專利名稱：用于電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表的制造側(cè)標(biāo)定以及相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于介質(zhì)的電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表的制造側(cè)標(biāo)定的方法，其中測(cè)量?jī)x表的至少一個(gè)探頭單元利用電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，該觸發(fā)信號(hào)是具有可預(yù)定頻率的交流電壓。另外，本發(fā)明涉及一種相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表。“制造側(cè)”表示標(biāo)定是在測(cè)量?jī)x表的制造或生產(chǎn)中由制造者實(shí)現(xiàn)的。
背景技術(shù)：
電容式方法允許連續(xù)測(cè)量料位。在這種情況中，探頭單元和容器壁(或者第二探頭單元)形成電容器，其電介質(zhì)是容器中的介質(zhì)。在這種情況中，這個(gè)電容器的電容依賴于介質(zhì)的料位，從而可以從電容推導(dǎo)出料位。例如在本申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)DE 101 57 762 A1或DE 10161 069 A1中描述了用于測(cè)量電容的多種可能方案。
問(wèn)題在于，測(cè)量電容不僅僅依賴于料位，還依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)和導(dǎo)電率。由于導(dǎo)電率例如隨空氣溫度或濕度而改變，所以產(chǎn)生測(cè)量的不確定或應(yīng)用有限制。另外，容器的幾何形狀以及例如探頭單元上的沉積物影響測(cè)量值。
考慮所關(guān)心的變量的多重依賴性，另一個(gè)困難是將從測(cè)量確定的電容值與所屬的實(shí)際感興趣的料位值相關(guān)聯(lián)。結(jié)果，通常需要所謂的標(biāo)定，其中在安裝測(cè)量?jī)x表之后，使用待測(cè)介質(zhì)引入不同料位，并且記錄由這些料位得到的電容值。然而，這種標(biāo)定花費(fèi)很高并且阻礙了測(cè)量?jī)x表在安裝之后直接投入使用。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明的目的是提供一種在制造側(cè)標(biāo)定用于電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表的方法以及相應(yīng)標(biāo)定的或可標(biāo)定的測(cè)量?jī)x表。
在方法方面，本發(fā)明通過(guò)以下特征實(shí)現(xiàn)該目的依賴于觸發(fā)信號(hào)的頻率確定一電導(dǎo)率范圍，在該范圍內(nèi)，料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)的電導(dǎo)率變化；對(duì)于該電導(dǎo)率范圍，產(chǎn)生在可預(yù)定的第一料位值和屬于該第一料位值的第一電容值之間的至少一個(gè)第一參考匹配；以及存儲(chǔ)在第一料位值和第一電容值之間的第一參考匹配。
用于電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表通常包括探頭單元，其由控制/分析單元以電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。電觸發(fā)信號(hào)是可預(yù)定頻率的交流電壓。這是在電容式測(cè)量?jī)x表中觸發(fā)信號(hào)的常見(jiàn)形式。由此得到的響應(yīng)信號(hào)通常是電流信號(hào)，其例如經(jīng)由電阻器轉(zhuǎn)換為可數(shù)字化的電壓信號(hào)。由探頭單元的電響應(yīng)信號(hào)，即由探頭單元、容器壁(或第二探頭單元)和介質(zhì)形成的電容器的依賴于電容器電容的響應(yīng)信號(hào)，確定電容值。為此，需要計(jì)算算法，其分析例如響應(yīng)信號(hào)的導(dǎo)納(Admittanz)、其幅度、以及觸發(fā)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)之間的相位。為此，例如在控制/分析單元中提供微處理器。觸發(fā)信號(hào)通常是具有可調(diào)頻率的交流電壓。測(cè)量?jī)x表的這些部件的制造對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)。
現(xiàn)在，本發(fā)明在于，在測(cè)量?jī)x表的完成/制造/生產(chǎn)中，生產(chǎn)在第一可調(diào)料位值和與其關(guān)聯(lián)的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配。于是，在測(cè)量?jī)x表的完成/制造中，已經(jīng)執(zhí)行了標(biāo)定。下面的實(shí)施例中討論產(chǎn)生這種參考匹配的不同可能。這種預(yù)標(biāo)定可能實(shí)現(xiàn)以及可應(yīng)用于以后的使用，決定性的因素是測(cè)量?jī)x表要使用的介質(zhì)的導(dǎo)電率應(yīng)當(dāng)在一預(yù)定的導(dǎo)電率范圍內(nèi)。于是，應(yīng)用范圍限于具有相應(yīng)電導(dǎo)率的介質(zhì)。這個(gè)范圍通常是沒(méi)有上限的。范圍的起點(diǎn)依賴于觸發(fā)信號(hào)(往往是交流電壓)的頻率。在250kHz的頻率，起點(diǎn)例如是大約150μS。頻率越高，這個(gè)起始值越高；而頻率越低，該起始值越低。由于這種頻率依賴性，首先必須例如通過(guò)比較測(cè)量而對(duì)于給定頻率確定合適的電導(dǎo)率范圍。在下面的實(shí)施例中，將解釋如果將這個(gè)范圍在較低導(dǎo)電性的方向上擴(kuò)展。
