音叉式感測裝置的製作方法
2023-05-17 09:21:41
專利名稱：音叉式感測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有自動回饋功能的音叉式感測裝置。
背景技術：
現有音叉式感測現場裝置時訊號的衰減異常，在不同的安裝環境下，例如桶槽的結構、安裝接面式螺紋或法蘭，都會影響整個音叉式感測裝置的自然頻率或電壓訊號的漂移，常會造成訊號的穩定性問題。當實際安裝完成後，特別是對於不同的製程槽環境，有經常性的物料變化的桶槽；或者待量測的物料具有物理性質的變異，例如油脂類物質，會因溫度變化有固體/液體的混合，造成黏制性、比重、固/液兩項的接口等問題，使得訊號型式訂定義設定的差異，造成良測的不確定性。本發明同時改善，因高溫環境下，造成陶瓷壓電材料音超過居禮溫度(Curie Temperature)造成驅動轉換效率的衰減、高溫造成熱膨脹使得陶瓷壓電有微裂紋產生或鎖固壓力變化而造成的驅動效益低落與壓電轉換訊號衰減的問題。 現有音叉式物液位開關(音叉式感測裝置)主要應用於化學桶槽、食品工業、石油化學等產業之物液位量測控制，使用時，是經由驅動一壓電組件而使一音叉棒產生共振頻率，當音叉棒觸及物料時，會使音叉棒回饋一個頻率訊號，經由計算其頻率的變化來判斷物料深度。專利US2006/0053863A1中說明如何以診斷方式來判斷適合作為驅動的振蕩部分，此種設計方式除了針對振蕩的部份做診斷外並沒有將不同物料比重所造成的影響列入考慮，這可能當桶槽物料改變時容易失去其感測點的準確性。
發明內容
為了克服現有技術的缺陷，本發明提供一種音叉式感測裝置，其包括一雙音叉狀震動震蕩子，其特徵在於，包括一感測單元、一壓電轉換單元、一運算處理單元和一電源單元，所述壓電轉換單元、感測單元、運算處理器和電源單元順序連接組成一環路系統；
所述運算處理單元輸出一第一頻率信號調控電源單元以驅動所述壓電轉換單元，並由所述壓電轉換單元經所述感測單元產生一回饋信號傳至所述運算處理單元元以產生一第二頻率信號，所述第二頻率信號回饋調控所述電源單元輸出一第三頻率電壓到壓電轉換單元。較佳地，所述感測單元包括一差分放大器和一增益，所述第一頻率信號與所述回饋信號的相位差為90度或180度。較佳地，所述訊號是方波、弦波、三角波或具有周期性的任意波型。較佳地，其還包括一用戶接口單元和一輸出單元，所述用戶接口單元包括一遙控切換裝置和一第一指示器；所述輸出單元包括一組物位輸出選擇器，其具有過流保護和過壓保護功能。較佳地，所述遙控切換裝置是一個磁性對偶裝置，包含一個磁鐵與一個磁簧開關，其通過一第二指示器顯示狀態，當所述磁鐵靠近所述磁簧開關時所述指示器輸出第一種狀態燈號，當所述磁鐵遠離所述磁簧位置時所述指示器輸出第二種狀態燈號。較佳地，所述第一指示器包括三個用於顯示8種輸出指示狀態的指示燈，所述輸出指示狀態包括高位物料接觸、高位物料未接觸、低位物料接觸、低位物料未接觸、失效警報五種狀態，其餘為預留狀態。 較佳地，所述運算處理單元內建或外加有一用於讀取所述輸出單元的過流保護回受信號的A/D converter，當偵測到高位報警和低位報警時，流經電流過大，即關閉輸出單元進行保護。較佳地，所述運算處理單元偵測所述感測單元回受的信號，以頻率來判斷當前是在工作區還是錯誤區，如在錯誤區則通過所述第一指示器指示並關閉輸出單元對該裝置進行檢查，信號在工作區頻率內該裝置正常工作。較佳地，所述電源單元包括兩組直流-直流轉換器，其中一組輸出電壓到壓電轉 換單元，另一組提供給電壓給所述感測單元和輸出單元。較佳地,所述運算處理單兀通過Wireless或General Cable Communications作為對外信息的溝通方式。較佳地，所述Wireless 方式包含 ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS ,General Cable Communications 方式包含 One-Wire、RS232、RS485。較佳地，其還包括一用於容納所述感測單元、壓電轉換單元、用戶接口單元、輸出單元、運算處理單元和電源單元的本體，所述本體包括一本體管和一本體上蓋。較佳地，在所述本體管內部注入半凝固性膠體或注入電子膠用於為所述壓電轉換單元、用戶接口單元、運算處理單元、輸出單元、電源單元提供熱隔離保護與防潮。較佳地，其量測物體是粉體、塊狀物、液體、固液混合、漿料。本發明同時提供了一種雙音叉狀震動震蕩子，其由一音叉、一植釘柱、一植釘柱座、一壓電套管、多個壓電陶瓷片、多個絕緣片、一固定扣、一底座和多個組裝螺絲組成；
