CN1602411A - 具有用于过程测量的传感器单元的电子现场设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有用于处理测量值的传感器单元(4)的电子现场设备，其中电子现场设备通过相应的信号路径与传感器单元(4)相连，并且其中电子现场设备接收传感器单元(4)的模拟测量信号(S1)，产生用于传感器单元(4)的基波激励的模拟驱动信号(S5)并传输至传感器单元(4)。根据本发明，为了产生驱动信号(S5)，提供了数/模转换器(10)、数字移相器(30)和模/数转换器(50)，其中模拟测量信号(S1)被模/数转换器(10)数字化并被送入数字移相器(30)，并且其中移相器(40)的输出信号(S4)被数/模转换器(50)转换为用于传感器单元(4)的模拟驱动信号(S5)。

Description

具有用于过程测量的传感器单元的电子现场设备
技术领域
本发明涉及一种具有用于过程测量的传感器单元的电子现场设备，正如权利要求1的前序部分所述。
背景技术
在实践中，市场上用于确定液体和松散材料的料位以及用于确定介质通过管道***的流速且基于机电换能器(电子振动)操作的各种传感器单元，都将正弦或矩形的交流电压信号用作用于传感器单元的基波激励的驱动信号。交流信号通常是利用模拟振荡器产生的，并为了进一步的操作而被模拟滤波、整流，并且在极限水平切换的情况中被利用模拟比较器与预定的阈值比较。通常，微处理器仅用于对利用模拟电子设备准备的信号线性化、缩放以及提供时延、切换滞后或倒置。
这些传感器单元的缺点在填料构成(Ansatzbildung)的情况中显现出来。在多种介质中，例如水泥，介质层将有可能附着于传感器，而料位仍然低于期望水平。这个层可以将传感器的振荡衰减到这样的程度，使得电子设备切换至“被覆盖”状态。进一步，在传感器为振荡叉的情况中，不对称的填料构成可以导致振荡传输到壳体和容器。这样，许多能量从振荡***中移除，使得有可能变为完全被衰减。这种性能同样导致误测量。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电子现场设备，用于可振荡机械***的基波激励，该电子设备以很少的元件完成其工作，然而提供了测量信号处理、测量信号准备以及干扰变量补偿的许多可能性。
这个目的根据本发明权利要求1的特征而实现。从属权利要求涉及本发明具有优点的实施例以及进一步的发展。
本发明的一个主要思想涉及应用数字信号处理方法和用于处理模拟测量信号的硬件，以产生对于传感器单元的驱动信号。为此，本发明的用于产生驱动信号的电子现场设备包括：数/模转换器、数字移相器和模/数转换器，其中模拟测量信号被模/数转换器数字化并被送入移相器，并且移相器的输出信号被数/模转换器转换为用于传感器单元的模拟驱动信号。
在本发明的特别具有优点的实施例中，在模/数转换器和移相器之间安排数字滤波器单元，用于滤波经数字化的测量信号。
移相器主要包括环形存储器，在其存储位置中顺序写入经过数字化和滤波的测量值。驱动信号相对于测量信号的相移是通过从一存储位置读取从环形存储器发出的值而得到的，其中该存储位置位于存储当前读入值的存储位置之前或之后可预定数目的存储位置。关于这一点，可预定数目的存储位置代表确定的相移角。由可预定数目的存储位置产生的相移角可以是常值，其在电子现场设备的启动之后或之前确定并且存储，或者它可以是可变值，其可以作为测量信号的频率和/或振幅特性的函数而改变。
在本发明的特别具有优点的进一步发展中，干扰变量的补偿也通过数字信号处理的方法和硬件执行。为了记录这种干扰变量(例如，传感器的填料构成)，电子现场设备还包括频率测量器，用于确定测量信号的频率。通过分析测量信号的测量频率，识别填料构成引起的***谐振频率的改变。为了补偿干扰变量，电子现场设备包括可调放大器，其放大因数作为***的确定谐振频率的函数而调整。
在本发明的实施例的一种形式中，频率测量器确定模/数转换器的输出信号的频率，并且可调放大器安排在移相器和数/模转换器之间或者数字滤波器和移相器之间或者移相器和模/数转换器之间，其中模/数转换器通过例如施密特触发器功能或通过模拟比较器而实现。
