阻抗传感器及其操作方法与流程

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的阻抗传感器和根据权利要求10的前序部分的方法。

背景技术：

现有技术已公开这种类型的阻抗传感器，例如其用于测量物位极限。用于检测预定物位(极限)的典型应用例如包括诸如加工过程中的过程罐、储存罐、储槽或管线之类的过程容器。这里，阻抗传感器常用作所谓的极限开关，即用于在不同流体以及颗粒状或粉末状散装材料中确定填充介质是否超过特定物位(即，所谓的极限)或相对于特定物位是否短缺。

其它类型的极限开关也是已知的，这些极限开关根据应用领域、过程条件以及填充介质的特性来选择。除阻抗传感器之外，还使用根据时域反射法(tdr：timedomainreflectometry)原理工作的传感器，或者使用振动极限传感器或电容式传感器。例如，极限开关的开关命令能够启动或停止填充设备或排出设备，以避免相应过程容器溢出或变空。

图4示出已知的阻抗传感器100。

图4示出根据现有技术的阻抗传感器100的简化框图。基本上，现有技术中已知的阻抗传感器100(在下文中也称为极限传感器或极限检测器)包括电子单元101和探针102。探针102在本示例性实施例中被设计为串联振荡电路。测量电容110形成在测量电极106和参考电极108之间，测量电容110与分立电感109连接成作为串联振荡电路形成的测量振荡电路。

测量电极106被设计成关于阻抗传感器100的纵向轴线l旋转对称，并经由绝缘体107与过程室90分离。有利地，对分立电感109进行选择，使得振荡电路的共振频率fres在100mhz和200mhz之间用于各种介质和/或覆盖条件(空、满和受污染)。

在100mhz和200mhz之间分析该测量振荡电路的随频率变化的复值阻抗|z|的量，即通过频率发生器103利用包括100mhz和200mhz之间的频率的频率扫描来激励测量振荡电路，并利用频率检测器104检测测量振荡电路的响应信号(频率响应)。如果介质靠近探针102，则测量振荡电路的阻抗性能发生变化，即，特别地，它的形成阻抗最小值处的共振频率fres发生偏移。

频率扫描被理解为具有频率范围内的多个连续频率的顺序激励，由此，频率范围理想地包含测量振荡电路的所有可能的共振频率。

在评估和控制单元105中使用测量振荡电路的阻抗的变化来进行分析。具体地，针对频率变化δf和阻抗最小值的幅值的变化(也称为幅值变化)δz，评估频率响应，并据此产生开关命令。

根据现有技术的阻抗传感器在从-40℃至+115℃的过程温度下使用。这些温度差异极大影响频率发生器103和频率检测器104的性能，从而导致测量误差并因而导致错误的开关命令。这被视为现有技术的缺点。

作为示例，图5列出了根据现有技术的用于番茄酱介质的阻抗传感器100的频率响应。

曲线200示出清洁探针102的共振特性。阻抗z的量是关于频率f示出的。

曲线201示出由于番茄酱粘附而受污染的探针102的特性，且曲线202示出完全被番茄酱覆盖的探针102的特性。

通过评估和控制单元105实现开关命令(空、满)，其中，根据该现有技术，仅使用共振曲线的最小值来进行分析。针对频率变化δf和幅值变化δz，对这些最小值进行评估。如果共振曲线的最小值位于范围i中，则评估和控制单元105发出开关命令“空”。然而，如果最小值位于范围ii内，则发出开关命令“满”。这两个定义的开关范围i、ii能够由工厂编程在阻抗传感器100中，或者通过客户校准进行调节和改变。理想地，这些区域应当如下地定义：因为客户侧校准是耗时的且因此是不期望的，因此针对尽可能多的不同介质，标准设定是充足的。

由于处于-40℃至+115℃的范围内的过程温度的缘故，阻抗传感器100的电子单元101也暴露于相对高的温度波动。

图6示出在探针102的未覆盖状态下阻抗传感器100的两个共振曲线，其中，曲线300描绘了+25℃处的特性，且曲线301描绘了+115℃处的特性。从图6可见，曲线300的最小值在范围i中的25℃处，且曲线301的最小值在范围ii中的115℃处，尽管二者涉及相同的物位(即，未覆盖传感器)，但对应于阻抗传感器100的不同的开关状态。这种不一致的原因在于电子单元101的温度依赖性。因此，这里，温度影响导致极限传感器100的不正确的开关判断。

