专利名称：用于识别水平高度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于优选在箱体中识别介质水平高度的装置，该装置具有基本上垂直伸入箱体中并相对于箱体电绝缘安装的长的电探针导体；随时间变化的电发生器，其具有用于连接探针导体的馈电点的内阻抗(Zg)，以便在馈电点上提供随时间变化的电压，在此将馈电点优选设置在探针导体的箱体一侧的端部上；和分析和/或控制单元，用以分析探针导体的电气值。此外，本发明涉及一种用以运行如权利要求I到13中的任一项所述装置的方法，用以测量水平高度。本发明还涉及一种特别根据探针导体的变化对如权利要求I到13所述装置进行校准的方法。 最后，本发明涉及到对如权利要求I到13所述装置的使用。
背景技术：
这种类型的装置以及运行这种装置的方法公知地有各种不同的形式。例如在导电方法中，公知的装置和方法是以对电导率的分析为基础。另一方面，在公知的电容装置和方法中，测量是基于对电容的分析。在这些公知的方法中的缺点特别在于，这些方法依赖于需要测量其水平高度的介质的特性。特别是在已知的方法中，在进行分析时需要考虑相关的介电性或特有的电导率。此外，一些公知的测量装置的缺点在于，其仅适用于导电介质。另外，已知测量装置的缺点还在于对干扰性的影响因素很敏感，例如泡沫的形成和附着。因此，通常为了适应待探测的介质而需要进行灵敏度调整。如果在相同的用途中依次使用不同的介质，这对于已知的装置来说是很困难甚至是不可能的。在已知的导电方法中，虽然试图通过顶部区域的部分绝缘而在不断上升的泡沫中恒定地保持有效的电极表面积，其中，导电桥形成的路程由于附着的介质而延长。但是其缺点在于，绝缘涂层使得成本增加。由专利文献 DE 7933089UU DE 8018675U1 以及 DE 102005025576A1 可知用于液
位测量装置的电容性测量探针的各种不同的实施方式。在电容性测量探针中同样会出现问题，其在泡沫形成时经常失灵。此外，在这种探针中，不利的是绝缘层提高了制造成本，并受到扩散效应问题的制约，特别是在高温下使用时。此外，已知的还有运行时间法，例如脉冲-运行时间测量、时域反射(TOR)、制导雷达回波法，这些方法尽管并非必须要求探针导体电绝缘，但是其缺点在于，当敷设用于极高频域的控制和分析电路时会产生相对较高的费用。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提出一种上述类型的装置，其能够尽可能简单、容错和低成本地检测任意介质的水平高度，特别是液态、糊状和/或颗粒化的固体介质的水
平高度。
此外，本发明的目的还在于提出一种相应的运行方法以及对上述类型装置的使用，它们能够避免已知装置的缺点。另外，本发明的目的还在于提出一种特别根据探针导体的变化对上述类型的装置进行校准的方法，该方法简单、适用，从而可以根据不同的测量条件和不同的探针导体灵活地使用该装置。根据本发明的关于装置的目的通过一种用于识别水平高度的装置得以实现，其中，将分析和/或控制单元设计为，在馈电点上测量探针导体的基点阻抗(Fu ^ punktimpedanz)。因此在本发明的框架下,一方面可以在探针导体的箱体侧的端部上供应电压。这适用于将探针导体从上面伸入箱体中。在某些设计当中，通过这种结构可以使探针导体在低于一定水平高度时不与介质发生接触。在本发明的框架下，替代地还可以在探针导体的伸入箱体中的端部上供应电压。这适用于将探针导体从下面伸入箱体中，从而随着逐渐升高的液位使越来越少的长度部分伸入到介质中。通过这种配置，总是与探针导体从上面伸入箱体的实施方式形成互补地实现装置的连接和分析。 在本发明的实施方式中，发生器包括电振荡器(elektrischen Oszillator),用以在馈电点上供应具有预设频率的交流电压。通过这种方式，允许通过测量基点阻抗来确定根据本发明的谐振现象，根据实验结果，该谐振现象受到下列因素的影响测量探针是否浸入到介质中以及浸入多深。在本发明优选的实施方式中，将振荡器设计为产生交流电压，该交流电压具有由探针导体、振荡器、箱体和/或相对导体(Gegenleiter)所构成电路的谐振频率,在此将分析和/或控制单元设计为，在馈电点上测量探针导体的基点阻抗。所观察到的基点阻抗对探针浸入状态的依赖性在该频率上尤为突出。根据本发明，特别可以将振荡器设计为，产生具有X/4频率的交流电压，该频率基本上对应具有探针导体的延伸的四倍长度的波长。关于该频率，根据本发明观察到，其振幅在探针浸入介质中时会发生跳跃式的变化。振荡器可以设计用于产生具有X/4频率的交流电压，该频率基本上对应于具有探针导体延伸的四倍长度的波长。在此将分析和/或控制单元设计为，在馈电点上测量探针导体的基点阻抗。根据本发明的这种结构的优点在于，能够根据由探针导体和平衡物所构成的电路的谐振频率的强烈变化，可靠、容错、特别是独立于介质地确定探针导体浸入介质中，这种强烈变化在与馈电点相对的探针导体的端部浸入时被观察到。