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CN1361860A - 料位传感器 - Google Patents

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CN1361860A
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Vega Grieshaber KG
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Abstract

一种用于在生产过程中对诸如存储槽(8)这样的容器内的物料高度进行测定的料位传感器(7)。该料位传感器(7)包括有一个指向存储槽(8)内部的电磁波天线(4)。一个电磁波发生源,用于通过电磁波天线(4)发射出电磁波信号(9)。一个电磁波接收器,用于接收反射回来的电磁波信号(10)。被连接在发生源与接收器上的测定电路用于触发电磁波信号的发射操作,并且基于接收到的反射信号确定出物料的料位高度。输出电路用于输出与物料高度相关的信号。该装置适合于应用到具有非常小的天线插入孔口(11)的容器上。

Description

料位传感器
                      发明背景
本发明涉及在工业化生产过程中和在非工业化生产过程中对灌装料位进行测定。更具体地说，本发明涉及利用一种电磁波料位测量仪对存储槽中的产品料位高度进行测定。
用于对存储罐内的产品/物料料位(液态或者固态产品)进行测定的优选测量仪器是以非接触技术为基础的。一种非常好的非接触技术是以微波利用为基础的。其基本原理是朝着物料表面发射微波和接收从所述表面反射回来的微波。通过对反射回来的微波进行分析来确定出微波所行进的距离。通过得知微波的行进距离和存储罐的高度就能够确定出物料的料位。由于众所周知的是，电磁波的波群传播速度等于光波在真空中传播的速度除以波所经过的相应介质的介电常数的平方根，因此如果波的行进时间和介质的介电常数是公知的话，就可以确定出一束电磁波的行进距离。行进时间可以通过测定反射波相对于发射出的波的相位偏移量来加以确定。另外，行进时间也可以通过利用公知的雷达技术，比如利用脉冲雷达或者调频连续波雷达(FMCW radar)，来进行测定。
在过程控制工业中现有的微波式料位传感器通常以大约5至6GHz的频率进行工作。它们具有相当大的天线，并且因而需要在存储罐上具有一个较大的孔口。通常来说，为了将所述天线置于其中，需要一个直径大约为6英寸或者更大的孔口。但是，存储罐上宽大的孔口以及较大的天线会带来一些潜在的问题，这是因为，一方面，难以紧密地对宽大的孔口进行密封，另一方面，由较大的天线在存储罐内发射电磁波的操作会遭受形成凝结物的影响。另外，对于大多数存储罐来说，也不适合于甚至根本不可能形成一个大约为6英寸或者更大的孔口。
因此，所希望的是具有一种足够小的料位传感器，以便使得存储罐上的天线插入孔口的尺寸减小至1.5英寸或者更小，尤其是减小到1英寸或者更小，甚至减小至3/4英寸或者1/2英寸。这种料位传感器将因而需要一个足够小的天线，以便能够被装配到存储罐上的小型孔口中。
一种解决方案是利用一个棒状天线。但是，在存储罐中利用棒状天线通常具有信号质量降低的缺点。许多容器和存储罐均具有或多或少带有延展凸缘的插入孔口。小型的孔口通常相应地具有小直径的凸缘，所述棒状天线穿过这些凸缘进行延伸。当天线被安装到一个狭窄的凸缘内侧时(附图3a)，由于辐射的侧向传播将会产生一些问题，导致发生错误回波现象。在德国专利DE 196 41 036中已经描述了一种解决方案。一个金属壳体被设置成在凸缘内环绕在棒状天线的周围(附图3b)。但是，这种现有的解决方案将会带来其它问题，即如果超过了一定的灌装料位，由于棒状天线通过延伸的突出部而被插入到所述容器罐中，将会导致其与部分溢流出来的物料发生接触。在这种情况下，对灌装料位的测定将不再象此前那样精确。另外，与罐内的内容物发生接触还会导致在棒状天线上形成凝结物，降低其性能。
但是，在现有的传感器中，通常无法利用一个足够小的喇叭形天线，这是因为所述天线将无法高质量地发射5至6GHz的信号，其中所述的喇叭形天线能够被插入到小于4英寸的容器孔口中。
目前已经发现，这些问题可以通过将一个足够小的天线与一个发射装置相结合而得以解决，其中所述天线能够被装配到直径小于4英寸，并且通常小于1.5英寸的容器孔口中，而所述发射装置则以大于6GHz的频率，并且直至20GHz甚至更高的频率进行工作。
也已经发现，提高料位测定操作中所使用的电磁波的频率很有意义，因为这不仅能够使得天线的尺寸减小从而使得存储容器上的孔口的尺寸减小，而且能够利用一个与小型孔口一同使用的喇叭形天线来替代使用棒状天线，当所述喇叭形天线被安装在狭窄的喷嘴内侧时，该喇叭形天线将产生较少的错误回波，并且可以较少地受到后生信号(artifactsignal)及凝结物的干扰。
另外一种可以被用于此的天线是所谓的微波传输带天线或者插接天线(patch antenna)。该微波传输带天线或者插接天线由一个经过蚀刻的导电结构组成，该导电结构被置于一个通常呈圆形的基底上，这些在半导体产业中均是非常公知的。由于基底和导电结构均非常薄，并且如果频率远远超过5.8GHz时这种天线的直径将变得非常小，因此这种天线的体积也将相当地小。由于所述天线的体积很小，因此已经发现非常适合于在存储容器上的凸缘非常短以致于无法装配喇叭形天线的情况下，或者是在所述存储容器上根本就没有凸缘的情况下利用一个微波传输带天线。
