专利名称：电容性物位测量或识别设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容性物位测量或识别设备，用于利用传感器元件、基准元件和利用一方面连接在该传感器元件上而另一方面连接在该基准元件上的、包含至少一个交流电压源和一个分析单元的电路来测量或者识别在容器或者诸如此类中的介质的物位，其中所述传感器元件和所述基准元件如此被构造和布置，使得其物位要被测量或识别的介质能够影响在传感器元件和基准元件之间的阻抗并且从而影响在传感器元件和基准元件之间(以及在电路中)的交流电流。
背景技术：
因为不仅可能取决于以下方面，即测量在容器或者诸如此类中的介质的物位、也即产生模拟测量信号，而且可能取决于以下方面，即只识别在容器或者诸如此类中的介质的某一预定的物位、也即产生数字测量信号(没有达到预定的物位/达到预定的物位)，所以开始时就选择了名称“物位测量设备”或者“物位识别设备”。
通常，电容性物位测量或识别设备被用于测量或者识别在狭义上的容器(例如燃料箱)中的介质的物位。如果开始时表示“用于测量或者识别容器或诸如此类中的介质的物位”，则因此应该用来表示不仅可能涉及狭义上的容器中的介质的物位、而且更确切地也可能涉及测量或识别例如槽中的介质的物位。
对于所述的电容性物位测量或识别设备，首先本质上不取决于一方面传感器元件和另一方面基准元件如何被构造；重要的只是传感器元件和基准元件如此被构造和布置，以便其物位要被测量或识别的介质能够影响在该传感器元件和该基准元件之间的阻抗。也即传感器元件和基准元件必须如此被构造和布置，使得在传感器元件和基准元件之间存在间隙，并且其物位要被测量或识别的介质或多或少可以到达该间隙中。传感器元件通常至少涉及这种传感器元件，即其在垂直方向上具有纵向延伸，使得其物位要被测量或识别的介质按照目前的物位至少部分地或多或少接触或者包围传感器元件。
传感器元件和基准元件可以是由容器分开的组件。也可以设想的是将容器壁用作基准元件。也可以设想的是不仅传感器元件、而且基准元件通过容器壁或者通过容器壁的部分来实现；于是传感器元件和基准元件当然必须以电方式彼此分开。
所述类型的电容性物位测量或识别设备以及在此所应用的测量和分析方法在现有技术中经常是公知的。对此例如参阅德国公开文本38 12 687、195 02 195、198 13 013、100 08 093、101 53 298、101 55 131、102 05 445和102 50 523。在此，尤其德国公开文本3812 687、195 02 195、100 08 093和101 55 131也公开了如在所述的电容性物位测量或识别设备中可以使用的传感器元件。
对所述类型的公知的电容性物位测量或识别设备共同的问题如下被描述在使用公知的电容性物位测量或识别设备时，不能阻止在容器或诸如此类中的其物位要被测量或识别的介质在传感器元件和/或基准元件上的附着。在此，如果在一次到达的物位之后该物位下降，则“附着”是指介质在传感器元件和/或基准元件上留下的剩余物。如果这种附着是低阻性的，则无论如何都不再能够十分精确地在这种附着和其物位确实要被测量或识别的大体积介质之间进行区分。其原因在于传感器元件和/或基准元件的相对高的阻抗与附着和大体积介质的相对低的阻抗的不好的比例关系。附着和大体积介质的相对低的阻抗由以下方面引起，即在由交流电压源所提供的交流电压的所使用的频率时(例如在2MHz的频率时)，阻抗是阻容性的。该阻抗的电阻性部分在极大程度上也由附着和大体积介质的离子导电性引起。
发明内容
因此，本发明所基于的问题或者任务是提供一种电容性的物位测量或识别设备，其在传感器元件和/或基准元件上有附着时也提供十分准确的结果。
根据本发明的第一教导，在开始时所述的电容性物位测量或识别设备方面，先前所引出的和说明的任务通过以下方式来解决，即由所述交流电压源所提供的交流电压是高频的，或者包含高频的电压成分。详细地，由交流电压源所提供的交流电压的频率可以位于20MHz和200MHz之间，优选地位于80MHz和150MHz之间，尤其是位于大约100MHz处。
