專利名稱：用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的過程變量的系統(tǒng)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，特 別是密度P的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個機械可振蕩單元；至少一個 激勵/接收單元，其激勵機械可振蕩單元執(zhí)行機械振蕩并接收機械可振 蕩單元的機械振蕩；和至少一個電子單元，其向激勵/接收單元施加電 子激勵信號SA并從激勵/接收單元獲得電子接收信號Se。介廣例如是液 體。介質(zhì)例如位于容器中，或者流經(jīng)管道。在一個實施例中，過程變 量是介質(zhì)的密度。
技術(shù)領(lǐng)域
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知包括所謂的振蕩叉的測量儀表。令這些振蕩 叉振蕩，并且依賴于是否接觸介質(zhì)以及依賴于介質(zhì)特性的振蕩被接收 和分析。振蕩(即它們的變量，例如頻率或幅度)依賴于料位，即振 蕩叉被介質(zhì)覆蓋的程度，還依賴于介質(zhì)的密度或粘度。振蕩對于介質(zhì) 的密度和粘度的雙重依賴性使得密度監(jiān)控變得困難。
公開文獻DE 100 57 974 Al記載了一種這樣的振蕩叉并且特別地 涉及抑制振蕩對于介質(zhì)粘度的依賴性。根據(jù)這個專利公開文獻，可以 通過激勵信號和接收信號之間具有不為90。的相位而減小粘度的影響。 例如，在液體介質(zhì)的情況中，期望相位為70。。這種相位基本補償了粘 度的影響。
為了找到在哪一相位差粘度變化不影響振蕩頻率，例如記錄不同 介質(zhì)的曲線，其顯示發(fā)射的和接收的信號之間的相位差隨發(fā)射信號的 頻率的變化。曲線的交點得到期望的相位差。這例如在本申請人的EPO 985 916 Al中有所記載。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于可再現(xiàn)地測量過程變量特別是密度 的測量儀表。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過以下面的方式構(gòu)造電子單元而實現(xiàn) 電子單元產(chǎn)生激勵信號(SA)，使得在接收信號(SE)和激勵信號(SA) 之間得到的相位差(Df)基本等于給定的相位差期望值(Dfs。u);相
位差期望值(Dfs。u)是這樣給定的，g卩，在該相位差期望值(Dfs。u)
下，介質(zhì)粘度的變化對于機械可振蕩單元的機械振蕩的影響基本可忽
略；并且相位差期望值(Dfs。u)是至少依賴于激勵/接收單元的阻抗與 電子單元的輸入阻抗之比而給定的；其中輸入阻抗是在電子單元接收
接收信號(sE)的輸入端上得到的。
在一個實施例中，激勵/接收單元是壓電元件，其將激勵信號(sA)
轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振蕩，其中激勵信號是交流電壓。這些振蕩例如被通過薄 膜傳遞到機械可振蕩單元，例如具有兩個叉齒的所謂的振蕩叉。通過 接觸介質(zhì)而受到影響或者由介質(zhì)的特性而影響的機械振蕩被激勵/接收
單元轉(zhuǎn)化為電子接收信號(SE)，其至少包括機械可振蕩單元的機械 振蕩的頻率(Fo)。
為了測量密度(p)，特別重要的是，補償對于粘度變化的依賴性。 粘度代表振蕩的衰減。理論上，已知當激勵信號和接收信號之間存在 +卯°的相位時，存在衰減的獨立性。然而，例如從專利文獻DE 100 57 974Al中得知，在實際系統(tǒng)中在不同于90。的值發(fā)生這個效果?，F(xiàn)在， 本發(fā)明基于以下認識用于粘度獨立的相位至少依賴于激勵/接收單元 的阻抗與電子單元的輸入阻抗之比。于是，根據(jù)本發(fā)明，關(guān)于測量儀 表的特定尺寸，測量激勵/接收單元的阻抗和電子單元的輸入阻抗(這 還依賴于電子單元的類型)，或者考慮由測量儀表的結(jié)構(gòu)得到的相位 角，并且設(shè)定相應(yīng)的相位角，以實現(xiàn)對粘度變化的獨立性。在一個涉及測量儀表的特定配置的實施例中，接收信號相對于激勵信號的相位 為+46°。如果輸入阻抗是非常高歐姆的，即，至少比激勵/接收單元的 阻抗大一個量級或大10倍，那么，用于粘度獨立性情況下的相位為
