CN1280639C - 压电传感器的诊断 - Google Patents

Abstract

一种用于测试压电传感器(10)的诊断设备包括配置用于以两个或更多个不同的频率向所述压电传感器(10)施加AC信号的AC源(32)。可以测量(48)所述压电传感器(10)的响应，并用于诊断(52)。

Description

压电传感器的诊断

技术领域

本发明涉及用于对运动或振动进行传感的类型的压电传感器。更具体地，本发明涉及这种压电传感器的诊断。

背景技术

在许多应用中，压电传感器用于传感运动或振动。压电传感器包括典型地与产生机械运动的物体机械连接的压电晶体。这产生了对晶体的机械输入，该机械输入导致了在晶体两端产生的电信号。通过测量此电信号，能够进行与施加到晶体上的机械输入相关的确定。

对压电传感器的一种应用在于涡旋流量计。涡旋流量计能够通过监控当液体流过非流线型旋涡发生体时由非流线型旋涡发生体所产生的振动来测量气体或液体(称为“过程流体”)的流量。该压电传感器与非流线型旋涡发生体进行机械连接，并且产生与非流线型旋涡发生体中振动的幅度和频率有关的电输出。该电输出可以与气体或液体流过非流线型旋涡发生体的速率相关。这种涡旋流量计用在其中想要监控过程流体的流速的工业过程中。

压电传感器的故障或老化可能会引起由传感器获得的测量的不精确。如果仍然使用完全或部分故障的传感器，由该传感器产生的测量将是错误的。为了确保传感器还没有出现故障，需要周期性地测试该传感器。即使在清楚测量是错误的情况下，仍然需要对传感器和测量电子器件进行测试，以确定错误的根源。这种测试典型地需要将压电传感器带到实验室或者放置在某类测试固定设备中。这将是费时的。在其中涡旋流量计位于远程位置的工业过程环境中，测试需要暂时关闭该过程，而且测试程序可能是非常麻烦的。

发明内容

根据本发明，提出了一种用于测试压电传感器的诊断设备，所述压电传感器具有包括电压源、漏电阻和传感器电容的等效电路，所述诊断设备包括：AC源，以及与所述压电传感器相连的测量电路，用于测量所述传感器对所施加的AC信号的响应，并作为响应，提供所述压电传感器的测量输出电容；其特征在于：所述AC源用于以至少两个不同的频率向所述压电传感器施加AC信号；以及诊断电路进行操作，以便提供作为测量输出的函数的诊断输出，其中所述测量输出与漏电阻和传感器电容的状态相关。

附图说明

图1示出了压电传感器的等效电路。

图2是示出了用在压电传感器的测试中的测试电路的简化示意图。

图3是其中测试电容为220pf的图2所示的电路的电压比对频率的曲线图。

图4是其中测试电容为220pf的图2所示的电路的计算电容对实际电容的曲线图。

图5是其中测试电容为220pf的图2所示的电路的计算电阻对实际电阻的曲线图。

图6是其中测试电容为100pf的图2所示的电路的电压比对频率的曲线图。

图7是其中测试电容为100pf的图2所示的电路的计算电容对实际电容的曲线图。

图8是其中测试电容为100pf的图2所示的电路的计算电阻对实际电阻的曲线图。

图9是示出了包括压电传感器和依照本发明的诊断电路在内的涡旋流量计的简化示意图。

具体实施方式

图1是压电传感器10的等效电路的简化示意图。可以将传感器10建模为与串联电容C_S 14相连的电压源E_S 12，然后与漏电阻R_L 16并联。传感器提供传感器输出18。

本发明通过测量传感器的电容C_S和/或电阻R_L提供了与传感器10的操作有关的诊断信息。典型地，处于良好工作状态的传感器具有非常高的漏电阻RL和处于正常操作参数内的串联电容C_S。在一个方面中，本发明向传感器10施加AC信号，以便测量C_S和/或R_L的值。

图2依照本发明的一个示例实施例，示出了用在测试压电传感器10中的简化测试电路30。在图2中，并未示出传感器10的等效电路的信号源12部分。电路30包括信号发生器32，配置用于向压电传感器10施加AC测试信号。此信号可以是具有从任何适当的源产生的时变成分的任何信号。将信号发生器32的输出电阻建模为电阻R₀34。将测试电容C_t36串联在源32与压电传感器10之间。源32和传感器10与“电接地”40相连。将用于连接压电传感器10的电缆建模为电缆电容C_C42和电缆漏电阻R_C 44。从压电传感器10的两端取出响应信号输出46并施加到测量电路48。电路48可以包括隔离放大、预处理、补偿、数字化和其他类型的电路。在一些实施例中，测量电路48可以包括到诊断电路52的直接连接。诊断电路52接收来自电路48的测量输出信号50，并响应地提供与传感器10的状况有关的诊断输出54。电路52可以包括简单的阈值比较电路或者包括信号处理电路的更为复杂的电路。