如上所述，如果其物位要被测量或者识别的介质在传感器元件和/或在所述基准元件上的附着是低电阻性的，则在所有情况下这种附着不再能够准确地在这种附着和其物位要被测量或者识别的大体积介质之间被区分，其原因在于传感器元件和/或基准元件的相对高的阻抗与附着和大体积介质的相对低的阻抗的不好的比例关系，并且附着和大体积介质的相对低的阻抗由以下方面(或者也由以下方面)引起，即在由交流电压源所提供的交流电压的所使用的频率时，该阻抗是阻容性的，其中该阻抗的电阻性部分在很大程度上也由附着和大体积介质的离子导电性引起。该认识、尤其是对所述的阻抗的阻性部分在极大程度上也由附着和大体积介质的离子导电性所引起的认识已经是本发明教导的一部分。于是，基于该认识，所基于的任务的本发明解决方案在于以相对高频的交流电压或者以包含该高频电压成分的交流电压工作，因为这使附着和大体积介质的离子导电性减小。
按照也可以与本发明的第一教导分开地被实现的本发明第二教导，在开始时所述的电容性物位测量或识别设备方面，如上所引出的和说明的任务通过以下方式来解决，即具有所述交流电压源、所述传感器元件和所述基准元件的电流回路利用尽可能低的阻抗被实施。该教导所基于的考虑如下如上所述，在现有技术所公知的电容性物位测量或识别设备中，不再能够十分准确地在附着和大体积介质之间进行区分的原因在于传感器元件和/或基准元件的相对高的阻抗与附着和大体积介质的相对低的阻抗的不好的比例关系。通过根据本发明的第二教导以尽可能低的阻抗实施具有交流电压源、传感器元件和基准元件的电流回路来获得在所述的电流回路的阻抗与附着以及大体积介质的阻抗之间的好得多的比例关系，使得大体积介质的阻抗变化可测量地影响总有效阻抗。
为了实现本发明的第二教导，即以尽可能低的阻抗实施具有交流电压源、传感器元件和基准元件的电流回路，建议首先使用具有尽可能低的内阻的交流电压源。一种实施形式从结果上是效果相同的，在所述实施形式中，电路除了交流电压源和分析单元之外还具有连接在该交流电压源之后的放大器，其中所述放大器在输出侧具有比交流电压源的阻抗低的阻抗。如果交流电压源本来已经具有尽可能低的内阻，也即放大器不需要阻抗变换，则附加地设有连接在交流电压源之后的放大器的措施也是有意义的。也即一种实施形式可以被实现，在所述实施形式中，根据其物位要被测量或识别的介质的阻抗来控制放大器的放大系数，使得可以控制或者也可以调节有效交流电压的幅度。
根据本发明的第二教导，应该以尽可能低的阻抗实施具有交流电压源、传感器元件和基准元件的电流回路。就这方面而言，不只是取决于交流电压源的阻抗或者内阻。更确切地说，优选地应该负责以下方面，即使得一方面在交流电压源和其物位要被测量或者识别的介质之间和另一方面在该介质和分析单元之间实现小的阻抗。换句话说电容性耦合应该特别好，也即电容性电阻尽可能低。再换句话说也即在一方面传感器元件和/或基准组件与另一方面其物位要被测量或者识别的介质之间实现尽可能大的电容。这可以通过以下方式来实现，即相对大面积地实施传感器元件和/或基准元件，和/或包围传感器元件和/或基准元件的隔离具有相对大的介电常数和/或相对薄的壁厚。
现在有一特殊问题与本发明的第一教导(即选择一交流电压源，其提供高频的交流电压或者包含高频电压成分的交流电压)相关联，其中本发明也研究该问题特别高频的测量信号或者宽带的测量信号不能实时地以合理的耗费被处理。因此，得到特殊意义的本发明另一教导包括优选地通过使高频的或者宽带的测量信号经受时间扩展来将该高频的或宽带的测量信号转换为足够低频的测量信号。对此，时间扩展在该意义上应被理解成什么，请参阅工程学博士Detlef Brumbi的文献“物位测量用的雷达技术基础”(4.，修订和扩展本，2003年5月，第8.6章，第57页)。