为了分析测量信号并且为了产生代表“被覆盖”条件或“未被覆盖”条件的输出信号，电子现场设备包括模/数转换器和均值成形器(Mittelwertbilder)和/或频率测量器。为了分析振幅变化，模/数转换器和均值成形器用于产生输出信号。为了分析频率变化并且为了产生输出信号，使用模/数转换器和频率测量器。
在本发明的具有优点的实施例中，传感器单元为有功机电换能器的形式，并且产生测量信号，用于确定和/或监控容器中介质的填料水平。
在本发明的另一具有优点的实施例中，有功机电换能器产生测量值，用于确定或监控流经管道***的介质的流速。
在本发明的进一步的具有优点的实施例中，有功机电换能器为振荡叉的形式或者振荡棒的形式，每一种形式都包括驱动单元和检测器单元，其中检测器单元产生模拟测量信号并传送至电子现场设备，并且电子现场设备的驱动信号被传输至驱动单元。也可以使用单个机电换能器，其同时用作驱动和检测器单元。
在本发明的特别具有优点的形式的实施例中，数字信号处理的方法和硬件通过微处理器实现，用于使用微处理器执行功能的相关程序存储在存储单元中。优选地，微处理器执行施密特触发器功能和/或频率测量器和/或移相器和/或放大和/或均值成形和/或比较器功能和/或增益控制和/或输出信号的产生，其中数/模转换器和/或模/数转换集成在微处理器中。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明的实施例的例子，附图中：
图1是电子现场设备的框图的示意图；
图2是具有施密特触发器功能的模/数转换器的输入和输出处的信号曲线的示意图；
图3是数字相移的实施例的示意图；
图4是增益重调的情况中，输入信号和放大因数的图表；
图5是谐振频率处不同信号曲线的图表；和
图6是在谐振频率偏移的情况中，不同信号曲线的图表。
具体实施方式
如图1所示，电子现场设备包括微处理器1、存储器2、模拟电子设备3和传感器4。传感器实施为可振荡的机械***。
电子现场设备使用基波激励使可振荡的机械***4振荡，用于使现场设备实施料位测量或流速测量。基波激励的基本原理是已知且被证实的方法。在本例中新出现的是滤波20的部分，干扰变量的分析、补偿和与其相关的动态放大算法都以数字信号处理的方法和硬件实施，其中微处理器1优选地得到使用。
另外，如图1所示，模/数转换器10和数/模转换器50集成在微处理器1中。另外，微处理器执行以下功能模块：数字滤波器20、移相器30、放大器40、均值成形器60、比较器70、产生输出信号80、频率测量器90和增益控制100；用于执行这些功能模块的相关程序存储在存储器2中。
可振荡的机械***包括振荡元件以及相应的激励元件和检测器元件。振荡元件例如实施为具有已知谐振频率的振荡棒或振荡叉，并且使用压电元件激励其振荡。利用检测器元件，例如同样以压电元件形式实施的机电换能器，检测从这些振荡得到的测量信号，并且将该测量信号送入模拟电子设备3，用于处理。模拟电子设备3包括用于信号传输的两条通道。一条通道从传感器4到微处理器1，另一条通道从微处理器1到传感器4。在每一种情况中，两个方向中的信号都由模拟电路3.1升高至定义的电位，由带通滤波器电路3.2滤波，并由交流电压放大器级3.3放大。通过升高定义的偏移，可以进一步以不对称的电源电压处理测量信号S1。带通滤波器电路3.2防止干扰频率的传输。
经处理的测量信号S1的当前值被模/数转换器10以恒定的采样率读入，模拟值的读入的最小可实现采样率比传感器4的谐振频率大至少两倍。模/数转换器10将读入的电流模拟值转换为数字值。这个数字值例如在8比特分辨率的情况中在0～255之间。如果传感器处于静止状态，取该值为所有可能值的中间值，于是对于8比特分辨率是128。于是，模/数转换器10一再从经过预处理的模拟信号S1产生数字信号，其可以由微处理器程序处理，其中模拟信号S1被重复读入及数字化。模拟电路3.1的偏移被调节，使得其对应于微处理器1可以识别的所有模拟值的中间值。
