电子振动传感器的制作方法

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的电子振动传感器，以及一种用于操作该电子振动传感器的方法。

背景技术：

电子振动传感器通常用于过程和/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振荡单元，例如振动叉、杆或薄膜。在操作期间，所述机械振荡单元通过驱动/接收单元(通常呈机电换能器的形式)被激励成机械振荡，该驱动/接收单元又可为压电驱动器，例如或电磁驱动器。然而，在流量计的情况下，机械振荡单元也可以被设计为振荡管，各自的介质通过该振荡管流动，诸如在以科里奥利原理运行的测量装置中。

各种相应的现场装置由申请人制造，并且在料位测量装置的情况下，这些现场装置以名称liquiphant或soliphant销售。基本测量原理是众所周知的。驱动/接收单元经由电激励信号激励机械振荡单元以进行机械振荡。相反，驱动/接收单元可以接收机械振荡单元的机械振荡并将其转换成电接收信号。驱动/接收单元相应地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。

激励信号和接收信号都以其频率、振幅和/或相位为特征。因此，这些变量的变化通常用于确定适当的过程变量，例如容器中介质的预定料位或介质的密度和/或粘度，或经过管道的介质的流量。在用于液体的电子振动限位开关的情况下，例如，区分振荡单元是被流体覆盖还是自由振动。因此，例如，基于不同的谐振频率(即，频移)来区分两种状态(即，自由状态和被覆盖状态)。只有振动单元被介质覆盖，才能使用这种测量装置来测量密度和/或粘度。

驱动/接收单元通常是反馈电振荡电路的一部分，通过该电路将机械振荡单元的激励实现为机械振荡。经常通过用于相移的控制电路设置用于激励的可指定值，即，激励信号与接收信号之间的相移的目标值。例如，对于共振振荡，必须满足≥1的放大系数和振荡电路条件，根据该条件，发生在振荡电路中的所有相位导致360°的倍数。用于激励机械振荡单元或用于设置可指定的相移的各种方法从现有技术中是已知的。这里可以在模拟和数字激励之间进行基本区别，其中差异在于振荡电路和原则上普遍适用的数字方法之间，该振荡电路由必须适应于所使用的传感器类型的模拟部件组成。

根据经常使用的激励原理，控制电路包括放大器和相移器，通过该放大器和相移器将接收信号耦合回传输信号，以便在激励信号与接收信号之间设置相移的可指定值。例如，根据de102006034105a1，使用可调相移器。相移器经由控制单元进行控制，该控制单元测量先前放大的接收信号的频率，并且至少基于在依赖于放大器单元的频率相位上所存储的数据。

从de102007013557a1还得知一种放大器，该放大器具有可调节的放大因子，该放大因子由控制单元设置，使得传输信号的振幅通常位于可指定的振幅带内。

从de102005015547a1得知一种电子振动传感器，其中电子单元设置有至少一个全通滤波器，用于设置相移的目标值。全通滤波器以恒定增益作为频率的函数来改变电信号的相位。全通滤波器尤其可以以这样的方式进行控制或调节,使得激励信号与接收信号之间的相位是可调节的。根据本发明的一个实施例，接收信号优选仅在它被提供给全通滤波器、由全通滤波器处理并且返回之前被滤波和/或放大。

然而，在模拟激励的情况下，构成振荡电路的模拟部件必须适应于所使用的传感器的类型。传感器的鲁棒性，特别是关于外部振动，还取决于在每种情况下用于信号处理或评估的滤波器的选择性，其中所使用的滤波器确定电子单元的相位响应。相位响应的间距越大，由滤波器覆盖的频率范围越窄。因此，可能存在传感器不再共振振荡的情况。

de102009026685a1中描述了另一种激励方法。通过在振荡单元的运行范围内的预定频带内的所谓的频率扫描，机械振荡单元经由连续的离散激励频率被连续地激励为机械振荡，并且相应的接收信号被记录。经由频率扫描，确定振荡单元以对应于相移的可指定值的振荡频率振荡的激励频率。这种激励频率在每种情况下都施加到振荡单元。该方法的有利发展是de102009028022a1的主题，其中对所接收的信号的评估通过仅在特定时刻相位选择性地被采样和被评估的接收信号而得以简化。类似地，在de102010030982a1中提出，接收信号相对于传输信号在预定的离散时刻被采样，接收信号的采样电压值每个都被与目标值进行比较，目标值是假定如果相移的可指定值存在的时刻的接收信号，并且在电压值与目标值偏离的情况下，基于偏差是正还是负来减小或增加传输信号的频率。