這種限制的原因是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)電導(dǎo)率位于上述范圍中時(shí)，介質(zhì)特性，諸如導(dǎo)電率以及介電常數(shù)幾乎對(duì)于測(cè)量信號(hào)沒(méi)有任何影響。于是，由于消除了介質(zhì)依賴性，所以可在制造時(shí)預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定。于是，可以在安裝之后直接利用這種測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量。
可以將本發(fā)明概況為通過(guò)將應(yīng)用范圍限于具有大于特定值的電導(dǎo)率的介質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)制造中的標(biāo)定。或者反過(guò)來(lái)只有對(duì)于導(dǎo)電率落在該范圍內(nèi)的那些介質(zhì)，測(cè)量?jī)x表才利用制造側(cè)預(yù)標(biāo)定而得以使用。
在本發(fā)明的一個(gè)變型中，產(chǎn)生在第二可預(yù)定料位值和從屬于該第二料位值的第二電容值之間的第二參考匹配，并且存儲(chǔ)在第二料位值和第二電容值之間的該第二參考匹配。如果僅存儲(chǔ)了一個(gè)參考匹配，那么可以辨別超過(guò)還是低于與其相關(guān)的料位。然而，兩個(gè)值允許識(shí)別這兩個(gè)值并且還可以計(jì)算并確定中間值。
在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，以這種方式預(yù)定觸發(fā)信號(hào)的頻率，使得探頭單元上的沉積物對(duì)料位測(cè)量的影響最小。這個(gè)實(shí)施例基于以下事實(shí)沉積物敏感性依賴于觸發(fā)信號(hào)的頻率，較高的頻率提供較高的沉積物容許度。然而，較高的頻率與較高的能量需求相關(guān)，并且因而，電導(dǎo)率范圍的下極值在較高導(dǎo)電性的方向上漂移，其中在該電導(dǎo)率范圍中，導(dǎo)電性的改變對(duì)于確定的電容值沒(méi)有影響或僅有可忽略的影響。這意味著較高的沉積物容許度與應(yīng)用范圍的減小相關(guān)聯(lián)。結(jié)果，這樣選擇頻率，使得沉積物的影響最小，但是同時(shí)，電導(dǎo)率范圍盡可能大。實(shí)際上，必須在這兩個(gè)相對(duì)的需求之間找到折中。
下面的實(shí)施例涉及在制造過(guò)程中產(chǎn)生參考匹配的方式。
在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，產(chǎn)生在預(yù)定料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配，使得以這樣的方式選擇或調(diào)節(jié)標(biāo)定介質(zhì)，令標(biāo)定介質(zhì)的電導(dǎo)率在確定的電導(dǎo)率范圍內(nèi)，在標(biāo)定容器中使用標(biāo)定介質(zhì)設(shè)置料位值，并且在設(shè)置的料位值，利用測(cè)量?jī)x表確定電容值。于是，在制造期間執(zhí)行標(biāo)定測(cè)量。在這種情況中，標(biāo)定介質(zhì)僅需有以下共同點(diǎn)，即，其電導(dǎo)率位于給定的電導(dǎo)率范圍中。具有優(yōu)點(diǎn)的，使用易于操作并且特別是安全的標(biāo)定介質(zhì)，例如水。利用這種標(biāo)定介質(zhì)，在具有盡可能優(yōu)化地選擇的幾何形狀的標(biāo)定容器中，設(shè)定預(yù)定的料位值，并且確定由此得到的電容值。這種標(biāo)定測(cè)量也具有以下優(yōu)點(diǎn)，即，測(cè)量?jī)x表特別是探頭單元的制造容差得到考慮，因?yàn)樘筋^單元的幾何形狀的影響被直接一同測(cè)量。
在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)計(jì)算與介質(zhì)的料位值匹配的電容值，產(chǎn)生在預(yù)定的料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配。在計(jì)算中，可以適當(dāng)考慮探頭單元的幾何形狀和材料特性。“幾何形狀”概括地意指相關(guān)維度，諸如長(zhǎng)度、直徑等，以及探頭單元是否絕緣以及各個(gè)單獨(dú)維度如何。探頭單元的材料特性例如是其電導(dǎo)率值、其介電常數(shù)等等。如果有關(guān)幾何形狀和材料特性的所有需要的數(shù)據(jù)都已知，那么可以計(jì)算與預(yù)定料位值相關(guān)聯(lián)的電容值。適當(dāng)?shù)?，還考慮其中使用測(cè)量?jī)x表的容器的幾何形狀，來(lái)計(jì)算電容值。
在排空標(biāo)定(探頭單元未被介質(zhì)覆蓋)的情況中，電容值在探頭棒的情況中例如由以下公式給出(這是計(jì)算公式的例子；依賴于測(cè)量?jī)x表和容器的實(shí)施例，需要適當(dāng)修改)Capacitanceempty=112·π·ϵinsul·ϵ0·Probelengthln(diameterinsuldiameterrod)+12·π·ϵ0·Probelengthln(Containerdiameterdiameterinsul)+Basecapacitance]]>
