CN110779598B - 用于确定阻抗传感器的开关状态的方法及阻抗传感器 - Google Patents

用于确定阻抗传感器的开关状态的方法及阻抗传感器 Download PDF

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Abstract

一种确定阻抗传感器(100)的开关状态的方法，阻抗传感器包括：测量探头(102)，围绕测量探头(102)的介质能够影响其电容量；测量振荡电路，测量探头(102)作为电容量确定元件布置在其中；具有激励测量振荡电路的信号发生器(103)和确定测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)的电子单元(101)；及连接到电子单元(101)的评估控制单元(105)，利用输入信号驱动信号发生器(103)；确定测量振荡电路的响应信号；基于输出值输出开关状态；且确定响应信号的最小值的数量，由此在仅确定出一个最小值(304)时输出最小值作为输出值；且在确定出多个最小值时利用多个输入信号顺序地驱动信号发生器(103)；确定测量振荡电路的响应信号；且形成响应信号的平均值；确定并输出平均值的最小值作为输出值。

Description

用于确定阻抗传感器的开关状态的方法及阻抗传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定阻抗传感器的开关状态的方法以及一种用于实施该方法的阻抗传感器。
背景技术
阻抗限位传感器在现有技术中基本上是已知的，且/或用于测量极限物位或填充物位。用于检测预定物位的典型应用为诸如处理工业中的过程罐、储存罐、筒仓或管线之类的过程容器。阻抗限位传感器在这里常用作所谓的限位开关，以便在不同的液体以及颗粒状、粉末状松散材料中确定填充介质是否超过或低于预定填充物位(即，所谓的极限物位)。
不同类型的限位开关和/或限位传感器是已知的，根据应用、过程条件以及填充介质的特性来选择限位开关和/或限位传感器。除阻抗限位传感器之外，这里使用根据时域反射法(TDR：Time Domain Reflectometry)操作的传感器或者振动限位传感器或根据电容操作的传感器。限位开关的开关命令例如可以启动或停止填充装置或排放装置，以便相应地防止这种过程容器的任何溢出或排空。
在本说明书中，出于简化的原因，等同地使用了阻抗传感器、限位开关和限位传感器这些术语，以取代阻抗限位传感器这一术语。
图1示出已知的阻抗传感器100。
图1示出根据现有技术的阻抗传感器100的开关块的简化剖面图。根据现有技术的阻抗传感器100大体上包括电子单元101和测量探头102。测量探头102在本示例性实施例中形成为串联振荡电路，在下文也被称为测量振荡电路。测量电容110形成在测量电极106和参考电极108之间，测量电容110和分立电感109连接以形成作为串联振荡电路的测量振荡电路。
如果阻抗传感器被介质围绕，则该介质作为电介质作用于测量电容并改变其电容量，进而改变测量振荡电路并因而改变振荡电路的共振频率以及响应信号在共振频率区域中的信号幅值。
测量电极106以关于阻抗传感器100的纵向轴线A旋转对称的方式形成，并通过绝缘体107与处理室90分离。在本阻抗传感器100中，参考电极108也以关于纵向轴线L旋转对称的方式形成。在本示例性实施例中，参考电极108为此形成为管，且同时形成传感器壳体的一部分。在从纵向轴线L的方向看时，测量电极106布置在管的上游，且被布置在管上的绝缘体107围绕。绝缘体107同时形成壳体的前侧盖。
有利地，对分立电感109进行选择，以针对多数不同的介质和/或覆盖状态(空、满以及沾染)将振荡电路的共振频率fres设置在100MHz至200MHz之间。有利地，在100MHz至200MHz之间分析所述测量振荡电路的随频率变化的复数值阻抗|Z|的值，即通过频率发生器103使用100Mhz至200MHz的频率的频率扫描来激励测量振荡电路，并且通过频率检测器104来检测测量振荡电路的响应信号(频率响应)。如果介质在测量探头102附近，则测量振荡电路的阻抗特性发生变化，即特别地，其在形成阻抗Z的最小值的位置处的共振频率fres发生偏移。
这里，频率扫描被理解为利用频率范围内的多个连续频率的顺序激励，其中，该频率范围理想地覆盖测量振荡电路的所有可能的共振频率。利用压控振荡器(VCO：voltagecontrolled oscillator)生成共振器频率，其中，通过微控制器的数模转换器(DAC)来控制压控振荡器。例如，频率范围应当在100ms的时段内从100MHz扫描到200MHz。在评估控制单元105中使用测量振荡电路的阻抗Z的变化进行评估。具体地，针对频率变化Δf以及阻抗Z的最小值的幅值的变化(也称为幅值变化)ΔZ来评估频率响应并据此生成开关命令。或者，可针对阻抗Z的最大值进行评估。
