CN103380355B - 机电料位测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机电料位测量装置，包括：浮体或位移元件，其借助于线至少连接到外滚筒以使线能够是非缠绕的；外滚筒，具有磁体的外环；内滚筒，具有磁体的内环和确定在磁体的内环和外环之间的磁场位移并输出测量值的电磁测量元件；测量轴，与内滚筒机械固定地连接；提供具有经由到测量轴的齿轮耦合的驱动轴的伺服电机，其根据从测量元件的差值确定的控制信号将跟随运动传递到测量轴，使得作为待测量的液位的变化所产生的在外滚筒和内滚筒之间的相对运动的结果，差值返回到零，并且根据跟随运动确定当前料位测量值。根据本发明，传感器电子器件布置在内滚筒内的测量轴上且径向旋转变压器形成在测量轴上，旋转变压器至少将控制信号从传感器电子器件传输到主电子器件且用于至少向传感器电子器件供给所需的能量。

Description

机电料位测量装置
技术领域
本发明涉及一种机电料位测量装置，包括：浮体或位移元件，所述浮体或位移元件借助于线被悬挂且所述浮体或位移元件浮在水平待测量的液体上；外滚筒，所述外滚筒具有磁体的外环；内滚筒，所述内滚筒具有磁体的内环和电磁测量元件，所述电磁测量元件确定在磁体的内环和外环之间的磁场位移并输出测量值；测量轴，所述内滚筒与所述测量轴机械固定地连接；其中设置具有驱动轴的伺服电机，其中所述驱动轴与所述测量轴经由传动装置耦合，其中所述伺服电机根据从所述电磁测量元件的差值确定的控制信号经由所述传动装置旋转所述测量轴，使得通过由待测量的液位的变化所产生的所述外滚筒和所述内滚筒之间的相对运动使所述差值返回到零，并且根据所述测量轴的旋转确定当前料位测量值。
背景技术
根据探测原理工作的用于料位测量的方法和设备通常是已知的。例如，DE2151094、DE2401486B2、DE819923、DE3942239A1、US3,838,518、DE19543352A1、G7031884.2、DE819923、G7329766.2、DE19730196A1以及DE2853360A1描述了根据探测原理工作的用于高度精确的料位确定的料位测量系统。在这些基于探测原理的料位测量方法的情况下，挂在测量线路上的铅锤沉入填充物质或颗粒材料中。一旦撞击填充物质，缠绕离开缆线滚筒的测量缆线的长度被确定，显示装置显示料位或填充量。不同的填充物质需要不同的铅锤。
机电探测应用的主要领域是在非常高的容器的情况中的料位测量，其中利用其他测量原理的解决方案成本非常高或因物理原因是不可能的。当前，利用机电探测，在例如达到70m高度的容器中的料位可以以1毫米以下的精度测量。
在受让人的DE3149220A1中描述一种根据探测原理用于料位测量的方法，其中，电动机的驱动轴和缆线滚筒彼此弹性耦合，其中料位通过在计数系统中计数在缠绕缆线滚筒时所产生的脉冲来确定。在这种测量方法中，位移元件在填充物质上的撞击有利地是在没有机械开关元件的致动的情况下得以检测。此外，在这种测量方法的情况下，不再需要监控电动机的电输入变量。由于传感器布置在用于填充物质的空间以外，其结构不经受保持在容器内部的需求。这意味着，对于大多数填充物质，能够应用具有较小屏蔽的传感器。这通过以下事实来实现：与电动机连接的驱动轴和缆线滚筒由于弹性耦合在有限的角度范围的两个端部位置之间以可旋转方式相对于彼此布置。在每种情况下，电动机的驱动轴和缆线滚筒与脉冲发射器盘刚性耦合，所述脉冲发射器盘由非接触式传感器进行采样。当铅锤撞击填充物质的表面时，铅锤的重量所带来的测量线路中的拉伸应力消失。
根据位移测量原理的用于液位测量和密度确定的其他设备根据DE3721164A1、DE2853360A1、DE2401486B2和DE2659416A1已知。
根据DE2853360A1已知一种具有位移体的液位计。该位移体设置有线，线能够缠绕在滚筒上或从滚筒馈送出。滚筒在电机的协助下由轴驱动，其中提供一种系统，用于确定作用在轴上的扭矩的变化。