在這種情況中，必須知道探頭長(zhǎng)度Probelength、棒直徑diameterrod、以及圍繞棒的絕緣體的直徑diameterinsul、和絕緣體的介電常數(shù)εinsul。另外，需要容器直徑Containerdiameter。關(guān)于容器，它優(yōu)選地是棱柱容器，即，其橫截面在整個(gè)高度上是恒定的，因?yàn)榉駝t將需要相應(yīng)的線性化計(jì)算?；A(chǔ)電容Ba sec apaci tan ce是測(cè)量?jī)x表作為整體已經(jīng)貢獻(xiàn)的電容。于是，基礎(chǔ)電容是在控制/分析單元的探頭連接處可測(cè)量的電容之和。于是，這個(gè)值可以例如從比較測(cè)量確定(關(guān)于這一點(diǎn)，更多的細(xì)節(jié)在以下附圖的描述中)。
以下等式給出對(duì)于介質(zhì)完全覆蓋探頭單元的第二值Capacitancefull=112·π·ϵinsul·ϵ0·Probelengthln(diameterinsuldiameterrod)+12·π·ϵmedium·ϵ0·Probelengthln(Containerdiameterdiameterinsul)+Basecapacitar]]>在這個(gè)公式的情況中，還顯示了介質(zhì)的介電常數(shù)εmedium。在這種情況中，介質(zhì)介電常數(shù)εmedium的改變具有可忽略的影響。如果探頭單元由本身的探頭棒和圍繞它的探頭絕緣體組成，那么這可以如下解釋由探頭單元、容器和介質(zhì)形成的系統(tǒng)可以被看作兩個(gè)串聯(lián)連接的電容器。一個(gè)電容器Ci是在探頭棒和介質(zhì)之間，其中探頭絕緣體形成電介質(zhì)；并且另一電容器Cm在探頭絕緣體和容器壁之間，其中介質(zhì)形成電介質(zhì)。對(duì)于本發(fā)明關(guān)鍵的給定電導(dǎo)率范圍，介質(zhì)的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“介質(zhì)電容器”Cm的電納。于是，介質(zhì)電容器幾乎被短路，并且在探頭棒和容器壁之間近似僅有“絕緣體電容器”Ci，從而對(duì)于這個(gè)電導(dǎo)率范圍的介質(zhì)(測(cè)量?jī)x表在該介質(zhì)中使用)的介電常數(shù)εmedium的依賴性也下降。
在本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)從料位值和與其相應(yīng)的電容值之間的計(jì)算和/或確定的匹配中進(jìn)行選擇，產(chǎn)生在預(yù)定的料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配。于是，計(jì)算或測(cè)量的匹配被存儲(chǔ)，并且從中選擇從屬于所選料位的電容，由此計(jì)算例如對(duì)于給定探頭長(zhǎng)度的參考匹配。正如上面的計(jì)算看到的，還必須考慮容器的幾何形狀。
進(jìn)一步發(fā)展在于，在產(chǎn)生了兩個(gè)參考匹配的情況，利用存儲(chǔ)的第一和第二參考匹配計(jì)算至少一個(gè)第三參考匹配，其例如存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中。于是，基于已知的參考匹配，計(jì)算中間值。為此，便利的狀況是，料位和電容之間的關(guān)系是線性的。
另外，本發(fā)明利用用于電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表實(shí)現(xiàn)目的，該測(cè)量?jī)x表根據(jù)以上至少一個(gè)實(shí)施例中的本發(fā)明的方法標(biāo)定。這種測(cè)量?jī)x表通常利用容器中的導(dǎo)電率確定介質(zhì)的料位。它通常包括至少一個(gè)探頭單元和至少一個(gè)控制/分析單元?？刂?分析單元以電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭單元，并接收來(lái)自探頭單元的電響應(yīng)信號(hào)。控制/分析單元中存儲(chǔ)至少一個(gè)計(jì)算算法，通過(guò)該算法，控制/分析單元從探頭單元的響應(yīng)信號(hào)確定電容值。在至少一個(gè)存儲(chǔ)單元中，根據(jù)本發(fā)明的方法，存儲(chǔ)電容值和料位值之間的至少一個(gè)參考匹配。在介質(zhì)的電導(dǎo)率位于預(yù)定電導(dǎo)率范圍的情況中，測(cè)量?jī)x表在安裝在容器中之后無(wú)需標(biāo)定。于是，通過(guò)存儲(chǔ)單元操作測(cè)量?jī)x表，該存儲(chǔ)單元中在制造中存儲(chǔ)電容值和料位值之間的至少一個(gè)參考匹配。于是，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率位于預(yù)定電導(dǎo)率范圍內(nèi)時(shí)，利用這個(gè)測(cè)量?jī)x表可以在安裝在容器內(nèi)之后立即進(jìn)行無(wú)需標(biāo)定的測(cè)量，其中在制造中已經(jīng)完成了針對(duì)所述預(yù)定電導(dǎo)率范圍的預(yù)標(biāo)定。然而，在這種情況中，必須注意觸發(fā)信號(hào)的頻率，該觸發(fā)信號(hào)通常是交流電壓。頻率影響電導(dǎo)率范圍和測(cè)量?jī)x表的沉積物容許度，待測(cè)介質(zhì)的電導(dǎo)率值允許在所述電導(dǎo)率范圍內(nèi)，以使測(cè)量?jī)x表能夠使用存儲(chǔ)的參考匹配。最后一點(diǎn)下面將要討論。為了擴(kuò)大允許電導(dǎo)率范圍，在這種情況中，期望盡可能小的頻率，但是對(duì)于沉積物容許度，期望盡可能高的頻率。于是，測(cè)量?jī)x表的免標(biāo)定意味著在已安裝狀態(tài)中不再需要執(zhí)行用于測(cè)量的標(biāo)定。于是測(cè)量?jī)x表可以在安裝之后直接使用，并且避免了在線標(biāo)定的努力和花費(fèi)。
