电子振动多传感器的制作方法

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的装置，该装置包括传感器单元，该传感器单元具有机械可振荡单元、至少第一压电元件和第二压电元件、用于确定和/或监测介质的温度的单元以及电子单元。此外，本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的方法。介质位于容器中，例如，在容器中或在管道中。

背景技术

电子振动传感器被广泛地用在过程和/或自动化技术中。在填充水平测量装置的情况下，这样的装置具有至少一个机械可振荡单元，诸如例如振荡叉、单个叉齿或膜片。这样的可振荡单元在操作期间借助于常常形式为机电换能器单元的激励器/接收单元被激励，使得机械振荡被执行。机电换能器单元可以是例如压电驱动器或电磁驱动器。对应的现场装置由申请人大量生产并且例如以商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT销售。基础测量原理是大体上从大量出版物中获知的。激励器/接收单元借助于电激励信号来激励机械可振荡单元，使得机械振荡被执行。相反地，激励器/接收单元能够接收机械可振荡单元的机械振荡并将它们转换成电接收信号。激励器/接收单元相应地是单独的驱动单元和单独的接收单元，或组合式激励器/接收单元。

在这种情况下，激励器/接收单元在许多情况下是反馈电路、电气电路、振荡电路的一部分，借助于该电路来发生机械可振荡单元的激励，使得机械振荡被执行。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据放大因子≥1并且在振荡电路中出现的所有相位合计为360°的倍数。为了激励并满足振荡电路条件，必须保证激励信号与接收信号之间的某个相移。因此，常常设置用于相移的可预定值，从而设置用于激励信号与接收信号之间的相移的期望值。为此，现有技术提供最多样化的解决方案，包括模拟方法以及数字方法两者，诸如例如在DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1或DE00102010030982A1中描述的方法。

激励信号以及接收信号这两者都通过频率ω、振幅A和/或相位Φ来表征。相应地，为了确定特定过程变量通常考虑这些变量的变化。过程变量可以是例如填充水平、预定填充水平或介质的密度或粘度及其流量。在液体用电子振动限位开关的情况下，例如区分可振荡单元是被液体覆盖还是自由振荡。这两个状态(即自由状态和被覆盖状态)，在这种情况下是例如基于不同的谐振频率从而基于频移而区分的。

当可振荡单元被介质覆盖时，密度和/或粘度进而仅能够用这样的测量装置查明。关于确定密度和/或粘度，同样在现有技术例如DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1或DE102016112743A1中公布的那些中描述了不同选项。

许多过程变量能够用电子振动传感器确定并用于表征给定过程。然而，在许多情况下，对于综合过程监测和/或控制，需要有关过程的其他信息，尤其是关于其他物理和/或化学过程变量和/或参数的知识。例如，能够通过将其他现场装置集成到过程中来处理这种情况。然后，能够在装置上级的单元中合适地进一步处理由不同的测量装置提供的测量值。

然而，现在情况是不同的测量装置一方面可能具有不同的测量准确度。此外，漂移和/或老化效应可能在每种情况下非常不同。此类效应能够组合以使给定测量或过程监测和/或控制变得相当困难或不准确。此外，可能难以检测个别现场装置在正在进行的操作中的状况。因此，从截至本申请的最早提交日未公布的德国专利申请No.102018127526.9中获知的是一种电子振动多传感器，借助于该电子振动多传感器，电子振动测量原理以及超声测量原理这两者都能够被应用于确定和/或监测一个或多个过程变量。

技术实现要素：

从上述现有技术开始，本发明的目的是进一步为了扩大电子振动传感器的功能性。

该目的由如权利要求1所限定的装置以及由如权利要求7所限定的方法来实现。

关于该装置，该目的由一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的装置来实现，该装置包括传感器单元，该传感器单元具有机械可振荡单元、至少第一压电元件、用于确定和/或监测介质的电导率和/或电容的电导率/电容检测单元以及电子单元。该装置被实现成借助于激励信号来激励机械可振荡单元，使得机械振荡被执行，接收可振荡单元的机械振荡并将它们转换成第一接收信号，传输发送信号，并且接收第二接收信号。电子单元进而被实现成：基于第一接收信号和/或第二接收信号来确定至少一个过程变量，并且基于从电导率/电容检测单元接收到的第三接收信号来确定介质的电导率和/或电容。

