專利名稱：容性液面?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及過程控制行業(yè)中所用液面?zhèn)鞲衅鳌＞唧w地說，本發(fā)明涉及一種容性液面?zhèn)鞲衅?，對同樣的兩個過程控制環(huán)路線路提供輸出(也可以是延遲輸出)，并從它接收能量。
過程控制環(huán)路被廣泛用于工業(yè)過程，用以控制過程。一種可與這種環(huán)路耦接的傳感器是液面?zhèn)鞲衅?，特別是以電容為基礎(chǔ)的液面?zhèn)鞲衅鳌＿@種傳感器通過測試探頭(或探測桿)與接地電極之間的電容值檢測潮濕或干燥的情況。當(dāng)測試探頭為液體所覆蓋時，很容易對接地電極產(chǎn)生一個RF信號。測得這一信號，并給出一個指示潮濕情況的輸出。
然而公知的是，在傳感器的整個壽命期間，探測桿上形成包層，特別是導(dǎo)電包層，導(dǎo)致讀數(shù)不準確。一種公知的溶液用于提供一層屏蔽，特別是圍繞著探測桿，給探測桿產(chǎn)生相同的電位。這樣就在屏蔽層與探測桿之間產(chǎn)生一個電中性區(qū)，從而減少了傳感器上導(dǎo)電包層的影響。在1982.9.7授予Geiger的美國專利US 4,347,741，1985.5.7授予Kuhlman的美國專利US 4,515,015，以及1991.9.17授予Marsh等人的美國專利US 5,048,335給出多種容性液面?zhèn)鞲衅鳌?br> 一種用于檢測容器內(nèi)液體或固體表面的電容表面?zhèn)鞲衅?，包括與具有屏蔽層和內(nèi)部探測桿的容器耦接的傳感元件。一個振蕩器對所述屏蔽層和內(nèi)部探測桿提供RF輸出。與所述內(nèi)部探測桿耦接的比較電路響應(yīng)所述內(nèi)部探測桿和容器之間與液體有關(guān)的電容提供潮濕/干燥輸出。按照本發(fā)明的一個方面，所述振蕩器包括一個控制產(chǎn)生RF輸出的啟動輸入端和一個對振蕩器啟動輸入端周期性地提供啟動信號的脈沖源。按照本發(fā)明的另一方面，第一變壓器具有與振蕩器的RF輸出端連接的初級線圈，和連接在傳感器的外管與屏蔽層之間的次級線圈。第二變壓器包括連接在所述屏蔽層與內(nèi)部探測桿之間的初級線圈，和提供與比較電路耦接的輸出端的次級線圈。本發(fā)明的再一方面包括可調(diào)節(jié)校準信號發(fā)生電路和補償發(fā)生電路。本發(fā)明的又一方面是利用膨脹墊圈保持容性液面?zhèn)鞲衅髦虚L型檢測探頭的密封整體性。


圖1是本發(fā)明與兩個過程控制環(huán)路耦接的容性液面?zhèn)鞲衅鞯暮喕娇蚴疽鈭D；圖2是表示按照本發(fā)明與一液面?zhèn)鞲衅黢罱拥臋z測電路的簡化示意圖；圖3是表示因傳感器上形成導(dǎo)電物質(zhì)所致電阻的簡化示意圖；圖4是圖1容性液面?zhèn)鞲衅鞯膫?cè)視圖；圖5是沿圖4中5-5線所取的圖4容性液面?zhèn)鞲衅魈筋^的斷面圖。
本發(fā)明提供一種適用于低功率環(huán)境，如兩個過程控制環(huán)路的容性液面?zhèn)鞲衅鳌，F(xiàn)有技術(shù)存在的一個問題是如果傳感器和相關(guān)聯(lián)的屏蔽層上形成的導(dǎo)電物質(zhì)過多，將需要較為大量的能量去引起所述屏蔽層，以維持其間的電中性區(qū)域?qū)印＝Y(jié)果，現(xiàn)有技術(shù)中的電路不能引起屏蔽層，而且為了維修，就要使整個傳感器斷電或者需要停止運行。
按照本發(fā)明，利用脈沖RF信號驅(qū)動所述傳感器，其中脈沖的占空因數(shù)小于100％。另外，由于該脈沖信號受到選通，并且只是周期性地加給傳感器，從而進一步降低了功率。附帶地，本發(fā)明采用外管或“卷邊管”圍繞被引起的屏蔽層，并且通過耦接技術(shù)引起，該耦接技術(shù)會降低建立導(dǎo)電部分的靈敏度。
