專利名稱：用于確定和/或監控至少一個過程變量的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于確定和/或監控介質的至少一個過程變量的裝置，其包括機械可振蕩單元，其在至少一個方向上執行機械振蕩并且固定在夾具上；激勵/接收單元，其激勵機械可振蕩單元機械振蕩并接收機械可振蕩單元的機械振蕩；和控制/分析單元，其控制機械可振蕩單元的機械振蕩并利用機械可振蕩單元的機械振蕩監控和/或確定過程變量。過程變量可以例如是料位，或者在介質是液體的情況中是密度或粘度。但是，其它過程變量也是可能的。
背景技術：
例如在本申請人的專利DE 39 31 453 C1中公開了這種裝置。利用這種測量裝置測量料位的原理是，機械可振蕩單元，例如振蕩叉的振蕩依賴于該單元是否被介質覆蓋。覆蓋例如降低振幅。相反，當振幅增加時，可以得到結論介質已經低于由傳感器尺寸和安裝位置確定的料位。同時，在覆蓋的情況中，也可以確定介質的密度和粘度。為此，例如除了幅度和頻率，還必須分析激勵信號和接收(響應)信號之間的相位。
機械可振蕩單元通常這樣構造，使得在測量裝置上的機械可振蕩單元的夾具(通常是薄膜)的區域中盡可能不發生反作用力和力矩。這通常可以在上述振蕩叉的情況中通過向兩根振蕩棒提供相等的慣性力矩和硬度而實現，特別是兩個叉齒都應當相同地且盡可能對稱地固定在薄膜上。如果兩個叉齒彼此相反振蕩，那么力和力矩精確抵消并且沒有反作用力和力矩作用于夾具，即薄膜上。以這種方式，還防止了振蕩能量通過夾具損耗。然而，在振蕩棒不垂直于夾具設置而是彼此略微傾斜時具有問題。于是，振蕩叉被近似分開或壓在一起。在這種情況中，軸向力平行于叉齒的對稱軸。由于這些力的方向相同，它們不會抵消，而是作用于夾具并因而耦合至環境，這個事實能夠導致能量損耗。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種測量裝置，機械可振蕩單元向該測量裝置上的夾具施加盡可能小的反作用力。
本發明通過以下特征實現該目的提供至少一個補償質量，其與機械可振蕩單元機械耦合并且以這樣的方式構造和/或固定，使得它至少執行一個方向上的機械振蕩；其中補償質量的振蕩方向基本垂直于機械可振蕩單元的振蕩方向。于是，本發明的思想是，在與機械可振蕩單元的振蕩方向垂直的方向上作用的反作用力被在這個方向上振蕩的補償質量抵消。補償質量相對于機械可振蕩單元的反相振蕩精確補償了有效的反作用力。于是，通過本發明補償了力，從而在經典考慮中的能量保持在系統中。這與通過消耗而將力例如轉換為熱從而使得系統能量損失的情況明顯不同。于是，如果在振蕩叉的兩個振蕩棒反相振蕩從而沒有產生徑向反作用力和力矩的情況中，則本發明通過令機械可振蕩單元和補償質量形成振蕩對而實現了這個補償，其中振蕩對的反相振蕩導致不產生軸向反作用力。
在一個實施例中，機械可振蕩單元以這種方式實現和/或固定，使得它執行基本垂直于其縱軸之一的機械振蕩，并且補償質量以這種方式實現和/或固定，使得它至少執行平行于機械可振蕩單元的縱軸的軸向振蕩。在這種情況中特殊的例子是，機械可振蕩單元執行橫向或彎曲振蕩。如果在這種情況中，振蕩棒或叉齒相對于它們的縱軸或對稱軸傾斜，那么附加的軸向力分量作用于薄膜，這些力分量通過補償質量的相應的反相振蕩而抵消。
在一個實施例中，補償質量以這樣的方式實現和/或固定，使得由機械可振蕩單元作用于夾具的反作用力被補償。于是，補償質量以及懸吊剛度必須與裝置的構造匹配，從而可以有最佳補償。
在一個實施例中，機械可振蕩單元固定在至少一個薄膜上。夾具在這個情況中是薄膜。通常，通過這樣的薄膜實現激勵機械可振蕩單元振蕩或者接收這些振蕩。薄膜本身是外殼的一部分，測量裝置例如通過外殼合適地固定至容器壁等。
