填充水平测量设备及用于确定介电常数的设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种填充水平测量设备，用于借助于行进时间方法来确定容器中的过程介质的填充水平。填充水平测量设备的特征在于，该填充水平测量设备具有用于确定第二介质的介电常数的装置，所述第二介质位于测量设备和过程介质之间。用于确定介电常数的装置包括用于高频测量信号的至少一个波导。所述波导至少部分地填充有电介质并且被实施并布置为使得电介质与第二介质形成界面，经由波导供给到第二介质的测量信号的相当大部分在所述界面处被反射。本发明进一步涉及一种用于确定介电常数的设备和由这种设备和填充水平测量设备组成的系统。
【专利说明】填充水平测量设备及用于确定介电常数的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于行进时间方法来确定容器中的过程介质的填充水平的填充水平测量设备。过程介质例如为液体。而且，本发明涉及一种用于确定容器中的介质的介电常数的设备，包括用于高频测量信号的波导和电子单元。例如，介质是液体、气体或泡沫。
【背景技术】
[0002]对于容器中流体或散装货物的填充水平测量，采用了利用行进时间方法确定填充水平的测量设备。这种装置的示例包括雷达测量设备。这种测量设备使用例如经由喇叭天线朝向待检测的介质辐射的微波信号。在介质上反射的信号通过电子单元在测量设备中评估。从信号的行进时间可确定距介质的距离以及由此可确定介质的填充水平。脉冲雷达系统和连续辐射雷达系统是已知的。在所谓的TDR探针的情形中，信号沿着伸入介质的信号线导向。根据行进时间原理工作的另外的测量设备是超声测量设备，其借助于超声信号确定距介质的距离。
[0003]在借助于行进时间方法测量填充水平的情形中，当在其填充水平待测量的过程介质上方，代替空气、真空或具有非常低相对介电常数的某些其它介质，存在别的介质(例如，气相)时，可能发生测量不准确，因为这影响信号的行进时间。因此，了解测量设备和待测量过程介质之间的介质是有利的。至少应已知介质的介电常数。
[0004]从Offenlegungsschrift的DE 102006045711 Al已知一种借助于微波测量区别不同填充材料的方法。为此，微波被朝向待检查的介质辐射并由空间远程传感器评估。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是增加借助于行进时间方法确定填充水平的填充水平测量设备的精度。而且，本发明的目的是提供一种用于确定介质的介电常数的紧凑设备。
[0006]该目的通过一种用于借助于行进时间方法来确定容器中的过程介质的填充水平的填充水平测量设备来实现，其中所述填充水平测量设备具有用于确定第二介质的介电常数的装置，所述第二介质位于所述填充水平测量设备和过程介质之间，其中所述用于确定介电常数的装置包括用于高频测量信号的至少一个波导，其中所述波导至少部分地填充有电介质并且被实施并可布置为使得所述电介质与第二介质形成界面，经由所述波导而被供给到第二介质的测量信号的相当大部分在所述界面处被反射。例如，波导为中空导体或同轴探针。
[0007]在填充水平测量设备的第一实施例中，设置有电子单元，所述电子单元被实施为基于朝向过程介质发射并在过程介质上反射的信号的行进时间来确定填充水平的测量值并且根据第二介质的测量介电常数来确定填充水平的校正测量值。因为填充水平测量信号的行进时间取决于穿过行进的介质一相应地介质一的介电常数，所以当介质不同于空气时需要校正。应用的示例包括在高过程温度和包含灰尘的大气下形成的气相。改变的介电常数通过用于介电常数确定的补充装置是可靠地可检测的，使得能启用填充水平测量值的合适校正。
[0008]在另外的发展中，在电子单元中配备有根据第二介质的介电常数的用于填充水平的测量值的校正的至少一个校正值和/或校正公式，并且电子单元被实施为根据校正值和/或校正公式来校正填充水平的测量值。
[0009]在实施例中，填充水平测量设备被实施为超声测量设备、具有导向信号的雷达测量设备或者利用自由传播波的雷达测量设备。
