CN110268234A

CN110268234A - 监视电子振动传感器的状况

Info

Publication number: CN110268234A
Application number: CN201880010621.4A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·沃格特
Original assignee: Ndele J And Hauser European Two Cos
Current assignee: Ndele J And Hauser European Two Cos; Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: DE102017102550A1; US20200116545A1; CN110268234B; EP3580532A1; WO2018145858A1

Abstract

本发明涉及一种用于监视电子振动传感器(1)的状况的方法，所述电子振动传感器(1)用于使用具有机械可振荡单元(4)的至少一个传感器单元(3)来确定和/或监视容器(2a)中的介质(2)的至少一个过程变量，所述方法包括以下方法步骤：在所述传感器(1)位于其使用位置处/中的同时确定所述电子振动传感器(1)的至少一个物理和/或化学变量特性的测量值(f、f₀)，将所述物理和/或化学变量的测量值(f、f₀)与针对此变量的参考值(f_ref、f_0,ref)相比较，以及根据比较确定状况指标。

Description

监视电子振动传感器的状况

技术领域

本发明涉及一种用于监视电子振动传感器的状况的方法，所述电子振动传感器用于确定和/或监视容器中的介质的至少一个尤其是物理或化学过程变量。所述电子振动传感器包括具有机械可振荡单元的传感器单元。

背景技术

要监视的过程变量可以是例如容器中的介质的料位或通过管道或管的介质的流量，然而，还可以是密度、粘度、pH值、压力、电导率或温度。另外，光学传感器(诸如浊度或吸收传感器)是已知的。不同的基础测量原理以及基本构造和/或布置是从大量出版物中已知的。对应的现场装置由本申请人各式各样地制造和销售。

电子振动传感器在过程和/或自动化技术中找到多个应用。在料位测量装置的情况下，其具有至少一个机械可振荡单元，诸如例如振荡叉、单齿(tine)或膜。其被激励以在操作期间借助于驱动/接收单元(常常形式为机电换能器单元)执行机械振荡，所述驱动/接收单元进而可以是例如压电驱动器或电磁驱动器。然而，机械可振荡单元可在流量测量装置的情况下作为可振荡管被具体实现，所述可振荡管由介质流过，诸如例如，在根据科里奥利原理工作的测量装置的情况下。

对应的现场装置由本申请人各式各样地制造并且在料位测量装置的情况下(例如，在商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT下)被出售。原则上，基础测量原理是从许多出版物中已知的。驱动/接收单元借助于电激励信号激励机械可振荡单元，使得它执行机械振荡。相反地，驱动/接收单元可接收机械可振荡单元的机械振荡并且将它们转换成电接收信号。相应地，驱动/接收单元是单独的驱动单元和单独的接收单元，或组合式驱动/接收单元。

在这种情况下，驱动/接收单元常常是反馈电振荡电路的一部分，借助于所述反馈电振荡电路发生机械可振荡单元的激励，使得它执行机械振荡。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据所述振荡电路条件放大系数≥1并且在振荡电路中出现的所有相位添加到360°的倍数。

为了激励和满足振荡电路条件，必须确保激励信号与接收信号之间的某个相移。因此，频繁地在激励信号与接收信号之间设置相移的可预先确定的值，因此，设置相移的期望值。对于此从现有技术中已知的是最多样的解决方案，包括模拟方法以及数字方法两者。原则上，可例如通过使用适合的滤波器来实现相移的设置，或者可借助于控制回路将相移控制到可预先确定的相移，即期望值。例如，从DE102006034105A1中已知的是使用可调移相器。相比之下，在DE102007013557A1中描述了具有可调放大因子以进行振荡振幅的附加控制的放大器的附加集成。

DE102005015547A1提供全通滤波器的应用。此外，借助于所谓的频率扫描，相移的设置是可能的，诸如例如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中所公开的。然而，还可借助于相位控制环(锁相环，PLL)将相移控制到可预先确定的值。这样的激励方法是DE00102010030982A1的主题。

激励信号以及接收信号都通过频率ω、振幅A和/或相位Φ来表征。相应地，这些变量中的变化被通常考虑用于确定特定过程变量，诸如例如，容器中的介质的预定料位或甚至介质的密度和/或粘度或通过管道的介质的流量。在用于液体的电子振动限位开关的情况下，例如区分可振荡单元是被液体覆盖还是在自由振荡。在这种情况下，例如基于不同的谐振频率因而通过频移来区分这两种状况(自由状况和被覆盖状况)。进而，只有当可振荡单元被介质覆盖时才可用这样的测量装置来确定密度和/或粘度。