在以频率和振幅为轴的求值窗口(Bewertungsfenster)内通过对基点阻抗的分析实现在四分之一波长时对谐振振幅的阈值分析，由此能够可靠地确定状态“未浸入”或“已浸入”。当与馈电点相对的探针导体的端部与介质接触时，基点阻抗在、/4频率时在求值窗口内会大幅上升，从而可以通过适当地选择求值窗口使阻抗值位于该求值窗口的外面。因此，利用根据本发明的装置，可以有利、特别是可靠地确定，介质的水平高度是否达到设定值。由于对电位的确定只能在相对较大的求值窗口中基于最小值点的频率位置来实现，因此根据本发明，实际上对于所有被技术性使用的介质，在没有对阈值进行适应性调整的情况下，可以对具有较大安全边际的介质有利地进行探测。已经观察到，当与馈电点相对的探针导体的端部与介质发生接触时，谐振频率的跳跃式变化很大程度上无关于介质的特性而发生。同样还观察到，有利的是，相对于对电子装置中的组件的误差和漂移的分析，阈值分析是不重要的。同样还观察到，利用根据本发明的装置所进行的水平高度测量不会由于泡沫形成而发生扭曲。位于探针导体的箱体侧馈电点和例如箱壁之间的桥状形成的附着物，特别是由糊状介质桥状形成的附着物，也同样有利地不会使水平高度测量扭曲。这些观察到的根据本发明装置的优点能够通过四分之一波偶极子的原理(Theorie eines Viertelwellendipols)进行说明，电探针导体根据本发明作为四分之一波偶极子起作用。当电探针导体与介质发生接触时，根据该理论，在空气和与电路相对的待探测介质之间的临界面上会出现所谓的屋顶电容，(Dticllkapa/itai )其中，所述电路会引起所观察到的频移(Frequenzverschiebung)。在本发明的实施方式中，如果将振荡器附加地构造为电连接在箱体上，则箱体有利地承担起相对极点(Gegenpol)(也被称为平衡物)的功能,探针导体电反射在相对极点上。根据本发明，由探针导体和箱体组成的电路相当于半波偶极子。当然，本发明的这种实施方式的前提是箱体是导电的。根据本发明的另一种优选的实施方式，如果发生器包括用于产生控制脉冲的脉冲发生器，在此将分析和/或控制单元设计为，在馈电点上频率激活地测量探针导体的基点 阻抗，则可以使根据本发明的装置以突发式运行(Burstbetrieb)的方式运行。在此将产生所谓的突发脉冲串(Burst)，也就是具有预定振动频率的波包，其中，利用控制脉冲使用于开启和关闭振荡器的脉冲发生器运行。在本发明的框架下，处于突发脉冲串内部的振动频率有利地是各不相同的。然后可以利用各个突发脉冲串实现对阻抗的分析，从而以离散的频率步长对测量装置的频谱进行采样。优选将在该方法中分析所需的采样率选择为较低的，因为在各个突发脉冲串的内部都要对近乎静止的状态进行调节。根据本发明的这种变形，由于不是连续地在系统上，而是仅在突发脉冲串的内部施加高频电压，因此该装置可以有利地EMV兼容性地运行。此外，根据本发明的装置在能源消耗方面也是有优势的。利用根据本发明的另一种优选的实施方式对液位进行其他的分析，在此，发生器包括用于产生激励脉冲的脉冲发生器，其中，激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。根据本发明，利用这种设计可以确定系统的阶跃响应并对其进行分析。例如为了分析阶跃响应的频谱，可以进行快速傅里叶变换(FFT)。为了在信号抽样时降低分析阶跃响应所需要的采样率，在本发明的框架下，还可以按照所谓的抽样方法进行分析。本领域技术人员例如可以由抽样示波器的工作方式了解这种方法。为此，为了分析，需要进行所谓的“欠采样”，也就是以低于测量频率的频率进行采样，其中，采样时间点在每个脉冲周期时都发生少许的移动。在本发明的另一种优选的实施方式中，除了探针导体之外，设置用于构成电相对极点的电相对导体，在此，将振荡器附加地设计为，电连接在该相对导体上。根据本发明的这种优选的实施方式，也可使用根据本发明的测量装置在由非导电材料制成的箱体中确定水平高度。该电相对导体还起到相对极点/平衡物的作用，探针导体在该相对导体上电反射，以便整体上重新调整半波偶极子。除了在非导电箱体中使用根据本发明的装置以外，该实施方式甚至有利地允许在开放场合中使用该测量装置。在本发明的一种特殊的实施方式中，将相对导体优选平行于探针导体地设置在箱体内部。通过这种方式有利地使相对导体的空间安放不出现问题。如果将相对导体设计为基本上与探针导体是相同的，根据本发明，通过相对于探针导体适当地设置相对导体，可以看到勒谢尔传输线(Lecher I e i tung )的表现。
