CN100422695C - 用于确定和/或监控过程变量的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控介质的至少一个物理或化学过程变量的装置(1)，其具有至少一个可振荡单元(5)，该可振荡单元产生和/或接收机械振荡。本发明中提供至少一个调整单元(20)，其刚性可变并且以这样的方式实施及连接至可振荡单元(5)或者以这样的方式作为可振荡单元(5)的构件，使得至少可振荡单元(5)的谐振频率可以通过调整单元(20)改变。另外，本发明涉及一种相应的方法。

Description

用于确定和/或监控过程变量的装置

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物理或化学过程变量的装置，其具有至少一个可振荡单元，该可振荡单元产生和/或接收机械振荡。过程变量可以是例如容器中介质的料位、密度或粘度或者流经管道的流体的体积流量或质量流量。振荡可以或者是连续产生的，或者是振荡分组，即所谓的脉冲串。

背景技术

术语“可振荡单元”是指这样的单元，其产生和/或接收机械振荡，该振荡依赖于由单元自身预确定的特定变量。已知这种可振荡单元例如为振荡棒或振荡叉的形式，用于料位极限检测；或者为超声变换器的振荡薄膜的形式；或者为插入管道中的振动型测量变送器的测量管的形式。振动型测量变送器例如用于测量管道中流动的流体的质量流量、密度和/或粘度。在这种可振荡单元的情况中，当单元是振荡棒时，频率或波长例如依赖于惯性或刚性；当单元是超声变换器时，频率或波长依赖于声音在该单元中的预定速度并且同样受到刚度的影响。这种可振荡单元的一个问题是，它们必须调谐至一定的频率或波长，以可以用于一定的介质或者以能够利用一定的优选频率范围。另外，往往参考使用的电子器件，对于特定的频率范围设计相应的分析单元。考虑到这一点，有以下事实：应用中存在的过程条件影响调整的谐振频率，从而它也被影响或改变。在所谓的单棒的情况中(以及通常，在直接接触待测介质的传感器的情况中)，材料可以例如获得沉积或经历腐蚀。这些都改变单棒的质量并因而改变其谐振频率。在超声传感器的情况中，例如由于过程温度而改变谐振特性。于是，存在能够令校准无效或者使得无法调谐至期望频率的过程条件。

发明内容

于是，本发明的目的是，用于确定和/或监控过程变量的装置的至少一个振荡特性能够可变地调整或匹配。

对于装置，这样实现该目标：提供至少一个调整单元，其刚度可变并且其以这样的方式实现以及以这样的方式与可振荡单元相连，或者以这样的方式作为可振荡单元的构件，使得至少可振荡单元的谐振频率可以由调整单元改变。本发明的基本思想是通过调整单元的刚度并因而根据与可振荡单元的连接而通过可振荡单元的刚度，合适地调整谐振频率以及根据应用即根据过程进行调整。于是，一方面可以实现例如由于制造原因而需要的平衡，并因而允许元件的较大公差，这与制造有关。另一方面，在使用期间也可以实现平衡或匹配，这由于存在的过程条件而是必需的。于是，在现场艰难条件下，可以再次设置最优的灵敏度。另外，通过有目的的改变谐振频率，能够实现预防性维修(predictive maintenance)。调整单元在这种情况中可以是可振荡单元的一个构件，或者可振荡单元和调整单元也可以相同，从而一个单元满足两种功能。在这种情况中，调整单元的构造依赖于应用类型以及可振荡单元的构造。

在一个实施例中，调整单元由压电材料制成，其与电极相连并且刚度至少可由电极之间的电流改变。压电元件的刚度可以通过附着至电极而改变，其中电极可以是自由的，在这种情况中电极之间没有电流流动，电极也可以被短路，在这种情况中在电极之间有电流流经。在短路的情况中，元件的刚度通常最低。通过在这两种状态之间逐渐过渡，可以逐渐改变刚度。对于压电元件的相对刚度，可以获得最多25％的差。依赖于压电元件总体上构成可振荡单元的刚度的比例，可以在相应的范围之内改变并调整总刚度以及谐振频率。相应地选择压电元件的数目，使得对于谐振频率获得期望的调整范围。

