專利名稱：用于識別水平高度的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)選在箱體中識別介質水平高度的裝置，該裝置具有基本上垂直伸入箱體中并相對于箱體電絕緣安裝的長的電探針導體；隨時間變化的電發(fā)生器，其具有用于連接探針導體的饋電點的內阻抗(Zg)，以便在饋電點上提供隨時間變化的電壓，在此將饋電點優(yōu)選設置在探針導體的箱體一側的端部上；和分析和/或控制單元，用以分析探針導體的電氣值。此外，本發(fā)明涉及一種用以運行如權利要求I到13中的任一項所述裝置的方法，用以測量水平高度。本發(fā)明還涉及一種特別根據探針導體的變化對如權利要求I到13所述裝置進行校準的方法。 最后，本發(fā)明涉及到對如權利要求I到13所述裝置的使用。
背景技術：
這種類型的裝置以及運行這種裝置的方法公知地有各種不同的形式。例如在導電方法中，公知的裝置和方法是以對電導率的分析為基礎。另一方面，在公知的電容裝置和方法中，測量是基于對電容的分析。在這些公知的方法中的缺點特別在于，這些方法依賴于需要測量其水平高度的介質的特性。特別是在已知的方法中，在進行分析時需要考慮相關的介電性或特有的電導率。此外，一些公知的測量裝置的缺點在于，其僅適用于導電介質。另外，已知測量裝置的缺點還在于對干擾性的影響因素很敏感，例如泡沫的形成和附著。因此，通常為了適應待探測的介質而需要進行靈敏度調整。如果在相同的用途中依次使用不同的介質，這對于已知的裝置來說是很困難甚至是不可能的。在已知的導電方法中，雖然試圖通過頂部區(qū)域的部分絕緣而在不斷上升的泡沫中恒定地保持有效的電極表面積，其中，導電橋形成的路程由于附著的介質而延長。但是其缺點在于，絕緣涂層使得成本增加。由專利文獻 DE 7933089UU DE 8018675U1 以及 DE 102005025576A1 可知用于液
位測量裝置的電容性測量探針的各種不同的實施方式。在電容性測量探針中同樣會出現問題，其在泡沫形成時經常失靈。此外，在這種探針中，不利的是絕緣層提高了制造成本，并受到擴散效應問題的制約，特別是在高溫下使用時。此外，已知的還有運行時間法，例如脈沖-運行時間測量、時域反射(TOR)、制導雷達回波法，這些方法盡管并非必須要求探針導體電絕緣，但是其缺點在于，當敷設用于極高頻域的控制和分析電路時會產生相對較高的費用。

發(fā)明內容
在此背景下，本發(fā)明的目的在于提出一種上述類型的裝置，其能夠盡可能簡單、容錯和低成本地檢測任意介質的水平高度，特別是液態(tài)、糊狀和/或顆粒化的固體介質的水
平高度。
此外，本發(fā)明的目的還在于提出一種相應的運行方法以及對上述類型裝置的使用，它們能夠避免已知裝置的缺點。另外，本發(fā)明的目的還在于提出一種特別根據探針導體的變化對上述類型的裝置進行校準的方法，該方法簡單、適用，從而可以根據不同的測量條件和不同的探針導體靈活地使用該裝置。根據本發(fā)明的關于裝置的目的通過一種用于識別水平高度的裝置得以實現，其中，將分析和/或控制單元設計為，在饋電點上測量探針導體的基點阻抗(Fu ^ punktimpedanz)。因此在本發(fā)明的框架下,一方面可以在探針導體的箱體側的端部上供應電壓。這適用于將探針導體從上面伸入箱體中。在某些設計當中，通過這種結構可以使探針導體在低于一定水平高度時不與介質發(fā)生接觸。在本發(fā)明的框架下，替代地還可以在探針導體的伸入箱體中的端部上供應電壓。這適用于將探針導體從下面伸入箱體中，從而隨著逐漸升高的液位使越來越少的長度部分伸入到介質中。通過這種配置，總是與探針導體從上面伸入箱體的實施方式形成互補地實現裝置的連接和分析。 在本發(fā)明的實施方式中，發(fā)生器包括電振蕩器(elektrischen Oszillator),用以在饋電點上供應具有預設頻率的交流電壓。通過這種方式，允許通過測量基點阻抗來確定根據本發(fā)明的諧振現象，根據實驗結果，該諧振現象受到下列因素的影響測量探針是否浸入到介質中以及浸入多深。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，將振蕩器設計為產生交流電壓，該交流電壓具有由探針導體、振蕩器、箱體和/或相對導體(Gegenleiter)所構成電路的諧振頻率,在此將分析和/或控制單元設計為，在饋電點上測量探針導體的基點阻抗。所觀察到的基點阻抗對探針浸入狀態(tài)的依賴性在該頻率上尤為突出。根據本發(fā)明，特別可以將振蕩器設計為，產生具有X/4頻率的交流電壓，該頻率基本上對應具有探針導體的延伸的四倍長度的波長。關于該頻率，根據本發(fā)明觀察到，其振幅在探針浸入介質中時會發(fā)生跳躍式的變化。振蕩器可以設計用于產生具有X/4頻率的交流電壓，該頻率基本上對應于具有探針導體延伸的四倍長度的波長。在此將分析和/或控制單元設計為，在饋電點上測量探針導體的基點阻抗。根據本發(fā)明的這種結構的優(yōu)點在于，能夠根據由探針導體和平衡物所構成的電路的諧振頻率的強烈變化，可靠、容錯、特別是獨立于介質地確定探針導體浸入介質中，這種強烈變化在與饋電點相對的探針導體的端部浸入時被觀察到。