CN105190258A - 物位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种物位测量装置，其具有如下特征：壳体(1)；膜片(3)；第一驱动单元(10)，其具有连接至所述膜片(3)的第一螺栓(12)；第二驱动单元(30)，其具有第二螺栓(32)，所述第二螺栓操作地连接到所述膜片(3)，并在所述第二螺栓的面对所述膜片(3)的端部处经由中间隔板(31)连接到所述壳体(1)，并且所述第一驱动单元(10)和所述第二驱动单元(30)彼此机械地串联。

Description

物位测量装置

技术领域

本发明涉及一种具有膜片和用于驱动该膜片的驱动单元的物位测量装置，其中，振动棒以规则的间隔模制在膜片上。

背景技术

例如德国专利DE10023302C2已经披露了这种物位测量装置。使用压电元件的堆叠作为驱动单元，其中压电元件具有用于驱动压电元件的牵引螺栓。压电元件的堆叠布置在预加载荷元件(特别地，预加载荷螺母)和与膜片接触的压力环之间。虽然这些物位测量装置非常适用于确定水平，但是这种驱动方式的一个缺点在于：由于鼓起的膜片和偏心的压力环的原因，压电元件的预加载荷驱动堆叠在正操作压力(超压)下被去载荷。因此，压电元件的机械耦合随着操作压力升高而变小。这种小的机械耦合会使电振幅变小，这甚至能够导致驱动单元的完全失效。虽然可以通过向压电元件施加更高的偏置电压来抵消该效应，但是抵消程度是有限的，这是因为各个压电元件具有机械负荷极限，如果偏置电压过高则会增加断裂的风险，并且如果压力过高还会出现去极化。另一个问题在于驱动单元的较高偏置电压会导致膜片的结构性机械硬化。

为了避免该缺点，即，为了避免堆叠在正操作压力下被去载荷，申请人目前正在销售一种具有由螺栓连接的压电驱动器的振动极限开关，其中，驱动器支撑在与物位测量装置的壳体的管壁连接的中间中间隔板上。例如，在DE102007041349Al中披露了这种物位测量装置。该物位测量装置中的螺栓不再用作牵引螺栓，而是用作压力螺栓。在其面对膜片的端部上，该压力螺栓固定地连接至前述中间中间隔板，并且在其上端部处设置有预加载荷元件(特别地，预加载荷螺母)，可以经由该预加载荷元件将压电元件的堆叠朝着膜片的中心推向在中间隔板中穿过的压力件。物位测量装置的这种布置的优点在于整个驱动单元加载有正操作压力。因此，电振幅不会像上面提到的物位测量装置的情况一样随着压力升高而降低。

然而，第二类型的驱动器的缺点在于：目前，在负操作压力(真空)下，压电元件的堆叠被去载荷。由于膜片的驱动器侧通常处于大气压力下，因此负操作压力的量被物理地限制至-1bar。然而，假定例如在减小物位测量装置的大小时绝对需要薄的膜片，即使这个压力也能导致驱动器的去载荷。驱动器的这种去载荷甚至可能出现在更高温度的应用中，这是因为这里的螺栓的轴向膨胀会导致额外去载荷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种物位测量装置，以有效地避免与已知物位测量装置相关的缺点。物位测量装置应当配置成在正操作压力和负操作压力下提供足够高的电信号振幅，以使得整个组装件保持可用状态。

该目的通过具有权利要求1的特征的物位测量装置实现的。

在从属权利要求中明确了这种物位测量装置的进一步有利改良。

因此，本发明大体上提供了一种物位测量装置，该物位测量装置具有以下特征：

-壳体；

-膜片；

-第一驱动单元，具有第一螺栓，所述第一螺栓连接至所述膜片；

-第二驱动单元，其具有第二螺栓，所述第二螺栓操作地连接到所述膜片，并在所述第二螺栓的面对所述膜片的端部处经由中间隔板连接到所述壳体，并且

-所述第一驱动单元和所述第二驱动单元彼此机械地串联。

因此，本发明的基本构想是将已知的两种驱动方式组合在一起，并且以将这两种驱动方式机械地串联连接进行组合。其结果是，在正操作压力和负操作压力下，两个驱动单元中的一者总被机械地加载荷，而另一者总被机械地去载荷。因此，总存在一个可用的驱动器。