在一個實施例中，激勵/接收單元固定至薄膜。優選地，激勵/接收單元安裝至薄膜的相對側，從而獲得機械可振蕩單元和激勵/接收單元之間的最佳振蕩傳遞。
在一個實施例中，提供至少一個外殼，機械可振蕩單元與外殼連接，并且補償質量與外殼連接。術語“連接”在這里還表示機械耦合。通常，測量裝置具有杯狀外殼，其在過程方向中由薄膜約束。機械可振蕩單元和激勵/接收單元位于薄膜上。通過這個外殼能夠實現傳遞用于補償質量的軸向振蕩能量。為此，以下實施例的彈簧元件是重要的。
一個實施例中，補償質量經由至少一個彈簧元件與機械可振蕩單元機械耦合。這種彈簧元件使得能夠完成能量/力傳遞，其中實現補償質量的實施例使得能夠考慮測量裝置的特殊需求。由于這種補償質量也位于裝置的外殼內部，所以它的特征在于僅存在非常小的空間。由于激勵/接收單元的存在，空間有限。另外，還可以根據需要罐裝至少部分裝置，從而也導致空間縮小。現在，通過合適的彈簧元件，在補償質量不能直接接觸例如外殼的情況中也可以傳遞能量。
一個實施例中，激勵/接收單元包括至少一個壓電元件。這種壓電元件或壓電換能器將交流電壓轉換為機械振蕩并反過來將機械振蕩轉換為交流電壓。于是，通過這些元件，可以容易地實現將機械振蕩轉變為可電分析的信號，反之亦然。
一個實施例中，激勵/接收單元基本上實現為圓柱形。在這種情況中，這通常涉及壓電元件的堆疊。這種堆疊在大多數情況中居于薄膜內側中心。
一個實施例中，補償質量包括至少一個圍繞激勵/接收單元的內部凹槽。于是，補償質量環繞激勵/接收單元并填充圍繞它的空間。對于這個實施例，上面提到的彈簧元件也是非常有用的。另外，通過這個實施例，解決了空間的短缺。
一個實施例中，機械可振蕩單元是振蕩叉，其具有彼此間隔的兩個振蕩棒。在這種振蕩叉的情況中，振蕩棒可以通過介質而這樣彎曲，使得對稱性提高并且軸向作用的反作用力出現在夾具上。于是，特別地在這種叉的情況中，本發明特別重要。
一個實施例中，過程變量是介質的料位、密度或粘度。這些過程變量已經在前面討論了。
現在根據附圖詳細解釋本發明，附圖中圖1是在振蕩叉的情況中作用于夾具的力和力矩；圖2a是具有補償質量的振蕩棒的示意圖；圖2b是振蕩棒和補償質量的物理模擬系統；圖3是本發明的補償質量的部分透視圖；圖4是本發明的補償質量的另一實施例；和圖5是本發明的補償質量的又一實施例。
具體實施例方式
圖1顯示了由機械可振蕩單元1施加于夾具3的力。在這種情況中，機械可振蕩單元1固定至薄膜4并且被激勵/接收單元5(見圖3)激勵進行機械(橫向或彎曲)振蕩。機械可振蕩單元1由兩個振蕩棒1.1構成，它們對稱地固定于薄膜4并且以相反的方向相對于縱軸或對稱軸2略微傾斜。于是，可振蕩單元1被擴寬。兩個棒1.1彼此反相振蕩。由此引起的慣性力Fr、Fl以及Fvr和Fvl在徑向上相對地而在軸向上相同地作用。
如果計算在徑向上的力之和，那么可以計算在薄膜平面中的反作用力Fx。剩余的反作用力為0-Fl+Fr＝Fx＝0。在軸向上，得到兩個加速分量之和，其作為由夾具3接收的反作用Fy＝Fvr+Fvl。
左側和右側的振蕩棒1.1的扭矩Ml和Mr彼此反相，從而Me＝0。
于是力平衡顯示了在夾具3中產生的反作用力Fx等于0，因為兩個力Fr和Fl之和等于0。然而，作為兩個軸向力Fvr和Fvl之和，夾具3中的軸向反作用力Fy不等于0，因為兩個力在相同方向上作用。反作用力Fy依賴于兩個振蕩棒1.1的角位置a。對于a＝0的情況，即，在兩個振蕩棒1.1垂直于薄膜4設置的情況中，反作用力Fy同樣等于0，因為單個的力分量為0。
對于理想解耦的振蕩系統，得到Fx＝Fy＝0并且Mx＝My＝0，從而沒有振蕩能量損耗。在這種情況中，這個分析假設振幅足夠小。
由于振蕩棒1.1相對彼此的角位置出于應用技術原因(擴寬例如有利于防止振蕩棒之間粘附材料)是重要的，所以必須或者接受在旋入件3上的過耦，或者借助于振蕩系統中的輔助手段將其補償。純耗散也將是可能的，但是這里不實現它。薄膜4中的純剛度變化對于這種振蕩系統的解耦沒有影響。
圖2a顯示了一半測量裝置。顯示的振蕩棒1.1，其固定至薄膜4。薄膜4是外殼15的一部分。外殼15中通過彈簧元件25安裝了補償質量20。振蕩棒1.1略微傾斜，從而棒1.1和相應的第二棒(這里沒有顯示)共同對于薄膜4施加軸向力。這個反作用力被補償質量20補償，該補償質量與機械可振蕩單元1在軸向上反相地振蕩并以這種方式吸收并補償薄膜4上的反作用力。
圖2b顯示了圖2a中給出的實施例的相應模型。這半個振蕩系統由以下質量構成m1(振蕩棒1.1)、m2(補償質量20)和mk(薄膜4或夾具3和外殼15的質量)，彈簧具有以下彈簧鍘度c1(用于振蕩棒1.1和薄膜4之間的振蕩耦合)和c2(用于通過彈簧元件25實現的在作為薄膜4的延伸的外殼15和補償質量20之間的耦合)。
附加容納在外殼15中的剛度c2的彈簧元件25以及質量m2的補償質量20的任務是，通過正確地匹配彈簧c1和質量m1，令質量mk(薄膜4)的移動uk(t)為零。基于這些考慮，需要相應的調整。
圖3顯示了圖2a中顯示的設置的具體實施例。這里顯示了激勵/接收單元5，其在這里基本為圓柱形。其在這種情況中例如是壓電元件的堆疊，這些壓電元件由交流電壓激勵為機械振蕩。這些振蕩被經由薄膜4傳遞至機械可振蕩單元1(這里由兩個振蕩棒1.1之一顯示)。在這種情況中，振蕩是彎曲振蕩或橫向振蕩，這些振蕩平行于薄膜4或垂直于機械可振蕩單元1的對稱軸2或垂直于振蕩棒1.1的縱軸。相反，激勵/接收單元5將機械可振蕩單元1的機械振蕩轉變為交流電壓，由此可以得到有關要確定的或要監控的過程變量的結論(盡管在這里顯示的系統中，過程變量主要是料位、密度或粘度，其它變量也是可能的)。激勵/接收單元5安裝在剛性支架16上，以這樣的方式實現該支架，使得激勵/接收單元5的能量盡可能完全傳遞至薄膜4。薄膜4與裝置的外殼15相連。補償質量20在外殼15中，其經由彈簧元件25與外殼15相連并因而與薄膜4相連。彈簧元件25例如是多個片簧，其與補償質量20固定連接并且例如與外殼15焊接。然而，它也可以是一個較大片簧。正如可以看到的，補償質量20包括環繞激勵/接收單元5的內部凹槽21。于是，補償質量20為環形墊圈的形式，其外部具有環行凹槽，該凹槽中設置彈簧元件25。
圖4顯示了一半測量裝置，畫出了對稱軸。在薄膜4上安裝機械可振蕩單元1的振蕩棒1.1。激勵/接收單元5在這種情況中是壓電元件的堆疊，其被夾鉗在薄膜4和支架16之間。如果機械可振蕩單元4的軸向力分量作用于外殼15，則它們被經由外殼15、支架16和彈簧元件25傳遞至補償質量20，該補償質量通過反相振蕩補償這些力分量。于是，在這個實施例中，補償質量20設置在激勵/接收單元5之后。這個實施例非常明顯地顯示，補償質量20在軸向上振蕩，即，在對稱軸或縱軸的方向上并垂直于機械可振蕩單元1的振蕩軸的方向上。
圖5顯示了安裝在薄膜4上的兩個振蕩棒1.1之一。振蕩棒1.1優選地以諧振頻率振蕩，其在這里相對于法線傾斜45°。對于振蕩叉的第二振蕩棒(未顯示)也是這樣的。圖5以及其它附圖沒有按照比例繪出。薄膜4位于外殼15上，用于外殼15的夾具3至少圍繞激勵/接收單元5并且在這里位于法蘭6上。由于45°傾斜而產生的振蕩棒1.1的振蕩的軸向力被補償質量20補償，該補償質量位于環繞外殼26中并且至少部分徑向圍繞振動傳感器的外殼15。環繞外殼26固定在外殼15和法蘭6上。這個實施例使得能夠使用現有技術已知的振動傳感器，并且還裝備有補償質量20，即，它比傾斜振蕩棒1.1的情況有所改進。為此，環繞外殼26可以被焊接至或至少通過螺釘而力接合地與法蘭6和外殼15相連。補償質量20自身通過兩個彈簧25懸吊在環繞外殼26中，彈簧還用于力傳遞。補償質量20和工作的可振蕩單元1的諧振導致非常小的能量供應就足以維持振蕩。
權利要求
1.用于確定和/或監控介質的至少一個過程變量的裝置，包括機械可振蕩單元(1)，其在至少一個方向上執行機械振蕩并且固定在夾具(3)上；激勵/接收單元(5)，其激勵機械可振蕩單元(1)機械振蕩并接收機械可振蕩單元(1)的機械振蕩；和控制/分析單元，其控制機械可振蕩單元(1)的機械振蕩并利用機械可振蕩單元(1)的機械振蕩確定和/或監控過程變量，其特征在于，提供至少一個補償質量(20)，其與機械可振蕩單元(1)機械耦合并且以這樣的方式構造和/或固定，使得它至少執行一個方向上的機械振蕩，其中補償質量(20)的振蕩方向基本垂直于機械可振蕩單元(1)的振蕩方向。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中機械可振蕩單元(1)以這種方式構造和/或固定，使得它執行基本垂直于其縱軸(2)之一的機械振蕩，并且補償質量(20)以這種方式構造和/或固定，使得它至少執行平行于機械可振蕩單元(1)的縱軸(2)的軸向振蕩。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中補償質量(20)以這樣的方式構造和/或固定，使得由機械可振蕩單元(1)作用于夾具(3)的反作用力被補償。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中機械可振蕩單元(1)固定在至少一個薄膜(4)上。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中激勵/接收單元(5)固定在薄膜(4)上。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中提供至少一個外殼(15)，機械可振蕩單元(1)與該外殼(15)連接，并且補償質量(20)與該外殼(15)連接。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中補償質量(20)經由至少一個彈簧元件(25)與機械可振蕩單元(1)機械耦合。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中激勵/接收單元(5)具有至少一個壓電元件。
9.根據權利要求1或8所述的裝置，其中補償質量(20)具有至少一個圍繞激勵/接收單元(5)的內部凹槽(21)。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中機械可振蕩單元(1)是振蕩叉，其具有彼此間隔的兩個振蕩棒(1.1)。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定和/或監控介質的至少一個過程變量的裝置，其包括機械可振蕩單元(1)，其在一個方向上執行機械振蕩并且固定在夾具(3)上；激勵/接收單元(5)，其激勵機械可振蕩單元(1)機械振蕩并接收機械可振蕩單元(1)的機械振蕩；和控制/分析單元，其控制機械可振蕩單元(1)的機械振蕩并監控和/或確定過程變量。本發明提供至少一個補償質量(20)，其與機械可振蕩單元(1)機械耦合并且以這樣的方式構造和/或固定，使得它至少執行一個方向上的機械振蕩；其中補償質量(20)的振蕩方向基本垂直于機械可振蕩單元(1)的振蕩方向。
文檔編號G01F23/296GK1989396SQ200580024826
公開日2007年6月27日 申請日期2005年7月5日 優先權日2004年7月23日
發明者赫爾穆特·普法伊費爾 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司