CN101636642B - 用于确定和/或监控过程变量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控过程变量的装置，其包括传感器元件(1)和至少一个电子单元(2)，该电子单元为了测量过程变量而向传感器元件(1)施加电子激励信号(AS1、AS2)、接收来自传感器元件(1)的电子测量信号(MS1、MS2)并关于过程变量分析测量信号(MS1、MS2)，以及其中在电子单元(2)中提供模数转换器(3)。根据本发明，对于每一次测量过程变量，电子单元(2)向传感器元件(1)施加在时间上一个接一个的第一激励信号(AS1)和第二激励信号(AS2)，使得第一激励信号(AS1)和第二激励信号(AS2)彼此具有可调节的相位(j)。

Description

用于确定和/或监控过程变量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置，其包括至少一个传感器元件和至少一个电子单元，该电子单元为了测量过程变量而向传感器元件施加至少一个电子激励信号、为了测量过程变量而接收来自传感器元件的至少一个电子测量信号并关于过程变量分析测量信号，其中测量信号至少依赖于激励信号和/或过程变量和/或过程变量的改变，并且其中在电子单元中提供至少一个模数转换器。过程变量例如是介质的料位、密度、粘度、pH值、压力、流量或温度，介质例如是液体、松散材料、气体或流体。
背景技术
在大量测量仪表中，可以从中得到有关过程变量的信息的激励信号或者测量信号被数字化，以由此简化并改进信号处理。例如在WO2004/102133中对于电容式料位测量仪表介绍了这种情况。
要处理的信号往往是电子信号，其或者是交流电压或者以交流电压传输。这些交流电压然后被模数转换器转换为数字信号。在这种情况中，模拟信号在采样点被采样，采样点通常在时间上等距分布。由数字信号处理的分辨率以及精度依赖于采样点的数目。由于模数转换器的可用内存、可用能量或可实现采样率，分辨率不能如任意提高。为了尽管有这些限制仍然增加分辨率，有所谓的等价时间方法。这特别地应用于周期性信号。在这种方法中，信号或者被多路产生或者被以固定采样率而多重采样。在每一次采样时，采样的时间点被偏移，或者由于采样率固定，第一采样点的时间点被偏移。于是，在每一次采样时，相同数目的点被采样。然而，由于它们在各个采样之间彼此偏移，所以相应地得到许多数据集，它们共同表达了整个信号，其中必须合适地处理数字化的数据。关于这一点，参见DE 4434688A1、WO 03/019120A1或JP 05041094A。这个方法通常被实现为使得采样在模数转换器中被合适地偏移。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量仪表，其中以与现有技术不同的方式提高采样的分辨率。
本发明的用于实现发明目的的技术方案包括以下技术特征：构造电子单元，使得对于每一次过程变量测量，电子单元向传感器元件施加在时间上一个接一个的第一激励信号和第二激励信号，使得第一激励信号和第二激励信号彼此具有可调节的相位。于是，本发明在于以下事实：与现有技术相反，并不是采样被偏移，而是要被处理的信号被时移。通过这个时移，得到在激励信号之间的相位，或者由此还得到在相关的测量信号之间的相位。于是，根据本发明，通过激励信号的相位，一方面由于这些信号的采样导致激励信号自身提高的分辨率，从而使得激励信号自身能够具有更高的分辨率。另一方面，由于利用自身表现出相位的时移而多重产生的测量信号被多重地数字化，所以与测量相关的测量信号具有更高的分辨率。在这种情况中，激励信号被以一定的时间间隔和频率产生，这个间隔小于过程变量的变化时间，即，相关的测量信号属于过程变量的相同值。另外，同时，一次测量由重复向传感器元件施加相同的激励信号以及重复接收测量信号而构成。基本上，在这种情况中，传感器元件被重复施加相同的激励信号，从而相应地多重得到测量信号。
在一个实施例中，模数转换器在预定的采样点采样激励信号和/或测量信号。于是，模数转换器在固定的采样时间点采样信号。在多数情况中，这些点具有等距的间隔。根据本发明，在这种情况中不必改变这些点的位置。
在一个实施例中，电子单元在预定的采样点数字化第一激励信号，电子单元在预定的采样点数字化第二激励信号，并且电子单元处理第一激励信号的经数字化的数据以及第二激励信号的经数字化的数据，使得对于测量得到激励信号的组合的数字化，其中第一激励信号的经数字化的数据以及第二激励信号的经数字化的数据各自合适地彼此偏移可调节的相位。通过同一信号的类似多重采样，得到信号的各个采样值，其必须通过合适的排序而具有合适的顺序或者在接下来的处理中被关于过程变量而合适地处理。如果例如通过向传感器元件两次施加这个激励信号而两次采样激励信号，那么激励信号的经数字化的信号通过将第一次和第二次施加的经数字化的数据交替组合而形成。
在一个实施例中，电子单元在预定的采样点数字化属于第一激励信号的第一测量信号，电子单元在预定的采样点数字化属于第二激励信号的第二测量信号，并且电子单元处理第一测量信号的经数字化的数据以及第二测量信号的经数字化的数据，使得得到用于测量的测量信号的组合的数字化。在这个实施例中，测量信号被采样两次，其中激励信号被施加给传感器元件两次并且每一次都获得测量信号。这个实施例或者作为前一实施例的替代或者与其相结合，即，或者仅有激励信号或者仅有测量信号或者激励信号和测量信号得到数字化。在这种情况中，测量信号同样彼此偏移对应于激励信号之间的相位。
在一个实施例中，激励信号和/或测量信号是周期性的。
在一个实施例中，第一激励信号和第二激励信号具有基本相同的频率和相同的信号形状。优选地，相同的激励信号被两次施加至传感器元件，作为第一和第二激励信号。
在一个实施例中，可调节的相位不是2π的整数倍。如果特别地涉及周期性信号，那么激励信号或测量信号之间的偏移必须是通过相位产生的，这导致相位不是2π，以产生数字化的效果。在这种情况中，相位依赖于采样点的数目以及向传感器元件施加相同激励信号的次数。
在一个实施例中，过程变量是容器中介质的料位。
在一个实施例中，激励信号是交流电压。在另一实施例中，特别是电容式地确定过程变量料位。然而，作为测量原理，还可以利用行程时间方法实现料位确定。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是电容式料位测量仪表的示意性结构；和
图2是两个信号的采样的图示。
具体实施方式
图1以例子显示了电容式测量仪表。传感器元件1和容器10的壁形成以介质11作为电介质的电容器，该电容器的电容依赖于介质11的料位。于是，由电容可以推导出料位。为此，可以为棒或缆线的传感器元件1被施加交流电压。于是，由电流或由该电流例如在电阻上得到的电压可以确定电容值。这里，为了施加电压或者分析而提供电子单元2，其为了分析而包括模数转换器3。根据本发明，为了提高分辨率，传感器元件1被施加两次激励信号：AS1和AS2。在这些信号之间或者在施加的时间点之间，存在时延，从而在信号AS1和AS2之间得到相位j，其不是2π的整数倍。通过偏移，各个属于激励信号的测量信号MS1和MS2彼此具有一定的相位。实际上，每一测量由两个子测量构成(数目也可以增加)，这两个子测量基于相同的激励信号和相同的测量信号。也就是，激励信号不改变，它仅仅被重复也就是不变地以适当延迟施加至传感器元件1。如果它相对于过程变量的变化时间是迅速的，那么各个测量信号仅仅相位不同。(作为校正以及安全措施，也可以在处理中识别并合适地处理界外值和较大偏差。)于是，实际上，测量被重复执行。如果信号随后被数字化且模数转换器3在子测量之间没有改变，那么相位使得信号在不同点被采样。反过来，经数字化的数据随后再次被合适地排序，即，一个接着一个地设置。在现有技术中，实际信号保持固定并且数字化的采样信号被偏移；而在本发明中，采样信号保持固定而实际信号被偏移。向传感器元件1施加激励信号的次数依赖于要将分辨率提高的程度。两个激励信号导致双倍，三个激励信号导致三倍，等等。相位也依赖于涉及几个激励信号以及提供多少采样点。例如，在分辨率加倍的情况中，相位对应于两个采样点之间的距离的一半。
图2显示了两个激励信号AS1和AS2。垂直的实线显示了采样点，其也由信号上的圆圈指示。发射两个激励信号AS1和AS2，使得它们之间存在相位j。可以清楚地认识到，这导致采样点在信号的不同点上。如果采样数据被合适地排序，则得到分辨率加倍。
于是，在本发明的用于提高采样电子信号的分辨率的方法中：产生激励信号，其被作为第一激励信号AS1施加至传感器元件1。与第一激励信号AS1相关联的第一测量信号MS1被接收。在根据图2的实施例中，第一激励信号AS1和第一测量信号MS1被数字化。之后，相同的激励信号被作为第二激励信号AS2再次施加至传感器元件1并且相关联的第二测量信号MS2被接收。于是，再次将两个信号AS2和MS2数字化。与之相结合，还要提供或构造合适的存储单元。在这种情况中，在向传感器元件1施加两个激励信号AS1和AS2之间存在时延，使得两个信号彼此间具有相位j，其不是2π的整数倍。通过这个相位，第二激励信号AS2与第一激励信号AS1在不同位置被采样，从而激励信号整体在两倍多的位置上得到采样，正如模数转换器3实际所允许的。对于测量信号的采样也是同样的，其以第一测量信号MS1以及第二测量信号MS2的形式经历采样。然后，合适地处理各个采样数据。在电容式测量的情况中，激励信号例如是正弦交流电压，而测量信号是由电流信号转换的交流电压。
附图标记
1     传感器元件
2     电子单元
3     模数转换器
10    容器
11    介质

Claims (7)

1.用于电容式地确定和/或监控容器中的介质的料位的装置，包括至少一个传感器元件(1)，和至少一个电子单元(2)，该电子单元为了测量料位而向传感器元件(1)施加至少一个电子激励信号(AS1、AS2)，该电子单元为了测量料位而接收来自传感器元件(1)的至少一个电子测量信号(MS1、MS2)并且该电子单元料位分析测量信号(MS1、MS2)并确定料位，其中测量信号(MS1、MS2)至少依赖于激励信号(AS1、AS2)和/或依赖于料位和/或依赖于料位的改变，并且其中在电子单元(2)中提供至少一个模数转换器(3)，
其特征在于，
构造所述电子单元(2)，使得对于每一次料位测量，所述电子单元(2)向所述传感器元件(1)施加在时间上一个接一个的至少第一激励信号(AS1)和第二激励信号(AS2)，使得所述第一激励信号(AS1)和所述第二激励信号(AS2)彼此具有可调节的相位，所述可调节的相位不是2π的整数倍。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，模数转换器(3)在预定的采样点采样激励信号(AS1、AS2)和/或测量信号(MS1、MS2)。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，电子单元(2)在所述预定的采样点数字化第一激励信号(AS1)，电子单元(2)在所述预定的采样点数字化第二激励信号(AS2)，并且电子单元(2)处理第一激励信号(AS1)的经数字化的数据以及第二激励信号(AS2)的经数字化的数据，使得得到用于测量的激励信号的组合的数字化，其中第一激励信号(AS1)的经数字化的数据以及第二激励信号(AS2)的经数字化的数据合适地彼此偏移所述可调节的相位。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，电子单元(2)在所述预定的采样点数字化属于第一激励信号(AS1)的第一测量信号(MS1)，电子单元(2)在所述预定的采样点数字化属于第二激励信号(AS2)的第二测量信号(MS2)，并且电子单元(2)处理第一测量信号(MS1)的经数字化的数据以及第二测量信号(MS2)的经数字化的数据，使得得到用于测量的测量信号的组合的数字化。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，激励信号(AS1、AS2)和/或测量信号(MS1、MS2)是周期性的。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，第一激励信号(AS1)和第二激励信号(AS2)基本具有相同的频率和相同的信号形状。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，激励信号(AS1、AS2)是交流电压。
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