振蕩極限狀態傳感器的製作方法
2023-12-02 09:07:11
專利名稱：振蕩極限狀態傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分特徵所述的用於在容器中確定和/或監控填充物的預定填充狀態的方法。
背景技術：
從DE 3348119 C2中公開了一種用於確定預知填充狀態的極限狀態傳感器，該極限狀態傳感器具有伸入容器中的振蕩棒狀探頭，由電的激勵裝置激勵該振蕩棒狀探頭振蕩。振蕩的頻率依賴於容器中的填充狀態。通過電檢測的機械振蕩信號的放大和反饋到激勵輸入端上產生一個通常稱為振蕩器的能夠振蕩的系統。
譬如在DE 19720519 C2，EP 0985916 A1和EP 0985917 A1中說明了類似的裝置和方法。它們的共同點是，所說明的振蕩極限狀態傳感器原則上包括一個激勵連續自振蕩的機電系統。公開了不同的可能性用於建立這種振蕩器，這些可能性在機械振蕩元件、機電變換器系統和振蕩器的電氣方案的實施方面互相區分。
尤其採用至少兩個要麼同軸，要麼互相平行布置的振蕩棒作為機械振蕩元件。
通常經過由交流電激勵的壓電元件來機電地驅動這個能夠振蕩的機械系統，並且一個壓電元件同樣用來檢測機械振蕩和返迴轉換成電振蕩。為此，可以將驅動和檢測裝置分成兩個獨立的壓電元件、分成一個單一壓電元件的兩個獨立的區、或可以在一個單一的壓電元件中統一兩種功能。
在分開的驅動和檢測元件中可將整個機電振蕩系統等效地看作為電的四端網絡，該四端網絡將施加到兩個輸入極上的，具有與頻率有關的振幅和相移的電壓傳輸到兩個輸出極上。這個四端網絡的傳輸性能是與電的振蕩迴路可比擬的。
一個既用於驅動，也用於檢測的單一壓電元件通常具有兩個接頭，它因而可以等效地表徵為電的二端網絡。電的二端網絡的特徵一般在於它們的或許與頻率有關的電阻抗。
在這裡還要說明的是，一個可理解為電的二端網絡的單一壓電元件通過時分復用作業，即通過在接頭極上的驅動和檢測功能之間的周期性轉換，可以模擬電的四端網絡的性能。
用所說明的，可等效地看作為電的二端網絡或四端網絡的振蕩系統，可以以公知的方式建立電振蕩器。振蕩器的組成部分總是放大和反饋裝置，其中的至少一個應是頻率選擇的。振蕩器的優選的實施形式在反饋放大電路的反饋環路中譬如含有頻率選擇的，可看作為電振蕩迴路的四端網絡。
在其它的實施形式中振蕩器的特徵在於反饋的放大裝置，其中，放大率依賴於可等效地看作為電的二端網絡的振蕩裝置。由此所形成的頻率選擇的放大器在它的放大率方面依賴於表徵所述振蕩結構的二端網絡的電阻抗。
在所有這些振蕩極限狀態傳感器中成問題的是如下方式振蕩器的構造，即在所有的運行條件下保證振蕩器的可靠的起振或連續的振蕩。通過傳感器浸入填充物中譬如提高了振蕩系統的阻尼，改變了該振蕩系統的固有頻率和相移，振蕩器的反饋特性或放大特性因而經受或多或少地強烈的變化。為了振蕩器在機電振蕩元件的所有出現的運行特性條件下可靠地振蕩，常常需要複雜而昂貴的電路措施和/或設計措施。此外，可看作為二端網絡或四端網絡傳輸元件的振蕩元件可以在不同的，部分地相距較遠的頻率點上具有類似的特性。如果因此可以滿足振蕩器對於不同頻率的振蕩條件，則所述的系統更為隨機地在其中一個或另一個頻率上振蕩，而且因此不能判斷容器填充狀態。所以又必須用昂貴的措施設法使系統總是在規定的，所希望的頻率上振蕩，並實現超出或低於某個容器填充狀態的可靠的報告。
發明內容
因此本發明的任務是說明一種藉助伸入容器中的振蕩傳感器可靠和用微小的工作量就允許極限狀態檢測的方法。
通過以下方法達到這個目標，該方法的特徵在於激勵能夠振蕩的系統，測量系統對激勵的反應的、一個或多個表徵性的特徵參數，和分析處理這些參數。
在最簡單的情況下這意味著，確定和分析處理可看作為四端網絡的振蕩系統的電傳輸性能，或確定和分析處理作為二端網絡運行的振蕩元件的阻抗。這尤其經過某個頻段來實現，在該頻段中傳輸性能或阻抗具有可以明確推斷填充狀態的表徵性特徵。
