CN104024811A - 用于确定和/或监视至少一个过程变量的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定和/或监视在容器(22)中的介质(21)的至少一个过程变量的设备，包括：机械可振荡单元(3)；机电换能器单元(4)，用于利用激励信号(AS)来感应可振荡单元(3)以机械地振荡，并且用于接收可振荡单元(3)的机械振荡并且将其转换为电接收信号(ES)。所述设备进一步包括电子单元，所述电子单元根据所述接收信号(ES)来至少确定和/或监视所述过程变量。本发明的特征在于：所述机电换能器单元(4)恰好具有一个线圈(41)，所述线圈(41)既用作驱动元件也用作接收元件。

Description

用于确定和/或监视至少一个过程变量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监视至少一个过程变量的设备，该设备包括：机械可振荡单元；机电换能器单元，其利用激励信号来激励可振荡单元执行机械振荡，并且从可振荡单元接收振荡且将其转换为电接收信号；以及，电子单元，用于基于接收信号来至少确定和/或监视过程变量。过程变量例如是在容器中的介质的料位、密度或粘度。
背景技术
在本领域中已知振荡叉，用于监视在容器中的液体的界限料位或用于密度或粘度测量。振荡叉形式的机械可振荡单元被机电换能器单元激励以执行谐振机械振荡。机电换能器单元接收可振荡单元的振荡，并且将它们转换为依赖于振荡特性的电接收信号。基于该电接收信号，可确定过程变量。对于料位测量，例如检测在谐振激励的情况下的振荡频率是否小于或大于预定的界限频率。如果振荡频率超过界限频率，则可振荡单元自由振荡；如果振荡频率未超过或小于界限频率，则可振荡单元被覆盖有介质。
基本上已知两种类型的换能器单元：压电的和电感的。压电的换能器单元具有或者用于激励和接收振荡的一个压电元件(例如，DE3931453C1)或者分别的至少一个激励器压电元件和一个接收器压电元件(例如，DE19720519A1)。电感换能器单元通常具有用于激励振荡的一个线圈和用于接收振荡的另一个线圈。然而，也已知使用用于激励振荡的线圈和用于接收振荡的压电元件(例如，DE4320411C2)。
在所称的一压电元件技术中，同一压电元件作为可振荡单元的机械振荡的发送器和接收器。通常，具有矩形波形的交流电压用于向压电元件供应电力。在向压电元件供应这样的矩形信号中，压电元件电容在矩形信号的每一个边缘处经历反向极化。这导致充电和放电电流。另外与机械移动对应的电流流动。为了评估机械振荡，将结果产生的电流经由电阻器转换为电压。充电和放电的电流在评估中表现出不期望的干扰信号。
这对于一个线圈在一定程度上也是如此。因为在发送的信号和接收的信号之间的强耦合，仅基于接收的信号难以提取可振荡单元的振荡产生的期望信号。因此，在电感驱动的情况下，经常不是通过线圈而是相反通过压电换能器单元来记录所接收的信号。然而，例如在强温度波动的情况下，压电元件所需的与可振荡单元的力耦合导致在压电换能器单元上的大的力。
发明内容
本发明的目的是提供一种上述类型的具有鲁棒性和去耦的驱动/接收单元的设备。
通过独立权利要求的特征部分的特征来相对于独立权利要求的前序的设备实现所述目的。在从属权利要求中给出了有益实施例。
本发明的一种用于确定和/或监视在容器中的介质的至少一个过程变量的设备包括：机械可振荡单元；机电换能器单元，用于利用激励信号来激励所述可振荡单元以执行机械振荡，并且用于接收所述可振荡单元的机械振荡，并且将其转换为电接收信号；以及，电子单元，其基于所述接收信号来至少确定和/或监视所述过程变量。所述机电换能器单元在这样的情况下包括线圈，所述线圈既用作驱动元件也用作接收元件。
