CN113728213A - 监测振动传感器的状况 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测振动传感器(1)的状况的方法，以便确定和/或监测容纳器(2a)中的介质(2VC)的至少一个过程变量，所述传感器具有至少一个具有机械可振荡单元(4)的传感器单元(3)，该方法包括以下方法步骤：‑借助于激励信号(UA)激励机械可振荡单元(4)以执行机械振荡，并以接收信号(UE)的形式接收机械振荡；‑确定接收信号(UE)的振幅(A)的测量值和频率(f)的测量值；‑将振幅(A)和频率(f)的测量值分别与振幅的参考值(Aref)和频率的参考值(fref)进行比较；以及‑根据比较确定状况指示符。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测振动传感器的状况的方法，振动传感器用于确定和/或监测容纳器中的介质的至少一个过程变量，特别是物理或化学过程变量。振动传感器包括具有机械可振荡单元的传感器单元。例如，待监测的过程变量可以是介质的料位或流量，但也可以是介质的密度或粘度。例如，容纳器是容器或管线。
背景技术
振动传感器广泛用于过程和/或自动化技术。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，例如振荡叉、单个尖齿或膜。这在操作期间借助于通常为机电换能器单元的形式的驱动/接收单元来激励，使得执行机械振荡。例如，机电换能器单元进而可以是压电驱动器或电磁驱动器。
对应的现场装置由申请人以繁多的种类制造，并且在料位测量装置的情况下例如以LIQUIPHANT和SOLIPHANT商标加以销售。基本的测量原理原则上可从大量公开文本中获知。驱动/接收单元借助于电激励信号激励机械可振荡单元，使得执行机械振荡。相反，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，或者可以是组合的驱动/接收单元。
在这种情况下，驱动/接收单元在许多情况下是反馈电振荡电路的一部分，借助于该电路发生机械可振荡单元的激励，使得执行机械振荡。例如，对于谐振振荡，必须满足以下振荡电路条件：放大系数≥1，并且在振荡电路中出现的所有相位之和必须是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一定相移。因此，频繁地设定用于相移的可预定值，即，用于激励信号与接收信号之间的相移的期望值。在现有技术中为此已知的是最多样化的解决方案，包括模拟方法以及数字方法两者。原则上，相移的设定可以例如通过使用合适的滤波器来执行，或者借助于控制回路控制到可预定的相移、期望值。例如，从DE102006034105A1已知的是使用可调移相器。相比之下，在DE102007013557A1中描述了具有可调节放大系数的放大器的附加集成，以用于振荡振幅的附加控制。DE102005015547A1提出了全通滤波器的应用。此外，例如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中公开的，可以借助于所谓的频率扫描来建立相移。然而，相移也可以借助于相位控制回路(锁相回路，PLL)控制到可预定的值。这种激励方法是DE102010030982A1的主题。
激励信号以及接收信号都由频率ω、振幅A和/或相位Φ表征。相应地，通常考虑这些变量的变化以确定特定的过程变量，例如容器中的介质的预定料位或者介质的密度和/或粘度或者介质通过管或管线的流量。例如，在用于液体的振动限位开关的情况下，可以区分可振荡单元是被液体覆盖还是自由振荡。这两种状态(自由状态和覆盖状态)在这种情况下是例如基于不同的谐振频率(即，频移)而区分的。例如在DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1和DE102015102834A1中描述的，仅当可振荡单元被介质覆盖时，密度和/或粘度进而能够用这样的测量装置来查明。
为了确保振动传感器的可靠工作，现有技术提供了不同的方法，借助于这些方法可以获得关于振动传感器的状况的信息。例如，从DE102005036409A1已知一种用于监测振动传感器的质量的方法。一种测量装置包括至少一个功率测量单元，该功率测量单元至少针对谐振振荡的情况监测激励器/接收单元的能量需求。以这种方式，可以获得关于振动传感器的质量的信息。质量越高，激励谐振振荡所需的能量就越少。因此，如果激励谐振振荡所需的能量在可预定的时间段内上升，或超过在传感器生产期间查明的质量可预定的极限值，则可以推断出在可振荡单元的区域中存在缺陷、吸积等。
