專利名稱：振動式液位邊界值檢測裝置和振動式液位邊界值檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有權利要求1的前序部分所述特征的振動式液體邊界值檢測裝置，以及一種用于驅(qū)動這種裝置的方法。
背景技術：
用作檢測液體的裝置的振動式液位邊界值開關1是振動諧振器，通常是帶有壓電效應驅(qū)動系統(tǒng)的音叉式振蕩器，如圖6中所示。它通常包含一個發(fā)送壓電元件3，它激勵一個作為音叉10來實現(xiàn)的機械振動元件產(chǎn)生振動；還包含另一個接收壓電元件4，它檢測音叉10的振動。借助于一個具有放大器5、濾波器6和比較器7的電路，檢測到的信號被放大，信號相位發(fā)生移動，從而使系統(tǒng)的振蕩條件得到滿足。
DE 195 21 449 C2描述了一種帶有振動諧振器的振動式液位邊界值開關，為了驅(qū)動和檢測振動諧振器，只使用了一個壓電元件，它通過一個雙線導線連接。在該結構中，實現(xiàn)了通過一個壓電元件對振動進行激勵和檢測。為了實現(xiàn)這一目的，必須使由壓電充放電電流所產(chǎn)生的電壓消隱。壓電電容在280℃的溫度下比室溫時提高了3倍。因此該方法的缺點在于，在如由于高溫或長導線情況下而產(chǎn)生較大的充放電電容時，消隱間隙會很長，以至于該方法不能再被應用，或者只能非常限制地被應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務在于，提供一種裝置或裝置中的電路，它同樣只采用一個壓電元件和一根雙線導線就足夠了，但是與目前為止的其它方法不同的是，可以和壓電電容及導線電容無關地工作。
該任務通過具有權利要求1所述特征的方法以及具有權利要求9所述特征的裝置來解決。
優(yōu)選的振動式液位邊界值檢測裝置具有振動諧振器；具有壓電電容的壓電元件，用于以一定的驅(qū)動頻率激勵振動諧振器產(chǎn)生振動，并獲取該振動諧振器的振動；壓電元件的兩個連接導體；以及用于分析由壓電元件獲取的振動諧振器的振動的電路元件，其中帶有補償電容器的一條支路與帶有壓電元件的另一條支路并聯(lián)連接，以補償壓電元件的與壓電電容有關的充放電電流。
在優(yōu)選的振動式液位邊界值檢測方法中，用一個具有壓電電容的壓電元件以一定的驅(qū)動頻率激勵振動諧振器產(chǎn)生振動，并獲取振動諧振器的振動，其中借助于一個與帶有壓電元件的支路并聯(lián)連接的、帶有補償電容的支路來補償壓電元件的與壓電電容有關的充放電電流。
該任務尤其是這樣來解決與壓電電容和導線電容有關的充放電電流得到補償，尤其得到完全的補償。
具有優(yōu)點的實施例是從屬權利要求的主題。
優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中設置了用于補償與壓電元件的壓電電容以及附帶地與導線電容有關的充放電電流的補償電容器。
優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中一個反向器將由壓電元件的驅(qū)動電壓導出的信號施加到補償電容器上。
優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中接入一個與壓電電容或者與壓電電容和導線電容的值完全相同或者近似于完全相同的電容作為補償電容器。
優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中在壓電元件和補償電容器之間設置一個分接頭，用于分接出只含有振動諧振器的機械振動分量的經(jīng)過補償?shù)男盘枴?br> 優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中補償電容器或者與補償電容器等效的電子電路具有調(diào)節(jié)電容的控制輸入端。
