CN109642815B - 振动音叉液位开关的或关于振动音叉液位开关的改进 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将具有干音叉频率DFF的振动音叉液位开关进行配置以进行使用的方法。该方法包括：建立湿音叉频率WFF以及将其与DFF组合以将开关配置用于不同密度的介质中。

Description

振动音叉液位开关的或关于振动音叉液位开关的改进

技术领域

本发明涉及振动音叉液位开关，并且特别地涉及校准振动音叉液位开关的方法。

背景技术

振动音叉液位开关通常用于检测罐中液体的表面何时处于特定液位，该特定液位是指音叉在罐中所处的高度。通常，音叉液位开关被配置成通过电子电路中的正反馈回路进行自振荡，其中，仔细调谐发送元件与接收元件之间的相位延迟来确保正反馈信号同相。

在操作中，在“常干”应用中，当音叉处于空气中(“干”)时，振动频率将处于一个水平，但当罐中的液体上升到与音叉接触(“湿”)时，振动频率将下降。在“常湿”应用中，适用相反的情况，并且频率将随着液体降至音叉的液位以下而上升。

振动音叉液位开关的“干”频率通常在制造点处建立，并且然后这建立开关点，即开关从指示“干”变为指示“湿”的点。因为开关点将因介质密度、过程温度和过程压力的变化而移位，所以这种布置实际上仅对于要在基本恒定密度的介质中并且在基本相同的环境条件下使用的开关是令人满意的。温度和压力的影响是线性的，并且因此可以很容易地得到补偿，然而密度的影响是更复杂的。为了解决这个问题，已经提供了具有适于在不同密度范围内使用的能力的振动音叉液位开关。例如

2160型具有能够通过HART命令设置来选择的三个可选密度操作范围，以及

2130型开关具有两个可选密度操作范围，但所选择的范围必须在出厂时配置。还能够获得具有通过手动操作拨盘来选择密度操作范围的能力的振动音叉液位开关。

从制造角度来看，提供具有离散的可选操作范围的液位开关增加了成本和复杂性。从用户角度来看，对开关进行配置需要有关介质情况和过程情况的预先信息，而潜在客户和/或服务工程师可能无法完全了解这些信息。

本发明的目的是提供将至少在某种程度上解决上述问题或者将至少提供新颖且有用的选择的方法和/或设备。

发明内容

因此，在一个方面，本发明提供了一种对具有振动传感器的液位开关进行配置以进行使用方法，所述方法的特征在于其包括使用从以下操作获得的频率读数(WFF)：将所述传感器完全浸入所述开关要被用于的介质中。

优选地，所述方法包括：首先针对所述开关建立WFF与密度之间的关系；以及建立开关在空气中的振动频率(DFF)。

优选地，所述方法包括：组合DFF和WFF的测量以确定所述介质的密度。

优选地，所述方法还包括：针对所述开关建立密度与给定点处的开关频率之间的关系；在所述关系内识别所述介质的密度；以及建立所述开关在所述介质中的开关点。

替选地，所述方法包括：基于多项式根据DFF和WFF建立所述开关的开关点频率(SF)。

优选地，所述多项式是6阶多项式。

优选地，将DFF和WFF的所述测量分为带，使用两个带的组合来建立所述介质的密度分类。

优选地，所述方法还包括：在给定开关点处向每个密度分类分配开关频率。

本发明还可以用于确定悬浮在一种介质中的另一种介质的含量，例如悬浮在水中的沙子的百分比。在这种情况下，基于已知基础液体或载体液体的密度ρ₀和DFF，可以通过测量组合的WFF——组合的WFF引出密度ρ的指示——来计算母液中的颗粒的百分比。然后，载体液体中的介质的百分比可以根据如下表达式来计算：

PCP＝((ρ-ρ_o)/ρ_o)x100

在第二方面，本发明提供了一种当被配置成进行和/或应用上述方法时的振动音叉液位开关。

本领域技术人员将理解本发明可以被执行的方式的许多变型。以下描述仅旨在作为执行本发明的一种手段的说明，并且不应将变型或等同物的描述的缺失的视为限制。在可能的情况下，对特定元素的描述应被视为包括现在或未来存在的其任何和所有等同物。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的一个优选的形式，在附图中：