在第一優選的實施方案中用不同的頻率激勵振蕩系統，並在所有的頻率下測量系統的反應。為了用不同的頻率來激勵，可以有針對性地相繼調整某個數目的離散的頻率點，並周期性重複這個頻率過程。替換地，也可以連續駛過一個頻段。這種進行方式是以關鍵詞「頻率擺動」而公知的。
對於可看作為四端網絡的振蕩系統，可以測量和分析處理交流電壓的輸出幅度對激勵幅度的，和/或輸出相位對輸入相位的與頻率有關的比例。對於作為二端網絡運行的振蕩系統，由一個已知的阻抗和所述二端網絡電路的要分析研究的阻抗形成一個串聯電路，通過該串聯電路饋入一個頻率可變的輸入電壓或激勵電壓。通過測量在所述整個串聯電路上的電壓對在所述二端網絡上的電壓的比例，以及必要時通過測量這些電壓的相移可以求出和分析處理所述二端網絡阻抗的與頻率有關的特徵值。
在第二優選的實施形式中，周期性脈衝形式地，或跳躍形式地激勵能夠振蕩的系統。在時間上有限的，通常很短的激勵結束之後測量和分析處理機電系統的反應。這個反應在通常情況下是一種衰減的機械振蕩，或是在機電的轉換器上可測量的電振蕩。在其上可以測量參數起始振幅、頻率和衰減時間常數，從中可以推導出關於極限狀態傳感器浸入填充物中與否的判斷。
最後在第三優選的實施形式中，在輸入側用一般頻帶有限的噪聲電壓，所謂的玫瑰紅色噪聲施加在這裡優選構成為四端網絡的振蕩系統。在此情況下人們測量一個僅還含有某些頻率分量的電信號作為對在輸出端上的激勵的反應。通過機電的振蕩系統濾除寬帶激勵信號的大多數的頻率分量。優選在所述頻域中，譬如經過濾波器組，或更簡單地通過所述信號從時域到頻域的傅立葉變換來進行輸出信號的分析處理。這要求時間連續的電壓信號的數位化和實施快速傅立葉變換(FFT)。標註在頻率軸上的輸出幅度可實現關于振蕩系統瞬時傳輸性能的，和因此關於傳感器振蕩元件的填充物覆蓋的判斷。
以下藉助實施例結合附圖詳述本發明。所展示的圖1為用於實施以前在結合頻率擺動所說明的本發明方法的電路裝置的第一實施例，圖2為附圖1的電路裝置的信號曲線，圖3為按本發明的電路裝置的第二實施例，圖4為按本發明的電路裝置的第三實施例，圖5為附圖4的信號曲線，圖6為按本發明的電路裝置的第四實施例，和圖7為附圖6的信號曲線。
具體實施例方式
在輸入極上通過交流電源4的電壓UIN激勵一個可看作為電的四端網絡的機電振蕩系統1，該振蕩系統1具有分離的激勵和檢測振蕩元件2，3。在此圖中沒有明晰地指明譬如作為振蕩叉伸入容器中的機械振蕩元件，而僅是以箭頭形式表示了它作為機電振蕩元件2，3之間的耦合的作用。在放大器5中放大存在於四端網絡輸出端上的電壓UOUT。
通過控制、分析處理和輸出單元6連續經越某個範圍改變在此情況下也稱為壓控振蕩器VCO的交流電源4的頻率。為了能夠作出關於四端網絡1運行狀態的，即關於極限狀態傳感器的填充物覆蓋的判斷，必須分析處理所放大的輸出電壓UOUT′。分別以對輸入電壓UIN的相對關係可以分析處理這個電壓的不僅幅度A，而且相位。所述幅度的和/或相位差對擺動時間(這相當於頻率)的曲線是以表徵性的方式依賴於傳感器覆蓋。通過將輸出電壓UOUT′饋入一個譬如整流和平滑交流電壓的幅度檢測器7中，以及與輸入電壓UIN共同饋入相位檢測器8中，而得出與時間或頻率有關的電壓UA(t)或UA(f)，和U(t)或U(f)。通過比較器9，10，在超出或低於表徵確定的幅度和/或相位差的某些電壓值的時刻/頻率點，可以生成開關脈衝沿，通過控制、分析處理和輸出單元6可以分析處理這些開關脈衝沿。這個分析處理的結果是頻率值，在這些頻率值的情況下四端網絡的幅度曲線和/或相位曲線具有極值，或強烈的變化。從這些頻率值中可以明確推斷傳感器的覆蓋狀態。
附圖2示範地展示附圖1之內電路點中的典型信號曲線。在圖表2a中標記了VCO4的控制電壓對時間的電壓曲線。在控制電壓和頻率之間的假定的線性關係情況下，線性的鋸齒形上升同樣代表了激勵電壓UIN對時間的頻率上升。
