Способ настройки измерительного прибора для емкостного измерения уровня среды и измерительный прибор (варианты) - RU2341780C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу производственной настройки измерительного прибора для емкостного измерения уровня среды, причем, по меньшей мере, одним зондовым блоком измерительного прибора управляют посредством электрического управляющего сигнала, который представляет собой электрическое переменное напряжение задаваемой частоты. Кроме того, изобретение относится к соответствующему измерительному прибору (варианты). «Производственная» означает, что настройка происходит при изготовлении или в процессе производства измерительного прибора изготовителем.

Емкостной способ измерения обеспечивает непрерывное измерение уровня. При этом зондовый блок и стенка резервуара (или второй зондовый блок) образуют конденсатор, диэлектриком которого является среда в резервуаре. Емкость этого конденсатора зависит при этом, в том числе, от уровня среды, так что по емкости можно судить об уровне. Разные возможности измерения емкости раскрыты, например, в публикации заявителя DE 10157762 А1 или DE 10161069 А1.

Проблема заключается в том, что измеренная емкость зависит не только от уровня, но и от диэлектрической постоянной и проводимости среды. Поскольку на проводимость влияние оказывает, например, температура или влажность воздуха, эти зависимости приводят к неточностям измерения или к ограничениям применения. Кроме того, на измеренные значения воздействие оказывают также геометрия резервуара и, например, налет на зондовом блоке.

Другая проблема из-за множественной зависимости от участвующих параметров заключается во взаимосвязи между определяемым в результате измерения значением емкости и соответствующим, представляющим собственно интерес значением уровня. Поэтому обычно требуется так называемая настройка, при которой после монтажа измерительного прибора измеряемую среду наполняют до разных уровней и записывают в память возникающие при этом значения емкости. Такая настройка, однако, очень сложна и препятствует непосредственному пуску в работу измерительного прибора после его монтажа.

Задачей изобретения является, поэтому, создание способа производственной настройки измерительного прибора для емкостного измерения уровня и соответственно настроенного или настраиваемого измерительного прибора.

Эта задача решается согласно изобретению в части способа за счет того, что в зависимости от частоты управляющего сигнала определяют диапазон проводимости, в пределах которого измерение уровня, в основном, не зависит от изменения электрической проводимости среды, для диапазона проводимости создают, по меньшей мере, одну первую эталонную взаимосвязь между задаваемым первым значением уровня и относящимся к первому значению уровня первым значением емкости, при этом первую эталонную взаимосвязь между первым значением уровня и первым значением емкости записывают в память.

Измерительный прибор для емкостного измерения уровня состоит обычно из зондового блока, управляемого блоком регулирования и оценки посредством электрического управляющего сигнала, который представляет собой электрическое переменное напряжение задаваемой частоты. Это является обычным выполнением управляющего сигнала у емкостного измерительного прибора. В качестве ответного сигнала возникает обычно сигнал тока, который, например, через резистор преобразуют в оцифровываемый сигнал напряжения. По электрическому ответному сигналу зондового блока, который является тем самым также ответным сигналом, зависимым от емкости образованного зондовым блоком, стенкой резервуара (или вторым зондовым блоком) и среды конденсатора, определяют затем значение емкости. Для этого требуется алгоритм расчета, который обрабатывает, например, адмитанс ответного сигнала, его величину и фазу между управляющим и ответным сигналами. Управляющий сигнал представляет собой обычно электрическое переменное напряжение устанавливаемой частоты. Изготовление этих компонентов измерительного прибора соответствует уровню техники.

Изобретение состоит в том, что при изготовлении/производстве измерительного прибора создают, по меньшей мере, одну первую эталонную взаимосвязь между первым устанавливаемым значением уровня и связанным с ним значением емкости. При изготовлении/производстве измерительного прибора, следовательно, уже проводят настройку. Различные возможности создания такой эталонной взаимосвязи обсуждаются ниже. Решающий фактор того, что такая предварительная настройка возможна или применима для последующего применения, состоит в том, что проводимость среды, в которой должен использоваться измерительный прибор, лежит в пределах заданного диапазона проводимости. Область применения ограничена, следовательно, средами с соответствующей проводимостью. Этот диапазон, как правило, открыт вверх, т.е. неограничен. Начало диапазона зависит, в том числе, от частоты управляющего сигнала (большей частью электрического переменного напряжения). При частоте 250 кГц начало составляет, например, около 150 мкСм. При более высокой частоте это начальное значение было бы выше, а при более низкой частоте - ниже. Из-за этой частотной зависимости для данной частоты приходится определять сначала подходящий диапазон проводимости, например посредством сравнительных измерений. Ниже раскрыта возможность, как этот диапазон может быть расширен в направлении более низкой проводимости.

