CN110268232B

CN110268232B - 耐温的填充水平测量设备

Info

Publication number: CN110268232B
Application number: CN201780074755.8A
Authority: CN
Inventors: 克劳斯·法伊斯特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2037-11-22
Also published as: CN110268232A; EP3559613A1; US20200088562A1; WO2018114186A1; DE102016124982A1; EP3559613B1; US11187570B2

Abstract

本发明涉及一种基于雷达的填充水平测量设备，用于测量容器(2)中的填充材料(3)的填充水平(L)。除壳体(11)之外，该设备还包括天线(12)；位于壳体(11)和天线(12)之间的壳体颈部(13)，位于壳体(11)和天线(12)之间的壳体颈部(13)具有预定的热阻(R_th，G)；以及至少一个部分地布置在壳体颈部(13)内的电子组件(131)。该填充水平测量设备的特征在于，壳体颈部(13)的热阻(R_th，G)足够低，以便当容器(2)中的温度(T_B)为至少200℃时，将电子组件(131)处的温度(T_E)限制到最多80℃。根据本发明，将电子组件(131)布置在壳体颈部(13)中因此提供了一种高分辨率、耐温并且同时紧凑的用于例如79GHz的高雷达频率的填充水平测量设备。

Description

耐温的填充水平测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量位于容器中的填充物质的填充水平的基于雷达的填充水平测量设备，其中，在容器内处于高温的情况下，也可以应用该填充水平测量设备。

背景技术

在自动化技术尤其是在过程自动化技术中，经常会应用到用于记录和/或影响过程变量的现场设备。为记录过程变量而应用了传感器，传感器例如用在填充水平测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、pH氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等中。它们记录相应的过程变量，诸如填充水平、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位和电导率。大量的这些现场设备由Endress+Hauser公司制造并销售。

对于容器中的填充物质，为了对其进行填充水平测量，已研发出了非接触式测量方法，这是因为它们鲁棒且具有低维护性。非接触式测量方法的另一个优点是它们能够几乎连续地测量填充水平，因而具有高分辨率。因此，在这种情况下，主要采用了基于雷达的测量方法。已建立的测量原理包括FMCW(“频率调制连续波”)测量原理和所谓的脉冲传播时间方法。在这两种情况下，高频电磁信号通过固定在容器上的天线进行传输，并且在填充物质的方向上被引导到容器的内部。在这种情况下，发射的电磁波频率位于标准化中心频率的区域中。由于政府规定，作为规则，为此使用6GHz，26GHz或79GHz的频率。例如，在出版物DE 10 2010 063 430 A1中解释了脉冲传播时间方法的功能原理。例如，在出版物WO2012/139852A1中解释了FMCW测量原理。独立于测量原理，较高的频率是有利的，这是因为随着频率的上升，填充水平测量的分辨率潜在地同样上升。

根据应用领域，容器内部的温度可高达200℃。在这种情况下，一项特别的挑战是使填充水平测量设备与容器内部热绝缘，这是因为现场设备的电子部件通常仅被设计成耐受高达80℃的温度。电子元件的热绝缘经常通过具有高热阻并且布置在天线和壳体之间的绝热壳体颈部实现，该绝热壳体颈部远离容器设置。在这种情况下，电子元件位于壳体内。为此目的，壳体颈部的尺寸被设定为具有某个最小长度以及相应的较小横截面积，以便在天线和壳体之间建立一个最可能的热阻。此外，已知作为用于增加热阻的其他措施的是在壳体颈部的内部使用例如陶瓷体的绝热元件。

对于高雷达频率(其中，对于高频率，在本发明的意义上，甚至低于79GHz的频率也被认为是高频率)，然而，由于将足够的信号传输至天线的原因，不可能再为远离天线的高频信号产生而设置电子模块。因此，在这些情况下，必须避免(长)壳体颈部。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种填充水平测量设备，该设备可应用在容器中为高温的情况下。

