用于判定或监控介质的预定填充水平、相界或密度的方法

摘要

本发明涉及使用可振荡单元来确定或监控在容器中的介质的预定填充水平、相界或密度的方法和设备，其中，可振荡单元被置于预定填充水平的高度处；其中，在该可振荡单元的工作范围中的可预定频带内的频率扫描操作(扫掠)中，相继地使用一个接一个的离散激励器频率来激励可振荡单元以使得振荡；其中，以被接收信号的形式来接收该可振荡单元的对应的振荡；其中，在该频率扫描操作中确定激励器频率，由此该可振荡单元使用具有在发送信号和接收信号之间的预定相移的振荡频率来振荡；并且其中，发送/接收单元(S/E)激励可振荡单元，使得使用所确定的振荡频率来振荡。

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用可振荡单元来判定或监控容器中介质的预定 填充水平、相界或密度的方法和设备，其中，可振荡单元被置于预定 填充水平的高度处或相界的高度处。如果保证可振荡单元浸没在介质 中，则本发明的方法和本发明的设备也可以用于测量介质的密度。

背景技术

已知用于检测或监控容器中介质的填充水平、相界或密度的振动 检测器或限制水平开关。这些都可以从LIQUIPHANT和SOLIPHANT 名下的在许多实施例的受让方获得。

振动检测器通常具有作为振荡元件的振荡杆或振荡叉；振荡元件 被紧固到隔膜或隔板。而且，也已知有所谓的隔膜振荡器，其中省略 了额外的振荡元件。隔膜被夹在传感器外壳中，并且被电机或压电驱 动器激励以进行振荡。堆叠或双压电晶片驱动器通常被用作发送/接收 单元。可振荡单元的激励发生在谐振频率处，因此这里称之为基波激 励，其中，发送信号和接收信号之间的相移通常在限定范围内。通常， 这个范围在46°和140°之间。

被实现为填充水平测量装置的振动检测器利用振荡频率和振荡幅 度依赖于振荡元件的相应覆盖程度的效应：当振荡元件可以在空气中 自由且无阻尼地执行其振荡时，一旦当它部分地或完全地浸没在介质 中，则振荡元件就经历频率和幅度改变。基于预定的频率改变，因此 可被明确地推断容器中介质的预定填充水平或预定相界水平的达到。 而且，填充水平测量装置主要被用作溢出保护，或用于保护以防止泵 跑空的目的。

而且，振荡元件的振荡还受介质的相应密度影响，因为移动的质 量随着密度而改变。在恒定的覆盖程度的情况下，存在与介质的密度 的函数关系，因此使得振动检测器既适用于填充水平判定也适用于密 度判定。

在实际操作中，为了监控和检测容器中介质的填充水平或密度， 记录隔膜的振荡被记录并通过至少一个压电元件转换为电接收信号。 该电接收信号然后被评估电子装置评估。在填充水平判定的情况下， 评估电子装置监控振荡元件的振荡频率和/或振荡幅度，并且一旦测量 值低于或超过预定参考值时就发信号通知“传感器被覆盖”状态或“传 感器未被覆盖”状态。对于操作人员的对应的报告可以经由光学和/或 声学途径来发生。替代地或补充地，触发切换操作；例如，打开或关 闭在容器上的进送阀或放泄阀。

如上所述的用于测量填充水平、相界水平或密度的装置被应用在 工业的许多领域中，例如，被应用在化学工业、食品工业或水处理。 被监控的填充物质的范围涵盖水以及酸乳、油漆和涂漆，还有诸如蜂 蜜的高粘度介质和诸如啤酒的强发泡介质。

现有的振动检测器按模拟部件构造的闭合振荡电路来区分。为了 能够操作不同类型的振动检测器，这些模拟部件必须尽可能最佳地匹 配到振动检测器的相应实施例。除了别的因素之外，可振荡单元的具 体几何形状起到很大作用。此外，还提供微控制器，用于执行所确定 的频率的评估，并且控制与中央计算机的通信。

除了开发时间和资金的高开销，如上所述的各解决方案还没有所 期望的高度灵活和紧凑的构造形状。因此，已知的振动检测器经常仅 能够表述可振荡元件是否被覆盖。而且，经常将专用电子部件用于控 制/评估单元，这是不利的，因为这些部件具有较为严格的部件容限。 同样不利的是，在包括电子部件的现有检测器的情况下，没有针对逆 向工程的保护：竞争者在不必详细了解该检测器的功能原理的情况下， 就可以利用对各部件的了解来复制该振动检测器。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和设备，该方法和设备允许利用大 部分相同的控制/评估单元来配备不同类型的振动检测器。

关于所述方法，通过包括下述内容的特征来实现所述目的：通过 在可振荡单元的工作范围中的可预定频带内的频率扫描操作，使用在 时间上相继的一个接着一个的离散激励器频率把可振荡单元激励成振 荡；以被接收信号的形式来接收可振荡单元的对应的振荡；并且，在 频率扫描操作中确定激励器频率，其中，可振荡单元使用发送信号和 接收信号之间具有预定相移的振荡频率来振荡。或者，发送/接收单元 激励可振荡单元以使用确定的振荡频率来振荡(在填充水平测量中或 在相界水平监控中)，或者开始随后的频率扫描操作，从而进行持久 的频率扫描(在密度测量中)。

特别地，具有预定相移的可振荡单元的振荡频率是在预定相移下 的基本模式——基波激励——的振荡频率，或者，它是在预定相移下 的较高模式——谐波激励——的振荡频率。

本发明的方法的一种有益实施例提供了：当可振荡单元在发送信 号和接收信号之间的预定相移下的振荡频率之外振荡时，重新开始频 率扫描，直到找到合适的振荡频率。

与已知的模拟振动检测器不同，本发明的解决方案主要以数字方 式实现。独立于当前阻尼，以发送信号和接收信号之间的预定相移下 的振荡频率来操作该可振荡单元。确定可振荡单元的每一个当前振荡 频率，例如，当前谐振频率。为此，完全地扫描可振荡单元的频率的 工作范围。此外，为了确定可振荡单元的当前谐振频率，必须使得可 振荡单元的振荡不受噪声和干扰信号的影响。

如上所述的各种现有振动检测器具有闭合的振荡电路，闭合的振 荡电路包括可振荡单元和控制/评估单元。在此，在可振荡单元的工作 范围中的谐振频率自动地调谐到发送信号和接收信号之间的固定相 移。与此不同，通过本发明的数字设备来预定确定频率的振荡和与之 耦合的确定相位关系。实现可振荡单元的强制激励。然后，可振荡单 元扫掠其整个频率工作范围，即，通过彼此靠近地间隔开的相继的离 散频率的激励来按时间确定可振荡单元的当前谐振频率。这种方法也 被称为频率扫掠。

优选的是，通过评估由发送/接收单元接收的被接收信号的幅度来 确定发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的振荡频 率。替代地，通过评估发送信号和接收信号之间的相移来确定发送信 号和接收信号之间的预定相移下可振荡单元的振荡频率。因此，在谐 振以及无谐振的情况下，在接收信号中都产生180°的相移。

本发明的方法的一个实施例提供了完全在数字化的基础上实现的 解决方案。在该情况下，接收信号被模拟/数字转换器数字化，并且进 一步被纯数字化处理。替代地，存在用于通过可切换电路的变化形式 来实现本发明的解决方案的机会。为此，可以大部分地保留模拟电路 技术；每一个所需要的信号路径被微控制器控制，并且通过模拟开关 来布置以使得每一个所要求的电路部分可以被置于信号路径内。

然而，优选的是，本发明的解决方案的控制/评估单元被实现为数 字电路，特别是实现为数字信号处理器DSP、FPGA、FPAA或PSoC—— 芯片上的可编程系统。在一个集成电路中，可配置的模拟和数字资源 与微控制器一起被布置在PSoC中。因为仅需要较少的外部部件，所以 这种PSoC选择节省了许多空间，而且节省了成本。

在本发明的一个有益实施例中，通过相位选择整流来实现发送信 号和接收信号之间的相移的评估，该相位选择整流产生与相位和幅度 成比例的直流电压。在该情况下，通过发送/接收单元的接收信号和从 发送单元得到的信号来形成相位选择整流器的接收信号。所得到的信 号优选地是周期方波或正弦信号。

而且，在频率扫描期间，扫掠可振荡单元的工作范围中的频率范 围。

在本发明的方法的第一种形式的实施例中，基于两个频率来确定 发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的振荡频率，该 两个频率相对于发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元 的振荡频率基本上对称，并且在该两个频率处，达到或超过接收信号 的幅度或与相位成比例直流电压的预定阈值。

本发明的一个替代实施例提供了：由相位选择整流器产生的相位 选择信号被划分为正信号部分和负信号部分；形成正信号成分的包络 曲线和负信号成分的包络曲线；相加两个包络曲线；并且，基于相加 信号来确定发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的当 前谐振频率。在此使用包络曲线检测器来执行该方法。该相加信号总 是在某个频率具有最大幅度，在该频率处，发送信号和接收信号之间 的相移对应于预定的期望的相移。

可以经由二极管和其后连接的RC单元来实现包络曲线检测器。 根据操作二极管的方向，可以排他地使所施加信号的正部通过或使负 部通过。所连接的RC单元从产生的输出信号确定包络曲线。

需要两个包络曲线检测器，以便确定相位选择信号的负部和正部。 为了避免二极管切断相位选择信号的一部分，在给定情况下，向相位 选择信号施加直流电压。

关于所述设备，通过包括下述内容的特征来实现该目的：提供发 送/接收单元；发送/接收单元在可振荡单元的工作范围中的可预定频带 内的频率扫描操作中，使用一个接着一个的相继的离散激励器频率来 把可振荡单元激励成振荡，并且接收可振荡单元的对应振荡；提供了 控制/评估单元，其确定激励器频率，由此可振荡单元以具有发送信号 和接收信号之间的预定相移的振荡频率来振荡；并且，发送/接收单元 激励可振荡单元使得其使用发送信号和接收信号之间的预定相移下的 所确定的振荡频率来振荡。

而且，控制/评估单元也被实现为，使得其在频率扫描操作期间， 经由发送信号和接收信号之间的相位或接收信号的幅度的评估来确定 发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的振荡频率。

本发明的解决方案的优点被概括如下：

-控制/评估单元包括用于可振荡单元的所有实施例和用于振动检 测器的所有应用领域的相同部件。本发明的解决方案因此是能够 平台化的。

-通过控制/评估单元的数字化来实现关于振动检测器的功能的高 灵活性；可获得自由的可扩展性，可以自由地选择相移，并且， 提供数字接口。

-提供了复制保护，因为只有付出很大的劳动才能对控制/评估单元 逆向工程化。

-通常，被布置在电路板上的控制/评估单元是紧凑的。

-可以省略具有较高部件容差的昂贵的特殊部件。

在本发明的设备的一个有益实施例中，提供了具有相位选择整流 器的控制/评估单元，其中，所述整流器产生相位选择直流电压。低通 滤波器和比较器连接到该相位选择整流器。而且，提供了微控制器， 该微控制器基于两个频率来确定发送信号和接收信号之间的预定相移 下的可振荡单元的振荡频率，该两个频率相对于谐振频率是对称的， 并且在该两个频率处，达到或超过接收信号的幅度或整流器的与相位 成比例的直流电压的预定阈值。

