CN111868483A - 确定测量管中液体填充水平的装置和具有该装置的流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量液体的填充水平的装置(101)，包括：测量管(102；202)，具有管壁(110)，其在第一端部开口与第二端部开口之间延伸，并且封闭用于导引液体的体积，管轴线在两个管开口之间延伸；第一导体(120；122；222)，其至少部分地围绕体积延伸，并与体积电绝缘；第二导体(114；124；224)，其至少部分地围绕体积延伸，并与第一导体和体积电绝缘，其中，两个导体(120；122；222；114；124；224)实质上彼此平行地延伸，并形成用于微波的波导；HF电路(182)，其用于将微波信号向内耦合到波导中并接收从波导向外耦合的所反射的微波信号；操作和评估电路(184)，其用于基于所接收的微波信号来确定测量管(102；202)中的液体的填充水平。

Description

确定测量管中液体填充水平的装置和具有该装置的流量计
技术领域
本发明涉及一种用于确定管道中的液体的填充水平的装置以及一种具有这种装置的流量计。
背景技术
在流量测量的不同应用领域中，存在管道未被完全填充的实例。例如，在水/废水技术中可存在这种情况。同样，在这些管道中，流体的流速可通过磁感应测量原理或类似方法来测量。然而，为了从所测量的流速计算体积流量，必需补充性地具有关于管道中的填充水平的信息。德国公开说明书DE 10 2010 001 993 A1和DE 10 2012 109 308 A1中公开了具有用于监视管道的填充程度的监视电极的磁感应流量计。然而，用监视电极，只能够确定管道是否被基本上完全填充。不可以用监视电极来连续地、定量地确定填充程度。
发明内容
因此，本发明的目标是为这个问题提供补救措施。
本发明的目标由独立权利要求1的装置实现。本发明的用于测量液体的填充水平的装置包含：测量管，其用于导引液体，该测量管具有管壁，该管壁在一端处的第一管开口与相对端处的第二管开口之间延伸，并且围绕液体在其中被导引的体积，其中管轴线在第一管开口与第二管开口之间延伸；第一导体，其至少部分地围绕液体在其中被导引的体积延伸，其中第一导体与该体积电绝缘；第二导体，其至少部分地围绕液体在其中被导引的体积延伸，其中第二导体与第一导体和该体积电绝缘，其中第一导体基本上平行于第二导体延伸，其中第一导体和第二导体形成用于微波的波导；HF电路，其用于将微波信号向内耦合到波导中并接收从波导向外耦合的所反射的微波信号；操作和评估电路，其适用于基于所接收的微波信号来确定测量管中的液体的填充水平。
在本发明的另一发展中，管壁包括金属支撑主体和电绝缘衬里，其中支撑主体围绕第一导体，并且其中第一电导体通过衬里与该体积和支撑主体电绝缘。
在本发明的另一发展中，支撑主体围绕第二导体，其中第二电导体通过衬里与第一导体、该体积和支撑主体电绝缘。
在本发明的另一发展中，第二导体包括支撑主体，并且尤其由支撑主体形成。
在本发明的另一发展中，管壁包括电绝缘的管壁主体，其中波导围绕管壁主体，并通过管壁主体与该体积电绝缘。
在本发明的另一发展中，第一导体和第二导体被放置在管壁主体上。
在本发明的另一发展中，第一导体和第二导体包括被施加在管壁主体上的金属条带。
在本发明的另一发展中，波导基本上垂直于管轴线延伸。
在本发明的另一发展中，波导基本上围绕该体积螺旋延伸。
在本发明的另一发展中，操作和评估电路适用于基于从波导向外耦合的一个或更多个所反射的信号来确定测量管中的液体的填充水平。
在本发明的另一发展中，HF电路适用于将FMCW信号耦合到波导中并将其从波导向外耦合。
本发明的流量计包含：本发明的装置，其用于测量填充水平；以及测量换能器，其用于记录在测量管中流动的液体的流速，其中测量换能器被布置在测量管中或测量管上；并且其中操作和评估电路适用于基于流速和填充水平来查明穿过测量管的体积流量。
在本发明的另一发展中，测量换能器包括磁感应测量换能器。
在本发明的另一发展中，操作和评估电路适用于基于从波导向外耦合的信号来确定液体的电特性或介电特性，并考虑这些特性以确定液体的流速。
附图说明
现将基于附图所图示的实施例的示例来解释本发明，其中附图如下：
图1a是穿过本发明的装置的实施例的示例的测量管的第一横截面，该装置用于测量该测量管中的液体的填充水平；
图1b是与图1a中的第一横截面轴向间隔开的穿过测量管截取的第二横截面，其中用于流量测量的部件被布置在第二测量管横截面中；
图2a是穿过本发明的装置的实施例的第一示例的测量管壁的纵向截面的细节，该装置用于测量该测量管中的液体的填充水平；
图2b是穿过本发明的装置的实施例的第二示例的测量管壁的纵向截面的细节，该装置用于测量该测量管中的液体的填充水平；以及
图2c是穿过本发明的装置的实施例的第三示例的测量管壁的纵向截面的细节，该装置用于测量该测量管中的液体的填充水平。
具体实施方式
