填充水平测量装置的制作方法

本发明涉及一种用于测量位于容器中的填料的填充水平的填充水平测量装置。

背景技术：

在过程自动化技术中，通常使用用于捕获或修改过程变量的现场装置。为此，现场装置的功能在每种情况下基于合适的测量原理，以便捕获相对应的过程变量，诸如填充水平、流率、压力、温度、ph值、氧化还原电位或电导率。各种各样这样的现场装置由endress+hauser公司制造和分售。

为了测量容器中填充材料的填充水平，已经建立了基于雷达的测量方法，因为它们具有鲁棒性并且需要最少的维护。在本发明的范围内，术语“容器”也指未封闭的容器，诸如盆地、湖泊或流动的水体。基于雷达的测量方法的关键优势在于其准连续测量填充水平的能力。在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指具有在0.03ghz和300ghz之间的频率的微波信号。

在基于雷达的填充水平测量的情况下，脉冲飞行时间原理是所确立的测量原理。在此，脉冲形状微波信号在填料的方向上循环发射，并且测量直到接收到相对应的脉冲形接收信号的飞行时间。基于这种测量原理，可以以相对较低的电路复杂性来实现填充水平测量装置。如果可以接受更复杂的电路技术，则fmcw(frequency-modulatedcontinuouswave，调频连续波)是用于基于雷达的填充水平测量的可能测量原理。例如在“radarlevelmeasurement(雷达物位测量)”peterdevine,2000中描述了基于fmcw和脉冲雷达的填充水平测量装置的操作原理。

在填充水平测量的领域，测量主要在6ghz、26ghz或79ghz的雷达频率下进行。一般而言，所选择的频带越高，雷达信号的波束锥越窄。而且，至少在fmcw的情况下，更高的频带是优选的，因为可以使用更大的绝对频率带宽。例如，在79ghz，使用4ghz的带宽，也就是说从76ghz到80ghz。用更大的带宽，反过来可以实现距离测量的更高的分辨率。尤其是在填充水平测量的情况下，这表现重要的要求，因为根据应用，需要尽可能准确地了解填充水平。使用较高频率的另外的优点是，基于雷达的距离测量装置可以配备有更紧凑的天线，而不降低天线的集束效应。例如，在填充水平测量中，这使得可以具有用于附接到容器的尺寸减小的连接凸缘。因此，还期望的是通常以高于79ghz(高至300ghz的雷达频率)的频率操作填充水平或距离测量。

在100ghz以上的频率下，借助其生成雷达信号的高频电信号不能再经由混合连接技术在用其生成相对应的高频电信号的半导体部件和半导体部件被放置在其上的印刷电路板之间进行引导。由于到各个电子部件的连接结构——诸如接合线或焊接点——的尺寸在雷达信号的波长的数量级内，这些连接结构作为寄生元件干扰传输行为。此外，电子器件中常用的许多材料导致随频率增加的损耗，由于高频电信号即使在很短的线路距离内也被显著衰减。这就是为什么随着频率的增加，很难借助于标准混合技术实现的半导体部件的高性能和可靠接触。出于这个原因，为了生成或接收尤其是100ghz以上的雷达信号，使用半导体部件，高频电信号可以直接从该半导体部件中作为雷达信号耦合出，或者可以用该半导体部件将进入的雷达信号直接转换成相对应的高频电信号。因此不再需要混合信号路由。在这种情况下，雷达信号借助于相对应的初级发射器耦合出或耦合入。这是例如平面天线，其借助于微机械方法附接到半导体部件。这种半导体部件尤其在公开物de102015119690a1中进行描述。因此，这防止了高频电信号必须被路由通过外部印刷电路板、焊接连接件或接合线。这降低了距离测量装置精确地在较高频率下的性能和对干扰的敏感性。

整体式构造的另一优点是信号生成和信号评估可以在同一半导体部件中实施，使得填充水平测量装置可以具有更紧凑的整体设计。根据测量方法，可以在半导体部件中实施已知的电路元件，以便创建信号生成单元或信号评估单元：在fmcw的情况下，用于要发射的雷达信号的高频信号可以通过pll(phase-lockedloop，锁相环)生成；所接收的雷达信号可以通过混频器与要发射的高频信号混合，使得可以根据混合信号的所谓差频来确定距离或填充水平。相对应地设计的评估块可以例如借助于混合信号的fft(fastfouriertransform，快速傅立叶变换)来确定差频。

