專利名稱：用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及如權利要求1或10的前序部分所述的用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位，或者用于識別容器中介質密度的一種方法和一種設備。
現有帶有至少一個振蕩元件，即振蕩檢測器，用于檢測或監(jiān)測容器中介質密度的設備。這種振蕩元件通常帶有至少一個固定在一個薄膜上的振蕩棒。薄膜通過一個電機變換器，例如一個壓電元件，被起振。由于薄膜的振蕩，使得固定在薄膜上的振蕩元件開始振蕩。
被設計為液位測量裝置的振蕩檢測器利用了這樣一種效應振蕩頻率和振幅與振蕩元件當時的覆蓋度有關，當振蕩元件暴露在空氣中時能夠無衰減地輸出它的振蕩，一旦它部分或全部浸入到介質中，就能檢測到一個頻率和幅度的改變。借助于預定的頻率改變(通常頻率經過測量)，可以得出一個容器中的介質達到預定的液位的明確的結論。此外，液位測量裝置還特別應用于過滿保護或泵空轉保護。
除此之外，振蕩元件的振蕩衰減也受到當時介質密度的影響。在覆蓋度恒定時存在一個關于介質密度的函數關系，使得振蕩檢測器不但適用于確定密度，也非常好地適用于確定密度。在實際應用中，為了監(jiān)測和探測容器中介質的液位或密度，獲取薄膜的振蕩，并且借助于至少一個壓電元件將其轉化為電接收信號。
然后這個接收電信號由一個分析電子件進行分析。在要確定液位的情況下，該分析電子件監(jiān)測振蕩元件的頻率以及/或者振幅，如果測量值低于或者超出預定的參考值，它發(fā)出將“傳感器被覆蓋”或者“傳感器未被覆蓋”的狀態(tài)信號。操作人員可以通過光和/或聲音的途徑得到相應的通知。替換地或附帶地觸發(fā)一個開關過程，使得容器上的輸入閥或泄放閥被打開或關閉。
如上所述的用于測量液位或密度的設備被應用在眾多的工業(yè)部門中，例如用于化學、日常用品生產或水處理。被監(jiān)測的填料的范圍涉及從到水到酸奶、顏料和油漆、乃至高粘度的填料，如蜂蜜，或者乃至帶有很強泡沫的填料，如啤酒。
通過振蕩檢測器進行液位或密度的測量所產生的問題在于，在出現的頻率改變和覆蓋度或介質密度之間沒有一個單一明確的關系。一個重要的干擾量，如同與介質物質的耦合一樣，在諧振頻率的延遲中變得十分的顯著，它在振蕩單元處產生了質量改變。一個質量改變可能通過沉積物生成，也可能通過振蕩單元處介質沉積的形成，還可能通過振蕩棒的腐蝕引起。根據質量改變的種類和程度，可能會出現最壞的情況，即傳感器持續(xù)的“被覆蓋”或“未被覆蓋”，這樣即使邊界液位未達到，也會通知預定的液位達到了。類似地，關于密度測量也是這樣介質的密度被錯誤地測量和指示。
本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種設備，使得一種介質的液位或密度能可靠地被確定并且/或者被監(jiān)測。
該目的通過這樣一種方法來解決，至少分析振蕩單元振蕩的一個第一模式和一個第二模式，根據被分析的模式，能夠檢測到振蕩單元的質量變化。盡管下面多次提到的只涉及到質量增長(它出現在振蕩單元處的沉積物生成時)，可類比的考慮自然也可以適用于質量減少(它是振蕩棒腐蝕的結果)。
本發(fā)明基于這樣的物理效應，即在振蕩單元起振時形成了不同的振蕩模式。下面更詳細地解釋了一個具有例如槳狀振蕩棒的振蕩檢測器所產生的不同振蕩模式。
根據本發(fā)明所述方法的一個具有優(yōu)點的改進方案，分析第一和第二模式，其振蕩受到介質的不同影響。
