CN103080705A - 用于确定和/或监控至少一个预定填充液位的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定容器中的液体的预定填充液位的装置，其具有传感器单元，包括能够机械地振荡的单元，传送器单元，以及接收器单元，接收器单元电气地并机械地耦合至该传送器并且将该能够振荡的单元的振荡转换成电接收信号；并且进一步具有电子单元，其包括调节单元，该调节单元将传送信号和电接收信号之间存在的相位差调节为预定值，其中，能够振荡的单元以谐振频率进行振荡，并且该调节单元与该传送器单元、接收单元和该能够振荡的单元一起形成振荡电路。根据本发明，电子单元具有补偿单元，该补偿单元为了补偿由传送器单元和接收器单元之间的耦合导致的接收信号中的附加信号分量，至少间歇地根据传送信号产生补偿信号，并且将该补偿信号供应至接收信号，其中，补偿单元产生补偿信号，从而使得补偿信号与接收信号中的附加信号分量相反。

Description

用于确定和/或监控至少一个预定填充液位的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监控容器中的液体的至少一个预定填充液位的装置，其具有传感器单元，至少包括

能够机械地振荡的单元，其能够被布置在预定填充液位的高度上，

传送器单元，其通过电传送信号激励该能够振荡的单元进行机械振荡，

以及接收器单元，其电气地并机械地耦合至该传送器单元，并且将该能够振荡的单元的振荡转换成电接收信号，

并且具有电子单元，至少包括评估单元，其根据电信号确定该能够振荡的单元是否被液体覆盖或未覆盖，

和调节单元，该调节单元将电传送信号和电接收信号之间存在的相位差调节为预定值，在该预定值上该能够振荡的单元以谐振频率进行振荡，并且该调节单元与该传送器单元、接收器单元和该能够振荡的单元一起形成振荡电路。除了极限填充液位以外，能够确定介质的密度和/或粘度。举例说明，该能够振荡的单元是振荡叉。

背景技术

在工业上，使用液位测量装置用于监控液体的预定填充液位，通常用于过填充保护并且用于防止泵变干。举例说明，在DE4419617C2中描述了一种振动极限填充液位开关，其还能够确定密度和粘度。其包括能够振荡的单元，用于通过电传送信号激励能够振荡的单元进行机械振荡以及用于接收能够振荡的单元的机械振荡并将其转换成电接收信号的机电换能器单元，基于接收信号的频率确定能够振荡的单元是否被覆盖的评估单元，以及调节电路，其将电传送信号和电接收信号之间存在的相位差调节为固定值，其中，该值被选择为使得能够振荡的单元以谐振频率振荡。在最简单的情况下，调节电路由放大器和移相器组成，其中，接收信号被供应至放大器并且经由移相器被反馈至传送信号。

机电换能器单元通常由一个或多个压电元件形成。在本文中，一个压电元件包含传送器和接收器，或者将多个压电元件布置成堆栈，其中的每个压电元件仅形成传送器或接收器。

能够振荡的单元、换能器单元和调节电路形成振荡***的组件，其中，各组件不完全被电气地和机械地分离，从而出现机械的和电气的耦合效应。它们表现为接收信号中的被叠加在测量信号上的附加信号的形式，并且取决于换能器单元的实施例，包括相对于传送信号的0°或180°的相位偏移。这里的测量信号具有正弦波的形式，并且同时由于耦合导致附加信号是方波信号。

只要能够振荡的单元以谐振频率无阻尼地振荡，耦合效应是可以忽略的。然而，随着阻尼的增加，实际测量信号的幅值变小并且叠加的方波信号增益明显。在这点上，传送信号和接收信号之间的相位偏移分别从90°偏移为沿0°或180°的方向。如果耦合起主导作用，则振荡***优选地根据耦合信号和传送信号之间的相位偏移而在0°或180°以禁止机械截止频率振荡。取决于电子单元的实施例，对应于各个相位偏移不存在机械截止频率，并且振荡***根本不再振荡。振荡的阻尼越高，越早不能进行在谐振频率下的机械振荡。因此必须尽可能地抑制耦合，从而增加使得能够振荡的单元仍然能够振荡的最大粘度。

