CN102901546B - 音叉式感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种音叉式感测装置，包括一双音叉状震动震荡子、一感测单元、一压电转换单元、一运算处理单元和一电源单元，所述压电转换单元、感测单元、运算处理器和电源单元顺序连接组成一环路系统；所述运算处理单元输出一第一频率信号调控电源单元以驱动所述压电转换单元，并由所述压电转换单元经所述感测单元产生一回馈信号传至所述运算处理单元元以产生一第二频率信号,所述第二频率信号回馈调控所述电源单元输出一第三频率电压到压电转换单元。本发明应用自动调整回馈讯号增益的装置，具有更高的灵敏性与自我检测能力。

Description

音叉式感测装置

技术领域

本发明涉及一种具有自动回馈功能的音叉式感测装置。

背景技术

现有音叉式感测现场装置时讯号的衰减异常，在不同的安装环境下，例如桶槽的结构、安装接面式螺纹或法兰，都会影响整个音叉式感测装置的自然频率或电压讯号的漂移，常会造成讯号的稳定性问题。当实际安装完成后，特别是对于不同的制程槽环境，有经常性的物料变化的桶槽；或者待量测的物料具有物理性质的变异，例如油脂类物质，会因温度变化有固体/液体的混合，造成黏制性、比重、固/液两项的接口等问题，使得讯号型式订定义设定的差异，造成良测的不确定性。本发明同时改善，因高温环境下，造成陶瓷压电材料音超过居礼温度(Curie Temperature)造成驱动转换效率的衰减、高温造成热膨胀使得陶瓷压电有微裂纹产生或锁固压力变化而造成的驱动效益低落与压电转换讯号衰减的问题。

现有音叉式物液位开关(音叉式感测装置)主要应用于化学桶槽、食品工业、石油化学等产业之物液位量测控制，使用时，是经由驱动一压电组件而使一音叉棒产生共振频率，当音叉棒触及物料时，会使音叉棒回馈一个频率讯号，经由计算其频率的变化来判断物料深度。

专利US2006/0053863A1中说明如何以诊断方式来判断适合作为驱动的振荡部分，此种设计方式除了针对振荡的部份做诊断外并没有将不同物料比重所造成的影响列入考虑，这可能当桶槽物料改变时容易失去其感测点的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种音叉式感测装置，其包括一双音叉状震动震荡子，其特征在于，包括一感测单元、一压电转换单元、一运算处理单元和一电源单元，所述压电转换单元、感测单元、运算处理器和电源单元顺序连接组成一环路系统；

所述运算处理单元输出一第一频率信号调控电源单元以驱动所述压电转换单元，并由所述压电转换单元经所述感测单元产生一回馈信号传至所述运算处理单元元以产生一第二频率信号, 所述第二频率信号回馈调控所述电源单元输出一第三频率电压到压电转换单元。

较佳地，所述感测单元包括一差分放大器和一增益，所述第一频率信号与所述回馈信号的相位差为90度或180度。

较佳地，所述讯号是方波、弦波、三角波或具有周期性的任意波型。

较佳地，其还包括一用户接口单元和一输出单元，所述用户接口单元包括一遥控切换装置和一第一指示器；所述输出单元包括一组物位输出选择器，其具有过流保护和过压保护功能。

较佳地，所述遥控切换装置是一个磁性对偶装置，包含一个磁铁与一个磁簧开关，其通过一第二指示器显示状态，当所述磁铁靠近所述磁簧开关时所述指示器输出第一种状态灯号，当所述磁铁远离所述磁簧位置时所述指示器输出第二种状态灯号。

较佳地，所述第一指示器包括三个用于显示8种输出指示状态的指示灯，所述输出指示状态包括高位物料接触、高位物料未接触、低位物料接触、低位物料未接触、失效警报五种状态，其余为预留状态。

较佳地，所述运算处理单元内建或外加有一用于读取所述输出单元的过流保护回受信号的A/D converter，当侦测到高位报警和低位报警时,流经电流过大，即关闭输出单元进行保护。

