CN106052797A - 免调节填充物位传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及免调节填充物位传感器。提供了一种测量仪器，其用于检测介质的填充物位或限制物位，例如容器或腔室中的填充物位。测量仪器包括传感器单元，该传感器单元在介质中的不同的穿透深度进行至少两个测量。出于这一目的，算术逻辑单元进行计算，以使用测量结果来区分介质对传感器单元的完全覆盖与部分介质对传感器单元的粘附。

Description

免调节填充物位传感器
相关申请引用
本申请要求2015年4月7日提交的欧洲专利申请15 162 633.0的申请日的权益，该欧洲专利申请的公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及一种用于检测介质的填充物位或限制物位的测量仪器，并且涉及一种用于检测介质的填充物位或限制物位的方法、以及程序元件和计算机可读介质。
背景技术
物位传感器用于例如测量容器中的介质的填充高度或物位。与介质的物理特性相关的信息通常对于传感器不是自动地可获得。特别地，介电系数或电导率可能是所感兴趣的。介电系数(也称为电介导电性(dielectric conductivity))是指介质对于电场的“渗透性”(permeability)。电导率与电阻成反比例。
然而，在包括含有介质的容器或在腔室中包括流体传感器的***的操作期间，即使介质的物位低于传感器，换言之，即使传感器未浸入该介质，一定量的介质也可能会粘附到传感器。在其他情况中，当物位下降时，部分介质可能粘附到其后安置有物位传感器的壳体或容器壁。这可能特别发生在高粘性(换言之胶质)的流体中，这样的流体还另外地具有粘附特性。
这些情况可能导致不正确的测量或不准确。对此的一个原因是，在某些情况下，不具有关于待测量介质的物理特性的信息的传感器不能在被介质完全覆盖和粘附之间进行区分。特别是以下情况下，更是如此：传感器借助其测量原理而对其敏感的物理特性在粘附物质(例如，在电容式传感器的情况下，具有高相对介电系数的介质)中非常明显，而这些物理特性在完全覆盖传感器的介质中仅是轻微的。
被动保护件(passive guard)、特别是保护电极(guard electrode)可 以被用于解决该问题，以使得从传感器的测量区域中很大程度上阻断(block out)发生粘附的表面附近的区域。
DE 10 2005 027 344 A1公开了通过使用阻抗谱(impedance spectroscopy)在不同介质之间进行区分，其中测量作为激励频率(exciting frequency)的函数的阻抗。
发明内容
本发明的目的在于防止由于介质的粘附而导致的不正确的切换(switching)判定或者不正确的测量。
该目的通过独立权利要求的特征实现。在从属权利要求和后文的描述中进行本发明的展开。
本发明的第一方面涉及一种用于检测介质的填充物位和限制物位的测量仪器，该测量仪器包括：传感器单元，其配置成在介质中的两个不同的穿透深度进行至少两个测量；以及算术逻辑单元或控制单元，其配置成使用至少两个测量的结果，区分介质对传感器单元完全覆盖与部分介质对传感器单元的粘附。优选地，一个测量对被粘附介质严重影响的传感器表面附近的区域进行测量。另一个测量是对延伸得更深入到传感器表面前方的空间的区域体积进行测量的测量。因此，可以防止由于介质粘附而导致的不正确的测量或不正确的切换判定。
介质是例如流体，诸如液体或混合气体/液体形式，诸如超临界流体。介质还可以由物质混合物构成，例如悬浮液、泡沫、混合物、乳状液。然而，散装材料(bulk material)也是可以想到的。测量仪器的目的是检测这些介质，以便检测填充物位或限制物位。特别地，测量工具可检测介质的存在和/或覆盖的程度，例如填充物位。还可以想到，使测量仪器位于多重开放式(multiply open)或半开放式腔室，并且测量仪器检测其中的介质。多重开放腔室的示例是要在其中检测流体的存在的管道。
介质对传感器单元的完全覆盖与部分介质的粘附的不同之处在于，如果传感器单元被完全覆盖，则传感器单元被浸入介质中。换言之，如果传感器单元被介质完全覆盖，则介质的物位在传感器单元之上。相较之下，部分介质的粘附意味着介质的残留粘附到传感器单元，即使介质的物位在传感器单元以下时也是如此。这可能在例如至少一些介质被从容器排出时发生。
介质经常具有粘附特性，特别是在其由液体或胶质物质构成的情况下。这意味着其可以粘附到传感器或者粘附到其后安置有传感器的表面，即使大部分介质已经排出时也是如此。上述情况的一个示例是具有液体的下降物位的容器，其中，液体粘附到容器壁、或粘附到其后安置有测量仪器的表面、或粘附到传感器本身。
