專利名稱：振動(dòng)液位傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)液位傳感器，具有可調(diào)諧的電振蕩回路，可由振蕩回路激發(fā)以產(chǎn)生諧振振蕩的機(jī)械振蕩器，以及將振蕩回路調(diào)諧到機(jī)械振蕩器的諧振頻率的控制電路。
由US-A-5,895,848和DE 44 39 879 C1已知這種類型的液位傳感器。
這種液位傳感器的工作原理是基于這樣的事實(shí)，即機(jī)械振蕩器的諧振頻率根據(jù)振蕩器浸入的介質(zhì)的密度、并在很小程度上根據(jù)介質(zhì)的粘度而改變。
這樣的液位傳感器的電振蕩回路必須能夠在機(jī)械振蕩器希望的諧振頻率的限度內(nèi)調(diào)諧。在液位傳感器工作時(shí)，從起始頻率開始連續(xù)對(duì)電振蕩回路進(jìn)行調(diào)諧，以確定機(jī)械振蕩器的實(shí)際諧振頻率。如果在作用于機(jī)械振蕩器上的驅(qū)動(dòng)力的相位與振蕩器運(yùn)動(dòng)相位之間的相位差為90°，則視為找到了諧振頻率。如果在調(diào)協(xié)范圍內(nèi)沒有找到這樣的頻率，則假設(shè)機(jī)械振蕩器被卡住，例如由于與異物的接觸而卡住，并且斷定液位傳感器發(fā)生了故障。
另外，當(dāng)由于音叉上的沉積、或者由于對(duì)音叉的機(jī)械損壞(例如由于對(duì)叉尖的腐蝕)而使音叉失調(diào)時(shí)，提出了故障識(shí)別原則。在這種情況下，對(duì)應(yīng)于這樣的頻譜分量的頻率被理解為機(jī)械振蕩器的諧振頻率。其與包圍機(jī)械振蕩器的介質(zhì)的密度和粘度的相關(guān)性與無阻礙振蕩器的情況完全不同，因此可靠的液位檢查是不可能的。
為了能夠使具有不同音叉振蕩器(這些音叉振蕩器具有不同的諧振頻率)的、前面所述類型的液位傳感器工作，振蕩器必須具有大的調(diào)諧范圍。(由于不同的音叉幾何形狀或涂層，例如瓷漆，產(chǎn)生不同的諧振頻率)。另一方面，這個(gè)調(diào)諧范圍越大，受限制運(yùn)動(dòng)的振蕩器的振蕩運(yùn)動(dòng)具有在調(diào)諧范圍內(nèi)的頻譜分量的可能性越大。即，單個(gè)振蕩器的頻率(對(duì)于這些頻率，這樣的振蕩器是可調(diào)節(jié)的)分開得越遠(yuǎn)，則振蕩器的部分阻礙仍然未被識(shí)別出來的危險(xiǎn)越大，并且液位傳感器可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的識(shí)別結(jié)果。
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種液位傳感器，其中減小了在振蕩器部分阻礙的情況下，閉鎖(Einrasten)不適當(dāng)?shù)念l率的危險(xiǎn)。另一個(gè)任務(wù)在于，識(shí)別出什么時(shí)候由于振蕩器的機(jī)械損壞、振蕩器上的沉積、短路或斷路，閉鎖在錯(cuò)誤的頻率上。其中應(yīng)該提供故障指示。
該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1所述特征的液位傳感器來完成。由于在振蕩器部分卡住、沉積或損壞時(shí)，振蕩器的振蕩運(yùn)動(dòng)振幅一般會(huì)明顯減小，所以通過監(jiān)測(cè)這個(gè)振幅就能夠判斷所找到的諧振頻率是不是無阻礙振蕩器的“真實(shí)”諧振頻率。
例如用峰值檢波器采集振蕩器的振幅，并通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入到一個(gè)微處理器中。在其中進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。這將檢驗(yàn)在各個(gè)振蕩頻率下所測(cè)得的振幅是否對(duì)應(yīng)于正常工作狀態(tài)，或者是否存在上述故障。
在另一個(gè)實(shí)施例中，用施密特觸發(fā)器作為門限電路，其中施密特觸發(fā)器的開關(guān)門限對(duì)應(yīng)于振幅的最小值。
