CN101960271B - 振动元件设备 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种振动尖叉式液位检测装置及其形成方法，其特别适合于在经受快速温度变化的环境中运行。产生尖叉(11)振动的压电叠层(15)设置在壳体(18)内。壳体(18)依次设置在由尖叉从其上延伸的隔膜(6)和壁部(7)限定的中空体(14)内。壳体(18)连接至壁部(7)的内表面，靠近壁部(7)和隔膜(6)之间的连接处。由此，壳体(18)在压电叠层(15)维持基本恒定的压紧的能力基本不受壁部(7)热膨胀或收缩的影响。
Description
技术领域
本发明涉及新颖形式的振动元件设备，并且特别地，已经设计为提供一种流体液位传感器，其用在经受或可以经受快速的温度变化。然而，本领域技术人员将会理解，本发明还可以适用于构造为测量密度和/或粘性的振动元件设备。
背景技术
包括一个或多个振动元件的各种形式的设备在工厂或过程控制领域中是熟知的，一个例子为接触式流体液位传感器。典型接触式流体传感器包括安装在隔膜上的一对间隔开的尖叉，隔膜又限定中空圆柱体的一端。尖叉设置为以给定频率(通常为它们的共振频率)振动，并且振动通常受到隔膜中心的借助于位于该中空体内的压缩压电元件叠层的移位的影响，并由循环电压驱动。当振动中的尖叉由流体接触时，它们振动的频率出现变化。通过检测这种频率变化，人们可以确定升高的流体液位接触尖叉的时间。同样地，人们可以检测流体液下降到尖叉水平以下的时间。
在英国专利No.2 150 292中描述了这种类型的接触式液位传感器的早期例子。在这种装置中，压电元件叠层通过安装在连接件中的压紧螺钉压在隔膜的内侧或背侧，该连接件在所述叠层的远离隔膜的那一端上延伸。间隔开的尖叉从隔膜的外侧或前侧延伸，所述隔膜形成其中设置压电叠层的中空体的一端。连接件依次安装在从隔膜内侧延伸并设置在中空体内的一对间隔开的杆状支架上。当压电叠层经受循环驱动电压时，其在压紧螺钉和隔膜之间膨胀和收缩，使隔膜变形，并使尖叉振动。
将会认识到，如果隔膜要为杆状支架提供安装点，则它必须相对结实。这种要求与隔膜相对较薄且因此要求最低的能量施加至压电元件以建立尖叉的振动的通常要求矛盾。
在已公开的国际专利申请WO 01/95667中示出了解决后一种要求的装置的形式。在这种装置中，压电叠层通过插塞压靠在隔膜的内表面上。插塞在其外围具有螺纹，其接合设置在中空体的内表面上的对应的螺纹。通过使插塞相对于中空体旋转，压电叠层上的压紧可以被建立，如果必要，可以被调节。这种配置优选在仪器在基本恒定的温度下运行时进行的非常好。然而，如果仪器受到大的温度变化，则隔膜和插塞连接的壁部将对温度变化起反应，达到比容纳在该仪器内的元件(特别是压电叠层)大的程度。更特别地，如果环境受到明显的温度升高，则壁部将膨胀。这将使施加至压电叠层的压缩力降低，可能降低到仪器不再起作用的程度。如果环境温度明显降低，则壁部将收缩。这将增加施加至压电叠层的压缩力，并且可能通过压碎损坏压电元件。可替换地，或者此外，降低的温度可能引起提供夹紧力的部件变为被过压，并且放松了它们在温度再次增加时维持所要求的夹紧力的能力。
在美国专利US6,644,116中特别解决了经受快速温度变化的这种类型的装置的问题。在该专利中描述的装置结合从外壁向内间隔开的套筒，以形成用于压紧螺钉或的插塞的座架。在一种实施方式中，套筒安装在隔膜的内表面上，因此具有与上述UK 2 150 292相关联的相同的缺点。在第二优选实施方式中，隔膜和外壁设置为分离部件。围绕套筒的一端形成的套环位于隔膜和壁部之间，这三个部件随后焊接在一起。这种配置在将压紧螺钉与膨胀或收缩的外壁分开方面是有效的，但由于本体本身与隔膜隔开，由所述壁/隔膜单元限定的本体的固有完整性丧失了，所产生的装置必须经受压力测试，以确保结实目的。
本发明的目标是解决上述问题，或者提供可适用于液位检测仪器的方法和/或设备，其将至少提供新颖和有用的选择。
发明内容
因此，在一个方面中，本发明提供了一种形成振动元件设备的方法，所述设备包括：
壁部，具有内表面和外表面；
隔膜，与所述壁部一体地形成，并封闭所述壁部的一端，所述隔膜具有内表面和外表面，所述壁部和所述隔膜的内表面限定中空体；
一个或多个振动元件，从所述隔膜的外表面延伸；
一个或多个压电元件，设置在所述中空体内；和
压缩装置，可操作地将所述一个或多个压电元件压在所述隔膜的内表面上；
