CN101611294B - 用于确定和/或者监测介质过程变量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量的装置，该装置具有至少一个具有大量自然固有模式的可机械振荡的膜片(1)以及具有至少一个激励/接收单元(2)，该激励/接收单元(2)激励膜片(1)产生机械振荡和/或者从膜片(1)接收机械振荡。依据本发明，驱动/接收单元(2)和膜片(1)这样构成和相互协调，使膜片(1)仅进行处于膜片(1)的基本模式之上的模式相应的机械振荡。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量的装置，该装置具有至少一个带有大量自然固有模式的可机械振荡的膜片以及具有至少一个激励/接收单元，该激励/接收单元激励所述膜片产生机械振荡和/或者从该膜片接收机械振荡。过程变量例如是介质的料位、密度或者粘度，所述介质例如是液体或者散状物料。介质优选处于容器内。
背景技术
在现有技术中，为了确定介质的料位和其它过程变量而公知所谓的振叉和单杆。各自充分利用如下所述：可振荡单元振荡的特征值(振幅、共振频率、在频率上的相位变化过程)依赖于与介质的接触或也依赖于其特性。如果介质到达可振荡的单元并至少部分覆盖可振荡的单元，那么例如振荡的频率或者振幅减小。因此，可以由振荡频率或振幅的减小推断出：介质达到了依赖于装置的构造及安装位置的料位。此外，振荡频率也例如依赖于介质的粘度和密度。在作为振叉的构造方案中，这种测量装置具有至少两个小铲或者叉尖，它们安装在膜片上并彼此反相地振荡。该测量原理可广泛用于液体和散状物料。但通过小铲不能提供正面齐头的测量装置，这是因为这种测量装置总是具有至少两个对介质进行采集的小铲。
在机械上可振荡的系统中在总体上重要的是，不会例如通过与容器的相耦合而失去振荡能量。能量损耗通常与可应用性的损坏或测量误差或在作为开关的应用方案中与错误接入相关联。同时能量损耗很少能够通过更高的驱动功率进行补偿，这是因为所介绍的、大多用作开关的测量装置通常以小而有限的能量供给来运行。
此外，对于可尽可能广泛地应用的测量来说，具有优点的是，可机械振荡单元的有效质量尽可能小并且与介质发生接触的有效面积尽可能大。但其面临的问题在于，可振荡单元优选通过尽可能小的孔从下面装入介质所处的容器内。
采用膜片的主要弯曲模式工作的所谓膜片振荡器或者传感器在测量技术中的可应用性仅是非常有限，这是因为始终存在膜片与过程连接部的机械耦合。因此，这种测量装置只能非常受限地用于液体和散状物料。但仍然具有优点的是，这种振荡极限开关由于其仅具有一个膜片而实现正面齐头的结构。这一点使容器/箱体的清洁变得容易并在食品业、化学、药学等领域中带来对于过程装备的优点。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种振动测量装置，该装置的可振荡的单元尽可能有效地机械退耦和该装置即使对于连接部很小的情况下的安装，也能可靠地识别介质的过程变量。
为了解决该任务，本发明由此在于，驱动/接收单元和膜片以如下方式构造和相互协调，使得膜片仅进行与高于膜片基本模式的模式相应的机械振荡。或者换句话说：激励膜片进行高于膜片基波或者基本模式的谐波振荡。
在本发明中，在一种构造方案中，激励特别是圆形的膜片的反相的振荡模式。在此，根据几何尺寸，对于例如像直径1英寸和厚度约1mm的膜片，振荡频率在此可能超过20kHz。在此，振荡频率依赖于膜片厚度和膜片直径以及所使用的材料。介质优选处于容器内，膜片能以正面齐头的方式安装在该容器上。
本发明的一种构造方案包括：驱动/接收单元和膜片这样构成和/或者彼此相对地设置，使得基本上阻止膜片与膜片的基本模式相应的机械振荡的出现。在一种构造方案中，驱动/接收单元这样构造并与膜片连接，使得驱动/接收单元不能激励膜片的基本模式。在另一种构造方案中，膜片本身这样构成，使得基本模式的振荡得到阻止。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元基本上仅激励膜片产生振荡。为了退耦，在此膜片的夹紧装置的至少一部分可以承受力和力矩。但夹紧装置在此是测量装置的组成部分，从而通过测量装置本身出现退耦并且至少没有力或者力矩传递到容器本身上。