用于測量設備的信號發(fā)生器以及用于自動化技術(shù)的測量設備的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生用于測量設備的周期性信號的信號發(fā)生器以及應用了本發(fā)明的信號發(fā)生器的測量設備。優(yōu)選地，信號發(fā)生器用于電容性測量設備中。然而，信號發(fā)生器還可應用在電子振動測量設備中。測量設備的優(yōu)選應用領域是自動化技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]基于電容性測量原理的測量裝置常用于液體介質(zhì)中的料位或極限液位測量。除料位或極限液位之外，這樣的測量裝置還可用于確定和/或監(jiān)視介質(zhì)的電導率和/或電容率。為此，料位必須保持不變。此外，電容性測量裝置可在與介質(zhì)接觸的測量設備組件上檢測沉積形成。
[0003]電容性測量裝置包括測量探頭，其中測量探頭通常具有桿狀傳感器電極，且在給定情況下，具有用于在電極上出現(xiàn)沉積形成的情況下改進測量的準確性的保護電極。從探測電極和容器壁或第二電極所形成的電容器的電容確定介質(zhì)的料位，其中交流電壓施加在探測電極上。取決于介質(zhì)的電導率，介質(zhì)和/或探頭絕緣形成電容器的電介質(zhì)。保護電極處于與探測電極相同的電位，且至少在截面上同軸地圍繞探測電極。具有保護的探頭描述在(例如)DE 3212434 C2中，而不具有保護的探頭描述在W0 2006/034959 A2中。用于連續(xù)料位或極限液位確定的電容性探頭由本申請人(例如)以商標LIQUICAP在不同實施例中且以不同探頭長度生產(chǎn)和出售。
[0004]在電容性探頭的情況下，面臨以下兩難境地:為了防止會干擾測量的諧振效應，有利地是，選擇施加在測量探頭上的交流電壓的信號頻率越小，探頭越長。然而，較高信號頻率具有優(yōu)點在于，其對沉積形成的敏感性小于較低信號頻率。
[0005]因此，為了在已知電容性測量裝置的情況下提供與任何長度的探頭兼容的電子單元，使用通常也被稱為測量頻率的信號頻率，其中該頻率似乎適用于所有探頭長度。因此，尤其在較短探頭的情況下的信號頻率低于對于這些較短探頭最佳的信號頻率。
[0006]當介質(zhì)具有處于取決于電容率(介質(zhì)電導率)或獨立于電容率的過渡區(qū)中的電導率時，產(chǎn)生另一問題。料位或極限液位在此過渡區(qū)中不能通過電容性測量裝置來可靠地確定。因此，在這樣的介質(zhì)的情況下，電容性料位測量不適用。
[0007]從W0 2012/100 873 A1已知一種用于電容性地確定和/或監(jiān)視容器中的介質(zhì)的料位的設備。此設備提供上文相關(guān)問題的解決方案。已知電容器測量裝置包括具有至少一個探測電極的探測單元和電子單元。電子單元至少向探測電極供應電傳輸信號。接著，電子單元從探測單元接收電響應信號且評估該電響應信號。尤其是，探測電極被接連供應測量信號，其中所述測量信號包括所界定的頻率范圍的順序的離散信號頻率?；陬l率掃描，電子單元根據(jù)過程中的當前應用參數(shù)來確定最佳信號頻率或測量頻率。應用參數(shù)包括(例如)探頭長度、探頭上的可能沉積形成、介質(zhì)的性質(zhì)等。接著，電子單元從對具有最佳信號頻率的測量信號的響應信號確定介質(zhì)的料位、極限液位或其它物理參數(shù)。
[0008]市場上可購得的電容性測量裝置從來都不具有頻率掃描能力。已知“靜態(tài)”測量裝置用于產(chǎn)生由微控制器的計時器產(chǎn)生的基礎信號，即，矩形信號。使用較高階低通濾波器，矩形信號的諧波被強力衰減，以致于在低通濾波器的輸出上顯現(xiàn)正弦信號，其中正弦信號經(jīng)由驅(qū)動器級而發(fā)送到測量探頭。測量了響應信號的振幅和相位，且因此測量了流經(jīng)測量探頭的交流電流的振幅和相位。此已知變形通常是以在30kHz與5MHz之間的信號頻率來操作。
[0009]此外，本申請人出售將石英振蕩器用作正弦發(fā)生器的電容性測量裝置。在此情況下，振蕩電路的振蕩頻率通過石英的本征頻率或其倍數(shù)來確定且保持穩(wěn)定。在每千范圍中，此頻率可經(jīng)由調(diào)諧電容器來改變；然而不可能在擴展的頻率范圍上改變振蕩頻率。
[0010]應用在本申請人的當前的測量裝置中的另一變形是基于ASIC。為了評估傳感器，可僅選擇在有限頻率范圍中的少許不同頻率，然而，所述頻率在運行時間期間不可改變。
[0011]從W0 29010/0139 508 A1已知一種用于以可振蕩單元確定或監(jiān)視容器中的介質(zhì)的預定料位、相界或密度的方法。通過頻率掃描，可振蕩單元被激勵以在與一個接一個的離散激勵器頻率相連的可振蕩單元的工作范圍中的可預定頻率范圍內(nèi)執(zhí)行振蕩，其中可振蕩單元的對應振蕩是以所接收的信號的形式接收。經(jīng)由頻率掃描，該激勵器頻率被確定，在其中可振蕩單元以振蕩頻率振蕩，該振蕩頻率在傳輸信號與所接收的信號之間具有預定相位移位，且其中傳輸/接收單元(S/E)以所確定的信號頻率或振蕩頻率來激勵可振蕩單元以執(zhí)行振蕩，或其中下一頻率掃描開始?？墒褂蒙鲜龇椒ú僮鞯碾娮诱駝觽鞲衅饔杀旧暾埲艘陨虡薒IQUIPHANT和S0LIPHANT生產(chǎn)和出售。本發(fā)明的信號發(fā)生器可同樣用于電子振動傳感器中。
