專利名稱：料位傳感器的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及在工業(yè)化生產過程中和在非工業(yè)化生產過程中對灌裝料位進行測定。更具體地說，本發(fā)明涉及利用一種電磁波料位測量儀對存儲槽中的產品料位高度進行測定。
用于對存儲罐內的產品/物料料位(液態(tài)或者固態(tài)產品)進行測定的優(yōu)選測量儀器是以非接觸技術為基礎的。一種非常好的非接觸技術是以微波利用為基礎的。其基本原理是朝著物料表面發(fā)射微波和接收從所述表面反射回來的微波。通過對反射回來的微波進行分析來確定出微波所行進的距離。通過得知微波的行進距離和存儲罐的高度就能夠確定出物料的料位。由于眾所周知的是，電磁波的波群傳播速度等于光波在真空中傳播的速度除以波所經過的相應介質的介電常數的平方根，因此如果波的行進時間和介質的介電常數是公知的話，就可以確定出一束電磁波的行進距離。行進時間可以通過測定反射波相對于發(fā)射出的波的相位偏移量來加以確定。另外，行進時間也可以通過利用公知的雷達技術，比如利用脈沖雷達或者調頻連續(xù)波雷達(FMCW radar)，來進行測定。
在過程控制工業(yè)中現有的微波式料位傳感器通常以大約5至6GHz的頻率進行工作。它們具有相當大的天線，并且因而需要在存儲罐上具有一個較大的孔口。通常來說，為了將所述天線置于其中，需要一個直徑大約為6英寸或者更大的孔口。但是，存儲罐上寬大的孔口以及較大的天線會帶來一些潛在的問題，這是因為，一方面，難以緊密地對寬大的孔口進行密封，另一方面，由較大的天線在存儲罐內發(fā)射電磁波的操作會遭受形成凝結物的影響。另外，對于大多數存儲罐來說，也不適合于甚至根本不可能形成一個大約為6英寸或者更大的孔口。
因此，所希望的是具有一種足夠小的料位傳感器，以便使得存儲罐上的天線插入孔口的尺寸減小至1.5英寸或者更小，尤其是減小到1英寸或者更小，甚至減小至3/4英寸或者1/2英寸。這種料位傳感器將因而需要一個足夠小的天線，以便能夠被裝配到存儲罐上的小型孔口中。
一種解決方案是利用一個棒狀天線。但是，在存儲罐中利用棒狀天線通常具有信號質量降低的缺點。許多容器和存儲罐均具有或多或少帶有延展凸緣的插入孔口。小型的孔口通常相應地具有小直徑的凸緣，所述棒狀天線穿過這些凸緣進行延伸。當天線被安裝到一個狹窄的凸緣內側時(附圖3a)，由于輻射的側向傳播將會產生一些問題，導致發(fā)生錯誤回波現象。在德國專利DE 196 41 036中已經描述了一種解決方案。一個金屬殼體被設置成在凸緣內環(huán)繞在棒狀天線的周圍(附圖3b)。但是，這種現有的解決方案將會帶來其它問題，即如果超過了一定的灌裝料位，由于棒狀天線通過延伸的突出部而被插入到所述容器罐中，將會導致其與部分溢流出來的物料發(fā)生接觸。在這種情況下，對灌裝料位的測定將不再象此前那樣精確。另外，與罐內的內容物發(fā)生接觸還會導致在棒狀天線上形成凝結物，降低其性能。
但是，在現有的傳感器中，通常無法利用一個足夠小的喇叭形天線，這是因為所述天線將無法高質量地發(fā)射5至6GHz的信號，其中所述的喇叭形天線能夠被插入到小于4英寸的容器孔口中。
目前已經發(fā)現，這些問題可以通過將一個足夠小的天線與一個發(fā)射裝置相結合而得以解決，其中所述天線能夠被裝配到直徑小于4英寸，并且通常小于1.5英寸的容器孔口中，而所述發(fā)射裝置則以大于6GHz的頻率，并且直至20GHz甚至更高的頻率進行工作。
也已經發(fā)現，提高料位測定操作中所使用的電磁波的頻率很有意義，因為這不僅能夠使得天線的尺寸減小從而使得存儲容器上的孔口的尺寸減小，而且能夠利用一個與小型孔口一同使用的喇叭形天線來替代使用棒狀天線，當所述喇叭形天線被安裝在狹窄的噴嘴內側時，該喇叭形天線將產生較少的錯誤回波，并且可以較少地受到后生信號(artifactsignal)及凝結物的干擾。
另外一種可以被用于此的天線是所謂的微波傳輸帶天線或者插接天線(patch antenna)。該微波傳輸帶天線或者插接天線由一個經過蝕刻的導電結構組成，該導電結構被置于一個通常呈圓形的基底上，這些在半導體產業(yè)中均是非常公知的。由于基底和導電結構均非常薄，并且如果頻率遠遠超過5.8GHz時這種天線的直徑將變得非常小，因此這種天線的體積也將相當地小。由于所述天線的體積很小，因此已經發(fā)現非常適合于在存儲容器上的凸緣非常短以致于無法裝配喇叭形天線的情況下，或者是在所述存儲容器上根本就沒有凸緣的情況下利用一個微波傳輸帶天線。
通過利用頻率超過5.8GHz的微波進行工作，尤其是利用頻率超過10GHz，優(yōu)選的是利用頻率超過20Hz，并且最好是利用頻率為24GHz或者更高的微波進行工作，就能夠將容器孔口和喇叭形天線的直徑減小至1.5英寸或者更小，尤其是1英寸或者更小，直至3/4英寸或者1/2英寸，從而就能夠利用螺紋來將料位傳感器緊密地密封到存儲罐上，而并非利用凸緣。直徑比如大約為1英寸的螺紋不僅易于制取而且便于密封。因此，與寬大的孔口所需要的凸緣密封件相比，它們是優(yōu)選的。