同样，潮湿的和/或粘性的散装材料(诸如沙子、盐、动物饲料(干/湿)或牛奶什锦早餐)可以在容器壁和传感器表面上留下粘附物。
该影响被高粘度或非常粘的流体所促进。这些流体随后使传感器单元正前方的表面潮湿，并且因此被传感器检测。其中，这一状态下传感器单元进行至少两个测量。这可以是在围绕传感器的介质中的不同深度的两个测量，或者多于两个测量，在多于两个测量的情况下仍应检测至少两个深度。对此的原因是待解的方程包括至少两个未知数。这依赖于至少一个物理材料特性以及传感器被介质覆盖到的厚度二者。如果确定测量曲线，则其结果是不同地取决于传感器单元被介质覆盖到的厚度以及取决于其物理特性。现在可以将传感器单元预校准以优化其对于介质的功能。如果介质改变、并且因此物理材料特性改变，则通常获得不同的测量曲线，在该情况下这将暗示不正确的覆盖层厚度(如果只进行一个测量)。出于这一原因，在所提出的传感器单元中在介质中的不同深度进行至少两个测量。这提供至少两个测量值，其可以替换到方程中以确定层厚度以及至少一个物理介质特性。根据由算术逻辑单元计算的该信息，现在可以推断出：是否介质的残留全部或部分粘附到传感器单元或传感器单元前方的表面以及介质的剩余部分已从待检测的容器或腔室至少部分排出，或者传感器或传感器前方的表面是否被流体完全覆盖。这防止在一方面具有非常明显的物理特性(例如高相对介电系数)的介质的粘附与另一方面介质对传感器单元或传感器单元前方的表面的完全覆盖之间的混淆，其中，后者情况下的介质作为整体一直延伸到传感器单元或者传感器单元前方的表面。
本发明的有利效果可以是，填充物位测量仪器在每一个测量时确定介质的物理特性，或换言之，不需要用户进行对设备的、关于待检测的介质的类型或介质的特别的物理特性(例如介电系数或电导率)的值的输入。另外，测量还可以更可靠地进行，即使一定量的填充材料粘附到传感器或容器壁或另外的表面或者甚至是将其完全覆盖时也是如此。另外，可以确定测量设备的限制物位传感器的切换点，而不一定要考虑待测量介质的物理材料特性。这可以使得对于传感器的覆盖程度以及对于限制物位传感器 的切换状态的改变的更快速反应成为可能。还可以提供下述效果：所公开的测量仪器通过测量至少一个物理介质特性来执行温度补偿(假设待测量介质没有改变)，这是由于温度的改变导致物理介质特性的改变并且因而可改变相应的测量曲线。
在本发明的一个实施例中，算术逻辑单元进一步配置成通过评估至少两个测量来确定物理材质特性。首先，算术逻辑单元配置成确定覆盖厚度。出于这一目的，例如，来自待解的方程***的物理参数可以被消除而不对其进行清楚地计算。然而，其也可以被计算和存储在存储单元上，例如用于另外的用途。其也可以通过收发器单元被传输到中央评估点，例如在安全关键***(safety-critical system)中用于验证介质或相关的介质参数。
在本发明的另一个实施例中，测量仪器进一步包括被动保护件或者屏蔽件，其被配置成很大程度上从由第一传感器元件监测的体积区域阻断粘附，并且另外被配置成作为第二传感器元件检测覆盖和/或粘附的介质的影响，并且借助于算术逻辑单元对其进行主动评估。
在本发明的另一个实施例中，上述保护是保护电极，该保护电极用于在阻抗测量的情况下改进测量，并且用于从由第一测量电极监测的体积区域很大程度上阻断接近表面的非期望区域，并且另外地配置成作为第二电极检测覆盖和/或粘附的介质的影响，并且借助于算术逻辑单元对其进行主动评估。
在本发明的另一个实施例中，除了至少两个传感器元件之外，测量仪器进一步包括被动保护件，该被动保护件配置成将由相关传感器元件监测的体积区域主要限制为位于传感器表面前方的区域，换言之被介质所影响的区域。以这种方式，对于测量结果而言，传感器构造的几何形状所带来的、由构造导致的影响可以被最小化。被动保护件可以在传感器元件之外另外存在，或者至少一个传感器元件本身可以被配置为或被用作被动保护件。在最后这种情况下，一个传感器元件用作另一个传感器元件的保护元件。
在本发明的另一个实施例中，保护是保护电极，该保护电极用于在阻抗测量的情况下改进测量，并且用于从由至少两个测量电极监测的体积区域很大程度上阻断非期望区域。借助于合适的几何构造，这两个电极的测量区域可以配置成以下方式：这些电极具有测量区域，其中每个与其他的在测量深度方面不同。由于算术逻辑单元评估保护电极的阻抗，因此保护电极可以充当对于第二测量的第二测量电极。
在本发明的另一个实施例中，测量仪器是限制物位测量仪器，其配置成检测状态“被介质覆盖”和状态“不被介质覆盖”之一。限制物位测量仪器关于比较值来检测介质的物位。取决于物位在预定限制之上或之下，限制物位测量仪器发射相应的信号。例如，如果介质物位超过了最高允许容器物位，则限制物位测量仪器发射“限制物位被超过”信号到中央算术逻辑单元或控制室。同样出于这一目的，重要的是正确检测传感器单元的覆盖程度。