在本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的一個(gè)實(shí)施例中，提供至少一個(gè)控制/分析單元，其接收來(lái)自探頭單元的電響應(yīng)信號(hào)，并且在控制/分析單元中存儲(chǔ)至少一個(gè)計(jì)算算法，控制/分析單元通過(guò)該算法，至少基于探頭單元的響應(yīng)信號(hào)的幅度和相位，確定電容值?？刂?分析單元往往還利用觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭單元。通常，僅分析響應(yīng)信號(hào)的幅度。然而，如果還使用響應(yīng)信號(hào)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)的幅度和相位，則獲得更多的信息。為此，例如在控制/分析單元中提供微處理器，其直接采樣測(cè)量信號(hào)或與其成比例的變量。通常，響應(yīng)信號(hào)往往是電流信號(hào)，它例如經(jīng)由電阻器而被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并且該電壓信號(hào)被數(shù)字化并可用于分析。例如對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的幅度的這種數(shù)字化以及伴隨的分析對(duì)于以下實(shí)施例是重要的。
在本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的一個(gè)實(shí)施例中，以這樣的方式優(yōu)化計(jì)算算法，以得到擴(kuò)展的電導(dǎo)率范圍，在該范圍中，料位測(cè)量基本上獨(dú)立于介質(zhì)電導(dǎo)率的改變。換言之，計(jì)算算法以這樣的方式優(yōu)化，使得在擴(kuò)展的電導(dǎo)率范圍內(nèi)的介質(zhì)電導(dǎo)率對(duì)于由控制/分析單元確定的電容值的影響最小化，其中這個(gè)范圍大于已經(jīng)由測(cè)量原理和“物理”確定的范圍。這個(gè)實(shí)施例的目的是通過(guò)分析的方式令免標(biāo)定的測(cè)量?jī)x表可用的介質(zhì)范圍盡可能大。為此，例如可以以這樣的方式確定多項(xiàng)式的系數(shù)，使得得到依賴于電導(dǎo)率的期望多項(xiàng)式分布。然而，在這種情況中，總是需要注意對(duì)于觸發(fā)信號(hào)的頻率的依賴性。
于是，例如可以從響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量幅度Amplitudemeasured和測(cè)量相位measured出發(fā)，以函數(shù)(這給出了可優(yōu)化的計(jì)算算法，在這種情況中，該算法是計(jì)算公式)，例如多項(xiàng)式，代表校正的幅度AmplitudecalculatedAmplitudecalculated＝f(Amplitudemeasured，max，measured)公式中要提供相應(yīng)的系數(shù)，以將函數(shù)與實(shí)際情況匹配。原理上，應(yīng)當(dāng)是max＝π/2，因?yàn)?，在電容器的情況中電壓和電流信號(hào)之間的相移基本采取這個(gè)值。然而，基于電子學(xué)，可能與這個(gè)值偏移，從而有必要保持角度max可變。通過(guò)系數(shù)可以優(yōu)化表達(dá)式，使得得到對(duì)于盡可能大范圍的導(dǎo)電性的獨(dú)立性。由于這個(gè)獨(dú)立性主要位于較高導(dǎo)電性范圍中，所以特殊的目的是盡可能地降低范圍低端的值，從而以這種方式增加測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用帶寬?？梢灶~外提供單獨(dú)的系數(shù)，以不同地評(píng)價(jià)相位信息max和measured。
在本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的一個(gè)實(shí)施例中，控制/分析單元考慮位于探頭單元的沉積物，分析響應(yīng)信號(hào)的相位。這個(gè)實(shí)施例在于認(rèn)識(shí)到，不僅材料經(jīng)由料位影響響應(yīng)信號(hào)的相位，而且沉積物自身也同樣影響相位。結(jié)果，沉積物可以對(duì)于電容值的確定有負(fù)面影響，并且因而對(duì)于料位值的確定也有負(fù)面影響。于是，沉積物的影響應(yīng)當(dāng)被識(shí)別并盡可能地最小化。一種可能是提高觸發(fā)信號(hào)的頻率，該信號(hào)通常是交流電壓。以這種方式，降低沉積物敏感度。另一種可能來(lái)自觀察到，響應(yīng)信號(hào)的相位由于料位的變化而僅可以位于依賴于介質(zhì)特性和觸發(fā)信號(hào)頻率的相位范圍之內(nèi)。如果相位在這個(gè)范圍之外，那么沉積物是占主導(dǎo)地位的并且在沒(méi)有特殊測(cè)量的情況，不可能有可靠的料位測(cè)量。于是，從相位可以獲得關(guān)于沉積物的信息。
在本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于相位在可預(yù)定的沉積物主導(dǎo)的相位范圍外部的情況，控制/分析單元從探頭單元的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)計(jì)算算法使用響應(yīng)信號(hào)的相位確定電容值，其中沉積物主導(dǎo)的相位范圍包括僅僅在沉積物存在于探頭單元上的情況是可測(cè)量的相位。這個(gè)實(shí)施例的一個(gè)思想是，當(dāng)相位在由于料位而所處的范圍內(nèi)時(shí)，電容值以及料位值僅通過(guò)優(yōu)化的計(jì)算算法確定?；蛘?，還可以考慮在測(cè)量相位和90°的最大相位之間的相位差。如果已經(jīng)確定了相位，其位于這個(gè)范圍之外，特別是在沉積物主導(dǎo)的相位范圍內(nèi)部，那么它是沉積物的結(jié)果，并且使用優(yōu)化的計(jì)算算法而沒(méi)有特殊測(cè)量將不再合適，其中優(yōu)化的算法優(yōu)選利用相位用于分析。然而，“允許”的相位范圍可以被根據(jù)期望的或需要的測(cè)量可靠性而調(diào)節(jié)或預(yù)定，其中提高的可靠性需求與較小的相位范圍相關(guān)聯(lián)。