Основой этого ограничения является то, что оказалось, что свойства среды, такие как проводимость, а также диэлектрическая постоянная, почти не оказывают влияния на измерительный сигнал, если проводимость лежит в пределах упомянутого диапазона. Поскольку, следовательно, зависимость от среды устранена, настройка может быть проведена в процессе производства. Таким образом, измерение таким измерительным прибором возможно тогда и непосредственно после его монтажа.

Сущность изобретения можно резюмировать следующим образом. При ограничении области применения средами с проводимостью выше определенного значения настройка возможна в процессе производства. Или наоборот: измерительный прибор с производственной предварительной настройкой используют только в таких средах, проводимость которых лежит в пределах диапазона.

В одном варианте способа предусмотрено, что создают, по меньшей мере, одну вторую эталонную взаимосвязь между вторым задаваемым значением уровня и относящимся ко второму значению уровня вторым значением емкости, при этом эталонную взаимосвязь между вторым значением уровня и вторым значением емкости записывают в память. При записи в память только одной эталонной взаимосвязи возможно различение между понижением и повышением связанного с этим уровня. Два значения позволяют, однако, обнаружить оба этих значения, и возможны также расчет и определение промежуточных значений.

В одном варианте способа предусмотрено, что частоту управляющего сигнала задают таким образом, что влияние налета на зондовом блоке на измерение уровня минимальное. Этот вариант относится к тому, что чувствительность к налету зависит от частоты управляющего сигнала, причем более высокая частота вызывает более высокую совместимость с налетом. Более высокая частота, однако, связана с более высоким расходом энергии, а нижнее предельное значение диапазона проводимости, в пределах которого ее изменение не оказывает или оказывает лишь пренебрежимо малое влияние на определяемое значение емкости, смещается в направлении более высокой проводимости. По этой причине более высокая совместимость с налетом связана с суженной областью применения. Следовательно, частоту необходимо выбирать так, чтобы влияние налета было минимальным, однако чтобы в то же время диапазон проводимости был максимально широким. Практически следует найти компромисс между этими обоими противоречивыми требованиями.

Ниже раскрыто, как в процессе производства создают эталонные взаимосвязи.

В одном варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, одну эталонную взаимосвязь между заданным значением уровня и относящимся к значению уровня значением емкости создают за счет того, что настроечную среду выбирают или устанавливают так, чтобы ее электрическая проводимость лежала в пределах определенного диапазона, в настроечном резервуаре устанавливают значение уровня настроечной среды, при этом при установленном значении уровня с помощью измерительного прибора определяют значение емкости. При изготовлении проводят, следовательно, настроечные измерения. Настроечная среда должна при этом отличаться только тем, что проводимость лежит в пределах указанного диапазона. Предпочтительным образом используют легко манипулируемую и, в частности, также безопасную настроечную среду, например воду. С этой настроечной средой затем в настроечном резервуаре, геометрия которого была выбрана как можно более оптимальной, устанавливают заданное значение уровня и определяют возникающее тем самым значение емкости. Такое настроечное измерение имеет также то преимущество, что этим можно учесть производственные допуски измерительного прибора и особенно зондового блока, поскольку заодно непосредственно измеряются воздействия геометрии зондового блока.

В одном варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, одну эталонную взаимосвязь между заданным значением уровня и относящимся к значению уровня значением емкости создают за счет того, что рассчитывают значение емкости, соответствующее значению уровня среды. При расчете следует обратить внимание еще, в случае необходимости, на геометрию и свойства материала зондового блока. Под геометрией следует понимать, в целом, соответствующие габариты, такие как длина, диаметр и т.д., а также, идет ли речь об изолированном зондовом блоке и каковы соответствующие отдельные габариты. Свойствами материала зондового блока являются, например, значение проводимости, диэлектрическая постоянная и т.д. Если все необходимые данные о геометрии и свойствах материала известны, то можно рассчитать значение емкости, связанное с заданным значением уровня. При необходимости, значение емкости рассчитывают также с учетом геометрии резервуара, в котором должен быть установлен измерительный прибор.

