料位測量裝置制造方法
【專利摘要】料位測量裝置包括控制單元1，控制單元1包括用于產(chǎn)生傳輸信號S的高頻發(fā)生器4、放大器5a、放大器5b和估算單元，料位測量裝置還包括與控制單元1空間分離的探針2，探針2包括測量阻抗6、參考阻抗7、第一整流器8a和第二整流器8b，料位測量裝置還包括位于控制單元1和探針2之間的連接線3，其中第一整流器8a偵測探針2內(nèi)的傳輸信號S的電壓，將該電壓作為第一直流電壓信號發(fā)送至控制單元1，第二整流器8b通過測量電阻9a和9b將探針2內(nèi)的探針電流轉(zhuǎn)換成第二直流電壓信號，兩個信號均供控制單元1用以判斷料位，其中整流器8a和8b彼此熱耦合。
【專利說明】料位測量裝置
[0001]根據(jù)權(quán)利I的前序部分，本發(fā)明主要涉及一種用于判斷容器中的介質(zhì)的料位(Fullstand)的料位測量裝置。
[0002]電容料位傳感器長久以來一直被用作限位開關(guān)和介質(zhì)測量器。其最基本的優(yōu)勢在于沒有機(jī)械運(yùn)動的部分，并且可以“穿過”由電絕緣材料制成的殼體壁進(jìn)行測量，即能夠避免密封性的問題。
[0003] 申請人:已生產(chǎn)并銷售了名為LMT100的用于測量水性介質(zhì)的電子料位傳感器和名為LMTllO的用于測量油和脂肪的電子料位傳感器。
[0004]專利文件DE102008027921B4揭示了一種用于電容料位傳感器的導(dǎo)納測量電路，其利用可調(diào)諧信號源產(chǎn)生的頻譜激勵探針，該探針由一個共振器和一個不受介質(zhì)影響的參考阻抗構(gòu)成。該導(dǎo)納測量電路的響應(yīng)提供了有關(guān)料位、可能的粘著物以及介質(zhì)的種類的信息。由于控制單元包括半導(dǎo)體元件，其恒定工作溫度被限制在85°C，在很多情況下都不適用?？臻g上相互分離的探針和控制單元可以解決這個問題。然而，由于這類裝置需要在很高的頻率下工作，其頻率范圍必然在IOOMHz以上，因而盡管具有被屏蔽的連接線，其共振反應(yīng)及測量準(zhǔn)確性仍明顯較差。
[0005]專利文件US4259865A揭示了一種空間分離的電容料位傳感器，其測量和參考電容會發(fā)生熱衰減。測量這兩種傳感器的阻抗。其中一個傳感器作為參考用于調(diào)整傳輸電壓。工作頻率未標(biāo)明。受較長連接線上的壓降和對干擾的敏感度的影響，該電路不夠精確，且不適用于范圍在IOMHz以上的高頻率?？刂齐妷篤R可以對溫度偏移進(jìn)行補(bǔ)償。然而其造價(jià)昂貴且容易發(fā)生故障。
[0006]專利文件US6107924A揭示了一種用于測量頻率范圍在IOMHz到300MHz的阻抗的測量裝置。該傳感器由適用于同軸電纜的變壓感應(yīng)振蕩電路組成。其駐波比受測量電阻的影響，該駐波比在同軸纜線內(nèi)通過定向耦合器測量可得。
[0007]此處，同軸電纜的質(zhì)量，以及特別是由接觸點(diǎn)或插入式連接器產(chǎn)生的駐波對測量結(jié)構(gòu)有影響。產(chǎn)生參考信號是困難的。根據(jù)測量原理，同軸纜線的最小長度取決于頻率。定向耦合器確實(shí)可以靠近振蕩器，但不能靠近傳感器。這最初看似一個優(yōu)點(diǎn)，但需要文獻(xiàn)中所推薦的附加的溫度測量。
[0008]本發(fā)明的目的在于克服上面強(qiáng)調(diào)的缺陷。提供一種用于高工作頻率的能溫度補(bǔ)償?shù)牧衔粶y量裝置。特別地，上述料位傳感器的工作溫度范圍能夠在確保測量精度的前提下擴(kuò)大。
[0009]該目的通過權(quán)利要求1所述的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)。
[0010]本發(fā)明的基本思想是不僅判斷探針的電流或電壓，還要判斷它的阻抗。為此，直接在探針處測量電壓和電流，而不是如現(xiàn)有技術(shù)所示的在與探針空間分離的控制單元處測量。
[0011]為此，需要通過低阻的獨(dú)立連接線，將高頻信號整流、濾波并以低頻信號或直流電壓傳輸給控制單兀。