在一個(gè)實(shí)施例中，控制/分析單元通過(guò)計(jì)算算法，從探頭單元的響應(yīng)信號(hào)，使用預(yù)定的相位值，對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的相位位于沉積物主導(dǎo)的相位范圍內(nèi)的情況確定電容值。如果相位較大，即，如果相位位于沉積物主導(dǎo)的相位范圍內(nèi)，則沉積物占主導(dǎo)地位，利用優(yōu)化的計(jì)算算法直接計(jì)算將不再適用。于是，需要校正。這個(gè)校正特別地在于，不使用測(cè)量相位，而是使用特殊的預(yù)定相位。或者，指定第二計(jì)算算法，其降低對(duì)于相位的依賴性。在一個(gè)實(shí)施例中，在這些情況中代替測(cè)量相位而使用的預(yù)定相位是最大相位差，允許其位于測(cè)量相位和90°的最大/理想相位之間。如果相位差大于對(duì)于相位的極限值，那么以這個(gè)極限值計(jì)算電容值。
進(jìn)一步，本發(fā)明通過(guò)一種用于對(duì)容器中的具有導(dǎo)電性的介質(zhì)進(jìn)行電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表而實(shí)現(xiàn)該目的。該測(cè)量?jī)x表包括至少一個(gè)探頭單元和至少一個(gè)控制/分析單元，后者利用電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭單元并接收來(lái)自探頭單元的電響應(yīng)信號(hào)，其中，在控制/分析單元中，存儲(chǔ)至少一個(gè)計(jì)算算法，控制/分析單元通過(guò)該算法從探頭單元的響應(yīng)信號(hào)確定電容值。本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的特征在于，以這樣的方式優(yōu)化計(jì)算算法，以得到一電導(dǎo)率范圍，在該范圍中，料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)電導(dǎo)率的改變，并且這樣實(shí)施控制/分析單元，使得它考慮位于探頭單元上的沉積物而分析響應(yīng)信號(hào)的相位。利用這種測(cè)量?jī)x表，可以在制造期間已經(jīng)確定電容值與料位之間的至少一個(gè)匹配并且合適地將其存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x表中。于是，涉及一種可標(biāo)定測(cè)量?jī)x表。這在于以下事實(shí)，即，測(cè)量對(duì)于介質(zhì)電導(dǎo)率以及介質(zhì)本身的依性被消除或最小化。由于計(jì)算算法被優(yōu)化，所以測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用范圍盡可能大。由于相位的分析，還可能由于探頭單元上的沉積物的影響而出現(xiàn)測(cè)量不可靠。由于相位優(yōu)選地在用于確定電容值的優(yōu)化計(jì)算算法中得到考慮，所以必須保證相位基本不受其它過(guò)程條件影響。一個(gè)這種過(guò)程條件例如是探頭單元上的介質(zhì)沉積物。由于沉積物影響相位，這優(yōu)選地被監(jiān)控以發(fā)現(xiàn)沉積物。于是，標(biāo)定可以根據(jù)上述制造側(cè)的標(biāo)定方法而進(jìn)行，但是也可以在安裝之后在線執(zhí)行。有關(guān)上述測(cè)量?jī)x表的其它實(shí)施例也是這樣的。


現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明，附圖中圖1是本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的使用的示意圖；圖2的多條曲線用于說(shuō)明測(cè)量信號(hào)對(duì)于測(cè)量介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的依賴性；圖3是用于產(chǎn)生電容值和料位之間的匹配的幾個(gè)測(cè)量的示意性結(jié)果；圖4是說(shuō)明分析算法的優(yōu)化的曲線；圖5是響應(yīng)信號(hào)的相位對(duì)于料位的依賴性的示意性說(shuō)明；和圖6是在制造期間的測(cè)量標(biāo)定的示意性說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了測(cè)量?jī)x表1用于測(cè)量容器11中的介質(zhì)10的料位。在這種情況中，探頭單元2是棒，或者它也可以是鋼索。還有具有多個(gè)測(cè)量棒或測(cè)量鋼索的設(shè)置。探頭單元2、容器11的壁以及介質(zhì)10形成電容器。為了確定電容，控制/分析單元3向探頭單元2提供電觸發(fā)信號(hào)。通常，這是交流電壓。然后從探頭單元2的響應(yīng)信號(hào)(通常，響應(yīng)信號(hào)是電流信號(hào)，其在控制/分析單元3中被轉(zhuǎn)換為電壓)確定電容。具有優(yōu)點(diǎn)地，為此在控制/分析單元3中首先提供用于將電壓信號(hào)數(shù)字化的單元(這里沒(méi)有顯示)，其還允許確定響應(yīng)信號(hào)的幅度和相位。具有優(yōu)點(diǎn)地，在控制/分析單元中提供微處理器，其直接采樣或數(shù)字化響應(yīng)信號(hào)(電流信號(hào))或與其成比例的信號(hào)(電壓信號(hào))。從響應(yīng)信號(hào)的值，確定電容。通過(guò)在存儲(chǔ)單元4中存儲(chǔ)的電容值和料位值之間的參考匹配，獲得容器11中的介質(zhì)10的料位，只要介質(zhì)10的電導(dǎo)率σ位于預(yù)定電導(dǎo)率范圍中。這個(gè)范圍開始于大約150μS(當(dāng)測(cè)量頻率，即交流電壓的頻率為250kHz時(shí)是這樣的)并且上限開放(關(guān)于這一點(diǎn)，參見(jiàn)圖2)。這全部是由物理得到的。然而，下限也可以更小，如下面將顯示的。
