专利名称：用可振荡单元确定和/或监测介质的至少一个物理过程变量的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用可振荡单元确定和/或监测介质的至少一个物理过程变量的方法，其中该可振荡单元以发射信号的形式在可振荡单元的工作范围中的预定频带内通过频率搜索扫描相继地激励，以一个接一个的离散的激励器频率振荡，其中以接收信号的形式接收可振荡单元的相应的振荡，其中，借助频率搜索扫描探查该激励器频率，在此情形下，可振荡单元以在发射信号和接收信号之间具有预定相移的振荡频率振荡，并且其中发射/接收单元激励可振荡单元以探查的振荡频率振荡，或者其中，启动随后的频率搜索扫描。该过程变量例如是介质的预定填充水平、介质的相界、密度或者粘度。利用电子振动测量装置，能够探测或者监测大量的物理变量，诸如，例如在容器中或者在管线中的介质的填充水平、相界、密度或者粘度。本受让人使用商标Liquiphant和 Soliphant提供多种这样的测量装置。
背景技术：
电子振动测量装置具有可振荡单元，可振荡单元通常包括膜和在其上紧固的振荡杆或者具有两个尖的振荡叉。然而，还出现其可振荡单元仅仅是膜的已知电子振动测量装置。激励可振荡单元以谐振频率振荡通常经由压电堆或者双压电晶片驱动或者经由电动驱动元件发生，其中驱动单元通常被体现为组合的发射/接收单元。发射信号和接收信号具有通常处于90°附近的限定范围中的相移。关于填充水平测量，利用了以下效应，即，当可振荡单元的覆盖程度改变时，振荡频率和振荡幅度改变。在空气中，发生无阻尼振荡，而在以介质覆盖可振荡单元的情形下， 振荡被阻尼。利用振荡幅度或者振荡频率的这个改变来探测达到预定填充水平，通常是最大填充水平，用于溢出保护或者为了防止空转的最小填充水平。而且，振荡叉或者振荡杆的振荡幅度依赖于正在拖曳多大的质量。如果介质的密度或者相态改变，则这影响可振荡单元的振荡，从而能够利用电子振动测量装置探测在不同的相态之间的过渡，还有密度变化。以类似的方式，当介质的粘度增加时，振荡被阻尼。为了设定激励器频率，使得可振荡单元以在发射信号和接收信号之间的预定相移来振荡，本受让人已经开发了一种利用频率搜索扫描的方法。相应的专利申请(申请号DE 102009026685)已经提交但是尚未公布。将在这里简要地描述该方法。在频率搜索扫描中，可振荡单元被相继地激励以离散的、紧密相邻的频率振荡并且探查对应于预定相移的频率。在这种情形下，频率的探查经由相位选择性整流以及随后的低通滤波来发生。相对于接收信号延迟预定相移的矩形信号与接收信号相乘。如果在发射信号和接收信号之间的相移对应于预定相移，则这个乘积仅仅包含正的部分，而在相反的情形下，它还具有负的部分。能够以模拟或者数字方式实现所描述的估计方法。在这种情形下带有模拟部件的实施例具有两个缺点。一方面，电路复杂度较高，并且另一方面，在预定相移下振荡频率的确定相对不准确。在该方法的数字实施的情形下的优点包括不出现高的电路复杂度，并且另外能够以高准确度确定振荡频率。然而，数字方法的缺点是，它是非常计算密集型的，这使得需要高的计算能力。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于频率搜索扫描的简单估计的方法。利用包括以下内容的特征来实现该目的通过在选定时间点离散地采样接收信号探查在预定相移下的振荡频率，其中选定时间点依赖于在发射信号和接收信号之间的预定相移，并且参考幅度来估计以离散的激励器频率采样的接收信号的电压值Ui。因为接收信号仅仅在选定时间点处被离散地采样，所以与全部接收信号被进一步处理的方法相比，被存储并且被进一步处理的测量点的数目减小。以此方式，所要求的计算能力降低。进一步的优点在于，所述估计基本以数字方式发生，与模拟实施相比较，这节约了时间和制造成本。所使用的部件能够具有高的公差，因为例如噪声被过滤掉，从而仍然实现了准确的结果。在本发明的方案的第一实施例中，为了估计接收信号的采样电压值Ui,通过整流或者通过添加偏置电压，接收信号的负的部分被转换成正电压值。接收信号是交流电压。 在为了估计接收信号的数字化之前，在其中包含的负的部分优选地被转换成正的部分，从而使得接收信号对于仅仅能够处理正输入电压的模拟-数字转换器而言是有用的。如果使用除了正输入电压之外还能够处理负输入电压的模拟-数字转换器，则不要求改变到正信号。通过整流，即，通过反转负电压值，或者通过将直流电压加到交流电压来完成改变到正电压值，从而整条电压曲线以特定值(偏移)移位到正区域中。在这种情形下所述偏移被选择为使得在一方面，全部负电压值均移位到正区域中，并且在另一方面，最大出现的电压值并不超过模拟-数字转换器的容许最大输入电压。在本发明的方法的进一步的改进中，接收信号总是在发射信号和接收信号之间出现预定相移的情形下当它经过极点时的时间点处被采样。因此，对于每一个振荡周期，总是采样接收信号的两个电压值。在本发明的另外的进一步的改进的情形下，对于预定相移达90°的情形，接收信号总是在出现预定相移的情形下当发射信号通过零点时的时间点处被采样。本发明的方法的进一步的改进提出，通过确定使得电压值的量值IuiI最大的频率来估计接收信号的采样电压值Ui。如果处于频率fk的接收信号对应于具有预定相移的振荡，则在采样时间点探测的电压值对应于最大振荡幅度。如果处于频率f\的接收信号并不对应于具有预定相移的振荡，则未在采样时间点探测到最大幅度，而是较小的电压值。如果绘制在采样时间点确定的不同频率的电压值，则给出在频率fk具有最大值的曲线，在该频率下，发射信号和接收信号具有预定相移。本发明的方法的进一步的改进提出，通过将在相等频率的多个振荡周期上采样的电压值IUiI的量值加到数值Σ Iui来估计接收信号的采样电压值Ui,并且当相关联的值 Σ Ui最大时确定所述频率。本发明的方案的进一步的改进提出，接收信号总是在发射信号和接收信号之间出现预定相移的情况下当接收信号经过零点和极点时的时间点处被采样。对于每一个振荡周期，因此出现四个采样的电压值。在本发明的方法的进一步的改进的情形下，对于预定相移达90°的情形，接收信号总是在出现预定相移的情形下当发射信号经过零点时的时间点处以及在出现预定相移的情形下当发射信号经过极点时的时间点处被采样。在本发明的方法的进一步的改进中，接收信号的采样电压值U 、UU是通过彼此相减两个序列电压值IUii I、IUij I各自的量值来估计的，两个序列电压值IUii I、IUij I各自的量值在预定相移下对应于接收信号在零穿越点处的电压值和在极点处的电压值的量值，并且该频率被确定为当差值Δυ= UiiI-IUij具有最大量值时的频率。如果在相应的频率下发生的最大电压值的测量电压值IuiiI与零相差了量值Ciuii，并且测量电压值IuuI与零相差了量值duu，则差值Δυ与相应的频率下的最大电压值相差了 ( υ +( υ『如果仅仅考虑在预定相移的情形下对应于极点的电压值，则这些电压值与在相应的频率下发生的最大电压值相差了更小的值，即ClUiit5如果出现预定相移，则在在最大值的情形下的值和在零穿越点的情形下的值之间形成差的情形下，引起相同的(最大)电压值，这是仅仅通过考虑最大值而导致的。因此，与仅仅在预定相位关系下，采样和估计对应于最大值的电压值的方法的情形相比，在考虑差值Δυ的情形下，对应于期望的相移的频率的附近的最大值更加显著。在本发明的方案的进一步的改进中，在相等频率的多个振荡周期上采样的接收信号的电压值uu、Uij被估计为使得在预定相移下对应于极点位置的时间点采样的采样电压值IUiiI的量值被加到值Umax，在预定相移下对应于零穿越点位置的时间点采样的采样电压值I Uij I的量值被加到值Uzero,值Ummax和Uzero彼此相减，并且当差值Δ U = Ufflax-Uzero具有最大量值时确定该频率。因此，对于每一个频率，在每一种情形下，为了确定在预定相移下的频率，仅仅考虑一个电压值。本发明的方法的进一步的改进提出，依赖于可振荡单元的特性(quality)设定发射信号和接收信号之间的相移。在本发明的方案的另外的进一步的改进中，在发射信号和接收信号之间的相移被优选地设定在70°和120°之间的范围中。预定相移通常达90°或者优选地处于所述范围中。然而，同样可能的是，在可振荡单元的特性允许的范围内采取在所述范围之外的值。本发明的另一个进一步的改进提出，物理测量变量是介质的预定填充水平、密度、 粘度或者相界。如果将要探测在容器中的介质的预定填充水平，则可振荡单元被置放在预定填充水平的高度处。
现在将更加详细地基于附图解释本发明，附图中的图形如下示出图Ia在具有对应于预定相移的频率fk的接收信号的情形下采样点的定位的示例；图Ib在具有处于预定相移之外的频率的接收信号的情形下采样点的定位的示例；图Ic在整流之后图Ia的接收信号；图Id在加上直流电压之后图Ia的接收信号；