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相互协调，使膜片实施这样的机械振荡，即，膜片获得2*n个分区以及各自相邻的分区实施反相运动，其中，n为自然数。在此，n大于或者等于1，也就是说，n＝1、2、3、4...。分区的总数特别是2的整数倍，也就是说，振荡时峰的数目和谷的数目或反相振荡区域的数目分别相等。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元和膜片这样构成和相互协调，使膜片实施这样的机械振荡，即，膜片获得2*n个对称的分区以及各自相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。n＝2的情况意味着，膜片在反相的分区之间具有两个过渡并因此具有彼此交替地振荡的峰和谷。这种区域之间的过渡是一条线，该线穿过膜片中心分布并且沿着该线不出现振荡。
本发明的一种构造方案包括，膜片靠近介质的侧不具可振荡的单元。因而，在这种构造方案中涉及一种纯膜片振荡器，该膜片振荡器的膜片不具单杆或者不具振叉的叉尖。换句话说：这是一种正面齐头的膜片振荡器，该膜片振荡器由于反相的膜片振荡而在机械上与过程连接部退耦。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元和膜片这样地构造和相互协调，使得膜片在膜片在无介质时进行振荡的情况下以大于2kHz的频率实施机械振荡。因此，膜片的第一谐波高于2kHz。振叉的共振频率相比而言例如处于0.1到1.4kHz之间。在此，膜片振荡器的频率也依赖于尺寸设计。利用较大直径和更薄的膜片也可以在更低的频率范围内振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相互协调，使得膜片在膜片无介质时进行振荡的情况下以大于5kHz的频率进行机械振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相互协调，使得膜片在膜片无介质时进行振荡的情况下，以大于20kHz的频率实施机械振荡。这一点例如涉及具有直径1英寸和厚度1mm的膜片的膜片振荡器。
依据本发明的一种构造方案，膜片呈圆形或椭圆形或矩形或正方形地构成。
本发明的一种构造方案包括，膜片固定在至少一个夹紧装置上。在一种构造方案中，夹紧装置由上面固定有膜片的环和旋接件组成，该旋接件可与环连接并允许固定在容器等上面。
依据本发明的一种构造方案设置为，设置有至少一个评估单元，该评估单元在过程变量方面对膜片的机械振荡进行评估。该评估单元例如是一种微控制器或者例如是一种模拟电路，其中对频率和/或者振幅相对于极限值的变化进行识别并进行相应地评估。
本发明的一种构造方案包括，评估单元至少在如下方面对机械振荡进行评估：即，介质是否至少部分覆盖膜片。特别是对于过程变量料位来说，膜片被介质覆盖的程度可以通过介质在振荡或在特征值(诸如膜片振荡的振幅或者频率)方面确定。但对于其它过程变量例如像粘度或者密度来说，关于覆盖程度的说明对于确定或监测各自的过程变量是重要的。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元具有至少一个压电元件。
本发明的一种构造方案包括，压电元件这样地构造和/或者触点接通，使得压电元件具有至少两个分离的区域，以及压电元件这样设置并与膜片连接，使压电元件的两个分离的区域激励膜片的各一个分区产生机械振荡。驱动/接收单元的压电元件因此例如由两个区域组成，这两个区域要么在同方向上，例如轴向，也就是在膜片的法线方向上，要么在彼此相反的方向上极化。这种分布例如可以通过如下方式产生，方法是：与电极的电触点接通相应地仅涉及压电元件的区域。如果压电元件的两个区域要么施以反相(同向极化)的交流电压信号，要么施以同相(反向极化)的交流电压信号，则这些区域分别进行不同的振动。也就是说，一个区域收缩(厚度减小)而另一区域彼此伸展(厚度上升)。这样导致膜片的各自优选位于压电元件一个区域上方的相应分区也各自进行其它振荡。也就是说，在这种构造方案中，压电元件的分离的区域处于膜片一个分区的下方。
