用于确定和/或监控介质的过程变量的系统.pdf

本发明涉及一种用于确定和/或监控介质(1)的过程变量特别是密度(ρ)的系统。该系统包括：激励/接收单元(3)，其激励机械可振荡单元(2)执行机械振荡并接收机械振荡；电子单元(4)，其向激励/接收单元(3)施加电子激励信号(SA)并从激励/接收单元(3)获得电子接收信号(SE)。根据本发明，电子单元(4)产生激励信号(SA)，使得在接收信号(SE)和激励信号(SA)之间得到与相位差期望值(Dfsoll)相等的相位差(Df)，在该相位差下，介质粘度的变化对于机械可振荡单元(2)的机械振荡的影响可忽略，并且相位差期望值(Dfsoll)是依赖于激励/接收单元(3)的阻抗与电子单元(4)的输入阻抗之比而给定的。

1.  用于确定和/或监控介质(1)的过程变量特别是密度(ρ)的系统，包括：
至少一个机械可振荡单元(2)；
至少一个激励/接收单元(3)，其激励机械可振荡单元(2)执行机械振荡并接收机械可振荡单元(2)的机械振荡；和
至少一个电子单元(4)，其向激励/接收单元(3)施加电子激励信号(S_A)并从激励/接收单元(3)获得电子接收信号(S_E)；
其特征在于，
所述电子单元(4)产生所述激励信号(S_A)，使得在所述接收信号(S_E)和所述激励信号(S_A)之间得到的相位差(Df)与给定的相位差期望值(Df_soll)基本相等；
这样给定所述相位差期望值(Df_soll)，使得在该相位差期望值(Df_soll)，所述介质(1)的粘度的变化对于所述机械可振荡单元(2)的所述机械振荡的影响可忽略；并且
所述相位差期望值(Df_soll)至少是依赖于所述激励/接收单元(3)的阻抗与所述电子单元(4)的输入阻抗之比而给定的；
其中所述输入阻抗是在所述电子单元接收所述接收信号(S_E)的输入端(4.1)上得到的。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中，相位差期望值(Df_soll)至少是根据激励/接收单元(3)的阻抗与电子单元(4)的输入阻抗之比以及根据电子单元(4)的输出阻抗而给定的，其中输出阻抗是在电子单元(4)输出激励信号(S_A)的输出端上得到的。

3.  根据权利要求1或2所述的系统，其中，相位差期望值(Df_soll)不是90°。

4.  根据权利要求3所述的系统，其中，在电子单元(4)的输入阻抗比激励/接收单元(3)的阻抗大，特别是大至少一个量级的情况中，相位差期望值(Df_soll)为-42°。

5.  根据权利要求3所述的系统，其中，在电子单元(4)的输入阻抗比激励/接收单元(3)的阻抗小，特别是小至少一个量级的情况中，相位差期望值(Df_soll)为+48°。

6.  根据权利要求1或2所述的系统，其中，电子单元(4)产生的激励信号(S_A)基本是正弦信号。

7.  根据权利要求1或2所述的系统，其中，分析单元(5)基本根据以下公式确定介质(1)的密度(ρ)：
ρ=1K*[(F0,Vac+C*TF0,Med)2*(1+D*P)-1],]]>
其中K是机械可振荡单元(2)的密度灵敏度系数，
F_0，Vac是机械可振荡单元(2)在真空中的机械振荡频率，
C是机械可振荡单元(2)的温度灵敏度系数，
T是介质(1)的温度值，
F_0，Med是机械可振荡单元(2)在介质(1)中的机械振荡频率(F₀)，
D是机械可振荡单元(2)的压力灵敏度系数，
P是介质(1)的压力值。

8.  根据权利要求1或2所述的系统，其中，提供至少一个温度传感器(6)用于确定介质(1)的温度(T)，并且/或者提供至少一个压力传感器(7)用于确定介质(1)的压力(P)。