在现有技术中，由机电换能器的具体实施例解决该问题，该机电换能器首先基于振荡***的性能消除对谐振频率对应的相位差的依赖性，并且其次补偿耦合效应。在EP0875740A1中描述了一种机电换能器单元的解决方案的变型，其由同时作为传送器和接收器的单个压电元件组成。该压电元件被再分成三部分，其中，第一和第二区域相对于第三区域被反相极化。第一和第三区域作为传送器，第二区域作为接收器使用。通过反相极化，两个传送信号是反相的。因此，由于耦合而产生的仅作为传送信号的两个附加信号也是反相的，并且包括相同的幅值使得它们相互补偿并且耦合被消除。在EP0875742A1中描述了对应于机电单元包括至少一个传送器和至少一个接收器、例如被布置成堆栈形式的压电元件的情况的解决方案。该解决方案在于包括接收信号传输线，其经由电阻抗被连接至传送器传输线。该阻抗被选择为使得由于机械和电气的耦合而出现的附加信号相互补偿。两种变型通过重新配置叉组件部件而解决了耦合的问题。因此，不能逆动地重新配置具有传统的换能器单元的液位测量装置。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种用于填充液位极限测量的装置，其包括容易更新的器件，使得即使在较高的粘度下也能够进行可靠的测量。

用于一种根据说明书中所描述的装置以下列方式实现该目的：电子单元包括具有补偿单元的补偿通路，该补偿单元至少间歇地根据传送信号产生补偿信号，以用于补偿由传送器单元和接收器单元之间的机械和/或电气耦合导致的接收信号中的附加信号分量，并且将该补偿信号供应至接收信号，其中，补偿单元以这样的方式产生补偿信号，从而使得补偿信号与接收信号中的附加信号分量相反。传送器单元和接收器单元随后被指定省略为传送器/接收器单元。此外，传送器/接收器单元的输入信号与未改变的传送信号一致，即，只有被提供作为输入信号的补偿通路传送信号被改变。

在高阻尼的振荡下，实际的接收信号的幅值减小，从而使得由于耦合引起的独立于阻尼的分量增加得越来越重要，直至超过一定的阻尼，接收信号仅由由于耦合引起的分量组成。因而，振荡频率是被电子单元禁止的下限机械截止频率。补偿信号与由于耦合引起的附加信号分量相反，即，相位偏移180°。通过补偿信号，附加信号分量被至少部分地补偿，从而使得能够进一步进行在被能够振荡的单元禁止的传感器频率下的振荡。补偿信号的幅值优选地是可动态适应的，并且以附加信号分量不被完全补偿的方式被调节，假设不同地在能够振荡的单元由介质完全阻尼的情况下，振荡器电路将不再能够振荡并且由此将不会以机械截止频率振荡。

根据本发明的装置与用于振动确定极限填充液位、介质的密度和/或粘度的传统装置的区别仅在于电子单元的实施例中。因此通过替换电子单元，这些传统装置能够被升级，增加它们的应用范围。振动填充液位测量装置通常被模块化地构成，从而使得根据工艺流程能够迅速地并简单地进行电子单元的替换，而不需要移动传感器，即，与流程有联系的能够振荡的单元。另外，该技术方案独立于机电换能器单元的实施例，并且因此能够在多方面被采用。

在根据本发明的技术方案的第一实施例中，补偿单元根据振荡器电路的当前振荡频率而修正补偿通路中的传送信号以用于产生补偿信号。然后如果振荡频率不等于有效传感器频率，则补偿单元产生至少一个补偿信号。有效传感器频率是以未被覆盖的能够振荡的单元的振荡频率和被覆盖的能够振荡的单元的振荡频率为边界的范围中的频率，其中的每一个振荡频率都具有一定的公差。举例说明，如果因为阻尼过大或因为介质太粘或由于能够振荡的单元中的阻塞，使能够振荡的单元不能振荡，则振荡器电路的频率位于该范围之外。因此，振荡器电路以独立于传感器单元的上限或下限禁止机械截止频率中的一个频率进行振荡，或者它根本不振荡。

