁信号和接收到峰值之间的时间差，确定期望的渡越时间以及由此 还确定容器中的各填充物质上表面的位置。与以自由辐射的形式辐射进入容器的电磁信号相结合使用的如今通常是调频连续波方法(FMCW方法)和脉冲雷达方法。这两种方法都在物位测量技术中已知并且因而这 里不详细解释。基于测量系统的结构大小，特别是物位测量仪表相对于容器的安装高度，并且基 于电磁信号在位于上方填充物质之上的介质(例如，空气)中以及在上部填充物质中的传 播速度，从这两个渡越时间可以计算容器中的两种填充物质的物位以及容器中整体存在的 物位。测量系统的结构大小以及电磁信号在位于上方填充物质之上的介质中的传播速 度通常是已知的。电磁信号在上方填充物质中的传播速度可以例如基于这种填充物质的介 电常数而计算得到或者通过实验确定。如果上方填充物质的介电常数不是已知的，并且例 如由于管理原因而不能通过实验确定传播速度，那么不能以上述方式进行分界层测量。当在上方填充物质的上表面上和在两种填充物质之间的介质边界被明确限定时， 根据渡越时间原理工作的物位测量仪表进行的分界层测量提供非常好的结果。特别是当容 器中的填充物质静止时。然而，在大量应用情况中，例如由于填充物质的供应或排出而使得 填充物质总不能停留足够长的时间以达到平衡条件，在平衡条件中，两种填充物质完全彼 此分离地位于两个层中且表面相对于彼此明显限定。容器中会形成泡沫或乳液。而在明显 限定的介质边界，存在阻抗跳变，其使得信号在这种介质边界部分反射；而泡沫和/或乳液 的形成通常导致没有由介质边界标明的位置较窄的阻抗跳变，而是存在连续的过渡。在最 坏的情况中，这会导致在存在泡沫和/或乳液的情况中回波信号仅仅具有一个或者不具有 渡越时间可被测量的明显峰值。如果仅有一个峰值，那么将不再能够基于回波信号识别它 是否涉及信号在上方或下方填充物质的填充物质上表面上的反射。在这种情况中，不再可 能进行分界层测量。分界层测量还可以以有限的程度利用电容式物位测量仪表进行，该测量仪表例如 可以从本申请人处得到。这种方法例如在1990年出版的Wlm. van de Kamp所著的图书FILL LEVEL MEASURINGTECHNOLOGY IN THEORY AND PRACTICE 中的第 3. 6 节有所介绍。为此，电容性探头插入容器，并且测量由探头和围绕探头的容器壁形成的电容器 的电容。测量的电容对应于以下数量之和空容器的基本电容、上方填充物质的由填充物质 特定的电容增加因子与其填充高度之积、以及下方填充物质的由填充物质特定的电容增加 因子与其填充高度之积。然而，这种方法只能应用于两种填充物质特定的电容增加因子和容器中存在的两 种填充物质的总物位已知的情况。所述总物位对应于上方填充物质的填充高度与下方填充 物质的填充高度之和，并且必须或者从由应用特定的条件中已知或者被独立地测量。已知有传统的物位测量仪表用于测量在容器中含有的单一填充物质的物位，其中 渡越时间测量原理与测量仪表中的电容测量原理相结合。一个例子是在本申请人的DE 100 37 715 Al中描述的用于测量在容器中存在的单一填充物质的物位的装置。该装置包括一 个探头，该探头可以作为传统电容式物位测量仪表的电容性探头而操作，也可以作为根据 渡越时间原理工作的传统物位测量仪表的波导而操作。DE-Al 195 10 484中描述了另一例子。物位测量仪表根据渡越时间原理而利用波 导工作，其中，在波导中提供金属内部导体，其用作电容性探头。通过在一个测量仪表中将 这两种测量原理相结合，相 于传统物位测量提供了冗余的系统，其中电容性探头可以被用作过量填注防止器。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于物位测量的方法，其中在容器中有第一和/或第二 填充物质，利用本发明对于容器中含有的每一种填充物质都确定一个位置，该位置对应于 当容器中的每一种填充物质的总量形成单一的仅包含这种填充物质的层时，由于容器中含 有的第一填充物质的量以及容器中含有的第二填充物质的量而使得各种填充物质的填充 物质上表面所处的位置。这个要根据本发明确定的位置特别地总是当容器中的填充物质处于静止状态中 时填充物质上表面所处的位置。静止状态是指这样的一种状态，其中每一种填充物质形成 清晰边界的层，其中这种填充物质的总量与可能含有的其他填充物质完全分离。在静止状 态中，在填充物质上表面上没有泡沫并且不存在乳液层。根据本发明确定的位置在下面称 作各个填充物质上表面的静止位置。