用于确定和/或监控介质的过程变量的系统
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监控介质的至少一个过程变量，特别是密度ρ的系统。该系统包括：至少一个机械可振荡单元；至少一个激励/接收单元，其激励机械可振荡单元执行机械振荡并接收机械可振荡单元的机械振荡；和至少一个电子单元，其向激励/接收单元施加电子激励信号S_A并从激励/接收单元获得电子接收信号S_E。介质例如是液体。介质例如位于容器中，或者流经管道。在一个实施例中，过程变量是介质的密度。
技术领域
在现有技术中，已知包括所谓的振荡叉的测量仪表。令这些振荡叉振荡，并且依赖于是否接触介质以及依赖于介质特性的振荡被接收和分析。振荡(即它们的变量，例如频率或幅度)依赖于料位，即振荡叉被介质覆盖的程度，还依赖于介质的密度或粘度。振荡对于介质的密度和粘度的双重依赖性使得密度监控变得困难。
公开文献DE 100 57 974 A1记载了一种这样的振荡叉并且特别地涉及抑制振荡对于介质粘度的依赖性。根据这个专利公开文献，可以通过激励信号和接收信号之间具有不为90°的相位而减小粘度的影响。例如，在液体介质的情况中，期望相位为70°。这种相位基本补偿了粘度的影响。
为了找到在哪一相位差粘度变化不影响振荡频率，例如记录不同介质的曲线，其显示发射的和接收的信号之间的相位差随发射信号的频率的变化。曲线的交点得到期望的相位差。这例如在本申请人的EP 0985 916 A1中有所记载。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于可再现地测量过程变量特别是密度的测量仪表。
根据本发明，这个目的通过以下面的方式构造电子单元而实现：电子单元产生激励信号(S_A)，使得在接收信号(S_E)和激励信号(S_A)之间得到的相位差(Df)基本等于给定的相位差期望值(Df_soll)；相位差期望值(Df_soll)是这样给定的，即，在该相位差期望值(Df_soll)下，介质粘度的变化对于机械可振荡单元的机械振荡的影响基本可忽略；并且相位差期望值(Df_soll)是至少依赖于激励/接收单元的阻抗与电子单元的输入阻抗之比而给定的；其中输入阻抗是在电子单元接收接收信号(S_E)的输入端上得到的。
在一个实施例中，激励/接收单元是压电元件，其将激励信号(S_A)转变为机械振荡，其中激励信号是交流电压。这些振荡例如被通过薄膜传递到机械可振荡单元，例如具有两个叉齿的所谓的振荡叉。通过接触介质而受到影响或者由介质的特性而影响的机械振荡被激励/接收单元转化为电子接收信号(S_E)，其至少包括机械可振荡单元的机械振荡的频率(F₀)。
为了测量密度(ρ)，特别重要的是，补偿对于粘度变化的依赖性。粘度代表振荡的衰减。理论上，已知当激励信号和接收信号之间存在+90°的相位时，存在衰减的独立性。然而，例如从专利文献DE 100 57974 A1中得知，在实际系统中在不同于90°的值发生这个效果。现在，本发明基于以下认识：用于粘度独立的相位至少依赖于激励/接收单元的阻抗与电子单元的输入阻抗之比。于是，根据本发明，关于测量仪表的特定尺寸，测量激励/接收单元的阻抗和电子单元的输入阻抗(这还依赖于电子单元的类型)，或者考虑由测量仪表的结构得到的相位角，并且设定相应的相位角，以实现对粘度变化的独立性。在一个涉及测量仪表的特定配置的实施例中，接收信号相对于激励信号的相位为+46°。如果输入阻抗是非常高欧姆的，即，至少比激励/接收单元的阻抗大一个量级或大10倍，那么，用于粘度独立性情况下的相位为+42°。例如在电压放大器的情况中，存在较高的输入阻抗。如果输入阻抗非常小，即，至少比激励/接收单元的阻抗小一个量级，那么相位差为-48°。例如在电荷放大器的情况，存在较小的输入阻抗。接收信号相对于激励信号的相位依赖于电子单元的结构而是+46°、+42°或-48°。优选地，相位的绝对值在40°～50°的范围中。于是，这明显偏离理论值90°。
为了维持这些相位值，电子单元必须产生激励信号使得它所有相位之和得到值0°或n*360°(n＝1，2，3...)，因为它整体上是振荡回路。也就是，依赖于输入阻抗与激励/接收单元的阻抗之比，相位差期望值(Df_soll)为-46°、-42°或+48°。为了分析接收信号以确定介质的密度，优选地，提供至少一个分析单元，其从接收信号(S_E)的频率至少确定介质的密度(ρ)。这里，这个分析单元是测量仪表的一个部件或者是一个外部单元。
