振动音叉液位开关的改进或与其有关的改进
阅读说明：本技术 振动音叉液位开关的改进或与其有关的改进 (Improvements in or relating to vibrating tuning fork level switches ) 是由 张敬东 塔德沃斯·策加泽亚布 安德鲁·大卫·麦克赖尔 于 2020-02-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供了用于检查自振荡振动音叉液位开关的状态的方法以及设备。该开关包括测试设备,该测试设备在开关从闭合回路反馈操作模式进入断开回路测试模式时进行操作。接收到的测试信号的幅度与预定阈值进行比较,以确定开关的健康状况。(The invention provides a method and a device for checking the state of a self-oscillating vibrating tuning fork level switch. The switch includes a test device that operates when the switch enters an open loop test mode from a closed loop feedback mode of operation. The amplitude of the received test signal is compared to a predetermined threshold to determine the health of the switch.)
技术领域
本发明涉及振动音叉液位开关，并且特别地，涉及检查处于原位的振动音叉液位开关的状态的方法；以及涉及振动液位音叉，其被配置成实施这样的方法。
背景技术
振动音叉液位开关通常用于检测罐中液体的表面何时处于特定液位，该特定液位是音叉在罐中所处的高度。通常，音叉液位开关被配置成通过电子电路中的正反馈回路进行自振荡，其中，仔细调谐发送元件与接收元件之间的相位延迟来确保正反馈信号同相。
在操作中，在“常干”应用中，当音叉处于空气中(“干”)时，振动频率将处于一个水平，但当罐中的液体上升到与音叉接触(“湿”)时，振动频率将下降。在“常湿”应用中，适用相反的情况，并且频率将随着液体降至音叉的液位以下而升高。
尽管构造相对简单，但是振动音叉液位开关用于如果开关不能按预期地操作则会出现经济和个人损失的情况。因此，特别是在安全关键应用中，需要不时地检查开关功能。
过去检查开关通常涉及：关闭使用开关的过程；移除开关；测试开关；重新安装开关；以及重启过程。测试过程涉及使音叉与液体或其他阻尼元件接触以模拟开关的湿或干条件。这样的程序必然涉及服务操作人员在现场，但是也可能涉及密封件的破坏和使服务操作人员暴露于令人不快和/或危险的材料。
EP 1580539提出了一种用于测试振动音叉的方法，该振动音叉具有反馈电路，该反馈电路被配置成使音叉以其谐振频率振荡。所描述的方法提出改变保持自振荡的电路内的一个或更多个激励参数，并且然后将所得到的变化与包括对应无故障系统的数据的数据集进行比较。激励参数在微处理器的控制下反映在信号处理块中。根据描述，微处理器改变这些处理块中的一个处理块的操作以创建测试，但是不理解的是，实际上如何实现这样的方法，因为反馈电路被仔细地平衡并且干扰电路的参数将阻止其操作。
EP 1624291提出了替选方案，在该替选方案中，以超过谐振频率范围的频率驱动音叉，并且然后分析所得到的幅度信号。该设备需要附加的驱动电路，并且不能诊断现有电路的功能中的故障。
US 2006/0267784描述了一种音叉液位开关，其将测试功能在操作微处理器中实施。当音叉为“干”时，功能测试单元在功能测试期间减小输入放大器的放大，以生成测试测量信号，如果音叉是湿的，则会产生所述测试测量信号。然后，评估单元在无误差条件下将测试测量信号评估为“湿”信号。
本发明的目的是提供用于检查开关功能的方法和/或设备，该方法和/或设备将至少在某种程度上解决上述问题和现有技术中的缺点；或者该方法和/或设备将至少提供新颖且有用的选择。