为此，本发明在于一种用于容器中的物位测量的方法，第一填充物质和/或第二 填充物质位于该容器中，其中第一填充物质的比重小于第二填充物质，并且两种填充物质 具有不同的介电常数，其中-将电磁信号发送进入容器，-在至少一个由容器中含有的填充物质产生的介质边界处发生反射，其中一部分 信号被反射，并且-对于每一被反射的部分，测量信号的这个部分抵达这个介质边界并返回所需的 渡越时间，该渡越时间依赖于引起反射的介质边界的位置，-测量在电容性探头和参考电极之间的电容，该电容依赖于容器中含有的填充物 质的量，以及-基于测量的电容和测量的渡越时间，对于容器中含有的每一种填充物质确定一 个位置，其对应于当容器中含有的每一种填充物质的总量在容器中形成单一的仅含有这种 填充物质的层时，由于容器中含有的第一填充物质的量以及容器中含有的第二填充物质的 量而使得各种填充物质的填充物质上表面所处的位置。在进一步发展中，基于这些位置，确定在容器中是否仅有第一填充物质、仅有第二 填充物质、或者有两种填充物质。在方法的进一步发展中，在测量依赖于第一介质边界的位置的第一渡越时间、依 赖于第二介质边界的位置的第二渡越时间、以及电容的情况中，基于这三个测量变量中的 两个，对于容器中含有的每一种填充物质确定一个位置，其对应于当容器中含有的每一种 填充物质的总量在容器中形成单一的仅含有这种填充物质的层时，由于容器中含有的第一 填充物质的量以及容器中含有的第二填充物质的量而使得各种填充物质的填充物质上表 面所处的位置，并且基于第三测量变量检查这些推导的结果。在本发明的方法的另一进一步发展中，在测量依赖于第一介质边界的位置的第一 渡越时间、依赖于第二介质边界的位置的第二渡越时间、以及电容的情况中，基于测量的第 一渡越时间、测量的第二渡越时间以及电容，确定第一填充物质的至少一个由材料特定的 常数，并且基于三个测量的变量中的至少两个以及基于由材料特定的常数，确定当容器中含有的每一种填充物质的总量在容器中形成单一的仅含有这种填充物质的层时，由于容器 中含有的第一填充物质的量以及容器中含有的第二填充物质的量而使得各种填充物质的 填充物质上表面所处的位置。在后一发展的进一步发展中，由材料特定的常数是第一填充物质的介电常数。在后一发展的进一步发展中，基于第一填充物质的介电常数，确定电磁信号在第 一填充物质中的传播速度以及第一填充物质的电容增加因子，其中电容增加因子给出了电 容随第一填充物质填充高度的增加。在本发明的方法的另一进一步发展中，对于仅能确定一个渡越时间的情况，-假设在哪一介质边界发生对于测量的渡越时间有决定性的反射，-对于容器中含有的每一种填充物质，基于测量的渡越时间、测量的电容以及上述 假设，确定当容器中含有的每一种填充物质的总量在容器中形成单一的仅含有这种填充物 质的层时，由于容器中含有的第一填充物质的量以及容器中含有的第二填充物质的量而使 得各种填充物质的填充物质上表面所处的位置，-基于物理边界条件，检查以上述假设为基础确定的位置的正确性，以及-当检查显示不符合时，改变假设，重复这个方法。在一个实施方式中，物理边界条件是该位置位于容器内部。在一个优选实施方式中，当容器中含有的每一种填充物质的总量形成单一的仅含 有这种填充物质的层时，由于容器中含有的第一填充物质的量以及容器中含有的第二填充 物质的量而使得各种填充物质的填充物质上表面所处的位置是以如下形式给出的-填充物质在容器中的填充高度，或者-各种填充物质上表面距容器底面的距离，或者-各种填充物质上表面距电磁信号的发射器及接收器的距离，或者-各种填充物质上表面距容器中的最大允许物位上边界的距离。在方法的一个实施方式中，渡越时间测量和电容测量是利用单一的物位测量仪表 执行的，该测量仪表具有一个探头，该探头既用作电容性探头也用作用于电磁信号的波导。本发明的测量方法的优点是，它既可以应用于位于容器中的单一填充物质的物位 的传统物位测量，也可以应用于分界层测量。该方法自动识别在容器中是否仅有第一填充 物质、仅有第二填充物质、或者两种填充物质，并且根据填充状况自动提供传统的物位测量 或者分界层测量。相比较纯电容式分界层测量方法，本发明的物位测量方法的优点是，当容器中的 总物位未知时也可应用它。总物位由本发明的物位测量方法自动检测并且可用作进一步的 测量结果。本发明的另一优点是，与容器中是否仅有第一填充物质、仅有第二填充物质或者 有两种填充物质无关，当利用根据渡越时间原理工作的物位测量仪表仅仅能够测量一个渡 越时间并且不知道决定这个渡越时间的反射发生在哪一介质边界上时，也能够正确无误地 提供测量结果。


现在根据附图详细解释本发明及其优点，附图中给出了一个实施例；相同的零件
