CN102032939B - 振级传感器 - Google Patents

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Abstract

振级传感器，其包括：具有至少两个振荡棒(4，5)的机械振动结构(8)，该振荡棒在薄膜的中心(6)和边缘(7)之间的位置处相对地连接至薄膜(3)；一侧由薄膜(3)封闭的壳体(1)；以及机电转换器(9)，其设置在壳体(1)中，利用电励磁移动薄膜(3)的中心(6)，以导致振荡棒(4，5)执行垂直于其纵向轴线的相对振动。为了提供能够在较宽的温度范围和各种材料中操作的振级传感器，机电转换器(9)在远离薄膜(3)的一侧由壳体(1)内的支撑件(12)支撑，并且，从第一端的较大直径向第二端的较小直径逐渐变细的固体材料的振动能量集中元件(14)设置在机电转换器(9)和薄膜(3)之间，第一端与机电转换器(9)的面向薄膜(3)的侧部平面接触，第二端与薄膜(3)的中心(6)接触。

Description

振级传感器
技术领域
本发明涉及一种振级传感器，其包括：具有至少两个振荡棒的机械振动结构，该振荡棒在薄膜的中心和边缘之间的位置处相对地连接至薄膜；一侧被薄膜封闭的壳体；以及机电转换器，其设置在所述壳体中，利用电励磁移动薄膜中心，以导致振荡棒执行垂直于其纵向轴线的相对振动。
背景技术
已知这种振级传感器具有不同形式。在所有形式中，夹紧螺钉用来将电致膨胀和压电元件的堆叠体的收缩传递至薄膜，并导致薄膜和振荡棒的振动。用相同的压电元件诱导和测量振动。振级传感器适合于较宽的液体和固体范围，包括浆体和颗粒状材料。当振荡棒自由振动时，其由压电元件驱动至其共振频率。当检测到材料的振级增加时，材料减弱或阻止振荡棒的运动。检测到此变化，以产生指示或控制输出。振级传感器适合于许多需要振级检测的测量情况，包括泵控制、高等级或低等级警报(例如，干运行)，以及两个不同材料之间的界面的检测。
EP0810423公开了一种振级传感器，其中，夹紧螺钉与薄膜中心稳固地连接，并贯穿固定地设置在离薄膜一定距离的底板中的孔。同心地设置在底板上并围绕夹紧螺钉的是由绝缘盘分开的环形压电元件堆叠体。上堆叠体封闭物由刚性压力盘形成，并且，推压此盘的是拧在夹紧螺钉的上端的六角螺母。
在从US5408168已知的另一实施方式中，上述底板被压力盘替代，压力盘形成压电堆叠体的下封闭物并抵压在环形肩部上，环形肩部围绕薄膜的内圆形表面径向地延伸。
在从US6138507已知的变型实施方式中，压力盘不是抵压在肩部上，而是抵压在压力销上，压力销以环形布置整体地形成于薄膜上。
在从US6545556已知的又一实施方式中，机电转换器的力由支撑环直接耦合至薄膜，支撑环将薄膜同心地连接至其中心。
振幅和频率的变化不仅取决于振荡棒浸入待测材料的程度，而且取决于此材料的密度、粘度、温度和压力。因此，当其到达此材料的较高温度或较高粘度时，振级传感器的敏感性可能变得过低，或可能需要更精密的阈值检测机构。此外，机电转换器(典型地包括压电元件，即使不是总是这样)不能暴露在较高的温度下。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提供一种能够在较宽的液体和固体范围内操作的振级传感器。
根据本发明，对于开始提到的类型的振级传感器，本目的可以这样实现，即机电转换器在远离薄膜的一侧由壳体内的支撑件支撑，并且，从第一端的较大直径向第二端的较小直径逐渐变细的固体材料的振动能量集中元件设置在机电转换器和薄膜之间，其中，第一端与机电转换器的面向薄膜的侧部平面接触，第二端与薄膜中心接触。
已知逐渐变细的能量集中元件与超声连接或焊接应用有关。