图2本发明的方法的流程图；图3为了确定在预定相移下的频率而记录的柱状图。
具体实施例方式图Ia示出在1. 5个周期上处于激励器频率fk下的接收信号R。为了比较，同样绘制了发射信号T。在图Ia中，激励器频率fk对应于在发射信号T和接收信号R之间的预定相移Δφ。在采样时间点，接收信号R位于零穿越点或者极点中。因此，采样电压值Uii对应于最大上升电压值Ak，因此，在这个激励器频率fk下的幅度和采样电压值Uu为零。在该示例中，仅仅给出了一个周期内的采样时间点。当然，为了实现更好的统计，可以出现在多个周期上在激励器频率fk下的样本。对于这里示出的情形，在发射信号T和接收信号R之间的预定相移Δφ达90°，发射信号T的零穿越点与接收信号R的极点一致并且发射信号T的极点与接收信号R的零穿越点一致。因此，相对于发射信号Τ，接收信号R总是在发射信号T经过零点或者极点的时间点处被采样。图Ib示出具有激励器频率f\的接收信号R，fx位于对于发射信号T的预定相移 Δφ之外。因此采样时间点并不与接收信号R经过零点或者极点的时间点一致。采样电压值Uii与最大电压值A1相差了值ClUii,并且采样电压值Uu与零相差了值dUy在图Ia和Ib中示出的接收信号R是交流电压并且在采样时间点的电压值Uii^ij 部分地为负。在该方法的一个优选实施例中，在采样之前修改接收信号R使得仅仅保留正电压值。这是例如通过反转或者整流负电压部分实现的。图Ic示出在整流之后图Ia的接收信号R。用于改变负电压部分的另一个可能性是将直流电压加到接收信号R。以此方式， 形成接收信号的整个电压曲线以所谓偏移的某一值移位到正区域中。在图Id中示出以此方式修改的接收信号R。因为这个偏移对于在频率搜索扫描中包含的全部激励器频率fk而言都是相同的，所以全部采样电压值仏”、均移位了相同的值。如果偏移被加到接收信号， 则在估计采样电压值UiiWu时，这个值应该被加以考虑，因为例如电压值Uij在零点并且出现预定相移Δφ的情形下不是零，而是对应于偏置电压的值。图2公开了本发明的方法的实施例的示例的流程图。在下文中，假设因为整流或者加上直流电压，所以接收信号R仅仅包含正的部分。因此省略了符号的应用。然而应该指出，在没有进行对接收信号R的这种修改的情形下，形成负电压值的量值或者绝对值。在频率搜索扫描期间，以全部工作范围内离散的激励器频率fk(k = 0. . . N)激励可振荡单元。目标在于过滤出激励器频率fk，在此情形下，发射信号T和接收信号R具有预定相移Δφ，例如90°。为此，产生具有第一激励器频率&的发射信号Τ。接收信号R在选定时间点被采样。那么在这种情形下，选择该时间点使得在预定相移Δφ的情形下，接收信号R的极点和零穿越点得到探测。在预定相移Δφ=90°的情形下，这些是发射信号T穿越零点和极点的时间点。存储在预期极点采样的电压值Uii和在预期零穿越点采样的电压值Uu。通过在每一种情形下从随后对应于预期零点的电压值Uu减去对应于预期极点的电压值Uii来处理被采样和存储的电压值U 、Uuo在已设立的一定数目的振荡周期之后，设定下一个激励器频率‘
如果激励器频率fk是在此情形下相移Δφ对应于预定相移Δφ，则在预期极点采样的电压值Uii对应于对于特定激励器频率fk因而对于振荡幅度Ak而发生的最大电压值。在预期零穿越点采样的电压值Uu为零。然而，如果激励器频率fk不同于激励器频率fk，在此情形下出现预定相移Δφ，则在采样时间点探测的电压值Ui^Uij小于相关联的幅度Ak或者大于零。因此探测到的电压值Uii不是在相应的激励器频率fk的情形下发生的最大电压值 Ak。如果形成在每一种情形下在预期零穿越点的情形下和在预期极点的情形下采样的两个电压值Uii和Uu的差值，则这个差值Δ U小于在预定相移Δφ下的差值Δ U。在预定相移Δφ 下，差值AU等于接收信号的幅度Ak并且因此是最大的。如果将偏移加到接收信号，从而获得完全正的电压值，则在估计采样电压值Uij的情形下，必须适当地考虑这个值。处理以激励器频率fk采样的电压值UiiWij的一个可替代实施例提出，在预期极点的情形下采样的全部电压值Uii均被加到值Umax，在预期零穿越点的情形下采样的全部电压值Uu均被加到值Uzct。，并且然后形成差值AU= |Umax-UZCT。|。以此方式，对于每一个激励器频率fk，获得了平均电压值。