7在图中具有相同的附图标记。附图中图1是具有容器的测量系统的示意图，容器中有第一填充物质层和第二填充物质 层；图Ia是对于图1中所示的填充状态记录的回波信号；图2是图1的测量系统，其中在容器中有乳液层，第一填充物质层位于该乳液层之 上；图2a是对于图2所示的填充状态记录的回波信号，其在电磁信号在第一填充物质 的填充物质上表面上以及乳液的上表面上反射时产生；图2b是对于图2所示的填充状态记录的回波信号，其在电磁信号仅在第一填充物 质的填充物质上表面上反射时产生；图3是图1的测量系统，其中在容器中有第二填充物质层，乳液层位于该第二填充 物质层上；图3a是对于图3所示的填充状态记录的回波信号，其在电磁信号在第二填充物质 的填充物质上表面上以及乳液的上表面上反射时产生；图3b是对于图3所示的填充状态记录的回波信号，其在电磁信号仅在乳液的上表 面上反射时产生；图4是图1的测量系统，其中在容器中仅有第一填充物质、仅有第二填充物质、或 者仅有乳液层；图4a是对于图4所示的填充状态记录的回波信号；图5是图1的测量系统，其中在容器中有第二填充物质层、第一填充物质层和泡 沫；图5a是对于图5所示的填充状态记录的回波信号；图6是图1的测量系统，其中在容器中有第二填充物质层、第一填充物质层和设置 在两个层之间的乳液层；以及图6a是对于图6所示的填充状态记录的回波信号。
具体实施例方式图1显示了本发明的用于物位测量的方法所应用的测量系统的示意图。它包括容 器1，未知量的第一填充物质3和/或未知量的第二填充物质5可以位于该容器中。如果存 在两种不同的填充物质3、5，那么这里假设第一填充物质3的比重小于第二填充物质5。另 外，填充物质3、5具有不同的介电常数。图1显示了一种填充状态，其中两种填充物质3、5在容器1中处于静止状态。第 一填充物质3在容器1中形成具有填充高度Hl的上部层，第二填充物质5形成位于其下且 具有填充高度H2的下部层。第一填充物质3例如是油，第二填充物质5为水。在第一填充 物质3之上是容器1中的介质，例如空气或气体。提供根据渡越时间原理工作的物位测量仪表7，其用于将电磁信号S发送进入容 器1。所有在说明书“背景技术”中提到的根据渡越时间原理工作的物位测量仪表都适用于 此。在所示实施例中，物位测量仪表7包括引入容器1的波导9，电磁信号S以由波导9引 导的电磁波的形式沿着该波导发送进入容器1。
另外，提供电容式物位测量仪表1，其用于确定在电容性探头13和参考电极15之 间的电容C，该电容依赖于位于容器1中的填充物质3、5的量。在所示实施例中，容器壁形 成参考电极15。电容式物位测量仪表11和根据渡越时间原理工作的物位测量仪表7可以是两个 完全分离的测量仪表，它们彼此独立地安装在容器1上。然而，优选地，正如这里所示，两种 物位测量原理集成在单一的物位测量仪表7/11中，该物位测量仪表仅具有一个探头9/13， 该探头既用作电容性探头13，又用作用于电磁信号S的波导9。根据渡越时间原理工作的物位测量仪表7将电磁信号S发送进入容器1。这里，在 容器1中的至少一个介质边界处发生反射，其中信号S的一部分(这里是R1、R2)被反射。 这些介质边界可以由第一填充物质3的填充物质上表面、第二填充物质5的填充物质上表 面和/或在容器1中通过两种填充物质3、5混合而得到的乳液层的表面而形成。在图1所示例子中，这些电磁信号S的Rl部分在第一填充物质3的填充物质上表 面反射，信号的R2部分在第二填充物质5的填充物质上表面反射。测量仪表7接收由于这 些反射而产生的回波信号并且记录回波信号的幅度A(t)随时间t的变化。图Ia显示了这 个回波信号的幅度A(t)随时间t的变化。回波信号具有两个显著的峰值M1、M2，其中在渡越时间Tl之后接收的第一峰值Ml 来自在第一填充物质3的填充物质上表面上的反射，在渡越时间T2之后接收的第二峰值M2 来自在第二填充物质5的填充物质上表面上的反射。对于渡越时间Tl，有以下关系Tl = 2(D-Hl-H2)/v0(1)其中符号如下定义V0电磁信号在位于上部填充物质3之上的介质中的传播速度；D在电磁信号的发送器及接收器与容器底板之间的距离，其依赖于测量仪表7的 安装高度；Hl第一填充物质的填充高度；和H2第二填充物质的填充高度。这里，填充高度H1/H2是指在容器1中由各填充物质3/5构成的层在静止状态中 所处的高度。通过两个填充高度HI、H2，唯一地定义了两个相关的物位上表面在容器1中 的位置。当仅有第一填充物质3位于容器1中时，等式(1)保持不变，在这种情况中未包含 的填充物质5的填充高度H2为零。对于渡越时间T2，有以下关系T2 = 2(D-Hl-H2)/v0+2Hl/v1(2)其中符号如下定义V0电磁信号在位于第一填充物质之上的介质中的传播速度；V1电磁信号在第一填充物质3中的传播速度；D在电磁信号的发送器及接收器与容器底板之间的距离，其依赖于测量仪表7的 安装高度；Hl第一填充物质3的填充高度；和
