用于测量设备的信号发生器以及用于自动化技术的测量设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于产生用于测量设备的周期性信号的信号发生器以及应用了本发明的信号发生器的测量设备。优选地，信号发生器用于电容性测量设备中。然而，信号发生器还可应用在电子振动测量设备中。测量设备的优选应用领域是自动化技术。
【背景技术】
[0002]基于电容性测量原理的测量装置常用于液体介质中的料位或极限液位测量。除料位或极限液位之外，这样的测量装置还可用于确定和/或监视介质的电导率和/或电容率。为此，料位必须保持不变。此外，电容性测量装置可在与介质接触的测量设备组件上检测沉积形成。
[0003]电容性测量装置包括测量探头，其中测量探头通常具有杆状传感器电极，且在给定情况下，具有用于在电极上出现沉积形成的情况下改进测量的准确性的保护电极。从探测电极和容器壁或第二电极所形成的电容器的电容确定介质的料位，其中交流电压施加在探测电极上。取决于介质的电导率，介质和/或探头绝缘形成电容器的电介质。保护电极处于与探测电极相同的电位，且至少在截面上同轴地围绕探测电极。具有保护的探头描述在(例如)DE 3212434 C2中，而不具有保护的探头描述在W0 2006/034959 A2中。用于连续料位或极限液位确定的电容性探头由本申请人(例如)以商标LIQUICAP在不同实施例中且以不同探头长度生产和出售。
[0004]在电容性探头的情况下，面临以下两难境地:为了防止会干扰测量的谐振效应，有利地是，选择施加在测量探头上的交流电压的信号频率越小，探头越长。然而，较高信号频率具有优点在于，其对沉积形成的敏感性小于较低信号频率。
[0005]因此，为了在已知电容性测量装置的情况下提供与任何长度的探头兼容的电子单元，使用通常也被称为测量频率的信号频率，其中该频率似乎适用于所有探头长度。因此，尤其在较短探头的情况下的信号频率低于对于这些较短探头最佳的信号频率。
[0006]当介质具有处于取决于电容率(介质电导率)或独立于电容率的过渡区中的电导率时，产生另一问题。料位或极限液位在此过渡区中不能通过电容性测量装置来可靠地确定。因此，在这样的介质的情况下，电容性料位测量不适用。
[0007]从W0 2012/100 873 A1已知一种用于电容性地确定和/或监视容器中的介质的料位的设备。此设备提供上文相关问题的解决方案。已知电容器测量装置包括具有至少一个探测电极的探测单元和电子单元。电子单元至少向探测电极供应电传输信号。接着，电子单元从探测单元接收电响应信号且评估该电响应信号。尤其是，探测电极被接连供应测量信号，其中所述测量信号包括所界定的频率范围的顺序的离散信号频率。基于频率扫描，电子单元根据过程中的当前应用参数来确定最佳信号频率或测量频率。应用参数包括(例如)探头长度、探头上的可能沉积形成、介质的性质等。接着，电子单元从对具有最佳信号频率的测量信号的响应信号确定介质的料位、极限液位或其它物理参数。
[0008]市场上可购得的电容性测量装置从来都不具有频率扫描能力。已知“静态”测量装置用于产生由微控制器的计时器产生的基础信号，即，矩形信号。使用较高阶低通滤波器，矩形信号的谐波被强力衰减，以致于在低通滤波器的输出上显现正弦信号，其中正弦信号经由驱动器级而发送到测量探头。测量了响应信号的振幅和相位，且因此测量了流经测量探头的交流电流的振幅和相位。此已知变形通常是以在30kHz与5MHz之间的信号频率来操作。
[0009]此外，本申请人出售将石英振荡器用作正弦发生器的电容性测量装置。在此情况下，振荡电路的振荡频率通过石英的本征频率或其倍数来确定且保持稳定。在每千范围中，此频率可经由调谐电容器来改变；然而不可能在扩展的频率范围上改变振荡频率。
[0010]应用在本申请人的当前的测量装置中的另一变形是基于ASIC。为了评估传感器，可仅选择在有限频率范围中的少许不同频率，然而，所述频率在运行时间期间不可改变。
[0011]从W0 29010/0139 508 A1已知一种用于以可振荡单元确定或监视容器中的介质的预定料位、相界或密度的方法。通过频率扫描，可振荡单元被激励以在与一个接一个的离散激励器频率相连的可振荡单元的工作范围中的可预定频率范围内执行振荡，其中可振荡单元的对应振荡是以所接收的信号的形式接收。经由频率扫描，该激励器频率被确定，在其中可振荡单元以振荡频率振荡，该振荡频率在传输信号与所接收的信号之间具有预定相位移位，且其中传输/接收单元(S/E)以所确定的信号频率或振荡频率来激励可振荡单元以执行振荡，或其中下一频率扫描开始。可使用上述方法操作的电子振动传感器由本申请人以商标LIQUIPHANT和S0LIPHANT生产和出售。本发明的信号发生器可同样用于电子振动传感器中。
[0012]为了实施动态信号发生器，可使用开关电容滤波器(也称为SC滤波器)。在此情况下，从矩形信号滤出谐波以产生正弦信号，其中正弦信号的信号频率是经由时钟源来设置的:如果时控频率改变，那么滤波器的信号频率和转移函数改变。为了在不同信号频率下抑制混叠效应，在信号发生器的输出处的模拟低通滤波器的截止频率必须进一步改变。优选地，这使用数字电位计而发生。此已知信号发生器的优点在于，通过极少组件，可提供具有小谐波失真和可变频率的正弦信号。已知解决方案的缺点包括需要可变时钟信号产生器。操作SC滤波器需要时控频率，其中时控频率远高于信号频率。对应解决方案需要相对多的能量。因数在50到100的范围中(例如比较1986年4月的IEEE的Sandler, Η.Μ.、Sedra, A.S.的使用高阶低通开关电容滤波器的正弦波发生(Sine wave generat1n usinga high-order lowpass switched-capacitor filter))。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提供具有成本效益的动态信号发生器以及自动化技术的测量装置，在自动化技术的测量装置中，应用了具有成本效益的动态信号发生器。
[0014]该目的关于信号发生器通过一种用于产生周期性信号的信号发生器来实现，其中所述信号具有处于预定频率范围内的顺序的离散信号频率，该信号发生器包括:
[0015]控制和/或计算单元，
[0016]时钟信号产生器，其中该时钟信号产生器提供恒定的采样频率，该恒定的采样频率大于该预定频率范围中的最大离散信号频率，
[0017]存储器单元，其中对于所述离散信号频率中的每一个，对应周期性信号的振幅值根据该采样频率加以存储或根据该采样频率可存储，
[0018]其中该控制和/或计算单元相继地以该时钟的采样频率从所述存储器单元读出所存储的或可存储的离散信号频率的振幅值，且产生周期性信号(内部DAC)或转发以用于产生周期性信号(外部DAC)，以及
[0019]静态滤波器单元，具有截止频率，该截止频率高于最大信号频率且去除因采样而导致的频率分量。
[0020]原则上，所述周期性信号可为正弦信号或三角或矩形信号。在电容性测量装置的情况下，通常使用正弦信号。该时钟信号产生器可作为独立单元或控制和/或计算单元的一部分。该控制和/或计算单元可为(例如)微处理器、微控制器、DSP和/或优选FPGA。同样，可应用CPLD或ASIC。
[0021]该目的关于用于电容性地确定和/或监视容器中的介质的料位或极限液位或另一物理参数的测量装置通过一种电容性测量装置来实现。
[0022]该电容性测量装置包括具有至少一个探测电极的探测单元以及电子单元，该电子单元向所述至少一个探测电极供应电测量信号且从该探测单元接收电响应信号且评估该电响应信号，
[0023]其中该电子单元至少有时向所述至少一个探测电极供应测量信号，该测量信号具有处于预定频率范围内的许多顺序的离散信号频率，其中所述离散信号频率是由与该电子单元相关联的信号发生器产生。此信号发生器对应于上文所述的信号发生器或其在下文将描述的变形。该电子单元基于所述顺序的离散信号频率而确定对于当前应用参数最佳的信号频率，且基于属于最佳信号频率的响应信号而确定容器中的介质的料位或极限液位或另一物理过程变量。
[0024]关于用于以可振荡单元确定或监视容器中的介质的预定料位、相界或密度的电子振动传感器的目的的另一解决方案如下所述:该可振荡单元被置于预定料位的高度处以监视此极限液位；在其它所提及的情况下，该可振荡单元进入(例如，连续地或有时)到该介质中。该可振荡单元通过控制单元经由在该可振荡单元的工作范围中的可预定频率范围内的频率扫描，相继以顺序的离散信号频率或激励器频率被激励以执行振荡，其中该可振荡单元的对应振荡是以所接收的信号的形式接收。经由频率扫描，该信号频率或激励器频率被确定，在此情况下，该可振荡单元以振荡频率振荡，该振荡频率在传输信号与所接收的信号之间具有预定相位移位。接着，该传输/接收单元以所确定的振荡频率来驱动该可振荡