振動傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)測介質(zhì)的至少一個過程變量的方法和設(shè)備，該介質(zhì)具有至 少一個能夠振動的單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 例如，液位測量裝置情況下，這類設(shè)備-同樣設(shè)計為電子振動傳感器-具有例如振 蕩音叉，單獨的桿件或者膜片作為可振動單元。在操作過程中，這類可振動單元受到機電換 能器單元引起的激勵開始機械振動，例如依次受到壓電致動器或電磁致動器的激勵。然而 在流速測量裝置情況下，可振動單元還可以設(shè)計為可振動管道，相應(yīng)的介質(zhì)通過管道流動， 例如，在根據(jù)科里奧利原理運行的測量設(shè)備中流動。自然可以理解的是其它同樣落入本發(fā) 明范圍的可能性也同樣出現(xiàn)在除所引用示例的可振動單元以及機電換能器單元內(nèi)。
[0003] 相應(yīng)的現(xiàn)場儀器由申請人大量制造，并且例如對于液位測量設(shè)備的情況，被以名 稱LIQUIFANT和/或S0LIPHANT銷售。內(nèi)在的測量原理基本上可以從大量公開的文獻中獲知。 通過機電換能器單元激勵可振動單元進行機械振動，大部分是通過模擬電氣振蕩電路產(chǎn)生 的。通過電激勵信號，機電換能器單元激勵可振動單元進行機械振動。相反地，機電換能器 單元接收可振動單元的機械振動，并且將其轉(zhuǎn)換為可接收的電信號。機電換能器單元相應(yīng) 的包括單獨的致動器單元和單獨的接收器單元，或者致動器/接收器單元的組合。
[0004] 因此致動器/接收器單元是集成在電子單元內(nèi)的控制電路的一部分，其中控制電 路調(diào)節(jié)激勵信號，從而在激勵信號和所接收的信號之間出現(xiàn)預(yù)定的相移。例如，根據(jù)震蕩發(fā) 生的條件，發(fā)生在振蕩電路中的所有相位結(jié)果是360度的倍數(shù)，對于諧振震蕩發(fā)生的條件必 須滿足。
[0005] 激勵信號和所接收的信號都是以各自的頻率，幅值和/或相位為特征。這些變量的 變化相應(yīng)的通常用于確定各自的過程變量，例如容器內(nèi)介質(zhì)的預(yù)定液位，或者同樣介質(zhì)的 密度和/或黏度，或者介質(zhì)通過管道的流速。在用于流體電子振動點水平開關(guān)情況下，例如， 其不同在于可振動單元是否被流體覆蓋或者自由振動。由此使用不同的諧振頻率，即頻移 來區(qū)分這兩種狀態(tài)-自由狀態(tài)和被覆蓋狀態(tài)。僅需要至少部分被介質(zhì)覆蓋，采用該測量設(shè)備 就可以依次確定密度和/或黏度。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)獲知對可振動單元的模擬和數(shù)字激勵方法，其中數(shù)字激勵的特 征在于使用的可能性更廣泛。然而，這反過來經(jīng)常會成為劣勢，包括對相應(yīng)測量設(shè)備相當高 的功耗。因此功耗更低的數(shù)字激勵方法更受歡迎。
[0007] 例如，DE102009026685A1中的一種方法已經(jīng)成為公知的關(guān)于電子振動傳感器的受 控數(shù)字激勵，其基于預(yù)定頻率的受迫激勵。為了找到激勵信號的激勵頻率，該頻率處會出現(xiàn) 預(yù)定相移，實施掃頻，并且確定與預(yù)定相移對應(yīng)的頻率。該方法的最優(yōu)發(fā)展是 DE102009028022A1的主題，其中所接收的信號的評估被簡化，因為所接收的信號是采樣獲 得的，并且實施選擇的評估相位僅在特定點處。其它的進一步的研究在DE1020110075113A1 中描述，并且在于采用隨后的平均值計算引導(dǎo)兩個掃頻在不同行進方向上，以便增加測量 精度。然而，設(shè)計為執(zhí)行所引用的方法的測量設(shè)備沒有附加步驟的話，是不適于通過4-20mA接口或NAMUR接口操作該測量設(shè)備。