因此，例如，在正操作压力下，在外部正压力作用下被去载荷的驱动单元(即，具有第二螺栓的驱动单元)将变得无法工作。然而，在这种情况下，具有第一螺栓的驱动单元会被加载荷，从而使得整个测量装置保持可用状态。

然而，在相反的情况下，即，在处于负操作压力下，第一驱动单元及其第一螺栓保持可用状态，而第二驱动单元及其第二螺栓可能变得无法工作。但是整个驱动器依然保持可用状态。

在电学上，两个驱动单元可以通过由一个控制电子单元一起操作并因而并行地操作，使得两个驱动单元的累加振幅总是在较宽压力范围内保持足够大。

然而，在本发明的范围内，两个驱动单元可分别由不同的控制电路操作，在这种情况下，只需将它们在逻辑上进行链接。

根据本发明，仅需要机械地将第一驱动单元和第二驱动单元串联连接。这可以通过将第一驱动单元布置在第二驱动单元上方，将第二驱动单元布置在第一驱动单元上方，或将两个驱动单元彼此同轴地布置来实现。

附图说明

下面结合更详细的附图来说明本发明的细节和额外的优点。这些附图为：

图1是已知的具有驱动单元和牵引螺栓的物位测量装置的基本结构的剖面图。

图2是已知的具有驱动单元、螺栓以及相关的中间隔板的物位测量装置的基本结构的剖面图。

图3是根据本发明的物位测量装置的第一实施例，其中，根据图2的第二驱动单元布置在根据图1的第一驱动单元的上方。

图4是根据本发明的物位测量装置的第二实施例，其中，根据图1的驱动单元布置在根据图2的驱动单元的上方。

图5是本发明的第三实施例，其中，第一驱动单元和第二驱动单元彼此同轴地布置。

除非另有说明，在下图中相同的附图标记代表具有相同含义的部件。

具体实施方式

图1示出了已知的具有驱动单元和作为牵引螺栓的第一螺栓的物位测量装置的基本结构的剖面图。例如DE10023302C2披露了这种物位测量装置，从而在图1中仅绘出了物位测量装置的基本部件。

该装置包括圆柱形壳体1，该壳体在其底部被膜片3封住。优选地，膜片在背对壳体1内部的侧上以已知方式连接至两个叉齿4。在壳体1的内部中设置有第一驱动单元10，在本实例中，第一驱动单元10具有第一螺栓12(这里，牵引螺栓)，其中第一螺栓的下端部固定在膜片3的中心处并与该膜片成为一体。压电元件17的第一堆叠16绕着第一螺栓12布置。优选地，各个压电元件17在它们的同轴内侧不与牵引螺栓12接触。压电元件17(当然也可以由其他适当的驱动元件取代)的第一堆叠16具有面对膜片3的下部底侧16a和相对的上侧16b。在底侧16a和膜片3之间具有第一压力件14，在第一压力件上，整个第一堆叠16以环形方式布置在膜片3的上侧。在第一螺栓12的上部的自由端上具有第一预加载荷元件18(在此实例中，预加载荷螺丝)，通过预加载荷元件18的转动，可以经由预加载荷元件向上侧16b施加压力，并由此向整个第一堆叠施加压力，从而可以调节膜片3上的预加载荷。

