CN114641698A - 监视振动传感器的状态 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监视线圈(17)的状态的方法，该线圈(17)是用于确定容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)的一部分，该方法包括以下方法步骤：将电激励信号(A)施加到线圈(17)并且从线圈(17)接收电接收信号(U)，确定在第一可预定义的测量时间(t1)接收信号(U)的第一值(U1)，将在第一测量时间(t1)接收信号(U)的第一值(U1)与参考值(Uref)进行比较，以及基于比较来确定用于线圈(17)的状态指示器。本发明还涉及一种被设计用于执行根据本发明的方法的设备(1)。

Description

监视振动传感器的状态
技术领域
本发明涉及一种用于监视线圈状态的方法，该线圈是用于确定容器中介质的至少一个过程变量的设备的一部分，并且本发明涉及一种被设计用于实施根据本发明的方法的设备。该设备是振动传感器。该设备包括具有机械振动能力的单元、驱动/接收单元和电子单元。过程变量例如由填充水平——尤其是极限水平、介质的体积流量，或者也由其密度或粘度给出。例如，介质位于接受器中，例如容器、罐或管道中。介质本身例如由液体、气体或散装材料给出。
背景技术
振动传感器通常用于过程和/或自动化工程。在填充水平测量设备的情况下，它们具有至少一个具有机械振动能力的单元，例如摆叉、单杆或膜。在运行期间，它通过驱动/接收单元被激励成机械振动，该驱动/接收单元通常以机电换能器单元的形式，其进而能够是例如压电驱动器或电磁驱动器。申请人生产了多种对应的现场设备，并且将其例如以名称LIQUIPHANT或SOLIPHANT分发。原则上从许多出版物中已知基本的测量原理。驱动/接收单元通过电激励信号将具有机械振动能力的单元激励为机械振动。相反，驱动/接收单元能够接收具有机械振动能力的单元的机械振动并且将其转换成电接收信号。相应地，驱动/接收单元或者是单独的驱动单元和单独的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。
在许多情况下，驱动/接收单元由此是反馈电谐振电路的一部分，通过该电路将具有机械振动能力的单元激励成机械振动。例如，对于谐振振动，必须满足根据其放大因数≥1并且谐振电路中出现的所有相位结果为360°的倍数的谐振电路条件。为了激励和满足谐振电路条件，必须确保激励信号与接收信号之间的定义相移。因此，频繁地设置相移的可指定值，即激励信号与接收信号之间的相移的目标值。为此目的，从例如在以下文献中所述的现有技术已知各种解决方案，包括模拟方法和数字方法：DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1或DE00102010030982A1。
激励信号和接收信号都由它们的频率ω、幅度A和/或相位Φ来表征。因此，这些变量的变化通常用于确定相应的过程变量。例如，过程变量能够是填充水平、指定的填充水平或介质的密度或粘度、以及流量。例如，在用于液体的振动式水平开关的情况下，区分具有振动能力的单元是被液体覆盖还是自由振动。例如，基于不同的谐振频率，即基于频移来区分这两个状态，自由状态和覆盖状态。
如果具有振动能力的单元被介质覆盖，则密度和/或粘度进而只能用这种测量设备确定。关于密度和/或粘度的确定，从现有技术中同样已知不同的可能性，例如在文献DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1或DE102016112743A1中公开的那些。
压电和/或电磁驱动/接收单元尤其用于驱动/接收单元本身。给定基于压电效应的驱动/接收单元，通常能够实现比较高的效率。然而，它们仅在有条件的情况下适合在高温下使用，特别是在300℃以上的温度下。在此上下文中通过电磁驱动/接收单元提供替代方案，例如如在出版物WO2007/113011、WO2007/114950A1、DE102015104533A1、DE102016112308A1中所描述的。在这里，电能到机械能的转换分别经由磁场进行。因此，所描述的换能器单元通常包括至少一个线圈和一个永磁体。通过线圈生成穿过磁体的交变磁场，并且经由磁体将周期性的力传递到可振动单元。这种驱动/接收单元能够根据所使用的材料用于例如在-200℃和500℃之间的温度范围。