根據本發(fā)明所述方法的一種優(yōu)選的改進方案，對于第一模式，其振蕩基本上與介質無關，對于第二模式，其振蕩受到介質的影響。這實際上意味著，選擇一種模式作為第一模式，當振蕩單元與介質相接觸時，其特征頻率或諧振頻率由于一個質量改變而延遲，然而其諧振頻率基本上保持不變。對于第一模式，所有這樣的模式都適合，即對這些模式，振蕩棒的橫截面面積“振蕩棒-介質”在振蕩方向上很小。如果這一條件滿足，振蕩單元與介質的相互作用就很小，從而振蕩單元與介質間的物質耦合也相當的小。選擇一種模式作為第二模式，一旦振蕩單元與介質相接觸，其特征頻率就明顯地改變。
根據本發(fā)明所述方法的一種具有優(yōu)點的改進方案，根據第一模式的變化，其振蕩基本上與介質無關，可以判斷在振蕩單元處是否發(fā)生質量改變。特別地，根據第一模式的振蕩頻率的改變，可以檢測到振蕩單元處的沉積物生成和/或質量減少。
根據先前描述的本發(fā)明所述方法的第一種改進方案，選擇兩種模式，它們作為質量改變的結果，或者作為與介質接觸的結果，表現出完全不同的反應，而第二種改進方案卻采用了不同的方式。根據本發(fā)明所述方法的第二種可供選擇的改進方案，選擇兩種模式作為振蕩單元振蕩的第一模式和第二模式。其中這兩種模式總是具有與介質的物質耦合有關的第一部分，并具有與介質的物質耦合無關而只與振蕩單元當時的質量有關的第二部分。
根據本發(fā)明所述方法的一種具有優(yōu)點的改進方案，根據振蕩單元振蕩的第一模式和第二模式與介質或振蕩單元質量的函數相關性，可得出振蕩單元質量改變的結論。對于各自的要求，考慮到兩種模式的選擇，彼此具有明顯的區(qū)別。
沉積物生成對測量值的影響可以通過一個方程組來確定，如下式所示ΔFC=fC1(mk)+fC2(ma)]]>ΔFD=fD1(mk)+fD2(ma)]]>在上述方程組中用到的符號表示以下的值ΔFC第一模式的相對頻率偏移；ΔFD第二模式的相對頻率偏移；
其中項 總是表示相應模式的特征頻率的相對頻率偏移，其中的相對意味著，測量的頻率偏移用相對于在空氣中、無沉積物生成時的相應特征頻率的百分比來表示。
mk對于與介質的各種物質耦合，及通過介質的衰減的一個測量指標。如前所述，這里除了振蕩單元的浸入深度h外，介質的密度ρ和粘滯度η也起了作用。可以通過下面的函數關系來表示mk＝f(h；ρ，η)；ma沉積物質量；fC1(mk)，fD2(mk)振蕩單元兩種完全不同模式(例如模式C和模式D)的頻率偏移曲線，作為與振蕩單元的物質耦合mk，以及通過介質產生的振蕩單元衰減的函數(→浸入曲線)；fC1(ma)，fD2(ma)振蕩單元兩種完全不同模式(例如模式C和模式D)的頻率偏移曲線，作為在振蕩單元處的沉積物生成ma的函數(→沉積物曲線)。
根據本發(fā)明所述方法的一個具有優(yōu)點的實施例，當由振蕩單元振蕩的質量改變引起的振蕩單元振蕩的第一和/或第二模式的頻率改變超出了預設的額定值時，給出一個出錯通知。
如果利用由振蕩單元處的質量改變引起的振蕩單元振蕩的第一和/或第二模式的改變來進行振蕩單元測量數據的直插式校正，是特別具有優(yōu)點的。
根據本發(fā)明所述的設備，上述任務這樣來解決，調節(jié)/分析單元對振蕩單元振蕩的至少一個第一模式和/或一個第二模式進行分析，調節(jié)/分析單元根據被分析的模式判斷振蕩單元處的質量改變。
根據本發(fā)明所述的設備具有優(yōu)點的實施例，調節(jié)/分析單元被集成在用于確定并且/或者監(jiān)測液位或用于確定介質密度的設備中。在這種情況下，本發(fā)明所述的設備被稱為緊密傳感器。出錯通知可以通過光、聲音并且/或者通過至少兩根數據線以數字的形式給出。
根據本發(fā)明所述設備的替代緊密傳感器的可供選擇的實施例，提供了至少兩根數據線，通過數據線測量數據被傳遞到調節(jié)/分析單元，或者通過數據線調節(jié)/分析單元與一個遠端的控制臺進行通信。這里，當各自的測量數據和/或校正數據以數字的形式傳輸到遠端的控制臺時，具有特別的優(yōu)點。數字數據通信相對于模擬數據通信的一個顯著的優(yōu)點是提高了抗干擾性。顯然為了通信可以使用已知的傳輸協(xié)議和傳輸標準。
