CN100549714C - 操作测试振动液位开关传感器的方法和相应振动液位开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于执行用于液体或固体散装材料或其混合物的振动液位开关的操作测试的方法，通过振荡激励反馈电路激励液位检测传感器的振动谐振器(1)振荡，从而改变反馈电路的多个信号处理块(5，6，7，8，9，10)的至少一个激励参数，以及通过微处理器(14)将得到的振荡变化与包括无故障系统的相应振荡变化的数据的数据集进行比较。此外，提供用于测量执行本发明方法测量容器中的液位的振动液位开关。

Description

操作测试振动液位开关传感器的方法和相应振动液位开关

技术领域

本发明涉及振动液位开关(vibration level switch)的操作测试方法，以及涉及适合于执行该操作测试的振动液位开关。

本发明应用于用来测量固体散装材料(solid bulk material)的振动液位开关，以及用来测量容器中的液体的振动液位开关。

背景技术

振动液位开关系统通常由振动谐振器(vibration resonator)和连接到其上、在系统的操作期间，将振动谐振器激励到其谐振频率以便产生自我保护振荡的振荡激励(exiting)反馈电路组成。

在现有技术中，振动传感器按其原理操作是已知的。为测试这种传感器系统的无故障运行，代替振动传感器，将带通滤波器连接到反馈电路。在初始化校准期间，存储由带通滤波器确定的所生成的振荡频率，并与在后续测试测量期间获得的参考频率值进行比较。

然而，测试运行的方法仅适合于分析频率的液体液位开关传感器。通过该方法，测试反馈电路的电子设备和后续级的故障。传感器机构的测试是不可能的。

用于测试固体散装材料的液位检测的振动传感器的操作的另一方法是将反馈电路的放大系数设置成固定低值以便当传感器未被散装材料覆盖时，输出表示满容器的信号，或设置成固定高度值以便当传感器完全覆盖时，输出表示容器为空的信号。

该过程适合于分析振幅的固体散装材料液位开关传感器。然而，通过该方法，仅能检测传感器的极粗略的变化。

在现有技术中，已知另一振动传感器，也通过反馈电路将其激励到其谐振频率。为补偿制造公差，能基于指定到传感器机构的特征元件，改变反馈电路的开关参数。然而，通过该传感器，根本不可能操作测试。

因此，需要一种方法，根据该方法，能测试液体和固体散装材料振动传感器的正确运行。通过操作测试，还测试振荡激励反馈电路和随后的信号处理级，以及到各个电子设备的连接线、机电转换器系统以及最后传感器的机械系统也很有意义。

此外，不仅检测导致振动传感器的完全失效的故障，而且还检测仅导致测量属性变化，而不导致传感器系统的完全失效也有意义。

发明内容

本发明的实施方式能包括下述特征的一个或多个。

根据本发明的一个方面，一种用于执行用于液体或固体散装材料的振动液位开关的操作测试的方法，其中通过振荡激励反馈电路激励液位检测传感器的振动谐振器振荡，改变反馈电路的多个信号处理块的至少一个激励参数，以及通过微处理器将得到的振荡变化与包括无故障系统的相应振荡变化的数据的数据集进行比较。

由此，根据本发明操作测试方法，相同的机械、电和电子传感器部件能用于正常液位检测操作，如用在操作测试本身一样。此外，整个信号链能包含在测试中。在其操作谐振点的范围中以及根据周围的振动和电磁散射，测试传感器由此非常实际。由于高信号振幅可变，还相对的防错。根据操作测试方法，激励传感器超出其操作谐振范围，这非常有利。由于由此获得的非常小的振荡幅度，外部振动和电磁散射能模拟总的改变的传感器特性。

本发明的另一方面是根据从不同激励参数的改变得到的振幅和频率变化与存储在存储器中的参考数据集的偏差，检测整个振动液位开关系统的任何操作故障，其中所述参考数据集包括由于无故障系统的不同激励参数的改变的振幅和频率的变化。

根据本发明的另一方面，经将各个信号处理块连接到微处理器的控制线路，执行激励参数的改变。通过下述步骤，生成振动谐振器的自我保护振荡：将包括在振动谐振器中的检测晶体的第一输出信号提供给振荡反馈电路的信号处理块，在通过振荡反馈电路后，由第一输出信号生成第二输出信号，该第二输出信号继而提供给包括在振动谐振器中的激励晶体。

