CN109196315A - 电容式限位开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液体或可倾倒介质(1)的电容式限位开关，包括测量电极(3)，测量电极(3)突出到容器(2)中并与容器(2)和装置接地(4)形成电路，其中测量电极(3)处的阻抗取决于介质(1)的存在；以及控制单元(5)，包括信号发生器(6)和包括四个开关二极管的互补受控二极管桥(7)，其中测量信号在时域中检测，并且其中通过测量电极(3)处的幅度响应的频谱分析确定开关点，其中测量电极是谐振系统的一部分，信号发生器(6)是脉冲串发生器，二极管桥(7)用作连接到可控延迟电路(8)的采样保持开关，并且存在用于评估测量电极(3)处的测量信号的幅度响应的计算单元，其将受介质(1)影响的脉冲串信号的频谱与不受介质(1)影响的已知脉冲串信号的频谱进行比较；脉冲串信号的频谱的信号能量的基本部分集中在空状态和满状态的谐振区域周围，并且脉冲串响应的检测时间是测量系统的谐振频率的10到20个周期长度。

Description

电容式限位开关
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于监测填充有液体或可倾倒介质的容器的液位的电容式限位开关。
背景技术
长期以来，电容式液位传感器被用于确定液位、介质类型或作为限位开关。这种测量方法的主要优点在于它不需要任何移动部件，并且在某些情况下，甚至可以通过由电绝缘材料制成的壳体壁来进行测量。
申请人生产和销售用于水基介质的名为LMT100的和用于油和脂肪的名为LMT110的电子液位传感器。
EP1352220B1示出了根据渡越时间方法工作的测量设备，其中高频(脉冲串)信号被耦合到电线中，并且基于时间扩展的接收信号来确定渡越时间，其中通过受控延迟电路和互补受控二极管桥来获得时间扩展。对于限位开关，这种布置显得过于复杂，特别是由于提取接收信号所需的定向耦合器。
DE102008027921B4示出了一种用于液位传感器的导纳测量装置，其包括谐振测量电极和作为同步整流器的互补控制的二极管桥。在此，介质的液位和类型基于谐振频率来确定，谐振频率又通过以"摆动"来测量幅度响应来确定，即：通过特定的频率范围。然而，通过相关频率范围需要一定的时间量，在该时间量中不可避免地会发射电磁辐射。
DE102009060742A1公开了一种电容式限位开关，在该电容式限位开关中，根据第一实施例，测量电极被顺序地施加有不同频率的脉冲串信号，使得在每个步骤中，可以检测并评估频谱的一个点。
在另一实施例中，提出了包含所有频率的陡沿脉冲信号的发射，通过快速傅立叶变换采样和评估其阶跃响应。
一方面由于脉冲信号的稳定时间而导致相对长的测量时间，另一方面包括在脉冲信号中的频率分量被认为是不利的，这些频率分量是测量所不需要的，并且增加噪声发射，而且还导致装置的额外加温。
发明内容
本发明的目的是在不损失精度的情况下缩短实际测量时间。此外，应当减少材料的使用并且应当降低生产成本。
此外，目的还在于避免对于进行测量所不需要的频率分量的发射，以更好地利用传输能量，减少噪声发射并避免设备不必要的升温。
该目的通过权利要求1的特征来实现。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
本发明的基本思想是在时域中测量，但是将评估转移到频域中，这借助于脉冲串信号来完成，该脉冲串信号包括在待测量系统的空谐振和由有时非常不同的液体或可倾倒介质形成的谐振频率之间的频率范围的基本分量。由于高频信号的原因，有利地通过欠采样来进行测量信号的检测。
为此，使用的是包括所有所需频率分量但避免不必要的频率分量的脉冲串信号，而非已知的陡沿激励脉冲。因此，频谱能量密度主要在感兴趣的频率范围内增加，这导致上述优点。
在另一个有利的实施例中，选择由两个脉冲组成的脉冲串而不限制本发明。
本发明的优点尤其在于，只有系统的脉冲串或脉冲串响应必须在时域中被采样，并且可以在微控制器或信号处理器中执行进一步的处理。通过当今的数字技术，产生脉冲串远比产生稳定的变频高频正弦信号容易，这显著地减少了分量的数量并因此减少了成本。
通过时间扩展因子，可以将测量时间与采样率之间的比率设置在宽的范围内而不会损失精度并且以这种方式优化。
附图说明
以下将参照附图更详细地解释本发明.
图1以简化的框图示出了根据本发明的测量装置；
图2详细示出了用作采样装置的互补驱动二极管桥；
图3示出了在具有和不具有介质的测量电极3处测量的时间信号；以及
图4示出了具有和不具有介质的相关频谱。
具体实施方式
图1示出了容器2内的介质1，其具有测量电极3，测量电极3突出到容器中并且经由显示为接地端子的容器2的环境电容性地耦合到装置接地4，从而形成闭合的交流电路。
这里示出为微控制器的控制单元5产生切换边沿，该切换边沿被提供给脉冲串发生器6和由控制单元5控制的延迟电路8，其中脉冲串发生器6产生电压信号。
示出为双脉冲的脉冲串经由电阻器R提供给测量电极3并且因此也提供给介质1，其中高频交流电流经由容器2的环境并且电连接或者在所提及的测量频率下电容连接提供给装置接地4，并且因此也提供给脉冲串发生器6。测量电极3处的电感L表明它是谐振系统，即使在没有介质1的空状态下，谐振系统也具有谐振频率。
当介质1接触测量电极3时，谐振频率根据介质1的相对介电常数(介电常数)而改变。另一方面，谐振幅度根据介质1的导电性及其介电损失而改变。
测量电极3处的幅度响应首先被检测为用作谐波滤波器的低通滤波器9之后的电压值，然后基于所测量的电压来计算阻抗或电容。
电压测量通过二极管桥7进行，二极管桥7由四个快速开关二极管组成，并由互补(采样)信号驱动。
在二极管桥7的输出端处产生的由X表示的信号被提供给模拟-数字转换器，该模拟-数字转换器不必布置在控制单元5中并且其端子在此由Y表示。
这可以直接经由由X和Y指定的终端或者经由用于液位调节和滤波的互连调节器来完成。随后，可以纯数字地处理信号。
最后，控制单元5具有二进制开关输出S和用于指示开关状态的LED。为了方便说明，省略了诸如电源、操作元件或本领域技术人员已知的总线端子的限位开关的其它组件。
测量电极3处的幅度响应的频谱分析是通过借助于离散傅里叶变换(DFT)确定在那里测量的脉冲串响应的频谱，并且将其与脉冲串信号的频谱点相比较来进行的，脉冲串信号在空状态的相同位置处测量并且存储在控制单元5中或微控制器的外围中。通过该比较，然后确定测量电极处的阻抗。
在有利的实施例中，不是将所确定的频谱与空状态的频谱进行比较，而是将所确定的频谱与完全没有测量电极3的状态进行比较。因此，所需的测量可以在安装测量电极3之前或者用分离的测量电极3来完成。还可以想到的是，在没有新的测量的情况下，为相关的设备类型定义该频谱并将其存储在设备中。
在没有测量电极3的情况下，谐振远远高于所考虑的频率范围，因为谐振仅由电感L和印刷电路板的自电容形成。因此，获得感兴趣频率范围内的未扰动频谱，借此现在可以将空状态和不同填充状态进行比较。
测量系统的共振频率很可能在可达100-200MHz的范围。根据奈奎斯特定理，需要小于最高采样频率的周期长度的一半的采样间隔。
因此，例如，为了以125kHz的频率分辨率检测高达200MHz的频率范围，需要8μs的检测时间范围，其必须以小于2.5ns的间隔被采样，这是对信号调节和模拟-数字转换器的相当大的挑战。在计算上，必须处理超过400MSPS(每秒百万个样本)，这对于廉价的限位开关是不可接受的，尤其是由于这种布置的功率要求。
当脉冲串响应已经下降到不再包括显著的信号分量时，可以终止测量。这意味着，当测量时间延长时，在感兴趣的频率范围内的幅度响应几乎不再有明显的变化。
通过测量，发现测量系统的谐振频率在大约10到20个周期之后的情况依然是这样的。精确的值取决于谐振系统中的损耗。
谐振测量系统一方面由于介质的损耗而衰减，另一方面由于传感器中连接的电子电路的损耗和直接在谐振电路中的测量线圈的损耗电阻而衰减。与具有大损耗的情况相比，低损耗导致更长的必要检测时间。
基于该知识，可以在仅100到200纳秒之后完成测量而没有精度损失。
然而，欠采样需要多次重复脉冲串激励。由于测量信号的类似脉冲的性质，与纯正弦激励相比，可以减少电磁辐射的发射。
本领域技术人员可以已知的方式从汤姆逊振荡方程、振荡幅度和带宽并因此从幅度响应来确定测量电极处的电容和介电损耗。
应当注意，在图中由虚线包围的组件，特别是脉冲串发生器6和延迟电路7，不需要这样单独地存在，它们的功能可以作为程序由微控制器来实现，或者作为硬件或软件用合适的集成电路10来实现。
对于微控制器，在此讨论ST-Microelectronics的STM32F334系列，其也可以实现用于评估测量电极3处的测量信号的幅度响应的计算单元的功能，其中要将要由傅里叶变换确定的由介质1影响的脉冲串信号的频谱与不受介质1影响的已知脉冲串信号的频谱进行比较。
图2详细示出了图1所示的二极管桥7的示例性实施例。从由可变延迟电路8生成的采样信号生成两个互补边缘，每个互补边缘由微分器在两个脉冲中转换，这两个脉冲自然遵循e函数，但是被认为近似矩形，其中两个轮廓区域象征图1中所示的两个方波发生器。
互补采样信号被提供给二极管桥7的控制端子，使得其对于来自低通9的信号是短期导通的。欠采样(也称为时间扩展)以已知的方式借助于时钟信号和采样信号之间的小相移(差拍)来实现，该小相移(差拍)由控制单元5确定并且通常为3至4个数量级。
图3示出了在测量电极3处测量的脉冲串信号。这里示出了通过欠采样获得的测量电极3处的脉冲串信号的时间曲线。电压以伏特为单位，时间以纳秒(ns)为单位。由11表示的曲线示出了没有介质1的幅度响应，由12表示的曲线示出了具有介质1的幅度响应5。
由于介质1的附加容量，脉冲串信号在时间上稍微分开，这对应于图中所示的测量电极系统的谐振频率的向低频方向的偏移。
图4示出了与测量信号相关联并且通过具有和不具有介质1的离散傅里叶变换(DFT)产生的频谱。用22表示的没有介质1的频谱的最小值大约在75MHz，而用21表示的具有介质1的频谱由于上述效果而被移动到60MHz以下。
通过指定脉冲串的参数，可以影响脉冲串的频谱，使得信号能量的基本分量包括测量系统的在空状态和满状态下的谐振频率，其中脉冲串信号的频谱的基本部分集中在空状态和满状态的谐振区域周围。
一个振荡的两个周期的脉冲串，其频率接近测量系统在空状态和满状态下的谐振频率的中心，似乎是特别有利的，其中它也可以是以所述频率作为基频的方波信号。
结果，脉冲串的频谱的最大值以及因此信号能量的最大值最佳地位于测量范围内。如果脉冲串中的振荡数目增加，则可用带宽变得越来越小。如果处于空状态或满状态的谐振频率的信号能量变得非常小，则易受干扰和噪声影响的检测变得越来越麻烦。
然而，如果提供的系统其测量系统在空状态和满状态下的谐振频率彼此更接近，则具有例如三个振荡的脉冲串可以是更有利的。
此外，振荡形式不一定必须是矩形的。正弦形状也提供了优点，但是借助于数字技术(微控制器)可以相当简单地产生矩形振荡。
参考符号
1 介质
2 容器
3 测量电极
4 装置接地
5 控制单元，微控制器
6 脉冲串发生器
7 二极管桥
8 可变延迟电路
9 低通
10 集成电路(ASIC、FPGA、DSP)，可选
11 在没有介质1的测量电极3处的脉冲串信号
12 在具有介质1的测量电极3处的脉冲串信号
21 对有介质1的测量信号进行傅里叶变换(频谱)
22 对无介质1的测量信号进行傅里叶变换(频谱)

Claims (5)

1.用于液体或可倾倒介质(1)的电容式限位开关，包括测量电极(3)，所述测量电极(3)突出到容器(2)中并与容器(2)和装置接地(4)形成电路，其中测量电极(3)处的阻抗取决于介质(1)的存在；以及控制单元(5)，包括信号发生器(6)和包括四个开关二极管的互补受控二极管桥(7)，其中测量信号在时域中检测，并且其中通过测量电极(3)处的幅度响应的频谱分析来确定开关点，其中测量电极是谐振系统的一部分，信号发生器(6)是脉冲串发生器，二极管桥(7)用作连接到可控延迟电路(8)的采样保持开关，并且存在用于评估测量电极(3)处的测量信号的幅度响应的计算单元，其将受介质(1)影响的脉冲串信号的频谱与不受介质(1)影响的已知脉冲串信号的频谱进行比较；
其特征在于，脉冲串信号的频谱的信号能量的基本部分集中在空状态和满状态的谐振区域周围，并且脉冲串响应的检测时间是测量系统的谐振频率的10到20个周期长度。
2.根据权利要求1所述的电容式限位开关，其特征在于，脉冲串由一个振荡的两个周期组成，该振荡的频率接近于处于空状态和满状态的测量系统的谐振频率的中心。
3.根据权利要求1所述的电容式限位开关，其特征在于，脉冲串由一个振荡的三个周期组成，该振荡的频率接近于处于空状态和满状态的测量系统的谐振频率的中心。
4.根据权利要求2所述的电容式限位开关，其特征在于，所述脉冲串信号是以所述频率作为基频的方波信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式限位开关，其特征在于，将测量的幅度响应的频谱与没有测量电极(3)的、存储在限位开关中的频谱进行比较。
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