专利名称：用于操作谐振器的可振荡单元的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于操作谐振器的可振荡单元的设备，所述设备包括与可振荡单元相连的压电驱动装置，还包括反馈电子装置。反馈电子 装置利用具有上升沿和下降沿的周期性激励信号激励压电驱动装置振荡。压电驱动装置的响应信号被反馈至反馈电子装置。本发明还包括 至少一个峰值补偿单元，其从响应信号中消除至少一个干扰信号，该干扰信号产生自压电驱动装置的再充电过程。
技术背景从德国专利文献DE 196 21 449可知一种设备，可以利用它操作振 动型料位限位开关。限位开关包括在可自激励的变送器的反馈分支中 与放大器装置相连的谐振器。在这种情况中，在谐振器中提供了压电 元件，用于激励振荡以及振荡检测。利用放大器装置的激励信号激励 压电元件振荡，该激励信号为周期性矩形信号。在激励信号的边沿期 间，压电元件经历再充电，并且这导致响应信号中的再充电信号。所 述专利文献中提供的电路具有消除这些再充电信号以及将再充电过程 的持续时间最小化的任务。为了这个信号消除的任务，提供了控制电 路，它由激励信号控制并且将压电元件的输出与放大器装置解耦。再 充电过程的持续时间的最小化是通过产生虚拟参考的充电电流控制电 路而实现的。这两个电路都包含运算放大器和半导体开关。这种设备 的缺点是上述部件相对较为昂贵。发明内容本发明的一个目的是提供一种设备，其中从压电驱动装置的响应 信号中消除再充电过程的干扰信号。这通过使用具有尽可能少且价格 低廉的部件的实施例实现。3本发明在第一实施例中通过在峰值补偿单元中提供具有至少一个 开关元件的至少一个抑制单元而实现这个目的，该开关元件由反馈电 子装置的激励信号这样控制，使得压电驱动装置在激励信号的上升沿 和/或下降沿期间电接地。本发明的一个思想是在激励信号的边沿期间，即，在干扰信号被 引发的时间，经由峰值补偿单元将压电驱动装置短接至地。以这种方 式， 一方面，响应信号在这些边沿的时刻不会达到反馈电子装置，从 而再充电信号被有效地消除。另一方面，将与压电驱动装置一同形成 RC部分的总电阻最小化。这也具有压电驱动装置的再充电时间最小化 的优点。总电阻特别地由下面将要解释的电阻(流/压转换器)以及电 路的附加内电阻构成，该内电阻例如是为了防爆而必需的。本发明的第一实施例是用于操作谐振器的可振荡单元的设备，包 括压电驱动装置和反馈电子装置。反馈电子装置利用具有上升沿和下 降沿的周期性激励信号激励压电驱动装置振荡。以这种方式，令与压 电驱动装置相连的可机械振荡的单元振荡。在优选实施例中，激励信 号可以是周期性的矩形信号。可能的可机械振荡的单元例如音叉或振 动杆。通过可机械振荡的单元的振荡，压电驱动装置发送响应信号， 该信号被反馈至反馈电子装置。这个响应信号由实际的振荡检测信号 和干扰信号组成。振荡检测信号允许例如经由频率确定是否已经达到 容器中的介质料位。这里用到的事实是，当可振荡单元被介质覆盖时， 它的谐振频率与它自由振荡时的频率不同。响应信号中的其它成分是干扰信号，其源于当电压变化的符号改变时压电驱动装置的再充电。 电压变化的符号改变意味着例如电压从正号变化到负号或者相反，或 者意味着电压从较大值变化到较小值或者相反。再充电是压电驱动装 置还体现电容器特性的结果。这个信号显示了显著的上升并且之后成 指数下降，其中时间常数(tl)由压电驱动装置的电容和总电阻得到，其中压电驱动装置与该总电阻一同形成RC部分。如果激励信号的上升沿和下降沿非常陡，那么再充电过程的持续时间变短。然而，正如已 经提到的，干扰信号的衰减由这些成分给出。由此，本发明的主要目 标导致干扰信号被滤掉。这是通过峰值补偿单元实现的，该单元从响 应信号中消除由压电驱动装置的再充电导致的干扰信号。峰值补偿单 元的另一个优点是压电驱动装置的再充电过程的持续时间同时被最小 化。