為了在灌裝料位測定中獲得更高的精確度，關鍵因素在于信號要具有一個寬的絕對帶寬。由于天線的絕對信號帶寬能夠通過提高平均的主振頻率而得以提高，因此頻率的提高將能夠使得更精確地對信號行進的路程進行測定，從而更精確地對存儲罐內的灌裝料位進行測定。
發(fā)明概述本發(fā)明中的料位傳感器通過利用頻率超過5.8GHz的微波信號來對一個容器內的物料高度進行測定，尤其是利用頻率超過10GHz，優(yōu)選的是頻率超過20GHz，并且最好是利用頻率為24GHz或者更高的微波信號來進行測定。
所述料位傳感器包括有一個指向容器內的天線，該天線足夠小，以便能夠被裝配到一個容器孔口中，該容器孔口的直徑為6英寸或者更小，尤其是4英寸或者更小，最好是1.5英寸或者更小，特別優(yōu)選的是1英寸或者更小，直至3/4英寸或者甚至為1/2英寸。一個電磁波發(fā)生源通過天線向容器內發(fā)射信號。一個電磁波接收器用于接收反射回來的信號。所述發(fā)射和接收天線最好是一個喇叭形天線或者一個微波傳輸帶天線或插接天線。被連接在所述電磁波發(fā)生源上并且被連接在所述電磁波接收器上的測定電路，用于觸發(fā)信號的發(fā)射操作，并且基于接收器所接收到的反射信號來確定出物料的高度。用于輸出與物料高度有關的信息的輸出電路可以由一名操作人員進行判讀，或者被連接到一個雙線式過程控制回路中，用于對自動灌裝設備或者類似裝置進行操作控制。
對附圖的簡述

圖1是一個其上安裝有所述料位傳感器的容器內的物料的橫剖視圖；圖2是附圖1中的料位傳感器的細節(jié)視圖；圖3a是一個安裝在一狹窄凸緣內側的現有棒狀天線的細節(jié)視圖，其中所述狹窄凸緣以剖視圖形式示出；圖3b是一個帶有一金屬殼體的現有棒狀天線的細節(jié)視圖，其中所述金屬殼體封閉住了所述棒狀天線上位于狹窄凸緣內的部分；圖3c是一個根據本發(fā)明的喇叭形天線的細節(jié)視圖，其中所述喇叭形天線的整個長度基本上均被封閉在狹窄凸緣內；圖4a是所述料位傳感器另一實施例的細節(jié)正側視圖；圖4b是所述天線表面的經放大的細節(jié)視圖。
對優(yōu)選實施例的詳細描述圖1是一個示意圖，示出了被工作性地連接在一個存儲容器或者存儲罐8上的料位傳感器7，在該存儲容器或者存儲罐8中盛裝有一種物料6。物料6可以是液體、固體或者是固液混合物。正如在附圖2中較為詳細地示出的那樣，料位傳感器7包括有殼體2，喇叭形天線4和用于將該料位傳感器7緊密地封閉到存儲罐8上的機械裝置3，該機械裝置3包括有直徑大約為1.5英寸的螺紋，該螺紋能夠緊密地配合在存儲罐8上的孔口11中?？卓?1帶有相匹配的螺紋，用以與機械裝置3中的螺紋緊密嚙合。
喇叭形天線4發(fā)射出24GHz頻率的微波信號9，該微波信號9在物料6的表面上發(fā)生反射，并且由殼體2內的電磁波接收器進行接收。殼體2內被連接到殼體2內的電磁波發(fā)生源上并且被連接到殼體2內的電磁波接收器上的測定電路，用于觸發(fā)信號9的發(fā)射操作，并且基于由殼體2內的電磁波接收器所接收到的反射信號9，10來確定出物料6的高度。
根據本發(fā)明，料位傳感器7通過線路1將與物料6的高度相關的信息傳遞給輸出設備5。輸出設備5的一種形式可以是一個用于操作人員的顯示儀器，而在另外一個實施例中，所輸出的可以是一個用于雙線式過程控制回路中的電信號。
殼體2中的電路包括有測定電路和輸出電路。
測定電路和輸出電路的設計布局是非常公知的，并且也并非本發(fā)明的關鍵所在(參見由Hugo Lang and Wolfgang Lübcke所提出的標題為“Smart Transmitter Using Microwave Pulses to Measure The LevelOf Liquids and Solids In Process Applications”的ISA論文，HugoLang and Wolfgang Lübcke屬于德國的Maulburg的Endress and HauserGmbH and Company。以及美國專利No.5 672 975，在此通過參考而將它們全部結合入本發(fā)明中)。
附圖3c示出了一個本發(fā)明中的24GHz喇叭狀天線，用來替代德國專利No.196 41 036的說明書中所述的棒狀天線，在此通過參考將這份專利結合入本發(fā)明中。
雖然本發(fā)明已經參照優(yōu)選實施例進行了描述，但是本技術領域中的熟練工人將會認識到，在不脫離本發(fā)明的技術構思與范圍的條件下，可以在形式上和細節(jié)上進行改變。
因此，在特定的情況下，所述天線可以是一個棒狀天線，尤其是對于某些裝置來說，可以是一個如附圖4a和4b中所示出的微波傳輸帶天線或者插接天線12。在附圖4a中，插接天線或者微波傳輸帶天線12被安裝在機械裝置3上，該機械裝置3又被連接到殼體2上。沿附圖4a中的線A來觀看所述天線，在插接天線12的經放大細節(jié)視圖中示出了基底的表面，在該基底的表面上可以看到由微波傳輸帶天線或者插接天線所形成的圖案。由于插接天線12非常小，因此可以被順利地安裝在如附圖1中所示出的孔口11中。由于帶狀天線的結構非常緊湊并且其體積非常小，其尤其適合于被應用到存儲槽太淺以致于無法容納一個喇叭形天線的情況下，或者被應用到容器8上的孔口11位于該容器上一個非常短的凸緣延伸部上的情況下。
為了滿足特定裝置的需要，所述微波的頻率也可以低于24GHz，但最好是高于24GHz。
權利要求
1.一種料位傳感裝置，該料位傳感裝置利用電磁波來對容器內的物料高度進行測定，其中所述容器具有一個孔口，該孔口的面積明顯小于容器內物料的表面積，該裝置包括一個微波發(fā)生源，用于產生頻率大于5.8GHz的電磁波；一個微波天線，該微波天線被工作性地連接到所述微波發(fā)生源上，并且被安裝在容器上的所述孔口處，用于向容器內發(fā)射電磁波，所述孔口的直徑小于6英寸；以及一個微波接收器，該微波接收器被工作性地連接到所述天線上，用于接收從容器內的物料表面反射回來的電磁波，并且輸出一個指示容器內物料高度的輸出信號。
2.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所述微波天線是一個喇叭形天線，并且基本上該微波天線的所有長度均被封閉在一個殼體內，該殼體被固附在所述容器上，并且與所述孔口相連通，用于向所述孔口供送電磁波。
3.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所述微波天線是一個微波傳輸帶天線，并且該微波傳輸帶天線整個被封閉在一個殼體內，該殼體被固附到所述容器上，并且與所述孔口相連通，用于向所述孔口供送電磁波。
4.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所利用的電磁波的頻率超過10GHz。
5.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所利用的電磁波的頻率超過20GHz。
6.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所利用的電磁波的頻率大約為24GHz。
7.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所述微波發(fā)生源是一個低功率發(fā)生源，而所述接收器是一個低功率接收器，并且設置一個電路來將物料的料位信息傳遞給一個輸出設備，該輸出設備被連接在一個雙線式過程控制回路中。
8.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于所述天線是一個喇叭形天線或者一個微波傳輸帶天線。
9.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于該裝置可以被安裝在一個帶有一直徑小于4英寸的天線插入孔口的容器上。
10.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于該裝置可以被安裝在一個帶有一直徑小于1.5英寸的天線插入孔口的容器上。
11.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于該裝置可以被安裝在一個帶有一直徑小于1英寸的天線插入孔口的容器上。
12.如權利要求1所述的料位傳感裝置，其特征在于該裝置可以被安裝在一個帶有一直徑為3/4英寸或者1/2英寸的天插入線孔口的容器上。
全文摘要
一種用于在生產過程中對諸如存儲槽(8)這樣的容器內的物料高度進行測定的料位傳感器(7)。該料位傳感器(7)包括有一個指向存儲槽(8)內部的電磁波天線(4)。一個電磁波發(fā)生源,用于通過電磁波天線(4)發(fā)射出電磁波信號(9)。一個電磁波接收器,用于接收反射回來的電磁波信號(10)。被連接在發(fā)生源與接收器上的測定電路用于觸發(fā)電磁波信號的發(fā)射操作,并且基于接收到的反射信號確定出物料的料位高度。輸出電路用于輸出與物料高度相關的信號。該裝置適合于應用到具有非常小的天線插入孔口(11)的容器上。
文檔編號G01F23/284GK1361860SQ00810459
公開日2002年7月31日 申請日期2000年8月3日 優(yōu)先權日1999年8月5日
發(fā)明者約瑟夫·費倫巴赫, 卡爾·格里斯布勞姆 申請人:Vega格里沙貝兩合公司