电子振动传感器的电子系统的至少一个部件的相移的补偿的制作方法

本发明涉及一种用于补偿由电子振动传感器的电子系统单元的至少一个部件引起的至少一个相移的补偿装置、一种具有相应补偿装置的用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的电子振动传感器、和一种用于操作相应电子振动传感器的方法。

背景技术：

电子振动传感器经常用于过程和/或自动化技术。在料位测量装置的情况下，它们具有至少一个机械可振荡单元，诸如音叉、单杆或膜。在操作期间，后者通过驱动/接收单元被激励以机械振荡，该驱动/接收单元经常以机电换能器单元的形式，反过来其能够是例如压电驱动器或电磁驱动器。然而，在流量计的情况下，机械可振荡单元也能够被设计为，诸如在根据科里奥利原理操作的测量装置中，相应的介质通过其流动的可振荡的管。

对应的各种各样的现场装置由申请人以各种各样的方式产生，并且在料位测量装置的情况下，以例如liquiphant和soliphant的名称来分销。原则上，基本测量原理从众多出版物中已知。驱动/接收单元借助于电激励信号激励机械可振荡单元以机械振荡。相反地，驱动/接收单元能够接收机械可振荡单元的机械振荡并将它们转换成电接收信号。因此，驱动/接收单元可以是单独的驱动单元和单独的接收单元或组合的驱动/接收单元。在许多情况下，驱动/接收单元是反馈电振荡电路的一部分，借助于其，可产生机械可振荡单元的激励以机械振荡。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据该振荡电路条件，振荡电路中的所有放大的总和或放大系数≥1且在振荡电路中产生的所有相位成为360°的倍数。

为了激励电子振动传感器，并且与此同时满足振荡电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的一定相移。因此，经常调整可可预先确定的相移值，即激励信号和接收信号之间的相移目标值。为此目的，从现有技术中已知最多样化的解决方案，包括模拟和数字方法两者。例如，使用合适的滤波器频繁地调整可预先确定的相移，或者通过控制回路将相应的现有相移调整到可预先确定的相移-目标值。在这方面，de102006034105a1公开了可调移相器的使用。相反，在de102007013557a1中描述了用于额外控制振荡幅度的可调放大因子的放大器的附加集成。然而，根据de102005015547a1，使用全通滤波器。诸如在de102009026685a1、de102009028022a1和de102010030982a1中公开的借助于所谓的频率扫描，或者如在de102010030982a1中所述的借助于锁相环(pll)，基于接收信号的相应现有频率的激励信号和接收信号之间的相移的调整也是可能的。

原则上，在电子振动传感器的情况下，激励信号和接收信号的特征都在于它们的频率f、幅度a和/或相位φ.。因此，诸如预定料位、流速、密度和/或粘度的这些变量的变化通常用于确定相应的过程变量。例如，在用于液体的电子振动限制液位开关的情况下，对于可振荡单元是否被液体覆盖或者是自由振荡进行区分。这两种状态，即自由状态和覆盖状态，在激励信号和接收信号之间存在可预先确定的相移的情况下，例如，基于不同的共振频率，即频移来加以区分。另一方面，仅当可振荡单元被介质覆盖时，才能够用这种测量装置确定密度和/或粘度。例如，从文献de10057974a1、de102006033819a1、de10050299a1和de102007043811a1中，已知适用于确定密度和/或粘度的电子振动传感器和相应的测量原理。

无论是否要确定料位、密度或粘度，必须调整激励信号和接收信号之间的可预先确定的相移，其中相应测量装置的测量精度基本上取决于相移的调整精度。这对于在确定粘度和/或密度的情况下，其可靠的确定需要约1°的相位调整精度，尤其如此。

然而，由于基于频率的激励和信号评估，在电子振动传感器的相应过程变量的确定和/或监测的持续操作期间，由于各种干扰影响，诸如例如，外部振动(诸如，泵或超声波浴的振动)，可能出现问题。这些干扰影响，特别地在可预先确定的相移的调整精度方面存在问题，然后对相应的电子振动传感器的测量精度具有不利影响。为了避免由于相应的干扰影响而降低的测量精度或测量性能，de102012101667a1提出在存在作为外部振动的频率和/或幅度的函数的至少一个外部振动的情况下，配置控制/评估单元，以使得接收信号基本上不受外部振动的干扰和/或抑制外部振动的至少一个频率的方式，来控制振荡激励。

