CN100476373C - 用于监控容器中测量介质的预定料位的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定和/或监控容器中的预定料位的振动检测器。所述振动检测器包括振荡单元(2)，驱动器/接收器单元(6)，和计算单元(8)。本发明的振动检测器也可以用作粘度传感器或密度传感器。为了制造多变量传感器，向由振荡单元(2)和反馈电子器件(9)形成的振荡电路(7)提供微处理器，该微处理器在给定频率带宽上校正反馈电子器件(9)的相位，使得反馈电子器件(9)和微处理器(8)的相位之和遵循预定函数f(v)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控容器中测量介质的预定料位的设备。该设备还可以用于确定容器中测量介质的密度或粘度。测量介质可以是流体介质、泡沫或固体介质。
背景技术
该设备包括振荡单元，驱动器/接收器单元，和计算单元。振荡单元依赖于应用而放置于预定料位的高度，或者放置为使得它达到被测介质中的预定侵入深度。另外，提供反馈电子器件，其将用于激励振荡单元的信号发送至驱动器/接收器单元。反馈电子器件优选地是基波激励器，正如本领域现有技术中所熟知的。这里特别参考LIQUIPHNTM中使用的基波激励。基于振荡单元的振荡的频率和/或幅度变化，计算单元确定达到预定料位。在密度或粘度测量的情况中，计算单元确定待测介质的密度或粘度，其作为振荡单元的振荡变化的函数。
设备，即所谓的振动检测器，是已知的，其使用振荡单元用于检测或监控容器中介质的料位。关于振荡单元，其通常至少是一个振荡叉，被固定至薄膜或隔膜。经由机电换能器，例如压电元件，而激励薄膜振荡。薄膜的振荡使得固定至薄膜的振荡单元振荡。这种振动检测器由受让人以商标“LIQUIPHANT”制造并销售。
料位测量设备形式的振动检测器利用如下效应：振荡频率和振荡幅度依赖于振荡单元的特定覆盖度。当振荡单元在真空中无阻尼地执行其(谐振)振荡时，它经历频率和幅度的变化，从而在被测介质中从一开始就部分或全部地经历失调。基于预定的频率变化(通常，对于确定料位，检测频率)，可以对于容器中的介质达到预定料位作出明确的结论。料位测量设备原则上用作相对于超量装填的保护或者用作相对于泵变空的保护。
另外，振荡单元的振荡频率也受到介质密度的影响。结果，对于恒定的覆盖度，在频率变化和介质密度之间有函数关系，使得振动检测器很好地适用于料位和密度确定。
实际中，为了监控并检测容器中介质的料位和/或密度或粘度，利用压电元件将薄膜的的振荡记录并转换为电子响应信号。然后电子响应信号由计算单元计算。在料位确定的情况中，计算单元监控振荡单元的振荡频率和/或振荡幅度，并且一旦测量值低于或超过预定的参考值，就以信号表示状态“传感器被覆盖”或状态“传感器未被覆盖”。可以光学地或声学地对操作人员发出相应的报告。作为替代的或者附加的，启动切换；例如，该切换可以实现容器上的入口或出口阀的打开或关闭。
另外，WO 02/31471A2公开了一种用于测量和/或监控待测介质的粘度的设备。这种情况中的设备包括在薄膜上固定的振荡单元，驱动器/接收器单元，和控制/计算单元。控制/计算单元基于频率-相位曲线确定被测介质的粘度。特别地，控制/计算单元调整至两个充分不同的相位值，确定与相位相关的频率或者振荡单元的振荡的相应频率变化，将确定的频率变化与存储的标定数据比较，并因而确定被测介质的粘度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于料位和/或密度或粘度测量的设备，其在较大的频率带宽(工作范围)上展现了恒定的相位-频率特性。
这个目的在由振荡单元和反馈电子器件形成的振荡电路中提供微处理器而实现，微处理器以这样的方式在预定的频率带宽上校正反馈电子器件的相位，使得反馈电子器件和微处理器的相位之和遵循预定的函数f(v)。反馈电子器件例如是模拟反馈电子器件，例如可以从受让人获得的LIQUIPHANT M中所使用的。然而，本发明不限定于这种特定的反馈电子器件形式。