振动能量集中元件将由机电转换器产生的纵向(即，垂直于薄膜)振动的振幅放大，放大的振幅垂直地耦合入薄膜中。因此，振级传感器的敏感性增加。此外，振动能量集中元件将机电转换器与薄膜及振级传感器的处理环境隔离。
机电转换器可以是步进式的或连续式的，优选地是按指数规律(exponentially)变细的。
振动能量集中元件的第二端优选地是圆角的或尖角的，以使得能够与薄膜点接触。在此连接中，振动能量集中元件可将其第二端设置于薄膜中的凹槽的中心，以防止横向位移。
如果不是圆角的或尖角的，那么，振动能量集中元件的第二端可以是粗糙的、结构化的或锯齿状的，以使得能够与薄膜多点接触。然后，薄膜可设置有与振动能量集中元件的第二端中的定心孔接合的定心销，以防止横向位移。出于相同原因，机电转换器优选设置为环形，并且，振动能量集中元件由贯穿环形转换器并啮合振动能量集中元件的螺钉固定至支撑件。
为了确保机电转换器、振动能量集中元件和薄膜之间的紧密接触，支撑件可固定地设置在壳体内并且可在支撑件和机电转换器之间设置弹簧。替代地，支撑件能够可移动地设置在壳体内并且可在支撑件和壳体内的固定支撑件之间设置弹簧。
在优选实施方式中，支撑件包括保持在壳体的圆周槽中的支撑板。
壳体优选地是螺纹套筒，其设置有用于将振级传感器安装在包含或传输需被监测振级的材料的容器、罐子、器皿、管子等的壁中的外螺纹。
附图说明
现在将参照附图通过实例描述本发明，其中：
图1至图4是根据本发明的振级传感器的不同实施例的纵向截面，
图5至图8示出了振动能量集中元件的不同实施例。
具体实施方式
图1示出了具有螺纹套筒形式的壳体1的振级传感器，螺纹套筒带有用于将振级传感器安装在，例如容器的壁中的外螺纹2。杯形壳体1在其打开侧处由薄膜3封闭。在壳体2外部的侧面上，两个振荡棒4，5在其中心6和其边缘7之间的位置处相对地连接至薄膜3。薄膜3和两个振荡棒4，5形成机械振动结构8，设置在壳体1内的机电转换器9使机械振动结构8开始振动。机电转换器9可以是磁致伸缩转换器或压电转换器。在所示实例中，机电转换器9包括由绝缘盘11分开的环形压电元件堆叠体10。机电转换器9在远离薄膜3的一侧由支撑件12支撑，支撑件12是板形的并支持于壳体1中的圆周槽13中。固体材料(例如，铝或钢)的振动能量集中元件14设置在机电转换器9和薄膜3之间。振动能量集中元件14是喇叭形的，优选地按指数规律从第一端的较大直径向第二端的较小直径逐渐变细，其中，第一端与机电转换器9的面向薄膜3的侧部平面接触，第二端与薄膜3的中心6接触。在支撑件一侧上，振动能量集中元件14由螺钉15固定，以防止横向位移，螺钉15贯穿支撑板12和转换器9并与振动能量集中元件14啮合。在薄膜一侧上，振动能量集中元件14通过定心销16和孔的啮合来固定至薄膜3。通过电励磁，机电转换器9将纵向振动波17通过振动能量集中元件14传递至薄膜3的中心6，从而导致振荡棒4，5执行垂直于其纵向轴线的相对振动。如图1的右手侧所示出的，当纵向振动波17通过振动能量集中元件14传播时，其在薄膜3处被放大至最大振幅A。
图2示出了振级传感器的另一实施方式，其中，支撑板12可移动地设置在壳体1中，并且，弹簧18设置在支撑板12和固定支撑件之间，这里，固定支撑件是槽13的肩部。
图3示出了振级传感器的又一实施方式，其中，弹簧18设置在支撑板12和机电转换器9之间。
图4示出了与图2的实施方式相似的另一实施方式，其中，壳体的后壁用作弹簧18的固定支撑件。
图5至图8示出了振动能量集中元件的不同实施方式，其中，振动能量集中元件14的第二端是圆角的(图5)或尖角的(图6)，以使得能够与薄膜3点接触，或者，振动能量集中元件14的第二端是锯齿状的(图7)或结构化的或粗糙的(图8)，以使得能够与薄膜3多点接触。为了防止横向位移，振动能量集中元件14的圆角端或尖角端设置在薄膜3的凹槽19的中心。