+42°。例如在電壓放大器的情況中，存在較高的輸入阻抗。如果輸入
阻抗非常小，g卩，至少比激勵/接收單元的阻抗小一個量級，那么相位
差為-48°。例如在電荷放大器的情況，存在較小的輸入阻抗。接收信號 相對于激勵信號的相位依賴于電子單元的結(jié)構(gòu)而是+46°、 +42°或-48°。 優(yōu)選地，相位的絕對值在40。 50。的范圍中。于是，這明顯偏離理論值 90°。
為了維持這些相位值，電子單元必須產(chǎn)生激勵信號使得它所有相 位之和得到值0?；騨f 360° (n= 1,2,3...)，因為它整體上是振蕩回 路。也就是，依賴于輸入阻抗與激勵/接收單元的阻抗之比，相位差期 望值(Dfs。u)為-46°、 -42°或+48°。為了分析接收信號以確定介質(zhì)的密 度，優(yōu)選地，提供至少一個分析單元，其從接收信號(SE)的頻率至 少確定介質(zhì)的密度(p)。這里，這個分析單元是測量儀表的一個部件 或者是一個外部單元。
在一個實施例中，相位差期望值(Dfs。u)至少是根據(jù)激勵/接收單 元的阻抗與電子單元的輸入阻抗之比以及根據(jù)電子單元的輸出阻抗而 給定的，其中輸出阻抗是針對電子單元輸出激勵信號(SA)的輸出端 得到的。在這個實施例中，還考慮了對于電子單元的輸出阻抗的依賴 性。
在一個實施例中，相位差期望值(Dfs。 )不是90°。特別地，相位 差期望值(Dfs。u)的絕對值在40。 50。。相位差期望值(DfSQll)與傳感 器的存在粘度獨立性的相位值一起得到值11 * 360° (n = 0,1,2...)。 于是，如果例如激勵信號和接收信號之間的這個相位差是+46°，那么 相位差期望值(Dfs。u)是-46°。在一個實施例中，在電子單元的輸入阻抗比激勵/接收單元的阻抗 大，特別是至少大一個量級的情況中，相位差期望值(Dfsdl)為-42°。 特別是在傳感器單元具有雙壓電晶片元件驅(qū)動以及叉齒未被涂敷的情 況中是這樣的。
在一個實施例中，在電子單元的輸入阻抗比激勵/接收單元的阻抗
小，特別是至少小一個量級的情況中，相位差期望值(Dfs。u)為+48°。 特別地，在一個實施例中，相位差期望值(Dfs。u)為-46°，從而接收信 號(Se)相對于激勵信號(SA)的相位值為+46°。
在一個實施例中，電子單元這樣實現(xiàn)，g卩，電子單元產(chǎn)生激勵信 號(SA)，使得激勵信號(SA)基本是正弦信號。通常，為了簡化， 方波信號用作激勵信號。如果整個振蕩系統(tǒng)(即，由機械可振蕩單元 和電子單元構(gòu)成的系統(tǒng))的放大率在穩(wěn)態(tài)中的值為1 (即，如果衰減時 放大率和幅度不再改變，因為例如與可振蕩單元交互作用的介質(zhì)料位 不再變化)，那么得到正弦曲線。在大多數(shù)測量儀表中，使用大于1 的放大率，從而得到方波信號。然而，在這個實施例中，對于密度測 量使用值l。正弦激勵的一個優(yōu)點是不會激勵出諧波，并且振蕩能量僅 僅用于一個模式。
在一個實施例中，分析單元基本根據(jù)以下公式確定介質(zhì)的密度 (p):
"V 0，她c/ 乂
其中K是機械可振蕩單元的密度靈敏度系數(shù)，F(xiàn)。，vae是機械可振蕩 單元在真空中的機械振蕩頻率，C是機械可振蕩單元的溫度靈敏度系 數(shù)，T是介質(zhì)的溫度值，F(xiàn)o,Med是機械可振蕩單元在介質(zhì)中的機械振蕩