优选地，使用这种物位测量装置作为振动点水平传感器，并且也理想地适用于此目的。然而，在正操作压力(超压)下，在叉齿4的区域内，该正操作压力会使膜片3向上朝向壳体1的内部凸起，且因而沿着第一驱动单元10的方向凸起。该正操作压力在图1中由P+表示。朝向膜片3的方向的箭头表示在正压力P+下膜片会向上凸起，即，凸起至壳体1的内部。随着正操作压力P逐渐升高，该正操作压力P+及相关的膜片3的凸起可能导致压电元件17的较弱的机械耦合，这当然是不期望的。在负操作压力P-下，膜片3沿着相反方向凸起，并且使机械耦合得到提高。

图2示出了本身已知的第二物位测量装置，例如，DE102007041349A1对其进行了详细说明。如图2中的箭头所示，在正操作压力P+下，膜片3未鼓起至壳体1的内部，而是沿着叉齿4的方向鼓起。

该已知的物位测量装置的基本结构同样具有壶形壳体1，在壶形壳体的下侧，膜片3固定地与叉齿4机械连接。在壳体的内部中，膜片的中心设置有延伸至壳体1中的螺栓件20。第二驱动单元30连接至螺栓件20的上端部，为此设置有优选地垂直于壳体1的壁的中间隔板31。开口33设置在该中间隔板31中，U形压力件34穿过中间隔板31，且压力件的下侧固定至螺栓件20的上端部。压电元件37的堆叠36布置在第二压力件34的上侧上。接着，堆叠36的压电元件37绕着第二螺栓32同轴地布置。第二螺栓32的下端部固定在中间隔板31的中心处。接着，在第二螺栓32的上端部处具有预加载荷元件38(优选地，预加载荷螺母或预加载荷螺丝)，压电元件37的堆叠36的上侧36b经由该预加载荷元件可以按压第二压力件34。为此，压电元件37的堆叠36的底侧36a位于压力件34上。因此，在整体上，第二螺栓32也与膜片3可操作地连接。在图2的布置中，在未加压状态(即，物位测量装置的壳体1的外侧压力等于壳体1的内侧压力)下的驱动单元30经由第二预加载荷元件38受压，即，第二螺栓32处于张紧状态。在壳体1的外侧处于正操作压力P+下，即，壳体1外侧的压力大于壳体1内的压力，这会导致图2的整个驱动器进一步被加载，并进一步升高压电元件37的机械耦合，这是所期望的。另一方面，在负操作压力下，膜片3朝向壳体1内部凸起并且压电元件37的机械耦合降低。在该优选地用作振动点水平传感器的已知物位测量装置中，确实可以避免结合图1说明的缺点。然而，在负操作压力(真空)下，压电元件37的堆叠36被去载荷，因此其自身具有缺点。

图3示出了根据本发明的物位测量装置的第一实施例，其中同样设置有具有叉齿4的膜片3和壳体1。然而，在根据本发明的物位测量装置中，对前面说明的物位测量装置的驱动单元的概念进行彼此组合。这意味着在壳体内部设置有第一驱动单元10以及第二驱动单元30，其中，第一驱动单元具有连接至膜片3的第一螺栓12，而第二驱动单元具有连接至膜片3的第二螺栓32。第一驱动单元10和第二驱动单元30彼此机械地串联连接。在图3的实施例中，结合图2说明的物位测量装置位于图1示出的物位测量装置上方。已知的参考标记继续表示相同部件。

一种特殊的结构构造来自如下事实：第一螺栓12的上端部依然连接至第一预加载荷元件18(换言之，预加载荷螺丝)。然而，第一预加载荷元件18同时用作第二压力件34。为此，第二压力件34固定地连接至第一预加载荷元件18。

优选地，图3示出的物位测量装置的布置同样用作振动点水平传感器，并且具有如下主要优点在于在正操作压力和负操作压力下提供足够的电信号振幅，使得整个组装件保持可用状态。不论是在正操作压力下还是在负操作压力下，两个堆叠16、36中的一者总被机械地加载荷，而堆叠36、16的另一者被机械地去载荷。因此，驱动单元10或30始终处于可用状态。虽然在正操作压力下位于下侧的驱动单元10被去载荷，这可以最终导致第一驱动单元10的功能失效，但位于其上方的压电元件37的第二堆叠36被加载荷，使得第二驱动单元30几乎肯定保持可用状态。