在一个实施例中，相位差期望值(Df_soll)至少是根据激励/接收单元的阻抗与电子单元的输入阻抗之比以及根据电子单元的输出阻抗而给定的，其中输出阻抗是针对电子单元输出激励信号(S_A)的输出端得到的。在这个实施例中，还考虑了对于电子单元的输出阻抗的依赖性。
在一个实施例中，相位差期望值(Df_soll)不是90°。特别地，相位差期望值(Df_soll)的绝对值在40°～50°。相位差期望值(Df_soll)与传感器的存在粘度独立性的相位值一起得到值n*360°(n＝0，1，2...)。于是，如果例如激励信号和接收信号之间的这个相位差是+46°，那么相位差期望值(Df_soll)是-46°。
在一个实施例中，在电子单元的输入阻抗比激励/接收单元的阻抗大，特别是至少大一个量级的情况中，相位差期望值(Df_soll)为-42°。特别是在传感器单元具有双压电晶片元件驱动以及叉齿未被涂敷的情况中是这样的。
在一个实施例中，在电子单元的输入阻抗比激励/接收单元的阻抗小，特别是至少小一个量级的情况中，相位差期望值(Df_soll)为+48°。特别地，在一个实施例中，相位差期望值(Df_soll)为-46°，从而接收信号(S_E)相对于激励信号(S_A)的相位值为+46°。
在一个实施例中，电子单元这样实现，即，电子单元产生激励信号(S_A)，使得激励信号(S_A)基本是正弦信号。通常，为了简化，方波信号用作激励信号。如果整个振荡系统(即，由机械可振荡单元和电子单元构成的系统)的放大率在稳态中的值为1(即，如果衰减时放大率和幅度不再改变，因为例如与可振荡单元交互作用的介质料位不再变化)，那么得到正弦曲线。在大多数测量仪表中，使用大于1的放大率，从而得到方波信号。然而，在这个实施例中，对于密度测量使用值1。正弦激励的一个优点是不会激励出谐波，并且振荡能量仅仅用于一个模式。
在一个实施例中，分析单元基本根据以下公式确定介质的密度(ρ)：
ρ=1K*[(F0,Vac+C*TF0,Med)2*(1+D*P)-1],]]>
其中K是机械可振荡单元的密度灵敏度系数，F_0，Vac是机械可振荡单元在真空中的机械振荡频率，C是机械可振荡单元的温度灵敏度系数，T是介质的温度值，F_0，Med是机械可振荡单元在介质中的机械振荡频率(F₀)，D是机械可振荡单元的压力灵敏度系数，P是介质的压力值。
为了精确测量密度，必须考虑对于压力和温度的依赖性，或者必须测量相应值。如果这些变量是恒定的，或者如果它们的影响在应用中可忽略，那么公式可以相应简化为：
ρ≈1K′*[(F0,VacF0,Med)2-1],]]>
如果基本只要检测密度的变化，这种简化是可能的。
于是，可以通过以下步骤测量或监控密度：
首先，标定测量仪表：
-确定机械可振荡单元的机械振荡对于介质温度T的依赖性，并由此确定机械可振荡单元的温度灵敏度系数C；
-确定机械可振荡单元的机械振荡对于介质压力P的依赖性，并由此确定机械可振荡单元的压力灵敏度系数D；
-确定机械可振荡单元的机械振荡对于介质密度ρ的依赖性，并由此确定机械可振荡单元的密度灵敏度系数K；
-确定机械可振荡单元的机械振荡频率F_0，Vac；以及
-确定激励信号(S_A)和接收信号(S_E)之间的相位差期望值(Df_soll)，在该相位差期望值，粘度的变化对于机械可振荡单元的机械振荡的影响基本可忽略。
在这个标定之后，合适地保存确定的值并且执行实际测量：
-确定介质的温度T或者可选择地(即，例如甚至可以忽略)设定介质的温度T的值；
-确定介质的压力P或者可选择地(即，例如甚至可以忽略)设定介质的压力P的值；
-激励机械可振荡单元执行机械振荡；
-机械可振荡单元的机械振荡被接收并转化为接收信号S_E；
-从接收信号S_E，确定机械可振荡单元在介质中的的机械振荡的频率F_0，Med；并且
-利用以上确定的常数和值，通过以下公式确定介质的密度ρ：
ρ=1K*[(F0,Vac+C*TF0,Med)2*(1+D*P)-1]]]>
作为替代，应用简化的公式并且该公式基本上显示密度的变化。然而，所述的处理方式仅仅是个例子，可以容易地针对其他条件而改变。
在这种情况中，在一个实施例中利用以下步骤确定相位差期望值：
