CN104204736A - 料位测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种料位测量装置(1)，该料位测量装置(1)具有振动系统(2)，该振动系统(2)包括至少一个管状外部振动元件(21)和内部振动元件(22)，其中外部振动元件(21)至少部分地同轴地围绕内部振动元件(22)。本发明的特征在于，在内部振动元件(22)的内部空间内布置有在轴向方向上可移位且具有至少第一锁定元件(31)、第二锁定元件(32)和联接元件(33)的补偿设备(3)。锁定元件(31、32)和联接元件(33)由压电材料构成，其中联接元件(33)、第一锁定元件(31)和第二锁定元件(32)相互连接。在静止状态中，第一锁定元件(31)和第二锁定元件(32)通过例如摩擦互锁的力互锁与内部空间的壁各自连接。料位测量装置(1)具有电子单元(6)，该电子单元(6)实施为通过电信号将补偿设备(3)定位在可预先确定的位置处。

Description

料位测量装置
技术领域
本发明涉及料位测量装置，所述装置具有振动系统，所述振动系统具有至少一个管状外部振动元件和内部振动元件，其中外部振动元件至少部分地同轴围绕内部振动元件。此料位测量装置已知为单独杆测量装置。料位测量装置用于记录容器内的介质的料位，特别是大量货物的料位。例如，料位测量装置用作限位开关，以监测预先确定的最大或最小料位。
背景技术
从专利DE 19651362 C1中已知用于料位监测的测量装置，所述测量装置具有包括两个杆的振动系统。在此情况中，内部振动杆被管状外部振动杆同轴地围绕。振动杆的每个通过弹性保持部分固定到共享的载体且被激励以执行带有振动系统的固有频率的相对的横向振动。测量装置安装在容器上，使得只要填充物质达到被监测的料位，则外部振动杆接触填充物质。振动幅值作为用于料位检测的被测量变量。
为在沉积形成的情况中保证解耦的振动，内部振动杆包括补偿质量，所述补偿质量可移位地布置，使得内部振动结构的共振频率适配于外部振动结构的共振频率。补偿质量例如固定在具有螺纹的轴向延伸的杆上。电机使杆旋转，使得补偿质量在轴向方向上移动。
在公开文献EP 2273239 A1中描述了料位测量设备，所述设备也具有彼此相互布置的两个管状的振动体。外部振动体通过弹性部分固定到固定系统。在内部振动体的内部内布置了调谐体。调谐体部分地被实施为弹性的，且在压缩下放置在内部振动体内。此外，调谐体包括带有外螺纹的部分，所述外螺纹与内部振动体的内壁内的内螺纹匹配。为调整调谐体的位置，提供了前狭槽，在所述前狭槽内可接合例如螺钉起子的位移工具。调整手动进行或通过电机驱动的控制进行。
通过杆形位移工具手动调整调谐体是不舒服的。相比之下电机控制对于实际应用是复杂的。此外，由于螺钉螺纹，所述的振动系统的制造相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供具有容易地可位移的调谐体的料位测量装置。
此目的通过如下特征实现，其包括在内部振动元件的内部空间内布置在轴向方向上可移位的且具有至少第一锁定元件、第二锁定元件和联接元件的补偿设备，其中锁定元件和联接元件由压电材料构成，其中联接元件、第一锁定元件和第二锁定元件相互连接，且其中第一锁定元件和第二锁定元件在静止状态中通过例如摩擦互锁的力互锁与内部空间的壁各自连接，且料位测量装置具有电子单元，所述电子单元实施为通过电信号将补偿设备定位在可预先确定的位置处。通过在内部振动元件内移位补偿设备，可补偿例如可由于在外部振动元件上的沉积形成或由于腐蚀导致的能量不平衡。
在第一实施例中，将附加质量固定到第一锁定元件和/或第二锁定元件。
在实施例中，内部振动元件是至少部分的管状的。
在实施例中，补偿设备被实施为根据尺蠖(inchworm)原理在轴向方向上移动自身。
实施例包括锁定元件在径向方向上偏振并且联接元件在轴向方向上偏振。
在另外的实施例中，联接元件被实施为使得联接元件在被供给以电压的情况中经历在轴向方向上的纵向延伸。
实施例提供了电子单元，所述电子单元在静止状态为第一锁定元件和第二锁定元件供给以电压，且所述电子单元为了释放壁和第一锁定元件或第二锁定元件之间的力互锁的连接，降低在静止状态为第一锁定元件或第二锁定元件供给的电压。
在实施例中提供有驱动/接收单元，所述驱动/接收单元激励外部振动元件和内部振动元件，来以共振频率执行相对的机械振动。
在实施例中，电子单元被实施为在振动系统的振动的频率改变时移位补偿设备。
在另外的实施例中，电子单元被实施为将补偿设备定位为使得内部振动元件的振动的幅值最大。