图2a和2b示出了图1所示的已知阻抗传感器100的阻抗Z的幅值的最小值304在各种覆盖条件和介质的情况下的位置。坐标系统的横坐标示出频率f，且纵坐标示出所接收的响应信号的阻抗Z的幅值。频率被示出为100MHz至200MHz的激励频率f的0％至100％。同样，幅值被归一化为激励信号的幅值的0％至100％。
响应信号的最小值的位置被示出，即在番茄酱、水或润滑油覆盖探头的情况下，在干净探头暴露于空气的情况下或者在番茄酱粘附于探头的情况下的共振点的位置被示出。由于知晓了响应信号的这些取决于被检测介质的最小值而将阻抗传感器的测量范围划分成三个部分(覆盖、未覆盖、粘附)并设置有图2b所示的开关阈值。
诸如在阻抗传感器附近操作的泵或马达的电磁辐射等干扰信号在现有技术中重复地导致错误开关，这是因为不再能够正确地确定阻抗曲线的频率和幅值，尤其是在最小值附近不再进行正确确定。
图3a示出了示例性的未受干扰响应信号301。
压控振荡器(VCO)的输出信号施加在阻抗限位开关的振荡电路上，振荡电路在未受干扰的状态下表现出图3a所示的阻抗特性。在阻抗限位开关的共振点处，在未受干扰共振曲线上仅产生一个最小值304。根据该响应信号，可以通过定位频率和幅值明确地确定最小值。如果该响应信号受到电磁干扰，则如图3b所示，产生了畸变响应信号。图3b的畸变响应信号在多个频率f处具有多个最小值和最大值，这些值分别表现出不同的幅值。根据该信号，不再能够可靠地检测出真正的最小值的位置，从而在现有技术中可能出现由电磁干扰导致的错误开关。
发明内容
本发明是鉴于以上问题而提出的。
本发明的目的在于提出一种用于基于阻抗确定来确定阻抗传感器(尤其是，限位开关)的开关状态的方法，该方法以与电磁干扰无关的方式输出正确的测量值和/或开关状态。此外，本发明的目的还提出了一种实施该方法的限位传感器。
这些目的通过本发明的方法以及限位传感器来实现。根据本发明，提供了一种用于确定阻抗传感器的开关状态的方法，阻抗传感器包括测量探头、测量振荡电路、具有信号发生器和信号检测器的电子单元以及评估控制单元，围绕测量探头的介质能够影响测量探头的电容量，测量探头作为电容量确定元件布置在测量振荡电路中，信号发生器用于激励测量振荡电路，信号检测器用于确定测量振荡电路的响应信号，评估控制单元连接到电子单元。该方法包括以下步骤：
首先，利用输入信号驱动信号发生器，因此信号发生器向测量振荡电路输出频率斜坡(所谓的频率扫描)。
然后，确定测量振荡电路的响应信号，并基于输出值输出开关状态，其中，如下文所述地确定输出值。
根据本发明的方法的特征在于，确定频率响应的幅值最小值的数量，且在仅确定出一个最小值的情况下，将该最小值作为输出值输出以用于确定开关状态。在确定出多个最小值的情况下，利用多个输入信号顺序地驱动信号发生器。通过利用多个输入信号顺序地驱动信号发生器，测量振荡电路利用响应信号来响应由信号发生器产生的频率扫描。
在另一步骤中确定测量振荡电路的响应信号，并在随后步骤中根据响应信号形成平均值。
然后，确定平均值的最小值，并将其作为输出值输出。
例如，通过组平均(Scharmittelung)来确定平均值。
在方法的有利实施例中，利用包括至少5个，优选至少10个输入信号的多个输入信号来激励信号发生器。以此方式，能够对至少5个，优选至少10个响应信号进行组平均，从而适当地改善信噪比。
如果利用多个相同信号激励测量振荡电路，则在周期性干扰的情况下，所有的响应信号被相同地干扰，并因此不会改善信噪比。然而，当多个输入信号包括至少两个不同的输入信号时，周期性干扰能够不同地反映在响应信号中，从而通过平均响应信号能够改善信噪比。
如果输入信号的信号时段不同，而它们的频率跨度相同，则能够提供一种简单的改变输入信号的方式。以此方式，产生了具有不同地倾斜的频率斜坡的频率扫描，据此周期性干扰不同地反映在测量振荡电路的响应信号中。
因此，对于常用的阻抗限位传感器，有利的是，从起始频率100MHz到结束频率200MHz的范围内进行频率扫描，其中，这里，频率扫描优选具有10个不同的8ms至17ms的扫描时段，这些扫描时段分别具有1ms的差异。以此方式，共振频率分别在频率扫描的不同时间点处实现，并且因而被干扰不同地干扰，从而能够良好地构建未受干扰的响应信号。
例如，频率扫描可以在增加扫描时段的方式进行遍历(durchlaufen)。这里，任意顺序带来的优点在于所获得的测量结果在各个平均之间不会产生相同的激励信号。因此，更好地抑制恒定的干扰信号。
根据本发明的限位开关包括测量探头、测量振荡电路、具有信号发生器和信号检测的电子单元以及评估控制单元，围绕测量探头的介质能够影响测量探头的电容量，测量探头作为电容量确定元件布置在测量振荡电路中，信号发生器用于激励测量振荡电路，信号检测器用于确定测量振荡电路的响应信号，评估控制单元连接到电子单元，限位开关的特征在于限位开关被构造为用于实施上述方法。