依据本发明的一种构造方案，压电元件的至少两个分离的区域之间的分离区基本上设置在膜片的分区之间的分离区附近。在一种构造方案中，压电元件激励产生如下模式的振荡，在该模式中，膜片的两个分区彼此反相地振荡。为此，压电元件这样触点接通或这样构造，使两个分离的区域在压电区域内获得。在此，该元件这样相对于膜片设置，使膜片两个分区之间的分离区处于压电元件两个分离的区域之间的分区的上方。因此，对于圆形膜片而言，该元件处于膜片的分布在两个分区之间的对角线的下方。
本发明的一种构造方案包括，压电元件这样设置并与膜片连接，使压电元件激励膜片的一个分区产生机械振荡。在这种构造方案中，优选仅激励膜片的一个分区激励产生所述振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元具有至少两个压电元件，以及压电元件在不同的区域上与膜片连接。在这种构造方案中，因此各一个压电元件负责膜片一个分区的运动。这些区域根据所要激励的振荡类型相配地选择。
依据本发明的一种构造方案设置为，压电元件使膜片产生弯曲变形。通过与膜片的触点接通(该触点接通例如通过整面粘接而产生)，当压电元件被施以交流电压时，则膜片上产生弯曲振荡。在一种构造方案中，压电元件在径向上产生力。通过将元件固定在膜片上，该径向力使膜片产生相应的变形。
驱动/接收单元因此在一种构造方案中至少由两个压电元件组成，这两个压电元件为所谓的压电双晶片驱动装置。这些元件在此在一种构造方案中与膜片的内侧粘接。由于粘接，这有可能带来对于温度范围的限制。
本发明的一种构造方案包括，设置有至少一个止动单元，该单元这样构成并与膜片连接，使膜片基本模式的振荡由该止动单元阻止。即在这种构造方案中，在机械上阻止膜片以基本模式进行振荡，方法是例如对所述弯曲加以阻止。这种构造方案的优点在于，这样得到了更大的稳定性并阻止膜片在基本模式上的寄生振荡。
为了限制膜片在轴向上(第一模式或者基波)的自由度，膜片的中心例如固定作为止动单元的销柱，该销柱再与测量装置的壳体，例如夹紧装置或者包括膜片的旋接件牢固地连接。销柱截面的尺寸在这种构造方案中这样设计，对膜片施加压力负荷并因此对作为止动单元的销柱施加压力负荷时，使截面上的应力低于屈服极限。此外，销柱的长度这样设计，使抗弯刚度大于膜片的抗弯刚度。由于这种结构，膜片的构造方案主要确定振荡频率并且止动单元对振荡频率仅具有次要的影响。特别是止动单元不是共振器的组成部分，该共振器激励产生振荡并将该共振器的振荡用于确定和/或者监测过程变量。
依据本发明的一种构造方案设置为，止动单元固定在膜片远离介质的侧上。因此，止动单元处于依据本发明的测量装置的内侧上或内部空间内。
本发明的一种构造方案包括，止动单元基本上固定在膜片的中心。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元这样构成并与止动单元连接，使驱动/接收单元通过止动单元激励膜片产生机械振荡。因此，止动单元在这种构造方案中满足三重功能，即该止动单元首先阻止基本振荡而二是产生所要求的谐波的振荡以及允许作用到膜片上的压力负荷的提高。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元在远离膜片的侧上与止动单元机械地连接。因此，驱动/接收单元在这种构造方案中，大致安装在止动单元的底面上。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元基本上产生屈曲运动。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元沿止动单元的对称轴线与止动单元机械地连接，特别是力配合地连接。在这种构造方案中，驱动/接收单元处于止动单元的侧上。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元沿对称轴线使止动单元产生弯曲运动。
关于产生振荡的此前所介绍的可选构造方案的优点是，这样驱动/接收单元进一步远离过程、介质进而远离那里存在的温度和过程压力，也就是说，这种构造方案因此也可以在例如大于300℃的更高温度下使用。在这种构造方案中，通过例如构造为销柱或者推杆的止动单元，直接激励膜片的反相振荡模式。另一个优点是，对于测量装置允许的过程压力负荷比例如在驱动/接收单元的压电元件直接固定在膜片内侧上的方案中的压力负荷更高。
一种构造方案包括，设置有至少一个连接片，连接片与膜片机械地耦合以及驱动/接收单元这样构成并与连接片连接，使连接片至少暂时基本上进行俯仰运动。在这种构造方案中，连接片或者桥式件优选处于膜片远离介质的侧上。连接片在此优选在两个彼此径向相对的区域上与膜片机械地耦合。连接片在此通过驱动/接收单元激励进行俯仰运动，其中，例如连接片的两个端区通过驱动/接收单元实施彼此相反指向的运动，从而整体上形成俯仰运动。也就是说，连接片的一个端区从膜片移走，这样另一个端区向膜片靠近。因为连接片在一种构造方案中通过两个区域与膜片连接，所以膜片也在这两个区域上激励产生反相的运动。因此整体上，激励振荡的这种构造方案被称为俯仰驱动装置。
依据一种构造方案设置为，连接片通过至少两个承载单元与膜片机械地耦合。在一种构造方案中，因此，整体上形成一种由两个承载单元和连接片组成的U形单元，其中，U字的两端与膜片相通，也就是与其连接。
一种构造方案包括，连接片和两个承载单元一体地构造。因此在这种构造方案中，例如连接片和两个承载单元形成唯一的U形结构件。
依据一种构造方案设置为，止动单元基本上设置在连接片的中心。由此在这种构造方案中，止动单元基本上设置在膜片中心的延长部内。止动单元因此在一种构造方案中穿过连接片的中心。在另一构造方案中，它通至连接片中心的下方。在一种构造方案中，连接片的长度基本上等于圆形膜片的直径。
一种构造方案包括，驱动/接收单元基本上设置在连接片的中心。如果驱动/接收单元是具有两个拥有逆向极化的区域的压电元件，那么这两个区域之间的分离区优选基本上处于连接片的中心，其中，两个极化各自垂直地置于连接片上并分别为一个远离连接片和一个朝向连接片。通过这种构造方案，连接片的一侧压低，而另一侧则上拉。在此，定向在这里与膜片的内侧，也就是膜片远离介质的侧相关。
依据一种构造方案设置为，止动单元贯穿连接片或者连接片贯穿止动单元以及驱动/接收单元呈环形地构造，其中，止动单元穿过环形驱动/接收单元伸出或者其中环形驱动/接收单元穿过止动单元伸出。连接片和止动单元因此这样构成和设置，使它们彼此贯穿或者相互连接或者至少耦合。
附图说明
现借助下面的附图对本发明进行详细说明。其中：
图1示出依据本发明的测量装置的机械结构第一方案的剖切立体图，
图2示出膜片振荡运动的示意图，
图3示出图2的膜片的另一剖面，
图4示出第二方案的机械结构的剖面，
图5示出依照图4的机械结构的第二方案的剖切立体图，
图6a、b和c示出用于依据本发明的测量装置的压电元件的三张示意图，以及
图7a、b和c示出针对与膜片连接的压电元件的触点接通的三种方案，以及
图8示出机械结构的第三方案的剖切立体图。
具体实施方式
图1示出依据本发明的测量装置直接参与振荡的结构件。可机械振荡的单元依据本发明仅由膜片1组成。这样例如具有如下优点，这样测量装置能以正面齐头的方式装入介质所处容器的容器壁上。为产生振荡，在这里驱动/接收单元2由两个压电元件8组成，这两个压电元件8在膜片1的内侧上，也就是远离介质的侧上平面地粘牢。这是一种所谓的双晶片驱动装置。这些元件在此在轴向上，也就是垂直于膜片平面地极化。当对驱动/接收单元2的元件施加交流电压时，那么这些元件在其极化的方向上伸展并在径向上收缩。通过粘接导致膜片1相应实施弯曲变形。当两个元件2彼此相反地极化并向被施以相同的电压信号或者这两个元件2具有相同的极化，但进行反相地激励，那么膜片1以一部分实施向上或向外或朝向介质方向的振荡并以另一部分实施在测量装置内部的方向上的振荡。因此，膜片1整体上在其第二固有模式中受到激励。第一固有模式或基本模式不能通过设置两个压电元件8进行激励。这一点从图1很容易看出。如果应当激励其它振荡模式，那么在这种激励方案中推荐安装相应更大数目的压电元件。
驱动/接收单元2在所示的实施例中反过来同样接收机械振荡并将其转换为交流电压。振荡的特征值，诸如振幅、频率和频率上相对于激励信号的相位变化曲线依赖于膜片1被介质覆盖的程度，而且也依赖于介质本身的几个过程变量，如密度、粘度或者阻尼。然后，对接收信号的评估并从中确定或监测过程变量由评估单元5承担。例如，如果介质是液体，那么膜片1被介质覆盖而导致振荡频率降低。在散状物料的情况下，这一点相应地体现为振荡幅度。因此频率或振幅的降到可预先规定的极限值以下是指以下情况，即介质达到或超过了与极限值相关的料位。反过来，频率或振幅上升则意味着未超过所述料位。膜片1在此固定在夹紧装置3的环6上。环6过渡到旋接件7内，借助该旋接件7将测量装置固定在其应用区域上。
