电容式测量料位的设备和方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201180066171.9	申请日：	2011.12.09
公开号：	CN103339481A	公开日：	2013.10.02
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01F 23/26申请日:20111209\|\|\|公开
IPC分类号：	G01F23/26	主分类号：	G01F23/26
申请人：	恩德莱斯和豪瑟尔两合公司
发明人：	戈尔德·贝希特; 阿尔明·韦内特; 卡伊·乌彭坎普
地址：	德国毛尔堡
优先权：	2011.01.26 DE 102011003158.8
专利代理机构：	中原信达知识产权代理有限责任公司 11219	代理人：	张焕生;谢丽娜
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内容摘要

本发明涉及一种用于电容式确定和/或监测容器（3）中介质（4）的至少料位的设备，所述设备包括：探测单元（1），具有至少一个探测电极（11）；和电子单元（2），至少向所述探测电极（11）提供电发送信号以及接收和分析来自所述探测单元（1）的电响应信号。本发明还涉及一种相关方法。本发明的特征在于：所述电子单元（2）使用频率搜索至少有时向所述探测电极（11）提供发送信号。所述发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散频率。所述电子单元（2）使用频率搜索确定对于当前使用参数最优的测量频率，且所述电子单元（2）根据最优测量频率的响应信号确定料位。

权利要求书

1.   一种用于电容式确定和/或监测容器（3）中的介质（4）的至少料位的设备，所述设备包括：
探测单元（1），所述探测单元（1）具有至少一个探测电极（11），以及
电子单元（2），所述电子单元（2）至少向所述探测电极（11）提供电发送信号以及接收和评估来自所述探测单元（1）的电响应信号，
所述设备的特征在于：
所述电子单元（2）借助于频率扫描至少有时向所述探测电极（11）提供发送信号，所述发送信号具有在可确定的频带中的相继的多个离散频率，
所述电子单元（2）基于所述频率扫描，确定对当前应用参数最优的测量频率，以及
所述电子单元（2）根据属于所述最优的测量频率的响应信号确定料位。

2.   利用带有至少一个探测电极（11）的探测单元（1）电容式确定和/或监测容器（3）中的介质（4）的至少料位的方法，
其特征在于：
至少有时借助于频率扫描向所述探测电极（11）提供电发送信号，所述电发送信号具有在可确定的频带中的相继的多个离散激励器频率，
基于所述频率扫描，确定对当前应用参数最优的测量频率，并且
根据属于所述最优的测量频率的探测电极（11）的响应信号，确定料位。

3.   如权利要求2所述的方法，
其特征在于：
向所述探测电极（11）连续提供用于确定和/或监测料位的最优的测量频率。

4.   如权利要求2或3所述的方法，
其特征在于：
对于所述发送信号的每一个频率，根据相应的响应信号，确定和存储依赖于当前应用参数的所述响应信号的至少一个特征变量和/或从至少一个特征变量导出的至少一个因变量的数值，并且
对于该频率，检查相应确定的特征变量和/或因变量的至少一个何时满足用于所述最优测量频率出现的至少一个预定判据。

5.   如权利要求4所述的方法，
其特征在于：
特别地，在所述发送信号和所述响应信号之间的相移和/或导纳和/或所述响应信号的幅值被确定为特征变量，和/或
特别地，电容和/或所述介质（4）的料位被确定为从所述特征变量导出的因变量。

6.   如权利要求4或5所述的方法，
其特征在于：
对于超过或低于界限值的判据是：极点的出现，特定数值的采取或特定斜率的出现。

7.   如权利要求4到6中的一项所述的方法，
其特征在于：
判据是：在所述特征变量和/或因变量之一的相应数值满足特定判据的情况下，所述频率是这个判据被满足的最高频率。

8.   如权利要求4到7中的一项所述的方法，
其特征在于：
在特定频率确定的所述特征变量和/或因变量的至少一个的时间曲线被监测。

9.   如权利要求4到8中的一项所述的方法，
其特征在于：
所述探测单元（1）的至少一部分的破损通过监测所述响应信号中出现谐振的频率来检测。

10.   如权利要求2到9中的一项所述的方法，
其特征在于：
基于所述频率扫描，确定至少一个当前应用参数，优选地是所述介质的参数，特别地是所述介质（4）的电容率和/或导电性，和/或所述探测单元（1）上的介质沉积的出现或沉积的量。

