CN109425424A - 操作限位传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作限位传感器的方法，其中，用于确定振动系统的共振频率(fres)的限位传感器在频率下限(fmin)和频率上限(fmax)之间的频率范围内激励振动系统，并随后检测频率响应(E)，其中，将频率范围划分成多个分段(I,II,III,IV,…,n)，并且，在共振频率(fres)未知的情况下，在连续的各个分段(I,II,III,IV,…,n)中顺序地激励振动系统，并在每个分段(I,II,III,IV,…,n)之后检测频率响应(EI,EII,EIII,EIV,…,En)；在共振频率(fres)已知的情况下，仅在存在共振频率(fres)的分段(n)中激励振动系统，并随后检测频率响应(En)。

Description

操作限位传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于操作限位传感器的方法。
背景技术
在现有技术中，限位传感器(特别地，振动限位传感器和阻抗限位传感器)及其操作方法是已知的。
用于检测预定的填充物位(限位)的典型应用例如包括加工工业中的中间贮槽、储存罐、筒仓或管道。限位传感器优选用于各种液体以及颗粒状和粉末状的散装物品。根据填充物品的特点和各自的加工条件，可使用不同的限位传感器。例如，阻抗限位传感器、振动限位传感器以及根据电容测量原理操作的传感器是已知的。
在现有技术中，阻抗限位传感器是已知的，其中，由传感器形成的电容作为频率确定元件布置在振荡电路中。例如，传感器电容能够与离散电感形成串联振荡电路。如果测量介质在电容的范围内，则电容及振荡电路的阻抗变化。阻抗能够被确定，并用于生成限位测量信号。
检测振荡电路的随频率变化的复值阻抗的最小值(即幅值最小值)以及出现该最小值时的频率。为了生成限位测量信号，在未覆盖状态和介质覆盖状态之间评估频率偏移和阻抗差异。
在整个频率范围内，通过频率扫描以所有可能频率激励振荡电路来确定最小值。
在现有技术中，振动限位传感器也是已知的，其中，振动限位传感器包括膜片，该膜片可由驱动器激励以进行振动，由此激励布置在膜片上的机械振动器以进行振动。取决于机械振动器被填充材料覆盖的状态以及填充材料的粘性，机械振动器以特定频率振荡，该频率可以由振动传感器检测，并被转换成测量信号。
这种用于液体和散装物品的振动限位传感器基于共振频率偏移原理运行。取决于介质的覆盖状态、密度和温度，振动限位传感器以不同的共振频率和幅值振荡。这里，共振频率的幅值取决于介质的粘性。频率偏移取决于介质的密度、温度和粘性。
在现有技术中，用于振动限位传感器的两种不同类型的振荡激励是已知的，可以通过关键词“振荡电路激励”和“系统分析”进行了解。
在激励振荡电路时，振动限位传感器的驱动器是闭合的模拟或数字振荡电路的一部分。振动限位传感器因此永久保持在其机械共振频率。振荡电路的振动频率可被估算出，并用于确定测量值。
在系统分析时，以任意频率激励振动限位传感器。这可以表示频率扫描、固定频率或脉冲。在激励之后，“倾听”振动系统，并确定稳定过程的对应于机械共振频率的频率。如果未接收到信号，则认为振动限位传感器处于覆盖状态。
在以固定频率激励系统时，所述频率必须尽可能地匹配共振频率，从而获得足够大的幅值以用于确定稳定频率。当共振频率变化时，或者由于振动限位传感器的覆盖状态和未覆盖状态之间的变化的原因，这种形式的系统分析不再有效，这是因为在该情况下仅产生不充分的共振频率激励。
在高质量系统中，在利用矩形脉冲进行激励的过程中，将不充分的能量引入系统中，以进行共振频率的分析。由于这里使用的传感器通常在能量方面受到限制或者由于EX电路的原因，矩形脉冲的高度不能任意选择。因此，在这样的脉冲响应的情况下，返回了不充分的信号。
在现有技术中，在通过频率扫描进行激励时，为了以共振频率可靠地激励振动限位传感器，在整个频率范围内进行连续频率扫描。在具有小步阶的频率扫描中，能够确保共振频率被激励并接着在检测时提供足够“强”的信号。作为现有技术中的频率范围，使用了如下整个频率范围：从传感器被具有最大可允许粘性的介质覆盖时的共振频率，直到系统在空气中时的共振频率。在系统的空气频率的58％以下的频率处，认为机械振动器受到阻塞，并发出错误消息。在系统的空气频率的104％以上的频率处，也会发出错误消息。系统的空气频率表示机械振动器在空气中在正常条件下振荡的频率。