发明内容
因此，在一个方面，本发明提供一种测试振动音叉液位开关的功能的方法，该振动音叉液位开关被配置成借助于闭合反馈回路在正常工作模式下自振荡，所述方法包括：中断所述正常工作模式；利用由集成到所述开关中的测试设备生成的测试信号、以断开回路脉冲模式驱动所述开关；以及将在一组时间接收到的测试信号的幅度与在对应时间的预定幅度阈值进行比较。
优选地，接收到的测试信号经受包络检测。
优选地，所述测试信号是以与在中断正常工作模式之前的正常模式工作中观察到的频率有关的频率生成的。
优选地，所述开关包括整体式微控制器，所述方法包括：使用所述微控制器生成所述测试信号。
优选地，所述方法包括：生成离散数目周期的测试驱动信号。
优选地，所述方法还包括：对所述微控制器进行编程，以在生成所述测试信号之前中断所述正常工作模式。
替选地，通过手动干预来实现中断所述正常工作模式的动作。
优选地，从远程位置实现所述手动干预。
优选地，所述方法还包括：提供所述开关的状态的视觉指示。
优选地，所述方法包括：提供对故障的存在及故障的性质的指示。
在第二方面，本发明提供了一种振动音叉液位开关，该振动音叉液位开关被配置成借助于闭合反馈回路在正常工作模式下自振荡，所述开关还包括测试设备，所述测试设备能够在所述正常工作模式中断时以断开回路脉冲模式操作，所述测试设备被配置成并且能够操作成：利用测试信号驱动所述开关，并且将在一组时间接收到的测试信号的幅度与在对应时间的预定幅度阈值进行比较。
优选地，所述振动音叉液位开关还包括包络检测设备，所述包络检测设备被配置成用于应用于所接收到的测试信号。
优选地，所述测试设备被配置成：以与在中断正常工作模式之前在正常模式工作中观察到的频率有关的频率生成测试信号。
优选地，所述振动音叉液位开关包括整体式微控制器，所述测试设备至少部分地集成在所述微控制器中。
优选地，所述微控制器被配置成或被编程为生成离散数目周期的测试信号。
优选地，所述微控制器被编程为在所述测试设备的操作之前中断所述正常工作模式。
替选地，所述振动音叉液位开关还包括控制器，所述控制器用于实现所述正常工作模式的中断以及启动所述测试设备的操作。
优选地，所述控制器能够通过手动控制干预或者通过过程控制干预来手动地或远程地操作。
优选地，所述测试设备还能够操作用于提供所述开关的状态的视觉指示。
优选地，所述振动音叉液位开关包括LED灯，所述LED灯被编程为指示故障的存在及故障的性质。
本领域技术人员将理解可以执行本发明的方式的许多变型。以下描述旨在仅作为执行本发明的一种手段的说明，并且缺少对变型或等同物的描述不应被视为限制。在所附权利要求的范围内，在可能的情况下，特定元素的描述应被视为包括其现在或将来存在的任何和所有等效物。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的一个优选的形式，在附图中：
图1：示出了用于执行根据本发明的故障检测的示意性硬件图；
图2：示出了在空气中操作的振动音叉液位开关的频率响应，其中驱动信号的频率处于音叉在空气中的谐振频率；
图3：示出了在水中操作的振动音叉液位开关的频率响应，其中驱动信号的频率处于音叉在水中的谐振频率；
图4：示出了以音叉的谐振频率在硅油中操作的振动音叉液位开关的频率响应；以及
图5：示出了如图4中操作但不处于谐振并且指示故障的存在的振动音叉液位开关的频率响应，幅度比例小于图4的幅度比例。
具体实施方式
参照附图，本发明提供了在不将开关从其正常操作位置移除或干扰的情况下检查振动音叉液位开关10的操作和/或状态的方法。本发明还提供液位开关，其配置有内部故障检查或测试设备，使得当开关处于原位时可以检查或测试开关的功能。如从下面的描述中将清楚的，测试程序和设备还可以包括故障寻找和诊断。