例如，这样可以通过如下方式实现：评估控制单元具有用于组平均的单元。
另外，评估控制单元可被适当地构造成用于利用多个不同的输入信号来激励频率发生器，使得周期性干扰不同地反映在测量振荡电路的响应信号中。
可以通过确定最小值来获得输入值。例如通过形成一阶导数并取零点或通过数值方法来获得最小值。
附图说明
在下文中，参考附图基于示例性实施例更详细地说明了本发明。
图1示出了根据现有技术的阻抗传感器(已讨论)。
图2a和2b示出了在不同覆盖条件和介质的情况下阻抗传感器的响应信号的最小值的位置(已讨论)。
图3a和3b示出了根据图1的阻抗传感器的未受干扰和受干扰的响应信号(已讨论)。
图4a示出了用于确定真正的未受干扰响应信号的过程的图示。
图4b示出了利用本发明的方法确定的曲线与未受干扰响应信号的比较。
图5示出了根据本发明的确定偏移状态的方法的流程图。
具体实施方式
除非另有说明，附图中相同附图标记表示具有相同功能的相同部件。
根据本发明的阻抗传感器100的设计基本上对应于现有技术已知的且结合图1说明的设计。测量探头102的设计对应于现有技术已知的设计，其中，不同于图1所示的图示，也可以为阻抗传感器100选择测量探头102的任何其它合适的设计。
用于确定阻抗传感器100的开关状态的方法的特征在于，在接收到受干扰响应信号302的情形下，如图3b所示，则检测到受干扰响应信号302具有多个最小值。基于这种认知，阻抗传感器100的测量振荡电路被顺序地施加多个频率扫描，在本示例性实施例中被顺序地施加10个频率扫描。各个频率扫描分别具有100MHz的频率跨度并在100MHz至200MHz的频率范围内遍历，然而这些频率扫描的时段彼此不同。由此导致各个频率扫描在所遍历的频率斜坡的斜率的方面存在差异。
图4a示出了测量振荡电路在这些激励下的响应信号。
基于这一组受到干扰信号干扰的响应信号，对各个响应信号进行组平均，并因而产生如图4b所示的平均信号402。出于比较的目的，图4b还示出了未受干扰响应信号403。从图4b可见，平均信号402仅稍微偏离未受干扰信号，尤其在最小值404附近。
试验表明，本发明在4个频率扫描以及相应数量的响应信号之后就能够以+/-2％的精确度确定未受干扰响应信号的最小值。在16个频率扫描的情况下产生了+/-0.5％的精确度，这足以用于所有的公共应用，从而另外增加频率扫描的数量通常是不利的。
图5示出了根据本发明的用于确定阻抗传感器100的开关状态的示例性方法的流程图。
在第一步骤501中，激励阻抗传感器100的测量探头102。利用预期存在阻抗传感器100的共振频率fres的频率范围内的频率扫描进行激励。在本示例性实施例中，由于测量振荡电路的组件的尺寸设置，预期阻抗传感器100的共振频率fres存在于100MHz和200MHz的范围内。利用100MHz至200MHz的频率扫描来激励阻抗传感器100的测量探头102。
在第二步骤502中，确定测量探头102的响应信号。确定关于与激励信号的频率f相关的探头阻抗Z的响应信号。
在第三步骤503中，确定响应信号中包含的最小值的数量。
在第四步骤504中确定出响应信号仅包含一个最小值的情况下，在第九步骤409中使用该最小值的位置来确定阻抗传感器100的开关状态。然而，在第四步骤504中确定出最小值的数量大于1的情况下，在第五步骤505中利用多个输入信号顺序地激励测量探头102。
在本示例实施例的方法中，以如下方式利用多个输入信号激励测量探头102：利用10个具有100MHz的起始频率和200MHz的结束频率的频率扫描来激励测量探头102，其中，各个频率扫描分别具有不同的扫描时段。分别以7至16ms的扫描时段和1ms的梯度来行进频率扫描。
在第六步骤506中，在每次利用频率扫描激励测量探头102之后确定测量探头102的响应信号，其中，临时保存响应信号。
随后，在第七步骤507中，对所接收的响应信号进行平均。在第八步骤508中，根据该平均值来确定最小值，并且在第九步骤509中，基于该最小值的位置确定阻抗传感器100的开关状态。
在此方面应当注意，这里提到的十个激励信号的数量仅是示例，并且为了执行本方法，可以选择能够产生接近未受干扰响应信号的充分精度的任意数量的激励信号和相应的响应信号。
附图标记列表
100 阻抗传感器
101 电子单元
102 测量探头
103 频率发生器/信号发生器
104 频率检测器/信号检测器
105 评估控制单元
106 测量电极
107 绝缘体
108 参考电极
109 分立电感
110 测量电容
301 未受干扰响应信号
302 受干扰响应信号
304 最小值
402 平均信号
403 未受干扰响应信号
404 最小值
501至509 处理步骤
f 频率
fres 共振频率
Z 阻抗/幅值