H2第二填充物质5的填充高度。当仅有第二填充物质5位于容器1中时，等式(2)也保持不变，在这种情况中未包 含的第一填充物质3的填充高度Hl为零。对于测量电容C，有以下关系C = C0+aH2+bHl(3)其中符号如下定义CO空的容器的基础电容；a依赖于第二填充物质的物理特性的电容增加因子；和b依赖于第一填充物质的物理特性的电容增加因子。当两种填充物质3或5中只有一种位于容器1中时，或者当容器1空时，等式(3) 也保持不变，在这种情况中未包含的填充物质3和/或5的填充高度Hl和/或H2为零。于是，只要没有特别指出，在等式(1)、(2)和(3)中使用的物理常数D、CO、ν。、Vl、 a和b都假设为已知。这里，假设探头9/13达到容器底板。当探头没有完全达到容器底板时，等式自然 也以类似的形式成立。这种情况中，自然仅仅能够沿着容器中被探头所覆盖的区域产生反 射，并且测量电容同样可以仅仅沿着被探头所覆盖的区域而得到测量。这里，距离D对应于 在测量仪表7的安装高度和位于容器中的探头末端之间的距离，并且填充高度HI、H2对应 于沿着探头的高度。然而，本发明的方法也可以以其他方式完全类似地得到执行。根据本发明，利用根据渡越时间原理工作的物位测量仪表7将电磁信号发送进入 容器1。为了执行该方法，需要在由容器1中含有的填充物质3和/或5产生的至少一个介 质边界上发生反射，其中信号S的Rx、Ry部分被反射，并且依赖于引起反射的介质边界的位 置的渡越时间Tx、Ty得到测量，该渡越时间是信号S的这个Rx、Ry部分达到这个介质边界 并返回所需的时间。同时，利用电容式物位测量仪表11测量电容C，其依赖于容器1中的填 充物质3、5的量。于是，根据测量的电容C和测量的渡越时间Tx和/或Ty，对于容器1中含有的每 一填充物质3、5确定其静止位置。静止位置是指这样的位置，其对应于当容器1中的每种 填充物质3、5的总量形成单一的包含这种填充物质3、5的全部量的层时，由于容器1中含 有的第一填充物质3的量和容器1中含有的第二填充物质5的量而使得各种填充物质3、5 的填充物质上表面所处的位置。如果容器1如图1所示被填充有两种填充物质3和5，那么物位测量仪表7在理 想情况中提供两个渡越时间Tx和Ty。由于泡沫以及溶液通常都使得无法进行渡越时间测 量，所以只有当两种填充物质3、5存在于容器1中并且如图1所示处于静止状态时，才能以 典型的方式测量两个渡越时间。现在明确了两个渡越时间Tx和Ty中哪一个较短。根据本发明，较短的渡越时间 Tx(Tx < Ty)与上部第一填充物质3的填充物质上表面上的反射相关联，较长的渡越时间 Ty (Ty > Tx)与下部填充物质5的填充物质上表面上的反射相关联。相应地，Tx = Tl且Ty =T2。现在可以基于三个等式(1)、(2)和(3)计算填充高度Hl和H2。这里，三个等式(1)、(2)和(3)为了确定两个未知的填充高度Hl和H2而形成超 定方程组。优选地，根据三个测得的测量变量T1、T2、C中的两个而推导得到填充高度Hl和H2，并且根据第三个测量变量检测推导结果。例如，通过应用等式(1)和(2)，基于两个渡越时间Tl和T2确定填充高度Hl和 H2 Hl = (T2-T1)0. 5Vl(4)禾口H2 = D-Tl 0. 5v0- (T2-T1)0. 5Vl(5)现在，基于以这种方式得到的填充高度Hl和H2，通过将结果代入等式(3)，可以计 算相关的电容C’并且将其与测量的电容C比较。这实现了基于独立测量的电容C来检查 对于Hl和H2的测量结果。或者，基于测量的第一渡越时间Tx = Tl、测量的第二渡越时间Ty = T2和测量的 电容C，可以确定上部填充物质3的至少一个由材料特定的常数。由材料特定的常数例如是 电磁信号S在第一填充物质3中的传播速度V1，或者对于第一填充物质3的电容增加因子 b。其中第一填充物质3的上表面的位置以及第二填充物质5的上表面的位置可以基于三 个测量变量Tl、T2和C以及所确定的由材料特定的常数而得到确定。这里，无需之前已知 由材料特定的常数。优选地，由材料特定的常数是第一填充物质3的介电常数ε。这里，使用以下物理 事实，即，电磁信号S在第一填充物质3中的传播速度V1以及对于第一填充物质3的电容 增加因子b都是通过第一填充物质3的介电常数ε而确定的。传播速度V1以及电容增加 因子b都可以以物理公式V1 = f ( O和b = g( ε )的形式表达及计算，该物理公式基于当 前对于测量所存在的物理条件且是介电常数ε的函数。