CN118076863A - 振动多传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用传感器(1)来确定和/或监测安全壳(3)中的介质(M)的可预定填充水平的方法，所述传感器(1)包括具有以振荡叉和至少一个压电元件(11a)的形式的机械可振荡单元(4)的传感器单元(2)，方法包括：借助于激励信号(A)来激励传感器单元(2)，使得执行机械振荡，接收传感器单元(2)的机械振荡并且将其转换成第一接收信号(E_A)，从传感器单元(2)发射发射信号(S)并且接收第二接收信号(E_S)，并且基于第一接收信号(E_A)来确定关于安全壳(3)中的介质(M)的可预定填充水平的信息。根据本发明，基于第二接收信号(E_S)来确定关于传感器单元(2)的状态的信息。

Description

振动多传感器

技术领域

本发明涉及一种用于利用传感器来确定和/或监测安全壳中的介质的可预定填充水平的方法，该传感器包括具有以振荡叉和至少一个压电元件形式的机械可振荡单元的传感器单元。介质位于安全壳(containment)，例如容器(container)或管道(pipeline)中。

振动传感器广泛用于过程和/或自动化技术。在填充水平测量设备的情况下，这样的设备具有至少一个机械可振荡单元，诸如例如振荡叉、单个尖齿或隔膜。这样的设备在操作期间借助于激励/接收单元被激励，该激励/接收单元常常是机电换能器单元的形式，使得执行机械振荡。机电换能器单元能够是例如压电驱动器或电磁驱动器。相应的现场设备由申请人大量制造并且例如以LIQUIPHANT和SOLIPHANT标志进行销售。原则上，基础测量原理从大量出版物已知。激励/接收单元借助于电激励信号来激励机械可振荡单元，使得执行机械振荡。相反，激励/接收单元能够接收机械可振荡单元的机械振荡并且将其转换成电接收信号。激励/接收单元是单独的激励和接收单元，或者是一个组合激励/接收单元。

在这种情况下，激励/接收单元在许多情况下是反馈的、电气的、振荡电路的一部分，借助于该反馈、电气、振荡电路，机械可振荡单元的激励发生，使得执行机械振荡。例如，对于谐振振荡，必须创建振荡电路状态，其中放大因子≥1并且在振荡电路中出现的所有相位总和为360°的倍数。为了激励和实现振荡电路状态，需要确保激励信号与接收信号之间的某个相移。因此，通常会设置相移的可预定值，从而设置激励信号与接收信号之间的相移的期望值。为此，本领域的现有技术提供了最多的解决方案，包括模拟以及数字方法，诸如例如在DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1和DE00102010030982A1中描述的。

激励信号以及接收信号这两者的特征在于频率ω、振幅A和/或相位Φ。相应地，这些变量的变化通常被考虑用于确定特定过程变量。过程变量能够是例如填充水平、预定填充水平、或介质的密度或粘度以及流量，例如流速。在液体的振动极限水平开关的情况下，例如，区分可振荡单元是否被液体覆盖或自由振荡。在这种情况下，例如基于不同的谐振或本征频率，进而基于在激励信号与接收信号之间的预定相移的情况下的频率来区分自由状态和覆盖状态这两种状态。

当可振荡单元被介质完全覆盖时，进而能够仅利用这样的测量设备来确定密度和/或粘度。为了确定密度和/或粘度，同样的由本领域的现有技术提供了不同的选项，诸如例如在DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1和DE102016112743A1中描述的那些。

附加的，在以压电元件形式的驱动/接收单元至少部分地布置在可振荡单元内的情况下，从DE102012100728A1和DE102017130527A1已知的是各种振动传感器。利用这样的和类似的布置，有利地，能够利用单个传感器来确定多个过程变量并且用于表征不同的过程，诸如例如在WO2020/094266A1、DE102019116150A1、DE102019116151A1、DE02019116152A1、DE102019110821A1、DE10/20/105214A1和DE102020116278A1中描述的。

