CN107250760A - 用于确定和/或监视介质的至少一个过程变量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监视介质(3)的至少一个第一过程变量的装置以及一种用于操作所述装置的方法，所述装置至少具有至少一个电子单元(4)和传感器单元(2)，所述电子单元(6)被实施为向所述传感器单元(2)提供由具有激励载波频率(fT)的激励载波信号(8)和具有激励调制频率(fM)的激励调制信号(9)组成的激励信号(7)，并且从所述传感器单元(2)接收由接收载波信号(11)和接收调制信号(12)组成的接收信号(10)，并且其中，所述电子单元(6)被实施为从所述激励调制信号(9)和所接收的调制信号(12)之间的相移中确定至少所述第一过程变量。

Description

用于确定和/或监视介质的至少一个过程变量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于至少采用电子单元和传感器单元确定和/或监视介质的至少一个过程变量的装置，以及用于操作该装置的方法。介质位于例如容器、储罐或者管线中。
背景技术
应用在过程和/或自动化技术中的是许多不同的用于确定和/或监视至少一个过程变量尤其是物理或化学过程变量的场设备。在这种情况下涉及的设备例如是料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、pH-氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等，这些设备分别记录对应的过程变量、料位、流量、压力、温度、pH值和电导率。场设备典型地包括至少一个至少局部地并且至少有时接触过程的传感器单元以及例如用于信号记录、评估和/或馈送的电子单元。在本发明的上下文中提到的场设备原则上是所有的测量设备，这些设备在过程附近应用并且传递或处理过程相关信息，因此同样指远程I/O、无线电适配器以及通常在现场级设置的电子元件。大量的这种场设备由Endress+Hauser公司生产和销售。许多不同的测量原理应用于记录各个过程变量的是，这些原理可从大量的出版物中获知。单独地并且详细地讨论本发明技术方案所适合的每种场设备将是超过必要的。因此，如下描述集中于具有可振荡单元的料位测量设备，其中在适当的位置处，参考了本发明技术方案的其它可能应用。
也被称为电子振动传感器的这种场设备，尤其是在料位测量设备的情况下，具有例如振荡叉、单杆或膜作为机械可振荡单元。在操作期间借助于通常是机电换能器单元形式的驱动/接收单元进行激励，以执行机械振荡。换能器单元可以例如是压电驱动或者电磁驱动。然而，在具有至少一个可振荡单元的流量测量设备的情况下，该单元也可以被实施为介质流动通过的可振荡管，可振荡管的一个示例是根据Coriolis原理工作的测量设备。
申请人生产了品种繁多各种各样的相应场设备，并且在料位测量设备的情况下例如以商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT进行销售。基础的测量原理基本上是已知的。另一方面，驱动/接收单元借助于电子激发信号电气激励信号来激发激励机械可振荡单元，以便执行机械振荡。另一方面，驱动/接收单元接收机械可振荡单元的机械振荡并将它们转化为电子接收信号电气接收信号。相应地，驱动/接收单元或者是独立的驱动器单元和独立的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。
为了激励机械可振荡单元，已经研发了非常多样化的模拟和数字方法两者。在许多情况下，驱动/接收单元是反馈电气振荡电路的部分，借助于其激励机械可振荡单元，从而发生执行机械振荡。例如，对于谐振振荡，放大因子必须≥1，并且必须满足振荡电路条件，根据振荡电路条件，在振荡电路中产生的所有相位总计达360°的倍数。
为了满足振荡电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的某个相移。为此，已知非常多样化的技术方案。原则上，例如使用适当的滤波器，或者也借助于被控制成提供可预定的相移即预期值的控制回路，能够实现相移的调节。例如，从DE102006034105A1中可知的是使用可调谐相移器。相反，在DE102007013557A1中描述了具有可调节的放大因子的放大器的附加集成，用于振荡幅度的附加控制。DE102005015547A1使用了全通滤波器。而且，借助于频率搜索操作来调节相移是可能的，诸如例如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中所公开的。然而，借助于锁相回路，相移也可以被控制到可预定值。这种激励方法是DE00102010030982A1的主题。
激励信号以及还有接收信号两者由频率、幅度和/或相位表征。为了确定特定的过程变量，诸如例如容器中介质的预定料位或者介质的密度和/或粘度，或者在流量测量设备的情况下通过管或管道的介质流量，通常考虑这些变量中的变化。在用于液体的电子振动限制水平开关的情况下，例如区分可振荡单元是被液体覆盖还是自由地振荡。在这种情况下，例如基于不同的谐振频率从而基于频移来区分这两种状态，即自由态和覆盖状态。
反过来，仅当可振荡单元被介质覆盖时，可以采用这种测量设备确定密度和/或粘度。从DE10050299A1、DE102006033819A1和DE102007043811A1中可知的是基于频率-相位曲线(Φ＝g(f))来确定介质的粘度。该过程是基于可振荡单元的阻尼对所涉及介质的粘度的相关性。为了消除密度对测量的影响，基于由相位的两个不同值导致的频率改变从而借助于相对测量来确定粘度。
相反，根据DE10057974A1，为了确定和/或监视介质的密度，确定并补偿了例如粘度的至少一个扰动变量对机械可振荡单元的振荡频率的影响。在DE102006033819A1中进一步公开了设定激励信号和接收信号之间的可预定相移，在这种情况下，来自于介质的粘度变化对机械可振荡单元的机械振荡的影响是可忽略的。在该相移处，能够建立用于确定密度的经验公式。
为了采用某种场设备记录不同的过程变量，因此在每种情况下，必须应用不同的实施例和方法来操作场设备。即使当许多过程变量是可借助于场设备确定时，在许多情况下，必须中断对第一过程变量的确定，以便能确定第二过程变量。然而，期望借助于一个场设备可同时并且连续地确定许多过程变量，并且变量之间无相互影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于确定和/或监视至少一个过程变量的装置以及用于操作该装置的方法，其中能够确定至少一条其它信息，例如另外的物理或者化学变量或者过程变量。
根据本发明，该目的通过用于确定和/或监视介质的至少第一过程变量的包括电子单元和传感器单元的装置得以实现，其中所述电子单元被实施为向所述传感器单元提供由具有激励载波频率的激励载波信号和具有激励调制频率的激励调制信号组成的激励信号，并且从所述传感器单元接收由接收的载波信号和接收的调制信号组成的接收信号，并且其中所述电子单元被实施为从激励调制信号和接收的调制信号之间的相移中确定至少第一过程变量。由于激励信号是由激励载波信号和激励调制信号组成的，接收的载波信号和接收的调制信号能够彼此独立地被评估。因此，对借助于场设备由传感器单元接收的接收信号的评估，许多通道是可能的。调制、优选幅度调制不会影响载波信号的评估。有利地，激励调制频率相对于激励载波频率是小的。
在本发明的优选进一步发展中，所述电子单元被实施为从所述激励载波信号和接收的载波信号之间的相移中确定至少第二过程变量。然而，应当理解，多于两个过程变量也是可确定的。因此，从接收的调制信号中、例如从激励调制信号和接收的调制信号之间的相移中计算第一过程变量，并且从接收的载波信号中计算第二过程变量。第二过程变量随后可以例如从激励载波频率中计算，诸如尤其是在确定料位的情况下，例如借助于LIQUIPHANT器具从接收的载波信号的幅度中或者从激励载波信号和接收的载波信号之间的相移中计算。借助于本发明的装置，两个过程变量在有利地无相互影响的情况下可确定。
在本发明的优选进一步发展中，所述传感器单元包括至少一个机械可振荡单元，尤其是振荡叉、单杆或膜。然而，它同样可以包括可振荡保持的管。所述装置因此是电子振动传感器，或料位测量设备或流量测量设备。
有利地，所述电子单元被实施为确定和/或监视介质的预定料位、密度或者粘度。所述第一或第二过程变量因此可以尤其是预定料位、密度或者粘度。
在本发明的实施例中，激励载波信号和接收的载波信号之间的相移被控制到可预定值。例如，可预定的相移能够以这种方式进行控制，使得可振荡单元执行谐振振荡。例如，这可以对应于90°的相移。反过来，为了确定密度，有利的是控制相移使得其对应于所谓的粘度独立角，例如，对于LIQUIPHANT设备，粘度独立角是45°。
本发明的特别优选的实施例涉及所述电子单元被实施为从所述激励调制信号和接收的调制信号之间的相移中确定阻尼。所述激励调制信号和接收的调制信号之间的相移取决于激励载波频率、激励调制频率和阻尼。由于前两个变量是已知的，因此能够确定阻尼。在电子振动传感器的情况下，阻尼例如由可振荡单元的内部阻尼和由可振荡单元在介质中的振荡运动所引起的外部阻尼组成。外部阻尼取决于介质的粘度，并且能够在已知内部阻尼的情况下相应地被确定。相反地，在已知外部阻尼的情况下可以确定内部阻尼，这取决于传感器的状态，并且能够指示发生吸积形成、腐蚀或者甚至老化效应。现在，真实情况是内部阻尼相对于总阻尼而言通常是小的。因此通过简化，同样有可能考虑内部阻尼作为用于计算外部阻尼的典型值。在这种情况下，甚至可以在没有为内部阻尼独立确定的值的情况下确定粘度。
相应地，有利的是包含电子单元，以便从阻尼中确定至少介质的粘度。在本发明的优选实施例中，通过调节激励调制频率将激励调制信号和接收的调制信号之间的相移控制到45°。以这种方式，可以以减少的计算工作确定阻尼，诸如下面将结合对附图的描述进行解释的。
而且，本发明的目的通过用于至少使用电子单元和传感器单元确定和/或监视介质的至少第一过程变量的方法得以实现，其中所述传感器单元被提供由具有激励载波频率的激励载波信号和具有激励调制频率的激励调制信号组成的激励信号，其中接收由接收的载波信号和接收的调制信号组成的接收信号，并且其中从激励调制信号和接收的调制信号之间的相移中确定至少第一过程变量。本发明的方法因此使得能够彼此独立地评估接收的载波信号和接收的调制信号。调制、优选幅度调制不会影响载波信号的评估。有利地，激励调制频率相对于激励载波频率而言是小的。
在本发明方法的情况下，有利的是从接收的载波信号中确定至少第二过程变量。
有利地，确定和/或监视容器中介质的预定料位或者介质通过管线的流量。然后，这些变量之一尤其是第一或第二过程变量。
本发明的方法的进一步发展涉及激励载波信号和接收的载波信号之间的相移被控制到可预定值。可预定相移的值尤其是以这样一种方式进行选择，使得可振荡单元执行谐振振荡，或者使得可预定的相移对应于粘度独立角。
有利地，从激励调制信号和接收的调制信号之间的相移中确定阻尼。在电子振动传感器的情况下，阻尼例如由可振荡单元的内部阻尼和由可振荡单元在介质中的振荡运动所引起的外部阻尼组成。
同样有利地，从阻尼中确定至少介质的粘度。因此，借助于电子振荡料位测量设备可以连续地确定预定料位或密度和粘度。而且，与诸如上面所描述的那些的现有技术的常规方法相比，连续地确定预定料位和粘度的机会提供的优势是传感器振荡并不需要总是被重新启动。因此，与这些现有的方法相比，仅在介质的明显较高粘度处发生振荡终止。而且，在本发明技术方案的情况下，实际的谐振振荡即由激励载波信号所引起的振荡不受调制振荡的影响，密度或者粘度借助于振荡被确定，并且振荡由激励调制信号进行激励。
最后，通过调节激励调制频率，激励调制信号和接收的调制信号之间的相移能够有利地被控制到45°。这导致计算工作减少，诸如下面在对附图的描述中所指示的那样。
附图说明
现在将基于附图更加详细地描述本发明及其有利的实施例，如下显示了本发明的图1-4：
图1是根据现有技术的电子振动传感器的示意图，
图2(a)是随时间而变的激励载波信号，并且(b)是随时间而变的激励载波信号和接收的载波信号，
图3是本发明的电子单元的方框图，以及
图4是本发明的电子单元的第二实施例的方框图。
具体实施方式
图1示出了电子振荡料位测量设备1。具有振荡叉形式的机械可振荡单元4的传感器单元2部分地伸入到位于容器中的介质3内。借助于激励/接收单元5来激励可振荡单元4，以便执行机械振荡，并且可振荡单元4可以是例如压电堆或者双压电晶片驱动。也可以采用电子振荡料位测量设备的其它实施例。而且，示出了执行信号记录、信号评估和/或信号馈送的电子单元6。
根据本发明，用于驱动可振荡单元4的激励信号7由激励载波信号8和激励调制信号9组成，并且通过示例的方式在图2a中被示出为随时间而变。具有激励调制频率fM的激励调制信号9可见为具有激励载波频率fT的激励载波信号8的包络。从可振荡单元4接收的接收信号10与激励信号7一起被示出在图2b中，同样随时间而变。接收信号10同样由两部分组成，即接收的载波信号11和接收的调制信号12。尽管激励载波信号8和激励调制信号9的频率未改变，但是接收信号10具有与激励信号7的幅度不同的幅度。而且，在激励信号7和接收信号10之间出现相移，二者均关于载波信号(8、11)以及关于调制信号(9、12)。
下面将解释为什么可振荡单元4的阻尼可以借助于激励信号7的幅度调制而被确定。为此，需要可振荡单元4的振荡运动的数学描述。根据选择了哪个几何学和哪个边界条件，可以建立不同的方程。然而，计算很快变为大量的，为此，下面选择了一个非常简化的表示，也就是将可振荡单元4作为具有传递函数G(s)的理想阻尼谐波振荡器：
在这种情况下，持有如下定义：V是角频率ω＝0处的放大率，D是阻尼，ω0是无阻尼情况下的谐振频率，并且s1和s2是在振荡情况下的谐振频率，这意味着在这种情况下，其中D＜1，由下式给出：
诸如在图2a中示出的激励信号7L(t)可以在数学上被表示为：
L(t)＝AmpC·cos(ωC·t)·[(mo)·cos(ωM·t)+1]
其中AmpC和ωC是载波信号的幅度和频率，并且mo和ωM是调制信号的幅度和角频率。
为了计算可振荡单元4对激励信号7的系统响应，借助于部分分式分解将激励信号7分解为三个被加数。对于每个被加数，随后可以进行拉普拉斯变换，并且可以独立地计算系统响应。对于谐振激励，因此对于其中ωC＝ω0的这种情况，其隐含地意味着激励载波信号和接收的载波信号之间的相移为90°，这随后导致总的系统响应，除了可能的暂态振荡现象之外。基于逆变换的系统响应，可以依次从以下的复值振幅中计算激励调制信号和接收的调制信号之间的相移：
系统响应GL_mod的调制振荡是
有并且相移是
当假定调制振荡频率明显小于振荡系统在无阻尼的情况下的谐振频率时，该方程可以被显著地简化，因此在ωM＜＜ω0的情况下：
通过变换，获得可振荡单元在谐振激励处的阻尼
当通过调节激励调制频率将激励调制信号9和接收的调制信号12之间的相移设定为45°时，可以实现另一种简化；在这种情况下，阻尼变为
对于ωC≠ω0时的载波信号的任何频率，考虑是更加复杂的。
最后，图3和4示出了两个方框图，具有对电子振动料位测量设备的用于本发明的电子单元6‘和6“的两个可能实施例。
在图3示出的实施例的情况下，借助于机电换能器单元5(未示出)来激励可振荡单元4，机电换能器单元5是反馈振荡电路的部分，为此，借助于滤波器(90°滤波器)和放大器13以及自动放大器控制(AGC)14来设定激励载波信号8和接收的载波信号10之间的相移。采用调制振荡，其同时是控制回路的操控变量，可以确定振荡系统的阻尼。
激励载波信号8或载波振荡的频率fT(信号a)根据振荡电路条件在振荡电路中建立其本身。被调制到该信号上的是具有激励调制频率fM的激励调制信号9(信号b)。从这里产生总激励信号c，该信号在首次经过数字模拟转换器15之后被提供到可振荡单元4。随后从可振荡单元4接收的接收信号10(信号d)在载波频率fT和调制频率fx方面等同于激励信号7(信号c)。然而，激励信号7(信号c)和接收信号10(信号d)在幅度方面不同。而且，关于载波信号8、11并且关于调制信号9、12两者，两个信号之间存在相移。
在经过模拟数字转换器16之后，接收信号10(信号d)到达由90°滤波器和放大器组成的单元13。由于载波信号8、11产生的谐振振荡相移由90°滤波器13确定，并且产生可振荡单元4的谐振的+90°相移。然而，小得多的调制振荡9、12未被滤波器13相移。
在AGC 14内，接收信号10(信号e)随后被清除调制振荡9、12并且再次变为激励载波信号(信号a)。AGC 14的操纵变量(信号f)现在只包括接收的调制信号12(信号f)。激励调制信号9(信号b)和接收的调制信号12(信号f)之间的相移由相位计17确定并馈送到相位评估单元18，相位评估单元18考虑激励调制频率fM从激励调制信号9(信号b)和接收的调制信号12(信号f)之间的相移中确定阻尼，并且例如，从阻尼中确定粘度。
本发明的电子单元的第二种变体6“是图4的主题。用于确定可振荡单元4的谐振振荡的振荡电路未发生改变，从而该方面不再进行描述。与图3相比，区别在于激励调制频率fM现在是可调节的。因此，仅电路频率ω0和ωM仍进入评估。而且，如已经解释的，激励调制信号9(信号b)和接收的调制信号12(信号f)之间45°相移导致用于粘度的简化公式。因此，除了用于确定激励调制信号9(信号b)和接收的调制信号12(信号f)之间的相移的相位计17和相位评估单元18之外，也提供了相位控制电路19，以便获得可调节的预期相位(45°)。经由相位控制回路19，激励调制频率fM以这样一种方式被设定，使得激励调制信号9和接收的调制信号11之间的相移合计为45°。随后从测量的对应于激励载波频率fT的谐振频率ω0和设定的激励调制频率ωM中获得阻尼。
参考符号列表
1 电子振动传感器
2 介质
3 容器
4 可振荡单元
5 机电换能器单元
6 电子单元
7 激励信号
8 激励载波信号
9 激励调制信号
10 接收信号
11 接收的载波信号
12 接收的调制信号
13 90°滤波器和放大器
14 AGC
15 D/A转换器
16 A/D转换器
17 相位计
18 相位评估单元
19 相位控制单元
UA 激励信号
UE 接收信号
fM 激励载波频率
fT 激励调制频率
D 阻尼
ω0 无阻尼振荡器的谐振频率
ωM 调制的频率
ωC 载波频率
V 谐振器在ω＝0处的放大率
AmpC 载波频率的激励幅度
Mo 调制幅度

Claims (15)

1.一种用于确定和/或监视介质(3)的至少第一过程变量的装置，所述装置包括电子单元(4)和传感器单元(2)，其中所述电子单元(6)被实施为：
向所述传感器单元(2)提供由具有激励载波频率(fT)的激励载波信号(8)和具有激励调制频率(fM)的激励调制信号(9)组成的激励信号(7)，
并且从所述传感器单元(2)接收由接收的载波信号(11)和接收的调制信号(12)组成的接收信号(10)，
并且其中，所述电子单元(6)被实施为从所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移中确定至少所述第一过程变量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电子单元(6)被实施为从所接收的载波信号(8)中确定至少第二过程变量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述传感器单元(2)包括至少一个机械可振荡单元(4)，尤其是振荡叉、单杆或膜。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述电子单元(6)被实施为确定和/或监视所述介质(3)的预定料位、密度或者粘度。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述激励载波信号(8)和所述接收的载波信号(11)之间的相移被控制到可预定值。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述电子单元(6)被实施为从所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移中确定阻尼。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述电子单元(6)被实施为从所述阻尼中确定至少所述介质(3)的粘度。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中通过调节所述激励调制频率(fM)将所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移控制到45°。
9.一种用于至少采用电子单元(6)和传感器单元(2)确定和/或监视介质(3)的至少第一过程变量的方法，
其中向所述传感器单元(2)提供由具有激励载波频率(fT)的激励载波信号(8)和具有激励调制频率(fM)的激励调制信号(9)组成的激励信号(7)，
其中接收由接收的载波信号(11)和接收的调制信号(12)组成的接收信号(10)，
并且其中从所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移中确定至少一个过程变量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中从所述接收的载波信号(11)中确定至少第二过程变量。
11.根据权利要求9或10中至少一项所述的方法，其中确定和/或监视所述介质(3)的预定料位、密度或者粘度。
12.根据权利要求9-11中至少一项所述的方法，其中所述激励载波信号(8)和所述接收的载波信号(11)之间的相移被控制到可预定值。
13.根据权利要求9-12中至少一项所述的方法，其中从所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移中确定阻尼。
14.根据权利要求9-13中至少一项所述的方法，其中从所述阻尼中确定至少所述介质(3)的粘度。
15.根据权利要求9-14中至少一项所述的方法，其中通过调节所述激励调制频率(fM)将所述激励调制信号(9)和所述接收的调制信号(12)之间的相移控制到45°。
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