反之，如果在负操作压力下，那么第一驱动单元10被加载荷并因此保持可用状态，而第二驱动单元30被去载荷且可以甚至变得功能失效。但是整体驱动单元会保持可用状态，这是因为根据机械串联电路的结构设计，当两个驱动单元10、30中的一者变得功能失效时，另一冗余的驱动器总是可供使用。

如前面所解释，图3的物位测量装置被设计成当施加有正压力时，驱动器16、36中的一者总是被去载荷而驱动器16、36中的另一者总是被加载荷。在下面表格中再次对其进行说明。不论作用的操作压力的符号如何，都是如此。两个驱动器16、36中的一者逐渐被加载荷而驱动器16、36中的另一者逐渐被去载荷。

压力P	图3中的膜片凸起	第一驱动单元10	第二驱动单元30
				正P+	向上	被去载荷	被加载荷
负P-	向下	被加载荷	被去载荷

如果物位测量装置的壳体1外侧的操作压力与壳体1内的压力相同，那么膜片不鼓起。经由预加载荷元件18、38分别对第一驱动单元10和第二驱动单元30的两个压电堆叠16、36施加压力，使得第一螺栓12和第二螺栓22均受到张力。两个堆叠16、36的载荷的差异，以及第一螺栓12和第二螺栓32是受到张力载荷还是压力载荷，都是仅由所施加的操作压力P的作用方向决定的。

在电学上，两个驱动单元10、30可以通过一个公共的控制电子单元一起(即，并行地)操作，使得两个驱动单元10、30的累加振幅总是在宽压力范围内保持足够大。然而，也能够使用不同的控制单元操作两个驱动单元10、30。继而，仅需要正确地将驱动单元10、30的输出信号在逻辑上彼此链接。

图4的实施例示出了根据本发明的物位测量装置的第二实施例。然而，现在，具有第一螺栓12的第一驱动单元10位于具有第二螺栓32的第二驱动单元30上方。与图2示出的方式相同，第二驱动单元30与膜片3可操作地连接。然而，除了用于第二压力件34的开口33之外，中间隔板31还具有额外开口39，该额外开口容纳第一压力件14的壁部14a，容纳方式有待解释。另外，相对于图2的图示，螺栓件20和第二螺栓32均构造成中空壁管，以便于容纳本实施例中位于第二驱动单元30上方的第一驱动单元10的第一螺栓12。第一螺栓12的下端部固定在中间隔板3上侧中心，并且穿透螺栓件20和第二螺栓32。在其上端部处，第一螺栓12连接至第一预加载荷元件18(优选地，预加载荷螺母)，以便经由特殊设计的第一压力件14使压电元件17的第一堆叠16按压膜片3。

第一压力件14具有以平行于壳体1的方式延伸的壁部14a，该壁部围绕第二驱动单元30，并其上端部从板形元件14b下方下降，压电元件17的堆叠16布置在该板形元件上。壁部14a穿过上面提及的开口39到达中间隔板31中，然而，壁部14a的下端部被环形元件封住。该环形元件由参考标记14c表示。环形元件14c的中心开口围绕螺栓件20，并且在其面对膜片3的侧处具有剖面为逐渐变窄的锥形的压力环部14d，第一预加载荷元件18的各预加载荷经由压力环部将相应的压力施加至膜片3的上侧。

因此，在图4示出的布置中，具有第一螺栓12的第一驱动单元10布置在具有第二螺栓32的第二驱动单元30上方。

最后，图5示出了根据本发明的物位测量装置的第三实施例。在该物位测量装置中，第一驱动单元10和第二驱动单元30彼此同轴地布置。该布置基本上对应于图4的布置。然而，第一驱动单元10的第一堆叠16的第一元件17的各个压电元件配置成同轴地绕着第二驱动单元30布置。第一预加载荷元件18的直径必须配置成相应地大。