頻率(FG) ， D是機械可振蕩單元的壓力靈敏度系數(shù)，P是介質(zhì)的壓力值。為了精確測量密度，必須考慮對于壓力和溫度的依賴性，或者必 須測量相應(yīng)值。如果這些變量是恒定的，或者如果它們的影響在應(yīng)用 中可忽略，那么公式可以相應(yīng)簡化為如果基本只要檢測密度的變化，這種簡化是可能的。于是，可以通過以下步驟測量或監(jiān)控密度 首先，標定測量儀表-確定機械可振蕩單元的機械振蕩對于介質(zhì)溫度T的依賴性，并 由此確定機械可振蕩單元的溫度靈敏度系數(shù)C;-確定機械可振蕩單元的機械振蕩對于介質(zhì)壓力P的依賴性，并由 此確定機械可振蕩單元的壓力靈敏度系數(shù)D;-確定機械可振蕩單元的機械振蕩對于介質(zhì)密度p的依賴性，并由 此確定機械可振蕩單元的密度靈敏度系數(shù)K;-確定機械可振蕩單元的機械振蕩頻率F(),Vae;以及-確定激勵信號(SA)和接收信號(SE)之間的相位差期望值 (Dfs。 )，在該相位差期望值，粘度的變化對于機械可振蕩單元的機 械振蕩的影響基本可忽略。在這個標定之后，合適地保存確定的值并且執(zhí)行實際測量-確定介質(zhì)的溫度T或者可選擇地(即，例如甚至可以忽略)設(shè) 定介質(zhì)的溫度T的值；-確定介質(zhì)的壓力P或者可選擇地(即，例如甚至可以忽略)設(shè)定 介質(zhì)的壓力P的值；-激勵機械可振蕩單元執(zhí)行機械振蕩；-機械可振蕩單元的機械振蕩被接收并轉(zhuǎn)化為接收信號SE;-從接收信號sE，確定機械可振蕩單元在介質(zhì)中的的機械振蕩的頻率Fo,Med;并且8-利用以上確定的常數(shù)和值，通過以下公式確定介質(zhì)的密度p:作為替代，應(yīng)用簡化的公式并且該公式基本上顯示密度的變化。 然而，所述的處理方式僅僅是個例子，可以容易地針對其他條件而改 變。在這種情況中，在一個實施例中利用以下步驟確定相位差期望值 對于至少兩種具有不同粘度的介質(zhì)，確定在每一介質(zhì)中機械可振 蕩單元的機械振蕩的頻率(FQ，Med)之間的依賴性以及激勵信號(SA) 和接收信號(SE)之間的相位差(Df);并且確定一相位范圍，在該范圍內(nèi)至少兩種介質(zhì)的相位差(Df)基本相等。如果介質(zhì)還具有不同的密度，那么還有相關(guān)的實施方式。在進一步的實施方式中，依賴于 激勵/接收單元上的可變負載電阻，即，依賴于電子單元的不同輸入阻抗，確定相位差；也就是，以這種方式能夠確定輸入阻抗對于待確定 的相位值的影響。在一個實施例中，用于確定相位范圍的方法擴展為，確定至少兩 種介質(zhì)的密度p，并且在至少兩種介質(zhì)的密度值不同的情況中，確定并 補償密度P對于振蕩頻率Fo,Med的影響。在最簡單的情況中，密度對于 測量的影響得到計算。于是，這個實施例特別地涉及兩種測量介質(zhì)的 密度不同的情況，從而密度對于振蕩并且特別是對于振蕩頻率的影響 得到計算，以獲得由于粘度改變而造成的頻率改變。在本發(fā)明的系統(tǒng)的一個實施例中，提供至少一個用于確定介質(zhì)溫度(T)的溫度傳感器，并且/或者提供至少一個用于確定介質(zhì)壓力(P)的壓力傳感器。這些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的密度測量，因為能夠考 慮密度和溫度的影響。
現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明，唯一的附圖為 圖1是本發(fā)明的測量系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式
圖1顯示了容器10中的介質(zhì)1。本發(fā)明的測量儀表的機械可振蕩 單元2安裝在容器10上。在這種情況中，該機械可振蕩單元是所謂的 振蕩叉，即，兩個叉齒連接在一個薄膜上。激勵/接收單元3在薄膜之 后且與薄膜機械耦合，在所示情況中，激勵/接收單元3是壓電元件。壓電元件3用作機械振蕩和電子信號之間的換能器。電子單元4向激 勵/接收單元3施加電子激勵信號SA。這個交流電壓被轉(zhuǎn)化為令振蕩叉 2振蕩的機械振蕩。機械可振蕩單元2的這些振蕩依賴于叉被介質(zhì)1覆 蓋的程度，還依賴于介質(zhì)1自身的特性。