于是，对于电磁信号在填充物质中的传播速度近似有以下关系Vl = Kl ε _1/2，其 中Kl是可以通过公式从物理条件而得到的常数或者是可以通过实验测量的常数。对于圆 柱状电容器的电容增加因子，有以下关系b Κ2ε，其中Κ2是可以基于圆柱状电容器的几 何结构和尺寸计算得到的常数或者是可以通过实验测量的常数。现在，通过将对于传播速度V1和电容增加因子b的物理公式V1 = f ( ε )和b = g(0代入等式(2)和(3)，利用等式(1)、(2)和(3)，可以得到具有三个等式(1)、(2)、(3) 和三个未知数Η1、Η2、ε的方程组，利用它可以迭代地计算所有三个未知数。这里，当不知 道哪些填充物质3、5位于容器1中时，也可以利用本发明的方法确定两个填充物质上表面 的位置。有几个例外情况，其中当两种填充物质3、5位于容器1中但不存在静止状态时， 也可以测量两个渡越时间Tx、Ty。当填充物质3、5形成具有非常良好的反射特性的乳液并 且这样的乳液层E如图2所示在容器1中位于仅含有第一填充物质3的层之下时，或者当 这种乳液层E如图3所示位于仅含有第二填充物质5的层之上时，是这样的情况。图2a和 3a显示了相关的回波信号A(t)。在这些情况中，填充物质上表面在静止状态应当处于的位 置优选地是基于等式(1)和等式(3)确定的。这里，假设两个渡越时间中较短的那个Tx是 源自在第一填充物质3的填充物质上表面上的反射。只有总填充高度G = H1+H2输入等式 (1)，这个高度是由两种填充物质3、5共同在容器1中提供的。然而，总填充高度G与填充 物质3、5是设置在容器中的分离的层中还是完全或部分混合为乳液无关。对于测量的电容 C也是同样。它唯一地依赖于在容器1中含有的两种填充物质3、5的量。然而，它与填充物质3、5是存在于分离的层中还是完全或部分混合完全无关。将测量的电容C和较短的渡越 时间Tx作为Tl代入等式(1)和(3)，得到了用于确定Hl和H2的方程组。以这种方式计算 的填充高度H1、H2对应于在乳液层E已经分离为它的成分并且填充物质上表面已经处于静 止位置之后，这些填充物质3、5实际上在静止状态中在容器1中所处的填充高度。然而，还有大量应用场合，其中利用根据渡越时间原理工作的物位测量仪表7仅 能测量单一的渡越时间Tx。这例如是在容器1中仅有第一填充物质3或者仅有第二填充物质5时，或者是当 两种填充物质3、5混合从而在容器1中有单一的乳液层E时的情况。图4和4a中显示了 这三种填充情况以及相关联的回波信号。还有第一和第二填充物质3、5位于容器1中并且在第一填充物质3的上表面上形 成了泡沫的情况。这种填充状态以及相关联的回波信号显示在图5和5a中。图5中以阴 影表示泡沫，泡沫使得在这个表面上的反射特性变差，通常不再能够识别由这个介质边界 上的反射所引起的回波并且相应地不能为此执行渡越时间测量。进一步，在第一和第二填充物质3、5位于容器1中并且在两种填充物质3、5之间 已经形成了乳液层E的情况，导致了在这个区域中不发生显著的反射。图6和6a显示了这 种填充状态以及相关的回波信号。这里，通常不再能够识别由乳液层E的区域中的反射所 引起的峰值，并且相应地不能为此执行渡越时间测量。另一种情况发生在下部的第二填充物质5上仅仅存在通过两种填充物质3和5的 混合而形成的乳液层E时。图3已经显示了这种填充状态。反过来，由两种填充物质3和5 的混合而形成的乳液层也可以在容器1中位于下部，在该乳液层之上是仅仅由第一填充物 质3构成的层。图2显示了这种填充状态。在两种情况中，通常在乳液E和与其相邻的填 充物质(图2中是填充物质3，图3中是填充物质5)之间的介质边界上没有使得能够实现 渡越时间测量的显著反射。图2b和3b中给出了相应的回波函数曲线。在所有的仅能测量一个渡越时间Tx和电容C的情况中，首先建立一个假设，其关 于在容器1中的哪一个填充物质上表面上发生对于测量的渡越时间Tx具有决定意义的反 射。假设可以或者是“反射发生在第一填充物质3的填充物质上表面上”，或者是“反射发 生在第二填充物质5的填充物质上表面上”。在下一步骤，基于这个假设，对于容器1中含有的每一种填充物质3、5，确定当填 充物质3、5处于静止状态并且在容器1中没有泡沫或乳液时，其填充物质上表面所处的静 止位置。这是基于以上三个等式(1)、(2)和(3)完成的。这里，优选地作为第一假设，认为测量的渡越时间Tx对应于第一渡越时间Tl，其 源自在第一填充物质3的填充物质上表面上的反射。相应地，基于等式(1)和(3)，计算第 一填充物质3的填充高度Hl和第二填充物质5的填充高度H2。为此，对于假设Tx = Tl有 以下关系Hl = (C-C0-a (D-0. 5 V0 Tx))/(b_a)H2 = (C-C0-b (D-0. 5 V0 Tx))/(a_b)在等式(1)中仅仅输入总填充高度G = H1+H2，它是两种填充物质3、5共同在容 器1中所得到的高度。然而，总填充高度G不依赖于填充物质3、5设置在容器1中的分离 的层中，还是完全或部分混合为乳液E。对于测量的电容C也是同样。它仅仅依赖于容器1