優(yōu)選地，電振蕩電路通過一個(gè)低通濾波器與機(jī)械振蕩器所驅(qū)動(dòng)的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器相連接。這個(gè)低通濾波器的作用是使饋送給電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的振蕩工作電壓的諧波盡可能少，并由此激發(fā)機(jī)械振蕩器缺少諧波、頻率和、及頻率差的運(yùn)動(dòng)。特別地，差頻分量的抑制非常重要，這是因?yàn)槠渲写嬖谶@樣的可能性，即它們落入振蕩電路的諧振頻率范圍內(nèi)，因此可能作為機(jī)械振蕩器的諧振而被采集。
如果電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是壓電元件，則通過與壓電元件串聯(lián)連接的電阻和壓電元件本來的固有電容能夠很容易地構(gòu)造低通濾波器。
通過以下參考附圖對(duì)實(shí)施例的描述得到本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。其中


圖1根據(jù)本發(fā)明的液位傳感器的測(cè)量探頭的剖面圖；圖2液位傳感器的電氣元件的框圖，在其中振幅監(jiān)測(cè)通過施密特觸發(fā)器來完成；圖3圖2所示電路的不同點(diǎn)處的信號(hào)的時(shí)序圖；圖4與圖2類似的第二個(gè)框圖，但是其中振幅監(jiān)測(cè)是通過微處理器中的峰值檢波器和A/D轉(zhuǎn)換器來完成的；以及圖5一個(gè)作為示例的圖表，從中可識(shí)別不同填料的頻率-振幅關(guān)系。
圖1所示的測(cè)量探頭是由基本上為杯形的金屬嵌入盒1構(gòu)成，其中嵌入盒具有外螺紋2，以旋入到容器的開口中，在所述容器中監(jiān)測(cè)液體的液位。杯底由可振蕩的薄膜3構(gòu)成，薄膜在朝向容器內(nèi)部的外側(cè)面上具有兩個(gè)叉尖4，而在其內(nèi)側(cè)面上具有牽引螺栓5。在牽引螺栓5周圍環(huán)形地設(shè)置兩個(gè)壓電元件6、7。為了達(dá)到更高的發(fā)射振幅，壓電元件6由兩個(gè)并聯(lián)的、由一個(gè)金屬環(huán)11B分開的壓電環(huán)組成。由緊壓環(huán)8和旋在牽引螺栓5上的螺母9將壓電元件6、7相對(duì)于一個(gè)支撐環(huán)10壓緊，支撐環(huán)與薄膜3直接接觸。作為發(fā)射器和接收器工作的壓電元件6、7的電隔離通過一個(gè)陶瓷環(huán)60實(shí)現(xiàn)。在陶瓷環(huán)60和壓電元件7之間設(shè)置一個(gè)金屬環(huán)11C，這個(gè)金屬環(huán)構(gòu)成壓電元件7的第一電極。金屬環(huán)11B構(gòu)成壓電元件6的第一電極。緊壓環(huán)8和支撐環(huán)10通過牽引螺栓5電氣連接，并與位于陶瓷環(huán)60和壓電元件6之間的金屬環(huán)11A構(gòu)成一個(gè)共同的第二電極。
圖2示出了液位傳感器的電氣元件的框圖。具有壓電元件6、7的測(cè)量探頭在這里表示為虛線長方形。作為激勵(lì)器使測(cè)量探頭振動(dòng)的壓電元件6由受電壓控制的振蕩器12通過脈沖形成器13來控制，所述脈沖形成器對(duì)圖3A中所示的、振蕩器12的諧波豐富的矩形波信號(hào)A進(jìn)行平滑，從而減少其諧波分量。在最簡單的情況下，脈沖形成器可以是簡單的電阻，該電阻與壓電元件6的電容串聯(lián)，像低通濾波器那樣工作。
壓電元件7作為機(jī)械-電轉(zhuǎn)換器，將圖3B中所示的與叉尖4的振幅成比例的信號(hào)B傳送到放大器14的輸入端。
機(jī)械振蕩器的一個(gè)小的振幅就足以使信號(hào)B如此強(qiáng)，使得從符號(hào)改變的時(shí)候看，使放大器14實(shí)際上持續(xù)飽和。因此，放大器14提供圖3C所示的矩形輸出信號(hào)C。