在本发明优选的实施方式中，特别可以将相对导体设计为开放的带状导线，并由此作为波导体。在本发明特别优选的实施方式中，将探针导体构型为杆状的和/或绳。例如，可以使用业已存在于箱体中的机械组件，以便与本发明的其他特征相结合地共同作用于根据本发明的装置。例如，特别是可以使用由专利文献DE2723999C2提出的用于电位测量装置的同轴探针管作为根据本发明装置的探针导体。此外，根据本发明的这种构造为杆和/或绳的探针导体的实施方式还允许针对待识别的边缘水平高度(Grenz-Pegelstand)的变化在长度上进行简单的调整。在本发明的另一种优选的实施方式中，在分析和/或控制单元和由探针导体、振荡器和箱体和/或相对导体组成的电路之间接入可变阻抗。该可变阻抗允许测量装置针对与探针导体长度、振荡器频率以及所使用的分析和/或控制装置相关的不同测量条件有利地进行调整。根据本发明，该可变阻抗用于增加对分析较重要的、特别是谐振最小值的谐振地点的深度，以便在对比放大(KonlrasivcrsUirkung )的情况下使分析更加容易。正如技术 人员所公知的那样，这可以例如通过选择高电阻阻抗与具有相对较高的放大系数的放大器相结合来实现。在根据本发明装置的一种特别可以多方面使用的实施方式中，设置一种用于对振荡器进行脉冲控制和/或优选在频率间隔(FrequenzintervalI,频程)中连续变化频率的装置，在此优选将振荡器设计为，在\ /4频率的3倍和/或5倍值的范围内和/或在入/4频率的2倍和/或4倍值的范围内产生频率。无论是脉冲控制还是频率的连续变化，通过扫频都能够有利地记录频谱，也就是将基点阻抗作为振荡器频率的函数。根据在3/4和5/4波长时的频率范围内对频谱的分析，除了以上所述使用根据本发明的装置作为电位监视器(Grenzstandwftehter)之外，根据本发明还可以有利地实现对水平高度的连续确定。为此，充分利用根据实验观察到的阻抗最小值随着在介质中逐渐增加的浸入深度向更高频率移动。当对这种实验观察到的现象进行说明时，可以考虑缩短位于介质外面的探针导体部分的振荡长度。在本发明的框架下，类似地还可以在\ /4频率的偶数倍时对测量值进行分析，其与在基点阻抗的最大值位置上的分析相对应。为了降低分析谐振频谱所需要的采样率，并由此将用于对应组件的成本维持在较低的水平，在本发明的框架下，还可以根据所谓的抽样方法进行分析，如同本领域技术人员例如由抽样示波器的工作方式所了解的那样，为了分析需要进行所谓的“欠采样”，也就是以低于待测量频率的频率进行采样，其中，采样时间点在每个脉冲周期时都发生少许的移动。根据本发明，原则上这种工作方式的基础在于，在控制单元中存在两个振荡器，它们具有虽少许不同、但各自恒定的频率，在此，由其中一个振荡器通过相应的频分(Frequenz-Teilung)获得激励脉冲,而由另一个振荡器相应地获得采样脉冲。另外,这种分析形式对本领域技术人员是普遍公知的。本发明的关于如权利要求I到14中任一项所述装置的运行方法的目的通过以下方式实现在用于测量基点阻抗的常用方法中，为了确定水平高度，在至少一个频率时测量振幅。特别是在上述1/4频率时对振幅的测量允许使用该方法作为电位监视器，因为由试验观察可知，与馈电点相对的探针导体的端部接触介质时的阻抗明显高于当探针导体未接触介质时的阻抗。按照根据本发明的这种方法，还可以在频率等于3倍和/或5倍入/4频率时测量振幅，从而确定在液位的变化，因为由试验观察可知，在最后提到的频率时，液位的变化将导致基点阻抗的变化。在根据本发明方法的实施方式中，特别可以在参考频率下测量振荡振幅，其中，当超过预先选择的振荡振幅阈值时产生信号。例如，可以使用X/4频率作为参考频率，根据试验发现，该频率在探针导体的与馈电点相对的端部与介质发生接触时小于探针导体未接触介质时。因此，根据本发明方法的这种实施方式足以对一个相对窄带的频率窗口进行分析，在此，在分析时只需要确定是超过阈值还是低于阈值。在根据本发明方法的特殊的实施方式中，如果参考频率是X/4频率和/或入/4频率的奇数整数倍，根据本发明的方法可用于使用根据本发明的装置作为电位监视器，在此，同时可确定振幅例如在三倍\ /4频率和/或五倍\ /4频率时的变化，以通过浸入介质 中的探针导体探测不同的水平高度。在根据本发明的用于装置运行的方法的一种特别优选的实施方式中，振荡器依次在不同的频率下运行，在此测量并记录振幅，并且在所发出的频谱中确定至少一个振幅最小值的频率位置。例如可以进行扫频，其中，在最好的情况下，频率从低于入/4频率直至在五倍、/4频率范围内的值，振荡器将连续运行，同时记录相应的阻抗值。根据本发明，借助于分析和控制单元，可以根据所记录的频谱并通过在求值窗口内的分析实现电位监视器功能，其中，求值窗口在频率轴上位于X/4频率周围的区域中，并在振幅轴上检测预先选定的阈值周围的范围。此外，如果将信号从用于电位监控的求值窗口滑出作为探针导体浸入的标记，此外对频率，特别是对在1/4频率的三倍和/或五倍的范围中的最小值位置进行分析，其振幅可以随着由试验观察到的状态的变化而改变。此外由实验观察可知，振幅最小值依赖于探针导体的浸入深度在频率轴上移动。在此，浸入深度的增大将导致最小值，即谐振频率，向更高的频率移动，反之亦然。