进而，从DE102007008669A1已知一种具有电子单元的振动传感器，该电子单元包括相位测量单元、可调移相器和相位适配单元，该相位适配单元控制激励信号与接收信号之间的相移的设定。控制参数可以在传感器的运行期间以可预定的时间间隔更新和存储。此外，可以基于存储的控制参数与当前控制数据之间的比较来执行对状况的监测。
DE102017111392A1描述了一种用于监测振动传感器的状况的方法，在这种情况下，基于接收信号的频谱或从其导出的变量，关于传感器的状况的信息被查明为激励频率的函数。
从DE102017102550A1已知一种用于基于将传感器的传感器特性的物理和/或化学变量的测量值(例如，频率)与参考值的比较来监测振动传感器的状况的方法。以这种方式，例如，可以获得关于可振荡单元的区域中的腐蚀、磨损或吸积的信息。
然而，对于已知的方法，通常只能说原则上存在腐蚀、磨损或吸积。相比之下，特定传感器的改变的振荡行为的原因的精确定位和精确确定通常不能单独从测量信号中可查明。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于监测振动传感器的状况的方法，该方法能够尽可能准确地监测状况。
根据本发明，该目的通过一种用于监测振动传感器的状况的方法来实现，该振动传感器用于确定和/或监测容纳器中的介质的至少一个过程变量并具有至少一个具有机械可振荡单元的传感器单元，该方法包括以下方法步骤：
-借助于激励信号激励机械可振荡单元使得执行机械振荡，并以接收信号的形式接收机械振荡，
-确定接收信号的振幅的测量值和频率的测量值，
-将振幅和频率的测量值与振幅和频率的参考值进行比较，以及
-根据比较查明状况指示符。
由于同时考虑频率和振幅，所以能够实现对状况的特别精确的监测。有利地，在监测状况时，不需要中断传感器所在的过程。通过记录频率和振幅的测量值，能够观察传感器随时间的变化。
此外，本发明的方法有利地实现了预测性维护的执行。基于确定的振幅和频率的测量值，例如能够估算何时将需要维护传感器。
在该方法的实施例中，确定频率和/或振幅的测量值与参考值之间的偏差，以及基于该偏差查明的状况指示符。为此目的，有利的是查明频率和/或振幅的测量值与参考值之间的偏差是否超过可预定的极限值。
在该方法的另一实施例中，振幅和频率的参考值在每种情况下是振幅和频率的值(特别是测量值)，该值对应于可振荡单元在基本振荡模式和空气中的谐振振荡。例如，参考值能够在传感器的生产期间被查明并存储在例如存储单元、数据库或数据表中。参考值进而对应于传感器的交付状况。然而，参考值也能够在客户的工厂和安装在容纳器中之后被查明。由于每个传感器的参考值是单独确定的，所以可以直接处理由生产公差引起的值的常见变化。
该方法的实施例包括：机械可振荡单元在空气中被激励为基本振荡模式下的机械谐振振荡，并且其中，接收信号代表可振荡单元在基本振荡模式下的谐振振荡。因此，在这种情况下，当可振荡单元未被介质覆盖时，执行监测状况。
在该方法的优选实施例中，状况指示符是：关于可振荡单元的区域中的吸积、腐蚀或磨损的信息；关于驱动/接收单元的区域中的缺陷的信息，其中借助于该驱动/接收单元发生可振荡单元的激励使得执行机械振荡；或者关于包括可振荡单元的传感器的电子器件的缺陷的信息。
有利地，可振荡单元是包括膜和固定到膜的两个振荡尖齿的振荡叉。
根据本发明的状况监测提供了关于可振荡单元的多个不同信息，其中一些特别优选的状况监测的变形如下：
该方法的实施例提供，在没有可查明的振幅的测量值并且频率的测量值小于参考值的情况下，则指示在振荡尖齿上存在腐蚀和/或磨损和/或在膜区域中存在硬吸积。
该方法的实施例提供，在振幅的测量值与参考值之间的偏差小于可预定的参考值并且频率的测量值小于极限值的情况下，则指示在振荡尖齿的区域中存在硬吸积和/或在膜的区域中存在腐蚀和/或磨损。
该方法的另一实施例包括：当振幅的测量值和频率的测量值小于它们的参考值时，则指示在振荡尖齿的区域中存在软吸积和/或在可振荡单元的区域中存在介质残留物。
