CN109477751B - 电子振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过电子振动传感器(1)确定和/或监测容器(2)中的介质(3)的密度(ρ)和/或粘度(η)的方法并且涉及一种对应的传感器(1)。通过电激励信号(U_E)激励可振荡单元(4)以执行机械振荡，并且接收机械可振荡单元(4)的机械振荡并将其转换为电接收信号(U_R)。另外，所述激励信号(U_E)从所述接收信号(U_R)产生使得在激励信号(U_E)和接收信号(U_R)之间存在至少一个可预定相移(

)，其中，激励信号(U_E)的频率(f)是根据在可预定相移(

)处的接收信号(U_R)确定的。此外，阻尼(D)和/或依赖于阻尼(D)的变量是根据在可预定相移(

)处的接收信号(U_R)确定的，且至少从阻尼(D)和/或依赖于阻尼(D)的变量和从激励信号(U_E)的频率(f)可以确定介质的密度(ρ)和/或粘度(η)。

Description

电子振动传感器

技术领域

本发明涉及一种通过电子振动传感器和来确定和/或监测容器中的介质的密度和/或粘度的方法并且涉及一种适合执行所述方法的设备。

背景技术

电子振动传感器在过程和/或自动化技术中得到广泛应用。在料位测量装置中，所述装置包括至少一个机械可振荡单元，例如，振荡叉、单个齿或膜。其在操作期间通过驱动/接收单元，通常以机电换能器单元的形式得以激励，以执行机械振荡。驱动/接收单元可以是，例如压电驱动器或电磁驱动器。然而，在流量测量装置中，机械可振荡单元也可以被实施为例如在根据科里奥利原理工作的测量装置中的可振荡的管，所述介质流过所述可振荡的管。

对应的现场装置由申请人以各种方式制造并且在料位测量装置的情况下，以例如LIQUIPHANT和SOLIPHANT的商标来销售。基础测量原理在大量出版物中可以获得。驱动/接收单元借助于电激励信号激励机械可振荡单元以执行机械振荡。相反地，驱动/接收单元可以接收机械可振荡单元的机械振荡并将它们转换成电接收信号。驱动/接收单元可以是单独的驱动单元和单独的接收单元或组合的驱动/接收单元。

在许多情况下，驱动/接收单元是反馈电振荡电路的一部分，通过所述电路，可激励机械可振荡单元以执行机械振荡。例如，对于共振，根据该振荡电路需满足放大系数必须≥1且在振荡电路中产生的所有相位必须总和为360°的倍数的条件。

为了激励和实现振荡电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的某个相移。因此，通常相移的预定值和激励信号和接收信号之间的相移的期望值被设置。为此，已知各种各样的解决方案，包括模拟以及数字方法两者。原则上，相移的设置可以通过例如使用合适的滤波器来实现，或甚至可以通过控制回路被控制为可预定相移，即期望值。例如，根据DE102006034105A1已知可调谐移相器的使用。相反，在DE102007013557A1中描述了具有用于额外控制振荡幅度的可调放大因子的放大器的附加集成。DE102005015547A1提供了全通滤波器的应用。此外，可以使用所谓的频率扫描来设置相移，例如在DE102009026685A1，DE102009028022A1和DE102010030982A1中所公开的。然而，相移也可以通过相位控制环(锁相环或PLL)控制到可预定的值。基于上述的激励方法是DE00102010030982A1的主题。

激励信号以及接收信号两者都以频率ω、幅度A和/或相位Φ为特征。相应地，通常确定特定的过程变量时考虑这些变量的变化，例如，容器中介质的预定料位或甚至介质的密度和/或粘度或者通过管道的介质的流量。在用于液体的电子振动限制液位开关中，区别于例如，可振荡单元是否被液体覆盖或者是自由振荡。这两种状态，即自由状态和覆盖状态，在上述情况下，例如，基于不同的共振频率，即频移来加以区分。当可振荡单元被介质覆盖时，密度和/或粘度相应地仅可以用所述测量装置加以确定。