根据本发明，通过将微处理器集成入振荡电路，可以以“智能”方式影响振动检测器，使得其在扩展的工作范围上展现恒定的相位-频率特性。另外，检测器变得可以对于测量侧各不相同的条件和需求进行调节。另外，本发明的设备，即所谓的多变量传感器，可以用于确定料位以及测量粘度或密度。
在本发明的设备的具有优点的进一步发展中，频率带宽优选地在300～1500Hz的限度之间延伸。另外，在驱动器/接收器单元失效的情况中，反馈电子器件具有利用反馈电子器件的谐振频率产生信号指示的任务(参见图2中的幅度特性)。这个频率落在多变量传感器的频率带宽之外。
在本发明的设备的具有优点的实施例中，存储器单元与微处理器相关联，并且相位的校正值作为振荡频率的函数存储在存储器单元中。特别地，相位的校正值在存储器单元中以表的形式或者一个或多个函数的形式，是可以访问的。当考虑影响反馈电子器件的相位-频率特性的附加过程变量，例如测量位置的温度，时发生后一情况。
为了保证本发明的设备的最优操作，微处理器保证例如函数f(v)在整个工作范围上采取恒定值。恒定值可以例如是0°。依赖于应用，反馈电子器件和微处理器的相位之和也可以为非零恒定值。原理上，代表相位之和的恒定值可以采用-180°～+180°之间的任一值。对于这个实施例，例如可以对于测量位置处泡沫引起的条件变化起反作用。同样在给定特定的必要条件的前提下，可以将泡沫与被测液体介质区分开。另外，正如已经提到的，可自由改变的相位是粘度测量所不可缺少的前提。
考虑以下例子：将极限值开关作为超量装填保护装置安装在容器中，其中该容器中存储液态的高度发泡的测量介质。在这种情况中，一旦泡沫接触到振荡单元，而不是在振荡单元达到液态测量介质之后，极限开关就必须发出切换信号。为了保证极限状态传感器对于泡沫的反应，反馈电子器件和微处理器的相位之和被设置为非零的值，例如+50°。进一步，对于极限值开关被作为干枯保护而安装的情况，优化的调整可以使用被设置为例如-20°的和。在这种情况中，设置极限开关的切换点使得泡沫被忽略。
根据本发明的设备的具有优点的进一步的发展，提供输入/显示单元，可以在其上预设函数f(v)。以这种方式，可以依赖于应用选择粘度、密度或泡沫测量，而无需在电子零件的各个元件中作任何硬件改变。注意到，可以发生数据通信而无需现场输入，例如通过现场总线的现场输入。
优选地，反馈电子器件为微处理器提供周期信号，优选为矩形信号，其由微处理器用于确定对于相位的校正值。以这种方式，可以实现来自微处理器的信号无需A/D转换并在频域滤波。而是，来自微处理器的信号可以在时域中得到处理。为此，可以使用更廉价的微处理器，因为不需要在频域中计算强度大的滤波的A/D转换。
特别地，微处理器执行以下步骤：在第一步骤中，微处理器基于矩形输入信号的边缘，例如，基于上升沿，确定振荡电路的频率；然后，微处理器将确定的频率与相应的存储的相位校正值匹配；在第三步骤中，微处理器为输出信号的输出安排步骤二中确定的校正的相位。以这样的方式，在振荡电路中基本上实时地获得了对于可预定的或预定的相位-频率特性的调整。
另外，微处理器确定输入信号的多个周期上的频率，并且执行频率加权。实践中发现，依赖于信号质量，微处理器不总是确定多个周期中的同一频率。在这一点上，启动频率加权。如果对于应用技术，令振荡单元为较低频率是合理的，则微处理器可以输出在最后的周期中测量的最低频率。当然，微处理器的相应预设也可以考虑其它应用技术因素。例如，可以在多个周期上执行频率平均化，或者选择最大确定频率并将其送入下面将提到的放大器，用于放大。
在本发明的设备的具有优点的进一步发展中，提供放大器电路(→放大器)，微处理器的输出信号经由其送入振荡单元的驱动器单元。
在本发明的设备的优选实施例中，微处理器还起到计算单元的作用，并且确定达到预定料位或确定并信号指示被测介质的粘度、密度或泡沫形成。