如果通过信号滑出到求值窗口的外面确定，探针导体接触到介质或浸入到介质中，则根据本发明，对振幅最小值的位置的分析同样可以作为水平高度的值。在本发明优选的实施方式中，如果借助于发生器产生控制脉冲，根据本发明，将执行上面所述的方法，以产生具有各自不同振动频率的突发脉冲串。为此，优选频率在每个突发脉冲串中都相应地改变。根据本发明，利用这种方法可以通过降低功率而有利地、特别是简单地保持所需要的高频发射EMV临界值。另外，这可以优选通过降低控制器单元的能源需求产生效果。根据本发明方法的另一种优选的实施方式，借助于发生器产生激励脉冲，在此，激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。根据这种公知的波动力学的现象，同样可以因此对频谱进行分析。为此可以使用上述所谓的抽样方法，以便降低所需要的采样率。在根据本发明方法的优选的实施方式中，使用至少一个振幅最小值的频率位置，以确定水平高度。因此根据本发明，优选充分利用由试验观察到的现象特别在三倍和/或五倍X/4频率的范围内，随着不断增加的浸入深度以及相应不断减少的探针导体的未浸入的长度，振幅最小值的位置从探针导体在介质中的最小浸入深度开始向更高的频率移动。
在根据本发明的用于使装置运行的方法的另一种优选的扩展方案中，确定至少一个振幅最小值的品质(Gilte)，以便为了确定水平高度而确定所对应的谐振级数(Resonanzordnung)。由试验可知，在某些态势下，不同频谱的重叠这样发生，例如使向更高频率移动的振幅最小值与很少或完全没有频率移动的更高级数的振幅最小值同时发生。这可能在分析时导致所确定的振幅最小值被错误地解释为对应于3/4X谐振(Lambda-Dreiviertelresonanz)的由于探针导体浸入介质中而移动的振幅最小值，即使实际上是基于更小浸入深度的5/4 X最小谐振，因为由实验可知，这种品质，也就是在最小值时的频率与最大值的频率之间的比值，是根据谐振级数而变化的。因此，根据本发明所提出的品质分析在这里作为附加的区分标准(Unterscheidungskr iter ium)。在根据本发明方法的框架下，发现可以这样实现3/4 X谐振首先确定在参考频率下或在求值窗口内是否存在最小值。随后，如果在第一步中确定不存在最小值，则在第二步中确定第一最小值，也就是在参考频率上方的最低频率位置上的最小值。根据实验结果发现，这就是3/4 X谐振。
在根据本发明的用于使装置运行的方法的另一种优选的实施方式中，频率间隔包括X/4频率的三倍值和/或五倍值。通过这种方式，特别可以有利地将该频率区域中振幅最小值的频率移动分析作为在探针导体浸入时的探针导体的浸入深度的数值，这意味着，当阈值分析出现在、/4频率的范围内时，探针导体已浸入介质中。本发明的关于一种校准方法的目的通过下述方法得以实现，其中，记录由探针导体、发生器和箱体和/或相对导体所构成的电路的频谱，在此，探针导体在记录期间不与介质接触，并且在该频谱中确定至少一个振幅最小值的频率位置。因此根据本发明，为了确定入/4频率的位置以及更高级数的、特别是三倍和/或五倍\ /4频率的谐振，依据未浸入介质中的探针导体记录频谱。根据与振幅最小值的频率位置相关的信息，可以进行进一步的校准，其中，第一个被找到的最小值，即在最低频率时出现的值，可以利用X/4频率进行识别。为了在采用上述方法时使用根据本发明的装置作为电位监视器，根据本发明，围绕该最小值设置求值窗口。在第一最小值上得到的振幅最小值(其可以通过根据本发明的校准方法确定)给出用于连续确定浸入介质中的探针导体的浸入深度的分析点。利用根据本发明的校准方法，可以有利地在具有可用电极的箱体上使用根据本发明的测量装置，而不再需要例如对电极进行长度测量。在探针导体被缩短或例如通过焊接被延长之后，为了探测另一个电位，也可以以所描述的方式进行校准。有利的是，这种校准在很大程度上与所使用的介质无关。特别是当在箱体内部发生纯粹的介质更替时，不需要进行这种校准。因为由试验发现，根据本发明的方法首先与探针导体的长度有关，并且特别是基本上与介质特性无关。在该校准方法的实施方式中，为了记录频谱，使发生器依次在不同的频率下运行，在此，振荡振幅被测量并记录。在根据本发明的校准方法的另一种优选的实施方式中，为了记录频谱，借助于发生器产生控制脉冲。在该校准方法的另一种优选的实施方式中，借助于发生器产生激励脉冲，在此，激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。脉冲控制对于由于降低功率而保持所需要的高频发射EMV临界值是特别有利的。根据波动力学，由于频谱随着脉冲的时间宽度的减少而加宽，因此在对激励脉冲运行的结果进行适当的分析时，同样可以记录频谱。本发明的关于如权利要求I到15中任一项所述装置的使用将通过下述方法实现，其中，利用电位和/或电容和/或回声方法对相同介质的相同水平高度进行并行测量。根据本发明并行执行基于不同测量原理的测量的优势在于，通过由此所获得的冗余提高了运行可靠性。在本发明的框架下，当根据本发明的测量装置和其分析是不同于本发明而与介质相关的测量装置一起使用时，和/或当需要额外的信息，即探针导体是否完全浸入介质中时，这将是特别有利的。