另一实施例包括，当振幅的测量值小于参考值并且频率的测量值与参考值之间的偏差小于可预定的极限值时，则可能指示在驱动/接收单元的区域中(特别是驱动/接收单元的至少一个压电元件的区域中)存在缺陷和/或在电子单元的区域中存在缺陷。
在可振荡单元以可预定的脱落频率(shedding frequency)执行振荡的情况下，则能够指示例如存在驱动/接收单元的缺陷、接触不良、电缆断裂、振荡尖齿的阻塞或电子单元中的缺陷。
在没有可查明的频率的测量值的情况下，则可能指示电子单元的缺陷。
另一优选实施例包括根据IO-Link标准实施该方法。在IEC61131-9标准中定义了IO-Link标准，其是一种广泛分布于用于连接智能致动器和传感器的自动化技术中的技术。IO-Link涉及一种串行点对点连接，经由该串行点对点连接在所谓的IO-Link主站和作为从站的一个或多个连接的IO-Link装置之间传输数据。例如，主站是现场总线模块或PLC接口模块，其具有一个或多个用于连接IO-Link装置的端口。IO-Link主站代表IO-Link装置与自动化系统之间的连接，并且例如经由现场总线进行通信。相反，IO-Link装置是传感器、致动器、交互元件或显示单元。在这种情况下，IO-Link装置经由所谓的IODD描述文件(IO-Link装置描述)进行描述，该IODD描述文件包含例如IO-Link装置的装置特定的配置参数。
总之，本发明使得能够精确监测振动传感器的状况。监测非常容易实现并且能够在过程继续的同时执行。由于同时考虑频率和振幅，所以可以对状况进行精确监测，基于此不仅能够指示缺陷的存在，还能够确定传感器内的缺陷的位置以及确定特定行为改变的原因。
附图说明
现在将基于附图更准确地描述本发明及其优点，附图示出如下：
图1示出了根据现有技术的振动传感器，以及
图2示出了振荡叉形式的振动传感器的可振荡单元。
具体实施方式
图1示出了振动传感器1，其包括传感器单元3，该传感器单元具有振荡叉形式的可振荡单元4，该可振荡单元部分地浸入位于容器2a中的介质2中。可振荡单元4借助于激励器/接收单元5来激励，使得执行机械振荡。例如，激励器/接收单元5可以是压电堆栈或双压电晶片驱动器。然而，应当理解，振动传感器的其他实施例也落入本发明的范围内。还包括电子单元6，借助于该电子单元发生信号记录、评估和/或馈送。
图2以侧视图示出了振荡叉形式的可振荡单元4，例如被用于申请人以商标LIQUIPHANT出售的振动传感器1中。振荡叉4包括形成在膜7上的两个振荡尖齿8a、8b，在这两个振荡尖齿的末端形成有两个桨9a、9b。振荡尖齿8a、8b连同桨9a、9b一起通常也被称为叉尖齿。为了使机械可振荡单元4执行机械振荡，借助于驱动/接收单元5将力施加在膜7上，该驱动/接收单元通过材料结合而被固定到膜7的与承载振荡尖齿8a、8b的一侧相对的一侧。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电磁驱动器(未示出)。驱动/接收单元5由单独的驱动和接收单元组成，或者是组合的驱动/接收单元。在驱动/接收单元5包括压电元件9的情况下，施加在膜7上的力通过施加例如交流电压形式的激励信号UA而生成。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，即压电元件内的收缩或膨胀，使得施加交流电压作为激励信号UA引起通过材料结合而与驱动/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传输到驱动/接收单元5并转换成电接收信号UE。然后，可以基于接收信号UE来确定特定的过程变量，例如，容器2a中介质2的可预定料位，或者介质2的密度或粘度。
现在将针对在可振荡单元4的基本振荡模式下的激励，基于比较可振荡单元4的测量频率f和测量振幅A来解释用于监测振动传感器的状况的选项。在第一步骤中，确定振幅和频率的参考值fref、Aref，其中，可振荡单元4被激励以在空气中执行谐振振荡。
为了在正在进行的操作期间确定关于传感器1的状况的信息，可振荡单元借助于激励信号UA被重新激励，使得以基本振荡模式执行机械振荡，并且表示振荡的接收信号UE被接收并针对频率f和振幅A加以评估。此时，可振荡单元4未被介质覆盖。然后，将这些值f、A例如与它们的参考值fref、Aref进行比较，并且确定测量值f、A与参考值fref、Aref的偏差。
例如，可以定义可预定的极限值。如果偏差超过该极限值，则在给定情况下，存在问题，或者传感器1需要维修。因此，本发明的方法提供了预测性维护的优点。
