專利名稱：用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的過程變量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置。過程變量例如是介質(zhì)的料位、密度、粘度或流量。介質(zhì)可以是液體或松散材料。
背景技術(shù)：
受讓人以商標LIQUIPHANT和SOLIPHANT制造并銷售流量測量儀表。利用具有機械可振蕩單元(例如振蕩叉)的傳感器單元確定料位，其中機械可振蕩單元被通過壓電換能器而激勵振蕩。例如激勵的幅度或頻率依賴于可振蕩單元是否自由振蕩，或者它是否被介質(zhì)覆蓋。通過這種依賴關(guān)系，可以例如確定流量。
壓電換能器還用于接收機械振蕩，機械振蕩然后被轉(zhuǎn)換為交流電壓。這個交變電壓作為可振蕩單元的信號，被通過合適的連接饋送至反饋電子器件，在那里信號被放大、同時被分析并被再次饋送回傳感器單元。從來自傳感器單元的信號的頻率、幅度或相位，可以推導(dǎo)出介質(zhì)的料位。然而，還可以確定介質(zhì)的粘度(參見PCT申請WO 02/31471A2)。
在電子振動中，即，在使用機械振蕩單元的過程中，通常要區(qū)分狀態(tài)“傳感器被覆蓋”和“傳感器自由”。如果傳感器單元和反饋電子器件之間的連接中斷，即如果反饋電子器件和傳感器單元(通常是壓電換能器)之間的至少一個電連接中斷，那么這種限位開關(guān)(用于指示是否已經(jīng)達到極限料位的測量儀表)通常獨立于它們是否接觸介質(zhì)而報告“被覆蓋”。這種中斷例如可能是當電纜或連接位置由于振動而困難或者斷開時發(fā)生。這種中斷還可以源自制造誤差或缺陷，從而連接在測量儀表操作器件由于振動而分開。下面通常將這種中斷稱為“電纜故障”。
專利DE 100 23 305 C2公開了一種用于識別這種電纜故障的方法，其中利用以下事實壓電換能器也用作電容器，從而具有一定的電容?；诖?，在激勵振蕩期間測量在到壓電換能器的電線之間的電容或與其成比例的變量。如果電容低于預(yù)定的期望值，那么發(fā)出干擾報告。這種方法的缺點是需要附加的電路，其產(chǎn)生必須被分析的附加的測量值。除了振蕩的頻率和/或幅度之外，還分析電容。除此之外，這個附加的測量值沒有提供任何關(guān)于介質(zhì)的附加信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是以盡可能小的花費識別在傳感器單元和反饋電子器件之間的電纜故障，并且將其與傳感器的其它狀態(tài)可區(qū)分地表征。
本發(fā)明通過一種用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置實現(xiàn)該目的，該裝置包括傳感器單元、反饋電子器件和輔助電子器件。傳感器單元、反饋電子器件和輔助電子器件形成第一振蕩電路，其以至少一個諧振頻率(ω1)和/或以至少一個諧振頻率范圍內(nèi)的諧振頻率(ωres)振蕩。反饋電子器件和輔助電子器件形成第二振蕩電路，其以與第一振蕩電路的諧振頻率(ωres，ω1)不同的諧振頻率(ωKabelbruch)振蕩。
令頻率ωres、ω1、ωKabelbruch或與其相關(guān)聯(lián)的頻率范圍彼此充分不同。在任何情況中，ωKabelbruch都必須不同于頻率或頻率范圍ωres和ω1。
于是，本發(fā)明涉及所有測量系統(tǒng)，其確定至少一個過程變量，例如流量，其中傳感器單元直接或間接接觸介質(zhì)。在這種情況中，可以從諧振頻率(通常在液體的情況中)或者從恒定頻率下的振幅(特別是在固體的情況中)推導(dǎo)出過程變量(參見上面提到的申請WO02/31471 A2)。于是，可以涉及例如上面提到的振蕩叉；然而，還可以涉及根據(jù)科里奧利原理的流量測量。
