CN109425423A - 振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振动传感器，振动传感器具有膜片和驱动器，膜片能够被激励以进行振动，且驱动器用于使膜片振动并且/或者检测膜片的振动，其中，驱动器是电磁作用型驱动器并包括永磁体、线圈和至少一个耦接到膜片的螺栓，其中，驱动器具有阻尼元件，阻尼元件实施并布置成其抑制干涉模式的程度强于其抑制有效模式的程度。

Description

振动传感器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的振动传感器。
背景技术
现有技术中已知的振动传感器例如用作振动限制开关，其中，振动传感器包括膜片，膜片能够被驱动器激励以进行振动，膜片激励布置在膜片上的机械换能器以使其振动。取决于机械换能器被填充材料覆盖的状态并且取决于填充材料的粘性，机械换能器以特征频率进行振动，该特征频率能够被振动传感器检测并被转换成测量信号。
在现有技术中，用于这类振动传感器的压电驱动器和电磁驱动器是已知的，在此，假定振动传感器与电磁驱动器一起使用。
图3和图4示出了现有技术中的驱动器。
图3示出现有技术中已知的且特别可用作振动限制开关的电磁驱动型振动传感器1。振动传感器1包括膜片3，膜片3可被驱动器5激励以进行振动，同时，驱动器5由支撑在传感器1的壳体19上的可电驱动的线圈9、布置在线圈9中的线圈芯体21以及布置在膜片3上的螺栓7形成。在所示的驱动器5中，螺栓7经由与螺栓7螺接的所谓的磁性盘8而与永磁体10连接，使得永磁体10固定地连接到膜片。永磁体10与轴向方向A和螺栓7的延长部分对齐并磁化。施加在线圈9上的任何电流在线圈9内感生出磁场，磁场根据其朝向而吸引或排斥布置在膜片3上的永磁体10，由此使膜片3在相应的方向上移动。以此方式，能够将电信号转换成膜片3的移动。
类似地，螺栓7的移动经由永磁体10感生出在线圈9中流动的电流，从而能够将膜片3的移动转换成电信号，并由此检测移动。
在膜片3的与驱动器5相对的一侧处，布置有两个通常被设计为桨状物的机械换能器17，机械换能器17将耦合至膜片3的振动传递到机械换能器17周围的介质。
上述类型的振动传感器(特别地，用于液体和散装材料的振动限制开关)基于共振频率偏移原理进行操作。然而，根据介质的覆盖状态、密度、粘性和温度，振动限制开关以不同的共振频率和振幅进行振动。在此，共振频率的振幅取决于介质的粘性。频率偏移取决于介质的密度和温度。
现有技术中已知的驱动器被认为具有如下缺点：机械换能器上的机械作用以及外部的振动和振荡可导致螺栓位置改变。如图4所示，由于这种位置改变通常代表永磁体相对于轴线方向并因而相对于线圈的倾斜，所以在此，在线圈中可能感生出不能与实际测量信号区分开的电信号，或者该电信号至少扰动地叠加在实际测量信号上。
发明内容
本发明的目的在于进一步改进具有电磁驱动器的振动传感器，使得能够避免由膜片和/或机械换能器上的机械影响引起的错误检测。
通过具有权利要求1的特征的振动传感器来实现本目的。
从属权利要求中披露了有利的变形例。
根据本发明的振动传感器包括膜片和驱动器，膜片能够被激励以进行振动，驱动器用于使膜片振动并且/或者检测膜片的振动，其中，驱动器是电磁作用型驱动器并包括永磁体、线圈和至少一个耦接至膜片的螺栓。振动传感器的特征在于，驱动器包括阻尼元件，阻尼元件实施并布置成使得：相比于有效模式，干扰模式被阻尼元件更强力地抑制。
在基本的振动传感器的情况下，驱动和检测基本上要求振动模式，即所谓的有效模式。在此，有效模式是指对应于膜片的基本模式的振动模式，即对应于螺栓的垂直于膜片平面的运动的振动模式。
这里，干扰模式是指所有的引起振动传感器的误检测的振动模式(因而特别地，所有的包括没有相对于膜片平面垂直地对齐的螺栓的运动的模式)。
特别地，相比于有效模式，干扰模式被阻尼元件以至少为3的因数，特别优选地以至少为5的因数，且更优选地以至少为20的因数更强力地抑制，由此能够为有效模式实现足够高的振幅。在优选实施例中，阻尼元件实施并布置成使得其将干扰模式的振幅降低至少90％，优选至少95％，且将有效模式的振幅降低不大于5％，优选不大于3％。该实施例是以如下认知为基础的：尽可能小地(尤其对于测量来说几乎不可觉察)抑制有效模式并且几乎完全抑制干扰模式是有利的。
例如，这可以通过将阻尼元件实施为阻尼弹簧来实现。阻尼弹簧的特别有利的实施例是膜片弹簧，这是因为它良好地允许垂直于膜片平面的运动，且良好地抑制任何平行于膜片平面的运动。如果以平行于振动传感器的膜片的方式使用这种膜片弹簧，有效模式能够以垂直于膜片弹簧的方式进行作用，且因此几乎不被抑制，同时，干扰模式均具有平行于膜片弹簧的平面的高运动成分，并且因而它们被高度地抑制。