如例如在DE10050299A1中描述的，可借助于电子振动传感器基于频率-相位曲线(Φ＝g(ω))确定介质的粘度。此过程基于可振荡单元的阻尼对介质的粘度的依赖性。在这种情况下，粘度越低，频率-相位曲线下降越陡。为了消除密度对测量结果的影响，基于通过相位的两个不同值所引起的频率变化因而借助于相对测量来确定粘度。在这方面，可设置两个不同的相位值并确定所关联的频率变化，或者当实现至少两个预先确定的相位值时，通过预先确定的频带并检测它。

此外，从DE102007043811A1中已知的是根据本征频率和/或谐振频率和/或相位差的变化来确定粘度的变化并且/或者基于相应地存储的可振荡单元的振荡对介质的粘度的依赖性来确定粘度。另外在此过程的情况下，必须考虑粘度的确定对介质的密度的依赖性。

为了确定和/或监视介质的密度，从DE10057974A1中已知的是一种方法以及一种设备，借助于所述方法和设备，可确定并相应地补偿至少一个干扰变量(例如，粘度)对机械可振荡单元的振荡频率的影响。在DE102006033819A1中，此外描述了要在激励信号与接收信号之间设置可预先确定的相移，在此情况下介质的粘度的变化对机械可振荡单元的机械振荡的影响是可忽略的。在这种情况下，基本上使用如下公式来确定密度：

其中S是机械可振荡单元的密度灵敏度，F_0,vak是在0℃下真空中的机械振荡的频率，C和A分别是机械可振荡单元的振荡频率F_0,vak的线性和平方温度系数，t是过程温度，F_t,p,Med是机械可振荡单元在介质中的振荡频率，D是压力系数，并且p是介质的压力。

为了独立于经验假设，从DE102015102834A1中已知的是一种用于借助于电子振动传感器确定密度和/或粘度的分析测量原理，所述电子振动传感器基于数学模型考虑可振荡单元与介质之间的相互作用。传感器以两个或更多个不同的可预先确定的相移操作并且根据响应信号确定过程变量、密度和/或粘度。

为了确保电子振动传感器的可靠操作，从现有技术中已知的是各种方法，借助于所述各种方法可获得关于电子振动传感器的状况的信息。从DE102005中已知的是例如一种用于监视电子振动传感器的质量的机会。测量设备包括功率测量单元，其至少针对谐振振荡的情况监视激励器/接收单元的能量要求。以这种方式，可获得关于电子振动传感器的质量的信息。质量越高，激励谐振振荡所需要的能量越少。因此，如果用于激励谐振振荡的能量要求在可预先确定的时间段期间上升，或者超过在传感器的制造期间确定的可预先确定的极限值的质量，则可假定在可振荡单元的区域中存在缺陷、吸积等。

从DE102007008669A1中已知的进而是一种具有电子单元的电子振动传感器，所述电子单元包括相位测量单元、可调移相器和相位匹配单元，这些单元控制激励信号与接收信号之间的相移的设置。可在传感器的操作的持续时间期间以可预先确定的时间间隔更新和存储控制参数。此外，基于存储的控制参数与当前控制数据之间的比较，可执行对状况的监视。

发明内容

所描述的解决方案总是适于特殊情况和特定陈述。单独的测量装置或专门地适配的电子单元是监视状况所需要的。所希望的将是用于检查电子振动传感器的通用监视功能。

因此，本发明的目的是提供一种用于监视电子振动传感器的状况的方法，该方法易于执行并且普遍适用于不同的电子振动传感器。

所述目的根据本发明通过一种用于监视电子振动传感器的状况的方法来实现，所述电子振动传感器用于确定和/或监视容器中的介质的至少一个过程变量并且包括具有机械可振荡单元的至少一个传感器单元，包括如下方法步骤：