根據本發(fā)明所述設備的一種優(yōu)選的改進方案，提供了一個輸出單元，當振蕩單元的質量改變所引起的頻率改變超出了或未超出預設頻率變額定值(優(yōu)選地，在預設的容差范圍內)，輸出單元通過光和/或聲音對操作人員給出一個出錯通知。
此外，具有優(yōu)點的是，調節(jié)/分析單元具有一個存儲單元，其中存儲了由質量改變引起的可容許的頻率改變額定值。
下面通過附圖更詳細地說明本發(fā)明

圖1是根據本發(fā)明所述設備的原理圖，圖2具有兩個槳狀振蕩棒的一種優(yōu)選的振蕩單元的可能的、被選出的振蕩模式a)模式A，其中一個產生的頻率改變受到與介質的物質耦合的影響，b)模式B，其中一個產生的頻率改變基本上是由沉積物生成引起，c)模式C，其中的頻率改變不僅受到沉積物生成的影響，也受到與介質的物質耦合的影響，d)模式D，其中的頻率改變不僅受到沉積物生成的影響，也受到與介質的物質耦合的影響，圖3是圖2a和圖2b中所示模式A和B具有沉積物質和無沉積物質，以及在負的質量改變情況下的浸入曲線圖，圖4是圖2c和圖2d中所示模式具有沉積物質和無沉積物質的浸入曲線，
圖5在空氣中不同模式的沉積物曲線圖，以及圖6是頻率改變點的圖示。
圖1表示了本發(fā)明所述的用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位的設備1的原理圖(容器和介質沒有在圖1中表示出來)。如上所述，圖1中所示的設備1不僅適用于液位識別，也適用于確定容器中介質的密度。在用于液位識別的情況下，振蕩單元2只要達到被檢測的邊界液位，或者沒有浸入到介質中，而為了監(jiān)測或為了確定密度ρ，它必須繼續(xù)浸入到介質中，直到達到一個預定的浸入深度h。關于容器，它可以是一個油箱，也可以是一個讓介質流過的管子。
設備1的外殼基本上呈圓柱形，在外殼的外表面上是螺紋7。螺紋7用于將設備1固定在一個預定的液位高度上，并且安裝在容器的一個相應的開孔中。顯而易見，其他類型的固定方法(例如利用法蘭盤)也可以用來代替螺栓固定。
振蕩檢測器1的外殼的突出到容器3中的終端區(qū)域通過薄膜5被密封，其中薄膜5在其邊緣區(qū)域內置入外殼中繃緊，突出到容器中的振蕩單元2被固定到薄膜5上。在上述情況下，振蕩單元2被設計為一個音叉，包含兩個彼此有間隔的、被固定在薄膜5上的、并且突出到容器中的振蕩棒3、4。
一個驅動/接收元件6使得薄膜5進行振蕩，其中驅動元件以一個預定的激勵頻率使薄膜5起振。驅動元件例如涉及一種分組驅動或者一種雙態(tài)驅動。兩種類型的壓電驅動在現有技術中是公知的，因此這里不再作相應的描述。由于薄膜5的振蕩，使得振蕩單元2也進行振蕩，其中，當振蕩單元2與介質相接觸，并且出現與介質的物質耦合時，或者當振蕩單元2能夠自由地、與介質無接觸地振蕩時，其振蕩頻率是不同的。
接收單元和驅動單元一樣，也涉及一個唯一的壓電元件。驅動/接收單元依靠一個傳送到壓電單元的發(fā)射信號使薄膜5起振；此外，它還接收薄膜5的振蕩，并將其轉化為接收電信號。
由于壓電元件的這種振蕩特性，電壓差使得在外殼中被繃緊的薄膜5彎曲。安裝在薄膜5上的振蕩單元2的振蕩棒3、4由于薄膜5的振蕩，繞其縱軸作反方向的振蕩。反方向振蕩的模式具有以下優(yōu)點，由振蕩棒3、4施加在薄膜5上的交變應力相互被抵消了。因此，由繃緊產生的機械應力被減小到最低程度，使得基本上沒有振蕩能量傳導到外殼或振蕩檢測器的固定處上。這樣就有效地避免了振蕩檢測器1的固定裝置以諧振頻率起振，這種固定裝置的振蕩可能反過來會干擾振蕩單元的振蕩，并使測量數據出錯。