根据该装置的实施例，补偿单元包括至少一个可调节阻尼元件。根据与此相关的另一个实施例，阻尼元件是分压器或放大器。由此，在补偿通路中产生的补偿信号的幅值可调节，从而使得能够为每一个边界条件调节所需的补偿。举例说明，所需的补偿的幅值取决于环境温度或环境压力，并且此外在由于年龄相关的效应导致的装置的工作寿命上变化。由于具有动态补偿，其中，补偿的幅值不固定，而是连续地或离散地增加，利用适当的补偿幅值能够振荡的单元再次开始以谐振频率振荡，直到在机械截止频率下的振荡，即，振荡的中断，的原因是阻尼振荡过大，即，粘度过高。

在有利的进一步的实施例中包括，阻尼元件包括多个阻尼水平。举例说明，通过能够被接通的单个电阻器而实现阻尼水平，或者能够数字化地进行阻尼水平的调节。在后一种情况下，能够以连续的方式调节阻尼的水平。

在根据本发明的装置的实施例中，补偿单元包括反相元件。它被优选地布置在阻尼元件前面。根据传送器/接收器单元的实施例，由于耦合引起的信号分量包括相对于传送信号的0°或180°的相位偏移，从而使得对应于该由于耦合引起的该信号分量的补偿可能需要反相的传送信号。为了确保高水平的灵活性，反相元件也能够取决于传送器/接收器单元的实施例而被接通。

本发明的进一步的目的是提供一种方法，用于在说明书中描述的这类装置，用于补偿接收信号中的附加信号分量，其中，附加信号分量由传送器单元和接收器单元之间的机械和/或电气耦合导致。

因此该目的被实现为，补偿信号至少间歇地从传送信号产生并且与由耦合导致的附加信号分量相反，并且补偿信号被供应至接收信号。

根据本发明的方法的第一实施例，传送信号通过可调节的放大系数被放大并且被供应至接收信号。放大系数通常是负的，从而使得用于产生补偿信号的传送信号被阻尼。在该方法的实施例中，用于产生补偿信号的传送信号是反相的。是否需要反相取决于附加信号分量相对于传送信号的相位偏移。补偿信号在每一种情况下被产生为使得它相对于由于耦合引起的附加分量相位偏移180°。举例说明，补偿信号的供应经由被引入调节电路中的加法组件、或者无触点地经由电容器而发生。补偿能够通过可调节的放大系数而被动态地适应。举例说明，在来自介质的特定阻尼下，所需的补偿水平取决于环境温度、压力或装置的老龄症状。补偿通过可调节的放大系数而能够适应当前需要，所以一直能够调节适当的补偿。

该方法的进一步的实施例在于，振荡电路的当前振荡频率被确定，从而在振荡频率与专用于被覆盖的或未被覆盖的能够振荡的单元的有效传感器频率一致的情况下，，不发生补偿。举例说明，然后补偿通路被断开或关断，或者传送信号被阻尼至这样的程度，使得在补偿通路的输出上，补偿信号是可忽略的。如果传感器频率是有效传感器频率，则将被确定的至少一个工艺处理变量可以被确定。只要振荡频率与有效传感器频率一致，则不需要补偿。然而，补偿也能够取决于过去的历史。在实施例中，在振荡由于补偿而再次开始的情况下，被调节的补偿将被维持。

进一步的实施例包括振荡电路的当前振荡频率被确定，从而在振荡频率与专用于被覆盖的或未被覆盖的能够振荡的单元的无效传感器频率一致的情况下，补偿被调节为补偿的最低可能水平，并且补偿的水平增加直至振荡频率与有效传感器频率一致，或者在达到无效传感器频率的情况下，直至达到补偿的最高可能水平或者振荡频率与被电子单元禁止的上限机械截止频率一致。只要补偿信号包括作为由于耦合引起的信号分量的小信号幅值，欠补偿发生并且由于还没有达到最大可能补偿，补偿可能进一步增加。接收信号中的补偿信号和由于耦合引起的信号分量包括相对于彼此的180°的相位偏移；由于耦合引起的信号分量和传送信号包括0°或180°的相位偏移。在过补偿的情况下，补偿信号起主导作用，所以在传送信号与接收信号之间存在180°或0°的相位偏移。在能够振荡的单元被完全阻尼的情况下，经由调节单元，同样调节至180°或0°的相位偏移，并且利用该附带的相位偏移，被调节至上限机械截止频率，直至在上限机械截止频率下的振荡可能进行。