[0010]借助于用于确定介电常数的设备，因为在确定填充水平时考虑了关于介电常数的信息，可增加填充水平测量设备的测量精度。根据行进时间方法工作的填充水平测量设备实施为在过程介质的方向中发射信号并接收和评估反射的信息。填充水平测量设备布置成与过程介质间隔开。无论如何，在具有导向波的雷达测量设备的情形中，存在经由波导的接触。然而，用于发射信号和接收反射信号的发生和接收元件仍然布置在距过程介质一定距离处。与此相比，在其介电常数待被确定的介质和用于确定介电常数的高频测量信号的波导之间存在直接接触。高频测量信号，优选地波导信号，没有辐射到介质内，而是相反在与介质的界面处反射。因此，与用于填充水平测量的填充水平测量设备的部件相比，波导和电介质没有实施为以尽可能低的损失将测量信号辐射到介质内，而是相反实施为使得测量信号在界面处反射。有利实施例提供了在波导中测量信号的尽可能低损失传播或在界面处尽可能低损失反射。
[0011]该目的进一步通过用于确定容器中的介质的介电常数的设备，包括用于高频测量信号的波导和电子单元，其中波导至少部分地填充有电介质并且被实施并可引入到容器内以使得电介质与介质形成界面，在波导中朝向介质传播的测量信号的相当大部分在界面处被反射，并且其中电子单元被实施为接收在界面处反射的信号并且至少参考幅度来评估该信号。
[0012]因为反射率取决于邻接界面的介质的介电常数，所以反射信号的幅度是介电常数的度量。电介质优选地以固体的形式存在且因此形成与介质的指定的界面。本发明的设备代表用于确定介电常数的非损伤式装置。而且，该设备是紧凑的，因为具有非常小的尺寸的波导足以用于测量。因而，设备也可以经由具有小直径的过程连接部而引人到容器内。
[0013]在第一实施例中，电子单元将测量信号的幅度与反射信号的幅度进行比较，并且从幅度的比来确定介质的介电常数。换句话说，电子单元实施为由进波和出波的能量比来确定介电常数。
[0014]在实施例中，电介质具有截锥形端部。优选地，截锥形端部是旋转对称的。通过该成形，发射的功率的部分被减小。
[0015]在另外的实施例中，在设备上形成有至少一个冷却翅片。优选地，波导具有在其背离电介质的外侧上具有一个或多个冷却翅片。这保护电子单元免于高过程温度。
[0016]在实施例中，波导被实施为中空导体或同轴导体。例如，波导被实施为圆形的中空导体。
[0017]此外，该目的通过一种用于确定容器中的过程介质的填充水平的系统来实现，该系统至少包括用于借助于行进时间方法来确定过程介质的填充水平的填充水平测量设备和用于确定第二介质的介电常数的设备，所述第二介质位于过程介质和填充水平测量设备之间，其中设备被实施为如之前描述的。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]现在将基于附图更详细地解释本发明，附图中的图示意性地显示如下:
[0019]图1是根据第一实施例的用于确定介电常数的设备的截面；
[0020]图2是根据第二实施例的用于确定介电常数的设备的截面，以及电子单元；
[0021]图3是包括用于填充水平测量的测量设备和用于确定介电常数的设备的系统。
【具体实施方式】
[0022]图1显示了用于确定位于容器12中的介质11的介电常数的设备I。设备I安装在容器12的壁13中。为此，设备I包括过程连接部4，例如凸缘或螺纹安装部。介质11优选地是气相、蒸汽或多尘大气，即包含颗粒的气体。
[0023]设备的基本部件是用于高频测量信号的波导2。术语高频信号指微波区域中的信号，尤其是在GHz范围中的信号，例如，具有在6GHz和77GHz之间的频率，尤其是26GHz。波导2体现为中空导体，例如，具有圆形或矩形横截面的导体，且填充有固体电介质21。仅略微衰减波导2中传播的高频波的电介质21尤其合适，例如，PTFE, ETFE, PEEK或PE。设备1，尤其是波导2，布置成使得波导2与位于容器中的介质11经由界面23接触。电介质21可以伸入容器中，至少基本上与容器壁13平齐地终止或者回缩。
[0024]代替中空导体，同轴探针也可以用作波导。优选地，同轴探针的内导体从界面23往回至少几毫米而终止，使得结构不能引起爆炸。波导2的尺寸可以是小的，使得设备I在壁13中要求小的空间。在该情形中，尺寸取决于测量信号的频率且与频率成反比。例如，波导2的直径在6GHz频率处优选地达到约40mm，而26GHz情形中的直径优选地位于5mm和12mm之间。26GHz的情形中的长度例如位于15mm和40mm之间。原则上，然而，长度可以几乎像期望的那么长，其中较小的长度导致较小的功率损失。