根据本发明的另一方面，根据在执行操作测试前检测的振动谐振器的振荡幅度和频率，执行激励参数改变的类型及评价其效果。

此外，根据本发明的另一方面，经验确定用于识别基于故障的偏差的激励参数的变化，将激励参数的变化和相应的偏差存储在存储器中。

本发明的另一方面在于在存储器中存储：用于初始变量对的数据，所述数据包括：振幅和频率以及具有无故障传感器或无故障部件的系统的相应振幅和频率值，以及不可靠但仍可接受的、用于传感器功能的相应容差带(allowance band)组成。

对于每个初始变量对存储几个操作测试数据集。顺序执行几个激励参数的设定对传感器进行完全操作测试。

通过传感器的实际振幅和频率形成用于执行操作测试的初始变量对，根据该方法，基于微处理器经控制线路改变信号处理块的至少一个的激励参数，从存储器选择相应的测试数据集。

根据本发明的另一方面，如果在操作测试期间，超出数据集的第一容差带则输出故障通知。如果达到窄于第一容差带的第二容差带内的临界值，则在操作测试后输出告警信号。

在本发明的另一方面，提供自动循环地执行操作测试。另一可能性在于通过外部输入的测试命令启动操作测试。优点在于用于执行操作测试的相同信号处理块均用于测量容器中的液位。

根据本发明的另一方面，无故障系统的振荡变化的数据存储在非易失半导体存储器中。此外，对传感器机构和反馈电路的电子设备及其后续级，执行操作测试。

本发明的另一方面在于通过振荡激励反馈电路，激励液位开关的传感器振荡，由此改变形成反馈电路的多个信号处理块的至少一个激励参数来执行测试，由此在改变对应于无故障操作系统的激励参数后，将液位开关传感器的振幅和频率的响应值与存储在存储器中的值对进行比较，在超出也存储在存储器中的第一容差带时，经线路输出故障通知，或在达到窄于第一容差带并存储在存储器中的第二容差带的临界值时，输出告警信号。

根据本发明的另一方面，提供一种用于测量容器中的液位的振动液位开关，包括振动谐振器，该振动谐振器适合于将由包含在振动谐振器中的振荡检测器晶体生成的第一输出信号输出到构成振荡激励反馈电路、适合于处理第一输出信号和将第二输出信号输出到包含在振动谐振器中的激励晶体的多个信号处理块，以使振动谐振器按其谐振频率实现自我保护振荡，其中信号处理块经控制线路连接到微处理器，微处理器适合于从存储器读取和选择测试数据集，用于通过经控制线路改变激励参数来执行操作测试。

存储器例如适合于在操作测试期间，存储将被改变的激励参数的值。存储器能进一步适合于存储由对应于振动液位开关系统的部件的无故障操作的振幅和频率组成的变量对。

本发明的另一方面是存储器适合于包含具有对应于振动液位开关系统的部件的无故障操作的预定值的测试数据集。

另外，存储器适合于存储用于每个变量对的第一容差带，根据本发明的另一方面，当超出第一容差带时，微处理器适合于通过线路输出无故障通知。存储器例如适合于存储用于每个变量对、窄于第一容差带的第二容差带，当达到第二容差带内的临界值时，微处理器适合于通过线路输出告警信号。

根据本发明的另一方面，提供振动液位开关，其中多个信号处理块包括由下述部件组中的至少一个，所述组包括：接收放大器、高通滤波器、低通滤波器、移相级、最大值限制级、驱动级、带通滤波器、带阻滤波器、信号消隐装置、液位对数压缩放大器(levellogarithmizer)。

最后，本发明的目的是信号处理块适合于可控激励参数。

附图说明

现在，通过参考附图，举例描述本发明的示例性实施例，其中：

图1是根据本发明的振动液位开关系统的示意图；

图2是根据本发明的振动液位传感器元件的示意侧视图。

具体实施方式

图1表示本发明的振动液位开关系统的示意图。首先，在不执行操作测试的情况下，描述用于测量本发明传感器配置的正常功能。

实现为音叉的振动谐振器1浸入将测量的液体或固体散装材料中。为激励和检测机械振荡，谐振器1具有机电转换器系统，包括压电振荡检测晶体2和振荡激励晶体3。检测晶体2的电输出信号4供给形成振荡激励反馈电路的块5至10。为所处理的第一输出信号的第二输出信号，即输出信号11用来控制激励晶体3。通过信号滤波器和反馈电路的放大效应，允许振动谐振器1按其谐振频率进行自我保护振荡。