从de102014119061a1中已知一种对这种-特别地，机械的-干扰影响特别不敏感的电子振动传感器。该传感器的电子系统单元包括至少一个自适应滤波器，并且被设计成适当地调整滤波器特性，以使得在激励信号和接收信号之间发生可预先确定的目标相移的方式，描述滤波器的特性。以下完整地参考该文献。

关于可预先确定的相移的调整精度的另一个重要方面是分别用于电子振动传感器的生产的-特别是电子-部件。即，分别存在于由相位的总和引起的激励信号和接收信号之间的特定时间点的相移是分别由所使用的部件-特别地电子系统单元的部件引起的。由于这些部件本身，除其他外，依赖于各种过程参数，诸如，温度或压力，因此它们不一定随时间不变。为了解决这个问题，先前未公开的参考号为102015112421.1的德国专利申请引入了一种具有相位校正单元的电子振动传感器，该相位校正单元根据取决于至少一个过程参数的传感器的至少一个部件的至少一个特征变量确定相位校正值，并根据相位校正值调整激励信号和接收信号之间的可预先确定的相移。以下也参考该文献的全部内容。

确实，除了上述干扰影响和由过程参数引起的影响之外，由单独部件引起的相移本身原则上受到一定的公差，这能够对电子振动传感器的测量精度导致不利影响。为了考虑这个方面，在适用的情况下，对每个单独的传感器执行复杂的校准。

技术实现要素：

从这个问题出发，本发明是基于提供一种尽可能高的测量精度的电子振动传感器的目的。

该目的通过根据权利要求1的用于电子振动传感器的补偿装置、根据权利要求9的电子振动传感器，以及根据权利要求14的用于操作电子振动传感器的方法来实现。

关于补偿装置，本发明用补偿装置实现了潜在目的，该补偿装置用于补偿由电子振动传感器的电子系统单元的至少一个部件引起的至少一个相移，其中电子振动传感器具有至少一个机电转换器单元。该补偿装置至少包括：

-桥接单元，用于电气地桥接至少机电转换器单元；

-信号产生单元，用于产生以具有第一可选频率的电交变信号的形式的至少一个第一测试激励信号；

-相位检测单元，用于确定测试激励信号和至少一个第一测试接收信号之间的至少一个现有第一相移，该第一测试接收信号通过至少桥接单元和电子系统单元的至少一个部件；以及

-计算机单元，其至少根据第一相移确定相位补偿指令。

补偿单元被配置为将相位补偿指令传送到电子振动传感器的电子系统单元的相位调整单元。

因此，补偿装置用于至少校正或补偿电子振动传感器的至少一个部件的相移。借助于补偿装置确定由至少一个部件引起的相移，并且由此计算相位补偿指令，该指令被传送到电子系统单元。然后，电子系统单元在调整可预先确定的相移时考虑相位补偿指令。

可以设想，补偿装置被设计成使得它在每种情况下相继地确定由各个部件或部件组引起的相移，然后根据各个部件或部件组的各个值或各个相移的总和来确定相位补偿指令。然而，可替换地，其也能够以在操作期间，其确定所有相应部件的相移的总和，并根据该值确定相位补偿指令的方式被设计。

在每种情况下，机电转换器单元被电气地桥接以确定相位补偿指令。此外，可以桥接传感器的一个或多个部件、特别是电子部件，其引起额外的相移。信号产生单元反过来被设计成至少产生可预先确定第一频率的测试激励信号。然而，其也能够被设计成产生不同频率的几个测试激励信号。在后一种情况下，有利地也能够补偿由传感器的各个部件引起的相移的频率依赖。

相位补偿指令，优选地不在连续测量操作期间确定，而是在单独的间隔中确定，下面称为补偿操作模式。根据本发明，补偿装置能够被设计成使得其在相应电子振动传感器投入运行之前使用。然后，例如，其可以连接到传感器一次。有利地，能够以基本上自动和独立的方式确定由传感器的电子部件引起的相移，并且创建相应的相位补偿指令。考虑到复杂、单独的校准和补偿操作，因此，例如，省去所使用的部件的容错。作为替代，补偿单元也能够被设计为传感器的一部分。在后一种情况下，还可以在可预先确定的时间间隔处重复运行补偿操作模式，并且因此还考虑由各种部件引起的相移的时间变化。