圖2給出了不同的曲線，顯示了電導(dǎo)率σ(x軸)和介電常數(shù)DK(對(duì)于DK＝2，10，80提供了分離的曲線)對(duì)于響應(yīng)信號(hào)的測(cè)量導(dǎo)納(即幅度)的影響。導(dǎo)納在y軸上作為歸一化導(dǎo)納示出。導(dǎo)納應(yīng)當(dāng)實(shí)際上對(duì)于所有曲線都等于1。然而，主要由于依賴于介質(zhì)的電導(dǎo)率σ而產(chǎn)生偏差。可以看出，導(dǎo)納隨電導(dǎo)率減小而減小。減小的程度依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)。于是，依賴于介質(zhì)的兩個(gè)特性電導(dǎo)率和介電常數(shù)。在這種情況中，曲線的特性非常相似有兩個(gè)平穩(wěn)段，之間是過(guò)渡區(qū)域。上平穩(wěn)段對(duì)于所有介電常數(shù)都相同，而下平穩(wěn)段依賴于介電常數(shù)。于是，重要的是在特定電導(dǎo)率上方，存在對(duì)于電導(dǎo)率和介電常數(shù)的依賴。知道了這一點(diǎn)，就可以將測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用范圍限制于電導(dǎo)率位于這個(gè)極限值之上的介質(zhì)。對(duì)于這些介質(zhì)，可以將在制造中將電容值和料位之間的參考匹配存儲(chǔ)起來(lái)以備后用。
曲線還依賴于觸發(fā)信號(hào)(這里沒(méi)有顯示)的頻率。頻率越低，過(guò)渡區(qū)域在較低電導(dǎo)率值的方向上向左移動(dòng)得越多。通常，范圍的上端開放，而下端起始區(qū)域依賴于頻率。于是，通過(guò)降低頻率，可以獲得較寬的應(yīng)用范圍。然而，與此相反，較低的頻率增加探頭單元上的沉積物的影響。沉積物涉及附著于探頭單元的介質(zhì)并因而類似于將探頭與介質(zhì)屏蔽。由于在許多介質(zhì)情況中都形成沉積物，所以更加優(yōu)選地是選擇頻率盡可能高，從而得到較高的沉積物容許度。
圖3顯示了用于產(chǎn)生參考匹配的方法的結(jié)果。這里測(cè)量了對(duì)于空氣中的排空標(biāo)定，具有已知長(zhǎng)度(x軸)的多個(gè)探頭單元的測(cè)量電容值(y軸)，排空標(biāo)定是指除了空氣以外在探頭單元和相對(duì)電極之間沒(méi)有電介質(zhì)。例如由于制造公差，對(duì)于各個(gè)探頭長(zhǎng)度得到點(diǎn)分散。然而，值大體位于一條直線上，從而也可以有關(guān)于探頭長(zhǎng)度的中間量的結(jié)論。通過(guò)外推測(cè)量值，可以確定由電子及機(jī)械探頭(例如，電纜、饋線等)形成的基礎(chǔ)電容?；A(chǔ)電容是匹配零標(biāo)定的電容值并且通過(guò)它可以進(jìn)行上述計(jì)算。
圖4給出了三條曲線K1、K2、K3。兩條曲線K1和K2顯示了介質(zhì)的導(dǎo)電性對(duì)于料位確定的影響。測(cè)量的料位(左邊y軸)處于100％。然而，由于介質(zhì)的電導(dǎo)率σ(x軸)，得到不同的電容值，其各自導(dǎo)致另一料位值。然而，由于電導(dǎo)率通常不在操作中測(cè)量，并且由于同時(shí)依賴于諸如溫度和空氣濕度這樣的影響，所以產(chǎn)生測(cè)量不可靠性。曲線K1顯示了當(dāng)對(duì)于介質(zhì)僅分析響應(yīng)信號(hào)的幅度時(shí)得到的分布。盡管料位是100％，但是從電容值確定的料位處于約63％～100％，即，料位確定中的誤差可以高達(dá)37％。如圖2中，曲線K1基本具有兩個(gè)平穩(wěn)段，之間是過(guò)渡區(qū)域?，F(xiàn)在，重要的是超過(guò)特定值的電導(dǎo)率對(duì)于測(cè)量施加可忽略不計(jì)的影響或者沒(méi)有影響(上平穩(wěn)段)。這意味著，在這種條件中，電容值和料位之間的參考匹配可在很大程度上獨(dú)立于介質(zhì)而使用。由此，本發(fā)明的思想變得明了。因?yàn)閷?duì)于介質(zhì)的依賴性在特定電導(dǎo)率之上(這依賴于觸發(fā)信號(hào)的交流電壓的頻率)下降并且對(duì)于多數(shù)介電常數(shù)都是這樣的(參見(jiàn)圖2)，所以可以在制造時(shí)存儲(chǔ)電容值和料位之間的參考匹配。
曲線K3顯示了響應(yīng)信號(hào)的相位(右側(cè)y軸)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)的相位，對(duì)于電導(dǎo)率σ的依賴性。如果從響應(yīng)信號(hào)的幅度(K1)和相位(K3)確定了電容值，那么可以優(yōu)化分析算法或分析公式，使得與這兩條信息相聯(lián)系，對(duì)于電導(dǎo)率的依賴性對(duì)于較大的電導(dǎo)率范圍都是通用的。這由曲線K2顯示?？梢钥吹?，與曲線K1相比，曲線K2更多地向左偏移，即在較小電導(dǎo)率的方向上偏移。這里，允許電導(dǎo)率范圍已經(jīng)開始于約30μS(測(cè)量頻率250kHz時(shí))。于是，通過(guò)這個(gè)附加優(yōu)化，測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用范圍也擴(kuò)展。