说明书

电容式测量料位的设备和方法
技术领域
本发明涉及利用探测单元至少电容式确定和/或监测容器中的介质料位的设备和方法。除了料位外，例如介质的导电性和/或电容率是可确定的，或可以监测是否在该探测单元上形成了沉积。
背景技术
利用电容测量原理的测量装置经常被用于液体介质的料位测量。一般说来，这种测量装置包括带有杆形传感器电极的探头，并且在给定的情况下，包括用于在探头上形成沉积的情况下改善测量的屏蔽电极（guard electrode）。介质的料位根据电容器的电容确定，所述电容器是由探测电极和容器壁或第二电极形成的，其中交变电压被置于探测电极上。依赖于介质的导电性，介质和/或探头绝缘形成了电容器的电介质。所述屏蔽电极处于与探测电极相同的电势，并且其至少部分同轴地围绕探测电极。例如，带保护的探头在DE3212434C2中被描述，且不带保护的探头在文献WO2006/034959A2给出。具有不同实施和不同探头长度的用于连续料位确定或限位测量的电容探头由本申请的受让人制造与销售。
发明内容
在电容式探头的情况下，存在这样的问题，即由于谐振效应，探头越长，所应用的交变电压的频率就被选得越小。然而，高的测量频率增加了沉积不灵敏性。然而，在短探头和长探头的情况下，沉积实际发挥相同的作用。为了提供兼容任意长度的探头的电子单元，通常使用对于所有长度的探头同样适用的测量频率。然而，这导致低于短探头的最优频率。
另一个问题出现在具有电导率值的介质的情况下，这种介质位于电容率依赖测量和电容率独立测量范围之间的过渡区域中。在该区域内料位不能可靠地确定，使得这些介质被排除在电容式料位测量之外。
本发明的目的在于扩大电容式料位测量的应用范围。
该目的通过一种设备实现，所述设备为用于电容式确定和/或监测容器中的介质的至少料位。所述设备包括：探测单元，所述探测单元至少具有一个探测电极；和电子单元，所述电子单元至少向所述探测电极提供电发送信号以及接收和评估来自所述探测单元的电响应信号，其中所述电子单元借助于频率扫描，至少有时向所述探测电极提供发送信号，发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散频率，其中所述电子单元基于所述频率扫描，确定对于当前应用参数的最优的测量频率，且其中所述电子单元根据属于所述最优测量频率的响应信号确定料位。
本发明的目的进一步被一种方法实现，所述方法利用带有至少一个探测电极的探测单元来电容式确定和/或监测容器中的介质的至少料位。本方法通过包括如下的特征被区分：借助于频率扫描，所述探测电极至少有时被提供有电发送信号，电发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散激励器频率，基于所述频率扫描，确定对于当前应用参数最优的测量频率，和根据属于所述最优测量频率的探测电极的响应信号确定料位。
频率扫描还可以使得其他情况下被排除的在1到100μS/cm之间的用于电容测量的电导率范围变得可测量。这是通过检测测量频率完成的。在此情况下，响应信号显示为对料位的独特的尤其是线性的依赖。在没有问题的电导率值情况下，与现有技术相比，测量性能被改善，因为频率扫描可以使得利用测量频率的测量对于特殊应用最优。例如，最优测量频率意味着对任何特定探头几何外形总会最大可能地呈现沉积不灵敏性。同时，由于处于最优测量频率的响应信号的非线性行为在料位显示中的误差是尽可能小。以对当前应用最优的测量频率的响应信号，导致了料位的确定具有最小可能的测量误差。
因为可变的测量频率，不再要求用户在两个测量频率之间从而在两个相应的电子单元之间，根据各自的应用进行选择，也不需要检查电容测量原理从根本上是否可应用。制造商不再在提供可广泛应用的测量装置和最好可能的料位测量之间权衡。实现为执行频率扫描的电子单元对于任何应用都是普遍可适用的，因为测量频率和应用参数是相匹配的，即便当这些参数变化时。
探测电极被提供呈交变电压形式的发送信号。根据本发明，尽管在现有技术中特定频率是预定的，但发送信号的频率在一定的频带中是变化的。频率扫描被执行。换言之，利用相继的多个频率完成激励。例如，在每一种情况下，频率的步长位于10kHz和1MHz之间，且可随着频带的频率变化。频带优选地包括多个数量级。例如，频带可以从10kHz扩展到10MHz。响应信号是电流信号，所述响应信号被电子单元接收作为利用发送信号对探测电极提供的响应，例如，所述响应信号通过电阻器被转变成相应的电压信号且为评估而被数字化。
除了别的以外，响应信号受到电容器的电容的影响。所述电容器由探测电极、对电极、或容器、介质以及在给定的情况下的探测电极的绝缘体所形成。因为电容依赖于料位，料位根据响应信号是可确定的。在这种情况下，在最优测量频率处记录的响应信号被用来评估料位。最优测量频率借助于算法而被确定。为了确定电容，评估算法被实施在电子单元中，该电子单元在最优测量频率处相应地评估响应信号。处于最优测量频率的响应信号的评估算法与用于评估当向探测电极提供固定频率时已记录的响应信号的已知的评估算法没有区别。除了用于确定和/或监测料位的算法以及发现最优测量频率之外，优选地在电子单元中实施其他的算法，所述算法根据对频率扫描的响应的信号确定其他信息。
对于当前应用响应信号是典型的，即，例如，对于现有环境参数，比如料位、介质的物理性质、或者探测单元上的沉积，以及对于探头的特别地实施例，尤其是探头长度。所有的变量都被归入术语“产生最优测量频率的应用参数”中。在料位可被最精确测量的情况下，最优测量频率根据响应信号是可确定的，或借助于从响应信号中获得的特征变量是可确定的。
在本发明的解决方案的第一实施例中，探测电极被连续地提供有用于确定和/或监测料位的最优检测频率。如果不希望应用参数改变，那么向探测电极提供确定的最优测量频率是有利的。为了找到最优测量频率，探测电极至少在启动阶段被提供有频率扫描，以确定对于当前应用最优的测量频率。在这种情况下，料位只是在最初借助于频率扫描被确定。随后，该探测电极被提供有具有确定的最优测量频率的发送信号，且根据响应信号被确定和/或监测的料位在该频率上被获得。为检查最优测量频率是否已按照一定的间隔变化，可执行附加频率扫描。