本发明通过用于测量位于容器中的填充物质的填充水平(L)的基于雷达的填充水平测量设备实现该目的，所述设备包括：

-壳体，

-天线，所述天线被实施并布置在容器上，使得在填充物质的方向上发射电磁波(S_HF)和/或接收容器中反射的电磁波(E_HF)，

-壳体颈部，所述壳体颈部被布置在壳体和天线之间，其中所述壳体颈部在壳体和天线之间具有预定的热阻(R_th，H)，

-部分地布置在所述壳体颈部中的至少一个电子模块。

根据本发明，所述壳体颈部的特征在于，壳体颈部的热阻(R_th，G)的大小被设计成使得当容器中天线附近的温度(T_B)至少为200℃时，在电子模块处的温度(T_E)被限制为至多80℃。为此目的，热阻(R_th，G)优选小于15开尔文/瓦，特别是小于10开尔文/瓦。为此，壳体颈部优选由导热材料制成，尤其是由不锈钢、铝或铜制成。在这些材料中，铜具有最大的导热率。以这种方式，可以实现本发明的壳体颈部的一种非常紧凑的实施例。相反，不锈钢在这些材料中具有最大的机械和化学耐久性，因此，当填充水平测量设备被暴露于恶劣的环境条件时，优选使用不锈钢。

在本发明的上下文中，颈部的热阻(R_th，G)被定义为：

在这种情况下，l_G是壳体颈部的长度，A_G是其横截面面积。λ_G是所使用的壳体材料的导热率，单位是

由于根据本发明的电子模块被布置在壳体颈部中，提供了一种耐温的填充水平测量设备，在高雷达频率的情况下亦可应用。以这种方式，与现有技术的填充水平测量设备相比，可以实现精度提高的填充水平测量。根据本发明，填充水平测量设备的耐温性体现在与通常的技术常识相反，壳体颈部具有减小的热阻(R_th，G)，使得电子模块处的温度(T_E)可显著降低到80℃以下。由于壳体颈部中的导热性增加，壳体颈部和位于电子模块下方的天线部件良好地热耦合到作为冷却体的实际壳体，并且以这种方式，在给定的情况下实现了从电子模块上方的热天线到壳体的对流最小化。在这种情况下，实际壳体中的温度略微升高并不紧要。

除了使用的材料之外，对应于上述公式，壳体颈部的热阻可能受到壳体颈部的几何设计特别是其横截面几何形状、长度(l_G)、平均外径(D_G)和平均壁厚(d_G)的影响。在本发明的一种有利形式中，壳体颈部因此优选具有例如圆形的横截面，其具有相应的外径(D_G)和壁厚(d_G)。在这种情况下，横截面面积A_G是：

在这种情况下，本发明的填充水平测量设备的另一个改进方案规定，对于由不锈钢

制成的壳体颈部的情况，壳体颈部具有4mm的平均最小壁厚(d_G)。此外，相对于外径(D_G)而言，在壳体颈部由不锈钢制成的情况下，壳体颈部具有80mm的最大平均外径(D_G)是有利的。而且，对于壳体颈部由不锈钢制成的情况，通过使壳体颈部的最大长度(l_G)为140mm，可以实现本发明的小热阻(R_th，G)。在这样一种设计(在具有圆形横截面面积A_G的情况下，d_G＝4mm，D_G＝80mm，l_G＝140mm，

)的情况下，上述公式给出的热阻(R_th，G)为大约9.78开尔文/瓦。

该尺寸的示例示出了另外的优点：由于本发明，壳体颈部以及因此整个填充水平测量设备可以基本上比现有技术中更紧凑地实施。

为了进一步改善电子模块与壳体颈部的热去耦以及电子模块处相关的附加温度降低，在本发明的另一个改进方案中，壳体颈部包括具有绝热层的内表面。绝热层可以是壁涂层。然而，一种选项也可以是提供塑料或陶瓷插件。在塑料插件的情况下，尤其可以使用PPS(聚苯硫醚)。此外，出于同样的目的，在电子模块和天线之间在壳体颈部中布置绝热元件是有利的。

壳体颈部与天线和壳体的连接在最简单的情况下是不可释放的，并且因此通过一体结构实现。然而，可替代地，优选天线和/或壳体通过至少一个可释放的连接件与壳体颈部连接。在这种情况下，为了进一步减小热阻(R_th，G)，有利的是在至少一个可释放的连接件上提供导热膏。