[0012]為了實施動態(tài)信號發(fā)生器，可使用開關(guān)電容濾波器(也稱為SC濾波器)。在此情況下，從矩形信號濾出諧波以產(chǎn)生正弦信號，其中正弦信號的信號頻率是經(jīng)由時鐘源來設置的:如果時控頻率改變，那么濾波器的信號頻率和轉(zhuǎn)移函數(shù)改變。為了在不同信號頻率下抑制混疊效應，在信號發(fā)生器的輸出處的模擬低通濾波器的截止頻率必須進一步改變。優(yōu)選地，這使用數(shù)字電位計而發(fā)生。此已知信號發(fā)生器的優(yōu)點在于，通過極少組件，可提供具有小諧波失真和可變頻率的正弦信號。已知解決方案的缺點包括需要可變時鐘信號產(chǎn)生器。操作SC濾波器需要時控頻率，其中時控頻率遠高于信號頻率。對應解決方案需要相對多的能量。因數(shù)在50到100的范圍中(例如比較1986年4月的IEEE的Sandler, Η.Μ.、Sedra, A.S.的使用高階低通開關(guān)電容濾波器的正弦波發(fā)生(Sine wave generat1n usinga high-order lowpass switched-capacitor filter))。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供具有成本效益的動態(tài)信號發(fā)生器以及自動化技術(shù)的測量裝置，在自動化技術(shù)的測量裝置中，應用了具有成本效益的動態(tài)信號發(fā)生器。
[0014]該目的關(guān)于信號發(fā)生器通過一種用于產(chǎn)生周期性信號的信號發(fā)生器來實現(xiàn)，其中所述信號具有處于預定頻率范圍內(nèi)的順序的離散信號頻率，該信號發(fā)生器包括:
[0015]控制和/或計算單元，
[0016]時鐘信號產(chǎn)生器，其中該時鐘信號產(chǎn)生器提供恒定的采樣頻率，該恒定的采樣頻率大于該預定頻率范圍中的最大離散信號頻率，
[0017]存儲器單元，其中對于所述離散信號頻率中的每一個，對應周期性信號的振幅值根據(jù)該采樣頻率加以存儲或根據(jù)該采樣頻率可存儲，
[0018]其中該控制和/或計算單元相繼地以該時鐘的采樣頻率從所述存儲器單元讀出所存儲的或可存儲的離散信號頻率的振幅值，且產(chǎn)生周期性信號(內(nèi)部DAC)或轉(zhuǎn)發(fā)以用于產(chǎn)生周期性信號(外部DAC)，以及
[0019]靜態(tài)濾波器單元，具有截止頻率，該截止頻率高于最大信號頻率且去除因采樣而導致的頻率分量。
[0020]原則上，所述周期性信號可為正弦信號或三角或矩形信號。在電容性測量裝置的情況下，通常使用正弦信號。該時鐘信號產(chǎn)生器可作為獨立單元或控制和/或計算單元的一部分。該控制和/或計算單元可為(例如)微處理器、微控制器、DSP和/或優(yōu)選FPGA。同樣，可應用CPLD或ASIC。
[0021]該目的關(guān)于用于電容性地確定和/或監(jiān)視容器中的介質(zhì)的料位或極限液位或另一物理參數(shù)的測量裝置通過一種電容性測量裝置來實現(xiàn)。
[0022]該電容性測量裝置包括具有至少一個探測電極的探測單元以及電子單元，該電子單元向所述至少一個探測電極供應電測量信號且從該探測單元接收電響應信號且評估該電響應信號，
[0023]其中該電子單元至少有時向所述至少一個探測電極供應測量信號，該測量信號具有處于預定頻率范圍內(nèi)的許多順序的離散信號頻率，其中所述離散信號頻率是由與該電子單元相關(guān)聯(lián)的信號發(fā)生器產(chǎn)生。此信號發(fā)生器對應于上文所述的信號發(fā)生器或其在下文將描述的變形。該電子單元基于所述順序的離散信號頻率而確定對于當前應用參數(shù)最佳的信號頻率，且基于屬于最佳信號頻率的響應信號而確定容器中的介質(zhì)的料位或極限液位或另一物理過程變量。
[0024]關(guān)于用于以可振蕩單元確定或監(jiān)視容器中的介質(zhì)的預定料位、相界或密度的電子振動傳感器的目的的另一解決方案如下所述:該可振蕩單元被置于預定料位的高度處以監(jiān)視此極限液位；在其它所提及的情況下，該可振蕩單元進入(例如，連續(xù)地或有時)到該介質(zhì)中。該可振蕩單元通過控制單元經(jīng)由在該可振蕩單元的工作范圍中的可預定頻率范圍內(nèi)的頻率掃描，相繼以順序的離散信號頻率或激勵器頻率被激勵以執(zhí)行振蕩，其中該可振蕩單元的對應振蕩是以所接收的信號的形式接收。經(jīng)由頻率掃描，該信號頻率或激勵器頻率被確定，在此情況下，該可振蕩單元以振蕩頻率振蕩，該振蕩頻率在傳輸信號與所接收的信號之間具有預定相位移位。接著，該傳輸/接收單元以所確定的振蕩頻率來驅(qū)動該可振蕩