现在，在下文中，描述由信号处理块5至10组成的反馈电路的操作。振荡检测信号4提供到接收放大器5，所述放大器将该信号放大到适合于随后的进一步信号处理的电压电平。接收放大器5后的高通滤波器6抑制低于谐振器1的基本振荡谐振频率的信号分量。直接连接到高通滤波器6的下一部件是低通滤波器7，该低通滤波器抑制高于所需基本振荡频率的频率部分。滤波器6和7限定反馈电路的传输频率范围。低通滤波器7后的移相级8用来将信号4和11之间的反馈电路的总相移调整为适合于振动谐振器1的振荡激励的值。

随后的最大值限制级9使系统的振荡幅度稳定到限定的最大值，通过截止正负电压电平半波，从某一控制电压电平开始，防止进一步信号上升。随后的驱动级10用来直接控制振荡激励压电晶体3。除其放大器功能外，它还能包括用于限制信号上升速率的措施，以便移除由最大值限制级9生成的激励信号的谐波分量。由微处理器14执行振动谐振器振荡的分析。在通过模拟数字转换器13的数字化后，位于信号处理块8和9之间的中间信号12提供到微处理器14。

微处理器14确定振荡的振幅和频率，将它们与预定阈值进行比较，以及由此确定振动谐振器1的覆盖状态。经线16将结果传送到输出或接口单元(未示出)。

现在，还说明本发明的操作测试方法。首先，确定用于给定振动传感器型的适当测试参数。在正常液位检测测量期间，选择反馈电路5至10的激励参数以便将由振动谐振器检测的可变散装材料或液体盖分别转换成能易于分析的特征信号振幅或频率值。

为生成另外的测量值，提供有关传感器属性从而有关传感器系统的功能性的间接信息，微处理器14具有控制线17至21，允许改变反馈电路5至10的激励参数。

在所示例子中，由微处理器14，根据它们的信号处理属性控制块5至9。因此，能调整接收放大器5、高通滤波器6和低通滤波器7、移相级8和最大值限制级9。一个或几个块的信号处理特性的变化导致振动谐振器与变化的振荡幅度和频率反应。因此，值变化的大小不仅直接与在信号处理块上执行的参数变化有关，而且还与反馈电路的其他信号处理属性和振动谐振器的物理结构有关。

另外，值的变化与当前耦合到谐振器的固体或液体散装材料以及它们的阻尼特性有关。以与在执行操作测试前测量的振动谐振器的振荡幅度和频率有关，执行激励参数变化的类型及其效果的评价的方式，考虑散装材料的影响。

在多个测试中，确定激励参数的哪种变化特别有利，以便根据所获得的振荡系统的振幅和频率响应值，在指定谐振器振幅和频率处，将传感器机构和电子设备中的模拟故障或缺陷转换成对无故障传感器的特定的特征偏差。

在另一步骤，提供用于执行操作测试的数据集。对由振幅和频率组成的每个初始变量对，存储偏离正常传感器操作的将改变的激励参数值。另外，存储无故障传感器的包括用于可接受传感器功能的有关容差带的系统的振幅和频率响应值。为完全测试传感器，通常随后执行不同激励参数设定以便对于每个初始变量对，将存储几个功能测试数据集。

可由微处理器14存取非易失半导体存储器15中的存储结果。

为减少数据集所存在的初始变量对，在这些之间选择足够的距离，以及在微处理器14中存储如何通过内插计算位于其间的中间值的测试数据的计算过程。为在传感器生成期间，不完全测量每个单个制造的传感器，生成分别具有特别高和低的基本频率和振荡幅度的传感器的参考数据集。对所生成的单个传感器，在未覆盖状态和在用参考散装材料覆盖的状态中，简单地测量振幅和频率，以及基于这些来自参考数据集的值，计算测试数据集。

能自动循环地或通过测试命令的外部输入执行操作测试。当执行操作测试时，液位开关传感器的实际振荡幅度和频率形成用于微处理器14的初始变量对，通过该初始变量对，在可能所需的内插计算后从存储器15选择第一测试数据集。根据所读取的数据，通过控制线路17至21，微处理器14现在改变信号处理块5至9的信号处理参数。现在，通过所改变的激励参数，操作传感器系统，以及通过新振幅和频率值进行响应。

微处理器14现在校验两个值是否位于所存储的数据集的可容许容差带内，以及当超出容差带时，经线路16输出故障信号。

在满足容差带的情况下，从存储器15读出相对于初始变量对而存储的下一测试数据集，以及通过另一激励参数设定值，测试传感器。在应用所有测试数据集后，只要未检测到故障，传感器系统返回到正常液位检测测量操作。

然而，如果除输出仅表示传感器已经出故障的故障信号外，还需要表示恶化传感器的测试特性的告警信号，这是能实现的，因为存储为不同宽度的两个不同容差带。在根据测试结果超出较窄容差带，但已经满足更宽的一个的情况下，仅能输出告警信号。

除如图1所示，参数可变信号处理块5至9之外，还能在反馈电路中采用其他级，如带通滤波器、带阻滤波器、信号消隐装置或电平对数压缩放大器，以及能出于测试目的控制参数。

在振动液位开关传感器的情况下，根据在正常操作(具有材料覆盖的固体散装材料传感器)期间，振荡能停止，在这种情况下，在操作测试期间，极大地提高块5的放大设定值以便在谐振器中启动振荡，以及能将出现的信号振幅和频率与存储在存储器15中的所需值进行比较。

通过两个特定的故障状态，在下文中示出了激励参数变化的效果：通过内部电子或机械过耦故障生成振荡、旁路谐振器。在这种情况下，能通过在异常宽度范围上的滤波器6和7的变化，改变振荡频率而不停止振荡。然而，振荡反应对移相级8的变化非常敏感。

另一例子是通过周围或电磁散射的强振动，生成虚假有用信号。在这种情况下，通过滤波器6和7的变化，振荡频率在其值方面不改变，但相反，仅能影响信号振幅。移相级8的变化对振荡无影响。没有采用操作测试方法，在两种情况下，能想要任何电平值。通过激励参数的变化，可以通过本发明方法，检测信号的不同特征，从而通过比较无故障传感器系统的行为，检测传感器故障。

图2示出了根据本发明的振动液位传感器元件100的示例实施例。

图2表示具有集成机电换能器系统的音叉谐振器。音叉谐振器包括两个叉形管脚105、106和薄膜104。机电换能器系统包括振动检测晶体102、振动激励晶体103和绝缘陶瓷盘107、108、109。通过底板110、压力盘111和拉力螺栓112，执行机械谐振器和换能器系统的振动耦合。通过螺丝元件113，机械预压整个组件。当叉形管脚105、106浸入将测量的填充材料时，叉形管脚105、106的振幅和振荡频率改变。

Claims (26)

1.一种用于执行用于液体或固体散装材料或其混合物的液位检测传感器的操作测试的方法，其中通过振荡激励反馈电路激励该液位检测传感器的振动谐振器(1)振荡，改变反馈电路的多个信号处理块(5，6，7，8，9，10)的至少一个激励参数，以及通过数据处理单元(14)将得到的振荡变化与包括无故障系统的相应振荡变化的数据的数据集进行比较。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据从不同激励参数的改变得到的振幅和频率变化与存储在存储器(15)中的参考数据集的偏差，确定液位检测传感器的任何操作故障，其中所述参考数据集包括由于无故障系统的不同激励参数的改变的振幅和频率的变化。

3.如权利要求1所述的方法，其中经将各个信号处理块(5，6，7，8，9)连接到数据处理单元(14)的控制线路(17，18，19，20，21)执行所述至少一个激励参数的改变。

4.如权利要求1所述的方法，其中对液位检测传感器的传感器机构和反馈电路的信号处理块(5，6，7，8，9)及其后续级执行所述操作测试。

5.如权利要求4所述的方法，根据该方法，通过下述步骤，生成振动谐振器(1)的自我保护振荡：将包括在振动谐振器(1)中的检测晶体(2)的第一输出信号(4)提供给振荡反馈电路的信号处理块(5，6，7，8，9，10)，其中在通过振荡反馈电路后，由第一输出信号生成第二输出信号(11)，该第二输出信号继而提供给包括在振动谐振器(1)中的激励晶体(3)。

6.如权利要求1所述的方法，其中根据在执行操作测试前检测的振动谐振器(1)的振荡幅度和频率，执行激励参数改变的类型及评价其效果。

7.如权利要求1所述的方法，其中经验确定用于识别基于故障的偏差的激励参数的变化，由此将激励参数的变化和相应的偏差存储在存储器(15)中。

8.如权利要求1所述的方法，其中在存储器(15)中存储有：

用于初始变量对的数据，所述数据包括：振幅和频率以及具有无故障传感器或无故障部件的系统的相应振幅和频率值，以及不可靠但仍可接受的、用于传感器功能的相应容差带。

9.如权利要求8所述的方法，其中对于每个初始变量对存储几个操作测试数据集。

10.如权利要求1所述的方法，其中顺序执行几个激励参数的设定以对传感器进行完全操作测试。

11.如权利要求1所述的方法，其中通过传感器的实际振幅和频率形成用于执行操作测试的初始变量对，根据该方法，基于数据处理单元(14)经控制线路(17，18，19，20，21)改变信号处理块(5，6，7，8，9)的至少一个的激励参数，从存储器(15)选择相应的测试数据集。

12.如权利要求1所述的方法，其中如果在操作测试期间，超出数据集的第一容差带则输出故障通知。

13.如权利要求1所述的方法，其中如果达到窄于第一容差带的第二容差带内的临界值，则在操作测试后输出告警信号。

14.如权利要求1所述的方法，其中自动循环地执行操作测试。

15.如权利要求1所述的方法，其中通过外部输入的测试命令启动操作测试。

16.如权利要求1所述的方法，其中用于执行操作测试的相同信号处理块(5，6，7，8，9)也用于测量容器中的液位。

17.如权利要求1所述的方法，其中无故障系统的振荡变化的数据存储在非易失半导体存储器(15)中。

18.一种用于执行用于液体或固体散装材料或其混合物的液位检测传感器的操作测试的方法，其中通过振荡激励反馈电路，激励液位检测传感器振荡，改变形成反馈电路的多个信号处理块(5，6，7，8，9)的至少一个激励参数来执行测试，在改变对应于无故障操作系统的所述激励参数后，将液位开关传感器的振幅和频率的响应值与存储在存储器(15)中的值对进行比较，在超出也存储在存储器(15)中的第一容差带时，经线路(16)输出故障通知，或在达到窄于第一容差带并存储在存储器(15)中的第二容差带的临界值时，输出告警信号。

19.一种用于测量容器中的液位的液位检测传感器，包括振动谐振器(1)，该振动谐振器适合于将由包含在振动谐振器(1)中的振荡检测器晶体(2)生成的第一输出信号输出到构成振荡激励反馈电路、适合于处理第一输出信号(4)并将该第一输出信号(4)处理后形式的第二输出信号(11)输出到包含在振动谐振器(1)中的激励晶体(3)的多个信号处理块(5，6，7，8，9)，以使振动谐振器(1)按其谐振频率实现自我保护振荡，其中信号处理块(5，6，7，8，9)经控制线路(17，18，19，20，21)连接到微处理器(14)，微处理器(14)适合于从存储器(15)读取和选择测试数据集，以便通过经控制线路(17，18，19，20，21)改变激励参数来执行操作测试。

20.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中存储器(15)适合于存储在操作测试期间将改变的激励参数的值。

21.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中存储器(15)适合于存储由对应于液位检测传感器系统的部件的无故障操作的振幅和频率组成的变量对。

22.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中存储器(15)适合于包含具有对应于液位检测传感器系统的部件的无故障操作的预定值的测试数据集。

23.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中存储器(15)适合于存储用于每个变量对的第一容差带，当超出第一容差带时，微处理器(14)适合于通过线路(16)输出故障通知。

24.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中存储器(15)适合于存储用于每个变量对且窄于第一容差带的第二容差带，当达到第二容差带内的临界值时，微处理器(14)适合于通过线路输出告警信号。

25.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中多个信号处理块(5，6，7，8，9，10)包括由下述部件组成的组中的部件的至少一个：接收放大器、高通滤波器、低通滤波器、移相级、最大值限制级、驱动级、带通滤波器、带阻滤波器、信号消隐装置、液位对数压缩放大器。

26.如权利要求20所述的液位检测传感器，其中信号处理块(5，6，7，8，9)适合于可控激励参数。

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