在以頻率和振幅為軸的求值窗口(Bewertungsfenster)內通過對基點阻抗的分析實現在四分之一波長時對諧振振幅的閾值分析，由此能夠可靠地確定狀態(tài)“未浸入”或“已浸入”。當與饋電點相對的探針導體的端部與介質接觸時，基點阻抗在、/4頻率時在求值窗口內會大幅上升，從而可以通過適當地選擇求值窗口使阻抗值位于該求值窗口的外面。因此，利用根據本發(fā)明的裝置，可以有利、特別是可靠地確定，介質的水平高度是否達到設定值。由于對電位的確定只能在相對較大的求值窗口中基于最小值點的頻率位置來實現，因此根據本發(fā)明，實際上對于所有被技術性使用的介質，在沒有對閾值進行適應性調整的情況下，可以對具有較大安全邊際的介質有利地進行探測。已經觀察到，當與饋電點相對的探針導體的端部與介質發(fā)生接觸時，諧振頻率的跳躍式變化很大程度上無關于介質的特性而發(fā)生。同樣還觀察到，有利的是，相對于對電子裝置中的組件的誤差和漂移的分析，閾值分析是不重要的。同樣還觀察到，利用根據本發(fā)明的裝置所進行的水平高度測量不會由于泡沫形成而發(fā)生扭曲。位于探針導體的箱體側饋電點和例如箱壁之間的橋狀形成的附著物，特別是由糊狀介質橋狀形成的附著物，也同樣有利地不會使水平高度測量扭曲。這些觀察到的根據本發(fā)明裝置的優(yōu)點能夠通過四分之一波偶極子的原理(Theorie eines Viertelwellendipols)進行說明，電探針導體根據本發(fā)明作為四分之一波偶極子起作用。當電探針導體與介質發(fā)生接觸時，根據該理論，在空氣和與電路相對的待探測介質之間的臨界面上會出現所謂的屋頂電容，(Dticllkapa/itai )其中，所述電路會引起所觀察到的頻移(Frequenzverschiebung)。在本發(fā)明的實施方式中，如果將振蕩器附加地構造為電連接在箱體上，則箱體有利地承擔起相對極點(Gegenpol)(也被稱為平衡物)的功能,探針導體電反射在相對極點上。根據本發(fā)明，由探針導體和箱體組成的電路相當于半波偶極子。當然，本發(fā)明的這種實施方式的前提是箱體是導電的。根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式，如果發(fā)生器包括用于產生控制脈沖的脈沖發(fā)生器，在此將分析和/或控制單元設計為，在饋電點上頻率激活地測量探針導體的基點 阻抗，則可以使根據本發(fā)明的裝置以突發(fā)式運行(Burstbetrieb)的方式運行。在此將產生所謂的突發(fā)脈沖串(Burst)，也就是具有預定振動頻率的波包，其中，利用控制脈沖使用于開啟和關閉振蕩器的脈沖發(fā)生器運行。在本發(fā)明的框架下，處于突發(fā)脈沖串內部的振動頻率有利地是各不相同的。然后可以利用各個突發(fā)脈沖串實現對阻抗的分析，從而以離散的頻率步長對測量裝置的頻譜進行采樣。優(yōu)選將在該方法中分析所需的采樣率選擇為較低的，因為在各個突發(fā)脈沖串的內部都要對近乎靜止的狀態(tài)進行調節(jié)。根據本發(fā)明的這種變形，由于不是連續(xù)地在系統上，而是僅在突發(fā)脈沖串的內部施加高頻電壓，因此該裝置可以有利地EMV兼容性地運行。此外，根據本發(fā)明的裝置在能源消耗方面也是有優(yōu)勢的。利用根據本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式對液位進行其他的分析，在此，發(fā)生器包括用于產生激勵脈沖的脈沖發(fā)生器，其中，激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。根據本發(fā)明，利用這種設計可以確定系統的階躍響應并對其進行分析。例如為了分析階躍響應的頻譜，可以進行快速傅里葉變換(FFT)。為了在信號抽樣時降低分析階躍響應所需要的采樣率，在本發(fā)明的框架下，還可以按照所謂的抽樣方法進行分析。本領域技術人員例如可以由抽樣示波器的工作方式了解這種方法。為此，為了分析，需要進行所謂的“欠采樣”，也就是以低于測量頻率的頻率進行采樣，其中，采樣時間點在每個脈沖周期時都發(fā)生少許的移動。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式中，除了探針導體之外，設置用于構成電相對極點的電相對導體，在此，將振蕩器附加地設計為，電連接在該相對導體上。根據本發(fā)明的這種優(yōu)選的實施方式，也可使用根據本發(fā)明的測量裝置在由非導電材料制成的箱體中確定水平高度。該電相對導體還起到相對極點/平衡物的作用，探針導體在該相對導體上電反射，以便整體上重新調整半波偶極子。除了在非導電箱體中使用根據本發(fā)明的裝置以外，該實施方式甚至有利地允許在開放場合中使用該測量裝置。在本發(fā)明的一種特殊的實施方式中，將相對導體優(yōu)選平行于探針導體地設置在箱體內部。通過這種方式有利地使相對導體的空間安放不出現問題。如果將相對導體設計為基本上與探針導體是相同的，根據本發(fā)明，通過相對于探針導體適當地設置相對導體，可以看到勒謝爾傳輸線(Lecher I e i tung )的表現。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，特別可以將相對導體設計為開放的帶狀導線，并由此作為波導體。在本發(fā)明特別優(yōu)選的實施方式中，將探針導體構型為桿狀的和/或繩。例如，可以使用業(yè)已存在于箱體中的機械組件，以便與本發(fā)明的其他特征相結合地共同作用于根據本發(fā)明的裝置。例如，特別是可以使用由專利文獻DE2723999C2提出的用于電位測量裝置的同軸探針管作為根據本發(fā)明裝置的探針導體。此外，根據本發(fā)明的這種構造為桿和/或繩的探針導體的實施方式還允許針對待識別的邊緣水平高度(Grenz-Pegelstand)的變化在長度上進行簡單的調整。在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施方式中，在分析和/或控制單元和由探針導體、振蕩器和箱體和/或相對導體組成的電路之間接入可變阻抗。該可變阻抗允許測量裝置針對與探針導體長度、振蕩器頻率以及所使用的分析和/或控制裝置相關的不同測量條件有利地進行調整。根據本發(fā)明，該可變阻抗用于增加對分析較重要的、特別是諧振最小值的諧振地點的深度，以便在對比放大(KonlrasivcrsUirkung )的情況下使分析更加容易。正如技術 人員所公知的那樣，這可以例如通過選擇高電阻阻抗與具有相對較高的放大系數的放大器相結合來實現。在根據本發(fā)明裝置的一種特別可以多方面使用的實施方式中，設置一種用于對振蕩器進行脈沖控制和/或優(yōu)選在頻率間隔(FrequenzintervalI,頻程)中連續(xù)變化頻率的裝置，在此優(yōu)選將振蕩器設計為，在\ /4頻率的3倍和/或5倍值的范圍內和/或在入/4頻率的2倍和/或4倍值的范圍內產生頻率。無論是脈沖控制還是頻率的連續(xù)變化，通過掃頻都能夠有利地記錄頻譜，也就是將基點阻抗作為振蕩器頻率的函數。根據在3/4和5/4波長時的頻率范圍內對頻譜的分析，除了以上所述使用根據本發(fā)明的裝置作為電位監(jiān)視器(Grenzstandwftehter)之外，根據本發(fā)明還可以有利地實現對水平高度的連續(xù)確定。為此，充分利用根據實驗觀察到的阻抗最小值隨著在介質中逐漸增加的浸入深度向更高頻率移動。當對這種實驗觀察到的現象進行說明時，可以考慮縮短位于介質外面的探針導體部分的振蕩長度。在本發(fā)明的框架下，類似地還可以在\ /4頻率的偶數倍時對測量值進行分析，其與在基點阻抗的最大值位置上的分析相對應。為了降低分析諧振頻譜所需要的采樣率，并由此將用于對應組件的成本維持在較低的水平，在本發(fā)明的框架下，還可以根據所謂的抽樣方法進行分析，如同本領域技術人員例如由抽樣示波器的工作方式所了解的那樣，為了分析需要進行所謂的“欠采樣”，也就是以低于待測量頻率的頻率進行采樣，其中，采樣時間點在每個脈沖周期時都發(fā)生少許的移動。根據本發(fā)明，原則上這種工作方式的基礎在于，在控制單元中存在兩個振蕩器，它們具有雖少許不同、但各自恒定的頻率，在此，由其中一個振蕩器通過相應的頻分(Frequenz-Teilung)獲得激勵脈沖,而由另一個振蕩器相應地獲得采樣脈沖。另外,這種分析形式對本領域技術人員是普遍公知的。本發(fā)明的關于如權利要求I到14中任一項所述裝置的運行方法的目的通過以下方式實現在用于測量基點阻抗的常用方法中，為了確定水平高度，在至少一個頻率時測量振幅。特別是在上述1/4頻率時對振幅的測量允許使用該方法作為電位監(jiān)視器，因為由試驗觀察可知，與饋電點相對的探針導體的端部接觸介質時的阻抗明顯高于當探針導體未接觸介質時的阻抗。按照根據本發(fā)明的這種方法，還可以在頻率等于3倍和/或5倍入/4頻率時測量振幅，從而確定在液位的變化，因為由試驗觀察可知，在最后提到的頻率時，液位的變化將導致基點阻抗的變化。在根據本發(fā)明方法的實施方式中，特別可以在參考頻率下測量振蕩振幅，其中，當超過預先選擇的振蕩振幅閾值時產生信號。例如，可以使用X/4頻率作為參考頻率，根據試驗發(fā)現，該頻率在探針導體的與饋電點相對的端部與介質發(fā)生接觸時小于探針導體未接觸介質時。因此，根據本發(fā)明方法的這種實施方式足以對一個相對窄帶的頻率窗口進行分析，在此，在分析時只需要確定是超過閾值還是低于閾值。在根據本發(fā)明方法的特殊的實施方式中，如果參考頻率是X/4頻率和/或入/4頻率的奇數整數倍，根據本發(fā)明的方法可用于使用根據本發(fā)明的裝置作為電位監(jiān)視器，在此，同時可確定振幅例如在三倍\ /4頻率和/或五倍\ /4頻率時的變化，以通過浸入介質 中的探針導體探測不同的水平高度。在根據本發(fā)明的用于裝置運行的方法的一種特別優(yōu)選的實施方式中，振蕩器依次在不同的頻率下運行，在此測量并記錄振幅，并且在所發(fā)出的頻譜中確定至少一個振幅最小值的頻率位置。例如可以進行掃頻，其中，在最好的情況下，頻率從低于入/4頻率直至在五倍、/4頻率范圍內的值，振蕩器將連續(xù)運行，同時記錄相應的阻抗值。根據本發(fā)明，借助于分析和控制單元，可以根據所記錄的頻譜并通過在求值窗口內的分析實現電位監(jiān)視器功能，其中，求值窗口在頻率軸上位于X/4頻率周圍的區(qū)域中，并在振幅軸上檢測預先選定的閾值周圍的范圍。此外，如果將信號從用于電位監(jiān)控的求值窗口滑出作為探針導體浸入的標記，此外對頻率，特別是對在1/4頻率的三倍和/或五倍的范圍中的最小值位置進行分析，其振幅可以隨著由試驗觀察到的狀態(tài)的變化而改變。此外由實驗觀察可知，振幅最小值依賴于探針導體的浸入深度在頻率軸上移動。在此，浸入深度的增大將導致最小值，即諧振頻率，向更高的頻率移動，反之亦然。如果通過信號滑出到求值窗口的外面確定，探針導體接觸到介質或浸入到介質中，則根據本發(fā)明，對振幅最小值的位置的分析同樣可以作為水平高度的值。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中，如果借助于發(fā)生器產生控制脈沖，根據本發(fā)明，將執(zhí)行上面所述的方法，以產生具有各自不同振動頻率的突發(fā)脈沖串。為此，優(yōu)選頻率在每個突發(fā)脈沖串中都相應地改變。根據本發(fā)明，利用這種方法可以通過降低功率而有利地、特別是簡單地保持所需要的高頻發(fā)射EMV臨界值。另外，這可以優(yōu)選通過降低控制器單元的能源需求產生效果。根據本發(fā)明方法的另一種優(yōu)選的實施方式，借助于發(fā)生器產生激勵脈沖，在此，激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。根據這種公知的波動力學的現象，同樣可以因此對頻譜進行分析。為此可以使用上述所謂的抽樣方法，以便降低所需要的采樣率。在根據本發(fā)明方法的優(yōu)選的實施方式中，使用至少一個振幅最小值的頻率位置，以確定水平高度。因此根據本發(fā)明，優(yōu)選充分利用由試驗觀察到的現象特別在三倍和/或五倍X/4頻率的范圍內，隨著不斷增加的浸入深度以及相應不斷減少的探針導體的未浸入的長度，振幅最小值的位置從探針導體在介質中的最小浸入深度開始向更高的頻率移動。
在根據本發(fā)明的用于使裝置運行的方法的另一種優(yōu)選的擴展方案中，確定至少一個振幅最小值的品質(Gilte)，以便為了確定水平高度而確定所對應的諧振級數(Resonanzordnung)。由試驗可知，在某些態(tài)勢下，不同頻譜的重疊這樣發(fā)生，例如使向更高頻率移動的振幅最小值與很少或完全沒有頻率移動的更高級數的振幅最小值同時發(fā)生。這可能在分析時導致所確定的振幅最小值被錯誤地解釋為對應于3/4X諧振(Lambda-Dreiviertelresonanz)的由于探針導體浸入介質中而移動的振幅最小值，即使實際上是基于更小浸入深度的5/4 X最小諧振，因為由實驗可知，這種品質，也就是在最小值時的頻率與最大值的頻率之間的比值，是根據諧振級數而變化的。因此，根據本發(fā)明所提出的品質分析在這里作為附加的區(qū)分標準(Unterscheidungskr iter ium)。在根據本發(fā)明方法的框架下，發(fā)現可以這樣實現3/4 X諧振首先確定在參考頻率下或在求值窗口內是否存在最小值。隨后，如果在第一步中確定不存在最小值，則在第二步中確定第一最小值，也就是在參考頻率上方的最低頻率位置上的最小值。根據實驗結果發(fā)現，這就是3/4 X諧振。
在根據本發(fā)明的用于使裝置運行的方法的另一種優(yōu)選的實施方式中，頻率間隔包括X/4頻率的三倍值和/或五倍值。通過這種方式，特別可以有利地將該頻率區(qū)域中振幅最小值的頻率移動分析作為在探針導體浸入時的探針導體的浸入深度的數值，這意味著，當閾值分析出現在、/4頻率的范圍內時，探針導體已浸入介質中。本發(fā)明的關于一種校準方法的目的通過下述方法得以實現，其中，記錄由探針導體、發(fā)生器和箱體和/或相對導體所構成的電路的頻譜，在此，探針導體在記錄期間不與介質接觸，并且在該頻譜中確定至少一個振幅最小值的頻率位置。因此根據本發(fā)明，為了確定入/4頻率的位置以及更高級數的、特別是三倍和/或五倍\ /4頻率的諧振，依據未浸入介質中的探針導體記錄頻譜。根據與振幅最小值的頻率位置相關的信息，可以進行進一步的校準，其中，第一個被找到的最小值，即在最低頻率時出現的值，可以利用X/4頻率進行識別。為了在采用上述方法時使用根據本發(fā)明的裝置作為電位監(jiān)視器，根據本發(fā)明，圍繞該最小值設置求值窗口。在第一最小值上得到的振幅最小值(其可以通過根據本發(fā)明的校準方法確定)給出用于連續(xù)確定浸入介質中的探針導體的浸入深度的分析點。利用根據本發(fā)明的校準方法，可以有利地在具有可用電極的箱體上使用根據本發(fā)明的測量裝置，而不再需要例如對電極進行長度測量。在探針導體被縮短或例如通過焊接被延長之后，為了探測另一個電位，也可以以所描述的方式進行校準。有利的是，這種校準在很大程度上與所使用的介質無關。特別是當在箱體內部發(fā)生純粹的介質更替時，不需要進行這種校準。因為由試驗發(fā)現，根據本發(fā)明的方法首先與探針導體的長度有關，并且特別是基本上與介質特性無關。在該校準方法的實施方式中，為了記錄頻譜，使發(fā)生器依次在不同的頻率下運行，在此，振蕩振幅被測量并記錄。在根據本發(fā)明的校準方法的另一種優(yōu)選的實施方式中，為了記錄頻譜，借助于發(fā)生器產生控制脈沖。在該校準方法的另一種優(yōu)選的實施方式中，借助于發(fā)生器產生激勵脈沖，在此，激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。脈沖控制對于由于降低功率而保持所需要的高頻發(fā)射EMV臨界值是特別有利的。根據波動力學，由于頻譜隨著脈沖的時間寬度的減少而加寬，因此在對激勵脈沖運行的結果進行適當的分析時，同樣可以記錄頻譜。本發(fā)明的關于如權利要求I到15中任一項所述裝置的使用將通過下述方法實現，其中，利用電位和/或電容和/或回聲方法對相同介質的相同水平高度進行并行測量。根據本發(fā)明并行執(zhí)行基于不同測量原理的測量的優(yōu)勢在于，通過由此所獲得的冗余提高了運行可靠性。在本發(fā)明的框架下，當根據本發(fā)明的測量裝置和其分析是不同于本發(fā)明而與介質相關的測量裝置一起使用時，和/或當需要額外的信息，即探針導體是否完全浸入介質中時，這將是特別有利的。


下面根據附圖以優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明做示例性地描述，其中，在附圖中去除了其他一些有利地細節(jié)。 在此，功能相同的部件具有相同的附圖標記。圖I :在導電箱體中使用的根據本發(fā)明的測量裝置的第一種實施方式的示意圖；圖2 :在非導電箱體中使用的根據本發(fā)明的另一種實施方式的示意圖；圖3 :用于說明如圖I和/或圖2所示的測量裝置的運行方法的示意性頻譜圖；圖4 :作為根據本發(fā)明的測量裝置的探針導體浸入深度的函數的振幅最小值的位置的示意圖，同樣用以說明根據本發(fā)明的運行方法；圖5 :電路原理圖(a)以及隨時間變化的信號曲線(b)，用以說明本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式。
具體實施例方式在圖I中示意性示出了根據本發(fā)明的液位測量裝置1，其被使用于箱體2中。箱體2由導電材料制成，并裝滿介質4至水平高度3。介質4可以是任意的介質，特別是液態(tài)、糊狀和/或顆粒狀的固態(tài)介質。導電箱體2在上部具有開口 5。探針導體6通過導電箱體2中的開口 5這樣插入導電箱體2中，使探針導體6與箱體是電絕緣的。該液位測量裝置I基本上由以所述方式插入導電箱體2中的探針導體6、振蕩器7、放大器8以及分析和控制單元9組成。根據如圖I所示的實施方式，振蕩器7通過極點10連接在導電箱體2上，并通過另一個極點11連接探針導體6。在如圖I所示的示意圖中，電氣關系基本上以等效電路示出，其中，振蕩器7的內阻抗Zg在極點11的旁邊示意性示出。極點11相當于探針導體6的饋電點。分析和控制單元9通過放大器8和在等效電路中示意性示出的放大器阻抗Zv與探針導體6的饋電點11相連接。分析和控制單元9的輸出信號12適于被輸送到用于顯示水平高度的顯示單元上。此外，在該示意圖中還繪出了附著物13，其在探針導體6的面向箱體2的開口 5的端部和箱體壁2之間構成橋。由實驗可知，這種附著物13基本上對于測量結果沒有影響，因此盡管存在附著物13，但仍然可以可靠地確定水平高度3。分析和控制單元9還被設計用于控制振蕩器7。這在示意圖中以虛線形的信號線14表示。振蕩器7在至少達到X/4頻率的頻譜中是隨著頻率一起可連續(xù)調整運行的。探針導體6具有長度15。
在圖2中示出了根據本發(fā)明的液位測量裝置100的一種可選的實施方式。液位測量裝置100基本上與如圖I所示的液位測量裝置I具有相同的結構。圖2示出了使用在非導電性箱體200上的液位測量裝置100。與如圖I所示的液位測量裝置I不同的是，如圖2所示的液位測量裝置100具有相對電極16。相對電極16平行于探針導體6地通過開口 5進入箱體200。與圖I所示情況不同的是，振蕩器7的極點10沒有與箱體200連接，而是與相對電極16相連接。其他相應的元件及其布置見如圖I所描述的液位測量裝置I。為了如同使用于在非導電性箱體200中測量水平高度3的液位測量裝置100運行一樣地使用于測量箱體2中的水平高度3的液位測量裝置I運行，每個都可以使用下面將要說明的方法。借助于分析或控制單元9，通過控制信號電路14控制振蕩器7，以便在頻率為 0-500HZ之間時連續(xù)運行。在分析或控制單元9中針對每個頻率確定振幅并存儲。在該實施例中所選擇的用于掃頻的頻率間隔為0到500Hz，其適用于根據本發(fā)明的具有50cm數量級的長度15的探針導體6。已經證實選擇這種頻率間隔能夠實現桿長度僅達到約20cm的根據本發(fā)明的水平高度測量。但是在本發(fā)明的框架下，如果相應地增加所分析和激發(fā)的頻率間隔，同樣可以將桿長度選擇為例如僅幾毫米。然后，在分析和控制單元9中寫入在圖3中以圖像示出的頻譜。在如圖3所示的視圖中描述了各個頻譜，即所測量到的探針導體6的基點阻抗的振幅。在此，曲線17示出了針對未浸入介質4中的探針導體6的頻率響應。曲線18示出了當與饋電點11相對的探針導體6的端部位于水平高度3的高度上并因此直接接觸到介質4時所獲得的頻譜。曲線19示出了當探針導體6以其長度15的20%浸入介質4中時的頻譜。相應的，曲線20、21、22分別示出了當在介質4中的浸入深度分別為相對電極16的長度15的40%、60%或80%時的頻譜。圖3還描述了用于分析0到500Hz掃頻的測量結果的求值窗口 23。正如所看到的那樣，該求值窗口 23環(huán)繞頻譜17的第一振幅最小值24圍成約50Hz的頻率區(qū)域。求值窗口 23沿垂直方向圍成一個振幅區(qū)域,該區(qū)域包括位于干曲線(Trockenkurve) 17的振幅最小值24上的振幅值。為了按照根據本發(fā)明的方法使用如圖I或圖2所示的根據本發(fā)明的測量裝置作為電位監(jiān)視器，定期或者連續(xù)地利用振蕩器7進行掃頻，其至少包圍了求值窗口 23的水平膨脹。隨后確定測量信號的振幅是否落在求值窗口 23的內部。如果是，則在分析和控制單元9中推斷出，水平高度3此時位于探針導體6的下面，因此探針導體6不接觸介質4。相應地得到頻率曲線17。一旦探針導體6接觸到介質4，掃頻將產生曲線18，其特征在于，曲線18的第一振幅最小值25相對于干曲線17的振幅最小值24強烈移動，以至于該振幅最小值25落在了求值窗口 23的外面。由此在分析和控制單元9中推斷出已達到閾值水平，并產生相應的輸出信號12。如圖3所示，對于連續(xù)升高的探針導體6在介質4中的浸入深度，頻譜19、20、21和22的第一振幅最小值同樣明顯落在求值窗口 23的外面。因此，利用根據本發(fā)明的方法可以實現電位監(jiān)視器的功能。此外，利用根據本發(fā)明的方法還能夠實現對水平高度3的連續(xù)確定，其前提條件是，與饋電點11相對的探針導體6的端部至少接觸介質4，或者其長度15的一部分伸入到介質4中。因此，如果可以確定在求值窗口 23的內部沒有信號，則由曲線18、19、20、21、22的第二振幅最小值的分析為電極6的探針在介質4中的浸入深度的程度提供一個數值。另外如圖3所示，根據實驗可知，頻譜18、19、20、21、22的第二振幅最小值26、27、28,29,30隨著逐漸增加的浸入深度向更高的頻率移動。因此，對第二振幅最小值26、27、28,29,30的位置的分析可以在校準的框架下借助于分析和控制單元9轉換成說明水平高度3的輸出信號12。圖4說明了第二振幅最小值的位置的變遷。在圖4中，根據接觸到介質4或浸入介質4中的探針導體6，由頻譜18、19、20、21、22的第二振幅最小值的位置形成浸入深度的函數曲線31。在此，菱形符號對應測量值，連接線僅關系到線性插值。相應地，曲線31上的測量點32對應如圖3所示的干曲線17的第二振幅最小值33 (其與3/4 A諧振相關聯)的位置。
正如所看到的那樣，當觀察測量點34時，其對應于圖3的第二振幅最小值26，與此相應的是探針導體6與介質4的第一次接觸，頻率以IOOMHz的數量級發(fā)生明顯下降。在曲線31的另一進程中，可以看到隨著探針導體6在介質4中的浸入深度不斷增加，頻率基本上是持續(xù)上升的。在40%浸入深度時，振幅最小值的頻率位置在測量點35與在測量點32是大約相同的，在此，測量點35對應曲線20的振幅最小值28，而測量點32對應如圖3所示的干曲線17的第二振幅最小值33。為了能夠在測量點上以明確的方式實現對連續(xù)液位高度的分析，始終將求值窗口23的分析作為附加的標準，從而能夠排除在測量點32和測量點35之間的混淆，因為當沒有信號落在求值窗口 32中時，測量點32可以不出現。此外，正如在圖4中根據曲線36所說明的，還可以通過類似的方式進行對各個曲線18、19、20、21、22的第三振幅最小值的位置移動的分析。曲線點37、38、39、40在此分別對應如圖3所示相應曲線的第三振幅最小值(其與5/4 X諧振相關聯)。由圖3可以看到，具有高浸入深度的曲線的第二振幅最小值的位置與具有低浸入深度的曲線的第三振幅最小值的位置是重疊的。設振幅最小值的位置與浸入深度一一對應，如果附加地確定并分析振幅最小值的品質，是可以對第二和第三振幅最小值加以區(qū)分的。因為由圖3所示的試驗可知，可以通過獨特的方式區(qū)分第三振幅最小值的品質和第二振幅最小值的品質。在目前的應用情況下，關于振幅不僅可以將其理解為最小值的模，還可以將其理解為最小值的寬度。此外，在本發(fā)明的框架下，對品質的分析還允許將最小值的識別作為進行進一步分析的先決條件。通過這種方式，按照根據本發(fā)明的方法使用根據本發(fā)明的裝置，不僅可以實現電位監(jiān)控，而且可以進行連續(xù)的液位測量。為了校準根據本發(fā)明的裝置，需要進行掃頻，并在干燥情況下確定振幅最小值的位置，以便確定對于分析很重要的求值窗口 23。這種校準在任何時候都可以很容易地進行，并特別要求不會對相關結構造成干擾。當測量裝置使用具有其他長度15的探針導體6時，就必然需要進行校準。相反，當待測量的介質4發(fā)生變化時，根據本發(fā)明并非必須進行校準，因為根據試驗可知，浸入深度的測量值或對問題探針導體6是否接觸到介質4的回答已經證實與介質無關。圖5示出了根據本發(fā)明的用于識別水平高度的方法的一種優(yōu)選的實施方式。正如在圖5中參照電路原理圖所闡述的那樣，根據本發(fā)明的這種實施方式，為振蕩器7配置脈沖發(fā)生器45，其暫時性地脈沖接通或關閉振蕩器7。