CN100472186C - 振动式液位边界值检测装置和振动式液位边界值检测方法 - Google Patents

振动式液位边界值检测装置和振动式液位边界值检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于检测振动式液体边界值的装置及相应的方法，其具有振动谐振器(10)；具有压电电容的至少一个压电元件(11)，用于以一定的驱动频率激励振动谐振器(10)产生振动，并获取该振动谐振器(10)的振动；压电元件(11)的两个连接导体(12，13)；以及用于分析由压电元件(11)所获取的振动谐振器(10)的振动的电路元件(18-20)，其中带有补偿电容器(2)的一条支路与带有压电元件(11)的另一条支路并联连接，以补偿压电元件(11)的与压电电容有关的充放电电流。

Description

振动式液位边界值检测装置和振动式液位边界值检测方法
技术领域
本发明涉及一种振动式液体边界值检测装置，以及一种用于驱动这种装置的方法。
背景技术
用作检测液体的装置的振动式液位边界值开关1是振动谐振器，通常是带有压电效应驱动系统的音叉式振荡器，如图6中所示。它通常包含一个发送压电元件3，它激励一个作为音叉10来实现的机械振动元件产生振动；还包含另一个接收压电元件4，它检测音叉10的振动。借助于一个具有放大器5、滤波器6和比较器7的电路，检测到的信号被放大，信号相位发生移动，从而使系统的振荡条件得到满足。
DE 195 21 449 C2描述了一种带有振动谐振器的振动式液位边界值开关，为了驱动和检测振动谐振器，只使用了一个压电元件，它通过一个双线导线连接。在该结构中，实现了通过一个压电元件对振动进行激励和检测。为了实现这一目的，必须使由压电充放电电流所产生的电压消隐。压电电容在280℃的温度下比室温时提高了3倍。因此该方法的缺点在于，在如由于高温或长导线情况下而产生较大的充放电电容时，消隐间隙会很长，以至于该方法不能再被应用，或者只能非常限制地被应用。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种装置或装置中的电路，它同样只采用一个压电元件和一根双线导线就足够了，但是与目前为止的其它方法不同的是，可以和压电电容及导线电容无关地工作。
该任务通过具有以下所述特征的方法以及具有以下所述特征的装置来解决。
优选的振动式液位边界值检测装置具有振动谐振器；具有压电电容的压电元件，用于以一定的驱动频率激励振动谐振器产生振动，并获取该振动谐振器的振动；压电元件的两个连接导体；以及用于分析由压电元件获取的振动谐振器的振动的电路元件，其中带有补偿电容器的一条支路与带有压电元件的另一条支路并联连接，以补偿压电元件的与压电电容有关的充放电电流。
在优选的振动式液位边界值检测方法中，用一个具有压电电容的压电元件以一定的驱动频率激励振动谐振器产生振动，并获取振动谐振器的振动，其中借助于一个与带有压电元件的支路并联连接的、带有补偿电容的支路来补偿压电元件的与压电电容有关的充放电电流。
该任务尤其是这样来解决：与压电电容和导线电容有关的充放电电流得到补偿，尤其得到完全的补偿。
下面给出了一些具有优点的实施例。
优选的尤其是这样一种装置：其中设置了用于补偿与压电元件的压电电容以及附带地与导线电容有关的充放电电流的补偿电容器。
优选的尤其是这样一种装置：其中一个反向器将由压电元件的驱动电压导出的信号施加到补偿电容器上。
优选的尤其是这样一种装置：其中接入一个与压电电容或者与压电电容和导线电容的值完全相同或者近似于完全相同的电容作为补偿电容器。
优选的尤其是这样一种装置：其中在压电元件和补偿电容器之间设置一个分接头，用于分接出只含有振动谐振器的机械振动分量的经过补偿的信号。
优选的尤其是这样一种装置：其中补偿电容器或者与补偿电容器等效的电子电路具有调节电容的控制输入端。
优选的尤其是采用这样一种装置，其具有补偿调节。所述补偿调节借助于向其上施加了经过调节的电压的补偿电容器或者与补偿电容器等效的电子电路来实现。