在可替代地实施例中，探测电极总是被提供有相继的频率扫描以及基于相应的频率扫描的最优测量点确定的和/或检测的料位。应用相继的频率扫描提供了一种优势，即在应用参数变化的情况下，测量点快速地与新条件相匹配。带有频率扫描的测量设备的持续操作，为确定或检测其他过程变量或参数额外地提供了机会。
在本发明的方法的进一步发展中，对于发送的信号的每一个频率，根据相关的响应信号，依赖于当前应用参数的响应信号的至少一个特征变量和/或从至少一个特征变量导出的至少一个因变量的数值被确定、储存，并且检查，对于频率，何时各自确定的特征变量中和/或因变量的至少一个满足最优测量频率出现的至少一个预定判据。术语“特征变量”是指从响应信号直接可确定的直接可测量变量。在这种情况下，因变量是可以根据至少一个直接可测量的特征变量计算的（例如考虑到进一步的变量，例如探头参数或已知介质性质）变量。因此，因变量也可以是要确定的过程变量，例如料位。实现在用于寻找最优测量点的电子单元中的评估算法评估了至少一个直接从响应信号获得的特征变量，和/或至少一个从那里导出的尤其是在那里计算的因变量。一般说来，特征变量和因变量取值，一方面依赖于测量频率且另一方面差不多完全依赖于当前应用参数。例如，这些参数为电导率或介质的电容率、探头几何形状尤其是探头长度、安装几何形状或在探测单元上形成的介质沉积。因此，通过已确定的判据，频率被确定，其相应的响应信号非常精确地代表料位。
本发明的进一步发展提供了尤其是在发送信号和响应信号之间的相移和/或导纳，或响应信号的幅值被确定为特征变量，和/或尤其是电容和/或介质的料位被确定为从特征变量导出的因变量。
本方法的进一步发展提供了用于超过或低于极值的判据，所述判据是出现极点、采取特定数值或出现特定斜率。利用检查特定判据的预定算法，发生已记录的包络曲线即相应数据对的分析。判据尤其用于相位曲线或料位或电容曲线，其中相对于所有的扫描频率记录。例如判据是正斜率或负斜率的出现，或者在代表相对于频率的电容或料位曲线上高点或低点的出现。例如，进一步的判据为，在输入和输出电压之间，即在发送信号和响应信号之间的相移或对应于响应信号的电压，是否取理想为‑90°的期望值。除了用于特征变量和/或因变量的判据以外，介质的已知参数例如电导率也可以考虑用于评估。
在本方法的有利实施例中，判据是，在特征变量和/或因变量之一的相关数值满足特定判据的情况下，频率是这个判据被满足的最高频率。测量频率越高，沉积不灵敏性越小。因此，最高可能的频率被用作最优测量频率。
在本发明的实施例中，在特定频率确定的特征变量和/或因变量的至少一个的时间曲线被监测。例如，用这种方式探测单元上形成的沉积是可检测、可补偿的。时间曲线的监测也可以针对多个频率而执行。
在本发明的方法的进一步发展中，探测单元的至少一部分的破损是通过监测在响应信号中的频率来检测的，在该频率上出现谐振。响应信号中的谐振例如通过穿过频带上部区域的电容或料位曲线的正斜率或电容或料位的相对高值，是可识别的。
另一种进一步的发展为，基于频率扫描，确定至少一个当前应用参数，优选的是介质的参数，特别地是介质的电容率，和/或电导率和/或探测单元上的介质沉积出现或其量。在这种情况下，对于介质参数的确定，需要已知的探头几何形状和安装几何形状。
传感器参数和/或介质参数被有利地考虑到执行和/或评估频率扫描中，例如，在选择频率扫描的频带中和/或在选择判据时和/或在评估介质的沉积或参数中。
附图说明
基于附图详细说明本发明将，本发明的附图如下，其中所述设备被实现为执行其全部实施例中的方法。其中
图1为带有探测单元的电容测量装置；
图2为已确定料位与导电性和测量频率的相关性的三维图；以及
图3为料位测量方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种用于容器3中的介质4的至少料位的电容式确定的设备。所述设备包括探测单元1，所述探测单元1伸入容器3中。在本实施例中，所述探测单元1包括探测电极11和绝缘体12，所述绝缘体12完全包围着探测电极11且与介质4电绝缘，这里的介质4是液体介质。由容器3的壁形成用于电容测量的对电极（counter electrode）。然而，它同样可以是插入容器3中的第二探头且包括参考电极。利用这种探测单元1可连续确定介质4的料位。然而，本发明还可以在用于受限水平的电容式记录设备的情况下被使用，这类设备被安装于特定高度且尤其是平齐地进入容器3的壁内。在一个实施例中，探测单元1还包括屏蔽电极，屏蔽电极至少在靠近过程连接的区域内同轴围绕所述探测电极11且同样被绝缘体围绕。利用本发明设备的可确定的变量，除了料位，还例如包括介质4的导电性和/或电容率或探测单元1上的沉积形成。
被设置在容器3外面的电子单元2，以交变电压的形式向探测电极11提供电信号且接收来自所述探测电极11的电响应信号，一般来说，所述响应信号为电流信号，所述电流信号通过电阻器转变成相应的电压信号。这优选馈送给所述电子单元2中的微控制器的模拟/数字转换器。在存在屏蔽电极的情况下，它接收与所述探测电极11相同的发送信号。响应信号的参数，比如，相对于发送信号的相移或振幅，除了别的以外，依赖于所述探测单元1有多少被介质4围绕，使得基于响应信号，介质4的料位可以被连续不断地确定和监测。另一个相关性来自于介质的电导率σ和介电常数ε即电容率。对于这种情况，介质4不导电，不需要绝缘且要测量的是在探测电极11和带有作为电介质的介质4的容器3之间的电容。对于这种情况，其中所述介质4至少有微弱的电导率σ，此外，在探测电极11和介质4之间的电容被测量，其中，绝缘体12代表由探测电极11和介质4形成的介电电容器。在具有高电导率σ的情况下，只有绝缘电容被测量，使得在这种情况下的测量独立于介质的介电常数ε的数值。
图2示出了介质4的料位关于介质的电导率σ和测量频率f的相关性。在每一种情况下，对于说明曲线，电容率是相等的。可识别四个区域：
区域I：介质4的电导率σ小且测量频率f处于所示的从10kHz到10MHz的频带的低至中间范围。计算出的料位依赖于介质4的电容率，其中在探测单元1未覆盖和被完全覆盖的情况下，这种相关性通过调整是可消除的。在此区域中，料位精确地可确定。