12中含有的两种填充物质3、5的量。然而，它与填充物质3、5是存在于分离的层中还是完全 或部分混合完全无关。将测量的电容C和基于假设建立的较短渡越时间Tx作为Tl代入上 述等式，得到了在乳液层E已经分离为其成分之后，这些填充物质3、5在静止状态中将在容 器1中所处的填充高度HI、H2。基于物理边界条件检查计算确定的位置的正确性。这里，特别地检查在假设下所确定的填充物质上表面的位置是否在容器1内部。 为此，每一填充高度Hl和H2必须大于等于零，并且两个填充高度之和H1+H2必须小于电磁 信号S的发送器及接收器与容器底板之间的距离D，该距离依赖于测量仪表7的安装高度。 事实上，填充高度Hl甚至必须大于零，以使得有关决定渡越时间Tx的反射发生在第一填充 物质3的填充物质上表面上的假设可以得到证实。如果以这种方式确定的填充高度Hl和H2满足物理边界条件，那么假设被证实是 正确的，并且两个填充高度H1、H2形成了利用这种方法实现的测量结果。基于填充高度HI、 H2，可以以任何期望的形式给出静止位置。位置可以例如直接以填充高度Hl和H2的形式 输出。它们可以以各个填充物质上表面与容器底板的距离(D2 = H2 ；Dl = H1+H2)的形式 给出，或者以各个填充物质上表面与电磁信号S的发送器及接收器的距离(Dl = D-H1-H2 ； D2 = D-Hl)的形式给出。然而，它们也可以以各个填充物质上表面与最大允许物位上边界 Lmax的距离(Dl = Lmax-Hl-H2 ；D2-Lmax-Hl)的形式给出。对于探头未达到容器底板的情况， 容器底板和位于容器1中的探头末端之间的距离作为附加变量而得到考虑。如果假设被证实为正确的，那么在容器1中存在以下两种状态之一状态1 :H1 > 0 且 H2 = 0。在容器1中仅仅存在第一填充物质3。这里，基于本发明的方法，确定第一填充物 质3的填充物质上表面的位置，并且确定在容器1中不含有第二填充物质5状态2 :H1 > 0 且 H2 > 0。第一和第二填充物质3、5位于容器1中。这里，可以在容器1中形成乳液层E，其 是通过两种填充物质3、5在彼此相遇的有限区域中混合而引起的(见图6)。同样，可以有 第一填充物质3构成的层浮在由两种填充物质3、5构成的乳液层之上(见图2)，或者乳液 层E浮在由第二填充物质5构成的层之上(见图3)。然而，同样可以形成一个乳液层E，其 在通过两个填充高度HI、H2之和而给出的总填充高度G = H1+H2上延伸(见图4)。前述 的乳液层的高度和位置不可以利用本发明的方法而得到确定。如果第一假设不能基于边界条件而得到证实，那么利用第二假设重复该方法。这 里，为了保留前述例子，现在假设测量的渡越时间Tx对应于第二渡越时间T2，其来自在第 二填充物质5的填充物质上表面上的反射。利用这个假设，基于等式(2)和(3)，计算第一 填充物质3的填充高度Hl和第二填充物质5的填充高度H2。为此，对于假设Tx = T2，有 以下关系Hl = (C-C0-a (D-0. 5 V0 Tx)) / (b_a (1-ν )，Η2 = ((C-CO)(I-VcZV1)-MD-O-S V0 Tx))/(a (I-VcZv1) _b)同样，这里通过基于物理边界条件而计算确定的位置，检查假设的正确性。这里，特别地检查在假设下所确定的填充物质上表面的位置是否在容器1的内 部。为此，每一填充高度Hl和H2必须大于等于零，并且两个填充高度之和H1+H2必须小于电磁信号S的源及接收器与容器底板之间的距离D，该距离依赖于测量仪表7的安装高度。 事实上，填充高度H2甚至必须大于零，以使得有关决定渡越时间Tx的反射发生在第二填充 物质5的填充物质上表面上的假设可以得到证实。如果以这种方式确定的填充高度Hl和H2满足物理边界条件，那么假设被证实是 正确的，并且两个填充高度HI、H2代表了该方法的测量结果，基于它们可以以任一期望的 形式给出容器1中含有的填充物质3的填充物质上表面的静止位置。位置可以例如直接以 填充高度Hl和H2的形式输出。它们可以以各个填充物质上表面与容器底板的距离(D2 = H2 ；Dl = H1+H2)的形式给出，或者以各个填充物质上表面与电磁信号S的发送器及接收器 的距离(Dl = D-H1-H2 ；D2 = D-H1)的形式给出。然而，它们也可以以各个填充物质上表面 与最大允许物位上边界Lmax的距离(Dl = Lmax-Hl-H2 ；D2-Lmax-Hl)的形式给出。对于探头未 完全达到容器底板的情况，容器底板和容器1中的探头末端之间的距离作为附加变量而得 到考虑。如果假设被证实为正确的，那么结果对应于在容器1中的以下两种状态之一填充状态1 :H2 > 0 且 Hl = 0。在容器1中的仅仅是第二填充物质5(见图4)。这里，基于本发明的方法，确定第 二填充物质5的填充物质上表面的静止位置，并且确定在容器1中不含有第一填充物质3。填充状态2 :H1 > 0 且 H2 > 0。在容器1中的是第一和第二填充物质3、5。这里，可以是在容器1中在第一填充物 质3上形成了泡沫，这导致在第一填充物质3的上表面上不发生可测量的反射。泡沫确实 防止了反射；但是它通常不会导致上部填充物质的填充高度相对于其静止位置中的填充高 度Hl明显改变。利用本发明的方法确定的两个填充高度Hl和H2在这里还给出了两种填 充物质3、5在静止状态(其中不再存在泡沫)的填充高度。理论上，还可以考虑存在图3所示的情况，其中通过两种填充物质3、5的混合，形 成乳液层，其在容器1中位于仅由第二填充物质5构成的层之上。这将是当仅仅测量了在下 部填充物质5的填充物质上表面上反射的信号的渡越时间时的情况；然而，实际中在位于 容器1中的填充物质3、5之上的介质与乳液E之间的阻抗跳变远大于在乳液E到第二填充 物质5的过渡处发生的阻抗跳变。当在下部填充物质5的填充物质上表面上反射的信号的 渡越时间可以被测量时，自然在乳液层E的上表面上反射的信号的渡越时间也被测量。关 于两个测量的渡越时间，上面已经描述了这种情况。除了上述的总是有至少一种填充物质3、5位于容器1中的情况之外，自然还可以 利用所述的物位测量仪表7/11识别到存在空的容器1。这通常是这样的情况测量的电容 C等于基本电容C0，并且不能测量到由于在容器1内部位于容器底板之上的介质边界上的 反射所引起的渡越时间。附图标记列表1 容器3 第一填充物质5 第二填充物质7 根据渡越时间原理工作的物位测量仪表9 波导
11 电容式物位测量仪表13 电容性探头15 参考电极
权利要求
用于容器(1)中的物位测量的方法，第一填充物质(3)和/或第二填充物质(5)位于该容器中，其中第一填充物质(3)的比重比第二填充物质(5)的比重小，并且两种填充物质(3，5)具有不同的介电常数(ε)，其中 将电磁信号(S)发送进入容器(1)， 在至少一个由容器(1)中含有的填充物质(3，5)产生的介质边界处发生反射，其中所述信号(S)的一部分(Rx，Ry)被反射，并且 对于每一被反射的部分(Rx，Ry)，测量一个依赖于引起反射的介质边界的位置的渡越时间(Tx，Ty)，该渡越时间是所述信号(S)的这个部分(Rx，Ry)抵达这个介质边界并返回所需的时间， 测量在电容性探头(13)和参考电极(15)之间的电容(C)，该电容依赖于位于容器(1)中的填充物质(3，5)的量，以及 基于测量的电容(C)和测量的渡越时间(Tx，Ty)，对于容器(1)中含有的每一种填充物质(3，5)确定一个位置，该位置对应于当容器中的每一种填充物质(3，5)的总量形成单一的仅含有这种填充物质(3，5)的层时，由于容器中含有的第一填充物质(3)的量以及容器(1)中含有的第二填充物质(5)的量而使得相应填充物质(3，5)的填充物质上表面所处的位置。
2.根据权利要求1所述的用于物位测量的方法，其中，基于这个位置确定在容器中是 仅有第一填充物质(3)、仅有第二填充物质(5)、还是有两种填充物质(3，5)。
3.根据权利要求1所述的用于物位测量的方法，其中，-测量依赖于第一介质边界的位置的第一渡越时间(Tx)、依赖于第二介质边界的位置 的第二渡越时间(Ty)以及电容(C)，以及-基于这三个测量变量中的两个，对于容器(1)中含有的每一种填充物质(3，5)确定一 个位置，该位置对应于当容器(1)中的每一种填充物质(3，5)的总量形成单一的仅含有这 种填充物质(3，5)的层时，由于容器(1)中含有的第一填充物质(3)的量以及容器(1)中 含有的第二填充物质(5)的量而使得相应填充物质(3，5)的填充物质上表面所处的位置， 并且-基于第三测量变量检查这些推导的结果。