根据该方法的实施例，一旦调节至补偿的最高可能水平并且达到无效传感器频率，或者达到被电子单元禁止的上限机械截止频率，补偿被终止。在可替换实施例中，补偿沿反相进行，即，首先进行最高可能补偿，补偿不断地减小直至补偿被切断。在两个实施例中，能够跟踪被更新的补偿扫描。

在该方法的实施例中，振荡频率一旦与有效传感器频率一致就维持补偿水平。在可替换实施例中，振荡频率一旦与有效传感器频率一致补偿就终止，或者补偿水平逐渐减小，使得仅执行最小的所需补偿。振荡频率再次跃至无效传感器频率或者振荡中止，然后分别地补偿被再次继续并且补偿增加。

附图说明

参考附图进一步描述本发明。因此图中的等效部件由每个相同的参考符号表示。

图1显示传感器单元的示意结构；

图2a示意性地显示根据现有技术的振荡***的组件；

图2b示意性地显示根据本发明的振荡***的组件；

图3显示根据本发明的电子单元的结构的草图；

图4显示补偿方法的流程图。

具体实施方式

在图1中描述了传感器单元2的例子，该传感器单元2可以是现有技术的填充液位测量装置以及根据本发明的填充液位测量装置的构成部件。这里，能够振荡的单元23采取具有两个齿232的叉的形式，其中，齿232被布置在膜231上。举例说明，膜231形成其中布置有传送器/接收器单元的管状壳体的密封。这里，传送器/接收器单元由布置成堆栈的多个压电元件组成。内侧的两个压电元件形成传送器单元25，其激励能够振荡的机械单元23进行振荡。两个外侧的元件作为接收器单元24并且根据接收到的机械振荡产生电接收信号E。传送器单元25和接收器单元24的压电元件中的每一个包括两个电极，它们被布置在压电元件的相对表面上。单个的压电元件通过隔离物26而相互电气地分离。在其他实施例中，传送器单元25和接收器单元24不被分离地形成，而是单个压电元件形成传送器单元25和接收器单元24。本发明包括这两种变型。

在图2a和图2b中，示意性地描述用于振动极限填充液位测量的装置的振荡***的组件，其中，图2a显示根据现有技术的已知装置的振荡***，并且图2b显示根据本发明的装置的振荡***。该振荡***由传感器单元2和调节电路形成。在机械上，传感器单元2由两个组件组成：能够振荡的单元23和传送器/接收器单元24、25。传送器/接收器单元24、25经由输入导线与电子单元1连接，其中，电子单元除了别的以外包括调节单元3和评估单元11，其中调节单元3具有用于调节传送器信号S与接收信号E之间的相位偏移，即，用于产生传送器信号S的组件。除了机械部件21以外，传感器单元2还包括进一步的组件，耦合22。其一方面出现于传送器单元25和接收器单元24之间的机械耦合并且另一方面出现于通过输入导线的它们的电气耦合。耦合22导致接收信号E中的以方波电压形式的附加信号分量，假设通过被放大和被相位偏移的接收信号E的反馈而形成传送信号S，耦合22也被保留在传送信号S中。

在图2b中显示的电子单元1除了评估单元11和调节单元3以外包括用于产生传送信号S的补偿单元4和微控制器12。传送信号S不仅被供应至传感器单元2，而且也被供应至补偿单元4。补偿单元4包括被布置在补偿通路中的多个元件，其中，这些元件产生修正的传送信号并作为补偿信号K被加入接收信号E。该信号总和E’形成调节电路的输入信号并且被供应至调节单元3。补偿单元4修正传送信号S使得它至少部分地补偿接收信号E中保留的由于耦合引起的附加信号。理想地轻微欠补偿发生，代替附加信号，由补偿单元4产生的补偿信号K也能够以另外的方式，例如电容性地，被供应至接收信号E。实质上发生接收信号E和补偿信号K的叠加，使得相对于由于耦合引起的附加信号相位偏移180°的补偿信号K能够起作用防止信号的附加。补偿单元4的控制通过微控制器12而发生。该微控制器12发动并结束补偿，并且控制补偿信号K的幅值的调节。评估单元11和微控制器12也能够一起被实现，即，微控制器承担评估单元11的任务。在另一个实施例中，举例说明，补偿单元4被数字化地实施以作为微控制器。