所述組裝螺絲與所述植釘柱座形成一個應力施加單元，使所述植釘柱、壓電套管、絕緣片、壓電陶瓷片通過和一軟性電路板結合形成雙音叉狀震動震蕩子；
其中所述底座包括第一平面和第二平面，所述第一平面和第二平面分別位於所述底座的兩個不同側，所述第二平面與所述植釘柱結合，所述壓電套管用以組裝所述植釘柱、絕緣片與壓電陶瓷片，所述固定扣作為植釘柱座的固定裝置，所述植釘柱、壓電套管與組裝螺絲間具有螺牙相對的固定結合。較佳地，通過所述植釘柱的長度與質量對音叉狀震動震蕩子的頻率進行調整。較佳地，所述植釘柱座與所述第二平面間形成一用於調整所述雙音叉狀震動震蕩子的機械自然頻率的腔空間，所述腔空間是環型空間、碟型空間或任何具有調整機械自然振動頻率的型狀。較佳地，所述音叉狀震動震蕩子至少有一個壓電陶瓷片為激勵元，接受訊號產生震動，至少有一個壓電陶瓷片為接收元，接受震動訊號產生訊號。較佳地，所述固定扣為習知的C扣、R扣或S扣。
本發明系關於一種音叉式感測裝置，尤指一種可依據物料性質變化，環境應用溫度，自動調整回饋訊號增益的裝置與方法，本發明可解決現有音叉式感測裝置便利性，靈敏性與自我檢測功能不足。當然實施本發明的任一產品並不一定需要同時達到以上所述的所有優點。
圖I為本發明提供的音叉式感測裝置的單元模塊 圖2為本發明提供的音叉式感測裝置的結構 圖3為第一頻率信號與回受信號的信號 圖4為本發明提供的雙音叉狀震動震蕩子震蕩頻率範圍圖；圖 5 為 Fail Safe High 和 Fail safe Low 狀態真值表;
具體實施例方式如圖I和2所示，一種音叉式感測裝置，包括壓電轉換單元6、感測單元5、用戶接口單元4、運算處理單元3、輸出單元2、電源單元1，其還包括一雙音叉狀震動震蕩子。一本體容納和應力承受上述各單元，該本體包括一本體管97和一本體上蓋98 ;本體管97內部注入半凝固性膠體或注入電子膠用於為壓電轉換單元6、用戶接口單元4、運算處理單元3、輸出單元2、電源單元I提供熱隔離保護與防潮。該裝置可用來量測的物體是粉體、塊狀物、液體、固液混合、漿料。運算處理單元3計算音叉狀震動震蕩子的共振頻率與電壓強度輸出一第一頻率信號調控電源單元I以驅動壓電轉換單元6，並由壓電轉換單元6經感測單元5產生一回饋信號，傳至運算處理單元元3以產生一第二頻率信號，該第二頻率信號回饋調控所述電源單元輸出一第三頻率電壓到壓電轉換單元以改善因為安裝過程中因為安裝環境造成的共振頻率飄移產生的誤差。如圖3所示，其中第一頻率信號與該回饋信號相位差90度或180度，其波形可採用所述訊號是方波、弦波、三角波或具有周期性的任意波型。其中電源單元2包括兩組直流-直流轉換器，其中一組輸出電壓到壓電轉換單元，另一組提供給電壓給所述感測單元和輸出單元。用戶接口單元4包括包括一遙控切換裝置和一第一指示器，所述遙控切換裝置是一個磁性對偶裝置，包含一個磁鐵與一個磁簧開關，其通過一第二指示器顯示狀態，當所述磁鐵靠近所述磁簧開關時所述指示器輸出第一種狀態燈號，當所述磁鐵遠離所述磁簧位置時所述指示器輸出第二種狀態燈號；其第一指示器包括三個用於顯示8種輸出指示狀態的指示燈，所述輸出指示狀態包括高位物料接觸、高位物料未接觸、低位物料接觸、低位物料未接觸、失效警報五種狀態，其餘為預留狀態。如圖4所示，運算處理單元3偵測感測單元5回受的信號，以頻率來判斷當前是在工作區還是錯誤區，如在錯誤區則通過第一指示器的燈號指示輸出單元2的開和關，並關閉輸出單元2並對該裝置進行檢查，信號在工作區頻率內該裝置正常工作。如圖5所示，運算處理單元3內建或外加有一用於讀取所述輸出單元的過流保護回受信號的A/D converter，當偵測到高位報警和低位報警時，流經電流過大，即關閉輸出單元2進行保護，此為第一道過流保護。輸出單元2包含一物位輸出選擇器，其具有過流保護和過壓保護功能；物位輸出選擇器用以做物位高位警報或低位警報功能，其本身具備硬體式過電壓及過電流保護機制，其硬體式過電流保護機制為第二道保護；當有上述狀況產生時及時關閉物位輸出選擇器進行保護。運算處理單元3在整個過程中採用過Wireless或General CableCommunications作為對外信息的溝通方式。Wireless方式包含ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS 等習知協議，General Cable Communications 方式包含 One-Wire、RS232、RS485等習知協定。雙音叉狀震動震蕩子包括音叉80、植釘柱89、植釘柱座88、壓電套管86、多個壓電陶瓷片84、多個絕緣片85、固定扣83、底座81、多個組裝螺絲91 ；