区域II：在电容率依赖测量和电容率独立测量之间的过渡区域。电导率σ增加且介质4的电阻相应地下降。电导率σ的小变化可以带来所指示的料位的大变化，这使得在现有技术中在此区域中没有可靠的电容料位测量是可行的。
区域III：介质4的电导率σ大到使得只有绝缘电容被测量。该测量独立于介质4的电容率且料位精确地可确定。
区域IV：例如，在本示例中谐振区域开始于1兆赫的测量频率。这出现在所有的电导率σ数值的情况下。显示谐振区域开始的界限频率较低，探测单元1较长。在谐振区域中，没有料位测量是可行的，因为在已测量电容和料位之间，没有较长的线性关系。
在特定频率f的情况下，例如在10kHz的情况下，如果认为料位是根据电导率σ而定，则可以观察到，在电导率值σ的特定范围内，料位是不可确定的。该范围的位置根据频率f而变化。当具有固定的测量频率f时，这样，总有一些电导率值σ从测量中被排除，通过频率扫描，至少有一个频率总能被检测到，在这种情况下，料位测量是可靠地可行的，即，其位于区域I或者区域III中。为此，测量频率f在一定的频带中被依次增加或降低，其中优选地包括多个数量级，比如，从10kHz到10MHz。按照这种方式，可以发现多个测量点，这些测量点对于评估是可用的。在这种情况下，不仅有可能基于在最优测量频率处采集的响应信号进行关于料位的评估，而且还可以，取代利用频率根据特征变量的曲线，确定或监测其他变量。
借助于频率扫描，可以例如检测谐振区域即区域IV开始于哪个界限频率。因此，对于料位确定，可以考虑已测量的数值，该数值在相对高的频率f下被记录，且具有高的沉积不灵敏性，且同时正确地表现料位，因为它安全地位于谐振区域之下。通过频率扫描，总可以发现最优测量点，即频率f且特征变量和/或由此在该频率f上确定的因变量，使得发生的料位确定具有最少的测量误差。
图3示出确定和/或监视介质的料位方法的简单实施例的流程图。在本实施例中，为了评估而记录和储存作为被测值的特征变量，至少是发送信号和响应信号之间的相移和导纳（admittance）Y。这两个变量用来计算电容，并因此用来确定料位。用来确定料位的最优测量频率f_opt，根据作为频率f_i函数的相移和导纳Y(f_i)来确定。
在响应信号的第一频率f₁上，导纳Y(f_i)和在响应信号和发送信号之间的相移被确定为特征变量。然后向探测电极11提供具有第二频率f₂的发送信号，且导纳Y(f₂)和相移被依次确定。这对预定频带的全部的n个频率来执行。在每一个情况下，特征变量Y(f_i)、被储存，使得在频率扫描结束时，导纳Y和相移作为频率f的函数被提供。
借助于合适的评估算法，对于当前应用最优的测量频率f_opt根据已记录的特征变量Y、来确定。为了评估，因变量也可以根据这些参数计算，尤其是考虑附加参数。优选地，电容根据特征变量Y、计算且用于评估的这些特征变量的至少一个是可替代或可补充考虑的。
例如，检查相移数值理想地处于‑90°时的频率，因为当采取探测单元1、介质4和容器3的纯电容布置时，必须满足该判据。优选地，此外至少在这样的点上电容曲线斜率被确定，其中相移的判据得以满足。从高频的大的正斜率，谐振区域的开始可以被识别。最优测量频率f_opt就位于谐振区域之下，以便确保良好的沉积不灵敏性。在有利的实施例中，最优测量频率f_opt因此就是最高频率，在该频率电容具有零斜率或位于特定界限值之下的正斜率，且相移的数值为‑90°。导纳Y、相移和/或电容的相应数值以最优测量频率f_opt形成最优测量点。在该最优测量点确定料位。
另外，为了确定最佳测量点和确定料位，可以执行其他的评估，例如，根据沉积形成或探头的破损。本方法的相应实施例在下面被说明。在关于要确定的所有变量利用频率扫描记录的响应信号评估之后，新的频率扫描在本实施例中开始。
频率扫描或者被连续地重复，或者一个频率扫描导致合适的测量频率，该测量频率随后被用来测量料位。在后一种情况下，电子单元2在初始频率扫描之后，向探测电极11提供已检测的最优测量频率f_opt以及根据相应的响应信号确定料位。例如，相移和导纳Y被测量，且根据相移和导纳Y确定电容，且根据电容确定料位。在特定间隔下或在改变例如沉积形成的应用参数的情况下，然后新的频率扫描被执行且在给定的情况下，测量频率适应于已变化了的应用条件。如果频率扫描被执行，则可以基于在频率扫描期间的响应信号直接确定料位。
在本方法的实施例中，补充地确定介质的介电常数。对于具有电导率值的介质，介电常数是可确定的，所述电导率值位于区域I，即处于介电常数依赖区域。为此，需要对不同的介质进行调谐。这对于在工厂中特殊的探头几何外形或在测量装置的初始阶段可以被执行。然后出现在测量操作中的介电常数，基于响应信号和频率扫描之间的存储关系，例如，根据电容曲线是可确定的。
在该方法的实施例中，介质的导电性被确定。电容依赖于区域II中的导电性。例如，通过将低点出现的频率与校正数据进行比较，可以例如根据在电容或料位曲线的与谐振有关的上升之前的低点位置，确定导电性。
在本方法的附加实施例中，监测探测单元1的破损。特别地，在，探测单元1的情况下，由于长的探头长度被部分地实现为电缆，所以探测单元1的破损或至少部分地破损会出现。这种破损会导致探测单元1的电感下降。在破损的情况下，其后出现谐振的界限频率因此变化为较高频率。在探测单元1的空校正的情况下可测量的界限频率对应于完全无损的探测单元1的最大可能界限频率。通过监测界限频率，例如，通过记录和评估在每次频率扫描的执行中被确定的界限频率的时间曲线，或通过将当前的界限频率和在探测单元1空校正的情况下测量的界限频率相比较，从而破损是可检测的。
在本方法的另外实施例中，通过连续执行频率扫描来检测探测单元上的沉积形成，且在给定的情况下，由此产生的影响可以被补偿。沉积出现的判据例如是，在利用频率扫描记录的电容曲线中出现负斜率。如果位于过渡区域II之上的导电性是已知的，则负斜率可以明显地指出沉积。如果此信息是未知的，至少需要一个用于区分位于过渡区域中的测量点和沉积的另外判据。
参考符号列表
1  探测单元
11 探测电极
12 绝缘体
2  电子单元
3  容器
4  介质