Значение емкости при холостой настройке (зондовый блок не покрыт средой) в случае стержневого зонда рассчитывают, например, по следующей формуле (это, следовательно, пример расчетной формулы; в зависимости от выполнения измерительного прибора и резервуара требуются подходящие модификации):

При этом длина зонда Sondenlänge, диаметр стержня Durchmesser_Stab и диаметр окружающей стержень изоляции Durchmesser_iso, а также диэлектрическая постоянная изоляции ε_iso должны быть известны. Далее требуется знать диаметр резервуара Behälterdurchmesser. Резервуар может представлять собой преимущественно призматический резервуар, т.е. площадь сечения постоянная по всей высоте, поскольку иначе требуются соответствующие расчеты линеаризации. Основная емкость Grundkapaztität является емкостью, которую измерительный прибор в целом уже приносит с собой. Основная емкость является, следовательно, суммой емкостей, которая может быть измерена на подключении зонда блока регулирования и оценки. Это значение можно определить, например, по сравнительным измерениям (более подробно об этом ниже при описании фигур).

Второе значение при полном покрытии зондового блока средой рассчитывают по следующему уравнению:

В эту формулу включена еще диэлектрическая постоянная среды ε_Medium Изменения диэлектрической постоянной среды ε_Medium оказывают при этом пренебрежимое влияние. Если зондовый блок состоит из собственного зондового стержня и окружающей его зондовой изоляции, то это объясняется следующим образом. Система, образованная зондовым блоком, резервуаром и средой, может быть интерпретирована как два включенных последовательно конденсатора: один конденсатор Ci между зондовым стержнем и средой, у которого диэлектрик образован зондовой изоляцией, а другой конденсатор Cm между зондовой изоляцией и стенкой резервуара, у которого диэлектрик образован средой. В данном и существенном для изобретения диапазоне проводимости значение проводимости среды намного больше реактивной проводимости «конденсатора среды» Cm. Таким образом, конденсатор среды почти короткозамкнут, и между зондовым стержнем и стенкой резервуара имеется как бы только «конденсатор изоляции» Ci, в результате чего отпадает также зависимость от диэлектрической постоянной среды ε_Medium для этого диапазона проводимости, в котором должен использоваться измерительный прибор.

В одном варианте способа предусмотрено, что, по меньшей мере, одну эталонную взаимосвязь между заданным значением уровня и относящимся к значению уровня значением емкости создают за счет того, что из расчетных и/или определенных взаимосвязей между значениями уровня и емкости отбирают значение емкости, соответствующее значению уровня. Следовательно, записывают в память расчетные или измеренные взаимосвязи и отбирают из них относящуюся к выбранному уровню емкость или, исходя из этого, рассчитывают эталонные взаимосвязи, например, для данной длины зонда. Как видно из приведенного выше расчета, следует, при необходимости, учитывать еще геометрию резервуара.

В одном варианте в случае, если созданы две эталонные взаимосвязи, с помощью записанных в память первых и вторых эталонных взаимосвязей рассчитывают, по меньшей мере, одну третью эталонную взаимосвязь и записывают ее, например, в блок памяти. С помощью известных эталонных взаимосвязей рассчитывают, следовательно, промежуточные значения. Облегчающим это условием является, например, линейная взаимосвязь между уровнем и емкостью.

Задача решается далее согласно изобретению посредством измерительного прибора для емкостного измерения уровня, настроенного способом согласно изобретению, по меньшей мере, по любому из предыдущих вариантов. Такой измерительный прибор определяет обычно уровень среды с проводимостью в резервуаре. Он содержит обычно, по меньшей мере, один зондовый блок и, по меньшей мере, один блок регулирования и оценки. Блок регулирования и оценки управляет зондовым блоком посредством электрического управляющего сигнала и принимает от зондового блока электрический ответный сигнал. В блоке регулирования и оценки хранится, по меньшей мере, один алгоритм расчета, посредством которого блок регулирования и оценки по ответному сигналу зондового блока определяет значение емкости. По меньшей мере, в одном зондовом блоке способом согласно изобретению хранится, по меньшей мере, одна эталонная взаимосвязь между значением емкости и значением уровня. После монтажа в резервуаре измерительный прибор свободен от настройки в том случае, если электрическая проводимость среды лежит в пределах заданного диапазона. Измерительный прибор располагает, следовательно, блоком памяти, в котором записана, по меньшей мере, одна эталонная взаимосвязь между значением емкости и значением уровня в процессе производства. Таким образом, с помощью этого измерительного прибора сразу же после монтажа в резервуаре возможно свободное от настройки измерение, если проводимость измеряемой среды лежит в пределах заданного диапазона, для которого при изготовлении была проведена предварительная настройка. При этом однако следует обратить внимание на частоту управляющего сигнала, представляющего собой обычно электрическое переменное напряжение. Частота оказывает влияние как на диапазон проводимости, в пределах которого должно лежат значение проводимости измеряемой среды, чтобы измерительный прибор мог использовать записанные эталонные взаимосвязи, так и на совместимость с налетом измерительного прибора. Для расширения допустимого диапазона проводимости целесообразна при этом как можно более низкая частота, а для совместимости с налетом - как можно более высокая частота. Свобода от настройки измерительного прибора означает тем самым, что для измерений настройку в установленном состоянии проводить больше не требуется. Измерительный прибор может использоваться, следовательно, непосредственно после монтажа, что исключает трудности и расходы на настройку на месте.