图3显示电子单元1的有利实施例，用于接收信号E中由于耦合引起的附加信号包括相对于传送信号S的180°的相位偏移的情况。调节单元3包括用于根据被修正的接收信号E’产生传送信号S的放大器6以及移相器。补偿单元4包括反相器41和分压器42。传送信号被供应至反相器41，反相器41产生反相的传送信号。反相的传送信号被供应至分压器42，分压器42通过可调节的阻尼系数来阻尼反相的传送信号。因此，分压器由固定电阻43和可调节电阻器44组成。阻尼系数通过可调节电阻器44调节，并且调节由微控制器控制。以这样的方式产生的补偿信号K经由加法器5被耦合至接收信号E上。

图4公开了用于执行补偿的方法的实施例的流程图。在第一步骤A中，确定当前振荡频率。举例说明，这在评估单元或在微控制器中发生。

在接下来的步骤B中，检查振荡频率是否与有效传感器频率一致，即，振荡频率是否位于对应于被覆盖状态的最小频率和对应于未被覆盖状态的最大频率之间的区域中。

如果检查结果是肯定的则执行步骤C。如果振荡频率与有效传感器频率一致，则不需要补偿。这里，举例说明，阻尼元件被调节为使得补偿信号变成零。然后接收信号未被改变地被供应至调节单元。

如果结果是振荡频率不与有效传感器频率一致，则执行作为与步骤C相对应的替代方案的步骤D。阻尼的禁止水平被调节为使得出现具有适当幅值的补偿信号。在优选实施例中，首先进行高阻尼使得产生具有可以忽略的幅值的补偿信号，并且然后在随后的步骤中阻尼被不断地减小。这样，应该能够避免过补偿。

跟随补偿单元的调节进行根据步骤B的新的检查。如果产生的补偿信号是足够的从而能够以被传感器禁止的传感器频率进行振荡，补偿能够在步骤E中被结束。补偿立即结束或者补偿信号尽可能长地逐渐减小，使得在理想情况下，补偿同样不再发生。在可替换实施例中，补偿以被调节至的阻尼水平而继续。

如果根据步骤B的新检查的结果是振荡频率仍然不与有效传感器频率一致，则在步骤F中检查当前振荡频率是否与上限机械截止频率一致，和/或补偿是否已经处于最大，即，是否最小可能阻尼被调节至。如果摆动频率与上限机械截止频率一致，则存在过补偿。如果步骤F中的两个检查中的一个返回肯定，则不能进行进一步的补偿。替代地，接收信号和相位偏移能够被测量，并且能够据此确定是否存在过补偿。

因此，在步骤H中补偿被结束。在实施例中，重新执行补偿，其中，再次以最小补偿开始。在实施例中，在步骤H中产生错误消息。如果补偿不起作用，这可能由电线的损坏或具体地在振荡叉的情况下、由能够振荡的单元的阻塞导致，使得需要装置的维护。在这里未描述的方法的改进形式中，如果检测到上限机械截止频率或者如果通常存在过补偿，则补偿被再次连续地减小。

如果步骤F中的检查返回否定，这意味着存在欠补偿，而不足以再次建立在能够振荡的单元的谐振频率下的振荡。因此，在步骤G中，补偿被进一步增加，即，根据可能的情况补偿通路中的反相传送信号的阻尼减小，使得产生较大的补偿信号。随后再次进行根据步骤B的检查。重复步骤F、G和B，直至达到有效传感器频率使得步骤E能够被继续，或者直至步骤F中的检查返回肯定，即，不能进行更多的补偿，并且随后进行步骤H。

参考符号表

1   电子单元

11  评估单元

12  微控制器

2   传感器单元

21  机械组件

22  耦合

23  能够振荡的机械单元

231 膜

232 齿

24  接收器单元

25  传送器单元

26  隔离物

3   调节单元

4   补偿单元

41  反相器

42  分压器

43  电阻

44  可调节电阻

5   加法器

6   放大器

7   移相器

Claims (13)