优选的尤其是这样一种装置：其中一个同步整流器与直接位于压电元件和补偿电容器之间的一个点处的信号或电压相关地以受控方式提供了一个用于补偿调节器的输入信号，并且一个用于划分驱动频率的分频器提供了一个用于该同步整流器的控制信号。
优选的尤其是这样一种方法：其中除了压电电容之外，还对压电元件的导线电容进行补偿。
优选的尤其是这样一种方法：其中由压电元件的驱动电压导出的经过反转的信号被施加到一个带有补偿电容的补偿电容器上。
优选的尤其是这样一种方法：其中接入一个与压电电容或者与压电电容和导线电容的值完全相同或者近似于完全相同的电容作为补偿电容器。
优选的尤其是这样一种方法：其中在压电元件和带有补偿电容的补偿电容器之间分接出一个经过补偿的信号，该信号只含有振动谐振器的机械振动分量。
优选的尤其是这样一种方法：其中补偿电容器的电容或者与补偿电容器等效的电子电路可以被可变地进行设置和调节。
优选的尤其是这样一种方法：其中向补偿电容器或其等效电路上施加一个经过调节的电压。
优选的尤其是这样一种方法：其中借助于一个同步整流器与直接位于压电元件和补偿电容器之间的一个点处的信号或电压相关地以受控方式提供一个用于补偿调节器的输入信号，并且借助于一个用于划分驱动频率的分频器提供一个用于该同步整流器的控制信号。
附图说明
下面借助于附图详细说明一个实施例。如图所示：
图1一个带有对其进行控制的电路元件的振动式液位边界值开关的示意图；
图2带有振动式液位边界值开关的一个优选的电路结构；
图3带有振动式液位边界值开关的一个优选的实际电路结构；
图4带有振动式液位边界值开关的另一个优选的实际电路结构；
图5在这种电路中的不同分接点处的信号序列；
图6一种已知的振动式液位边界值开关。
具体实施方式
图1简要示出了一个带有用于对其进行控制的电路元件的振动式液位边界值开关，作为用于检测振动式液位边界值的装置。为了驱动或设置一个振动谐振器10产生振动，并检测该振动谐振器10的振动，使用了至少一个压电元件11，它通过双线导线12、13与电路元件相连接。通过对压电元件11的充放电电流进行补偿，可以直接截取振动谐振器10的机械振动。
其中图1只示出了在这种装置中用于控制和分析的方法的原理功能。压电元件11通过它的第一根导线12连接到一个缓冲器14。缓冲器14的输入端位于第一个节点A处。第二根导线13从压电元件11引至第二个节点G。在一个与之并联连接的结构中，在第一个节点A和第二个节点G之间串联连接了一个反向器15和一个作为补偿电容的电容性装置2。理论上，这个补偿电容作为可调的电容器来实现，它具有一个用于对其有效电容进行调节的控制输入端。这样，第二个节点G被接入到压电电容和特定情况下的导线电容与补偿电容器2的补偿电容之间。一个测量装置17连接到第二个节点G，该装置用于确定压电电容。一根导线从测量装置17引至补偿电容2的控制输入端，以对其进行控制。另外，在代表压电元件11的输出端的第二个节点G和代表压电元件11的输入端的第一个节点A之间，是一个由放大器18、滤波器19和比较器20串联连接而成的结构。
对压电电容和导线电容的补偿通过一条与带有压电元件11的支路并联连接的支路来实现，在该支路中第一个节点A处的控制信号经过反转后被接到一个与压电电容和导线电容的值尽可能完全相同的补偿电容上。在压电电容和补偿电容之间，在第二个节点G处可分接出一个经过补偿的信号，这个信号只包含正弦振荡形式的机械振动分量。通过压电元件11的充放电而产生的电压从而得到补偿。而在不中断振动谐振器10的振动的情况下来测量压电电容是很困难的。另外，该补偿电容应尽量精确地被跟踪。其中可调节的补偿电容2应通过一个等效的电子电路2来代替。
针对这一问题，图2中的电路提供了一种解决方案。为了简化起见，下面主要只描述对图1中的电路进行补充或相应改变的元件。
在第一个节点A和压电元件11之间连接有一个第一加法器21，其输出端形成了第四个节点。另外在第一个节点A和第一加法器21的另一个输入端之间连接有一个分频器22。分频器22的输出端形成了第三个节点B，其上连接有第二加法器23的一个输入端。第二加法器23的第二个输入端与第一个节点A相连。第二加法器具有一个控制输入端。第二加法器23的一个反向输出端连接至补偿电容器16的输入端。第二加法器23的输出端形成了第五个节点F。