В одном варианте измерительного прибора предусмотрен, по меньшей мере, один блок регулирования и оценки, принимающий от зондового блока ответный сигнал, при этом в блоке регулирования и оценки хранится, по меньшей мере, один алгоритм расчета, посредством которого блок регулирования и оценки, по меньшей мере, с помощью амплитуды и фазы ответного сигнала зондового блока определяет значение емкости. Блок регулирования и оценки управляет далее в большинстве случаев также зондовым блоком посредством управляющего сигнала. Обычно обрабатывают только величину ответного сигнала. Если по отношению к управляющему сигналу используют также амплитуду и фазу ответного сигнала, то возникает больше информации. Для этого в блоке регулирования и оценки предусмотрен, например, микропроцессор, который непосредственно сканирует измерительный сигнал или пропорциональный ему параметр. Обычно ответный сигнал, представляющий собой в большинстве случаев сигнал тока, преобразуют, например, посредством резистора в сигнал напряжения, который, в свою очередь, оцифровывают и делают тем самым оптимально доступным для оценки. Эти оцифровывание и оценка, например, не только величины ответного сигнала важны, прежде всего, для нижеследующего варианта.

В одном варианте измерительного прибора предусмотрено, что алгоритм расчета оптимизирован с возможностью образования расширенного диапазона проводимости, в пределах которого измерение уровня, в основном, не зависит от изменения электрической проводимости среды. Алгоритм расчета оптимизирован, другими словами, таким образом, что влияние проводимости среды в пределах расширенного диапазона проводимости на определяемое блоком регулирования и оценки значение емкости минимальное, причем этот диапазон шире диапазона, уже заданного принципом измерения и «физикой». Цель этого варианта заключается в том, чтобы диапазон сред, для которого применим свободный от настройки измерительный прибор, был как можно шире за счет вида оценки. Для этого, например, коэффициенты полинома можно определить с возможностью возникновения желаемой характеристики полинома в зависимости от проводимости. При этом, однако, всегда следует обращать внимание также на зависимость от частоты управляющего сигнала.

Это позволяет, например, согласовать корректированную амплитуду Amplitude_berechnet, исходя из измеренной амплитуды Amplitude_gemessen и измеренной фазы ϕ_gemessen, с функцией (это дает тогда оптимизируемый алгоритм расчета, являющийся в этом случае расчетной формулой), которая является, например, полиномом:

Amplitude_berechnet=f(Amplitude_gemessen, ϕ_max, ϕ_gemessen).

В формулу следует ввести соответствующие коэффициенты, с помощью которых функцию можно согласовать с условиями. В принципе, должно быть ϕ_max=π/2, поскольку фазовый сдвиг между сигналами напряжения и тока в конденсаторе принимает это значение. Из-за электроники возможны, однако, отклонения от этого значения, так что целесообразнее, чтобы угол ϕ_max можно было регулировать. Коэффициенты позволяют оптимизировать тогда выражение так, чтобы отсутствовала зависимость от проводимости для как можно более широкого диапазона. Поскольку такая независимость лежит, в принципе, в диапазоне более высокой проводимости, целью является, в принципе, как можно большее снижение нижнего значения диапазона, так что в результате расширяется диапазон применения измерительного прибора. Могут быть также предусмотрены отдельные компоненты, чтобы по-разному оценивать фазовую информацию ϕ_max и ϕ_gemessen.

