[发明专利]分层介质的物位测量方法

说明书

本发明涉及一种容器内的物位测量的方法，所述容器具有第一介质和至少一种覆于其上的第二介质，特别是泡沫层，还涉及为此方法构建的传感器。

已知的测量物位的方法是基于，将电磁信号发射到具有待测物位的容器内并对反射后的信号进行分析。可能的是，可像在雷达一样自由辐射信号。由于波的传播不能控制，所以通常优选时域反射计量法(TDR)。该时域反射计量法是以确定电磁信号的渡越时间为基础，以便计算传输线波阻抗的不连续性的距离。不同于雷达的是，电磁波不能辐射到外部，而是沿导体传输。导体被设计成单探针或同轴探针，将其垂直或斜向插入罐中且尽量接近底部，用以覆盖整个测量范围。

在TDR测量时会有很短的电发射脉冲馈入到导体中并在相反端的方向上穿过导体。当脉冲遇到干扰点(其相当于改变这个位置的波阻抗)时，一部分发射能量被反射回传输线的发送端。由发射脉冲的发射与反射的接收之间的渡越时间可准确计算出干扰点的位置。干扰点的一个重要范例就是分界面，它将具有不同物理性质或化学性质的两个空间区域分隔开，如两种介质之间的分界面。

为了能准确地确定接收时间，要对接收信号的曲线进行采样并进行数字估算。在这种情况下，例如要找到信号曲线中的局部极值点并将其时间位置与在分界面上的反射相关联。

困难之处在于，存在多个分界面的情况，例如容器内有多种介质时就是这种情况。在这种情况下，介质可以是水，其积聚在油箱底部。一种重要的情形是在液体表面处形成泡沫。人们经常想要确定此处实际介质的物位。在泡沫的分界面处的反射也可能与该介质的测量脉冲混淆或者甚至与该测量脉冲合并在一起，致使根本得不到有意义的测量结果。因此，专为识别单个反射信号所设计的传统的分析算法不能处理这种测量情况。

因此，就连将传统的分析算法通过多分界面的多回波分辨率进行扩展也会受到实践中经常都不具备的前提条件的阻碍，这种条件就是分离层必须具有一定的距离，以便使分离层中产生的脉冲在回波信号中彼此有足够的间距。更难的是，当介质的各层不均匀的情况。例如介质为泡沫时，其密度和相对介电常数根据未知的、通常为单调的函数上升，从而使得回波信号中产生众多彼此重叠的小脉冲。

一种可能的解决办法可能是，增加发射脉冲的带宽。由此分离由于分界层彼此离的太近而产生的回波脉冲。但与此同时对电子设计(如采样率以及随后的信号采集)的要求也变得更加严格了。为此在10GHz以上的高频率时，单探针中的衰减会由于集肤效应而大大增加，从而使得信噪比可能变得不足。无论如何增加带宽均无法解决以下问题，即将在泡沫和介质上产生的回波区分开来并从而确定，读取的既非泡沫物位又非介质物位，而是介质的假物位，或者最坏的情况就是根本读不出测量值。

另一种解决方法可能是，使用同轴探针来代替单探针。由此能够相对于泡沫改善阻抗，这是因为回波主要是由于同轴管内的场空间中的变化所引起的。通过将同轴管有利地设计成只有小的开口使得有可能减少进入管内的泡沫。但与单探针相比，其应用范围会受到限制，这是因为一部分待测介质可能沉积在同轴管内。这会影响传感器的可用性。从卫生要求方面看，这种使用根本行不通。此外用这种方式就连泡沫的物位也无法确定。

从一开始就通过添加化学药剂或通过使用具有优化工艺参数的设备来减少泡沫的形成这种方法，在大多数的应用过程中无法实现。化学药剂影响工艺介质并且在食品行业不管怎样大多是不可设想的。通过优化工艺参数来缓解这一问题，但恰好在启动时的工作阶段以这种方式不足以抑制泡沫的形成。

EP 2 365 302 A1描述了一种方法，以这种方法第一次借助在探针到容器的过渡区域处的过渡脉冲和分界面上的回波来确定到分界面的距离和界面生成介质的相对介电常数，并且二次借助探针末端的工件脉冲来确定。如果这些测量彼此不一致，则推断出存在其他分界面并将该方法迭代地应用到其它分界面上，直到测量出所有的物位。这就需要两个参考脉冲的详细信息，即最初的过渡脉冲和探针末端的工件脉冲的信息。为了使此处足够精确，对电子设备提出了高要求，这会导致相应的制造成本。即使是这样也不能从单探针(与同轴探针不同，其会受到的干扰影响非常多)的过渡脉冲足够准确地推断出发射能量的被传输的比例。另外探针末端的工件脉冲由于在不同介质中传播所以一开始就以完全无法定义的方式延迟和衰减，并因此在许多测量情况下不能作为可靠的参考依据来使用。此外，在物位低时，工件脉冲也可能与测量脉冲重叠，甚至致使参考失真。