图2示出示意膜片1及其夹紧装置3或其环6的剖面。振荡运动的未按比例的视图采用虚线或点划线示出。膜片1在此进行其第二固有模式的振荡。膜片1的振荡运动期间，膜片的两半部分在图2所示的X-Z剖切平面上由于反相运动而传递垂直于膜片平面的、反相作用的力F1z或-F1z。在对称结构的情况下，两种加速力在方向和大小上相同并因此在垂直于膜片平面的Z方向上力平衡地相互抵消。因为这两个力彼此错开距离a，所以这两个力产生转矩Mz(t)＝F1z(t)*a。
由于膜片1的弯曲运动，在夹紧装置3上产生使保持环6略微发生形变的转矩。膜片夹紧装置上的刚度根据运动方向略有不同，例如，当它向外运动时，那么夹紧装置中的膜片移动略微变大，或当它向内运动时，则变小。这样导致膜片1在振荡运动期间在径向上进行少量偏移ex并因此由于运动的质量而在两侧各产生一种力F1x/2。这两个在左侧和右侧在相同的方向上作用。径向上总的膜片运动相应于偏移ex。转矩Mx(t)＝F1x*b与振荡运动每个相位上的转矩Mz(t)相反地作用。
在杆臂b的尺寸设定正确的情况下，Mx(t)＝Mz(t)，从而这种振荡系统本身退耦。夹紧装置上的反作用力Fr和反作用力矩Mr都变为零。因此仅使用膜片1产生振荡，但一部分夹紧装置用于吸收力和力矩。
夹紧装置3在这里可以理解为弹性保持环6，保持环6以其下部区域固定在实心旋接件7上。
图3示出膜片1和夹紧装置3或夹紧装置3的上部环6的另一剖面。虚线示出两个振荡方向。与振荡方向垂直的平面在径向上没有力和力矩，这是因为振荡平面上几乎无运动的“中性线”(沿Y轴线表示)与膜片1相反地在理想情况下不发生形变。
图4所示的膜片振荡器配有作为止动单元4的推杆，该推杆将膜片1与夹紧装置3的旋接件7牢固地连接。但推杆4不必直接与旋接件7连接。对于基本振荡的止动功能来说，仅须设置有至少一个固定装置。在推杆4之间在下端安装压电环形件8，利用该压电环形件8将膜片1作为驱动/接收单元2进行激励。
为进行振荡激励，压电元件8具有两个彼此电学隔离的电极。如果对第一电极施加交流电压并对第二电极施加同样大小但反相存在的交流电压，那么推杆4由于压电元件2在轴向上不对称的变形而产生弯曲振荡。推杆4的往复运动向膜片1上传递交变力矩。振荡频率在此相应于反相膜片模式的固有频率。
通过推杆4的强制运动，振荡器内存在的第一固有模式或基本模式不会受到激励，这对于包括这里未示出的、与驱动/接收单元2连接的反馈电子装置在内的整个振荡系统来说是具有优点的。
图1的双晶片驱动装置可以设计为直至最大150℃都能行使功能，而推杆驱动装置则可以直至高于300℃下使用。应用极限不受振荡材料本身的限制，而是受到所使用的压电材料限制。在过程压力负荷方面，推杆4与双晶片实施方案相比提供附加的优点，这是因为推杆4使膜片稳定化并因此可以传递更高的压力负荷。
如果观察图4所示的振荡模式(虚线)，那么可以看到如下的一个位置，在该位置上由于膜片1的反相运动而不存在或者仅存在非常小的运动。确切地说是膜片中心的一个点或横向于对称轴线的一条线，其几乎是不运动的。如果将推杆4固定在膜片中心的附近，则不再存在自由膜片的基本模式，这是因为在轴向的Z轴方向上的自由度受到推杆限制，也就是说，基本模式被止动。因此，存在于振荡器内的第一固有模式是反相的膜片运动，也就是膜片1的第一谐波，这样在电子装置设计方面提供了优点。附加的优点见于压力范围内。推杆提高了处于过程压力下的膜片1的稳定性。对于具有厚度为0.8mm的、3/4英寸大的膜片1的传感器，可达到的最大过程压力处于100巴的数量级，而无需担心塑性变形。此外，具有优点的是，推杆4可以直接作为驱动装置使用。为此轴向极化的压电元件8以半侧隔离的电极(对称轴线的右侧和左侧)张紧到推杆4之间。在对一个电极施加交流电压并反相地对另一电极施加交流电压(通过所施加的交流电压信号的两个信号变化曲线来表示)的情况下，压电元件2横向于对称轴线地将依赖于时间的转矩传递到推杆4上。该转矩通过弹性的连接件直接传递到膜片1上。膜片1反相的振荡模式的激励频率在此相应于膜片1的反相弯曲模式。整个膜片1以基波振荡朝相同方向运动的同相模式不能通过驱动装置2发生振荡。
图5示出振荡产生的另一方案，其中，驱动/接收单元2安装在止动单元4的侧上。膜片1在这种情况下处于振荡中。在这里同样产生弯曲运动，弯曲运动激励推杆4屈曲运动。这种振荡产生也可以将线圈设置在止动单元4上的方式产生。在该图示中，还可以看到夹紧装置3的上部作为环6，该环6与主体7牢固连接。
