用于根据渡越时间测量方法和/或电容测量方法确定和/或监控至少一种在容器中的介质的至少一个物位的装置

摘要

本发明涉及一种用于根据渡越时间测量方法和/或电容测量方法利用至少一个测量探头(5)确定和/或监控至少一种介质(2，3)在容器(4)中的至少一个物位(F，F0，F

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于根据渡越时间测量方法和/或电容测量方法利用至少一个测量探头确定和/或监控至少一种在容器中的介质的至少一个物位的装置；该装置包括电容测量电路，其在测量探头上产生低频测量信号并且由此确定电容或电抗；时域反射计测量电路，其产生高频电磁测量信号，经由测量探头发出该信号作为发送信号，接收反射信号作为回波并且通过发射发送信号与接收反射信号之间的时间差而确定渡越时间或者依赖于渡越时间的回波曲线；和控制/分析单元，其驱动两个测量电路并且从确定的电容、确定的电抗、确定的渡越时间或者确定的依赖于渡越时间的回波曲线而确定物位。

背景技术

例如在过程测量技术中的测量仪表和现场设备中有这种装置。这些测量仪表经常用于自动化及过程控制技术中，用于确定过程流中的过程变量(例如，边分界层、物位、介电常数或其他类型的物理和/或化学过程变量)。例如本申请人以Levelflex和Multicap为商标制造并销售测量仪表，它们主要用于确定和/或监控介质在容器中的物位。在大量渡越时间测量方法中的一种方法中，例如根据导向微波方法、时域反射测量法或者TDR(时域反射)测量方法，高频脉冲被沿着Sommerfeld或Goubau波导或者同轴波导发送并且在围绕波导的介质中的DK值(介电常数)不连续的情况下被部分反射回来。可以从发送高频脉冲和接收介质的反射回波信号之间的时间差确定物位。同样可以结合以上测量原理执行FMCW(调频连续波)方法，其中连续测量信号的频率范围改变并且通过在发送的和反射的测量信号之间的频率差来测量距离。

用于确定容器中的物位的众多方法中的另一测量原理是，如果测量探头被介质覆盖的长度改变，也就是介质在容器中的物位改变，利用接触介质的探头和相应的容器壁或参考探头所建立的电容测量值的电容改变。

上面描述的两种技术都被称为接触介质的物位测量技术，其中测量探头直接接触待测介质。测量探头通常通过过程连接、开口或喷嘴固定在容器中，从而测量电子器件位于过程外部(即，不接触介质)，并且测量探头集成在过程中。以下参考文献中更加详细地描述了这两种方法的例子。

在EP 1 069 649 A1中，显示了用于物位测量仪表的波导的简单结构，其结合了单线波导和已知的多线波导的优点，不与安装在容器中的对象相互作用并且可以容易地清除掉积累的沉积物。这是这样实现的：在处理期间，多线波导至少部分由电介质围绕并且因而在各条波导之间不会形成沉淀物。

在DE 10157762 A1中，描述了用于利用测量电极和分析电路对容器中的填充物质进行电容性物位测量的方法，其中利用具有不同频率的两个交流电压信号确定容性电抗，从而消除了欧姆电阻。

在所有已知的物理测量原理中，往往必须在测量精度和测量可靠性上作出妥协。因此，基于环境条件和介质特性，选择最适当的物理测量原理，其优点超过其缺点。基本上，在过程测量技术中作为自由辐射测量方法使用多种物理测量原理，例如微波渡越时间测量、超声渡越时间测量以及伽马射线吸收率测量，有时还有激光渡越时间测量。关于接触介质的方法，已知垂准测量方法、电容测量方法、电感测量方法和导向波导测量方法。所有这些测量技术在测量原理、测量介质、测量状况、过程条件和测量性能上都具有优于其他测量技术的优点。

不同物理测量原理的直接比较显示，在很多情况中选择最适合当前应用场合的测量原理是非常困难的。然而，在分界层测量的情况中，大量应用场合被高度发展的接触介质的测量仪表以及这些仪表的结合所涵盖。

在专利申请DE 100 37 715 A1中描述了一种物位测量仪表，其中使用了两种接触介质的测量方法。在这个公开文献描述的物位测量仪表中，接触介质的测量探头经由转换开关与电容测量电路或者渡越时间测量电路相连。这种设计的缺点是，这个转换开关包括半导体器件，该器件在信号路径中与测量探头或传感器较近并且因而必须被小心地保护不受到静电放电影响。另外，需要附加的控制线和控制信号来切换这个转换开关。

