具有温度补偿的填充物位传感器或极限物位传感器

本申请要求2018年6月19日提交的德国专利申请10 2018 209 904.9的优先权，其全部内容通过引用方式并入本文。

背景技术

对于很多应用有用的是，通过极限物位传感器来检测极限物位，例如以避免其中放置有填充材料的容器溢出或耗尽。例如，监测极限物位的典型应用为过程工业中的处理罐、储存罐、料仓或管道。例如，这种极限物位传感器用于液体以及颗粒状和粉状的松散材料。

根据填充材料的性能和单独的工艺条件，极限物位开关优选采用不同的配置。例如，时域反射仪(TDR:Time Domain Reflectometry)检测器、传导式极限物位传感器、振动限位开关以及根据电容性测量原理工作的传感器是已知的。极限物位传感器产生切换指令，以例如用于启动或停止诸如传送带或泵等填充装置。

特别地，电容式限位开关的优点在于不必设置机械运动部件，并且可以穿过由电绝缘材料制成的壁进行测量。因此，不必采取高成本的预防措施来避免密封问题。

通过极限物位传感器检测的测量信号根据极限物位传感器的测量探头是否被填充材料包围而变化。测量信号还可能取决于测量探头是否干净或者填充材料是否粘附在其上。

然而，已经表明，在很多极限物位传感器中检测的测量信号还取决于极限物位传感器所暴露的温度。由于过程温度不同，温度可能根据使用区域并且还可能在同一使用区域内随时间大幅波动。因此，可能损害可靠的极限物位监测。物位传感器和用于区分不同填充材料的传感器也会出现类似的问题。

因此，需要用于检测填充物位的传感器、用于监测极限物位的传感器和/或用于区分不同介质的传感器，这些传感器允许更可靠地评估测量信号。

发明内容

实施例提供了一种用于生成输出信号的传感器，该输出信号用于检测介质的极限物位、介质的填充物位，并且/或者用于区分不同的介质。该传感器包括用于处理由传感器生成的测量信号的处理单元以及用于生成参考信号的参考单元。处理单元被设计为使用参考信号进行温度补偿。处理单元和参考单元分别包括具有依赖于温度的信号转换的信号转换单元。信号转换单元彼此热耦合。温度补偿包括通过热耦合对处理单元的信号转换单元的温度依赖性进行补偿。

介质可以是液体和/或固体。特别地，介质可以是粉末状和/或颗粒状的。

测量信号可以具有周期性的交流电压分量或者可以是周期性的交流电压信号。交流电压分量或交流电压信号基本上可以由高频范围内的频率分量形成。在本申请的上下文中，高频应被理解为大于50MHz的频率。高频范围可指小于500MHz的频率。

测量信号的交流电压信号或交流电压分量可以被振幅调制。振幅调制的频率可以为小于200kHz的值或为小于50kHz的值。测量信号可以具有作为偏移量的直流电压分量。

参考信号可以是直流电压信号。然而，也可以考虑其它形式的参考信号。参考单元可以接收输入信号，其中，参考单元根据输入信号生成参考信号。输入信号可以是不依赖于温度的或基本上不依赖于温度的。附加地或替代地，输入信号可以为直流电压信号。

温度补偿可以被构造为补偿在处理测量信号时产生的温度依赖性。例如，输出信号可以表示极限物位(例如，“到达极限物位”和“未到达极限物位”)。附加地或替代地，输出信号可以表示填充物位，例如以米为单位的填充物位。附加地或替代地，如果输出信号被设计为用于区分不同的介质，则输出信号可以表示预定义的介质类别(例如“番茄酱”)。

处理单元的信号转换单元可以包括二极管。二极管可以用作整流器。整流二极管可以为解调器的一部分。该解调器可以为振幅解调器(包络检波器)。

信号转换单元可以被设计成相同的或基本上相同的。信号转换单元可以提供从输入信号到输出信号的相同或基本上相同的信号转换。对于每个信号转换单元，相应的信号转换与温度有关。温度依赖性可以相同或基本上相同。

热耦合可以被设计为使得信号转换单元彼此导热地连接。替代地或附加地，可以考虑的是，信号转换单元分别与同一热存储器导热地连接。例如，热存储器可以是介质或其中包含介质的容器。例如，热耦合可以通过诸如导热膏等导热介质实现。