1.一种用于确定和/或监控容器中的液体的至少一个预定填充液位的装置，所述装置具有传感器单元（2），至少包括

能够振荡的机械单元（23），所述能够振荡的机械单元能够被布置在预定填充液位的高度上，

传送器单元（25），所述传送器单元通过电传送信号（S）激励所述能够振荡的单元（23）进行机械振荡，以及

接收器单元（24），所述接收器单元电气地并机械地耦合至所述传送器单元，并且将所述能够振荡的单元（23）的振荡转换成电接收信号（E），

并且具有电子单元（1），至少包括评估单元（11），所述评估单元根据所述电接收信号（E）确定所述能够振荡的单元是否被填充材料覆盖或未覆盖，

和调节单元（3），所述调节单元将所述电传送信号（S）和所述电接收信号（E）之间存在的相位差调节为预定值，在该预定值上所述能够振荡的单元（23）以谐振频率进行振荡，并且所述调节单元与所述传送器单元（25）、接收器单元（24）和所述能够振荡的单元（23）一起形成振荡电路，

其特征在于

所述电子单元（1）包括具有补偿单元（4）的补偿通路，该补偿单元至少间歇地根据所述传送信号（S）产生补偿信号（K），以用于补偿由传送器单元（25）和接收器单元（24）之间的所述机械和/或电气耦合导致的接收信号（E）中的附加信号分量，并且将所述补偿信号供应至所述接收信号（E），其中，所述补偿单元（4）产生所述补偿信号（K），从而使得所述补偿信号（K）与所述接收信号（E）中的所述附加信号分量相反。

2.根据权利要求1所述的装置，

其特征在于，

所述补偿单元（4）根据所述振荡器电路的当前振荡频率改变所述补偿通路中的所述传送信号（S），以用于产生所述补偿信号（K）。

3.根据权利要求1或2所述的装置，

其特征在于，

所述补偿单元（4）包括至少一个可调节阻尼元件（42）。

4.根据权利要求3所述的装置，

其特征在于，

所述阻尼元件（42）是分压器或放大器。

5.根据权利要求3或4所述的装置，

其特征在于，

所述阻尼元件（42）包括多个阻尼水平。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的装置，

其特征在于，

所述补偿单元（4）包括反相元件（41）。

7.一种用于补偿所述接收信号（E）中的附加信号分量的方法，用于根据权利要求1所述的装置，其中，所述附加信号分量由传送器单元和接收器单元之间的所述机械和/或电气耦合产生，

其特征在于，

补偿信号（K）至少间歇地根据所述传送信号（S）被产生，并且与由所述耦合导致的所述附加信号分量相反，并且其中，所述补偿信号（K）被供应至所述接收信号（E）。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

所述传送信号（S）通过可调节的放大系数被放大，并且所述放大信号被供应至所述接收信号（E）。

9.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，

所述传送信号（S）被反相、通过可调节的放大系数被放大，并且所述被反相并放大的信号被供应至所述接收信号（E）。

10.根据权利要求7至9中的一项所述的方法，

其特征在于，

所述振荡电路的所述当前振荡频率被确定，从而在所述振荡频率与对应于被覆盖的或未被覆盖的能够振荡的单元的有效传感器频率一致的情况下，不发生补偿。

11.根据权利要求7至10中的一项所述的方法，

其特征在于，

所述振荡电路的所述当前振荡频率被确定，从而在所述振荡频率与专用于被覆盖的或未被覆盖的能够振荡的单元的无效传感器频率一致的情况下，补偿被调节为补偿的最低可能水平，并且其中，所述补偿的水平被增加直至所述振荡频率与有效传感器频率一致，或者在达到无效传感器频率的情况下，直至达到补偿的最高可能水平或者所述振荡频率与被所述电子单元禁止的上限机械截止频率一致。

12.根据权利要求7至11中的一项所述的方法，

其特征在于，

一旦达到补偿的最高可能水平并且达到无效传感器频率，或者达到被所述电子单元禁止的所述上限机械截止频率，所述补偿被终止。

13.根据权利要求7至11中的一项所述的方法，

其特征在于，

所述振荡频率一旦与有效传感器频率一致就维持被调节的所述补偿水平。

Images