在通过频率扫描的激励和对接收信号的各自的相位和/或振幅的评估的情况下，还必须注意，频率扫描的流速与频率分辨率之间存在依赖关系。

在de00102010030982a1中公开了电子振动传感器的附加数字可能性以调节激励信号与接收信号之间的相移。这里描述的方法是基于锁相环pll的功能原理。激励信号的频率在这里被设置为使得在激励信号与接收信号之间存在相移的可指定值。

与通过频率扫描的激励相比，这种类型的激励在评估速度方面具有决定性的优势。然而，可以肯定的是，需要至少一个相位检测器，所述至少一个相位检测器，如果发生外部振动的话，除了别的之外，会影响鲁棒性，尤其是控制的稳定性，以及影响控制电路的精度。为了以稳定的方式进行评估，此外还必须确保激励信号的振幅保持在恒定值。

为了减轻在电子振动传感器的操作期间的外部振动(诸如，来自泵或超声波清洗器的振动)的发生的问题，de102012101667a1提出了配置一种控制/评估单元，以便在存在作为外部振动的频率和/或振幅的函数的至少一个外部振动的情况下控制振动激励，使得接收信号基本上不受外部振动的干扰和/或抑制至少一个外部振动的频率。

技术实现要素：

从前面提及的现有技术开始，本发明的目的是提供一种鲁棒的电子振动传感器以及一种用于操作传感器的方法。

根据本发明的目的通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的电子振动传感器来实现，该电子振动传感器包括：至少一个可机械振荡的单元；驱动/接收单元；以及电子单元，其中驱动/接收单元被设计成经由电激励信号激励可机械振荡的单元中的机械振荡，并且被设计为接收可机械振荡的单元的机械振荡并将所述机械振荡转换成电接收信号，其中电子单元被设计为基于所述接收信号产生激励信号，并且根据所述接收信号确定至少一个过程变量，其中电子单元包括至少一个自适应滤波器，并且其中电子单元被设计为设置自适应滤波器的滤波器特性，使得在激励信号与接收信号之间存在目标相移。如果适当地设置滤波器特性，则在激励信号与接收信号之间产生特定定义的目标相移。目标相移对应于在激励信号与接收信号之间的相移的可指定值。

滤波器特征一般描述滤波器的行为，即其滤波器特性，并且由所谓的滤波器要求确定，例如那些关于通带和阻带的滤波器要求。在某些情况下，滤波器要求还包括关于群延迟、最大过冲、边缘陡度、中心频率、质量等的规范。例如，可以使用已知的滤波器特性之一，例如贝塞耳(bessel)、勒让德(legendre)、巴特沃斯(butterworth)、切比雪夫(tschebyscheff)、高斯(gauss)等。根据所选择的滤波器特性，适当地为滤波器设计了传递函数，通过传递函数完全确定振幅、相位响应和频率响应。

可以在操作期间调节自适应滤波器的滤波器特性。例如，可以调节与中心频率的带宽以及位置相关的滤波器的质量。因此，可以通过设置适当的滤波器特性来适当地调节输入信号与输出信号之间的相移φfilter。作为将滤波器的输入信号与输出信号之间的相移设置为可指定值的结果，频率被设置为使得在激励信号与接收信号之间存在φsol1＝360°-φfilter的目标相移。也可以通过对滤波器特性的适当调节，在激励信号与接收信号之间设置目标相移。因为它是自适应滤波器，即，可以相应地进行调节，所以可以提高滤波器的质量，而不会限制相应的频率范围，如具有固定的滤波器的情况那样。