机械可振荡单元例如是膜片、单个叉齿、至少两个振荡元件的布置或振荡叉。至少一个压电元件能够被例如布置在可振荡单元的区域中。它一方面用作用于产生机械可振荡单元的机械振荡的激励器/接收单元，这些机械振荡是借助于激励信号产生的。当可振荡单元被介质覆盖时，机械振荡进而受到介质的性质影响，使得基于表示可振荡单元的振荡的第一接收信号，可生成关于至少一个过程变量的信息。

压电元件进一步用于产生发送信号，该发送信号被以第二接收信号的形式被接收的。当发送信号在其路径上至少有时且分段地通过介质时，它同样受到介质的物理和/或化学性质影响并且可能被相应地考虑用于确定介质的过程变量。

因此，根据本发明可以在单个装置中实现至少两种测量原理。一方面，传感器单元执行机械振荡；附加地，发送信号被传输。作为对机械振荡和对发送信号的反应，两个接收信号被接收并且能够被评价，例如，关于至少两个不同的过程变量。在这种情况下，两个接收信号能够有利地被彼此独立地评价。因此，根据本发明，可查明的过程变量的数目可能显著地增加，这导致传感器的功能性更高并且导致补充的应用领域。

此外，本发明的装置包括用于确定和/或监测介质的电导率和/或电容的电导率/电容检测单元。此单元包括例如传感器单元，该传感器单元被实现用于配准这两个变量中的至少一个。传感器单元借助于附加电激励信号被激励，并且从电导率/电容检测单元单元接收第三接收信号。根据第三接收信号，然后介质的电导率和/或电容能够被查明作为至少一个其他过程变量。由于关于介质的电导率和/或电容的附加信息，因此能够显著地改进多传感器的应用领域并且扩展了传感器的功能性。

在有利的实施例中，传感器单元包括至少第一压电元件和第二压电元件，其中，第一压电元件和第二压电元件被实现成借助于激励信号来激励机械可振荡单元，使得机械振荡被执行，并且接收可振荡单元的机械振动并将它们转换成第一接收信号，其中，第一压电元件被实现成传输发送信号，并且其中，第二压电元件被实现成以第二接收信号的形式接收发送信号。然而，可能存在不止两个压电元件，它们能够被布置在相对于可振荡单元的不同位置处。

在附加的有利的实施例中，机械可振荡单元是具有第一振荡元件和第二振荡元件的振荡叉，其中，第一压电元件至少部分地被布置在第一振荡元件中并且第二压电元件至少部分地被布置在第二振荡元件中。例如在DE102012100728A1中以及在截至本申请的最早提交日未公布的德国专利申请No.102017130527.0中描述了传感器单元的对应实施例。在本发明的上下文中对这两个申请进行综合参考。在这两个文档中描述的传感器单元的实施例是传感器单元的合适的结构实施例的示例。例如，将压电元件排他地布置在振荡元件的区域中不是绝对必要的。相反，压电元件还能够被布置在膜片的区域中或在不用于电子振动激励但仍然同样应用在膜片上的附加振荡元件中。

该装置的另一实施例包括，用于确定和/或监测介质的电导率和/或电容的电导率/电容检测单元包括具有至少一个探针电极的电容性和/或导电性测量探针。

导电性和电容性测量原理是从现有技术中充分获知的。在导电性测量原理的情况下，例如，监测经由导电性介质在探针电极与导电性容器的壁或第二电极之间是否存在电接触。在电容性测量原理的情况下，相反，查明由探针电极和容器的壁或第二电极形成的电容器的电容。