附图说明

现在将基于附图更加详细地解释本发明，附图示出如下内容：

图1是安装在容器上的本发明的填充水平测量设备的示意图，

图2是本发明的填充水平测量设备的详细图示，和

图3是电子元件的温度作为容器中的温度的函数的曲线图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，图1示出了在容器2的本发明的基于雷达的填充水平测量设备1的布置。将确定其填充水平L的填充物质3位于容器2内部。

为了确定填充水平L，将填充水平测量设备1安装在容器2上，并且相对于容器底板处于填充物质3上方的已知安装高度h处，根据容器的尺寸，安装高度h可以是大于30米的高度。为此，填充水平测量设备1通过法兰连接，以经由天线12在填充物质3的方向上传输由电子模块131产生的电磁波S_HF的方式布置在容器2的顶部上。这可以利用FMCW或脉冲传播时间方法例如在79GHz或更高频率下进行。

在填充物质表面上进行反射之后，填充水平测量设备1通过天线12接收向后反射的电磁波E_HF。在这种情况下，由填充水平测量设备1测量的位于发射和接收高频电磁波S_HF、E_HF之间的传播时间取决于到填充物质表面的距离a。由填充水平测量设备1从到填充物质表面的传播时间或距离a并利用其安装高度h进行随后的填充水平L计算：L＝h-a。计算由现场设备1的相应设备电子器件111来完成。设备电子器件111被包含在壳体11内。

如图1所示，本发明的填充水平测量设备1可以借助于总线系统例如“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”总线系统经由设备电子器件111连接到例如过程控制系统的上级单元4。以这种方式，一方面，关于填充水平L的信息可以被发送到过程控制系统，以便在给定的情况下控制向容器2的流入流或来自容器2的流出流。然而，同样可能的是传送关于填充水平测量设备1的操作状态的信息。

在天线12内布置有例如由化学惰性塑料制成的过程密封件121，以便将填充水平测量设备1与容器2的内部流体密封地进行密封。但是，除了流体密封的必要性之外，另外必须要保护填充水平测量设备1免受来自容器2内部的温度影响。

根据应用，容器2内部的温度T_B可高达200℃及200℃以上，例如由于此刻在填充物质3中发生的化学反应。然而，由于现场设备1的电子部件111、131通常被设计为仅用于高达约80℃的温度T_E，为了保护电子部件免受热负荷，现场设备1包括设置在天线12和壳体11之间的壳体颈部13。

在填充水平测量的情况下，为了实现最可能的分辨率，用于高频信号产生的电子模块131必须被布置在天线12附近。其原因在于，在高发射/接收频率例如79GHz的情况下，将电磁波S_HF内耦合到天线12中随着距离的增加会承受很大的损失。因此，电子模块131不是被布置在更远的壳体11中，而是被布置在更靠近天线12的壳体颈部13中。然而，根据本发明，为了保护电子模块131免受来自容器2内部的可能热负荷，壳体颈部13具有足够小的热阻R_th，G，使得当容器2中(特别是在天线12的位置处)的温度为至少200℃时，电子元件131的温度T_E最多升高到80℃。

图2中示出了本发明的填充水平测量设备1的详细剖视图。在该图中，影响热阻R_th，G的变量更加明显：除了制造壳体颈部13的材料之外，这些变量中最重要的是壳体颈部13的几何尺寸：壳体颈部13的长度l_G、外径D_G以及壁厚d_G(在示出的图中，壳体颈部13例如具有圆形的横截面)。

例如，从图3的曲线图中可以看出壁厚d_G的变化如何影响壳体颈部13的热阻R_th，G：当容器2中的温度为200℃并且壁厚d_G从2mm增加到5.6mm时(这相当于当其他尺寸在D_G＝80mm，l_G＝140毫米，

保持不变时，将热阻R_th，G从大约19.04开尔文/瓦降低到大约7.13开尔文/瓦)，电子模块131处的温度T_E从大约83℃减小到大约63℃，其随后代表电子模块131的非临界温度。这些模拟值是基于假设为了热去耦电子模块131，在壁厚d_G为5.6mm的情况下，壳体颈部13在壳体颈部13的内表而上额外具有1mm厚的PPS绝热插件132(参见图2)。如图2所示，为此目的，还可以选择在壳体颈部13中并且在电子元件131和天线12之间布置绝热元件135(例如，具有高热阻的相应实施的陶瓷)。