在一个实施例中，补偿装置能够可拆卸地连接到电子振动传感器的电子系统单元。例如，其可以被设计为针头适配器等。然而，本领域技术人员公知的其他可能的实施例也可以想到并且也属于本发明。

本发明的一个有利实施例提供了，桥接单元包括至少与机电转换器单元并联连接的桥接支路。如果其他部件是电气地桥接的，则除了机电转换器单元之外，桥接支路优选地也与这些部件并联连接。

在这种情况下，如果桥接支路包括至少一个电容器、一个线圈或一个电阻器是有利的。这些电气部件用作机电转换器单元的替换开关元件。如果机电转换器单元包括，例如，至少一个压电元件，则桥接支路优选地包括至少一个电容器。另一方面，在电磁驱动的情况下，线圈是优选的。对于该实施例，在桥接支路中使用的相应部件的至少一个特征变量是，在这种情况下优选地适于机电转换器单元的至少一个相应的特征变量。

根据另一个优选实施例，信号产生单元是用于产生可变频率信号的单元，特别地，是受控振荡器。在这种情况下，考虑模拟受控振荡器和数字受控振荡器。以这种方式，借助于补偿单元能够确定由传感器的各个部件引起的相移的频率依赖，并且频率依赖的相位补偿指令能够被计算。

有利的是，补偿装置包括至少一个滤波器，特别地，自适应滤波器，特别地，带通滤波器或谐振器滤波器。该实施例特别地适用于根据文献de102014119061a1的电子振动传感器的情况，如在说明书的背景技术中已经描述的那样。

如先前在说明书的背景技术中已经提到的、在参考号为102015112421.1的未公开的德国专利申请中所描述的那样，如果补偿装置包括至少一个相位校正单元也是有利的。在这种情况下，可以通过各种过程参数另外考虑对相位调整精度的影响。

最后，在补偿装置的另一个实施例中，至少一个部件是模拟输入级或模拟输出级，例如运算放大器——特别地，电荷放大器——阻抗转换器，或滤波器——特别地，抗混叠滤波器。其也能够是电子振动传感器的模数转换器、数模转换器、晶体管级或模拟开关。能够引起激励信号和接收信号之间的额外相移的传感器的相应相关部件，根据——特别地电子系统单元的——设计和根据选择用于产生和检测的电子振动传感器的机械振荡的操作原理而变化。特别地，本发明能够用于电子振动传感器的模拟和数字电子系统单元两者中。

根据本发明的目的进一步通过用于确定容器中的介质的至少一个过程变量的电子振动传感器实现，该电子振动传感器至少包括机电转换器单元和电子系统单元，其中电子系统单元具有根据前述权利要求中至少一项的补偿装置。电子系统单元进一步被设计为：

-根据接收信号产生激励信号，

-借助于在电子系统单元中提供的相位调整单元，调整激励信号和接收信号之间可预先确定的相移；以及

-根据接收信号确定至少一个过程变量和/或监测该过程变量。

同样在这种情况下，与电子振动传感器相关联的补偿单元能够可拆卸地连接到电子振动传感器，或者能够被设计为电子振动传感器的固定部件。因此，根据本发明的电子振动传感器包括用于相对于激励信号和接收信号之间的相移校准或补偿至少一个其电子部件的方法。

如在说明书的背景技术中所列出的，本领域技术人员充分已知的电子振动传感器的所有变型在这种情况下被考虑作为相位调整单元。例如，如已公开文献de102014119061a1中所述，相位调整单元能够包括至少一个滤波器，特别地，自适应滤波器。

在一个实施例中，机电转换器单元包括至少一个压电元件或一个线圈。

在另一有利的实施例中，电子振动传感器进一步包括用于在测量操作模式和补偿操作模式之间来回切换的至少一个开关元件，其中，在测量操作模式中确定和/或监控至少一个过程变量，在补偿操作模式中确定相位校正指令并将其传送到相位调整单元。因此，能够在可预先确定的时间点或在可预先确定的时间间隔之后重复激活补偿操作模式，并且能够更新由电子振动传感器的相位调整单元使用的相位校正指令。

