CN102869960A - 用于确定和/或监测介质的过程变量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测在容器(3)中介质(1)的至少一个过程变量，特别是填充液位、密度或粘度，的装置。所述装置包括：在操作期间伸入所述容器(3)的可机械振动结构(5)，其中所述可机械振动结构(5)具有依赖于所述过程变量的至少一个振动特性；机电换能器(7)，其用提供给所述换能器(7)的输入侧的激励信号(T)，激励可振动结构(5)以执行机械振动，并且其将可振动结构(5)的振动结果转换成代表振动的电接收信号(R)并且输出这一信号；以及电子设备，其包括用于连接到所述换能器(7)的输入侧的用于产生激励信号的装置(19)，其具有连接到所述换能器(7)的输出侧的第一滤波器(23)，其中所述第一滤波器(23)滤波来自所述接收信号(R)的期望信号(W)；并且基于所述期望信号(W)确定和/或监测所述过程变量。本发明的所述装置具有高质量的干扰信号抑制，其保证在所述装置的整个期望频率范围(ΔfW)上尽可能不损坏信号传输并且其通过受到以下特征的影响，包括：所述第一滤波器(23)是具有可调节中心频率(f0)的带通滤波器并且所述电子设备包括在操作期间将中心频率(f0)设置到所述激励信号(T)的频率(fT)的装置(31)。

Description

用于确定和/或监测介质的过程变量的装置
本发明涉及一种用于确定和/或监测在容器中介质的至少一个过程变量，特别是填充液位、密度或粘度，的装置。所述装置包括：伸入所述容器的可机械振动结构，其中所述可振动结构具有取决于所述过程变量的至少一个振动特性；机电换能器，其用提供给所述换能器输入侧的激励信号，激励所述可振动结构以执行机械振动，并且其将所述可振动结构的振动结果转换成代表振动的电接收信号并且输出这一信号；以及电子设备，其包括用于产生连接到换能器的输入侧的激励信号的装置，并且其基于所述接收信号确定和/或监测所述过程变量。
这样的装置应用于大量的工业应用中，特别是在测控技术和过程自动化中，用于确定和/或监测所述过程变量。
在众所周知的这一类型装置的情况下，所述可机械振动结构包括由膜片联接的两个振动叉齿；所述振动叉齿，由安装在所述膜片远离振动杆的后侧上的机电换能器，设置在与它们的纵轴垂直的反相振动(counterphase oscillation)中。同样其可振动结构只有一个振动杆或者简单地仅具有一个可振动膜的装置也是已知的。
图1示出如用于监测在容器3中的介质1的填充液位的对应装置的典型示例。这里可机械振动结构5包括由膜片联接的两个振动叉齿、或杆。振动杆在待监测的填充液位高度处横向地插入容器3中。可振动结构5由例如设置在膜片后侧上的机电换能器7-这里仅示例性地示出-导致振动。这由以下特征引起发生，包括代表振动的换能器7的接收信号R，通过包括带通滤波器11、移相器13和放大器15的反馈路径作为已发射激励信号T被引导回到换能器7。在这种情形下，换能器7连同可振动结构5形成优选地谐振操作的电子振荡电路的频率确定元件。为此，激励信号T和接收信号R之间的相移由移相器指定以尽可能准确地实现振荡电路的谐振条件。因此可振动结构5被激励来以振动频率fr振动，所述频率由所述相移确定并且在可振动结构5的谐振频率的区域内。
与此同时，接收信号R被馈送为至测量和评估单元17的期望信号W，测量和评估单元17基于所述期望信号W确定依赖于过程变量的振动特性，以及基于这一特性确定和/或监测过程变量。为了监测填充液位，测量例如由预定相移引起的振动结构5的振动频率fr并且与之前确定的极限频率做比较。如果振动频率fr大于极限频率，则振动结构5在自由振动。如果振动频率fr低于极限频率，则振动结构5被介质1覆盖并且所述装置报告超过指定的填充液位。
替代地，在杆或叉型振动结构垂直插入介质并具有基于在预定相移处引起的振荡频率的对应校准的情况下，可以在可振动结构的整个长度上测量覆盖的程度及其填充液位。
为了确定和/或监测介质的密度或粘度，所述结构垂直插入至介质中到预定浸没深度，并且测量在预定相移处产生的振动频率，或者，测量在以固定激励频率激励情况下与激励信号相比的振动的振动幅值或相移。
一种激励的替代形式由例如在DE 10050299 A1中描述的频率扫描提供，在这种情况下，所述激励信号的频率周期性地通过预定的频率范围。同样在此，例如，基于产生的振荡的幅值或相移确定和/或监测过程变量。
无论所述装置是否以在预定相移情况下产生的振动频率fr连续激励来振荡，是否以频率扫描方法来操作或者是否以固定的预定激励频率来操作，都期望干扰信号抑制，其消除例如由在使用所述装置处的栅格交流声(grid humming)、外界振动产生的干扰信号或寄生耦合。此外，接收信号，特别是在由方波激励信号激励的情况下，可以包含归因于激励的较高振动模式的干扰信号。这些来自较高振动模式的干扰信号同样也应被抑制。
目前，例如，通过在反馈环路上设置的滤波器来实现干扰信号抑制。在这种情况下，存在这样的问题，滤波器一方面应保证在代表振动的接收信号整个期望频率范围内尽可能不被损坏信号传输，而另一方面，应尽可能多地抑制干扰信号。而需要宽带滤波器用于无损坏的信号传输，需要窄带滤波器用于干扰信号抑制。
因为这些要求相互排斥，需要一种折中，即尽可能满足两方面的需求。这意味着无损坏的信号传输和干扰信号抑制都会减少。
在这种情况下，具体问题是滤波器产生的相移。通常，强烈依赖于频率的这些相移在由振荡电路激励的情况下产生振荡电路的谐振条件，其假设激励信号和接收信号之间相位关系固定，不等同于满足根据过程变量出现的所有振荡频率。
此外，在滤波接收信号R以获得具有较低干扰的期望信号W的情况下，它们导致在确定和/或监测过程变量中可达到的精确度和可靠性降低，因为来源于接收信号的期望信号的所述相位关系以对频率依赖的方式通过滤波而改变。测量精确度的程度依赖于应用的测量和评估方法。基于所述期望信号的相位关系的测量运作的测量和评估方法，以及在预定的相移处评估所述期望信号的测量和评估方法是特别受到影响的。
本发明的目的是提供一种用于确定和/或监测上述提到类型的至少一个过程变量的装置，其中所述装置具有高质量的干扰信号抑制，其保证在所述装置的整个期望频率范围内尽可能不损坏的信号传输。
根据本发明的所述目的通过以下特征实现：
-所述电子设备具有连接到所述换能器的输出侧的第一滤波器，其中所述第一滤波器从接收信号滤波出期望信号，并且所述电子设备基于所述期望信号确定和/或监测所述过程变量；
-所述第一滤波器是开关电容滤波器，其具有至少一个用开关频率开关的开关电容器，并且其中心频率可通过开关频率调节；以及
所述电子设备包括在操作期间将中心频率设置到所述激励信号的频率的装置。
在进一步的扩展中，所述电子设备包括第二滤波器，其设置在所述产生激励信号的装置与所述换能器之间。所述第二滤波器是具有可调节中心频率的带通滤波器并且所述装置在操作期间将第二滤波器的中心频率设置到所述激励信号的频率。
在优选实施例中，所述第二滤波器是开关电容滤波器，其具有至少一个具有开关频率的开关电容器，并且其中心频率可通过开关频率调节。
在附加实施例中，所述开关频率为所述激励信号的频率的倍数。
在优选实施例的附加实施例中
-用于调节所述滤波器的中心频率的所述装置包括倍频器，特别是锁相环，
--所述激励信号应用到其输入；
--其产生输出信号，其频率为所述激励信号的频率的倍数，以及
--其输出信号被施加到滤波器作为调节所述滤波器的开关频率的控制信号。
在附加优选实施例中，所述电子设备包括电子单元，特别是微控制器，
-用于所述产生激励信号的装置集成在其中，以及
-其接受所述期望信号并且基于所述期望信号确定和/或监测所述过程变量。
在优选变形中，所述激励信号是矩形交流电压。
在附加优选变形中，所述激励信号的频率周期性地通过预定频率范围。
现在将基于附图更详细地解释本发明及其优点，在附图中呈现了实施例的示例；在图中相同的部分用相同的标记表示。所述附图表示如下：
图1为用于监测预定填充液位的装置，其中换能器形成电子振荡电路的频率确定元件；以及
图2是本发明的装置的电路图。
图2示出用于确定和/或监测在容器3中的介质1(未在图2中示出)的至少一个过程变量，特别是填充液位、密度或粘度的本发明装置的电路图。所述装置包括可机械振动结构5-这里同样未示出-在操作期间伸入容器3中。可振动结构5具有依赖于所述过程变量的至少一个振动特性。
可振动结构5，例如在图1中所示的可振动结构5，具有由膜片联接的两个振动杆。替代地，也可以应用只具有一个振动杆或仅一个振动膜片的振动结构。
提供机电换能器7，其用提供给换能器7输入侧的激励信号T来激励可振动结构5以执行机械振动，以及其将结构5的振动结果转换成代表振动的电接收信号R，并且在输出处输出信号。本领域公知的压电换能器尤其适用于此。然而，替代地，也可使用电磁或磁致伸缩换能器。
进一步地，所述装置具有电子设备，其包括连接到换能器7的输入侧用于产生激励信号T的装置19。在所示实施例的示例中，装置19包括数字信号发生器DS，其传递数字输出信号，所述信号通过数字模拟转换器D/A转换成模拟交流电压信号之后作为激励信号T通过放大器21施加到换能器7的输入侧。
此外，所述电子设备包括连接到所述换能器7的输出侧的第一滤波器23。第一滤波器23从接收信号R滤波出期望信号W，并且将所述期望信号W馈送至测量和评估单元25，其基于期望信号W确定依赖于过程变量的振动特性以及然后基于这一振动特性，确定和/或监测过程变量。
用于产生激励信号T的装置19以及测量和评估系统25优选地为，特别是微控制器或专用集成电路(ASIC)的智能电子单元27的集成部件，其通过集成数字模拟转换器D/A输出激励信号T，并且通过同样集成的模拟/数字转换器A/D接收期望信号W，以及以数字形式进一步处理期望信号W。利用电子单元27，例如通过集成控制单元29，可以实现最多样化的激励方法及其对应的测量和评估方法。
一方面，所述装置可通过具有固定预定常数激励频率fT的激励信号T来操作。这样，可振动结构5被激励来强制振动具有这个频率。相应地，期望信号W也呈现激励信号T的所述预定频率。可以基于期望信号W的幅值和/或它与激励信号T的相移发生过程变量的确定。在此，期望频率fw等于所述激励频率fT。
另一方面，所述装置可使用频率扫描方法操作，其中电子单元27产生激励信号T，其频率fT周期性地通过预定频率范围ΔfT。在这种情况下，可振动结构5执行强制振动，其频率跟随激励信号T的周期变化的频率fT。相应地，期望信号W的期望频率fW也跟随激励信号T的周期变化的频率fT。可以基于期望信号W的幅值和/或它与激励信号T在整个期望频率范围ΔfW的相移发生过程变量的确定。在此，期望频率范围ΔfW对应于激励信号T的预定频率范围ΔfT。
另一个操作模式是具有由预定相移确定的振动频率fr的振动的连续激励。在这种情况下，如图1所示的模拟反馈环路在单元29中以数字形式复制，在单元29中产生激励信号T，其具有进入期望信号W的频率fW，并且与用于满足所述电子振荡电路谐振条件的所述期望信号W相比被移动预定相位差。可振动结构5在一个短暂的稳定时间后在其振动频率fr处执行振动。于是，激励信号T的频率fT，以及期望信号W的期望频率fW与振动频率fr相等。在此，期望频率范围ΔfW对应于所述频率范围，振动频率fr根据过程变量通过这一范围。这里例如，基于振动频率fr的测量发生所述过程变量的确定。
根据本发明，第一滤波器23是具有可调节中心频率f0的带通滤波器并且所述电子设备包括用于调节滤波器23的所述中心频率f0的装置31。在操作期间，装置31将中心频率f0调节至激励信号T的频率fT。
与此同时，滤波器23始终具有与激励信号T匹配的最佳中心频率f0。如先前基于不同的操作方式描述的，激励信号T的当前频率fT不依赖于所述装置的操作类型并且还等于期望信号W的当前期望频率fW。与此同时滤波器23始终最佳地匹配期望信号W并保证期望信号W的很大程度上无损坏的信号传输。特别地，滤波器23由于它对所有期望频率fW的中心频率f0的同等优化匹配于不影响频率依赖性，以及与此同时不影响变量、相移。即使在操作期间出现的期望频率fW覆盖极大的期望频率范围ΔfW，仍能保证所述锁相和期望信号W的无损坏的信号传输。
通过中心频率f0与激励信号T的瞬时频率fT，以及与瞬时期望频率fW的恒定匹配，可选择使用极窄带滤波器，也就是滤波器23具有小通带频率范围。滤波器23不再需要在所述装置的整个期望频率范围ΔfW内传输。相应地，干扰信号可被非常有效地消除。特别地，存在于所述装置的期望频率范围ΔfW内的干扰信号可在某种程度上被抑制到它们的频率与当前期望频率fW具有特定最小间隔的程度。
滤波器23是开关电容滤波器，其具有至少一个用开关频率fsc开关的开关电容器，并且其中心频率f0通过开关频率fsc可调节。
在这种情况下，在操作期间将滤波器23的中心频率f0设置为激励信号T的频率fT的装置31产生或控制根据激励信号T的瞬时频率fT的所述开关电容滤波器的所述开关频率fsc。优选地，为激励信号T的频率fT预先确定的倍数的频率被用作开关频率fsc。为此，用于调节所述中心频率f0的装置31包括例如倍频器33，特别是锁相环(PLL)，激励信号T被施加到其输入。倍频器33产生输出信号，其频率为激励信号T的频率fT的倍数以及提供作为调节滤波器的开关频率fsc的控制信号的对应的输出信号，其被施加到控制滤波器23的对应的控制输入。为了获得高滤波特性及高品质，开关频率fsc优选设置为大于待设置的中心频率f0的大倍数，例如为100因数。
倍频器33优选地应用于本发明的装置中，所述装置的可机械振动结构5以相对较高频率振动。对此的示例为前述提到的膜片振动器，其膜片典型地在15kHz至30kHz范围内执行振动。
与以较低频率执行振荡的可振动结构5相结合，用于调节中心频率f0的装置31也可选择地作为电子单元27的集成部件。对此的示例为例如前述提到的可振动结构5，其具有一个或两个振动杆，并典型地在300Hz至1200Hz的频率范围内执行振荡。在这种情况下，控制信号可由电子单元27产生，并且通过分离从所述控制信号导出激励信号T。由于所述低频，电子单元27这里能够确定用于获得需要的较高滤波特性和较高品质的高开关频率fsc，为此不需要单元27的极高时钟频率，其会导致单元27产生高能量消耗。
优选地，电子设备还包括设置在用于产生激励信号T的装置19和换能器7之间的第二滤波器35。第二滤波器35特别是在使用方波激励信号T激励时用来调节激励信号T。第二滤波器35在某些情况下从包括较高频率分数的激励信号T中滤波出近似单频信号。该近似单频信号然后被馈送给换能器7用于激励可振动结构5的振动。这样，特别是当它们在未滤波方波激励信号T的应用中产生时，阻止了较高振荡模式的激励。
方波激励信号T提供了优点，即它们可以由比例如在产生数字正弦激励信号的情况中使用明显更少计算能力的电子单元29来产生。通过第二滤波器35可使用方波激励信号T，而不降低用于通过换能器7的振动激励的信号质量。
第二滤波器35也是具有可调节中心频率f0的带通滤波器。第二滤波器35的中心频率f0，正如第一滤波器23的中心频率f0，在操作期间通过用于调节所述中心频率f0的装置31设置到激励信号T的频率fT。
第二滤波器35优选地与第一滤波器23相同并且与第一滤波器23一起由装置31并行控制。特别地，这里优选使用开关电容器带通滤波器，其中第二滤波器35的中心频率f0通过开关频率fsc设置，电容器在该频率出被开关，其中开关频率fsc这里同样为激励信号T的频率的倍数。
参考标记列表
Figure BPA00001625295800091
Figure BPA00001625295800101

Claims (8)

1.一种用于确定和/或监测在容器(3)中的介质(1)的至少一个过程变量的装置，所述过程变量特别是填充液位、密度或粘度，包括：
-在操作期间伸入到容器(3)中的可机械振动结构(5)，其中所述可机械振动结构(5)具有依赖于所述过程变量的至少一个振动特性；
-机电换能器(7)，
--其用提供给所述换能器(7)的输入的激励信号(T)，激励所述可振动结构(5)执行机械振动，并且
--其将所述可振动结构(5)的振动结果转换成代表振动的电接收信号(R)并且输出这一信号；以及
-电子设备，
--其包括用于连接到所述换能器(7)的输入的产生激励信号的装置(19)；
--其具有连接到所述换能器(7)的输出的第一滤波器(23)，其中所述第一滤波器(23)从接收信号(R)滤波出期望信号(W)；以及
--其基于所述期望信号(W)确定和/或监测所述过程变量；
其特征在于
-所述第一滤波器(23)是开关电容滤波器，其具有至少一个用开关频率(fsc)开关的电容器，且其中心频率(f0)可通过所述开关频率(fsc)调节；以及
-所述电子设备包括在操作期间将所述中心频率(f0)设置到所述激励信号(T)的频率(fT)的装置(31)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于
所述电子设备具有第二滤波器(35)，其设置在所述产生激励信号(T)的装置(19)和所述换能器(7)之间；
所述第二滤波器(35)是具有可调节中心频率(f0)的带通滤波器；以及
所述装置(31)在操作期间将所述第二滤波器(35)的中心频率(f0)设置到所述激励信号(T)的频率(fT)。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所述第二滤波器(35)是开关电容滤波器，其具有至少一个具有开关频率(fsc)的开关电容器，并且其中心频率(f0)可通过开关频率(fsc)调节。
4.如权利要求1或3所述的装置，其特征在于所述开关频率(f0)是所述激励信号(T)的频率(fT)的倍数。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于
-用于调节所述滤波器(23，25)的中心频率(f0)的所述装置(31)包括倍频器(33)，特别是锁相环(PLL)，
--激励信号(T)被施加到其输入；
--其产生输出信号，其频率为所述激励信号(T)的频率(fT)的倍数，以及
--其输出信号被施加到所述滤波器(23，35)作为调节所述滤波器(23，35)的开关频率(fsc)的控制信号。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电子设备包括电子单元(29)，特别是微控制器，
-用于所述产生激励信号(T)的装置(19)被集成在其中，以及
-其接收所述期望信号(W)并且基于所述期望信号(W)确定和/或监测所述过程变量。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述激励信号(T)是矩形交流电压。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述激励信号(T)的频率(fT)周期性地通过预定频率范围(ΔfT)。
CN2011800214166A 2010-04-28 2011-03-24 用于确定和/或监测介质的过程变量的装置 Pending CN102869960A (zh)

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