專利名稱：液位計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于測量容器內液體液位的液位計，其中，電磁信號朝充填物表面的方向發送并接收其回波。液位計測定信號用于去充填物表面及返回的路程所需要的傳輸時間，并據此確定液位。
借助于電磁信號工作的液位計用得很多，它們既可用于倉庫管理也可用于加工工業，例如用于化學、食品工業和石油工業中。
此外在市場上可以買到借助微波工作的液位計。這些儀器分為兩種；第一種，微波借助于天線朝充填物方向發送、在充填物表面反射以及接著在經過一個取決于距離的傳輸時間后重新接收，以及第二種，微波沿著波導朝充填物方向導引，在充填物表面由于在那里存在阻抗階躍而反射，以及反射波沿著波導重新從容器引出。
作為波導既可以用單一的也可以用兩個或多個互相平行排列的導體，它們從要測量的最高液位上方的一個位置向下延伸到容器內。
在DE-U9421870中說明了一種用于測量容器內液體液位的液位計，它包括-電子電路，--它在工作時產生電磁信號；-導體，-它插入容器內；-耦合器，-它將信號從電路傳給導體，---該導體將信號導入容器內并導出在充填物表面反射的信號；以及-接收和分析電路，-它接收反射信號，-它確定電磁信號的傳輸時間，以及
-它根據傳輸時間推斷液位。
例如在EP-A780665中介紹了用于發生電磁信號的電子電路以及接收與分析電路。
在按DE-U9421870的液位計中，信號是短的電磁脈沖，它們在充填物表面被反射。在這里信號被反射的部分取決于充填物與處于充填物上方的介質介電常數之差。
若此差值越大，測量效果越明顯以及可以無異議地確定傳輸時間。但如果此差值小，那么不再能夠迅速地確定來自充填物表面的反射。在這種應用條件下所說明的這種液位計不能正常工作。這種成問題的應用的一個例子是測量裝有油的容器的液位。油的介電常數約為2，通常處于油上方的空氣介電常數為1。
這種效果還出現在借助于自由微波測量液位時，微波朝充填物表面的方向發送，在此表面反射以及分析它的回波信號以確定液位。
在DE-A4419462中介紹了一種用微波工作的液位計，其中微波被發送到插入容器中的波峰管內。在這里波峰管用作微波的波導管。在此文件中指出，當應用于充填物有低的介電常數時在波峰管內設一具有強反射表面的浮子。
波峰管尺寸很大因而不是一種輕便的構件，當只有小的位置和/或規定用于液位計的孔直徑過小時它便無法使用。波峰管的安裝麻煩和昂貴。此外，當例如波峰管要與粘滯和/或發粘的介質接觸的應用情況下，需要按規定清洗，以便浮子能保持自由運動的能力。
本發明的目的是提供一種測量容器內液體液位的液位計，其中，朝充填物表面發送電磁信號并接收其回波，對于介電常數低的液體可以無可指摘地測量以及它的安裝和維護既簡單又經濟。
為此，本發明針對一種用于測量容器內液體液位的液位計，它包括-電子電路，-它在工作時產生電磁信號；-導體，-它插入容器內，浮子順著此導體隨液位一起浮動，---浮子至少有一個反射電磁信號的分段；-耦合器，-它將信號從電路傳給導體，---該導體將信號導入容器內并導出在浮子上反射的信號；以及-接收和分析電路，-它接收反射的信號，-它確定電磁信號的傳輸時間，以及-它根據傳輸時間推斷液位。
按一種設計，浮子是一個空心體，以及反射電磁波的分段是空心體的一個金屬的或鍍金屬層的外表面。
按一種設計，分段是一個設在浮子內部反射電磁信號的表面。
按一種設計，分段是一個垂直于導體軸線延伸反射電磁信號的表面。
按一種設計，浮子用一種有高介電常數的材料制成，這種材料反射電磁信號。
按一種設計，在導體背離耦合器的那一端設支架，當液面低于支架時浮子擱在支架上。
按一種設計，浮子從各方面圍繞著導體的圓柱段。
按一種設計，反射的分段有一反射的表面，此表面與充填物表面處于一個平面內。
這樣一種液位計提供的優點是，即使液體有低的介電常數也能可靠地測量。
現在借助于表示六種實施例的附圖進一步說明本發明及其他優點；在圖中同樣的部分采用相同的標號。其中表示