从现有技术中获知的也是多传感器，这些多传感器能够执行导电性测量和电容性测量，诸如例如在DE102011004807A1、DE102013102055A1、DE102014107927A1或DE102013104781A1中描述的。

进一步有利的是，测量探针包括保护电极。保护电极的使用，例如用于防止传感器单元的区域中的堆积物对测量的干扰影响并且例如在DE 32 12 434 C2中被详细地描述。在这方面进行扩展，在DE 10 2006 047 780 A1中描述的是一种具有放大单元和限制元件的测量探针，该测量探针在大测量范围对于堆积物的形成不敏感。附加地，DE 10 2008 043 412 A1描述了一种具有存储器单元的填充水平测量装置作为主题，在该存储器单元中存储了各种介质的极限值。

该装置的另一优选实施例包括，传感器单元包括用于确定和/或监测压力的单元和/或用于确定和/或监测介质的温度的单元。由于在单个传感器中实现附加测量原理，能够更进一步扩大和提高传感器的应用范围以及测量准确性。

此外，本发明的目的由一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的方法来实现，其中

-传感器单元借助于激励信号被激励，使得机械振荡被执行，

-机械振荡由传感器单元接收并被转换成第一接收信号，

-传感器单元传输发送信号并且接收第二接收信号，以及，

-基于第一接收信号和/或第二接收信号，查明至少一个过程变量，并且基于第三接收信号，查明介质的电导率和/或电容。

该方法尤其可用于根据上述实施例之一的装置。一方面，一个选项是传感器单元借助于激励信号并且借助于发送信号同时进行操作，其中，激励信号和发送信号相互叠加。然而，另一方面，传感器单元能够在借助于激励信号操作与借助于发送信号操作之间进行交替。

激励信号例如是具有至少一个可预定频率的电信号，尤其是正弦或矩形电信号。优选地，机械可振荡单元至少有时被激励以执行谐振振荡。机械振荡受到可振荡单元周围的介质影响，使得基于表示振荡的接收信号，能够获得关于介质的不同性质的信息。

发送信号优选地是超声信号，尤其是脉冲超声信号，尤其是至少一个超声脉冲。因此，作为根据本发明的第二应用测量方法执行的是基于超声的测量方法。发送信号至少部分地通过介质并且其性质受到介质影响。相应地，基于第二接收信号，同样能够获得关于不同介质的信息。

利用本发明的方法，可以借助于不同的测量原理来查明多个不同的过程变量。不同的过程变量能够有利地被彼此独立地确定，使得能够借助于单个测量装置对过程进行综合分析。此外，因为相同的传感器单元被用于多种测量方法，所以能够显著地提高测量的准确性。另外，基于不同的测量原理，能够对装置执行状况监测。出于这种目的，本发明的方法的许多实施例是可能的，其中在下面给出一些优选变体。

优选实施例提供了至少两个不同的过程变量被查明，其中，基于第一接收信号来查明第一过程变量，并且其中，基于第二接收信号来查明第二过程变量。

另一优选实施例包括，至少一个过程变量是可预定填充水平、密度、粘度、声速或根据这些变量中的至少一个推导的变量。特别优选地，基于第一接收信号来确定介质的密度并且基于第二接收信号来确定介质内的声速。然而，应理解，除了这里显式地提到的过程变量之外，其他借助于两次执行的测量可访问的其他过程变量和/或参数能够同样被确定和考虑用于表征特定过程。

本发明的方法的实施例提供了基于声速来查明密度的参考值，其中，借助于从第一接收信号中查明的密度的值来比较参考值。优选地，基于从第二接收信号中查明的声速来查明溶解于可指定容器中的参考介质中的参考物质的浓度。根据该浓度，然后能够查明参考介质的密度的参考值。附加地，能够从第一接收信号中查明密度的测量值。能够将密度的两个值相互比较。具体地，能够基于从第二接收信号中查明的密度的参考值来调整从第一接收信号中查明的密度值。以这种方式，能够补偿所利用的容器的几何形状对密度的电子振动确定的不利影响。

