CN1310017C - 振荡极限状态传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在具有一个指向容器内部空间的振荡棒状探头的容器中确定和/或监控填充物的预定填充状态的方法，该振荡棒状探头是机电振荡系统的组成部分。按本发明，在所述振荡系统已进行激励之后测量一个或多个表征性特征参数，并在分析处理所述的测量时考虑这些特征参数。

Description

振荡极限状态传感器
技术领域
本发明涉及一种用于在具有一个指向容器内部空间的振荡棒状探头的容器中确定和/或监控填充物的预定填充状态的方法，该振荡棒状探头是一个机电振荡系统的组成部分。
背景技术
从DE 3348119 C2中公开了一种用于确定预知填充状态的极限状态传感器，该极限状态传感器具有伸入容器中的振荡棒状探头，由电的激励装置激励该振荡棒状探头振荡。振荡的频率依赖于容器中的填充状态。通过电检测的机械振荡信号的放大和反馈到激励输入端上产生一个通常称为振荡器的能够振荡的系统。
譬如在DE 19720519 C2，EP 0985916 A1和EP 0985917 A1中说明了类似的装置和方法。它们的共同点是，所说明的振荡极限状态传感器原则上包括一个激励连续自振荡的机电系统。公开了不同的可能性用于建立这种振荡器，这些可能性在机械振荡元件、机电变换器系统和振荡器的电气方案的实施方面互相区分。
尤其采用至少两个要么同轴，要么互相平行布置的振荡棒作为机械振荡元件。
通常经过由交流电激励的压电元件来机电地驱动这个能够振荡的机械系统，并且一个压电元件同样用来检测机械振荡和返回转换成电振荡。为此，可以将驱动和检测装置分成两个独立的压电元件、分成一个单一压电元件的两个独立的区、或可以在一个单一的压电元件中统一两种功能。
在分开的驱动和检测元件中可将整个机电振荡系统等效地看作为电的四端网络，该四端网络将施加到两个输入极上的，具有与频率有关的振幅和相移的电压传输到两个输出极上。这个四端网络的传输性能是与电的振荡回路可比拟的。
一个既用于驱动，也用于检测的单一压电元件通常具有两个接头，它因而可以等效地表征为电的二端网络。电的二端网络的特征一般在于它们的或许与频率有关的电阻抗。
在这里还要说明的是，一个可理解为电的二端网络的单一压电元件通过时分复用作业，即通过在接头极上的驱动和检测功能之间的周期性转换，可以模以电的四端网络的性能。
用所说明的，可等效地看作为电的二端网络或四端网络的振荡系统，可以以公知的方式建立电振荡器。振荡器的组成部分总是放大和反馈装置，其中的至少一个应是频率选择的。振荡器的优选的实施形式在反馈放大电路的反馈环路中譬如含有频率选择的，可看作为电振荡回路的四端网络。
在其它的实施形式中振荡器的特征在于反馈的放大装置，其中，放大率依赖于可等效地看作为电的二端网络的振荡装置。由此所形成的频率选择的放大器在它的放大率方面依赖于表征所述振荡结构的二端网络的电阻抗。
在所有这些振荡极限状态传感器中成问题的是如下方式振荡器的构造，即在所有的运行条件下保证振荡器的可靠的起振或连续的振荡。通过传感器浸入填充物中譬如提高了振荡系统的阻尼，改变了该振荡系统的固有频率和相移，振荡器的反馈特性或放大特性因而经受或多或少地强烈的变化。为了振荡器在机电振荡元件的所有出现的运行特性条件下可靠地振荡，常常需要复杂而昂贵的电路措施和/或设计措施。此外，可看作为二端网络或四端网络传输元件的振荡元件可以在不同的，部分地相距较远的频率点上具有类似的特性。如果因此可以满足振荡器对于不同频率的振荡条件，则所述的系统更为随机地在其中一个或另一个频率上振荡，而且因此不能判断容器填充状态。所以又必须用昂贵的措施设法使系统总是在规定的，所希望的频率上振荡，并实现超出或低于某个容器填充状态的可靠的报告。
发明内容
因此本发明的任务是说明一种借助伸入容器中的振荡传感器可靠和用微小的工作量就允许极限状态检测的方法。
通过以下方案达到这个目标。
根据本发明的用于在具有一个指向容器内部空间的振荡棒状探头的容器中确定和/或监控填充物的预定填充状态的方法，该振荡棒状探头是一个机电振荡系统的组成部分，其特征在于，在确定和/或监控所述填充物的预定填充状态的步骤期间，以不同的频率激励所述振荡系统，并且在所有的频率下测量所述系统的反应；在所述振荡系统的激励之后，测量一个或多个表征性特征参数，并在分析处理所述测量时考虑这个特征参数或这些特征参数。
在最简单的情况下这意味着，确定和分析处理可看作为四端网络的振荡系统的电传输性能，或确定和分析处理作为二端网络运行的振荡元件的阻抗。这尤其经过某个频段来实现，在该频段中传输性能或阻抗具有可以明确推断填充状态的表征性特征。
在第一优选的实施方案中用不同的频率激励振荡系统，并在所有的频率下测量系统的反应。为了用不同的频率来激励，可以有针对性地相继调整某个数目的离散的频率点，并周期性重复这个频率过程。替换地，也可以连续驶过一个频段。这种进行方式是以关键词“频率摆动”而公知的。
对于可看作为四端网络的振荡系统，可以测量和分析处理交流电压的输出幅度对激励幅度的，和/或输出相位对输入相位的与频率有关的比例。对于作为二端网络运行的振荡系统，由一个已知的阻抗和所述二端网络电路的要分析研究的阻抗形成一个串联电路，通过该串联电路馈入一个频率可变的输入电压或激励电压。通过测量在所述整个串联电路上的电压对在所述二端网络上的电压的比例，以及必要时通过测量这些电压的相移可以求出和分析处理所述二端网络阻抗的与频率有关的特征值。
在第二优选的实施形式中，周期性脉冲形式地，或跳跃形式地激励能够振荡的系统。在时间上有限的，通常很短的激励结束之后测量和分析处理机电系统的反应。这个反应在通常情况下是一种衰减的机械振荡，或是在机电的转换器上可测量的电振荡。在其上可以测量参数起始振幅、频率和衰减时间常数，从中可以推导出关于极限状态传感器浸入填充物中与否的判断。
最后在第三优选的实施形式中，在输入侧用一般频带有限的噪声电压，所谓的玫瑰红色噪声施加在这里优选构成为四端网络的振荡系统。在此情况下人们测量一个仅还含有某些频率分量的电信号作为对在输出端上的激励的反应。通过机电的振荡系统滤除宽带激励信号的大多数的频率分量。优选在所述频域中，譬如经过滤波器组，或更简单地通过所述信号从时域到频域的傅里叶变换来进行输出信号的分析处理。这要求时间连续的电压信号的数字化和实施快速傅里叶变换(FFT)。标注在频率轴上的输出幅度可实现关于振荡系统瞬时传输性能的，和因此关于传感器振荡元件的填充物覆盖的判断。
附图说明
以下借助实施例结合附图详述本发明。所展示的：
图1为用于实施以前在结合频率摆动所说明的本发明方法的电路装置的第一实施例，
图2为附图1的电路装置的信号曲线，
图3为按本发明的电路装置的第二实施例，
图4为按本发明的电路装置的第三实施例，
图5为附图4的信号曲线，
图6为按本发明的电路装置的第四实施例，和
图7为附图6的信号曲线。
具体实施方式
在输入极上通过交流电源4的电压UIN激励一个可看作为电的四端网络的机电振荡系统1，该振荡系统1具有分离的激励和检测振荡元件2，3。在此图中没有明晰地指明譬如作为振荡叉伸入容器中的机械振荡元件，而仅是以箭头形式表示了它作为机电振荡元件2，3之间的耦合的作用。在放大器5中放大存在于四端网络输出端上的电压UOUT。
通过控制、分析处理和输出单元6连续经越某个范围改变在此情况下也称为压控振荡器VCO的交流电源4的频率。为了能够作出关于四端网络1运行状态的，即关于极限状态传感器的填充物覆盖的判断，必须分析处理所放大的输出电压UOUT′。分别以对输入电压UIN的相对关系可以分析处理这个电压的不仅幅度A，而且相位。所述幅度的和/或相位差对摆动时间(这相当于频率)的曲线是以表征性的方式依赖于传感器覆盖。通过将输出电压UOUT′馈入一个譬如整流和平滑交流电压的幅度检测器7中，以及与输入电压UIN共同馈入相位检测器8中，而得出与时间或频率有关的电压UA(t)或UA(f)，和U(t)或U(f)。通过比较器9，10，在超出或低于表征确定的幅度和/或相位差的某些电压值的时刻/频率点，可以生成开关脉冲沿，通过控制、分析处理和输出单元6可以分析处理这些开关脉冲沿。这个分析处理的结果是频率值，在这些频率值的情况下四端网络的幅度曲线和/或相位曲线具有极值，或强烈的变化。从这些频率值中可以明确推断传感器的覆盖状态。