发明内容

本发明的目的是提供一种接触介质的物位测量仪表，其具有优化的测量精度以及优化的可靠性并且避免了上述缺点。

这个目的根据本发明通过以下特征实现：提供分频器，其将低频测量信号和高频电磁测量信号引导至测量探头，并且实现进入时域反射计的测量电路第一信号路径中的高频电磁测量信号与进入电容测量电路的第二信号路径中的低频测量信号之间在信号技术上的分离。

根据本发明的技术方案的一个具有优点的实施方式，分频器包括至少一个与高频电磁测量信号相匹配的高通滤波器以及一个与低频测量信号相匹配的低通滤波器。

根据本发明的技术方案的另一具有优点的实施方式，高通滤波器由至少一个第一电容器和第一线圈构成。

在本发明的一个特别优选的实施方式中，低通滤波器由至少一个第二线圈构成。

在根据本发明的装置的一个具有优点的实施方式中，交替地进行根据渡越时间方法和/或电容测量方法的测量，并且电容测量电路和时域反射计测量电路被控制/分析单元交替地驱动及分析。

在根据本发明的装置的一个具有优点的实施方式中，同时进行根据渡越时间方法和/或电容测量方法的测量，并且电容测量电路和时域反射计测量电路被控制/分析单元同时驱动及分析。

本发明的目标是给出一种多传感器的概念，其由带有微波物位传感器的电容式物位传感器构成，其用于改进物位测量仪表的物位或距离测量的可靠性和准确性。为了保证在物位测量中的准确度和可靠性增加，在过程测量技术中使用冗余的测量仪表来用于真实性加权以及测量标定。这里，在不同的冗余测量加权中期望的目标是尽可能不同地实现冗余测量仪表。例如，为了确定大型油罐的容量，可以在罐底放置压力传感器，其利用液压物位测量确定物位，并且可以在罐盖中放置雷达设备，其利用渡越时间方法确定物位。通过使用不同的物理特性和不同的设计，系统误差同时影响所有不同测量仪表的可能性变得非常低。这里，使用不同冗余度的电容测量信号和微波测量信号，使得一方面，在传播路径中的主要干扰影响以不同的方式作用于电磁测量方法或电容测量方法，另一方面，尽管工作原理不同，测量信号依然提供冗余的测量结果。于是，测量信号可以在测量信号水平上相结合而无需复杂的且通常是有损耗的特征转换，并且特别是克服了单独传感器的缺点。

利用简单的结构和低廉的价格，在过程测量技术中早已建立电容式物位测量仪表。由于在微波器件和结构设计技术中的发展进步，时域反射计也被更加经济地制造。然而，电容式测量仪表中的缺点是，它们遭受许多影响；介质的介电常数梯度、温度梯度、介质中的流量或其他材料改变令它们自身在电容测量信号的幅度和相位波动中引人注意。相反，时域反射计仅仅非常轻微地受到介质在传输路径上的改变的影响并且传播衰减极小。

每一种传感器的发展的最前端都是在面临环境影响以及噪声时以更小的交叉敏感度以及更大的抗干扰性得到高度可靠的测量结果或传感器输出。为了对测量结果的真实性检查以及为了减少故障率，通常构造冗余的多传感器系统，其以并行结构联合了若干相同类型的单独传感器。通过利用来自补充事件的输出信号分析从不同类型的单独传感器接收的信号，获得总体传感器的响应性能的扩展。这些所谓的相异多传感器系统在近年越来越引人注目并且用于工业过程自动化技术中的多种任务，正如DE 100 37 715 A1所述。DE 100 37 715 A1显示了两种用于测量结果真实性加权的测量方法的结合，其中交替地或者同时地根据微波测量信号的渡越时间方法或者根据利用接触介质的测量探头的电容测量而确定物位。观察空间的更高维度得到了通过相同传感器元件的简单多传感器系统所无法获得的测量结果。相异多传感器基于期望信号的可直接比较性而干扰信号并不统计相关，这样的相异多传感器对于扩宽传感器技术的可能性具有特别的重要性。通过分析这个所谓的多种冗余性，融合结果对于单独传感器的干扰影响具有显著提高的鲁棒性；传感器输出的可信度增加。这以合适的方式实现了一种传感器系统，其对于接触介质的物位测量同时使用电容测量技术以及利用微波的渡越时间测量方法，并且从测量探头的重叠空间检测区域分析接收信号的冗余度。

两种测量方法相结合的另一优点是，在容器中的不同介质不可互溶的情况中，可以通过两种不同的测量方法确定分界层。另外，在有机溶剂的情况，大部分微波辐射不会仅仅在填充物质表面反射，而是会穿透填充物质并且在罐底反射或者在与下部介质的分界层处反射。通过测量信号在容器中的不同的非互溶介质的分界层处以及在测量探头末端的附加反射，可以确定各种介质在容器中的物位。在容器中的物位较低的情况，由于来自罐底的较大回波发生回波叠加，不能检测到较小的物位回波。如果容器中的介质的介电常数已知，那么电容性物位测量没有这个问题。这里，可以通过熟练地结合两种测量技术而确定物位的测量值。在电容测量和时域反射计测量通过一个共用的测量探头提供并行的唯一结果的情况，可以利用时域反射计测量的结果标定电容测量。