在附圖2b中畫出了輸出電壓UOUT或UOUT′對時間t或頻率f的幅度。由於時間和頻率按圖表a是線性結合的，所以時間軸和頻率過程的頻率軸是互相成比例的。在檢測器7輸出端上的稱為UA(t)或UA(f)的幅度電壓具有在傳感器浸入時移位的特徵極值。用實線畫出的曲線在這裡標誌在空氣中自由振蕩的傳感器上的曲線，用虛線畫出的曲線標誌在譬如浸入水中的振蕩元件上的曲線。圖表2c以類似的方式展示輸出電壓UOUT′對UIN的相位曲線，稱為U(t)或U(f)，按附圖1由相位檢測器8生成。此外，在兩個圖表2b和2c中分別畫入了比較器9，10的比較器閾值，這些比較器9，10提供一個開關信號來代替強烈的信號變化。這些開關信號的時間位置或頻率位置譬如得出對於在空氣中和在浸入狀態下的振蕩為表徵性的共振頻率f1和f2。
在附圖1的裝置的一個變型中捨棄了比較器9，10，而替代於此地象虛線畫出的那樣將電壓UA(f)或U(f)直接輸送給控制、分析處理和輸出單元6。這個控制、分析處理和輸出單元6譬如可以含有一個具有集成的模/數或數/模轉換器的微控制器作為主要部分。因此它可以同時經過D/A轉換器生成VCO4的時間離散的控制電壓值，並將幅度Ua(f)和相位差U(f)形式的系統應答轉換成數字值和存儲起來。通過公知的數學方法可以對一個一次性頻率過程的如此存儲的數據組而分析研究極值和強烈的變化。從所找到的表徵性的信號特徵中求出關於傳感器元件浸入狀態的最終結果，並以公知的方式輸出這個信息作為卸空或填滿報告。
通過附加地捨棄兩個檢測器7和8得出附圖1中未示出的一種其它的可能性。替代於此地可以直接數位化輸入和輸出電壓UIN或UOUT′，並同樣在微控制器內部數字式進行幅度或相位分析處理。
同樣在附圖1中未示出的一種其它有利的改進方案在於，窄帶地濾波輸出電壓UOUT或UOUT′。為此將採用於此的帶通濾波器跟蹤經過VCO4所調定的頻率，並因此僅讓相當於激勵頻率的狹窄的頻段通過。因而有效地抑制所有的幹擾頻率。要麼用離散的部件，要麼在UIN和UOUT(′)的直接數位化情況下數字式地以微控制器的程序過程形式可以實現為此所必要的可變頻的帶通濾波器。
由機電振蕩系統1的比較高的品質決定了，比較強烈滯後地進行系統對激勵的應答。這意味著，對於四端網絡1對頻率的傳輸性能的準確確定，必須相應緩慢地進行頻率過程。但是如果需要傳感器對填充或卸空的快速反應時間，則準確確定四端網絡傳輸性能不是絕對必要的。由於一般在自由振蕩的傳感器和浸入的傳感器中的共振之間存在著大的頻率差，所以一種快速的頻率過程已足夠，在這種頻率過程中，系統雖然在激勵時不能振蕩到完整的輸出幅度上，儘管降低了的幅度，但是極值的位置還是可以毫無問題識別的。儘管快速的頻率擺動，但特別也可以從相位曲線中很好地確定共振頻率，因為在這個點上相位差相當突然地變化達180°。當比對於確切的測量所允許的更快地經越所述的頻段頻率擺動時，這種強烈的變化則也是引人注目的。當以這種方式快速，但是還比較不準確地找到了共振位置時，頻率擺動的頻段可以大大縮小到共振位置的周圍，使得因此又可以減小頻率擺動速度，而傳遞函數的求出精度變得更大。如果共振位置突然從所監控的頻率窗口中消失，則可以將傳感器輸出立即從″卸空″變換到″填滿″，或相反，並且隨後的快速的頻率過程證實，要麼所述頻率中的共振位置已移位，要麼共振位置的缺少暗示著一種可以隨即立刻使之顯示的傳感器故障。
附圖3中示出了一種裝置，該裝置如下區別於剛才所說明的出自附圖1的裝置，即基於將一個單一的機電變換器2′用於激勵和檢測，現在可將振蕩系統看作為二端網絡。在此情況下二端網絡1′阻抗的確定代替了四端網絡1的傳輸性能的確定。為此由VCO4生成的交流電壓UIN來激勵具有二端網絡1′的應求取了阻抗的、已知阻抗11的串聯電路。通過求取UIN對UOUT的幅度比例和/或求取兩個電壓的相位差，可以推斷二端網絡1′對頻率的阻抗性能，並從中可以推導出傳感器的運行狀態。此時，這個裝置的電子部分12′可以相當於出自附圖1的電子部分12。因而在套用的意義上，所有對於出自附圖1的裝置所說明的也可以適用於這個電路變型。