然而，来自半导体部件的雷达信号的直接发射是不可能的，至少在填充水平测量的情况下是不可能的，因为来自初级辐射器的辐射大部分是无方向的。很明显，辐射经由介质透镜聚集。然而，只有在主辐射器具有足够的光束聚集或者透镜被直接放置在半导体部件上的情况下，这种透镜才能够被充分照射。然而，强聚集初级辐射器具有为此目的必须在半导体部件上保留相对应地确定大小的芯片表面的缺点。直接安装在初级辐射器上的透镜进而具有半导体部件因此也间接暴露于填料或与机械和热负载相关的环境的缺点。保护性封装件，例如以耐压窗口的形式，只能以较大的困难被实施为靠近在半导体部件。

因此，本发明的目的是提供一种被设计成用于高雷达频率并且可以在恶劣的环境条件下使用的基于雷达的填充水平测量装置。

技术实现要素：

本发明通过一种基于雷达的填充水平测量装置来实现这个目的，该填充水平测量装置至少包括以下项：

-半导体部件，该半导体部件被构造为：

○生成高频电信号，该高频电信号优选地具有至少100ghz的频率；和/或接收相对应的高频电信号，以及

○至少基于所接收的高频信号来确定填充水平值，

-介电波导，该介电波导优选地由介电值大于1的绝缘材料(尤其是hdpe或ptfe)制成，其中波导与半导体部件接触，以使得高频信号作为雷达信号耦合到

-天线中，和/或使得来自天线的所接收的雷达信号作为电信号耦合到半导体部件中，

-灌封封装件，该灌封封装件径向封装至少波导，以使得在波导和灌封封装件之间形成限定的空腔。

对于根据本发明的填充水平测量装置来说，有利的是，密封和耐压封装件可以远离敏感性半导体部件朝向填充材料间隔地实施，尤其是通过波导中的雷达信号的部分引导。这简化了填充水平测量装置的可制造性。另一方面，根据本发明的填充水平测量装置提供了尤其是通过与波导间隔开的灌封封装件使得雷达信号的有效耦合入和耦合出成为可能，而没有减少对半导体部件免受热负载的影响的保护的优点。因此，填充水平测量装置一方面可以能量有效地操作。另一方面，通过实施半导体部件，可以紧凑地设计填充水平测量装置，而不降低天线的聚集效应。填充水平测量装置可根据应用的领域灵活设计。

例如，对于高温应用，波导可以被定尺寸为具有至少为3cm，尤其是大于8cm的长度，以便将半导体部件和任何其他电子器件与天线热解耦。如果灌封封装件被设计成使得波导和灌封封装件之间的空腔具有雷达信号的波长的至少两倍的距离，则雷达信号的耦合入和耦合出可以被进一步优化。

如果半导体部件被布置在印刷电路板上，则波导可以通过将半导体部件的电磁屏蔽件附接到灌封封装内部的印刷电路板而被固定到霍尔效应导体部件。在这种情况下，屏蔽件将波导固定为朝向半导体部件，以使得雷达信号可以以损耗最小的方式耦合到波导中或耦合到半导体部件中。因此，半导体部件的屏蔽件和波导的固定由相同元件实现。如果半导体部件布置在印刷电路板上，灌封封装件可以附加地被设计成使得印刷电路板的背离半导体部件的表面而附加地被封装。因此，布置在印刷电路板的背侧上的任何电子部件也被灌封封装件覆盖。

当填充水平测量装置被设计成具有上述屏蔽件时，填充水平测量装置的可制造性可以通过将波导设计成两部分来简化，使得波导在屏蔽件的区域中被细分成第一区段和第二区段。

填充水平测量装置的可能的外壳可以被设计，以使得至少半导体部件、波导和灌封封装件被外壳包围，其中天线必须被紧固在外壳外部。因此，可以在外壳中提供索环(grommet)，用于在外壳内部和外部之间将雷达信号耦合入和耦合出。这种索环可以优选地被设计，以使得波导被固定到天线，使得雷达信号以无损耗的方式耦合到天线或耦合到波导中。为了简化地生成填充水平测量装置，索环也可以设计为相对于波导自定心。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。以下示出的是：

图1是容器上基于雷达的填充水平测量装置的典型布置；以及

图2是根据本发明的填充水平测量装置的剖视图。

具体实施方式

为了基本理解本发明，图1示出了容器2上的基于雷达的填充水平测量装置1的典型布置。在容器2中的是填充材料3，其填充水平l将由填充水平测量装置1确定。为此，填充水平测量测量装置1被安装在容器2上，高于最大允许填充水平l。根据应用的领域，填充水平测量装置1在容器底部上方的安装高度h可以大于100m。

通常，填充水平测量装置1经由总线系统——诸如“以太网”、“profibus”、“hart”或“无线hart”——被连接到上级单元4，诸如过程控制系统或分散式数据库。一方面，关于填充水平测量装置1的操作状态的信息因此可以被通信传送。另一方面，关于填充水平l的信息也可以经由总线系统传输，以便控制可能存在于容器2处的任何入流或出流。