为了借助于这样的多传感器来确定至少两个不同的过程变量，一方面借助于激励信号来激励传感器单元，使得执行机械振荡，以及接收传感器单元的机械振荡并且将其转换成第一接收信号。附加地，从传感器单元发射发射信号并且接收第二接收信号。基于第一接收信号，则能够确定第一过程变量，并且基于第二接收信号，能够确定第二过程变量。压电元件在这种多传感器的情况下用作驱动/接收单元，并且用于借助于激励信号来产生机械振荡以及用于产生发射信号。

在具有以振荡叉形式的振动单元的振动传感器的应用的情况下，用于确定和/或监测安全壳中的介质的可预定填充水平，例如极限水平，必须可靠地检测机械可振荡单元是否被相应介质覆盖。这在安全关键应用的情况中尤其重要，例如，在要求所利用的测量设备具有特定安全完整性等级(SIL)的应用的情况中。然而，基于对表示机械可振荡单元的机械振荡的接收信号的频率的评估，关于机械可振荡单元的覆盖程度(例如完全覆盖)的精确确定在一些情况下可能是不够准确的。所确定的覆盖例如受到各种测量参数的影响，诸如介质的主导温度或密度。

因此，本发明的目的是提高振动、极限水平传感器测量的准确性。

通过用于利用传感器来确定和/或监测安全壳中的介质的至少第一和第二过程变量的方法来实现该目的，所述传感器具有传感器单元，该传感器单元具有以振荡叉和至少一个压电元件形式的机械可振荡单元，所述方法包括：

-借助于激励信号来激励传感器单元，使得执行机械振荡，

-接收传感器单元的机械振荡并且将其转换成第一接收信号，

-从传感器单元发射发射信号并且通过传感器单元接收第二接收信号，以及

-基于第一接收信号，确定关于安全壳中的介质的可预定填充水平的信息。

根据本发明，基于第二接收信号来确定关于传感器单元的状态的信息。

借助于激励信号，当可振荡单元被介质覆盖时，可振荡单元产生受介质特性影响的机械振荡。相应地，基于第一接收信号并且根据振动测量原理，能够确定关于可预定填充水平的信息。

由传感器单元的组件(例如，一个或多个压电元件)来发射和接收发射信号。例如，发射信号沿着在以振荡叉的形式体现的可振荡单元的两个振荡元件之间延伸的测量路径传播，或者沿着在一个振荡元件与传感器单元的附加组件之间或在传感器单元与安全壳的壁之间的测量路径传播。以这种方式，至少在时间和分段上通过介质的发射信号受介质(尤其是传感器单元的区域中的介质)的物理和/或化学性质的影响，并且能够借助于超声测量原理相应地考虑用于确定关于传感器单元的状态的信息。例如，能够可靠地检测可振荡单元的两个振荡元件之间的区域中的介质的存在。取决于传感器单元和一个或多个压电元件或多个元件相对于振荡元件的结构实施例，在给定情况下，还能够确定可振荡单元与介质的覆盖程度。此外，能够通过沉积物或介质中存在的固体来检测可振荡单元的堵塞的存在。因此，总的来说，基于对第二接收信号的评估，传感器单元的全面状态监测是可能的。

因为在单个设备中实施两个测量原理，相对于检测可预定填充水平的测量的准确性，进而极限水平检测能够得到显著改进。基于第二接收信号，根据本发明，能够获得关于传感器单元的状态的信息，尤其是涉及可振荡单元与介质的覆盖或覆盖程度。此外，附加地，可以基于第一和第二接收信号来确定介质的各种其他过程变量。

在方法的实施例中，激励信号和/或发射信号是具有至少一个可预定频率的电信号，尤其是正弦、矩形、梯形、三角形或锯齿形信号。例如，能够选择激励信号，使得借助于激励信号的可振荡单元被激励以执行谐振振荡。

同样对于发射信号，各种不同的选项是可能的。因此，有利地，发射信号是脉冲信号，尤其是具有可预定的、优选恒定的脉冲宽度的信号。

在本发明的方法的附加实施例中，发射信号是使用可预定频率间隔内的频率的可变频率的信号。优选地，在该频率间隔内，在频率在可预定频率间隔内连续变化的情况下，执行所谓的频率扫描。此外，脉冲频率扫描能够用作发射信号。