[0025]电介质21与其介电常数待被确定的介质11形成限定的界面23。在界面23处，在电介质21和介质11之间存在直接接触。在实施例中，电介质材料21的介质接触表面设有过程隔离层，例如，薄涂层的形式。界面23可以是平的或者具有某些其它合适的形状，使得测量信号的尽可能大的部分被反射且尽可能小的部分被发射到介质11中。发射的越小，介电常数的确定越准确，因为在容器12内发生了较少不期望的反射，这可能被往回反馈到波导2中。
[0026]在波导2上形成了多个冷却翅片5。这些冷却翅片用于设备1-尤其是邻接波导2的电子单元8—从过程的热去耦。可替代地或补充地，可以在波导2的相当大长度上提供热去耦。
[0027]测量信号在电子单元8中产生且经由导向器6馈送到耦合元件7，耦合元件7将测量信号耦合到波导2内。电子单元8经由相同的元件接收反射的测量信号。此处仅示意性地给出的电子单元8将参考图2更详细地解释。
[0028]图2公开了填充有电介质21的波导2的有利实施例。波导2可以再次构造成中空导体或同轴探针且不限于圆形横截面。电介质21实施为使得测量信号的被发射的部分最小。为此，电介质21具有截锥形端部22。在该情形中,端部22的表面形成与介质11的界面23。优选地，端部22是旋转对称的。而且，端部22由漏斗3围绕，漏斗3优选地同样为旋转对称的。漏斗3是金属的。端部22和漏斗3延伸到由壁13界定的容器12的内部。
[0029]在该实施例的变化形式中，电介质21进一步伸入容器12内，使得不仅截锥形端部22位于容器12内。在另一变化形式中，端部22回缩，使得底部22仅部分地向内伸入容器12内。而且，另一变化形式是其中电介质材料21的界面23基本上与容器壁13平齐，即，波导2和电介质21不伸入到容器内部。而且，在该变化形式中，漏斗3位于容器12的外部。优选地，在该变化形式中，漏斗3同时形成用于将设备I固定在壁13中的过程连接部4。
[0030]其它解释通常适用于本发明的用于确定介电常数的设备I且不限于波导2和电介质材料21的图示实施例。
[0031]背离介质11的波导2的端部区域经由连接装置与电子单元8连接。连接装置包括至少一个耦合元件7和横向导向器6。耦合元件7将测量信号耦合到波导2且耦合来自波导2的反射的测量信号。由于防爆原因，采用气密的和高频透射导向器6，借此，测量信号被从电子单元8引入耦合元件7且将反射的信号从耦合元件7引入电子单元8。例如，横向导向器6包括具有作为用于测量信号的载体的电缆的玻璃。通过耦合元件7提供了到中空导体的过渡。
[0032]电子单元8包括高频振荡器82或者可替代地，用于产生高频测量信号的另外的合适的高频源。测量信号被馈送到所谓的双工器81。双工器81用作发射/接收分离器，或定向耦合器。双工器81将测量信号引导到波导2，相应地导向器6，和将反射的测量信号引导到检测器83。双工器81例如实施为循环器或耦合器和匹配的连接部的组合，其中后者实施例也可以以中空导体技术实现。中空导体技术中的实施例的另一形式是所谓的磁性T。这种形式可直接布置在波导2后面，使得耦合元件7和导向器6可被省略。
[0033]检测器83被实施为确定供给到其的信号的幅度。优选地，检测器83将反射的测量信号的测量幅度与发射的测量信号的幅度进行比较且由此确定在与介质11的界面23上反射的测量信号的部分。反射的功率在已知方式中取决于电介质材料21和介质11的介电常数。因为电介质材料21的介电常数是已知的，所以介质11的介电常数是从反射的测量信号可确定的。
[0034]在有利实施例中，例如，检测器83可以借助于相邻的温度传感器进行温度补偿或者其可以在可预先确定的温度下操作，据此增加了在确定介电常数中的测量精度。
[0035]为了保护电子单元8免于高过程温度，传感器部件，即，波导2、电介质21 (在给定情形中)、漏斗3和过程连接部4可以与双工器81分离。例如，传感器部件和双工器81之间的连接经由电缆进行。随着电缆长度增加，然而，测量精度减小。
[0036]测量信号可以连续地产生或作为脉冲产生。例如，其为正弦信号或矩形信号。
[0037]没有显示从测量的幅度比确定介电常数的评估单元。例如，评估单元优选地数字地实现为微控制器。优选地，在评估单元的存储器中以表或公式的形式提供了幅度比和介电常数之间的关系。