假设图1中示出的填充水平测量装置1被设计为自由辐射装置，它包括相对应的天线12。如所指示的，天线12被设计成喇叭天线，尤其是在雷达频率低于60ghz的情况下。在此，天线12被定向以使得雷达信号shf在填充材料3的方向上发射。

雷达信号shf在填料3的表面处被反射，并且在相对应的信号飞行时间之后，被填充水平测量装置1的天线12接收为反射雷达信号ehf。假设信号传播时间取决于填充水平测量装置1相对于填料表面的距离d＝h–l，则可以基于信号传播时间来确定填充水平。

波束锥的孔径角不仅取决于喇叭天线12的尺寸，而且还取决于雷达信号shf、ehf的频率，在该孔径角之下发射雷达信号shf，或者在该孔径角之下接收所反射的雷达信号ehf。频率越高，孔径角越窄。窄的孔径角降低了在容器内部生成干扰反射的风险，这些干扰反射可能被错误地解释为填充水平回波。填充水平的潜在可实现分辨率取决于频率，至少在填充水平测量装置借助于fmcw方法操作的情况下。在此同样，频率越高，填充水平值的潜在可实现的分辨率越高。

在图2中示出了根据本发明的填充水平测量装置的示意性构造，该填充水平测量装置可以在大于100ghz的雷达频率下操作，并利用了与之相关联的优点：

根据本发明的填充水平测量装置1的核心是半导体部件10，该半导体部件10根据所实施的测量原理(fmcw或脉冲传播原理)可以生成或处理频率高达160ghz或更高的相对应高频信号s-hf、ehf。在实施fmcw原理时，例如借助于振荡器(例如，采用“压控振荡器”的形式)生成要发射的高频信号shf，该振荡器由pll(锁相环)控制。对于信号处理，半导体部件10可以在接收侧上包括混频器，用于将当前要发射的高频信号shf与当前接收的高频信号ehf混频。使用这一点以便能够例如借助于fft(快速傅立叶变换)，借助于混合信号的频率，在半导体部件10的相对应的电路块中根据混合信号确定距填料3的距离d或填充水平l。

在根据本发明的高频部件1的图2中示出的设计变型中，半导体部件10被布置在印刷电路板15上。半导体部件10以及还有到上级单元4的任何数据传送经由印刷电路板15供应。假设高频信号shf、ehf的生成和处理完全发生在半导体部件10上进行，高频信号不必被传导到印刷电路板15。这样消除了造成损耗的混合连接线。

高频信号shf从半导体部件10，例如经由初级发射器(图2中未明确示出)作为雷达信号shf被耦合到波导11a、b中。与此类似地，在容器2中反射的雷达信号ehf通过波导11a、b被耦合到半导体部件10中。为此，初级辐射器可以被设计为例如矩形平面结构，其被布置在半导体部件10的背离印刷电路板15的侧部上。在这种情况下，如果波导11a、b与半导体部件10直接接触，例如通过相对应的结合或静态主导的接触压力，则这是有利的。

波导11a、b的横截面形状(例如，圆形或矩形)和横截面尺寸将适应于将被发射/耦合的雷达信号shf、rhf的频率或期望模式。对于矩形设计，矩形的两个边长可以被设计成例如它们具有2:1的边长比。在这种情况下，第一边长在每种情况下可以被定尺寸为具有高频信号shf、rhf的波长的三分之一；因此，第二边长可以设计为处于波长的2/3。为了以无损耗的方式在波导11a、b内传导雷达信号shf、ehf，必须相应地在介电常数方面选择波导的材料。假设至少约1.5的介电常数对于波导是有利的，hdpe或ptfe尤其适合作为用于波导11a、b的材料。

如果半导体部件10没有被布置成印刷电路板15上的“裸露管芯”，则半导体部件10的封装件必须适合于使得相对应的波导接触在波导11a、b和初级辐射器之间是可能的。例如，可以使用灌封封装件，初级辐射器的表面利用灌封封装件被凹陷。因此，半导体部件10可以被设计为例如相对应地修改的dip(双列直插式封装)或qfn(四方扁平无引线封装)部件。为了将波导11a、b简化地安装在霍尔效应导体元件10上，还可以想到以波导11a、b相对于初级辐射器自定心的方式设计封装件。