图6a示出压电元件8，例如其可以用于驱动/接收单元那样。元件8呈盘状地带有圆形或者椭圆形的表面，利用该表面优选也固定在膜片上。极化在此优选分布在轴向上，也就是说，在安装状态下垂直于膜片平面。在这种构造方案中，在此元件8两个区域9的极化彼此相反地指向。这一点通过正号或负号表示。
在图6b和6c中示出了如下的情况，通过电极10对压电元件8施加交流电压(图6b中具有+E的状态和图6c中具有-E的状态)。元件8的下部面在这里完全接地。根据施加的电压，区域9收缩或伸展，从而交流电压也产生压电元件8厚度的相应振荡。这时，优点在于，唯一的压电元件8大致产生两部分运动。通过与膜片的配合连接，膜片的各一个分区-分别在依赖于分区处于压电元件8的哪个区域上方的情况下-进行本身的振荡，其中此外，处于压电元件的区域上方的分区的振荡是反相的。此外，不允许该压电元件8激励膜片的基本模式。
为使分区各自承受相同的力或也为使探测时振荡的灵敏度同样各自等大，压电元件1分离的区域9分别具有基本相同的尺寸。
图7示出针对驱动/接收单元2或压电元件8以及膜片1的构造方案的三种示例性方案。
图7a示出固定在膜片1内侧上的压电元件8。膜片1在这里应被激励产生如下的振荡，其中，两个对称的分区彼此反相地振荡。也就是大致激励第一谐波。膜片1在此为圆形，从而两个分区各自形成一个半圆。膜片1在此-在这里未示出地-在其边缘上力配合地与过程连接部连接。
压电元件8在轴向上轴向极化，也就是说，极化与膜片平面垂直地分布。压电元件8上安装有两个对称的电极10。为了产生振荡而向电极10分别发出反相信号。当特别地为交流电压信号时，那么压电元件8的区域9分别实施反相的厚度振荡，也就是说，一个区域收缩，这样另一个区域伸展。
特别是在这里压电元件8的两个区域9之间的分离区处于膜片1的分离区或分界线的上方，从而压电元件8的一个区域恰好处于膜片1的一个分区的上方(或从过程侧来看处于膜片1的一个分区的下方)。也就是说，这里圆形的压电元件8设置在这里圆形膜片1的中心。压电元件8在此例如为陶瓷或者在另一构造方案中为单晶体。
在图7b中，两个电极10电短接。在此，在这里特别地能导电地构造的膜片1与另一个电极连接。将交流电压施加到压电元件8的或膜片1的电极10上，从而产生振荡。
图7c示出另一构造方案，其中，压电元件8安装在膜片1的一个分区的下方。压电元件8在这里完全用于产生相应分区的振荡。在这里同样将交流电压信号施加到膜片1的或压电元件8的电极上。整体上，膜片1两个对称的、也就是等大的分区由此也反相地振荡。
因此，在依据本发明的测量装置中，将由膜片分区的反相振荡组成的膜片谐波用于确定和/或者监测过程变量。作为选择可以这样表达，即，激励膜片产生如下的振荡模式，该振荡模式处于基本模式或者具有最低固有频率的模式的上方，以及该模式的特征在于，膜片彼此对称的分区进行反相振荡。在此，测量从膜片1与介质之间的相互作用出发或从介质对机械振荡特征值的作用出发。
谐波在此例如这样产生，即，驱动/接收单元只能产生谐波或者相配地抑制膜片的基波。
图8以剖切的方式示出膜片振荡器的另一构造方案。在这里，膜片振荡器是一种俯仰驱动装置。俯仰件处于膜片1后面，也就是处于远离介质侧上，该俯仰件由在这里与膜片1的面基本上平行地设置的连接片11以及两个承载单元13组成。因此，通过承载单元13将连接片11与膜片1机械地耦合。在这里所示的情况下，俯仰件呈U字形一体地构造。在这里圆形的膜片1中，在此连接片11相当于与膜片1平行的圆的加宽的对角线。
在膜片1的上方设置有止动单元4，止动单元4穿过连接片11的中心。止动单元4和连接片11因此分段地穿过。驱动/接收单元2夹紧地处于止动单元4端部上的柱头与连接片11之间，在这里驱动/接收单元2构造为压电元件8。止动单元4穿过圆形压电元件8的中心。压电元件8-如上面详细介绍的那样-具有两个彼此相反极化的区域。当向该元件8施加电压时，那么这导致连接片11的一侧移向膜片1的方向而另一侧远离膜片移开。也就是说，特别是连接片的端区12呈现出反相运动。因此，通过交流电压获得连接片11的俯仰运动。
在此，两个承载单元13仅以其最靠外的部位上接触膜片1，从而几乎对膜片1的机械特性没有影响。
附图标记列表
表1
| 1 | 膜片 |
| 2 | 驱动/接收单元 |
| 3 | 夹紧装置 |