附图说明

从以下说明以及相关附图可以清楚看到本发明的发明主题的其它细节、特征和优点，附图中展示了本发明的优选实施例。在附图中显示的本发明的实施例中，为了简化，具有相应构造或功能的那些元件拥有相同的附图标记。附图中：

图1是根据现有技术的多传感器单元的示意图；

图2是多传感器单元的一个实施例的示意图，其具有分频器作为本发明的用于分离测量信号的装置；和

图3是多传感器单元的一个实施例的示意图，其具有低通滤波器和高通滤波器作为本发明的用于分离测量信号的装置。

具体实施方式

在DE 100 37 715 A中显示了一种用于确定物位F的多传感器，其由电容式物位测量仪表和时域反射计构成，如图1所示。这个由时域反射计和电容式物位测量仪表构成的多传感器用于利用棒状或缆状测量探头5确定介质2在容器4中的物位F。测量探头5经由转换开关与时域反射计测量电路7的高频测量信号M_HF和/或电容式测量电路8的低频测量信号M_NF接通。

正如之前描述的，这种实施方式的缺点是转换开关由半导体器件，例如MOSFET晶体管构成，其在信号路径中较为靠近测量探头5或传感器。由于这种设计，这个转换开关必须被小心地保护不受测量探头5上的静电放电影响。另外，需要附加的控制线和控制信号来操作转换开关，由此对于这个附加的控制线必须增加电路复杂度。

图2显示了一种避免这些缺点的可能，作为本发明的用于确定容器中的物位F的装置1的实施方式。装置1由具有时域反射计和电容式物位测量仪表的多传感器构成。提供分频器9，用于将电磁渡越时间测量的高频测量信号M_HF与电容式测量的低频测量信号M_NF分离。

在导向微波方法、时域反射测定法或TDR(时域反射)测量方法中，高频信号M_HF被产生并作为发送信号S(例如，1.5GHz微波信号)而沿着测量探头(例如，Sommerfeld或Goubau表面波导，或者同轴波导)发射，在围绕测量探头5的介质2、3的DK(介电常数)值不连续的情况中它被反射回来。由于由介质2、3引起的在容器4的过程空间内部特别是在边界层(例如，容器4中的介质2、3的表面13或者分界层12)的阻抗跳变，发送信号S和/或透射信号S_T至少部分被反射回来。因此，相应的通常更弱的反射信号R和/或分界层反射信号R_T以相反方向回到测量探头5并且经由测量线路15到达时域反射计测量电路7的发送/接收单元。从发送信号S、S_T和反射信号R、R_T的渡越时间差，在时域反射计测量电路7中确定相应的物位F、F_O、F_U，并将它们作为测量值传输至控制/分析单元6。控制/分析单元6例如实施为微控制器6，其除了分析物位F、F_O、F_U的测量值之外，还执行测量仪表中的其他控制及通信功能。测量探头5经由耦合元件14固定至容器4，并且通过测量线路(例如，同轴电缆)与分频器9相连。

容器4中的至少两种不同介质2、3形成分界层12，这两种介质就像油和水一样不能混合在一起。为了能够分离地检测两种介质2、3的量或体积，必须检测上部介质2的物位上部范围F_O、下部介质3的物位下部范围F_U或者两种介质2、3之间的分界层T。在分界层测量的情况中，除了在第一介质2的表面13上的反射信号R之外，可以确定在第一介质2和第二介质3之间的分界层12上的另一分界层反射信号R_T。利用这个分界层反射信号R_T可以确定第一介质2的物位上部范围F_O和/或第二介质3的物位下部范围F_U。为了可以确定这个分界层反射信号R_T，必须不是发送信号S的所有能量都在第一介质2的表面13完全反射，而是一部分发送信号S作为透射信号S_T透射入第一介质2。发送信号S和透射信号S_T的透射和反射主要依赖于测量介质2、3的介电常数。