在第二个节点G上通过一个阻抗性和另一个电容性装置24连接了一个切换装置25，该切换装置作为同步整流器将第二个节点G的信号有选择性地施加给接地端或补偿电压调节器27的一个负输入端。另外，补偿电压调节器27的负输入端通过另一个电容性装置26与接地端或基准电压相连接。补偿电压调节器27的正输入端同样连接到接地端。补偿电压调节器27的一个输出作为控制信号施加到第二加法器23上。在开关25的一个切换输入端处施加了第三个节点B的一个信号。
通过f/n分频可以由第一个节点A的驱动电压产生第二个电压，作为第三个节点B处的电容测量电压。例如可以选择四分之一频率f/4的分频关系。在第三个节点B处的电容测量电压通过加上第一个节点A处的驱动电压来叠加，从而在第四个节点E处产生叠加后的电压。以同样的方式，在第二条支路中，在第五个节点F处产生一个经过反转的电压。该电压的幅值是可调的，由此可以对一个可调的补偿电容进行等效。补偿电容器16本身保持恒定，其中通过电压的大小来改变补偿电容器16能够存储的电荷量。利用这两个电压，即在第四个节点E处以及在第五个节点F处被叠加并反转的电压，可以对压电元件11和串联连接的补偿电容器进行控制。在对充放电电流进行精确补偿时，两个电容之间的第二个节点G处的充放电电压自身进行补偿。在这个位置处只会出现振动谐振器10的机械谐振振动。第三个节点B处的电容测量电压的频率处于振动谐振器10的机械谐振频率之外。借助于第三个节点B处的电容测量电压，对压电电容与补偿电容进行比较。在精确补偿的情况下，位于两个电容之间的第二个节点G处的在这一频率下的电压为0。在补偿发生误差的情况下，第二个节点G处会出现一个误差电压。
这一误差电压可以借助于通过切换装置25实现为测量装置的同步整流器来进行分析。由于振动谐振器10的机械谐振振动是用来控制同步整流器的电容测量电压B的多倍，在整流之后得到一个只与压电电容和补偿电容有关的电压。通过一个控制回路，处于带有反向电压的电压输出端、即第五个节点F处的、用来控制补偿电容器16的补偿电压UK可以被改变，以使得在两个电容之间的第二个节点G处的充放电电压保持为0。通过这种方式和方法，压电电容可以补偿到补偿电容器16的大小，因此，可以选择足够大的补偿电容器16。由于补偿电容器16本身不发生改变，所以调节电压直接反映了压电电容的大小。
图3示出了在实施优选方法时具有在电路中的不同点处的信号流程的一种实际实施方式。带有驱动电压的第一个节点A和分频器22的输出端，即第三个节点B，连接到异或门28的输入端。其输出端形成了第六个节点D，它将切换信号施加到第二和第三个切换装置29、30。另外，第三个节点B处的信号作为切换信号施加到同步整流器25。这一元件和其它元件如图2所示被接入到第二个节点G和补偿电压调节器27之间。
补偿电压调节器27的输出作为正的补偿电压+UK被施加到第四个切换装置31的一个切换输入端。另外，补偿电压调节器27的输出端还接到补偿电压反向器33的一个负输入端，后者的第二个负输入端连接到接地端。补偿电压反向器33的输出作为负的补偿电压-UK施加到第四个切换装置31。第四个切换装置31的切换输出端连接到第三个切换装置30的第一个切换输入端。第三个切换装置30的输出端连接到在第五个节点F，形成了补偿电容器16的输入端。该补偿电容器还通过第二个节点G与压电元件11相连接。
压电元件11的输出端形成了第四个节点E，它连接到第二个切换装置29的输出端。第二个切换装置29的第一个输入端相应地接到第三个切换装置30的切换输入端，它连接到第四个切换装置31。第二和第三个切换装置29、30的另外两个切换输入端连接到接地端。第二个切换装置29的第一个切换输入端形成了第七个节点，并连接到第五个切换装置32的一个输出端。它的切换输入端连接到一个正的或一个负的工作电压+UB、-UB。第四和第五个切换装置31和32的切换端子上施加了第三个节点B的信号。