具有至少一个开关元件的至少一个抑制单元位于峰值补偿单元中， 该开关元件由反馈电子装置的激励信号控制。峰值补偿单元的效果是， 在激励信号的上升沿和/或下降沿期间，压电驱动装置电接地。因为压 电驱动装置既用于振荡激励又用于振荡检测，所以引起全部的问题。 如果使用两个压电元件实现激励和检测，那么仅通过可机械振荡的单 元发生两个元件的连接。因此，激励单元的再充电信号对于可机械振 荡的单元仅具有可忽略的影响，并且最重要的，检测单元检测不到这个信号。于是，在独立的激励和检测的情况中，不需要使用本发明。一个实施例提供了流/压转换器。经由它将响应信号从电流信号转 换为电压信号。 一种成本低廉的实施例通过接地的电阻实现它。在一个优选实施例中，峰值补偿单元包含电阻，其大小使得压电 驱动装置的再充电过程的持续时间的时间常数(tl)被最小化。在这个 实施例中，电阻也可以被忽略，即，它将具有零欧姆的电阻值，然而， 在这种情况中，为了防爆所需的电阻(这里没有详细说明)或者部件 的其它内电阻仍然必须得到考虑。这个最小可能电阻的优点在于，再 充电过程的持续时间的时间常数(tl)被最小化，因为该常数依赖于电 容器的电容以及与电容器形成RC部分的电阻的电阻值。一种优选实施例是对称的，并且在峰值补偿单元中提供了两个抑 制单元。在这种情况中，第一抑制单元由激励信号的上升沿控制并且 第二抑制单元由下降沿控制。根据一个优选实施例，峰值补偿单元包含至少一个微分元件，激励信号施加至它。微分元件控制开关元件。微分元件的输出电压代表 激励信号的导数。这使得能够简单地控制开关元件。在一个简单且成 本节约的实施例中，微分元件是具有电容器和电阻的RC部分。在第二实施例中，根据本发明的任务这样解决在峰值补偿单元 中提供至少一个放大器单元，该放大器单元放大压电驱动装置的响应 信号并且其放大系数由反馈电子装置的激励信号控制，使得放大系数 在激励信号的上升沿和/或下降沿期间最小化。这个第二解决方案的基 本思想因此是，以并不恒定的放大系数放大响应信号。以这种方式， 可以消除响应信号中的峰值或者可以显著减小它们的影响，使得响应 信号的相应部分与其余部分相比，仅受到非常小(尽可能最小)的放 大。于是放大器单元增强了除具有再充电信号的部分之外的响应信号。 为此，放大器单元可以位于实际的反馈电子装置之前，或者可以是它 的一个部件。在这一点上，最小放大意味着在边沿期间和边沿之外的 放大之间的差很大，以至于反馈电子装置不受与边沿相关的峰值的影 响，或者至少不受其负面影响。本发明的解决方案的共同之处在于，再充电信号所处的响应信号 部分不会达到反馈电子装置，因为它们被由激励信号控制的峰值补偿 单元消除。或者响应信号被引至大地，或者响应信号的放大倍数被显 著减小。于是，在两个实施例中响应信号实际上都被乘以梳齿函数， 该函数除了具有峰值的部分之外，为恒定非零值，并且在具有峰值的 部分的时间，为零或至少非常小。响应信号和这个函数的同步是通过 将激励信号施加于压电驱动装置以及峰值补偿单元而实现的。在一个实施例中，放大器单元是电荷放大器。因为压电驱动装置 产生电流信号，所以这个实施例是切合实际的。另外，在这个情况中， 不需要例如用于将电流信号转换为电压信号的部件。在一个实施例中，在激励信号的上升沿和/或下降沿期间，放大系数约为零。以这种方式，峰值几乎完全从响应信号中消除。然而，放 大率也可以低于一定的极限值，反馈电子装置以这样的方式给出该极限值，使得不会发生来自再充电信号的干扰效应。如果边沿期间的放 大率约为零，那么放大系数也可以例如为l。在一个实施例中，在峰值补偿单元中提供至少一个开关元件，该 开关元件控制放大器单元的放大系数，并且在峰值补偿单元中提供至 少一个微分元件，激励信号施加至该微分元件。微分元件控制开关元 件，微分元件的输出电压是激励信号的导数。开关元件控制放大器单 元的放大系数并且其自身由激励信号的导数控制。这与上面已经讨论 的第一实施例的相应单元类似。下面实施例应用于本发明的两种解决方案。一个具有优点的实施例中，开关元件是电子部件，其根据施加的 电压改变电导率。在第一实施例中，这个开关元件在抑制单元中。优 点在于，以这种方式，可以借助激励信号或它的导数工作。 一个非常 简单且成本低的实施例中，开关元件是半导体开关，例如场效应晶体管，通常或特别是MOSFET。为了保护开关元件，为开关元件提供至少 一个保护元件，因为它仅允许具有正号或负号的电压达到开关元件， 从而保护开关元件免受过高电压和/或这样符号的电压，在该符号的情 况下开关元件的电导率不变化。可用作保护元件的是例如二极管，其 依赖于施加到它们的电压符号而将微分元件中RC部分的电容器直接短 接至大地，从而RC部分的信号在开关元件非常迅速地下降。具有优点的是一个实施例，其中激励信号是周期性矩形信号或周 期性梯形信号。通过陡峭的边沿，与激励信号具有较平坦边沿的情况 相比，再充电过程被更有力地及时得到限制。然而，矩形信号的缺点 在于，也能够激励较高的共振。这在梯形信号的情况中被防止了。
现在根据附图详细解释本发明，附图中 图l是谐振器的框图；图2是用于操作谐振器的可振荡单元的本发明的设备的第一实施 例的框图；图3是设备的进一步发展的框图； 图4是信号相对于时间的曲线；和 图5是本发明的设备的第二实施例的框图。
具体实施方式
图l显示了谐振器的基本构造。可振荡元件1与压电驱动装置2相 连。压电驱动装置2被反馈电子装置3激励振荡，从而作为结果，令可 机械振荡的单元l振荡。然后压电驱动装置2检测可机械振荡的单元1的 振荡并且将其以响应信号21的形式经由流/压转换器7和峰值补偿单元4 发送至反馈电子装置3。可机械振荡的单元显示为音叉；但是，振动棒 也可以类似地使用。图2显示了用于操作谐振器的可振荡单元1的设备的优选实施例的 框图。在这个电路中，仅仅使用峰值补偿单元4的最最必需的成分。反 馈电子装置3生成激励信号20，该信号激励作为可振荡单元l一部分的 压电驱动装置2振荡。这里，激励信号20是矩形信号。也可以是梯形信 号，其防止可机械振荡的单元的较高模式或较高谐波的激励。通过振 荡，产生压电驱动装置2的响应信号21，该信号被反馈至反馈电子装置 3。在激励信号20的边沿期间，g卩，在电压变化的符号改变期间，压 电驱动装置2经历再充电，并且产生再充电电流瞬态，其以时间常数tl 指数地衰减。在响应信号21中，这个峰值作为干扰信号22而显现。时 间常数tl从压电驱动装置2的电容和与压电驱动装置2—同形成RC部分 的总电阻中算出。在所示的例子中，涉及电阻ll以及未显示的电路内电阻，该内电阻可以例如因为防爆而需要。这些较高的再充电信号代 表了对于分析响应信号21的干扰；仅有可振荡单元l的有用信号是相关 的。这个有用信号是振荡检测信号，例如从其频率和幅度可以确定介 质的物理量。干扰信号22由使用的部件的大小得到，并且没有传递有 关感兴趣的测量结果的信息。为了抑制干扰信号22，首先经由流/压转换器7将响应信号21从电 流信号转换为电压信号。在最简单的实施例中，这涉及接地的电阻ll。 在流/压转换器7之后是峰值补偿单元4。在所示的情况中，提供了两个 抑制单元5和13。抑制单元5用于激励信号20的下降沿期间的抑制，抑 制单元13用于上升沿期间的抑制。这些抑制单元5， 13中的每一个都由 开关元件6， 14组成并且由微分元件12控制，其中反馈电子装置3将激 励信号20施加至该微分元件12。在所示的实施例中，微分元件12是RC 部分，由电容器9和电阻10组成。开关元件6和14是半导体开关，例如 MOSFET。本发明中使用的半导体开关与例如专利DE 196 21 449中的 半导体开关相比，廉价许多。例如，可以是场效应晶体管2N7002或 TP0610。它们是大量选择中的两个例子。在引起开关元件切换的所施 加的电压符号上，抑制单元5， 13的开关元件6， 14相互不同。于是， 这涉及例如n或p沟道MOSFET。