例如振荡棒的振荡频率f是基于在其固定点的扭转刚度C以及它的惯性质量力矩θ而由以下

公式确定的： $f=\sqrt{\frac{C}{\mathrm{\θ}}}.$ 于是，刚度C的改变导致振荡频率f的改变。于是，如果调整单元是可振荡单元的构件或者它合适地与其相连，则可以简单地并且更重要的是以电的方式调整谐振频率。

在一个实施例中，调整单元由磁致伸缩材料制成，其刚度至少可由施加的磁场而改变。如果调整单元是磁致伸缩元件，那么通过在该元件上施加磁场，优选地施加直流磁场，导致机械应力，其导致调整单元的刚度改变。磁致伸缩材料可以通过施加磁场而形变。相反地，当向它们施加机械压力时，它们产生磁场。典型地，铁稀土化合物比压电元件/陶瓷具有更高的能量密度。于是，它们在许多应用场合中具有多种优点。

在一个优选实施例中，提供控制单元，其电控制调整单元。这种控制单元分析例如可振荡单元的振荡并合适地调整谐振频率。这可以例如通过微处理器实现。优点是，以这种方式，在实际应用中可以自动执行测量条件的优化。然而，控制单元还可以例如由用户操作。在最简单的情况中，控制单元是变阻器，利用它改变调整单元的电边界条件，诸如电极之间的电流。

在一个优选实施例中，以这样的方式实施控制单元，使得它依赖于可振荡单元产生和/或接收的机械振荡的振荡幅度和/或振荡频率调整可振荡单元的谐振频率。这种控制单元可以是例如制造单元的一部分，从而依赖于幅度和/或频率这样改变刚度，使得获得预定值或例如最大幅度。这种控制单元例如将可调电阻设置在合适的值。这是将本发明应用于制造领域中，以能够对于元件的制造公差有反作用。控制单元还可以是调节/分析单元的一部分，该调节/分析单元通常是装置的构件并且合适地分析及调节振荡以确定和/或监控过程变量。于是，当由于过程条件而需要时，在装置的实际应用期间可以调整谐振频率。然而，在这种有效匹配的情况中必须注意，待监控或待确定的过程变量的改变不被补偿。相应的实施例在这种情况中依赖于可振荡单元的具体实施例以及装置的应用类型。

首先要说明的实施例具有所谓的单棒作为装置的可振荡单元。

在一个实施例中，在可振荡单元中提供至少一个内振荡棒和一个外振荡棒，外振荡棒同轴围绕内振荡棒，外振荡棒和内振荡棒耦合在一起，并且至少一个调整单元至少与一个振荡棒耦合。优选地，调整单元与至少一个振荡棒机械耦合或者与至少一个振荡棒相连。在这个实施例中，可振荡单元是单棒。关于这一点，参见德国专利申请103 18705。单棒例如用于料位检测，其中振荡幅度或频率的改变得到解释，以确定是否降到由安装高度预定的料位之下(在这种情况中，确定从被覆盖的振荡到自由振荡的过渡)，或者确定是否超过这个料位(在这种情况中，分析在从“覆盖”到“自由”的过渡期间幅度和频率如何反应)。在这种单棒的情况中，内振荡棒和外振荡棒必须彼此匹配，从而在可振荡单元的夹钳区域没有发生反作用力和力矩，从而没有振荡能量损耗。这种平衡例如意味着振荡棒的相等谐振频率，它可能由于外振荡棒上的沉淀或腐蚀而消除。这可以导致整体停工。为了避免这一点，本发明的调整单元可以产生平衡。以这种方式，可以在现场，即，在应用中对于在由调整单元的实施例确定的范围之内的沉淀或腐蚀起反作用。进一步，可振荡单元还可以是由申请人制造并销售的所谓的振荡叉。于是，在这种情况中，这个叉的至少一个叉齿要与调整单元相耦合。

一个优选实施例中，调整单元至少与内振荡棒相连。以这种方式，调整单元被保护在装置内部空间中并且可以最优地提供其校正服务。

一个实施例中，以这样的方式实施控制单元，使得它依赖于振荡幅度控制调整单元以获得最大幅度。这特别地与单棒相关，其中幅度用于确定和/或监控过程变量。以这种方式，最大化用于应用场合的物理效应。