振动限位传感器的覆盖率越高，并且介质的粘性越大，振动限位开关的振动越弱。在粘性高的介质中，会出现这样的情况：在频率扫描结束时系统的振动已稳定。
在系统分析的处理中，例如会出现这样的情况：由于在检测处理开始时机械振动已减弱，所以音叉处的堵塞或缺陷会导致振动限位传感器的误报。这是高粘性时的情形。然而，由于认为该情况指高粘性的覆盖状态(也可参照上文说明)，所以在被阻塞的音叉处的情况下(例如处理中的石头)，尽管没有介质覆盖，也不能区分“阻塞”与“被高粘性介质覆盖”的状况。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够更快地且以更高的概率检测共振频率的用于操作限位传感器的方法。
利用具有权利要求1的特征的方法可实现该目的。从属权利要求的目标给出了有利的进一步改善。
在根据本发明的用于操作限位传感器的方法中，用于确定振动系统的共振频率的限位传感器在频率下限和频率上限之间的频率范围内激励振动系统，并随后检测频率响应，其特征在于，将频率范围划分成多个分段，并且
a)在共振频率未知的情况下，在连续的各个分段中顺序地激励振动系统，并根据每个分段检测频率响应，
b)在共振频率已知的情况下，仅在存在共振频率的分段中激励振动系统，并随后检测频率响应。
在振动限位传感器的情况下，根据本发明的用于操作限位传感器的方法的优点在于，在共振频率未知的情况下，通过将频率范围划分成多个分段，当共振频率处于某分段中时，即使在振动限位传感器被高粘性介质完全覆盖的情况下，也能够可靠地检测出共振频率。这是因为，在每个分段中，引入了正确频率的更多能量，并因而能够激励出振动音叉的具有更大幅值的机械振动。因此也能够得到更大的幅值。这里，理论上按如下方式选择各个分段：即使在振动限位传感器被最高可允许粘性的介质最大程度地覆盖的情况下，即在振动信号的最大衰减时，仍可获得振动系统的频率响应。上述方法的另一优点在于，在共振频率已知的情况下，仅需要在存在共振频率的分段中激励振动系统，从而显然能够更快地确定共振频率。而且，通过本发明的方法，在正确的频率范围内，即在存在共振频率的分段中，能够引入更多的能量，从而激励出具有更大幅值的共振频率，并因此能够接收具有更大幅值的信号。
在振动限位传感器和阻抗限位传感器二者中，利用本发明的方法均能够比现有技术更快地检测出共振频率。
为了确保可靠地检测出频率响应，对于振动限位传感器所需要的是：接收到的最小幅值为接收到的最大幅值的大约10％。可选择地，可确定最小信噪比(SNR)(即有用信号与纯噪声的比值)，其中，最小SNR为至少3dB，优选为至少5dB，更优选地大于10dB。因此，理论上，按如下方式选择用于激励振动系统的分段：在最大衰减的情况下，即使在该分段的频率扫描结束时，对于频率扫描在该分段中的起始频率，仍然存在充分的幅值，即实现最小接收频率或者SNR不小于3dB。
本文已表明，在通常的振动限位传感器中，将频率范围划分成四个分段能够得到很好的效果。例如，如果可能的频率响应可能处于800Hz～1400Hz的频率范围内，则可将频率范围划分成各150Hz的四个同等大小的分段。
在该方法的选择实施例中，可以在共振频率未知的情况下将频率范围划分成四个分段，并且在共振频率已知的情况下，对存在共振频率的分段进行动态调整。这样，在共振频率偏移的情况下，存在共振频率的分段能够跟随偏移，并能够以更短的时间可靠地确定共振频率。例如基于最近检测出的共振频率，将存在共振频率的分段确定为从低于最近检测出的共振频率50Hz到高于最近检测出的共振频率50Hz的范围。可选择地，分段的端点也可以低于和/或高于最近检测出的共振频率75Hz或100Hz。
通过适当地确定分段的界限频率，一方面，能够确保在该分段内快速确定共振频率，另一方面，也能确保在共振频率偏移的情况下共振频率仍保留在激励振动系统的分段中，并因此检测出共振频率。