图1a所示的用于测量基本上水平延伸的测量管102中的液体的填充水平的装置101包含测量管壁110，该测量管壁在此由例如，陶瓷材料、玻璃或诸如PEEK、聚酰胺、PVC的聚合物的电绝缘材料制成。该装置另外包含导体结构120，该导体结构具有基本上彼此平行延伸的至少两个电导体120，这些电导体彼此电绝缘并与测量管的体积112电绝缘，并且在横截面的平面中或者平行于该平面，几乎完全围绕测量管102的体积112而被引导。导体120可尤其包括金属带，例如，铜带，这些金属带尤其嵌入在测量管壁110的绝缘材料中。导体结构120的第一端被布置成接近测量管102的高点，同轴连接器插座122在此处被连接到导体结构，以便能够将微波信号线125与导体结构耦合。当微波耦合到导体结构120中时，这些微波与测量管的体积112中所含有的介质相互作用。在用水介质150部分填充体积112的情况下，在水介质150的表面152上发生阻抗跳变，以使得耦合到导体结构中的微波在此处被部分反射。微波信号线125与电子单元180连接，该电子单元一方面包含用于产生微波信号的HF电路182，并且另一方面包含操作和评估电路184，该操作和评估电路被配备成基于部分反射的微波信号的行进时间而确定测量管中的介质的填充水平。HF电路可尤其被配备成产生FMCW信号，其中然后基于当前发射的信号与所接收的所反射的信号之间的行进时间相关频率差来确定填充水平。
例如，为了使该装置准备好进行测量操作，可使用以下方法：
首先，在测量管102完全用空气填充的情况下执行空测量。在这种情况下出现的反射信号不是由填充水平上的反射引起的。将此空测量的结果在频域中作为s11,empty(f)来存储。
然后，在测量管102完全用水填充的情况下执行满测量。将所反射的信号作为s11,full(f)来记录并存储。
在通过傅立叶变换将s11(f)从频域变换到时域中的s11(f)之后，通过在s11(f)与s11,empty(f)之间形成复数值差来去除不期望的反射信号。
最终，查明最大填充情况的填充水平相关反射的时间位置。以此方式，用于测量填充水平的先决条件落实到位。
在记录反射s11(f)后的测量操作中，首先，通过在s11(f)与s11,empty(f)之间形成复数值差来消除不期望的反射信号。接着进行通过傅立叶变换将s11(f)从频域变换到时域中的s11(f)。然后，查明与满测量管102的情况下的测量的位置相比的填充水平相关反射的时间位置，并且计算随时间位置变化的填充水平。可考虑此填充水平以计算体积流量。
图1b呈现穿过图1a的测量管102的轴向移位的横截面。此横截面与借助于磁感应测量原理进行体积流量测量的部件相交。为了产生基本上垂直于测量管轴线穿过测量管102的磁场，装置100包含两个励磁线圈132、134，其中极靴邻接测量管102并彼此相对地布置在测量管102的上方和下方。场反向导引金属片布置136将励磁线圈136的背面在测量管外部耦合在一起。在水平延伸的直径上布置了两个相对放置的测量电极142、144，这些测量电极被配备成只要测量电极142、144被位于测量管102中的导电介质150接触，就记录速度相关和磁场相关的感应测量电压U＝v x B。励磁线圈132、134和测量电极142、144被连接到电子单元180，该电子单元180还具有电力供应单元186，该电力供应单元186适用于向励磁线圈132、134供应交变线圈电流。操作和评估电路184还适用于记录施加到测量电极142、144的测量电压，并基于此确定查明流速，并且基于流速和测量管102中的所查明的填充水平来确定体积流量的值。
图2a到图2c是穿过本发明的装置的实施例的各种形式的测量管壁110的详细纵向截面，其中导体布置在每种情况下垂直于纵向截面延伸。在每种情况下，测量管轴线在纵向截面的平面中延伸。
图2a所示的测量管壁包含金属支撑主体114，该金属支撑主体114例如在熔模铸造工艺中形成。支撑主体114在其内侧上涂覆有电绝缘且介质惰性的衬里112，该衬里112包括合成材料，例如，聚氨酯。嵌入在衬里112中的是带状金属导体，例如，铜带120，该带状金属导体在衬里中围绕测量管的体积延伸，并与支撑主体114一起形成波导，该波导可与微波信号接触，该微波信号在铜带120与支撑主体114之间被引导。如附图中的磁场线所示，微波信号还与位于测量管的体积中的介质150相互作用，以使得在存在介电常数的急剧改变的介质150的表面上发生微波信号的(部分)反射。
图2b所示的测量管壁110同样包含金属支撑主体114，该金属支撑主体例如在熔模铸造工艺中形成。支撑主体114在其内侧上涂覆有电绝缘且介质惰性的衬里112，该衬里包括合成材料，例如，聚氨酯。嵌入在衬里112中的是例如以铜带124、126的形式的两个相互平行的带状金属导体，这些带状金属导体在衬里112中围绕测量管的体积彼此平行延伸，并形成波导，该波导可与微波信号接触，该微波信号尤其在两个铜带124、126之间被引导。如附图中的磁场线所示，微波信号还与位于测量管的体积中的介质150相互作用，以使得在存在介电常数的急剧改变的介质150的表面上发生微波信号的(部分)反射。与图2a相比，此处与介质150的相互作用较强，以使得部分反射较大。
图2c所示的测量管壁210包括例如聚酰胺、PVC、PEEK或PES的合成材料的电绝缘管壁主体212，该合成材料在给定情况下是经纤维增强的。布置在管壁主体212的外侧上的是例如以铜带224、226的形式的两个相互平行的带状金属导体，这些带状金属导体围绕测量管的体积延伸，并且可与微波信号接触，该微波信号在两个铜带224、226之间被引导。如附图中的磁场线所示，微波信号还与位于测量管的体积中的介质150相互作用，以使得在存在介电常数的急剧改变的介质150的表面上发生微波信号的(部分)反射。