下面的实施例涉及相应装置中的超声变换器或超声传感器。然而，具有其它频率范围的类似的变换器和传感器同样适用于本发明的变换。

一个实施例中，在可振荡单元中提供至少一个发送/接收压电元件，调整单元是可振荡单元的构件，并且可振荡单元的谐振频率在超声范围内。如果频率在超声范围内，那么可振荡单元是超声变换器。这种变换器可以连续操作或者产生所谓的脉冲串或波分组。在最简单的构造中，发送/接收压电元件根据需要交替发送及接收。如果在可振荡单元中提供多个压电元件，那么这些元件中的一个可以是调整单元。

在一个对于超声振荡范围的实施例中，在可振荡单元中提供至少一个前侧质量和一个后侧质量，在两个质量之间提供至少一个发送/接收压电元件，至少一个调整单元是两个质量之一的构件，并且可振荡单元的谐振频率在超声范围内。于是，在这个第二实施例中，可振荡单元是Langevin型超声变换器或超声传感器。在这种情况中，谐振频率通常与由两个质量和发送/接收压电元件形成的总单元的长度成反比，因为半波长对应于这个长度。然而，这个条件可以通过改变在两个质量中至少之一内的声速而改变，并且这里还获得了本发明的更大的优点。如果至少一个调整单元是至少一个质量的构件，那么通过改变刚度，改变在这个质量中的声速。以这种方式，例如与缩短或伸长质量相比，可以更容易地匹配谐振频率。于是，这种调整单元特别能够对于制造公差起反作用。另外，以这种方式，还可以将传感器调整至期望的频率范围，而无需使用常用的阻尼器，阻尼器往往由于使得传感器频带变宽而导致能量减少。以这种方式，还使得超声变换器可以以满功率在多个谐振频率可调。然而，在这方面，本发明并不限于应用在超声范围中。

在一个优选实施例中，在可振荡单元中提供至少一个匹配层用于耦合至介质。为了保证在特定介质(例如，水)中的最大效力，经常使用λ/4匹配层。然而，这种匹配层通常与压电谐振器对于声速的温度依赖性不同。于是，功率在特定温度降低。利用本发明的调整单元，可以在较宽的温度范围对于λ/4匹配层提供谐振频率匹配。于是，通过本发明的调整单元，可以在温度改变时令谐振频率与匹配层匹配。

在一个优选实施例中，在可振荡单元中提供至少一个螺栓用于产生预应力。两个质量与发送/接收压电元件之间的连接可以通过粘合剂或螺栓而实现。超声传感器的功率依赖于部件之间的机械预应力。这个预应力是通过螺栓限定的。如果螺栓松开，那么预应力和功率下降。在预防性维护的意义上，存在检查这个预应力而不旋开单元的问题。这种能力将允许及时识别预应力损耗而无需将测量装置解除安装状态。于是本发明使得可以在现场进行直接检查。当超声传感器由不同刚度的不同部件构成时，通常存在的最小刚度是占有主导地位的。然而，利用本发明的调整单元，可以改变刚度而不改变预应力。通过这个改变，如果传感器自身不偏离调整单元的刚度太多，就能得到对于结构谐振频率的一定影响。然而，如果机械预应力减少，那么因为总刚度更主要地由松开的螺栓而限定，所以刚度改变引起的频率改变减少。以这种方式，可以从偏离已知频率改变而推导出螺栓已经松开。

在本发明的装置的一个实施例中，可振荡单元包括插入管道中的振动型测量变送器的至少一个测量管，所述测量变送器特别是科里奥利质量流量计或科里奥利质量流量/密度计。这种测量原理在US5,796,011、US 6,651,513、US 6,006,609或US 5,531,126有所公开。

本发明的目标还涉及改变用于确定和/或监控介质的至少一个物理或化学过程变量的装置的谐振频率的方法，所述装置具有用于产生和/或接收机械振荡的至少一个可振荡单元。在这种情况中，术语“装置的谐振频率”意味着(测量)装置工作并从而确定和/或测量相应过程变量所利用的谐振或振荡频率。

利用本发明的方法这样实现目标：利用电流或磁场改变至少一个调整单元的刚度，该调整单元与可振荡单元相连或者是可振荡单元的构件。如果可振荡单元是谐振频率由至少一个元件的刚度确定的可振荡系统，那么例如压电单元保证了可以简单地且最重要的是以电的方式控制谐振频率的调整。另外，该方法也可以使用上述本发明的装置的实施例。