在第四个节点E和第五个节点F处的电压相应地通过作为开关和异或门28的第二到第五个切换装置29-32来产生。图4示出了该电路结构的另一个符合目的的实施方式，其中，下文中只描述了相对于图3所示的实施方式不同的元件和功能。取代图3中的异或门28和开关29-32，在该电路中采用了第一和第二个多路复用器34、35。这样，第四个节点E和第五个节点F处的信号形式通过模拟多路复用器组件来产生。带有驱动电压的第一个节点A连接到第一个多路复用器34的一个切换输入端，并连接到第二个多路复用器35的一个切换输入端。另外，带有分频器22的信号的第三个节点B连接到第一个多路复用器34的另一个切换输入端，并连接到第二个多路复用器35的另一个切换输入端。
补偿电压调节器27的输出端作为正的补偿电压+UK被施加到第一个多路复用器34的一个信号输入端。另外，补偿电压调节器27的输出端连接到补偿电压反向器33的一个负输入端，而补偿电压反向器33的第二个负输入端连接到接地端。补偿电压反向器33的输出作为负的补偿电压-UK施加到第一个多路复用器34的另一个信号输入端。第一个多路复用器34的另外两个信号输入端连接到接地端。第一个多路复用器34的切换输出端连接到第五个节点F，该节电形成了补偿电容器16的输入端。补偿电容器16又通过第二个节点G与压电元件11相连接。
压电元件11的输入端又形成了第四个节点E，它在这一实施方式中连接到第二个多路复用器35的输出端。第二个多路复用器35的第一和第四个信号输入端连接到一个正的或一个负的输入工作电压+UB、-UB。第二个多路复用器35的第二和第三个信号输入端连接到接地端。
通过非常精确地测量压电电容得到了其他的优点。由此可以更可靠地检测出与振动传感器相连的导线的线路中断和短接。此外，压电电容的变化可以反映出压电元件11的损坏。
图5示出了在一个作为示例的时间序列中彼此不同的点处的电压或信号流程。在节点A处施加了一个作为驱动电压的简单脉冲信号，其频率在正常工作时与振动谐振器的机械谐振相对应。在分频后的第三个节点B处施加了一个其周期是节点A处的驱动信号周期的4倍的脉冲。在第七个节点C处施加了一个大小为工作电压+UB、-UB的脉冲电压，其中该脉冲与第三个节点B处的信号相对应。在第六节点D处施加了一个通过异或门由图5中的信号A和3所获得的脉冲信号。在第四和第五个节点E、F处的信号波形彼此反向，并与工作电压+UB、-UB或补偿电压+UK、-UK有关。这些信号与第六个节点D处的信号状态同时、以及附带地在第三个节点B处的信号周期的结束时改变其脉冲状态。在第二个节点G处施加了压电元件11的正弦波形的输出信号，它形成了压电元件11的经过补偿的测量信号，并与振动谐振器的谐振振动相对应。
除此以外，还可以采用其他的实施方式。
例如，为了覆盖更大的补偿范围，可以通过一个模拟开关在不同的补偿电容器之间进行切换，并通过改变补偿电压实现微调。该方法的优点在于，在驱动时总能提供最大电压。通过用一个大的补偿电容器来实现小的压电电容的补偿，使得可以由小的补偿电压实现更小的充放电电压。
例如还可以不通过对驱动电压的分频来产生电容测量电压，而是馈入一个例如来自微处理器的固定频率。然而，在这种变体中，在电容测量时机械谐振处的振动会被中断，否则可能出现频率非常低的脉动。机械振动的中断还可能会提高装置的反应时间。
附图标记列表
1  振动式液位边界值开关
2  可调的补偿电容
3  发送压电元件
4  接收压电元件
5  放大器
6  滤波器
7  比较器
10 振动谐振器
11 压电元件
12 引至11的第一个导体
13 由11引处的第二个导体
14 缓冲器
15 反向器
16 等效电路的电容器
17 测量装置
18 放大器
19 滤波器
20 比较器
21  第一加法器
22  分频器
23  等效电路的加法器
24  阻抗性和电容性装置
25  同步整流器/第一个切换装置
26  电容性装置
27  补偿电压调节器
28  异或门
29-32  第二到第五个切换装置
33  补偿电压反向器
34、35  第一和第二个多路复用器
A   第一个节点/驱动电压
B   第三个节点/电容测量电压
C   第七个节点
D   第六个节点
E   第四个节点
F   第五个节点/反向或补偿电压