附图标记
1 振动传感器
2 介质
2a 容器
3 传感器单元
4 可振荡单元
5 驱动/接收单元
6 电子单元
7 膜
8a，8b 振荡尖齿
9a，9b 桨
UA 激励信号
UE 接收信号
f 频率
fref 频率的参考值
A 振幅
Aref 振幅的参考值。
Claims (12)
1.一种用于监测振动传感器(1)的状况的方法，所述振动传感器用于确定和/或监测容纳器(2a)中的介质(2)的至少一个过程变量并具有至少一个具有机械可振荡单元(4)的传感器单元(3)，所述方法包括以下方法步骤：
-借助于激励信号(UA)激励所述机械可振荡单元(4)使得执行机械振荡，并以接收信号(UE)的形式接收所述机械振荡，
-确定所述接收信号(UE)的振幅(A)的测量值和频率(f)的测量值，
-将所述振幅(A)的测量值和所述频率(f)的测量值与振幅的参考值(Aref)和频率的参考值(fref)进行比较，以及
-根据比较查明状况指示符。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，查明频率和/或振幅的测量值(f、A)与参考值(fref、Aref)之间的偏差，并且其中，所述状况指示符被基于所述偏差来查明。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中，查明频率(f)和/或振幅(A)的偏差是否超过可预定的极限值。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，振幅的参考值(Aref)和频率的参考值(fref)是与所述可振荡单元(4)在基本振荡模式和空气中的谐振振荡对应的振幅和频率的值。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，所述机械可振荡单元(4)在空气中被激励为所述基本振荡模式下的机械谐振振荡，并且其中，所述接收信号代表所述可振荡单元(4)在所述基本振荡模式下的谐振振荡。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，所述状况指示符是：关于所述可振荡单元(4)的区域中的吸积、腐蚀或磨损的信息；关于驱动/接收单元(5)的区域中的缺陷的信息，其中借助于所述驱动/接收单元发生所述可振荡单元(4)的激励使得执行机械振荡；或者关于包括所述可振荡单元(4)的传感器(1)的电子器件(6)的缺陷的信息。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，所述可振荡单元(4)是包括膜(7)和固定到所述膜(7)的两个振荡尖齿(8a、8b)的振荡叉。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，在没有可查明的振幅(A)的测量值并且频率(f)的测量值小于参考值(fref)的情况下，则指示在所述振荡尖齿(8a、8b)上存在腐蚀和/或磨损和/或在所述膜(7)的区域中存在硬吸积。
9.根据权利要求1至8中至少一项所述的方法，
其中，在振幅(A)的测量值与参考值(Aref)之间的偏差小于可预定的极限值并且频率(f)的测量值小于参考值(fref)的情况下，则指示在所述振荡尖齿(8a、8b)的区域中存在硬吸积和/或在所述膜(7)的区域中存在腐蚀和/或磨损。
10.根据权利要求1至8中至少一项所述的方法，
其中，在振幅(A)的测量值和频率(f)的测量值小于其参考值(fref、Aref)的情况下，则指示在所述振荡尖齿(8a、8b)的区域中存在软吸积和/或在所述可振荡单元(4)的区域中存在介质残留物。
11.根据权利要求1至8中至少一项所述的方法，
其中，在振幅(A)的测量值小于参考值(Aref)并且频率(f)的测量值与参考值(fref)之间的偏差小于可预定的极限值的情况下，则指示在所述驱动/接收单元(5)的区域中存在缺陷，特别是在所述驱动/接收单元(5)的至少一个压电元件的区域中存在缺陷，和/或在所述电子器件(6)的区域中存在缺陷。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，
其中，所述方法根据IO-Link标准加以实施。
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