在本发明的设备的具有优点的进一步的发展中，反馈电子器件为微处理器提供幅度与输入信号成比例的信号。当被测介质是固体介质时，这个实施例很重要。于是，例如在可以从受让人得到的SOLIPHANT的情况中，为了检测和/或监控料位而计算幅度改变，而不是频率改变。
另外，提供用于测量过程变量的传感器，例如温度传感器，其向微处理器提供与过程变量有关(例如，与温度有关)的信息，并且微处理器在提供对于相位的校正值时考虑过程变量的影响。
附图说明
现在进一步基于附图详细解释本发明，附图中：
图1是本发明的设备的框图，和
图2是相位、校正相位和增益相对于频率的图形表示。
具体实施方式
图1是极限开关形式的本发明的设备的框图。正如上面已经说明的，图1所示的设备1也适用于确定容器中介质的密度或粘度。图1中没有示出容器和介质。然而，在料位确定的情况中，振荡单元2仅在达到检测的极限料位时才抵达或离开测量介质，为了持续监控或确定密度或粘度，它必须接触测量介质直至预定侵入深度。关于容器，它当然也可以是管道，其中容纳流动的介质。
传感器具有外壳，其在突出伸入容器的末端区域由薄膜5密封。薄膜5固定在外壳中它的边缘区域。延伸进入容器的振荡单元2被固定至薄膜5。在所示的情况中，振荡单元2为音叉的形式，从而包含两个相互分离的振荡叉3、4，它们被固定至薄膜5并且延伸进入容器。
驱动器/接收器单元6令薄膜5以预定的激励频率振荡。驱动器/接收器单元6例如是堆栈驱动器或双晶驱动器。这两种压电驱动器都是现有技术中已知的，因而在此不必对它们进行说明。由于薄膜5的振荡，振荡元件2也执行振荡，对于振荡单元2接触测量介质并且在振荡中粘附介质的质量必须随之运动的情况，以及振荡单元2能够自由振荡并且不接触测量介质的情况，振荡频率是不同的。
依赖于极化方向上施加的电压差，压电元件改变它们的尺寸(厚度、直径)。如果施加交流电压，则厚度振荡：当厚度增加时，压电元件的直径减小；另一方面，当厚度减小时，压电元件的直径相应地增加。
由于压电元件的这种振荡特性，电压差影响外壳中支持的薄膜5的挠曲。薄膜5的振荡使得薄膜5上设置的振荡单元2的振荡叉执行围绕它们的纵轴的相对传感器的振荡。相对传感器的振荡具有以下优点：各个振荡叉3、4施加于薄膜5的交变力相互抵消。以这种方式，薄膜密封的机械负载被最小化，使得基本上没有振荡能量被传递到外壳。
驱动器/接收器单元6、薄膜5和振荡单元2形成的机械振荡系统是振荡电路7的一部分。除了机械振荡系统，振荡电路7还具有电子部件，其在大多数情况中由反馈电子器件9实现。反馈电子器件9可以例如构造为可以从受让人得到的LIQUIPHANT M中的反馈电子器件的方式。反馈电子器件9提供周期信号，特别是矩形信号，该信号经由放大器(放大电路)送入驱动器/接收器单元6并且从那里传递到薄膜5。这使得其上安装了振动单元2的薄膜5以预定频率振荡。
振荡电路7中还集成了微处理器8。微处理器8作为“智能”元件，根据频率校正矩形信号的相位。对于每一测量的频率值的相位校正值被存储在存储器单元10中。相位校正值也受到其它参数，例如温度，的影响。所以，额外提供温度传感器13，其提供有关测量位置或反馈电子器件的区域中的温度的信息。
送入微处理器8的输入信号(In)没有被A/D转换并随后在频域中被滤波，而是在时域中得到处理。为此，微处理器8执行以下步骤：
-在第一步骤，矩形输入信号的上升沿被用于确定振荡电路的频率；
-在第二步骤中，确定属于确定频率的相位校正值；
-在第三步骤中，生成输出信号，其具有在第二步骤中确定的校正相位。这个相位经过校正的信号在放大器11中被放大并且触发驱动器/接收器单元6。
有可能的，微处理器除了影响相位校正之外，还影响幅度校正。以这种方式，为了信号的进一步的“智能”影响而发生频率的加权。另外，(模拟)反馈电子器件9将幅度与输入信号(In)成比例的信号发送至微处理器8。
图2以图表显示了相位及校正相位相对于频率的特性。其中有点的连续曲线给出了没有由微处理器8相位校正的作为频率的函数的相位。具有“x”的连续曲线表示了在由微处理器8相位调节的情况中，作为频率的函数的相位。在所示的情况中，相位校正实现了振荡在整个工作范围上具有恒定的相位-频率特性。在所示的情况中，发生到0°的相位校正。