下面根据附图以优选的实施方式对本发明做示例性地描述，其中，在附图中去除了其他一些有利地细节。 在此，功能相同的部件具有相同的附图标记。图I :在导电箱体中使用的根据本发明的测量装置的第一种实施方式的示意图；图2 :在非导电箱体中使用的根据本发明的另一种实施方式的示意图；图3 :用于说明如图I和/或图2所示的测量装置的运行方法的示意性频谱图；图4 :作为根据本发明的测量装置的探针导体浸入深度的函数的振幅最小值的位置的示意图，同样用以说明根据本发明的运行方法；图5 :电路原理图(a)以及随时间变化的信号曲线(b)，用以说明本发明的一种优选的实施方式。
具体实施例方式在图I中示意性示出了根据本发明的液位测量装置1，其被使用于箱体2中。箱体2由导电材料制成，并装满介质4至水平高度3。介质4可以是任意的介质，特别是液态、糊状和/或颗粒状的固态介质。导电箱体2在上部具有开口 5。探针导体6通过导电箱体2中的开口 5这样插入导电箱体2中，使探针导体6与箱体是电绝缘的。该液位测量装置I基本上由以所述方式插入导电箱体2中的探针导体6、振荡器7、放大器8以及分析和控制单元9组成。根据如图I所示的实施方式，振荡器7通过极点10连接在导电箱体2上，并通过另一个极点11连接探针导体6。在如图I所示的示意图中，电气关系基本上以等效电路示出，其中，振荡器7的内阻抗Zg在极点11的旁边示意性示出。极点11相当于探针导体6的馈电点。分析和控制单元9通过放大器8和在等效电路中示意性示出的放大器阻抗Zv与探针导体6的馈电点11相连接。分析和控制单元9的输出信号12适于被输送到用于显示水平高度的显示单元上。此外，在该示意图中还绘出了附着物13，其在探针导体6的面向箱体2的开口 5的端部和箱体壁2之间构成桥。由实验可知，这种附着物13基本上对于测量结果没有影响，因此尽管存在附着物13，但仍然可以可靠地确定水平高度3。分析和控制单元9还被设计用于控制振荡器7。这在示意图中以虚线形的信号线14表示。振荡器7在至少达到X/4频率的频谱中是随着频率一起可连续调整运行的。探针导体6具有长度15。
在图2中示出了根据本发明的液位测量装置100的一种可选的实施方式。液位测量装置100基本上与如图I所示的液位测量装置I具有相同的结构。图2示出了使用在非导电性箱体200上的液位测量装置100。与如图I所示的液位测量装置I不同的是，如图2所示的液位测量装置100具有相对电极16。相对电极16平行于探针导体6地通过开口 5进入箱体200。与图I所示情况不同的是，振荡器7的极点10没有与箱体200连接，而是与相对电极16相连接。其他相应的元件及其布置见如图I所描述的液位测量装置I。为了如同使用于在非导电性箱体200中测量水平高度3的液位测量装置100运行一样地使用于测量箱体2中的水平高度3的液位测量装置I运行，每个都可以使用下面将要说明的方法。借助于分析或控制单元9，通过控制信号电路14控制振荡器7，以便在频率为 0-500HZ之间时连续运行。在分析或控制单元9中针对每个频率确定振幅并存储。在该实施例中所选择的用于扫频的频率间隔为0到500Hz，其适用于根据本发明的具有50cm数量级的长度15的探针导体6。已经证实选择这种频率间隔能够实现杆长度仅达到约20cm的根据本发明的水平高度测量。但是在本发明的框架下，如果相应地增加所分析和激发的频率间隔，同样可以将杆长度选择为例如仅几毫米。然后，在分析和控制单元9中写入在图3中以图像示出的频谱。在如图3所示的视图中描述了各个频谱，即所测量到的探针导体6的基点阻抗的振幅。在此，曲线17示出了针对未浸入介质4中的探针导体6的频率响应。曲线18示出了当与馈电点11相对的探针导体6的端部位于水平高度3的高度上并因此直接接触到介质4时所获得的频谱。曲线19示出了当探针导体6以其长度15的20%浸入介质4中时的频谱。相应的，曲线20、21、22分别示出了当在介质4中的浸入深度分别为相对电极16的长度15的40%、60%或80%时的频谱。图3还描述了用于分析0到500Hz扫频的测量结果的求值窗口 23。正如所看到的那样，该求值窗口 23环绕频谱17的第一振幅最小值24围成约50Hz的频率区域。求值窗口 23沿垂直方向围成一个振幅区域,该区域包括位于干曲线(Trockenkurve) 17的振幅最小值24上的振幅值。为了按照根据本发明的方法使用如图I或图2所示的根据本发明的测量装置作为电位监视器，定期或者连续地利用振荡器7进行扫频，其至少包围了求值窗口 23的水平膨胀。随后确定测量信号的振幅是否落在求值窗口 23的内部。如果是，则在分析和控制单元9中推断出，水平高度3此时位于探针导体6的下面，因此探针导体6不接触介质4。