按照雷达原理工作的料位测量系统 |
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| 申请号 | CN201310040265.X | 申请日 | 2013-02-01 | 公开(公告)号 | CN103245395B | 公开(公告)日 | 2017-07-28 |
| 申请人 | 克洛纳测量技术有限公司; | 发明人 | M.戴尔曼; M.格丁; U.韦格曼; N.波尔; | ||||
| 摘要 | 按照雷达原理工作的料位测量系统。描述和示出了按照雷达原理工作的用于测量位于容器中的介质的料位的料位测量系统，其中设置用于发送电磁 信号 的信号发送设备，其中设置生成电磁信号的 电子 设备，并且其中设置压 力 密封的和/或扩散密封的隔离元件。本 发明 所基于的任务在于，说明一种允许使用较高频信号的料位测量系统。在所讨论的料位测量系统中，通过将电子设备构成为多件式的来解决该任务。一个部件构成为信号生成部件。信号生成部件和电子设备的另一部件构成为空间上互相分开的独立单元。通信设备布置在信号生成部件和所述另一部件之间，并且压力密封的和/或扩散密封的隔离元件布置在所述另一部件和信号发送设备之间。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种按照雷达原理工作的用于测量位于容器中的介质的料位的料位测量系统（1），其中设置至少一个用于发送电磁信号的信号发送设备（2），其中设置至少一个电子设备（3），所述电子设备生成要由信号发送设备（2）发送的至少一个电磁信号，并且其中设置至少一个压力密封的和/或扩散密封的隔离元件（6）， |
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| 说明书全文 | 按照雷达原理工作的料位测量系统技术领域[0001] 本发明涉及一种按照雷达原理工作的、用于测量位于容器中的介质的料位（Füllstand）的料位测量系统。在此，在料位测量系统中设置用于发送电磁信号的信号发送设备、生成要由信号发送设备发送的至少一个电磁信号的电子设备、以及压力密封的和/或扩散密封的隔离元件。 背景技术[0002] 这样的料位测量系统常常也称作为贮罐水平探测雷达（TLPR）系统，并用于测量诸如贮罐或料仓的容器中的料位。在这种雷达测量设备中应用了利用物理规则的运行时间方法，即所发送的电磁信号的运行路段等于运行时间和传播速度的乘积。在测量容器中的介质（例如液体或散料）的料位的情况下，运行路段相当于在辐射和重新接收电磁信号的天线和介质表面之间的双倍距离。根据所谓的回波函数或数字化的包络线来确定有用回波信号（也就是在介质表面上所反射的信号）和该有用回波信号的运行时间。包络线代表了作为“天线-介质表面”间距的函数的回波信号的振幅。可以从在天线到容器底面的已知距离和介质表面到天线的由测量所确定的距离之间的差值中计算出料位。例如将其天线空腔至少部分地用介电插入物充填的天线（参阅例如DE 10 2008 020 036 A1）用于大多是微波辐射的电磁信号的发送和接收。 [0003] 按照要测量其料位的介质的种类而定，或者按照环境条件的种类而定，料位测量设备有时受到了极端的负荷（例如高温或高压）。此外可能需要将在容器和测量设备之间的接口由于防爆而必须构造成压力密封的和扩散密封的。因此在现有技术中，至少例如生成要发送的信号或分析检测到的信号的电子设备被从实际过程中取消。测量设备的一部分、尤其是天线保留在容器内。于是，由电子设备所生成的发送信号大多经过作为信号引导体的波导被传输给天线。 [0004] 为了也达到在容器的内部空间和外部空间之间的所需的隔离，例如将气密密封的隔离元件引入到波导中（参阅例如DE 20 2009 009 102 U1）。种隔离元件例如可以通过使用金属玻璃（Metaglas）来生成。这在此涉及被压力密封和扩散密封地引入到金属凸缘中的玻璃片。隔离元件在此大多位于波导的内部，并且在这里满足了至少两个任务：一方面因此生成了容器的压力密封和扩散密封的封闭，另一方面得出了在容器之内和之外的防爆区之间的区域隔离。类似的情况适用于以“时域反射计（Time Domain Reflectometry, TDR）”已知的线路连接的料位测量系统。 [0005] 尤其是在雷达信号的（例如大于60 GHz的）较高频率下，在波导中不利的是，由于要经过波导传输的信号的小的波长，应将所使用的波导的直径构造得小。但是，（特别是直径、间隙尺寸、或波导过渡的）机械公差由此强烈地起作用，以至于尤其是通过采用金属玻璃和随之而来的结构上的过渡的解决方案强化地导致差的信号质量。此外在高频下由于制造原因不能像例如在低频的雷达系统中常见的那样实现椎体结构，所述椎体结构构成了对于高频信号的阻抗匹配。在波导长度对于运行时间的、与频率有关的影响方面存在附加的问题，这导致信号的分散。如果使用了（大于2 GHz的）高的带宽，该问题尤其重要。最后在高频信号的情况下已证明为几乎不可能的是，以芯片之外的线路结构的形式从生成信号的芯片引导信号。因此可能需要将信号发送设备、即天线集成在芯片上。 [0006] 例如在DE 10 2009 049 676 A1中描述了将测量设备的电子设备分成用于实际测量的部件和用于分析测量信号的部件，该DE 10 2009 049 676 A1描述了借助压力测量进行汽车油箱中的料位测量。在此在油箱中的传感器部件和位于其之外的分析部件之间存在无线连接。 [0007] US 2004/0100281 A1描述了一种雷达料位测量设备的示例，该雷达料位测量设备具有在鉴于防爆而不同的空间之间的电流隔离。 发明内容[0008] 因此本发明所基于的任务在于，说明一种按照雷达原理工作并且配备了压力密封的和/或扩散密封的隔离元件的料位测量系统，该料位测量系统允许使用较高频的信号。 [0009] 解决了之前推导出的和所指出的任务的本发明料位测量系统的特征首先和主要在于，电子设备构成为多件式的。多件式的电子设备的至少一个部件构成为用于生成要发送的电磁信号的信号生成部件。此外，信号生成部件和电子设备的至少另一部件构成为空间上互相分开的独立单元，并且通信设备布置在信号生成部件和所述至少另一部件之间，使得在任何情况下实现在信号生成部件和电子设备的所述另一部件之间的信号连接。此外，在所述另一部件和信号发送设备之间布置压力密封的和/或扩散密封的隔离元件。电子设备在设计上被分成至少两个部件。一个部件尤其是用于信号生成和分配给信号发送设备的部件。此外，还有至少另一部件。在现有技术中，信号生成部件和另一部件大多集中在一个单元中。在这里所述的本发明料位测量系统中在电子设备的至少两个互相离开的部件之间的空间上的分开，也允许将一个部件布置在容器之内并且将至少另一部件布置在容器之外。由此，电子设备的部件可能经受例如有关防爆的不同条件，并且它们因此也可以不同地构成。通信设备和压力密封的和/或扩散密封的隔离元件互相协调为，使得压力密封的和/或扩散密封的隔离元件不妨碍在电子设备或电子设备的信号生成部件和信号发送设备之间的通过通信设备所建立的信号连接。在一种变型方案中，压力密封的和/或扩散密封的隔离元件至少部分地以电流隔离的方式构成。 [0010] 一种有利的构型规定了，电子设备的另一部件生成这样的信号——所述信号然后经过通信设备和/或经过压力密封的和/或扩散密封的隔离元件被传输，所述信号与要由信号生成部件生成的电磁信号的频率的频率间隔是足够大的，以便实现简单的设计方案和无干扰的运行。如果通信设备例如是玻璃纤维，则由电子设备的另一部件所生成的信号的频率可以大于要由信号生成部件生成的电磁信号的频率。在其他情况下更不成问题的是，由电子设备的部件所生成的信号的频率小于要由信号生成部件生成的电磁信号的频率。根据最后所述的构型，信号在电子设备内传输，所述信号无论如何都比由电子设备或由电子设备的信号生成部件所生成的并且经过信号发送设备所辐射的电磁信号频率低并且因此可以较简单地操作。因此可以用巧妙的方式避免在高频下、例如在大于60 GHz的频率下在基于雷达原理的料位测量系统中所产生的缺点和问题。 [0011] 在一种有利的构型中，将信号生成部件和信号发送设备构成为有关联的单元。在此情况下涉及示范性地是芯片的信号生成部件和尤其是天线的信号发送设备的上面所讨论的集成。这种集成尤其因此是可能的，因为信号生成部件与其他电子组成部分是分离的，并且因为信号生成部件由此也可以较小地或紧凑地构造以直接装配到天线上。 [0012] 在一种构型中，压力密封的和/或扩散密封的隔离元件构成为通信设备的组成部分。