通过利用频率超过5.8GHz的微波进行工作，尤其是利用频率超过10GHz，优选的是利用频率超过20Hz，并且最好是利用频率为24GHz或者更高的微波进行工作，就能够将容器孔口和喇叭形天线的直径减小至1.5英寸或者更小，尤其是1英寸或者更小，直至3/4英寸或者1/2英寸，从而就能够利用螺纹来将料位传感器紧密地密封到存储罐上，而并非利用凸缘。直径比如大约为1英寸的螺纹不仅易于制取而且便于密封。因此，与宽大的孔口所需要的凸缘密封件相比，它们是优选的。
为了在灌装料位测定中获得更高的精确度，关键因素在于信号要具有一个宽的绝对带宽。由于天线的绝对信号带宽能够通过提高平均的主振频率而得以提高，因此频率的提高将能够使得更精确地对信号行进的路程进行测定，从而更精确地对存储罐内的灌装料位进行测定。
                      发明概述
本发明中的料位传感器通过利用频率超过5.8GHz的微波信号来对一个容器内的物料高度进行测定，尤其是利用频率超过10GHz，优选的是频率超过20GHz，并且最好是利用频率为24GHz或者更高的微波信号来进行测定。
所述料位传感器包括有一个指向容器内的天线，该天线足够小，以便能够被装配到一个容器孔口中，该容器孔口的直径为6英寸或者更小，尤其是4英寸或者更小，最好是1.5英寸或者更小，特别优选的是1英寸或者更小，直至3/4英寸或者甚至为1/2英寸。一个电磁波发生源通过天线向容器内发射信号。一个电磁波接收器用于接收反射回来的信号。所述发射和接收天线最好是一个喇叭形天线或者一个微波传输带天线或插接天线。被连接在所述电磁波发生源上并且被连接在所述电磁波接收器上的测定电路，用于触发信号的发射操作，并且基于接收器所接收到的反射信号来确定出物料的高度。用于输出与物料高度有关的信息的输出电路可以由一名操作人员进行判读，或者被连接到一个双线式过程控制回路中，用于对自动灌装设备或者类似装置进行操作控制。
                       对附图的简述
图1是一个其上安装有所述料位传感器的容器内的物料的横剖视图；
图2是附图1中的料位传感器的细节视图；
图3a是一个安装在一狭窄凸缘内侧的现有棒状天线的细节视图，其中所述狭窄凸缘以剖视图形式示出；
图3b是一个带有一金属壳体的现有棒状天线的细节视图，其中所述金属壳体封闭住了所述棒状天线上位于狭窄凸缘内的部分；
图3c是一个根据本发明的喇叭形天线的细节视图，其中所述喇叭形天线的整个长度基本上均被封闭在狭窄凸缘内；
图4a是所述料位传感器另一实施例的细节正侧视图；
图4b是所述天线表面的经放大的细节视图。
                 对优选实施例的详细描述
图1是一个示意图，示出了被工作性地连接在一个存储容器或者存储罐8上的料位传感器7，在该存储容器或者存储罐8中盛装有一种物料6。物料6可以是液体、固体或者是固液混合物。正如在附图2中较为详细地示出的那样，料位传感器7包括有壳体2，喇叭形天线4和用于将该料位传感器7紧密地封闭到存储罐8上的机械装置3，该机械装置3包括有直径大约为1.5英寸的螺纹，该螺纹能够紧密地配合在存储罐8上的孔口11中。孔口11带有相匹配的螺纹，用以与机械装置3中的螺纹紧密啮合。
喇叭形天线4发射出24GHz频率的微波信号9，该微波信号9在物料6的表面上发生反射，并且由壳体2内的电磁波接收器进行接收。壳体2内被连接到壳体2内的电磁波发生源上并且被连接到壳体2内的电磁波接收器上的测定电路，用于触发信号9的发射操作，并且基于由壳体2内的电磁波接收器所接收到的反射信号9，10来确定出物料6的高度。
根据本发明，料位传感器7通过线路1将与物料6的高度相关的信息传递给输出设备5。输出设备5的一种形式可以是一个用于操作人员的显示仪器，而在另外一个实施例中，所输出的可以是一个用于双线式过程控制回路中的电信号。
壳体2中的电路包括有测定电路和输出电路。
测定电路和输出电路的设计布局是非常公知的，并且也并非本发明的关键所在(参见由Hugo Lang and Wolfgang Lübcke所提出的标题为“Smart Transmitter Using Microwave Pulses to Measure The LevelOf Liquids and Solids In Process Applications”的ISA论文，HugoLang and Wolfgang Lübcke属于德国的Maulburg的Endress and HauserGmbH and Company。以及美国专利No.5 672 975，在此通过参考而将它们全部结合入本发明中)。
附图3c示出了一个本发明中的24GHz喇叭状天线，用来替代德国专利No.196 41 036的说明书中所述的棒状天线，在此通过参考将这份专利结合入本发明中。
虽然本发明已经参照优选实施例进行了描述，但是本技术领域中的熟练工人将会认识到，在不脱离本发明的技术构思与范围的条件下，可以在形式上和细节上进行改变。
因此，在特定的情况下，所述天线可以是一个棒状天线，尤其是对于某些装置来说，可以是一个如附图4a和4b中所示出的微波传输带天线或者插接天线12。在附图4a中，插接天线或者微波传输带天线12被安装在机械装置3上，该机械装置3又被连接到壳体2上。沿附图4a中的线A来观看所述天线，在插接天线12的经放大细节视图中示出了基底的表面，在该基底的表面上可以看到由微波传输带天线或者插接天线所形成的图案。由于插接天线12非常小，因此可以被顺利地安装在如附图1中所示出的孔口11中。由于带状天线的结构非常紧凑并且其体积非常小，其尤其适合于被应用到存储槽太浅以致于无法容纳一个喇叭形天线的情况下，或者被应用到容器8上的孔口11位于该容器上一个非常短的凸缘延伸部上的情况下。
为了满足特定装置的需要，所述微波的频率也可以低于24GHz，但最好是高于24GHz。