相应地得到频率曲线17。一旦探针导体6接触到介质4，扫频将产生曲线18，其特征在于，曲线18的第一振幅最小值25相对于干曲线17的振幅最小值24强烈移动，以至于该振幅最小值25落在了求值窗口 23的外面。由此在分析和控制单元9中推断出已达到阈值水平，并产生相应的输出信号12。如图3所示，对于连续升高的探针导体6在介质4中的浸入深度，频谱19、20、21和22的第一振幅最小值同样明显落在求值窗口 23的外面。因此，利用根据本发明的方法可以实现电位监视器的功能。此外，利用根据本发明的方法还能够实现对水平高度3的连续确定，其前提条件是，与馈电点11相对的探针导体6的端部至少接触介质4，或者其长度15的一部分伸入到介质4中。因此，如果可以确定在求值窗口 23的内部没有信号，则由曲线18、19、20、21、22的第二振幅最小值的分析为电极6的探针在介质4中的浸入深度的程度提供一个数值。另外如图3所示，根据实验可知，频谱18、19、20、21、22的第二振幅最小值26、27、28,29,30随着逐渐增加的浸入深度向更高的频率移动。因此，对第二振幅最小值26、27、28,29,30的位置的分析可以在校准的框架下借助于分析和控制单元9转换成说明水平高度3的输出信号12。图4说明了第二振幅最小值的位置的变迁。在图4中，根据接触到介质4或浸入介质4中的探针导体6，由频谱18、19、20、21、22的第二振幅最小值的位置形成浸入深度的函数曲线31。在此，菱形符号对应测量值，连接线仅关系到线性插值。相应地，曲线31上的测量点32对应如图3所示的干曲线17的第二振幅最小值33 (其与3/4 A谐振相关联)的位置。
正如所看到的那样，当观察测量点34时，其对应于图3的第二振幅最小值26，与此相应的是探针导体6与介质4的第一次接触，频率以IOOMHz的数量级发生明显下降。在曲线31的另一进程中，可以看到随着探针导体6在介质4中的浸入深度不断增加，频率基本上是持续上升的。在40%浸入深度时，振幅最小值的频率位置在测量点35与在测量点32是大约相同的，在此，测量点35对应曲线20的振幅最小值28，而测量点32对应如图3所示的干曲线17的第二振幅最小值33。为了能够在测量点上以明确的方式实现对连续液位高度的分析，始终将求值窗口23的分析作为附加的标准，从而能够排除在测量点32和测量点35之间的混淆，因为当没有信号落在求值窗口 32中时，测量点32可以不出现。此外，正如在图4中根据曲线36所说明的，还可以通过类似的方式进行对各个曲线18、19、20、21、22的第三振幅最小值的位置移动的分析。曲线点37、38、39、40在此分别对应如图3所示相应曲线的第三振幅最小值(其与5/4 X谐振相关联)。由图3可以看到，具有高浸入深度的曲线的第二振幅最小值的位置与具有低浸入深度的曲线的第三振幅最小值的位置是重叠的。设振幅最小值的位置与浸入深度一一对应，如果附加地确定并分析振幅最小值的品质，是可以对第二和第三振幅最小值加以区分的。因为由图3所示的试验可知，可以通过独特的方式区分第三振幅最小值的品质和第二振幅最小值的品质。在目前的应用情况下，关于振幅不仅可以将其理解为最小值的模，还可以将其理解为最小值的宽度。此外，在本发明的框架下，对品质的分析还允许将最小值的识别作为进行进一步分析的先决条件。通过这种方式，按照根据本发明的方法使用根据本发明的装置，不仅可以实现电位监控，而且可以进行连续的液位测量。为了校准根据本发明的装置，需要进行扫频，并在干燥情况下确定振幅最小值的位置，以便确定对于分析很重要的求值窗口 23。这种校准在任何时候都可以很容易地进行，并特别要求不会对相关结构造成干扰。当测量装置使用具有其他长度15的探针导体6时，就必然需要进行校准。相反，当待测量的介质4发生变化时，根据本发明并非必须进行校准，因为根据试验可知，浸入深度的测量值或对问题探针导体6是否接触到介质4的回答已经证实与介质无关。图5示出了根据本发明的用于识别水平高度的方法的一种优选的实施方式。正如在图5中參照电路原理图所阐述的那样，根据本发明的这种实施方式，为振荡器7配置脉冲发生器45，其暂时性地脉冲接通或关闭振荡器7。为此，脉冲发生器45原则上发出矩形脉冲46传递到振荡器7上，该矩形脉冲在逻辑I和逻辑O之间变化。振荡器7按照如图I和图2所示的ー种配置接入电路中。正如在图5a中以f所表示的，振荡器7是变频可调的。在根据本发明方法的一种优选的实施方式中，现在通过脉冲发生器45产生具有矩形脉冲46的矩形信号，并通过该矩形信号脉冲接通或关闭振荡器7。将矩形脉冲46的宽度选择为，使其在任意一个频率f时都具有多个振动周期。为了利用该方法以离散的频率步长对频谱进行采样，根据本发明，振荡器7的频率f从矩形脉冲46向矩形脉冲46变化。但是，频率f在此对于每ー个矩形脉冲46的持续时间都保持恒定不变。因此，在所描述的运行方式中由振荡器7发出的信号原则上与图5中示意性示出的信号一祥。图5b示出了由振荡器7给出的电压的时间进程的图形。可以 看到，该信号由所谓的突发脉冲串47、48、49组成。频率f在每个突发脉冲串47、48、49内部都是恒定的。但是突发脉冲串47内部的频率不同于突发脉冲串48内部的频率，它们本身又都不同于突发脉冲串49内部的频率。附图标记列表I液位测量装置2导电箱体3水平高度4 介质5 开ロ6探针电极7振荡器8放大器9分析和控制单元10 极点11极点/馈电点Zg内阻抗Zv放大器内阻抗12输出信号13附着物14控制信号15 长度16相对电极100液位测量装置200非导电箱体17未浸入探针导体的频谱/干燥频谱18恰好与介质4相接触的探针导体的频谱
19 20%浸入介质中的探针导体的频谱20 40%浸入介质中的探针导体的频谱21 60%浸入介质中的探针导体的频谱22 80%浸入介质中的探针导体的频谱23求值窗ロ24第一振幅最小值，干燥的25第一振幅最小值，0%26第二振幅最小值，0% 27第二振幅最小值，20%28第二振幅最小值，40%29第二振幅最小值，60%30第二振幅最小值，80%31相对于浸入深度的第二振幅最小值的位置32测量点33第二振幅最小值，干燥情况34测量点35测量点36相对于浸入深度的第三振幅最小值的位置37测量点38测量点39测量点40测量点41第三振幅最小值，0%42第三振幅最小值。20%43第三振幅最小值，40%44第三振幅最小值，60%45脉冲发生器46矩形脉冲47突发脉冲串48突发脉冲串49突发脉冲串
权利要求
1.一种用于识别优选为箱体(2，200)中的介质(4)的水平高度(3)的装置(1)，该装置具有基本上垂直伸入所述箱体(2, 200)中并相对于所述箱体电绝缘地安装的长形电探针导体(6);随时间变化的电发生器(7)，其具有用于连接所述探针导体(6)的馈电点(11)的内阻抗(Zg)，以在该馈电点上提供随时间变化的电压，其中，所述馈电点(11)设置在所述探针导体(6)的优选在箱体一侧的端部上；和分析和/或控制单元(9)，用于分析所述探针导体(6)的电气值，其特征在于，所述分析和/或控制单元(9)设计为，在所述馈电点(11)上测量所述探针导体(6)的基点阻抗。
2.如权利要求I所述的装置(1)，其特征在于，所述发生器(7)包括电振荡器(7)，用以在所述馈电点(11)上供应具有预设频率的交流电压。
3.如权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述振荡器(7)用于产生交流电压，该交 流电压具有由所述探针导体(6)、振荡器(7)、箱体(2，200)和/或相对导体(16)所构成的电路的谐振频率，其中，所述分析和/或控制单元(9)设计为，在所述馈电点(11)上测量所述探针导体(6)的基点阻抗。
4.如权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，将所述振荡器(7)设计为，产生具有入/4频率的交流电压，该频率基本上对应于具有四倍于所述探针导体(6)的长度延伸(15)的波长。
5.如权利要求2或3所述的装置(I)，其特征在于，所述振荡器(7)还设计成电连接到所述箱体(2)上。
6.如前面任一项权利要求所述的装置(I)，其特征在于，所述发生器(7)包括用于产生控制脉冲的脉冲发生器，其中，所述分析和/或控制单元(9)设计为，在所述馈电点(11)上频率激活地测量所述探针导体(6)的基点阻抗。
7.如前面任一项权利要求所述的装置(I)，其特征在于，所述发生器(7)包括用于产生激励脉冲的脉冲发生器，在此，所述激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。
8.如前面任一项权利要求所述的装置(1)，其特征在于，除了所述探针导体(6)之外，设置用于构成电相对极点的电相对导体(16)，在此，附加地将所述振荡器(7)设计为，电连接在所述相对导体(16)上。
9.如权利要求8所述的装置(I)，其特征在于，将所述相对导体(16)优选与所述探针导体(6)平行地设置在所述箱体(200)内。
10.如权利要求8或9所述的装置(I)，其特征在于，所述相对导体(16)基本上与所述探针导体(6)相同地构成。
11.如权利要求8到10中任一项所述的装置(I)，其特征在于，所述相对导体(16)构成为开放的带状导线。
12.如前面任一项权利要求所述的装置(1)，其特征在于，将所述探针导体(6)构型为杆状的和/或绳。
13.如前面任一项权利要求所述的装置(I)，其特征在于，在所述分析和/或控制单元(9)和由所述探针导体(6)、所述振荡器(7)和所述箱体(2，200)和/或所述相对导体(16)组成的电路之间接入可变阻抗(Zv )。
14.如前面任一项权利要求所述的装置(1)，其特征在于，设置用于对所述振荡器(7)进行脉冲控制和/或优选在频率间隔中连续变化频率的装置，其中，将所述振荡器(7)设计为，产生优选在、/4频率的3倍和/或5倍值的范围内和/或在/4频率的2倍和/或4倍值的范围内的频率。
15.一种运行如权利要求I到14中任一项所述装置的方法，其特征在于，为了测量基点阻抗，在至少一个频率下测量振荡振幅，以确定水平高度(3)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，借助发生器产生交流电压。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，借助于发生器(7)产生控制脉冲。
18.如权利要求15到17中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述发生器(7)产生激励脉冲，其中，所述激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。
19.如权利要求15到18中任一项所述的方法，其特征在于，在参考频率下测量振荡振幅，其中，在超过预先选定的振荡振幅阈值时产生信号。
20.如权利要求15到19中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考频率是X/4频率和/或X /4频率的奇数整数倍的频率。
21.如权利要求15到20中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考频率是X/4频率的两倍和/或X /4频率的偶数整数倍的频率。
22.如权利要求15到21中任一项所述的方法，其特征在于，所述振荡器(7)依次在不同的频率下运行，其中，测量并记录振荡振幅，并且在所记录的频谱(17，18，19，20，21，22)中确定至少一个振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42)的频率位置。
23.如权利要求15到22中任一项所述的方法，其特征在于，使用至少一个振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42)和/或至少一个振幅最大值的频率位置来确定所述水平高度(3)。
24.如权利要求15到23中任一项所述的方法，其特征在于，确定至少一个振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42 )的品质，以便为了确定所述水平高度(3 )而确定对应的谐振级数。
25.如权利要求15到24中任一项所述的方法，其特征在于，所述频率间隔包括X/4频率的三倍值和/或五倍值。
26.一种特别是在探针导体(6)改变之后，对如权利要求I到13中任一项所述的装置(I)进行校准的方法，其特征在于，记录由所述探针导体(6)、发生器(7)和箱体(2，200)和/或相对导体(16)所构成的电路的频谱(17)，其中，所述探针导体(6)在记录期间不与介质(4)接触，以及，确定在所述频谱(17)中至少一个振幅最小值(24，29)的频率位置。
27.如权利要求26所述的校准方法，其特征在于，为了记录所述频谱(17)，使所述发生器(7)依次在不同的频率下运行，其中，测量并记录振荡振幅。
28.如权利要求26或27所述的校准方法，其特征在于，为了记录所述频谱(17)，借助于所述发生器(7)产生控制脉冲。
29.如权利要求26到28中任一项所述的校准方法，其特征在于，借助所述发生器(7)产生激励脉冲，其中，所述激励脉冲具有至少一个在与最大待分析频率的倒数的数量级相对应的时间间隔内升高至最大值的沿。
30.一种如权利要求I到14中任一项所述装置(I)的应用，其特征在于，利用电位和/或电容和/或回声的方法并行测量同一介质(4)的同一水平高度 (3)。
全文摘要
本发明涉及一种用于优选识别箱体(2，200)中介质(4)的水平高度(3)的装置(1)，具有基本上垂直伸入箱体(2，200)中并相对于箱体电绝缘安装的长电探针导体(6)；随时间变化的电发生器(7)，其具有用于连接探针导体(6)的馈电点(11)的内阻抗(Zg)，以在该馈电点上提供随时间变化的电压，其中，馈电点(11)设置在探针导体(6)的优选在箱体一侧的端部上；分析和/或控制单元(9)，用以分析探针导体(6)的电气值，该装置能够简单、容错和低成本地检测任意介质，特别是液态、糊状和/或颗粒化的固体介质的水平高度，该分析和/或控制单元(9)设计为，在馈电点(11)上测量探针导体(6)的基点阻抗。
文档编号G01F23/26GK102753948SQ201080059315
公开日2012年10月24日 申请日期2010年11月29日 优先权日2009年12月30日
发明者其他发明人请求不公开姓名, 彼得·芬德 申请人:耐格测量技术有限公司
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