在另外的方法步骤中，相对于相应的激励器频率fk绘制了所形成的电压差值AU。 所产生的柱状图在对应于预定相移Δφ的激励器频率fk处具有最大值。在这个实施例的示例中，预期零穿越点以及预期极点这两者均被采样并且然后形成在电压值u 、Uu之间的差值Δυ。在该方法的一个替代的实施例中，接收信号R仅仅在预期极点的时间点处被采样。如果接收信号R在激励器频率fk的情形下对应于具有预定相移Δφ的振荡，则探测到振荡幅度Ak。如果接收信号R在激励器频率fk的情形下并不对应于具有预定相移Δφ的振荡，则未探测到幅度Ak，而是探测到较小的值。如果绘制在不同的激励器频率fk下确定的电压值Uii，则产生在激励器频率fk下具有最大值的曲线，在此情形下，发射信号T和接收信号R具有预定相移Δφ。类似于关于差值形成描述的情形，在多个振荡周期上的采样电压值Uii能够被相加到一起，从而在柱状图中，对于每一个激励器频率 fk，仅仅统计了电压值Σ Uii0可替代地，一个选择是分别列出全部采样电压值U 。这里提出，一旦频率搜索扫描结束，就启动重新的频率搜索扫描，因此连续地执行频率搜索扫描。以此方式，能够快速地对于改变的过程条件做出反应并且可振荡单元的振荡频率能够立即得到调节。可替代地，为此以在频率搜索扫描中确定的激励器频率fk激励可振荡单元。然后例如替代的以确定的间隔或者根据请求来启动重新的频率搜索扫描。图3示出用于确定激励器频率fk的柱状图，在此情形下发射信号T和接收信号R 具有预定相移Δφ。除了根据在图2中描述的方法采样的接收信号R，还示出在采样之前的接收信号R。在对应于预定相移Δφ的激励器频率fk处的最大值在两条曲线中都是显而易见的。然而，采样接收信号R被更加尖锐地限定并且具有更高的最大值与基线比率。在这个柱状图中示出的接收信号R是用于膜振荡器的。参考符号的列表R 接收信号T 发射信号Δφ 在发射信号和接收信号之间的相移fk 在频率搜索扫描中包含的激励器频率Ak 具有频率fk/最大电压值的接收信号的幅度
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Uii 在预期接收信号的极点时的时间点处采样的接收信号的电压值Uij 在预期接收信号的零点时的时间点处采样的接收信号的电压值，ClUii Uii与Ak之间的差值ClUij Uij与零之间的差值
权利要求
1.利用可振荡单元确定和/或监测介质的至少一个物理过程变量的方法，其中所述可振荡单元被相继地以发射信号(T)的形式在所述可振荡单元的工作范围中的预定频带内借助频率搜索扫描来激励，从而以一个接一个的离散的激励器频率(fk)振荡，其中以接收信号(R)的形式接收所述可振荡单元的相应的振荡，其中，经由所述频率搜索扫描探查所述激励器频率(fk)，在此情形下，所述可振荡单元以所述发射信号(T)和所述接收信号(R) 之间具有预定相移(Δφ)的振荡频率振荡，并且其中传输/接收单元激励所述可振荡单元以利用经探查的振荡频率振荡，或者其中，启动随后的频率搜索扫描，其特征在于，通过在选定时间点离散地采样所述接收信号(R)来探查在所述预定相移(Δφ)处的振荡频率，其中所述选定时间点依赖于在所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间的所述预定相移(Δφ)，并且参考它们的幅度来估计所述以离散的激励器频率(fk)采样的所述接收信号(R)的电压值Ui。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了估计所述接收信号(R)的采样电压值Ui,通过整流或者通过加上偏置电压将所述接收信号(R)的负的部分转换成正电压值IUiI。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述接收信号(R)总是在所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间出现所述预定相移(Δφ)的情形下当它通过极点时的时间点处被采样。
4.根据权利要求1-3中至少一项所述的方法，其特征在于，对于所述预定相移(Δφ)达90°的情形，所述接收信号(R)总是当所述发射信号⑴在出现所述预定相移(Δφ )的情形下经过零点的时间点处被采样。
5.根据权利要求3或者4所述的方法，其特征在于，通过在所述电压值IuiI的量值最大时确定所述激励器频率(fk)来估计所述接收信号 (R)的所述采样电压值Ui。