本發(fā)明的思想是引入輔助電子器件，其用于在裝置或測量儀表正常操作期間有兩個不同頻率/頻率范圍的情況中，定義第三振蕩頻率，由該第三頻率的發(fā)生可以推導(dǎo)出已經(jīng)發(fā)生了電纜故障，即，傳感器單元不再與測量儀表電子器件的其它電子器件正確連接。
在振蕩叉的情況中，例如在正常操作中，諧振頻率ωres處于一個頻率范圍之內(nèi)。這考慮到由于制造技術(shù)中的偏差，全部叉并不具有相同的機械諧振頻率。另外，這個頻率范圍還包括由于自由和覆蓋狀態(tài)引起的頻率。除此之外，不同的頻率還來自不同的介質(zhì)密度和粘度。
另外，有所謂的斷裂頻率ω1例如由于介質(zhì)(例如，液體中的固體顆粒)或者由于機械破壞而可能使得傳感器單元不再能夠機械振蕩。例如，叉齒可能折斷，或者固體顆粒粘附在叉齒之間。在這種情況中，在第一振蕩電路中僅僅保留一個電反饋；可振蕩單元不再通過其機械特性影響振蕩電路。為了指示這種情況，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至所述的限定的斷裂頻率ω1。于是，對于振蕩叉預(yù)定頻帶和單獨頻率?；蛘撸ǔ?，第一振蕩電路可以以不同頻率振蕩，由該不同頻率推導(dǎo)過程變量，或者其代表其它限定狀態(tài)，例如振蕩的中斷。
在固體顆?；蛩缮⒉牧系臋z測中，通常僅有一個頻率(ωres)位于頻帶內(nèi)。然而，在這些測量儀表的情況中，頻率不由于接觸介質(zhì)而改變。
于是，本發(fā)明的測量儀表要被理解為基本上由以下三個單元構(gòu)成的振蕩電路反饋電子器件、傳感器電子器件和輔助電子器件。反饋電子器件還用于確定過程變量，其中例如通過該過程變量可以確定并分析所檢測的振蕩的增益、頻率或相位。如果所有連接都正常工作，那么例如振蕩以預(yù)定頻帶范圍中的諧振頻率ωres出現(xiàn)，或者在傳感器單元的機械損傷的情況中系統(tǒng)以斷裂頻率ω1振蕩。在這種情況中，頻率依賴于三個單元的構(gòu)造。
現(xiàn)在，單元這樣連接在一起，使得在反饋電子器件和傳感器單元之間電纜故障的情況中，反饋電子器件和輔助電子器件形成第二振蕩電路。這個第二振蕩電路以額外的諧振頻率ωKabelbruch振蕩，該頻率指示電纜故障。于是，通過本發(fā)明，實際上提供了第三諧振頻率(如果對于正常情況僅提供一個諧振頻率ωres，那么它是輔助電子器件引起的第二諧振頻率)，第三諧振頻率的存在是電纜故障的表示。于是，存在來自正常操作的頻率(固體)或頻率范圍(液體)。另外，對于其中不可能有機械振蕩的狀態(tài)，存在一個頻率。并且，通過本發(fā)明，提供額外的頻率，其指示電纜故障的情況。
在本發(fā)明的裝置的一個構(gòu)造中，傳感器單元和輔助電子器件并聯(lián)連接，并且與反饋電子器件串聯(lián)連接。通過這個構(gòu)造，很容易地實現(xiàn)了提供第一和第二振蕩電路，其中當與傳感器單元的連接中斷時，得到第二振蕩電路。