在圖5中，給出了屬于三種介質(zhì)的三條曲線，這三種介質(zhì)的介電常數(shù)(從下到上)為2、10和80。電導(dǎo)率是50μS。顯示的是響應(yīng)信號(hào)的相位(y軸)對(duì)于介質(zhì)料位(x軸，以百分比表示)的依賴性。90°是在沒(méi)有介質(zhì)(0％)時(shí)獲得的相位。這是在電容器的電壓和電流之間期望的相位。依賴于測(cè)量?jī)x表的分離元件的實(shí)施方式，會(huì)偏離這個(gè)90°，然而這可以直接確定?？梢钥吹剑憫?yīng)信號(hào)的相位偏離這個(gè)值越多，料位上升越多，即，由探頭單元和容器壁或第二探頭單元形成的電容器的電介質(zhì)增加越多。在這種情況中，曲線的分布依賴于介質(zhì)的介電常數(shù)。介電常數(shù)越小，下降越明顯。然而，可以看出，相位偏離90°最大15°，即，相位從不會(huì)是小于75°的值。于是，料位對(duì)于響應(yīng)信號(hào)相位的影響限于一個(gè)相位范圍。從而，為了測(cè)量?jī)x表不再以這種方式變?yōu)橐蕾囉诮橘|(zhì)的儀表，有必要盡可能對(duì)所有介質(zhì)限定這個(gè)范圍，即，對(duì)于這種觸發(fā)信號(hào)頻率為250kHz的情況，相位范圍是75°～90°。作為替代的表達(dá)，測(cè)量相位measured和最大相位max之間的差僅允許在0°～15°。如果相位位于這個(gè)范圍中，則料位和探頭單元上的沉積物可以對(duì)此負(fù)責(zé)。然而，如果相位小于75°或者偏差大于15°，那么沉積物占主導(dǎo)地位，并且不能保證關(guān)于料位的可靠結(jié)論，特別是當(dāng)使用優(yōu)化的計(jì)算算法時(shí)。于是，在這種情況中，計(jì)算算法利用固定的預(yù)定相位，例如15°進(jìn)行，即，利用料位單獨(dú)能夠引起的最大相位差。或者，使用第二計(jì)算算法，其特別地考慮了對(duì)于沉積物的依賴性，或者最大程度地避免了沉積物的影響?；蛘撸梢园l(fā)出警報(bào)表示需要手動(dòng)除去沉積物。
圖6示意性顯示了在測(cè)量?jī)x表1的制造中，可調(diào)料位值和在這種情況中確定的電容值之間的參考匹配的測(cè)量。這里，探頭單元2由實(shí)際的探頭棒2.1和圍繞它的絕緣體2.2組成?？刂?分析單元3向探頭棒2.1供應(yīng)交流電壓。探頭單元2位于標(biāo)定容器21中。于是，標(biāo)定介質(zhì)20的料位被調(diào)節(jié)至至少一個(gè)預(yù)定值，并且在這種情況中確定的電容值與料位值一起存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元4中，存儲(chǔ)單元在這里是控制/分析單元3的一部分。標(biāo)定介質(zhì)20的特征在于，其電導(dǎo)率σ位于預(yù)定電導(dǎo)率范圍內(nèi)，即，在電導(dǎo)率對(duì)于測(cè)量電容完全或幾乎沒(méi)有任何影響的范圍中。這幅圖中還顯示了在探頭單元2上的沉積物25。通常，沉積物25是粘附的甚至可能是部分表面干燥的介質(zhì)10。依賴于介質(zhì)10的特性，它可能附著于探頭單元2。于是，在料位下降之后，介質(zhì)10保持粘附于探頭單元2并且例如在那里表面干燥，從而形成沉積物。這種沉積物25的作用類似于罩在探頭單元2上的金屬套管。探頭單元2因而類似被屏蔽，并且可能料位不再能夠引起電容變化。因此，沉積物25是非常重要的過(guò)程條件，其在料位改變期間主要依賴于沉積物在探頭上的溫度或時(shí)間而改變。
附圖標(biāo)記1 裝置2 探頭單元2.1探頭棒2.2探頭絕緣體3 控制/分析單元4 存儲(chǔ)單元10 介質(zhì)11 容器20 標(biāo)定介質(zhì)21 標(biāo)定容器25 沉積物
權(quán)利要求
1.用于制造側(cè)標(biāo)定用于介質(zhì)(10)的電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表(1)的方法，其中測(cè)量?jī)x表(1)的至少一個(gè)探頭單元(2)被利用電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，該觸發(fā)信號(hào)是具有可預(yù)定頻率的交流電壓，其特征在于，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)的頻率，確定一電導(dǎo)率范圍，在這個(gè)范圍中料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)(10)電導(dǎo)率(σ)的改變；對(duì)于這個(gè)電導(dǎo)率范圍，產(chǎn)生至少一個(gè)在可預(yù)定的第一料位值和從屬于該第一料位值的第一電容值之間的第一參考匹配；以及存儲(chǔ)在第一料位值和第一電容值之間的第一參考匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，以這種方式預(yù)定觸發(fā)信號(hào)的頻率，使得探頭單元(2)上的沉積物(25)對(duì)料位測(cè)量的影響最小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，產(chǎn)生在預(yù)定料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配；以這樣的方式選擇或調(diào)節(jié)標(biāo)定介質(zhì)(20)，使得標(biāo)定介質(zhì)(20)的電導(dǎo)率(σ)在所述確定的電導(dǎo)率范圍內(nèi)；在標(biāo)定容器(21)中利用標(biāo)定介質(zhì)設(shè)置料位值；并且在設(shè)置的料位值，利用測(cè)量?jī)x表(1)確定電容值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，通過(guò)計(jì)算與介質(zhì)(10)的料位值匹配的電容值，產(chǎn)生在預(yù)定的料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，通過(guò)從料位值和電容值之間的計(jì)算和/或確定的匹配中提取與料位值匹配的電容值，產(chǎn)生在預(yù)定的料位值和從屬于該料位值的電容值之間的至少一個(gè)參考匹配。