当在曾经存在先前检测出的共振频率的先前分段中未检测出共振频率时，首先利用频率扫描来激励与先前分段直接相邻的第一分段，并检测频率响应。如果在第一分段中不存在共振频率，则激励与先前分段相邻的第二分段，并检测频率响应。为此，优选地，首先选择更靠近偏移阈值的分段，使得能够尽快地检测出偏移条件的任何变化。这样，即使在共振频率更明显地偏移的情况下，也能够快速重新定位测量信号。
在任一相邻的分段中都未检测出共振频率的情况下，按照共振频率未知的情形来处理该方法。
理想地，可以利用频率扫描分别从分段的上端到分段下端激励各个分段。在本发明中，频率扫描应理解为在频率范围内以预定增量顺序地激励多个频率。预定增量的范围可以是从1Hz到4Hz，具体地为1Hz、2Hz、3Hz或4Hz。通常以升序或降序进行频率扫描，其中，根据本发明，通过降序进行频率扫描，即通过逐渐降低的频率顺序地激励振动系统，优选地，例如每次降低4Hz。
这样，由于激励出的振动的衰减随频率降低而增大，所以能够确保即使对于分段内的较低频率，也保持了充分的用于系统分析的振动幅值。
另外，在共振频率未知的情况下，可按降序遍历这些分段，即按从较高频率到较低频率的顺序。
在根据先前测量获知共振频率并且在曾经存在最近检测出的共振频率的先前分段中未检测出共振频率的情况下，可以向上和/或向下偏移分段的上限和下限，例如分别偏移50Hz，即扩大分段。若在扩大后的分段中仍不存在共振频率，则采用共振频率未知的情况下的方法。在扩大分段时，也可以使用其它任何适合的频率值。
在下文中，参照附图详细说明本发明。除非特别说明，相同的附图标记表示相同或等同的元件。
附图说明
图1的a示出根据本发明的振动限位传感器的共振频率的典型频率范围，图1的b示出在根据图1的a的激励期间可以获得的频率响应；
图2示出本发明的方法的第一种变形例的流程图；
图3a示出根据本发明的方法的变形例，图3的b示出在根据图2的a的激励的情况下的频率响应；
图4示出根据图2的方法的变形例；
图5示出阻抗限位传感器的作为测量频率的函数的复值阻抗的值；
图6的a示出根据现有技术的振动限位传感器的激励，图6的b示出在根据图6的a的频率激励的情况下的频率响应。
具体实施方式
图1示出了在振动限位传感器以现有技术已知的方式运行时的典型频率范围。
如图1的a所示，典型频率范围在800Hz的频率下限fmin和1400Hz的频率上限fmax之间，其中，振动限位传感器的机械振动器的共振频率fres取决于机械振动器被填充物品覆盖的状态以及该填充物品的粘性。在该示例性实施例中，根据所谓的系统分析原理来确定共振频率fres，其中，根据本发明，在由频率下限fmin和频率上限fmax之间的频率范围所划分成的四个分段I、II、III、IV中，对振动限位传感器的振动系统进行所谓的频率扫描(即，利用各分段内的多个连续频率顺序地激励)。
在该示例性实施例中，在振动系统的共振频率fres未知的情况下，连续进行四次频率扫描SI、SII、SIII、SIV，其中，根据每次频率扫描SI、SII、SIII、SIV，检测出振动系统的频率响应EI、EII、EIII、EIV。
在共振频率fres处于某频率扫描SI、SII、SIII、SIV的范围内的情况下，在该频率扫描SI、SII、SIII、SIV结束之后，检测出振动系统在该共振频率fres下的频率响应EI、EII、EIII、EIV，从而能够确定共振频率fres。
在该示例性实施例中，从最高频率到最低频率在各分段I、II、III、IV中进行频率扫描SI、SII、SIII、SIV，其中四个分段I、II、III、IV的大小相同，均为150Hz。也以降序遍历这些分段。
图1的a还示出了分段I、II、III、IV的其它特征频率。例如，这里示出了所谓的校准频率1375Hz，该频率等同于机械振动系统在空气中的振动频率。而且，示出了频率1260Hz，该频率表示机械振动系统在切换点处的共振频率，切换点即为振动限位传感器的覆盖状况从空气到水的变化时的位置。在校准频率之上，在频率1450Hz处，发出警告，并且一旦到达频率1520Hz，认定故障。在频率范围的下端处，一旦到达频率820Hz，发出警告，并且在到达频率780Hz之下时，认定故障。因为上述频率基于产品公差而发生波动，所以这些频率往往也作为相对于校准频率的函数提出。
图1的b示出在根据图1的a利用降序频率扫描SI、SII、SIII、SIV进行激励时各共振频率的频率响应的最大可能幅值。从图1的b可以看出，在根据图1的a的从频率下限fmin到频率上限fmax的频率范围内的所有可能共振频率fres的激励下，可得到充分的用于系统分析并因而用于确定共振频率fres的幅值A。各个接收信号E1、E2、E3、E4均具有充分的大小，使得即使在测量条件差的情况下也足以可靠地检测共振频率fres。
图2示出用于操作振动限位开关的方法。这里，如果共振频率fres未知，则利用频率扫描SI、SII、SIII、SIV来激励所有分段I、II、III、IV，并且根据每次频率扫描SI、SII、SIII、SIV，确定振动限位传感器的振动系统的振动频率。这样，当将频率下限fmin和频率上限fmax之间的频率范围划分成四个分段I、II、III、IV时，能够可靠地确定共振频率fres。如果根据所进行的第一次测量就获知振动系统的共振频率fres，则在接下来的测量中，仅在曾经存在先前确定的共振频率fres-1的一个分段中进行频率扫描。只要共振频率fres处于这个分段中，则只需在该分段I、II、III、IV中进行频率扫描SI、SII、SIII、SIV。因此显著缩短了所需的测量时间。如果在曾经存在先前检测到的共振频率fres-1的分段I、II、III、IV中未检测出共振频率fres，则可以如上所述地直接在所有分段中进行频率扫描，或者可选择地，可以首先在与先前分段直接相邻的分段中进行频率扫描，并且只在这些分段中都未确定出共振频率fres的情况下，才在所有分段I、II、III、IV中进行频率扫描。
图3的a、图3的b以及图4示出了用于操作振动限位传感器的可选择方法。
图3的a再次示出图1的a所示的800Hz的频率下限fmin与1400Hz的频率上限fmax之间的频率范围，其中，图3的a的三条线示出了共振频率fres从第一条线中的1050Hz处偏移到第二条线中的1075Hz的过程。在该可选择方法中，在共振频率fres偏移的情况下，针对相应的先前检测的共振频率fres-1，对进行频率扫描的分段进行动态调整。如图3的a所示，如果该共振频率从1050Hz偏移到1075Hz，则将该分段的频率下限fTmin＝1000Hz和该分段的频率上限fTmax＝1100Hz调整为fTmin＝1025Hz和fTmax＝1125Hz，使得检测的共振频率fres再次中心地处于被频率扫描激励的分段中。以这种方式，能够动态地调整存在共振频率fres的分段的界限，从而可避免因为共振频率fres丢失(即不再已知)而在多个分段中进行频率扫描。图3的b示出了被激励分段中的可能的共振频率的各频率响应。通过相应的过程，可避免共振频率的丢失，从而在大多数情况下仅需要扫描一个频率范围，在本示例中，100Hz的频率范围。
图4示出了相应的处理。根据所示的过程，在共振频率fres未知的情况下，在如图1的a所示的所有分段中进行扫描，并确定当前的共振频率fres。一旦获知共振频率，就动态地调整该分段，并且仅在该被调整的分段中进行频率扫描。如果在该过程中，由于共振频率fres偏移过快而丢失，即共振频率fres不在处于被扫描的分段中，则动态地扩大该分段，即该分段的频率下限fpmin向下偏移，且该分段的频率上限fpmax向上偏移，例如偏移100Hz，或者根据参照图1和图2所述的方法立即对所有分段进行扫描。
图5示出了相对于测量频率(f)的复值阻抗(|Z|)的值。理论上在100MHz～200MHz的频率范围内进行阻抗测量，其中在各情况下，所确定的共振曲线的最小值是决定性的。
图5在特征曲线200中示出干净的、未被覆盖的阻抗限位传感器的阻抗特性，在特征曲线201中示出被测量介质污染的传感器的阻抗特性，且在特征曲线202中示出被完全覆盖的传感器的阻抗特性。在分析时只考虑共振曲线的最小值。针对频率变化Δf和幅值变化Δ|Z|，评估最小值。如果共振曲线的最小值位于分段I中，则评估和控制单元发出切换指令空。然而，如果最小值位于分段II中，则检测出满状态并且输出该状态。
图6示出了现有技术中用于振动限位传感器的频率下限fmin与频率上限fmax之间的频率范围。根据现有技术中的通常用于操作振动限位传感器的方法，为了确定共振频率fres，在从频率下限fmin到频率上限fmax的整个频率范围内进行频率扫描S。如图6的b所示，在这些情形下，特别是在填充介质的粘性高于水的情形下，会出现这种情况：不再如图1的b所示地能够检测出接收信号E的幅值。例如，不能检测如图1所示的1080Hz处的共振频率。如果是这种情况，则不再能够可靠地在例如由于振动限位传感器的阻塞而引起的故障和由于振动限位传感器被粘性高的介质覆盖引起的切换信号之间进行区分，从而在高粘性介质的情况下不能使用相应传感器。

Claims (9)

1.一种用于操作限位传感器的方法，在所述方法中，用于确定振动系统的共振频率(fres)的所述限位传感器在频率下限(fmin)和频率上限(fmax)之间的频率范围内激励所述振动系统，并随后检测频率响应(E)，
其特征在于，
将所述频率范围划分成多个分段(I,II,III,IV,…,n)，并且
a)在所述共振频率(fres)未知的情况下，在连续的各个所述分段(I,II,III,IV,…,n)中顺序地激励所述振动系统，并根据每个所述分段(I,II,III,IV,…,n)检测所述频率响应(EI,EII,EIII,EIV,…,En)，
b)在所述共振频率(fres)已知的情况下，仅在存在所述共振频率(fres)的所述分段(n)中激励所述振动系统，并随后检测所述频率响应(En)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述频率范围划分成四个分段(I,II,III,IV)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在情况a)中，将所述频率范围划分成四个分段(I,II,III,IV)，且
在情况b)中，动态地调整存在所述共振频率(fres)的所述分段。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在情况b)中，
对于振动限位传感器，将所述分段确定为从低于最近检测出的共振频率(fres-1)50Hz到高于所述最近检测出的共振频率(fres-1)50Hz的范围，且
对于阻抗限位传感器，将所述分段确定为从低于所述最近检测出的共振频率(fres-1)10MHz到高于所述最近检测出的共振频率(fres-1)10MHz的范围。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在情况b)中，如果在曾经存在最近检测出的共振频率(fres-1)的先前分段中未检测出所述共振频率(fres)，则首先激励与所述先前分段直接相邻的第一分段，并检测所述频率响应，并且随后，如果在所述第一分段中不存在所述共振频率(fres)，则激励与所述先前分段相邻的第二分段，并检测所述频率响应。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在任一相邻的分段中都不存在所述共振频率(fres)时，按照情况a)处理。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，利用频率扫描分别从所述分段的上端到所述分段的下端激励各个所述分段。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在情况a)中，按降序遍历所述分段。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在情况b)中，在曾经存在所述最近检测出的共振频率(fres-1)的先前分段中未检测出所述共振频率(fres)时，对于振动限位传感器，将所述分段的上限和下限分别向上且/或向下扩展50Hz，对于阻抗限位传感器，将所述分段的上限和下限分别向上且/或向下扩展10MHz，并且在扩展后的所述分段中仍不存在所述共振频率(fres)的情况下，按照情况a)处理。
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