例如，DE10050299A1中所述，介质的粘度可以通过电子振动传感器基于频率相位曲线(Φ＝g(ω))来确定。该过程基于可振荡单元对介质粘度的阻尼的依赖性。在这种情况下，粘度越低，频率相位曲线下降得越低。为了消除密度对测量的影响，基于由两个不同的相位值引起的频率变化来确定粘度，即通过相对测量。就此，可以设置两个不同的相位值并确定相关的频率变化，或者移动预定的频带并检测达到至少两个预定的相位值的频率。

此外，从DE102007043811A1已知，从本征频率和/或共振频率和/或相位位置的变化确定粘度的变化和/或从相应地存储的可振荡单元的振荡对介质粘度的依赖性确定粘度。同样在所述程序的情况下，必须考虑确定粘度对介质密度的依赖性。

从DE10057974A1已知确定和/或监测介质的密度的方法和设备，借助于此，例如粘度的至少一个干扰变量对机械可振荡单元的振荡频率的影响得以确定并相应地得到补偿。

此外，在DE102006033819A1中描述了在激励信号和接收信号之间设置可预定相移，在所述情况下，介质粘度的变化对机械可振荡单元的机械振荡的影响可以忽略不计。在这种情况下，密度基本上由公式

确定，其中K代表机械可振荡单元的密度灵敏度，f_0,vak代表真空中机械振荡的频率，C和A代表机械可振荡单元的线性和二次温度系数，t代表过程温度，f_0,med代表介质中的机械振荡的频率，D代表压力系数，及p代表介质的压力。

由于对确定的可预定相移的测量与粘度无关的经验假设得出基本限制。在一定的粘度之后，所描述的测量原理不再能够确保密度的精确测量。因此，对于每种介质，必须确定可以进行密度测量的最大允许粘度。为了避免这个问题，从先前未公开的德国专利申请No.102015102834.4中已知一种电子振动传感器及其操作方法，借助于此，密度和/或粘度在扩展的应用领域中可确定。在此提出的分析测量原理考虑了可振荡单元和介质之间的相互作用。传感器在两个不同的可预定相移处操作，且根据响应信号，可以确定过程变量，密度和/或粘度。将德国专利申请No.102015102834.4(US2018031460)通过引用并入本文。

发明内容

从现有技术出发，本发明的目的是通过电子振动传感器确定密度和/或粘度来扩展应用领域。

所述目的通过权利要求1所述的方法的特征以及权利要求8所述的设备的特征来实现。

关于所述方法，所述目的通过一种通过电子振动传感器来确定和/或监测容器中的介质的密度和/或粘度的方法来实现。通过电激励信号激励可振荡单元以执行机械振荡，并且机械可振荡单元的机械振荡被接收并转换成电接收信号。所述激励信号从所述接收信号开始产生使得在激励信号和接收信号之间存在至少一个可预定相移，其中，激励信号的频率是根据在可预定相移下的接收信号确定的。此外，根据本发明，阻尼和/或依赖于阻尼的变量是从可预定相移处的接收信号确定的，且至少从阻尼和/或依赖于阻尼的变量和从激励信号的频率可以确定介质的密度和/或粘度。所述方法适用于当激励信号和接收信号之间的单个可预定相移被设置的情况。然而，所述方法同样适用于两个或多个可预定相移的情况。特别地，第一和第二相移可以在可预定的时间间隔中交替设置。

阻尼D，也称为阻尼程度、阻尼测量或阻尼的莱尔(Lehr)测量，通常描述激励后可振荡系统的行为。这通常是无量纲变量，原则上它指示可振荡系统的能量损耗。与阻尼非常相关的变量是可振荡系统的质量Q，也称为品质因数、Q因子或共振锐度。例如，高质量Q对应弱阻尼D。例如，基于通过数学关系与阻尼D连接的质量Q的对密度和/或粘度的确定，因此同样落入本发明的保护范围内。应注意的是，阻尼以及质量两者对于机械振荡领域的技术人员来说通常是已知的变量，因此这里不需要探索其公式和关系。