為此，脈沖發(fā)生器45原則上發(fā)出矩形脈沖46傳遞到振蕩器7上，該矩形脈沖在邏輯I和邏輯O之間變化。振蕩器7按照如圖I和圖2所示的ー種配置接入電路中。正如在圖5a中以f所表示的，振蕩器7是變頻可調的。在根據本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的實施方式中，現在通過脈沖發(fā)生器45產生具有矩形脈沖46的矩形信號，并通過該矩形信號脈沖接通或關閉振蕩器7。將矩形脈沖46的寬度選擇為，使其在任意一個頻率f時都具有多個振動周期。為了利用該方法以離散的頻率步長對頻譜進行采樣，根據本發(fā)明，振蕩器7的頻率f從矩形脈沖46向矩形脈沖46變化。但是，頻率f在此對于每ー個矩形脈沖46的持續(xù)時間都保持恒定不變。因此，在所描述的運行方式中由振蕩器7發(fā)出的信號原則上與圖5中示意性示出的信號一祥。圖5b示出了由振蕩器7給出的電壓的時間進程的圖形。可以 看到，該信號由所謂的突發(fā)脈沖串47、48、49組成。頻率f在每個突發(fā)脈沖串47、48、49內部都是恒定的。但是突發(fā)脈沖串47內部的頻率不同于突發(fā)脈沖串48內部的頻率，它們本身又都不同于突發(fā)脈沖串49內部的頻率。附圖標記列表I液位測量裝置2導電箱體3水平高度4 介質5 開ロ6探針電極7振蕩器8放大器9分析和控制單元10 極點11極點/饋電點Zg內阻抗Zv放大器內阻抗12輸出信號13附著物14控制信號15 長度16相對電極100液位測量裝置200非導電箱體17未浸入探針導體的頻譜/干燥頻譜18恰好與介質4相接觸的探針導體的頻譜
19 20%浸入介質中的探針導體的頻譜20 40%浸入介質中的探針導體的頻譜21 60%浸入介質中的探針導體的頻譜22 80%浸入介質中的探針導體的頻譜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相對于浸入深度的第二振幅最小值的位置32測量點33第二振幅最小值，干燥情況34測量點35測量點36相對于浸入深度的第三振幅最小值的位置37測量點38測量點39測量點40測量點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脈沖發(fā)生器46矩形脈沖47突發(fā)脈沖串48突發(fā)脈沖串49突發(fā)脈沖串
權利要求
1.一種用于識別優(yōu)選為箱體(2，200)中的介質(4)的水平高度(3)的裝置(1)，該裝置具有基本上垂直伸入所述箱體(2, 200)中并相對于所述箱體電絕緣地安裝的長形電探針導體(6);隨時間變化的電發(fā)生器(7)，其具有用于連接所述探針導體(6)的饋電點(11)的內阻抗(Zg)，以在該饋電點上提供隨時間變化的電壓，其中，所述饋電點(11)設置在所述探針導體(6)的優(yōu)選在箱體一側的端部上；和分析和/或控制單元(9)，用于分析所述探針導體(6)的電氣值，其特征在于，所述分析和/或控制單元(9)設計為，在所述饋電點(11)上測量所述探針導體(6)的基點阻抗。
2.如權利要求I所述的裝置(1)，其特征在于，所述發(fā)生器(7)包括電振蕩器(7)，用以在所述饋電點(11)上供應具有預設頻率的交流電壓。
3.如權利要求2所述的裝置(1)，其特征在于，所述振蕩器(7)用于產生交流電壓，該交 流電壓具有由所述探針導體(6)、振蕩器(7)、箱體(2，200)和/或相對導體(16)所構成的電路的諧振頻率，其中，所述分析和/或控制單元(9)設計為，在所述饋電點(11)上測量所述探針導體(6)的基點阻抗。
4.如權利要求3所述的裝置(1)，其特征在于，將所述振蕩器(7)設計為，產生具有入/4頻率的交流電壓，該頻率基本上對應于具有四倍于所述探針導體(6)的長度延伸(15)的波長。
5.如權利要求2或3所述的裝置(I)，其特征在于，所述振蕩器(7)還設計成電連接到所述箱體(2)上。
6.如前面任一項權利要求所述的裝置(I)，其特征在于，所述發(fā)生器(7)包括用于產生控制脈沖的脈沖發(fā)生器，其中，所述分析和/或控制單元(9)設計為，在所述饋電點(11)上頻率激活地測量所述探針導體(6)的基點阻抗。
7.如前面任一項權利要求所述的裝置(I)，其特征在于，所述發(fā)生器(7)包括用于產生激勵脈沖的脈沖發(fā)生器，在此，所述激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。
8.如前面任一項權利要求所述的裝置(1)，其特征在于，除了所述探針導體(6)之外，設置用于構成電相對極點的電相對導體(16)，在此，附加地將所述振蕩器(7)設計為，電連接在所述相對導體(16)上。
9.如權利要求8所述的裝置(I)，其特征在于，將所述相對導體(16)優(yōu)選與所述探針導體(6)平行地設置在所述箱體(200)內。
10.如權利要求8或9所述的裝置(I)，其特征在于，所述相對導體(16)基本上與所述探針導體(6)相同地構成。
11.如權利要求8到10中任一項所述的裝置(I)，其特征在于，所述相對導體(16)構成為開放的帶狀導線。
