[發明專利]分層介質的物位測量方法

有效

• 申請號: 201410031100.0
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103968916B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 托馬斯·韋伯;斯特凡·施魏格爾
• 申請（專利權）人: 西克股份公司
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司11262
• 代理人: 周靖,鄭霞

本發明涉及一種容器內的物位測量的方法，所述容器具有第一介質和至少一種覆于其上的第二介質，特別是泡沫層，還涉及為此方法構建的傳感器。

已知的測量物位的方法是基于，將電磁信號發射到具有待測物位的容器內并對反射后的信號進行分析。可能的是，可像在雷達一樣自由輻射信號。由于波的傳播不能控制，所以通常優選時域反射計量法(TDR)。該時域反射計量法是以確定電磁信號的渡越時間為基礎，以便計算傳輸線波阻抗的不連續性的距離。不同于雷達的是，電磁波不能輻射到外部，而是沿導體傳輸。導體被設計成單探針或同軸探針，將其垂直或斜向插入罐中且盡量接近底部，用以覆蓋整個測量范圍。

在TDR測量時會有很短的電發射脈沖饋入到導體中并在相反端的方向上穿過導體。當脈沖遇到干擾點(其相當于改變這個位置的波阻抗)時，一部分發射能量被反射回傳輸線的發送端。由發射脈沖的發射與反射的接收之間的渡越時間可準確計算出干擾點的位置。干擾點的一個重要范例就是分界面，它將具有不同物理性質或化學性質的兩個空間區域分隔開，如兩種介質之間的分界面。

為了能準確地確定接收時間，要對接收信號的曲線進行采樣并進行數字估算。在這種情況下，例如要找到信號曲線中的局部極值點并將其時間位置與在分界面上的反射相關聯。

困難之處在于，存在多個分界面的情況，例如容器內有多種介質時就是這種情況。在這種情況下，介質可以是水，其積聚在油箱底部。一種重要的情形是在液體表面處形成泡沫。人們經常想要確定此處實際介質的物位。在泡沫的分界面處的反射也可能與該介質的測量脈沖混淆或者甚至與該測量脈沖合并在一起，致使根本得不到有意義的測量結果。因此，專為識別單個反射信號所設計的傳統的分析算法不能處理這種測量情況。

因此，就連將傳統的分析算法通過多分界面的多回波分辨率進行擴展也會受到實踐中經常都不具備的前提條件的阻礙，這種條件就是分離層必須具有一定的距離，以便使分離層中產生的脈沖在回波信號中彼此有足夠的間距。更難的是，當介質的各層不均勻的情況。例如介質為泡沫時，其密度和相對介電常數根據未知的、通常為單調的函數上升，從而使得回波信號中產生眾多彼此重疊的小脈沖。

一種可能的解決辦法可能是，增加發射脈沖的帶寬。由此分離由于分界層彼此離的太近而產生的回波脈沖。但與此同時對電子設計(如采樣率以及隨后的信號采集)的要求也變得更加嚴格了。為此在10GHz以上的高頻率時，單探針中的衰減會由于集膚效應而大大增加，從而使得信噪比可能變得不足。無論如何增加帶寬均無法解決以下問題，即將在泡沫和介質上產生的回波區分開來并從而確定，讀取的既非泡沫物位又非介質物位，而是介質的假物位，或者最壞的情況就是根本讀不出測量值。

另一種解決方法可能是，使用同軸探針來代替單探針。由此能夠相對于泡沫改善阻抗，這是因為回波主要是由于同軸管內的場空間中的變化所引起的。通過將同軸管有利地設計成只有小的開口使得有可能減少進入管內的泡沫。但與單探針相比，其應用范圍會受到限制，這是因為一部分待測介質可能沉積在同軸管內。這會影響傳感器的可用性。從衛生要求方面看，這種使用根本行不通。此外用這種方式就連泡沫的物位也無法確定。

從一開始就通過添加化學藥劑或通過使用具有優化工藝參數的設備來減少泡沫的形成這種方法，在大多數的應用過程中無法實現。化學藥劑影響工藝介質并且在食品行業不管怎樣大多是不可設想的。通過優化工藝參數來緩解這一問題，但恰好在啟動時的工作階段以這種方式不足以抑制泡沫的形成。

EP 2 365 302 A1描述了一種方法，以這種方法第一次借助在探針到容器的過渡區域處的過渡脈沖和分界面上的回波來確定到分界面的距離和界面生成介質的相對介電常數，并且二次借助探針末端的工件脈沖來確定。如果這些測量彼此不一致，則推斷出存在其他分界面并將該方法迭代地應用到其它分界面上，直到測量出所有的物位。這就需要兩個參考脈沖的詳細信息，即最初的過渡脈沖和探針末端的工件脈沖的信息。為了使此處足夠精確，對電子設備提出了高要求，這會導致相應的制造成本。即使是這樣也不能從單探針(與同軸探針不同，其會受到的干擾影響非常多)的過渡脈沖足夠準確地推斷出發射能量的被傳輸的比例。另外探針末端的工件脈沖由于在不同介質中傳播所以一開始就以完全無法定義的方式延遲和衰減，并因此在許多測量情況下不能作為可靠的參考依據來使用。此外，在物位低時，工件脈沖也可能與測量脈沖重疊，甚至致使參考失真。