在操作中，电路30可以通过利用源32施加AC信号并监控响应信号输出46来提供与传感器10的操作有关的诊断信息。例如，如果以两个不同的频率施加来自源32的信号，则可以计算R_L和C_S的值。如果传感器10的电容太小，它将表现为开路。应当注意的是，如果在电缆和传感器10之间发生开路，任何敷设电缆的电缆电容C_C可能会使该测量不清楚。但是，如果在电子器件(在图2中未示出)与用于连接传感器10的敷设电缆之间出现开路，则可以检测到开路。针对短路，漏电阻RL表现为零，而且如果不存在短路，将表现为实际传感器漏电阻。应当注意的是，测量的电阻受到敷设电缆漏电阻RC的影响。

利用数学关系，可以确定漏电阻R_L和传感器电容C_S的实际值。但是，通过监控输出46，而无需求解以下的数学公式，可以简单地对传感器10进行诊断。在以下的等式中，忽略了信号发生器32的输出电阻R₀。如果R₀足够小，这不会引起任何重大的误差。以下的曲线图描述了只对于C_S的非常低的漏电阻以及对于R₁和R_C的非常高的漏电阻才引入了这种误差。

C_S可以利用等式1确定，而1/R_L可以利用等式2确定，如下：

$c_S=c_t\left[\sqrt{\frac{1-{{\mathrm{\ω}}_2}^2/{{\mathrm{\ω}}_1}^2\·{{\mathrm{er}}_1}^2/{{\mathrm{er}}_2}^2}{1-{{\mathrm{\ω}}_2}^2/{{\mathrm{\ω}}_1}^2}[1/{\mathrm{er}}_1]-1}\right]$

                    等式1

$1/R_L={\mathrm{\ω}}_2$ $\·\mathrm{Ct}/$ ${\mathrm{er}}_1\sqrt{\frac{{{\mathrm{er}}_1}^2/{{\mathrm{er}}_2}^2-1}{1-{{\mathrm{\ω}}_2}^2/{{\mathrm{\ω}}_1}^2}}$

                    等式2

其中ω₁和ω₂是来自信号发生器32的两个不同信号的频率，而er₁和er₂是在相应的两个测试频率上，输出46处的输出电压与信号发生器32两端的输入电压的比。

图3是示出了在C_t为220pf的情况下，针对C_S和R_L的各个值，输出与输入的比(er)对频率的曲线图。图4和图5是在两个测试频率为100和1000Hz的情况下，分别示出了计算电容和计算电阻对R_L的各个值的实际电容的曲线图。图6、7和8是分别类似于图3、4和5的曲线图，除了使用100pf的测试电容以外。从这些图中可以看到，当使用较低的测试电容值时，测试值的误差略微减小。

在图3～8所示的曲线图中，包括了信号发生器输出电阻R₀(例如，具有13800欧姆的最大值)。对于一些类型的信号发生器，此电阻是根据输出电压电平可变的。当此电阻为零时，上述等式是精确的。

图9是示出了在过程控制或监控系统中所使用类型的涡旋流量计70的简化方框图。涡旋流量计70包括与非流线型旋涡发生体72机械连接的压电传感器10。将非流线型旋涡发生体72放置在导管或管道74中。通过非流线型旋涡发生体72的过程流体的流量76(Q)引起了在非流线型旋涡发生体72附近形成了涡流78。这导致了非流线型旋涡发生体72的振动，该振动被传送到压电传感器10。如上所述，传感器10作为响应，创建电信号。由通过开关82与传感器10相连的差分放大器80对此信号进行放大。由模数转换器82对来自差分放大器80的输出进行数字化，并提供给微处理器84。利用已知的等式，微处理器84可以根据数字化的信号计算流速。微处理器84通过输入/输出电路88对如双线控制回路86的过程控制回路进行通信。在一些实施例中，输入/输出电路88可以包括用于通过回路86接收到的能量为涡旋流量计70的所有电子器件供电的电源电路。回路86携带与所计算的流量相关的信息，例如，依照与所测量的流量或数字信号的预定关系变化的电流I。

依照本发明，涡旋流量计70包括用于对传感器10进行测试和诊断的电路30。在图9的示例中，测量电路48由差分放大器90和模数转换器82形成。微处理器84是诊断电路的示例移植。在操作中，微处理器84对开关82进行操作，以实现流速测量。为了进行诊断，微处理器84断开开关82而闭合开关92。然后，配置差分放大器90，以便对源32进行响应，感知由传感器10所产生的响应信号。在一些实施例中，源32可以是来自如用在模数转换器中的电路等其他电路的AC信号源。由模数转换器82对放大后的信号进行数字化，并提供给微处理器84。

微处理器84可以分析来自模数转换器82的测量输出信号。例如，可以将当源32处于两个或更多个不同频率时所获得的响应信号46的幅度与阈值进行比较。为了提供更为精确的诊断测量，还需要测量来自源32的AC信号。此外，可以进行更为复杂的分析，以获得与传感器10有关的更为详细的信息，具体地，与传感器10中的R_L和C_S的值相关的信息。一旦诊断操作结束，微处理器84就断开开关92而闭合开关82，从而使流量计70可以返回正常操作。