在DE2659416A1中描述的是一种用于测量液位的设备，在该设备的情况下，液位的变化被转换成旋转运动。此外，磁头设置在臂上。磁头旋转与液位的变化相对应，在这种情况下，对磁场进行采样，所述磁场通过布置在盘的周边上的电导体产生。
DE2401486B2公开一种根据位移测量原理工作的料位显示装置，在该装置的情况下，缆线被缠绕在滚筒上或从滚筒离开，其中使计数盘旋转，且在这种情况下，连续的一系列脉冲经由保护气体所保护的触点开关产生，以提供馈送缆线长度的测量。
根据DE3721164A1已知一种料位测量装置，其包含浮体和线。浮体浮在液体表面（未示出）上。线缠绕在滚筒上，能够缠绕在此滚筒上或从其馈送出。测量轴与滚筒基底连接。如果液位变化，浮体浮在其上，则随其变化的还有由滚筒上的线施加的张力。线所施加的张力的该变化经由作为耦合部分作用的磁体的外环转换成测量轴扭矩。磁体的圆柱形外环与在滚筒的内部中的基底连接。为南极和北极的磁极交替布置在磁体的外环的圆周方向上。在与测量轴连接的磁体的内环上交替地实施的是数目与在磁体的外环上的相等的南和北磁极。电磁换能器例如霍尔元件在不同的磁极之间的交界区域中布置在磁体的内环的外周上。如果在待测量的液位的变化的情况下产生力，这会产生在磁体的外环和内环之间的相对运动，则在磁体的外环和内环之间存在的磁通的变化在电磁换能器中产生电信号，通过所述电信号测量轴的旋转使得在磁体的内环和外环之间的相对运动返回到零，在这种情况下，得到所达到液位的测量值。经由处于测量轴上的滑动触点，内滚筒中的电磁换能器的电信号被传输到伺服电机控制。这种机械输出具有以下缺点：其不能以无磨损的方式进行并且摩擦阻力产生扭矩变化，使得会发生测量不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据位移测量原理工作的用于料位测量的设备，其特点是结构简单和制造成本低，并提高机械测量灵敏度和测量精度。
目的通过一种机电料位测量装置实现，所述机电料位测量装置包括：浮体或位移元件，所述浮体或位移元件借助于线被悬挂且所述浮体或位移元件浮在水平待测量的液体上；外滚筒，所述外滚筒具有磁体的外环；内滚筒，所述内滚筒具有磁体的内环和电磁测量元件，所述电磁测量元件确定在磁体的内环和外环之间的磁场位移并输出测量值；测量轴，所述内滚筒与所述测量轴机械固定地连接；其中设置具有驱动轴的伺服电机，其中所述驱动轴与所述测量轴经由传动装置耦合，其中所述伺服电机根据从所述电磁测量元件的差值确定的控制信号经由所述传动装置旋转所述测量轴，使得通过由待测量的液位的变化所产生的所述外滚筒和所述内滚筒之间的相对运动使所述差值返回到零，并且根据所述测量轴的旋转确定当前料位测量值，其中传感器电子器件在所述内滚筒内布置在测量轴上并根据所述电磁测量元件的差值确定至少控制信号，径向旋转变压器实施在所述测量轴上，用于至少将控制信号从所述传感器电子器件传输到主电子器件，并用于至少向所述传感器电子器件供给能量。
在本发明的有益实施例中，径向旋转变压器通过双线缠绕初级绕组和双线缠绕次级绕组实施。
在本发明的进一步发展中，在所述传感器电子器件和所述主电子器件之间的控制信号和/或通信信号的传输经由所述径向旋转变压器借助于频移调制以数字方式进行。
在有益的进一步发展中，所述传感器电子器件的能量供给借助于经由所述径向旋转变压器供给的交变信号的整流来进行。
在本发明的有益实施例中，在所述传感器电子器件中进行所述电磁测量元件的差值评估和控制信号计算，并且经由所述旋转变压器提供数字传输。
在另外的实施例中，所述传感器电子器件至少包括一个次级解调器、一个次级调制器和一个电压供给单元。
在另一个实施例中，所述主电子器件至少包括一个初级解调器、一个初级调制器和一个振荡器。
在具体实施例中，所述初级调制器和所述振荡器集成和/或实施在所述主电子器件的微处理器中。
在有益的进一步发展中，所述初级解调器被实施在所述主电子器件中作为计数器。