另外，微处理器8影响输出信号的增益，所示情况中的增益类似地被控制为在工作范围中的恒定值。
在本发明的设备的具有优点的进一步发展中，作为频率的函数的相位校正值以表的形式或函数的形式在存储器单元10中。代替存储的相位校正值，也可以发生匹配测量位置处实际存在的条件的最优相位校正值的在线确定。这在图1中以标签(Ref.)和虚线表示。基于输入信号(In)的相位和反馈电子器件9的输出信号的相位的比较，可以确定当前以及最优相位校正值。以这种方式，可以进一步增加本发明的设备的可靠性和精确度。
参考符号表
1料位极限开关
2振荡单元
3振荡叉
4振荡叉
5薄膜
6驱动器/接收器单元
7振荡电路
8计算单元/微处理器
9反馈电子器件
10存储器单元
11放大器
12输入/显示单元
13传感器
Claims (13)
1.用于监控预定料位和/或用于确定容器中测量介质的密度或粘度的设备，包括振荡单元(2)、驱动器/接收器单元(6)和计算单元，
其中振荡单元(2)放置在预定料位的高度，或者其中这样放置振荡单元(2)，使得它侵入测量介质中直到定义的侵入深度，
其中提供反馈电子器件(9)，驱动器/接收器单元(6)经由它激励振荡单元(2)以预定的振荡频率振荡，
其中计算单元基于振荡单元(2)的振荡的频率变化和/或幅度变化而检测抵达预定料位，或者其中计算单元基于振荡单元(2)的振荡的变化而确定测量介质的密度或粘度，
其特征在于，
在由振荡单元(2)和反馈电子器件(9)形成的振荡电路(7)中，提供微处理器(8)作为计算单元，
反馈电子器件(9)为微处理器(8)提供周期性的矩形输入信号，其由微处理器(8)使用，用于确定相位的校正值，
微处理器(8)在时域中计算并进一步处理从反馈电子器件(9)发送的信号，
微处理器(8)在预定频率带宽上校正反馈电子器件(9)的相位，使得反馈电子器件(9)和微处理器(8)的相位之和遵循预定的函数f(v)＝恒定值。
2.如权利要求1所述的设备，其中频率带宽在300～1500Hz的极限之间。
3.如权利要求1所述的设备，其中存储器单元(10)与微处理器(8)相关联，其中存储至少一个对于相位的校正值作为频率的函数。
4.如权利要求3所述的设备，其中作为频率的函数的相位校正值可以从存储器单元(10)中以表的形式或者计算算法的形式得到。
5.如权利要求1所述的设备，其中提供输入/显示单元(12)，可以通过它预先指定函数f(v)。
6.如权利要求1所述的设备，其中微处理器(8)在第一步骤中基于矩形输入信号(In)的边缘确定振荡电路(7)的频率，微处理器(8)在第二步骤中确定与确定的频率相关联的相位校正值，以及微处理器(8)发出具有在第二步骤中确定的校正相位的输出信号。
7.如权利要求1所述的设备，其中微处理器(8)确定输入信号(In)的多个周期上的频率，并执行频率加权。
8.如权利要求1所述的设备，其中提供放大器电路(11)，微处理器(8)的输出信号(Out)经由它被送入用于振荡单元(2)的驱动器单元(6)。
9.如权利要求1所述的设备，其中微处理器(8)还承担计算单元的任务，并且确定预定料位的抵达或者确定测量介质的粘度或密度。
10.如权利要求1或8所述的设备，其中反馈电子器件(9)为微处理器(8)提供幅度与输入信号(In)成比例的信号。
11.如权利要求1或3所述的设备，其中提供用于测量过程变量的再一传感器，该再一传感器为微处理器提供有关过程变量的信息，并且微处理器在提供相位校正值时考虑过程变量的影响。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述再一传感器为温度传感器(13)。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述再一传感器为微处理器提供有关温度的信息。
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