为了确保振动传感器的可靠工作，从现有技术已知多种用于诊断振动传感器的可能故障的方法。状态监视或诊断的可能性非常重要，特别是在安全关键应用的情况下，例如在装有易燃液体的容器中使用极限水平开关。根据具体应用，相应的测量设备必须满足不同的安全要求。在这方面，例如，所谓的SIL标准(SIL代表安全完整性水平)已根据IEC61508标准规范而广为人知，该规范区分了四个不同的水平以指定安全功能的安全完整性要求。原则上，安全要求水平是取决于潜在的危险的相应系统或测量设备的可靠性的量度。例如，通常提供用于确保安全完整性的定义水平的安全功能是通过紧急关停或关闭过热设备来提供的。
例如，调查单个组件的故障行为以建立安全完整性水平。此外，检查冗余结构的存在以及安全与不安全或危险的错误之间的关系。根据这样的考虑，然后能够确定总故障率，使用该总故障率将相应的安全完整性水平与相应的系统或测量设备相关联。
DE102004027397A1描述了一种用于检测振动传感器中的电缆断裂的可能性。从文档DE10014724A1和DE102009045204A1中已知用于检测具有振动能量的单元的区域中的涂层的诊断选项。然而，在各种实施例中也提出了在振动传感器的驱动/接收单元的区域中的诊断，例如在DE102008032887A1中描述的压电驱动/接收单元的诊断。关于电磁驱动/接收单元，再次从DE102017115147A1已知基于总欧姆电阻来评估驱动/接收单元的状态。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是提供一种测量设备，利用该测量设备能够以特别简单的方式满足高安全要求。
通过根据权利要求1的方法和根据权利要求13的装置实现该目的。
关于该方法，该目的通过一种用于监视线圈的状态的方法来实现，线圈是用于确定容器中的介质的至少一个过程变量的设备的一部分。
所述方法包括以下方法步骤：
-将电激励信号施加到线圈，并且从线圈接收电接收信号，
-确定在第一可预定义的测量时间接收信号的第一值，
-将在第一测量时间接收信号的第一值与参考值进行比较，以及
-基于比较来确定线圈的状态指示器。
能够以特别简单的方式实现经由比较在可预定义的第一测量时间的测量值与参考值来诊断驱动/接收单元。尤其是设计成本非常低——状态监视的实施只需要用于相应传感器的很少的附加组件。
如果选择第一可预定义的测量时间，使得其处于可预定义的第一时间间隔内，其中，接收信号以阶跃响应的形式对在激励信号中的突变作出反应，则是有利的。阶跃响应有利地特别容易评估。它伴随着作为时间函数的接收信号的特征曲线图，能够以简单的方式检测该特征曲线图。
如果激励信号是方波信号，则同样是有利的。方波信号的特征在于两个常数值之间的周期性变化，其具有作为时间函数绘制的矩形曲线图。因此，它的特征在于周期性的上升沿和下降沿。在这种上下文中，如果激励信号的突变是激励信号的上升沿或下降沿，则是有利的。
优选地确定关于对于线圈的损坏程度的结论。因此，关于线圈的状态，定性和定量的结论都是可能的。根据基于状态指示器给出的线圈状态诊断，也可以想象生成例如关于要执行的维护或关于存在缺陷的消息。
同样优选的是，根据测量值与参考值的偏差来确定状态指示器。尤其可以检查该偏差是否超过可预定义的极限值。
根据该方法的一个实施例，状态指示器是关于在线圈的区域中存在至少一个绕组短路的结论。
在这方面，如果基于在第一可预定义的测量时间处低于参考值来检测线圈的区域中绕组短路的存在，则是有利的。
根据该方法的另一实施例，状态指示器是关于在线圈的区域中或至少两条连接线有缺陷的电接触或电缆断裂的结论。