由于不必经过通信设备来传输具有在由信号生成部件所生成的电磁信号的频率高度上的频率的这种信号，因此也可以将在现有技术中使得有必要阻抗匹配的隔离元件添加到通信设备中，而不出现现有技术的问题。 [0013] 以下的构型涉及通信设备。在此，通信设备根据一种构型部分地或全部地是电缆。替代或补充地，所述通信设备至少部分地构成为波导或至少部分地构成用于光学信号传输。在此按照一般的理解，电缆是金属丝的用绝缘材料包裹的、用于传导电能或电信号的单芯的或多芯的复合物。通信设备在此例如用于传输数据和/或电磁信号和/或电能。 [0014] 以下的构型专注于电子设备的与信号生成部件分离的另一部件。在此在一种构型中，所述另一部件构成用于信号生成部件的能量供应和/或用于信号生成部件的控制和/或用于分析由信号接收设备所接收的电磁信号或从中所导出的信号。在一种附加的、同样替代的或补充的构型中，所述另一部件用来转换由信号生成部件所生成的信号或信息。在后者的情况下，所述另一部件也可以称作为转换器或传输器，并且例如也可以用于到数据总线的连接端。 [0015] 在一种构型中，信号生成部件具有至少一个第一子部件和第二子部件。在两个子部件之间存在压力密封的和/或扩散密封的隔离元件。在一种变型方案中与该构型相联系的是，第一子部件生成经过隔离元件传输的低频信号，并且第二子部件从该低频信号中生成要发送的高频信号。 [0016] 在一种构型中，在一种变型方案中以如下方式规定了一种多路复用，即设置至少两个信号发送设备（即例如两个天线），所述信号发送设备两者都发送由信号生成部件所生成的电磁信号和/或与此有关的电磁信号。通过使用多个天线，例如可以获得关于介质的表面轮廓的信息。在此在一种构型中，所述信号发送设备两者都发送一个信号。在一种替代的变型方案中，信号发送设备发送调制的信号。 [0017] 在一种变型方案中，信号生成部件构成应用在有爆炸危险的领域中。该构型因此也允许将信号生成源引起其中有介质和信号发送设备的容器中。 [0019] 在细节上有许多构造和扩展本发明的料位测量系统的可能性。为此参阅排在权利要求1之后的权利要求，另一方面参阅结合附图对实施例的以下描述。在附图中[0020] 图1示出在具有根据现有技术的料位测量系统的容器中的测量装置的根据方框图基本上表明了功能性的作用关系的示意图， [0021] 图2示出在具有根据第一变型方案的本发明料位测量系统的容器中的测量装置的根据方框图基本上表明了功能性的作用关系的示意图， [0022] 图3示出在具有根据第二变型方案的本发明料位测量系统的容器中的测量装置的根据方框图基本上表明了功能性的作用关系的示意图，和 [0023] 图4示出在具有根据第三变型方案的本发明料位测量系统的容器中的测量装置的根据方框图基本上表明了功能性的作用关系的示意图。 具体实施方式[0024] 图1中示出一种根据现有技术的测量装置。图2至4中分别示出具有本发明料位测量系统1的测量装置的不同的实施例，其中这些图应仅仅允许识别在不同组成部分之间的作用关系。 [0025] 图1在方框图中示出在根据现有技术所描绘的容器中的（没有示出的）介质的示意性测量。所示出的料位测量系统1在此主要由场设备构成，该场设备的信号发送设备2在这里示范性地构成为喇叭形天线。在测量料位时，由信号发送设备2产生在（没有示出的）介质表面方向上的微波信号，并且该微波信号在表面上反射之后（然后在信号接收设备的功能中）被重新检测到。从运行时间可以计算出料位高度。用来生成微波信号和也用来分析所接收的信号的所分配的电子单元3在现有技术的这里所示的构型中装配在所描绘的容器之外。为了测量料位，由电子单元3所生成的微波信号经过波导14穿过容器的壁5中的缺口传输到信号发送设备2上。波导14具有隔离元件6以用于在容器的内部空间和容器之外的空间之间的隔离。随着要发送的微波信号的频率增加，这种波导14和尤其是这种隔离元件6附带有如上面已讨论过的缺点。但是根据料位测量系统1的应用，这种隔离元件6有时是一定必需的，以便确保容器的内部空间被保护例如免遭爆炸危险，或以便确保外部空间被保护免遭介质的损害。 [0026] 图2示出本发明测量系统1，在该测量系统1中电子设备3（在这里作为示例所示的构型中）由两个部件7，8组成。为了清晰起见，与在图1中相同的元件配备了相同的附图标记。