附图2示范地展示附图1之内电路点中的典型信号曲线。在图表2a中标记了VCO 4的控制电压对时间的电压曲线。在控制电压和频率之间的假定的线性关系情况下，线性的锯齿形上升同样代表了激励电压UIN对时间的频率上升。
在附图2b中画出了输出电压UOUT或UOUT′对时间t或频率f的幅度。由于时间和频率按图表a是线性结合的，所以时间轴和频率过程的频率轴是互相成比例的。在检测器7输出端上的称为UA(t)或UA(f)的幅度电压具有在传感器浸入时移位的特征极值。用实线画出的曲线在这里标志在空气中自由振荡的传感器上的曲线，用虚线画出的曲线标志在譬如浸入水中的振荡元件上的曲线。图表2c以类似的方式展示输出电压UOUT′对UIN的相位曲线，称为U(t)或U(f)，按附图1由相位检测器8生成。此外，在两个图表2b和2c中分别画入了比较器9，10的比较器阈值，这些比较器9，10提供一个开关信号来代替强烈的信号变化。这些开关信号的时间位置或频率位置譬如得出对于在空气中和在浸入状态下的振荡为表征性的共振频率f1和f2。
在附图1的装置的一个变型中舍弃了比较器9，10，而替代于此地象虚线画出的那样将电压UA(f)或U(f)直接输送给控制、分析处理和输出单元6。这个控制、分析处理和输出单元6譬如可以含有一个具有集成的模/数或数/模转换器的微控制器作为主要部分。因此它可以同时经过D/A转换器生成VCO 4的时间离散的控制电压值，并将幅度Ua(f)和相位差U(f)形式的系统应答转换成数字值和存储起来。通过公知的数学方法可以对一个一次性频率过程的如此存储的数据组而分析研究极值和强烈的变化。从所找到的表征性的信号特征中求出关于传感器元件浸入状态的最终结果，并以公知的方式输出这个信息作为卸空或填满报告。
通过附加地舍弃两个检测器7和8得出附图1中未示出的一种其它的可能性。替代于此地可以直接数字化输入和输出电压UIN或UOUT′，并同样在微控制器内部数字式进行幅度或相位分析处理。
同样在附图1中未示出的一种其它有利的改进方案在于，窄带地滤波输出电压UOUT或UOUT′。为此将采用于此的带通滤波器跟踪经过VCO 4所调定的频率，并因此仅让相当于激励频率的狭窄的频段通过。因而有效地抑制所有的干扰频率。要么用离散的部件，要么在UIN和UOUT (′)的直接数字化情况下数字式地以微空制器的程序过程形式可以实现为此所必要的可变频的带通滤波器。
由机电振荡系统1的比较高的品质决定了，比较强烈滞后地进行系统对激励的应答。这意味着，对于四端网络1对频率的传输性能的准确确定，必须相应缓慢地进行频率过程。但是如果需要传感器对填充或卸空的快速反应时间，则准确确定四端网络传输性能不是绝对必要的。由于一般在自由振荡的传感器和浸入的传感器中的共振之间存在着大的频率差，所以一种快速的频率过程已足够，在这种频率过程中，系统虽然在激励时不能振荡到完整的输出幅度上，尽管降低了的幅度，但是极值的位置还是可以毫无问题识别的。尽管快速的频率摆动，但特别也可以从相位曲线中很好地确定共振频率，因为在这个点上相位差相当突然地变化达180°。当比对于确切的测量所允许的更快地经越所述的频段频率摆动时，这种强烈的变化则也是引人注目的。当以这种方式快速，但是还比较不准确地找到了共振位置时，频率摆动的频段可以大大缩小到共振位置的周围，使得因此又可以减小频率摆动速度，而传递函数的求出精度变得更大。如果共振位置突然从所监控的频率窗口中消失，则可以将传感器输出立即从“卸空”变换到“填满”，或相反，并且随后的快速的频率过程证实，要么所述频率中的共振位置已移位，要么共振位置的缺少暗示着一种可以随即立刻使之显示的传感器故障。
附图3中示出了一种装置，该装置如下区别于刚才所说明的出自附图1的装置，即基于将一个单一的机电变换器2′用于激励和检测，现在可将振荡系统看作为二端网络。在此情况下二端网络1′阻抗的确定代替了四端网络1的传输性能的确定。为此由VCO 4生成的交流电压UIN来激励具有二端网络1′的应求取了阻抗的、已知阻抗11的串联电路。通过求取UIN对UOUT的幅度比例和/或求取两个电压的相位差，可以推断二端网络1′对频率的阻抗性能，并从中可以推导出传感器的运行状态。此时，这个装置的电子部分12′可以相当于出自附图1的电子部分12。因而在套用的意义上，所有对于出自附图1的装置所说明的也可以适用于这个电路变型。
附图4原则上仅通过能够振荡的系统的激励方式而区别于附图1。在这里通过电冲击激励振荡系统来代替连续或离散的频率摆动。通过电压跳跃或短的电压脉冲来实现这种冲击。为此在附图4中指明了一种经过直流电源13，电阻14和开关15的实现。在断开的开关15的情况下，电源13经过电阻14将机电变换器2充电到某个电压值上(请参阅附图5a)。在时刻t1由控制、分析处理和输出单元6有控制地闭合开关，由此将通过四端网络1示出的机电振荡系统激励到固有振荡。在四端网络的输出端上产生象附图5b中所画出那样的阻尼振荡。通过放大、幅度检测(请参阅附图5c)和与比较器响应阈值的比较，譬如可以确定衰减持续时间τ，该衰减持续时间τ对于传感器元件浸入与否是表征性的(请参阅附图5d)。附加或替代地可以分析处理衰减的固有振荡的频率和最大振幅。用于这里的方法对于专业人员是公知的，并在这里不加详述。从技术上看，机械振荡系统这种电的“敲击”意味着一种宽带的频率激励，所述的系统用滤波来对该频率激励作出反应。
附图6中示出了其实施形式的方法也基于这种原理。与附图4不同，在这里却通过噪声源16来实现宽带的频率激励。象附图7a中示出的那样，这个噪声源16均匀地经越所关注的频段发噪声，所述的机电振荡系统可能对该频段作出响应。在四端网络1的输出端上仅还出现原始激励频谱的微小的频率分量。通过这个分量的频率确定，在附图7b中作为对频率轴所标注的电压来示出，象以前已说明的那样借助这个传感器实现了极限状态识别。譬如经过窄带的可调节的带通滤波器，或以优选的方式经过借助快速傅里叶变换FFT将时间信号变换到频域中，可以在控制、分析处理和输出单元6′之内进行输出信号的频率分析处理。

Claims (7)

1.用于在具有一个指向容器内部空间的振荡棒状探头的容器中确定和/或监控填充物的预定填充状态的方法，该振荡棒状探头是一个机电振荡系统的组成部分，其特征在于，
在确定和/或监控所述填充物的预定填充状态的步骤期间，以不同的频率激励所述振荡系统，并且在所有的频率下测量所述系统的反应，
在所述振荡系统已经进行激励之后，测量一个或多个表征性特征参数，并在分析处理所述测量时考虑这个特征参数或这些特征参数。
2.按权利要求1的方法，其特征在于，将可看作为四端网络的振荡系统的电传输性能，或作为二端网络运行的振荡元件的所述阻抗作为特征参数来确定和分析处理。
3.按权利要求2的方法，其特征在于，所述的传输性能或阻抗具有表征性特征，通过确定和分析处理该特征可许明确推断所述的填充状态。
4.按权利要求1的方法，其特征在于，用不同的频率进行所述激励，其中，相继地调整一个确定数目的离散的频率点，并周期性地重复这个频率过程。
5.按权利要求1的方法，其特征在于，以频率摆动的方式连续地通过一个给定的频段，以激励所述振荡系统。
6.按权利要求1的方法，其特征在于，将所述振荡系统看作为四端网络，并测量和分析处理交流电压的输出幅度对激励幅度的、和/或输出相位对输入相位的与频率有关的比例。
7.按权利要求1的方法，其特征在于，将振荡系统作为二端网络运行，并由一个已知的阻抗和所述二端网络电路的要分析研究的阻抗形成一个串联电路，通过该串联电路馈入一个频率可变的输入电压或激励电压，其中，通过测量在所述整个串联电路上的电压对在所述二端网络上的电压的比例，以及必要时通过测量这些电压的相移来求出和分析处理所述二端网络阻抗的与频率有关的特征值。
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