4.根据权利要求1所述的用于物位测量的方法，其中，-测量依赖于第一介质边界的位置的第一渡越时间(Tx)、依赖于第二介质边界的位置 的第二渡越时间(Ty)以及电容(C)，-基于测量的第一渡越时间(Tx)、测量的第二渡越时间(Ty)以及电容(C)，确定第一填 充物质(3)的至少一个由材料特定的常数，并且-基于三个测量的变量中的至少两个变量以及基于由材料特定的常数，确定当容器 ⑴中的每一种填充物质(3，5)的总量形成单一的仅含有这种填充物质(3，5)的层时，由于 容器(1)中含有的第一填充物质(3)的量以及容器(1)中含有的第二填充物质(5)的量而 使得相应填充物质(3，5)的填充物质上表面所处的位置。
5.根据权利要求4所述的用于物位测量的方法，其中，由材料特定的常数是第一填充 物质⑶的介电常数(O。
6.根据权利要求5所述的用于物位测量的方法，其中，基于第一填充物质(3)的介电常2数(O，确定电磁信号(S)在第一填充物质(3)中的传播速度(V1)以及第一填充物质(3) 的电容增加因子(b)，其中电容增加因子(b)给出了电容(C)依赖于第一填充物质(3)填充 高度(Hl)的增加。
7.根据权利要求1所述的用于物位测量的方法，其中，对于仅能确定一个渡越时间 (Tx)的情况，_建立一个假设，关于在哪一介质边界发生对于测量的渡越时间(Tx)有决定性的反射，-对于容器⑴中含有的每一种填充物质(3，5)，基于测量的渡越时间(Tx)、测量的电 容(C)以及所述假设，确定当容器(1)中的每一种填充物质(3，5)的总量形成单一的仅含 有这种填充物质(3，5)的层时，由于容器(1)中含有的第一填充物质(3)的量以及容器(1) 中含有的第二填充物质(5)的量而使得相应填充物质(3，5)的填充物质上表面所处的位 置，-基于物理边界条件，检查以所述假设为基础确定的位置的正确性，以及-当检查显示不符合时，改变假设，重复这个方法。
8.根据权利要求7所述的用于物位测量的方法，其中，物理边界条件是该位置位于容 器(1)的内部。
9.根据权利要求1所述的用于物位测量的方法，其中，当容器(1)中含有的每一种填充 物质(3，5)的总量形成单一的仅含有这种填充物质(3，5)的层时，由于容器(1)中含有的 第一填充物质(3)的量以及容器(1)中含有的第二填充物质(5)的量而使得相应填充物质 (3,5)的填充物质上表面所处的位置是以如下形式给出的-填充物质(3，5)在容器中的填充高度(H1，H2)，或者-各填充物质上表面距容器底面的距离(D1，D2)，或者-各填充物质上表面距电磁信号(S)的发射器及接收器的距离(D1，D2)，或者-各填充物质上表面距容器(1)中的最大允许物位上边界(Lmax)的距离(D1，D2)。
10.根据前述任一权利要求所述的用于物位测量的方法，其中，渡越时间测量和电容测 量是利用单一的物位测量仪表(7/11)执行的，该测量仪表具有单一的探头(9/13)，该探头 既用作电容性探头(13)也用作用于电磁信号(S)的波导(9)。
全文摘要
公开了一种用于物位测量的方法，其中在容器(1)中存在第一和/或第二填充物质(3，5)，对于容器(1)中含有的每一填充物质(3，5)可以确定一个静止位置，其对应于当容器(1)中的每一填充物质(3，5)的总量形成一个仅仅包含这种填充物质(3，5)的单一层时，由于容器(1)中含有的第一填充物质(3)的量以及容器(1)中含有的第二填充物质(5)的量而使得相应填充物质(3，5)的填充物质上表面所处的位置；其中第一填充物质(3)比第二填充物质(5)的比重小，并且两种填充物质(3，5)具有不同的介电常数(ε)，其中电磁信号(S)被发送进入容器(1)，在至少一个由容器(1)中含有的填充物质(3，5)产生的介质分界层上发生反射，其中信号(S)的一部分(Rx，Ry)被反射，并且对于每一反射的部分(Rx，Ry)都测量依赖于引起反射的介质分界层的位置的渡越时间(Tx，Ty)，这个渡越时间是测量信号(S)的这个部分(Rx，Ry)到达这个介质分界层并返回所需的；测量电容性探头(13)和参考电极(15)之间的电容(C)，该电容依赖于容器(1)中存在的填充物质(3，5)的量；并且依赖于测量电容(C)和测量渡越时间(Tx，Ty)，对于容器(1)中存在的每一填充物质(3，5)确定其填充物质上表面的静止位置。
文档编号G01F23/284GK101896797SQ200880120522
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月18日
发明者赫伯特·施罗思, 迪特马尔·施潘克, 阿列克谢·马利诺夫斯基 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司