附图说明

现在根据附图详细解释本发明，附图中：

图1是装置，其振荡棒以截面显示；和

图2是超声传感器，其装备有本发明的调整单元。

具体实施方式

图1显示了装置1，在这种情况中可振荡单元5是由内振荡棒10.1和外振荡棒10.2构成的单棒10。在这种情况中，外振荡棒10.2同轴围绕内振荡棒10.1。两个振荡棒10.1，10.2通过第一薄膜11.1电耦合在一起。外振荡棒10.2通过第二薄膜11.2与过程连接12牢固相连。经由这个过程连接，装置1安装在容器(未显示)中，以例如监控容器中介质(特别地，这里是松散材料)的料位。经由驱动/接收压电元件13，激励振荡棒10.1，10.2以相反的相位振荡。为此，两个振荡棒10.1，10.2具有相同的谐振频率。如果外振荡棒10.2接触松散材料，则单棒10由于摩擦影响而损耗能量，从而得到速度改变。当外振荡棒10.2先被覆盖然后自由振荡时，也是相应的。幅度改变通常被转换为相应的报告。

重要的是，单棒10不由以下事实而损耗能量：例如通过两个振荡棒10.1，10.2的不正确匹配而使得能量被传递至过程连接12并因而传递至容器。这意味着，在内振荡棒10.1重心的径向力必须基本上与外振荡棒10.2的相同，并且夹钳处的扭矩也必须基本相等。于是，力和力矩应当由于反相振荡而在过程连接的区域中基本上精确抵消。于是，需要两个振荡棒10.1，10.2彼此匹配。

如果这种振荡系统被最优地平衡，那么它可以实际应用。然而，另一个问题是，通过接触介质，在外振荡棒10.2上可能形成沉淀或发生腐蚀。从而外振荡棒10.2的质量改变，并因而对于外振荡棒10.2产生其它质量惯性力矩以及由此还产生其它振荡频率和其它振荡幅度。然而，以这种方式，内振荡棒10.1和外振荡棒10.2不再彼此匹配并且振荡能量被传递至过程连接12。于是，这里，在沉淀或腐蚀的情况中，调整单元20变得重要。

这里，调整单元由压电材料制成，两个电极21连接在其上。根据电极21是自由的还是短路，即，电流是否可以流过，压电元件20的刚度改变。在短路的和与恒定电压相连的压电元件20之间，这个元件获得最多25％的刚度改变百分比。调整单元20由控制单元25控制，控制单元25的决定元件在最简单的实施例中是变阻器。于是，例如相应的控制电子器件与其相连，该控制电子器件例如具有微处理器控制(未显示)。经由控制单元25的电阻，于是压电元件20可以被逐渐短路，刚度同时降低。以这种方式，压电元件20的刚度可以逐渐减小，并且因而内振荡棒10.1的刚度也可以逐渐减小。从而，谐振频率改变并且尽管有沉淀或腐蚀也可以基本平衡两个振荡棒10.1，10.2，从而基本上没有力或力矩作用于夹钳处12并且因而单棒10再次具有最优的灵敏度。然而，在根据本发明的校正中往往要注意，如果测量影响不用于确定测量变量则它们不被补偿。可振荡单元还可以是所谓的振荡叉。在这种情况中，两个叉齿接触介质。

图2显示了超声变换器15，其是用于确定和/或监控过程变量例如料位的装置1的一部分。使用行程时间方式，这种超声变换器15可以用于确定例如介质的填充高度。为了实现这一点，发射并检测波，并从它们的行程时间确定到反射面的距离。超声变换器可以例如用作对于管道中流动的流体的料位测量仪表或超声流量测量仪表的电声变换器。