在本發(fā)明的裝置的一個優(yōu)選實施例中，第一振蕩電路的增益在諧振頻率范圍中或者在第一振蕩電路的諧振頻率(ωres，ω1)中比在第二振蕩電路的諧振頻率(ωKabelbruch)的范圍中的大。這個實施例的優(yōu)點在于，以這種方法，防止了裝置及測量儀表的整體性能受到輔助電子器件的不利影響。原理上，第一振蕩電路可以以三個諧振頻率中的任一個或者頻率范圍中的頻率振蕩。在具體的情況中，可以選擇對于正常操作的諧振頻率(ωres)和電纜故障頻率(ωKabelbruch)，并且可以選擇斷裂頻率(ω1)和電纜故障頻率(ωKabelbruch)。頻率ωres和頻率ω1之間的選擇是通過傳感器單元的機械狀態(tài)確定的。于是，對于上述配對有三種可能的頻率。然而，盡管在對于第一振蕩電路實際感興趣的頻率(ωres，ω1)處，第一振蕩單路的(電路)增益(增益由三個單元的增益組成)優(yōu)選地顯著大于在第二振蕩電路的諧振頻率(ωKabelbruch)處，這個諧振頻率(ωKabelbruch)在正常操作中很少會出現(xiàn)。于是，對于實際應(yīng)用的條件是，這個諧振頻率在正常操作期間應(yīng)當盡可能不出現(xiàn)。
作為對此的替代或補充，在一個實施例中，在第一振蕩電路中發(fā)生的相位的總和基本上是2π的整數(shù)倍，并且在第二振蕩電路中發(fā)生的相位的總和與2π的整數(shù)倍不同，其與2π的整數(shù)倍之間的差使得第二振蕩電路可振蕩。于是，如果傳感器單元與反饋電子器件和輔助電子器件相連，那么對于第一振蕩電路，各個相位之和是360°或2π的整數(shù)倍。換言之，在出現(xiàn)第一振蕩電路的每一點，輸入信號都與輸出信號同相，即，第一振蕩電路可以最優(yōu)地振蕩。然而，對于由反饋電子器件和輔助電子器件組成的第二振蕩電路，相位之和優(yōu)選地略微不同于360°的整數(shù)倍，從而第一振蕩電路的振蕩幾乎不可能以第二振蕩電路的諧振頻率，盡管第二振蕩電路的振蕩仍然是可能的。于是，這是另一種條件，以防止測量儀表由于輔助電子器件而退化。也可以調(diào)節(jié)增益和/或相位。
在一個實施例中，通過第一或第二振蕩電路的增益與第一或第二振蕩電路的相位之和的組合，保證避免第一振蕩電路以第二振蕩電路的諧振頻率(ωKabelbruch)振蕩。于是，利用這個實施例，相位和增益彼此結(jié)合，從而避免了第一振蕩電路以第二振蕩電路的諧振頻率(ωKabelbruch)振蕩。上述兩個實施例這樣共同實施，以保證第一振蕩電路不以第二振蕩電路的諧振頻率振蕩。在這種情況中，可以有增益或相位條件的任意組合。
在一個實施例中，傳感器單元具有至少一個機械可振蕩單元。于是，測量儀表例如包括振蕩叉或所謂的單棒。在這種可振蕩單元(振蕩叉或單棒)的情況中，通常還提供激勵/接收單元，其產(chǎn)生可振蕩單元的機械振蕩并接收該振蕩。它的一個實施例是壓電換能器，其被利用交流電壓驅(qū)動，該交流電壓被轉(zhuǎn)換為可振蕩單元的機械振蕩，并且反過來將機械振蕩轉(zhuǎn)換為交變電壓。然而，它還可以是科里奧利流量測量儀表的振蕩管。在單棒或振蕩叉的情況中，過程變量優(yōu)選地是介質(zhì)的料位；然而，它也可以是介質(zhì)的粘度或密度。


現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明，附圖中圖1是本發(fā)明的裝置的示意性框圖；圖2a～c是描述本發(fā)明的裝置的特性的圖；和圖3是本發(fā)明的裝置的振蕩叉的示意圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的裝置的示意圖。顯示了傳感器單元1、反饋電子器件2和根據(jù)本發(fā)明添加的輔助電子器件3。這三個單元1、2、3一起形成第一振蕩電路10，其依賴于與傳感器單元1交互作用的過程介質(zhì)，以兩個諧振頻率ωres(這個頻率在頻帶內(nèi))或ω1(在因為傳感器單元不再可能機械振蕩而振蕩中斷的情況中)之一振蕩。傳感器單元1和輔助電子器件3在這個實施例中并聯(lián)連接并與反饋電子器件2串聯(lián)連接，從而反饋電子器件2和輔助電子器件3在電纜故障的情況中(在圖中由兩條中斷線指示)形成具有諧振頻率ωKabelbruch的第二振蕩20。