壳体可以包括一个或多个用于连接到布置在壳体内部的信号转换单元的外部连接端子。例如，半导体模块可以被设计成SMD模块。

根据一实施例，信号转换单元布置在公共的壳体中，热耦合通过该壳体实现。根据另一实施例，信号转换单元分别为公共半导体模块的一部分。

根据另一实施例，评估单元的信号转换单元是解调器的一部分。

根据另一实施例，信号转换单元均包括二极管或者由二极管组成。

根据另一实施例，传感器被设计为通过介质形成探头阻抗。测量信号可以取决于探头阻抗。

可以通过至少部分延伸穿过介质的电场和/或磁场来产生探头阻抗。传感器可以包括一个或多个用于产生电场和/或磁场的电极和/或线圈。特别地，探头阻抗可以包括用于介质上的电容性测量的电容。

探头阻抗的电容可以包括传感器电极，该传感器电极布置在传感器的传感器臂的远端处。电容的相应电极可以包括传感器的管状部件，传感器电极布置在该管状部件的远端处。

根据另一实施例，传感器包括与传感器的电容电极串联连接的电感。电容电极可以被设计为用于介质上的电容性测量。

根据另一实施例，传感器被设计成将信号施加到探头阻抗，该信号是交流电压信号或具有交流电压分量。

被施加到探头阻抗的信号是周期性的或基本上周期性的。传感器可以被设计成逐步地或连续地改变基本上周期性的信号的振荡频率。例如，传感器可以包括频率斜坡发生器。被施加到探头阻抗的信号可以是未调制的或基本上未调制的。

根据另一实施例，处理单元产生放大的或未放大的信号差。可以根据参考信号产生信号差。处理单元可以包括差分放大器。差分放大器可以接收作为输入信号的参考信号。信号差可以是参考信号与根据测量信号生成的另一信号之间的差值。另一信号可以是振幅调制的测量信号，该测量信号具有交流电压分量和直流电压分量。附加地或替代地，另一信号可以是通过将直流电压分量添加到测量信号而生成的信号的振幅调制信号。

根据一实施例，参考信号为直流电压信号。传感器可以被设计为使得能够可控地设置直流电压信号。传感器可以包括用于检测温度的温度传感器。此外，传感器可以被设计为根据所检测的温度设置直流电压信号。

根据一实施例，参考单元接收作为直流电压信号的输入信号。参考单元可以根据输入信号生成参考信号。特别地，参考单元的输入信号可以被施加到参考单元的信号转换单元，特别是施加到二极管。在从流通方向看时，输入信号可以被施加到二极管的输入端。替代地或附加地，在从流通方向看时，参考信号可以在二极管的输出端处生成。替代地，参考单元可以根据二极管的输出端处的信号来生成参考信号。

根据另一实施例，测量信号具有交流电压分量和直流电压分量。例如，传感器可以包括将直流电压分量添加到交流电压信号的电路。传感器可以被设计为能够可控地设置直流电压分量的量值。传感器可以包括用于检测温度的温度传感器。此外，传感器可以被设计为根据所检测的温度来调节直流电压分量的量值。

传感器可以被设计为设置直流电压分量，使得交流电压分量的正振幅最大值大于处理单元的信号转换单元的二极管的阈值电压。

根据另一实施例，处理单元的信号转换单元包括二极管。二极管可用作整流器。

根据另一实施例，处理单元的信号转换单元的二极管形成处理单元的解调器的一部分。根据另一个实施例，解调器为振幅解调器。

根据另一实施例，传感器包括温度传感器。温度传感器可以被布置和设计为检测用于依赖于温度的信号转换的温度值。传感器可以被布置和设计为检测处理单元的信号转换单元的温度值和参考单元的信号转换单元的温度值。温度传感器可以热耦合到信号转换单元。

根据另一实施例，传感器被设计为根据所检测的温度值来设置参考单元的输入信号的量值和/或测量信号的直流电压分量的量值。例如，可以通过查找表进行设置。查找表可以存储在传感器的数据存储器中。

通过以下参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的以上和其它有利特征将变得更加明显。要强调的是，并非本公开的所有可能的实施例都必须实现本文所述的全部或一些优点。