本发明的料位测量装置具有自动可定位的调谐体，所述调谐体具有补偿设备的形式。如果外部振动元件上发生沉积或发生腐蚀，则出现内部振动元件和外部振动元件的质量惯性矩的不平衡。这可由振动系统的振动频率改变和降低的振动幅值加以识别。补偿设备轴向可移位，使得内部振动元件的质量惯性矩可被调整，且因此再建立振动平衡。为此要求将补偿设备自身定位在内部振动元件中的位置处。为此目的，仅要求相应的控制信号，所述控制信号由电子单元产生。在振动系统被调谐的情况下，电子单元计算补偿设备的要求的位置且相应地产生控制信号，或电子单元监测振动平衡且产生控制信号使得维持静止状态，如果并非此情况则补偿设备在轴向方向上移位自身。因为补偿设备的移动根据尺蠖原理发生，所以移位以恒定长度的步长的形式发生。此步进移动重复，直至实现内部和外部振动元件的质量惯性矩至少基本上一致的位置。这例如通过关注振动系统的振动幅值或关注内部和外部振动元件的振动幅值为最大值而被检测到。通过尺蠖原理，可实现调谐体的精确定位，使得即使在边界条件改变的情况下，特别是形成沉积时，料位测量也能以高精确度执行。不要求操作人员进行手动更新的干预。此外，补偿设备的移位以高可靠性起作用而不易受到磨损。
附图说明
现在，将基于示意性附图详细解释本发明，附图如下示出：
图1示出了具有带有内部和外部振动元件的振动系统的料位测量装置；
图2a示出了处于静止状态的内部振动元件内的补偿设备；
图2b至图2d示出了在补偿设备移位期间内部振动元件内的补偿设备的阶段。
具体实施方式
图1是振动式料位测量装置1的示意图。振动系统2包括内部振动元件22和外部振动元件21，其中外部振动元件21是管状的且同轴地围绕内部振动元件22。内部振动元件22也基本是管状的。在过程连接5的区域内，外部振动元件21和内部振动元件22机械地相互联接。驱动/接收单元4激励振动系统2以执行机械振动，且接收代表了振动系统2的机械振动的信号。通过过程连接5，料位测量装置1可固定在容器的壁内，使得振动系统2向内突出到容器内部内。除其他之外，容纳了例如具有用于控制料位的测量和确定的微控制器的形式的控制/评估单元8等的现场壳体7位于容器外侧。取决于振动系统2和驱动/接收单元4的实施例，驱动/接收单元4也布置在现场壳体7内。
驱动/接收单元4例如实施为压电变换器单元。此变换器单元从现有技术中已熟知，因此在此仅简单地解释其运行。在一个变形中，多个压电驱动元件和压电接收元件布置成堆叠，所述堆叠在预应力下放置在现场壳体7内的固定装置和振动系统2的基部之间。在另一个变形中，盘形压电元件偏振且提供有电极结构，使得元件用作驱动元件以及接收元件两者。也已知其中内部振动元件22与外部振动元件21在背离过程连接5的端部区域内连接且驱动/接收单元4布置在此面向过程的端部区域内的实施例。对于所有实施例共同的是控制/评估单元8向压电变换器单元供给以电激励器信号，所述电激励器信号导致驱动元件的变形。振动系统2的机械移动通过变换器单元被转换为接收到的电信号，所述电信号被控制/评估单元8评估以用于确定料位。
替代地，振动系统例如可通过电磁驱动器激励以执行振动，其中接收单元也可通过电磁或压电方式实施。
为进行料位测量，控制/评估单元8产生驱动信号，使得驱动/接收单元4激励振动系统2以执行共振振动。外部振动元件21和内部振动元件22实施为使得它们以相同的共振频率振动。外部振动元件21在此情况中与内部振动元件22相反地振动。以此方式，防止可能干扰测量的作用在过程连接5上的力。为进行料位测量，控制/评估单元8评估接收到的电信号的幅值。如果外部振动元件21被待检测的介质覆盖，则机械振动衰减，这导致降低的幅值。
如果在外部振动元件21上形成沉积或发生腐蚀，则振动系统2的共振频率改变。此外，振动幅值变小，因为两个振动元件21、22不再相互匹配。也为在沉积形成和腐蚀的情况中可实现精确的测量，在内部振动元件22内布置了补偿设备3，通过所述补偿设备3可调整内部振动元件22的质量惯性矩，使得振动系统2被再调谐。优选地，电子单元6确定振动系统2的振动幅值或内部振动元件22的振动幅值，且调整补偿设备3，使得调谐到幅值最大。在此情况中，移位优选地通过共振频率的改变被触发。为可相同地对于降低和增加的共振频率起作用，电子单元6确定共振频率的改变方向且相应地控制补偿设备3的移位方向。在沉积形成的情况中，振动系统2的共振频率降低，使得要求补偿设备3离开过程连接5的移位。在腐蚀的情况中，相应地需要在相反的方向上的移位。补偿设备3代表了可移位的质量，所述质量在轴向方向上的移位由于内部振动元件22和外部振动元件21的联接而影响了振动系统2的共振频率和幅值的改变。
