CN103080706B - 电子振动测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定介质的至少一个过程变量的电子振动测量装置。该电子振动测量装置包括：可振荡单元；发送/接收单元（SE），该发送/接收单元通过发送信号来激励可振荡单元以执行机械振荡并接收机械振荡，并将该机械振荡转换成模拟电接收信号；以及控制/评估单元（MC），该控制/评估单元接收模拟接收信号，数字化该信号并根据其确定过程变量且产生发送信号（S）。本发明包括可控放大器（V1）和控制/评估单元（MC），可控放大器（V1）布置在发送/接收单元（SE）与控制/评估单元（MC）之间，该可控放大器（V1）接收接收信号（E）并产生适配的接收信号（E’），控制/评估单元（MC）确定接收信号（E）的幅值，并根据确定的幅值以使得适配的接收信号（E’）的幅值适配于由控制/评估单元（MC）预定的可数字化电压范围的方式来控制放大器（V1）。

Description

电子振动测量装置
技术领域
本发明涉及一种确定介质的至少一个过程变量的电子振动测量装置，该电子振动测量装置包括：可振荡单元；发送/接收单元，该发送/接收单元借助发送信号来激励可振荡单元以执行机械振荡并接收机械振荡、并将该机械振荡转换成模拟电接收信号；以及控制/评估单元，该控制/评估单元接收模拟接收信号、并数字化该信号并根据其确定过程变量、且产生发送信号。该过程变量是容器中介质的预定料位和/或介质的密度和/或粘度。振荡单元优选地是振荡叉；但是，其可以等同地是膜或单个杆。
背景技术
已知呈振荡叉、膜振荡器和单个杆形式的用于确定介质的料位、密度、和/或粘度的电子振动测量装置。这些电子振荡测量装置的共同之处在于它们具有可振荡单元，其被激励以执行谐振振荡。该激励最通常经由压电元件发生。驱动元件和可振荡单元一起形成传感器单元。机械振荡被转换成电接收信号并相对于激励信号评估其频率、幅值，和/或相移。这有利地在微控制器中数字地完成，其经由模拟-数字转换器被馈送接收信号。该激励信号同样可在微控制器中产生，具有相对于接收信号的预定相移，并且，例如，经由数字-模拟转换器被馈送到可振荡单元的驱动元件。接收信号的幅值根据可振荡单元的振荡的衰减而变化。电子振动测量装置的传感器单元因此通常具有非常高的动态范围。模拟-数字转换器必须具有相应地高的分辨率以能够数字化所有信号。但是，集成到微控制器中的模拟-数字转换器的分辨率是受限制的且对于这样高的动态范围是不足够的，从而测量装置可以可靠地确定过程变量的范围受到了限制。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电子振动测量装置，其具有与已知电子振动测量装置相比扩大了的测量范围。
该目的通过多个特征来实现，这些特征包括可控放大器和控制/评估单元，可控放大器布置在发送/接收单元与控制/评估单元之间，该可控放大器接收接收信号并产生适配的接收信号，控制/评估单元确定接收信号的幅值，并根据确定的幅值以使得适配的接收信号的幅值适配于由控制/评估单元预定的可数字化电压范围的方式来控制放大器。
放置在接收信号的路径中的可控放大器实现了至少部分地补偿传感器单元的动态范围。优选地，可控放大器直接布置在发送/接收单元后面。接收信号的幅值控制实现了控制/评估单元的输入信号的幅值的扩散较小。在这种情形中，放大因子可以大于、等于或小于1。因此，下面，术语“放大”还可意味着衰减。取决于控制/评估单元的实施例将接收信号的幅值适配于可数字化电压范围确保了可振荡单元的信号是可数字化的。优选地，为了控制，控制/评估单元确定供应到其的适配的接收信号的幅值。
在高衰减的情形中，且因此非常低的接收信号幅值，实现了另一有利效果。在滤波器之前已经进行信号的放大大大地改善了滤波后的接收信号中的信噪比，从而在这些极端条件情形中也仍然可能进行过程变量的可靠确定。在常规测量装置的情形中，在高粘度介质中，由于强衰减，信号是非常小的，从而混合的干扰使得测量困难或甚至不可能。放大意味着在滤波器之后的混合的干扰信号是可以忽略不计的。
另外，发送电压可以通过数字-模拟转换器或通过放大器设置成使得对于接收路径中的放大器能够最优地利用形成控制/评估单元的信号输入的模拟-数字转换器的范围。
在测量装置的实施例中，控制/评估单元是微控制器，其经由模拟-数字转换器接收适配的接收信号。微控制器确定接收信号的当前幅值并调节可控放大器的放大使得接收信号可由模拟-数字转换器数字化。当振荡大大地衰减时，放大因子大于1，且当干扰信号混合时，其小于1，这将超过可数字化的电压范围。放大的接收信号的幅值越好地适配于模拟-数字转换器的基准电压，其可利用的分辨率越好，且可评估的接收信号的带宽以及因此测量范围越大。实施例中，控制以使得适配于可数字化电压范围的接收信号具有基本上恒定的幅值的方式来发生。
适配于直接在发送/接收单元的控制/评估单元的接收信号的放大意味着模拟-数字转换器的小分辨率足以数字化接收信号。
本发明的实施例中，滤波器元件，具体是带通滤波器布置在可控放大器和控制/评估单元之间。这将所想要的信号从适配的接收信号滤出。
实施例中，控制/评估单元包括数字-模拟转换器，其将发送信号供应到发送/接收单元。
与此关联的是实施例，其中，在数字-模拟转换器与发送/接收单元之间布置具有固定放大因子的放大器，用于放大发送信号。该放大器能够实现更大的幅值变化。
另一实施例提供了控制/评估单元根据接收信号的幅值以使得接收信号的幅值可适配于可数字化电压范围的方式来控制发送信号的幅值。发送电压的控制是基于接收路径中可控放大器的可获得放大并基于模拟-数字转换器的基准电压。例如，在接收的幅值的评估显示匹配于可数字化范围是不可能的情形中，发送信号的幅值被减半或加倍。
本发明的实施例提供了布置在控制/评估单元的用于发送信号的信号输出与发送/接收单元之间的第二可控放大器，以及该控制/评估单元根据接收信号的幅值以使得接收信号的幅值可通过第一放大器适配于可数字化电压范围的方式来控制第二可控放大器。该实施例尤其涉及其中发送信号不经由数字-模拟转换器输出的情形，因为这同样可适于控制发送信号的幅值。基于发送路径中的幅值控制最优化接收路径中的幅值控制，因为发送电压可由数字-模拟转换器或第二可控放大器以使得接收路径中的可控放大器能够最优地利用模拟-数字转换器的范围的方式来调节。例如，发送信号的幅值总是以接收路径中的可控放大器位于其范围的中间的方式来设定。或者，发送电压仅在接收信号的幅值即使在最大放大后也太小以至于不能评估时才增加，或者在适配的接收信号不能最优地利用控制/评估单元的模拟-数字转换器时才增加。
在本发明的实施例中，可振荡单元是振荡叉。在可替换实施例中，可振荡单元是膜或单个杆。该过程变量是容器中介质的预定料位和/或介质的密度和/或粘度。
附图说明
现将基于附图更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1是具有幅值控制的控制回路的第一实施例的示意结构；以及
图2是具有幅值控制的控制回路的第二实施例的示意结构。
具体实施方式
图1示意性地示出电子振动测量装置的控制回路的部件。发送/接收单元SE激励可振荡单元进行机械振荡并还接收其振荡。发送/接收单元SE与可振荡单元（这里指振荡叉）连接并与其一起形成测量装置的传感器单元。优选地，发送/接收单元SE是压电换能器，其将电信号转换成机械信号并将机械信号转换成电信号。但是，其它实施例中，发送/接收单元SE也可以是电磁或磁致伸缩的元件。
发送/接收单元SE被馈送以交流电压形式的发送信号S。可振荡单元的机械振荡在发送/接收单元SE中产生电接收信号E，其相对于发送信号的幅值、频率和相移取决于在其中发生振荡的介质的特性。关于所要确定的过程变量，接收信号E的评估发生在控制/评估单元MC中。
所示的接收分路与通常的用于具有数字控制的电子振动测量装置的接收分路的不同在于，这里的接收分路设有补充的、可控放大器V1。布置在可控放大器V1后的是滤波器元件BP，其优选地是带通滤波器。利用可调节放大因子或增益放大的接收信号E’被滤波并被馈送到微控制器MC，微控制器MC用作控制/评估单元。微控制器MC包括在输入侧的模拟-数字转换器ADC和在输出侧的数字-模拟转换器DAC。模拟-数字转换器ADC接收被放大且被滤波的接收信号E’并将其转换成数字信号。
微处理器MC一方面评估数字的、接收信号以确定过程变量，例如达到特定的料位、密度，和/或粘度。另一方面，微处理器确定接收信号E的幅值，分别是供应到其的适配的接收信号E’的幅值，并基于其产生用于调节放大器V1的放大程度的控制信号，该控制信号供应到放大器V1。接收信号E的放大以这样的方式来控制，即从传感器单元获得的接收信号E的幅值的动态范围至少被足够地补偿，使得模拟-数字转换器ADC的分辨率对于数字化所有出现的、接收信号E是足够的。在有利实施例中，以使得来自放大器V1的接收信号E’的幅值是恒定的方式来设定控制。将接收信号E的幅值适配于微控制器MC的可数字化的电压范围意味着即使在大大地衰减可振荡单元的振荡的高粘度介质的情形中，微控制器MC也接收对关于过程变量的评估足够大的信号。此外，通过在滤波器元件BP之前布置放大器V1，改善了馈送到微控制器MC的滤波后的接收信号E’的信噪比。
优选地，微处理器MC通过在预定时间点采样接收信号E’来确定为其供应的接收信号E’的当前幅值。时间点以接收信号E’呈现极值点或零点的方式来选择，同时满足相对于发送信号的特定相位关系。在待公开的德国专利申请第102009028022.7号中描述了相位选择性采样。
此外，微控制器MC根据接收信号E产生发生信号S。为了激励可振荡单元来执行振荡，可振荡单元供应有发送信号S，其具有相对于接收信号E的特定相移。通常，相移是90°。
在将要公开的德国专利申请第102010030982.6号中，描述了将发送信号S与接收信号E之间的相移控制到特定值的有利方法。为此，在上面提到的方法的情形中，接收信号在时间点处采样，在存在特定相移时，在该时间点，接收信号E假设为极值或具有过零点。如果相移不与接收信号E的特定的、采样电压值相符，则偏离期望值。如果是该情形，则与相移相关的发送频率对应于该偏离重新调节。本发明的测量装置能够最优化相位控制。如果接收信号E的幅值不是恒定的，为了在采样的电压值偏离期望值的情形中，可确定所要求的纠正，该幅值应被连续地测量。这是基于采样的电压值的偏离期望值的大小同时取决于现有的相移以及接收信号E的幅值的事实，从而，不知晓幅值则不可检测相移存在。在由介质增加衰减的情形中，这具有相位太弱地重新调节，即相位控制太慢的结果。在恒定幅值的情形中，不存在相位控制的衰减依赖性。在可控放大器V1的辅助下的幅值控制由此在大大地衰减介质的情形中也能够用足够高的速度控制相位。
微控制器MC经由数字-模拟转换器DAC输出发送信号S。数字-模拟转换器DAC能够改变发送信号S的幅值。优选地，发送信号S的幅值控制以使得作由于可振荡单元对发送信号S的反应而出现的接收信号E具有优化地适配于第一可控放大器V1的幅值的方式发生。可控放大器V1然后可产生适配的、接收信号E’，这在理想情形中完全使用模拟-数字转换器ADC的范围。例如，在中等放大因子情形中，以使得适配的、接收信号与模拟-数字转换器的基准电压的水平相符的方式，发送电压被控制成使得放大器产生适配的、接收信号。根据数字－模拟转换器DAC的实施例，为此，可要求放大器AMP布置在发送分路中，其在将发送信号S供应到发送/接收单元SE之前放大发送信号S。该放大器AMP具有固定的特定的放大因子。关于上述的经由在过零点中偏离检测的相移的控制，至少约完全利用的模拟－数字转换器ADC是尤其有利的。高接收电压和由此实现导致过零点中可能出现的偏离的良好分辨率的高分辨率，这使得能够快速对控制起作用。
图2公开了控制回路的替代实施例。与图1中示出的微控制器MC相比，该情形中，应用的微控制器MC不包含数字－模拟转换器DAC。矩形或正弦曲线的发送信号S以恒定水平从端口输出然后被馈送到第二可控放大器V2。取决于当前的衰减将发送信号S的幅值适配于接收信号E的幅值借助于在微控制器MC外的可控放大器V2发生。在这种情形中，两个放大器V1和V2的控制信号可经由相同的总线被发送。接收分路没有区别于图1示出的接收分路。
附图标记列表
SE 发送/接收单元
V1 （第一）可控放大器
V2 第二可控放大器
MC 微控制器
ADC 模拟-数字转换器
DAC 数字-模拟转换器
BP 滤波器元件
AMP 放大器
S 发送信号
E 接收信号
E’ 匹配的接收信号

Claims (8)

1.一种确定介质的至少一个过程变量的电子振动测量装置，包括：
可振荡单元；
发送/接收单元(SE)，所述发送/接收单元(SE)借助于发送信号(S)来激励所述可振荡单元以执行机械振荡并接收所述机械振荡，并将所述机械振荡转换成模拟电接收信号(E)；以及
控制/评估单元(MC)，所述控制/评估单元(MC)是微控制器，
所述装置的特征在于还包括：
可控的放大器(V1)，布置在所述发送/接收单元(SE)与所述控制/评估单元(MC)之间，所述放大器(V1)接收所述接收信号(E)并产生适配的接收信号(E’)，
所述控制/评估单元经由模拟-数字转换器(ADC)接收所述适配的接收信号(E’)以形成所述控制/评估单元(MC)的信号输入，该模拟-数字转换器(ADC)把所述适配的接收信号(E’)转换成数字适配的接收信号，
所述控制/评估单元根据所述适配的接收信号(E’)确定过程变量并产生所述发送信号(S)，以及
所述控制/评估单元(MC)确定所述适配的接收信号(E’)的当前幅值，并且，根据所确定的幅值，通过调节放大程度而控制所述放大器(V1)，以使得所述适配的接收信号(E’)的幅值适配于所述模拟-数字转换器(ADC)的基准电压。
2.如权利要求1所述的测量装置，其中，
滤波器元件(BP)布置在所述可控放大器(V1)和所述控制/评估单元(MC)之间。
3.如权利要求1-2中的一项所述的测量装置，其中，
所述控制/评估单元(MC)具有数字-模拟转换器(DAC)，其将所述发送信号(S)供应到所述发送/接收单元(SE)。
4.如权利要求3所述的测量装置，其中，
具有固定地设定的放大因子的放大器(AMP)布置在所述数字-模拟转换器(DAC)与所述发送/接收单元(SE)之间，其放大所述发送信号(S)。
5.如前述权利要求中的一项所述的测量装置，其中，
所述控制/评估单元(MC)根据所述接收信号(E)的幅值以使得所述接收信号(E)的幅值可适配于所述可数字化电压范围的方式来控制所述发送信号(S)的幅值。
6.如权利要求5所述的测量装置，其中，
第二可控放大器(V2)布置在所述控制/评估单元(MC)的用于所述发送信号(S)的信号输出与所述发送/接收单元(SE)之间，
以及所述控制/评估单元(MC)根据所述接收信号(E)的幅值以使得所述接收信号(E)的幅值可通过第一放大器(V1)适配于所述可数字化电压范围的方式来控制所述第二可控放大器(V2)。
7.如前述权利要求中的一项所述的测量装置，其中，
所述可振荡单元是振荡叉、膜或单个杆。
8.如前述权利要求中的一项所述的测量装置，其中，
所述过程变量是容器中所述介质的预定料位和/或所述介质的密度和/或所述介质的粘度。
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