УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРА ПРОЦЕССА СРЕДЫ
DEVICE FOR DETERMINATION AND/OR CONTROL OF MEDIUM PROCESS PARAMETER

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра процесса среды. Параметр процесса представляет собой, например, уровень, плотность, вязкость или расход среды. При этом среда может представлять собой жидкость или сыпучий материал.
Заявитель изготавливает и распространяет уровнемеры под названиями ”Liquiphant" и ”Soliphant". Уровень определяют за счет того, что сенсорный блок содержит механический колебательный блок, например колебательную вилку, колебания которой возбуждают посредством пьезопреобразователя. Колебания, например амплитуда или частота, зависят от того, свободно ли колеблется колебательный блок или он покрыт средой. Благодаря этой зависимости возможно определение, например, уровня.
Пьезопреобразователь служит также для приема механических колебаний, преобразуемых тем самым в электрическое переменное напряжение. Это переменное напряжение в качестве сигнала колебательного блока подается через соответствующие соединения к электронной схеме обратной связи, где сигнал усиливается, одновременно обрабатывается и снова возвращается в сенсорный блок. По частоте, амплитуде или фазе идущего от сенсорного блока сигнала можно сделать тогда вывод, например, об уровне среды. Возможно, например, также определить вязкость среды (заявка РСТ WO 02/31471 А2).
Проблема заключается в связи между сенсорным блоком и электронной схемой обратной связи. В вибронике, т.е. способах, в которых используется механический колебательный блок, различают, как правило, состояния «датчик покрыт» и «датчик свободен». При прерывании связи между сенсорным блоком и электронной схемой обратной связи такие концевые выключатели - измерительные приборы - служат для индикации того, достигнут ли предельный уровень, сигнализируют обычно независимо от того, соприкасаются ли они со средой или нет, если прервана, по меньшей мере, одна из электрических связей между электронной схемой обратной связи и сенсорным блоком, т.е. обычно пьезопреобразователем. Такое прерывание возможно, например, за счет того, что кабели или места соединения становятся жесткими из-за вибраций и ломаются. Такие прерывания могут возникать также из-за технологических дефектов, причем за счет вибраций при работе измерительного прибора связи разъединяются. Такое прерывание называется ниже общим и гибким понятием «обрыв кабеля».
В DE 10023305 С2 описан способ, с помощью которого обнаруживают обрыв кабеля. При этом используется тот факт, что пьезопреобразователь действует также в качестве конденсатора, т.е. имеет определенную емкость. Исходя из этого, во время возбуждения колебаний измеряют емкость или пропорциональную ей величину между электрическими подводами к пьезопреобразователю. Если емкость ниже заданного значения, то подается сообщение о сбое. Этот способ имеет тот недостаток, что требуется дополнительная схема, формирующая дополнительное измеряемое значение, которое должно быть обработано. Помимо частоты и/или амплитуды колебаний оценивают, следовательно, и емкость. Это дополнительное измеряемое значение не приносит с собой, кроме того, никакой дополнительной информации о среде.
Задачей изобретения является обнаружение обрыва кабеля между сенсорным блоком и электронной схемой обратной связи с минимальными затратами и его охарактеризовывание с возможностью надежного отличия от других состояний датчика.
1
res
Kabelbruch
res
1
Эта задача решается посредством устройства для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра процесса среды, содержащего сенсорный блок, электронную схему обратной связи и дополнительную электронную схему, причем сенсорный блок, электронная схема обратной связи и дополнительная электронная схема образуют первый колебательный контур, выполненный с возможностью колебания, по меньшей мере, с одной резонансной частотой (ω) и/или с резонансной частотой (ω) в пределах, по меньшей мере, одного диапазона резонансных частот, электронная схема обратной связи и дополнительная электронная схема образуют второй колебательный контур, причем второй колебательный контур выполнен с возможностью колебания на резонансной частоте (ω), которая отличается от резонансной частоты (ω, ω) первого колебательного контура.
res
1
Kabelbruch
Kabelbruch
res
1
Предпосылкой является достаточное отличие друг от друга частот ω, ω, ω или связанных с ними частотных диапазонов. В любом случае ω должна отличаться от частот или частотных диапазонов ω, ω.
Изобретение относится, следовательно, ко всем измерительным системам, определяющим, по меньшей мере, один параметр процесса, например уровень, причем сенсорный блок вступает в контакт со средой непосредственно или косвенно. При этом по резонансной частоте (большей частью у жидкостей) или по амплитуде колебаний (особенно у твердых тел) при равной частоте можно сделать вывод о параметре процесса (WO 02/31471 А2). Таким образом, речь может идти, например, об описанной выше колебательной вилке, однако речь может идти также об измерениях расхода по принципу Кориолиса.