在进一步发展中，所述主电子器件的初级调制器被实施为推挽末级，其利用所述径向旋转变压器和推挽放大器被实施为推挽转换器。
在具体实施例中，所述次级解调器在所述传感器电子器件中至少被实施为具有比较器的振荡电路。
在补充实施例中，在所述传感器电子器件中的电压供给单元包括至少一个整流元件和至少一个线性调节器。
附图说明
本发明的主题的其他细节、特征和优点根据下文说明与附图将变得显而易见，在附图中示出本发明的实施例的优选示例。在于附图中所示的本发明的实施例的示例中，为更好地概述并为简化，在结构和/或功能上对应的元件以相同的附图标记提供。其中：
图1为根据位移测量原理工作的用于确定料位的测量装置的实施例的示例，
图2为机电料位测量装置的示意图，
图3为本发明的机电料位测量装置的示意图，
图4为本发明的径向旋转变压器的视图，以及
图5为用于经由本发明的旋转变压器进行的数据和能量传输的调制解调电路的示意图。
具体实施方式
图1示出机械料位测量装置1，例如，机械料位测量装置1是受让人的储罐测量系统PROSERVO NMS53x储罐液位计，并且基于利用小位移元件11进行的位移测量的原理，小位移元件11悬挂在测量线路19上并在伺服电机3（图2）的协助下精确定位于在容器15中的液体14中。一旦容器15中的液体14的料位16上升或下降，位移元件11的位置由伺服电机3通过旋转具有测量滚筒12、13的测量轴10来调节。对测量滚筒12、13的旋转进行评估，以确定料位16。此外，进一步的测量变量如填充物质14的各个层的密度测量和分离层的确定能够利用该测量原理进行。
在现代工业工厂中，现场装置照例经由具有至少一个这里未明确示出的高级控制单元的总线系统24如例如经由PA、Foundation或总线系统连接。通过总线系统24上的控制单元控制的数据通信能够经由有线方式进行也能够经由无线方式进行。正常情况下，高级控制单元是PLC（可编程逻辑控制器）或DCS（分布式控制系统）。高级控制单元用于过程控制，用于过程可视化，用于过程监控，并且用于现场设备的启动和维修。
用于监控的处于控制单元中的SCADA（软件监督控制和数据采集）和过程的控制单元根据料位、压力、温度自然还有密度的测量值来计算例如作为填充物质14的液相和气相的液化气体的质量。经由Proservo储罐液位仪测量的料位例如在现场总线24上输出并且例如利用Endress+Hauser公司的现场总线接口（RTU8130）读入。其他过程数据、压力和温度经由OPC客户端/服务器接口馈送到监控系统中。数据在那里被计算后，其准备好由控制系统使用。
图2示出料位测量装置1，料位测量装置1利用相应地为浮体的位移元件11根据平衡浮子原理工作。相应地为浮体的位移元件11固定在相应地为测量线的测量缆线19的端部，并且最经常的是，测量缆线19的另一个端部作为单股（one ply）缠绕在相应地为外测量滚筒12的外缆线滚筒12上。
小位移元件11在小伺服电机3的协助下精确定位在相应地为液体填充物质的液体14中。位移元件11悬挂在相应地为缆线的测量线19上，测量线19以单股（以使缠绕直径保持相等）缠绕在相应地为外缆线滚筒的测量滚筒12上，测量滚筒12设有细槽并位于测量装置1的内部。外缆线滚筒12例如经由耦合磁体与内缆线滚筒13耦合。两个滚筒在空间上彼此完全隔离并通过滚筒壳体48隔绝密封。外磁体与外缆线滚筒12连接，内磁体与内缆线滚筒13连接。当内磁体旋转时，磁吸引力使外磁体跟随，从而使由外缆线滚筒12和内缆线滚筒13组成的整个滚筒组件在测量轴10上旋转。