[0038]在另外的实施例(未显示)中，确定了相对反射因素，而不是绝对反射因素。为此，设备I包括等同于具有电介质21的波导2实施的基准元件，但是，相反地，与介质11的界面具有与已知的介电常数的基准介质(例如，基准气体)的界面。评估单元将反射的测量信号的幅度与反射的基准信号的幅度进行比较并基于该比确定介质11的介电常数。
[0039]图3显示了包括填充水平测量设备9和用于确定介电常数的设备I的系统。填充水平测量设备9和用于确定介电常数的设备I优选地彼此相邻地布置在同一容器12上或中。填充水平测量设备9借助于行进时间方法确定过程介质10的填充水平。其经由天线91朝向过程介质10发送信号且接收在过程介质10的表面上反射的信号。从信号行进时间，填充水平测量设备9确定距过程介质10的距离，由此，在已知容器几何结构的情形中，填充水平是可确定的。确定填充水平的精确性随着用于确定位于过程介质10上方的介质11的介电常数的设备I的辅助而增加。
[0040]例如，填充水平测量设备9可以实施为超声测量设备或者雷达测量设备，其中雷达测量设备不限于具有喇叭天线91的所示变化形式。
[0041]借助于用于确定相邻介质11的介电常数的设备1，在填充水平测量设备9和过程介质10之间是否存在空气或某些其它介质是可确定的。而且，介质11基于介电常数是可指定的。尤其是，过程介质10的气相11是可识别的。气相11在高过程温度下频繁地形成。通过在填充水平测量设备9和过程介质10之间存在的介质11的介电常数的知识，在确定填充水平时可以将与空气中传播相比的填充水平测量的信号的传播速度的变化考虑进去。这使得填充水平的确定尤其准确和可靠。
[0042]系统也可以包括用于确定介电常数且布置在容器12中的不同高度处的多个设备I。例如，该系统变化形式可以检测在过程介质10的表面上但没有到达其中填充水平测量设备9被通常安装的容器盖子的泡沫。
[0043]系统还包括高级电子单元98。电子单元98接收填充水平的测量值和介电常数的测量值并实施为使得其借助于介电常数的测量值计算来自供给到其的填充水平值的补充填充水平值。在另一变化形式中，关于位于填充水平测量设备9和过程介质10之间的介质11的介电常数的信息被提供给填充水平测量设备9。例如，设备I和填充水平测量设备9经由数据线相互连接或者设备I将其测量数据无线地发射到填充水平测量设备9。
[0044]在系统的有利实施例中，比如已知的，用于确定介电常数的设备I和填充水平测量设备9安装在共享的凸缘40中。电子单元98与两个测量设备1、9连接。壳体92保护电子单元98免于环境影响。在该实施例中两个测量设备1、9不需要具有它们自己的保护壳体，因为至少电子部件位于壳体92内。
[0045]对于形成填充水平测量设备9和用于确定相邻介质11的介电常数的设备I的系统可替代地，基于行进时间方法的填充水平测量设备9的精确性也可以通过将填充水平测量设备9实施为使得其包括用于确定介电常数的装置来改进。在该情形中，设备I可以集成到填充水平测量设备9内，例如，将用于确定介电常数的独立设备I引入填充水平测量设备9的壳体内并给填充水平测量设备9的电子单元提供介电常数的测量值。
[0046]在另一变化形式中，仅用于检测反射的测量信号的检测器被补充地放置在填充水平测量设备9的壳体中。共享的信号产生单元产生用于确定介电常数的测量信号和用于填充水平测量的信号，将它们导入填充有电介质21的共享中空导体2内且共享电子单元98评估用于填充水平的信号和用于介电常数的测量信号并确定过程介质10的填充水平，将介质11的介电常数考虑进去。当填充水平测量设备9已经具有填充有电介质21的合适的波导2时，该实施例是可选的，且可以同等地用于填充水平测量的信号和介电常数测量的信号。该实施例是尤其有利的，因为填充水平测量的精度可以仅利用几个另外的部件而增加。
[0047]在另一实施例中，单独的波导2被引入填充水平测量设备9内用于测量相邻介质11的介电常数。在实施例中，填充水平测量设备9还具有两个分离的信号产生单元，一个用于填充水平测量的信号且一个用于介电常数的测量信号。根据填充水平测量设备9的实施例，尤其是参考其对干扰信号的敏感性，测量信号可以以与填充水平测量的信号相同的频率产生。如果以相同的频率测量是不可能的，那么两个信号以相互不同的频率产生，甚至以相互仅略微不同例如5%的频率。填充水平的测量和介电常数的测量可同时或交替地发生。
[0048]附图标记列表
[0049]I 用于确定介电常数的设备
[0050]2 波导