В одном варианте измерительного прибора блок регулирования и оценки оценивает фазу ответного сигнала в отношении имеющегося на зондовом блоке налета. За этим вариантом скрывается тот факт, что не только материал через уровень оказывает влияние на фазу ответного сигнала, но и что налет также сказывается на фазе. Таким образом, возможно, что налет будет оказывать негативное влияние на определение значения емкости и тем самым также на определение значения уровня. Необходимо, следовательно, обнаруживать эффекты налета и, по возможности, минимизировать их. Одна возможность состоит в том, чтобы повысить частоту управляющего сигнала, представляющего собой обычно электрическое переменное напряжение. Это уменьшает восприимчивость к налету. Другая возможность возникает за счет наблюдения того, что фаза ответного сигнала в результате изменения уровня может лежать только в пределах фазового диапазона, зависимого от свойств материала и частоты управляющего сигнала. Если фаза лежит вне диапазона, то налет доминирует и надежное измерение уровня не вполне возможно. Поэтому по фазе можно получить информацию о налете.

В одном предпочтительном варианте измерительного прибора предусмотрено, что блок регулирования и оценки посредством алгоритма расчета по ответному сигналу зондового блока с использованием фазы ответного сигнала определяет значение емкости в том случае, если фаза лежит вне задаваемого фазового диапазона с доминированием налета, причем фазовый диапазон с доминированием налета включает в себя фазы, которые могут быть измерены только в случае наличия налета на зондовом блоке. Идея этого варианта в том, что значение емкости и значение уровня определяют посредством алгоритма расчета только тогда, когда фаза лежит в диапазоне, в котором она условно может лежать за счет уровня. В качестве альтернативы можно рассмотреть разность между измеренной и максимальной фазами 90°. Если определена фаза, лежащая вне этого диапазона или в пределах фазового диапазона с доминированием налета, то она является, в первую очередь, следствием налета, и применение оптимизированного алгоритма расчета, использующего для оценки преимущественно фазу, больше нецелесообразно. «Разрешенный» фазовый диапазон может быть, однако, установлен и задан также в соответствии с желаемой или требуемой надежностью измерения, причем повышенная потребность в надежности будет ассоциироваться с более узким фазовым диапазоном.

В одном варианте блок регулирования и оценки посредством алгоритма расчета по ответному сигналу зондового блока с использованием заданного фазового значения определяет значение емкости в том случае, если фаза ответного сигнала лежит в пределах фазового диапазона с доминированием налета. Если фаза больше, т.е. фаза лежит в пределах фазового диапазона с доминированием налета, т.е. налет является доминирующим, поэтому нецелесообразно осуществлять расчет непосредственно с оптимизированным алгоритмом. Поэтому требуется корректировка. Эта корректировка, в частности, что используют не измеренную фазу, а специальную заданную фазу. В качестве альтернативы задан второй алгоритм расчета, уменьшающий зависимость от фазы. В одном варианте речь идет о заданной фазе, которую в этих случаях используют вместо измеренной фазы, чтобы максимальная разность фаз между измеренной и максимальной/идеальной фазами лежала в пределах 90°. Если, следовательно, разность фаз больше предельного значения фазы, то значение емкости рассчитывают с этим предельным значением.

Задача решается далее согласно изобретению посредством измерительного прибора для емкостного измерения уровня среды с проводимостью в резервуаре, содержащего обычно, по меньшей мере, один зондовый блок и, по меньшей мере, один блок регулирования и оценки, который управляет зондовым блоком посредством электрического управляющего сигнала и принимает от зондового блока электрический ответный сигнал, причем в блоке регулирования и оценки хранится, по меньшей мере, один алгоритм расчета, посредством которого блок регулирования и оценки по ответному сигналу зондового блока определяет значение емкости. Измерительный прибор отличается тем, что алгоритм расчета оптимизирован таким образом, что возникает диапазон проводимости, в пределах которого измерение уровня, в основном, не зависит от изменения электрической проводимости среды, при этом он оценивает фазу ответного сигнала в отношении находящегося на зондовом блоке налета. С таким измерительным прибором возможно определение взаимосвязи между значением емкости и уровнем уже в процессе производства и ее хранение подходящим образом в измерительном приборе. Речь идет, следовательно, о настраиваемом измерительном приборе. Это объясняется тем, что зависимость измерения от проводимости среды и тем самым от самой среды устраняется или минимизируется. Поскольку алгоритм расчета оптимизирован, область применения измерительного прибора опять-таки максимально широка. За счет оценки фазы далее возможно противостоять ненадежности измерения из-за влияний налета на зондовом блоке. Поскольку фазу преимущественно при оптимизированном алгоритме расчета привлекают для определения значения емкости, должно быть гарантировано, чтобы на фазу, в первую очередь, не оказывали влияние другие условия процесса. Таким условием процесса является, например, налет среды на зондовом блоке. Поскольку налет оказывает влияние на фазу, ее контролируют преимущественно в отношении налета. Настройка может происходить, следовательно, описанным выше способом со стороны изготовителя, однако может быть проведена также на месте после монтажа. Другие варианты описанного выше измерительного прибора также рассматриваются здесь.

Изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображают:

- фиг.1: схематично применение измерительного прибора;

- фиг.2: кривые для пояснения зависимости измерительного сигнала от проводимости и диэлектрической постоянной измеренной среды;

- фиг.3: схематично результаты некоторых измерений для создания взаимосвязи между значением емкости и уровнем;

- фиг.4: кривые для пояснения оптимизации алгоритма оценки;

- фиг.5: схематично зависимость фазы ответного сигнала от уровня;

- фиг.6: схематично измеренную настройку в процессе производства.

На фиг.1 изображено применение измерительного прибора 1 для измерения уровня среды 10 в резервуаре 11. Зондовый блок 2 выполнен здесь в виде стержня, однако в качестве альтернативы он может представлять собой также трос. Есть также устройства с несколькими измерительными стержнями или тросами. Зондовый блок 2, стенка резервуара 11 и среда 10 образуют конденсатор. Для определения емкости к зондовому блоку 2 от блока 3 регулирования и оценки подают электрический управляющий сигнал. Обычно речь идет об электрическом переменном напряжении. По ответному сигналу зондового блока 2, причем речь идет большей частью о сигнале тока, который в блоке 3 регулирования и оценки преобразуют в напряжение, определяют затем емкость. Предпочтительным образом для этого в блоке 3 регулирования и оценки предусмотрен блок оцифровывания сигнала напряжения (не показан), который обеспечивает также определение амплитуды и фазы ответного сигнала. Предпочтительным образом в блоке регулирования и оценки может быть предусмотрен микропроцессор, который непосредственно сканирует или оцифровывает ответный сигнал (сигнал тока) или пропорциональный ему сигнал (сигнал напряжения). По значениям ответного сигнала определяют затем значение емкости. Посредством эталонной взаимосвязи между значениями емкости и уровня, записанной в блоке 4 памяти, возникает уровень среды 10 в резервуаре 11, поскольку проводимость σ среды 10 лежит в пределах заданного диапазона проводимости. Этот диапазон начинается примерно при 150 мкСм (если измеряемая частота, т.е. если частота переменного напряжения составляет 250 кГц) и открыт вверх (см. фиг.2). Это обеспечено уже одной физикой. Нижнее предельное значение может быть, однако, уменьшено, о чем говорится ниже.

На фиг.2 изображены различные кривые в отношении воздействий проводимости σ (нанесена на оси х) и диэлектрической постоянной (отдельные кривые; DK=2, 10, 80) на измеренный адмитанс (т.е. амплитуду) ответного сигнала (нанесена на оси у в виде нормированного адмитанса). У всех кривых адмитанс должен быть собственно равен 1. Отклонения возникают, однако, прежде всего, из-за зависимости проводимости σ среды. Как видно, адмитанс становится меньше в направлении убывания проводимости. Степень убывания зависит от диэлектрической постоянной среды. Возникает, следовательно, зависимость от двух свойств среды: проводимости и диэлектрической постоянной. Характер кривых при этом аналогичен: имеются два плато, между которыми находится переходная зона. Верхнее плато одинаково для всех диэлектрических постоянных, а нижнее плато зависит от диэлектрической постоянной. Важен тем самым тот факт, что выше определенной проводимости возникает независимость от проводимости и диэлектрической постоянной. Зная это, можно ограничить область применения измерительного прибора средами, проводимость которых лежит выше этого предельного значения. Для этих сред можно также сохранить в процессе производства эталонные взаимосвязи между значением емкости и уровнем, а позднее также использовать их.