出于以下考慮，以F(iω)標記的部分是具有復(fù)雜傳遞函數(shù)F(iω)＝Uout/Uin的反饋元件。特別的Fe反饋或放大器電子器件2的傳遞函數(shù)；Fr用于生成電纜故障狀態(tài)的輔助電子器件3的傳遞函數(shù)；Fse 傳感器單元1的純傳感器電特性的傳遞函數(shù)(在完全阻斷狀態(tài)中的傳感器；不可能有機械振蕩)；和Fs由傳感器單元的可振蕩單元的機械諧振確定的電信號的傳遞函數(shù)(傳感器振蕩；它在自由狀態(tài)或覆蓋狀態(tài)，或者機械可振蕩單元部分被覆蓋，即，傳感器處于中間狀態(tài))。
為了描述振蕩單元10、20，在反饋電子器件2的輸出端5將它們分開。為了簡化，沒有說明可能的信號飽和(僅靜態(tài)情況)。
于是，不同狀態(tài)的振蕩條件如下狀態(tài)1傳感器可以自由振蕩，或者它可以部分振蕩或者完全被覆蓋，并且不存在電纜故障Uo(iω)Ui(iω)=[Fr(iω)+Fse(iω)+Fs(iω)]×Fe(iω)=1+0i|ω=ωres;]]>狀態(tài)2傳感器不振蕩，即，不可能有機械振蕩，并且不存在電纜故障Uo(iω)Ui(iω)=[Fr(iω)+Fse(iω)+0]×Fe(iω)=1+0i|ω=ω1;and]]>狀態(tài)3存在電纜故障，傳感器可振蕩或不可振蕩Uo(iω)Ui(iω)=Fr(iω)×Fe(iω)=1+0i|ω=ωKabelbruch.]]>在這種情況中，諧振頻率是ωres-第一振蕩電路10的諧振頻率，其中傳感器機械振蕩，其中叉振蕩(或者自由或者被覆蓋，或者在這兩種極限情況之間)；ω1-第一振蕩電路10的諧振頻率，其中叉完全被覆蓋并且不再能夠振蕩(中斷頻率)，振蕩傳感器的傳遞函數(shù)Fs等于0；和ωKabelbruch-第二振蕩電路20的諧振頻率，其以信號表示電纜故障，其中傳遞函數(shù)Fs和Fse已經(jīng)由于電纜故障而消失。
為了區(qū)分狀態(tài)2和3，必須保持ω1≠ωKabelbruch。于是這是實現(xiàn)本發(fā)明的裝置的第一條件。對于其中傳感器機械振蕩的第一振蕩電路10的諧振頻率ωres也是同樣。
另外，必須保證振蕩在自由傳感器的情況中幾乎不受到輔助傳遞元素Fr的影響，因為例如對于給定的Fs，這樣選擇傳遞函數(shù)Fr，使得滿足以下關(guān)系|Fr(iωKabelbruch)×Fe(iωKabelbruch)|＜|Fr(iωres)+Fse(iωres)+Fs(iωres)]×Fe(iωres)|這意味著在區(qū)域ω＝ωKabelbruch中第一振蕩電路10的電路增益必須比在區(qū)域ω＝ωres或ω＝ω1中顯著減小。這是實現(xiàn)本發(fā)明的裝置的第二條件。正如上面已經(jīng)指出的，這也可以通過相位實現(xiàn)。
通常，ωres是由傳感器的機械振蕩特性(制造公差；傳感器浸入其中的介質(zhì)的密度和衰減特性；溫度；壓力)確定的頻率間隔。
注意在真實的電子器件中，出于花費考慮，往往不設(shè)置增益等于1，而是大于1。為了簡化公式，設(shè)置電路增益等于1。然而，以上實施方式說明了本發(fā)明的原理以及足以實現(xiàn)它的條件。
在圖2a～2c中，更詳細地說明了由本發(fā)明的裝置進行的電纜故障檢測。為了理解，這樣簡化情況，使得第一振蕩電路僅以諧振頻率ωres/l振蕩，即上述的兩個狀態(tài)1和2，它們都涉及傳感器單元和反饋電子器件之間的“正常工作”連接。于是，以這種方式，還可以包括這種情況，其中在正常操作中，僅發(fā)生一個諧振頻率，因為例如與介質(zhì)的接觸不導(dǎo)致振蕩頻率改變，而是導(dǎo)致振蕩幅度改變(例如，松散顆?；蚬腆w與液體不同，它們的不同密度和粘度導(dǎo)致頻率范圍)。
在圖2a和2b中，曲線Fe(iω)描述了反饋電子器件2的相位或增益曲線。曲線Fr(iω)+Fs(iω)描述了第一振蕩電路10的反饋，曲線Fr(iω)描述了輔助電子器件3。為了簡化表達，省略了傳遞函數(shù)Fse(iω)，也因此省略了在覆蓋的振蕩叉的情況中的性能。圖2a和2b中的頻譜滿足對于兩個不同頻率ωres/l和ωKabelbruch的振蕩條件。
狀態(tài)1/2傳感器單元報告自由或被覆蓋。不存在電纜故障。曲線Fe(iω)和Fr(iω)+Fs(iω))遵循[Fr(iω)+Fs(iω)]×Fe(iω)≥1+Oi對于兩個頻率ωres/l和Kabelbruch都滿足這個公式。然而，由于對于這種狀態(tài)，也必須滿足|Fr(iωKabelbruch)×Fe(iωKabelbruch)|＜|[Fr(iωres/l)+Fs(iωres/l)]×Fe(iωres/l)|，第一振蕩電路10以頻率ω＝ωres/l振蕩。從頻譜圖可以將其再生。于是，測量裝置的正常性能不受到本發(fā)明的裝置的輔助電子器件3影響。
狀態(tài)3沒有連接傳感器單元；于是存在電纜故障。遵循曲線Fe(iω)和Fr(iω))。在這種情況中，對于ω＝ωKabelbruch，滿足以下關(guān)系Fr(iω)×Fe(iω)＝1+Oi|ω＝ωKabelbruch.
在電纜故障的情況中，第二振蕩電路20以電纜故障頻率ωKabelbruch振蕩，從而從出現(xiàn)這個頻率可以推斷出存在這種電纜故障。并且，特別是通過反饋電子器件2的增益分布，保證在正常操作中，即，在兩個單獨單元之間存在連接的情況中，第一振蕩電路10以用于確定過程變量的諧振頻率振蕩。
這些狀態(tài)在圖2c中的Nyquist圖中也是可見的。
在這個圖中，存在開環(huán)振蕩電路的函數(shù)F(iω)＝[Fr(iω)+Fs(iω)]×Fe(iω)。其中ω作為參數(shù)，可以在箭頭方向上從原點(ω＝0)經(jīng)過第一振蕩點(ω＝ωres/l)和第二振蕩點(ω＝ωKabelbruch)回到原點(ω＝∞)。在兩個振蕩點中，F(xiàn)是實數(shù)，即，在輸入和輸出之間除了n*360°不存在相移，其中n是自然數(shù)(n＝1，2，3，...)。
通過以上條件，傳感器單元1、反饋電子器件2和輔助電子器件3被充分說明，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解它們的實施。原理上，僅僅需要保證第二振蕩電路20的諧振頻率不同于第一振蕩電路10的一個或多個諧振頻率，并且輔助電子器件3沒有向第一振蕩電路10的振蕩施加負面影響。這可以例如通過保證以下條件而實現(xiàn)第一振蕩電路10的放大性能在具有頻率ωres和ω1的第一振蕩電路10的振蕩范圍中明顯大于具有頻率ωKabelbruch的第二振蕩電路20的振蕩范圍中。
圖3顯示了作為本發(fā)明的裝置的機械可振蕩單元30的振蕩叉。例如利用壓電換能器(未顯示)激勵這個單元30振蕩。如果裝置用于料位確定，那么叉30以兩個不同的頻率ωres(這是一個頻率范圍，其由叉的機械特性以及介質(zhì)的特性例如料位、密度或粘度而確定)或ω1(叉不能執(zhí)行機械振蕩；對于機械振蕩中斷的中斷頻率)振蕩。在傳感器單元1和反饋電子器件2或輔助電子器件3之間的連接6有問題。這里利用激勵連接和接收連接表示這些連接6；然而，還可以是一個雙向連接。這種連接6可以是電纜，其焊料連接斷開或者被侵入裝置的腐蝕性介質(zhì)侵害。