圖1是本發(fā)明容性液面?zhèn)鞲衅?0的簡化方框圖。液面?zhèn)鞲衅?0與兩個4-20mA的過程控制環(huán)路12耦接，整個電路的電流為I。電流I反映被檢測液面的特征，為液面?zhèn)鞲衅?0提供工作能量。液面?zhèn)鞲衅?0包括與檢測電路16耦接的傳感元件14，檢測電路16與轉(zhuǎn)換電路18相聯(lián)系。轉(zhuǎn)換電路18與輸入/輸出電路(I/O)24耦接，以便與環(huán)路12相聯(lián)系。I/O電路24控制流過環(huán)路12的電流I的值，并響應(yīng)這個電流產(chǎn)生能量輸出(PWR)，以推動液面?zhèn)鞲衅?0。能量輸出(PWR)可以全部推動液面?zhèn)鞲衅?0。圖1的例子是一種具體實施例。例如，本發(fā)明工作時不需要微處理器。按照一種具體的實施例，流過環(huán)路12的電流值4mA指示傳感元件14處為干燥的情況，而20mA的電流值指示為潮濕的情況。要說明的是，其它聯(lián)系方案和方法以及輸出形式均可被本發(fā)明所采用。
圖2是檢測電路16與傳感元件14耦接的簡化示意圖。傳感元件14包括卷邊管或外管30、所引起的屏蔽層32和探測桿34。檢測電路16通過變壓器40和42與傳感元件14耦合。通常，檢測電路16還包括RF振蕩器44、放大器46、比較器48和斷路電阻網(wǎng)絡(luò)50。
振蕩器44具有啟動單元52，它與比如電源輸入端54連接，通過電阻58耦接到電源電壓(+V)56。電源輸入端54還與連到電路接地端62的電容器60耦接。振蕩器44設(shè)有平衡輸出端68，輸出最好是基頻為200kHz的RF信號。輸出端68連到變壓器40的初級側(cè)，并與電位器75并聯(lián)連接。變壓器40的初級線圈還與斷路電阻網(wǎng)絡(luò)50連接，該網(wǎng)絡(luò)包含串聯(lián)連接的電阻72，74，76和78，以及在四個位置的抽頭，這些抽頭連到四位開關(guān)82。開關(guān)82通過電容器82與放大器46耦接，并通過電容器84耦接到控制輸出的電位器75。變壓器40的次級線圈一端通過外管30與物理接地端90耦接。變壓器40次級線圈的另一端通過阻尼電阻92與所引起的屏蔽層32連接，并接到變壓器42的初級線圈一端。變壓器42初級線圈的另一端連到探測桿34。變壓器42的次級線圈與放大器46的微分低阻抗輸入端連接，放大器46提供一個輸出，給比較器48的同相輸入端。比較器48的反相輸入端與電壓參考值VTH耦接，并對I/O電路24給出比較器的輸出。
在工作期間，振蕩器44在20ms占空因數(shù)下啟動0.4ms，使變壓器40的初級線圈每20ms受到頻率為200kHz的0.4ms信號的驅(qū)動?？捎赊D(zhuǎn)換電路18或者通過任何設(shè)有脈沖發(fā)生電路的適宜手段產(chǎn)生所述啟動信號。另外，可將所述啟動信號的頻率及占空因數(shù)設(shè)置為適宜的值。按照一種優(yōu)選的實施例，所述占空因數(shù)小于100％。在另一種優(yōu)選實施例中，所述占空因數(shù)小于50％。本實施例中，此后設(shè)置的占空因數(shù)只有大約2％。
變壓器40的次級線圈接到接地端90，并通過阻尼電阻92接到所引起的屏蔽層32，還通過變壓器42的初級線圈接到檢測桿34。變壓器42的次級線圈連到放大器46，放大器46對比較器(或數(shù)字轉(zhuǎn)換器)48提供輸出。來自放大器46的輸出信號正比于流過變壓器42初級線圈的電流。流過變壓器42初級線圈的電流與探測桿34與接地端90之間的電容值有關(guān)(或者如果測得導(dǎo)電液體，則與電導(dǎo)值有關(guān))。當(dāng)變壓器42的初級線圈具有變化的低阻抗時(因其以低阻抗放大器為負載)，所引起的屏蔽層32和探測桿34是實際上等電位的。