对于至少两种具有不同粘度的介质，确定在每一介质中机械可振荡单元的机械振荡的频率(F_0，Med)之间的依赖性以及激励信号(S_A)和接收信号(S_E)之间的相位差(Df)；并且确定一相位范围，在该范围内至少两种介质的相位差(Df)基本相等。如果介质还具有不同的密度，那么还有相关的实施方式。在进一步的实施方式中，依赖于激励/接收单元上的可变负载电阻，即，依赖于电子单元的不同输入阻抗，确定相位差；也就是，以这种方式能够确定输入阻抗对于待确定的相位值的影响。
在一个实施例中，用于确定相位范围的方法扩展为，确定至少两种介质的密度ρ，并且在至少两种介质的密度值不同的情况中，确定并补偿密度ρ对于振荡频率F_0，Med的影响。在最简单的情况中，密度对于测量的影响得到计算。于是，这个实施例特别地涉及两种测量介质的密度不同的情况，从而密度对于振荡并且特别是对于振荡频率的影响得到计算，以获得由于粘度改变而造成的频率改变。
在本发明的系统的一个实施例中，提供至少一个用于确定介质温度(T)的温度传感器，并且/或者提供至少一个用于确定介质压力(P)的压力传感器。这些传感器能够实现更精确的密度测量，因为能够考虑密度和温度的影响。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，唯一的附图为：
图1是本发明的测量系统的示意图。
具体实施方式
图1显示了容器10中的介质1。本发明的测量仪表的机械可振荡单元2安装在容器10上。在这种情况中，该机械可振荡单元是所谓的振荡叉，即，两个叉齿连接在一个薄膜上。激励/接收单元3在薄膜之后且与薄膜机械耦合，在所示情况中，激励/接收单元3是压电元件。压电元件3用作机械振荡和电子信号之间的换能器。电子单元4向激励/接收单元3施加电子激励信号S_A。这个交流电压被转化为令振荡叉2振荡的机械振荡。机械可振荡单元2的这些振荡依赖于叉被介质1覆盖的程度，还依赖于介质1自身的特性。于是，振荡还依赖于介质1的密度和粘度。通过这个依赖性，反过来可以通过合适地分析激励/接收单元3的接收信号S_E而测量该变量。测量仪表在这里特别是确定和/或监控介质1的密度。然而，料位也可以继续被测量和/或监控。还要注意的是，这里描述的本发明并不限于振荡叉或单棒，而是可以例如应用于克里奥利流量计。然而，对于密度测量，还必须补偿振荡对于粘度的依赖性。这通过接收信号S_E具有一个特定相位而实现，在该相位，粘度的变化对于振荡频率没有影响或者仅有可忽略不计的影响。为了维持接收信号S_E的这个相位并且为了满足谐振条件，振荡回路中所有相位之和等于n*360°，其中n＝0，1，2，3...，电子单元4相应地产生激励信号S_A。在这种情况中，已经发现，这个相位值至少依赖于驱动/接收单元3的阻抗与电子单元4的输入阻抗4.1的比率。于是，值也依赖于电子单元4的结构，即，特别是依赖于其放大器类型。相位的理论值是90°。然而，已经发现，在非常高欧姆输入端4.1的情况中，相位等于42°；而在低欧姆输入端4.1的情况中，它等于-48°。相应地，相位差期望值Df_soll分别是-42°和+48°。然而，这些特殊的值还涉及测量仪表的进一步发展。这些值的一种解释性模型是：结合驱动/接收单元3的电容特性(特别在它是压电元件的情况中)，电子单元4或其输入阻抗用作高通滤波器。相位值或者相位差期望值Df_soll或者激励/接收单元3的值(由该值结合电子单元4的类型可以得到相位差期望值Df_soll)优选存储在存储单元8中，使得电子单元4或位于其中的微处理器可以对它们进行存取。
为了改进测量并提高测量仪表的性能，由机械可振荡单元2、激励/接收单元3和电子单元4构成的振荡回路这样实现，使得总放大率等于1。即，振荡通过介质1的衰减和电子单元4的放大率必须精确地彼此补偿。于是，电子单元4的放大因数必须是可调且可变的。进一步，具有优点的是，激励信号S_A为正弦信号，而不是在这种振荡系统的情况中常见的方波信号。特别是，进行基波激励。
另外，压力和温度影响振荡。如果这两个变量是恒定的，或者如果它们的变化非常轻微，那么它们对于密度测量的影响可以忽略。然而，如果需要尽可能精确的测量，那么分别利用传感器6、7测量温度T和压力P。分析单元5在这里是独立的单元，它由机械振荡计算密度，特别是由频率以及两个测量变量(温度和压力)计算密度。
附图标记列表
1介质
2机械可振荡单元
3激励/接收单元
4电子单元
4.1电子单元的输入端
4.2电子单元的输出端
5分析单元
6温度传感器
7压力传感器
8存储单元
10容器