于是，有許多種方式可以發(fā)生“電纜故障”。這種狀態(tài)“電纜故障”可被本發(fā)明明確識別，即，通過輔助電子器件3形成第二振蕩電路20，其以唯一限定的諧振頻率ωKabelbruch振蕩。并且，通過第一振蕩電路10的結(jié)構(gòu)，或者特別地，通過傳感器單元1、反饋電子器件2和輔助電子器件3的放大特性的設(shè)計，保證第一振蕩電路10不以電纜故障頻率振蕩。于是，僅僅當輔助電子器件3和第二振蕩電路20之間的連接6喪失時，也就是當發(fā)生電纜故障時，第二振蕩電路20才起作用。于是，輔助電子器件3的優(yōu)點是，利用它，在電纜故障的情況中出現(xiàn)選定的頻率，而對于正常操作沒有負面影響。
權(quán)利要求
1.用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置，包括傳感器單元(1)；反饋電子器件(2)；和輔助電子器件(3)；其中傳感器單元(1)、反饋電子器件(2)和輔助電子器件(3)形成第一振蕩電路(10)；其中第一振蕩電路(10)以至少一個諧振頻率(ω1)和/或以至少一個諧振頻率范圍內(nèi)的諧振頻率(ωres)振蕩；其中反饋電子器件(2)和輔助電子器件(3)形成第二振蕩電路(20)；其中第二振蕩電路(20)以與第一振蕩電路(10)的諧振頻率(ωres，ω1)不同的諧振頻率(ωKabelbruch)振蕩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中傳感器單元(1)和輔助電子器件(3)并聯(lián)連接并且與反饋電子器件(2)串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中第一振蕩電路(10)的增益在諧振頻率范圍中或者在第一振蕩電路(10)的諧振頻率(ωres，ω1)中比在第二振蕩電路(20)的諧振頻率(ωKabelbruch)的范圍中的大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的裝置，其中在第一振蕩電路(10)中發(fā)生的相位的總和基本上是2π的整數(shù)倍，并且其中在第二振蕩電路(20)中發(fā)生的相位的總和與2π的整數(shù)倍不同，其中與2π的整數(shù)倍之間的差使得第二振蕩電路(20)可振蕩。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的裝置，其中通過第一(10)或第二振蕩電路(20)的增益與第一(10)或第二振蕩電路(20)的相位之和的組合，保證避免第一振蕩電路(10)以第二振蕩電路(20)的諧振頻率(ωKabelbruch)振蕩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中傳感器單元(1)具有至少一個機械可振蕩單元(30)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置，其包括傳感器單元(1)、反饋電子器件(2)和輔助電子器件(3)。傳感器單元(1)、反饋電子器件(2)和輔助電子器件(3)形成第一振蕩電路(10)，其以至少一個諧振頻率(ω
文檔編號G01F1/84GK1965215SQ200580018069
公開日2007年5月16日 申請日期2005年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月4日
發(fā)明者沃爾夫?qū)げ剪敋J, 薩沙·德安熱利科 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司