所述电感换能器单元代表没有压电换能器的力互锁的有效驱动单元。在对于可振荡单元的冲击或高温波动的情况下，没有被传送到换能器单元的损害力。本发明的设备因此很鲁棒。而且，该设备制造起来简单和不昂贵。
在实施例中，所述设备包括具有至少一个基准线圈的基准元件，其中，该基准元件与机电换能器单元并联，并且被供应相同的激励信号，并且其中，所述基准元件产生不受可振荡单元的振荡影响的基准信号。所述电子单元基于所述接收信号和所述基准信号来提取期望信号，并且基于所述期望信号来确定和/或监视所述过程变量。在这个有益实施例中，所述设备包括具有所述换能器单元的测量分支和具有基准元件的基准分支，其中，从所述测量分支可分接(tappable)的是接收信号，并且从所述基准分支可分接的是基准信号。所述接收信号对应于干扰信号和表示了所述振荡的期望信号的叠加。所述干扰信号是在所述激励信号的极性改变的情况下的充电反向电流产生的。所述基准信号通过所述激励信号的极性改变产生的充电反向电流而引起。所述基准信号不包含振荡依赖部分。所述充电反向电流依赖于相应的分支的时间常数。如果所述测量分支和基准分支的时间常数相同，则所述期望信号例如通过从接收信号减去基准信号而被提取。在这样的情况下消除了在接收信号中包含的干扰信号。以这种方式，有可能使用作为发送器和接收器的一个线圈来记录高质量的依赖于振荡的期望信号，基于该信号，能够以高精度来确定过程变量。
在实施例中，所述基准元件包括电可调整规模的和与所述基准线圈电串联连接的第一组件。
在附加实施例中，所述换能器单元包括电可调整规模的和与所述线圈电串联连接的第二组件。优选的是，第一和第二组件具有相同的构造。
在实施例中，所述第一组件和/或所述第二组件是可变电阻器，特别是数字电位计。
实施例提供了所述第二组件的规模可调整，使得所述换能器单元具有可预定时间常数。
在实施例中，所述电子单元包括控制/评估单元，所述控制/评估单元将所述第一组件的规模控制为一值，在该值的情况下，在基于所述接收信号和所述基准信号提取的所述期望信号中的干扰信号的量值最小。
在进一步发展中，基于所述干扰信号来实施所述控制/评估单元以确定所述线圈的温度。
进一步发展包括：提供温度传感器，所述温度传感器确定在所述基准元件的位置处的温度；所述控制/评估单元根据所述期望信号中包含的所述干扰信号确定在所述线圈和所述基准元件之间的温度差；并且，所述控制/评估单元基于在所述基准元件的位置处的温度和所述温度差来确定所述线圈的温度。
在实施例中，所述设备监视所述过程变量的预定界限值；对所述设备可应用的预定温度范围，在所述控制/评估单元中存储当在相应温度下达到所述界限值的情况下依赖于所述过程变量的振荡特性具有的阈值；并且，所述控制/评估单元基于所确定的温度和与该温度相关联的阈值来监视所述预定界限值的超过或未超过。
附图说明
现在基于附图来更详细地描述本发明，其中：
图1是用于监视在容器中的料位的设备；
图2是该设备的框图。
具体实施方式
图1示出用于确定和/或监视在容器2中的介质21的预定料位、密度或粘度的设备1。可振荡单元3被形成为两个杆或齿的叉，该两个杆或齿经由膜而保持耦合并且因此可激励以执行机械振荡。该膜端部密封管状壳体，该管状壳体被安装在容器2上，使得可振荡单元3位于与待监视的料位对应的高度处。具有线圈41和磁体的电感换能器单元4位于壳体中，经由该线圈41和磁体，可振荡单元3可激励以执行振荡，并且以电信号的形式可接收可振荡单元3的振荡。在这样的情况下在向壳体内部突出的振荡杆的突出部分上布置线圈41和磁体，使得两个振荡叉能够被换能器单元4激励以与它们的纵轴垂直的相反地感测的移动。振荡激励的控制和振荡的评估通过电子单元而发生，该电子单元包括模拟部件和数字部件两者。
通常，可振荡单元3被激励以进行谐振。至少一个控制/评估单元6例如以微控制器或FPGA(现场可编程门阵列)的形式位于电子单元中。控制/评估单元6参照要确定的过程变量来评估电接收信号。例如，对于料位确定，控制/评估单元6将振荡频率与预定界限频率作比较。如果振荡频率小于界限频率，则可振荡单元3被覆盖有介质21；如果振荡频率大于界限频率，则可振荡单元3自由振荡。
使用振荡叉的示例来描述本发明。然而，本发明在具有诸如以振荡杆的形式的可振荡单元3的、其他种类的可振荡单元3的测量设备的情况下同样适用。
图2示出本发明的设备的框图。信号发生器7产生具有矩形波形的交流电压。该激励信号AS被馈送到机电换能器单元4和基准元件5。优选地以下述方式来选择激励信号AS的频率，使得在换能器单元4的激励信号AS和接收信号ES之间存在预定相移。通常，该相移达到用于激励谐振振荡的90°。机电换能器单元4精确地具有一个线圈41，该一个线圈41用于激励可振荡单元3以执行机械振荡，并且同样也用于接收振荡。基准元件5同样具有一个线圈41，该线圈在此被称为基准线圈51，线圈41和基准线圈51在各种情况下经由电阻器42、52被供应激励信号。基准元件5模拟在激励信号AS的影响下的换能器单元4的行为，而不受可振荡单元3的振荡影响。基准元件5除了所示部件之外还可具有其他部件。例如，也可以提供电容器和电阻器，使得将基准线圈51的传送行为与线圈41的传送行为更好地匹配。
换能器单元4的线圈41的响应信号由被激励信号引起的依赖于振荡的期望信号和充电反向电流产生的干扰信号构成。这个接收信号ES位于第一电压记录系统8的输出上。基准线圈51的响应信号不包含振荡依赖部分，并且仅由充电反向电流引起的干扰信号构成。该基准信号RS位于第二电压记录系统9的输出上。接收信号ES和基准信号RS被馈送到差分放大器10。该差分放大器基于接收信号ES提取期望信号NS。如果利用换能器单元4的线圈41形成的和通过基准元件5形成的RL单元的时间常数相等，则在基准信号RS中和在接收信号ES中的干扰信号抵消，并且来自差分放大器10的输出信号对应于纯期望信号NS。
在一个有益实施例中，与基准线圈51串联连接的第一电阻器52是例如数字电位计形式的可变电阻器。这使得能够进行温度补偿。在基准温度处，因为相同的时间常数，在接收信号ES中和在基准信号RS中的干扰信号不是不同。然而，线圈41的电感具有温度依赖性。这种依赖性影响由线圈41和第二电阻器42形成的RL单元的温度依赖时间常数，并且导致在接收信号ES中包含的干扰信号的改变。基准线圈51的电感同样是温度依赖的。然而，因为另一个温度可以在基准线圈51处比在换能器单元4的线圈41处更具支配地位，或者基准元件5和换能器单元4的时间常数也可以具有不同的温度依赖性，在接收信号ES中和在基准信号RS中的干扰信号可以采用不同的形式。这样，在差值形成中接收信号ES中的干扰信号不再被消除，并且在期望信号NS中包含补充的干扰信号KS。干扰信号KS可以导致降低的测量精度。
可调第一电阻器52使得能够补偿在期望信号NS中产生的干扰信号KS。基准元件5的时间常数被可变第一电阻器52主动可控，使得基准元件5的时间常数与换能器单元4的时间常数持久匹配。
向陷波滤波器11馈送期望信号NS，陷波滤波器11把依赖于实际振荡的期望信号和另外的干扰信号KS彼此分离。对于这一点，由陷波滤波器11阻挡的频率被设置为振荡依赖的期望信号的频率，或被设置为激励频率。优选的是，陷波滤波器11可控，使得在可变激励频率的情况下，总是可以滤掉适当的频率。取代陷波滤波器11，例如，也可以使用高通滤波器。控制/评估单元6控制第一电阻器52的值，使得在期望信号NS中包含的干扰信号KS具有最小幅度。在该状态中，基准元件5的时间常数最佳地匹配到换能器单元4的时间常数。
有益地，控制/评估单元6包括采样设备，该采样设备在时间上的预定采样点处采样干扰信号KS。在时间上的采样点优选地对应于在其激励信号具有极值的时间点。在借助于基准信号RS在接收信号ES中的干扰信号的完全补偿的情况下，在期望信号中的干扰信号KS的幅度在这些时间点处是0。在与0不同的幅度的情况下，采样设备的逻辑单元将采样值的符号与在这个时间点处的激励信号的符号作比较，并且基于该比较来确定要校正第一电阻器52的值的方向。基于采样的幅度，该逻辑单元对应地确定量值，通过该量值来校正所述值。
而且，优选的是，也可调整与换能器单元4的线圈41串联连接的第二电阻器42的规模。例如，第二电阻器42同样是数字电位计。然而，第二电阻器42的调整仅出现一次，并且不在测量操作期间被改变。在这样的情况下，选择第二电阻器42的规模，使得由第二电阻器42和线圈41形成的RL单元在预定基准温度处具有预定的时间常数。选择或设置基准线圈51的电感和第一电阻器52的电阻值，使得基准元件5在基准温度处具有相同的时间常数。通过第二电阻器42的可调的电阻值，换能器单元4的时间常数的值可被调整为预定值，并且可以通过软件来消除因为在所使用的组件中的变化导致的波动。这特别有益于制造，因为对于不同的相同构造的测量设备1，在各种情况下，可以设置相同的时间常数。然后能够将基准元件5调整为预定时间常数，并且不必对于每一个测量设备1不同地进行设置。以这种方式，可以最佳地利用可变第一电阻器52的值范围。第一和第二电阻器42、52可变的另一个有益效果是在具有换能器单元4的测量分支中和在具有基准元件5的基准分支中，相同的寄生效应出现，使得当通过不同差分放大器10来产生期望信号NS时这些效应理想地被完全消除。
具有可变第一电阻器52的基准元件5的实施例除了温度补偿之外也提供了用于记录线圈41的温度的机会。温度的知晓有益于提高设备的测量精度。例如，可振荡单元3的刚度以及对于确定过程变量可评估的振荡特性随着温度改变，过程变量例如为振荡特性、谐振频率、振荡幅度和在激励信号和接收信号之间的相移。振荡特性的温度依赖性因此导致该设备的测量的温度依赖的精度。在知晓温度的情况下，例如，可以补偿过程变量的温度依赖性或依赖于过程变量的振荡特性的温度依赖性，或建立用于监视过程变量的界限值。例如，根据温度来修改界限频率，为了料位监视，当前振荡频率与该界限频率比较。可以用表格的形式来提供与不同的温度相关联的界限值，或者，借助于公式来进行适配。
能够基于通过陷波滤波器11提取的干扰信号KS来确定线圈41的温度。干扰信号KS的幅度越高，则测量温度与基准温度的温度改变越大。然而，因为第一电阻器52的电阻值的重复的重新调整，所以干扰信号KS的幅度不是温度的良好度量。然而，第一电阻器52的电阻值与在线圈41的位置处的温度唯一性相关，使得可以基于该电阻值来进行温度确定。为了温度确定，优选地在控制/评估单元6中提供特征曲线，该特征曲线给出了第一电阻器52的电阻值的温度依赖性。
同样有可能使用辅助信号来用于温度测量，该辅助信号与用于确定过程变量的激励信号不同地位于在可振荡单元3的谐振频率周围的谐振范围外部。在差分放大器10的输出因此仅存在温度依赖的干扰信号。
根据线圈的选择，基准线圈51的电感与换能器单元4的线圈41相同，可以具有或多或少强度的温度依赖性。在该情况下，仅能够基于在期望信号NS中的干扰信号KS确定在线圈41和基准线圈51之间的温度差。为了确定在线圈41处的温度，在基准线圈51附近布置温度传感器。基于基准线圈51的温度和所测量的温度差，能够确定在线圈41处的温度。
附图标记的列表
1   测量设备
2   容器
21  介质
3   可振荡单元
4   换能器单元
41  线圈
42  第二电阻器
5   基准元件
51  基准线圈
52  第一电阻器
6   控制/评估单元
7   信号产生单元
8   电压记录系统
9   电压记录系统
10  差分放大器
11  陷波滤波器

Claims (10)

