CN102959367B - 用于确定和/或监测介质的过程变量的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测容器（3）中介质（1）的至少一个过程变量、特别是介质（1）的密度、粘度或填充水平的设备，该设备具有：可机械振荡结构（5、27），其具有取决于过程变量的至少一种振荡特性；机电换能器（9、25），其具有至少一个压电元件（7、7a、7b），该换能器利用提供至换能器（9、25）的激励信号（S）将结构（5、27）激励为机械振荡，并且将得到的结构（5、27）的振荡转换为接收信号（E），其对应于激励信号（S）和表示振荡（N）的期望信号（N）的叠加；基准元件（13），其与换能器（9、25）并联并且被提供有激励信号（S），对应于激励信号（S）并且独立于振荡的基准信号（SR）经由该基准元件（13）被分接；并且具有电子器件，其基于接收信号（E）和基准信号（SR）提取期望信号（N），并且基于期望信号（N）确定和/或监测过程变量，其中为了自动测量换能器（9、25）的温度，该电子器件包括温度测量装置，其在温度测量操作中向换能器（9、25）和基准元件（13）提供其频率（fH）处于由振荡结构（5、27）的谐振频率（fr）预先确定的频率范围之外的辅助信号（H），并且基于在温度测量操作期间提取的期望信号（N）确定换能器（9、25）的温度（T）。

Description

用于确定和/或监测介质的过程变量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量、特别是介质的密度、粘度或填充水平的设备，其中该设备包括：可机械振荡结构，其具有取决于该过程变量的至少一种振荡特性；机电换能器，其具有至少一个压电元件，该机电换能器借助提供至该换能器的激励信号激励该结构以执行机械振荡，并且将得到的结构的振荡转换为接收信号，该接收信号对应于激励信号和表示振荡的期望信号的叠加；基准元件，其与换能器并联地被提供以激励信号，独立于振荡并且对应于激励信号的基准信号经由该基准元件被分接；以及电子器件，其基于接收信号和基准信号提取期望信号并且基于该期望信号确定和/或监测过程变量。
背景技术
这样的设备应用于大量工业应用中，特别是应用于测量和控制技术以及过程自动化中，用于确定和/或监测指定的过程变量。
在大多数这种类型的已知设备的情况下，可机械振荡结构具有经由膜耦合的两个振荡叉齿，它们经由安装在朝向远离齿的膜后侧上的机电换能器而引发执行与其纵向轴线垂直的相反相位的振荡。与此一起地，还存在可振荡结构是仅一个振荡杆或可振荡膜的已知设备。
图1示出了对应设备的经典示例，其同样被应用于监测在容器3中介质1的特定填充水平。机械可振荡结构5在这里包括两个振荡杆，该两个振荡杆作为经由膜耦合的齿并且在所要监测的填充水平的高度处横向插入容器3。例如经由布置在膜后侧上的机电换能器（未示出）而使得结构5执行振荡。例如，这是通过将所接收的换能器的振荡反射信号作为激励信号经由移相器和放大器馈送至换能器而进行的。例如，为了填充水平监测，经由移相器来预先确定固定的相移，通过该相移确定对于包含作为频率确定元件的机械振荡系统的振荡电路的谐振条件。由于预定相移而调谐的频率处于结构5的谐振频率区域中，并且随后通常被称作振荡频率。该振荡频率被测量并且与较早确定的开关频率相比较。如果该振荡频率大于开关频率，则结构5自由振荡。如果该振荡频率低于开关频率，则该结构被介质1所覆盖，并且设备报告超出预定填充水平。
替代地，在杆形或叉形的可振荡结构垂直插入介质中的情况下，利用基于振荡频率的对应校准，能够测量覆盖的程度以及由此测量在该结构的长度上的填充水平。
为了确定和/或监测介质的密度或粘度，该结构被垂直插入介质中的预定浸入深度，并且相对于激励信号测量所得到的振荡频率，或者在利用固定激励频率激励的情况下，测量所得到的振荡的振幅或相移。
一种替代的激励形式是频率扫描激励，在该情况下，激励信号的频率周期地经过预定频率范围。而且，这里基于所得到的振荡、所得到的振荡的振幅、或者所得到的振荡相对于激励信号的相移，对过程变量进行确定和/或监测。
如今，总是更为频繁地应用仅具有单个机电换能器的设备，该机电换能器具有至少一个压电元件，被用于振荡激励而且还用于将所得到的振荡改变为电接收信号。在这样的情况下，换能器的接收信号对应于激励信号和表示振荡的期望信号的叠加。与具有分开的发送换能器和接收换能器的设备相比，这些设备的优势在于它们明显更小并且在制造方面更成本有效。
激励信号通常是矩形的电交变电压。这使得换能器的压电电容在矩形信号的边缘接收电压符号的反转，由此出现充电电流和放电电流，这作为干扰信号叠加在表示机械振荡的电流上。换能器的充电电流和放电电流例如借助补偿电容器而被抑制。这种形式的干扰信号抑制的示例可以从DE19720519A1和EP1750104A2中获知。在每种情况下，所描述的设备具有补偿电容器，该补偿电容器被与换能器并联地提供以激励信号。经由该补偿电容器，基准信号被分接，这独立于振荡并且对应于激励信号。在等同电容的情况下，换能器和补偿电容器关于反向充电事件而具有相同的行为。如果经由换能器分接的接收信号和经由补偿电容器分接的基准信号如DE19720519A1所描述地彼此相减，或者如EP1750104A2中所描述地在先前反向之后相加，则等同包含在两个信号中的干扰信号抵消并且在输出提供反映结构的机械振荡的期望信号。
虽然补偿电容器的电容没有或者仅有非常低的温度依赖性，但是由于压电材料的介电常数的高度温度依赖性，换能器的电容在高度测量中是与温度有关系的。这导致了干扰信号的补偿表现越差，换能器的电容和补偿电容器的电容之间的温度相关差异就更大的事实。
该问题在EP1750104A2中通过根据换能器电容控制跨补偿电容器的电压来匹配被提供用于抑制反向充电峰值的补偿电容器的电容而解决。为此，换能器和补偿电容器被补充性地提供以辅助信号，其频率处于可机械振荡结构的谐振频率所处的频率范围之外。在该频率范围中，该结构以激励信号的频率执行受迫振荡，从而在两者电容一致的情况下，所接收信号和基准信号仅包含激励信号和干扰信号。提供控制回路，其以基准信号的反向充电峰值在辅助信号的频率的情况下补偿换能器的接收信号的反向充电峰值的方式，来控制补偿电压。以这种方式，换能器电容的依赖于温度的变化被纳入考虑并且在反向充电峰值的补偿时被抵消。
然而，温度不仅对换能器电容具有影响，而且还特别作用于机械结构的振荡特性，这对于确定和/或监测过程变量而言是至关重要的。因此，例如，可振荡结构的材料刚性随温度变化，这进而意味着相对于激励信号存在该结构的谐振频率、振荡振幅以及振荡相移的温度依赖性。
在监测预定填充水平的情况下，例如，这意味着分别在振荡结构的未覆盖、覆盖状态下出现的振荡频率经受温度依赖性波动。相应地，取决于温度，这里存在着如下危险：尽管预定填充水平被超出或未超出（subceeding），较早针对所测量振荡频率设置的用于监测填充水平被超出或未超出的开关频率没有超出或未超出。
振荡特性的温度依赖性导致了设备的测量精度明显的温度依赖性。
尽管如此，为了确保尽可能精确和可靠的设备工作，例如在DE102006007199A1和WO02/42724A1中公开了在换能器的区域中提供额外的温度传感器，以便补偿温度影响并且例如基于由此测量的温度进行开关频率的适应的思想。
然而，换能器区域中额外的温度传感器需要空间，这与额外的成本相联系，并且必须与通常布置为远离换能器的设备的电子器件电连接。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种最初指定类型的自动记录换能器温度的紧凑设备。
为此，本发明在于一种用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量、特别是介质的密度、粘度或填充水平的设备，并且包括：
-可机械振荡结构，其具有取决于过程变量的至少一种振荡特性，
-机电换能器，其具有至少一个压电元件，
--该机电换能器借助提供至换能器的激励信号激励该结构以执行机械振荡，并且
--该机电换能器将得到的结构的振荡转换为接收信号，该接收信号对应于激励信号和表示振荡的期望信号的叠加，
-基准元件，其与换能器并联并且被提供有激励信号，独立于振荡并且对应于激励信号的基准信号经由该基准元件被分接，以及
-电子器件，其
--基于接收信号和基准信号提取期望信号，并且
--基于期望信号确定和/或监测过程变量。
其中该电子器件包括温度测量装置，该温度测量装置在温度测量操作中向换能器和基准元件提供辅助信号，该辅助信号的频率处于由振荡结构的谐振频率预先确定的频率范围之外，并且基于温度测量操作中提取的期望信号来确定换能器的温度。
在优选实施例中，该基准元件包括具有电可调节变量的至少一个组件，并且提供有控制设备，其用于调节该组件的变量并且连接至温度测量装置，该控制设备将该组件的变量控制为期望信号的振幅大小在温度测量操作中为最小的数值。
在该实施例进一步的改进中，
-提供存储器，其中存储该设备的特征曲线，该特征曲线示出了可调节变量的数值对换能器温度的依赖性，并且
-基于控制的数值和特征曲线确定温度。
在进一步的改进中，基准元件包括具有电可调节变量的组件以及具有预定基准电容的电容器的串联电路，并且该组件是电阻器。
在本发明的第一变化形式的实施例的第一形式中，
-提供整流器，其在温度测量操作中被馈送有期望信号，
-借助该整流器整流的期望信号被馈送至逻辑单元，特别是微控制器或现场可编程门阵列，
-该逻辑单元确定经整流的期望信号的振幅并且在温度测量操作中将可调节组件的变量控制为期望信号的振幅大小为最小的数值。
在实施例的第一形式的实施例中，
-整流器包括与换能器并联并且连接至基准元件的比较器和乘法器，
-辅助信号在温度测量操作中并联地施加在换能器上、基准元件上和比较器上，
-比较器的输出信号和期望信号施加在乘法器上，并且
-乘法器连接至低通滤波器，该低通滤波器的输出信号作为经整流的平滑的期望信号而被应用至逻辑单元。
在本发明的第一变化形式的实施例的第二形式中，该设备包括：
-提供采样设备，其用于对期望信号采样，其中该采样设备对于辅助信号的振幅具有极值的采样时间点在温度测量操作中确定期望信号的振幅，并且
-提供逻辑单元，其连接至该采样设备，
--该逻辑单元对于采样时间点执行辅助信号和期望信号的振幅符号的比较，并且
--基于该比较确认方向并且基于期望信号在温度测量操作中的振幅确认电组件的变量数值要被校正的大小。
在本发明的第一变化形式的进一步的改进中，在换能器和基准元件上施加具有周期性连续可变频率的信号，
-其周期在每种情况下都包括时间跨度，
--信号的频率在该时间跨度中连续上升或下降，并且
--信号在该时间跨度中形成激励信号，并且
-其周期在每种情况下都在时间上在该时间跨度之前包括时间间隔，和/或在每种情况下都在时间上在该时间跨度之后包括时间间隔，
--信号的频率在该时间间隔中恒定并且处于由振荡结构的谐振频率预先确定的频率范围之外，并且
--信号在该时间间隔中形成辅助信号。
在第一变化形式的实施例中，激励信号和辅助信号都是正弦信号、都是三角形信号、都是梯形信号、或者都是矩形信号。
此外，本发明包括该设备的第二变化形式，在该情况下
-温度测量操作中的激励信号是矩形信号，
-辅助信号是激励信号的一部分，其频率处于由振荡结构的谐振频率预先确定的频率范围之上，
-温度测量装置具有高通滤波器，其被馈送有期望信号并且从期望信号中过滤出测量信号，该测量信号的频率处于由振荡结构的谐振频率预先确定的频率范围之上，
-温度测量装置基于测量信号确定换能器的温度。
此外，本发明包括第二变化形式的设备的进一步改进，在该情况下
-基准元件包括具有电可调节变量的至少一个组件，并且
-提供控制设备，其连接至温度测量装置，用于调节组件的变量，其中该控制设备将组件的变量控制为测量信号的振幅大小在温度测量操作中为最小的数值。
在后者进一步改进的进一步改进中，提供存储器，在该存储器中存储该设备的特征曲线，该特征曲线示出了可调节变量的数值对换能器温度的依赖性，并且基于控制的数值和特征曲线确定温度。
在这样的情况下，基准元件优选地包括具有电可调节变量的组件和具有预定基准电容的电容器的串联电路，并且该组件是补偿电阻。
在进一步的改进中，电子器件包括补偿设备，其基于在温度测量操作中确定的温度补偿该结构取决于过程变量的振荡特性的至少一个温度依赖性。
在本发明的用于监测超出或未超出过程变量的预定极限数值的设备的进一步改进中，
-对于该设备可应用的预定温度范围，对于取决于过程变量的振荡特性的阈值被存储在该设备中，该设备在于相应温度下达到极限数值时具有该振荡特性，并且
-基于在温度测量操作中确认的温度以及与该温度相关联的阈值来监测超出或未超出预定极限数值。
根据本发明，换能器电容的温度依赖性被用于确定换能器的温度，并且因此确定可机械振荡结构的温度。在这样的情况下，为了获得温度补偿的期望信号，存在任何情况下都需要的专门应用的电子器件组件。因此，提供了可靠的温度测量而为此并不要求附加额外组件。在换能器的区域中不需要要求空间的温度传感器。该设备因此仅为紧凑并且可成本有效地制造。
基于测量的温度，因此能够通过基于测量的温度执行取决于过程变量的测量的振荡特性的温度依赖性的补偿，而在大温度范围上执行过程变量精确且可靠的确定和/或监测。
本发明另外的优势在于，不同于现有技术中使用的补偿电容器，使用了可调节电阻器，具有预定电容的电容器与其串联连接。预定电容形成了恒定的基准电容，与通常温度依赖性非常强的换能器电容相比，其可用作温度确定的固定基准点。
与所述现有技术相比，在实施例的一些示例绝对假设矩形激励信号的情况下，一种选择是根据具有不同激励信号形式的第一变化形式来操作本发明的设备。在利用正弦以及还利用矩形或梯形电压进行激励的情况下，确保了干净并且首先不依赖于温度的期望信号获取以及可靠的温度测量。在这样的情况下，相同设备能够在谐振中在正常操作中操作、利用固定激励频率激励为受迫振荡，或者以具有周期性变化频率的激励信号在所谓频率扫描方法中操作。由于大量可能的激励信号形式，该设备非常广泛且多样地可应用。
附图说明
现在将基于附图对本发明及其优势进行更为详细地解释，其中给出了实施例的三个示例；等同部分在图中被提供以相等的附图标记。
附图示出如下：
图1横向伸入容器中以监测预定填充水平的设备；
图2本发明的设备的第一变化形式的电路图；
图3在存在基准元件的最优匹配的设计温度的情况下，接收信号、基准信号和期望信号在温度测量操作中的振幅；
图4在温度低于设计温度的情况下，在温度测量操作中接收信号、基准信号和期望信号的振幅；
图5在温度高于设计温度的情况下，在温度测量操作中接收信号、基准信号和期望信号的振幅；
图6本发明的设备的第一变化形式的实施例的附加形式的电路图；
图7具有应用于其上的两个压电元件的膜振荡器；和
图8本发明的设备的第二变化形式的电路图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于确定和/或监测容器3中的介质1的至少一个过程变量、特别是介质的密度、粘度或填充水平的设备。
图2示出了本发明的设备的实施例的第一示例的电路图。其包括例如图1所示的结构5的可机械振荡结构，其具有至少一种依赖于过程变量的振荡特性。提供了具有压电元件7的至少一个机电换能器9。机电换能器9借助向其提供的激励信号S激励结构5以执行机械振荡。在图示的实施例的示例中，换能器9具有单个碟形的压电元件7，该压电元件7例如齐平地抵靠膜内侧，即朝向远离叉齿的一侧应用。压电元件7被电学地视为电容器，其电容高度依赖于温度T。压电元件7保持在两个电极之间，其中一个电极例如经由膜连接至例如接地端的基准电势，而其中另一个电极经由限制电阻器R1被提供以激励信号S。
激励信号S例如是借助激励信号生成器11产生的交变电压，并且压电元件7经由该激励信号S而被激励以执行厚度振荡。因此，与之相连接的可机械振荡结构5根据激励和过程变量执行振荡，其经由换能器9而被转换为电接收信号E，该接收信号E对应于激励信号S和表示振荡的期望信号N的叠加。接收信号E经由位于换能器9和限制电阻器R1之间的分接头P1而被取出。
此外，该设备包括与换能器9并联并且与激励信号S连接的基准元件13。基准信号SR经由基准元件13分接，该基准信号SR独立于振荡并且对应于激励信号S。
激励元件13是电组件的串联电路，该电组件优选为补偿电阻器RK以及电容器Cref，该补偿电阻器RK的电阻是电可调节变量，该电容器Cref优选地具有预定基准电容。
基准信号SR在布置在补偿电阻器RK和电容器Cref之间的分接头P2处被取出。
提供基于接收信号E和基准信号SR而提取期望信号N的电子器件。在基准元件13与换能器9最优匹配，该换能器9被经由限制电阻器R1而与基准元件13并联地提供有激励信号S的情况下，接收信号E和基准信号SR的差别仅在于补充地包含在接收信号E中并且反映振荡的期望信号N。特别地，在给定情况下，存在等同地包含在两个信号中的干扰信号，诸如例如与矩形激励信号相关地出现的充电反向峰值。因此，通过形成两个信号的简单差异而提取出所希望出现的期望信号N。
为此，该电子器件例如包括差分放大器15，其非反向输入经由限制电阻器R2而与分接头P1连接，并且其反向输入经由附加的限制电阻器R3与分接头P2连接。此外，非反向输入经由附加的辅助电阻器RH连接至基准电势。差分放大器15的输出信号形成期望信号N，其经由反馈电阻器RR而被引回到差分放大器的反相输入。
由于压电元件的电容强的温度依赖性，换能器9的电容高度取决于温度T。该温度依赖性在温度测量操作中被用来确定换能器9的温度并且因此确定可振荡结构5的温度。
为此，提供了温度测量装置，其在温度测量操作中向换能器9和基准元件13提供辅助信号H，辅助信号H的频率f处于由可振荡结构5的谐振频率fr所预先确定的频率范围之外。
现在将对此描述两种变化形式。
在第一变化形式的情况下，正常操作在温度测量操作的持续时间内被中断，在设备该正常操作中执行过程变量的确定和/或监测。
如果换能器9在正常操作中例如被用作振荡电路的频率确定单元，在振荡电路中期望信号经由放大器V被放大并借助移相器ΔФ以满足谐振条件的相移来相移，并且作为激励信号S而被馈送至换能器9，则期望信号N在此例如可以经由电控制开关ST/N，在正常操作中被馈送至振荡电路，并且在温度测量操作中被馈送至温度测量装置。在这种情况下，换能器9和基准元件13在温度测量操作中被提供的辅助信号H能够完全独立于激励信号S而被预先确定。
存在激励信号在正常操作中经过预定频率范围的应用。在该情况下，优选地将具有周期地连续可变的频率f(t)的信号馈送至换能器9和基准元件13，在每种情况下，频率f(t)的周期都包括时间跨度，信号频率在该时间跨度中连续上升或下降，并且包括在时间上在该时间跨度之前和/或分别在时间上在该时间跨度之后的时间间隔，在该时间间隔中信号的频率fH恒定并且处于由可振荡结构5的谐振频率fr预先确定的频率范围之外。在该情况下，该信号在其频率连续上升或下降的时间跨度中形成激励信号S，并且在频率fH恒定的时间跨度中形成辅助信号H。温度测量操作的持续时间在这里对应于后者时间跨度的持续时间。
在利用处于谐振频率fr的区域之外的频率fH进行激励的情况下，结构5执行通过辅助信号预先确定的受迫振荡。对应地，接收信号按照辅助信号H，并且不包含取决于结构5的振荡特性的分量。在基准元件13最优匹配的情况下，接收信号E和基准信号SR因此是相同的，并且期望信号N消失。如随后详细描述的，基准元件13的最优匹配通过调节补偿电阻器RK而发生。由于换能器电容的温度依赖性，维持在设计温度TR情况下所实现的基准元件13的最优匹配，然而仅在换能器9的温度T维持在的设计温度TR区域中的情况下。
图3示出了在利用正弦辅助信号H进行激励的情况下出现的接收信号E、基准信号SR和期望信号N，在温度T等于基准元件13最优匹配的设计温度TR时，辅助信号H的频率f明显大于或小于设备的谐振频率fr。如图3所示，接收信号E和基准信号SR相同并且具有由辅助信号H预先确定的、作为时间t的函数的相同正弦振幅曲线A(E)、A(SR)。期望信号N的振幅A(N)为零。
如果温度T降至低于设计温度TR的数值，则换能器9的电容相应下降。在基准元件13未改变的情况下不再确保最优匹配。图4示出了在利用正弦辅助信号H进行激励的情况下出现的接收信号E、基准信号SR和期望信号N，在温度T低于设计温度TR时，辅助信号H的频率f明显大于或小于设备的谐振频率fr。所有三个信号在这里都具有辅助信号的频率fH。然而，接收信号E的振幅A(E)明显小于基准信号SR的振幅A(SR)。通过差异形成而生成的期望信号N相应地相对于辅助信号H（或者等同地相对于接收信号E或基准信号SR）而具有180°相移以及根据当前温度T和设计温度TR之间的温度差异的不同于零的振幅A(N)。
如果温度T上升至高于设计温度TR的数值，则换能器9的电容相应上升。在基准元件13未改变的情况下，这里也不再出现最优匹配。图5示出了在利用正弦辅助信号H进行激励的情况下出现的接收信号E、基准信号SR和期望信号N，在温度T高于设计温度TR时，辅助信号H的频率fH明显大于或小于设备的谐振频率fr。所有三个信号在这里也都具有辅助信号H的频率fH。然而，接收信号E的振幅A(E)大于基准信号SR的振幅A(SR)。通过差异形成而生成的期望信号N相应地相对于辅助信号H（或者等同地相对于接收信号E或基准信号SR）而具有0°相移以及根据当前温度T和设计温度TR之间的温度差异的不同于零的振幅A(N)。
在基准元件13的已知调节的情况下，导致温度测量操作的期望信号N的振幅A(N)是换能器9的电容并且因此也是其温度T的直接量度。因此，基本上可能的是，基准元件13针对预先确定的基准温度、操作的设计温度而最优地设计，从而随后基于在温度测量操作中测量的期望信号的振幅A(N)，能够确定换能器9的温度T。
然而，优选地应用间接测量方法，在这样的情况下，基于在温度测量操作中获得的期望信号S，执行基准元件13对换能器9的瞬时温度T的最优匹配，并且基于基准元件13为此所需的调节而间接得出温度T。
为了确定期望信号N的振幅A(N)，图2中所示的温度测量装置的实施例的形式包括整流器，该整流器在温度测量操作中被馈送有期望信号N以便对期望信号N整流。例如，这包括与换能器9和基准元件13并联连接并且参考基准电势的比较器17，其在温度测量操作中与换能器9和基准元件13并联地被提供以辅助信号H。比较器17的输出信号和期望信号N被应用于乘法器19，在该乘法器19的输出可获得经整流的期望信号N。低通滤波器21优选地连接至乘法器19，其使得平滑经整流的期望信号N。经整流的平滑期望信号被送至逻辑单元23、特别是微控制器或现场可编程门阵列（FPGA），其确定该经整流的平滑期望信号N的振幅A(N)。
与此同时，为了进行温度T的测量以及基准元件13的最优匹配，该设备包括与温度测量装置连接的控制设备，以用于调节补偿电阻器RK的变量。该控制设备将补偿电阻器RK的变量控制为期望信号N的振幅大小在温度测量操作中为最小值的数值。该控制设备优选地包含在逻辑单元23中，为此逻辑单元23具有控制信号输出K，其经由该控制信号输出K将补偿电阻器RK的变量控制为适当数值。
电阻器RK的设定数值是换能器9的温度T的量度。该数值的温度依赖性记录在于校准过程中较早确定的对应的特征曲线中，并且例如以表格或公式的形式存储在与逻辑单元23相关联的存储位置即存储器SP中。逻辑单元23如以上所描述在温度测量操作中控制电阻器RK的数值，并且基于所控制到的数值和相关联特征曲线来确定换能器9的温度T。
图6示出了本发明的设备的第一变化形式的实施例的另一种形式。该设备大部分与图2所示的设备相同，从而随后仅对所存在的差异进行更为详细的解释。
这里的一个差异在于，作为具有至少一个压电元件的换能器的另外的示例，换能器25设置有两个压电元件7a、7b。这样的换能器25例如结合图7所示的可振荡结构27来应用。结构27是圆碟形膜，两个同样形状、优选为圆弓形的压电元件7a和7b关于膜的中心对称地应用在膜的内侧上。
换能器25在这里还用作可机械振荡结构27的机械振荡的发生器以及也用作接收器。为此，压电元件7a和7b两者并联并且利用相同的激励信号S进行电操作，或者被提供以相同的辅助信号H。在元件7a、7b的极性相反的情况下，膜因此被激励为——这里通过虚线指示的——第二模式的振荡。
换能器25的接收信号E、基准信号SR和期望信号N以已经基于图2描述的方式得出。
与图2所示的设备相比，这里所示出的设备包括温度测量装置以及用于控制补偿电阻器RK的控制系统，其被实现为电子单元29的整体组件，例如微控制器或现场可编程门阵列（FPGA）。
此外，该单元29优选地包括集成的信号生成器31，其在正常操作中生成激励信号S并且在温度测量操作中生成辅助信号H，向换能器25以及基准元件13并联地提供这两个信号。
期望信号N以数字形式经由模数转换器ADC被馈送至单元29。单元29包括用于对期望信号N采样的采样设备33。由于期望信号N在温度测量操作中相对于辅助信号H具有0°或180°相移，所以在温度测量操作中在辅助信号H的振幅具有极值的采样时间点足以确定期望信号N的振幅A(N)。
在这样的情况下，如果辅助信号H由单元29所生成，则自动给出为此所需的两个信号的时间基准。
替代地，激励信号S和辅助信号H的产生在这里可以以等同于对图2所示实施例的示例所示出的方式而自然地发生。在该情况下，期望信号N可以更为精确地采样，或者上述的极其高效的采样所需的时间基准将以其它一些方式来产生。为了产生时间基准，例如可以如同样在图2中地并联地引导辅助信号H通过比较器17，并且执行其输出信号的采样，来确认辅助信号H的相位关系。
单元29包括与采样设备33连接的逻辑单元35，该逻辑单元35在温度测量操作中对于采样时间点执行辅助信号H和期望信号N的振幅符号比较，并且基于该比较确认方向，并且在温度测量操作中基于期望信号N的振幅确认补偿电阻器RK的变量数值所要校正的大小。该控制经由连接到逻辑单元35的单元29的控制输出K来执行。
与较早所描述实施例的示例的情况完全相同，电阻器RK的设置数值在这里也是换能器25的温度T的量度。该数值的温度依赖性记录在于校准过程中较早确定的对应的特征曲线中，并且存储在与逻辑单元35相关联的存储器SP中。逻辑单元35在温度测量操作中控制电阻器RK的数值并且基于所控制到的数值和相关联的特征曲线来确定换能器25的温度T。
除了基于图2和6所描述的第一变化形式之外，在正常操作为温度测量而被中断的情况下，本发明包括第二变化形式，在设备的正常操作期间能够利用该第二变化形式来执行温度测量。
图7示出了用于此的实施例的示例的电路图。由于与图6中所示的第一变化形式的实施例形式极大地相同，所以将仅对差异进行更为详细的描述。
温度测量在第二变化形式的情况下也经由温度测量装置来进行，其在温度测量操作中向换能器25和基准元件13提供辅助信号H，该辅助信号H的频率处于由可振荡结构27的谐振频率fr所预先确定的频率范围之外。
为了能够在设备的正常操作期间执行基准元件13与换能器25的测量温度T的匹配，在该第二变化形式的情况下，至少在温度测量操作中应用包含辅助信号H的激励信号SH。
以这种方式，在正常操作和温度测量操作中能够始终在相同时间操作设备。替代地，自然地也能够提供并行操作间隔，在其中温度测量操作偶发地、周期性地或在预定时刻与正常操作并行地执行。在这种情况下，激励信号在并行操作期间仅需要包含辅助信号H，而在单纯的正常操作中其如第一变化形式的情况下是可自由选择的。
根据本发明，在并行操作中应用的激励信号SH是矩形信号，特别是矩形交变电压。由于其信号形式，矩形信号除了其基本频率之外还不可避免地具有较高频率部分，其频率处于可机械振荡结构27的谐振频率fr之上。激励信号SH的这些较高频率部分形成了辅助信号H。
与图2至6所示的分别的正弦激励信号、辅助信号S、H相比，在第二变化形式中所应用的、不可避免地包含辅助信号H的矩形激励信号SH引起了最初已经描述过的跨换能器25和基准元件13的充电反向电流。这在接收信号E和基准信号SR中反映为充电反向峰值。
这里也完全与之前的实施例示例相类似，在基准元件13最优匹配的情况下，接收信号E和基准信号SR中可归于辅助信号H的信号分量在形成期望信号N时相互抵消。如果温度T相对于基准元件13最后与之最优匹配的设计温度TR改变，则由于换能器25电容与温度变化相联系的变化，包含换能器25的测量分支与由基准元件13形成的基准分支之间出现失谐。这导致了期望信号N除了表示机械振荡的信号部分之外还具有可归于辅助信号H的信号部分。
然而，与表示振荡的信号部分相比，期望信号N中归于辅助信号H的信号部分具有专门的频率，该频率处于由可振荡结构27的谐振频率fr预先确定的频率范围之上。对应地，在该变化形式的情况下，温度测量装置包括被馈送有期望信号N的高通滤波器37，该高通滤波器37从期望信号N中过滤出测量信号M，该测量信号的频率处于可振荡结构27的谐振频率fr所预先确定的频率范围之上。
而且在这里，在基准元件13的已知调节的情况下，换能器25的温度可以基于测量信号M直接确定。然而优选地，这里也使用基准元件13而选择间接方式。
为此，测量信号M经由模数转换器A/D而被馈送至优选地集成在电子单元29中的逻辑单元39。逻辑单元39包括用于调节组件RK的变量的控制设备41，并且将组件RK的变量控制为测量信号M的振幅大小在温度测量操作中为最小值的数值。
与针对图3至5的解释类似，当温度T下降至低于基准元件13针对其最优匹配的设计温度TR的数值时，接收信号E中可归于辅助信号H的部分的振幅A在这里也小于基准信号SR中可归于辅助信号H的部分的振幅A，反之亦然。
对应地，例如在逻辑单元39中，确定测量信号M的平均振幅AM及其符号。测量信号M机器的平均振幅AM给出大小和方向的符号，补偿电阻器RK的变量数值将通过其进行校正。该控制在这里优选地也经由连接至控制设备41的单元29的控制输出来执行。
逻辑单元39以以上已经结合根据第一变化形式的设备描述的方式来确定温度T。
本发明的设备的优势在于，在温度测量操作中，基准元件13的最优匹配和温度T的测量同时执行。因此，在随后的正常操作中，期望信号N是可用的，其关于一个或多个应用的换能器9、25的电容的温度依赖性而被补偿。
该期望信号N被馈送至测量评估单元，该测量评估单元基于该期望信号N确定和/或监测过程变量。在图2中所示的实施例示例中，提供了测量评估单元43，其被馈送有模拟期望信号N。在图6和8所示的实施例示例中，提供了集成在单元29中的测量评估单元45，其被馈送有数字形式的期望信号N。
为了确定和/或监测过程变量，能够应用从现有技术已知的操作和评估方法。在这样的情况下，测量评估电路43、45基于期望信号N得出可机械振荡结构5、27的振荡特性，该振荡特性取决于所要确定和/或监测的特定过程变量，例如填充水平、密度或粘度。在振荡特性中，特别地分别基于期望信号N的频率、期望信号N的振幅或者期望信号N相对于激励信号S的相移，计算了在量度上可记录的振荡频率、振荡振幅和/或振荡相对于激励信号S的相移。
可振荡结构5、27的振荡特性除了对于过程变量的依赖性之外也具有温度依赖性。其主要原因在于可振荡结构5、27的材料刚性随温度而变化。因此，结构5、27的振荡特性，特别是振荡频率、振荡振幅和/或振荡相对于激励信号S的相移具有温度依赖性。这些振荡特性的温度依赖性在校准过程中被确定并且例如以特征曲线的形式存储在与测量评估系统43、45相关联的存储器SP中。
测量评估系统43、45包括补偿设备47，补偿设备47基于特征曲线以及温度测量操作中所确定的温度T对用于确定和/或监测所期望的过程变量的结构5、27的特定振荡特性的温度依赖性进行补偿。
在本发明的用于监测例如预定填充水平的预定的过程变量极限数值被超出或未超出的设备的情况下，这例如通过在对预定温度范围的校准过程中，对于取决于过程变量的振荡特征，确定当振荡特性在相应温度T下达到极限数值时所具有的阈值来进行。该阈值根据设备中的温度而存储在与测量评估系统43、45相关联的存储器SP中。
实际的监测由测量评估系统43、45来完成，它们基于温度测量操作中所确认的温度T读出与该温度T相关联的阈值，并且基于该阈值监测超出或未超出预定极限数值。
附图标记列表：
1介质
3容器
5可机械振荡结构
7压电元件
9机电换能器
11激励信号生成器
13基准元件
15差分放大器
17比较器
19乘法器
21低通滤波器
23逻辑单元
25换能器
27可机械振荡结构
29电子单元
31信号生成器
33采样设备
35逻辑单元
37高通滤波器
39逻辑单元
41控制设备
43测量评估单元
45测量评估单元
47补偿设备

Claims (17)

1.一种用于确定和/或监测容器(3)中介质(1)的至少一个过程变量的设备，包括：
-可机械振荡结构(5、27)，所述可机械振荡结构(5、27)具有至少一种取决于所述过程变量的振荡特性，
-机电换能器(9、25)，所述机电换能器(9、25)具有至少一个压电元件(7、7a、7b)，
--所述机电换能器(9、25)借助提供至换能器(9、25)的激励信号(S)激励所述结构(5、27)以执行机械振荡，并且
--所述机电换能器(9、25)将得到的所述结构(5、27)的振荡转换为接收信号(E)，所述接收信号(E)对应于所述激励信号(S)和表示振荡的期望信号(N)的叠加，
-基准元件(13)，所述基准元件(13)与所述换能器(9、25)并联并且被提供有所述激励信号(S)，独立于振荡并且对应于所述激励信号(S)的基准信号(SR)经由所述基准元件(13)被分接，以及
-电子器件，所述电子器件：
--基于所述接收信号(E)和所述基准信号(SR)提取所述期望信号(N)，并且
--基于所述期望信号(N)确定和/或监测所述过程变量，
其特征在于：
所述电子器件包括温度测量装置，所述温度测量装置在温度测量操作中向所述换能器(9、25)和所述基准元件(13)提供辅助信号(H)，所述辅助信号(H)的频率(fH)处于由所述振荡结构(5、27)的谐振频率(fr)预先确定的频率范围之外，并且基于温度测量操作中提取的所述期望信号(N)来确定所述换能器(9、25)的温度(T)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述至少一个过程变量是所述介质(1)的密度、粘度或填充水平。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
-所述基准元件(13)包括具有电可调节变量的至少一个组件(RK)，
-并且提供有控制设备，所述控制设备用于调节所述组件(RK)的变量并且连接至所述温度测量装置，所述控制设备将所述组件(RK)的变量控制为所述期望信号(N)的振幅(A(N))大小在温度测量操作中为最小的数值。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：
-提供存储器(SP)，在所述存储器(SP)中存储所述设备的特征曲线，所述特征曲线示出了所述可调节变量的数值对所述换能器(9、25)的温度(T)的依赖性，并且
-基于控制的数值和所述特征曲线确定温度(T)。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述基准元件(13)包括具有电可调节变量的组件(RK)以及具有预定基准电容的电容器(Cref)的串联电路，并且所述组件(RK)是补偿电阻器。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
-提供整流器，所述整流器在温度测量操作中被馈送有所述期望信号(N)，
-借助所述整流器整流的所述期望信号(N)被馈送至逻辑单元(23)，并且
-所述逻辑单元(23)确定经整流的所述期望信号(N)的振幅，并且在温度测量操作中将具有电可调节变量的至少一个组件(RK)的变量控制为所述期望信号(N)的振幅大小为最小的数值。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述逻辑单元(23)是微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：
-所述整流器包括与所述换能器(5)并联并且连接至所述基准元件(13)的比较器(17)和乘法器(19)，
-所述辅助信号(H)在温度测量操作中并联地施加在所述换能器(5)上、所述基准元件(13)和所述比较器(17)上，
-所述比较器(17)的输出信号和所述期望信号(N)施加在所述乘法器(19)上，并且
-所述乘法器(19)连接至低通滤波器(21)，所述低通滤波器(21)的输出信号作为经整流的平滑的期望信号而被应用于所述逻辑单元(23)。
9.根据权利要求3所述的设备，其特征在于：
-提供采样设备(33)，所述采样设备(33)用于对所述期望信号(N)采样，其中所述采样设备(33)在所述辅助信号(H)的振幅具有极值的采样时间点确定在温度测量操作中所述期望信号(N)的振幅(A(N))，并且
-提供逻辑单元(35)，所述逻辑单元(35)连接至所述采样设备(33)，
--所述逻辑单元(35)对于采样时间点执行辅助信号(H)和期望信号(N)的振幅符号的比较，并且
--基于所述比较确认方向并且基于所述期望信号(N)在温度测量操作中的振幅确认所述具有电可调节变量的至少一个组件(RK)的变量数值要被校正的大小。
10.根据权利要求1至9中之一所述的设备，其特征在于：
在所述换能器(9、25)和所述基准元件(13)上施加具有周期性连续可变频率(f)的信号，
-所述信号的周期在每种情况下都包括时间跨度，
--所述信号的频率(f)在所述时间跨度中连续上升或下降，并且
--所述信号在所述时间跨度中形成所述激励信号(S)，并且
-所述信号的周期在每种情况下都在时间上在所述时间跨度之前包括时间间隔，和/或在每种情况下都在时间上在所述时间跨度之后包括时间间隔，
--在所述时间间隔中所述信号的频率(f)恒定并且处于由所述振荡结构(5、27)的谐振频率(fr)预先确定的频率范围之外，并且
--在所述时间间隔中所述信号形成所述辅助信号(H)。
11.根据权利要求1至9中之一所述的设备，其特征在于：
激励信号和辅助信号(S、H)都是正弦信号、都是梯形信号、都是三角形信号、或者都是矩形信号。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
-温度测量操作中的所述激励信号(SH)是矩形信号，
-所述辅助信号(H)是所述激励信号(SH)的一部分，所述辅助信号(H)的频率处于由所述振荡结构(5、27)的谐振频率(fr)预先确定的频率范围之上，
-所述温度测量装置具有高通滤波器(37)，所述高通滤波器(37)被馈送有所述期望信号(N)并且从所述期望信号(N)中过滤出测量信号(M)，所述测量信号(M)的频率处于由所述振荡结构(5、27)的谐振频率(fr)预先确定的频率范围之上，并且
-所述温度测量装置基于所述测量信号(M)确定所述换能器(25)的温度(T)。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：
-所述基准元件(13)包括具有电可调节变量的至少一个组件(RK)，并且
-提供控制设备(41)，所述控制设备(41)连接至所述温度测量装置，用于调节所述具有电可调节变量的至少一个组件(RK)的变量，其中所述控制设备(41)将所述具有电可调节变量的至少一个组件(RK)的变量控制为在温度测量操作中所述测量信号(M)的振幅(AM)大小为最小的数值。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于：
-提供存储器(SP)，在所述存储器(SP)中存储所述设备的特征曲线，所述特征曲线示出了所述可调节变量的数值对所述换能器(9、25)的温度(T)的依赖性，并且
-基于控制的数值和所述特征曲线确定温度(T)。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于：
所述基准元件(13)包括具有电可调节变量的组件(RK)和具有预定基准电容的电容器(Cref)的串联电路，并且所述具有电可调节变量的至少一个组件(RK)是补偿电阻。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述电子器件包括补偿设备(47)，所述补偿设备(47)基于在温度测量操作中确定的温度(T)补偿取决于过程变量的所述结构(5、27)振荡特性的至少一个温度依赖性。
17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
-所述设备监测超出或未超出所述过程变量的预定极限数值，
-对于所述设备可应用的预定温度范围，将对于取决于所述过程变量的振荡特性的阈值存储在所述设备中，所述设备在相应温度(T)下达到所述极限数值时具有所述振荡特性，并且
-基于在温度测量操作中确认的温度(T)以及与该温度(T)相关联的所述阈值来监测超出或未超出所述预定极限数值。
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