在所述本发明的具有优点的实施例的形式中，测量信号S1由施密特触发器功能11分析，在实施例的所示例子中，该施密特触发器功能11是模/数转换器10的一部分。施密特触发器功能11判断改变相对于中间值的方向。这意味着，等于或高于中间值的值(例如，对于8比特的分辨率，＞＝128)被作为正常数传输至后面的功能模块，小于中间值的值(＜128)被作为负常数传输至后面的功能模块。这样，模拟测量信号S1被转换为矩形信号S2，其与模拟测量信号S1同相并且具有对应于常数值的振幅。结果，数字矩形信号S2的振幅与模拟信号S1的电平无关并且总是保持同样的大小。
图2显示了施密特触发器功能11的执行之前的模拟测量信号S1以及施密特触发器功能11的执行之后的矩形信号S2。正如从图2中可以看到的，恒定振幅的矩形信号S2是与测量信号S1的振幅无关的产生的。矩形信号S2的频率等于测量信号的频率。当前的经数字化的模拟值被传输至均值成形器60。
矩形信号S2的每一新值都被发送至数字滤波器20。数字滤波器20优选地是二阶滤波器。滤波防止错误频率的传输以及传感器4以更高模的振荡。另外，数字滤波器20从矩形信号S2再生正弦信号S3。
滤波器功能20计算的值被使用所谓先进先出方法写入环形存储器31(FIFO环形存储器)，其是移相器30的一部分。环形存储器的大小固定，使得在每一时间点，存在数字滤波器20的输出信号S3的至少一个整个振荡周期的值。这样，有可能输出具有相移的经滤波的信号S3。这样，输出的不是当前值，而是来自环形存储器31的一存储位置中的值，该存储位置位于可以从中读出当前值的存储位置之前相差预定数目的存储位置。于是预定数目的存储位置代表确定的相移角。根据物理学，由于信号的频率不能突然改变，所以该值得到的恒定角近似对应于由该角和360度之间的差值引起的值。这样，例如，如果数字滤波器20的输出信号S3的一个周期被读入360个存储位置，则预定数目的270个存储位置代表90度的正相移。通过指定在输出值和最后读入值之间有多少存储位置，在移相器30的输出信号S4和输入信号S3之间设置相移角。这样，有可能以可相对于输入信号S3且相对于测量信号S1设置的相移，发出输出信号S4，并且随后，发出驱动信号S5。
图3显示了使用环形存储器31产生相移。
正如可以从图3a看出的，用于读入当前值的指针指向存储位置495，而用于当前输出值的指针在存储位置225。于是，当前输出值定位于当前输入值之前的270个存储单元，并且这个例子中存储单元的可预定的数目是270。
图3b显示了环形存储器的瞬间存储内容。在所示例子中，振荡周期存储在360个存储单元中。
图3c在一幅图表中显示了移相器的输入信号S3和输出信号S4。正如可从中看到的，输出信号S4在所示例子中比输入信号S3超前90度。于是，所示实施例中预定数目的270个存储单元对应于90度的相移。
从移相器30读取的值被乘以放大器的当前放大因数S6，并且作为驱动信号S5而通过数/模转换器50输出。现在驱动信号S5同样被模拟电子设备3处理并放大。由此得到的信号被发送至机电换能器，并且传感器4的本征振荡，即自然振荡，被加强。以这种方式，机电谐振电路出现，并且振荡借此而发展至最大可能振幅。然后，使用被领先了相移量的自身的基波信号，激励可振荡的机械***振荡。机电换能器可以例如实施为压电元件并且安装在传感器4中合适的位置。
传感器4产生的信号是交流电压信号。只要传感器处于静止状态，于是不振荡，那么信号的振幅就约为零。然而，即使传感器在静止状态中执行的最小的运动也足以产生由微处理器1识别的信号改变。于是，激励振荡事件。
振荡***4的谐振频率被持续测量并分析。这样，由填料构成引起的频率改变被识别。在指示填料的频率偏移的情况中，对于放大器级40重调处理器内部的放大因数S6，以这种方式将振荡元件的振荡幅度匹配填料构成。另外，在液体中使用的情况中，频率改变的分析使得可以判断振荡***是否被覆盖。
循环地，执行对于振幅的均值计算60和测量信号分析。均值的分析使得可以判断传感器是否被覆盖。
微处理器1中输入信号S1的振幅和频率给出了关于传感器4此刻正在经受的覆盖的情况的信息。这个分析是通过对于一个或多个周期的绝对值的平均值计算60的方法发生的。如果传感器4浸入待测介质，那么衰减增加并且信号的振幅以及通常还有频率降低。平均值和/或频率的分析指示这种条件并且可以触发反应，例如报警信号。在所示实施例中，使用比较器70执行分析，比较器70将绝对值和/或谐振频率的当前平均值与预定值比较，并生成合适的信号(“被覆盖”或“未被覆盖”)。从这个比较器信号，在功能模块80中产生输出信号，并且对于输出信号传递至高级单元执行任何所需的调节(缩放、反相等)。