如已经讨论的，相关于传感器单元的状态的信息能够是例如关于可振荡单元与介质的覆盖、尤其是覆盖程度的信息。同样，能够检测传感器单元的区域中的沉积物。此外，在附加的实施例中，参考传感器单元的状态的信息是关于传感器单元的区域中的堵塞的信息。

在有利实施例中，确定第二接收信号的振幅。因此，能够有利地基于振幅检测来生成参考传感器单元的状态的信息。

在本发明的方法的附加的有利实施例中，确定第一接收信号的频率。

基于第一和/或第二接收信号的振幅和/或频率，以尤其容易的方式，能够导出关于传感器单元的不同信息片段。在接收信号的这种评估的情况下，有利地，不需要将特别高的要求置于电子组件或评估机制上。下面阐述一些特别优选的变体。然而，应当理解，除了所描述的实施例之外，还能够使用各种其他实施例，其同样落入本发明的范围内。

关于对第二接收信号的振幅和/或频率的评估，有利地，如果第一接收信号的频率超过或低于可预定频率极限值，并且第二接收信号的振幅低于可预定振幅极限值，则确定在传感器单元的区域中存在阻塞。

同样有利地，如果可预定极限水平是安全壳中的介质的最大填充水平，并且如果第二接收信号的振幅超过可预定极限值，则确定已经达到最大填充水平。

可替选地，有利地，如果可预定极限水平是安全壳中的介质的最小填充水平，并且如果第二接收信号的振幅低于可预定极限值，则确定已经达到最小填充水平。在所谓的MIN开关的情况下，覆盖状态表示安全状态。例如，在高粘度介质的情况下，能够发生的是，基于第一接收信号，没有关于限制水平的可靠信息是可能的。在这种情况下，必须安全地排除可振荡单元被尤其是粘性的介质或以其他方式由介质中存在的颗粒造成的阻塞，这借助于本发明是可能的。

最后，本发明的方法的另一实施例包括周期性地、交替地产生的激励信号和发射信号。以这种方式，能够连续地执行传感器单元的状态监测。

可替选地，有利地，在另一实施例中，发射信号是在可预定的、尤其是周期性的时间点产生的。在这种情况下，根据需要来检查传感器单元的状态。

当借助于激励信号对机械可振荡单元的激励被中断时，当发射信号被发射和第二接收信号被接收时，这是尤其有利的。以这种方式，能够特别可靠地确定振荡叉的两个振荡元件之间的介质的存在。

在以具有两个振荡元件和至少一个压电元件的振荡叉的形式的传感器单元的情况下，其中，压电元件至少部分地布置在振荡元件内，这优选地涉及根据DE102012100728A1和DE102017130527A1的传感器单元的实施例。在本发明的场境中，对两个应用进行综合参考。然而，在两个文档中描述的传感器单元的实施例仅是传感器单元的可能结构实施例的示例。

现在将基于附图更详细地解释本发明及其有利实施例，附图如下：

图1是根据本领域的现有技术的振动传感器的示意图，

图2是根据其中压电元件布置在振荡元件内的情况下的本领域的现有技术，振动传感器的不同的可能实施例，

图3是本发明方法的优选实施例，

在附图中，相同的元件具有相同的参考标记。

图1示出了具有传感器单元2的振动传感器1。传感器包括以振荡叉形式的机械可振荡单元4，其部分浸没在位于容器3的介质M中。借助于激励/接收单元5来激励可振荡单元4，使得可振荡单元执行机械振荡。例如，能够使用压电堆叠或双晶片驱动。其他振动传感器例如经由电磁激励/接收单元5来操作。可以使用单个激励/接收单元5，其用于激励机械振荡以及用于它们的检测。然而，同样地，也已知实施单独的驱动和接收单元。此外，图1包括电子器件6，借助于该电子器件，发生信号配准、评估和/或馈电。