| 4 | 止动单元 |
| 5 | 评估单元 |
| 6 | 环 |
| 7 | 旋接件 |
| 8 | 压电元件 |
| 9 | 压电元件的区域 |
| 10 | 电极 |
| 11 | 连接片 |
| 12 | 连接片的端区 |
| 13 | 承载单元 |
Claims (35)
1.用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量的装置，所述装置具有至少一个拥有大量自然固有模式的可机械振荡的膜片(1)以及至少一个驱动/接收单元(2)，所述膜片(1)利用膜片的边缘区域固定在夹紧装置(3)上并且以正面齐头的方式安装在容器上，所述驱动/接收单元(2)激励所述膜片(1)机械振荡和/或者从所述膜片(1)接收机械振荡，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)仅进行与处于所述膜片(1)的基本模式之上的模式相应的机械振荡。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和/或者彼此相对设置为使得基本上阻止所述膜片(1)出现与所述膜片(1)的所述基本模式相应的机械振荡。
3.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)基本上仅激励所述膜片(2)振荡。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)实施这样的机械振荡，即，膜片(1)形成2*n个分区以及各自相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)实施这样的机械振荡，即，膜片(1)形成2*n个对称分区以及各自相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。
6.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜片(1)靠近所述介质的一侧不具有可振荡的单元。
7.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在所述膜片(1)在无介质时振荡的情况下，所述膜片(1)以大于2kHz的频率机械振荡。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在所述膜片(1)在无介质时振荡的情况下，所述膜片(1)以大于5kHz的频率机械振荡。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在膜片(1)在无介质时振荡的情况下，所述膜片(1)以大于20kHz的频率机械振荡。
10.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述膜片(1)呈圆形。
11.按权利要求1所述的装置，其特征在于，具有至少一个评估单元(5)，所述评估单元(5)在所述过程变量方面对所述膜片(1)的机械振荡进行评估。
12.按权利要求11所述的装置，其特征在于，所述评估单元(5)至少在如下方面对机械振荡进行评估，即：所述介质是否至少部分覆盖所述膜片(1)。
13.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)具有至少一个压电元件(8)。
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8)被构成和/或者触点接通为使得所述压电元件(8)具有至少两个分离的区域(9)，以及所述压电元件(8)被这样设置并与所述膜片(1)连接，使得所述压电元件的所述两个分离的区域(9)分别激励所述膜片(1)的一个分区机械振荡。
15.按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8)的所述至少两个分离的区域(9)之间的分离区基本上设置在所述膜片(1)的所述分区之间的分离区附近。
16.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8)被这样设置并与所述膜片(1)连接，使得所述压电元件(8)激励所述膜片(1)的一个分区机械振荡。