本发明的方法提供的优势是，它依赖于分析方法通过电子振动传感器来确定介质的密度和/或粘度。这样，它是一种特别简单的可实施的测量原理。相比之下，德国专利申请No.102015102834.4中描述的涉及设置两个不同相移的方法不再是绝对必要的。本发明的方法以及相应的传感器可以独立于介质的粘度而普遍适用。这特别适用于高粘度介质，在所述介质中可振荡单元仍然可以只进行振荡运动。除了应用于各种介质的领域的简化和扩展之外，本发明的解决方案的区别还在于有关过程变量、密度和/或粘度的确定的高精度。

在有利的实施例中，基本上+/-90°被选择为可预定相移。通常，优选地设置激励信号和接收信号之间的相移，这导致可振荡单元的共振，特别是在基本振荡模式中。例如纯机械振荡器在-90°的相移下执行共振机械振荡。根据驱动/接收单元的类型和/或和电子单元的部件的结构和选择，在给定的情况下，同样必须考虑其他补充地引起的相移。例如，在申请人出售的LIQUIPHANT仪器的情况下，产生+180°的附加相移，因此针对共振激励信号和接收信号之间的相移通常被设置为+90°。对于电子振动传感器的其他实施例，激励信号和接收信号之间的相移，例如+/-45°或0°也是有利的。

驱动/接收单元可以包括，例如压电元件。可替代地，所述驱动/接收单元是电磁的或磁致伸缩的驱动/接收单元。

本发明方法的特别优选的实施例提供了监测介质的密度和/或粘度的可预定的变化的方法。

该方法的另一个特别优选的实施例提供了确定和/或监测容器中介质的预定料位(fill level)或限位(limit-level)的方法。

根据本发明，可以实现根据介质的密度和/或粘度的可确定限制值，即限位开关进行切换的电子振动传感器。例如，在彼此叠置的两个不同介质之间的划分层或边界层或者在，例如气泡形成情况下的彼此叠置的介质之间的不同状态，可以在原地被监测。由于在特定过程变量的确定中的相对高速率，根据本发明并与现有技术中确定密度和/或粘度的其他方法相反，划分层或限位的检测变得有优势地可能。

本发明方法的实施例用于在参考介质中至少部分地、优选完全地浸没状态或没有介质时可振荡单元通过电激励信号被激励执行机械振荡的情况下确定至少一个参考阻尼和/或依赖于参考阻尼的变量。所述参考介质优选是已知密度和粘度的介质。在没有介质的机械振荡的情况下，机械振荡可以是在空气中及在真空中机械可振荡单元的振荡。

在参考介质中浸没的状态或没有介质的情况下的机械可振荡单元的机械振荡然后被接收并被转换成电接收信号。在这种情况下，所述激励信号优选地从所述接收信号开始产生使得在激励信号和接收信号之间存在可预定相移，其中，激励信号的参考频率是根据可预定相移处的接收信号确定的。此外，根据预定的相移处的接收信号可确定所述参考阻尼。

有利地，为了确定密度和/或粘度，需要考虑数学模型，数学模型具有可振荡单元的振荡运动的至少一个运动方程，其中，对于所述运动方程，以下述形式考虑可振荡单元与介质的相互作用：由围绕可振荡单元的介质产生的压缩力和摩擦力，作为可振荡单元在介质内同样形成的运动的结果产生的摩擦力。因此，为了确定密度和/或粘度，需要考虑可振荡单元和相应介质之间的相互作用和两个变量，即密度和粘度的相互影响。由于获得运动方程的解析解的目的，实际上是弯曲振荡的振荡运动被近似为旋转振荡。此外，两个不同尺寸的椭圆柱用作两个叉齿中的每一个的可振荡单元的几何形状的近似。然而，应注意的是，也可以为可振荡单元选择其他几何形状，而不限制该方法的一般性。然而，在这种情况下，必须相应地调整几何系数。

本发明的一个特别优选的实施例提供了，阻尼和/或参考阻尼和/或依赖于阻尼和/或参考阻尼的变量根据如下内容确定：

-在可预定相移处的激励信号的频率和/或参考频率处的接收信号的相位的斜率，

-根据关闭激励信号之后的时间而定的接收信号的幅度，和/或

-激励信号的调制。

例如，从DE10050299A1已知，例如基于激励信号和接收信号之间的相位的斜率来计算介质的粘度。相反地，本发明的方法的变形提供了从可预定相移处的激励信号的频率的相位的斜率来确定阻尼和/或依赖于其的变量。

从DE102007043811A1已知，根据关闭激励信号之后的时间的接收信号的幅度的测量，即机械可振荡单元的振荡的衰减行为。根据本发明，根据衰减行为确定阻尼或依赖于阻尼的变量，且然后基于阻尼确定密度和/或粘度。

为了确定基于激励信号的调制的阻尼，可以参考先前未公开的德国专利申请No.102015101891.8。在测定和/或确定阻尼的这种方法的情况下，在激励信号和接收信号之间仅设置单个可预定相移是有利地充分的，这对应于传感器在单个频率下的激励。

在此提供引用被并入本文的所有三个文献都与确定和/或确定阻尼或依赖于阻尼的变量相关。

这里应注意的是，除了所述三个用于确定阻尼和/或至少一个依赖于阻尼的变量的选项之外，可以使用其他方法，这些方法也落入本发明的范围内。确定用于确定密度和/或粘度的阻尼的优点在于，在根据本发明的阻尼的帮助下，密度和/或粘度的分析确定变得可能。

优选，用于确定密度和/或粘度的可振荡单元被布置在容器内的限定位置，使得其延伸到可确定的穿透深度，尤其是完全延伸到介质中。

关于设备，本发明的目的通过用于确定和/或监测容器中的介质的至少第一过程变量的设备来实现，所述装置包括电子单元和可振荡单元，其中所述电子单元被实施为执行本发明方法中的至少一个实施例。

有利地，电子单元包括存储器单元。存储在所述存储器单元中的可以是，例如参考阻尼、参考频率或甚至其他常数和/或参数。

在该设备的优选实施例中，电子单元被实施为向可振荡单元提供激励信号，所述激励信号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，及被实施为从可振荡单元接收接收信号，所述接收信号由接收载波信号和接收调制信号组成。此外，电子单元被实施为至少从激励调制信号和接收调制信号之间的相移和/或至少从接收载波信号确定阻尼D和/或参考阻尼D₀。

有利地，机械可振荡单元是振荡叉、单个齿或膜。

与本发明的设备有关的实施例的形式加以必要的变型也可适用于本发明的方法，反之亦然。

总之，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

-可以确定密度，与介质的粘度无关，

-可以确定粘度，与介质的密度无关，及

-为了确定密度和/或粘度，在激励信号和接收信号之间设置单个相移就足够了，

-本发明的密度和/或粘度分析公式比现有技术中已知的公式更精确，及

-与现有技术已知方法相比，确定密度和/或粘度的速度显着增加。

附图说明

现基于附图更详细地描述本发明及其有利的实施例，其中：

图1是现有技术的电子振动传感器的示意图；及

图2是振荡叉的示意图。

具体实施方式

图1展示了电子振动传感器1，其包括振荡叉形式的机械可振荡单元4，所述机械可振荡单元4部分地延伸到位于容器3中的介质2中。可振荡单元通过激励器/接收单元5，例如，压电叠层或双晶片驱动器被激励，以执行机械振荡。然而，应该理解的是，电子振动传感器的其他实施例也落入本发明的范围内。还提供了电子单元6，通过所述电子单元发生信号记录、评估和/或反馈。