在这点上，如果使用响应于激励信号中的突变的接收信号的阶跃响应与参考跳跃响应的偏差来检测线圈的区域中存在有缺陷的电接触或电缆断裂，则也是有利的。在完好线圈的情况下接收信号的阶跃响应尤其具有指数曲线图。在这种情况下，与这种曲线图的偏差表明存在有缺陷的电接触。
在一个实施例中，该方法包括确定在第二可预定义的测量时间接收信号的第二值，并且其中，基于接收信号的第二值来确定关于介质温度的结论。除了状态监视之外，根据本发明的方法允许在不实施另外的温度敏感传感器元件的情况下来确定温度。
相应介质的振动传感器的区域中的温度对相应过程变量的确定有很大影响，特别是对相应接收到的接收信号有很大影响。为了补偿这种影响，从DE 102006007199A1或DE102005029490A1变得已知的是提供了一种具有附加温度传感器的振动测量设备。然而，将另外的传感器集成到测量设备中基本上与一定的设计成本相关联。从DE102017114315A1进而变得已知的是，关于电磁驱动/接收单元，基于电参数，例如基于线圈的欧姆电阻来确定介质的温度。然而，这种措施也与相对较高的成本相关联，因为要提供用于确定相应参数的装置。相比之下，能够以特别简单的方式基于在第二可预定义的测量时间处的接收信号的第二值来实现根据本发明的温度确定。选择接收信号或第二可预定义的测量时间的第二值，使得第二测量值直接依赖于介质的温度并且能够直接地用于确定温度。因此，温度确定不需要其他传感器元件或复杂的设计措施。
关于介质的温度，还可以想到的是温度对接收信号的影响在设备的连续测量操作中得到补偿。这样，在确定相应的过程变量时能够提高相应传感器的测量精度。
在此，如果使用接收信号的第二值与作为温度的函数的接收信号的至少一个的特征曲线的比较来确定介质的温度，则是有利的。
如果选择第二可预定义的测量时间，使得其位于第一时间间隔之外，则同样是有利的。
优选地，选择第二可预定义的测量时间，使得它位于其中接收信号基本恒定的第二时间间隔内。
本发明的目的还通过一种用于确定和/或监视容器中介质的至少一个过程变量的设备来实现，该设备包括至少一个线圈，该设备被设计为实施根据所述实施例的至少一项的方法。由此，根据本发明的方法能够同时实施以用于连续测量操作，或者在设备的诊断操作模式期间与连续操作交替实施。也可以想到的是例如经由开关操作等手动、选择性地触发该方法。
关于该设备，如果该设备包含振动传感器，该振动传感器包括具有机械振动能力的单元、具有至少一个线圈的驱动/接收单元，该驱动/接收单元被设计成通过电激励信号激励该具有机械振动能力的单元以产生机械振动，并且从具有振动能力的单元接收机械振荡并且将其转换成电接收信号；以及被设计成从接收信号开始生成激励信号，并且从接收信号中确定至少一个过程变量的电子单元，则是有利的。
在该设备的一个实施例中，可振动单元是膜、单杆或振动叉。
该设备的另一实施例包括，过程变量是尤其是可预定义的填充水平、介质的密度或粘度。
在本发明的范围内，可以使用振动传感器的多种实施例、尤其是不同的驱动/接收单元。在下文中，在不限制一般性的情况下，指定用于驱动/接收单元的两个特别优选的实施例。
在一个实施例中，驱动/接收单元至少包括
-能够被设置为机械振动的膜，
-垂直于膜的基面紧固在膜上的两个杆，
-外壳，其中，膜形成外壳的壁的至少部分区域，并且其中，两个杆延伸到外壳的内部，
-两个磁体，其中，一个磁体分别紧固在两个杆中的一个的背离膜的端部区域中，以及
-具有安装在磁体上方的外壳内的芯的线圈，并且该线圈可用交流电信号来激励，
其中，线圈被设计成生成磁场，该磁场通过两个磁体将两个杆设置为机械振动，以及
其中，两个杆紧固到膜上，以这种方式使得膜的振动由两个杆的振动引起。
在进一步的实施例中，驱动/接收单元至少包括
-能够被设置为机械振动的膜，
-垂直于膜的基面紧固到膜上的至少三个杆，
-外壳，其中，膜形成外壳的壁的至少部分区域，并且其中，杆延伸到外壳的内部，
-至少三个磁体，其中，一个磁体分别在背离膜的端部区域中紧固到至少三个杆中的每一个杆，以及
-具有安装在磁体上方的外壳内的芯的线圈，并且该线圈可用交流电信号来激励，
其中，线圈被设计为生成磁场，该磁场通过磁体使杆振动，