上文的示例表明，围绕测量管的体积引导的任何导体布置适合于导引微波信号，该微波信号与位于测量管的体积中的介质相互作用，并因此使得可基于微波信号的部分反射来检测介质表面。
因此，可借此查明测量管中的填充水平，以便也能够在部分填充的测量管的情况下计算正确的体积流量测量值。

Claims (14)

1.一种用于测量液体的填充水平的装置(101)，包括：
测量管(102；202)，所述测量管(102；202)用于导引所述液体(150)，所述测量管(102；202)具有管壁(110)，所述管壁(110)在一端处的第一管开口与相对端处的第二管开口之间延伸，并且围绕所述液体在其中被导引的体积，其中管轴线在所述第一管开口与所述第二管开口之间延伸；
第一导体(120；122；222)，所述第一导体(120；122；222)至少部分地围绕所述液体在其中被导引的所述体积延伸，其中所述第一导体与所述体积电绝缘；
第二导体(114；124；224)，所述第二导体(114；124；224)至少部分地围绕所述液体在其中被导引的所述体积延伸，其中所述第二导体与所述第一导体和所述体积电绝缘，其中所述第一导体(120；122；222)基本上平行于所述第二导体(114；124；224)延伸，其中所述第一导体(120；122；222)和所述第二导体(114；124；224)形成用于微波的波导；
HF电路(182)，所述HF电路(182)用于将微波信号向内耦合到所述波导中并接收从所述波导向外耦合的所反射的微波信号；
操作和评估电路(184)，所述操作和评估电路(184)适用于基于所接收的微波信号来确定所述测量管(102；202)中的所述液体的填充水平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管壁(110)包括金属支撑主体(114)和电绝缘衬里(112)，其中所述支撑主体(114)围绕所述第一导体(120；124)，并且其中所述第一电导体(120；124)通过所述衬里(112)与所述体积和所述支撑主体(114)电绝缘。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述支撑主体(114)围绕所述第二导体(126)，并且其中所述第二电导体(126)通过所述衬里(112)与所述第一导体(124)、所述体积和所述支撑主体(114)电绝缘。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二导体包括所述支撑主体(114)，并且尤其由所述支撑主体(114)形成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述管壁包括电绝缘的管壁主体(210)，其中所述波导围绕所述管壁主体，并通过所述管壁主体(210)与所述体积电绝缘。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一导体(224)和所述第二导体(226)被放置在所述管壁主体(210)上。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一导体(224)和所述第二导体(226)包括被施加在所述管壁主体(210)上的金属条带。
8.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述波导基本上垂直于所述管轴线延伸。
9.根据权利要求1到7中的一项所述的装置，其中，所述波导围绕所述体积螺旋延伸。
10.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述操作和评估电路(184)适用于基于从所述波导向外耦合的一个或更多个所反射的信号来确定所述测量管中的所述液体的所述填充水平。
11.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中，所述HF电路适用于将FMCW信号耦合到所述波导中并将所述FMCW信号从所述波导向外耦合。
12.一种流量计(100)，包括：
根据权利要求1到11中的一项所述的用于测量填充水平的装置(101)；以及测量换能器(103)，所述测量换能器(103)用于记录在所述测量管(102)中流动的液体的流速，其中所述测量换能器(103)被布置在所述测量管(102)中或所述测量管(102)上；并且
其中，所述操作和评估电路(184)适用于基于流速和填充水平来查明穿过所述测量管(102)的体积流量。
13.根据权利要求12所述的流量计，其中，所述测量换能器(103)包括磁感应测量换能器。
14.根据权利要求12所述的流量计，其中，所述操作和评估电路(184)适用于基于从所述波导向外耦合的信号来确定所述液体的电特性或介电特性，并考虑这些特性以确定所述液体的流速。
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