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103339481 A(43)申请公布日 2013.10.02CN103339481A*CN103339481A*(21)申请号 201180066171.9(22)申请日 2011.12.09102011003158.8 2011.01.26 DEG01F 23/26(2006.01)(71)申请人恩德莱斯和豪瑟尔两合公司地址德国毛尔堡(72)发明人戈尔德贝希特阿尔明韦内特卡伊乌彭坎普(74)专利代理机构中原信达知识产权代理有限责任公司 11219代理人张焕生谢丽娜(54) 发明名称电容式测量料位的设备和方法(57) 摘要本发明涉及一种用于电容式确定和/或监测容。

2、器（3）中介质（4）的至少料位的设备，所述设备包括：探测单元（1），具有至少一个探测电极（11）；和电子单元（2），至少向所述探测电极（11）提供电发送信号以及接收和分析来自所述探测单元（1）的电响应信号。本发明还涉及一种相关方法。本发明的特征在于：所述电子单元（2）使用频率搜索至少有时向所述探测电极（11）提供发送信号。所述发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散频率。所述电子单元（2）使用频率搜索确定对于当前使用参数最优的测量频率，且所述电子单元（2）根据最优测量频率的响应信号确定料位。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2013.07.26(86)PCT申请的申请数据PC。

3、T/EP2011/072259 2011.12.09(87)PCT申请的公布数据WO2012/100873 DE 2012.08.02(51)Int.Cl.权利要求书2页说明书6页附图2页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图2页(10)申请公布号 CN 103339481 ACN 103339481 A1/2页21.一种用于电容式确定和/或监测容器（3）中的介质（4）的至少料位的设备，所述设备包括：探测单元（1），所述探测单元（1）具有至少一个探测电极（11），以及电子单元（2），所述电子单元（2）至少向所述探测电极（11）提供电发送信号。

4、以及接收和评估来自所述探测单元（1）的电响应信号，所述设备的特征在于：所述电子单元（2）借助于频率扫描至少有时向所述探测电极（11）提供发送信号，所述发送信号具有在可确定的频带中的相继的多个离散频率，所述电子单元（2）基于所述频率扫描，确定对当前应用参数最优的测量频率，以及所述电子单元（2）根据属于所述最优的测量频率的响应信号确定料位。2.利用带有至少一个探测电极（11）的探测单元（1）电容式确定和/或监测容器（3）中的介质（4）的至少料位的方法，其特征在于：至少有时借助于频率扫描向所述探测电极（11）提供电发送信号，所述电发送信号具有在可确定的频带中的相继的多个离散激励器频率，基于所述频率扫。

5、描，确定对当前应用参数最优的测量频率，并且根据属于所述最优的测量频率的探测电极（11）的响应信号，确定料位。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：向所述探测电极（11）连续提供用于确定和/或监测料位的最优的测量频率。4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：对于所述发送信号的每一个频率，根据相应的响应信号，确定和存储依赖于当前应用参数的所述响应信号的至少一个特征变量和/或从至少一个特征变量导出的至少一个因变量的数值，并且对于该频率，检查相应确定的特征变量和/或因变量的至少一个何时满足用于所述最优测量频率出现的至少一个预定判据。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：特别地，在所述发送信号和。

6、所述响应信号之间的相移和/或导纳和/或所述响应信号的幅值被确定为特征变量，和/或特别地，电容和/或所述介质（4）的料位被确定为从所述特征变量导出的因变量。6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于：对于超过或低于界限值的判据是：极点的出现，特定数值的采取或特定斜率的出现。7.如权利要求4到6中的一项所述的方法，其特征在于：判据是：在所述特征变量和/或因变量之一的相应数值满足特定判据的情况下，所述频率是这个判据被满足的最高频率。权利要求书CN 103339481 A2/2页38.如权利要求4到7中的一项所述的方法，其特征在于：在特定频率确定的所述特征变量和/或因变量的至少一个的时间曲线被。

7、监测。9.如权利要求4到8中的一项所述的方法，其特征在于：所述探测单元（1）的至少一部分的破损通过监测所述响应信号中出现谐振的频率来检测。10.如权利要求2到9中的一项所述的方法，其特征在于：基于所述频率扫描，确定至少一个当前应用参数，优选地是所述介质的参数，特别地是所述介质（4）的电容率和/或导电性，和/或所述探测单元（1）上的介质沉积的出现或沉积的量。权利要求书CN 103339481 A1/6页4电容式测量料位的设备和方法技术领域0001 本发明涉及利用探测单元至少电容式确定和/或监测容器中的介质料位的设备和方法。除了料位外，例如介质的导电性和/或电容率是可确定的，或可以监测是否。

8、在该探测单元上形成了沉积。背景技术0002 利用电容测量原理的测量装置经常被用于液体介质的料位测量。一般说来，这种测量装置包括带有杆形传感器电极的探头，并且在给定的情况下，包括用于在探头上形成沉积的情况下改善测量的屏蔽电极（guard electrode）。介质的料位根据电容器的电容确定，所述电容器是由探测电极和容器壁或第二电极形成的，其中交变电压被置于探测电极上。依赖于介质的导电性，介质和/或探头绝缘形成了电容器的电介质。所述屏蔽电极处于与探测电极相同的电势，并且其至少部分同轴地围绕探测电极。例如，带保护的探头在DE3212434C2中被描述，且不带保护的探头在文献WO2006/034959。

9、A2给出。具有不同实施和不同探头长度的用于连续料位确定或限位测量的电容探头由本申请的受让人制造与销售。发明内容0003 在电容式探头的情况下，存在这样的问题，即由于谐振效应，探头越长，所应用的交变电压的频率就被选得越小。然而，高的测量频率增加了沉积不灵敏性。然而，在短探头和长探头的情况下，沉积实际发挥相同的作用。为了提供兼容任意长度的探头的电子单元，通常使用对于所有长度的探头同样适用的测量频率。然而，这导致低于短探头的最优频率。0004 另一个问题出现在具有电导率值的介质的情况下，这种介质位于电容率依赖测量和电容率独立测量范围之间的过渡区域中。在该区域内料位不能可靠地确定，使得这些介质被排除在。