特别地，信号发生器103具有明确的温度特性。图7a和7b示出了这种特性。在现有技术中，信号发生器103被设计成压控振荡器。压控振荡器被供应来自r-c元件的作为输入信号的模拟电压斜坡300，如图7a所示，斜坡300在最小电压umin和最大电压umax之间线性地延伸。在理想情况下，能够在输出端处获得线性地延伸的频率斜坡，利用该频率斜坡，能够将输入300的每个电压值与输出信号的唯一频率f相关联。然而，这不是由温度影响和电压控制型振荡器的非线性特性导致的情况。

图7b示出电压控制型振荡器在三个不同的温度t下的输出特征曲线，这些曲线是在根据图7a的作为输入信号的电压斜坡300的情况下出现的。例如，输出特征曲线301描绘了在非常低的温度下的特性，且特征曲线302描绘了非常高的温度下的特性，即，在此情况下，这两个特征曲线分别描绘了-40℃和+100℃处的特性。在室温下，特征曲线303是预期的。

在时间t1处出现在电压斜坡300上的电压值u1处，根据温度可能出现不同的频率f。对于图7b所示的温度，对于同一输入电压，频率f1、f2和f3是可能的。相反地，频率f1既可以通过利用在时间点t1处时间的电压u1的激励产生，也可以通过利用在时间点t4处施加的电压u4的激励产生。

从图7b可见，由于温度依赖性以及信号发生器103的非线性的缘故，不再能够明确在输入信号的哪个电压u下实现了输出信号的特定频率f，反之亦然。这将在实际中导致显著的测量误差。

技术实现要素：

本发明能够解决上述问题。

根据本发明的阻抗传感器包括探针、测量振荡电路、电子单元和信号处理单元，探针可在电容方面被包围探针的介质影响，探针作为电容确定元件布置在测量振荡电路中，电子单元具有用于激励测量振荡电路的信号发生器和用于确定测量振荡电路的响应信号的信号检测器，信号处理单元连接到电子单元，其中，信号发生器被设计成数字控制电路。

由于信号发生器的作为数字控制电路的实施例，能够以简单的方式向信号发生器提供适配的、几乎任意设计的输入信号。因而，能够调节信号发生器的输入信号，使得例如尽管存在信号发生器的非线性和/或温度依赖性，但在信号发生器的输出端处产生线性地延伸的频率斜坡。

根据本发明的被设计成数字控制电路的信号发生器应当被理解成利用数字信号控制的用于产生测量振荡电路的输入信号的电路结构。特别地，可以进行信号的数模转换。这里，决定性的是，进行能够实现适配的电压曲线的数字控制。

被设计成数字控制电路的信号发生器可以例如被设计成由数模转换器和压控振荡器形成的串联电路。也可以在控制器的输出端处已经进行模数转换，接着利用转换结果激励压控振荡器。

可替代地，可以调节输入信号，使得能够补偿电子单元和探针的额外的温度依赖性。

在简单实施例中，可以根据温度来执行信号发生器的控制，也就是说，这里，向信号发生器提供根据主要环境温度预定的或可预定的输入信号，由此补偿信号发生器的输出信号的温度依赖性。在此，补偿也应当被如下地理解成：信号发生器被提供一种输入信号，该输入信号经过调节，使得获得的输出信号对应于在信号发生器未暴露于任何温度影响的情况下获得的输出信号。

在阻抗传感器具有优选地连接到信号处理单元的温度传感器的情况下，输入信号的调节特别容易进行。利用温度传感器，可以简单地且节约成本地确定信号发生器或电子单元上的温度。

理想地，温度传感器应定位在信号发生器附近。于是，可以非常精确地确定信号发生器的环境温度，并相应地可获得更精确的补偿。信号发生器和温度传感器之间的距离越远，这两个位置之间的温度差异越大。

事实上，例如，使用了控制器中的温度传感器(出于空间和成本的原因)。温度传感器尽可能近地布置在待补偿的部件附近。

在该阻抗传感器的一个实施例中，阻抗传感器具有存储器，在存储器中保存有用于信号发生器的依赖于温度的控制曲线。在存储器中，针对多个不同的温度值，保存有信号发生器的分别针对确定的温度调节的输入信号的走向(德文：verlauf；英文：course)，这些输入信号的走向被提供到信号发生器以用于优化测量结果。

优选地，针对测量温度的各种温度范围存储了这种用于输入信号的曲线。经试验证明，当在从-40℃到+115℃的运行温度的整个范围内以5℃的步阶保存输入信号的情况下实现充分精确的补偿。