[0012]通過探針獲得高頻信號具有兩個優(yōu)點(diǎn)。由于傳輸電壓受控，高頻信號線的駐波幾乎不影響測量。因此，傳輸信號幾乎可以呈現(xiàn)任何形狀，例如矩形。
[0013]測量線的寄生電容同樣不會和測量干涉，因?yàn)槠鋷缀鯚o法影響被傳輸?shù)闹绷麟妷盒盘枴?br> [0014]本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)是，二極管是探針內(nèi)僅有的半導(dǎo)體元件并決定工作溫度范圍。二極管可容許的最大接點(diǎn)溫度為150°C。二極管均收容于一個普通殼體，即以最優(yōu)方式彼此熱耦合。因此，被測電流和溫度值具有相同的溫度偏移。
[0015]本發(fā)明將參考圖示進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0016]圖1為本發(fā)明的料位測量裝置。控制單元I包括用作估算單元的微控制器μ C、高頻發(fā)生器4 (在本實(shí)施例中為可調(diào)諧振蕩器)、第一測量放大器5a和第二測量放大器5b?？刂茊卧狪通過部分屏蔽的連接線3與探針2相連。探針2包括測量阻抗6。該測量阻抗6包括一個大小為幾百納亨的電感LI。設(shè)殼體的寄生電容標(biāo)記為CO,大小為若干皮法。為了調(diào)諧可適當(dāng)增大該寄生電容的容值。介質(zhì)的電容也為同樣的數(shù)量級。介質(zhì)電阻R和介質(zhì)電容C代表待測介質(zhì)的阻抗。參考阻抗4由與探針2熱耦合的歐姆電阻組成，且優(yōu)選地不受介質(zhì)的影響。
[0017]探針2還包括用于獲取傳輸電壓的第一峰值整流器8a。除了二極管D4和D5，第一峰值整流器8a還包括濾波冷凝器C13和C14，濾波冷凝器C13和C14的負(fù)載電阻分別為R14和R15。第一峰值整流器8a產(chǎn)生與傳輸振幅相應(yīng)的直流電壓，并將該直流電壓傳輸至控制單元I。
[0018]第二峰值整流器Sb將傳輸信號分為兩個半波信號。經(jīng)過阻值約為10歐姆的測量電阻9a和9b之后，該半波信號再次疊加，并被發(fā)送至上述共振器6和并聯(lián)的參考阻抗7。該參考阻抗由一個歐姆電阻組成，因此具有獨(dú)立的頻率。通過電阻9a和9b而降低的電壓代表探針的電流。該電壓經(jīng)過低通濾波器R14/C13和R15/C14的濾波后，同樣通過連接線3傳輸至控制單元I。
[0019]操作方式的描述如下:
[0020]高頻發(fā)生器4產(chǎn)生頻率范圍在50MHz到200MHz的傳輸信號S。高頻發(fā)生器4與微控制器μ C相連，微控制器μ C控制傳輸信號S的頻率及振幅。因此，微控制器μ C包括若干數(shù)模轉(zhuǎn)換器。傳輸信號通過連接線3發(fā)送至探針2。傳輸電壓在探針2處可通過上述方式測量。
[0021]測量電流后，被分為半波的傳輸電流再次疊加，如前所述，并作為完整的高頻信號被發(fā)送至測量阻抗6和并聯(lián)的參考阻抗7。
[0022]由于傳輸電壓同樣已知，根據(jù)歐姆定律:
[0023]電阻=電壓/電流
[0024]連接線3可以由單層或多層的印刷電路板上的部分或完整的電路組成。如前所述，這些連接線的阻抗可以不考慮。
[0025]不具有外部電路的運(yùn)算放大器5a和5b是作為低通濾波器用來調(diào)整信號的。
[0026]微控制器μ C具有數(shù)模轉(zhuǎn)換器并將每個信號頻率的電流和電壓值讀入存儲器。因此，具體的頻率范圍可以在測量阻抗6的期望共振點(diǎn)附近進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。顯而易見地，還可以使用獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外部存儲器。
[0027]除了測量阻抗3，還要算出共振的共振頻率和振幅的位置。參考阻抗7判斷共振頻率外的探針8的狀態(tài)，用于進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。