10、电容式料位测量之外。0005 本发明的目的在于扩大电容式料位测量的应用范围。0006 该目的通过一种设备实现，所述设备为用于电容式确定和/或监测容器中的介质的至少料位。所述设备包括：探测单元，所述探测单元至少具有一个探测电极；和电子单元，所述电子单元至少向所述探测电极提供电发送信号以及接收和评估来自所述探测单元的电响应信号，其中所述电子单元借助于频率扫描，至少有时向所述探测电极提供发送信号，发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散频率，其中所述电子单元基于所述频率扫描，确定对于当前应用参数的最优的测量频率，且其中所述电子单元根据属于所述最优测量频率的响应信号确定料位。0007 本发明的目的进。

11、一步被一种方法实现，所述方法利用带有至少一个探测电极的探测单元来电容式确定和/或监测容器中的介质的至少料位。本方法通过包括如下的特征被区分：借助于频率扫描，所述探测电极至少有时被提供有电发送信号，电发送信号在可确定的频带中具有相继的多个离散激励器频率，基于所述频率扫描，确定对于当前应用参数最优的测量频率，和根据属于所述最优测量频率的探测电极的响应信号确定料位。说明书CN 103339481 A2/6页50008 频率扫描还可以使得其他情况下被排除的在1到100S/cm之间的用于电容测量的电导率范围变得可测量。这是通过检测测量频率完成的。在此情况下，响应信号显示为对料位的独特的尤其是线性的依。

12、赖。在没有问题的电导率值情况下，与现有技术相比，测量性能被改善，因为频率扫描可以使得利用测量频率的测量对于特殊应用最优。例如，最优测量频率意味着对任何特定探头几何外形总会最大可能地呈现沉积不灵敏性。同时，由于处于最优测量频率的响应信号的非线性行为在料位显示中的误差是尽可能小。以对当前应用最优的测量频率的响应信号，导致了料位的确定具有最小可能的测量误差。0009 因为可变的测量频率，不再要求用户在两个测量频率之间从而在两个相应的电子单元之间，根据各自的应用进行选择，也不需要检查电容测量原理从根本上是否可应用。制造商不再在提供可广泛应用的测量装置和最好可能的料位测量之间权衡。实现为执行频率扫描的电。

13、子单元对于任何应用都是普遍可适用的，因为测量频率和应用参数是相匹配的，即便当这些参数变化时。0010 探测电极被提供呈交变电压形式的发送信号。根据本发明，尽管在现有技术中特定频率是预定的，但发送信号的频率在一定的频带中是变化的。频率扫描被执行。换言之，利用相继的多个频率完成激励。例如，在每一种情况下，频率的步长位于10kHz和1MHz之间，且可随着频带的频率变化。频带优选地包括多个数量级。例如，频带可以从10kHz扩展到10MHz。响应信号是电流信号，所述响应信号被电子单元接收作为利用发送信号对探测电极提供的响应，例如，所述响应信号通过电阻器被转变成相应的电压信号且为评估而被数字化。0011 。

14、除了别的以外，响应信号受到电容器的电容的影响。所述电容器由探测电极、对电极、或容器、介质以及在给定的情况下的探测电极的绝缘体所形成。因为电容依赖于料位，料位根据响应信号是可确定的。在这种情况下，在最优测量频率处记录的响应信号被用来评估料位。最优测量频率借助于算法而被确定。为了确定电容，评估算法被实施在电子单元中，该电子单元在最优测量频率处相应地评估响应信号。处于最优测量频率的响应信号的评估算法与用于评估当向探测电极提供固定频率时已记录的响应信号的已知的评估算法没有区别。除了用于确定和/或监测料位的算法以及发现最优测量频率之外，优选地在电子单元中实施其他的算法，所述算法根据对频率扫描的响应的信号。

15、确定其他信息。0012 对于当前应用响应信号是典型的，即，例如，对于现有环境参数，比如料位、介质的物理性质、或者探测单元上的沉积，以及对于探头的特别地实施例，尤其是探头长度。所有的变量都被归入术语“产生最优测量频率的应用参数”中。在料位可被最精确测量的情况下，最优测量频率根据响应信号是可确定的，或借助于从响应信号中获得的特征变量是可确定的。0013 在本发明的解决方案的第一实施例中，探测电极被连续地提供有用于确定和/或监测料位的最优检测频率。如果不希望应用参数改变，那么向探测电极提供确定的最优测量频率是有利的。为了找到最优测量频率，探测电极至少在启动阶段被提供有频率扫描，以确定对于当前应用最优。

16、的测量频率。在这种情况下，料位只是在最初借助于频率扫描被确定。随后，该探测电极被提供有具有确定的最优测量频率的发送信号，且根据响应信号被确定和/或监测的料位在该频率上被获得。为检查最优测量频率是否已按照一定的间隔变化，可执行附加频率扫描。0014 在可替代地实施例中，探测电极总是被提供有相继的频率扫描以及基于相应的频说明书CN 103339481 A3/6页6率扫描的最优测量点确定的和/或检测的料位。应用相继的频率扫描提供了一种优势，即在应用参数变化的情况下，测量点快速地与新条件相匹配。带有频率扫描的测量设备的持续操作，为确定或检测其他过程变量或参数额外地提供了机会。0015 在本发明的方。

17、法的进一步发展中，对于发送的信号的每一个频率，根据相关的响应信号，依赖于当前应用参数的响应信号的至少一个特征变量和/或从至少一个特征变量导出的至少一个因变量的数值被确定、储存，并且检查，对于频率，何时各自确定的特征变量中和/或因变量的至少一个满足最优测量频率出现的至少一个预定判据。术语“特征变量”是指从响应信号直接可确定的直接可测量变量。在这种情况下，因变量是可以根据至少一个直接可测量的特征变量计算的（例如考虑到进一步的变量，例如探头参数或已知介质性质）变量。因此，因变量也可以是要确定的过程变量，例如料位。实现在用于寻找最优测量点的电子单元中的评估算法评估了至少一个直接从响应信号获得的特征变量。

18、，和/或至少一个从那里导出的尤其是在那里计算的因变量。一般说来，特征变量和因变量取值，一方面依赖于测量频率且另一方面差不多完全依赖于当前应用参数。例如，这些参数为电导率或介质的电容率、探头几何形状尤其是探头长度、安装几何形状或在探测单元上形成的介质沉积。因此，通过已确定的判据，频率被确定，其相应的响应信号非常精确地代表料位。0016 本发明的进一步发展提供了尤其是在发送信号和响应信号之间的相移和/或导纳，或响应信号的幅值被确定为特征变量，和/或尤其是电容和/或介质的料位被确定为从特征变量导出的因变量。0017 本方法的进一步发展提供了用于超过或低于极值的判据，所述判据是出现极点、采取特定数值或。