Идея изобретения состоит в том, что введена дополнительная электронная схема, которая в случае, когда в нормальном режиме работы устройства или измерительного прибора имеются две разные частоты/два разных частотных диапазона, способствует определению третьей частоты колебаний, по возникновению которой можно сделать вывод о том, что произошел обрыв кабеля, т.е. сенсорный блок больше не связан правильно с остальной электроникой измерительного прибора.
res
У колебательной вилки, например, предусмотрено, что в нормальном режиме резонансная частота w лежит в пределах одного частотного диапазона. Таким образом, учитывается то, что технологически вследствие отклонений не все вилки имеют одинаковую механическую резонансную частоту. Далее этот частотный диапазон охватывает также частоты, возникающие за счет свободного и покрытого состояний. Кроме того, за счет разных плотностей и вязкостей сред возникают также разные частоты.
1
1
Далее существует так называемая частота w отрыва: возможно, что, например, за счет среды, например, твердых веществ в жидкости или за счет механического повреждения механическое колебание сенсорного блока больше невозможно. Например, один зуб вилки может быть отломан, или между зубьями вилки может быть зажато твердое вещество. В этом случае в первом колебательном контуре еще имеется электрическая обратная связь; колебательный блок за счет своих механических свойств больше не влияет на колебательный контур. Чтобы охарактеризовать этот случай, система переходит на упомянутую и определенную частоту w отрыва. Таким образом, для колебательной вилки заданы полоса частот и отдельная частота. Или, в целом, первый колебательный контур может колебаться на разных частотах, по которым делают вывод о параметре или параметрах процесса или которые характеризуют другие определенные состояния, например отрыв колебаний.
res
При детектировании твердых тел или сыпучего материала в пределах одной полосы частот обычно возникает только одна частота ω. У этих измерительных приборов, однако, частота не изменяется в результате контакта со средой.
res
1
Измерительный прибор согласно изобретению понимается, следовательно, как колебательный контур, состоящий в основном из трех блоков: электронной схемы обратной связи, сенсорного блока и дополнительной электронной схемы. Электронная схема обратной связи также используется для определения параметра процесса за счет того, что с ее помощью можно определить и обработать, например, усиление, частоту или фазу детектированных колебаний. Если все связи в порядке, то в диапазоне заданной полосы частот возникают, например, колебания с резонансной частотой ω или система колеблется с частотой ω отрыва в случае механического повреждения сенсорного блока. Частоты при этом зависят от выполнения трех блоков.
Kabelbruch
res
Блоки включены между собой так, что при обрыве кабеля между электронной схемой обратной связи и сенсорным блоком электронная схема обратной связи и дополнительная электронная схема образуют второй колебательный контур. Этот второй колебательный контур колеблется тогда на дополнительной резонансной частоте (ω), однозначно характеризующей обрыв кабеля. Благодаря изобретению вырабатывается как бы третья резонансная частота (если для нормального случая предусмотрена только одна резонансная частота ω, то речь идет за счет дополнительной электронной схемы о второй резонансной частоте), возникновение которой является признаком обрыва кабеля. Имеется, следовательно, частота (твердые тела) или частотный диапазон (жидкости), возникающая или возникающий в нормальном режиме. Дополнительно имеется частота для состояния, когда механические колебания больше невозможны. Благодаря изобретению вырабатывается дополнительная частота, характеризующая случай обрыва кабеля.
В одном выполнении устройства сенсорный блок и дополнительная электронная схема включены параллельно и последовательно с электронной схемой обратной связи. Это выполнение позволяет очень просто реализовать первый и второй колебательные контуры, причем второй колебательный контур возникает при прерывании связи с сенсорным блоком.