功能模块80根据所用的传输协议或根据输出信号的进一步使用而产生输出信号。于是，可以产生例如4-20mA信号、0-10V信号、PFM信号(脉冲频率调制信号)、二进制切换信号或数字编码等。然而，还可以想象，功能模块80根据应用用途或不同传输协议产生并输出多个输出信号(4-20mA、0-10V、PFM信号、二进制切换信号等)。为了产生确定的标准化输出信号，数/模转换器可以是功能模块80的一部分，或者可以实施为其自身的功能模块。
如果传感器4不是通过浸入待测介质而是通过填料而衰减，则除了信号振幅下降之外还有另一效果，即***的谐振频率改变。由于振荡是基于基波激励的原理而产生的，所以传感器4和所有信号适应这个改变的频率。两个效果可以导致在填料的情况中信号振幅降低；一方面，传感器由填料的摩擦而衰减，而另一方面，不对称的填料可以导致振荡能量的一部分被传递至容器。敏感调节的分析将报告“被覆盖”。相反，本方法识别这种频率改变是填料构成引起的。随着恒定容忍值(阈值最小振幅)的下降，处理器内部的信号增益S6增加。这通过因数增加而发生，只要绝对输入信号值的平均值低于恒定值(阈值最小振幅)，当前输出值就乘以该因数。由此，***环路增益与谐振频率的降低成比例的增加。振荡被放大，并且谐振频率偏移对于信号振幅的影响被补偿。绝对输入信号的平均值保持高于标志“被覆盖”状态的阈值，从而防止了错误测量。
图4显示了在输入信号S1(较高曲线)和由增益控制100调节的放大因数S6(较低曲线)情况中，谐振频率偏移之间的上述关系。在这种情况中，增加放大因数S6直至再次达到最小振幅的阈值。
图5和6显示了测量信号S1、施密特触发器功能的输出信号S2或者传输至数字滤波器20的信号S2、放大因数S6和驱动信号S5的信号曲线，其中图5显示了在谐振频率的信号曲线，图6显示了改变谐振频率的情况的信号曲线。
本发明通过基本增益的处理器内部的衰减而进一步改进。基本增益是在处理器输入处分析达到的模拟测量信号S1所用的因数。施密特触发器功能11被这样调节，使得它不将最大可能值，例如8比特情况中的256，作为到达信号(即，矩形信号S2的振幅)的绝对值而发送。而是通过传感器4的频率偏移将值设置为这样的大小，例如8比特中的128，其给出确定的振幅而不改变放大因数。这个振幅大致对应于与在实际可能的填料构成的情况中传感器4可以以最大增益达到的相同的振幅。在图中(图5和6中的S2)，所示信号被规则化为最大值(例如，8比特情况中的256)，即，基本增益在图5中是0.5而在图6中是1。与基本增益的这种衰减无关，对于整个***的高测量敏感性保留足够的范围。如果识别出由于填料构成引起的***的较大频率改变(见图6中的测量信号S1)，取消内部衰减，并且矩形信号S2的振幅以因数1传输(见图6中的S2)。这样，激励(图6中的驱动信号S5)的振幅突然增加，从而机械振荡的衰减被抵消。内部放大因数S6(见图5和图6中的S6)的这个效果以及相称的增加得到以类似PI特征对放大性能的重调。
在没有填料的未被填充的情况中的振幅约等于在填料构成的情况中借助于重调而设置的振幅的实施具有进一步的积极效果。由于可用的信号间距同样大，所以这种振幅的等同使得在有无填料的两种情况中，测量的敏感性都有可能保持恒定。

Claims (17)

1.电子现场设备，具有用于过程测量技术的传感器单元(4)，其中电子现场设备通过相应的信号路径与传感器单元(4)相连，并且其中电子现场设备接收传感器单元(4)的模拟测量信号(S1)，产生用于传感器单元(4)的基波激励的模拟驱动信号(S5)并传输至传感器单元(4)，其特征在于：
为了产生驱动信号(S5)，提供了模/数转换器(10)、数字移相器(30)和数/模转换器(50)，其中模拟测量信号(S1)被模/数转换器(10)数字化并被送入数字移相器(30)，并且其中移相器(30)的输出信号(S4)被数/模转换器(50)转换为用于传感器单元(4)的模拟驱动信号(S5)。