19、出现特定斜率。利用检查特定判据的预定算法，发生已记录的包络曲线即相应数据对的分析。判据尤其用于相位曲线或料位或电容曲线，其中相对于所有的扫描频率记录。例如判据是正斜率或负斜率的出现，或者在代表相对于频率的电容或料位曲线上高点或低点的出现。例如，进一步的判据为，在输入和输出电压之间，即在发送信号和响应信号之间的相移或对应于响应信号的电压，是否取理想为-90的期望值。除了用于特征变量和/或因变量的判据以外，介质的已知参数例如电导率也可以考虑用于评估。0018 在本方法的有利实施例中，判据是，在特征变量和/或因变量之一的相关数值满足特定判据的情况下，频率是这个判据被满足的最高频率。测量频率越高，沉积。

20、不灵敏性越小。因此，最高可能的频率被用作最优测量频率。0019 在本发明的实施例中，在特定频率确定的特征变量和/或因变量的至少一个的时间曲线被监测。例如，用这种方式探测单元上形成的沉积是可检测、可补偿的。时间曲线的监测也可以针对多个频率而执行。0020 在本发明的方法的进一步发展中，探测单元的至少一部分的破损是通过监测在响应信号中的频率来检测的，在该频率上出现谐振。响应信号中的谐振例如通过穿过频带上部区域的电容或料位曲线的正斜率或电容或料位的相对高值，是可识别的。0021 另一种进一步的发展为，基于频率扫描，确定至少一个当前应用参数，优选的是介质的参数，特别地是介质的电容率，和/或电导率和/或。

21、探测单元上的介质沉积出现或其量。在这种情况下，对于介质参数的确定，需要已知的探头几何形状和安装几何形状。0022 传感器参数和/或介质参数被有利地考虑到执行和/或评估频率扫描中，例如，在选择频率扫描的频带中和/或在选择判据时和/或在评估介质的沉积或参数中。说明书CN 103339481 A4/6页7附图说明0023 基于附图详细说明本发明将，本发明的附图如下，其中所述设备被实现为执行其全部实施例中的方法。其中0024 图1为带有探测单元的电容测量装置；0025 图2为已确定料位与导电性和测量频率的相关性的三维图；以及0026 图3为料位测量方法的实施例的流程图。具体实施方式0027 图1示。

22、出了一种用于容器3中的介质4的至少料位的电容式确定的设备。所述设备包括探测单元1，所述探测单元1伸入容器3中。在本实施例中，所述探测单元1包括探测电极11和绝缘体12，所述绝缘体12完全包围着探测电极11且与介质4电绝缘，这里的介质4是液体介质。由容器3的壁形成用于电容测量的对电极（counter electrode）。然而，它同样可以是插入容器3中的第二探头且包括参考电极。利用这种探测单元1可连续确定介质4的料位。然而，本发明还可以在用于受限水平的电容式记录设备的情况下被使用，这类设备被安装于特定高度且尤其是平齐地进入容器3的壁内。在一个实施例中，探测单元1还包括屏蔽电极，屏蔽电极至少在靠近。

23、过程连接的区域内同轴围绕所述探测电极11且同样被绝缘体围绕。利用本发明设备的可确定的变量，除了料位，还例如包括介质4的导电性和/或电容率或探测单元1上的沉积形成。0028 被设置在容器3外面的电子单元2，以交变电压的形式向探测电极11提供电信号且接收来自所述探测电极11的电响应信号，一般来说，所述响应信号为电流信号，所述电流信号通过电阻器转变成相应的电压信号。这优选馈送给所述电子单元2中的微控制器的模拟/数字转换器。在存在屏蔽电极的情况下，它接收与所述探测电极11相同的发送信号。响应信号的参数，比如，相对于发送信号的相移或振幅，除了别的以外，依赖于所述探测单元1有多少被介质4围绕，使得基于响应。

24、信号，介质4的料位可以被连续不断地确定和监测。另一个相关性来自于介质的电导率和介电常数即电容率。对于这种情况，介质4不导电，不需要绝缘且要测量的是在探测电极11和带有作为电介质的介质4的容器3之间的电容。对于这种情况，其中所述介质4至少有微弱的电导率，此外，在探测电极11和介质4之间的电容被测量，其中，绝缘体12代表由探测电极11和介质4形成的介电电容器。在具有高电导率的情况下，只有绝缘电容被测量，使得在这种情况下的测量独立于介质的介电常数的数值。0029 图2示出了介质4的料位关于介质的电导率和测量频率f的相关性。在每一种情况下，对于说明曲线，电容率是相等的。可识别四个区域：0030 区域I。

25、：介质4的电导率小且测量频率f处于所示的从10kHz到10MHz的频带的低至中间范围。计算出的料位依赖于介质4的电容率，其中在探测单元1未覆盖和被完全覆盖的情况下，这种相关性通过调整是可消除的。在此区域中，料位精确地可确定。0031 区域II：在电容率依赖测量和电容率独立测量之间的过渡区域。电导率增加且介质4的电阻相应地下降。电导率的小变化可以带来所指示的料位的大变化，这使得在现有技术中在此区域中没有可靠的电容料位测量是可行的。说明书CN 103339481 A5/6页80032 区域III：介质4的电导率大到使得只有绝缘电容被测量。该测量独立于介质4的电容率且料位精确地可确定。0033 。