res
1
Kabelbruch
res
Kabelbruch
1
Kabelbruch
res
1
res
1
Kabelbruch
Kabelbruch
Одно предпочтительное выполнение устройства предусматривает, что усиление первого колебательного контура в диапазоне резонансной частоты или резонансных частот (ω, ω) первого колебательного контура больше чем в диапазоне резонансной частоты (ω) второго колебательного контура. Преимущество этого выполнения в устранении негативного влияния дополнительной электронной схемы на общее поведение устройства, т.е. измерительного прибора. В принципе, первый колебательный контур может колебаться на любой из трех резонансных частот или в одном частотном диапазоне. В конкретном случае остаются выбор между одной из резонансных частот в нормальном режиме (ω) и частотой обрыва кабеля (ω) и выбор между частотой отрыва (ω) и частотой обрыва кабеля (ω). Выбор между частотами ω и ω определяется механическим состоянием сенсорного блока. Отсюда из трех возможных частот остаются только названные пары. Поскольку, однако, усиление первого колебательного контура - усиление складывается из усилений трех блоков - на представляющих, собственно, интерес частотах (ω, ω) первого колебательного контура больше преимущественно однозначно или намного больше чем на резонансной частоте (ω) второго колебательного контура, эта резонансная частота (ω) в нормальном режиме вряд ли сможет возникнуть. Таким образом, условием практической реализации является минимальная возможность возникновения этой резонансной частоты в нормальном режиме.
Альтернативное этому или находящееся в комбинации с этим выполнение предусматривает, что сумма фаз, возникающих в первом колебательном контуре, является в основном целочисленным кратным 2р и что сумма фаз, возникающих во втором колебательном контуре, отличается от целочисленного кратного 2р, причем отклонение от целочисленного кратного 2р таково, что второй колебательный контур способен совершать колебания. Если, следовательно, сенсорный блок связан с электронной схемой обратной связи и с дополнительной электронной схемой, то для первого колебательного контура сумма отдельных фаз является целочисленным кратным 360° или 2р. Иначе говоря, в любой точке, в которой разъединяют первый колебательный контур, поступающий сигнал совпадает по фазе с отходящим сигналом, т.е. первый колебательный контур может оптимально колебаться. Для второго колебательного контура из электронной схемы обратной связи и дополнительной электронной схемы сумма фаз, однако, преимущественно слегка отличается от целочисленного кратного 360°, так что колебание первого колебательного контура на резонансной частоте второго колебательного контура вряд ли вероятно, однако колебание второго колебательного контура тем не менее возможно. Это является, следовательно, альтернативным условием предотвращения негативного влияния дополнительной электронной схемы на измерительный прибор. Возможностями являются настройка усиления или фаз или подходящая комбинация обеих возможностей.
Kabelbruch
Kabelbruch
Одно выполнение предусматривает, что комбинация из усиления первого или второго колебательного контура и из суммы фаз первого или второго колебательного контура гарантирует предотвращение колебания первого колебательного контура на резонансной частоте (ω) второго колебательного контура. Фазы и усиления комбинируются, следовательно, между собой, что предотвращает колебание первого колебательного контура на резонансной частоте (ω) второго колебательного контура. Оба выполнения, следовательно, объединяют во избежание колебания первого колебательного контура на резонансной частоте второго колебательного контура. При этом возможны любые комбинации условий усиления или фаз.
Одно выполнение включает в себя то, что сенсорный блок содержит, по меньшей мере, один механический колебательный блок. Речь идет, например, об измерительном приборе с колебательной вилкой или о так называемом моностержне. В таких колебательных блоках - колебательная вилка или моностержень - предусмотрен обычно также блок возбуждения/приема, который вырабатывает механические колебания колебательного блока и принимает колебания. Вариантом этого является пьезопреобразователь, управляемый электрическим переменным напряжением, преобразующий его в механическое колебание колебательного блока и, наоборот, преобразующий механические колебания в переменное напряжение. Речь может идти также о колебательной трубке или колебательных трубках кориолисова массового расходомера. У моностержня или колебательной вилки параметром процесса является преимущественно уровень среды, однако речь может идти и о вязкости или плотности среды.
Изобретение более подробно поясняется с помощью прилагаемых чертежей.
фиг.1 - блок-схема устройства.
фиг.2а-2с - диаграмма для описания поведения устройства.
фиг.3 - схематичный вид колебательной вилки в качестве устройства.
res
1
Kabelbruch
На фиг.1 устройство изображено схематично. Видны сенсорный блок 1, электронная схема 2 обратной связи и добавленная согласно изобретению дополнительная электронная схема 3. Эти три блока 1, 2, 3 образуют сообща первый колебательный контур 10, который в зависимости от среды процесса, вступающей во взаимодействие с сенсорным блоком 1, колеблется на одной из обеих резонансных частот ω (эта частота лежит в пределах одной полосы частот) или ω (в случае, если колебания отрываются, поскольку механическое колебание сенсорного блока больше невозможно). Сенсорный блок 1 и дополнительная электронная схема 3 в этом выполнении включены параллельно и последовательно с электронной схемой 2 обратной связи, так что электронная схема 2 обратной связи и дополнительная электронная схема 3 в случае обрыва кабеля (обозначено двумя штрихами) образуют второй колебательный контур 20 с резонансной частотой (ω).