具有轴向可位移的附加质量的形式的补偿设备从现有技术中已知。根据本发明，补偿设备3实施为使其通过尺蠖原理可移位。这提供的优点是补偿设备3根据电控信号被重新定位。不要求手动移位。此外，不需要将电机放置在现场壳体7内以自动致动位移设备。
用于补偿设备3的电控信号通过电子单元6产生。电子单元6可实施为控制/评估单元8的部分或实施为分开的单元。例如，电子单元6实施为微控制器。
为图示补偿设备3的具体实施例且为解释补偿设备3的轴向移位的运行的目的，图2a至图2d示出了带有布置在其内的、处于四个时间点上的补偿设备3的内部振动元件21。表示并非按真实比例；为解释的目的，作为结果的长度改变被放大。
图2a示出了补偿设备3的静止状态。在静止状态中，补偿设备3位于锁定在一定的位置S0处。在位置S0处，内部振动元件22和外部振动元件21的共振频率或质量惯性矩相同。振动系统在制造时所处的位置S0例如从过程连接5观察时位于内部振动元件22的长度的四分之一处。从此开始位置，补偿设备3在轴向方向上可移位。被称为静止状态不仅是在制造时所占据的开始位置S0，而且替代地在每个情况中是其中振动系统被调谐的状态，即补偿设备3定位且与内部振动元件22通过力互锁例如摩擦互锁连接为使得外部振动元件21和内部振动元件22的共振频率相同。
补偿设备3包括第一锁定元件31和第二锁定元件32，所述锁定元件通过连接元件33相互固定地连接。附加质量34固定到第二锁定元件32，所述附加质量34的位置影响了内部振动元件22的质量惯性矩且因此也影响了其共振频率和振动幅值。附加质量34的材料和质量可按希望根据振动系统的实施例选择。锁定元件31、32和联接元件33的系统用于附加质量34的传输。在实施例中，附加质量34形成了补偿设备3的总质量的主要部分。在另一个实施例中，不存在附加质量34。在此情况中，锁定元件31、32和联接元件33形成了用于补偿外部振动元件21的质量惯性矩改变的附加质量。位于这些极端情况之间的其他实施例也是可能的。
第一锁定元件31和第二锁定元件32是盘形的。内部振动元件22的内径等于第一锁定元件31和第二锁定元件32的直径，使得这些元件31、32机械地接触内部振动元件22的内壁。特别地，两个锁定元件31、32与内部振动元件22的内壁通过力互锁而连接，例如通过摩擦互锁而连接。联接元件33的直径小于锁定元件31、32的直径，使得联接元件33不直接接触内部振动元件22。联接元件33的厚度，即其在轴向方向上的尺寸L可等于、小于或大于锁定元件31、32的厚度。优选地，联接元件33的厚度大于锁定元件31、32的厚度。例如，锁定元件31、32和联接元件33的厚度在1毫米至10毫米之间。
两个锁定元件31、32以及联接元件33由压电材料构成。压电元件在施加电压时改变体积，其中膨胀或收缩主要在偏振方向上发生。两个锁定元件31、32在径向方向上偏振，而联接元件33在轴向方向上偏振。盘形锁定元件31、32的两个圆形形状的面每个提供有电极，例如具有涂层形式的电极，使得电压可施加到锁定元件31、32。由于在径向方向上的偏振，锁定元件31、32在提供以电压时经历了在径向方向上的长度改变。例如，第一锁定元件31和第二锁定元件32在静止状态中被供给以电压，因此两个锁定元件31、32被锁定在管状内部振动元件22内。
为再建立其特征为振动系统2的带有最大幅值的振动的振动平衡，补偿设备3的位置可改变。在此情况中，位置的更新迭代地发生，在每个情况中，位置改变距离dL，直至内部振动元件22的振动幅值处于最大且再建立了能量平衡。在此状态中，总振动系统2的振动幅值也为最大。位移距离dL相对小且通常处于数个微米的范围内。为在短时间内实现在毫米范围内的较大距离的位移，要求相应的高时钟率以用于重复地移位距离dL。因为沉积通常缓慢地建立，所以以较低的时钟率的更新一般是充分的。优选地，时钟率动态地可改变。例如，电子单元6确定要求的移位且根据路径长度选择时钟率。
在实施例中，控制/评估单元8和/或电子单元6定量地确定共振频率发生改变，且确定为补偿所要求的移位路径或补偿设备3的要求的位置。为此，确定当前的共振频率和在调谐状态中所具有的早先的共振频率之间的差异。通过在给定的沉积情况中外部振动元件21的质量惯性矩以及内部振动元件22的质量惯性矩与补偿设备3的要求的匹配，可确定补偿设备3的位置或补偿设备3必须移位的距离。
在另一个实施例中，加速度传感器测量在未补偿的振动系统的情况中所发生的力，且电子单元6相应地控制补偿设备3的移位，使得所出现的力为最小。
用于移位补偿设备3的第一步骤在图2b中示出。为释放第二锁定元件32与内部振动元件22的内壁的机械连接，电子单元6降低了第二锁定元件32上的电压，优选地将其降低到零。以此方式，第二锁定元件32的直径减小，使得不再存在与内壁的接触。此外，电子单元6向联接元件33供给以电压。联接元件33因此经历了在轴向方向上的大小为dL的长度改变。因为第一锁定元件31锁定在位置S0处，由于长度改变dL，第二锁定元件32和附加质量经历了在轴向方向上的距离为dL的移位。