[0028]高頻發(fā)生器4最好是電壓控制的共振器(Voltage Controlled Oscillator, VCO),其振幅可以通過探針2的電壓來控制，該電壓由整流器8a測量得到。因此探針2中的傳輸信號可以在各種測量頻率下維持恒定。所有測量頻率(測量點(diǎn))都通過微控制器μC內(nèi)的適當(dāng)?shù)能浖M(jìn)行調(diào)整，包括以下步驟:
[0029]獲取電流信號和電壓信號，并將電流信號和電壓信號數(shù)字化；
[0030]將該電流信號和電壓信號的振幅與目標(biāo)值進(jìn)行比對；
[0031]根據(jù)存儲于微控制器μ C內(nèi)的特性曲線計(jì)算振幅控制信號；
[0032]發(fā)出振幅控制信號；
[0033]獲取電流信號和電壓信號，并將電流信號和電壓信號數(shù)字化。
[0034]本發(fā)明涉及一種用于判斷容器中介質(zhì)的料位的料位測量裝置，其包括控制單元1，該控制單兀I包括用于產(chǎn)生傳輸信號S的高頻發(fā)生器4、第一放大器5a、第二放大器5b和估算單元μ C，該料位測量裝置還包括與控制單元I空間分離的探針2，傳輸信號S應(yīng)用于探針2，該探針2包括測量阻抗6、參考阻抗7、第一整流器8a和第二整流器Sb，該料位測量裝置還包括多芯的連接線3，用于在控制單元I和探針2之間傳送信號，其中第一整流器8a獲取探針3內(nèi)的傳輸信號S的電壓，并將該電壓作為第一直流電壓信號發(fā)送至控制單元1，第二整流器8b通過測量電阻9a和9b將探針3內(nèi)的探針電流轉(zhuǎn)換成第二直流電壓信號，兩個直流電壓信號均通過多芯的連接線3發(fā)送至控制單元I以判斷料位，其中整流器8a和Sb彼此熱耦合。
[0035]在一個有利的實(shí)施例中，探針的待測量電流被分為兩個半波信號，并在通過測量電阻9a和9b之后疊加到一個高頻信號上，最后發(fā)送到被測介質(zhì)。
[0036]本發(fā)明料位測量傳感器具有可調(diào)的高頻發(fā)生器4，其頻率范圍在50MHz到200MHz，因此不會阻斷鄰近的頻率范圍。顯而易見的，還可以使用多個高頻發(fā)生器4。
[0037]測量阻抗6和測量阻抗7優(yōu)選地并聯(lián)設(shè)置，但測量阻抗6和測量阻抗7可以通過高頻兼容模擬換向器連通或斷開，從而進(jìn)行不同的測量或?yàn)椴煌慕橘|(zhì)產(chǎn)生多個共振點(diǎn)。
[0038]相關(guān)數(shù)字符號:
[0039]I控制單元
[0040]2 探針
[0041]3多芯連接線
[0042]4高頻發(fā)生器
[0043]5a第一放大器
[0044]5b第二放大器
[0045]6 測量阻抗
[0046]7 參考阻抗
[0047]8a第一整流器
[0048]8b第二整流器
[0049]9a第一測量電阻
[0050]9b第二測量電阻
[0051]μ C估算單元、微控制器
[0052] S 高頻傳輸信號
【權(quán)利要求】
1.一種用于判斷容器中介質(zhì)的料位的料位測量裝置，包括控制單元(I)，所述控制單兀(I)包括用于產(chǎn)生傳輸信號(S)的高頻發(fā)生器(4)、第一放大器(5a)、第二放大器(5b)和估算單元(μ C)，所述料位測量裝置還包括與所述控制單元(I)空間分離的探針(2)，所述傳輸信號(S)應(yīng)用于所述探針(2)，所述探針(2)包括測量阻抗(6)、參考阻抗(7)、第一整流器(8a)和第二整流器(Sb)，所述料位測量裝置還包括多芯的連接線(3)，用于在所述控制單元(I)和所述探針(2)之間傳送信號， 其特征在于， 所述第一整流器(8a)判斷所述傳輸信號(S)的電壓，并將所述電壓轉(zhuǎn)換成第一直流電壓信號發(fā)送至所述控制單元(I);所述第二整流器(8b)通過測量電阻(9a、9b)將所述探針(3)內(nèi)的探針電流轉(zhuǎn)換成第二直流電壓信號，兩個直流電壓信號均通過所述多芯的連接線(3)發(fā)送至所述控制單元(I)以判斷料位，其中所述整流器(8a、8b)彼此熱耦合。
【文檔編號】H03K17/95GK104081170SQ201380006843
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月27日
【發(fā)明者】維爾納·霍赫 申請人:Ifm電子股份有限公司