aus
ein
Для следующего рассмотрения обозначенные F(iω) части являются звеньями обратной связи с комплексной передаточной функцией F(iω)=U/U:
e
F - передаточная функция электронной схемы 2 обратной связи или усилительного блока;
r
F - дополнительная электронная схема 3 для генерирования состояния обрыва кабеля;
se
F - передаточная функция чисто электрических свойств (датчик в полностью блокированном состоянии; механическое колебание больше невозможно) сенсорного блока 1;
s
F - передаточная функция определяемых механическим резонансным колебанием колебательного блока сенсорного блока электрических сигналов (датчик колеблется; он находится в свободном или покрытом состоянии, или механический колебательный блок частично покрыт, т.е. датчик находится в промежуточном состоянии).
Для описания колебательных контуров 10, 20 их разъединяют на выходе 5 электронной схемы 2 обратной связи. Возможное насыщение сигнала для простоты не учитывается (только установившийся случай).
Условия колебаний в различных состояниях гласят тогда:
Состояние 1:
Датчик может колебаться свободно или частично или полностью покрытым, а кабель не оборван:
Состояние 2:
Датчик не колеблется, т.е. невозможно никакое механическое колебание, а кабель не оборван:
Состояние 3:
Произошел обрыв кабеля, причем датчик способен или неспособен колебаться:
При этом резонансные частоты:
res
ω: резонансная частота первого колебательного контура 10 с механическим колебанием датчика, причем вилка колеблется (либо свободна, либо покрыта, либо между этими обоими экстремумами).
1
s
ω: резонансная частота первого колебательного контура 10 с полностью покрытой вилкой, которая больше не может механически колебаться (частота отрыва). Передаточная функция F колеблющегося датчика 0.
Kabelbruch
s
se
ω: резонансная частота второго колебательного контура 20, сигнализируется обрыв кабеля. Передаточные функции F и F отпали из-за обрыва кабеля.
Kabelbruch
Для того чтобы можно было отличить состояния 2 и 3, должно быть: ≠ ω.
res
Это является, следовательно, первым условием реализации устройства. То же относится к резонансной частоте первого колебательного контура 10 с механическим колебанием датчика ω.
r
s
r
Кроме того, должно быть гарантировано, чтобы на колебание свободного датчика почти не оказывало влияния дополнительное передаточное звено F, для чего, например, при данной F передаточную функцию F выбирают так, что справедливо
Kabelbruch
res
1
Это значит, что усиление первого колебательного контура 10 в диапазоне ω=ω заметно меньше, чем в диапазоне ω=ω или ω=ω. Это - второе условие технической реализации устройства. Это может быть реализовано, как описано выше, также посредством фаз.
res
В целом, ω является определяемым механическими колебательными свойствами датчика частотным интервалом (технологические допуски; плотность и демпфирующие свойства среды, в которую погружен датчик; температура; давление).
Примечание: в реальной электронике из-за затрат усиление принимается большей частью не равным 1, а больше 1. Для упрощения формул усиление было принято равным 1. Вышеприведенные рассуждения достаточно описывают принцип изобретения и условия его реализации.
res/1
На фиг.2а-2с более подробно поясняется детектирование обрыва кабеля посредством устройства согласно изобретению. Для понимания ситуация упрощена таким образом, что первый колебательный контур колеблется только на резонансной частоте ω, т.е. оба описанных выше состояния 1 и 2, относящихся к «функционирующей» связи между сенсорным блоком и электронной схемой обратной связи, объединяются. Этим охватывается, следовательно, и тот случай, когда в нормальном режиме возникает только одна резонансная частота, поскольку, например, контакт со средой приводит не к изменению частоты колебаний, а к изменению амплитуды колебаний (например, сыпучие материалы или твердые вещества в противоположность жидкостям, разные плотности и вязкости которых приводят к частотному диапазону).
r
s
r
se
res/1
Kabelbruch
На фиг.2а и 2b кривая Fe(iω) описывает соответственно фазовую и усилительную характеристику электронной схемы 2 обратной связи. Кривая F(iω)+F(iω) описывает обратную связь первого колебательного контура 10, а кривая F(iω) - дополнительную электронную схему 3. Передаточная функция F(iω), т.е. поведение в случае покрытой колебательной вилки, для упрощения опущена. Спектры на фиг.2а и 2b отвечают условиям колебаний для двух разных частот ω и ω.