其中，杆紧固到膜上，以这种方式使得膜的振动由杆的振动引起，
其中，至少一个杆基本上在沿着膜的基面的位置处附接到隔膜，
在该位置处，作为在基面上的位置的函数，隔膜从静止位置的偏转的二阶导数基本上为零。
此外，特别优选根据通过示例描述的具有四个杆的两个实施例之一的驱动/接收单元。关于对于驱动/接收单元所描述的两个优选实施例，参考文档DE102015104533A1和DE102016112308A1的全部内容。
还应注意，结合根据本发明的方法描述的实施例也能够经过必要修改后应用于根据本发明的设备，反之亦然。
附图说明
下面参考图1-图4更详细地描述本发明及其有利实施例。如下所示：
图1：根据现有技术的振动传感器的表示，
图2：具有优选电磁驱动/接收单元的振动传感器的两个可能实施例，
图3：用于图示根据本发明的状态监视的线圈的接收信号的图；以及
图4：线圈的接收信号的图，用于图示根据本发明的温度确定。
具体实施方式
图1a示出了振动填充水平测量设备1。具有机械可振动单元3的传感器单元2被描绘成部分浸入介质4中的振动叉的形式，介质4位于容器5中。具有振动能力的单元3通过驱动/接收单元6——通常是机电换能器单元——被激励以机械振动，并且能够例如是压电堆叠或双压电晶片驱动器，但也可以是电磁或磁致伸缩驱动/接收单元。然而，自然地可以明白，振动传感器的其他实施例也是可能的。此外，描绘了电子单元7，通过其进行信号检测、评估和/或供应。
图1b示出了振动叉形式的具有振动能力的单元3的更详细视图，振动叉形式的具有振动能力的单元3例如用于由申请人以名称LIQUIPHANT出售的振动传感器。能够看到膜8和与其连接的振动元件9。振动元件9具有两个振动杆10a、10b，在每个振动杆10a、10b的末端一体地形成桨11a、11b。在操作中，振动叉3根据其被激励的振动模式来执行振动运动。两个振动杆10a、10b中的每一个的行为基本上类似于所谓的弯曲振动器。在基本模式中，例如，两个振动杆10a、10b相对于彼此反相振荡。
尽管在本发明的范围内可以使用用于驱动/接收单元6的许多不同实施例，但以下描述没有一般性的限制地涉及具有至少一个线圈的电磁驱动/接收单元6，正如它们在文档DE102015104533A1或DE102016112308A1中描述的那样。在本申请的上下文中，参考了这两个专利申请的全部内容。
图2a示出了这种驱动/接收单元6的示意图。外壳12终止于具有膜8的下壁，膜8与可振动单元3相关联。对于此处所示的实施例，外壳12是圆柱形的并且圆盘形膜8具有圆形横截面A。然而，不言而喻，其他几何形状也是可以想到的并且落入本发明内。两个杆15a、15b垂直于膜8的底面A紧固到膜8并且延伸到外壳12的内部。这尤其是一种非正连接。膜8的底面A则位于垂直于杆15a、15b的纵向方向的平面中。
磁体16a、16b，特别是钐钴或铝镍钴磁体，分别紧固在杆15a、15b的背离膜8的端部区域中。磁体16a、16b优选地全部相同地定向。在磁体16a、16b的上方布置有包括绕芯18缠绕的导线的线圈17。线圈17的芯18是具有基部20和周壁21的杯形锚固单元19的一部分。例如，基部20，与膜8的基面A一样，能够具有圆形截面区域。从杯形锚固单元19的基部20，线圈17的芯18以连接件的形式居中延伸到锚固单元19的内部。在这种情况下，周壁21则具有内部磁场引导的功能。具有磁体16a和16b的杆15a、15b不接触线圈17和芯18。在连续操作中，线圈17经受交流信号以生成交变磁场。为此目的，线圈具有两条连接线，图2a中未示出。
由于交变场，杆15a和15b经由磁体16a和16b水平偏转——即，垂直或横向于它们的纵轴，使得它们被设置为振动。一方面，杆15a和15b因此具有杠杆效应，通过该杠杆效应，由水平偏转生成的杆15a和15b的弯曲被传递到膜8，以这种方式使得膜8被设置为振动。然而，另一方面，两个杆15a和15b与膜8的组合是单独的谐振器。
图2b示出了类似于图2a的机电换能器单元6，不同之处在于图2b中存在三个杆15a-15c和三个磁体16a-16c，如DE102016112308A1中所公开的。然而，机电换能器单元也能够具有四个或更多杆。