然而，在这个特殊的实施例中，应当注 意，开关元件6和14不被错误符号的电压损坏。提到的场效应晶体管 2N7002或TP0610的特性保护免于这种损坏。激励信号的边沿在RC部分12上引起信号24，其控制开关元件6和 14。信号24代表激励信号20的导数，从而RC部分12作为微分元件工作。 另外，信号类似于压电驱动装置2的干扰信号22，因为它同样源自再充 电过程。信号24以时间常数t2衰减，其是利用电容器9的电容和电阻10 确定的。正如下面将显示的，每一开关元件6， 14都这样设计，使它在 下降沿或上升沿分别改变其电导率，并且将压电驱动装置2短接至大 地。短路一直持续到信号24降到低于一定阈值，在该阈值之下开关元 件6或14不再导通。这个阈值依赖于开关元件6， 14的设计。在这个时间期间，响应信号21不达到反馈电子装置3。进一步，RC部分的总电阻 被最小化并且压电驱动装置2的再充电过程的时间常数tl也因而被最小 化，其中RC部分的电容由压电驱动装置2给出。具有优点的，选择时间 常数t2至少等于或大于U，从而干扰信号22总是被可靠地从响应信号21 中除去。本发明的优点在于使用价格低廉的部件，因为可以省略运算放大 器，例如模拟开关或异或门。峰值补偿单元4和流/压转换器7总共需要 两个电阻、 一个电容器和两个半导体开关。图3代表了图2的电路的扩展实施例。增加的有在峰值补偿单元4 之前接入的电阻19。这限制了压电驱动装置2的再充电电流并且防止了 反馈电子装置3的负载过大。在激励信号20的边沿期间，这个电阻19被 接地，并且响应信号21不达到反馈电子装置3。由于在这种情况中，电 阻19以及流/压转换器7的电阻11都被接地，所以它们并联并且总电阻小 于最小的单独值。结果，压电驱动装置2的再充电时间tl也被最小化。另外，在每一抑制单元5， 13中提供保护元件8， 15。在所示的例 子中，它们是二极管。保护元件8， 15在激励信号20的边沿之外的时间 期间限制施加至独立开关元件6， 14的电压，并且从而保护它们免受高 压。另外，还防止了错误符号的电压达到各个开关元件，开关元件6， 14不因符号而改变其导通性。结果，也可以使用半导体开关，它不能 容忍具有"错误"符号的电压。即，使用添加的二极管，减少了半导体开关的损坏。另外，两个抑制单元的每一个都具有其自己的微分元件12， 18。 与这些微分元件12， 18相关的时间常数t2， t3的选择应当使得它们都至 少等于或大于压电驱动装置2的时间常数tl。图4显示了相关信号的波形。在所示的情况中，激励信号20是具有陡峭上升沿和下降沿的矩形信号。然而，在实际实施方式中，倾向于 产生更为梯形的波形。响应信号21由有用信号和干扰信号构成，有用 信号在这种情况中是正弦的，干扰信号源自压电驱动装置2的再充电并且指数地衰减。由于峰值补偿单元4，信号23出现在反馈电子装置3的 输入端上；干扰信号22已经从该信号23消除。信号24是图1的实施例中 微分元件12的信号。信号25和26是图2的实施例中微分元件18和12的信 号。在这两个信号25， 26的情况中，也可以清楚地看到保护元件8， 15 的效果，在这个例子中保护元件8， 15是二极管。从而，依赖于边沿的 类型，电容器9， 16被短接至大地。于是，信号几乎立即再次降至零。 在另一边沿的情况中，二极管8， 15不导通，并且电容器9， 16于是与 电阻IO， 17—同形成RC部分，其具有信号衰减所需的相应时间常数。图5显示了本发明的解决方案的第二实施例。在峰值补偿单元4中， 提供放大器单元30，其放大压电驱动装置2的响应信号21。在最简单的 实施例中，放大器单元30是电荷放大器。放大系数由反馈电子装置3的 激励信号20控制。正如在以上实施例的情况中，激励信号20被施加至 微分元件12，该元件是由电容器9和相对于大地的电阻10组成的RC部分 并且产生信号24作为激励信号20的导数。