優(yōu)選的尤其是采用這樣一種裝置，其具有補償調(diào)節(jié)。所述補償調(diào)節(jié)借助于向其上施加了經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓的補償電容器或者與補償電容器等效的電子電路來實現(xiàn)。
優(yōu)選的尤其是這樣一種裝置其中一個同步整流器與直接位于壓電元件和補償電容器之間的一個點處的信號或電壓相關地以受控方式提供了一個用于補償調(diào)節(jié)器的輸入信號，并且一個用于劃分驅(qū)動頻率的分頻器提供了一個用于該同步整流器的控制信號。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中除了壓電電容之外，還對壓電元件的導線電容進行補償。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中由壓電元件的驅(qū)動電壓導出的經(jīng)過反轉(zhuǎn)的信號被施加到一個帶有補償電容的補償電容器上。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中接入一個與壓電電容或者與壓電電容和導線電容的值完全相同或者近似于完全相同的電容作為補償電容器。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中在壓電元件和帶有補償電容的補償電容器之間分接出一個經(jīng)過補償?shù)男盘?，該信號只含有振動諧振器的機械振動分量。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中補償電容器的電容或者與補償電容器等效的電子電路可以被可變地進行設置和調(diào)節(jié)。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中向補償電容器或其等效電路上施加一個經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓。
優(yōu)選的尤其是這樣一種方法其中借助于一個同步整流器與直接位于壓電元件和補償電容器之間的一個點處的信號或電壓相關地以受控方式提供一個用于補償調(diào)節(jié)器的輸入信號，并且借助于一個用于劃分驅(qū)動頻率的分頻器提供一個用于該同步整流器的控制信號。


下面借助于附圖詳細說明一個實施例。如圖所示圖1一個帶有對其進行控制的電路元件的振動式液位邊界值開關的示意圖；圖2帶有振動式液位邊界值開關的一個優(yōu)選的電路結構；
圖3帶有振動式液位邊界值開關的一個優(yōu)選的實際電路結構；圖4帶有振動式液位邊界值開關的另一個優(yōu)選的實際電路結構；圖5在這種電路中的不同分接點處的信號序列；圖6一種已知的振動式液位邊界值開關。
具體實施例方式
圖1簡要示出了一個帶有用于對其進行控制的電路元件的振動式液位邊界值開關，作為用于檢測振動式液位邊界值的裝置。為了驅(qū)動或設置一個振動諧振器10產(chǎn)生振動，并檢測該振動諧振器10的振動，使用了至少一個壓電元件11，它通過雙線導線12、13與電路元件相連接。通過對壓電元件11的充放電電流進行補償，可以直接截取振動諧振器10的機械振動。
其中圖1只示出了在這種裝置中用于控制和分析的方法的原理功能。壓電元件11通過它的第一根導線12連接到一個緩沖器14。緩沖器14的輸入端位于第一個節(jié)點A處。第二根導線13從壓電元件11引至第二個節(jié)點G。在一個與之并聯(lián)連接的結構中，在第一個節(jié)點A和第二個節(jié)點G之間串聯(lián)連接了一個反向器15和一個作為補償電容的電容性裝置2。理論上，這個補償電容作為可調(diào)的電容器來實現(xiàn)，它具有一個用于對其有效電容進行調(diào)節(jié)的控制輸入端。這樣，第二個節(jié)點G被接入到壓電電容和特定情況下的導線電容與補償電容器2的補償電容之間。一個測量裝置17連接到第二個節(jié)點G，該裝置用于確定壓電電容。一根導線從測量裝置17引至補償電容2的控制輸入端，以對其進行控制。另外，在代表壓電元件11的輸出端的第二個節(jié)點G和代表壓電元件11的輸入端的第一個節(jié)點A之間，是一個由放大器18、濾波器19和比較器20串聯(lián)連接而成的結構。