在本发明的另一个实施例中，测量仪器是填充物位测量仪器，其配置成检测容器中的流体的物位或填充材料的高度。在此情况下，测量仪器可以提供数字值，例如容器中的介质的填充物位，而不仅是二进制信息“被超过”或“未被超过”。
在本发明的另一个实施例中，待检测的物理介质特性是介质的密度和介质的介电常数中的至少一个。介质的密度由质量与相关联的体积之比来定义。介电系数(也称为电介导电性)指定了物质对于电场的渗透性。例如，介质的相对介电系数可以是所感兴趣的，其是介质的介电系数与一般真空介电系数之比。
在本发明的另一个实施例中，传感器单元包括两个电极，第一电极被用于进行第一测量并且第二电极被用于进行第二测量。此类电极特别地适合于阻抗测量，阻抗是对于直流电而言的电阻的交流电等同。实际上，阻抗描述了对于交流电的电阻，包括相信息。然而，还可以使用其他的传感器元件，特别是由于其几何尺寸或构造配置而适合在从介质中的传感器表面测量的不同深度处进行测量的传感器元件。
在本发明的另一个实施例中，测量仪器被配置为振动式限制物位测量仪器。此类仪器在制动器中产生振动。发射的震荡随后扩展穿过局部存在的介质并且例如由反射器返回。随后，传感器检测花费的传输时间。为了抵消与介质部分粘附相关联的问题，还可以以不同的距离提供两个反射器。对于传感器电子设备而言，需要知道特定值，例如从震荡源经由反射器到传感器的距离。例如，假设恒定的覆盖厚度，覆盖厚度可以因此被确定。
在本发明的另一个实施例中，第一电极和第二电极在传感器单元上旋转对称地布置，并且第一电极和第二电极二者被绝缘层包围。
本发明的另一方面涉及一种用于检测介质的方法，包括以下步骤：
–使用传感器单元在介质中的至少两个不同的穿透深度进行至少两个测量，和
–判定是传感器单元被介质完全覆盖还是部分介质粘附到传感器单元。
在本发明的另一个实施例中，所公开的方法进一步包括以下步骤：
–使用算术逻辑单元确定介质的一个或多个物理物质特性。
本发明的另一方面提出了程序元件，该程序元件当在算术逻辑单元上执行时指示测量仪器实现所公开的方法。
本发明的另一方面提出了其上存储有程序元件的计算机可读介质。
下面，参照附图公开本发明的实施例。在附图中，同样的附图标记表示同样或相似的元件。然而，同样或相似的元件也可以通过不同的附图标记来表示。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的测量仪器以及在不同深度的两个测量区域。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的两个不同的测量曲线。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的测量仪器，其包括壳体中的绝缘层和电极。
图4示出了根据本发明的另一个实施例的传感器单元，其具有用于检测声音传输时间的超声波测量。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的用于检测介质的方法。
具体实施例
附图是示意性的并且不是按比例的。
图1示出了用于检测介质的测量仪器100的实施例，该测量仪器100特别地为限制物位测量仪器，其包括传感器单元104。该测量仪器100配置成在不需要关于物理物质特性的任何用户输入的情况下，关于是否达到了限制物位做出切换判定，该判定极大地依赖于物理物质特性的值并保持 恒定。该切换判定因此仅依赖于预建立的覆盖厚度105。这由于下述情况而实现：安装在容器103中的传感器104进行至少两个测量(这些测量可以是例如在时间上或空间上分开的)。第一测量评估接近表面的区域101，并且第二测量评估进一步延伸到深度之中的体积区域102。
图2示出了两个不同的测量曲线，其是针对不同的物质特性在相同的覆盖厚度获得的。然而，针对恒定的物质特性，此类曲线原则上在不同的覆盖厚度也是不同的。这也可以表示为具有两个未知数的方程***。因此，为了求解该方程***，需要至少两个不等效的方程，并且因此需要替换进这些方程的两个测量。测量的测量值Mi(Pi，d)因此依赖于待测量的物理物质特性Pi的初始未知数值以及传感器被介质覆盖到的厚度d两者。取决于介质的物理物质特性有多明显，示出的曲线可随着覆盖厚度较急剧地进展并进展到较高的终值，或较不急剧地进展并进展到较低的终值。另外，曲线进展还可以依赖于所检测的物理物质特性的性质，例如介电系数或物质密度。此外，在传感器被介质完全覆盖时的介质中的最大可能测量值可以随着所检测的物理物质特性的性质而改变。因此，作为这一依赖性的结果，Pi或d均不能通过单个测量来确定，这是由于基础方程***是未确定的。