[0051]21电介质
[0052]22 端部
[0053]23 界面
[0054]3 漏斗
[0055]4 过程连接部
[0056]40 凸缘
[0057]5 冷却翅片
[0058]6 玻璃导向器
[0059]7 耦合元件
[0060]8 电子单元
[0061]81双工器
[0062]82高频振荡器
[0063]83检测器
[0064]9 填充水平测量设备
[0065]91 天线
[0066]92 壳体
[0067]98 电子单元
[0068]10过程介质
[0069]11第二介质/气相
[0070]12 容器
[0071]13容器壁
【权利要求】
1.一种填充水平测量设备(9)，用于借助于行进时间方法来确定容器(12)中的过程介质(10)的填充水平，其特征在于， 所述填充水平测量设备(9)具有用于确定第二介质(11)的介电常数的装置，所述第二介质(11)位于所述填充水平测量设备(9)和所述过程介质(10)之间， 其中，所述用于确定介电常数的装置包括用于高频测量信号的至少一个波导(2)，其中所述波导(2)至少部分地填充有电介质(21)并且被实施并可布置为使得所述电介质(21)与所述第二介质(11)形成界面(23)，经由所述波导(2)而被供给到所述第二介质(11)的测量信号的相当大部分在所述界面(23)处被反射。
2.根据权利要求1所述的填充水平测量设备，其特征在于， 设置有至少一个电子单元(98)，所述电子单元(98)被实施为基于朝向所述过程介质(10)发射并在所述过程介质上反射的信号来确定所述填充水平的测量值，并且根据所述第二介质(11)的测量的介电常数来确定所述填充水平的校正测量值。
3.根据前述权利要求所述的填充水平测量设备，其特征在于， 在所述电子单元(98)中配备有根据所述第二介质(11)的介电常数的用于所述填充水平的测量值的校正的至少一个校正值和/或校正公式，并且所述电子单元(98)被实施为根据所述校正值和/或所述校正公式来校正所述填充水平的测量值。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的填充水平测量设备，其特征在于， 所述填充水平测量设备(9)被实施为超声测量设备、具有导向信号的雷达测量设备或者利用自由传播波的雷达测量设备。
5.一种用于确定容器(12)中的介质(11)的介电常数的设备(I)，包括用于高频测量信号的波导⑵和电子单元(8)，其特征在于， 所述波导(2)至少部分地填充有电介质(21)并且被实施并可引入到所述容器(12)内以使得所述电介质(21)与所述介质(11)形成界面(23)，在所述波导中朝向所述介质(11)传播的测量信号的相当大部分在所述界面(23)处被反射，并且 所述电子单元(8)被实施为接收在所述界面(23)上反射的信号并且参考幅度来评估所述信号。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于， 所述电子单元(8)将所述测量信号的幅度与所述反射信号的幅度进行比较，并且从所述幅度的比来确定所述介质(11)的介电常数。
7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于， 所述电介质(21)具有截锥形端部(22)。
8.根据权利要求5至7中一项或多项所述的设备，其特征在于， 在所述设备(I)上形成有至少一个冷却翅片(5)。
9.根据权利要求5至8中一项或多项所述的设备，其特征在于， 所述波导(2)被实施为中空导体或同轴导体。
10.一种用于确定容器(12)中的过程介质(10)的填充水平的系统，至少包括用于借助于行进时间方法来确定所述过程介质(10)的填充水平的填充水平测量设备(9)和至少一个根据权利要求5至9中至少一项所述的用于确定第二介质(11)的介电常数的设备(1)，所述第二介质(11)位于所述过程介质(10)和所述填充水平测量设备(9)之间。
【文档编号】G01F23/296GK104395713SQ201380032284
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年5月29日 优先权日:2012年6月18日
【发明者】托马斯·布勒德特, 彼得·克勒费尔 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司