有利地，可以独立于可能出现的诸如外部振动的干扰影响来实现目标相移的调节。因此，根据本发明的电子振动传感器特别坚固-特别是关于外部振动。

此外，使用自适应滤波器使得相应的现场装置适应于多个应用。例如，根据应用，可以实现不同的相位调节容差以及因此可以实现用于调节目标相移的伴随运行速度。根据应用，也可以设置不同的目标相移值，使得根据应用针对目标相移存在合适的值。根据本发明的解决方案还可以有利地用于激励振荡单元的相应振荡电路的数字以及模拟实施例，并且可以容易地适应于不同的传感器，特别是不同的振荡单元。

在特别优选的实施例中，电子单元被设计成通过设置自适应滤波器的中心频率来设置目标相移。中心频率也以激励信号与接收信号之间存在目标相移的方式变化。

在附加的、特别优选的实施例中，电子单元包括相位控制单元，其以这样的方式控制自适应滤波器的中心频率，使得存在用于滤波器的输入信号与输出信号之间的相移的可指定值。因此，通过调节自适应滤波器的输入信号与输出信号之间的相移来实现激励信号与接收信号之间的目标相移的设置。

电子单元有利的是包括环存储器(ringmemory)和/或相移器，借助于该相移器可以设置目标相移。例如，在de10161071a1和de10161072a1中描述了使用环存储器和/或相移器的电子振动传感器的激励信号与接收信号之间的相移的可设置值的设置。与本发明相关，接收信号的离散值例如可以被存储在存储器元件中，然后在可调节的时间延迟之后被转移到自适应滤波器。激励信号与接收信号之间的目标相移然后由以下两个措施而得到：从经过滤波器特性的自适应滤波器组的激励信号与接收信号之间的相移以及通过环存储器和/或相移器产生的相移φrs。这导致目标相移φsol1到φsol1＝360°-φfilter-φrs。有利地，可以使用该过程将自适应滤波器设置为与目标相移的值无关的其中心频率。该设置对应于滤波器的输入信号与输出信号之间的0°或90°的相移。如果需要输入信号和输出信号之间的目标相移的不对应于φsol1＝360°-φfilter的值的差值，则必须通过环存储器和/或相移器来另外设置另外适当的相移，使得所需的目标相移φsol1＝360°-φfilter-φrs被设置。

通过设置目标相移，振荡单元执行具有适当对应频率的机械振荡。在90°相移的情况下，存在所谓的基波激励，其是谐振频率中的谐振振荡，通常是对应于基本振荡模式的振荡。通过使用用于激励振荡单元的自适应滤波器，也可以设置其它相移，如已经提到的。该转换可以有利地在软件层面上被执行。因此，电子单元和布置可用于不同的相移。

有利地，通过将中心频率设置为激励信号的频率，机械振荡单元的振荡频率是已知的。因此，这在激励期间被直接检测到，这提供了关于电子单元内的信号评估的简化。

在优选实施例中，自适应滤波器的带宽是可调节的。高带宽使得能够简单快速地检测振荡单元的谐振频率，因为振荡单元可以以使用在大频率范围内的频率的这种方式被激励。有利的是，即使在宽频带内也可以实现振荡电路状态。

在基于相位控制环路的原理的数字激励的情况下，与之相比，激励信号与接收信号之间的相移被直接控制，从而需要振荡系统的受控状态。因此，谐振频率基本上是已知的。然而，由于振荡系统的质量在操作期间可以连续变化，因此当使用相移扫描时，与本申请描述的情况相比，对谐振频率的搜索和控制可能会更加困难。对于本发明，例如，其质量恒定的数字滤波器的中心频率被控制。此外，作为通过控制自适应滤波器的输入信号与输出信号之间的相移来设置目标相移的结果，可以省略使用至少一个压控振荡器(vco)。