放大器14的輸出端通過一個(gè)電容器15與一個(gè)相位檢波器16的第一個(gè)輸入端相連。電容器15以及將相位檢波器16的第一個(gè)輸入端與正、負(fù)電源電壓+UB、-UB相連的兩個(gè)電阻17用于抑制信號(hào)C中當(dāng)前的直流電壓分量，其中這個(gè)直流電壓分量可能由電磁故障產(chǎn)生，電磁故障作用于測(cè)量探頭或者測(cè)量探頭與相位檢波器16之間的可能很長的線路連接。這樣就可以使用簡單的相位檢波器16，它僅分析其輸入信號(hào)的符號(hào)改變。
相位檢波器16的第二個(gè)輸入端與脈沖形成器13的輸出端相連接。相位檢波器16提供圖3D所示的輸出信號(hào)D，在兩個(gè)輸入信號(hào)的每次符號(hào)改變時(shí)該輸出信號(hào)D的符號(hào)發(fā)生改變。矩形信號(hào)D的正負(fù)脈沖的相對(duì)長度取決于信號(hào)A、C的相對(duì)相位；在90°相移的情況下，如圖3A、3C所示，正負(fù)脈沖長度相同。
輸出信號(hào)通過由連接在相位檢波器16的輸出端和壓控振蕩器12的控制輸入端之間的電阻18以及一方面連接控制輸入端、另一方面接地的電容器19所組成的RC電路被饋送到壓控振蕩器12的輸入端，使得施加在壓控振蕩器12的輸入端上的信號(hào)E具有圖3E所示的波形過程。相位檢波器16和壓控振蕩器12構(gòu)成相位耦合回路或PLL回路。
圖2中由虛線框包圍的相位調(diào)節(jié)器20是可選的。它包括運(yùn)算放大器21，相位檢波器16的輸出信號(hào)D通過RC電路饋送到其反相輸入端，并且一個(gè)可調(diào)節(jié)的參考電壓UΦ施加在其非反相輸入端。借助參考電壓UΦ，可預(yù)先確定信號(hào)A、C之間的相位角。比較器21的輸出信號(hào)在壓控振蕩器12上與信號(hào)E加性疊加。即，相位調(diào)節(jié)器20移動(dòng)壓控振蕩器12的工作點(diǎn)，使得信號(hào)A、C之間的相位角保持恒定。通過恒定相位角的作用，能夠補(bǔ)償不同粘度的填料的開關(guān)點(diǎn)差別。另外，由此補(bǔ)償了改變壓控振蕩器12調(diào)節(jié)范圍的溫度影響。
此外，由放大器14輸出的信號(hào)C被傳送到施密特觸發(fā)器22的輸入端，而施密特觸發(fā)器的輸出端又與微處理器23的一個(gè)輸入端相連接。施密特觸發(fā)器提供可由微處理器直接處理的二進(jìn)制輸出信號(hào)。如果測(cè)量探頭諧振，則壓電元件7所提供的信號(hào)B如此強(qiáng)，以至于它使放大器14實(shí)際上持續(xù)保持飽和，因此其輸出信號(hào)具有圖3C中所示的矩形信號(hào)波形。
如果信號(hào)B的振幅較弱，則放大器14不會(huì)進(jìn)入飽和振蕩周期或只進(jìn)入部分飽和振蕩周期，使得其輸出信號(hào)具有圖3C’所示的波形。在圖3C’中，施密特觸發(fā)器的門限值Us被表示為虛線。只有當(dāng)放大器14的輸出信號(hào)超過這個(gè)門限值時(shí)，施密特觸發(fā)器22才提供未衰減的輸出信號(hào)F。
在圖3F中示出對(duì)應(yīng)于圖3C’所示信號(hào)C的施密特觸發(fā)器22的輸出信號(hào)F的波形。測(cè)量探頭的振幅越小，則輸出信號(hào)F的正脈沖持續(xù)時(shí)間越短，并且如果振幅如此弱，以至于信號(hào)C沒有達(dá)到門限值Us，則信號(hào)F恒定為0。
為了獲得信號(hào)F的占空比，微處理器23以與振蕩周期不成整數(shù)關(guān)系的固定周期讀取其輸入端上的信號(hào)F就足夠了。其中讀出未衰減的電平的頻率對(duì)應(yīng)于占空比。如果這個(gè)頻率低于一個(gè)可由用戶在微處理器23上設(shè)定的預(yù)定值，則微處理器將一個(gè)與此有關(guān)的報(bào)警信號(hào)提供給顯示裝置或后續(xù)處理裝置。由報(bào)警信號(hào)的存在可知，PLL回路還沒有閉鎖在測(cè)量探頭的諧振頻率上，或者存在測(cè)量探頭的機(jī)械故障。如果產(chǎn)生比對(duì)應(yīng)于為了使振蕩器12在其調(diào)諧范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧所需時(shí)間的時(shí)間長的報(bào)警信號(hào)，則認(rèn)為發(fā)生了這樣的機(jī)械故障。