6.根据权利要求3或者4所述的方法，其特征在于，通过将在相等频率(fk)的多个振荡周期上采样的所述电压值IuiI的量值加到值 Σ IUi来估计所述接收信号(R)的所述采样电压值Ui,并且在所述激励器频率处相关联的值Σ IUi最大时确定所述激励器频率。
7.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述接收信号(R)总是在所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间出现所述预定相移(Δφ)的情况下当它通过零点和极点时的时间点处被采样。
8.根据权利要求1、2或者7所述的方法，其特征在于，对于所述预定相移(Δφ)达90°的情形，所述接收信号(R)总是当在出现所述预定相移(Δφ)的情形下所述发射信号(T)通过零点时的时间点和当所述发射信号(T)通过极点时的时间点处被采样。
9.根据权利要求7或者8所述的方法， 其特征在于，所述接收信号的所述采样电压值仏” Uu是通过从彼此中减去两个序列电压值IuiiI、 Iuij各自的量值来估计的，所述两个序列电压值IUii |、IUij各自的量值在所述预定相移 (Δφ)处对应于所述接收信号(R)在零穿越点处的电压值的量值和在极点上的电压值的量值，并且所述激励器频率被确定为当差值Δυ= IuiiI-Iuij具有最大量值时的频率。
10.根据权利要求7或者8所述的方法， 其特征在于，在相等频率(fk)的多个振荡周期上采样的所述接收信号(R)的电压值U 、Uu被如此估计使得在所述预定相移(Δφ)处对应于极点位置的时间点处采样的所述采样电压值IUii 的量值被加到值Umax，在所述预定相移(Δφ)处对应于零穿越点位置的时间点处采样的所述采样电压值IUijI的量值被加到值Uzct。，将所述值Umax和Uzct。彼此相减，并且当差值AU = Ufflax-Uzero具有最大量值时确定所述激励器频率。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法， 其特征在于，依赖于所述可振荡单元的特性来设定所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间的所述相移(Δφ)。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法， 其特征在于，将所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间的所述相移(Δφ)设定在优选地界于 70°和120°之间的范围内。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法， 其特征在于，所述物理测量变量是在容器中的介质的预定填充水平、所述介质的密度、粘度或者相界。
全文摘要
本发明涉及一种利用可振荡单元确定和/或监测介质的至少一个物理过程变量的方法，其中所述可振荡单元被连续地以发射信号(T)的形式在所述可振荡单元的工作范围中的预定频带内通过频率搜索扫描激励，以一个接一个的离散的激励器频率(fk)振荡，其中所述可振荡单元的相应的振荡被以接收信号(E[s1])的形式接收，其中，经由所述频率搜索扫描探查所述激励器频率(fk)，在此情形下，所述可振荡单元以所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间具有预定相移的振荡频率振荡，并且其中传输/接收单元激励所述可振荡单元利用经确认的振荡频率振荡，或者其中，启动随后的频率搜索扫描。本发明由包括以下内容的特征表征通过在选定时间点离散地采样所述接收信号(R)来探查在所述预定相移下的振荡频率，其中所述选定时间点依赖于在所述发射信号(T)和所述接收信号(R)之间的所述预定相移并且所述接收信号(R)的以离散的激励器频率(fk)采样的电压值Ui是通过参考它们的幅度来估计的。
文档编号G01N11/10GK102472728SQ201080033109
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年7月27日
发明者马丁·乌尔班 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司