再次建议尽可能选择最小的带宽，以尽可能地最大化测量精度。有利地，小带宽导致干扰的显著降低。

如果在经由频率扫描可检测的最大频率间隔内没有检测到共振，则在机械振荡单元中可能存在例如阻塞和/或缺陷。

在优选实施例中，自适应滤波器是谐振器滤波器。在替代的优选实施例中，自适应滤波器是带通滤波器，特别是低通滤波器，特别是二阶低通滤波器。例如，如果自适应滤波器的中心频率被调节到输入频率，因而被调节到振荡单元的输入信号的频率，则当使用带通滤波器时，在0°的输入信号与输出信号之间产生相移φfilter。相反，使用二阶低通滤波器，特别是具有谐振增强的二阶低通滤波器，因此，谐振器滤波器产生-90°的相移。根据传感器单元的设计，然后在激励信号与对应于谐振激励的接收信号之间产生目标相移。

另外有利的是，相位控制单元是基于锁定放大器的原理。锁定放大器原则上是极窄带通滤波器。因此，该方法允许具有改善的信噪比的控制。

有利的实施例提供目标相移为90°、45°或0°。虽然90°或0°的目标相移导致作为传感器单元的实施例的函数的振荡单元的谐振激励，但是45°的目标相移本身对于确定密度是有利的。

在另一有利的实施例中，至少第一和第二相移交替地可调节。很明显，可以交替地设置三个或更多个不同的目标相移。因此，可以例如交替地确定介质的预定的料位和密度。类似地，电子单元还可以被设计成同时确定粘度。也可以经由相同的传感器元件以及经由相同的电子单元检测多个过程变量。

特别优选的实施例包括电子单元，该电子单元包括振幅控制单元，该振幅控制单元用于将激励信号的振幅调节到可指定值或在可指定间隔内的值。可以经由振幅控制单元有利地控制振幅动态。此外，因此考虑到当被浸入不同介质时振荡单元的振荡振幅的衰减。因此，振荡单元在每种情况下都经历具有适当振幅的信号，该信号经选择以使得接收信号的振幅位于指定的可选择间隔内。

在另一个有利的实施例中，电子单元被设计成在没有达到振幅的可指定的下阈值的情况下执行频率扫描以激励振荡单元，并且被设计成将自适应滤波器的中心频率连续地设置为在可指定的频率间隔内的连续的离散激励频率。在操作期间，例如，一旦共振频率降到低于振幅的可指定阈值，则可以通过借助于频率扫描的激励来进行从相位控制到传感器控制的改变。为此，将自适应滤波器的中心频率设置为可指定频带内的离散连续频率。一旦再次超出振幅的阈值(例如，意味着振荡单元再次自由振荡)，则可以切换到原始模式，其中通过目标相移来实现激励。

过程变量是容器中介质的预定料位、密度和/或粘度是有利的。

振荡单元是薄膜、杆或振动叉也是有利的。

此外，驱动/接收单元为电磁或压电驱动/接收单元也是有利的。

本发明的目的另外通过一种用于操作用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的电子振动传感器的方法，特别是根据前述权利要求中至少一项所述的方法来实现，其中机械振荡单元经由电激励信号被激励为机械振荡，并且机械振荡单元的机械振荡被接收并转换成电接收信号，其中基于接收信号产生激励信号，并且确定至少一个过程变量，并且其中自适应滤波器的滤波器特性被设置成使得在激励信号与接收信号之间存在目标相移。根据本发明的方法还可以被用于用于激励振荡单元的振荡电路的数字版本以及模拟版本。同样，通过使用根据本发明的方法，可以根据应用实现不同的相位调节容差，并且可以根据应用设置不同的目标相移。

自适应滤波器的中心频率受到控制使得在激励信号与接收信号之间存在目标相移是有利的。这通过在自适应滤波器的输入信号与输出信号之间设置相移φfilter而发生。这允许从激励确定机械振荡单元的振荡频率，从而带来关于电子单元内的信号评估的简化。