如果信號(hào)F的占空比超過了預(yù)定的極限值，則得出振蕩器12閉鎖在測(cè)量探頭的諧振頻率上。在這種情況下，微處理器23讀取振蕩器12的諧振頻率，并將其提供給顯示裝置或后續(xù)處理裝置。
通過讀取施密特觸發(fā)器上的頻率，只能判斷振幅是否超過一個(gè)特定的門限值。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量更好的判斷，了解振幅的精確高度是有意義的。因此，頻率和振幅應(yīng)該分開測(cè)量。在壓控振蕩器的輸出端上能夠采集頻率。這可以借助于圖4的電路來實(shí)現(xiàn)。
直接在接收壓電元件處對(duì)幅值進(jìn)行采樣。用峰值檢波器采集幅值高度，并通過A/D轉(zhuǎn)換器讀入到微處理器中。
在微處理器中，對(duì)各個(gè)頻率處的幅值進(jìn)行檢驗(yàn)。如果在一個(gè)位置上總是測(cè)得相同的填料，則可以考慮存儲(chǔ)不同覆蓋狀態(tài)下的頻率和幅值。由此得到一個(gè)表示與頻率相關(guān)的幅值變化過程的曲線。在工作期間，幅值和頻率總是能夠與所存儲(chǔ)的值進(jìn)行比較。以這種方式，也能夠識(shí)別測(cè)量設(shè)備上微小的變化。
圖4中示出了與圖2類似的電路圖。但是沒有施密特觸發(fā)器22。設(shè)置一個(gè)帶有后接A/D轉(zhuǎn)換器50的峰值檢波器40，以代替施密特觸發(fā)器。峰值檢波器40的輸入端與放大器14的連接點(diǎn)和壓電元件7相連接。峰值檢波器40的輸出端連接到A/D轉(zhuǎn)換器50的輸入端。A/D轉(zhuǎn)換器50的輸出端與微處理器23的一個(gè)輸入端相連接。A/D轉(zhuǎn)換器50也可以被直接集成在微處理器23中。微處理器23能夠進(jìn)行幅值測(cè)量。微處理器23內(nèi)的頻率測(cè)量能夠通過以下方式實(shí)現(xiàn)，即壓控振蕩器12的輸出端也與微處理器23的一個(gè)輸入端相連接。除此之外，圖4中的框圖與圖2中的框圖一致。
借助于根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造，可以進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，通過奇偶校驗(yàn)識(shí)別在液位測(cè)定系統(tǒng)中是否出現(xiàn)差錯(cuò)。例如，如果振動(dòng)音叉粘附有松散材料，則振動(dòng)幅度變小。如果振動(dòng)音叉發(fā)生碰撞，則幅值變小。這都可以用根據(jù)本發(fā)明的電路來檢測(cè)。
另外，能夠識(shí)別例如由叉尖的腐蝕所引起的振動(dòng)音叉的機(jī)械損壞。如果在叉尖上發(fā)生材料磨耗，則音叉的頻率變高。無需監(jiān)測(cè)，這顯示為液位的下降。因?yàn)橐舨娴恼穹诓婕飧g時(shí)不是像液位下降時(shí)的情況那樣以相同的程度改變，所以在兩種情況下會(huì)有不同的振幅-頻率關(guān)系。如果現(xiàn)在將振幅-頻率關(guān)系與正確的、在容器第一次填充時(shí)所存儲(chǔ)的關(guān)系進(jìn)行比較，則能夠清楚地檢測(cè)出差錯(cuò)狀態(tài)。
另外，用本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)也能夠檢測(cè)在容器中是否填充了“正確的”填料。為此，事先用“正確的”填料將容器緩慢地填充，并根據(jù)頻率存儲(chǔ)振幅。其中例如可以對(duì)于填料水得到圖5上面所表示的變化過程。這個(gè)變化過程適當(dāng)?shù)刈鳛閰⒖寄Ｊ酱鎯?chǔ)在本發(fā)明的構(gòu)造中。如果填料例如為甘油(其粘度比水大得多)，而不是水，則也能得到振蕩信號(hào)的特定頻率-振幅曲線。然而，振幅-頻率關(guān)系在音叉被覆蓋的狀態(tài)下顯著地變小。在圖5中下面的曲線中可以識(shí)別出相應(yīng)的變化過程。
因此，用本發(fā)明的構(gòu)造也能夠準(zhǔn)確地確定填料的類型。
權(quán)利要求
1.液位傳感器，具有可調(diào)諧的電振蕩回路(12)，由所述振蕩回路激發(fā)以產(chǎn)生諧振振蕩的機(jī)械振蕩器(3、4)，以及使所述振蕩回路(12)調(diào)諧到機(jī)械振蕩器的諧振頻率的控制電路(16、17、18、19、20)，其特征在于具有裝置(22、23)，該裝置(22、23)將所述機(jī)械振蕩器(3、4)的振幅和/或頻率與一個(gè)值進(jìn)行比較，并且當(dāng)其振幅和/或頻率以預(yù)定的類型和方式偏離該值時(shí)，確定所述機(jī)械振蕩器(3、4)發(fā)生了故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的液位傳感器，其特征在于，所述控制電路(16-20)包括PLL回路(12、16、18、19)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的液位傳感器，其特征在于，它包括一個(gè)機(jī)-電轉(zhuǎn)換器(7)，以提供與所述機(jī)械振蕩器(3、4)的振幅成比例的信號(hào)，并且用于比較振幅的裝置(22、23)包括一個(gè)門限值電路(22)，用于接收由所述轉(zhuǎn)換器(7)所提供的信號(hào)，并且當(dāng)其振幅低于最小值時(shí)抑制該信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的液位傳感器，其特征在于，所述門限值電路(22)是施密特觸發(fā)器。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的液位傳感器，其特征在于，它包括一個(gè)機(jī)-電轉(zhuǎn)換器(7)，以通過信號(hào)線向所述控制電路(16-20)傳送與所述機(jī)械振蕩器(3、4)的振幅成比例的信號(hào)，并且在所述轉(zhuǎn)換器(7)和所述控制線路(16-20)之間的信號(hào)線中設(shè)置一個(gè)高通濾波器(15、17)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的液位傳感器，其特征在于，所述電振蕩回路(12)通過一個(gè)低通濾波器(13)與驅(qū)動(dòng)所述機(jī)械振蕩器的電-機(jī)轉(zhuǎn)換器(6)相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的液位傳感器，其特征在于，所述電-機(jī)轉(zhuǎn)換器是壓電元件(6)，并且所述低通濾波器(13)通過與所述壓電元件串聯(lián)連接的電阻和所述壓電元件的固有電容構(gòu)成。
8.用根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的液位傳感器檢測(cè)液位測(cè)量系統(tǒng)中的故障的方法，其特征在于，在參考測(cè)量中，存儲(chǔ)正確的填充過程的額定頻率-振幅變化過程，并且與這個(gè)額定頻率-振幅變化過程的預(yù)定偏離被檢測(cè)為故障。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，用錯(cuò)誤的填料填充容器被檢測(cè)為故障。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)液位傳感器，具有可調(diào)諧的電振蕩回路(12)，可由振蕩回路激發(fā)以產(chǎn)生諧振振蕩的機(jī)械振蕩器(3、4)，以及將振蕩回路(12)調(diào)諧到機(jī)械振蕩器諧振頻率的控制電路(16、17、18、19、20)。如果后者的振幅低于最小值。則用于將機(jī)械振蕩器(3、4)的振幅與最小值進(jìn)行比較的裝置(22、23)確定機(jī)械振蕩器(3、4)發(fā)生故障。
文檔編號(hào)G01F23/296GK1682097SQ03821897
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月17日
發(fā)明者希格伯爾特·韋爾勒 申請(qǐng)人:Vega格里沙貝兩合公司