在图2中示出的根据本发明的填充水平测量装置1的示例性实施例中，波导11a、b借助于屏蔽件16相对于半导体部件10固定。屏蔽件16被设计为帽，并且被安装在印刷电路板15上以使得其覆盖印刷电路板15上的半导体部件10。为了实现屏蔽效果，有必要以导电的方式至少设计屏蔽件16的表面。因此，例如，屏蔽件16可以完全由金属制成。然而，例如通过pvd(physicalvapordeposition，物理气相沉积)对其施涂金属涂层的涂覆塑料基底也可以用作帽。假定屏蔽件16在波导11a、b的轴线上包括相对应的索环，除了提供屏蔽之外，它还负责相对于半导体部件10固定波导11a、b。

灌封封装件13在屏蔽件16的外部围绕波导11a、b径向布置。根据本发明，波导11a、b由此被封装以使得在波导11a、b和灌封封装件13之间形成限定的空腔14。灌封封装件13被构建以使得它具有从波导11a、b径向延伸、至少是雷达信号shf、ehf的波长的两倍的距离r。距离r决定性地增加了雷达信号shf、ehf在波导11a、b中的传输。灌封封装件13可以例如借助于围绕波导11a、b的相对应的封装杯来构建，该封装杯在灌封期间限定灌封封装件13的结构。在所示的设计变型中，灌封封装件13进而围绕印刷电路板15的背离半导体部件10的表面。因此，印刷电路板15的背侧上的任何电子部件也被封装。可选地，如图2所示，灌封封装件13的外表面21可以被设计成电磁屏蔽的，以便实现改善的电磁兼容性。在此，再次，可以想到的是，例如通过pvd(物理气相沉积)对灌封封装13的外表面进行金属涂覆。替代性地，分离的金属灌封杯也可以用于此目的。

为了发射雷达信号shf或为了接收所反射的雷达信号ehf，波导11a、b在喇叭天线12中展开。

喇叭天线12位于填充水平测量装置1的外壳17的外侧上，在该外壳中容纳了具有半导体部件10的印刷电路板15、波导11a、b和屏蔽件16。为了将波导11a、b固定为朝向喇叭天线12，外壳17包括用于波导11a、b的相对应的索环18。如图2所示，该索环18也可以被设计成使得波导11a、b在组装期间自定心。

为了以密封和耐压的方式将外壳17的内部与容器2的内部隔离，窗口19在索环18的水平处被插入在波导11a、b和喇叭天线12之间，并且对于雷达信号ehf、shf是透明的。因此，它可以由玻璃或陶瓷制成，并且例如通过粘合剂结合、焊接或一些其他熔化接合方法来固定。优选地，窗口19由具有介电值大于1的不导电材料制成。从厚度来看，窗口19被理想地设计成使得其能够承受至少100巴的绝对压力。

为了防止喇叭天线12的增大和性能的相关联的降低，在喇叭天线12的整个内部引入填充物20。填充物20由电绝缘材料制成。由于填充物20充当电介质，喇叭天线12的设计必须相应地适于电介质。

对于根据本发明借助于波导11a、b在半导体部件10和喇叭天线13之间引导雷达信号shf、ehf有利的是，印刷电路板15和喇叭天线12之间的距离可以根据需要被定尺寸。在容器的内部普遍存在高于100℃的高温的测量应用的情况下，波导例如可以被定尺寸为具有例如为达到8cm或更多的长度，使得印刷电路板上的电子部件相应地与容器3中的气候热解耦。

如图2所示，为了简化地模块化产生根据本发明的填充水平测量装置1的各种变型，波导11a、b可以被构造成两部分。在图2中示出的填充水平测量装置1的设计变型中，波导11a、b因此在屏蔽层16的水平处划分成面向半导体10的第一区段11a和面向喇叭天线12的第二区段11b。为了雷达信号shf、ehf沿着区段11a、11b之间的最终接触点不受阻碍地传输，如果区段11a、11b至少通过静态接触压力彼此连接，则其是有利的。利用对雷达信号shf、ehf透明的粘合剂结合这个接触点也是可能的。

与图2中的图示相反，波导11a、b可以替代性地被设计成具有弯曲的路线，优选地具有矩形横截面。为此，如果波导11a、b由柔性材料制成，则其在制造的场景下是有利的。在这点上，可以想到将波导11a、b沿其路线弯曲90°，并将喇叭天线12相应地倾斜地布置在外壳12上，以便能够根据容器2上的安装情况尽可能紧凑地设计填充水平测量装置1的整体结构。

附图标记列表

1填充水平测量装置

2容器

3填充材料

4上级单元

10半导体部件

11a、b波导

12天线

13铸造封装件

14空腔

15印刷电路板

16屏蔽件

17外壳

18索环

19窗口

20填充物

21封装件的电磁屏蔽外表面

d距离

ehf进入的雷达信号

h安装高度

l填充水平

r距离

shf雷达信号

shf、ehf高频信号