根据诊断的结果，微处理器84可以在回路86上或者通过其他装置对信息进行通信，而且可以通知操作员传感器10正处于出现故障的过程中或者已经出现故障。根据传感器10老化的严重程度，在一些情况下，可能需要微处理器84根据诊断结果来补偿流量测量。例如，如果传感器10按照可预知的方式出现了故障，可以使用补偿曲线来补偿传感器输出或流量计算中的误差。

微处理器84可以根据如在预先安排的停机时间内或恒定的流量周期等预定的条件，周期性地启动诊断。微处理器84也可以通过输入/输出电路88接收执行诊断的命令。可以通过用于与本地设备或维修人员进行通信的输入/输出电路(未示出)来提供通信。

尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将意识到的是，在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行修改。可以使用任何适当的AC信号或用于施加AC信号的技术。类似地，可以使用任何适当的技术来感知和处理响应信号。可以通过包括阈值和频率检测技术的任何适当的技术或者通过更为先进的信号处理技术来进行诊断。可以按照模拟或数字形式或者它们的组合来实现多种电路组件。例如，所述诊断电路可以是模拟阈值比较电路。

Claims (20)

1、一种用于测试压电传感器(10)的诊断设备，所述压电传感器(10)具有包括电压源(12)、漏电阻(16)和传感器电容(14)的等效电路，所述诊断设备包括：

AC源(32)，以及

与所述压电传感器(10)相连的测量电路(48)，用于测量所述传感器(10)对所施加的AC信号的响应(46)，并作为响应，提供所述压电传感器(10)的测量输出(50)电容；

其特征在于：

所述AC源(32)用于以至少两个不同的频率向所述压电传感器(10)施加AC信号；以及

诊断电路(52，84)进行操作，以便提供作为测量输出(50)的函数的诊断输出(54)，其中所述测量输出(50)与漏电阻(16)和传感器电容(14)的状态相关。

2、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于AC源(32)进行操作，从而仅以两个频率来施加所述AC信号。

3、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于包括与所述AC源(32)和所述压电传感器相连的测试电容(36)。

4、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于包括用于将所述诊断电路(52，84)有选择地连接到所述压电传感器(10)的开关(92)。

5、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于所述测量电路(48)包括放大器(90)，用于放大所述传感器(10)的响应。

6、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于所述测量电路(48)包括模数转换器(82)，用于对所述传感器(10)的响应进行数字化。

7、按照权利要求6所述的诊断设备，其特征在于所述诊断电路(52，84)包括与所述模数转换器(82)相连的微处理器(84)。

8、按照权利要求7所述的诊断设备，其特征在于所述微处理器(84)进行操作，以便提供作为数字化的响应信号与阈值的比较的函数的诊断输出(54)。

9、按照权利要求7所述的诊断设备，其特征在于所述微处理器(84)进行操作，以便提供作为对数字化的输出进行的数字信号处理的结果的诊断输出(54)。

10、按照权利要求1所述的诊断设备，其特征在于所述诊断电路(52，84)包括阈值比较电路。

11、一种涡旋流量计，具有与非流线型旋涡发生体(72)相连的压电传感器(10)，并包括按照权利要求1所述的诊断设备。

12、按照权利要求11所述的涡旋流量计，其特征在于包括与双线过程控制回路相连的输入/输出电路。

13、按照权利要求12所述的涡旋流量计，其特征在于所述涡旋流量计中的所有电路完全由从所述过程控制回路(86)接收到的能量来供电。

14、一种诊断压电传感器(10)的方法，所述压电传感器(10)具有包括电压源(12)、漏电阻(16)和传感器电容(14)的等效电路，所述方法包括：

以至少两个不同的频率向压电传感器(10)施加AC信号；

测量响应所施加的AC信号而产生的来自所述压电传感器(10)的响应信号(46)；以及

诊断作为所述测量输出的函数的所述压电传感器(10)的状况，其中所述测量输出与漏电阻(16)和传感器电容(14)的状态相关。

15、按照权利要求14所述的方法，其特征在于施加AC信号包括仅以两个频率来施加AC信号。

16、按照权利要求14所述的方法，其特征在于施加AC信号包括顺序地施加不同的频率。

17、按照权利要求14所述的方法，其特征在于测量响应信号(46)包括对所述响应信号(46)进行放大。

18、按照权利要求14所述的方法，其特征在于测量所述响应信号(46)包括对所述响应信号(46)进行数字化。

19、按照权利要求14所述的方法，其特征在于对状况进行诊断包括将所述响应信号(46)与阈值进行比较。

20、按照权利要求14所述的方法，其特征在于包括在施加所述AC信号之前，将所述压电传感器(10)从所述电路断开。

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