而且，该相位选择检测器包括：乘法器；用于参考信号的产生器 单元，经由微控制器能够调整其时钟频率；能够被微控制器和低通滤 波器来控制的相移器，其中，所述乘法器将参考信号(该参考信号在 每种情况下都具有由微控制器预定的时钟频率)乘以接收信号；其中， 该相移器调整参考信号和接收信号的相位关系；并且其中，在触发器 后连接的第一低通滤波器的输出处能够分接与相位成比例的直流电 压。

而且，当用作阈值检测器并且其输出信号被转发到微处理器的比 较器连接在低通滤波器之后时，本发明被认为是有益的，其中，微控 制器基于在频率扫描操作期间确定的第一阈值和第二阈值的平均值来 确定发送信号和接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的当前振荡 频率。

如上所述的解决方案的有益的进一步发展提供了：第二低通滤波 器连接在相移器之后；在第二低通滤波器的输出处存在正弦波信号； 发送/接收单元使用该正弦波信号激励可振荡单元，使得用发送信号和 接收信号之间的预定相移下的可振荡单元的当前振荡频率来振荡。

本发明的设备的替代实施例提供了控制/评估单元，该控制/评估单 元产生相位选择整流信号。然后，将相位选择信号划分为正信号部分 和负信号部分；随后，确定和相加正信号成分的包络曲线和负信号成 分的包络曲线。基于相加信号，控制/评估单元确定在发送信号和接收 信号之间的预定相移下的可振荡单元的振荡频率。

附图说明

现在基于附图更详细地描述本发明，其中：

图1是本发明的设备的第一实施例的框图；

图2是作为频率函数的相位选择整流器的与相位成比例的直流电 压的曲线的示意表示；

图3是用于相对于在图1和图2中所示的形式的实施例的可视化 本发明的方法的流程图；

图4是用于实现相位选择整流的目的的框图；

图4a是示出作为时间函数的输入信号和矩形信号的幅度的相关性 的图；

图4b是示出在可振荡单元在空气中无阻尼地振荡时的情况下作 为时间函数的相位选择开关/整流器的输出信号的幅度的相关性的图；

图5a是在可振荡单元在空气中无阻尼地振荡的情况下的相位选择 整流器的输出信号的幅度的表示，其中，扫掠时间是1秒，并且相位 选择整流器被设置为90°检测；

图5b是在可振荡单元在空气中无阻尼地振荡的情况下的相位选 择整流器的输出信号的幅度的表示，其中，扫掠时间是0.1秒，并且相 位选择整流器被设置为90°检测；

图6是根据第二实施例的本发明的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明的设备的第一实施例的框图。可振荡单元(未示 出)的接收信号E被馈送到放大器1的输入。放大器1用于匹配在可 振荡单元的接收单元E——通常是至少一个压电元件——和控制/评估 单元10之间的阻抗和幅度。乘法器2将接收单元E的信号乘以数字频 率产生器3的周期信号，该周期信号在此是矩形信号，并且乘法器2 连接在放大器1之后。乘法器2的输出信号将在放大器1的输出信号 和数字频率产生器3的输出信号之间的相差或相移示出为直流电压成 分。这个直流电压成分被低通滤波器7滤出。乘法器2和低通滤波器7 与相移器4一起形成相位选择整流器11。

数字频率产生器3产生用于可振荡单元的强制激励的参考矩形信 号。可变相移器4设置接收单元E的信号和发送单元S的信号之间的 相差，使得利用用于该直流电压成分的两个信号的相乘来产生特定电 平。可以把所述相差设置为任何期望值。

低通滤波器5把频率产生器3的矩形信号转换为正弦波类信号。 在此执行所谓的谐波抑制。放大器6继而用于匹配发送单元S的信号 的阻抗和幅度。

微控制器9用于控制用来确定当前谐振频率的扫描方法。而且， 它与在图1中未示出的上级控制单元进行通信。

根据本发明，进行频率扫描(frequency scanning)操作，即所谓 的扫掠(sweep)，以使得找到可振荡单元的当前谐振频率。经由微控 制器9的软件来调谐由数字频率产生器3产生的信号的频率。因此， 产生在图2中所示的相位选择直流电压的曲线。