图3的曲线图另外表明了热阻R_th，G的减小伴随着壳体11中的设备电子器件111处的温度轻微升高。然而，在本发明的意义上，因为设备电子器件111的温度仍然明显地低于80℃，这是可以容忍的。而且，根据本发明，以这种方式实现了位于壳体颈部13中的电子部件131同样与容器2热去耦，使得即使容器2中的温度为200℃，但壳体颈部13中的电子部件131处的T_E仍保持低于80℃。

参考标记列表

1 填充水平测量设备

2 容器

3 填充物质

4 上级单元

11 壳体

12 天线

13 壳体颈部

111 设备电子器件

121 过程密封件

131 电子模块

132 绝热层

133 可释放的连接件

134 可释放的连接件

135 绝热元件

A_G 壳体颈部的横截而面积

a 到填充物质的距离

D_G 壳体颈部的外径

d_G 壳体颈部的壁厚

E_HF 电磁波

H 填充水平测量设备的安装高度

L 填充水平

l_G 壳体颈部的长度

R_th，G 壳体颈部的热阻

T_B 容器中的温度

T_E 电子模块处的温度

λ_G 壳体材料的导热率

Claims

1.一种基于雷达的填充水平测量设备，用于测量位于容器(2)中的填充物质(3)的填充水平(L)，所述设备包括：

-壳体(11)，

-天线(12)，所述天线被实施并布置在容器(2)上，使得在所述填充物质(3)的方向上发射电磁波(S_HF)和/或接收在所述容器(2)中反射的电磁波(E_HF)，

-壳体颈部(13)，所述壳体颈部被布置在所述壳体(11)和所述天线(12)之间，其中所述壳体颈部(13)在所述壳体(11)和所述天线(12)之间具有预定的热阻(R_th,G)，

-部分地布置在所述壳体颈部(13)中的至少一个电子模块(131)，其特征在于：

所述壳体颈部(13)的热阻(R_th,G)的大小被设计成使得当所述容器(2)中的温度(T_B)为至少200℃时，所述电子模块(131)处的温度(T_E)至多为80℃，

其中，所述壳体颈部(13)的热阻(R_th,G)小于15开尔文/瓦，

其中，所述电子模块(131)被实施为将所述电磁波(S_HF，E_HF)耦合进所述天线(12)，并且

其中，所述壳体(11)被实施为用作冷却体。

2.根据权利要求1所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述壳体颈部(13)的热阻(R_th,G)小于10开尔文/瓦。

3.根据权利要求1或2所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述壳体颈部(13)由导热材料制成。

4.根据权利要求3所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述壳体颈部(13)由不锈钢、铝或铜制成。

5.根据权利要求1或2所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述壳体颈部(13)具有圆形的横截面。

6.根据权利要求5所述的填充水平测量设备，其特征在于，对于其中所述壳体颈部(13)由不锈钢制成的情况，所述壳体颈部(13)具有4mm的平均最小壁厚(d_G)。

7.根据权利要求5或6所述的填充水平测量设备，其特征在于，对于其中所述壳体颈部(13)由不锈钢制成的情况，所述壳体颈部(13)具有80mm的最大平均外径(D_G)。

8.根据权利要求5或6所述的填充水平测量设备，其特征在于，对于其中所述壳体颈部(13)由不锈钢制成的情况，所述壳体颈部(13)具有140mm的最大长度(l_G)。

9.根据权利要求7所述的填充水平测量设备，其特征在于，对于其中所述壳体颈部(13)由不锈钢制成的情况，所述壳体颈部(13)具有140mm的最大长度(l_G)。

10.根据权利要求1或2所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述壳体颈部(13)具有内表面，所述内表面具有绝热层(132)。

11.根据权利要求10所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述内表面具有聚苯硫醚绝热层(132)。

12.根据权利要求1或2所述的填充水平测量设备，其特征在于，所述天线(12)和/或所述壳体(11)通过至少一个可释放的连接件(133，134)与所述壳体颈部(13)连接。

13.根据权利要求12所述的填充水平测量设备，其特征在于，在所述至少一个可释放的连接件(133，134)上设有导热膏。

14.根据权利要求1或2所述的填充水平测量设备，其特征在于，在所述电子模块(131)和所述天线(12)之间在所述壳体颈部(13)中设有绝热元件(135)。