附圖4原則上僅通過能夠振蕩的系統的激勵方式而區別於附圖1。在這裡通過電衝擊激勵振蕩系統來代替連續或離散的頻率擺動。通過電壓跳躍或短的電壓脈衝來實現這種衝擊。為此在附圖4中指明了一種經過直流電源13，電阻14和開關15的實現。在斷開的開關15的情況下，電源13經過電阻14將機電變換器2充電到某個電壓值上(請參閱附圖5a)。在時刻t1由控制、分析處理和輸出單元6有控制地閉合開關，由此將通過四端網絡1示出的機電振蕩系統激勵到固有振蕩。在四端網絡的輸出端上產生象附圖5b中所畫出那樣的阻尼振蕩。通過放大、幅度檢測(請參閱附圖5c)和與比較器響應閾值的比較，譬如可以確定衰減持續時間τ，該衰減持續時間τ對於傳感器元件浸入與否是表徵性的(請參閱附圖5d)。附加或替代地可以分析處理衰減的固有振蕩的頻率和最大振幅。用於這裡的方法對於專業人員是公知的，並在這裡不加詳述。從技術上看，機械振蕩系統這種電的″敲擊″意味著一種寬帶的頻率激勵，所述的系統用濾波來對該頻率激勵作出反應。
附圖6中示出了其實施形式的方法也基於這種原理。與附圖4不同，在這裡卻通過噪聲源16來實現寬帶的頻率激勵。象附圖7a中示出的那樣，這個噪聲源16均勻地經越所關注的頻段發噪聲，所述的機電振蕩系統可能對該頻段作出響應。在四端網絡1的輸出端上僅還出現原始激勵頻譜的微小的頻率分量。通過這個分量的頻率確定，在附圖7b中作為對頻率軸所標註的電壓來示出，象以前已說明的那樣藉助這個傳感器實現了極限狀態識別。譬如經過窄帶的可調節的帶通濾波器，或以優選的方式經過藉助快速傅立葉變換FFT將時間信號變換到頻域中，可以在控制、分析處理和輸出單元6′之內進行輸出信號的頻率分析處理。
權利要求
1.用於在具有一個指向容器內部空間的振蕩棒狀探頭的容器中確定和/或監控填充物的預定填充狀態的方法，該振蕩棒狀探頭是一個機電振蕩系統的組成部分，其特徵在於，在所述振蕩系統已進行激勵之後測量一個或多個表徵性特徵參數，並在分析處理所述測量時考慮這個特徵參數或這些特徵參數。
2.按權利要求1的方法，其特徵在於，將所述可看作為四端網絡的振蕩系統的電傳輸方法，或作為二端網絡運行的振蕩元件的所述阻抗作為特徵參數來確定和分析處理。
3.按權利要求2的方法，其特徵在於，所述的傳輸性能或阻抗具有表徵性特徵，通過確定和分析處理該特徵可明確推斷所述的填充狀態。
4.按權利要求1至3之一的方法，其特徵在於，用不同的頻率激勵所述的振蕩系統，並在所有的頻率下測量所述系統的反應。
5.按權利要求4的方法，其特徵在於，用不同的頻率進行所述的激勵，其中，有針對性地相繼駛靠調整一個確定數目的離散的頻率點，並周期性地重複這個頻率過程。
6.按權利要求4的方法，其特徵在於，連續駛過一個給定的頻段(頻率擺動)。
7.按權利要求1至6之一的方法，其特徵在於，將所述的振蕩系統看作為四端網絡，並測量和分析處理交流電壓的輸出幅度對激勵幅度的，和/或輸出相位對輸入相位的與頻率有關的比例。
8.按權利要求1至6之一的方法，其特徵在於，將振蕩系統作為二端網絡運行，並由一個已知的阻抗和所述二端網絡電路的要分析研究的阻抗形成一個串聯電路，通過該串聯電路饋入一個頻率可變的輸入電壓或激勵電壓，其中，通過測量在所述整個串聯電路上的電壓對在所述二端網絡上的電壓的比例，以及必要時通過測量這些電壓的相移來求出和分析處理所述二端網絡阻抗的與頻率有關的特徵值。
全文摘要
本發明涉及一種用於在具有一個指向容器內部空間的振蕩棒狀探頭的容器中確定和/或監控填充物的預定填充狀態的方法，該振蕩棒狀探頭是機電振蕩系統的組成部分。按本發明，在所述振蕩系統已進行激勵之後測量一個或多個表徵性特徵參數，並在分析處理所述的測量時考慮這些特徵參數。
文檔編號G01F23/296GK1435679SQ02160439
公開日2003年8月13日 申請日期2002年12月30日 優先權日2002年1月28日
發明者J·費倫巴赫 申請人:維加·格裡沙伯股份公司