参照图1，常规地，液位开关10以自振荡模式工作，音叉12由压电驱动元件Tx 13驱动，并且所产生的音叉振动由压电感测元件Rx 14感测。以常规方式，在电子电路中的正反馈回路建立并且保持音叉12以谐振方式振动，电子电路包含适当的放大器和滤波器。Rx信号还被馈送至波形整形器15并且由此馈送至微控制器16，该微控制器将Rx频率与一个或更多个阈值进行比较，以确定是否已经存在与音叉12接触的介质的变化。
以其最广泛的形式，本发明涉及将测试设备集成到开关10中。这通过向微控制器16添加诸如另外的驱动器和接收放大器的附加硬件来方便地实现，该附加硬件使得能够中断开关的正常操作周期并且启动断开回路测试模式，在该断开回路测试模式中，生成测试信号以驱动现有发送元件13来使音叉振动。然后，由现有Rx传感器14拾取对测试信号的响应，并且优选地，通过将接收到的测试信号传送至包络检测器17来使该响应经受分析，在包络检测器17中，记录接收到的测试信号的幅度并且由微控制器16将接收到的测试信号的幅度与给定一组时间的预定阈值进行比较。实质上，这使得能够观察到测试信号的衰减速率。基于与已知数据的比较，接收信号衰减的模式可以被转化成对振动音叉传感器的健康状况的指示。然后可以通过视觉指示器例如LED灯18输出该指示。
为了使开关10的正常自振荡工作模式能够中断，并且在断开回路测试模式下驱动音叉12，便利地在反馈回路中包括门开关20，使得可以中断反馈并且将来自微控制器16的测试信号施加至发送元件13。在测试周期结束时，重新定位门开关以重新建立工作闭合反馈回路。可以在微控制器16的控制下操作门开关，或者门开关可以包括允许外部干预实现切换的附加控制。该附加控制可以允许对门开关20的手动操作和/或可以允许门开关经由有线或无线通信设备的远程操作。
便利地，测试信号为50个周期的方波，可以以多种不同方式设置测试信号的频率。
首先，可以根据测试周期即将开始之前开关所指示的内容，将测试频率设置成正常“干”或正常“湿”频率。其次，将在工作模式中断和测试周期开始之前观察到的频率用于测试信号。第三选择是在频率范围内施加测试周期，寻找音叉将谐振的点。显然，如果在该不同频率的扫描期间未观察到谐振，则可以得出开关不起作用的结论。
本领域的技术人员将理解，可以对微控制器16进行编程以实现上述选项中的任何一个或更多个。
在发送测试信号之后，所得到的响应或接收信号被传送至包络检测器17。此后，微控制器16通过模数转换器21以例如0.2ms、20ms、40ms、60ms和80ms的时间采样包络内的幅度。然后将每个时间点的幅度与预设的阈值进行比较，以确定开关是否以可接受的方式操作。如上所述，可以通过LED灯18提供开关的健康状况的视觉指示。又可以对LED灯18进行编程以指示不同形式的故障。
现在参照图2，在图的底部示出了测试发射脉冲，而在图的上面示出了在空气中的音叉的响应。要注意的是，测试脉冲终止时的信号衰减是相对渐进的，其指示开关处于良好状态。
图3示出了与图2类似的测试，但是其中音叉在水中。虽然接收信号或响应的幅度整体较低，但是由于水的阻尼效应，再次地，在所发射的测试脉冲终止之后的衰减是相对渐进的，其指示开关处于良好状态。
图4和图5是提供处于良好操作状态下的开关与故障开关之间的比较的模拟。图4示出了在相当粘稠(1086cp)的硅油中操作的开关的响应。如在这样粘度的流体中所预期的，即使开关可能处于良好状态，响应在测试信号终止时相当快速地衰减。图5是在相同状态下操作的有缺陷开关的模拟。在图5中，幅度(竖直)比例接近图4的两倍，因此即使当测试信号仍然在发射时，所描绘的接收信号的幅度也为图4的幅度的大约一半。假定发射信号或测试信号相同，则这是开关中存在故障的指示。
如上所述，本发明使得能够识别和指示故障，例如：
当干时，正确/错误的音叉状态
当湿时，正确/错误的音叉状态
开关内的断线
传感器驱动/接收组件中的脱离接合或接合衰减；
音叉尖损坏。
可以通过对微控制器16的适当编程来表征这些故障，并且通过对LED灯18的操作进行编程来单独指示这些故障，例如通过为不同故障分配不同的闪烁速率或不同的颜色。
因此，本发明不仅使得能够测试处于原位的振动音叉液位开关，而且可以通过使用这样的开关中的通信设备远程测试振动音叉液位开关，这在本领域中具有相当大的优点。