Claims (12)

1.一种料位传感装置，该料位传感装置利用电磁波来对容器内的物料高度进行测定，其中所述容器具有一个孔口，该孔口的面积明显小于容器内物料的表面积，该装置包括：
一个微波发生源，用于产生频率大于5.8GHz的电磁波；
一个微波天线，该微波天线被工作性地连接到所述微波发生源上，并且被安装在容器上的所述孔口处，用于向容器内发射电磁波，所述孔口的直径小于6英寸；以及
一个微波接收器，该微波接收器被工作性地连接到所述天线上，用于接收从容器内的物料表面反射回来的电磁波，并且输出一个指示容器内物料高度的输出信号。
2.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所述微波天线是一个喇叭形天线，并且基本上该微波天线的所有长度均被封闭在一个壳体内，该壳体被固附在所述容器上，并且与所述孔口相连通，用于向所述孔口供送电磁波。
3.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所述微波天线是一个微波传输带天线，并且该微波传输带天线整个被封闭在一个壳体内，该壳体被固附到所述容器上，并且与所述孔口相连通，用于向所述孔口供送电磁波。
4.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所利用的电磁波的频率超过10GHz。
5.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所利用的电磁波的频率超过20GHz。
6.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所利用的电磁波的频率大约为24GHz。
7.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所述微波发生源是一个低功率发生源，而所述接收器是一个低功率接收器，并且设置一个电路来将物料的料位信息传递给一个输出设备，该输出设备被连接在一个双线式过程控制回路中。
8.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：所述天线是一个喇叭形天线或者一个微波传输带天线。
9.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：该装置可以被安装在一个带有一直径小于4英寸的天线插入孔口的容器上。
10.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：该装置可以被安装在一个带有一直径小于1.5英寸的天线插入孔口的容器上。
11.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：该装置可以被安装在一个带有一直径小于1英寸的天线插入孔口的容器上。
12.如权利要求1所述的料位传感装置，其特征在于：该装置可以被安装在一个带有一直径为3/4英寸或者1/2英寸的天插入线孔口的容器上。
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