組裝螺絲91與植釘柱座88形成一個應力施加單元，使植釘柱89、壓電套管86、絕緣片85、壓電陶瓷片84通過和一軟性電路板結合形成雙音叉狀震動震蕩子；其中有一個壓電陶瓷片84為激勵元，接受訊號產生震動，至少有一個壓電陶瓷片84為接收元，接受震動訊號產生訊號，植釘柱89的長度與質量用於對音叉狀震動震蕩子的頻率進行調整。·其中底座81包括一第一平面和一第二平面，該第一平面和第二平面分別位於底座81的兩個不同側，所述第二平面與植釘柱89結合，壓電套管86用以組裝植釘柱89、絕緣片85與壓電陶瓷片84，固定扣83作為植釘柱座88的固定裝置，其為習知的C扣、R扣或S扣，植釘柱89、壓電套管86與組裝螺絲91間具有螺牙相對的固定結合。植釘柱座88與所述第二平面間形成一用於調整所述雙音叉狀震動震蕩子的機械自然頻率的腔空間，該腔空間是環型空間、碟型空間或任何具有調整機械自然振動頻率的型狀。本發明系關於一種音叉式感測裝置，尤指一種可依據物料性質變化，環境應用溫度，自動調整回饋訊號增益的裝置與方法，本發明可解決現有音叉式感測裝置便利性，靈敏性與自我檢測功能不足。以上公開的本發明優選實施例只是用於幫助闡述本發明。優選實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施方式
。顯然，根據本說明書的內容，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地理解和利用本發明。本發明僅受權利要求書及其全部範圍和等效物的限制。
權利要求
1.一種音叉式感測裝置，包括一雙音叉狀震動震蕩子，其特徵在於，包括一感測單元、一壓電轉換單元、一運算處理單元和一電源單元，所述壓電轉換單元、感測單元、運算處理器和電源單元順序連接組成一環路系統； 所述運算處理單元根據計算出的所述音叉狀震蕩子的共振頻率和電壓輸出一第一頻率信號調控電源單元以驅動所述壓電轉換單元，並由所述壓電轉換單元經所述感測單元產生一回饋信號傳至所述運算處理單元元以產生一第二頻率信號，所述第二頻率信號回饋調控所述電源單元輸出一第三頻率電壓到壓電轉換單元。
2.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述感測單元包括一差分放大器和一增益，所述第一頻率信號與所述回饋信號的相位差為90度或180度。
3.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述訊號是方波、弦波、三角波或具有周期性的任意波型。
4.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，其還包括一用戶接口單元和一輸出單元，所述用戶接口單元包括一遙控切換裝置和一第一指示器；所述輸出單元包括一組物位輸出選擇器，其具有過流保護和過壓保護功能。
5.如權利要求4所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述遙控切換裝置是一個磁性對偶裝置，包含一個磁鐵與一個磁簧開關，其通過一第二指示器顯示狀態，當所述磁鐵靠近所述磁簧開關時所述指示器輸出第一種狀態燈號，當所述磁鐵遠離所述磁簧位置時所述指不器輸出第二種狀態燈號。
6.如權利要求4所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述第一指示器包括三個用於顯示8種輸出指示狀態的指示燈,所述輸出指示狀態包括高位物料接觸、高位物料未接觸、低位物料接觸、低位物料未接觸、失效警報五種狀態，其餘為預留狀態。
7.如權利要求4所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述運算處理單元內建或外加有一用於讀取所述輸出單元的過流保護回受信號的A/D converter,當偵測到高位報警和低位報警時，流經電流過大，即關閉輸出單元進行保護。