图2以示例的方式示出了振动传感器1的传感器单元2的分类，其中压电元件5布置在可振荡单元的内部体积中。图2a所示的机械可振荡单元4包括安装在基座8上的两个振荡元件9a、9b，其也被称为叉的尖齿。可选地，桨(未示出)能够形成在两个振荡元件9a、9b的端部上。在两个振荡元件9a、9b中的每一个中引入尤其是袋状的中空空间10a、10b，其中，在每种情况下，布置了激励/接收单元5的至少一个压电元件11a、11b。优选地，压电元件11a和11b封装在中空空间10a和10b内。在这种情况下，中空空间10a、10b能够如此形成，使得两个压电元件11a、11b完全或部分地位于两个振荡元件9a、9b的区域中。这种布置以及其他类似的布置在DE102012100728A1中的被详细描述。

图2b中示出了传感器单元2的可能实施例的另一示例。机械可振荡单元4具有安装在盘形元件12上的两个相互平行的、这里为条形的振荡元件9a、9b。振荡元件9a、9b是可激励的以彼此分开地执行机械振荡，并且它们的振荡同样能够彼此分开地被接收和评估。每个振荡元件9a和9b都具有中空空间10a和10b，其中在面向盘形元件12的区域中在每个情况下布置了至少一个压电元件11a和11b。关于图2b的实施例，参考DE102017130527A1。

如图2b中示意性所示，一方面，向传感器单元2提供激励信号A，使得可振荡单元4被激励以执行机械振荡。在这种情况下，借助于两个压电元件11a和11b来产生振荡。能够向两个压电元件提供相同的激励信号A，但是具有第一激励信号A₁的第一振荡元件11a和具有第二激励信号A₂的第二振荡元件11b的供应也是可能的。同样地，能够基于机械振荡来接收第一接收信号E_A，或者能够接收单独的接收信号E_A1，E_A2，一个来自振荡元件9a并且一个来自振荡元件9b。

此外，附加地，例如，从第一压电元件11a发出能够被发射的发射信号S，该发射信号S由第二压电元件11b以第二接收信号E_S的形式接收。由于两个压电元件11a和11b至少布置在振荡元件9a和9b的区域中，所以当传感器单元2与介质M接触时，发射信号S通过介质M并且相应地受到介质M的性质影响。然而，同样地，存在发射信号S从第一振荡元件9a的区域中的第一压电元件11a传输并且在第二振荡元件9b上被反射的选项。在这种情况下，由第一压电元件11a接收第二接收信号E_S。在这种情况下，发射信号S通过介质M两次。

除了本发明的装置1的这两个所示实施例之外，许多其他变体也是可能的，其同样地落入本发明的范围内。例如，图2a和2b的实施例可以仅使用布置在两个振荡元件9a、9b中的至少一个中的一个压电元件11a、11b。在这种情况下，压电元件11a用于产生激励信号和发射信号S，以及用于接收第一接收信号E_A和第二接收信号E_S。然后，发射信号S从第一振荡元件9a的区域中的第一压电元件11a被发射并且在第二振荡元件9b上被反射，使得由第一压电元件11a接收第二接收信号E_S。在这种情况下，发射信号S通过介质M两次，这导致发射信号S的行进时间τ加倍。

作为示例，在图2c中示出了另一种可能性。在这种情况下，在隔膜12的区域中提供了第三压电元件11c。第三压电元件11c用于产生激励信号A并且用于接收第一接收信号E_A；第一压电元件11a和第二压电元件11b用于产生发射信号S，并且用于接收第二接收信号E_S。可替选地，例如，可以都利用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来产生激励信号A和发射信号S以及接收第二接收信号E_S，其中第三压电元件11c用于接收第一接收信号E_A。同样地，可以利用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来产生发射信号S并且利用第三压电元件11c来产生激励信号A，以及利用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来接收第一接收信号E_A和/或第二接收信号E_S。同样在图2c的情况下，对于其他的实施例，可以省略第一压电元件11a或第二压电元件11b。

图2d示出了装置1的另一个可能的实施例。装置包括从图2b的实施例开始的第三振荡元件9c和第四振荡元件9d。然而，这些不用于振荡产生。相反，第三压电元件11c和第四压电元件11d分别布置在附加的元件9c、9d中。在这种情况下，借助于前两个压电元件11a、11b来执行振动测量和借助于其他两个压电元件11c、11d来执行超声波测量。同样在这种情况下，对于每个测量原理，能够省略一个压电元件，例如11b和11d。然而，出于对称原因，总是使用两个附加的振荡元件9c、9d是有利的。