對壓電電容和導線電容的補償通過一條與帶有壓電元件11的支路并聯(lián)連接的支路來實現(xiàn)，在該支路中第一個節(jié)點A處的控制信號經(jīng)過反轉(zhuǎn)后被接到一個與壓電電容和導線電容的值盡可能完全相同的補償電容上。在壓電電容和補償電容之間，在第二個節(jié)點G處可分接出一個經(jīng)過補償?shù)男盘?，這個信號只包含正弦振蕩形式的機械振動分量。通過壓電元件11的充放電而產(chǎn)生的電壓從而得到補償。而在不中斷振動諧振器10的振動的情況下來測量壓電電容是很困難的。另外，該補償電容應盡量精確地被跟蹤。其中可調(diào)節(jié)的補償電容2應通過一個等效的電子電路2來代替。
針對這一問題，圖2中的電路提供了一種解決方案。為了簡化起見，下面主要只描述對圖1中的電路進行補充或相應改變的元件。
在第一個節(jié)點A和壓電元件11之間連接有一個第一加法器21，其輸出端形成了第四個節(jié)點。另外在第一個節(jié)點A和第一加法器21的另一個輸入端之間連接有一個分頻器22。分頻器22的輸出端形成了第三個節(jié)點B，其上連接有第二加法器23的一個輸入端。第二加法器23的第二個輸入端與第一個節(jié)點A相連。第二加法器具有一個控制輸入端。第二加法器23的一個反向輸出端連接至補償電容器16的輸入端。第二加法器23的輸出端形成了第五個節(jié)點F。
在第二個節(jié)點G上通過一個阻抗性和另一個電容性裝置24連接了一個切換裝置25，該切換裝置作為同步整流器將第二個節(jié)點G的信號有選擇性地施加給接地端或補償電壓調(diào)節(jié)器27的一個負輸入端。另外，補償電壓調(diào)節(jié)器27的負輸入端通過另一個電容性裝置26與接地端或基準電壓相連接。補償電壓調(diào)節(jié)器27的正輸入端同樣連接到接地端。補償電壓調(diào)節(jié)器27的一個輸出作為控制信號施加到第二加法器23上。在開關25的一個切換輸入端處施加了第三個節(jié)點B的一個信號。
通過f/n分頻可以由第一個節(jié)點A的驅(qū)動電壓產(chǎn)生第二個電壓，作為第三個節(jié)點B處的電容測量電壓。例如可以選擇四分之一頻率f/4的分頻關系。在第三個節(jié)點B處的電容測量電壓通過加上第一個節(jié)點A處的驅(qū)動電壓來疊加，從而在第四個節(jié)點E處產(chǎn)生疊加后的電壓。以同樣的方式，在第二條支路中，在第五個節(jié)點F處產(chǎn)生一個經(jīng)過反轉(zhuǎn)的電壓。該電壓的幅值是可調(diào)的，由此可以對一個可調(diào)的補償電容進行等效。補償電容器16本身保持恒定，其中通過電壓的大小來改變補償電容器16能夠存儲的電荷量。利用這兩個電壓，即在第四個節(jié)點E處以及在第五個節(jié)點F處被疊加并反轉(zhuǎn)的電壓，可以對壓電元件11和串聯(lián)連接的補償電容器進行控制。在對充放電電流進行精確補償時，兩個電容之間的第二個節(jié)點G處的充放電電壓自身進行補償。在這個位置處只會出現(xiàn)振動諧振器10的機械諧振振動。第三個節(jié)點B處的電容測量電壓的頻率處于振動諧振器10的機械諧振頻率之外。借助于第三個節(jié)點B處的電容測量電壓，對壓電電容與補償電容進行比較。在精確補償?shù)那闆r下，位于兩個電容之間的第二個節(jié)點G處的在這一頻率下的電壓為0。在補償發(fā)生誤差的情況下，第二個節(jié)點G處會出現(xiàn)一個誤差電壓。