部件、即信号生成部件7位于这里同样如在图1中通过壁5所描绘的容器之内，并且因此例如也位于有爆炸危险的环境（例如区域0）中。尤其是本身又可以分解成多个单个部件的另一部件8位于容器之外，并且因此也不暴露于过程条件和在那里适用的保护条件。划分成两个部件7，8随之带来了，由于不同的环境条件而可以不同地构成部件7，8。如果例如需要防爆地实施信号生成部件7，则这对于另一部件8来说由于通过将电子单元3分开成多个空间上分开的部件所实现的在容器之外的布置而不是必要的或无论如何只是在较小的程度上必要的。因此，对于防爆的示范性情况来说也有可能用比信号生成部件7更多的能量来供应另一部件8。 [0027] 信号生成部件7的任务至少在于，生成电磁信号（尤其是微波信号），在这里构成为介电天线的信号发送设备2在（这里没有示出的）介质的方向上辐射该电磁信号。为此优选将信号生成部件7尽可能靠近信号发送设备2地装配。在一种有利的构型中，尤其是将信号生成部件7和信号发送设备2构成为一件式的，其方式是将信号生成部件7直接施加在信号发送设备2上。在信号生成部件7和另一部件8之间设置通信设备4，该通信设备4在所示出的实施例中具有熔入到金属玻璃中以用于触点接通的销钉（该过渡于是尤其也用作为隔离元件6）。在此，经过该通信设备4例如实现了信号生成部件7的能量供应或控制。另一部件8与此相对应地构成，并且具有用于信号生成部件7的能量传输或操控的合适的功能性。在另一种在这里没有示出的实施形式中，以变压器的方式来传输用于供应信号生成部件的信号和/或能量。由于信号生成部件7布置在信号发送设备2的一侧，因此不必从另一部件8出发经过通信设备4传输高频的发送信号。因此也消除了现有技术的缺点。在信号生成部件7和另一部件8之间并且由此也在信号发送设备2和另一部件8之间存在隔离元件6作为通信设备4的一部分，该隔离元件6优选构成为压力密封的和/或扩散密封的，并且该隔离元件6用来在过程空间、即所描绘的容器的内部空间和外部空间之间或在信号生成部件7和另一部件8之间进行隔离。 [0028] 在图3的本发明料位测量系统1的构型中设置天线形式的两个信号发送设备2，这些信号发送设备2装配在（由壁5描绘的）容器之内的不同位置处并且例如允许测量（这里没有示出的）介质的不同片段。例如由此可以测量例如是散料的介质的表面分布，以便例如获得散料锥体特性。对于该构型，位于容器中的信号生成部件7与两个信号发送设备2相连接。在一种替代的构型中，设置两个分别与信号发送设备2相连接的信号生成部件7。经过多个信号发送设备2，例如也可以进行料位测量系统1的自诊断，在该自诊断中例如识别出天线2的污染。替代地，由也可能存在多于两个的信号发送设备2辐射来自不同频率范围（例如10 GHz信号与24 GHz信号或80 GHz信号的组合）的信号。在附加的补充或替代的变型方案中，信号发送设备2不同地构成，使得例如涉及喇叭形天线与如在所述雷达（TDR）中那样的棒或绳的组合。 [0029] 在图4的构型中，信号发送设备2也被设置为信号接收设备9。这在原则上也在图2和3的其他本发明构型中是可能的。所接收的信号在此同样可以由信号生成部件7处理，例如分析，或在频率上进行转换，该信号生成部件7在该变型方案中变成了信号生成/信号接收部件。在这里所示的构型中，信号生成部件7由第一子部件10和第二子部件11组成，隔离元件6合适地在（这里描绘的）容器的壁5的高度上位于所述第一子部件10和第二子部件11之间作为容器的内部空间和外部空间之间的封闭作为压力密封的并且优选也扩散密封的隔离。在此，第一子部件10布置在容器之外，并且第二子部件11布置在容器之内。在此例如可以涉及集成电路或芯片的两个区域。通信设备4分布在另一部件8和信号生成部件7之间。在料位测量系统1的图4中所示的变型方案中，在信号生成部件7的第二子部件11和信号发送设备2或信号接收设备9之间设置另一连接。 [0030] 在以上的示例中，根据尤其是用于（大于60 GHz的频率的）高频雷达系统的天线说明了本发明料位测量系统1。但是，该料位测量系统1仍然例如也适用于在TDR雷达系统（关键词：电缆雷达）中的或在光学测量系统中的具有较低频信号的应用。实际测量信号的生成分别直接在容器中发生。 |
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