17.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)具有至少两个压电元件(8)，以及所述压电元件(8)在所述膜片(1)的不同区域上与所述膜片(1)连接。
18.按权利要求17所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8)使所述膜片(1)产生弯曲变形。
19.按权利要求1所述的装置，其特征在于，具有至少一个止动单元(4)，所述止动单元(4)被这样构成并与所述膜片(1)连接，使得所述膜片(1)的所述基本模式的振荡被所述止动单元(4)阻止。
20.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4)固定在所述膜片(1)远离所述介质的一侧上。
21.按权利要求20所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4)基本上固定在所述膜片(1)的中心。
22.按权利要求19所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)被这样构成并与所述止动单元(4)连接，使得所述驱动/接收单元(2)通过所述止动单元(4)激励所述膜片(1)机械振荡。
23.按权利要求22所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)在远离所述膜片(1)的一侧上与所述止动单元(4)机械地连接。
24.按权利要求23所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)基本上产生屈曲运动。
25.按权利要求22所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)沿所述止动单元(4)的对称轴线与所述止动单元(4)机械地连接。
26.按权利要求22所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)沿所述止动单元(4)的对称轴线与所述止动单元(4)力配合地连接。
27.按权利要求25或26所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)沿所述对称轴线使所述止动单元(4)产生弯曲运动。
28.按权利要求1所述的装置，其特征在于，具有至少一个连接片(11)；所述连接片(11)与所述膜片(1)机械地耦合；以及所述驱动/接收单元(2)被这样构成并与所述连接片(11)连接，使得所述连接片(11)实施俯仰运动。
29.按权利要求28所述的装置，其特征在于，具有至少一个止动单元(4)，所述止动单元(4)被这样构成并与所述膜片(1)连接，使得所述膜片(1)的所述基本模式的振荡被所述止动单元(4)阻止。
30.按权利要求28所述的装置，其特征在于，所述连接片(11)通过至少两个承载单元(13)与所述膜片(1)机械地耦合。
31.按权利要求30所述的装置，其特征在于，所述连接片(11)和所述两个承载单元(13)一体地构成。
32.按权利要求29所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4)基本上设置在所述连接片(11)的中心。
33.按权利要求28所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)基本上设置在所述连接片(11)的中心。
34.按权利要求32所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)基本上设置在所述连接片(11)的中心。
35.按权利要求29所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4)贯穿所述连接片(11)或者所述连接片(11)贯穿所述止动单元(4)；以及所述驱动/接收单元(2)呈环形；其中，所述止动单元(4)贯穿伸出所述环形的驱动/接收单元(2)；或者其中，所述环形的驱动/接收单元(2)贯穿伸出所述止动单元(4)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121003 |