附图说明

图1示意性地示出了根据一示例性实施例的传感器的结构。

图2示意性地示出了借助于图1所示的根据示例性实施例的传感器的评估单元对极限物位的检测。

图3示出了图1所示的根据示例性实施例的传感器的示意性框图。

图4示意性地示出了与使用高频放大器且不是所要求保护的主题的一部分的比较例相比由传感器生成的信号。

图5示出了图1所示的根据示例性实施例的传感器的源单元、处理单元和参考单元的电路图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据示例性实施例的传感器100，其被设计为极限物位传感器。特别地，传感器100被设计为阻抗极限物位传感器，其中使用探头阻抗的阻抗值的测量来监测介质的极限物位。例如，该介质可以为容器内的填充介质。

在所示的示例性实施例中，探头阻抗具有电容，该电容的电场至少部分地延伸穿过介质。然而，替代地或附加地，也可以考虑的是，欧姆电阻和/或阻抗的电场和/或磁场延伸穿过介质。

然而，本发明不限于这种用于极限物位监测的传感器。可以考虑的是，将本发明的一个或多个方面用于形成如下传感器，该传感器检测介质的填充物位，并且/或者在不同介质之间进行区分。

如将在下面更详细说明，传感器100被设计为共振传感器。传感器100将具有交流电压分量或为交流电压信号的信号施加到探头阻抗。应用于探头阻抗的信号是具有随时间变化的频率的基本上周期性的信号。传感器100还被设计为检测探头阻抗的共振特性的一个或多个参数。如将在下面更详细说明，传感器100确定共振频率处的信号振幅和共振频率的频率值，该信号振幅和频率值都取决于探头阻抗。替代地或附加地，也可以考虑的是，极限物位传感器检测其它参数，例如，共振锐度(也称为品质或Q因子)、共振频率的频率值的变化和/或共振频率处的信号振幅的变化。

如图1所示，传感器100包括测量探头102，该测量探头102包括测量电极106、绝缘部107和参考电极108。测量电极106和参考电极108形成对应的一对电极，在它们之间形成测量电容110，该测量电容是探头阻抗的一部分。测量电极106和参考电极108被设计为使得测量电容110的场线穿过介质在填充状态下所处的空间区域。因此，测量电极106和参考电极108被设计为用于介质上的电容性测量。可考虑的是，传感器100被设计为使得参考电极108至少部分地由包括介质的容器的壁提供。

电极106和108由金属制成。例如，绝缘部可以由塑料，特别是PEEK(聚醚醚酮)制成。参考电极108被设计成管状，其中，测量电极106布置在参考电极108的远端处。绝缘部107在参考电极108的远端处形成密封的封闭件，其中，测量电极106布置在因此形成的测量探头102的内部空间中。在填充状态下，测量探头102的远端部被介质包围，使得参考电极108的端部与介质接触。然而，也可以考虑的是，传感器100被设计为使得当介质与测量探头102的远端部的距离小于预定距离时，就检测到填充状态。

探头102还包括电感109，该电感与测量电极106并因此与测量电容110串联连接。在所示的示例性实施例中，电感109被设计为分立的。特别地，这意味着电感被设计为与其它部件分离的部件。电感109例如可以被设计为空心线圈。电感109的电感值被选择为使得对于不同的待测量介质和/或填充状态(已满、空的且粘附有填充材料或者空的且未粘附有填充材料)，将取决于电感109和测量电容110的共振频率设置为100MHz和200MHz之间的值。例如，电感109的电感值可以在0.5纳亨和1000纳亨之间的范围内，特别是在0.5纳亨和700纳亨之间的范围内，或者在0.5纳亨和200纳亨之间的范围内。

传感器100还包括控制和评估单元101，控制和评估单元101具有信号生成单元103、处理单元104和控制单元105。信号生成单元103被设计为将探头信号施加到由电感109和测量电容110组成的探头阻抗。处理单元104被设计为处理由被施加探头信号的探头阻抗生成的测量信号。控制单元105被设计为确定共振频率的频率值和共振频率处的振幅值，该振幅值取决于探头阻抗在共振频率处的绝对值。控制单元105根据确定的值生成传感器100的输出信号，输出信号例如为一个或多个切换指令的形式。