于是，振蕩還依賴于介質(zhì)1 的密度和粘度。通過這個依賴性，反過來可以通過合適地分析激勵/接 收單元3的接收信號SE而測量該變量。測量儀表在這里特別是確定和/ 或監(jiān)控介質(zhì)1的密度。然而，料位也可以繼續(xù)被測量和/或監(jiān)控。還要 注意的是，這里描述的本發(fā)明并不限于振蕩叉或單棒，而是可以例如 應(yīng)用于克里奧利流量計。然而，對于密度測量，還必須補償振蕩對于 粘度的依賴性。這通過接收信號SE具有一個特定相位而實現(xiàn)，在該相 位，粘度的變化對于振蕩頻率沒有影響或者僅有可忽略不計的影響。 為了維持接收信號SE的這個相位并且為了滿足諧振條件，振蕩回路中 所有相位之和等于n * 360°，其中11 = 0, 1,2,3...，電子單元4相應(yīng)地 產(chǎn)生激勵信號SA。在這種情況中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個相位值至少依賴于 驅(qū)動/接收單元3的阻抗與電子單元4的輸入阻抗4.1的比率。于是， 值也依賴于電子單元4的結(jié)構(gòu)，即，特別是依賴于其放大器類型。相 位的理論值是90。。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在非常高歐姆輸入端4.1的情況 中，相位等于42。；而在低歐姆輸入端4.1的情況中，它等于-48°。相 應(yīng)地，相位差期望值Df;。n分別是-42。和+48。。然而，這些特殊的值還 涉及測量儀表的進一步發(fā)展。這些值的一種解釋性模型是結(jié)合驅(qū)動/ 接收單元3的電容特性(特別在它是壓電元件的情況中)，電子單元410或其輸入阻抗用作高通濾波器。相位值或者相位差期望值Df;。u或者激勵/接收單元3的值(由該值結(jié)合電子單元4的類型可以得到相位差期望值Df;。u)優(yōu)選存儲在存儲單元8中，使得電子單元4或位于其中的 微處理器可以對它們進行存取。為了改進測量并提高測量儀表的性能，由機械可振蕩單元2、激勵 /接收單元3和電子單元4構(gòu)成的振蕩回路這樣實現(xiàn)，使得總放大率等 于l。即，振蕩通過介質(zhì)1的衰減和電子單元4的放大率必須精確地彼 此補償。于是，電子單元4的放大因數(shù)必須是可調(diào)且可變的。進一步， 具有優(yōu)點的是，激勵信號SA為正弦信號，而不是在這種振蕩系統(tǒng)的情 況中常見的方波信號。特別是，進行基波激勵。另外，壓力和溫度影響振蕩。如果這兩個變量是恒定的，或者如 果它們的變化非常輕微，那么它們對于密度測量的影響可以忽略。然 而，如果需要盡可能精確的測量，那么分別利用傳感器6、 7測量溫度 T和壓力P。分析單元5在這里是獨立的單元，它由機械振蕩計算密度， 特別是由頻率以及兩個測量變量(溫度和壓力)計算密度。附圖標記列表
1 介質(zhì)
2 機械可振蕩單元
3 激勵/接收單元
4 電子單元
4.1電子單元的輸入端 4.2電子單元的輸出端
5 分析單元
6 溫度傳感器
7 壓力傳感器
8 存儲單元 10容器
權(quán)利要求
1.用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)(1)的過程變量特別是密度(ρ)的系統(tǒng)，包括至少一個機械可振蕩單元(2)；至少一個激勵/接收單元(3)，其激勵機械可振蕩單元(2)執(zhí)行機械振蕩并接收機械可振蕩單元(2)的機械振蕩；和至少一個電子單元(4)，其向激勵/接收單元(3)施加電子激勵信號(SA)并從激勵/接收單元(3)獲得電子接收信號(SE)；其特征在于，所述電子單元(4)產(chǎn)生所述激勵信號(SA)，使得在所述接收信號(SE)和所述激勵信號(SA)之間得到的相位差(Df)與給定的相位差期望值(Dfsoll)基本相等；這樣給定所述相位差期望值(Dfsoll)，使得在該相位差期望值(Dfsoll)，所述介質(zhì)(1)的粘度的變化對于所述機械可振蕩單元(2)的所述機械振蕩的影響可忽略；并且所述相位差期望值(Dfsoll)至少是依賴于所述激勵/接收單元(3)的阻抗與所述電子單元(4)的輸入阻抗之比而給定的；其中所述輸入阻抗是在所述電子單元接收所述接收信號(SE)的輸入端(4.1)上得到的。