阻抗传感器及其操作方法技术

本发明专利技术涉及一种阻抗传感器，阻抗传感器具有：探针(102)，所述探针在电容方面能够被包围所述探针(102)的介质影响；测量振荡电路，所述探针(102)作为电容确定元件布置在所述测量振荡电路中；电子单元(406、606)，所述电子单元具有用于激励所述测量振荡电路的信号发生器(402、602)以及用于确定所述测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)；以及信号处理单元(401、601)，所述信号处理单元连接到所述电子单元(406、606)，其中，所述信号发生器(402、602)被设计成数字控制电路。

Impedance Sensor and Its Operating Method

【技术实现步骤摘要】
阻抗传感器及其操作方法
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分的阻抗传感器和根据权利要求10的前序部分的方法。
技术介绍
现有技术已公开这种类型的阻抗传感器，例如其用于测量物位极限。用于检测预定物位(极限)的典型应用例如包括诸如加工过程中的过程罐、储存罐、储槽或管线之类的过程容器。这里，阻抗传感器常用作所谓的极限开关，即用于在不同流体以及颗粒状或粉末状散装材料中确定填充介质是否超过特定物位(即，所谓的极限)或相对于特定物位是否短缺。其它类型的极限开关也是已知的，这些极限开关根据应用领域、过程条件以及填充介质的特性来选择。除阻抗传感器之外，还使用根据时域反射法(TDR：TimeDomainReflectometry)原理工作的传感器，或者使用振动极限传感器或电容式传感器。例如，极限开关的开关命令能够启动或停止填充设备或排出设备，以避免相应过程容器溢出或变空。图4示出已知的阻抗传感器100。图4示出根据现有技术的阻抗传感器100的简化框图。基本上，现有技术中已知的阻抗传感器100(在下文中也称为极限传感器或极限检测器)包括电子单元101和探针102。探针102在本示例性实施例中被设计为串联振荡电路。测量电容110形成在测量电极106和参考电极108之间，测量电容110与分立电感109连接成作为串联振荡电路形成的测量振荡电路。测量电极106被设计成关于阻抗传感器100的纵向轴线L旋转对称，并经由绝缘体107与过程室90分离。有利地，对分立电感109进行选择，使得振荡电路的共振频率fres在100MHz和200Mhz之间用于各种介质和/或覆盖条件(空、满和受污染)。在100MHz和200Mhz之间分析该测量振荡电路的随频率变化的复值阻抗|Z|的量，即通过频率发生器103利用包括100MHz和200MHz之间的频率的频率扫描来激励测量振荡电路，并利用频率检测器104检测测量振荡电路的响应信号(频率响应)。如果介质靠近探针102，则测量振荡电路的阻抗性能发生变化，即，特别地，它的形成阻抗最小值处的共振频率fres发生偏移。频率扫描被理解为具有频率范围内的多个连续频率的顺序激励，由此，频率范围理想地包含测量振荡电路的所有可能的共振频率。在评估和控制单元105中使用测量振荡电路的阻抗的变化来进行分析。具体地，针对频率变化Δf和阻抗最小值的幅值的变化(也称为幅值变化)ΔZ，评估频率响应，并据此产生开关命令。根据现有技术的阻抗传感器在从-40℃至+115℃的过程温度下使用。这些温度差异极大影响频率发生器103和频率检测器104的性能，从而导致测量误差并因而导致错误的开关命令。这被视为现有技术的缺点。作为示例，图5列出了根据现有技术的用于番茄酱介质的阻抗传感器100的频率响应。曲线200示出清洁探针102的共振特性。阻抗Z的量是关于频率f示出的。曲线201示出由于番茄酱粘附而受污染的探针102的特性，且曲线202示出完全被番茄酱覆盖的探针102的特性。通过评估和控制单元105实现开关命令(空、满)，其中，根据该现有技术，仅使用共振曲线的最小值来进行分析。针对频率变化Δf和幅值变化ΔZ，对这些最小值进行评估。如果共振曲线的最小值位于范围I中，则评估和控制单元105发出开关命令“空”。然而，如果最小值位于范围II内，则发出开关命令“满”。这两个定义的开关范围I、II能够由工厂编程在阻抗传感器100中，或者通过客户校准进行调节和改变。理想地，这些区域应当如下地定义：因为客户侧校准是耗时的且因此是不期望的，因此针对尽可能多的不同介质，标准设定是充足的。由于处于-40℃至+115℃的范围内的过程温度的缘故，阻抗传感器100的电子单元101也暴露于相对高的温度波动。图6示出在探针102的未覆盖状态下阻抗传感器100的两个共振曲线，其中，曲线300描绘了+25℃处的特性，且曲线301描绘了+115℃处的特性。从图6可见，曲线300的最小值在范围I中的25℃处，且曲线301的最小值在范围II中的115℃处，尽管二者涉及相同的物位(即，未覆盖传感器)，但对应于阻抗传感器100的不同的开关状态。这种不一致的原因在于电子单元101的温度依赖性。因此，这里，温度影响导致极限传感器100的不正确的开关判断。特别地，信号发生器103具有明确的温度特性。图7a和7b示出了这种特性。在现有技术中，信号发生器103被设计成压控振荡器。压控振荡器被供应来自R-C元件的作为输入信号的模拟电压斜坡300，如图7a所示，斜坡300在最小电压Umin和最大电压Umax之间线性地延伸。在理想情况下，能够在输出端处获得线性地延伸的频率斜坡，利用该频率斜坡，能够将输入300的每个电压值与输出信号的唯一频率f相关联。然而，这不是由温度影响和电压控制型振荡器的非线性特性导致的情况。图7b示出电压控制型振荡器在三个不同的温度T下的输出特征曲线，这些曲线是在根据图7a的作为输入信号的电压斜坡300的情况下出现的。例如，输出特征曲线301描绘了在非常低的温度下的特性，且特征曲线302描绘了非常高的温度下的特性，即，在此情况下，这两个特征曲线分别描绘了-40℃和+100℃处的特性。在室温下，特征曲线303是预期的。在时间t1处出现在电压斜坡300上的电压值U1处，根据温度可能出现不同的频率f。对于图7b所示的温度，对于同一输入电压，频率f1、f2和f3是可能的。相反地，频率f1既可以通过利用在时间点t1处时间的电压U1的激励产生，也可以通过利用在时间点t4处施加的电压U4的激励产生。从图7b可见，由于温度依赖性以及信号发生器103的非线性的缘故，不再能够明确在输入信号的哪个电压U下实现了输出信号的特定频率f，反之亦然。这将在实际中导致显著的测量误差。
技术实现思路
本专利技术能够解决上述问题。根据本专利技术的阻抗传感器包括探针、测量振荡电路、电子单元和信号处理单元，探针可在电容方面被包围探针的介质影响，探针作为电容确定元件布置在测量振荡电路中，电子单元具有用于激励测量振荡电路的信号发生器和用于确定测量振荡电路的响应信号的信号检测器，信号处理单元连接到电子单元，其中，信号发生器被设计成数字控制电路。由于信号发生器的作为数字控制电路的实施例，能够以简单的方式向信号发生器提供适配的、几乎任意设计的输入信号。因而，能够调节信号发生器的输入信号，使得例如尽管存在信号发生器的非线性和/或温度依赖性，但在信号发生器的输出端处产生线性地延伸的频率斜坡。根据本专利技术的被设计成数字控制电路的信号发生器应当被理解成利用数字信号控制的用于产生测量振荡电路的输入信号的电路结构。特别地，可以进行信号的数模转换。这里，决定性的是，进行能够实现适配的电压曲线的数字控制。被设计成数字控制电路的信号发生器可以例如被设计成由数模转换器和压控振荡器形成的串联电路。也可以在控制器的输出端处已经进行模数转换，接着利用转换结果激励压控振荡器。可替代地，可以调节输入信号，使得能够补偿电子单元和探针的额外的温度依赖性。在简单实施例中，可以根据温度来执行信号发生器的控制，也就是说，这里，向信号发生器提供根据主要环境温度预定的或可预定的输入信号，由此补偿信号发生器的输出信号的温度依赖性。在此，补偿也应当被如下地理解成：信号发生器被提供一种输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻抗传感器(400、600)，其具有：探针(102)，所述探针在电容方面能够被包围所述探针(102)的介质影响；测量振荡电路，所述探针(102)作为电容确定元件布置在所述测量振荡电路中；电子单元(406、606)，所述电子单元具有用于激励所述测量振荡电路的信号发生器(402、602)和用于确定所述测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)；以及信号处理单元(401、601)，所述信号处理单元和所述电子单元(406、606)连接，其特征在于，所述信号发生器(402、602)被设计成数字控制电路。