假設(shè)將傳感元件14裝入容器100內(nèi)，還假設(shè)液體102的表面上升，將桿34蓋住，從而增大了桿34與接地端90之間的電容，從變壓器42的次級線圈到放大器46的輸出為高電平。于是，放大器46的輸出大于由閾值電壓VTH所設(shè)定的閾值，同時使比較器48的輸出端處于高電平，指示“潮濕”情況。
以下轉(zhuǎn)到一個在所述裝置上形成導(dǎo)電包層的例子，圖3給出簡化了的示意圖110。圖110中的電阻112表示在所引起的屏蔽層32與接地端90之間形成的導(dǎo)電包層的電阻。電阻114表示探測桿34與所引起的屏蔽層32之間形成的導(dǎo)電包層的電阻。另外，電阻116表示探測桿34與接地端90(即容器100的壁)之間處于潮濕情況下的液體102的電阻。傳感元件14包層的導(dǎo)電性越好，所引起的屏蔽層32與接地端90之間電阻112的阻值越低。
對于高導(dǎo)電性的包層，這最終可能會引起振蕩器44的負載過重。不過，振蕩器44是一個受到選通的振蕩器，而且是按脈沖方式工作的，其中把能量儲存在電容器60中(圖2)，并將這種能量提供給振蕩器44。這就大大提高了該裝置在產(chǎn)生包層時不致增加為使本裝置工作所需能量的能力。如前所述，當(dāng)液面?zhèn)鞲衅?0只通過環(huán)路12接收能量而工作時，所述能量要特別受到限制。但如果所述導(dǎo)電包層保持增加(即電阻112的阻值遠小于電阻92的阻值)，則因為電阻92和112之間電壓重新分配，會使送到所引起的屏蔽層32的信號開始下降。與此同時，流過變壓器42初級線圈的電流(IWET)也將開始減小。然而，探測桿34與接地端90之間處于潮濕情況下的液體102的電阻(電阻116)會總是小于所述導(dǎo)電包層(電阻112)的阻值。由于這樣，所述電流IWET將永不會降至有如由VTH確定的“干燥”電流以下。另外，由于電阻114(因產(chǎn)生包層所致桿34與屏蔽層32之間的電阻)與阻抗很低的變壓器42初級線圈并聯(lián)，就可以忽略電阻114，從而使A點和B點實際上同電位。
本發(fā)明的另一方面是電路16的校準。利用放大器46輸入端的兩個反相信號的代數(shù)相加可實現(xiàn)這種校準。按解釋的方式，由變壓器42給出第一信號，表示探測桿34與容器100(即接地端90)之間的電容。第二信號經(jīng)電位器75直接由振蕩器44產(chǎn)生。在校準過程中，調(diào)節(jié)電位器70，以消除因所述桿34與容器100所致的電容，從而比較器18給出一個適當(dāng)?shù)摹案稍铩陛敵?。另外，設(shè)置開關(guān)80，使得能夠從輸出信號扣除按所檢測物質(zhì)選擇的固定電容值的等效值。這種補償電容表示當(dāng)電平從干燥的情況變到潮濕的情況時探測桿34與容器100之間電容的近似增加。
按照本發(fā)明的另一方面，可將探測桿34的裸露部分做得實際上短于現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)計。這是可能的，因為電子線路的靈敏度高，而對于所產(chǎn)生的包層靈敏度降低。
圖4是容性液面?zhèn)鞲衅?0的側(cè)視圖，表示本發(fā)明的另一種情況。傳感器10與容器外殼150耦接，包括電子設(shè)備的外殼152和在接頭156處耦接的縱長的傳感元件或探頭14。探頭14在接頭160處與外殼150耦接。探頭14的下部162伸入到檢測液面的容器中。本發(fā)明的一種情況包括一個比現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計短的下部162。