详细地，现在存在尤其就具体电路技术实现来改进和扩展本发明的电容性物位测量或识别设备的各种可能性。对此，补充地参阅位于权利要求1之后的权利要求和参阅结合附图的下面说明。在附图中图1示出用于描述本发明教导的十分示意性的简图，和图2示出用于描述本发明电容性物位测量或识别设备的实施例的框图。
具体实施例方式
未示出的传感器元件、未示出的基准元件和一方面连接在传感器元件上而另一方面连接在基准元件上的电路1在功能上必要地属于本发明的电容性物位测量或识别设备(下文中总是仅被称为电容性物位测量设备)，其中至少一个交流电压源2和一个分析单元3属于所述电路1。对于本发明的电容性物位测量设备本质上不取决于一方面传感器元件和另一方面基准元件如何被构造。重要的只是传感器元件和基准元件如此被构造和布置，以便其物位要被测量或识别的介质能够影响在该传感器元件和该基准元件之间的阻抗。也即传感器元件和基准元件必须如此被构造和布置，使得在传感器元件和基准元件之间存在间隙，并且其物位要被测量或识别的介质或多或少可以到达该间隙中。传感器元件一般至少涉及这种传感器元件，即其在垂直方向上具有纵向延伸，使得其物位要被测量或识别的介质按照目前的物位至少部分地或多或少接触或者包围传感器元件。
按照本发明的第一教导，本发明的电容性物位测量设备的特征在于由交流电压源2所提供的交流电压是高频的，或者包含高频的电压成分。由交流电压源2所提供的交流电压的频率可以例如位于20MHz和200MHz之间，优选地位于80MHz和150MHz之间，尤其是位于大约100MHz处。
按照也可以与本发明的第一教导分开地被实现的本发明第二教导，本发明的电容性物位测量设备的特征在于具有交流电压源2、传感器元件和基准元件的电流回路以尽可能低的阻抗被实施。
在根据图1的简图中，除了交流电压源2和分析单元3之外，还示出了交流电压源2的内阻4、测量段5(也即其物位要被测量或者识别的介质)、在具有其内阻4的交流电压源2和测量段5之间的耦合6、以及在测量段5和分析单元3之间的耦合7。
首先以下方面适用于按照本发明的电容性物位测量设备的在图2中按框图所示的实施例，即电路1除了交流电压源2和分析单元3之外还具有连接在该交流电压源2之后的放大器8。在此，放大器8在输出侧具有比交流电压源2的阻抗更低的阻抗；因此，放大器8在输出侧的内阻也低于交流电压源2的内阻4。此外，放大器8可以如此被实施，使得其放大系数根据其物位要被测量或者识别的介质的阻抗、也即根据测量段5的阻抗来控制或者调节。
利用本发明第二教导的实现，先前参考图2中按框图所示的电路1所实施的方面起作用，据此具有交流电压源2、传感器元件和基准元件的电流回路以尽可能低的阻抗被实施。但是，就这方面来说，不只是取决于交流电压源2的内阻4或放大器8在输出侧的内阻。更确切地说，也应该负责以下方面，即使得一方面在交流电压源2和其物位要别测量或者识别的介质(也即测量段5)之间和另一方面在测量段5和分析单元3之间实现低的阻抗。也即换句话说，在一方面交流电压源2和测量段5之间的电容性耦合6以及在测量段5和分析单元3之间的电容性耦合7特别好，也即相应的电容性电阻尽可能低。这通过以下方式来实现，即未示出的传感器元件和/或未示出的基准元件相对大面积地被实施，和/或包围传感器元件和/或基准元件的隔离具有相对大的介电常数和/或相对薄的壁厚。
如上所述的，有一问题与本发明的第一教导(即选择一交流电压源2，所述交流电压源提供高频交流电压或者包含高频电压成分的交流电压)相关联，该问题按照得到特殊意义的本发明另一教导通过以下方式来解决，即优选地通过使高频的或者宽带的测量信号经受时间扩展来把高频的或者宽带的测量信号转换为足够低频的测量信号。在按照本发明的电容性物位测量设备的在图2中按框图所示的实施例中，用于实现本发明的该特殊教导的具体措施被实现首先，电路1具有一个连接在交流电压源2上的时间元件9，其使交流电压的相位在一个周期上移动。在该时间元件9之后连接有一个脉冲形成器10、优选地是单稳态触发器；该脉冲形成器10从移相的交流电压中形成具有相同的脉冲宽度的均匀脉冲。在此重要的是脉冲宽度在采样周期中是恒定的。电路1另外还具有同步整流器11，其中在输入侧一方面高频的或宽带的测量信号以及另一方面由脉冲形成器10所产生的脉冲被输入给该同步整流器。同步整流器11的输出电流对应于测量电流与整流器信号(也即由脉冲形成器10所产生的脉冲)的卷积。最后，电路1还具有连接在同步整流器11之后的I/U转换器12和连接在该I/U转换器12之后的μ控制器13。因此，同步整流器11的输出信号利用I/U转换器12被处理，以便μ控制器13可以工作。