這一誤差電壓可以借助于通過切換裝置25實現(xiàn)為測量裝置的同步整流器來進行分析。由于振動諧振器10的機械諧振振動是用來控制同步整流器的電容測量電壓B的多倍，在整流之后得到一個只與壓電電容和補償電容有關的電壓。通過一個控制回路，處于帶有反向電壓的電壓輸出端、即第五個節(jié)點F處的、用來控制補償電容器16的補償電壓UK可以被改變，以使得在兩個電容之間的第二個節(jié)點G處的充放電電壓保持為0。通過這種方式和方法，壓電電容可以補償?shù)窖a償電容器16的大小，因此，可以選擇足夠大的補償電容器16。由于補償電容器16本身不發(fā)生改變，所以調(diào)節(jié)電壓直接反映了壓電電容的大小。
圖3示出了在實施優(yōu)選方法時具有在電路中的不同點處的信號流程的一種實際實施方式。帶有驅(qū)動電壓的第一個節(jié)點A和分頻器22的輸出端，即第三個節(jié)點B，連接到異或門28的輸入端。其輸出端形成了第六個節(jié)點D，它將切換信號施加到第二和第三個切換裝置29、30。另外，第三個節(jié)點B處的信號作為切換信號施加到同步整流器25。這一元件和其它元件如圖2所示被接入到第二個節(jié)點G和補償電壓調(diào)節(jié)器27之間。
補償電壓調(diào)節(jié)器27的輸出作為正的補償電壓+UK被施加到第四個切換裝置31的一個切換輸入端。另外，補償電壓調(diào)節(jié)器27的輸出端還接到補償電壓反向器33的一個負輸入端，后者的第二個負輸入端連接到接地端。補償電壓反向器33的輸出作為負的補償電壓-UK施加到第四個切換裝置31。第四個切換裝置31的切換輸出端連接到第三個切換裝置30的第一個切換輸入端。第三個切換裝置30的輸出端連接到在第五個節(jié)點F，形成了補償電容器16的輸入端。該補償電容器還通過第二個節(jié)點G與壓電元件11相連接。
壓電元件11的輸出端形成了第四個節(jié)點E，它連接到第二個切換裝置29的輸出端。第二個切換裝置29的第一個輸入端相應地接到第三個切換裝置30的切換輸入端，它連接到第四個切換裝置31。第二和第三個切換裝置29、30的另外兩個切換輸入端連接到接地端。第二個切換裝置29的第一個切換輸入端形成了第七個節(jié)點，并連接到第五個切換裝置32的一個輸出端。它的切換輸入端連接到一個正的或一個負的工作電壓+UB、-UB。第四和第五個切換裝置31和32的切換端子上施加了第三個節(jié)點B的信號。
在第四個節(jié)點E和第五個節(jié)點F處的電壓相應地通過作為開關和異或門28的第二到第五個切換裝置29-32來產(chǎn)生。圖4示出了該電路結構的另一個符合目的的實施方式，其中，下文中只描述了相對于圖3所示的實施方式不同的元件和功能。取代圖3中的異或門28和開關29-32，在該電路中采用了第一和第二個多路復用器34、35。這樣，第四個節(jié)點E和第五個節(jié)點F處的信號形式通過模擬多路復用器組件來產(chǎn)生。帶有驅(qū)動電壓的第一個節(jié)點A連接到第一個多路復用器34的一個切換輸入端，并連接到第二個多路復用器35的一個切換輸入端。另外，帶有分頻器22的信號的第三個節(jié)點B連接到第一個多路復用器34的另一個切換輸入端，并連接到第二個多路復用器35的另一個切換輸入端。
補償電壓調(diào)節(jié)器27的輸出端作為正的補償電壓+UK被施加到第一個多路復用器34的一個信號輸入端。另外，補償電壓調(diào)節(jié)器27的輸出端連接到補償電壓反向器33的一個負輸入端，而補償電壓反向器33的第二個負輸入端連接到接地端。補償電壓反向器33的輸出作為負的補償電壓-UK施加到第一個多路復用器34的另一個信號輸入端。第一個多路復用器34的另外兩個信號輸入端連接到接地端。第一個多路復用器34的切換輸出端連接到第五個節(jié)點F，該節(jié)電形成了補償電容器16的輸入端。補償電容器16又通過第二個節(jié)點G與壓電元件11相連接。
壓電元件11的輸入端又形成了第四個節(jié)點E，它在這一實施方式中連接到第二個多路復用器35的輸出端。第二個多路復用器35的第一和第四個信號輸入端連接到一個正的或一個負的輸入工作電壓+UB、-UB。第二個多路復用器35的第二和第三個信號輸入端連接到接地端。