[0008] 其它用于電子振動傳感器的數(shù)字可能性，用于調(diào)節(jié)激勵信號和所接收的信號之間 的相移處于預(yù)定值在DE00102010030982A1中公開。這里所述的方法基于相控環(huán)路功能原理 (鎖相環(huán)路，PLL)，并且已經(jīng)被優(yōu)化從而降低功耗。對于這種布置，至少需要一個相位檢測 器，對于其魯棒性和控制環(huán)路的精度具有決定性影響。從而可以穩(wěn)定的進行評估，必須另外 保證該激勵信號的幅值保持為恒定值。然而，實踐中這相對比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明基于提供一種方法和設(shè)備的目標，使得激勵信號和所接收的信號之間的相 移可靠和簡單的設(shè)定為一個預(yù)定值，前提是較低功耗。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明，目的在于通過利用至少一個可振動單元確定和/或監(jiān)測介質(zhì)的至少 一個過程變量的方法而實現(xiàn)，
[0011] 其中通過可調(diào)頻率的電子激勵信號激勵可振動單元以進行機械振動，
[0012] 其中將機械振動轉(zhuǎn)換為接收的電信號，所接收電信號以頻率和/或相位和/或幅值 為特征，
[0013]其中基于該接收的信號產(chǎn)生激勵信號，
[0014]其中從激勵信號開始在時間上的具體預(yù)定點處采樣所接收的信號的電壓值，
[0015]其中通過戈澤爾算法由所接收的信號的電壓采樣值確定所接收的信號的實部和 虛部，
[0016]其中提供至少一個戈澤爾系數(shù)，特別是采樣值數(shù)量和/或操作頻率和/或采樣頻 率，來執(zhí)行戈澤爾算法，
[0017]其中由所接收的信號的實部和虛部計算所接收的信號的至少一個當前相位和/或 當前幅值，
[0018]其中調(diào)整激勵信號的頻率，使得激勵信號和所接收的信號之間出現(xiàn)預(yù)定相移，并 且
[0019] 其中確定至少一個過程變量。
[0020] 戈澤爾算法的起源為離散傅立葉變換(DFT)。通常，快速傅立葉變換(FFT)--種對 DFT的重要簡化，如公開文件DE10201101667A1或DE10203461A1中所述，兩者都涉及電子振 動傳感器，用于進行頻率分析。然而，其它過程工業(yè)領(lǐng)域，同樣會重復(fù)使用FFT，例如文件 DE69730416T2或DE102004030740A1中。代替FFT，目前使用戈澤爾算法，這是在如下背景下 興起的：
[0021] 戈澤爾算法基本上代表一種相對于FFT新的簡化，如果期望的是考慮信號中僅一 個或若干個譜分量k的DFT情況下。也就是說，戈澤爾算法給出特定頻率下的離散傅立葉系 數(shù)作為初始采樣值。因此，其用處僅在于感應(yīng)相應(yīng)信號的頻率范圍是否已經(jīng)準確獲知。
[0022] 在電子振動傳感器受迫振動的情況下，激勵信號已知，反過來關(guān)于激勵信號的頻 率評估所接收的信號。通過將振蕩電路和/或控制電路的單個分量巧妙的組合，并且通過巧 妙的選擇戈澤爾算法的各個參數(shù)，即所謂的戈澤爾系數(shù)，由此使用戈澤爾算法來替代FFT是 更有利的。通過相應(yīng)的評估方法，從而大大降低了必要的運算操作數(shù)量。