圖1按本發明的液位計第一種實施例示意圖；液位計在容器內；圖2液位計第二種實施例；圖3液位計第三種實施例；圖4液位計第四種實施例；圖5液位計第五種實施例；以及圖6液位計第六種實施例；圖7圖1的電子電路和接收與分析電路；以及圖8有和沒有浮子時液位計的測量信號變化曲線。
圖1表示按本發明的液位計第一種實施例。它用于測量在容器3內液體1的液位。
液位計包括一個設在容器3外部的外殼5，導體7與它連接，導體伸入容器3內。設有一個與外殼5連接的耦合器9，如圖1中僅示意地表示的那樣，耦合器裝在容器3的孔內。此耦合器9例如可以有外螺紋，它借助于外螺紋可旋入制在此孔上的內螺紋中，或耦合器可以有一法蘭，法蘭可固定在圍繞此孔的相配法蘭上。同樣可以設想其他一些為專業人員所熟知的固定方式。
導體7在耦合器9內從外殼5導引到容器3內。導體7例如是一根機械上剛性的桿，或機械上剛性的金屬絲。但也完全可以采用一根張緊的鋼索，它的一端固定在外殼5或耦合器9上，它的另一端固定在容器的底部。取代此另一端在容器底上的固定，也可以在此另一端上固定一個重物，借助于此重物將鋼索張緊。
在導體7上設一浮子11，它漂浮在液體上并因而隨容器3內的液位一起浮動。圖1中用波紋線示意地表示液位。
設有一個電子電路13，它在工作時發生電磁信號S。此信號S通過耦合器9從電路13傳給導體7，并沿著此導體7導入容器3內。
浮子11有至少一個反射電磁信號的分段，在分段上反射部分信號S。在浮子11上反射的信號R經導體7從容器3導出。
反射的信號R輸入接收和分析電路15，它接收此信號，確定電磁信號S從電子電路13到浮子11以及反射信號R從浮子11到接收與分析電路15的傳輸時間，并據此推斷液位。
電磁信號的傳播速度和電子電路13與容器底部之間的距離以及接收及分析電路15與容器底部之間的距離，或者本來就是已知的，或者可通過簡單的基準測量獲得。根據測得的傳輸時間，借助于上述數據，便可得出浮子11的反射分段在容器底部上方的高度，從而得出液位高度。
在圖1的實施例中，浮子11是有一中心孔的扁平環盤狀空心體，導體7通過中心孔導引。浮子11從各方面圍繞著導體7的圓柱段。在浮子11與導體7之間存在一個圓柱環狀間隙，所以浮子11可沿導體7自由運動。
此浮子11反射電磁波的分段是空心體的金屬或鍍金屬層的外表面17。外表面17面朝著耦合器9并垂直于導體7的軸線21延伸。
在導體7背離耦合器9的那一端設有支架19，當液體表面位于支架19的下方時浮子11擱在支架上。支架19在圖中只是示意地表示，它例如由一個垂直于導體7的軸線21延伸的螺栓構成，螺栓例如穿過導體7旋入并有兩個端部，這兩個端部至少朝導體7的兩側伸出如此之遠，以致浮子11可通過支架19固定在導體7上。
圖2表示了按本發明的液位計第二種實施例。它與圖1所示實施例的區別僅僅在于，設有另一種浮子11a和另一種支架19a。浮子11a是一個金屬的或鍍金屬層的空心體，它與圖1中表示的浮子11完全一樣是圓柱環狀的，不過與圖1表示的浮子11不同，它不是扁平的而是沿軸向有一個高度H，高度的尺寸與浮子11a的外徑D有同一個數量級。
支架19a由成形在導體7背對耦合器那一端上的圓柱形端段構成。
圖3、4、5和6中表示了其它一些實施例，它們與前面兩種的區別僅僅在于浮子11b、11c、11d和11e的具體設計。這些液位計當然同樣可以設有如圖1和2所表示的實施例中相同的支架。
在圖3的實施例中，浮子11b有一個用塑料例如聚四氟乙烯(PTFE)制的圓柱環形空心體23。反射電磁信號的部分表面是設在空心體23面朝耦合器的端面上的環形盤狀金屬板25。這種實施例的優點是，環盤狀金屬板可以松動地放在一個簡單的浮子上。這樣做成本低，裝配簡單，并因而只需要少量的費用。
在圖4的實施例中浮子11c是一個實心的圓柱環，它用一種有高介電常數的材料制造，這種材料反射電磁波。高的介電常數指的是此介電常數的數值明顯地大于處于充填物上方的介質的介電常數值。典型地，處于充填物上方的是空氣，它的介電常數為1。與空氣相結合，若有一種具有介電常數大于3的材料，便足以獲得一個足夠高的反射系數。