根据另一个实施例，过程变量是容器中介质的可预先确定的料位、介质的密度和/或粘度。

一个实施例提供了，提供可振荡单元，特别是，音叉、单杆或膜。

最后，根据本发明的目的还通过一种用于操作根据本发明的用于确定和/或监测至少一个过程变量的电子振动传感器的方法来实现，其中，在补偿操作模式中，确定用于补偿由振动传感器的电子系统单元的至少一个部件引起的至少一个相移的相位补偿指令，其中，在测量操作模式中，调整激励信号和接收信号之间的可预先确定的相移，其中，考虑相位补偿指令以调整可预先确定的相移，并且其中，确定和/或监测至少一个过程变量。

关于该方法，如果当传感器投入运行时执行一次补偿操作模式，或者如果在可选择的时间间隔周期性地执行补偿操作模式是有利的。

该方法的一个实施例进一步提供了，借助于补偿操作模式，补偿由环境温度的变化引起的电子系统单元的至少一个部件的相移。

根据本发明的方法的另一个实施例，在补偿操作模式中，使用具有第一可预先确定的频率的单个测试激励信号，并且使用测试激励信号和测试接收信号之间的现有第一相移作为相位校正指令。

另一方面，在该方法的替代实施例中，在补偿操作模式中，使用具有至少一个第一频率和一个第二频率的至少一个第一测试激励信号和一个第二测试激励信号，其中计算在第一测试激励信号或第二测试激励信号和测试接收信号之间的至少一个第一相移和一个第二相移，其中至少根据第一频率和第二频率的值和至少从第一相移和第二相移计算可预先确定的至少一阶的多项式函数作为相位校正指令。在每种情况下具有不同频率fn的测试激励信号的数量优选地对应于至少多项式函数的阶数n'。

需要指出的是，在每种情况下，与补偿装置、电子振动传感器和该方法有关的实施例可以比照适用于彼此。

附图说明

下面参考图1至图3更详细地解释本发明及其有利实施例。这些参考图示出了：

图1：根据本发明的具有补偿单元的电子振动传感器的示意图；

图2：根据本发明的具有补偿装置的电子振动传感器的模拟电子系统单元的框图；以及

图3：根据本发明的具有补偿装置的电子振动传感器的数字电子系统单元的框图。

具体实施方式

图1示出了电子振动传感器1。可振荡单元4以音叉的形式描绘出，其部分地浸入介质2中，介质2位于容器3中。可振荡单元由激励/接收单元5激励以机械振荡，并且能够是，例如，压电堆叠驱动器或双压电晶片驱动器。然而，自然地，应当理解，电子振动传感器的其他实施例也属于本发明。此外，示出了电子系统单元6，借助于该电子系统单元6进行信号采集、评估和/或供应。根据本发明，电子系统单元也导电地且可拆卸地连接到补偿单元7，借助于该补偿单元，能够补偿用于补偿激励信号和接收信号之间的，由电子振动传感器1的部件(尤其地，电子系统单元6的部件)引起的至少一个附加相移的至少一个相位补偿指令。

图2示出了具有电子振动传感器1的模拟电子系统单元6的电子振动传感器1的框图，该模拟电子系统单元6具有相关联的合适的补偿单元7。在每种情况下，将被分配给电子振动传感器1的电子系统单元6的那些部件以虚线示出。在测量操作模式中，可振荡单元4借助于机电转换器单元5并借助于激励信号ua激励以机械振荡，该激励信号ua首先通过模拟输出级8a。从可振荡单元4或机电转换器单元5接收的接收信号ue在被提供给相位调整单元9(例如，移相器)之前，首先通过模拟输入级8b，该相位调整单元9在此代表电子系统单元6的所有那些部件，除其他外，电子系统单元6用于调整激励信号ua和接收信号ue之间的可预先确定的相移δφ，以相对于相应的过程变量评估接收信号ue，并根据接收信号ue产生激励信号ua。电子振动传感器1的各种附加的模拟操作模式对于本领域技术人员来说是已知的，并且在，例如说明书的背景技术中引用的文献被描述，因此这个方面下文不详细讨论。