图2展示了振荡叉形式的机械可振荡单元4，诸如被集成到例如申请人在LIQUIPHANT商标下出售的电子振动传感器。振荡叉形式的机械可振荡单元4包括两个振荡齿7a和7b，叉齿连接到膜8。为了使振荡齿7a，7b执行机械振荡，通过在膜8背离振荡齿7a、7b的一侧上通过材料结合安装的驱动/接收单元5施加力。驱动/接收单元5是机电换能器单元，且包括例如压电元件9或甚至电磁驱动器。驱动单元和接收单元被设置为两个单独的单元，或者作为组合的驱动/接收单元。图2中右侧的视图详述了驱动/接收单元5。压电元件9设置在滑石盘10上，并配备有用于施加激励信号以及接收接收信号的电极11。

在驱动/接收单元5包括压电元件9的情况下，施加在膜8上的力通过施加例如以交流电压的形式的电激励信号U_E产生。施加的电压的变化影响驱动/接收单元5的几何形状的变化，因此，压电元件9内的收缩和放松，通过这种方式施加作为电激励信号U_E的交流电压使得导致提供与驱动/接收单元5结合的材料相连的膜8的振荡。

如上所述，本发明的目的是扩展通过电子振动传感器1确定密度和/或粘度的应用领域。本发明中用于描述电子振动传感器1的振荡运动的分析模型与之前通过引用在此结合的未公开的德国专利申请No.102015102834.4中描述的大部分对应。因此，不再重复分析模型的完整推导。

以下说明在不限制所述方法的一般性的情况下，涉及在电激励信号U_E和接收信号U_R之间具有

的相移的共振和对应于机械可振荡单元4在真空中的无阻尼振荡的参考频率ω₀。在这样的情况下，所述研究可以在每种情况下，在需要时被应用于其他情况(其他相移

参考介质2，而不是真空中的无阻尼振荡)。

根据本发明，在可预定相移

处，在参考频率ω₀和机械可振荡单元4的电激励信号U_E的频率ω之间可形成比率。这样就产生了如下结果：

在此情况下，ρ表示介质的密度，η表示介质的粘度，而系数a₁和a₂是几何传感器常数。

此外，如果该传感器在真空中的阻尼D₀与介质中的该电子振动传感器的阻尼D₉₀相关，则会产生结果：

其中，a₃至a₅同样是几何传感器常数。

然后可以根据以下公式计算密度：

对于粘度，下列公式成立：

上述公式中大写字母被定义如下：

C＝a₂

F＝a₄

G＝a₅

因此，为了确定介质2的密度ρ和/或粘度η，如下地执行本发明的步骤：

在传感器启动之前：

1.确定在每种情况下，在真空中的变量ω₀和D₀；及

2.确定，尤其是通过实验，在适当数量的已知密度ρ和粘度η的可选择测试介质的几何传感器常数a₁至a₅。

在电子振动传感器运行期间：

3.持续测量/确定ω₉₀和D₉₀；及

4.连续计算密度ρ和粘度η。

为了测定和/或确定根据本发明的电子振动传感器1的阻尼D₉₀，可以有许多不同的选择。例如，可以基于在频率ω₉₀处的相位的斜率

在电激励信号U_E和电接收信号U_R之间的可预定相移

确定电子振动传感器1的阻尼D₉₀。在这种情况下，

且于是

参考标记列表

1 电子振动传感器

2 介质

3 容器

4 机械可振荡单元

5 机电换能器单元

6 电子单元

7a，7b 可振荡单元的振荡齿

8 膜

9 压电元件

10 滑石盘

11 电极

U_E 电激励信号

U_R 电接收信号

ΔΦ 可预定相移

ρ 介质的密度

η 介质的粘度

ω,ω₉₀ 介质中可振荡单元的振荡频率，和相移ΔΦ＝90°处的振荡频率

ω₀ 可振荡单元的参考频率

可振荡单元的相位差

a₁-a₅ 几何传感器常数

Claims (12)

1.一种利用电子振动传感器(1)确定和/或监测容器(3)中的介质(2)的密度(ρ)和/或粘度(η)的方法，

其中机械可振荡单元(4)通过电激励信号(U_E)被激励以执行机械振荡，且所述机械可振荡单元(4)的机械振荡被接收并被转换成电接收信号(U_R)；

其中，从所述电接收信号(U_R)开始产生所述电激励信号(U_E)，使得在所述电激励信号(U_E)和所述电接收信号(U_R)之间存在至少一个可预定相移

其中，所述电激励信号(U_E)的频率(f)是根据所述可预定相移

处的所述电接收信号(U_R)确定的；

其中，阻尼(D)和/或依赖于所述阻尼(D)的变量是根据所述可预定相移

处的所述电接收信号(U_R)确定的；及

其中，至少根据所述阻尼(D)和/或依赖于所述阻尼(D)的所述变量以及根据所述电激励信号(U_E)的所述频率(f)，分析地确定所述介质的所述密度(ρ)和/或所述粘度(η)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择+/-90°作为所述可预定相移

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述介质(2)的所述密度(ρ)和/或粘度(η)的可预定的变化被监测。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述容器(3)中的所述介质(2)的预定料位或限位被监测。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一介质和第二介质之间的限位被监测。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在参考介质中至少部分地浸没的状态或没有介质(2)时所述机械可振荡单元(4)通过电激励信号(U_E)被激励以执行机械振荡的情况下，确定至少一个参考阻尼(D₀)和/或依赖于参考阻尼(D₀)的变量。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，为了确定所述密度和/或所述粘度，考虑具有所述机械可振荡单元(4)的振荡运动的至少一个运动方程的数学模型，其中，对于所述运动方程，以下述形式考虑所述机械可振荡单元(4)与所述介质(2)的相互作用：由围绕所述机械可振荡单元的所述介质产生的压缩力(F_C)和摩擦力(F_F)，作为在所述介质(2)内同样形成的所述机械可振荡单元(4)的运动的结果产生的摩擦力(F_PS)。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阻尼(D)和/或所述参考阻尼(D₀)和/或依赖于所述阻尼(D)和/或所述参考阻尼(D₀)的所述变量基于下述内容被确定：

-在所述可预定相移

处的所述电激励信号的所述频率(f)和/或参考频率(f₀)处的所述电接收信号(U_R)的相位

的斜率；

-根据关闭所述电激励信号(U_E)之后的时间而定的所述电接收信号(U_R)的幅度(A)；和/或

-所述电激励信号(U_E)的调制。

9.一种用于确定和/或监测容器(3)中的介质(2)的至少第一过程变量的设备，包括电子单元(6)和机械可振荡单元(4)，其中所述电子单元(6)被实施为执行根据权利要求1-8中的任一项所述的任一个方法。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述电子单元(6)包括存储器单元。

11.根据权利要求9或10所述的设备，

其中，所述电子单元(6)被实施为向所述机械可振荡单元(4)提供电激励信号(U_E)，所述电激励信号(U_E)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，以及从所述机械可振荡单元(4)接收电接收信号(U_R)，所述电接收信号(U_R)由接收载波信号和接收调制信号组成；以及，

其中所述电子单元(6)被实施为根据所述激励调制信号和所述接收调制信号之间的所述相移(Φ)和/或至少根据所述接收载波信号至少确定所述阻尼(D)和/或参考阻尼(D₀)，其中所述参考阻尼(D₀)是在参考介质中至少部分地浸没的状态或没有介质(2)时所述机械可振荡单元(4)通过电激励信号(U_E)被激励以执行机械振荡的情况下确定的。

12.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述机械可振荡单元(4)包括振荡叉、单个齿或膜。

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