圖5是沿圖4的5-5線所取探頭14的斷面圖。如圖5所示，探測桿34為絕緣管170所包圍，所述絕緣管170最好由特氟隆(聚四氟乙烯)或任何其它絕緣材料制成，它在桿34與所引起的屏蔽層32之間通過密封和電絕緣。類似地，最好由特氟隆制成的絕緣管172將所引起的屏蔽層32與外管30分開。回到圖4，使屏蔽層32與絕緣管170在折曲部分180處密封。類似地，外管30與絕緣管172在折曲部分166處密封。再使膨脹墊圈164被卷曲在所述折曲部分166上。雖然密封延伸一個較短的長度，所述密封墊圈164仍在一個較寬的壓力和溫度范圍內(nèi)保持密封的整體性。具體地說，即使每個管的極小變形也能明顯地降低密封的效果。不過，膨脹墊圈164對整個組合件加壓，以防止各管，特別是外管30作為部件的在組合件收縮或膨脹的壓力或溫度情況下隆起。這對于減小因特氟隆溫度系數(shù)(約為7.6×10-5in/in/f)與不銹鋼溫度系數(shù)(約為9.6×10-6in/in/f)之間的不同所致的變形是特別有效的.按照本發(fā)明的這一方面，膨脹墊圈164可為任何適于保持密封整體性，以便能減小下部162長度的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)給出許多優(yōu)點，包括降低對液面?zhèn)鞲衅魃蠈?dǎo)電包層的產(chǎn)生的敏感性，而保持低能工作的穩(wěn)定性。另外，對傳感器電路提供新的校準和補償方法。振蕩器能提供具有能量水平提高了的信號，因為振蕩器是被選通的，并且采用提供相加能量的較大儲存電容器，在工作期間只是周期性地提供信號。
雖然已參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但那些熟悉本領(lǐng)域的人員將能認識到，可從形式和細節(jié)上進行多種變化，不致偏離本發(fā)明的精髓和范圍。例如，按照本發(fā)明的一種實施例，輸出信號只是一種“高”或“低”的輸出。所述輸出不限于過程控制行業(yè)中標準類型的輸出。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測容器內(nèi)液體表面的容性液面?zhèn)鞲衅鳎ㄅc具有屏蔽層和內(nèi)部探測桿的容器耦接的傳感元件；一個振蕩器具有啟動輸入端并對所述屏蔽層和探測桿相應(yīng)地提供RF輸出；一個對振蕩器啟動輸入端周期性地提供啟動信號的脈沖源；與所述內(nèi)部探測桿耦接的比較電路，響應(yīng)所述內(nèi)部探測桿和容器之間與液體有關(guān)的電容提供潮濕/干燥輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中RF輸出端通過變壓器與所述探測桿耦接。
3.如權(quán)利要求1所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中，還包括與所述比較電路連接補償信號，對所述探測桿的電容信號提供補償，根據(jù)被檢測的液體選擇補償，以控制干燥/潮濕的輸出。
4.如權(quán)利要求1所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中，還包括包圍所述屏蔽層并與所述RF輸出端耦接的外管。
5.如權(quán)利要求4所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中，還包括第一變壓器，它具有與所述RF輸出端耦接的初級線圈和連接在所述外管與屏蔽層之間的次級線圈，還包括第二變壓器，它具有連接在所述屏蔽層與內(nèi)部探測桿之間的初級線圈和與所述比較電路耦接的次級線圈。
6.如權(quán)利要求1所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中，還包括與所述比較電路耦接的輸入/輸出電路用以使容性液面?zhèn)鞲衅黢罱拥竭^程控制環(huán)路，并相應(yīng)地對所述控制環(huán)路提供與干燥/潮濕有關(guān)的輸出。
7.如權(quán)利要求1所述的容性液面?zhèn)鞲衅鳎渲?，還包括所述屏蔽層與內(nèi)部探測桿之間的密封，還包括使所述屏蔽層壓抵所述內(nèi)部探測桿的膨脹墊圈，以保持密封的整體性。