图2示意性地示出了传感器100根据确定的共振频率的频率值以及根据在共振频率处确定的信号振幅来检测极限物位。曲线200示出了当介质的填充物位低于预定义的极限物位时，在干净的测量探头的情况下(即，没有介质粘附到极限物位传感器上)，信号振幅A的与频率相关的曲线。曲线201示出了当填充物位低于预定义的极限物位时，但在传感器上粘附有介质(例如，粘附有番茄酱)，信号振幅A的与频率相关的曲线。曲线202示出了当填充物位大于或等于预定义的极限物位时，即，当测量探头102的远端部(图1所示)被介质覆盖时，信号幅度A的与频率相关的曲线。

如下所述，控制单元105根据共振频率的频率值f和共振频率处的测量信号的振幅值A生成切换指令“空”和“满”。振幅值A取决于探头阻抗的量值。如果最小值处于范围I中(即，如果共振频率的频率值大于频率值f

例如，可以在制造传感器时不可改变地规定由频率值f

图3示出了传感器的信号生成单元103、处理单元104、探头阻抗303和参考单元402的示意性框图，下面将对其进行详细说明。图4示意性地示出了借助于探头阻抗303由信号生成单元103和由处理单元104生成的信号。

信号生成单元103包括电源单元307、D/A转换器301和压控振荡器(VCO)302。振荡器302连接到电源单元307，并通过在输入端具有电压斜坡的D/A转换器控制。因此，在振荡器302的输出端生成源信号，该源信号是具有恒定振幅的交流电压信号，并具有在预定义的或可用户配置的频率偏移下的频率斜坡。然而，也可以考虑的是，源信号的振幅最大值周期性地或非周期性地变化。附加地或替代地，可以考虑的是，源信号不具有连续的频率斜坡，而是频率在连续步骤中逐步地变化。例如，源信号可以连续地和/或逐步地通过100MHz至200MHz之间的频率范围。

使用源信号来向由电感109(如图1所示)和测量电容110形成的探头阻抗303施加电压，该电压为交流电压信号或具有交流电压分量，其中，频率连续地或逐步地变化。通过处理单元104来处理由此获得的共振特性。如图3所示，处理单元104包括振幅解调器304(包络检波器)和连接在振幅解调器304下游的放大单元305。通过处理单元104的A/D转换器306将代表共振曲线的放大的信号数字化。借助于数字化的信号，通过控制单元105(如图2所示)分析共振曲线并生成传感器的输出信号。

图4的信号501示出了由被施加源信号的探头阻抗获得的测量信号的交流电压分量。信号501具有形成载波信号的源信号的频率斜坡的频率分量，其中，由于探头阻抗的共振特性，载波信号被调幅。由于探头阻抗的阻抗值在共振频率处具有最小值，因此信号振幅在共振频率处减小。

如信号504所示，测量信号除了交流电压分量以外还包含直流电压分量，以便提供具有更高信号值的信号504。因此，这增加了振幅解调器(如图3所示)的输入信号的信号值，使得在交流电压分量的正振幅最大值处超过了振幅解调器304的用于整流的二极管的阈值电压。然而，附加地或替代地，也可以考虑的是，信号501作为测量信号生成，并且通过例如布置在处理单元104中的单独的下游电路将直流电压分量添加到信号501中，以便获得信号504。

如图3所示(并将在下面参考图5更详细地说明)，产生直流电压分量是因为探头阻抗303从供电单元接收直流电压。直流电压可以不依赖于温度或基本上不依赖于温度。

图4还示出了解调信号505，该解调信号由振幅解调器基于信号504输出，并本质上表示探头阻抗的共振特性。在所示的示例性实施例中，由于振幅解调器的整流二极管的特性的温度依赖性，解调信号505具有基本上对应于(如图4中解调信号505下方的虚线508示意性示出的)一定偏移量的温度依赖性。虚线508示出了在更低温度下幅度解调器的输出信号。有利地，放大振幅解调器的输出信号505，以便在监测极限物位时获得足够高的可靠性。因此，可以提高信号的分辨率，特别是提高几比特。例如，这使得可以更好地利用A/D转换器306(如图3所示)的工作范围。然而，如下所述，如果不补偿温度依赖性，则产生相对较大的误差。