接收電信號經過數據線8、9被傳導到調節(jié)/分析單元10。調節(jié)/分析單元10帶有一個存儲單元11，其中存有額定值，它使得調節(jié)/分析單元能夠識別振蕩單元2處的沉積物生成，并在給定情況下對測量值起校正作用。一個出錯通知在上述情況下通過輸出單元14通知給操作人員。此外在圖1中還有一個與振蕩檢測器遠距離放置的控制臺或調度臺12。調節(jié)/分析單元10與控制臺12通過數據線13相互通信。優(yōu)選地，由于提高了抗干擾性，上述通信可基于數字的傳輸來實現。
圖2a、圖2b、圖2c、圖2d表示了具有兩個設計為槳狀的振蕩棒3、4的振蕩單元2的四種選出的、可能的振蕩模式。對于圖2b中所示的模式B，其浸入曲線ΔF基本上與同介質的物質耦合ma無關，因為由于和槳片面平行產生的振動，與介質相互作用的橫截面面積相對很小。其振蕩頻率基本上與振蕩單元2在介質中的浸入深度h無關，但它很清楚地與在振蕩棒3、4處存在的沉積物質量ma有關。如已經多次提到的，類似的考慮也適用于在振蕩單元處發(fā)生質量損耗的情況。在已知的容差范圍內，由模式B的頻率改變ΔF可以得到關于在振蕩棒3、4處存在的沉積物質量ma的一個明確的結果。
圖3是這種函數關系的圖解。圖3表示了在圖2b中所示的模式A和B具有沉積物質量ma和無沉積物質量ma的浸入曲線ΔF(h)。圖3還表示了在振蕩單元2的負質量改變，即在振蕩單元2處出現質量損耗(mk)情況下相應的ΔF(h)；質量損耗出現在例如振蕩棒3、4的腐蝕或機械磨損的情況下。浸入曲線ΔF(h)(模式B的頻率改變ΔF與浸入深度h的關系)，與振蕩單元的質量無關地，具有近似為零的斜度。浸入曲線的走向基本上與x軸平行。合乎邏輯地，頻率改變ΔF隨著質量改變ma的增長或下降而變大。同樣在圖3中所示的模式A的浸入曲線ΔF則表現出完全不同的特性此時振蕩單元2在介質中的浸入深度h很明顯對頻率改變起了主導作用，而振蕩單元2的正的或負的質量改變ma、mk通過浸入曲線ΔF(h)的平行移位來表示。
兩種模式，模式A和模式B，很好地適用于本發(fā)明所述方法的第一種實施例。根據本發(fā)明所述方法的第一種改進方案，借助于兩種模式來確定沉積物生成(或質量損耗)的程度，其中第一種模式的振蕩基本上與介質無關，而第二種模式的振蕩基本上只受介質的影響。
根據本發(fā)明所述方法提供的一種具有優(yōu)點的實施例，通過與沉積物質量ma(或質量損耗)相關的模式B得到的頻率改變ΔF可以用于振蕩檢測器1的測量數據的直插式校正。此外，關于在振蕩單元2處的沉積物生成或振蕩單元2的質量損耗的程度的信息也可以用作預測維護的目的。當振蕩單元2必須被清洗或由無沉積物的單元2替換時，操作人員將得到指示或通知。
圖2c和圖2d進一步表示了具有兩個設計為槳狀的振蕩棒3、4的振蕩單元2的兩種可能的模式，它們被優(yōu)選地應用在本發(fā)明所述方法的第二種改進形式中。其前提條件是，這兩種模式C和D不僅與振蕩單元和介質的物質耦合mk有關，而且與在振蕩單元處產生的沉積物質量有關。此外，這兩種選出的模式必須關于浸入曲線ΔF(h)彼此有明顯的區(qū)別。即在圖4所示的曲線系中能清楚地識別。
此外，圖5表示了模式A、B和C的沉積物曲線ΔF(ma)。其中模式B與沉積物質量ma的關系很小，而模式C和D與振蕩單元2處的質量改變有很強的關系。
在數學形式上，下列方程組描述了兩種模式C和D的沉積物曲線ΔF(ma)的一級近似(省略混合項)ΔFC=fC1(mk)+fC2(ma)---(1)]]>ΔFD=fD1(mk)+fD2(ma)---(2)]]>這一方程組必須根據mz＝f(ΔF0，ΔFx)來求解。