另一优选实施例包括介质的电阻抗和/或介电常数被查明。能够基于第三接收信号来查明电阻抗和/或介电常数。用于这个的尤其是用于确定和/或监测介质的电导率和/或电容的电导率/电容检测单元。

本发明的方法的特别优选实施例提供了至少介质的电导率、介质的介电常数和/或用于确定和/或监测介质的电导率和/或电容的电导率/电容检测单元的覆盖程度作为时间的函数被记录，其中，基于作为时间的函数的电导率、介电常数和/或覆盖程度，公开(transpiring)在包含介质的容器中的至少一个过程被监测。该过程可以是例如混合过程或清洁过程。在这方面，对在本发明的上下文中对其进行综合参考的DE102017111393A1进行参考，尤其对其中描述的方法进行参考。

特别优选实施例包括，基于第一接收信号和第二接收信号和/或基于第一过程变量和第二过程变量来查明包含在介质中的第一物质的第一浓度以及包含在介质中的第二物质的第二浓度。在用于针对两种不同物质对介质进行这种分析的现有技术中，作为规则，通常需要两个单独的测量装置，它们提供了不同的被测变量。根据本发明，相反，能够借助于单个装置可靠地获得关于介质中的两种不同组分的信息。

该方法的优选应用涉及监测发酵过程。在发酵过程中，糖被转换成乙醇。为了能够确保质量监测，有必要确定糖的浓度以及乙醇的浓度这两者。根据本发明这样是可能的。

最后，该方法的有利实施例包括，基于第一接收信号和第二接收信号和/或基于第一过程变量和第二过程变量，查明堆积物是否已形成在传感器单元上和/或传感器单元的漂移和/或老化是否存在。两个接收信号通常根据探针单元上的堆积物、传感器单元的区域中的漂移或老化而彼此不同地表现。例如，能够相应地基于将两个接收信号和/或过程变量作为时间的函数来考虑以检测堆积物、漂移或老化的存在。

有利地，第一接收信号和第二接收信号、第一过程变量和第二过程变量和/或作为时间的函数的第一接收信号和第二接收信号和/或第一过程变量和第二过程变量被相互比较。根据比较，然后能够指示传感器单元的堆积物、漂移或老化的存在。由于至少两个接收信号或过程变量是可访问的，所以能够实现关于有关堆积物、漂移或老化的信息的高准确性。由于根据本发明用单个传感器单元实现了两个不同的测量，所以能够可靠地检测传感器单元的堆积物或漂移或老化的存在。

该方法的另一优选实施例包括，基于介质的电导率、电容、电阻抗和/或介电常数，基于根据这些变量中的至少一个推导的至少一个变量或者基于作为时间的函数的这些变量中的至少一个，查明了堆积物是否已形成在传感器单元上和/或传感器单元的漂移和/或老化是否存在。

在这种情况下，有利地，基于第一接收信号和第二接收信号和/或基于第一过程变量和第二过程变量查明的第一信息，以及基于介质的电导率、电容、电阻抗和/或介电常数、基于根据这些变量中的至少一个推导的至少一个变量和/或基于作为时间的函数的这些变量中的至少一个查明的第二信息，关于传感器单元上的堆积物和/或传感器单元的漂移和/或老化被相互比较。以这种方式，能够冗余地确定关于传感器单元的堆积物、漂移和/或老化的信息，并且在给定情况下，执行似真性检查。

因此，有利地，基于该比较，执行对传感器单元的至少一个组件的状况监测。

在附加的优选实施例中，在确定和/或监测至少一个过程变量的情况下或者在确定根据至少一个过程变量和/或至少一个接收信号推导的变量的情况下，传感器单元的堆积物、漂移和/或老化至少对第一接收信号和/或第二接收信号的影响被降低或补偿。因此，能够在确定和/或监测特定过程变量的情况下考虑到传感器单元的堆积物、漂移和/或老化的影响，使得能够在不受到堆积物、漂移和/或老化的存在影响的情况下确定过程变量。例如，为了降低或补偿影响，能够供应合适的尤其是过程相关的算法，基于该算法未被传感器单元的堆积物、漂移和/或老化的影响毁坏的特定过程变量的值是可查明的。因此，能够实现改进的测量准确性以及提供用于预测维护的方法。