当具有内缆线滚筒13的磁体旋转时，磁吸引力使在外缆线滚筒12上的外磁体跟随，从而使整个滚筒组件旋转。根据在测量线19上的位移元件11的重量，扭矩作用在外磁体上，由此产生磁通量的变化。作用在测量滚筒12、13的部件之间的这些磁场变化由在内测量滚筒13上的专用电磁测量换能器21例如霍尔传感器进行记录。测量换能器21的测量换能器信号42经由沿测量轴10的传感器信号线路22被引到在传动装置23的另一侧上的滑动触点，其中测量换能器信号42由传感器电子器件8进一步处理成重量测量信号40。该重量测量信号40利用位于测量轴10上的编码器20的位置数据信号41由在主电子器件7中的微处理器31进行评估，相应的电机控制信号39被传输到驱动电机3。驱动电机3通过电机控制信号39这样进行操作使得由在测量换能器21中的磁通量的变化所产生的电压被调节至由启动命令预定的电压。当位移元件11下沉且处于液体14的表面上时，位移元件11的重量被液体14的浮力减少。这样，在外缆线滚筒12与内缆线滚筒13之间的磁耦合中的扭矩变化。此变化例如通过作为测量元件21的五个温度补偿的霍尔检测器芯片测量。表示位移元件11的位置的位置数据信号41被传输到在主电子器件7中的电机控制电子器件44，如微处理器31。一旦液体14的水平上升或下降，位移元件11的位置由驱动电机3借助于传动装置23进行调节。对测量滚筒12的旋转进行准确评估，以精确地在+/-0.7mm内确定料位值16。
机电料位测量装置1的本实施例具有位于测量轴10上的滑动触点，用于将在内缆线滚筒13中的电磁测量换能器21的电测量换能器信号42传输到主电子器件7，特别是传输到具有伺服电机控制44的传感器电子器件8，机电料位测量装置1的本实施例具有的缺点是，测量换能器信号42经由滑动触点的机械分接不是无磨损的且通过摩擦阻力产生扭矩变化，因此，会导致测量不准确。
图3示出具有旋转变压器4的本发明的料位测量装置1。本发明的料位测量装置1的壳体50同样以隔绝密封方式分为滚筒壳体或滚筒空间48和电子器件隔室49。安置在测量轴10上的外缆线滚筒12位于滚筒空间48中。缆线滚筒12在其表面上具有细槽，测量线19在其中以单股进行缠绕，使得缠绕直径始终保持相同。外缆线滚筒12与内缆线滚筒13经由通过滚筒壳体48的壁进行作用的耦合磁体以磁-机械方式进行耦合。外磁体与外缆线滚筒12连接，内磁体与内缆线滚筒13连接，内缆线滚筒13位于安置在测量轴10上的电子器件隔室49中。外缆线滚筒12和内缆线滚筒13的测量轴10彼此分离，但精确地处于同一旋转轴线上。当磁体旋转时，外缆线滚筒12的外磁体的磁吸引力引起内缆线滚筒13跟随，以使由外缆线滚筒12与内缆线滚筒13组成的整个滚筒组件在两个测量轴10的同一旋转轴线上旋转。当位移元件11的位置由于液体14的水平变化而变化时，在外缆线滚筒12与内缆线滚筒13之间的磁耦合中的扭矩变化。该变化例如通过在内滚筒中的作为测量元件21的五个温度补偿的霍尔检测器芯片进行测量作为测量换能器信号42。该测量换能器信号42从传感器电子器件8经由本发明的旋转变压器4被传递到主电子器件7，特别是微处理器31，作为重量测量信号40。
由于重量测量信号40的径向旋转变压器4的良好传输特性，以及在相反方向上，来自主电子器件8的传感器电子器件8的可靠能量供给的机会，选项是将传感器电子器件8直接放置在测量元件21附近的内缆线滚筒13内。这使得能够进行测量元件21具体是霍尔传感器的更精确评估，并使得能够进行测量元件21的测量值的预处理。还可以将微处理器31集成在内缆线滚筒13中的传感器电子器件8中，以使利用电机控制信号39操作驱动电机3、校准霍尔传感器甚至确定料位16的任务能够直接在传感器电子器件8中完成。
位于电子器件隔室49中的驱动轴9上安装具有至少一个驱动电机3、至少一个传动装置23和至少一个编码器20的驱动单元47。经由在主电子器件7中的电机控制电子器件44的电机控制信号39，驱动电机3被操作并经由传动装置23借助于驱动力43直接驱动内缆线滚筒13或者驱动内缆线滚筒13位于其上的测量轴10。编码器20确定旋转运动并将其作为位置数据信号或旋转运动信号41传递回在主电子器件7中的电机控制器件44用于检查或控制。料位测量装置1经由现场总线24与控制站45连接并将料位16传送到控制站45。
图4示出具有旋转变压器4的本发明的料位测量装置1，旋转变压器4具有初级绕组17和次级绕组18。径向旋转变压器4的初级侧6与其初级绕组17能够相对于次级侧7与其次级绕组18自由机械旋转。旋转变压器4由作为定子的次级绕组18和作为在测量轴10上旋转的转子的初级绕组17组成。如在传统的变压器的情况下，围绕绕组的两部分铁氧体磁心38用于引导在两个绕组之间的磁通。
