[发明专利]用于确定和/或监测介质的过程变量的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量、特别是介质的密度、粘度或填充水平的设备，其中该设备包括：可机械振荡结构，其具有取决于该过程变量的至少一种振荡特性；机电换能器，其具有至少一个压电元件，该机电换能器借助提供至该换能器的激励信号激励该结构以执行机械振荡，并且将得到的结构的振荡转换为接收信号，该接收信号对应于激励信号和表示振荡的期望信号的叠加；基准元件，其与换能器并联地被提供以激励信号，独立于振荡并且对应于激励信号的基准信号经由该基准元件被分接；以及电子器件，其基于接收信号和基准信号提取期望信号并且基于该期望信号确定和/或监测过程变量。

背景技术

这样的设备应用于大量工业应用中，特别是应用于测量和控制技术以及过程自动化中，用于确定和/或监测指定的过程变量。

在大多数这种类型的已知设备的情况下，可机械振荡结构具有经由膜耦合的两个振荡叉齿，它们经由安装在朝向远离齿的膜后侧上的机电换能器而引发执行与其纵向轴线垂直的相反相位的振荡。与此一起地，还存在可振荡结构是仅一个振荡杆或可振荡膜的已知设备。

图1示出了对应设备的经典示例，其同样被应用于监测在容器3中介质1的特定填充水平。机械可振荡结构5在这里包括两个振荡杆，该两个振荡杆作为经由膜耦合的齿并且在所要监测的填充水平的高度处横向插入容器3。例如经由布置在膜后侧上的机电换能器（未示出）而使得结构5执行振荡。例如，这是通过将所接收的换能器的振荡反射信号作为激励信号经由移相器和放大器馈送至换能器而进行的。例如，为了填充水平监测，经由移相器来预先确定固定的相移，通过该相移确定对于包含作为频率确定元件的机械振荡系统的振荡电路的谐振条件。由于预定相移而调谐的频率处于结构5的谐振频率区域中，并且随后通常被称作振荡频率。该振荡频率被测量并且与较早确定的开关频率相比较。如果该振荡频率大于开关频率，则结构5自由振荡。如果该振荡频率低于开关频率，则该结构被介质1所覆盖，并且设备报告超出预定填充水平。

替代地，在杆形或叉形的可振荡结构垂直插入介质中的情况下，利用基于振荡频率的对应校准，能够测量覆盖的程度以及由此测量在该结构的长度上的填充水平。

为了确定和/或监测介质的密度或粘度，该结构被垂直插入介质中的预定浸入深度，并且相对于激励信号测量所得到的振荡频率，或者在利用固定激励频率激励的情况下，测量所得到的振荡的振幅或相移。

一种替代的激励形式是频率扫描激励，在该情况下，激励信号的频率周期地经过预定频率范围。而且，这里基于所得到的振荡、所得到的振荡的振幅、或者所得到的振荡相对于激励信号的相移，对过程变量进行确定和/或监测。

如今，总是更为频繁地应用仅具有单个机电换能器的设备，该机电换能器具有至少一个压电元件，被用于振荡激励而且还用于将所得到的振荡改变为电接收信号。在这样的情况下，换能器的接收信号对应于激励信号和表示振荡的期望信号的叠加。与具有分开的发送换能器和接收换能器的设备相比，这些设备的优势在于它们明显更小并且在制造方面更成本有效。

激励信号通常是矩形的电交变电压。这使得换能器的压电电容在矩形信号的边缘接收电压符号的反转，由此出现充电电流和放电电流，这作为干扰信号叠加在表示机械振荡的电流上。换能器的充电电流和放电电流例如借助补偿电容器而被抑制。这种形式的干扰信号抑制的示例可以从DE 197 20519 A1和EP 1 750 104 A2中获知。在每种情况下，所描述的设备具有补偿电容器，该补偿电容器被与换能器并联地提供以激励信号。经由该补偿电容器，基准信号被分接，这独立于振荡并且对应于激励信号。在等同电容的情况下，换能器和补偿电容器关于反向充电事件而具有相同的行为。如果经由换能器分接的接收信号和经由补偿电容器分接的基准信号如DE19720519A1所描述地彼此相减，或者如EP1750104A2中所描述地在先前反向之后相加，则等同包含在两个信号中的干扰信号抵消并且在输出提供反映结构的机械振荡的期望信号。

虽然补偿电容器的电容没有或者仅有非常低的温度依赖性，但是由于压电材料的介电常数的高度温度依赖性，换能器的电容在高度测量中是与温度有关系的。这导致了干扰信号的补偿表现越差，换能器的电容和补偿电容器的电容之间的温度相关差异就更大的事实。