图1：示出了空气中的振动音叉液位开关；

图2：示出了完全浸入其要被用于的介质中的图1的开关的音叉或传感器；

图3：示出了当音叉完全浸入介质中时开关音叉频率与介质密度之间的关系的图；

图4：示出了介质密度与开关频率之间的关系的图；

图5：是将现有技术的振动音叉液位开关的开关性能与类似的但是根据本发明的被配置来使用的开关的开关性能进行比较的表；

图6：是示出在生产振动音叉开关时可以如何来实施本发明的表；以及

图7：示出了与图6所示的表有关的基本流程图。

具体实施方式

首先参照图1和图2，本发明提供了将振动音叉液位开关10进行配置以进行使用的方法。在所示的形式中，开关包括呈安装在管12的一端的音叉组件11的形式的传感器、安装在管12的相对端上的壳体13。音叉组件包括从隔膜15延伸的一对尖齿14。管12通常包括允许将装置安装在过程容器的壁上的安装件16，并且包含在壳体13内的是包括微控制器(未示出)的操作电子器件。该开关可以是电池供电的，并且在所示的形式中该开关包括允许开关与远程控制设施通信的天线17。

这种类型的装置的操作需要知道干音叉频率(DFF)，干音叉频率是音叉组件11在空气中振动时的自然频率或共振频率。干音叉频率通常在制造点处建立，但是也可以在开关安装在工作环境中时建立或调整。在图1中，开关10被示出为在介质18上方的空气中。以正常方式，当介质的表面19上升并且与音叉组件11接触时，音叉的振动频率下降，并且在发生频率从DFF的预定变化时，开关将操作。通常，开关被配置成使得开关点对应于音叉组件在介质中的限定浸入液位，例如13mm。然而，由于音叉的频率变化将随着介质18的密度的变化而变化，因此开关点也将变化。

本发明特有的特征在于，在对装置进行配置时不仅使用DFF，而且还使用通过将音叉组件11完全浸入在介质18中而建立的频率读数。图2中示出了频率读数并且在本文中频率读数被称为WFF。为了建立WFF，尖齿14的根部——即尖齿14与隔膜15之间的接合处——应浸入在介质中。开关可能会进一步浸入，但是发现进一步浸入对WFF几乎没有影响。

对于给定的音叉设计，可以针对一系列不同密度的介质建立WFF，如图3所示。将理解的是，当介质的或液体的密度非常低时，WFF与DFF相同。图3中的数据是以实验方式和/或通过有限元分析模拟来获得的，并且一旦绘制了数据，就应用多项式拟合来给出所示的曲线。图3示出了三条曲线，在表示完全浸入时的音叉频率的实线的一边一条。靠外的曲线是由诸如材料变化的制造因素引起的上限和下限。可以看出，这些制造因素只是向左或向右改变DFF并且以相同的方式移动整条曲线。

以同样的方式，可以建立介质(或液体)密度与开关点之间的关系，如图4所示。在这种情况下，将开关在各种密度的介质中保持在13mm的开关点浸入深度处，并且记录开关频率。这也可以通过手动实验或者通过有限元分析模拟来进行，并且再次根据原始数据得到多项式以及建立上限和下限。

在建立了图3和图4之后，适合于特定介质应用的开关点设置可以由壳体13内的微控制器来设置或者手动设置。

因此，使开关10适应特定介质所遵循的步骤是：

i)如果需要适合于工作环境的DFF，则建立DFF并且保存到微控制器存储器中。否则使用已经校准的DFF。

ii)将音叉组件完全浸入在介质中并且记录WFF。

iii)可以使用根据以下等式的曲线多项式拟合来根据图3建立流体密度：

ρ＝axWFF³+bxWFF²+cxWFF+d+exDFF (公式1)

其中，a、b、c、d和e是根据多项式曲线拟合算法得到的常数。

iv)使用从公式1得到的密度的测量，可以使用根据以下等式的多项式曲线拟合从图4中找到限定的开关点处的开关频率(SF)：

SF＝a1xρ²+b1xρ+c1xDFF (公式2)