在图2的实施例的情况下，两个摆动杆10a、10b形成具有机械振动能力单元3，并且换能器单元6的杆15a-15c分别与膜8形成机械谐振器。膜8优选地但不是必须地体现为一件。特别地，它能够分配给可振动单元3和换能器单元6这两者。
根据本发明，执行振动传感器的状态监视，基于在可预定义的第一测量时间的接收信号的第一值的比较，将其与参考值进行比较。
在图3中示出根据本发明的线圈17的状态监视的实施例。分别描绘了用于不同温度T1、T2和T3以及用于全功能线圈(1)和部分短路的线圈(2)的、作为采样点AP的函数——即，原则上作为时间的函数——的线圈17的接收信号U。对于所示实施例，可预定义的第一测量时间t1在AP＝500处，并且被选择为使得其处于可预定义的第一时间间隔Δt1中，其中，作为激励信号A的突变【此处未显示】的结果，接收信号U的阶跃响应S是可检测的。激励信号A例如是方波信号，并且接收信号U的阶跃响应S响应于激励信号的上升沿或下降沿而发生。
选择第一测量时间t1，使得其在时间上位于接收信号U的跳跃S之后。对于此处所示的实施例，第一测量时间t1位于其中接收信号U在阶跃响应S之后呈指数衰减的范围内。所示曲线图由此对应于激励信号A的上升沿。
从图中可以看出，在第一测量时间t1处，功能线圈17(1)的所有选定温度T1、T2、T3的接收信号U的值分别大于部分短路的线圈(2)。在该范围内，即在第一测量间隔Δt1的范围内，能够建立参考值Uref，提供该参考值使得接收信号U的所有值U>Uref对应于功能线圈17，并且接收信号U的所有值U<Uref对应于部分短路的线圈。因此，如果在可预定义的第一测量时间t1处的接收信号U1的第一值低于参考值Uref，则可以从该低于量来断定在线圈17的区域中存在部分短路。
然而，也可以通过根据本发明的方法来生成关于线圈17的状态的其他结论。例如，通过使用阶跃响应S与参考跳跃响应Sref进行比较，能够检测到在线圈区域中存在有缺陷的电接触或电缆断裂。
此外，在另一个实施例中，根据本发明的方法可以得出关于容器5中的介质4的温度T的结论。为此目的，在第二可预定义的测量时间t2处确定接收信号U的第二值U2，如图4所示。如图3中一样，在图4中示出了对于三个不同温度T1、T2、T3和分别对于功能线圈17(1)和部分短路的线圈17(2)而言的接收信号U的曲线图。在第一时间间隔Δt1之外的第二可预定义的时间间隔Δt2中，接收信号U分别具有基本上恒定的值。接收信号U的值由此对于所选温度T1、T2、T3中的每一个都不同。相反，在相同的温度T下，接收信号U的值对于功能线圈17(1)和至少部分短路(2)的那些几乎没有不同。基于在第二可预定义的测量时间T2处的接收信号U的第二值U2，能够例如通过下述方式相应地得出关于介质4的温度T的结论：将接收信号U的第二值U2与作为温度T的函数的接收信号U的特征曲线相比较，作为温度T的函数的接收信号U的特征曲线能够例如存储在设备1的电子单元7中。
总而言之，本发明使得能够以特别简单的方式并且在尤其是无需将其他组件集成到振动传感器1中的情况下，对振动传感器1进行状态监视，并且可选地另外确定介质4的温度T。状态监视能够与传感器1的正常测量操作并行或交替进行。
参考符号列表
1 振动传感器
2 传感器单元
3 具有振动能力的单元
4 介质
5 容器
6 驱动/接收单元
7 电子单元
8 具有振动能力的单元的膜
9 振动元件
10a,10b 振动杆
11a、11b 桨
12 机电换能器单元的外壳
15a、15c 杆
16a、16c 磁体
17 线圈
18 线圈的芯
19 杯形锚固单元
20 基部
21 周壁
T,T1-T3 介质的温度
A 激励信号
U 接收信号
U1,U2 接收信号的值
Uref 接收信号的参考信号
Δt1,Δt2 可预定义的时间间隔
t1,t2 测量时间
AP 采样点
f,f1-f3 激励信号的频率
S 阶跃响应

Claims (14)

1.一种用于监视线圈(17)的状态的方法，所述线圈(17)是用于确定容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)的一部分，
所述方法包括以下方法步骤
-将电激励信号(A)施加到所述线圈(17)并且从所述线圈(17)接收电接收信号(U)，
-确定在第一可预定义的测量时间(t1)所述接收信号(U)的第一值(U1)，
-将在所述第一测量时间(t1)所述接收信号(U)的所述第一值(U1)与参考值(Uref)进行比较，以及
-基于所述比较来确定所述线圈(17)的状态指示器。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，选择所述第一可预定义的测量时间(t1)，使得所述第一可预定义的测量时间(t1)处于可预定义的第一时间间隔(Δt1)内，其中，所述接收信号(U)以阶跃响应(S)的形式对在所述激励信号(A)中的突变做出反应。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，所述激励信号(A)是方波信号。
4.根据权利要求2和3所述的方法，
其中，所述激励信号(A)的所述突变是所述激励信号(A)的上升沿或下降沿。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述状态指示器是关于在所述线圈(17)的区域中存在至少一个绕组短路的结论。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，基于在所述第一可预定义的测量时间(t1)处低于所述参考值(Uref)来检测所述线圈(17)的所述区域中绕组短路的存在。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述状态指示器是关于在所述线圈(17)的所述区域中或至少两条连接线的有缺陷的电接触或电缆断裂的结论。
8.根据权利要求7所述的方法，
其中，基于响应于所述激励信号(A)中的所述突变的所述接收信号(U)的所述阶跃响应(S)与参考跳跃响应(Sref)的偏差来检测所述线圈(17)的所述区域中存在有缺陷的电接触或电缆断裂。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，确定在第二可预定义的测量时间(t2)所述接收信号(U)的第二值(U2)，并且其中，基于所述接收信号(U)的所述第二值(U2)，确定关于所述介质(4)的温度(T)的结论。
10.根据权利要求9所述的方法，
其中，基于所述接收信号(U)的所述第二值(U2)与作为所述温度(T)的函数的所述接收信号(U)的至少一个特征曲线的比较来确定所述介质(4)的所述温度(T)。
11.根据权利要求7或8所述的方法，
其中，选择所述第二可预定义的测量时间(t2)，使得所述第二可预定义的测量时间在所述第一时间间隔(Δt1)之外。
12.根据权利要求7-9中的至少一项所述的方法，
其中，选择所述第二可预定义的测量时间(t2)，使得所述第二可预定义的测量时间在其中所述接收信号(U)是基本恒定的第二时间间隔(Δt2)内。
13.一种用于确定和/或监视容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)，包括至少一个线圈(17)，所述设备(1)被设计成实施根据前述权利要求中的至少一项所述的方法。
14.根据权利要求14所述的设备，
其中，所述设备(1)是振动传感器
包括
-具有机械振动能力的单元(4)，
-具有至少一个线圈(17)的驱动/接收单元(6)，所述驱动/接收单元(6)被设计成通过电激励信号(A)将所述具有机械振动能力的单元(4)激励以机械振动，并且接收来自所述具有振动能力单元(4)的所述机械振动和将所述机械振动转换成电接收信号(E)，以及
-电子单元(7)，所述电子单元(7)被设计成从所述接收信号(E)开始生成所述激励信号(A)，并且根据所述接收信号(E)来确定所述至少一个过程变量。
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