[0023]最后，通過使用戈澤爾算法，用于相應(yīng)設(shè)計的測量裝置的功耗大大降低，這對于執(zhí) 行4-20毫安接口或者NAMUR接口和/或在容易爆炸的環(huán)境中使用測量裝置特別有利。
[0024]由此提供戈澤爾系數(shù)，通過:采樣值數(shù)量N;需要考慮的頻譜分量fk，其中頻譜分量 代表戈澤爾算法的操作頻率;以及采樣速度％的倒數(shù)提供的采樣頻率fs。從這些數(shù)值已知作 為戈澤爾窗口附加結(jié)果，其中戈澤爾窗口從采樣值數(shù)量N和采樣間隔T的乘積確定，并且相 應(yīng)的為頻率分辨率的測量值。
[0025]在戈澤爾系數(shù)選擇方面，應(yīng)當遵循特定的條件從而實現(xiàn)最優(yōu)的精確估計。
[0026]通過下列等式將戈澤爾系數(shù)鏈接在一起：
[0027]
[0028]通常，苜先限定米樣頻率fs，隨后確定系數(shù)k，使得操作頻率fk與激勵信號對應(yīng)。
[0029]然而，在特定的給定電子振動傳感器中，其中激勵信號已知，如果將工作頻率設(shè)定 到激勵信號的頻率則是有利的。該過程的結(jié)果是采樣頻率fs被連續(xù)適應(yīng)，而不是系數(shù)k。
[0030]另外，如果采樣頻率設(shè)定到激勵信號頻率的整數(shù)倍η則是有利的。這就能夠使得戈 澤爾算法的計算工作得以簡化。特別是，如果將操作頻率另外設(shè)定到激勵信號的頻率，那么 關(guān)系式k=N/n就能得到系數(shù)k。
[0031] 另外，如果選擇激勵信號周期的整數(shù)倍作為采樣數(shù)量則是有利的。眾所周知的采 用這種方式可以防止截斷誤差-也就是所謂的閉鎖效應(yīng)。
[0032]計算工作的額外和顯著的降低，以及相應(yīng)的對應(yīng)測量裝置功耗的降低，可以通過 適當和巧妙的建立各個戈澤爾系數(shù)的其它條件而實現(xiàn)。
[0033]在特定優(yōu)選實施例中，激勵信號頻率的二倍或四倍設(shè)定為采樣頻率。這個選擇特 別有利。也就是說，具有將算法內(nèi)固有的計算復(fù)數(shù)三角函數(shù)項簡化為常量的效果。
[0034]在優(yōu)選實施例中，在激勵信號的多個周期內(nèi)執(zhí)行戈澤爾算法。運算的周期越多，幅 值檢測和/或相位檢測就更魯棒。
[0035]另外，如果激勵信號為方波信號或者正弦波信號則是有利的。
[0036]測量值同樣是必要的，采用這些測量值可以設(shè)定激勵信號和所接收的信號之間的 可預(yù)定相移。兩個信號表現(xiàn)出周期性的按時間順序的行為，其可用于調(diào)整可預(yù)定相移。
[0037]在特定優(yōu)選實施例中，通過與激勵信號相關(guān)的時移，使用采樣值數(shù)量和采樣頻率 的商相應(yīng)地設(shè)定可預(yù)定相移。因此通過調(diào)整與激勵信號相關(guān)的戈澤爾窗產(chǎn)生相移。
[0038]如果可預(yù)定相移為90度，則是有利的。采用這種方式發(fā)生諧振激勵，同時滿足振蕩 電路條件。
[0039]在進一步優(yōu)選實施例中，測量周期細分為至少兩個時間間隔，其中分別將第一可 預(yù)定相移設(shè)定在第一時間間隔內(nèi)，并且第二可預(yù)定相移設(shè)定在第二時間間隔內(nèi)。這個過程 對于確定介質(zhì)黏度是有利的。為了完成這個，所接收的信號即關(guān)于不同相移相