2.根据权利要求1所述的电子现场设备，其中：
在模/数转换器(10)和数字移相器(30)之间安排数字滤波器单元(20)。
3.根据权利要求1或2所述的电子现场设备，其中：
数字移相器(30)包括环形存储器(31)，其中测量信号(S1)的值被顺序写入环形存储器(31)的存储位置，其中驱动信号(S5)相对于测量信号(S1)的相移是通过从环形存储器(31)的一存储位置读取从移相器(30)输出的值而得到的，其中该存储位置位于存储当前读入值的存储位置之前或之后可预定数目的存储位置，其中，可预定数目的存储位置代表确定的相移角。
4.根据权利要求3所述的电子现场设备，其中：
用于产生相移的可预定数目的存储位置是常值。
5.根据权利要求3所述的电子现场设备，其中：
用于产生相移的可预定数目的存储位置是可变值，其依赖于测量信号(S5)的频率和/或振幅特性而改变。
6.根据权利要求1-5中任一条所述的电子现场设备，其中：
为了补偿干扰变量，电子现场设备还包括用于确定测量信号(S1)的频率的频率测量器(90)以及可调放大器(40)，其中可调放大器(40)的放大因数(S6)依赖于预定频率而调整。
7.根据权利要求6所述的电子现场设备，其中：
频率测量器(90)确定模/数转换器(10)的输出信号(S2)的频率，并且可调放大器(40)安排在移相器(30)和数/模转换器(50)之间或者数字滤波器(20)和移相器(30)之间或者移相器(30)和模/数转换器(10)之间。
8.根据前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中：
模/数转换器(10)通过施密特触发器功能(11)或通过模拟比较器而实现。
9.根据前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中：
为了分析测量信号(S1)，电子现场设备包括模/数转换器(10)、均值成形器(60)和比较器(70)和/或频率测量器(90)，其中，为了分析振幅变化，模/数转换器(10)和均值成形器(60)和比较器(70)用于产生输出信号，并且其中，为了分析频率变化以产生输出信号，使用频率测量器(90)和比较器(70)。
10.根据权利要求9所述的电子现场设备，其中：
输出信号代表“被覆盖”条件或“未被覆盖”条件。
11.根据前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中：
传感器单元(4)实施为有功机电换能器。
12.根据权利要求11所述的电子现场设备，其中：
机电换能器产生测量信号(S1)，用于确定和/或监控容器中介质的填料水平。
13.根据权利要求11所述的电子现场设备，其中：
机电换能器产生测量值(S1)，用于确定或监控管道***中介质的流速。
14.根据权利要求11-13中任一条所述的电子现场设备，其中：
有功机电换能器实施为具有驱动单元和检测器单元的振荡叉，其中检测器单元产生模拟测量信号(S1)并传送至电子现场设备，并且其中驱动信号(S5)被从电子现场设备传输至驱动单元。
15.根据权利要求11-13中任一条所述的电子现场设备，其中：
有功机电换能器实施为具有驱动单元和检测器单元的振荡棒，其中检测器单元产生模拟测量信号(S1)并传送至电子现场设备，并且其中驱动信号(S5)被从电子现场设备传输至驱动单元。
16.根据前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中：
微处理器(1)用于执行以下功能：施密特触发器功能(11)和/或频率测量器(90)和/或移相器(30)和/或放大(40)和/或均值成形(60)和/或比较器功能(70)和/或增益控制(100)和/或产生输出信号(80)。
17.根据前述任一条权利要求所述的电子现场设备，其中：
数/模转换器(10)和/或模/数转换器(50)和/或模拟比较器集成在微处理器(1)中。
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