-在所述传感器位于其使用位置处/中的同时，确定所述电子振动传感器的至少一个物理和/或化学变量特性的测量值，

-将所述物理和/或化学变量的测量值与针对所述变量的参考值相比较，以及

-根据比较确定状况指标。

所述电子振动传感器基本上通过各种物理或化学变量尤其是特征变量来表征。示例包括所述可振荡单元的谐振频率，以及当所述传感器与介质不接触时的振荡的振幅。可在正在进行的操作期间在所述传感器的安装状态下确定这些变量。另外，对于所考虑的特征变量、物理变量或化学变量中的每一个，可针对特定传感器给出参考值，这些参考值例如对应于期望值。所述期望值是当所述传感器完全起作用时所述特定物理或化学变量假定的值。

根据本发明的对状况的监视的执行是特别有利的，因为对于监视，不需要中断应用所述传感器的特定过程。可在任何时候执行对状况的监视，而不必从过程中卸载传感器，以便执行对状况的监视。取决于正在考虑哪一个特征变量，例如，可为此选择时间点，即当所述传感器安全地与被测介质不接触的时间。

此外，可根据时间记录所测量的特征物理和/或化学变量。基于此，然后不仅可执行对状况的逐点监视。相反，可观察到时间发展。

此外，本发明的方法有利地使得能实现预测维护的执行。基于特征变量的某个测量值，例如，然后可估计何时需要维护传感器。

在所述方法的实施例中，所述测量值与所述参考值之间的偏差被确定，并且基于所述偏差确定所述状况指标。例如，当所述测量值与所述参考值之间的所述偏差超过可预先确定的极限值时，可生成关于所述传感器的状况的陈述。

在所述方法的附加实施例中，所述至少一个参考值是与所述传感器的交付状况相对应的所述物理和/或化学变量的值，尤其是测量值。在所述传感器的制造期间，确定或者测量对于所述传感器特定的不同的物理和/或化学特征变量。由于这些被考虑作为参考值，所以可直接地考虑由常见制造公差产生的所述特征物理和/或化学变量中的差异。这些值的时间变化率然后许可关于所述传感器的状况的陈述。

有利地，针对所述物理和/或化学变量的所述至少一个参考值和/或所述至少一个关联的测量值被记录在数据表中。然后可例如将参考参数与传感器一起交付给客户。替换地，可在任何时候请求传感器的数据表，以便执行对所述状况的监视。所述数据表优选地不仅包含所述参考值，而且还包含针对测量值与所述参考值的允许偏差的极限值。

同样地，如果物理和/或化学变量的所述测量值被记录，则可进一步根据时间尤其是在所述电子振动传感器的操作的整个持续时间期间这样做。因此，另外可以可靠地检测某个物理或化学变量的非常缓慢地出现的变化。这对于关于传感器的老化效应的监视状况是特别有利的。

所述数据表可包含例如表格形式的数据。特别地，所述数据表也可以形式为计算机可读文件。

替换地，同样地有利的是，针对所述物理和/或化学变量的所述至少一个参考值和/或所述至少一个关联的测量值被存储在基于因特网的文件或数据库中。以这种方式，不必与所述传感器一起交付所述参考值。相反，可在需要时下载所述参考值。基于因特网的存储关于特征物理和/或化学变量的测量值也是有利的。可同样地在工厂处下载并评估所存储的数据以便改进传感器的新一代。

所述方法的实施例包括在过程的地点处执行所述测量值与所述参考值的比较。例如，当所述电子单元包括适合的比较算法时，其是可能的。可从一开始就相应地实现所述电子单元。替换地，然而同样地可选择改装或者更新现有传感器的现有电子单元。

所述方法的另一实施例包括至少一个特征物理和/或化学变量是频率(尤其是谐振频率)、振幅、激励信号与接收信号之间的相位差或电压，尤其是对于所述传感器的特性电压，例如开关电压。

最后，有利的是所述可振荡单元是膜、单齿或振荡叉。

特别优选的实施例包括，作为状况指标，生成和/或输出关于吸积、腐蚀、磨损或电缆断裂的发生或者关于水分渗透到所述传感器的至少一个部件中的陈述。吸积、腐蚀和/或磨损尤其与所述可振荡单元有关，而电缆断裂或水分的渗透尤其对于所述电子单元来说可能是有问题的。

所述方法的另一特别优选的实施例最后包括，所述至少一个特征物理和/或化学变量是所述传感器的谐振频率。在所述测量值大于所述参考值的情况下，然后，作为状况指标，输出关于所述可振荡单元的区域中的腐蚀或磨损、关于所述可振荡单元的涂层的磨损、关于所述可振荡单元的缺陷或者关于在所述可振荡单元上存在吸积的陈述。相比之下，当所述测量值小于所述参考值时，作为状况指标而生成和/或输出的是关于所述可振荡单元的区域和/或所述电子振动传感器的驱动/接收单元的区域中的腐蚀或磨损或者关于介质到所述可振荡单元的涂层中的扩散的陈述。