8.如權利要求4所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述運算處理單元偵測所述感測單元回受的信號，以頻率來判斷當前是在工作區還是錯誤區，如在錯誤區則通過所述第一指示器指示並關閉輸出單元對該裝置進行檢查，信號在工作區頻率內該裝置正常工作。
9.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述電源單元包括兩組直流-直流轉換器，其中一組輸出電壓到壓電轉換單元，另一組提供給電壓給所述感測單元和輸出單元。
10.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述運算處理單元通過Wireless或General Cable Communications作為對外信息的溝通方式。
11.如權利要求11所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述Wireless方式包含ZigBee、WirelessHART、Wi-Fi Direct、GPRS , General Cable Communications 方式包含One-Wire、RS232、RS485。
12.如權利要求4所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，其還包括一用於容納所述感測單元、壓電轉換單元、用戶接口單元、輸出單元、運算處理單元和電源單元的本體，所述本體包括一本體管和一本體上蓋。
13.如權利要求12所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，在所述本體管內部注入半凝固性膠體或注入電子膠用於為所述壓電轉換單元、用戶接口單元、運算處理單元、輸出單元、電源單元提供熱隔離保護與防潮。
14.如權利要求I所述的音叉式感測裝置，其特點在於，其量測物體是粉體、塊狀物、液體、固液混合、漿料。
15.—種雙音叉狀震動震蕩子,其特徵在於，其由一音叉、一植釘柱、一植釘柱座、一壓電套管、多個壓電陶瓷片、多個絕緣片、一固定扣、一底座和多個組裝螺絲組成； 所述組裝螺絲與所述植釘柱座型成一個應力施加單元，使所述植釘柱、壓電套管、絕緣片、壓電陶瓷片通過和一軟性電路板結合形成雙音叉狀震動震蕩子； 其中所述底座包括第一平面和第二平面，所述第一平面和第二平面分別位於所述底座的兩個不同側，所述第二平面與所述植釘柱結合，所述壓電套管用以組裝所述植釘柱、絕緣片與壓電陶瓷片，所述固定扣作為植釘柱座的固定裝置，所述植釘柱、壓電套管與組裝螺絲間具有螺牙相對的固定結合。
16.如權利要求15所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，通過所述植釘柱的長度與質量對音叉狀震動震蕩子的頻率進行調整。
17.如權利要求16所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述植釘柱座與所述第二平面間形成一用於調整所述雙音叉狀震動震蕩子的機械自然頻率的腔空間，所述腔空間是環型空間、碟型空間或任何具有調整機械自然振動頻率的型狀。
18.如權利要求17所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述音叉狀震動震蕩子至少有一個壓電陶瓷片為激勵元，接受訊號產生震動，至少有一個壓電陶瓷片為接收元，接受震動訊號產生訊號。
19.如權利要求18所述的音叉式感測裝置，其特徵在於，所述固定扣為習知的C扣、R扣或S扣。
全文摘要
本發明提供了一種音叉式感測裝置，包括一雙音叉狀震動震蕩子、一感測單元、一壓電轉換單元、一運算處理單元和一電源單元，所述壓電轉換單元、感測單元、運算處理器和電源單元順序連接組成一環路系統；所述運算處理單元輸出一第一頻率信號調控電源單元以驅動所述壓電轉換單元，並由所述壓電轉換單元經所述感測單元產生一回饋信號傳至所述運算處理單元元以產生一第二頻率信號,所述第二頻率信號回饋調控所述電源單元輸出一第三頻率電壓到壓電轉換單元。本發明應用自動調整回饋訊號增益的裝置，具有更高的靈敏性與自我檢測能力。
文檔編號G01F25/00GK102901546SQ20121039962
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者王聖斌 申請人:上海凡宜科技電子有限公司