比较器8把相位选择或与相位成比例的直流电压与预定阈值S作 比较。当达到第一阈值S1时，扫掠暂停，并且频率f1被存储在与微控 制器9相关联的存储元件中。其后，继续扫掠，直到达到第二阈值S2。 属于第二阈值S2的频率f2同样被存储。然后，从两个频率值S1、S2 计算算术平均值。优选的是，从高频向低频执行这种扫掠。

调谐与可振荡单元的当前谐振频率f_R对应的被确定的频率；可振 荡单元被激励，使得使用所确定的当前谐振频率f_R来振荡。一旦可振 荡单元的谐振频率改变，则执行下一个扫掠。

可以按若干非常不同的方式来实现可振荡单元，如在本说明书的 前述部分中所述那样。本发明的解决方案特别不同之处在于：是第一 次有可能利用至少几乎一致的相同电子装置来装配不同的振荡系统。 本发明的设备或本发明的方法提供了在填充水平测量、相界水平测量 或密度测量的领域中使用的、用于最广泛变化的振荡系统的通用平台。

在图3中示出给出本发明的方法的独立步骤的流程图。因为该流 程图是自我解释的，所以在此省略重复。

图4示出在机械无阻尼的振荡系统的情况下的相位选择整流的框 图。发送/接收单元S/E发送激励器信号到隔膜，并且可振荡单元被固 定到该隔膜，利用该激励器信号激励可振荡单元以振荡。诸如噪声和 网络蜂叫音的干扰信号被叠加于50Hz的发送/接收单元S/E的输出信 号上。被叠加干扰信号的这个输出信号与90°的相移的激励器信号一起 被馈送到相位选择开关。因为在无阻尼情况下的本征频率的相移是 90°，所以预期在谐振情况下的相位选择整流信号仅包括正半波，并且 也在这个时间点具有最大幅度。在图4a和图4b中提供了对应的图。

根据扫描时间，因此其中执行可振荡单元的工作范围内从最低至 最高频率的扫描的时间段，出现最大幅度的谐振频率移位。而且，作 为机械振荡系统的延迟的“存储时间”的结果，本征频率移位。谐振 频率被定义为在最大幅度的时间点处的输出信号的频率；本征频率被 定义为在发送信号和接收信号之间的90°的相位旋转的频率。存在由可 振荡单元的强制激励引起的谐振频率和本征频率的移位。

作为这些移位的结果，相位选择信号的正部在不同于该信号的负 部具有其零交点时候的另一个时间点具有其最大值。在图5a和图5b 中示出这个方面，图5a和图5b示出在1秒和0.1秒的两个不同扫掠速 度的情况下的相位选择信号的行为。由此另外使借助于比较器确定谐 振频率的困难在于：除了对扫掠时间的依赖性之外，相位选择直流电 压的幅度也对于可振荡单元所接触的介质的阻尼具有强依赖性。

作为相移和幅度变化的结果，使得利用低通滤波器和比较器的精 确评估变得困难。结果，在图1至图3中所示的解决方案具有其局限， 特别是在高扫掠速度的情况下。

为了也能够在高扫掠时间的情况下应用本发明的方法，在图6中 示出替代解决方案。相位选择整流信号被分离为其正信号分量和其负 信号分量。然后，相加该两个信号分量。因为正信号成分和负信号成 分的最大值相对于彼此移位，所以该两个信号分量的包络曲线首先被 确定，然后被相加，即，实际上计算差。模拟或数字包络曲线检测器 确定包络曲线。结果产生的和/差信号在发送信号和接收信号之间的分 别设置的预定相移处具有其最大值。优选的是，相移是90°。

附图标记的列表

1  放大器

2  乘法器

3  数字频率产生器

4  相移器

5  第二低通滤波器

6  放大器

7  第一低通滤波器

8  比较器

9  微控制器

10 控制/评估单元

11 相位选择整流器

E  接收单元

S  发送单元