通過非常精確地測量壓電電容得到了其他的優(yōu)點。由此可以更可靠地檢測出與振動傳感器相連的導線的線路中斷和短接。此外，壓電電容的變化可以反映出壓電元件11的損壞。
圖5示出了在一個作為示例的時間序列中彼此不同的點處的電壓或信號流程。在節(jié)點A處施加了一個作為驅(qū)動電壓的簡單脈沖信號，其頻率在正常工作時與振動諧振器的機械諧振相對應。在分頻后的第三個節(jié)點B處施加了一個其周期是節(jié)點A處的驅(qū)動信號周期的4倍的脈沖。在第七個節(jié)點C處施加了一個大小為工作電壓+UB、-UB的脈沖電壓，其中該脈沖與第三個節(jié)點B處的信號相對應。在第六節(jié)點D處施加了一個通過異或門由圖5中的信號A和3所獲得的脈沖信號。在第四和第五個節(jié)點E、F處的信號波形彼此反向，并與工作電壓+UB、-UB或補償電壓+UK、-UK有關。這些信號與第六個節(jié)點D處的信號狀態(tài)同時、以及附帶地在第三個節(jié)點B處的信號周期的結束時改變其脈沖狀態(tài)。在第二個節(jié)點G處施加了壓電元件11的正弦波形的輸出信號，它形成了壓電元件11的經(jīng)過補償?shù)臏y量信號，并與振動諧振器的諧振振動相對應。
除此以外，還可以采用其他的實施方式。
例如，為了覆蓋更大的補償范圍，可以通過一個模擬開關在不同的補償電容器之間進行切換，并通過改變補償電壓實現(xiàn)微調(diào)。該方法的優(yōu)點在于，在驅(qū)動時總能提供最大電壓。通過用一個大的補償電容器來實現(xiàn)小的壓電電容的補償，使得可以由小的補償電壓實現(xiàn)更小的充放電電壓。
例如還可以不通過對驅(qū)動電壓的分頻來產(chǎn)生電容測量電壓，而是饋入一個例如來自微處理器的固定頻率。然而，在這種變體中，在電容測量時機械諧振處的振動會被中斷，否則可能出現(xiàn)頻率非常低的脈動。機械振動的中斷還可能會提高裝置的反應時間。
附圖標記列表1 振動式液位邊界值開關2 可調(diào)的補償電容3 發(fā)送壓電元件4 接收壓電元件5 放大器6 濾波器7 比較器10 振動諧振器11 壓電元件12 引至11的第一個導體13 由11引處的第二個導體14 緩沖器15 反向器16 等效電路的電容器17 測量裝置18 放大器19 濾波器20 比較器
21 第一加法器22 分頻器23 等效電路的加法器24 阻抗性和電容性裝置25 同步整流器/第一個切換裝置26 電容性裝置27 補償電壓調(diào)節(jié)器28 異或門29-32 第二到第五個切換裝置33 補償電壓反向器34、35 第一和第二個多路復用器A 第一個節(jié)點/驅(qū)動電壓B 第三個節(jié)點/電容測量電壓C 第七個節(jié)點D 第六個節(jié)點E 第四個節(jié)點F 第五個節(jié)點/反向或補償電壓G 第二個節(jié)點/經(jīng)過補償?shù)男盘?br> 權利要求
1.一種振動式液位邊界值檢測裝置，具有—振動諧振器(10)，—具有壓電電容的至少一個壓電元件(11)，用于以一定的驅(qū)動頻率激勵振動諧振器(10)產(chǎn)生振動，并獲取該振動諧振器(10)的振動，—壓電元件(11)的兩個連接導體(12，13)，以及—用于分析由壓電元件(11)所獲取的振動諧振器(10)的振動的電路元件(18-20)，其特征在于，—帶有補償電容器(2)的一條支路與帶有壓電元件(11)的另一條支路并聯(lián)連接，以補償壓電元件(11)的與壓電電容有關的充放電電流。
2.根據(jù)權利要求1的裝置，其中設置了用于補償與壓電元件(11)的壓電電容有關并且還與導線電容有關的充放電電流的補償電容器(2)或其等效電路。
3.根據(jù)權利要求1或2的裝置，其中用于反向的裝置(15，23，31)將一個由壓電元件(11)的驅(qū)動電壓導出的信號施加到補償電容器(2)。
4.根據(jù)上述權利要求之一的裝置，其中接入了一個與壓電電容的值或者與壓電電容和導線電容之和完全相同或近似于完全相同的補償電容作為補償電容器(2)。