同样，使用该布置，这种情况为物位测量装置也设置有膜片3，其中，设置有具有连接至膜片3的第一螺栓12的第一驱动单元10以及具有与膜片3可操作地连接的第二螺栓的第二驱动单元。同样地，第一驱动单元10和第二驱动单元机械地串联连接。

参考标记列表

1壳体3膜片

4叉齿10第一驱动单元

12第一螺栓14第一压力件

14a壁部14b板形元件

14c环形元件14d压力环部

16第一堆叠16a底侧

16b上侧17压电元件

18第一预加载荷元件20螺栓件

30第二驱动单元31中间隔板

32第二螺栓33中间隔板中的开口

34第二压力件36第二堆叠

36a底侧36b上侧

37压电元件38第二预加载荷元件

39开口

Claims (11)

1.一种物位测量装置，其具有以下特征：

-壳体(1)，

-膜片(3)，

-第一驱动单元(10)，其具有第一螺栓(12)，所述第一螺栓连接至所述膜片(3)，

-第二驱动单元(30)，其具有第二螺栓(32)，所述第二螺栓操作地连接到所述膜片(3)，并在所述第二螺栓的面对所述膜片(3)的端部处经由中间隔板(31)连接到所述壳体(1)，并且

-所述第一驱动单元(10)和所述第二驱动单元(30)彼此机械地串联。

2.根据权利要求1所述的物位测量装置，其特征在于，所述第一驱动单元(10)设置有：

-具有压电元件(17)的第一堆叠，其底侧经由第一压力件(14)机械地连接至所述膜片(3)，所述第一压力件与所述膜片(3)在偏离中心的位置处结合，

-所述第一螺栓(12)固定在所述膜片(3)的中心处并穿过所述第一堆叠(16)，并且经由第一预加载荷元件(18)从顶侧朝着所述第一堆叠(16)张紧。

3.根据权利要求1或2所述的物位测量装置，其特征在于，所述第二驱动单元(30)设置有：

-具有压电元件(37)的第二堆叠(36)，其底侧经由第二压力件14机械地连接至所述膜片(3)，所述第二压力件与所述膜片(3)的中心处结合，

-所述第二螺栓(32)固定地连接至固定在所述物位测量装置中的中间隔板(31)并穿过所述第二堆叠(36)，并且经由第二预加载荷元件(38)从顶侧朝着所述第二堆叠36张紧。

4.根据前述权利要求中任一者所述的物位测量装置，其特征在于，所述第二堆叠(36)布置在所述第一堆叠(16)的上方。

5.根据权利要求4所述的物位测量装置，其特征在于，所述第二压力件(34)机械地固定至所述第一预加载荷元件(18)。

6.根据前述权利要求中任一者所述的物位测量装置，其特征在于，所述第二压力件(34)穿过或跨越所述中间隔板(31)。

7.根据前述权利要求中任一者所述的物位测量装置，其特征在于，所述中间隔板(31)构造为中间板，并连接至所述壳体(1)或者连接至所述物位测量装置的固定在所述壳体上的一部分。

8.根据权利要求1所述的物位测量装置，其特征在于，所述第一堆叠(16)布置在所述第二堆叠(36)的上方。

9.根据权利要求8所述的物位测量装置，其特征在于，所述第一压力件(14)跨越所述第二堆叠(36)。

10.根据权利要求1至8中任一者所述的物位测量装置，其特征在于，所述第一螺栓(12)和所述第二螺栓(32)至少布置成在各个部分处彼此同轴。

11.根据权利要求1所述的物位测量装置，其特征在于，所述第一堆叠(16)和所述第二堆叠(36)彼此同轴地布置。