输入信号的曲线理想地被设计成使得在压控振荡器的相应的控制曲线的情况下，压控振荡器具有线性地延伸，特别地线性地增加的输出信号。

额外地或可替代地，可以借助参考电路(其中，电子单元交替地连接到参考电路和测量振荡电路)来补偿电子单元中的所有部件的温度依赖性，因而特别地能够补偿信号发生器和信号检测器的温度依赖性。例如，可以通过如下方式进行这种补偿：提供存储器，以在其中存储有参考电路在定义的标准条件以及利用理想的频率斜坡的激励的情况下的频率响应。该存储器优选地布置在信号处理单元中。因而，在给定的测量条件下计算的参考电路的频率响应可以与保存的频率响应进行比较，并可以改变频率发生器的输入信号，使得这些频率响应一致。接着，将以此方式改变的输入信号供应到测量振荡电路，并用于测量。

在另一改进示例中，信号发生器被设计成直接数字合成电路。直接数字合成是用于产生具有几乎任意频率分辨率的周期性的有限频带的信号的数字信号处理中的方法和集成部件的名称。直接数字合成电路需要来自评估和控制单元的控制字以及用于实施这种信号的参考时钟信号。例如，参考时钟信号可以从外部的相对温度稳定的石英晶体获得，并被提供到直接数字合成电路。通过使用这两种输入变量，产生了相对温度非常稳定的模拟输出信号。

根据本发明，提供了一种用于操作阻抗传感器的方法，阻抗传感器包括探针、测量振荡电路、电子单元和信号处理单元，探针可在电容方面被包围探针的介质影响，探针作为电容确定元件布置在测量振荡电路中，电子单元具有用于激励测量振荡电路的信号发生器和用于确定测量振荡电路的响应信号的信号检测器，信号处理单元连接到电子单元，其中，信号发生器被设计成数字控制电路。该方法包括以下步骤：

-执行温度测量和/或参考测量；

-利用适配于温度测量和/或参考测量的结果的输入信号来激活信号发生器；

-确定测量振荡电路的频率响应的幅值最小值的位置；并且

-发出探针是否被测量介质覆盖的测量结果。

在该方法的一个实施例中，基于温度测量，可以选择保存的输入信号走向，并将其供应到信号发生器。该过程特别简单，并因此能够不费力地实施。

理想地，调节输入信号的走向，使得信号发生器的输出信号具有线性的走向，即，特别地，实现了以恒定的走向延伸的线性频率斜坡。

在该方法的一个实施例中，对于参考测量，这里，使信号发生器在输出侧连接到参考电路，将参考电路的频率响应与保存的频率响应进行比较，改变信号发生器的输入信号，使得参考电路的频率响应对应于保存的频率响应，且将以此方式调节的输入信号作为经调节的输入信号用于激励测量振荡电路。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细地说明本发明。在这些附图中：

图1示出数字可控阻抗传感器的第一示例性实施例；

图2示出数字可控阻抗传感器的第二示例性实施例；

图3示出根据图1或2的阻抗传感器的示例性实施例；

图4示出根据现有技术的阻抗传感器(已讨论)；

图5示出根据图4的传感器在不同的传感器覆盖率下的响应信号(已讨论)；

图6示出根据图4的传感器在不同的温度下的响应信号(已讨论)；且

图7示出根据现有技术的信号发生器在不同的温度以及根据图7a的输出信号下的输出信号(已讨论)。

具体实施方式

图1示出根据本发明的阻抗极限开关400的第一示例性实施例。

基本上，根据图1的阻抗极限开关400由评估和控制单元401、与评估和控制单元连接的数字控制信号发生器402以及也与评估和控制单元401连接的温度传感器403组成。

在本示例性实施例中，信号发生器402由数模转换器404和布置在数模转换器404的下游的压控振荡器405组成。这里，评估和控制单元401承担信号发生器402的数字激励和定时脉动。评估和控制单元401向数模转换器404提供数字控制信号，由此该信号被转换成模拟电压信号以用于控制压控振荡器405。压控振荡器405接着将模拟电压信号转换成频率信号，该频率信号被提供到由探针102和分立电感109组成的测量振荡电路。测量振荡电路基本上以与现有技术中已知的测量振荡电路相同地构造，并与现有技术中已知的测量振荡电路具有相同的功能。这里参照与图4相关的说明。

在本示例性实施例中布置在评估和控制单元401中的存储器中存储有用于信号发生器的数字控制信号。这些控制信号包括由工厂定义并编程在存储器中的依赖于温度的校正参数和用于补偿压控振荡器405的温度性变化的线性化值。

通过测量阻抗传感器400的位置处的当前温度，可以从存储器中取出适当存储的数字控制信号，并将其供应到信号发生器402。通过该过程，在信号发生器402的输出端处实现了相对温度稳定的且线性化的频率斜坡，并因而能够实现可靠稳定的极限测量。为此制备的阻抗传感器或极限传感器400在整个允许的温度范围内是可用的、可靠的，并具有一致的测量精度。