這種浮子的優點在于它們是一個均質體。因為不需要任何連接，所以此類浮子的加工十分簡單。
當例如由于力學和/或化學穩定性的原因應采用介電常數低的材料制的實心浮子時，如圖5所示可設浮子11d，它有一實心的基體27，在此基體面朝耦合器的端面上施加一個薄的強烈反射電磁信號的鍍層29，例如金屬鍍層、安置一塊薄的金屬板或涂覆一個導電的塑料層。
圖6表示具有浮子11e的另一種實施例，其中反射電磁信號的層31設在浮子11e兩個分體33之間。分體33既可以是實心的構件也可以是空心體。層31例如是其中一個分體的金屬鍍層、一個金屬盤或一個由導電塑料構成的層。層31最好完全處于浮子11e的內部。
這樣做提供的優點是，反射電磁信號的分段，在這里是盤31，與充填物不接觸。因此它實際上不存在被腐蝕的危險。所以此分段可以用簡單的和便宜的材料制造。
浮子11、11a、11b、11c、11d、11e的各個部分的材料和尺寸，最好考慮到充填物的比重按這樣的方式選擇，即，使各種反射分段都有一個與充填物表面處于同一平面內并垂直于導體7軸線21延伸的反射面。
在圖1的浮子11中這是外表面17，在圖2的浮子11a中這是空心體面朝耦合器的一個環形盤狀端面；在圖3的浮子11b中這是金屬板25；在圖4的浮子11c中這是浮子11c面朝耦合器的一個環形盤狀端面；在圖5的浮子11d中這是層29；以及在圖6的浮子11e中這是反射層31。
當反射分段有一個反射面以及此反射面與充填物表面處于一個平面內時，那么由傳輸時間的測量直接得出正確的液位。要不然必須確定充填物表面與反射平面之間的距離，以及相應地修正傳輸時間的測量或測得的液位。
圖7表示電子電路13和接收與分析電路15的框圖實施例。
電子電路13有發射時鐘發送器50和發射脈沖發生器52。發射時鐘發送器50的發射時鐘脈沖輸入發射脈沖發生器52。最好采用一種發出電磁信號的發射脈沖發生器52，電磁信號有低能量高頻短脈沖的形式。例如在US-A 5345471和US-A 5361070中介紹了這種發射脈沖發生器以及可與之結合使用的電子電路和接收與分析電路。可以發生具有峰值功率小于1μW和有效功率1nW或低于1nW的脈沖，其頻率為100MHz和100MHz以上。發射時鐘脈沖速率例如為若干MHz。
電磁信號經耦合器9輸入導體7。反過來，反射信號沿導體7經導體7、耦合器9、定向耦合器54和連接在定向耦合器54下游的高通濾波器56到達接收與分析電路15。
接收與分析電路15包括一延時器58，發射時鐘發生器50的發射時鐘脈沖到達其入口以及延時器發出一取樣時鐘脈沖，它相應于延遲一個可變的延遲時間后的發射時鐘脈沖。可變的延遲時間例如借助于鋸齒波發生器提供。取樣時鐘脈沖輸入取樣脈沖發生器60，它根據取樣時鐘脈沖發生取樣脈沖，并輸入取樣和保持電路62的第一入口。取樣的和發射的脈沖發生器52、60最好一致，所以由它們發出的電磁信號的差別僅僅是可變的延遲時間。
反射的信號經定向耦合器54和高通濾波器56到達取樣和保持電路62的第二入口。
工作時最好周期性地以發射時鐘脈沖頻率發生短的發射脈沖，以及反射的回波信號輸入取樣和保持電路62。在那里，在每個回波信號上疊加一個取樣脈沖并拾取由此合成的總信號，借助于下游的放大器64放大，借助于與放大器64串聯的模數轉換器66數字化，并作為取樣值輸入微處理器68。
總信號用于度量回波信號與取樣脈沖的一致性。回波信號周期性地到達，而前后相繼的取樣脈沖通過按鋸齒波函數變化的延時彼此不同。假定前后相繼的回波信號沒有明顯的差別，取樣和保持電路62便提供一個回波信號頻閃觀測的記錄。這一假定通常始終能滿足，因為在兩個發射脈沖之間的時間間隔內液位實際上沒有變化。
微處理器68經第一根導線70與發射時鐘發生器50連接，經第二根導線72與取樣時鐘發生器58連接。工作時微處理器68有規律地起動測量循環。在一個測量循環過程中，如前面已說明的那樣周期性地發出電磁信號以及反射信號被取樣。當走過了全部按鋸齒波函數規定的延時后，一次測量循環終結。各個取樣值分別結合給定的當前的延遲進行記錄。這便提供了一個測量信號變化過程，由此可確定傳輸時間。