附图说明

现在将基于附图更确切地描述本发明及其优点，附图的各图示出如下：

图1是现有技术的电子振动传感器；以及

图2是电子振动传感器的可振荡单元，其中所述可振荡单元形式为振荡叉。

具体实施方式

图1示出电子振动传感器1。示出的是具有形式为振荡叉的可振荡单元4的传感器单元3，所述可振荡单元4被部分地沉浸在介质2中，所述介质2位于容器2a中。可振荡单元4借助于激励器/接收单元5被激励，使得它执行机械振荡。激励器/接收单元5可以是例如压电堆或双压电晶片驱动器。当然，电子振动传感器的其它实施例也落在本发明的范围内。另外示出的是电子单元6，借助于所述电子单元6发生信号记录—评估和/或馈送。

图2在侧视图中示出形式为振荡叉的可振荡单元4，诸如例如如集成在由本申请人在商标LIQUIPHANT下销售的电子振动传感器1中的振荡叉。振荡叉4包括两个振荡齿8a、8b，所述两个振荡齿8a、8b形成在膜7上并带有两个末端定位的桨9a、9b。振荡齿8a、8b与桨9a、9b一起也经常被称为叉齿。为了使机械可振荡单元4执行机械振荡，通过材料键合安装在膜7的远离振荡齿8a、8b的侧上的驱动/接收单元5在膜8上施加力。驱动/接收单元5是机电换能器单元，并且包括例如压电元件或甚至电磁驱动器[未示出]。驱动/接收单元5可以是两个单独的单元，或一个组合式驱动/接收单元。在驱动/接收单元5包括压电元件9的情况下，施加于膜7上的力是通过例如以交流电压的形式施加激励信号U_E而生成的。所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，实现压电元件内的收缩或松弛，使得电交流电压作为激励信号U_E的施加引起通过材料键合与驱动/接收单元5连接的膜7的振荡。相反地，可振荡单元的机械振荡经由膜被传递到驱动/接收单元5并转换成电接收信号U_R。然后可基于接收信号U_R确定特定过程变量，例如，容器2a中的介质2的可预先确定的料位或甚至介质2的密度或粘度。

现在将基于可振荡单元4的测量频率f尤其是传感器1的谐振频率f₀与针对该频率的对应参考值f_ref、f_0,ref的比较来说明用于监视电子振动传感器的状况的机会。当然，然而还可基于电子振动传感器1的任何其它物理和/或化学变量特性(例如，振幅A、激励信号U_E与接收信号U_R之间的相位差Φ或电压，尤其是对于传感器的特性电压，例如开关电压)来执行对状况的监视。

可根据接收信号U_R确定电子振动传感器1的谐振频率f₀的测量值。在给定情况下，不同的过程参数被考虑用于执行测量值f₀与针对该频率的参考值f_0,ref的比较，以便基于该比较能够获得关于传感器1的状况的确切陈述。这些过程参数可包括例如温度T或压力p或甚至可振荡单元4的覆盖状况。

理想地，在取得频率f₀的测量值时存在的过程状况与在确定参考值f_0,ref时存在的过程状况相同。

可振荡单元4的频率f₀例如是温度和压力相关的。通常，基本上在标准状况下(因此，在室温和标准压力下)确定参考值，在这种情况下，因此确定可振荡单元4的谐振频率的参考值f_0,ref。相应地，当在测量频率f₀时的过程中的温度T位于大约20-30℃的范围内并且在过程中既不是正压力也不是负压力占优势时是有帮助的。替换地，例如，可使用相对于单独的特征变量(例如，频率f₀)对特定过程状况(诸如温度T或压力p)的依赖性的特征线、曲线或补偿函数，以便适合地转换测量值。

此外，确定了可振荡单元4与介质不接触的情况的谐振频率，使得关于频率f₀理想地同样地满足用于监视状况的这种要求。

基于频率f₀的测量值与相应的参考值f_0,ref的比较，然后可生成关于状况的陈述。例如，可定义可预先确定的极限值。如果偏差超过此极限值，则在给定情况下，存在问题，或者需要检修传感器。因此，本发明的方法提供用于预测维护的机会。例如，可注意到的是，传感器的维护或甚至针对可振荡单元的清洁循环是由于例如在已在可振荡单元的区域中形成了吸积的情况下而导致的。此外，频率f₀的测量值可被标绘为时间的函数，并且例如，基于曲线，对于何时应该执行这样的维护和/或清洁做出估计。

在谐振频率f₀上升至可预先确定的极限值以上(例如，尤其是对称地分布)的情况下，在可振荡单元4的区域中可能存在吸积或腐蚀。还可能的是在可振荡单元4的区域中已发生涂层的磨损，或者还可能的是可振荡单元有缺陷，例如，断裂。另一方面，在谐振频率f₀减小至可预先确定的极限值以下的情况下，在可振荡单元的区域和/或电子振动传感器的驱动/接收单元的区域中可能存在腐蚀或磨损，或者已发生了介质到可振荡单元的涂层中的扩散。

附图标记

1 电子振动传感器

2 介质

2A 容器

3 传感器单元

4 可振荡单元

5 机电换能器单元

6 电子单元

7 膜

8a、8b 振荡齿

9a、9b 桨

U_E 激励信号

U_R 接收信号

f 频率

Claims

1.一种用于监视电子振动传感器(1)的状况的方法，所述电子振动传感器(1)用于确定和/或监视容器(2a)中的介质(2)的至少一个过程变量并且包括具有机械可振荡单元(4)的至少一个传感器单元(3)，所述方法包括如下方法步骤：

-在所述传感器(1)位于其使用位置处/中的同时，确定所述电子振动传感器(1)的至少一个物理和/或化学变量特性的测量值(f、f₀)，

-将所述物理和/或化学变量的测量值(f、f₀)与针对所述变量的参考值(f_ref、f_0,ref)相比较，以及

-根据比较确定状况指标。

2.如权利要求1所述的方法，

其中，所述测量值(f、f₀)与所述参考值(f_ref、f_0,ref)之间的偏差被确定，并且其中，基于所述偏差确定所述状况指标。

3.如权利要求1或2所述的方法，

其中，所述至少一个参考值(f_ref、f_0,ref)是与所述传感器(1)的交付状况相对应的所述物理和/或化学变量的值，尤其是测量值。

4.如权利要求1至3中的至少一项所述的方法，

其中，针对所述物理和/或化学变量的所述至少一个参考值(f_ref、f_0,ref)和/或所述至少一个关联的测量值(f、f₀)被记录在数据表中。

5.如权利要求1至3中的至少一项所述的方法，

其中，针对所述物理和/或化学变量的所述至少一个参考值(f_ref、f_0,ref)和/或所述至少一个关联的测量值(f、f₀)被存储在基于因特网的文件或数据库中。

6.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，在过程的地点处执行所述测量值(f、f₀)与所述参考值(f_ref、f_0,ref)的比较。

7.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，所述至少一个特征物理和/或化学变量是频率(f)、尤其是谐振频率(f₀)、幅度(O)、激励信号(U_E)与接收信号(U_R)之间的相位差(Φ)、或电压，尤其是对于所述传感器的特性电压，例如开关电压。

8.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，所述可振荡单元(4)是膜、单齿或振荡叉。

9.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，作为状况指标，生成和/或输出关于吸积、腐蚀、磨损或电缆断裂的发生或者关于水分渗透到所述传感器(1、3、6)的至少一个部件中的陈述。

10.如前述权利要求中的至少一项所述的方法，

其中，所述至少一个特征物理和/或化学变量(f、f₀)是所述传感器(1)的谐振频率(f₀)，

其中，当所述测量值(f₀)大于所述参考值(f_0,ref)时，然后作为状况指标，输出关于所述可振荡单元(4)的区域中的腐蚀或磨损、关于所述可振荡单元(4)的涂层的磨损、关于所述可振荡单元(4)的缺陷或者关于在所述可振荡单元(4)上存在吸积的陈述，或者

其中，当所述测量值(f₀)小于所述参考值(f_0,ref)时，然后作为状况指标而生成和/或输出的是，关于所述可振荡单元(4)的区域中和/或所述电子振动传感器(1)的驱动/接收单元(5)的区域中的腐蚀或磨损、或者关于介质(2)到所述可振荡单元(4)的涂层中的扩散的陈述。