在图2中所示的本发明的实施例中，借助于四个开关元件10a-10d启动补偿操作模式。补偿单元7是电子振动传感器1的电子系统单元6的一部分。其他实施例还可以提供单独的补偿单元7，其能够——例如，以针头适配器的形式——特别地，可拆卸地——连接到电子系统单元6。

补偿单元7的桥接单元11包括与机电转换器单元5并联连接并具有电容器13的桥接支路12。通过这种方式，由模拟输出级8a和模拟输入级8b引起的相移以第一现有相移δφtest1的形式一起检测并在补偿操作模式中进行补偿。然而，在另一个实施例中，桥接单元11还能够桥接电子系统单元6的至少一个另外的部件，例如，模拟输入级8b或模拟输出级8a。然后，在补偿操作模式中不考虑该另外的桥接的部件。为了从补偿操作模式中排除各个部件，开关元件10b也能够可替代地布置在不同的位置。在不考虑模拟输出级8a的情况下，在图2的框图中，开关元件10b必须安排在，例如，电子振动传感器4，5和模拟输出级8a之间。在后一种情况下，由电子系统单元6的各个部件引起的相移δφtest1、δφtest2…能够通过，例如电路的特定变化单独地确定，并且在适用的情况下，随后一起被补偿。

在补偿操作模式期间，借助于信号产生单元14(这里，受控振荡器)产生第一可预先确定的频率f1的至少一个第一测试激励信号uatest1。在这种情况下，频率f1优选地与激励信号ua的频率f相同。测试激励信号uatest1通过模拟输出级8a、桥接单元11和模拟输入级8b，并且随后被提供给相位检测单元15。可以想到的相位检测单元15是不同的、模拟的以及数字的实施例，这些实施例对于本领域技术人员来说是充分已知的，并且都属于本发明的范围。相位检测单元15还由信号产生单元14提供测试激励信号uatest1，使得其能够确定测试激励信号uatest1和测试接收信号uetest1之间存在的第一相移δφtest1。计算机单元16随后至少根据第一相移δφtest1确定相位补偿指令σ。在考虑由电子振动传感器的部件引起的相移的频率依赖的情况下，信号产生单元14、相位检测单元15和计算机单元16进一步被设计成产生具有两个不同的频率f1和f2至少两个测试激励信号uatest1、uatest2，以接收两个测试接收信号uetest1，uetest2、以确定两个相移δφtest1和δφteat2，并由此以计算相位补偿指令σ。

最后，在图3中也以框图的形式示出了尤其适用于电子振动传感器1的数字电子系统单元6的补偿单元7。已经结合图2解释的部件在下文不再讨论。与根据图2的模拟电子系统单元6相比，根据图3的数字电子系统单元6额外地包括模数转换器17b和数模转换器17，在补偿操作模式的背景下，结合其相移考虑两个部件。

至少一个滤波器——特别是自适应滤波器18a——能够可选地进一步分配给补偿装置7；在这里所示的实施例中，提供了两个滤波器18a、18b。该实施例尤其适用于de102012101667a1中描述的电子振动传感器。在这种情况下，滤波器18a、18b尤其适用于电子振动传感器1的电子系统单元6的自适应滤波器(这里未单独示出)，并且特别地，在结构上随之相同。

另一个可选的附加在于参考元件19的集成，该参考元件能够经由第五开关元件10e操作。基于机电转换器单元5的实施例，参考元件19可以由，例如电容器或线圈提供。如具有参考号102015112421.1的先前未公开的德国专利申请中所述的，该参考元件19用于确定由至少一个过程参数引起的额外相移。

参考符号列表

1电子振动传感器

2介质

3容器

4可振荡单元

5机电转换器单元

6电子系统单元

7补偿单元

8a、8b模拟输出级、模拟输入级

9相位调整单元

10a-10e开关元件

11桥接单元

12桥接支路

13电容器

14信号产生单元

15相位检测单元

16计算机单元

17a，17b数模转换器、模数转换器

18a，18b滤波器

19参考元件

ua激励信号

ue接收信号

uatest1，uatest2第一测试激励信号、第二测试激励信号

uetest1，uetest2第一测试激励信号、第二测试激励信号

f1，f2第一频率、第二频率

δφ可预先确定的相移

δφtest1，δφtest2由部件引起的相移

σ相位补偿指令