最后，图2在以下程度上示出本发明的电容性物位测量设备的优选实施例由参考阻抗14、第二同步整流器15和第二I/U转换器16组成的参考支路与由传感器元件、基准元件、同步整流器11和I/U转换器12组成的测量支路并联，其中与测量支路的同步整流器11和I/U转换器12相同地实施参考支路的同步整流器15和I/U转换器16，并且在输入侧一方面参考信号以及另一方面由脉冲形成器11所产生的脉冲被输送给参考支路的同步整流器15。也即在图2的实施例中所实现的电路1对称地被建立。借助于参考支路能够消除不能避免的容差的消极后果，也即由脉冲形成器10所产生的脉冲的脉冲宽度(大的漂移)、同步整流器11中的漂移和I/U转换器12中的漂移。
最后应指明μ控制器13检测并且比较被时间扩展的测量和参考信号，被时间扩展的测量和参考信号在频域和/或时域中被估计。于是，μ控制器13借助于所存储的比较表、理论实际比较器或者校准数据决定待输出的输出信号。
权利要求
1.电容性物位测量或识别设备，用于利用传感器元件、基准元件以及利用一方面连接在所述传感器元件上而另一方面连接在所述基准元件上的包含至少一个交流电压源和一个分析单元的电路来测量或识别在容器或者诸如此类中的介质的物位，其中所述传感器元件和所述基准元件如此被构造和布置，使得其物位要被测量或识别的介质能够影响在所述传感器元件和所述基准元件之间的阻抗，并且因此影响在所述传感器元件和所述基准之间的(并且在所述电路中的)交流电流，其特征在于，由所述交流电压源(2)所提供的交流电压是高频的，或者包含高频的电压成分。
2.按照权利要求1所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，由所述交流电压源(2)所提供的交流电压的频率位于20MHz和200MHz之间、优选地位于80MHz和150MHz之间，特别是位于大约100MHz处。
3.尤其按照权利要求1或者2所述的电容性物位测量或识别设备，用于利用传感器元件、基准元件以及利用一方面连接在所述传感器元件上而另一方面连接在所述基准元件上的包含至少一个交流电压源和一个分析单元的电路来测量或识别在容器或者诸如此类中的介质的物位，其中所述传感器元件和所述基准元件如此被构造和布置，使得其物位要被测量或识别的介质能够影响在所述传感器元件和所述基准元件之间的阻抗，并且因此影响在所述传感器元件和所述基准之间的(并且在所述电路中的)交流电流，其特征在于，具有所述交流电压源(2)、所述传感器元件和所述基准元件的电流回路以尽可能低的阻抗被实施。
4.按照权利要求1至3之一所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，电路(1)除了所述交流电压源(2)和所述分析单元(3)之外还具有连接在所述交流电压源(2)之后的放大器(8)。
5.按照权利要求4所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述放大器(8)在输出侧具有比所述交流电压源(2)的阻抗低的阻抗。
6.按照权利要求4或者5所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，根据其物位要被测量或者识别的介质的阻抗来控制或者调节所述放大器(8)的放大系数。
7.按照权利要求3至6之一所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，在一方面所述传感器元件和/或基准元件与另一方面其物位要被测量或者识别的介质之间实现尽可能大的电容。