径向旋转变压器4在本发明的料位测量装置1中用于在测量元件21，相应地为传感器电子器件8与主电子器件7之间的信号传输装置，同时还在相反的方向上用于从主电子器件7的传感器电子器件8能量供给。初级绕组17与次级绕组18由约0.3mm的空气间隙彼此分开，因而能够跨越旋转变压器进行非常良好的信号和能量传递。
图5示出用于跨过本发明的旋转变压器4的数据和能量传输的本发明的调制解调电路。在DE102007060555A1中示出一种设备，所述设备用于借助于变压器经由负载调制或频率调制跨越变压器进行能量和数据传输。
对于能量传输，应用推挽转换器的原理，其借助于处于双线缠绕的两个初级线圈17之间的推挽放大器33被循环地开关用于有效反转。这样，在径向旋转变压器4的次级绕组18中产生交变磁通。由于在初级绕组17和次级绕组18中的磁通的磁极反转，推挽转换器的径向旋转变压器4不需要如在单端变压器的情况下通常存在的去磁绕组。传感器电子器件8的能量供给借助于通过推挽放大器33经由径向旋转变压器4馈送的交变信号的整流来进行。经由旋转变压器4传递的能量通过在传感器电子器件（8）中的电压供给单元（29）转换成对应的电源电压，其中电压供给单元（29）具有至少一个整流元件（36）和至少一个线性电压调节器（37）。
从初级侧6到次级侧7的数据传输利用设置在初级侧6上的相应地为振荡器的对应频率控制单元30进行，旋转变压器4的工作频率经由对应频率控制单元30根据频移键控方法变化。例如，通过振荡器30产生两个不同的频率范围，分别为160千赫兹的逻辑1和320千赫兹的逻辑0。振荡器30由初级调制器27操作且对应于所指定的频率开关推挽放大器33，推挽放大器33执行初级线圈17的开关。主电子器件7的初级调制器27实现为推挽末级，初级调制器27与径向旋转变压器4和推挽放大器33形成推挽转换器。主调制器27和振荡器30还能够集成和/或实现在主电子器件7的微处理器31中。
相反，从次级侧7到初级侧6的数据传输通过在次级侧7上的次级调制器25借助于负载调制来进行，由此在初级侧6上的检测是借助于在传输信号中的电压峰值。此负载变化在初级侧1上通过例如实现为计数器32形式的解调器28借助于在传输信号中的电压峰值进行检测并且同样相应地转换成逻辑信号。
参考标记列表
1 料位测量装置
2 传感器壳体
3 步进电机、伺服电机、驱动电机
4 径向旋转变压器
5 次级侧
6 初级侧
7 主电子器件
8 传感器电子器件
9 驱动轴
10 测量轴
11 位移元件、浮体
12 外缆线滚筒
13 内缆线滚筒
14 填充物质、介质、液体
15 容器
16 料位
17 初级绕组
18 次级绕组
19 测量线路、测量线
20 编码器
21 测量元件、测量换能器
22 传感器信号线路
23 传动装置
24 现场总线、双线式线路
25 次级调制器
26 次级解调器
27 初级调制器
28 初级解调器
29 电压供给
30 振荡器
31 微处理器、评估和控制系统
32 计数器
33 推挽放大器
34 振荡电路
35 比较器
36 整流元件
37 线性电压调节器
38 铁氧体磁芯
39 电机驱动信号、电机控制信号
40 重量测量信号
41 位置数据信号
42 测量换能器信号
43 驱动力
44 电机控制电子器件
45 控制站
46 连接缆线
47 驱动单元
48 滚筒空间、滚筒壳体
49 电子器件隔室
50 壳体

Claims (13)

1.一种机电料位测量装置，包括：
-浮体或位移元件，所述浮体或位移元件借助于线以非缠绕方式至少与外滚筒连接，
-所述外滚筒，所述外滚筒具有磁体的外环，
-内滚筒，所述内滚筒具有磁体的内环和电磁测量元件，所述电磁测量元件确定在磁体的内环和外环之间的磁场位移并输出测量值，
-测量轴，所述内滚筒与所述测量轴机械固定地连接，