所述方法的特征在于，提供可设置在所述中空体内的壳体，从所述壁部向内间隔开，以用作所述压缩装置的座架，并且
所述壳体靠近所述壁部和所述隔膜之间的连接处固定至所述壁部的内表面。
优选地，该方法还包括为所述壳体设置形状形成为与所述壁部的所述内表面一致的一个或多个固定面部分。
优选地，该方法还包括构造所述壳体，使得在组装时，所述固定面部分抵抗所述壳体的固有弹性移位，以允许所述壳体装配到所述中空体内。
优选地，该方法包括将所述壳体与所述隔膜的内表面间隔开，以确保在所述一个或多个振动元件的运动期间，所述壳体不干扰所述隔膜的位移。
优选地，所述壳体通过从铜焊、粘接、摩擦焊接、电阻焊接、点焊、电子束焊接和激光束焊接、或者这些方法中多于一种的结合中选择的方法固定至所述壁部。
可替换地，该方法包括采用定位环或簧环将合适构造的壳体保持在对应构造的壁部内。
在第二方面中，本发明提供了一种振动元件设备，包括：
壁部，具有内表面和外表面；
隔膜，与所述壁部一体地形成，并封闭所述壁部的一端，所述隔膜具有内表面和外表面，所述壁部和所述隔膜的内表面限定中空体；
一个或多个振动元件，从所述隔膜的外表面延伸；
一个或多个压电元件，设置在所述中空体内；和
压缩装置，可操作地将所述一个或多个压电元件压在所述隔膜的内表面上；
所述设备的特征在于，它包括设置在所述中空体内的壳体，从所述壁部向内间隔开，以用作所述压缩装置的座架，并且所述壳体靠近所述壁部和所述隔膜之间的连接处固定至所述壁部的内表面。
优选地，所述壳体包括形状形成为与所述壁部的所述内表面一致的一个或多个固定面部分。
优选地，所述固定面部分限定在间隔开的支腿上，所述支腿从其上或其中包括所述压缩装置的套环凸起。
优选地，所述壳体具有固有弹性，使得在组装时，所述固定面部分弹性移位，以允许所述壳体装配到所述中空体内。
优选地，所述壳体构造为相对于所述隔膜设置并支撑所述至少一个压电元件。
优选地，所述至少一个压电元件安装成包括多个压电元件、绝缘体和连接器的叠层。
优选地，所述壳体与所述隔膜的内表面间隔开，以确保在所述一个或多个振动元件的运动期间，所述壳体不干扰所述隔膜的位移。
优选地，所述一个或多个振动元件包括一对尖叉。
一旦阅读了接下来的描述，以本发明可以实现的方式进行的多种变化将它们本身呈现给本领域技术人员。所述描述不应当认为是限制，而仅是实现本发明的一种方式的说明。无论是否具体提及，只要合适，任何元件或组件都应当理解为包括其任何或所有等同物。
附图说明
现在将参照附图，描述用于使本发明实现的一种方法和设备，在附图中：
图1示出穿过根据本发明的液位检测传感器形式的振动元件设备的截面；以及
图2示出结合在图1中示出的设备中的壳体的等距视图；
具体实施方式
本发明提供了一种新颖形式的振动元件设备，在在此描述的实施方式的情况中，其结合在音叉型液位检测传感器5中，并提供了形成该振动元件设备的方法。然而，将会认识到，类似构造的装置可以用来测量密度和/或粘性。
在熟知的方式中，设备5包括隔膜6，其与圆筒形壁部12一体形成，并封闭圆筒形壁部7的一端。隔膜具有内表面9和外表面10。一对尖叉(在11处示出其中的一个)从外表面10上延伸。
壁部7具有内表面12和外表面13。隔膜的内表面9和壁部的内表面12结合起来限定中空体14。
位于中空体14中的是一个或多个压电元件，与衬垫、绝缘体、连接器等结合，其包括借助于压缩装置，优选借助于压紧螺钉16保持为压紧在隔膜的内表面9上的叠层15。到至此描述的程度，该设备完全是常规的。通过将循环电压施加至压电元件，使隔膜6周期性地变形，依次使尖叉11振动。
本发明的特征部分在于，叠层15设置在壳体18内，压紧螺钉16螺纹安装在壳体18的远离隔膜6的那一端处。可以看出，壳体18设置在中空体14内，但在壁部7的内表面12内，并靠近隔膜6和壁部7之间的接合处固定至壁部7的内表面12。结果，当经受快速的温度变化时，壁部7的轴向膨胀或收缩将不使压电叠层15上的压紧改变至设备停止运行的程度-或者因为所述压紧降低到不允许尖叉振动的程度，或者增加至压碎和破坏压电元件的程度，或者过压提供夹紧的部件。
现在参照图2，壳体18优选由从公共套环21的一侧延伸的多个支腿20限定。位于每个支腿20的自由端处的是固定面部分23，壳体借助于固定面部分23固定到壁部7的内表面12上。此时将注意到，每个固定面部分23具有对应于内表面12的曲率的曲率。
