振动传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于监测介质的至少一个过程变量的方法和设备，该介质具有至 少一个能够振动的单元。
【背景技术】
[0002] 例如，液位测量装置情况下，这类设备-同样设计为电子振动传感器-具有例如振 荡音叉，单独的杆件或者膜片作为可振动单元。在操作过程中，这类可振动单元受到机电换 能器单元引起的激励开始机械振动，例如依次受到压电致动器或电磁致动器的激励。然而 在流速测量装置情况下，可振动单元还可以设计为可振动管道，相应的介质通过管道流动， 例如，在根据科里奥利原理运行的测量设备中流动。自然可以理解的是其它同样落入本发 明范围的可能性也同样出现在除所引用示例的可振动单元以及机电换能器单元内。
[0003] 相应的现场仪器由申请人大量制造，并且例如对于液位测量设备的情况，被以名 称LIQUIFANT和/或S0LIPHANT销售。内在的测量原理基本上可以从大量公开的文献中获知。 通过机电换能器单元激励可振动单元进行机械振动，大部分是通过模拟电气振荡电路产生 的。通过电激励信号，机电换能器单元激励可振动单元进行机械振动。相反地，机电换能器 单元接收可振动单元的机械振动，并且将其转换为可接收的电信号。机电换能器单元相应 的包括单独的致动器单元和单独的接收器单元，或者致动器/接收器单元的组合。
[0004] 因此致动器/接收器单元是集成在电子单元内的控制电路的一部分，其中控制电 路调节激励信号，从而在激励信号和所接收的信号之间出现预定的相移。例如，根据震荡发 生的条件，发生在振荡电路中的所有相位结果是360度的倍数，对于谐振震荡发生的条件必 须满足。
[0005] 激励信号和所接收的信号都是以各自的频率，幅值和/或相位为特征。这些变量的 变化相应的通常用于确定各自的过程变量，例如容器内介质的预定液位，或者同样介质的 密度和/或黏度，或者介质通过管道的流速。在用于流体电子振动点水平开关情况下，例如， 其不同在于可振动单元是否被流体覆盖或者自由振动。由此使用不同的谐振频率，即频移 来区分这两种状态-自由状态和被覆盖状态。仅需要至少部分被介质覆盖，采用该测量设备 就可以依次确定密度和/或黏度。
[0006] 现有技术中，已经获知对可振动单元的模拟和数字激励方法，其中数字激励的特 征在于使用的可能性更广泛。然而，这反过来经常会成为劣势，包括对相应测量设备相当高 的功耗。因此功耗更低的数字激励方法更受欢迎。
[0007] 例如，DE102009026685A1中的一种方法已经成为公知的关于电子振动传感器的受 控数字激励，其基于预定频率的受迫激励。为了找到激励信号的激励频率，该频率处会出现 预定相移，实施扫频，并且确定与预定相移对应的频率。该方法的最优发展是 DE102009028022A1的主题，其中所接收的信号的评估被简化，因为所接收的信号是采样获 得的，并且实施选择的评估相位仅在特定点处。其它的进一步的研究在DE1020110075113A1 中描述，并且在于采用随后的平均值计算引导两个扫频在不同行进方向上，以便增加测量 精度。然而，设计为执行所引用的方法的测量设备没有附加步骤的话，是不适于通过4-20mA接口或NAMUR接口操作该测量设备。
[0008] 其它用于电子振动传感器的数字可能性，用于调节激励信号和所接收的信号之间 的相移处于预定值在DE00102010030982A1中公开。这里所述的方法基于相控环路功能原理 (锁相环路，PLL)，并且已经被优化从而降低功耗。对于这种布置，至少需要一个相位检测 器，对于其鲁棒性和控制环路的精度具有决定性影响。从而可以稳定的进行评估，必须另外 保证该激励信号的幅值保持为恒定值。然而，实践中这相对比较复杂。
【发明内容】
[0009]本发明基于提供一种方法和设备的目标，使得激励信号和所接收的信号之间的相 移可靠和简单的设定为一个预定值，前提是较低功耗。
[0010] 根据本发明，目的在于通过利用至少一个可振动单元确定和/或监测介质的至少 一个过程变量的方法而实现，
[0011] 其中通过可调频率的电子激励信号激励可振动单元以进行机械振动，
[0012] 其中将机械振动转换为接收的电信号，所接收电信号以频率和/或相位和/或幅值 为特征，
[0013]其中基于该接收的信号产生激励信号，
[0014]其中从激励信号开始在时间上的具体预定点处采样所接收的信号的电压值，