可替代地，数字控制信号发生器402可以由直接数字合成(dds:directdigitalsynthesis)电路形成。在该示例中，通过来自评估和控制单元401的控制字来实现数字控制。控制字包含待产生的模拟输出信号的有关信息。dds的时钟通过外部的相对温度稳定的石英晶体实现。通过使用dds的这两个输入变量，产生了输出频率。阻抗极限开关400同样包括存储器和温度传感器503，如图1所描绘，可以进行信号发生器402的温度控制式激励。相比于根据图1的实施例，dds的优点在于其相对温度非常稳定地工作，并相应地降低了信号发生器的温度依赖性。

在替代实施例中，数字控制信号发生器402也可以被设计成相位控制环路。其余电路保持不变。

图2示出根据本发明的阻抗极限开关600的另一示例性实施例。

阻抗极限开关600包括评估和控制单元601、数字控制信号发生器602、开关603和参考电路604。评估和控制单元601包括存储器，参考电路604的阻抗特性由工厂存储在存储器中，特别地，参考电路604在被预定信号(特别是，预定的频率斜坡和/或频率扫描)激励时的响应信号存储在存储器中。

例如，借助开关603(其可以实施为hf开关)，控制线605和评估和控制单元601可以将电子单元606交替地连接到参考电路604或测量振荡电路，即，可以激活参考电路604，并相应地去激活测量电路。在激活参考电路604之后，测量其频率响应或阻抗特性，并与保存的参考曲线相比较。经由评估和控制单元601，使用于信号发生器602的数字控制信号发生变化和/或改变，直到测量的频率响应和保存的参考曲线一致或者在指定的最大偏离的范围内。接着，再次去激活参考电路604，并激活测量振荡电路。现在，信号发生器602被供应相应地修改的数字控制信号，使得信号发生器602被供应的信号既补偿整个电子单元606的温度特性，又补偿信号发生器602和信号检测器的任何非线性。

该示例可特别地用于整个电子单元606的温度补偿。可以每分钟/秒钟或者在每次测量之前对数字控制信号相应地进行多次适应性设置。

在现有技术中，阻抗传感器的测量振荡电路在它们的整个操作范围703(即，从下限频率fmin至上限频率fmax的范围)内被激励。为此，信号发生器被供应模拟电压斜坡，该模拟电压斜坡连续地从最小电压遍历至最大电压。这仅在电压斜坡通过r-c元件模拟地产生时是可能的，且因而不可能提供各个离散电压值。

图3示出根据本发明的阻抗传感器的示例性实施例，该实施例通过信号发生器的数字激励来实现。

在根据本发明的数字控制信号发生器的情况下，目前能够利用离散电压值处的数字信号激励信号发生器，并因而仅遍历或分析大频率范围703的特定的较小区域。这能够显著地减小测量时间，并因而能够降低阻抗极限开关的功率需求。

图3示出探针102的三个不同频率响应的示例。洁净并因而未覆盖的探针产生响应特性700。曲线701示出覆盖有油的探针102的响应特性。曲线702描绘完全被水包围的探针102的响应特性。

如果阻抗极限开关知晓检测介质，则不需要检查整个频率范围703，并且仅对预期有共振频率的频率范围进行分析就足够了。

因此，对于含水溶液，作为示例，检查范围704就足够了，且对于基于油的介质，检查705就足够了。因此，信号发生器仅需要传送用于该范围的频率信号。如果共振曲线的最小值位于相应的范围704或705内，则极限开关发出覆盖状态。如果在相关区域中不存在最小值，则分析范围706。如果共振曲线的最小值位于该范围内，则发出未覆盖状态。通过用户参数化或通过工厂来设定阻抗极限开关，以使其匹配于待测量的介质。

附图标记列表

90过程室100阻抗传感器101电子单元

102探针103频率发生器104信号检测器

105控制单元106测量电极107绝缘体

108参考电极109电感200曲线

201曲线202曲线300曲线

301曲线400阻抗传感器401评估和控制单元

403温度传感器404数模转换器405振荡器

600阻抗极限开关601评估和控制单元602信号发生器

603开关604参考电路700曲线

701曲线702曲线703频率范围

704范围705范围706范围

f频率δf频率变化t时间

u电压δz幅值变化z阻抗

umin最小电压umax最大电压fmin极限频率

fmax极限频率f1第一频率f2第二频率

f第三频率t1第一时间t2第二时间

t3第三时间t4第四时间