由方程(1)得到fc2(ma)=ΔFC-fC1(mk)---(3)]]>由方程(2)得到fD2(mk)=ΔFD-fD2(ma)---(4)]]>mk=fD1-1(ΔFD-fD2(ma))---(5)]]>此外還優(yōu)選地使用了一種數字解法。
由(3)和(5)得到fC2(ma)=ΔFC-fc1[fD1-1(ΔFD-fD2(fC2-1(ΔFC-fC1(mk))))](6)]]>此外不必再對ma做詳盡的說明，因為最終我們只對模式C通過沉積物生成引起的相對的頻率改變感興趣。對于fC2(ma)的邊界值必須這樣確定，即總是在容許的邊界之內確保對預定的液位或介質密度進行可靠的檢測。
圖4和圖5所示的優(yōu)選地由經驗得到的浸入曲線和沉積物曲線可以用已知的方法通過近似函數來近似，并從而以數學方法來描述。
通過方程組并通過近似得到的曲線，可以對于每個被測頻率差的點ΔFC、ΔFD，從與沉積物質量ma的相關性中確定fC2(ma)的值，以及模式C的相對的頻率改變。
圖6在ΔFC、ΔFD上給出了頻率差點的測量值。測量點根據浸入深度h并且/或者根據在振蕩單元出形成的沉積物質量ma有所不同。具有相同沉積物質量ma的測量點在圖6中總是相互連接的。
圖6上部的測量值表示“沉積物質量很少”的狀態(tài)，而下部的測量值表示“沉積物質量很多”的狀態(tài)。為了分析測量數據，調節(jié)/分析單元10對兩種完全不同的振蕩模式的頻率改變進行測定(在上述情況下為模式C和模式D)，并與一個表中存儲的值進行比較。根據測量值的情況可以清楚地判斷，沉積物生成或質量損失是否處于臨界區(qū)域內，或者是否需要發(fā)出警報。
附圖標記列表1振蕩檢測器或密度傳感器2振蕩單元3振蕩棒4振蕩棒5薄膜6激勵/接收單元7螺紋8數據線9數據線10調節(jié)/分析單元11存儲單元12控制臺13數據線14輸出單元
權利要求
1.一種用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位，或者用于識別容器中介質密度的方法，其中一個振蕩單元被放置在預定的液位高度上，或者一個振蕩單元這樣被放置，即浸入到介質中，直到達到一個定義過的浸入深度，其中該振蕩單元借助一個激勵振蕩來起振，只要振蕩單元以一個振蕩頻率振蕩，該振蕩頻率具有相對于激勵頻率的一個預定的頻率改變，就能識別預定的液位的達到，或者利用振蕩單元的振蕩頻率來檢測介質的密度，其特征在于，分析振蕩單元(2)的振蕩的至少一個第一模式和一個第二模式，并且利用被分析的模式來識別振蕩單元(2)處的一個質量改變。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，分析作為第一和第二模式的模式，其振蕩受到介質不同的影響。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一模式的振蕩基本上與介質無關，第二模式的振蕩基本上受到介質的影響。
4.根據權利要求1或3所述的方法，其特征在于，借助于其振蕩基本上與介質無關的第一模式的一個改變，可以判斷在振蕩單元(2)處是否發(fā)生了質量改變。
5.根據權利要求1、3或4所述的方法，其特征在于，借助于第一模式的振蕩的頻率改變，可以判斷在振蕩單元(2)處是否發(fā)生了質量改變。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，選擇兩種模式作為振蕩單元(2)振蕩的第一模式和第二模式，其中這兩種模式分別具有與介質有關的第一部分，和基本上與介質無關、并基本上只與振蕩單元(2)當時的質量有關的第二部分。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，借助于振蕩單元(2)振蕩的第一、第二模式與介質或者與振蕩單元(2)的質量之間的函數關系，可以得到在振蕩單元(2)處形成的沉積物的質量的結果。