超声变换器15由前侧质量15.1和后侧质量15.2以及在这两个质量15.1和15.2之间的发送/接收压电元件16构成。螺栓18负责相应的预应力，通过它得到超声变换器15的功率。超声变换器15的谐振频率与其长度成反比，以致其中不存在不同的声速。在前侧质量15.1上存在匹配层17，其例如是λ/4层，用于耦合至一定介质，例如水。这里，调整单元20是后侧质量15.2的构件并且因而可以经由刚度改变而调整后侧质量15.2中的声速，并且以这种方式调整可振荡单元5或超声变换器15的谐振频率。在这种超声变换器15的情况中，调整单元20可以作为可振荡单元5而实现多种任务。以这种方式，一方面，通过合适地重调谐振频率可以对制造公差起反作用。另外，以这种方式可以制造超声变换器，其以不同频率工作而不由于阻尼器而损耗功率。这种功率损耗是由于阻尼器使得超声变换器15频带变宽而产生的。另外，可以对于匹配层17中由于温度影响而引起的谐振改变起反作用。这种λ/4匹配层17的温度特性通常与超声变换器15的不同。然而，可能进入这样的状态，即，超声变换器15和匹配层17不再匹配，这通常导致功率损耗。并此，除此之外，通过已知的刚度改变，可以复查螺栓的预应力。如果在给定的预应力处，由于调整单元20的刚度改变而得到的超声变换器15频率改变是已知的，那么在由此得到偏离的情况中可以推断存在减少的预应力。

Claims (14)

1. 用于确定和/或监控介质的至少一个物理或化学过程变量的装置(1)，其具有至少一个可振荡单元(5)，该可振荡单元产生和/或接收机械振荡，其特征在于，提供至少一个调整单元(20)，其刚性可变，并且该调整单元以这样的方式实施及连接至可振荡单元(5)或者以这样的方式作为可振荡单元(5)的构件，使得至少可振荡单元(5)的谐振频率可以通过调整单元(20)改变。

2. 根据权利要求1所述的装置(1)，其中调整单元(20)由压电材料制成，其与电极(21)相连并且其刚度至少可通过电极(21)之间的电流改变。

3. 根据权利要求1所述的装置(1)，其中调整单元(20)由磁致伸缩材料制成，其刚度至少可通过施加的磁场而改变。

4. 根据权利要求1所述的装置(1)，其中提供控制单元(25)，其电控制调整单元(20)。

5. 根据权利要求4所述的装置(1)，其中以这样的方式实施控制单元(25)，使得它依赖于可振荡单元(5)产生和/或接收的机械振荡的振荡幅度和/或振荡频率调整可振荡单元(5)的谐振频率。

6. 根据权利要求1-5中任一项所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中至少提供一个内振荡棒(10.1)和一个外振荡棒(10.2)，外振荡棒(10.2)同轴围绕内振荡棒(10.1)，外振荡棒(10.2)和内振荡棒(10.1)耦合在一起，并且至少一个调整单元(20)至少与振荡棒(10.1，10.2)之一耦合。

7. 根据权利要求6所述的装置(1)，其中调整单元(20)至少与内振荡棒(10.1)相连。

8. 根据权利要求1-5中任一项所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中提供至少一个发送/接收压电元件(16)，调整单元(20)是可振荡单元(5)的构件，并且可振荡单元(5)的谐振频率在超声范围内。

9. 根据权利要求1-5中任一项所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中至少提供一个前侧质量(15.1)和一个后侧质量(15.2)，在两个质量(15.1，15.2)之间提供至少一个发送/接收压电元件(16)，至少一个调整单元(20)是两个质量(15.1，15.2)之一的构件，并且可振荡单元(5)的谐振频率在超声范围内。

10. 根据权利要求8所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中提供至少一个用于耦合至介质的匹配层(17)。

11. 根据权利要求9所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中提供至少一个用于耦合至介质的匹配层(17)。

12. 根据权利要求9所述的装置(1)，其中在可振荡单元(5)中提供至少一个螺栓(18)，其用于产生预应力。

13. 根据权利要求1-5中任一项所述的装置(1)，其中可振荡单元(5)包括插入管道中的振动型测量变送器的至少一个测量管，所述测量变送器是科里奥利质量流量计或科里奥利密度计。

14. 改变用于确定和/或监控介质的至少一个物理或化学过程变量的装置(1)的谐振频率的方法，所述装置具有至少一个产生和/或接收机械振荡的可振荡单元(5)，其特征在于，利用电流或磁场改变至少一个调整单元(20)的刚度，该调整单元与可振荡单元(5)相连或者是可振荡单元(5)的构件。

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