装置1的这个实施方式也使用具有电容测量电路8的电容测量系统来确定容器4中的介质2、3的物位F，其中通过低频测量信号M_NF确定的在测量探头5和参考电极或者容器4的壁之间的电容依赖于物位F和介质2、3的介电常数。利用电容测量方法，可以实现物位F的连续测量以及利用信号指示达到了预定物位F，其中后者涉及限位开关。测量探头5和容器4的壁形成测量电容器C_M，其电介质是容器4中的介质2、3。这个测量电容器C_M的电容在这里依赖于介质2、3的物位F，从而可以从改变的电容推断出物位F。如果测量探头5被介质2、3覆盖的程度或者介质2、3在容器4中的物位F改变，那么通过测量装置检测到测量电容器C_M的电容近似成正比的改变。类似的测量原理基于电感测量方法，其中可以依赖于容器中的导电介质的物位确定电导率的改变。在例如本申请人的公开文献DE 101 57 762 A1或DE101 61 069 A1中可以看到用于测量电容的多种实施例。为了测量电容值，测量探头5通常通过测量线路15而被供应低频测量信号S_NF，其例如是20kHz量级的交流电压。通过与容器4的壁相连的测量线路和经由分频器9与测量探头5相连的测量线路15，电容测量电路8确定测量电容器C_M的电容。由于根据经验，这涉及测量电容器C_M的极小的电容或电容变化，所以通常使用三种不同的方法：

-电荷放大器测量在施加直流电压的情况下伴随测量电容器C_M的电容改变而发生的电子漂移，并且因而可以专一地检测快速或者短时的改变；

-调幅系统向测量电容器C_M提供高频交变电流并检测得到的无功电流；以及

-调频系统将测量电容器C_M与电感连接在一起，以形成谐振频率可被测量的振荡电路。

由于与电容测量方法相比，时域反射计测量方法以快得多的信号频率工作，所以通过选频电路或分频器9可以实现低频测量信号M_NF与高频测量信号M_HF的分离。

分频器9根据本发明由用于时域反射计测量电路7第一信号路径17的高通滤波器10和用于电容测量电路8第二信号路径18的低通滤波器11构成。由于分频器9的滤波元件，即高通滤波器10和低通滤波器11，仅仅是诸如线圈L₁、L₂和电容器C这样的无源元件，所以它们不必特别地针对静电放电(ESD)而得到保护。作为一个附加的优点，在根据本发明的带有分频器的装置1的实施方式中(与具有转换开关的实施方式相比)，不需要附加的控制信号用于切换或分离低频测量信号S_LF或高频测量信号S_HF，并且可以利用两种测量方法同时测量。

为了防止两种测量方法相互影响，在设计高通滤波器10和低通滤波器11时要考虑以下边界条件：

-在时域反射计测量电路7的第一信号路径17中的高通滤波器10应当对于高频测量信号S_HF是可通过的；

-在电容测量电路8的第二信号路径18中的低通滤波器11不得附加衰减高频测量信号S_HF；

-在电容测量电路8的第二信号路径18中的低通滤波器11应当对于低频测量信号S_NF是可通过的；以及

-高通滤波器10的电容器C的电容应当至少在温度方面保持尽可能恒定并且电容值不过大。

作为例子，图3给出了这种由高通滤波器10和低通滤波器11制成的分频器9。高通滤波器10由电容器C和第一线圈L₁构成，其中电容器C插入第一信号路径17，第一线圈L₁在第一电容器C之后在一端连接至第一信号路径并且在另一端接地。电容器C和第一线圈L₁的值彼此匹配，使得高通滤波器10令高频测量信号M_HF基本无妨碍地通过并且高度衰减低频测量信号M_NF。低通滤波器11仅由第二线圈L₂构成，其集成在第二信号路径18中。电容器C和第二线圈L₂的功能是将两个测量信号M_HF、M_NF彼此解耦或分离。这里，电容器C对于高频测量信号M_HF是低欧姆或者说透射性的，并且对于低频测量信号M_NF表现出预定的恒定电容。同时，第一线圈L₁保证了C的第二接线端为了电容测量而通过接地处于固定的零电位，并且因而时域反射计测量电路7对于电容测量电路8的测量没有干扰影响。第二线圈L₂对于电容测量电路8的低频测量信号M_NF是低欧姆或者说透射性的，并且对于高频测量信号是高欧姆或者说非透射性的。

附图标记列表

1    装置

2    第一介质

3    第二介质

4    容器

5    测量探头

6    控制/分析单元，微控制器

7    时域反射计测量电路

8    电容测量电路

9    分频器，选频电路

10   高通滤波器

11   低通滤波器

12   分界层

13   表面

14   耦合元件

15   测量线路

16   地线

17   第一信号路径

18   第二信号路径

C    电容器

C_M   测量电容

L₁   第一线圈

L₂   第二线圈

M_NF  低频测量信号

M_HF  高频测量信号

S    发送信号

S_T   透射信号

R    反射信号

R_T   分界层反射信号

F   物位，容器物位

F_O  物位的上部范围

F_U  物位的下部范围