正如上面已经解释的，开关 元件6， 14各自具有这样的特性在上升沿或下降沿期间，它们改变它 们的电导率，并且从而将放大器单元30的输出端与反向输入端导电连 接。在这种情况中，放大系数依赖于欧姆电阻，该欧姆电阻是由电阻 部件31、用于平滑的电容器32、以及开关元件6、 14给出的。如果，利 用激励信号20的导数，开关元件6， 14之一闭合，那么这个总电阻值降 至零，并且相应地放大系数也变为零。放大系数保持为零多久依赖于 RC部分12的大小。类似地，这对应于本发明的第一实施例(参见图2 和3以及相应的说明)。图5中电路的进一步发展可以类似地包含至少 一个保护元件15。其它细节对于本领域技术人员是显而易见的。附图标记1可振荡单元2压电驱动装置3反馈电子装置4峰值补偿单元抑制单元6开关元件7流/压转换器8保护元件9电容器10电阻11电阻12微分元件13抑制单元14开关元件15保护单元16电容器17电阻18微分元件19电阻20激励信号21响应信号22干扰信号23反馈电子装置上的信号24微分元件的信号25微分元件的信号26微分元件的信号30放大器单元31电阻32电容器1权利要求
1.用于操作谐振器的可振荡单元(1)的设备，包括压电驱动装置(2)，其与可振荡单元(1)相连，还包括反馈电子装置(3)，其中反馈电子装置(3)利用具有上升沿和下降沿的周期性激励信号(20)激励压电驱动装置(2)振荡，并且其中压电驱动装置(2)的响应信号(21)被反馈至反馈电子装置(3)，并且该设备还包括至少一个峰值补偿单元(4)，其从响应信号(21)中消除源自压电驱动装置(2)的再充电过程的至少一个干扰信号(22)，其特征在于，在峰值补偿单元(4)中提供至少一个放大器单元(30)，其放大压电驱动装置(2)的响应信号(21)，并且反馈电子装置(3)的激励信号(20)以这样的方式控制该放大器单元(30)的放大系数，使得在激励信号(20)的上升沿和/或下降沿期间，放大系数被最小化。
2. 根据权利要求l所述的设备，其中放大器单元(30)是电荷放 大器。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其中在激励信号(20)的上升 沿和/或下降沿期间，放大系数约为零。
4. 根据权利要求l所述的设备，其中在峰值补偿单元(4)中提供 至少一个开关元件(6， 14)，其控制放大器单元(30)的放大系数， 并且在峰值补偿单元(4)中提供至少一个微分元件(12， 18)，激励 信号(20)施加于它并且它控制开关元件(6， 14),其中微分元件(12， 18)的输出电压代表激励信号(20)的导数。
5. 根据权利要求4的设备，其中开关元件(6， 14)是根据所施 加的电压而改变其电导率的电子部件。
全文摘要
本发明涉及用于操作谐振器的可振荡单元(1)的设备，所述设备包括与可振荡单元(1)相连的压电驱动装置(2)，还包括反馈电子装置(3)。反馈电子装置(3)利用具有上升沿和下降沿的周期激励信号(20)激励压电驱动装置(2)振荡。压电驱动装置(2)的响应信号(21)被反馈至反馈电子装置(3)。本发明还包括至少一个峰值补偿单元(4)，其从响应信号(21)中消除至少一个干扰信号(22)，该干扰信号产生自压电驱动装置(2)的再充电过程。根据本发明，峰值补偿单元(4)包括具有至少一个开关元件(6，14)的至少一个抑制单元(5，13)。抑制单元(5，13)由反馈电子装置(3)的激励信号(20)这样控制，使得压电驱动装置(2)在激励信号(20)的上升沿和/或下降沿期间电接地。
文档编号G01F23/296GK101256093SQ20071030573
公开日2008年9月3日 申请日期2003年12月6日 优先权日2002年12月13日
发明者安杰利科 萨沙·D 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司