假设由传感器检测的体积Vi 101和102在深度上不同，如果进行具有结果M1(P1，d)201和M2(P2，d)202的两个测量并且两个测量均确定相同的物理物质特性P1＝P2，则方程***具有唯一的解并且可确定P1和d。体积V1的测量1给出结果M1(P1，d)，并且体积V2的测量2给出结果M2(P2，d)。更确切地说，这意味着，一个测量在体积V1 101中的接近表面的区域中敏感，并且另一个测量在进一步延伸到深度中的体积区域V2 102中敏感。接近表面意味着存在传感器被覆盖到的厚度的限制距离dg，在该限制距离dg处，当覆盖厚度增加时，接近表面的传感器区域不再呈现测量值的变化；并且该限制距离小于第二元件的限制距离。在此上下文中，体积V2可以包括体积V1。另外，取决于所使用的测量原理，接近表面的区域V1与体积敏感区域V2之间的转变可以根据所使用的测量原理而是连续的或突然的。对于检测介质的覆盖或对于评估是否达到限制物位，两个测量的相对比较可以是足够的，并且可以不需要P和d的明确的绝对计算。相较之下，如果两个测量对于两个不同的物理参数P1≠P2(例如相对介电系数和密度)敏感，则由于不存在物理介质特性之间(例如相对介电系数和密度或粘性之间)的通用有效关系，因此待解方程通常仍然是未确定的。所使用的测量原理可以例如是使用两个电极作为频率的函数的阻抗测量(阻抗谱)。然而，还可以使用其他的测量原理， 例如振动测量。
图3使出了用于检测介质的测量仪器100的另一个实施例，该测量仪器100特别地用于检测填充材料对传感器的覆盖。另外，还可以确定填充材料的物质特性，例如介电系数(或密度)。在该示例中，优选在频率范围10MHz至400MHz中测量电极301、302的阻抗。电极301、302通过端子304连接到电源。电极301、302进一步相对于容器壁103或壳体303的接地电位被绝缘层310包围，绝缘层310例如由聚醚醚酮(polyetheretherketone)或聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)制成。在该示例中，被动保护件是保护电极，电极302被用于该目的。如果两个电极301、302具有相同极性，则保护电极302防止关于壳体303形成接近表面的电极301的场线(field line)。因此，通过阻抗谱由电极301检测的体积比由电极302检测的体积深入得多地进入到介质中。虽然纯被动保护电极已经很大程度上使粘附的影响最小化，但采取第二测量的形式的、保护电极的阻抗的主动评估可以在测量电极区域中的大量粘附的情况下带来可观的优势。通过比较两个电极的两个阻抗测量，可以至少相对地确定介质的相对介电系数，并且可以因此指定限制物位传感器的切换点，该切换点很大程度上独立于介质的物理物质特性的值。该切换点因此仅依赖于传感器中设定的覆盖厚度。示出的传感器头关于轴333旋转对称。然而，两个电极301、302以及参考元件的几何形状很大程度上与本实施例无关。最重要的是，待测量介质影响电极301、302和接地电位之间的阻抗，并且电极所检测的体积在深度上不同。通过算术逻辑单元305进行计算。关于限制传感器的切换点的判定在算术逻辑单元305中做出。
图4示出了使用声音传感器的测量原理的示例。在此情况下，传感器单元104包括组合的声源和接收器421、422。其可以例如借助于制动器生成振动，振动随后在第一反射器431处和第二反射器432处返回。在该示例中，路径“声源421-反射器431-传感器421”短于路径“声源422-反射器432-传感器422”。这导致从声源经由相关反射器到相关传感器的不同的传输时间。如果不存在部分介质对传感器421和422的粘附，则从声源421和422经由单个反射器432到单个传感器422的单个测量将足以确定间隙401被浸入的介质中的声速。然后，如果传感器单元104仅被介质部分覆盖，则在间隙401、402中应发现两个不同的介质。在此情况下，两个不同的测量使得例如在相同的粘附层厚度的情况下，可以确定粘附介质中的声速，并且使得在某些情况中也可以确定层厚度。
图5示出了示例方法，包括以下步骤：
–使用传感器单元104在介质中的不同的穿透深度进行(S1)至少两个测量。例如，通过布置在不同位置的两个电极在介质中的两个不同深度进行电容式测量。电极还可以被绝缘层310所包围。
–判定(S2)是介质完全覆盖传感器单元104还是部分介质粘附到传感器单元104。例如，求解具有两个未知数的方程***。未知参数是例如介电常数以及传感器单元104被覆盖到的厚度。出于这一目的，例如，未知物质特性可以初始地被消除，于是计算层厚度。
使用算术逻辑单元确定(S3)介质的物理物质特性。计算层厚度之后，也可以确定第二未知参数，即至少一个物理物质特性。
出于完备性考量，应当注意的是，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤的可能性，并且“一个”(a，an)不排除多个的可能性。另外，应注意，参照上述实施例之一进行公开的步骤的特征也可以与其他上述公开的实施例的其他步骤的特征组合地使用。权利要求中的附图标记不应被视为限制性的。
附图标记列表
100 测量仪器
101 接近表面的区域
102 延伸更远的体积区域
103 容器
104 传感器单元
105 覆盖厚度
201 测量
202 测量
301 电极
302 电极
303 壳体
304 电源
305 算术逻辑单元
310 绝缘层
333 轴
401 传感器-反射器距离
402 传感器-反射器距离
421 超声波发射器/接收器
422 超声波发射器/接收器
431 反射器
432 反射器
S1 进行测量
S2 判定
S3 确定。

Claims (16)

1.一种用于检测介质的填充物位或限制物位的测量仪器(100)，包括：
传感器单元(104)，其被配置成在介质中的两个不同的穿透深度进行两个测量，和
算术逻辑单元(305)，其被配置成使用至少两个测量的结果来区分介质对传感器单元(104)的完全覆盖与部分介质对传感器单元(104)的粘附。
2.根据权利要求1所述的测量仪器(100)，
其中，算术逻辑单元(305)被进一步配置成通过对至少两个测量进行评估来确定介质的物理物质特性。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的测量仪器(100)，还包括：
被动保护件，其被配置成主动评估覆盖和/或粘附的介质的影响。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，传感器单元(104)包括两个传感器元件(301，302)，并且其中，测量仪器(100)进一步包括：
被动保护件，其被配置成将由至少两个传感器元件(301，302)测量的体积主要限制为传感器表面前方的区域。
5.根据权利要求3或4所述的测量仪器(100)，
其中，被动保护件是保护电极。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，测量仪器是限制物位测量仪器，该限制物位测量仪器被配置成确定状态“被介质覆盖”和状态“不被介质覆盖”之一。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，测量仪器是填充物位测量仪器，该填充物位测量仪器被配置成检测容器中的流体的物位或者填充材料的高度。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，待检测的物理介质特性是介质的相对介电系数或者密度。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，传感器单元(104)包括两个电极(301，302)，
其中，第一电极(301)用于进行第一测量并且第二电极(302)用于进行第二测量。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，传感器单元(104)被配置成进行电极(301，302)的阻抗的测量。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的测量仪器(100)，
其中，第一电极(301)和第二电极(302)旋转对称地布置在传感器单元(104)上，以及
其中，第一电极(301)和第二电极(302)被绝缘层(310)包围。
12.根据权利要求1至6中的任一项所述的测量仪器(100)，
其中，传感器单元(104)被配置为振动式限制物位测量仪器。
13.一种用于检测介质的填充物位或限制物位的方法，包括以下步骤：
-使用传感器单元(104)在介质的至少两个不同的穿透深度进行(S1)至少两个测量，以及
-判定(S2)是介质完全覆盖传感器单元(104)还是部分介质粘附到传感器单元(104)。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：
-使用算术逻辑单元(305)确定(S3)介质的一个或多个物理物质特性。
15.一种程序元件，该程序元件当在测量仪器的算术逻辑单元(305)上执行时，指示测量仪器(100)实现根据权利要求13或14所述的方法。
16.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求15所述的程序元件。
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