8.根據權利要求1至5中的任一項或多項權利要求所述的方法，或根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，當由振蕩單元處的質量改變引起的振蕩單元(2)振蕩的第一和/或第二模式的改變超出了預設的額定值，將給出一個出錯通知。
9.根據權利要求1至6中的任一項或多項權利要求所述的方法，或根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，利用由振蕩單元(2)處的質量改變引起的振蕩單元(2)振蕩的第一和/或第二模式的改變，對振蕩單元(2)的振蕩頻率進行直插式校正。
10.一種用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位，或者用于識別容器中介質密度的設備，其中提供了一個振蕩單元，它被放置在預定的液位高度上，或者一個振蕩單元這樣被放置，即浸入到介質中，直到達到一個定義過的浸入深度，其中還提供了一個驅動/接收單元，它以一個預定的激勵頻率使振蕩單元起振，并接收振蕩單元的振蕩，還提供了一個調節(jié)/分析單元，當出現預定的頻率改變時，它就能識別預定的液位的達到，或者利用振蕩單元的振蕩頻率來檢測介質的密度，其特征在于，調節(jié)/分析單元(10)分析振蕩單元(2)振蕩的至少一個第一模式和一個第二模式，并且調節(jié)/分析單元(10)借助于被分析的模式來判斷在振蕩單元(2)處的質量改變。
11.根據權利要求10所述的設備，其特征在于，調節(jié)分析單元(10)被集成在用于確定并且/或者監(jiān)測液位或用于確定介質密度的設備中。
12.根據權利要求10或11所述的設備，其特征在于，提供了至少兩根數據線(8，9)，通過數據線將測量數據傳導到分析/調節(jié)單元(10)上，或者通過數據線分析/調節(jié)單元(10)與一個遠端的控制臺(12)進行通信。
13.根據權利要求10至12中的任一項權利要求或多項權利要求所述的設備，其特征在于，提供了一個輸出單元(14)，當由振蕩單元(2)處的質量改變引起的頻率改變超出或未超出預設的額定值，優(yōu)選地，在預設的容差值范圍內，輸出單元(14)以光和/或聲音的形式對操作人員給出出錯通知。
14.根據權利要求10或13所述的設備，其特征在于，調節(jié)/分析單元(10)具有一個存儲單元(11)，其中存儲著由振蕩單元(2)處的質量改變引起的可容許的頻率改變的額定值。
15.根據權利要求12所述的設備，其特征在于，測量數據和關于在振蕩單元(2)處的沉積物覆蓋的數據被以數字的方式傳輸到遠端控制臺(13)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定并且/或者監(jiān)測容器中介質的液位，或者用于識別容器中介質密度的一種方法和一種設備。本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種設備，使得一種介質的液位或密度能可靠地被確定并且/或者被監(jiān)測。根據本發(fā)明所述的設備，至少分析振蕩單元2振蕩的一個第一模式和一個第二模式，根據被分析的模式，能夠檢測到在上述振蕩單元2處的質量變化。
文檔編號G01N29/02GK1416522SQ01806431
公開日2003年5月7日 申請日期2001年2月9日 優(yōu)先權日2000年3月24日
發(fā)明者薩察·丹哥利可, 塞杰·洛帕廷 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司