8.一種用于檢測容器內(nèi)液體表面容性液面?zhèn)鞲衅鳎ㄅc具有圍繞一屏蔽層之外管的容器耦接的傳感元件，所述屏蔽層圍繞一內(nèi)部探測桿；一個給出RF輸出的振蕩器；第一變壓器，它具有與RF輸出端耦接的初級線圈和連接于所述外管和屏蔽層之間的次級線圈；第二變壓器，它具有連接在所述屏蔽層與內(nèi)部探測桿之間的初級線圈和給出次級線圈輸出的次級線圈；比較電路，它使第二變壓器的次級線圈輸出與一閾值電壓比較，并相應(yīng)地給出潮濕/干燥輸出，作為所述內(nèi)部探測桿與容器之間與液體有關(guān)之電容的函數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中所述振蕩器包括啟動輸入端，所述容性液面?zhèn)鞲衅鬟€包括一個對振蕩器啟動輸入端周期性地提供啟動信號的脈沖源，以便控制所述RF輸出的發(fā)生。
10.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中還包括一個與所比較電路耦接的可調(diào)節(jié)校準信號，用以校準所述所述容性液面?zhèn)鞲衅鳌?br> 11.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅鳎渲羞€包括與所述比較電路耦接的補償電路，用以響應(yīng)第二變壓器次級線圈的輸出控制潮濕/干燥輸出的發(fā)生。
12.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅鳎渲羞€包括與兩個過程控制環(huán)路耦接的輸出電路。
13.如權(quán)利要求1或12所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中容性液面?zhèn)鞲衅魍耆伤鲞^程控制環(huán)路產(chǎn)生的能量驅(qū)動。
14.如權(quán)利要求1或8所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中所述比較電路使為相應(yīng)給出放大的輸出而與第二變壓器的次級線圈輸出耦接的放大器與比較器比較，所述比較器還與一閾值耦接，并根據(jù)所述閾值與被放大的輸出信號的比較相應(yīng)給出潮濕/干燥輸出。
15.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中還包括密封所述外管、屏蔽層和內(nèi)部探測桿的密封，還包括使所述外管壓抵屏蔽層和使所述屏蔽層壓抵所述內(nèi)部探測桿的膨脹墊圈，以保持密封的整體性。
16.如權(quán)利要求8所述的容性液面?zhèn)鞲衅?，其中所述第一和第二變壓器保持所述?nèi)部探測桿與所述屏蔽層關(guān)于導(dǎo)電包層的產(chǎn)生實際上同電位，所述導(dǎo)電包層的產(chǎn)生造成所產(chǎn)生的屏蔽層與電接地端之間的低電阻路徑。
全文摘要
一種用于檢測容器(100)內(nèi)液體(102)表面的容性液面?zhèn)鞲衅?包括:與具有屏蔽層(32)和內(nèi)部探測桿(34)的容器(100)耦接的傳感元件(14)。振蕩器(44)對屏蔽層(32)和探測桿(34)提供RF輸出。與內(nèi)部探測桿(34)耦接的比較電路(48),響應(yīng)內(nèi)部探測桿(34)和容器(100)之間的電容提供潮濕/干燥輸出,所述電容與容器(100)內(nèi)液體(102)的表面有關(guān)。
文檔編號G01F23/26GK1268219SQ98808605
公開日2000年9月27日 申請日期1998年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月28日
發(fā)明者勞爾·布倫納, 亞歷克斯·J·埃辛, 勞倫斯·J·約內(nèi)斯, 鮑里斯·羅塞爾森 申請人:凱－雷伊/森薩爾股份有限公司