-其中设置具有驱动轴的伺服电机，其中所述驱动轴与所述测量轴经由传动装置耦合，其中所述伺服电机根据从所述测量元件的差值确定的控制信号经由所述传动装置旋转所述测量轴，使得通过由待测量的液位的变化所产生的所述外滚筒和所述内滚筒之间的相对运动使所述差值返回到零，并且根据所述测量轴的旋转确定当前料位测量值，
其特征在于
传感器电子器件(8)，在所述内滚筒(13)内被布置在测量轴(10)上，以及
径向旋转变压器(4)，实施在所述测量轴(10)上，用于至少把所述控制信号从所述传感器电子器件(8)传输到主电子器件(9)，并用于至少向所述传感器电子器件(8)供给能量。
2.根据权利要求1所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述径向旋转变压器(4)由双线缠绕初级绕组(17)和双线缠绕次级绕组(18)实施。
3.根据权利要求1或2所述的机电料位测量装置，
其特征在于
在所述传感器电子器件(8)和主电子器件(9)之间的所述控制信号和/或通信信号的传输经由所述径向旋转变压器(4)借助于频移调制(FSK)以数字方式执行。
4.根据权利要求1所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述传感器电子器件(8)的能量供给借助于经由所述径向旋转变压器(4)馈送的交变信号的整流来进行。
5.根据权利要求3所述的机电料位测量装置，
其特征在于
在所述传感器电子器件(8)中执行所述电磁测量元件(21)的差值的评估和所述控制信号的计算，并且经由所述旋转变压器(4)提供数字传输。
6.根据权利要求4或5所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述传感器电子器件(8)至少包括一个次级解调器(26)、一个次级调制器(25)和一个电压供给单元(29)。
7.根据权利要求4所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述主电子器件(9)至少包括一个初级解调器(28)、一个初级调制器(27)和一个振荡器(30)。
8.根据权利要求5所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述主电子器件(9)至少包括一个初级解调器(28)、一个初级调制器(27)和一个振荡器(30)。
9.根据权利要求6所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述主电子器件(9)至少包括一个初级解调器(28)、一个初级调制器(27)和一个振荡器(30)。
10.根据权利要求7至9中的一项所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述初级调制器(27)和所述振荡器(30)集成和/或实施在所述主电子器件(9)的微处理器(31)中。
11.根据权利要求7至9中的一项所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述初级解调器(28)被实施在所述主电子器件(9)中作为计数器(32)。
12.根据权利要求7至9中的一项所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述主电子器件(9)的初级调制器(27)被实施为推挽末级，所述初级调制器(27)与所述径向旋转变压器(4)和推挽放大器(33)被实施为推挽转换器。
13.根据权利要求6所述的机电料位测量装置，
其特征在于
所述次级解调器(26)在所述传感器电子器件(8)中至少被实施为具有比较器(35)的振荡电路(34)，以及
在所述传感器电子器件(8)中的所述电压供给单元(29)包括至少一个整流元件(36)和至少一个线性调节器(37)。
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