如信号506所示，放大需要首先从输出信号505中减去直流电压并放大该差值，从而获得放大的信号507。

从与在更低温度下振幅解调器的输出信号508相对应的虚线信号509和510可以看出，差值形成和放大还增大了温度依赖性，因此可能损害对极限物位的可靠监测。

然而，已表明了能够有效地补偿这种温度依赖性。这使得能够提供一种可以被指定用于各种过程温度的传感器。例如，通过补偿温度依赖性，根据示例性实施例的传感器可以用于从-40℃到+115℃的相对较宽的过程温度范围。

为了校正解调信号505，根据示例性实施例的传感器包括参考单元402(如图3所示)，该参考单元与供电单元307信号连接，以便从供电单元307接收不依赖于温度的或基本上不依赖于温度的直流电压信号。参考单元402包括二极管，该二极管热耦合到振幅解调器304的整流二极管。例如，两个二极管可以布置在半导体模块的公共壳体中，以便提供足够的导热连接(如将在下面参考图5进一步说明)。然而，也可以考虑参考单元402的二极管和振幅解调器304的二极管之间的热耦合的其它构造。二极管可以具有基本上相同的特性曲线和/或特性曲线的基本上相同的温度依赖性。特别地，二极管可以在结构上相同。

参考单元402的输出信号是直流电压信号。该直流电压信号和振幅解调器的解调的输出信号作为输入信号被馈送到评估单元104的具有差分放大器的放大单元305。解调信号的温度依赖性通过两个信号之间的差值进行补偿。选择参考单元402的输入电压，使得差分放大器的输出信号不通过零点，并因此与零点具有足够大的距离。因此，能够以足够的精度通过极限物位监测来确定共振频率和共振频率处的振幅。

还如图3所示，传感器可以包括温度传感器403。温度传感器403可以被设计为检测彼此热耦合的振幅解调器304的整流二极管的温度和参考单元402的二极管的温度。供电单元307可以被设计为根据所检测的温度来调节参考单元402从供电单元307接收的直流电压信号。附加地或替代地，供电单元307可以设计为，根据所检测的温度值来设置测量信号的直流电压分量和/或被处理单元104的电路添加到测量信号的直流电压分量。

由此可以针对每个温度确保，差分放大器的输出信号在各个温度下不通过零点，并且/或者振幅解调器的解调的输出信号与参考单元的输出信号之间的差值未达到放大单元305的极限范围。换句话说，这使得可以根据所检测的温度来优化测量信号和/或测量信号的信号处理。

传感器可以被设计为使得根据查找表来调节参考单元402从供电单元307接收的直流电压信号、测量信号的直流电压分量和/或被电路添加到测量信号的直流电压分量。例如，查询表可以存储在供电单元307的数据存储器中。

在图4中，还示例性地示出了比较例的信号502和503，该比较例未包括在所要求保护的主题内。通过高频放大器从作为交流电压信号的测量信号501中获得信号502。然后，随后的振幅解调生成信号503。解调的信号503反映了共振特性。在此，通过振幅解调(由虚线所示的信号511示意性地示出)也产生了误差。然而，由于仅在放大之后才进行解调，该误差相对较小。但是，使用高频放大器会带来较高的成本并降低了传感器的稳健性。此外，这种高压放大器具有相对较高的功率消耗。

图5示出了振荡器302、由电感109和测量电容110组成的探头阻抗303、参考单元402、振幅解调器304(如图3所示)和放大单元305的电路图。振幅解调器304(如图3所示)包括作为整流二极管的信号转换单元601(如图5所示)以及滤波电容器603。参考单元402被供电单元提供不依赖于温度或基本上不依赖于温度的直流电压信号U

如参照图4所示的信号504所说明，经由电阻607连接到电感109的端子606处的3V正电压U

还如图5所示，放大单元包括差分放大器，该差分放大器将输入信号E

供电单元307(如图3所示)可以被设计为根据用于检测信号转换单元601和602的温度的温度传感器403的温度来设置直流电压信号U

因此，通过所示的示例性实施例，已表明可以提供一种构造简单且稳健的能够进行可靠的极限物位监测的极限物位传感器。