Claims (15)

1.振级传感器，包括：
机械振动结构(8)，具有至少两个振荡棒(4，5)，所述振荡棒在薄膜的中心(6)和边缘(7)之间的位置处相对地连接至所述薄膜(3)，
壳体(1)，一侧被所述薄膜(3)封闭，以及
机电转换器(9)，设置在所述壳体(1)中，利用电励磁移动所述薄膜(3)的中心(6)，以导致所述振荡棒(4，5)执行垂直于其纵向轴线的相对振动，
其特征在于，
所述机电转换器(9)在远离所述薄膜(3)的一侧由所述壳体(1)内的支撑件(12)支撑，并且，
从第一端的较大直径向第二端的较小直径逐渐变细的固体材料的振动能量集中元件(14)设置在所述机电转换器(9)和所述薄膜(3)之间，所述第一端与所述机电转换器(9)的面向薄膜(3)的侧部平面接触，所述第二端与所述薄膜(3)的中心(6)接触，
其中，所述振动能量集中元件(14)是喇叭状地按指数规律从第一端的较大直径向较小直径逐渐变细。
2.根据权利要求1所述的振级传感器，其特征在于，所述振动能量集中元件(14)的所述第二端设置于所述薄膜(3)中的凹槽(19)的中心。
3.根据权利要求1所述的振级传感器，其特征在于，所述振动能量集中元件(14)的所述第二端是粗糙的、结构化的，以使得能够与所述薄膜(3)多点接触。
4.根据权利要求3所述的振级传感器，其特征在于，所述振动能量集中元件(14)的所述第二端是锯齿状的，以使得能够与所述薄膜(3)多点接触。
5.根据权利要求1或4所述的振级传感器，其特征在于，所述薄膜(3)设置有与所述振动能量集中元件(14)的所述第二端中的定心孔耦合的定心销(16)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的振级传感器，其特征在于，所述机电转换器(9)是环形的，并且，所述振动能量集中元件(14)由贯穿环形的所述机电转换器(9)并啮合所述振动能量集中元件(14)的螺钉(15)固定至所述支撑件(12)。
7.根据权利要求5所述的振级传感器，其特征在于，所述机电转换器(9)是环形的，并且，所述振动能量集中元件(14)由贯穿环形的所述机电转换器(9)并啮合所述振动能量集中元件(14)的螺钉(15)固定至所述支撑件(12)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)固定地设置在所述壳体(1)内，并且，在所述支撑件(12)和所述机电转换器(9)之间设置有弹簧(18)。
9.根据权利要求7所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)固定地设置在所述壳体(1)内，并且，在所述支撑件(12)和所述机电转换器(9)之间设置有弹簧(18)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)可移动地设置在所述壳体(1)内，并且，在所述支撑件(12)和所述壳体(1)内的固定支撑件之间设置弹簧(18)。
11.根据权利要求9所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)可移动地设置在所述壳体(1)内，并且，在所述支撑件(12)和所述壳体(1)内的固定支撑件之间设置弹簧(18)。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)包括保持在所述壳体(1)的圆周槽(13)中的支撑板。
13.根据权利要求11所述的振级传感器，其特征在于，所述支撑件(12)包括保持在所述壳体(1)的圆周槽(13)中的支撑板。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的振级传感器，其特征在于，所述壳体(1)是螺纹套筒。
15.根据权利要求13所述的振级传感器，其特征在于，所述壳体(1)是螺纹套筒。
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