较佳地，所述运算处理单元侦测所述感测单元回受的信号，以频率来判断当前是在工作区还是错误区，如在错误区则通过所述第一指示器指示并关闭输出单元对该装置进行检查，信号在工作区频率内该装置正常工作。

较佳地，所述电源单元包括两组直流-直流转换器，其中一组输出电压到压电转换单元，另一组提供给电压给所述感测单元和输出单元。

较佳地，所述运算处理单元通过Wireless 或 General Cable Communications作为对外信息的沟通方式。

较佳地，所述Wireless方式包含ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS ， General Cable Communications方式包含One-Wire、RS232、RS485。

较佳地，其还包括一用于容纳所述感测单元、压电转换单元、用户接口单元、输出单元、运算处理单元和电源单元的本体，所述本体包括一本体管和一本体上盖。

较佳地，在所述本体管内部注入半凝固性胶体或注入电子胶用于为所述压电转换单元、用户接口单元、运算处理单元、输出单元、电源单元提供热隔离保护与防潮。

较佳地，其量测物体是粉体、块状物、液体、固液混合、浆料。

本发明同时提供了一种双音叉状震动震荡子，其由一音叉、一植钉柱、一植钉柱座、一压电套管、多个压电陶瓷片、多个绝缘片、一固定扣、一底座和多个组装螺丝组成；

所述组装螺丝与所述植钉柱座形成一个应力施加单元，使所述植钉柱、压电套管、绝缘片、压电陶瓷片通过和一软性电路板结合形成双音叉状震动震荡子；

其中所述底座包括第一平面和第二平面，所述第一平面和第二平面分别位于所述底座的两个不同侧，所述第二平面与所述植钉柱结合，所述压电套管用以组装所述植钉柱、绝缘片与压电陶瓷片，所述固定扣作为植钉柱座的固定装置，所述植钉柱、压电套管与组装螺丝间具有螺牙相对的固定结合。

较佳地，通过所述植钉柱的长度与质量对音叉状震动震荡子的频率进行调整。

较佳地，所述植钉柱座与所述第二平面间形成一用于调整所述双音叉状震动震荡子的机械自然频率的腔空间，所述腔空间是环型空间、碟型空间或任何具有调整机械自然振动频率的型状。

较佳地，所述音叉状震动震荡子至少有一个压电陶瓷片为激励元，接受讯号产生震动，至少有一个压电陶瓷片为接收元，接受震动讯号产生讯号。

较佳地，所述固定扣为习知的C扣、R扣或S扣。

本发明系关于一种音叉式感测装置，尤指一种可依据物料性质变化，环境应用温度，自动调整回馈讯号增益的装置与方法，本发明可解决现有音叉式感测装置便利性,灵敏性与自我检测功能不足。

当然实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明提供的音叉式感测装置的单元模块图；

图2为本发明提供的音叉式感测装置的结构图；

图3为第一频率信号与回受信号的信号图；

图4为本发明提供的双音叉状震动震荡子震荡频率范围图；

图5 为Fail Safe High和Fail safe Low状态真值表；

具体实施方式

如图1和2所示，一种音叉式感测装置，包括压电转换单元6、感测单元5、用户接口单元4、运算处理单元3、输出单元2、电源单元1，其还包括一双音叉状震动震荡子。一本体容纳和应力承受上述各单元，该本体包括一本体管97和一本体上盖98；本体管97内部注入半凝固性胶体或注入电子胶用于为压电转换单元6、用户接口单元4、运算处理单元3、输出单元2、电源单元1提供热隔离保护与防潮。该装置可用来量测的物体是粉体、块状物、液体、固液混合、浆料。

运算处理单元3计算音叉状震动震荡子的共振频率与电压强度输出一第一频率信号调控电源单元1以驱动压电转换单元6，并由压电转换单元6经感测单元5产生一回馈信号，传至运算处理单元元3以产生一第二频率信号, 该第二频率信号回馈调控所述电源单元输出一第三频率电压到压电转换单元以改善因为安装过程中因为安装环境造成的共振频率飘移产生的误差。如图3所示，其中第一频率信号与该回馈信号相位差90度或180度，其波形可采用所述讯号是方波、弦波、三角波或具有周期性的任意波型。其中电源单元2包括两组直流-直流转换器，其中一组输出电压到压电转换单元，另一组提供给电压给所述感测单元和输出单元。

用户接口单元4包括包括一遥控切换装置和一第一指示器，所述遥控切换装置是一个磁性对偶装置，包含一个磁铁与一个磁簧开关，其通过一第二指示器显示状态，当所述磁铁靠近所述磁簧开关时所述指示器输出第一种状态灯号，当所述磁铁远离所述磁簧位置时所述指示器输出第二种状态灯号；其第一指示器包括三个用于显示8种输出指示状态的指示灯，所述输出指示状态包括高位物料接触、高位物料未接触、低位物料接触、低位物料未接触、失效警报五种状态，其余为预留状态。如图4所示，运算处理单元3侦测感测单元5回受的信号，以频率来判断当前是在工作区还是错误区，如在错误区则通过第一指示器的灯号指示输出单元2的开和关，并关闭输出单元2并对该装置进行检查，信号在工作区频率内该装置正常工作。

如图5所示，运算处理单元3内建或外加有一用于读取所述输出单元的过流保护回受信号的A/D converter，当侦测到高位报警和低位报警时,流经电流过大，即关闭输出单元2进行保护，此为第一道过流保护。输出单元2包含一物位输出选择器，其具有过流保护和过压保护功能;物位输出选择器用以做物位高位警报或低位警报功能，其本身具备硬件式过电压及过电流保护机制，其硬件式过电流保护机制为第二道保护；当有上述状况产生时及时关闭物位输出选择器进行保护。

运算处理单元3在整个过程中采用过Wireless 或 General Cable Communications作为对外信息的沟通方式。Wireless方式包含ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS等习知协议 ， General Cable Communications方式包含One-Wire、RS232、RS485等习知协定。

双音叉状震动震荡子包括音叉80、植钉柱89、植钉柱座88、压电套管86、多个压电陶瓷片84、多个绝缘片85、固定扣83、底座81、多个组装螺丝91；

组装螺丝91与植钉柱座88形成一个应力施加单元，使植钉柱89、压电套管86、绝缘片85、压电陶瓷片84通过和一软性电路板结合形成双音叉状震动震荡子；其中有一个压电陶瓷片84为激励元，接受讯号产生震动，至少有一个压电陶瓷片84为接收元，接受震动讯号产生讯号，植钉柱89的长度与质量用于对音叉状震动震荡子的频率进行调整。

其中底座81包括一第一平面和一第二平面，该第一平面和第二平面分别位于底座81的两个不同侧，所述第二平面与植钉柱89结合，压电套管86用以组装植钉柱89、绝缘片85与压电陶瓷片84，固定扣83作为植钉柱座88的固定装置，其为习知的C扣、R扣或S扣，植钉柱89、压电套管86与组装螺丝91间具有螺牙相对的固定结合。植钉柱座88与所述第二平面间形成一用于调整所述双音叉状震动震荡子的机械自然频率的腔空间，该腔空间是环型空间、碟型空间或任何具有调整机械自然振动频率的型状。

本发明系关于一种音叉式感测装置，尤指一种可依据物料性质变化，环境应用温度，自动调整回馈讯号增益的装置与方法，本发明可解决现有音叉式感测装置便利性,灵敏性与自我检测功能不足。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (18)

1.一种音叉式感测装置，包括一双音叉状震动震荡子，其特征在于，包括一感测单元、一压电转换单元、一运算处理单元和一电源单元，所述压电转换单元、感测单元、运算处理单元和电源单元顺序连接组成一环路系统；

所述双音叉状震动震荡子由一音叉、一植钉柱、一植钉柱座、一压电套管、多个压电陶瓷片、多个绝缘片、一固定扣、一底座和多个组装螺丝组成；所述组装螺丝与所述植钉柱座形成一个应力施加单元，使所述植钉柱、压电套管、绝缘片、压电陶瓷片通过和一软性电路板结合形成双音叉状震动震荡子；

所述感测单元包括一差分放大器和一增益；

所述运算处理单元根据计算出的所述双音叉状震动震荡子的共振频率和电压输出一第一频率信号调控电源单元以驱动所述压电转换单元，并由所述压电转换单元经所述感测单元产生一回馈信号传至所述运算处理单元以产生一第二频率信号,所述第二频率信号回馈调控所述电源单元输出一第三频率电压到压电转换单元，所述第一频率信号与所述回馈信号的相位差为90度或180度。

2.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述第一频率信号与回馈信号是方波、弦波、三角波或其它具有周期性的任意波型。

3.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特征在于，其还包括一用户接口单元和一输出单元，所述用户接口单元包括一遥控切换装置和一第一指示器；所述输出单元包括一组物位输出选择器，其具有过流保护和过压保护功能。

4.如权利要求3所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述遥控切换装置是一个磁性对偶装置，包含一个磁铁与一个磁簧开关，其通过一第二指示器显示状态，当所述磁铁靠近所述磁簧开关时所述指示器输出第一种状态灯号，当所述磁铁远离所述磁簧位置时所述指示器输出第二种状态灯号。

5.如权利要求3所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述第一指示器包括三个用于显示8种输出指示状态的指示灯，所述输出指示状态包括高位物料接触、高位物料未接触、低位物料接触、低位物料未接触、失效警报五种状态，其余为预留状态。

6.如权利要求3所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述运算处理单元内建或外加有一用于读取所述输出单元的过流保护回受信号的A/D转换器，当侦测到高位报警和低位报警时,流经电流过大，即关闭输出单元进行保护。

7.如权利要求3所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述运算处理单元侦测所述感测单元回受的信号，以频率来判断当前是在工作区还是错误区，如在错误区则通过所述第一指示器指示并关闭输出单元对该装置进行检查，信号在工作区频率内该装置正常工作。

8.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述电源单元包括两组直流-直流转换器，其中一组输出电压到压电转换单元，另一组提供给电压给所述感测单元和输出单元。

9.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述运算处理单元通过Wireless或通用电缆通信作为对外信息的沟通方式。

10.如权利要求9所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述Wireless方式包含ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS，通用电缆通信方式包含One-Wire、RS232、RS485。

11.如权利要求3所述的音叉式感测装置，其特征在于，其还包括一用于容纳所述感测单元、压电转换单元、用户接口单元、输出单元、运算处理单元和电源单元的本体，所述本体包括一本体管和一本体上盖。

12.如权利要求11所述的音叉式感测装置，其特征在于，在所述本体管内部注入半凝固性胶体或注入电子胶用于为所述压电转换单元、用户接口单元、运算处理单元、输出单元、电源单元提供热隔离保护与防潮。

13.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特点在于，其量测物体是粉体、块状物、液体、固液混合、浆料。

14.如权利要求1所述的音叉式感测装置，其特征在于，其中所述底座包括第一平面和第二平面，所述第一平面和第二平面分别位于所述底座的两个不同侧，所述第二平面与所述植钉柱结合，所述压电套管用以组装所述植钉柱、绝缘片与压电陶瓷片，所述固定扣作为植钉柱座的固定装置，所述植钉柱、压电套管与组装螺丝间具有螺牙相对的固定结合。

15.如权利要求14所述的音叉式感测装置，其特征在于，通过所述植钉柱的长度与质量对双音叉状震动震荡子的频率进行调整。

16.如权利要求15所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述植钉柱座与所述第二平面间形成一用于调整所述双音叉状震动震荡子的机械自然频率的腔空间，所述腔空间是环型空间、碟型空间或其它任何具有调整机械自然振动频率的型状。

17.如权利要求16所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述音叉状震动震荡子至少有一个压电陶瓷片为激励元，接受讯号产生震动，至少有一个压电陶瓷片为接收元，接受震动讯号产生讯号。

18.如权利要求17所述的音叉式感测装置，其特征在于，所述固定扣为习知的C扣、R扣或S扣。