圖8表示了兩條測量信號變化曲線，其中用字母a表示的測量信號變化曲線是借助于沒有浮子的液位計記錄下來的，用字母b表示的第二條測量信號變化曲線是借助于有一個用聚四氟乙烯(PTFE)制的浮子的液位計記錄的，此浮子有一個面朝耦合器的用鋁箔敷層的端面。兩種測量均通過介電常數低的充填物進行。所畫的曲線分別表示標準化后的取樣值與延遲時間的關系。
在短的延遲時間的情況下測量信號變化曲線a和b是一致的。兩條測量信號變化曲線a和b第一個極值是由于在耦合器9的區域內反射引起的，在那里必然發生阻抗階躍。測量信號變化曲線a的第二個極值歸因于在充填物表面的反射，而測量信號變化曲線b的第二個極值則歸因于在浮子上的反射。
測量信號變化曲線b第二個極值的幅度大約有測量信號變化曲線a第二個極值的三倍那么大，以及在測量信號變化曲線b中反射的尖峰信號的寬度明顯地比測量信號變化曲線a中的小。
可借助于它確定液位的精度主要取決于，確定第二個極值的位置的精度能有多高。極值的幅度越大以及相關的反射的尖峰信號的寬度越小，則此精度越高。圖8清楚地表示，由于按本發明使用了浮子，在充填物有低介電常數的情況下可顯著地提高測量精度。
權利要求
1.用于測量容器(3)內液體(1)液位的液位計，它包括-電子電路(13)，-它在工作時產生電磁信號；-導體(7)，-它插入容器(3)內；浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)順著此導體隨液位一起浮動，---浮子至少有一個反射電磁信號的分段；-耦合器(9)，-它將信號從電路(3)傳給導體(7)，---該導體(7)將信號導入容器(3)內并導出在浮子(11)上反射的信號；以及-接收和分析電路(15)，-它接收反射的信號，-它確定信號的傳輸時間，以及-它根據傳輸時間推斷液位。
2.按照權利要求1所述的液位計，其中，浮子(11)是一空心體，以及反射電磁波的分段是空心體的一個金屬的或鍍金屬層的外表面(17)。
3.按照權利要求1所述的液位計，其中，分段是一個設在浮子(11e)內部反射電磁信號的表面。
4.按照權利要求1所述的液位計，其中，分段是一個垂直于導體(7)軸線(21)延伸反射電磁信號的表面。
5.按照權利要求1所述的液位計，其中，浮子(11c)用一種有高介電常數的材料制成，這種材料反射電磁信號。
6.按照權利要求1所述的液位計，其中，在導體(7)背離耦合器(9)的那一端設支架(19、19a)，當液面低于支架(19、19a)時浮子(11、11a)擱在支架上。
7.按照權利要求1所述的液位計，其中，浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)從各方面圍繞著導體(7)的圓柱段。
8.按照前列諸權利要求之一所述的液位計，其中，反射的分段有一反射的表面，此表面與充填物表面處于一個平面內。
全文摘要
本發明涉及一種用于測量容器(3)內液體(1)液位的液位計,它可以在具有低介電常數的液體中無可指摘地測量,以及它的安裝和維護既方便又經濟。液位計包括:電子電路(13),它在工作時產生電磁信號;導體(7),它插入容器(3)內,浮子(11、11a、11b、11c、11d、11e)順著此導體隨液位一起浮動,浮子至少有一個反射電磁信號的分段;耦合器(9),它將信號從電路(13)傳給導體(7),該導體(7)將信號導入容器(3)內并導出在浮子(11)上反射的信號;以及,接收和分析電路(15),它接收反射的信號、確定信號的傳輸時間和根據傳輸時間推斷液位。
文檔編號G01F23/28GK1257995SQ99124390
公開日2000年6月28日 申請日期1999年11月26日 優先權日1998年11月27日
發明者沃爾弗拉姆·呂特克, 約阿希德·諾伊豪斯, 拉爾夫·賴梅爾特, 沃納·托倫 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司