Состояние 1/2:
e
r
s
Сенсорный блок сигнализирует «свободно» или «покрыто». Кабель не оборван. Справедливы кривые F(iω) и F(iω))+F(iω)
r
s
e
[F(iω)+F(iω)]×F(iω)≥1+Oi
res/1
Kabelbruch
Это уравнение выполнено для обеих частот ω и ω.
res/1
Поскольку, однако, для этого состояния должно быть выполнено также  первый колебательный контур 10 колеблется при частоте ω=ω. Это может быть подтверждено отображением спектров. Дополнительная электронная схема 3 устройства не влияет, следовательно, на нормальную работу измерительного устройства.
Состояние 3:
e
r
Сенсорный блок не подключен; следовательно, кабель не оборван. Справедливы кривые F(iω) и F(iω).
Kabelbruch
Теперь для ω=ω выполнено следующее условие:
r
e
Kabelbruch
F(iω)×F(iω)=1+Qi|ω=ω
Kabelbruch
В случае обрыва кабеля второй колебательный контур 20 колеблется на частоте ω обрыва кабеля, так что такой обрыв кабеля имеет место. Особенно за счет профиля усиления электронной схемы 2 обратной связи гарантировано, что в нормальном режиме, т.е. при существующей связи между отдельными блоками, первый колебательный контур 10 будет надежно колебаться на резонансных частотах, служащих для определения параметра процесса.
Эти состояния видны также на годографе на фиг.2с.
r
s
e
res/1
Kabelbruch
На годографе изображена функция F(iω)=[F(iω)+F(iω)]×F(iω) открытого колебательного контура. С ω в качестве параметра можно двигаться на функции по стрелке от начала (ω=0) через первую (ω=ω) и вторую ω=ω точки колебаний снова в начало (ω=∞). В обеих точках колебаний F - реальность, т.е. не существует фазового сдвига до n*360°, причем n обозначает натуральное число (n=1, 2, 3,…) между входом и выходом.
res
1
Kabelbruch
Приведенные выше условия достаточно описывают сенсорный блок 1, электронную схему 2 обратной связи и дополнительную электронную схему 3, так что их реализация не ставит перед квалифицированным специалистом особых задач. В принципе, следует обратить внимание на то, что резонансная частота второго колебательного контура 20 достаточно отличается от резонансной частоты или резонансных частот первого колебательного контура 10 и что за счет дополнительной электронной схемы 3 не возникает негативного влияния на колебания первого колебательного контура 10. Это может быть реализовано, например, за счет того, что усилительная характеристика первого колебательного контура 10 в диапазоне его колебаний с частотами ω и ω заметно сильнее, чем в диапазоне колебаний второго колебательного контура 20 с ω.
res
1
Kabelbruch
На фиг.3 изображена колебательная вилка в качестве механического колебательного блока 30 устройства. Колебания такого блока 30 возбуждают, например, пьезопреобразователем (не показан). Если устройство используют для определения уровня, то вилка 30 колеблется на двух разных частотах ω (это частотный диапазон, определяемый механическими свойствами вилки или свойствами среды, например уровнем, плотностью или вязкостью) или ω (вилка не может совершать механические колебания; частота отрыва механических колебаний). Проблематичны связи 6 между сенсорным блоком 1 и электронной схемой 2 обратной связи или дополнительной электронной схемой 3. Эти связи 6 изображены здесь связями возбуждения и приема, однако речь может идти также о единственной двунаправленной связи. Такие связи 6 могут состоять из кабелей, места пайки которых отламываются или которые разъедаются агрессивной средой, проникшей в устройство. Существует, следовательно, много возможностей, которые могут привести к «обрыву кабеля». Это состояние «обрыв кабеля» однозначно обнаруживается благодаря изобретению за счет образования посредством дополнительной электронной схемы 3 второго колебательного контура 20, который колеблется на однозначно определенной резонансной частоте ω. Выполнение первого колебательного контура 10 или усилительной характеристики сенсорного блока 1, электронной схемы 2 обратной связи и дополнительной электронной схемы 3 гарантируют, что первый колебательный контур 10 не будет колебаться на этой частоте обрыва кабеля. Таким образом, второй колебательный контур 20 становится активным только тогда, когда вышла из строя связь 6 между дополнительной электронной схемой 3 и вторым колебательным контуром 20, т.е. когда произошел обрыв кабеля. Таким образом, дополнительная электронная схема 3 имеет то преимущество, что за счет нее возникает определенная частота в случае обрыва кабеля, однако не происходит негативного воздействия на нормальный режим работы.