8.按照权利要求7所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述传感器元件和/或所述基准元件相对大面积地被实施。
9.按照权利要求7或者8所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，包围所述传感器元件和/或基准元件的隔离具有相对大的介电常数和/或相对薄的壁厚。
10.按照权利要求1至9之一所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，高频的或宽带的测量信号被转换为足够低频的测量信号。
11.按照权利要求10所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述高频的或宽带的测量信号经受时间扩展。
12.按照权利要求1至11之一、尤其是按照权利要求11所述所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述电路(1)具有连接在所述交流电压源(2)上的时间元件(9)，并且所述时间元件(9)将交流电压的相位在一个周期上移动。
13.按照权利要求12所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，在所述时间元件(9)之后连接有一个脉冲形成器(10)、尤其是单稳态触发器，并且所述脉冲形成器(10)从相移的交流电压中形成具有相同的脉冲宽度的均匀脉冲。
14.按照权利要求13所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述电路(1)具有一同步整流器(11)，并且一方面所述高频的或宽带的测量信号以及另一方面由所述脉冲形成器(10)所产生的脉冲在输入侧被输送给所述同步整流器(11)。
15.按照权利要求14所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述电路(1)具有连接在所述同步整流器(11)之后的I/U转换器(12)。
16.按照权利要求15所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，所述电路(1)具有连接在所述I/U转换器(12)之后的μ控制器(13)。
17.按照权利要求15或者16所述的电容性物位测量或识别设备，其特征在于，由参考阻抗(14)、第二同步整流器(15)和第二I/U转换器(16)组成的参考支路与由所述传感器元件、所述基准元件、所述同步整流器(11)和所述I/U转换器(12)组成的测量支路并联，与所述测量支路的同步整流器(11)和I/U转换器(12)相同地实施所述参考支路的同步整流器(15)和I/U转换器(16)，并且一方面参考信号以及另一方面由所述脉冲形成器(10)所产生的脉冲在输入侧被输送给所述参考支路的同步整流器(15)。
全文摘要
一种电容性物位测量或识别设备，用于利用传感器元件、基准元件以及包含交流电压源和分析单元的电路来测量或识别在容器中的介质的物位，其中其物位要被测量或识别的介质能够影响在所述传感器元件和所述基准元件之间的阻抗，并且因此影响在所述传感器元件和所述基准之间的交流电流。为了在传感器元件和/或基准元件上有附着时也提供十分准确的结果，在本发明的电容性物位测量或识别设备中，由所述交流电压源所提供的交流电压是高频的或包含高频的电压成分，或者具有所述交流电压源、所述传感器元件和所述基准元件的电流回路以尽可能低的阻抗被实施。由此提供更精确的电容性物位测量或识别设备。
文档编号G01F23/22GK1880923SQ200610093700
公开日2006年12月20日 申请日期2006年6月13日 优先权日2005年6月13日
发明者F·博恩德, J·冈德拉赫, W·霍赫 申请人:Ifm电子股份有限公司