该方法的另一优选实施例包括设置自适应滤波器的带宽。这意味着设置滤波器的质量。高带宽使得能够简单快速地检测振荡单元的谐振频率，因为振荡单元可以使用在大频率范围内的频率以这种方式被激励。然而，如果在整个可用频率间隔上没有检测到共振，则可以得出结论，例如，在机械振荡单元中存在阻塞和/或缺陷。相反，在测量操作期间，可以选择带宽尽可能小，以消除干扰信号的影响，并相应地尽可能最大化测量精度。

将90°、45°或0°设置为目标相移是有利的。至少交替地设置第一和第二目标相移也是有利的。

最后，将激励信号的振幅设置为可指定值或在可指定间隔内的值也是有利的。因此可以控制振幅动态。因此，振荡单元在每种情况下都经受具有适当振幅的信号，该信号经选择以使得接收信号的振幅位于指定的可选择间隔内。

附图说明

下面参考图1和图2更详细地描述本发明及其有利的实施例。示出的是：

图1为根据现有技术的电子振动传感器的示意图，

图2为根据本发明的电子单元的框图。

具体实施方式

电子振动传感器1在图1中示出。能振动的单元4被描绘成振荡叉的形式，该振荡叉被部分地浸没在位于容器3中的介质2中。该能振动的单元被触发/接收单元5激励为机械振动，并且可以例如是压电叠层或双压电晶片致动器。然而，当然可以理解，电子振动传感器的其它实施例也属于本发明。此外，示出了电子单元6，通过该电子单元6完成信号接收、评估和/或存储。

根据本发明的电子单元的框图是图2的主题。接收信号ue在被提供给自适应滤波器7之前首先经过模拟/数字转换器10。设置自适应滤波器的滤波器特性使得在自适应滤波器的输入信号与输出信号之间存在适当的相移φfilter。这在滤波器的激励信号与接收信号之间产生了目标相移φsol1＝360°-φfilter。也可以经由滤波器特性的适当调节，在激励信号与接收信号之间设置目标相移。例如，可以使用控制自适应滤波器的中心频率fm的相位控制单元8，使得在激励信号与接收信号之间存在目标相移φsol1。例如，相位控制单元8又可以是基于锁定放大器的原理。

自适应滤波器7的质量q可以，除其他之外，通过所谓的lehr阻尼比d来设置。可以使用以下关系：q＝1/2d，其中lehr阻尼比又由振荡单元的机械特性确定。

自适应滤波器7的质量q还通过关系与质量q和自适应滤波器的中心频率fm相关。本发明的实施例包括设置自适应滤波器7的质量q或其带宽b的能力。

接收信号ue的特征在于其频率、其振幅及其相位。相位控制单元8的相位控制通过将自适应滤波器7的中心频率fm设置为自适应滤波器的输入频率来实现，使得振荡单元振荡的频率在每个时刻都是已知的。

此外，根据不同的实施例，振幅控制单元9可以被集成到电子单元6中。通过振幅控制单元9，激励信号ua的振幅a包括可指定值或在可指定间隔内的值。例如，标准pi控制器可用于此目的。

本发明的优点在于，通过使用自适应滤波器7来激励机械振荡单元4，在评估之前不需要额外的滤波器来对信号进行滤波。

在激励信号ua通过电子单元的输出级11被传输到传感器单元13之前，激励信号ua经过数字/模拟转换器10a。可选地，由传感器单元13接收的接收信号ue也可以在其经过输入级12之后进一步被传输到模拟/数字转换器10之前经过抗混叠滤波器14。

附图标记列表

1电子振动传感器

2介质

3容器

4振荡单元

5机电换能器

6电子单元

7自适应滤波器

8相控制单元

9振幅控制单元

10、10a模拟/数字转换器、数字/模拟转换器

11输出极

12输入极

13传感器单元

14抗混叠滤波器

ua激励信号

ue接收信号

fm自适应滤波器的中心频率

asoll振幅的目标值

φ相位

φsoll激励信号与接收信号之间的目标相移

φfilter自适应滤波器的输入信号与输出信号之间的相移

q质量

b带宽