CN107407588B - 用于工业控制和自动化的现场设备的电磁驱动单元/接收单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于自动化技术的现场设备(1)的机电换能器单元(6)，该机电换能器单元(6)包括：膜(9)，可以使该膜(9)执行机械振荡，两个杆(10a、10b)，所述两个杆(10a、10b)垂直于膜(9)并且被固定到膜(9)，壳体(8)，其中膜(9)形成该壳体(8)的壁的至少一部分，并且其中所述两个杆(10a、10b)延伸到壳体内部，两个磁体(11a、11b)，其中每个磁体(11a、11b)在远离膜(9)的端部区域中被固定在所述两个杆(10a、10b)中的不同的杆上，以及线圈(12)，其具有磁芯(13)，其中所述线圈(12)在磁体(11a、11b)上方被固定在壳体(8)内，并且可与交流电信号接触，其中所述线圈(12)被实施为产生磁场，所述磁场通过两个磁体(11a、11b)促使两个杆(10a、10b)执行机械振荡，并且其中两个杆(10a、10b)被固定到膜(9)以使得膜(9)的振荡由两个杆(10a、10b)的振荡引起，本发明还涉及一种用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置，该装置包括本发明的至少一个机电换能器单元。

Description

用于工业控制和自动化的现场设备的电磁驱动单元/接收 单元
技术领域
本发明涉及一种用于自动化技术的现场设备的机电换能器单元以及一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的装置，该装置包括本发明的至少一个机电换能器单元。过程变量是例如介质的填充水平或流量，或其密度或粘度。介质例如位于容器中，槽中，或甚至位于管道中。
背景技术
在自动化技术中，应用最广泛的现场设备来确定和/或监测至少一个过程变量，特别是物理或化学过程变量。在这种情况下，例如，填充水平测量设备，流量测量设备，压力和温度测量设备，pH-氧化还原电势测量设备，电导率测量设备等，寄存相应的过程变量、填充水平、流量、压力、温度、pH值、电导率等。从大量的出版物中已知各种测量原理。
现场设备通常包括：至少一个传感器单元，其至少部分地且至少间或地与过程接触；以及电子单元，其例如用于信号寄存，评估和/或供给。在本发明的上下文中，所提及的现场设备原则上是在过程附近应用并且传送或处理相关信息的所有测量设备，因此还有远程I/O，无线电适配器，一般是在现场水平布置的电子部件。申请人生产和销售大量这样的现场设备。
在现场设备中经常使用机电传感器单元。例如，它们用于诸如例如振动填充水平或流量测量设备的振动传感器中，然而也用于超声波填充水平测量设备或超声波流量测量设备中。为了单独地和详细地探索每个这样的现场设备及其测量原理，其中可以使用本发明的机电换能器单元将超出所需要的范围。因此，描述已经通过示例的方式限制于具有可振荡单元的填充水平测量设备。基于这种描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以应用于其它使用领域。
这样的填充水平测量设备的可振荡单元也称为振动传感器，例如是振荡叉、单杆或膜。可振荡单元在操作期间借助驱动/接收单元——其通常以机电换能器单元的形式——被驱动以激励可振荡单元，使得可振荡单元执行机械振荡。示例包括压电的，电磁的或者磁致伸缩的驱动/接收单元。申请人生产了各种相应的现场设备并且例如以商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT出售。从根本上已知基础测量原则。驱动/接收单元借助电激励信号激励机械可振荡单元以执行机械振荡。相反，驱动/接收单元可以接收机械可振荡单元的机械振荡并将其转换成电接收信号。驱动/接收单元可以是单独的驱动单元和单独的接收单元，也可以是组合的驱动/接收单元。
已经开发了最多样化的模拟和数字方法，用于激发机械可振荡单元。在许多情况下，驱动/接收单元是反馈、电气、振荡电路的一部分，借助该驱动/接收单元，可以发生执行机械振荡的机械可振荡单元的激励。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据该条件放大系数为≥1，振荡电路中出现的所有相位总和为360°的倍数。这意味着在激励器信号和接收信号之间必须确保一定的相移。为此，已知最多样化的解决方案。原则上，可以例如借助应用适当的滤波器来执行相移的设置，或者也可以通过控制回路将相移的设置控制到可预定相移——所需的值。例如，从DE102006034105A1已知的是使用可调谐移相器。相反，在DE102007013557A1中描述了具有可调节放大系数的放大器的额外集成，用于额外控制振荡幅度。DE102005015547A1提出了全通滤波器的应用。此外，借助所谓的频率扫描，诸如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中公开的相移的设置也是可能的。然而，相移也可以通过锁相环路(PLL)来被控制到可预定的值。这种激励方法是DE00102010030982A1的主题。
激励器信号以及接收信号都以频率、幅度和/或相位为特征。然后通常考虑这些变量的变化来确定各自的过程变量，诸如例如容器中的介质的预定的填充水平，或者介质的密度和/或粘度。例如，在用于液体的电子振动限位开关的情况下，区分可振荡单元是否被液体覆盖或自由摆动。在这样的情况下，例如基于不同的谐振频率因此频率偏移，或基于振荡幅度的阻尼来区分这两个状态(自由状态和覆盖状态)。
只有当可振荡单元被介质覆盖时，密度和/或粘度才能用这样的测量设备确定。从DE10050299A1、DE102006033819A1和DE102007043811A1已知是基于相频率曲线(Φ＝g(f))来确定介质的粘度。该过程基于可振荡单元的阻尼对介质粘度的依赖性。为了消除密度对测量的影响，基于由两个不同相位值引起的频率变化，由此通过相对测量来确定粘度。为了确定和/或监测介质的密度，相反，根据DE10057974A1，确定并且补偿了至少一个干扰变量——例如粘度——对机械可振荡单元的振荡频率的影响。此外，在DE102006033819A1中，提出了在机械可振荡单元的机械振荡的介质变化的影响可忽略的情况下，在激励器信号和接收信号之间设置可预定的相移。在该相移中，可以建立用于确定密度的经验公式。
如已经提到的那样，驱动/接收单元通常被体现为机电换能器单元。通常，它包括在多种实施例中的至少一个压电元件。使用压电效应，可以实现高效率。在这种情况下，意味着将电能改变为机械能的效率。基于LZT(锆钛酸铅)的相应的压电陶瓷材料通常适用于高达300℃的温度。存在在300℃以上的温度下保持其压电性能的压电陶瓷材料；然而，这些材料都具有下述缺点：即，它们比基于LZT的材料的效率明显更低。另外，为了在振动传感器中使用这些高温材料，由于金属和陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异很大，这些高温材料仅仅是有条件适用的。由于它们作为力提供者的功能，至少一个压电元件必须被连接用于力传递到作为可振荡单元的一部分的膜。然而，特别是在高温的情况下，经常会遇到大的机械应力，这可能导致压电元件的断裂以及与之相关联的传感器的完全故障。
可以更好地适合在高温下使用的替代方案由所谓的电磁驱动/接收单元表示，诸如例如在WO 2007/113011和WO 2007/114950 A1中所描述的。在这种情况下，经由磁场发生电能转化为机械能的变化。相应的机电换能器单元包括至少一个线圈和永磁体。通过线圈，产生通过磁体的交变磁场，并且经由磁体，周期性力被传递到可振荡单元。通常，这种周期性力的传递经由螺线管原理发生，其中移动磁芯在中心与膜接触。
由于在电磁驱动/接收单元的情况下，不需要与可振荡单元的膜的力传递连接，因此与压电换能器单元相比，可以在扩展的温度范围内——特别是在-200℃和500℃之间使用这样的电磁驱动/接收单元。然而，由于没有力传递连接，通常效率显著小于压电驱动/接收单元的情况。虽然电磁驱动/接收单元可以在膜的区域中产生相对较大的力，但是由于膜和驱动器之间没有力传递连接，振荡叉的偏转相对较小。结果，与压电驱动/接收单元相比，电磁驱动/接收单元需要更多的能量，这在爆炸危险区域中使用相应传感器的情况下是有问题的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁驱动/接收单元或机电换能器单元，其具有至少一个线圈和一个磁体，以提高的效率为特征。
根据本发明，该目的通过用于自动化技术的现场设备的机电换能器单元来实现，该机电换能器单元包括：
-膜，可以使该膜执行机械振荡，
-两个杆，其垂直于膜并且固定到膜，
-壳体，其中膜形成壳体的壁的至少一部分，并且其中两个杆延伸到壳体内部，
-两个磁体，其中每个磁体在远离膜的端部区域中被固定到两个杆中的不同的杆上，以及
-线圈，其具有铁芯，其中线圈在壳体内被固定在磁体上方并且与电交流信号可接触，
其中线圈被实施为产生磁场，该磁场通过两个磁体促使两个杆执行机械振荡，并且其中两个杆以下述方式固定到膜上，使得膜的振荡由两根杆的振荡引起。
将电能变为机械能经由交变磁场发生，通过该交变磁场，使得这两个杆执行振荡。杆因此表现得像机械谐振器。在这样的情况下，振荡运动横向或垂直于两根杆的纵向轴线发生。通过连接，特别是与膜的力传递连接，振荡运动被传递到膜，膜同样执行振荡运动。
本发明的机电换能器单元最适用于扩大的温度范围，特别是在高温下使用。由于两个杆在端部区域中与膜直接连接并且形成它们自己的谐振器，因此与在说明书的前言中所提及的现有技术的变型相比，本发明的机电换能器单元的效率提高。尽管如此，本发明的机电换能器单元的结构构造相当简单。
在优选实施例中，磁体是铝镍钴合金(Alnico)磁体。铝镍钴合金磁体有时也被称为钢磁体。关注的是铁、铝、镍、铜和钴的合金，通过铸造技术或通过烧结工艺来由其制造永磁体。除此之外，这样的磁体的特征在于高剩磁通量密度(约0.6-1.3T)以及700-850℃的高居里温度，这允许在至少高达500℃的温度范围内使用。在某些情况下，一个有趣的替代方案由稀土磁体代表，稀土磁体基本上由铁金属和稀土金属形成。例如，目前，钐钴适用于高达350°的温度；然而，正在进行研究工作以达到大于500℃的操作温度。然而，当然，也可以将其它磁体用于本发明。
一个特别优选的实施例提供的是，线圈的磁芯是具有底板和周壁的罐形衔铁单元的一部分，其中桩被固定为从底板开始向中央延伸到衔铁单元的内部，其中桩形成线圈的磁芯，并且其中周壁用作磁场引导回件(field guide back)。周壁例如延伸到杆，衔铁单元不接触杆。该实施例一方面提供了结构优势，因为线圈磁芯以及磁场导回件这两者都可以以衔铁单元的形式提供为单件。然而，在这种情况下，场导回件还涉及磁屏蔽件，这进一步提高了本发明的相应实施的机电换能器单元的效率。
在这种情况下，衔铁单元由具有高磁导率的材料——特别是铁、钴或钴铁构成，或由金属玻璃组成是有利的。关于高磁导率，特别适合的是具有至少μ＞100的铁磁材料。例如，钴铁的磁导率μ在μ钴铁≈10000-150000的范围内，对于钴，在μ钴≈100-200范围内，对于铁，它的范围在μ铁≈300-10000的范围内。特别有利的是当衔铁单元的材料具有尽可能低的滞后时。滞后应至少足够小，使得材料可以表现出对应于激励信号的频率的稳定的磁性反转。
铁磁材料特别适合在高温下使用。相反，如果在特别高的温度下使用的要求不是中心焦点，则磁导率通常在μ金属玻璃≈1500-4000范围内的金属玻璃是令人感兴趣的，因为它们具有特别低的滞后，并且与之相关联的是在磁性反转时具有低损失。
同样有利的是，两个磁体非接触地延伸到罐形衔铁单元中，并且在没有磁场存在的情况下，两个磁体在相对侧上与线圈具有相同的间隔。以这种方式，两个磁体被磁场导回件完全包围。
此外，本发明的目的还通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的装置来实现，该装置包括
-传感器单元，其具有至少一个根据前述权利要求中的至少一项所述的机电换能器单元，以及
-电子单元，
其中机电换能器单元被实施为通过向线圈供应的以交流电信号的形式的电激励信号来激励传感器单元执行机械振荡，并且接收传感器单元的机械振荡且将其转换为交流电信号形式的电接收信号，并且其中电子单元被实施为根据所接收的信号产生激励器信号，并且至少基于所接收信号来确定所述至少一个过程变量。在这种情况下，驱动/接收单元可以是单独的驱动单元和单独的接收单元，或组合的驱动/接收单元。
可振荡单元的振荡是由两个杆的振荡造成的。在这种情况下，有利的是，以L＝nλ/2+λ/4的方式选择两个杆的长度L，其中λ是沿着延伸杆传播的波的波长，并且n是自然数。因此，杆的长度适应于与期望的激发频率相对应并且取决于由驱动/接收单元与过程的空间分离引起的所需温度解耦。
在一个实施例中，传感器单元包括可振荡单元。在这种情况下，本发明的装置是振动传感器。
另一实施例提供的是，可振荡单元是膜的至少一部分，或膜的至少一部分以及被固定到其上的至少一个振荡杆。在这种情况下，可振荡单元因此是膜、单杆或振荡叉。
一方面，膜可以制成一件式。在相应实施的装置包括可振荡单元的情况下，膜一方面与电磁换能器单元相关联，但是同时形成可振荡单元。另一方面，一个实施例包括膜具有通过力传递连接而彼此连接的两个部分，其中第一部分与电磁换能器单元相关联，并且其中第二部分与可振荡单元相关联。然后可以例如通过焊接、焊合或粘合连接来产生两部分之间的连接。
有利的是，可振荡单元布置在容器内的限定位置中，使得其在介质中下降到可确定的浸入深度。以这种方式，可以确定过程变量、粘度和/或密度。
同样有利的是，过程变量是容器中介质的填充水平或流量，或介质的密度或粘度。
在特别优选的实施例中，可振荡单元是具有两个杆的振荡叉，其中机电换能器单元的两个杆被固定到膜，并且被固定到膜的两个振荡杆被布置成相对于与穿过杆和/或振荡杆的纵向轴线垂直的平面彼此相对且镜像对称。在每种情况下，振荡杆和杆基本上沿着与其两条纵向轴线平行的相同假想线延伸。特别地，两个杆和振荡杆布置成使得它们定位成离垂直于杆和振荡杆的纵向轴线延伸的膜的中点具有相同的间隔。在具有振荡叉作为可振荡单元的振动传感器的情况下的这种对称布置实现了特别高的效率。
在这种情况下，有利的是两个振荡杆和膜形成第一机械谐振器，并且机电换能器单元的两个杆和膜形成第二机械谐振器。然后，第一和第二谐振器通过膜彼此机械联接，其中激励信号的频率被选择为使得第一和第二谐振器相对于垂直于杆和/或振荡杆的纵向轴线延伸的膜以非对称振荡模式振荡。振荡杆、杆和膜因此形成联接振荡系统，其中联接由膜确定。在这样的联接振荡系统中，出现两个谐振频率。在这些谐振频率彼此充分接近的程度上，杆和振荡杆——因此第一和第二机械谐振器以大的振荡幅度同时振荡。这将参照图5和图6进行详细描述。
在一个实施例中，选择两个杆的长度L和/或刚度以使得在可振荡单元未被介质覆盖的情况下，第一谐振器的振荡频率和第二谐振器的振荡频率具有基本上相同的值。第一和第二谐振器的谐振频率由杆和振荡杆的长度以及几何实施例以及与膜的连接类型决定。例如，如果应用振荡叉，诸如在由申请人出售的LIQUIPHANT仪器中使用的振荡叉，则通过适当地选择长度、直径、壁厚和与膜的连接的实施例，可以设定包括杆的第二机械谐振器的谐振频率。
在另一个实施例中，选择两个杆的长度L和/或刚度以使得在可振荡单元被可选参考介质覆盖的情况下，第一谐振器的振荡频率和第二谐振器的振荡频率具有基本上相同的值。以这种方式，传感器可以与特定所需的参考介质相匹配。由此抵消该介质的振荡幅度的阻尼；还可以比较下面的描述。
可以根据各自的工艺要求进一步优化杆的长度以及壳体的长度。如果壳体由以良好隔热为特征的材料制成，则它补充地具有温度隔离管的功能。这同样也适用于杆。此外，可以适当地改变杆的长度，并且因此相应地也可以适当地改变壳体的长度。与膜分离较大，因此磁体和线圈与膜的空间分离会影响温度解耦。以这种方式，允许的温度范围可以进一步扩大到超过由磁体限定的温度范围之外。然而，在这里，应注意的是，随着杆的长度的增加，力传递的效率稍微下降。因此，需要在期望的允许温度间隔与期望的效率之间取得平衡。
附图说明
现在将基于附图更详细地描述本发明及其有利实施例，其中图1至图6示出如下：
图1是根据现有技术的振动传感器的示意图，
图2是本发明的机电换能器单元，
图3是振荡叉形式的可振荡单元，
图4是本发明的具有摆动叉作为可振荡单元和机电换能器单元的振动填充水平测量设备，
图5是图4的联接振荡系统的第一和第二联接谐振器的对称(a)和非对称(b)振荡模式，以及
图6是图4或图5的第一和第二谐振器的两个谐振频率的曲线图。
具体实施方式
图1示出了振动填充水平测量设备1。传感器单元2具有以振荡叉形式的机械可振荡单元3，其部分地穿透到位于容器5中的介质4中。可振荡单元3被通常是机电换能器单元的驱动/接收单元6驱动，以执行机械振荡。驱动/接收单元6可以是例如压电叠层或双压电晶片驱动器，然而也可以是电磁或磁致伸缩驱动/接收单元。然而，也可以使用振动填充水平测量设备的其它实施例。另外示出了电子单元7，通过该电子单元7发生信号寄存、评估和/或馈送。
图2示意性地示出了本发明的机电换能器单元的实施例。安装在壳体8的下端上的是膜9。在该位置处，壳体8因此被膜9封闭。在该示例中，壳体8是圆柱形的，并且膜9利用圆形区域A成形的圆盘。也可以使用其它几何形状并且落入本发明的范围内。垂直于膜9延伸到壳体8的内部的是固定到膜9的两个杆10a、10b。特别是借助于力传递连接来进行固定。膜因此位于与两个杆的纵向方向垂直的平面中。例如，两个杆10a、10b沿着穿过膜9的中点的假想线，围绕其中点对称地布置。
在每种情况下，在杆10a、10b远离膜9的端部区域中固定有磁体11a、11b。优选地，这些是铝镍钴合金磁体，特别是拉长的铝镍钴合金磁体。
在两个磁体11a、11b上方布置有具有磁芯13的线圈12。具有两个磁体11a、11b的两个杆10a、10b不接触线圈12和磁芯13。线圈12被提供有交流信号以在运行期间产生交变磁场。由于这种交变场，两个杆10a、10b经由两个磁体11a、11b与它们的纵向轴线水平地——即垂直地或横向地——偏转，使得两个杆10a、10b振荡。一方面，杆10a、10b因此具有杠杆作用，通过该杠杆作用，通过水平偏转产生的杆10a、10b的弯曲被传递到膜9，使得膜9振荡。另一方面，两个杆10a、10b和膜9的组合体形成谐振器。因此，激励膜9以进行机械振荡通过交变磁场发生。
并不局限于普通性，在一个实施例的这种示例中，线圈12的磁芯13是具有底板15以及周壁16的罐形衔铁单元14的一部分。例如，底板15可具有与膜9的面积A相同的圆形横截面积。线圈12的磁芯13以桩17的形式在中心从罐形衔铁单元14的底板15延伸到衔铁单元的内部。在这种情况下，周壁16具有磁场导回件的功能。衔铁单元14优选由高磁导率的材料制成，特别是由铁、钴或金属玻璃制成。
图3通过示例示出了呈振荡叉形式的可振荡单元3的示意图，诸如应用于LIQUIPHANT仪器。示出了膜18和与其连接的振荡元件19。振荡元件19包括两个振荡杆20a、20b，在每种情况下，在每个振荡杆20a、20b的末端形成有桨状部21a、21b。在操作中，振荡叉3执行与其被驱动的振荡模式相对应的振荡运动。两个振荡杆20a、20b中的每一个基本上表现为所谓的弯曲振荡器。在基本振荡模式中，两个振荡杆20a、20b例如以彼此相反的相位振荡。
图4最终示意性地示出了如图3所示的具有可振荡单元3的振动填充水平测量设备和如图2所示的机电换能器单元。在这个意义上，已经参考图2和图3讨论了参考特征，在下文中不再重复解释。在这个示例中，电磁换能器单元的膜9同时是振荡叉3的膜18。因此，它是与可振荡单元3以及机电换能器单元6这两者相关联的单件膜9、18。然而，应当理解，在另一个实施例中，膜9、18也可以由彼此连接用于力传递的两个部分9和18制造，其中第一部分9与机电换能器单元6相关联，并且第二部分18与可振荡单元3相关联。
优选地，两个振荡杆20a、20b和两个杆10a、10b固定到膜上，以使得在每种情况下，一个杆10a、10b和一个振荡杆20a、20b沿着相同的纵向轴线延伸，该纵向轴线是垂直于膜9、18的轴线。在这样的情况下，两条纵向轴线与平行于膜9、18的平面相交，且膜的中点具有相同的间隔。可以使用这种对称布置来实现提高的效率。
可振荡单元3的两个振荡杆20a、20b与膜9、18一起形成第一机械谐振器22，并且两个杆10a、10b与膜9、18一起形成第二机械谐振器23。两个谐振器22、23经由膜9、18彼此机械地联接，其中联接可经由膜9、18调节。例如，联接可能因膜的厚度或材料而受到影响，然而，也可能因与杆20a、20b或杆10a、10b的特定连接而受到影响。在以这种方式联接的谐振器系统中，产生具有两个不同谐振频率(F1、F2)的两个振荡模式，这在图5和图6中示出。
两种振荡模式是对称振荡模式和非对称振荡模式，如图5所示。在对称振荡模式(图5a)的情况下，第一谐振器22和第二谐振器23相对于膜9、18的平面彼此镜像对称地振荡。当杆10a、10b在端部区域中远离膜9、18朝彼此移动时，则两个振荡杆20a、20b在桨状部21a、21b的区域中也朝彼此移动。相反，在非对称振荡模式(图5b)的情况下，当两个振荡杆20a、20b在桨状部21a、21b的区域内移动远离彼此时，杆10a、10b在远离膜9、18的端部区域中朝向彼此移动。在这样的情况下，非对称振荡模式对应于振荡叉3的自然振荡运动，例如在LIQUIPHANT仪器中应用的振荡叉3。相反，在对称振荡模式的情况下，膜9、18保持在很大程度上不移动。
如果两个振荡模式的谐振频率F1、F2彼此充分接近，则在可振荡单元3不与介质4接触的情况下，振荡杆20a、20b和两个杆10a、10b以相对于一定激励功率的最大振幅同时振荡。即使当第一谐振器22和第二谐振器23以这样的方式被实现时，即两个谐振器作为具有相同的谐振频率(F1＝F2)的单独系统时，两个谐振器22、23借助膜9、18的联接导致两个谐振频率(F1≠F2)或振荡模式，其中两个谐振频率F1、F2之间的间隔由联接决定。
图6示出了两个谐振器22、23的频率相对于彼此绘制的图。F1是指第一谐振器22，F2是指第二谐振器23的频率。频率F1在可振荡单元3浸没在介质4中时改变，而第二谐振器的频率F2保持基本恒定。由于膜9、18的联接，产生了第一谐振器22的交叉影线R1和第二谐振器23的交叉影线R2，交叉影线的宽度给出谐振器22、23的振荡幅度。例如，如果第一谐振器22——因此可振荡单元6——以F1＝700Hz的频率振荡，则振荡运动以相对较小的振荡幅度发生。在这种情况下，让我们假设F1＝700Hz的振荡对应于在某些介质4中部分浸没的情况下的振荡单元3的振荡。如果第二谐振器23在F2＝1000Hz下同时振荡，则该振荡具有相对大的振荡幅度。如果然后将可振荡单元3缓慢地从介质4拉出，则第一谐振器22的频率F1以及其振荡幅度R1都增加。为了简化起见，出于这种考虑，我们忽略从介质4中取出可振荡单元3所产生的减小的介质阻尼。结果是，两个谐振器22、23的协调改进，并且更多的能量能够从杆10a、10b传输到振荡杆20a、20b。然而，同样地，第二谐振器23的振荡振幅R2减小。
在交叉点24处，第一谐振器22和第二谐振器23彼此匹配。尽管如此，由于膜9、18的联接，出现两个不同的谐振频率F1和F2。由于在该区域中不可能将杆20a、20b和杆10a、10b的谐振相关联，因此在该区域不设置交叉影线。如果第一谐振器22的频率F2进一步上升，则与交叉点24镜像对称的行为导致第一谐振器22和第二谐振器23的两个振荡模式产生。
优选地，两个杆10a、10b的长度应以使得膜9、18上的杠杆作用尽可能大的方式来选择。然而，同时，应注意的是，在第一谐振器22和第二谐振器23的谐振频率(F1、F2)之间不产生太大的间隔，以便尽可能有效地实现从机电换能器单元4到具有桨状部21a、21b的振荡杆20a、20b的能量传输，因此实现尽可能大的效率。另一方面，第二谐振器23的谐振频率F2也应不落在可振荡单元3的谐振频率F1的动态范围内，以便不会发生频率的双倍关联。在这种情况下，术语动态范围是指在与不同介质4接触的情况下以及在特定介质4中不同浸入深度的情况下可振荡单元3可振荡的谐振频率F1的间隔。因此得出的结论的是，要选择第二谐振器23的谐振频率F2，使得其恰好在可振荡单元3的某个振荡模式的动态范围的最高频率F1的上方。同时，优化杆10a、10b的刚度和质量是重要的，使得存在尽可能大的杠杆作用。例如，如果使用LIQUIPHANT振荡叉，则在不与待测介质接触的情况下，F1≈1000Hz。然后，例如将第二谐振器23调谐到F2≈1100Hz的频率，使得从联接起，第二谐振器23的频率F2下降到大约950Hz。在浸入要被测量的介质中时，第一谐振器22的频率F1减小，而第二谐振器23的频率F2保持基本恒定。
例如，可以进行对谐振频率F1和F2的匹配，以使得在可振荡单元3不与介质4接触的情况下谐振频率F1和F2彼此匹配。在这种情况下，在可振荡单元至少部分地浸没在介质4中的情况下，频率F1和F2远离交叉点24。另一方面，谐振频率F1和F2的匹配也可以以下述方式进行：即在可选择的参考介质4中可振荡单元3的某个浸入深度的情况下，谐振频率F1和F2彼此匹配。在这种情况下，两个谐振器22、23彼此的匹配类型抵消了参考介质的阻尼。
参考符号列表
1 振动传感器
2 传感器单元
3 可振荡单元
4 介质
5 容器
6 驱动/接收单元
7 电子单元
8 驱动/接收单元的壳体
9 驱动/接收单元的膜
10a、10b 杆
11a、11b 磁体
12 线圈
13 磁芯
14 衔铁单元
15 底板
16 周壁，磁导回件
17 衔铁单元的桩，同时，在给定的情况下，线圈的磁芯
18 振荡单元的膜
19 振荡元件
20a、20b 振荡杆
21a、21b 桨状部
22 第一谐振器
23 第二谐振器
24 交叉点
F1 第一谐振器的频率
F2 第二谐振器的频率
R1 第一谐振器的振荡幅度
R2 第二谐振器的振荡幅度
L 杆的长度
λ 沿着杆传播的波的波长

Claims (15)

1.一种用于自动化技术的现场设备(1)的机电换能器单元(6)，包括：
-膜(9)，能够促使所述膜(9)执行机械振荡，
-两个杆(10a、10b)，所述两个杆(10a、10b)通过力传递连接垂直于所述膜(9)并且被固定到所述膜(9)，
-壳体(8)，其中所述膜(9)形成所述壳体(8)的壁的至少一部分，并且其中所述两个杆(10a、10b)延伸到所述壳体内部，
-两个磁体(11a、11b)，其中每个磁体(11a、11b)在远离所述膜(9)的端部区域中被固定到所述两个杆(10a、10b)中的不同的杆上，以及
-线圈(12)，所述线圈(12)具有磁芯(13)，其中所述线圈(12)在所述壳体(8)内被固定在所述磁体(11a、11b)上方，并且能够与交流电信号接触，
其中，所述线圈(12)被实施为产生磁场，所述磁场通过所述两个磁体(11a、11b)促使所述两个杆(10a、10b)执行垂直于所述两个杆的纵向轴线的机械振荡，并且
其中，所述两个杆(10a、10b)被固定到所述膜(9)以使得所述膜(9)的振荡由所述两个杆(10a、10b)的振荡引起，
其中，所述线圈(12)的磁芯(13)是具有底板(15)和周壁(16)的罐形衔铁单元(14)的一部分，其中，桩(17)被固定为从所述底板(15)开始向中央延伸到所述衔铁单元(14)的内部，其中所述桩(17)形成所述线圈(12)的磁芯(13)，并且其中所述周壁(16)用作磁场导回件。
2.根据权利要求1所述的机电换能器单元，
其中，所述磁体(11a、11b)是铝镍钴合金磁体。
