CN107110694A - 振动传感器 - Google Patents

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Abstract

一种确定和/或监控容器(3)中的介质(2)的至少一个过程变量的装置，具有至少一个可振动单元(4)，包括至少一个膜(7)和至少一个振动元件(8)；具有驱动/接收单元(5)，其被配置为使用可调整激励频率的电气激励信号来激励机械可振动单元(4)，以在与激励频率相对应的振动模式下振动并且从可振动单元(4)接收机械振动并且将振动转换成电气接收信号，以及具有电子单元(6)，其被配置为基于接收的信号生成激励信号，并且根据接收的信号确定至少一个过程变量，其中，膜(7)与驱动/接收单元(5)连接，其中，振动元件(8)具有振动杆(9)的形状，在振动杆(9)上，末端形成桨(10)，以及在远离桨(10)的末端区域中，将振动元件(8)固定在膜(7)上，并且其中，选择可振动单元(4)的质量分布、刚性和/或几何结构使得：高于与激励频率相对应的振动模式的可振动单元(4)的至少一个振动模式在激励频率的两个相邻整数倍之间的范围中。

Description

振动传感器
技术领域
本发明涉及用具有膜和振荡元件的至少一个可振荡单元来监控介质的至少一个过程变量的装置和方法。
背景技术
也被称为振动传感器的这些装置被用作料位测量设备并且通常具有作为可振荡单元的振荡叉(oscillatory fork)。然而，已知具有单杆或膜的变体。在操作期间通过机电换能器单元激励可振荡单元以执行机械振荡。机电换能器单元例如可以是压电驱动或电磁驱动。
当然，除上述示例外，其他选项也是可用的，同样落在本发明的范围内。
申请人以许多不同的形式出售对应的现场设备。在料位测量设备的情况下，例如，这类设备在SOLIPHANT和/或SOLIPHANT标记下出售。从大量出版物已知基础测量原理。激励可振荡单元能通过模拟以及数字方法这两者来进行并且大多经由模拟、电气、振荡电路发生。机电换能器单元通过电气激励信号来激励可振荡单元，以执行机械振荡并且接收振荡以及将它们转换成电气、接收信号。机电换能器单元可以是单独的驱动和接收单元或组合的驱动/接收单元。
在这些情况下，机电换能器单元是集成在电子单元中的控制回路的一部分。在正常情况下，控制回路设定激励信号，使得在激励信号和接收信号之间存在预定相移。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据该条件，在振荡电路中出现的所有相位产生360°的倍数。
激励信号和接收信号这两者的特征均在于频率、振幅和/或相位。因此，为确定各个过程变量，诸如例如容器中的介质的预定料位，或介质的密度和/或粘度，通常考虑这些变量的改变。在用于液体的振动限位开关的情况下，区分例如可振荡单元被液体覆盖还是自由地振荡。在这种情况下，基于不同的谐振频率，由此基于频移来区分这两种状态，自由状态和覆盖状态。仅在至少部分由介质覆盖的情况下，通过这种测量设备，又能确定密度和/或粘度。
用作激励信号的通常是正弦或矩形信号。正弦信号的优点在于没有或很少有作为激励信号的整数倍的谐波被传送到可振荡单元。以这种方式，提供的振荡能量有利地基本上被用于仅一种振荡模式。参考电子单元内的信号生成，然而，这相当复杂并且与测量设备的相对较高的功耗相关联。因此，方便地，通常，矩形信号被用于激励。这尤其使得能经由4-20mA或NAMUR接口来操作振荡测量设备。
然而，使用矩形信号的缺点在于除激励频率外，谐波被传送到可振荡单元。因此，能从可振荡单元发出相当大的噪声。
对于所有应用中的大部分，所需的振荡模式是通过用基本谐振频率激励来激励的基本振荡模式。然而，还已知激励扭转模式的应用。
本发明的目的是提供一种用于振动传感器的可振荡单元及其制造方法，其特征在于：低噪声发射，尤其是在用矩形信号激励的情况下。
发明内容