G   第二个节点/经过补偿的信号

Claims (16)

1.一种振动式液位边界值检测装置，具有
—振动谐振器(10)，
—具有压电电容的至少一个压电元件(11)，用于以一定的驱动频率激励振动谐振器(10)产生振动，并获取该振动谐振器(10)的振动，
—压电元件(11)的两个连接导体(12，13)，以及
—用于分析由压电元件(11)所获取的振动谐振器(10)的振动的电路元件(18-20)，
其特征在于，
—带有补偿电容器(2)的一条支路与带有压电元件(11)的另一条支路并联连接，以补偿压电元件(11)的与压电电容有关的充放电电流。
2.根据权利要求1的振动式液位边界值检测装置，其中设置了用于补偿与压电元件(11)的压电电容有关并且还与导线电容有关的充放电电流的补偿电容器(2)或其等效电路。
3.根据权利要求1或2的振动式液位边界值检测装置，其特征在于设置了用于反向的装置(15，23，31)，这个用于反向的装置将一个由压电元件(11)的驱动电压导出的信号施加到补偿电容器(2)。
4.根据权利要求1的振动式液位边界值检测装置，其中接入了一个与压电电容的值或者与压电电容和导线电容之和相同的补偿电容作为补偿电容器(2)。
5.根据权利要求1或4的振动式液位边界值检测装置，其中在压电元件(11)和补偿电容器2之间设置了一个分接头(G)，用于分接出一个经过补偿的信号，该信号只含有振动谐振器(10)的机械振动分量。
6.根据权利要求1的振动式液位边界值检测装置，其中补偿电容器(2)或者其等效电路(16，23)具有一个用于对其电容进行调节的控制输入端。
7.根据权利要求1的振动式液位边界值检测装置，其中接入了一个补偿调节器(27；27，33)，它用于将经过调节的电压施加到补偿电容器(2)或其等电路(16，23)上。
8.根据权利要求7的振动式液位边界值检测装置，其中
—一个同步整流器(25)与直接位于压电元件(11)和补偿电容器(2)之间的一个点处的信号或电压相关地、以受控方式提供了一个用于补偿调节器(27；27，33)的输入信号，
—一个用于划分驱动频率的分频器(22)提供了一个用于该同步整流器(25)的控制信号。
9.一种振动式液位边界值检测方法，其中
—具有压电电容的至少一个压电元件(11)以一定的驱动频率激励振动谐振器(10)产生振动，并获取该振动谐振器(10)的振动，
其特征在于，
—借助于一条与带有压电元件(11)的支路并联连接的、带有补偿电容器的支路对压电元件(11)的与压电电容有关的充放电电流进行补偿。
10.根据权利要求9的方法，其中除了压电电容之外，还对压电元件(11)的导线电容进行补偿。
11.根据权利要求9或10的方法，其中由压电元件(11)的驱动电压导出的经过反向的信号被施加到带有补偿电容的补偿电容器(2)。
12.根据权利要求9的方法，其中接入一个与压电电容的值或者与压电电容和导线电容的值相同的补偿电容作为补偿电容器(2)。
13.根据权利要求9或12的方法，其中在压电元件(11)和带有补偿电容的补偿电容器(2)之间分接出一个经过补偿的信号，该信号只含有振动谐振器(10)的机械振动分量。
14.根据权利要求9的方法，其中补偿电容器(2)的补偿电容或者其等效电路(16，23)可以被可变地设置或调节。
15.根据权利要求9或14的方法，其中向补偿电容器(2)或其等效电路(16，23)施加一个经过调节的电压。
16.根据权利要求9的方法，其中
—借助于一个同步整流器(25)，与直接位于压电元件(11)和补偿电容器(2)之间的一个点处的信号或电压相关地以受控方式提供一个用于补偿调节器(27；27，33)的输入信号，
—借助于一个用于划分驱动频率的分频器(22)提供一个用于该同步整流器(25)的控制信号。
CNB2006101019231A 2005-08-02 2006-07-11 振动式液位边界值检测装置和振动式液位边界值检测方法 Expired - Fee Related CN100472186C (zh)

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