【技术特征摘要】
2018.02.06 EP 18155432.01.一种阻抗传感器(400、600)，其具有：探针(102)，所述探针在电容方面能够被包围所述探针(102)的介质影响；测量振荡电路，所述探针(102)作为电容确定元件布置在所述测量振荡电路中；电子单元(406、606)，所述电子单元具有用于激励所述测量振荡电路的信号发生器(402、602)和用于确定所述测量振荡电路的响应信号的信号检测器(104)；以及信号处理单元(401、601)，所述信号处理单元和所述电子单元(406、606)连接，其特征在于，所述信号发生器(402、602)被设计成数字控制电路。2.根据权利要求1所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，所述信号发生器(402、602)的控制是根据温度进行的。3.根据权利要求2所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，温度传感器(403)，所述温度传感器优选地连接到所述信号处理单元(401)。4.根据前述任一项权利要求所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，存储器，在所述存储器中存储有用于所述信号发生器(402、602)的依赖于温度的控制曲线。5.根据前述任一项权利要求所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，所述控制曲线被设计成使得所述信号发生器(402、602)具有线性的输出信号。6.根据前述任一项权利要求所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，参考电路(604)，其中，所述电子单元(606)能够交替地连接到所述测量振荡电路或所述参考电路(604)；以及存储器，在所述存储器中保存有所述参考电路(604)的频率响应。7.根据前述任一项权利要求所述的阻抗传感器(400、600)，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·温齐尔勒，于尔根·哈斯，
申请(专利权)人：VEGA格里沙贝两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE