CN100473955C - 用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控介质的至少一个过程变量的装置，其包括：机械可振荡单元(1)，其在一个方向上执行机械振荡并且固定在夹具(3)上；激励/接收单元(5)，其激励机械可振荡单元(1)机械振荡并接收机械可振荡单元(1)的机械振荡；和控制/分析单元，其控制机械可振荡单元(1)的机械振荡并监控和/或确定过程变量。本发明提供至少一个补偿质量(20)，其与机械可振荡单元(1)机械耦合并且以这样的方式构造和/或固定，使得它至少执行一个方向上的机械振荡；其中补偿质量(20)的振荡方向基本垂直于机械可振荡单元(1)的振荡方向。

Description

用于确定和/或监控至少一个过程变量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监控介质的至少一个过程变量的装置，其包括：机械可振荡单元，其在至少一个方向上执行机械振荡并且固定在夹具上；激励/接收单元，其激励机械可振荡单元机械振荡并接收机械可振荡单元的机械振荡；和控制/分析单元，其控制机械可振荡单元的机械振荡并利用机械可振荡单元的机械振荡监控和/或确定过程变量。过程变量可以例如是料位，或者在介质是液体的情况中是密度或粘度。但是，其它过程变量也是可能的。
背景技术
例如在本申请人的专利DE 39 31 453 C1中公开了这种装置。利用这种测量装置测量料位的原理是，机械可振荡单元，例如振荡叉的振荡依赖于该单元是否被介质覆盖。覆盖例如降低振幅。相反，当振幅增加时，可以得到结论：介质已经低于由传感器尺寸和安装位置确定的料位。同时，在覆盖的情况中，也可以确定介质的密度和粘度。为此，例如除了幅度和频率，还必须分析激励信号和接收(响应)信号之间的相位。
机械可振荡单元通常这样构造，使得在测量装置上的机械可振荡单元的夹具(通常是薄膜)的区域中尽可能不发生反作用力和力矩。这通常可以在上述振荡叉的情况中通过向两根振荡棒提供相等的惯性力矩和硬度而实现，特别是两个叉齿都应当相同地且尽可能对称地固定在薄膜上。如果两个叉齿彼此相反振荡，那么力和力矩精确抵消并且没有反作用力和力矩作用于夹具，即薄膜上。以这种方式，还防止了振荡能量通过夹具损耗。然而，在振荡棒不垂直于夹具设置而是彼此略微倾斜时具有问题。于是，振荡叉被近似分开或压在一起。在这种情况中，轴向力平行于叉齿的对称轴。由于这些力的方向相同，它们不会抵消，而是作用于夹具并因而耦合至环境，这个事实能够导致能量损耗。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种测量装置，机械可振荡单元向该测量装置上的夹具施加尽可能小的反作用力。
本发明通过以下特征实现该目的：提供至少一个补偿质量，其与机械可振荡单元机械耦合并且以这样的方式构造和/或固定，使得它至少执行一个方向上的机械振荡；其中补偿质量的振荡方向基本垂直于机械可振荡单元的振荡方向。于是，本发明的思想是，在与机械可振荡单元的振荡方向垂直的方向上作用的反作用力被在这个方向上振荡的补偿质量抵消。补偿质量相对于机械可振荡单元的反相振荡精确补偿了有效的反作用力。于是，通过本发明补偿了力，从而在经典考虑中的能量保持在系统中。这与通过消耗而将力例如转换为热从而使得系统能量损失的情况明显不同。于是，如果在振荡叉的两个振荡棒反相振荡从而没有产生径向反作用力和力矩的情况中，则本发明通过令机械可振荡单元和补偿质量形成振荡对而实现了这个补偿，其中振荡对的反相振荡导致不产生轴向反作用力。
在一个实施例中，机械可振荡单元以这种方式实现和/或固定，使得它执行基本垂直于其纵轴的机械振荡，并且补偿质量以这种方式实现和/或固定，使得它至少执行平行于机械可振荡单元的纵轴的轴向振荡。在这种情况中特殊的例子是，机械可振荡单元执行横向或弯曲振荡。如果在这种情况中，振荡棒或叉齿相对于它们的纵轴或对称轴倾斜，那么附加的轴向力分量作用于薄膜，这些力分量通过补偿质量的相应的反相振荡而抵消。
在一个实施例中，补偿质量以这样的方式实现和/或固定，使得由机械可振荡单元作用于夹具的反作用力被补偿。于是，补偿质量以及悬吊刚度必须与装置的构造匹配，从而可以有最佳补偿。
在一个实施例中，机械可振荡单元固定在至少一个薄膜上。夹具在这个情况中是薄膜。通常，通过这样的薄膜实现激励机械可振荡单元振荡或者接收这些振荡。薄膜本身是外壳的一部分，测量装置例如通过外壳合适地固定至容器壁等。
在一个实施例中，激励/接收单元固定至薄膜。优选地，激励/接收单元安装至薄膜的相对侧，从而获得机械可振荡单元和激励/接收单元之间的最佳振荡传递。
在一个实施例中，提供至少一个外壳，机械可振荡单元与外壳连接，并且补偿质量与外壳连接。术语“连接”在这里还表示机械耦合。通常，测量装置具有杯状外壳，其在过程方向中由薄膜约束。机械可振荡单元和激励/接收单元位于薄膜上。通过这个外壳能够实现传递用于补偿质量的轴向振荡能量。为此，以下实施例的弹簧元件是重要的。
一个实施例中，补偿质量经由弹簧元件与外壳机械耦合，外壳进而与机械可振荡单元机械耦合。这种弹簧元件使得能够完成能量/力传递，其中实现补偿质量的实施例使得能够考虑测量装置的特殊需求。由于这种补偿质量也位于装置的外壳内部，所以它的特征在于仅存在非常小的空间。由于激励/接收单元的存在，空间有限。另外，还可以根据需要罐装至少部分装置，从而也导致空间缩小。现在，通过合适的弹簧元件，在补偿质量不能直接接触例如外壳的情况中也可以传递能量。
一个实施例中，激励/接收单元包括至少一个压电元件。这种压电元件或压电换能器将交流电压转换为机械振荡并反过来将机械振荡转换为交流电压。于是，通过这些元件，可以容易地实现将机械振荡转变为可电分析的信号，反之亦然。
一个实施例中，激励/接收单元基本上实现为圆柱形。在这种情况中，这通常涉及压电元件的堆叠。这种堆叠在大多数情况中居于薄膜内侧中心。
一个实施例中，补偿质量包括至少一个围绕激励/接收单元的内部凹槽。于是，补偿质量环绕激励/接收单元并填充围绕它的空间。对于这个实施例，上面提到的弹簧元件也是非常有用的。另外，通过这个实施例，解决了空间的短缺。
一个实施例中，机械可振荡单元是振荡叉，其具有彼此间隔的两个振荡棒。在这种振荡叉的情况中，振荡棒可以通过介质而这样弯曲，使得对称性提高并且轴向作用的反作用力出现在夹具上。于是，特别地在这种叉的情况中，本发明特别重要。
一个实施例中，过程变量是介质的料位、密度或粘度。这些过程变量已经在前面讨论了。
附图说明
现在根据附图详细解释本发明，附图中：
图1是在振荡叉的情况中作用于夹具的力和力矩；
图2a是具有补偿质量的振荡棒的示意图；
图2b是振荡棒和补偿质量的物理模拟系统；
图3是本发明的补偿质量的部分透视图；
图4是本发明的补偿质量的另一实施例；和
图5是本发明的补偿质量的又一实施例。
具体实施方式
图1显示了由机械可振荡单元1施加于夹具3的力。在这种情况中，机械可振荡单元1固定至薄膜4并且被激励/接收单元5(见图3)激励进行机械(横向或弯曲)振荡。机械可振荡单元1由两个振荡棒1.1构成，它们对称地固定于薄膜4并且以相反的方向相对于纵轴或对称轴2略微倾斜。于是，可振荡单元1被扩宽。两个棒1.1彼此反相振荡。由此引起的惯性力Fr、Fl以及Fvr和Fvl在径向上相对地而在轴向上相同地作用。
如果计算在径向上的力之和，那么可以计算在薄膜平面中的反作用力Fx。剩余的反作用力为0：-Fl+Fr＝Fx＝0。在轴向上，得到两个加速分量之和，其作为由夹具3接收的反作用：Fy＝Fvr+Fvl。
左侧和右侧的振荡棒1.1的扭矩Ml和Mr彼此反相，从而Me＝0。
于是力平衡显示了在夹具3中产生的反作用力Fx等于0，因为两个力Fr和Fl之和等于0。然而，作为两个轴向力Fvr和Fvl之和，夹具3中的轴向反作用力Fy不等于0，因为两个力在相同方向上作用。反作用力Fy依赖于两个振荡棒1.1的角位置a。对于a＝0的情况，即，在两个振荡棒1.1垂直于薄膜4设置的情况中，反作用力Fy同样等于0，因为单个的力分量为0。
对于理想解耦的振荡系统，得到Fx＝Fy＝0并且Mx＝My＝0，从而没有振荡能量损耗。在这种情况中，这个分析假设振幅足够小。
由于振荡棒1.1相对彼此的角位置出于应用技术原因(扩宽例如有利于防止振荡棒之间粘附材料)是重要的，所以必须或者接受在夹具3上的过耦，或者借助于振荡系统中的辅助手段将其补偿。纯耗散也将是可能的，但是这里不实现它。薄膜4中的纯刚度变化对于这种振荡系统的解耦没有影响。
图2a显示了一半测量装置。显示的振荡棒1.1，其固定至薄膜4。薄膜4是外壳15的一部分。外壳15中通过弹簧元件25安装了补偿质量20。振荡棒1.1略微倾斜，从而棒1.1和相应的第二棒(这里没有显示)共同对于薄膜4施加轴向力。这个反作用力被补偿质量20补偿，该补偿质量与机械可振荡单元1在轴向上反相地振荡并以这种方式吸收并补偿薄膜4上的反作用力。
图2b显示了图2a中给出的实施例的相应模型。这半个振荡系统由以下质量构成：m1(振荡棒1.1)、m2(补偿质量20)和mk(薄膜4或夹具3和外壳15的质量)，弹簧具有以下弹簧铡度：c1(用于振荡棒1.1和薄膜4之间的振荡耦合)和c2(用于通过弹簧元件25实现的在作为薄膜4的延伸的外壳15和补偿质量20之间的耦合)。
附加容纳在外壳15中的刚度c2的弹簧元件25以及质量m2的补偿质量20的任务是，通过正确地匹配弹簧c1和质量m1，令质量mk(薄膜4)的移动uk(t)为零。基于这些考虑，需要相应的调整。
图3显示了图2a中显示的设置的具体实施例。这里显示了激励/接收单元5，其在这里基本为圆柱形。其在这种情况中例如是压电元件的堆叠，这些压电元件由交流电压激励为机械振荡。这些振荡被经由薄膜4传递至机械可振荡单元1(这里由两个振荡棒1.1之一显示)。在这种情况中，振荡是弯曲振荡或横向振荡，这些振荡平行于薄膜4或垂直于机械可振荡单元1的对称轴2或垂直于振荡棒1.1的纵轴。相反，激励/接收单元5将机械可振荡单元1的机械振荡转变为交流电压，由此可以得到有关要确定的或要监控的过程变量的结论(尽管在这里显示的系统中，过程变量主要是料位、密度或粘度，其它变量也是可能的)。激励/接收单元5安装在刚性支架16上，以这样的方式实现该支架，使得激励/接收单元5的能量尽可能完全传递至薄膜4。薄膜4与装置的外壳15相连。补偿质量20在外壳15中，其经由弹簧元件25与外壳15相连并因而与薄膜4相连。弹簧元件25例如是多个片簧，其与补偿质量20固定连接并且例如与外壳15焊接。然而，它也可以是一个较大片簧。正如可以看到的，补偿质量20包括环绕激励/接收单元5的内部凹槽21。于是，补偿质量20为环形垫圈的形式，其外部具有环行凹槽，该凹槽中设置弹簧元件25。
图4显示了一半测量装置，画出了对称轴。在薄膜4上安装机械可振荡单元1的振荡棒1.1。激励/接收单元5在这种情况中是压电元件的堆叠，其被夹钳在薄膜4和支架16之间。如果机械可振荡单元1的轴向力分量作用于外壳15，则它们被经由外壳15、支架16和弹簧元件25传递至补偿质量20，该补偿质量通过反相振荡补偿这些力分量。于是，在这个实施例中，补偿质量20设置在激励/接收单元5之后。这个实施例非常明显地显示，补偿质量20在轴向上振荡，即，在对称轴或纵轴的方向上并垂直于机械可振荡单元1的振荡轴的方向上。
图5显示了安装在薄膜4上的两个振荡棒1.1之一。振荡棒1.1优选地以谐振频率振荡，其在这里相对于法线倾斜45°。对于振荡叉的第二振荡棒(未显示)也是这样的。图5以及其它附图没有按照比例绘出。薄膜4位于外壳15上，用于外壳15的夹具3至少围绕激励/接收单元5并且在这里位于法兰6上。由于45°倾斜而产生的振荡棒1.1的振荡的轴向力被补偿质量20补偿，该补偿质量位于环绕外壳26中并且至少部分径向围绕振动传感器的外壳15。环绕外壳26固定在外壳15和法兰6上。这个实施例使得能够使用现有技术已知的振动传感器，并且还装备有补偿质量20，即，它比倾斜振荡棒1.1的情况有所改进。为此，环绕外壳26可以被焊接至或至少通过螺钉而力接合地与法兰6和外壳15相连。补偿质量20自身通过两个弹簧25悬吊在环绕外壳26中，弹簧还用于力传递。补偿质量20和工作的可振荡单元1的谐振导致非常小的能量供应就足以维持振荡。

Claims (8)

1.用于确定和/或监控介质的至少一个过程变量的装置，包括：机械可振荡单元(1)，其在至少一个方向上执行机械振荡并且固定在夹具(3)上；激励/接收单元(5)，其激励机械可振荡单元(1)机械振荡并接收机械可振荡单元(1)的机械振荡；和控制/分析单元，其控制机械可振荡单元(1)的机械振荡并利用机械可振荡单元(1)的机械振荡确定和/或监控过程变量，其特征在于，提供至少一个补偿质量(20)，其与机械可振荡单元(1)机械耦合并且以这样的方式构造和/或固定，使得它至少执行一个方向上的机械振荡，其中补偿质量(20)的振荡方向基本垂直于机械可振荡单元(1)的振荡方向；
其中机械可振荡单元(1)以这种方式构造和/或固定，使得它执行垂直于其纵轴(2)的机械振荡，并且补偿质量(20)以这种方式构造和/或固定，使得它至少执行平行于机械可振荡单元(1)的纵轴(2)的轴向振荡；
其中补偿质量(20)以这样的方式构造和/或固定，使得由机械可振荡单元(1)作用于夹具(3)的反作用力被补偿。
2.根据权利要求1所述的装置，其中机械可振荡单元(1)固定在作为所述夹具(3)的至少一个薄膜(4)上。
3.根据权利要求2所述的装置，其中激励/接收单元(5)固定在薄膜(4)上。
4.根据权利要求1所述的装置，其中提供至少一个外壳(15)，机械可振荡单元(1)与该外壳(15)机械耦合，并且补偿质量(20)与该外壳(15)机械耦合。
5.根据权利要求1所述的装置，其中补偿质量(20)经由弹簧元件(25)与外壳机械耦合，而外壳进而与机械可振荡单元(1)机械耦合。
6.根据权利要求1所述的装置，其中激励/接收单元(5)具有至少一个压电元件。
7.根据权利要求1或6所述的装置，其中补偿质量(20)具有至少一个围绕激励/接收单元(5)的内部凹槽(21)。
8.根据权利要求1所述的装置，其中机械可振荡单元(1)是振荡叉，其具有彼此间隔的两个振荡棒(1.1，1.1)。
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