在图2c中图示的下一个步骤中，维持在联接元件33上的电压施加，同时电子单元6又为第二锁定元件32供给以初始电压，使得第二锁定元件32在新位置处通过力互锁例如通过摩擦互锁而锁定到内部振动元件22。
在图2d中所示的最后的步骤中，电子单元6通过中断或至少降低提供到第一锁定元件31的电压而释放了第一锁定元件31与内部振动元件22的连接。此外，电子单元6中断了为联接元件33供给的先前施加的电压。联接元件33收缩回到其初始长度L。因为第二锁定元件32锁定到内壁，所以联接元件33将第一锁定元件31与其一起拉动，使得现在第一锁定元件31也处于位置S0+dL。
在又为第一锁定元件31供给以初始电压时，补偿设备3已返回到如在图2a中图示的静止状态，然而现在在位置S0+dL处。在所述循环之后优选地直接是下n个循环，直至在位置S0+ndL处实现了最终状态。附图标记列表
1  测量装置
2  振动系统
21 外部振动元件
22 内部振动元件
3  补偿设备
31 第一锁定元件
32 第二锁定元件
33 联接元件
4  驱动/接收单元
5  过程连接
6  电子单元
7  现场壳体
8  控制/评估单元

Claims (10)

1.一种料位测量装置(1)，所述料位测量装置(1)具有振动系统(2)，所述振动系统(2)可被激励以执行机械振动且具有至少一个管状外部振动元件(21)和内部振动元件(22)，其中所述外部振动元件(21)至少部分地同轴地围绕所述内部振动元件(22)，
其特征在于，
在所述内部振动元件(22)的内部空间内，布置有在轴向方向上可移位且具有至少第一锁定元件(31)、第二锁定元件(32)和联接元件(33)的补偿设备(3)，其中所述锁定元件(31、32)和所述联接元件(33)由压电材料构成，其中所述联接元件(33)、所述第一锁定元件(31)和所述第二锁定元件(32)相互连接，且其中所述第一锁定元件(31)和所述第二锁定元件(32)在静止状态中通过例如摩擦互锁的力互锁与所述内部空间的壁各自连接，以及
所述料位测量装置(1)具有电子单元(6)，所述电子单元(6)实施为通过电信号将所述补偿设备(3)定位在可预先确定的位置处。
2.根据权利要求1所述的料位测量装置，其特征在于，附加质量(34)被固定到所述第一锁定元件(31)和/或所述第二锁定元件(32)。
3.根据权利要求1或2所述的料位测量装置，其特征在于，所述内部振动元件(22)至少部分地为管状。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，所述补偿设备(3)被实施为在轴向方向上根据尺蠖原理移动自身。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，所述锁定元件(31、32)在径向方向上偏振，且所述联接元件(33)在轴向方向上偏振。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，所述联接元件(33)被实施为使得在被供给以电压的情况中所述联接元件(33)经历在轴向方向上的纵向延伸。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，
所述电子单元(6)在静止状态为所述第一锁定元件(31)和所述第二锁定元件(32)供给以电压，以及
所述电子单元(6)为了释放所述壁和所述第一锁定元件(31)或所述第二锁定元件(32)之间的力互锁的连接，降低在静止状态为所述第一锁定元件(31)或所述第二锁定元件(32)供给的电压。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，提供有驱动/接收单元(4)，所述驱动/接收单元(4)激励所述外部振动元件(21)和所述内部振动元件(22)以执行具有所述振动系统(2)的共振频率的相对的机械振动。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的料位测量装置，其特征在于，所述电子单元(6)被实施为当所述振动系统(2)的振动的频率改变时移位所述补偿设备(3)。
10.根据前述权利要求所述的料位测量装置，其特征在于，所述电子单元(6)被实施为将所述补偿设备(3)定位为使得所述内部振动元件(22)的振动的幅值最大。
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