通过一种确定和/或监控容器中的介质的至少一个过程变量的装置来实现本发明的目的，该装置至少包括：可振荡单元，具有至少一个膜和至少一个振荡元件；驱动/接收单元，其被实现为通过可调整激励频率的电气激励信号来激励机械可振荡单元，以在与激励频率相对应的振荡模式下执行振荡并且从可振荡单元接收机械振荡并且将其转换成电气接收信号，以及电子单元，被实现为基于接收的信号产生所述激励信号，并且根据接收的信号确定至少一个过程变量，其中，所述膜与所述驱动/接收单元连接，其中，所述振荡元件具有振荡杆的形状，在所述振荡杆上，末端形成桨，以及在远离所述桨的振荡元件的末端区域中，将振荡元件固定在所述膜上，以及其中，选择所述可振荡单元的质量分布、刚性和/或几何结构使得：高于与所述激励信号相对应的振荡模式的可振荡单元的振荡模式中的至少一个位于在激励频率的两个相邻整数倍之间的范围中。
该测量基于下述考虑显著地降低噪声排放：尤其是在用矩形信号激励的情况下，多个谐波被传送到可振荡单元。如果激励信号中的谐波的频率对应于用于激励可振荡单元的高次振荡模式的频率，则代替所需振荡模式中的单个振荡，多个振荡模式叠加。这随后导致噪声发射的增加。由此，当用其来激励高次振荡模式的可振荡单元的基本谐振频率、以及基本谐振频率的谐波，由此频率不对应于激励信号的谐波时是有利的。
一般来说，机械振荡系统的谐振频率取决于其刚性和质量分布。刚性越小，恒定质量的振荡频率越小。由此，通过质量分布、刚性和/或几何结构的智能选择，对任何特定应用，作为目标，能改变和优化可振荡单元的振荡频谱。特别地，能有利地实现高次振荡模式不处于与各个激励频率的谐波相对应的频率。
在尤其优选的实施例中，可振荡单元是振荡叉。振动传感器的可振荡单元的实施例是最常用的几何结构。这是由于叉的几何结构提供的特定振荡特性。
当桨由具有密度(ρ)、预定面积(AP)、以及预定厚度(d)的预定材料组成时，并且当厚度(d)和密度(ρ)的乘积尽可能小，并且桨(10)的面积(AP)尽可能大时是有利的。特性的该组合显著地增加测量的精度，诸如在DE102005062001A1中所述。
同样地，当桨的面积(AP)和/或振荡杆的面积(AR)是弯曲的时是有利的。这简化桨的处理，尤其是其抛光。
在优选实施例中，桨的边缘为弧形。在这种情况下，当相对于与振荡杆平行的纵向轴线(L)，桨的宽度(b)在中间区域为最大，以及远离膜的末端区域中的桨以相对于桨的纵向轴线成20°和55°之间的角度倾斜时尤其有利。参考可振荡单元的滴脱特性，尤其是在粘性介质的情况下，在边缘上尤其是在末端区域中倾斜的桨是有利的，诸如在EP1373840B1中所述。
在另一变形中，桨还具有尖端。事实上，参考振荡叉的滴脱特性，该几何结构最有利。然而，振荡叉的灵敏度随桨的末端区域中的倾斜区域下降，因为检测超出介质的限位的切换点改变。该切换点由与介质中的振荡叉的某一侵入深度相对应的某一可调整频移限定。在常规的LIQUIPHANT仪器的情况下，切换点例如为在两个桨的末端区域上方约13mm。
由此，取决于应用，判定哪一几何结构最有利，并且平衡滴脱行为对特定应用起有意义的作用是有利的。
在另一优选实施例中，振荡元件的振荡杆具有垂直于纵向轴线(L)的圆形横截面积。至少一个振荡元件与膜的理想耦合是点状的。。然而，该几何结构是技术上不可实现的。为此，圆形横截面积提供最佳折衷。
在另一实施例中，末端区域中的桨的厚度小于中间区域中的所述桨的厚度。同时，该测量增加振荡叉的测量灵敏度。
在优选实施例中，至少一个过程变量为介质的预定料位，或所述介质的密度或所述介质的粘度。
在另一优选实施例中，可振荡单元由金属、陶瓷或合成材料，例如塑料组成。当然，其他材料也落在本发明的范围内，以及能对振荡叉提供涂层。
通过一种制造本发明的可振荡单元的方法，实现本发明的目的，其中，为调整机械可振荡单元的至少一个高次振荡模式的位置，改变所述可振荡单元的质量分布、刚性和/或几何结构，使得所述高次振荡模式位于所述激励频率的两个相邻整数倍之间的范围中。由此，改变可振荡单元的质量分布、刚性和/或几何结构，直到不再由激励频率的谐波来激励可振荡单元的至少一个高次振荡模式。通过用于解答偏微分方程的数值法的有限元方法，给出用于构成适当的振荡叉的优选方法。
在制造可振荡单元的方法的情况下，当为调整第一高次振荡模式的位置，改变桨的中间区域中的质量分布时，是有利的。同样地，当为调整高次振荡模式的位置，尤其是第二高次振荡模式，改变膜和膜与振荡杆之间的连接的区域中的刚性是有利的。
这样的原因是基于可振荡单元在特定振荡模式下执行的特定振荡运动。在下文中，使用以单侧固定杆的形式的弯曲振荡器的示例，诸如振荡叉来描述。如果用基本振荡频率来激励弯曲的振荡器，那么在基本振荡模式下执行振荡。在这种情况下，杆通过在远离杆的固定端的末端为最大的偏转振幅振荡，同时在固定端上，振荡节点形成。如果用与高次振荡模式相对应的频率来激励弯曲振荡器，那么通过各个振荡模式，每个振荡模式的杆上的振荡节点的数量至少增加1。相应地，在弯曲振荡器等的中间区域中，对第一激励振荡模式，另一振荡节点发生。单独的振荡模式下的振荡节点的位置由此给出最好应当如何或在何处改变可振荡单元的质量分布、刚性和/或几何结构的指示。考虑某一振荡模式下的特定振荡运动显著地便于查找理想质量分布、刚性和/或几何结构的计算效果。
附图说明
现在，基于附图更详细地描述本发明及其有利实施例，各图所示如下：
图1是现有技术的振动传感器的示意图，
图2是(a)振荡叉以及(b)基本振荡模式和前两个激励振荡模式下的叉振荡叉的运动的示意图，
图3(a)与本发明的振荡叉的振荡频谱比较，LIQUIPHANT现场设备的振荡叉的振荡频谱，以及(b)相关的声谱。
图4a-b是LIQUIPHANT现场设备的振荡叉和属于图3的频谱的本发明的振荡叉的几何结构的比较。
图5(a)图4的发明的振荡叉的侧视图，(b)末端区域中成弧形的桨(paddle)的本发明的振荡叉的第二变形，以及(c)具有尖端的桨的本发明的振荡叉的第三变形。
具体实施方式
图1示出振动传感器1。振荡叉形式的可振荡单元4部分延伸到位于容器3内的介质2中。由于可振荡单元的该变体应用最频繁，下述描述整体涉及但不限于振荡叉。
通过被供给激励信号的机电换能器单元5激励振荡叉来执行机械振荡。例如，机电换能器单元5能是压电堆或双压电晶片驱动。然而，应理解到振动传感器的其他实施例落在本发明的范围内。此外，示出了电子单元6，通过该电子单元6，进行激励信号的信号评估和/或供给。
图2a示意性地示出振荡叉，诸如用于LIQUIPHANT现场设备。所示的是膜7，以及与之连接的振荡元件8。振荡元件包括两个振荡杆9，在两个震荡杆9中的每一个的末端形成桨10。操作中，可振荡单元4执行对应于振荡模式的振荡运动，可振荡单元4通过所述振荡模式激励。在图2b中示意性地示出这些运动看起来如何。所示的是相对于图2a旋转90°的振荡叉4。箭头指示用于基本振荡模式A、第一高次振荡模式B、以及第二高次振荡模式C的振荡叉4的基本运动方向。两个振荡杆9中的每一个基本上表现为在描述的介绍中提及的弯曲振荡器。在基本振荡模式下，两个振荡杆9通过彼此相反的相位振荡。
最终，在图3a)示出两个振荡频谱，一个用于LIQUIPHANT现场设备中的常规振荡叉，并且第二个用于本发明的振荡叉。两条曲线被归一化为基本频率的整数倍，其对应于基本振荡模式。虚线用于LIQUIPHANT现场设备中振荡叉的振荡频谱，该LIQUIPHANT现场设备在1f0具有基本振荡模式A、在7f0附近具有第一高次振荡模式B、以及在13f0附近具有第二高次振荡模式。相反，用于本发明的振荡叉的第一高次振荡模式B'(实线)位于约6.5f0，由此，在基本频率的两个整数倍之间的范围中，并且不再受激励信号激励。本发明的振荡叉的第二高次振荡模式C'仅为约16f0，由此在可听极限的区域中。结果是明确减少振荡叉的噪声发射，诸如由与振荡频率相关联的、图3b)中的声频为证。第一高次振荡模式B的声压的减小总计达32dB(SPL)以及对第二高次振荡模式，总计达62dB(SPL)。
为制造本发明的优选振荡叉，通过有限元方法，采用质量分布、刚度和几何结构。为此目的，为变换第一高次振荡模式B，改变桨的质量分布。相反，对第二高次振荡模式C，改变叉根和膜之间的过渡区的半径，使得膜的刚性和弯曲线，对应地振荡杆和膜之间的接触区改变。
为了说明，在图4中，并排放置常规的LIQUIPHANT振荡叉4和本发明的振荡叉4'。在每一情况下，左边的图表示LIQUIPHANT现场设备中的振荡叉，而右边的为本发明的实施例。此外，以上撇号提供引用本发明的实施例的参考符号。在此所示的结构仅是本发明的振荡叉的一个可能示例。对振荡叉，有无数其他实施例，同样落在本发明的范围内。
在每一情形下，左边是LIQUIPHANT现场设备中的振荡叉的表示，而右边是本发明的振荡叉的类似表示。取决于工艺，维持LIQUIPHANT现场设备中的常规的振荡叉的一些特征。一方面，这些与40mm的膜到桨的末端的长度a和17.2mm的桨的宽度b有关。特别地，关注振荡叉的切换点，相应地，随着质量分布和刚性的变化，不改变在到介质的特定侵入深度的频移。然而，应理解到，此处其他度量也能用于振荡元件8，特别是定义的其他切换点。
图4a)提供两个振荡叉4,4'的透视图。为了简化起见，下述描述仅是桨10,10'中的一个。类似地实现另一桨10,10'。尽管对于常规的振荡叉4(左)，振荡杆9沿桨10继续，作为从桨表面向外凸出的肋11，但在本发明(右)的振荡叉4'的情况下，桨10'和肋11'合并成具有弯曲表面的均匀单元，其中，振荡杆9'均匀地转变。LIQUIPHANT现场设备中的振荡叉4的外桨表面12与重叠的肋11在同一平面，而对本发明的振荡叉4'，桨12'的外表面弯曲并且与肋11'合并，由此形成均匀单元。作为该合并的结果，半径13、或者13'在振荡杆9、9'与桨10、10'以及桨上缘轮廓14、或者对于本发明的振荡叉4'成圆形的14'之间的转变处也改变。
图4b)以侧视图示出可振荡单元4,4'。在该表示中，反而能更好地理解桨10,10'的外表面12,12'之间的不同。对于LIQUIPHANT现场设备中的振荡叉4，外表面为平面，而对于本发明的振荡叉4'，外表面为曲面。在此所示的实施例中，对于振荡叉4和对振荡叉4'这两者，桨的内表面15,15'均为平面。然而，应理解，桨15'的内表面也可以是弯曲的。
振荡叉4之间的另一不同与在与膜7,7'的接合16,16'处的振荡杆9,9'的角方向相关。此变化最好由对于LIQUIPHANT现场设备的振荡叉4绘制的角度α和β的说明来给出。对于LIQUIPHANT现场设备中的振荡叉4，这些角度为α＝35.5°以及β＝107.7°，而对于本发明的振荡叉4'，类似的角度为α'＝29.9°以及β＝104.9°。
总的来说，对于本发明的振荡叉4'的所示示例，采用由肋11'与桨表面合并引起的桨10'的区域中的质量分布、以及采用其曲率影响第一高次谐波B的偏移。相反，第二高次谐波C的偏移由采用与膜的接合16,16'的区域中的半径及改变的角方向引起。
最后，图5示出本发明的振荡叉的两个其他变形。同样地，这些为单个的示例，应理解到，除这些所示的实施例外，还存在能被设计并且同样落在本发明的范围内的许多其他的变形。其中，图5a)示出如图4所示的本发明的振荡叉4'的侧视图。在该变形的情况下，桨的下缘轮廓15'，即末端区域被实施为直线。相反，图5b)示出具有弧形下缘轮廓15”的本发明的振荡叉4”的可能实施例，并且图5c)示出具有尖下端15”'的本发明的振荡叉4”'。同时，在这些示例的情况下，维持过程相关度量a和b。通过滴脱行为的最终差异，激发桨的末端区域15',15”,15”'的这些不同的几何结构。为此，弧形的边缘轮廓5”，或具有尖端15”'均具有优点。另一方面，桨的末端区域15”,15”'的几何结构的变化也改变振荡叉的灵敏度，尤其是切换点，使得取决于末端区域15',15”,15”'的选择必须重新适应质量分布和刚性。
参考符号的列表
1 振动传感器
2 介质
3 容器
4 振荡叉的形式的可振荡单元
5 机电换能器单元
6 电子单元
7 膜
8 振荡元件
9 振荡杆
10 末端形成的桨
11 肋
12 振荡叉的外桨表面
13 振荡杆和桨之间的过渡区的半径
14 桨的上缘轮廓
15 浆的下缘轮廓，即，末端区域
16 与膜的接合处的振荡杆的角方向
A 振荡叉的基本振荡模式
B 振荡叉的第一高次振荡模式
C 振荡叉的第二高次振荡模式

Claims (14)

1.一种确定和/或监控容器(3)中的介质(2)的至少一个过程变量的装置，至少包括：
-可振荡单元(4)，所述可振荡单元(4)具有至少一个膜(7)和至少一个振荡元件(8)，
-驱动/接收单元(5)，所述驱动/接收单元(5)被实现为通过可调整激励频率的电气激励信号来激励机械可振荡单元(4)，以在与激励频率相对应的振荡模式下执行振荡并且从所述可振荡单元(4)接收机械振荡并且将其转换成电气接收信号，以及
-电子单元(6)，所述电子单元(6)被实现为基于接收的信号产生所述激励信号，并且根据接收的信号确定至少一个过程变量，
其中，所述膜(7)与所述驱动/接收单元(5)连接，
其中，所述振荡元件(8)具有振荡杆(9)的形状，在所述振荡杆(9)上，末端形成桨(10)，以及在远离所述桨(10)的末端区域中将振荡元件(8)固定在所述膜(7)上，
其特征在于，
选择所述可振荡单元(4)的质量分布、刚性和/或几何结构使得：高于与所述激励频率相对应的振荡模式的所述可振荡单元(4)的所述振荡模式中的至少一个位于所述激励频率的两个相邻整数倍之间的范围中。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于：
所述可振荡单元(4)是振荡叉。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于：
所述桨(10)由具有密度(ρ)、预定面积(AP)和预定厚度(d)的预定材料组成，并且厚度(d)和密度(ρ)的乘积尽可能小，并且所述桨(10)的面积(AP)尽可能大。
4.根据权利要求1或2所述的装置，
其特征在于：
所述桨(10)的面积(AP)和/或所述振荡杆(9)的面积(As)是弯曲的。
5.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
所述桨(10)的边缘为弧形。
6.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
相对于与所述振荡杆(9)平行的纵向轴线(L)，所述桨(10)的宽度(b)在中间区域为最大，并且远离所述膜(7)的末端区域中的所述桨(10)以与桨(10)的所述纵向轴线成20°和55°之间的角度倾斜。
7.根据权利要求5所述的装置，
其特征在于：
所述桨(10)具有尖端。
8.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
所述振荡杆(9)具有垂直于所述纵向轴线(L)的圆形横截面。
9.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
所述末端区域中的所述桨(10)的厚度小于所述中间区域中的所述桨(10)的厚度。
10.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
所述至少一个过程变量是所述介质的预定料位，或所述介质的密度或所述介质的粘度。
11.根据前述权利要求中的至少一个所述的装置，
其特征在于：
所述可振荡单元(4)由金属、陶瓷或合成材料组成。
12.制造根据权利要求1所述的装置的方法，
其特征在于：
为调整机械可振荡单元(4)的至少一个高次振荡模式的位置，改变所述可振荡单元(4)的质量分布、刚性和/或几何结构，使得所述高次振荡模式位于所述激励频率的两个相邻整数倍之间的范围中。
13.根据权利要求11所述的方法，
其特征在于：
为调整所述第一高次振荡模式的位置，改变所述桨(10)的中间区域中的质量分布。
14.根据权利要求11或12所述的方法，
为调整高次振荡模式的位置，尤其是所述第二高次振荡模式，改变所述膜(7)和所述膜(7)与所述振荡杆(9)之间的连接的区域中的刚性。
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