6.用于電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表(1)，其中測(cè)量?jī)x表(1)根據(jù)權(quán)利要求1～5中至少之一所述的方法標(biāo)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的測(cè)量?jī)x表(1)，其中，提供至少一個(gè)控制/分析單元(3)，其接收來(lái)自探頭單元(2)的電響應(yīng)信號(hào)；并且在控制/分析單元(3)中存儲(chǔ)至少一個(gè)計(jì)算算法，通過(guò)該算法，控制/分析單元(3)至少依據(jù)探頭單元(2)的響應(yīng)信號(hào)的幅度和相位確定電容值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的測(cè)量?jī)x表(1)，其中，這樣優(yōu)化計(jì)算算法，使其得到擴(kuò)展的電導(dǎo)率范圍，在該電導(dǎo)率范圍內(nèi)，料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)(10)電導(dǎo)率(σ)的改變。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的測(cè)量?jī)x表(1)，其中，控制/分析單元(3)考慮位于探頭單元(2)上的沉積物(25)，分析響應(yīng)信號(hào)的相位。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的測(cè)量?jī)x表(1)，其中，在相位在可預(yù)定的沉積物主導(dǎo)的相位范圍外部的情況，控制/分析單元(3)通過(guò)計(jì)算算法，使用探頭單元(2)的響應(yīng)信號(hào)的相位而從該響應(yīng)信號(hào)中確定電容值，其中沉積物主導(dǎo)的相位范圍包括僅僅在沉積物存在于探頭單元(2)上的情況才可測(cè)量的相位。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的測(cè)量?jī)x表(1)，其中，在響應(yīng)信號(hào)的相位位于沉積物主導(dǎo)的相位范圍內(nèi)的情況，控制/分析單元(3)通過(guò)計(jì)算算法，使用預(yù)定的相位值而從探頭單元(2)的響應(yīng)信號(hào)中確定電容值。
12.用于對(duì)容器(11)中的具有電導(dǎo)率(σ)的介質(zhì)(10)進(jìn)行電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表，其具有至少一個(gè)探頭單元(2)和至少一個(gè)控制/分析單元(3)，該控制/分析單元利用電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)探頭單元(2)并接收來(lái)自探頭單元(2)的電響應(yīng)信號(hào)，其中，在控制/分析單元(3)中存儲(chǔ)至少一個(gè)計(jì)算算法，控制/分析單元(3)通過(guò)該算法從探頭單元(2)的響應(yīng)信號(hào)確定電容值，其特征在于，以這樣的方式優(yōu)化計(jì)算算法，以得到一電導(dǎo)率范圍，在該范圍中，料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)(10)電導(dǎo)率(σ)的改變，并且這樣實(shí)施控制/分析單元(3)，使得它考慮位于探頭單元(2)上的沉積物(25)而分析響應(yīng)信號(hào)的相位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于介質(zhì)(10)的電容式料位測(cè)量的測(cè)量?jī)x表(1)的制造側(cè)標(biāo)定的方法，其中測(cè)量?jī)x表(1)的至少一個(gè)探頭單元(2)利用電觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，該觸發(fā)信號(hào)是具有可預(yù)定頻率的交流電壓。本發(fā)明的方法包括根據(jù)觸發(fā)信號(hào)的頻率，確定電導(dǎo)率范圍，在這個(gè)范圍中料位測(cè)量基本獨(dú)立于介質(zhì)(10)電導(dǎo)率(σ)的改變；對(duì)于這個(gè)電導(dǎo)率范圍，產(chǎn)生至少一個(gè)在可預(yù)定的第一料位值和從屬于該第一料位值的第一電容值之間的第一參考匹配；以及存儲(chǔ)在第一料位值和第一電容值之間的第一參考匹配。另外，本發(fā)明涉及一種相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表。
文檔編號(hào)G01F23/22GK101061375SQ200580032864
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者伊戈?duì)枴じ裉芈? 羅蘭德·迪特勒, 卡伊·烏彭坎普, 阿爾明·韋內(nèi)特 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司