3.根据权利要求1所述的机电换能器单元，
其中，所述衔铁单元(14)由具有高磁导率的材料构成，或由金属玻璃构成。
4.根据权利要求3所述的机电换能器单元，
其中，所述衔铁单元(14)由铁、钴或钴铁构成。
5.根据权利要求3或4所述的机电换能器单元，
其中，所述两个磁体(11a、11b)非接触地延伸到所述罐形衔铁单元(14)中，并且在没有磁场存在的情况下，所述两个磁体(11a、11b)在相对侧上与所述线圈(12)具有相同的间隔。
6.一种用于确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的装置(1)，所述装置(1)包括：
-传感器单元(2)，所述传感器单元(2)具有至少一个根据权利要求1至5中的一项所述的机电换能器单元(6)，以及
-电子单元(7)，
其中，所述机电换能器单元(6)被实施为通过向所述线圈(12)供应的以交流电信号形式的电激励信号来激励所述传感器单元(2)执行机械振荡，以及接收所述传感器单元(2)的机械振荡并且将其转换为交流电信号形式的电接收信号，以及
其中，所述电子单元(7)被实施为根据所接收的信号产生所述激励器信号，并且至少基于所接收的信号来确定所述至少一个过程变量。
7.根据权利要求6所述的装置，
其中，所述传感器单元(2)包括可振荡单元(3)。
8.根据权利要求7所述的装置，
其中，所述可振荡单元(3)包括所述膜(9、18)的至少一部分，或所述膜(9、18)的至少一部分以及被固定到所述膜(9、18)的至少一个振荡杆(20a、20b)。
9.根据权利要求7所述的装置，
其中，所述膜(9、18)具有通过力传递连接而彼此连接的两个部分，其中第一部分(9)与所述机电换能器单元(6)相关联，并且其中第二部分(18)与所述可振荡单元(3)相关联。
10.根据权利要求7所述的装置，
其中，所述可振荡单元(3)被布置在所述容器(5)内的限定位置，使得所述可振荡单元(3)下降到所述介质(4)中能够确定的浸入深度。
11.根据权利要求6或7所述的装置，
其中，所述过程变量是所述容器(5)中的所述介质(4)的填充水平或流量，或所述介质(4)的密度或粘度。
12.根据权利要求7所述的装置，
其中，所述可振荡单元(3)是具有两个杆(20a、20b)的振荡叉，其中所述机电换能器单元(6)的两个杆(10a、10b)被固定到所述膜(9、18)，并且被固定到所述膜(9、18)的两个振荡杆(20a、20b)被布置成相对于与穿过所述杆(10a、10b)和/或振荡杆(20a、20b)的纵向轴线垂直的平面彼此相对且镜像对称。
13.根据权利要求12所述的装置，
其中，所述两个振荡杆(20a、20b)和所述膜(9、18)形成第一机械谐振器(22)，
其中，所述机电换能器单元(6)的所述两个杆(10a、10b)和所述膜(9、18)形成第二机械谐振器(23)，
其中，所述第一机械谐振器(22)和所述第二机械谐振器(23)通过所述膜(9、18)彼此机械联接，以及
其中，所述激励信号的频率被选择为使得所述第一机械谐振器(22)和所述第二机械谐振器(23)相对于与所述杆(10a、10b)和/或所述振荡杆(20a、20b)的纵向轴线垂直且穿过所述膜(9、18)的平面以非对称振荡模式振荡。
14.根据权利要求13 所述的装置，
其中，选择所述两个杆(10a、10b)的长度(L)和/或刚度以使得在所述可振荡单元(3)未被介质(4)覆盖的情况下，所述第一机械谐振器(22)的振荡频率(F1)和所述第二机械谐振器(23)的振荡频率(F2)具有基本相同的值。
15.根据权利要求13 所述的装置，
其中，选择所述两个杆(10a、10b)的长度(L)和/或刚度以使得在所述可振荡单元(3)被能够选择的参考介质(4)覆盖的情况下，所述第一机械谐振器(22)的振荡频率(F1)和所述第二机械谐振器(23)的振荡频率(F2)具有基本相同的值。
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