[0015]其中通过戈泽尔算法由所接收的信号的电压采样值确定所接收的信号的实部和 虚部，
[0016]其中提供至少一个戈泽尔系数，特别是采样值数量和/或操作频率和/或采样频 率，来执行戈泽尔算法，
[0017]其中由所接收的信号的实部和虚部计算所接收的信号的至少一个当前相位和/或 当前幅值，
[0018]其中调整激励信号的频率，使得激励信号和所接收的信号之间出现预定相移，并 且
[0019] 其中确定至少一个过程变量。
[0020] 戈泽尔算法的起源为离散傅立叶变换(DFT)。通常，快速傅立叶变换(FFT)--种对 DFT的重要简化，如公开文件DE10201101667A1或DE10203461A1中所述，两者都涉及电子振 动传感器，用于进行频率分析。然而，其它过程工业领域，同样会重复使用FFT，例如文件 DE69730416T2或DE102004030740A1中。代替FFT，目前使用戈泽尔算法，这是在如下背景下 兴起的：
[0021] 戈泽尔算法基本上代表一种相对于FFT新的简化，如果期望的是考虑信号中仅一 个或若干个谱分量k的DFT情况下。也就是说，戈泽尔算法给出特定频率下的离散傅立叶系 数作为初始采样值。因此，其用处仅在于感应相应信号的频率范围是否已经准确获知。
[0022] 在电子振动传感器受迫振动的情况下，激励信号已知，反过来关于激励信号的频 率评估所接收的信号。通过将振荡电路和/或控制电路的单个分量巧妙的组合，并且通过巧 妙的选择戈泽尔算法的各个参数，即所谓的戈泽尔系数，由此使用戈泽尔算法来替代FFT是 更有利的。通过相应的评估方法，从而大大降低了必要的运算操作数量。
[0023]最后，通过使用戈泽尔算法，用于相应设计的测量装置的功耗大大降低，这对于执 行4-20毫安接口或者NAMUR接口和/或在容易爆炸的环境中使用测量装置特别有利。
[0024]由此提供戈泽尔系数，通过:采样值数量N;需要考虑的频谱分量fk，其中频谱分量 代表戈泽尔算法的操作频率;以及采样速度％的倒数提供的采样频率fs。从这些数值已知作 为戈泽尔窗口附加结果，其中戈泽尔窗口从采样值数量N和采样间隔T的乘积确定，并且相 应的为频率分辨率的测量值。
[0025]在戈泽尔系数选择方面，应当遵循特定的条件从而实现最优的精确估计。
[0026]通过下列等式将戈泽尔系数链接在一起：
[0027]
[0028]通常，苜先限定米样频率fs，随后确定系数k，使得操作频率fk与激励信号对应。
[0029]然而，在特定的给定电子振动传感器中，其中激励信号已知，如果将工作频率设定 到激励信号的频率则是有利的。该过程的结果是采样频率fs被连续适应，而不是系数k。
[0030]另外，如果采样频率设定到激励信号频率的整数倍η则是有利的。这就能够使得戈 泽尔算法的计算工作得以简化。特别是，如果将操作频率另外设定到激励信号的频率，那么 关系式k=N/n就能得到系数k。
[0031] 另外，如果选择激励信号周期的整数倍作为采样数量则是有利的。众所周知的采 用这种方式可以防止截断误差-也就是所谓的闭锁效应。
[0032]计算工作的额外和显著的降低，以及相应的对应测量装置功耗的降低，可以通过 适当和巧妙的建立各个戈泽尔系数的其它条件而实现。
[0033]在特定优选实施例中，激励信号频率的二倍或四倍设定为采样频率。这个选择特 别有利。也就是说，具有将算法内固有的计算复数三角函数项简化为常量的效果。
[0034]在优选实施例中，在激励信号的多个周期内执行戈泽尔算法。运算的周期越多，幅 值检测和/或相位检测就更鲁棒。
[0035]另外，如果激励信号为方波信号或者正弦波信号则是有利的。
[0036]测量值同样是必要的，采用这些测量值可以设定激励信号和所接收的信号之间的 可预定相移。两个信号表现出周期性的按时间顺序的行为，其可用于调整可预定相移。
[0037]在特定优选实施例中，通过与激励信号相关的时移，使用采样值数量和采样频率 的商相应地设定可预定相移。因此通过调整与激励信号相关的戈泽尔窗产生相移。
[0038]如果可预定相移为90度，则是有利的。采用这种方式发生谐振激励，同时满足振荡 电路条件。
[0039]在进一步优选实施例中，测量周期细分为至少两个时间间隔，其中分别将第一可 预定相移设定在第一时间间隔内，并且第二可预定相移设定在第二时间间隔内。这个过程 对于确定介质黏度是有利的。为了完成这个，所接收的信号即关于不同相移相