其中，a1、b1和c1是从多项式曲线拟合算法得到的常数。

ii)考虑到在实际中，流体液位只会在很小程度上波动，实际开关频率中应包含一定程度的滞后，以抑制开关状态的快速变化并且防止从湿到干或者反之从干到湿的快速连续变化。

现在参照图5，示出了其中仅使用DFF来建立开关点的现有技术装置与根据本发明的被配置来进行使用的开关之间的比较。可以看出，随着密度的增加，现有技术开关的开关点的误差逐渐变大，而在应用本发明时，开关点中的所有变化几乎可以忽略不计。

此外，可以将公式1和公式2中的两个多项式如下所示进行组合，以明确地排除可变密度值，以便直接从DFF和WFF得到SF，例如：

SF＝a0xWFF⁶+b0xWFF⁵+c0xWFF⁴+d0xWFF³+e0xWFF²+

f0xWFF+g0xDFF²+h0×DFF+I0 (公式3)

其中，a0、b0、c0、d0、e0、f0、g0、h0和I0是将公式1代入到公式2中得到的常数。

在实现本发明时，作为上述精确建立开关频率的替选方案，可以使用DFF带和测量的WFF来建立适当的开关频率。

现在转向图6和图7，不是建立和应用精确的开关点，对客户来说，将开关配置用于例如低密度、中等密度、正常密度和高密度应用中会是更方便且更不容易混淆的。图6中填充了根据公式1计算的频率值的带。

作为第一步，对图6中DFF落入其中的带进行识别。然后，测量WFF以确定诸如低、中等、正常或高的适当的密度带。在识别了DFF和密度带之后，然后微控制器通过使用DFF以及例如中等密度带根据公式1和公式2的组合得到开关频率。

除了用于配置振动音叉液位开关以得到精确开关之外，本发明还可以用于确定一种介质悬浮在另一种介质中的程度。这方面的具体示例是确定沙子悬浮在水中的程度。

在了解水的密度(ρ0)和DFF的情况下，然后使用开关以通过将音叉组件完全浸入在水和沙子(或其他两种介质)的混合物中来建立WFF。在建立WFF后，然后使用WFF和DFF根据公式1获得具有悬浮颗粒的总流体密度(ρ)。

然后根据如下等式来计算混合物中的百分比颗粒含量：

PCP＝((ρ-ρ_o)/ρ_o)×100。

因此，本发明提供了将振动音叉进行配置以进行使用的有效手段，该有效手段不需要改变硬件，同时允许有效地使用音叉并且在各种不同的介质情况下均显示高精确度。通过简单地将振动传感器完全浸入在传感器要被用于的介质中，开关可以确定并且设置适合于该介质的包括开关频率在内的操作参数。

Claims (8)

1.一种将振动音叉液位开关配置用于不同介质中的方法，所述方法包括以下步骤：

针对所述开关建立湿音叉频率WFF与密度之间的关系；

针对所述开关建立密度与给定开关点处的开关频率之间的关系；

确定所述开关在空气中的干音叉频率DFF；

确定从以下操作获得的湿音叉频率WFF：将所述开关完全浸入所述开关要被用于的介质中；

组合干音叉频率DFF和湿音叉频率WFF的测量以确定所述介质的密度；以及

根据所确定的密度，建立所述开关在所述介质中的开关频率。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：基于多项式根据所述干音叉频率DFF和所述湿音叉频率WFF建立所述开关的开关频率SF。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述多项式是6阶多项式。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述干音叉频率DFF和所述湿音叉频率WFF的所述测量分为带，使用两个带的组合来建立所述介质的密度分类。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在给定开关点处向每个密度分类分配开关频率。

6.根据权利要求1所述的方法，当被应用于确定密度为ρ₀的载体液体中悬浮的一种介质的含量时，所述方法包括：测量所述载体液体中所述介质的组合的湿音叉频率WFF以得到组合密度ρ，以及将ρ₀和ρ进行比较以得到所述载体液体中介质的量的指示。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述载体液体中介质的百分比PCM可以根据以下表达式来计算：

PCM＝((ρ-ρ_o)/ρ_o)x100。

8.一种当被配置成进行和/或应用根据权利要求1至7中任一项所述的方法时的振动音叉液位开关。

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