在另一优选实施例中，查明传感器单元上的堆积物的厚度和/或电导率。能够例如基于所查明的电导率以及探针电极和保护电极的测量信号的比率来查明堆积物的厚度和/或电导率。

此外，应当注意，结合本发明的装置描述的实施例也可以比照适用于本发明的方法，反之亦然。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，其附图示出如下：

图1是根据现有技术的电子振动传感器的示意图，

图2是本领域现有技术中已知的传感器单元并适合于执行本发明的方法的实施例，以及

图3是本发明装置的实施例。

在附图中，相同的元件被提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了具有传感器单元2的电子振动传感器1。该传感器具有形式为振荡叉的机械可振荡单元4，该振荡叉被部分地浸入位于容器3中的介质M中。可振荡单元4借助于激励器/接收单元5被激励，使得可振荡单元4执行机械振荡，并且可以是例如压电堆栈或双压电晶片驱动器。其他电子振动传感器使用例如电磁激励器/接收单元5。可以使用单个激励器/接收单元5，其既用于激励机械振荡而且又用于其检测。同样，一个选项是实现单独的驱动单元和单独的接收单元。此外，图1示出了电子单元6，借助于该电子单元发生信号配准、评价和/或馈送。

作为示例，在图2中示出了不同的传感器单元2，它们适合于执行本发明的方法。图2a所示的机械可振荡单元4包括应用在基座8上的两个振荡元件9a、9b，它们也被称为叉齿。可选地，此外，在每种情况下，能够在两个振荡元件9a、9b的端部处形成桨状物(未示出)。在每种情况下，在两个振荡元件9a、9b中的每一个中设有尤其是袋状中空空间10a、10b，其中在每种情况下，布置了激励器/接收单元5的至少一个压电元件11a、11b。优选地，压电元件11a和11b被铸造在中空空间10a和10b内。在这种情况下，中空空间10a、10b能够被创建为使得两个压电元件11a、11b完全地或部分地位于两个振荡元件9a、9b的区域中。在DE102012100728A1中详细地描述了这样的布置以及类似的布置。

传感器单元2的实施例的另一示例被示出在图2b中。机械可振荡单元4在这种情况下包括两个平行的棒状振荡元件9a、9b，它们被安装在盘形元件12上并且能够被彼此分开地激励以执行机械振荡，而且在这种情况下振动同样能够被彼此分开地接收和评价。在每种情况下，两个振荡元件9a和9b具有中空空间10a和10b，其中在每种情况下，至少一个压电元件11a、11b被布置在朝向盘形元件12的区域中。关于图2b的实施例，对截至本申请的最早提交日未公布的DE102017130527A1进行参考。

如图2b示意性地所示，根据本发明，传感器单元2一方面被供应有激励信号A，这种方式下可振荡单元4被激励为使得机械振荡被执行。在这种情况下，借助于两个压电元件11a和11b产生振荡。能够向两个压电元件供应相同的激励信号A，或者能够向第一振荡元件11a供应第一激励信号A1并且能够向第二振荡元件11b供应第二激励信号A2。同样，一个选项是基于机械振荡接收第一接收信号EA，或者是单独的接收信号EA1、EA2由振荡元件9a、9b接收。

此外，从第一压电元件11a传输的是发送信号S，其由第二压电元件11b以第二接收信号ES的形式接收。由于两个压电元件11a和11b被至少布置在振荡元件9a和9b的区域中，所以发送信号S在传感器单元2与介质M接触时通过介质M并且相应地受到介质M的性质影响。优选地，发送信号S尤其是脉冲超声信号，其具体地具有至少一个超声脉冲。同样地，然而另外一个选项是来自第一压电元件11a的发送信号S在第一振荡元件9a的区域中被传输并且在第二振荡元件9b上被反射。在这种情况下，第二接收信号ES由第一压电元件11a接收。在这种情况下，发送信号S两次通过介质M，这导致发送信号S的行进时间τ加倍。

除了本发明的装置1的这两个图示的实施例之外，同样落在本发明的范围内的许多其他变型也是可能的。例如，在图2a和图2b的实施例中可以使用仅一个压电元件11a、11b并且将其至少布置在两个振荡元件9a、9b之一中。在这种情况下，压电元件11a用于产生激励信号和发送信号S，以及用于接收第一接收信号E1和第二接收信号E2。在这种情况下，发送信号在缺少压电元件11b的第二振荡元件9b上被反射。

图2c通过示例示出了另一实施例。在这种情况下，在膜片12的区域中提供了第三压电元件11c。第三压电元件11c用来产生激励信号A并且用于接收第一接收信号E1，然而第一压电元件11a和第二压电元件11b用来产生发送信号S并用来接收第二接收信号E2。可替换地，例如可以用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来产生激励信号A和发送信号S以及接收第二接收信号E2，其中，第三压电元件11c用于接收第一接收信号E1。同样地，可以用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来产生发送信号S并且用第三压电元件11c产生激励信号A，以及用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b来接收第一接收信号E1和/或第二接收信号E2。同样在图2c的情况下，在其他实施例中可以省略第一压电元件11a或第二压电元件11b。

装置1的另一实施例被示出在图2d中。此装置基于图2b的实施例并且包括第三振荡元件9c和第四振荡元件9d。然而，这些振荡元件不用于产生振荡。相反，第三压电元件11c和第四压电元件11d分别被布置在附加元件9c、9d中。在这种情况下，借助于前两个压电元件11a、11b执行电子振动测量并且借助于其他两个压电元件11c、11d执行超声测量。同样在这种情况下，对于每种测量原理，能够省略压电元件之一，例如11b和11d。然而，出于对称的原因，使用两个附加振荡元件9c、9d总是有利的。

第一接收信号EA和第二接收信号ES由不同的测量方法产生并且能够关于至少一个过程变量P被彼此独立地评价。在这方面，对截至本申请的最早提交日未公布并且在本发明的上下文中对其进行综合参考的德国专利申请No.102018127526.9进行参考。

此外，根据本发明，能够确定和/或监测介质的电导率σ和/或电容C。为此，本发明的装置具有用于确定和/或监测电导率σ和/或电容C的电导率/电容检测单元13，该电导率/电容检测单元具有电容性和/或导电性测量探针14，诸如图3所示。图3示出了类似于图2a的实施例的传感器单元2。布置在以振荡叉的形式实现的可振荡单元4的两个振荡元件9a和9b之间的是电导率/电容检测单元13，其用于确定和/或监测介质M的电导率σ和/或电容器C并且具有电容地且导电地工作的测量探针14，该测量探针具有传感器电极15和同轴地围绕传感器电极15的保护电极16。在每种情况下布置在两个电极15和16之间并且在测量探针14与机械可振荡单元4之间的是绝缘层17。

附图标记列表

1 电子振动传感器

2 传感器单元

3 容器

4 可振荡单元

5 激励器/接收单元

6 电子单元

8 基座

9a,9b 振荡元件

10a,10b 中空空间

11a,11b 压电元件

12 盘形元件

13 用于确定和/或监测电导率或者电容的电导率/电容检测单元

14 电容和/或电导率测量探针

15 传感器电极

16 保护电极

17 绝缘层

M 介质

P 过程变量

σ 电导率

C 电容

A 激励信号

S 发送信号

EA 第一接收信号

ES 第二接收信号

EL/C 第三接收信号

ΔΦ 预定的相移