在图示的实施方式中，设置了四个支腿20。这个数量不关键，虽然认为偶数个支腿是优选的，以确保振动结构上的平衡加载。每个支腿20优选沿箭头24的方向向外张开，使得一旦组装，则抵抗将要组装在中空体14内的壳体的固有弹性向内移位支腿。一旦松开移位力，支腿恢复至它们的初始结构，通过这样做，使壳体在中空体14内对中，并将壳体18保持在合适的位置上，同时实现到壁部7的固定。可替换地，支腿可以形成为容易装配在中空体14内，并且一旦壳体在本体14内处于合适的位置，通过合适的冲压机或夹具，支腿就向外张开，与内壁面12接触。
支腿20的固定部分23可以通过大量方法固定至壁部7的内表面12，所述方法包括但不限于铜焊、粘接、摩擦焊接、电阻焊接、点焊、电子束焊接和激光束焊接、或者这些方法中多于一种的结合。在图示的特定实施方式中，固定是通过铜焊，特别是通过采用真空焊接烤炉的铜焊实现的。优选使用Ni或Cu基铜焊。例如EN 1044型Ni 102材料，其形式为来自Wall-Colmonoy的NICROBRAZ LM。这种特定材料以膏状施加至设置在固定面部分23中的凹槽25。随后壳体组装到中空体14中，优选采用夹具，以确保在壳体和隔膜6的内表面9之间留下约1.5mm的小间隙，以确保壳体不干扰隔膜的振动。一旦将壳体放置到中空体14中，则将组件放置到真空烤炉中并加热，以实现固定。对壁部和壳体都采用316级别的不锈钢，并采用所确定类型的Ni-基铜焊混合物，通过加热至约1040℃并保持在该温度约2分钟，则实现固定。
将会认识到，铜焊材料可以以不同于膏状的形式提供。例如，它可以以线环形式提供。其它固定材料也可以以使它们的使用效率最高且有效的形式提供。
还设想壳体可以通过机械连接固定至壁部。例如通过将环或簧环保持在恰当构造的壳体和壁部上。
最后，将注意到，壳体优选设置有狭槽27，其延伸壳体的整个长度，包括穿过套环21，以为将压电元件提供至驱动器和处理电子设备的导线提供通道。此外，该狭槽不是必须的，所要求的间隙也可以通过套环中的切口或通过压紧螺钉中的孔或狭槽实现。
因此，将会认识到，本发明提供了一种有效形式的音叉式液位检测传感器及其形成方法，其不仅适用于用在温度快速变化的环境中，而且能够保留适当薄的隔膜，同时维持隔膜/壁部的完整性。由于本发明不涉及对外体的任何修改，则其它好处在于，与用在现有形式的液位检测传感器中相同的外体和处理电子设备可以用来实现本发明。
Claims (7)
1.一种振动元件设备，包括：
壁部，具有内表面和外表面；
隔膜，与所述壁部一体地形成，并封闭所述壁部的一端，所述隔膜具有内表面和外表面，所述壁部和所述隔膜的内表面限定中空体；
一个或多个振动元件，从所述隔膜的外表面延伸；
一个或多个压电元件，设置在所述中空体内；和
压缩装置，可操作地将所述一个或多个压电元件压在所述隔膜的内表面上；
所述设备的特征在于，所述设备包括：设置在所述中空体内的分开的壳体，所述壳体从所述壁部向内间隔开，以用作所述压缩装置的座架，并且所述壳体具有多个间隔开的支腿，在靠近所述壁部和所述隔膜之间的连接处，支腿的固定部分固定至所述壁部的内表面。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述支腿的每一个包括一个或多个固定面部分，所述一个或多个固定面部分的形状形成为与所述壁部的所述内表面一致。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述支腿从其上或其中包括所述压缩装置的套环凸起。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述壳体构造为相对于所述隔膜定位并支撑所述至少一个压电元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述至少一个压电元件安装成包括多个压电元件、绝缘体和连接器的叠层。
6.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中，所述壳体与所述隔膜的内表面间隔开，以确保在所述一个或多个振动元件的运动期间，所述壳体不干扰所述隔膜的位移。
7.根据上述权利要求任一项所述的设备，其中，所述一个或多个振动元件包括一对尖叉。
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