Другая зависимость кривых - от частоты управляющего сигнала (не показано). Чем ниже частота, тем больше переходная зона смещается влево в направлении низких значений проводимости. Диапазон, как правило, открыт вверх, а нижний начальный диапазон зависит от частоты. За счет снижения частоты также можно было бы достичь более широкой области применения. Этому препятствует, однако, та проблема, что более низкая частота повышает влияние налета на зондовом блоке. Налет представляет собой среду, приставшую к зондовому блоку и как бы экранирующую зонд от среды. Поскольку налет возникает у многих сред, предпочтительно выбирать частоту как можно более высокой, чтобы возникла совместимость с налетом.

На фиг.3 изображен результат способа создания эталонных взаимосвязей. При этом были измерены значения емкости (ось у) нескольких зондовых блоков известной длины (ось х) для холостой настройки на воздухе, т.е. помимо воздуха между зондовым блоком и ответным электродом диэлектрик отсутствует. Из-за, например, производственных допусков для соответствующих длин зондов возникает семейство точек. Значения лежат, однако, как правило, на прямой, так что возможна также информация о промежуточных величинах длин зондов. Экстраполяция измеренных значений позволяет определить основную емкость, образованную зондом, электронной и механической частями (провода, вводы и т.д.). Эта основная емкость является значением емкости, которому придают коррекцию нуля и посредством которого возможны приведенные выше расчеты.

На фиг.4 изображены три кривые K1, K2, К3. Две кривые K1, K2 показывают воздействие проводимости среды на определение уровня. Уровень (нанесен на левую ось у) лежащего в основе измерения составляет 100%. Из-за проводимости σ среды (нанесена на ось х) возникают, однако, разные значения емкости, приводящие к соответственно другим значениям уровня. Поскольку, однако, проводимость при работе обычно не измеряют, так как она одновременно зависит от таких влияний, как температура и влажность воздуха, это вызывает ненадежность измерения. Кривая К1 показывает характеристику, возникающую тогда, когда у среды оценена только амплитуда ответного сигнала. Хотя уровень составляет 100%, определяемый по значению емкости уровень лежал бы между 63 и 100%, т.е. ошибка при определении уровня может составлять до 37%. Как и на фиг.2, кривая К1 имеет, в основном, два плато, между которыми лежит переходная зона. Важно, что проводимость, начиная с определенного значения, оказывает пренебрежимо малое влияние или больше не оказывает никакого влияния на измерение (верхнее плато). С этим связано то, что эталонные взаимосвязи между значением емкости и уровнем могут быть в самой значительной степени использованы независимо от среды. Это поясняет также идею изобретения. За счет того, что зависимость от среды, начиная с определенной проводимости (которая, в свою очередь, обусловлена частотой электрического переменного напряжения управляющего сигнала), отпадает и что это справедливо также для большинства диэлектрических постоянных (фиг.2), возможно сохранение эталонных взаимосвязей между значением емкости и уровнем уже в процессе производства.

Кривая К3 показывает зависимость фазы (правая ось у) ответного сигнала по отношению к фазе управляющего сигнала от проводимости σ. При определении значения емкости по амплитуде (К1) и фазе (К3) ответного сигнала можно оптимизировать алгоритм оценки или формулу оценки таким образом, чтобы в сочетании с этими обеими информациями независимость от проводимости была справедлива также для более широкого диапазона проводимости. Это обозначено кривой К2. Как видно, кривая К2 смещена относительно кривой К1 больше влево, т.е. больше в направлении меньшей проводимости. Допустимый диапазон проводимости начинается здесь уже примерно с 30 мкСм (при измерительной частоте 250 кГц). Таким образом, эта дополнительная оптимизация расширяет также область применения измерительного прибора.

На фиг.5 показаны три кривые, относящиеся к трем средам, диэлектрические постоянные которых (снизу вверх) составляют 2, 10 и 80. Проводимость составляет 50 мкСм. Показана зависимость фазы ответного сигнала (ось у) от уровня среды (ось х в процентах). 90° - это фаза, устанавливающаяся без среды (0%). Это - ожидаемая фаза, возникающая на конденсаторе между напряжением и током. В зависимости от выполнения отдельных деталей измерительного прибора следует ожидать отклонений от этих 90°, которые, однако, могут быть определены непосредственно. Как видно, фаза ответного сигнала сильнее отклоняется от этого значения по мере возрастания уровня, т.е. по мере увеличения диэлектрика этого конденсатора, образованного зондовым блоком и стенкой резервуара или вторым зондовым блоком. Характер кривой зависит при этом от диэлектрической постоянной среды. Чем ниже постоянная, тем сильнее убывание. Видно, однако, также, что отклонение фазы от 90° составляет максимум 15° или что фаза не принимает значения менее 75°. Влияние уровня на фазу ответного сигнала ограничено, следовательно, фазовым диапазоном. Чтобы измерительный прибор снова не попал из-за этого в зависимость от среды, целесообразно поэтому определить этот диапазон, по возможности, для всех сред, т.е. в этом случае с частотой управляющего сигнала 250 кГц на фазу 75-90°. Альтернативная формулировка такова, что разность между измеренной ϕ_gemessen и максимальной ϕ_max фазами должна составлять 0-15°. Если фаза лежит в пределах этого диапазона, то первопричиной этого могут быть уровень и налет на зондовом блоке. Если же фаза составляет менее 75° или отклонение составляет более 15°, то налет доминирует и надежная информация об уровне, в частности при использовании оптимизированного алгоритма расчета, больше не обеспечивается. Поэтому в данном случае используют алгоритм расчета с твердо заданной фазой, например 15°, т.е. с максимальной разностью фаз, возможной только за счет уровня. В качестве альтернативы используют второй алгоритм расчета, который учитывает зависимость от налета или в самой значительной степени не учитывает влияние налета. В качестве альтернативы может быть выдано также предупреждение о том, что требуется ручное устранение налета.

На фиг.6 схематично изображено измерение эталонной взаимосвязи между устанавливаемым значением уровня и определяемым при этом значением емкости при изготовлении измерительного прибора 1. Зондовый блок 2 состоит здесь из собственно зондового стержня 2.1 и окружающей его изоляции 2.2. К зондовому стержню 2.1 посредством блока 3 регулирования и оценки прикладывают электрическое переменное напряжение. Зондовый блок 2 размещен в настроечном резервуаре 21. Уровень настроечной среды 20 устанавливают затем, по меньшей мере, на одно задаваемое значение и определяемое при этом значение емкости записывают затем вместе со значением уровня в блок 4 памяти, являющийся здесь частью блока 3 регулирования и оценки. Настроечная среда 20 отличается тем, что проводимость σ лежит в пределах заданного диапазона, т.е. в пределах диапазона, в котором проводимость не оказывает или почти не оказывает никакого влияния на измеренную емкость. На фиг.6 также схематично показан налет 25 на зондовом блоке 2. Налет 25 представляет собой обычно среду 10, которая пристает и при определенных обстоятельствах частично присыхает. В зависимости от характера среды 10 она может приставать к зондовому блоку 2. Налет возникает тогда, когда после понижения уровня среда 10 повисает на зондовом блоке 2 и, например, присыхает. Такой налет 25 действует тогда аналогично металлической оболочке, которую надевают на зондовый блок 2. За счет этого зондовый блок 2 как бы экранирован, и может даже произойти так, что уровень не сможет больше вызвать изменения емкости. Поэтому налет 25 является очень важным условием процесса, которое, прежде всего во время изменения уровня, в зависимости от температуры или времени, в течение которого налет присутствует на зонде, подвержено изменениям.

Перечень ссылочных позиций

1 - устройство.

2 - зондовый блок.

2.1 - зондовый стержень.

2.2 - зондовая изоляция.

3 - блок регулирования и оценки.

4 - блок памяти.

10 - среда.

11 - резервуар.

20 - настроечная среда.

21 - настроечный резервуар.

25 - налет.

Реферат

Изобретение относится к способу производственной настройки измерительного прибора для емкостного измерения уровня среды, причем, по меньшей мере, одним зондовым блоком измерительного прибора управляют посредством электрического управляющего сигнала, который представляет собой электрическое переменное напряжение задаваемой частоты. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений. Сущность изобретения в том, что в зависимости от частоты управляющего сигнала определяют диапазон проводимости, в пределах которого измерение уровня, в основном, не зависит от изменения электрической проводимости (σ) среды, для диапазона проводимости создают, по меньшей мере, одну первую эталонную взаимосвязь между задаваемым первым значением уровня и относящимся к первому значению уровня первым значением емкости, при этом первую эталонную взаимосвязь между первым значением уровня и первым значением емкости записывают в память. Кроме того, изобретение относится к соответствующему измерительному прибору. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула