CN105444837A - 一种音叉物位计及其监测物位的方法、系统 - Google Patents

Abstract

一种音叉物位计及其监测物位的方法、系统，该方法包括下列步骤：压电陶瓷感应音叉棒的振动并输出相应的电信号，处理器实时采集电信号的电压幅值，根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料；同时监控电信号的频率变化趋势，根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料，结合频率的变化趋势判断音叉棒是否受腐蚀；在没有接触物料的状态下，根据频率变化值判断受腐蚀程度，当受腐蚀程度严重而影响设备工作可靠性时，输出腐蚀报警。

Description

一种音叉物位计及其监测物位的方法、系统

技术领域

本发明涉及过程控制与自动化领域，具体涉及一种音叉物位计监测物位的方法。

背景技术

目前，音叉物位计是一种广泛应用于工业环境的物位开关，也常被称为音叉式物位开关或者音叉式物位控制器。它是利用音叉振动的原理设计的，采用压电器件实现音叉棒的振动驱动与检测。不接触物料时，音叉在谐振频率下产生自由振动，当音叉与被测物料接触时，音叉的振动振幅明显减小，压电检测器件的输出信号幅度随之减小，信号变化由智能电路检测分析并输出一个开关信号。简单的说，音叉在压电器件激励下产生机械振动，这种振动具有一定的频率和振幅。

在一些腐蚀性很强的使用环境中，现有技术中的音叉物位计容易受腐蚀，使得压电陶瓷接收的振动信号发生改变，从而使得音叉物位计在监测物位时的可靠性降低，容易出现误报。而现有技术中缺少对音叉棒腐蚀的监测。

发明内容

本发明申请提供一种音叉物位计监测物位的方法，该方法包括下列步骤：压电陶瓷感应音叉棒的振动并输出相应的电信号；处理器对电信号进行采样，获取电压幅值和频率；根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料；监控电压幅值和频率的变化趋势；根据电压幅值和频率的变化趋势以及音叉棒是否接触物料判断音叉棒是否受严重腐蚀。

进一步的，当满足以下条件时判断音叉棒受严重腐蚀：音叉棒未接触物料；电压幅值呈现下降趋势且电压变化幅值大于电压变化阈值；频率呈现上升趋势且频率变化值大于频率变化阈值。

进一步的，当判断音叉棒受严重腐蚀后输出腐蚀报警提示信息。

进一步的，根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料包括：将连续采集的多个电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值以及电压中位值进行比较；根据比较结果判断音叉棒是否接触物料。

进一步的，当判断音叉棒未接触物料时，查看音叉物位计的使用状态。当音叉物位计处于高料位使用状态，则输出正常无料状态提示信息；当音叉物位计处于低料位使用状态，则输出无料报警提示信息。

将连续采样的多个电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值和电压中位值进行比较，根据比较结果判断音叉棒是否接触物料。由于采样的电压幅值是多个连续的，且通过与电压上限值、电压下限值和电压中位值进行多次比较，就算音叉物位计瞬间受到外力撞击或电气受干扰，导致电压幅值瞬间不稳定，也不影响处理器判断音叉棒的使用状态，能更准确可靠地监测物位。

附图说明

图1为音叉物位计结构图；其中1.音叉棒，2.第一组压电陶瓷，3.第二组压电陶瓷，4.处理器；

图2为电信号电压幅值采样原理框图；

图3为电信号频率采样原理框图；

图4为音叉物位计监测物位方法的流程图；

图5为音叉物位计监测物位时电压幅值和频率循环判断原理框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

音叉物位计的一种结构如图1所示，包括：音叉棒1、第一组压电陶瓷2、第二组压电陶瓷3和处理器4，第一组压电陶瓷2和第二组压电陶瓷3分别与音叉棒1的末端接触，音叉棒1的前端突出，用于接触物料，音叉棒1在第一组压电陶瓷2的驱动下产生振动；第二组压电陶瓷3感应音叉棒1的振动并输出相应的电信号给处理器4；处理器4实时采样并处理第二组压电陶瓷3输送过来的电信号，通过采样得到电压幅值和振动频率，处理缓存电压幅值和频率，监测电压幅值和频率的变化趋势，再与预设的电压变化阈值和频率变化阈值比较判断。

在一种具体实施例中，处理器4作为监测物位的系统，包括采样单元、第一监控单元和第二监控单元，采样单元用于接收压电陶瓷感应音叉棒1的振动而输出的电信号，并对电信号进行采样，获取电压幅值和频率；第一监控单元用于监控电压幅值，根据电压幅值变化趋势判断音叉棒1是否接触物料；第二监控单元用于监控电压幅值和频率的变化趋势，根据电压幅值和频率的变化趋势以及音叉棒1是否接触物料判断音叉棒1是否受严重腐蚀。

请参考图4，音叉物位计监测物位的方法流程包括以下步骤。

在步骤S101中，压电陶瓷感应音叉棒1的振动并输出相应的电信号，第一组压电陶瓷2驱动音叉棒1振动，第二组压电陶瓷3感应音叉棒1的振动并输出相应的电信号给处理器4。再执行步骤S102。

在步骤S102中，处理器4实时对电信号进行采样。

在步骤S103中，根据采样值获取电压幅值和频率。在具体实施例中，可以将采样值直接作为电压幅值，也可以将多个采样值平均后作为电压幅值。由于电压幅值采用多个缓冲电压均值计算，即使音叉物位计瞬间受到外力撞击或电气受干扰时，使得电压幅值瞬间不稳定，也能保证电压幅值真实有效。

在步骤S104中，根据电压幅值判断音叉棒1是否接触物料。在具体实例中，可将电压幅值和设定电压阈值进行比较：

1.当音叉棒1处在高料位时，根据经验将音叉棒1没有接触物料时的电压幅值设定为电压阈值。当电压幅值低于设定电压阈值时，认为音叉棒1接触物料，否则认为音叉棒1没有接触物料。例如：设定电压阈值1.5V,当电压幅值等于1.3V时，则认为音叉棒1接触物料；当电压幅值等于1.5V时，则认为音叉棒1没有接触物料；

2.当音叉棒1处在低料位时，根据经验将音叉棒1接触物料时的电压设定为电压阈值。当电压幅值高于设定阈值时，认为音叉棒1没有接触物料，否则认为音叉棒1接触物料。例如：设定电压阈值等于0.7V,当电压幅值等于1.3V时，则认为音叉棒1没有接触物料；当电压幅值等于0.7V时，则认为音叉棒1接触物料。

在另一具体实例中，采用通带判断方案，将电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值和电压中位值进行比较：

1.当音叉棒1处在高料位时，根据经验将音叉棒1没有接触物料时的电压幅值来设定电压上限值和电压下限值，再计算出电压中位值。例如：预设电压上限值是1.45V,电压下限值是1.37V,电压中位值就是1.41V。而实时连续监测出来的电压幅值U1＝1.43V.U2＝1.38V.U3＝1.42V.U4＝1.39V.我们可认为这四个电压幅值都是在预设的电压上限值1.45V、电压下限值1.37V和电压中位值1.41V这个通带中，认为电压幅值变化趋势是不变的，则判断音叉棒1是没有接触物料；当U5＝1.38V,U6＝1.37V,U7＝1.35V,U8＝1.33V时，电压幅值变化趋势是下降时，不在预设的电压上限值1.45V、电压下限值1.37V和电压中位值1.41V这个通带中，则认为音叉棒1接触物料；

2.当音叉棒1处在低料位时，根据经验将音叉棒1接触物料时的电压幅值设定电压上限值和电压下限值，再计算出电压中位值。例如：预设电压上限值是0.56V,电压下限值是0.42V,则电压中位值就是0.49V。而实时连续监测出来的电压幅值U9＝0.55V.U10＝0.53V.U11＝0.51V.U12＝0.54V.则我们认为这四个电压幅值都是在预设的电压上限值0.56V、电压下限值0.42V和电压中位值0.49V这个通带中，认为电压幅值变化趋势是不变的，则认为音叉棒1接触物料；当U13＝0.52V,U14＝0.54V,U15＝0.57V,U16＝0.59V时，电压幅值变化趋势是上升时，不在预设的电压上限值0.56V、电压下限值0.42V和电压中位值0.49V这个通带中，则认为音叉棒1没有接触物料。

因有时音叉物位计瞬间受到外力撞击或电气受干扰时，使得压电陶瓷接收的振动信号不稳定，时高时低。而使用将采样的电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值和电压中位值进行比较，能更加准确的监测物位。

当S104判断音叉棒1有接触到物料时，则下一步执行步骤S107，输出接触物料提示。当判断音叉棒1没有接触到物料时，则下一步执行步骤S105。

在步骤S107后，再执行步骤S101。

通过电压幅值监测判断的原理是这样的：当音叉棒1没有接触到物料时，音叉棒1产生共振，做简谐振动；当音叉棒1接触到物料时，音叉棒1振动的频率和振幅将减小，导致振动能量下降，而检测电压幅值的大小是反映振动能量的大小，此时的检测电压幅值是低于音叉棒1没有接触物料时的电压幅值。

在步骤S105中，根据电压幅值和频率的变化趋势判断音叉棒1是否受严重腐蚀，将连续采样的电压幅值和频率与预设的电压变化阈值和频率变化阈值进行比较，当电压幅值呈现下降趋势且电压变化幅值大于电压变化阈值，频率呈现上升趋势且频率变化值大于频率变化阈值时，则执行步骤S106。否则，则执行步骤S101。其中，电压变化幅值为基准电压幅值减去当前电压幅值的差值，频率变化值为当前频率减去基准频率的差值。

通过电压幅值下降和频率上升监测判断的原理是这样的：音叉棒1在正常没有接触到物料状态下是处于简谐振动状态，由于音叉棒1的频率跟音叉棒1的质量成反比关系，当音叉棒1受到严重腐蚀时，音叉棒1质量下降，频率上升，所以腐蚀后的频率比基准频率高；另外，当音叉棒1受到严重腐蚀时，音叉棒1的简谐振动状态被破坏，导致振动能量下降，而由于监测电压幅值的大小是反映振动能量的大小，所以监测电压幅值比基准电压幅值低。

在步骤S106中，输出腐蚀报警提示。判断音叉棒1为受严重腐蚀状态，提示用户更换音叉物位计或其他。

请参考图2、图3、图5，以下说明音叉物位计监测物位和腐蚀的具体过程。

设备上电，监测物位程序运行。

首先，运行MCU底层I/O口驱动程序、各功能初始化程序。

接着，运行自检程序。自检不通过，则产生自检报警事件，并转回自检程序入口，循环进行自检。如果通过，则运行循环监测物位程序。

在E2PROM里根据测量现场对检测的实时性、可靠性和音叉本体特性，预先设定电压幅值上限值VOL_UP和电压幅值下限值VOL_LOW。

电压中位值VOL_MED则可以通过求E2PROM里预先设定的电压上限值VOL_UP和电压下限值VOL_LOW用算术平均值得出：VOL_MED＝(VOL_UP+VOL_LOW)/2。

首先对电信号进行等间隔采样，t0时刻，模数转换ADC开启启动转换电压幅值信号。并且，t0时刻采样值同时存在四个不同的ADC通道缓冲区:ADC_memory1、ADC_memory2、ADC_memory3、ADC_memory4。接着，求4个缓冲电压均值：

ADC_AVG＝(ADC_memory1+ADC_memory2+ADC_memory3+ADC_memory4)/4。

同时，E2PROM预设定采样中断时间值ADC_TIME，将每一次ADC中断取的ADC_AVG值赋予VOL_Tn。则，电压幅值进入循环判断流程输入量：VOL_Tn＝ADC_AVG(∞>n≥0)。进一步的，按照上述方法得到所述电压幅值的实时监测值VOL_Tn、VOL_Tn+1、VOL_Tn+2……，分别进行如下循环判断。

电压幅值在Tn时刻数值VOL_Tn，Tn+1时刻数值VOL_Tn+1，首先与电压中位值VOL_MED比较，会输出两种结果，大于或小于等于电压中位值VOL_MED。

一.当输出Tn时刻数值VOL_Tn大于电压中位值VOL_MED或Tn+1时刻数值VOL_Tn+1大于电压中位值VOL_MED时，Tn+2时刻电压幅值VOL_Tn+2与电压下限值VOL_LOW比较，会输出两种结果，大于或小于等于电压下限值VOL_LOW：

1.当输出Tn+2时刻电压幅值VOL_Tn+2大于电压下限值VOL_LOW时，从Tn+3到Tn+14时刻的12个电压值VOL_Tn+3...VOL_Tn+14继续和电压下限值VOL_LOW比较，如果还是大于电压下限值VOL_LOW，接下来判断音叉物位计此时是处于高料位使用状态(H)还是低料位使用状态(L)，如果是高料位使用状态，程序则判断该位置没有物料，输出正常无料状态指示事件。如果是低料位使用状态，程序则判断该位置没有物料，输出无料报警指示事件；

2.当输出Tn+2时刻电压值VOL_Tn+2小于等于电压下限值VOL_LOW时，Tn+3时刻的电压值VOL_Tn+3继续和电压下限值VOL_LOW比较，如果还是小于等于电压下限值VOL_LOW，则Tn+4时刻的电压值VOL_Tn+4和电压上限值VOL_UP比较，如果小于等于电压上限值VOL_UP，接下来判断音叉物位计此时是处于高料位使用状态(H)还是低料位使用状态(L)，如果是低料位使用状态，程序则判断该位置有物料，输出正常有料状态指示事件。如果是高料位使用状态，程序则判断该位置有物料，输出有料报警指示事件。

二.当输出Tn时刻数值VOL_Tn小于等于电压中位值VOL_MED或Tn+1时刻数值VOL_Tn+1小于等于电压中位值VOL_MED时，Tn+2时刻电压值VOL_Tn+2与电压上限值VOL_UP比较，会输出两种结果，大于或小于等于电压上限值VOL_UP：

1.当输出Tn+2时刻电压值VOL_Tn+2大于电压上限值VOL_UP时，从Tn+3时刻的电压值VOL_Tn+3继续和电压上限值VOL_UP比较，如果还是大于电压上限值VOL_UP，则从Tn+4到Tn+16时刻的13个电压值VOL_Tn+4...VOL_Tn+16和电压下限值VOL_LOW比较，如果还是大于电压下限值VOL_LOW，接下来判断音叉物位计此时是处于高料位使用状态(H)还是低料位使用状态(L)，如果是高料位使用状态，程序则判断该位置无物料，输出正常无料状态指示事件。如果是低料位使用状态，程序则判断该位置无物料，输出无料报警指示事件；

2.当输出Tn+2时刻电压值VOL_Tn+2小于等于电压上限值VOL_UP时，接下来判断音叉物位计此时是处于高料位使用状态(H)还是低料位使用状态(L)，如果是高料位使用状态，程序则判断该位置有物料，输出正常有料状态指示事件。如果是低料位使用状态，程序则判断该位置有物料，输出有料报警指示事件。

进一步的，当程序输出正常无料状态指示事件或者输出无料报警指示事件后，接下来则进入音叉棒1腐蚀判断中断服务程序。

通过压电陶瓷检测电路采集频率周期信号，接着经过带通滤波器，定时器开启中断计数，过零检测计数测频fn,fn+1,fn+2,fn+3......。求出频率均值：favg＝{fn+(fn+1)+(fn+2)+(fn+3)}/4，则频率进入循环判断流程输入量：fth_Tn＝favg。并赋值给判断变量fth_Tn。

同理，将Tn时刻的电压幅值VOL_Tn赋值给传递参数VPP。进行如下循环判断：在中断服务程序中，实时监测频率变化值和电压变化幅值，其中，频率变化值即频率均值fth_Tn与基准频率fth0的差值；电压变化幅值即电压基准幅值VPP0与电压幅值VPP的差值，并将电压变化幅值和频率变化值分别与E2PROM中预先设置的电压变化阈值ΔV0、频率变化阈值Δf0进行比较，

如果频率变化值大于频率变化阈值，即频率均值fth_Tn减去基准频率fth0大于频率变化阈值Δf0，且电压变化幅值大于电压变化阈值，即电压基准幅值VPP0减去电压幅值VPP大于电压变化阈值ΔV0，则输出严重腐蚀报警指示事件。否则，跳出中断服务程序，转到循环判断音叉棒1有无接触物料程序入口，继续运行监测物位判断程序。

下表为音叉物位计监测物位判断原理表：

从上面的表格中，可以得出以下几点：

1.当音叉物位计设在高料位时，有料时，也即音叉棒1接触物料，电压幅值VPP应当是下降的，但这时，程序不能判断电压幅值VPP下降是因为音叉棒1接触物料还是受腐蚀引起的，这时无法判断有无腐蚀。

2.当音叉物位计设在高料位时，无料时，也即音叉棒1没有接触物料。在音叉棒1没有受腐蚀时电压幅值VPP应当是不变的，但如果发现频率变化值大于频率变化阈值，且电压变化幅值大于电压变化阈值，即fth_Tn－fth0＞Δf0，VPP0－VPP＞ΔV0时，这时可以判断音叉棒1受严重腐蚀。

3.当音叉物位计设在低料位时，有料时，也即音叉棒1接触物料，电压幅值VPP应当是趋于零。但这时，程序不能判断电压幅值VPP趋于零是因为音叉棒1接触物料还是受腐蚀引起的，这时无法判断有无腐蚀。

4.当音叉物位计设在低料位时，无料时，也即音叉棒1没有接触物料，在音叉棒1没有受腐蚀时电压幅值VPP相对于有料时的趋于零应当是上升的。但如果发现频率变化值大于频率变化阈值，且电压变化幅值大于电压变化阈值，即fth_Tn－fth0＞Δf0，VPP0－VPP＞ΔV0时，这时可以判断音叉棒1受严重腐蚀。

5.从上面的四条，可以反过来推理，在音叉物位计判断无料状态后，通过频率变化值大于频率变化阈值，且电压变化幅值大于电压变化阈值，即fth_Tn－fth0＞Δf0，VPP0－VPP＞ΔV0时，可以判断音叉棒1受严重腐蚀。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种音叉物位计监测物位的方法，其特征在于，包括下列步骤：

压电陶瓷感应音叉棒的振动并输出相应的电信号；

处理器对电信号进行采样，获取电压幅值和频率；

根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料；

监控电压幅值和频率的变化趋势；

根据电压幅值和频率的变化趋势以及音叉棒是否接触物料判断音叉棒是否受严重腐蚀。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当满足以下条件时判断音叉棒受严重腐蚀：

音叉棒未接触物料；

电压幅值呈现下降趋势且电压变化幅值大于电压变化阈值；

频率呈现上升趋势且频率变化值大于频率变化阈值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当判断音叉棒受严重腐蚀后输出腐蚀报警提示信息。

4.如权利要求1至3中任一所述的方法，其特征在于，根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料包括：

将连续采集的多个电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值以及电压中位值进行比较；

根据比较结果判断音叉棒是否接触物料。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当判断音叉棒未接触物料时，查看音叉物位计的使用状态。当音叉物位计处于高料位使用状态，则输出正常无料状态提示信息；当音叉物位计处于低料位使用状态，则输出无料报警提示信息。

6.一种音叉物位计监测物位的系统，其特征在于包括：

采样单元，用于接收压电陶瓷感应音叉棒的振动而输出的电信号，并对电信号进行采样，获取电压幅值和频率；

第一监控单元，用于监控电压幅值，根据电压幅值变化趋势判断音叉棒是否接触物料；

第二监控单元，用于监控电压幅值和频率的变化趋势，根据电压幅值和频率的变化趋势以及音叉棒是否接触物料判断音叉棒是否受严重腐蚀。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当满足以下条件时第二监控单元判断音叉棒受严重腐蚀：

音叉棒未接触物料；

电压幅值呈现下降趋势且电压变化幅值大于电压变化阈值；

频率呈现上升趋势且频率变化值大于频率变化阈值。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，当判断音叉棒受严重腐蚀后输出腐蚀报警提示信息。

9.如权利要求6至8任一所述的系统，其特征在于，第一监控单元用于将连续采集的多个电压幅值和预设的电压上限值、电压下限值以及电压中位值进行比较，根据比较结果判断音叉棒是否接触物料。

10.一种音叉物位计，其特征在于,包括：

音叉棒；

第一组压电陶瓷，用于驱动音叉棒振动；

第二组压电陶瓷，用于感应音叉棒的振动并输出相应的电信号；

处理器，用于对电信号进行采样，获取电压幅值和频率，监控电压幅值和频率的变化趋势，根据电压幅值判断音叉棒是否接触物料，根据电压幅值和频率的变化趋势以及音叉棒是否接触物料判断音叉棒是否受严重腐蚀。