12.如前面任一項權利要求所述的裝置(1)，其特征在于，將所述探針導體(6)構型為桿狀的和/或繩。
13.如前面任一項權利要求所述的裝置(I)，其特征在于，在所述分析和/或控制單元(9)和由所述探針導體(6)、所述振蕩器(7)和所述箱體(2，200)和/或所述相對導體(16)組成的電路之間接入可變阻抗(Zv )。
14.如前面任一項權利要求所述的裝置(1)，其特征在于，設置用于對所述振蕩器(7)進行脈沖控制和/或優(yōu)選在頻率間隔中連續(xù)變化頻率的裝置，其中，將所述振蕩器(7)設計為，產生優(yōu)選在、/4頻率的3倍和/或5倍值的范圍內和/或在/4頻率的2倍和/或4倍值的范圍內的頻率。
15.一種運行如權利要求I到14中任一項所述裝置的方法，其特征在于，為了測量基點阻抗，在至少一個頻率下測量振蕩振幅，以確定水平高度(3)。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，借助發(fā)生器產生交流電壓。
17.如權利要求15或16所述的方法，其特征在于，借助于發(fā)生器(7)產生控制脈沖。
18.如權利要求15到17中任一項所述的方法，其特征在于，借助于所述發(fā)生器(7)產生激勵脈沖，其中，所述激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。
19.如權利要求15到18中任一項所述的方法，其特征在于，在參考頻率下測量振蕩振幅，其中，在超過預先選定的振蕩振幅閾值時產生信號。
20.如權利要求15到19中任一項所述的方法，其特征在于，所述參考頻率是X/4頻率和/或X /4頻率的奇數整數倍的頻率。
21.如權利要求15到20中任一項所述的方法，其特征在于，所述參考頻率是X/4頻率的兩倍和/或X /4頻率的偶數整數倍的頻率。
22.如權利要求15到21中任一項所述的方法，其特征在于，所述振蕩器(7)依次在不同的頻率下運行，其中，測量并記錄振蕩振幅，并且在所記錄的頻譜(17，18，19，20，21，22)中確定至少一個振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42)的頻率位置。
23.如權利要求15到22中任一項所述的方法，其特征在于，使用至少一個振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42)和/或至少一個振幅最大值的頻率位置來確定所述水平高度(3)。
24.如權利要求15到23中任一項所述的方法，其特征在于，確定至少一個振幅最小值(24，25，26，27，28，29，30，41，42 )的品質，以便為了確定所述水平高度(3 )而確定對應的諧振級數。
25.如權利要求15到24中任一項所述的方法，其特征在于，所述頻率間隔包括X/4頻率的三倍值和/或五倍值。
26.一種特別是在探針導體(6)改變之后，對如權利要求I到13中任一項所述的裝置(I)進行校準的方法，其特征在于，記錄由所述探針導體(6)、發(fā)生器(7)和箱體(2，200)和/或相對導體(16)所構成的電路的頻譜(17)，其中，所述探針導體(6)在記錄期間不與介質(4)接觸，以及，確定在所述頻譜(17)中至少一個振幅最小值(24，29)的頻率位置。
27.如權利要求26所述的校準方法，其特征在于，為了記錄所述頻譜(17)，使所述發(fā)生器(7)依次在不同的頻率下運行，其中，測量并記錄振蕩振幅。
28.如權利要求26或27所述的校準方法，其特征在于，為了記錄所述頻譜(17)，借助于所述發(fā)生器(7)產生控制脈沖。
29.如權利要求26到28中任一項所述的校準方法，其特征在于，借助所述發(fā)生器(7)產生激勵脈沖，其中，所述激勵脈沖具有至少一個在與最大待分析頻率的倒數的數量級相對應的時間間隔內升高至最大值的沿。
30.一種如權利要求I到14中任一項所述裝置(I)的應用，其特征在于，利用電位和/或電容和/或回聲的方法并行測量同一介質(4)的同一水平高度 (3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于優(yōu)選識別箱體(2，200)中介質(4)的水平高度(3)的裝置(1)，具有基本上垂直伸入箱體(2，200)中并相對于箱體電絕緣安裝的長電探針導體(6)；隨時間變化的電發(fā)生器(7)，其具有用于連接探針導體(6)的饋電點(11)的內阻抗(Zg)，以在該饋電點上提供隨時間變化的電壓，其中，饋電點(11)設置在探針導體(6)的優(yōu)選在箱體一側的端部上；分析和/或控制單元(9)，用以分析探針導體(6)的電氣值，該裝置能夠簡單、容錯和低成本地檢測任意介質，特別是液態(tài)、糊狀和/或顆?；墓腆w介質的水平高度，該分析和/或控制單元(9)設計為，在饋電點(11)上測量探針導體(6)的基點阻抗。
文檔編號G01F23/26GK102753948SQ201080059315
公開日2012年10月24日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2009年12月30日
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