根据本发明，基于发射信号S来生成关于传感器单元2的状态的信息。优选地，传感器单元2以这样的方式体现，即至少一个压电元件11a至少部分地布置在可振荡单元4的内部体积中，尤其是至少部分地布置在可振荡单元4的振荡尖齿9a内。对于其中使用两个压电元件11a和11b的情况，在图3中示意性地示出了这样的传感器单元2。压电元件11a、11b布置在相互面对的振荡元件9a、9b内，并且位于面向机械可振荡单元4的端部区域的隔膜12中。借助于经由电源线13连接的信号发生器14和经由分别与两个压电元件11a、11b连接的电源线连接的振幅检测器15来发生状态监测。在其他实施例中，在给定情况下，能够有利地应用信号发生器14和振幅检测器15的其他布置。借助于这样的布置，能够借助于经由振幅检测器15的振幅检测以特别容易的方式来发生振荡单元4的状态监测，并且例如，能够特别容易和可靠地来检测可振荡单元4与介质M的覆盖。这提高了振动极限水平传感器1的测量的准确性和安全性。

参考标记列表

1 振动传感器

2 传感器单元

3 容器

4 可振荡单元

5 激励/接收单元

6 电子器件

8 基座

9a,9b 振荡元件

10a,10b 中空空间

11a,11b 压电元件

12 隔膜

13 电线

14 信号发生器

15 振幅检测器

M 介质

P 过程变量

T 温度

A 激励信号

S 传输信号

E_A 第一接收信号

E_S 第二接收信号

Claims (12)

1.一种用于利用传感器(1)来确定和/或监测安全壳(3)中的介质(M)的可预定填充水平的方法，所述传感器(1)具有传感器单元(2)，所述传感器单元(2)具有以振荡叉和至少一个压电元件(11a)形式的机械可振荡单元(4)，所述方法包括：

-借助于激励信号(A)来激励所述传感器单元(2)，使得执行机械振荡，

-接收所述传感器单元(2)的所述机械振荡并且将所述机械振荡转换成第一接收信号(E_A)，

-从所述传感器单元(2)发射发射信号(S)并且通过所述传感器单元(2)接收第二接收信号(E_S)，以及

-基于所述第一接收信号(E_A)来确定关于所述安全壳(3)中的介质(M)的所述可预定填充水平的信息，

其特征在于：

基于所述第二接收信号(E_S)来确定关于所述传感器单元(2)的状态的信息。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中，所述激励信号(A)和/或所述发射信号(S)是具有至少一个可预定频率的电信号，尤其是正弦、矩形、梯形、三角形或锯齿形信号。

3.根据权利要求1或2中至少一项所述的方法，

其中，所述发射信号(S)是脉冲信号。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中，所述发射信号(S)是使用可预定频率间隔内的频率的可变频率的信号。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中，相关于所述传感器单元(2)的状态的所述信息是关于所述传感器单元(2)的区域中的堵塞的信息。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中，确定所述第二接收信号(E_S)的振幅。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中，确定所述第一接收信号(E_A)的频率。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其中，如果所述第一接收信号(E_A)的频率超过或低于可预定频率极限值，并且所述第二接收信号(E_S)的振幅低于可预定振幅极限值，则确定在所述传感器单元(2)的所述区域中存在阻塞。

9.根据权利要求6至8中至少一项所述的方法，

其中，如果可预定极限水平是所述安全壳(3)中的介质(M)的最大填充水平，并且如果所述第二接收信号(E_S)的振幅超过可预定极限值，则确定已经达到所述最大填充水平。

10.根据权利要求6至8中至少一项所述的方法，

其中，如果可预定极限水平是所述安全壳(3)中的介质(M)的最小填充水平，并且如果所述第二接收信号(E_S)的所述振幅低于可预定极限值，则确定已经达到所述最小填充水平。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，

其中，所述激励信号(A)和所述发射信号(S)被周期性地、交替地产生。

12.根据权利要求1至10中至少一项所述的方法，

其中，所述发射信号(S)是在可预定的、尤其是周期性的时间点产生的。