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其中，相位差期望值(DfSQll)至少是根據(jù)激勵/接收單元(3)的阻抗與電子單元(4)的輸入阻抗之比以及根據(jù)電子單元(4)的輸出阻抗而給定的，其中輸出阻抗是在電子單元(4)輸出激勵信號(SA)的輸出端上得到的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，相位差期望值(Dfscll)不是90。。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，在電子單元(4)的輸入阻抗比激勵/接收單元(3)的阻抗大，特別是大至少一個量級的情況中，相位差期望值(Dfs。u)為-42°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，在電子單元(4)的輸入阻抗比激勵/接收單元(3)的阻抗小，特別是小至少一個量級的情況中，相位差期望值(Dfs。 )為+48°。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，電子單元(4)產(chǎn)生的激勵信號(SA)基本是正弦信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，分析單元(5)基本根據(jù)以下公式確定介質(zhì)(1)的密度(p):〖* (1 + D * P) - 1其中K是機械可振蕩單元(2)的密度靈敏度系數(shù)，F(xiàn)o,v^是機械可振蕩單元(2)在真空中的機械振蕩頻率，C是機械可振蕩單元(2)的溫度靈敏度系數(shù)，T是介質(zhì)(1)的溫度值，F(xiàn)o,Med是機械可振蕩單元(2)在介質(zhì)U)中的機械振蕩頻率(Fo)，D是機械可振蕩單元(2)的壓力靈敏度系數(shù)，P是介質(zhì)(1)的壓力值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，提供至少一個溫度傳感器(6)用于確定介質(zhì)(1)的溫度(T)，并且/或者提供至少一個壓力傳感器(7)用于確定介質(zhì)(1)的壓力(P)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)(1)的過程變量特別是密度(ρ)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激勵/接收單元(3)，其激勵機械可振蕩單元(2)執(zhí)行機械振蕩并接收機械振蕩；電子單元(4)，其向激勵/接收單元(3)施加電子激勵信號(S<sub>A</sub>)并從激勵/接收單元(3)獲得電子接收信號(S<sub>E</sub>)。根據(jù)本發(fā)明，電子單元(4)產(chǎn)生激勵信號(S<sub>A</sub>)，使得在接收信號(S<sub>E</sub>)和激勵信號(S<sub>A</sub>)之間得到與相位差期望值(Df<sub>soll</sub>)相等的相位差(Df)，在該相位差下，介質(zhì)粘度的變化對于機械可振蕩單元(2)的機械振蕩的影響可忽略，并且相位差期望值(Df<sub>soll</sub>)是依賴于激勵/接收單元(3)的阻抗與電子單元(4)的輸入阻抗之比而給定的。
文檔編號G01N9/00GK101517382SQ200780033778
公開日2009年8月26日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月19日
發(fā)明者亞歷山大·穆勒, 斯坦尼斯瓦夫·賀爾維克, 薩沙·德安熱利科, 謝爾蓋·洛帕京, 馬丁·烏爾巴尼 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司