5.根據(jù)上述權利要求之一的裝置，其中在壓電元件(11)和補償電容器2之間設置了一個分接頭(G)，用于分接出一個經(jīng)過補償?shù)男盘枺撔盘栔缓姓駝又C振器(10)的機械振動分量。
6.根據(jù)上述權利要求之一的裝置，其中補償電容器(2)或者其等效電路(16，23)具有一個用于對其電容進行調(diào)節(jié)的控制輸入端。
7.根據(jù)權利要求1到5中之一的裝置，其中接入了一個補償調(diào)節(jié)器(27；27，33)，它用于將經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓施加到補償電容器(2)或其等電路(16，23)上。
8.根據(jù)權利要求7的裝置，其中—一個同步整流器(25)與直接位于壓電元件(11)和補償電容器(2)之間的一個點處的信號或電壓相關地、以受控方式提供了一個用于補償調(diào)節(jié)器(27；27，33)的輸入信號，—一個用于劃分驅(qū)動頻率的分頻器(22)提供了一個用于該同步整流器(25)的控制信號。
9.一種振動式液位邊界值檢測方法，其中—具有壓電電容的至少一個壓電元件(11)以一定的驅(qū)動頻率激勵振動諧振器(10)產(chǎn)生振動，并獲取該振動諧振器(10)的振動，其特征在于，—借助于一條與帶有壓電元件(11)的支路并聯(lián)連接的、帶有補償電容器的支路對壓電元件(11)的與壓電電容有關的充放電電流進行補償。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中除了壓電電容之外，還對壓電元件(11)的導線電容進行補償。
11.根據(jù)權利要求9或10的方法，其中由壓電元件(11)的驅(qū)動電壓導出的經(jīng)過反向的信號被施加到帶有補償電容的補償電容器(2)。
12.根據(jù)權利要求9到11中之一的方法，其中接入一個與壓電電容的值或者與壓電電容和導線電容的值完全相同或近似于完全相同的補償電容作為補償電容器(2)。
13.根據(jù)權利要求9到12中之一的方法，其中在壓電元件(11)和帶有補償電容的補償電容器(2)之間分接出一個經(jīng)過補償?shù)男盘?，該信號只含有振動諧振器(10)的機械振動分量。
14.根據(jù)權利要求9到13中之一的方法，其中補償電容器(2)的補償電容或者其等效電路(16，23)可以被可變地設置或調(diào)節(jié)。
15.根據(jù)權利要求9到14中之一的方法，其中向補償電容器(2)或其等效電路(16，23)施加一個經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓。
16.根據(jù)權利要求9到15中之一的方法，其中—借助于一個同步整流器(25)，與直接位于壓電元件(11)和補償電容器(2)之間的一個點處的信號或電壓相關地以受控方式提供一個用于補償調(diào)節(jié)器(27；27，33)的輸入信號，—借助于一個用于劃分驅(qū)動頻率的分頻器(22)提供一個用于該同步整流器(25)的控制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測振動式液體邊界值的裝置及相應的方法，其具有振動諧振器(10)；具有壓電電容的至少一個壓電元件(11)，用于以一定的驅(qū)動頻率激勵振動諧振器(10)產(chǎn)生振動，并獲取該振動諧振器(10)的振動；壓電元件(11)的兩個連接導體(12，13)；以及用于分析由壓電元件(11)所獲取的振動諧振器(10)的振動的電路元件(18－20)，其中帶有補償電容器(2)的一條支路與帶有壓電元件(11)的另一條支路并聯(lián)連接，以補償壓電元件(11)的與壓電電容有關的充放電電流。
文檔編號G01F23/26GK1908597SQ20061010192
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權日2005年8月2日
發(fā)明者西格博特·沃爾 申請人:Vega格里沙貝兩合公司