Claims (12)

1.一种用于确定阻抗传感器(100)的开关状态的方法，所述阻抗传感器包括：
测量探头(102)，围绕所述测量探头(102)的介质能够影响所述测量探头的电容量；
测量振荡电路，所述测量探头(102)作为电容量确定元件布置在所述测量振荡电路中；
电子单元(101)，所述电子单元具有用于激励所述测量振荡电路的信号发生器(103)和用于确定所述测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)；以及
评估控制单元(105)，所述评估控制单元连接到所述电子单元(101)，
所述方法包括如下步骤：
利用输入信号驱动所述信号发生器(103)；
确定所述测量振荡电路的所述响应信号；
基于输出值输出开关状态；
所述方法的特征在于如下步骤：
确定所述响应信号的幅值最小值的数量，
在仅确定出一个最小值(304)的情况下，将所述最小值输出，以作为所述输出值；
在确定出多个最小值的情况下，利用多个输入信号顺序地驱动所述信号发生器(103)；
确定所述测量振荡电路的所述响应信号；并且
根据所述响应信号形成平均值；
确定并输出所述平均值的最小值，以作为所述输出值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个输入信号包括至少5个。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多个输入信号包括至少10个输入信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个输入信号包括至少两个不同的输入信号。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述输入信号的信号时段不同，而它们的频率跨度相同。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，从100MHz的起始频率至200MHz的结束频率来遍历频率扫描。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频率扫描具有10个不同的8ms至17ms的扫描时段，所述扫描时段分别具有1ms的差异。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频率扫描以增加扫描时段的方式进行遍历。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述频率扫描以任意顺序的扫描时段进行遍历。
10.一种限位开关，所述限位开关包括：
测量探头(102)，围绕所述测量探头(102)的介质能够影响所述测量探头的电容量；
测量振荡电路，所述测量探头(102)作为电容量确定元件布置在所述测量振荡电路中；
电子单元(101)，所述电子单元具有用于激励所述测量振荡电路的信号发生器(103)和用于确定所述测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)；以及
评估控制单元(105)，所述评估控制单元连接到所述电子单元(101)，
所述限位开关的特征在于，所述限位开关被构造成用于实施根据前述任一项权利要求所述的方法。
11.根据权利要求10所述的限位开关，其特征在于，所述评估控制单元(105)包括用于组平均的单元。
12.根据权利要求10或11所述的限位开关，其特征在于，所述评估控制单元(105)被适当地构造成用于使用多个不同的输入信号来激励所述多个频率发生器(103)。
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