1.用于确定和/或监视在容器(22)中的介质(21)的至少一个过程变量的设备(1)，包括：
机械可振荡单元(3)；
机电换能器单元(4)，所述机电换能器单元(4)用于利用激励信号(AS)来激励所述可振荡单元(3)以执行机械振荡，并且用于接收所述可振荡单元的机械振荡，并且将其转换为电接收信号(ES)；以及，
电子单元，所述电子单元基于所述接收信号(ES)来至少确定和/或监视所述过程变量，
所述设备的特征在于，所述机电换能器单元(4)包括线圈(41)，所述线圈(41)既用作驱动元件也用作接收元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述设备(1)包括具有至少一个基准线圈(51)的基准元件(5)，其中，所述基准元件(5)与所述机电换能器单元(4)并联连接并且被供应相同的激励信号(AS)，并且其中，所述基准元件(5)产生不受所述可振荡单元(3)的振荡影响的基准信号(RS)，并且
所述电子单元从所述接收信号(ES)和所述基准信号(RS)提取期望信号(NS)，并且基于所述期望信号(NS)来确定和/或监视所述过程变量。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，
所述基准元件(5)包括第一组件(52)，该第一组件(52)是电可调整规模的且与所述基准线圈(51)电串联连接。
4.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，
所述换能器单元(4)包括第二组件(42)，该第二组件(42)是电可调整规模的且与所述线圈(41)电串联连接。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，
所述第一组件(42)和/或所述第二组件(52)是可变电阻器，特别是数字电位计。
6.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，
所述第二组件(42)的规模可调整，使得所述换能器单元(4)具有可预定时间常数。
7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，
所述电子单元包括控制/评估单元(6)，所述控制/评估单元(6)把所述第一组件(52)的规模控制到一值，在该值的情况下，在从所述接收信号(ES)和所述基准信号(RS)提取的所述期望信号(NS)中的干扰信号(KS)的量值最小。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，
基于所述干扰信号(KS)来实施所述控制/评估单元(6)以确定所述线圈(41)的温度。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，
提供温度传感器(7)，所述温度传感器(7)确定在所述基准元件(5)的位置处的温度；
所述控制/评估单元(6)根据所述期望信号(NS)中包含的所述干扰信号(KS)确定在所述线圈(41)和所述基准元件(5)之间的温度差；并且，
所述控制/评估单元(6)基于在所述基准元件(5)的位置处的温度和所述温度差来确定所述线圈(41)的温度。
10.根据前述权利要求之一所述的设备，其特征在于，
所述设备(1)监视所述过程变量的预定界限值的超过或未超过；
对所述设备(1)可应用的预定温度范围，在所述控制/评估单元(6)中存储当在相应温度下达到所述界限值的情况下依赖于所述过程变量的振荡特性具有的阈值；并且，
所述控制/评估单元(6)基于所确定的温度和与该温度相关联的阈值来监视所述预定界限值的超过或未超过。
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