26、区域IV：例如，在本示例中谐振区域开始于1兆赫的测量频率。这出现在所有的电导率数值的情况下。显示谐振区域开始的界限频率较低，探测单元1较长。在谐振区域中，没有料位测量是可行的，因为在已测量电容和料位之间，没有较长的线性关系。0034 在特定频率f的情况下，例如在10kHz的情况下，如果认为料位是根据电导率而定，则可以观察到，在电导率值的特定范围内，料位是不可确定的。该范围的位置根据频率f而变化。当具有固定的测量频率f时，这样，总有一些电导率值从测量中被排除，通过频率扫描，至少有一个频率总能被检测到，在这种情况下，料位测量是可靠地可行的，即，其位于区域I或者区域III中。为此，测量频率f在一定的。

27、频带中被依次增加或降低，其中优选地包括多个数量级，比如，从10kHz到10MHz。按照这种方式，可以发现多个测量点，这些测量点对于评估是可用的。在这种情况下，不仅有可能基于在最优测量频率处采集的响应信号进行关于料位的评估，而且还可以，取代利用频率根据特征变量的曲线，确定或监测其他变量。0035 借助于频率扫描，可以例如检测谐振区域即区域IV开始于哪个界限频率。因此，对于料位确定，可以考虑已测量的数值，该数值在相对高的频率f下被记录，且具有高的沉积不灵敏性，且同时正确地表现料位，因为它安全地位于谐振区域之下。通过频率扫描，总可以发现最优测量点，即频率f且特征变量和/或由此在该频率f上确定的因变量。

28、，使得发生的料位确定具有最少的测量误差。0036 图3示出确定和/或监视介质的料位方法的简单实施例的流程图。在本实施例中，为了评估而记录和储存作为被测值的特征变量，至少是发送信号和响应信号之间的相移和导纳（admittance）Y。这两个变量用来计算电容，并因此用来确定料位。用来确定料位的最优测量频率fopt，根据作为频率fi函数的相移和导纳Y(fi)来确定。0037 在响应信号的第一频率f1上，导纳Y(fi)和在响应信号和发送信号之间的相移被确定为特征变量。然后向探测电极11提供具有第二频率f2的发送信号，且导纳Y(f2)和相移被依次确定。这对预定频带的全部的n个频率来执行。在每一个情况下，。

29、特征变量Y(fi)、被储存，使得在频率扫描结束时，导纳Y和相移作为频率f的函数被提供。0038 借助于合适的评估算法，对于当前应用最优的测量频率fopt根据已记录的特征变量Y、来确定。为了评估，因变量也可以根据这些参数计算，尤其是考虑附加参数。优选地，电容根据特征变量Y、计算且用于评估的这些特征变量的至少一个是可替代或可补充考虑的。0039 例如，检查相移数值理想地处于-90时的频率，因为当采取探测单元1、介质4和容器3的纯电容布置时，必须满足该判据。优选地，此外至少在这样的点上电容曲线斜率被确定，其中相移的判据得以满足。从高频的大的正斜率，谐振区域的开始可以被识别。最优测量频率fopt就位于。

30、谐振区域之下，以便确保良好的沉积不灵敏性。在有利的实施例中，最优测量频率fopt因此就是最高频率，在该频率电容具有零斜率或位于特定界限值之下说明书CN 103339481 A6/6页9的正斜率，且相移的数值为-90。导纳Y、相移和/或电容的相应数值以最优测量频率fopt形成最优测量点。在该最优测量点确定料位。0040 另外，为了确定最佳测量点和确定料位，可以执行其他的评估，例如，根据沉积形成或探头的破损。本方法的相应实施例在下面被说明。在关于要确定的所有变量利用频率扫描记录的响应信号评估之后，新的频率扫描在本实施例中开始。0041 频率扫描或者被连续地重复，或者一个频率扫描导致合适的测量频。

31、率，该测量频率随后被用来测量料位。在后一种情况下，电子单元2在初始频率扫描之后，向探测电极11提供已检测的最优测量频率fopt以及根据相应的响应信号确定料位。例如，相移和导纳Y被测量，且根据相移和导纳Y确定电容，且根据电容确定料位。在特定间隔下或在改变例如沉积形成的应用参数的情况下，然后新的频率扫描被执行且在给定的情况下，测量频率适应于已变化了的应用条件。如果频率扫描被执行，则可以基于在频率扫描期间的响应信号直接确定料位。0042 在本方法的实施例中，补充地确定介质的介电常数。对于具有电导率值的介质，介电常数是可确定的，所述电导率值位于区域I，即处于介电常数依赖区域。为此，需要对不同的介质进行。

32、调谐。这对于在工厂中特殊的探头几何外形或在测量装置的初始阶段可以被执行。然后出现在测量操作中的介电常数，基于响应信号和频率扫描之间的存储关系，例如，根据电容曲线是可确定的。0043 在该方法的实施例中，介质的导电性被确定。电容依赖于区域II中的导电性。例如，通过将低点出现的频率与校正数据进行比较，可以例如根据在电容或料位曲线的与谐振有关的上升之前的低点位置，确定导电性。0044 在本方法的附加实施例中，监测探测单元1的破损。特别地，在，探测单元1的情况下，由于长的探头长度被部分地实现为电缆，所以探测单元1的破损或至少部分地破损会出现。这种破损会导致探测单元1的电感下降。在破损的情况下，其后出现。

33、谐振的界限频率因此变化为较高频率。在探测单元1的空校正的情况下可测量的界限频率对应于完全无损的探测单元1的最大可能界限频率。通过监测界限频率，例如，通过记录和评估在每次频率扫描的执行中被确定的界限频率的时间曲线，或通过将当前的界限频率和在探测单元1空校正的情况下测量的界限频率相比较，从而破损是可检测的。0045 在本方法的另外实施例中，通过连续执行频率扫描来检测探测单元上的沉积形成，且在给定的情况下，由此产生的影响可以被补偿。沉积出现的判据例如是，在利用频率扫描记录的电容曲线中出现负斜率。如果位于过渡区域II之上的导电性是已知的，则负斜率可以明显地指出沉积。如果此信息是未知的，至少需要一个用于区分位于过渡区域中的测量点和沉积的另外判据。0046 参考符号列表0047 1 探测单元0048 11 探测电极0049 12 绝缘体0050 2 电子单元0051 3 容器0052 4 介质说明书CN 103339481 A1/2页10图1图2说明书附图CN 103339481 A10。

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