已经说明的是，在现有的振动传感器和由弹簧钢(特别地，弹簧钢1.4310)、不锈钢(特别地，不锈钢1.4301)或钢(特别地，钢C22)制成的膜片弹簧中，膜片弹簧可能具有0.1mm至1.0mm的厚度以及20mm至50mm的外直径，这导致好的结果。特别地，在全表面膜片具有0.2mm的厚度的情况下且在穿孔膜片具有0.4mm的厚度的情况下，产生了好的结果。
优选地，膜片弹簧包括内环，膜片弹簧通过内环直接地或间接地连接到螺栓、磁性支座或永磁体。由此，膜片弹簧能够容易地连接到振动部件(例如永磁体或布置有永磁体的磁体支座)中的一者，使得膜片弹簧相对于振动传感器的膜片具有充分的距离。在膜片弹簧布置成与膜片间隔开的情况下，因为干扰模式由于螺栓、磁性支座和永磁体在膜片上的固定而具有位于膜片平面中的旋转轴线并因而在相对于膜片的特定距离处被良好地阻断，所以实现了改善的抑制性能。
为了进一步改善膜片弹簧的抑制效果，膜片弹簧可具有外环，膜片弹簧通过外环可以连接到相对于膜片固定的元件(优选地，壳体或线圈基座)。例如，外环可以焊接到振动传感器的壳体，或者夹持在壳体的肩部和旋拧护套之间。以此方式，能够在轴向方向上且在径向方向上同时实现膜片弹簧的固定，从而更好地调整抑制效果。
除了使用全表面膜片弹簧之外，膜片弹簧也可以实施为部分穿孔。为此，可在内环上布置多个弹簧臂，这些弹簧臂在径向方向上至少部分地延伸。在利用这种弹簧臂来实施膜片弹簧时，可以影响膜片弹簧的抑制特性。特别地，以此方式能够将膜片弹簧实施成使得其在膜片平面的不同方向具有不同的抑制效果。
在弹簧臂从内环延伸到外环时，实现了利用弹簧臂实施的膜片弹簧的特备简单的处理，这是因为由此能够产生膜片弹簧的限定的外周边。
特别地，弹簧臂可以径向地、螺旋地或或蜿曲状地延伸。
在特别优选的实施例中，在内环上布置有四个相对彼此垂直的弹簧臂，其中，彼此相对地布置的相应两个弹簧臂具有相同的尺寸。这种对称的实施例是有利的，这是因为基本型的振动传感器通常实施成点对称形式。此外，由此能够将膜片弹簧实施成使得其能够特别良好地抑制在优选方向上出现的任何干扰模式。
例如，这可以通过如下方式实现：在两个机械振动元件的连线的方向上延伸的两个第一弹簧臂宽于以垂直于第一弹簧臂的方式延伸的两个第二弹簧臂，其中，机械振动元件布置在膜片上并位于与驱动器相对的一侧。由于通常将彼此平行地布置的桨状物用作机械振动器，且桨状物以垂直于它们在膜片上的固定点之间的连线的方式对齐，所以优选地，在这些机械换能器的固定点的连线的方向上出现某些干扰模式。为了特别有效地抑制这些干扰模式，有利地，相应弹簧臂实施为更强固，特别地更宽。
例如，第一弹簧臂可具有6mm的宽度，且第二弹簧臂可具有4mm的宽度，典型振动传感器中的弹簧臂通常具有3mm至5mm的长度，特别地3.5mm至4.5mm的长度，且更优选地3.9mm的长度。
优选地，阻尼元件焊接至壳体，其中，能够通过周向焊接实现阻尼元件的稳定固定。
通常，本发明可以用于具有机械振动元件的振动传感器，其中在一个优选实施例中，两个机械振动元件布置在膜片上并位于与驱动器相对的一侧，且为彼此平行地布置的桨状物的形式。
在本发明中，有效模式是指对应于膜片的基本模式的振动模式，即对应于螺栓的垂直于膜片平面的运动的振动模式。
这里，干扰模式是指所有的引起振动传感器的误检测的振动模式(因而特别地，所有的包括没有相对于膜片平面垂直地对齐的螺栓的运动的模式)。
在本发明的意义上，“基本上未被抑制”是指：相比于抑制之前的振幅，各个振动模式的振幅通过抑制被减小了不超过5％。
在本发明的意义上，“最大抑制”是指：相比于抑制之前的振幅，各个振动模式的振幅通过抑制被减小了至少90％。
在优选实施例中，两个机械换能器布置在膜片上，其中，机械换能器为杆或桨状物的形式。膜片弹簧实施有内环和外环，其中，内环和外环优选地通过四个径向延伸的弹簧臂彼此连接。膜片弹簧具有0.4mm的厚度。膜片弹簧以平行于膜片方式布置在壳体中，并相对于机械换能器对齐，这意味着两个第一弹簧臂在它们的连接点处在机械换能器的连线的方向上延伸，且剩余的两个弹簧臂以垂直于第一弹簧臂的方式延伸。第一弹簧臂具有6mm的宽度，且第二弹簧臂具有4mm的宽度，所有的弹簧臂分别在内环和外环之间具有3.9mm的长度。内环和外环分别具有1.0mm的径向尺寸，其中，外环周向地焊接至壳体。
在下文中将基于示例性实施例并参照附图来说明本发明。除非另有说明，相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1示出根据本发明的振动传感器。
图2示出图1的振动传感器的在稍微高于阻尼膜片的剖面的俯视图。
图3示出根据现有技术的振动传感器。
图4示出在外部力影响机械振动元件的情况下的图3的振动传感器。
具体实施方式
图1示出根据本发明的振动传感器1的剖面。所提供的图示仅示意地示出振动传感器1，并没有按照实际比例绘制。
振动传感器1包括膜片3，膜片3可被驱动器5激励以进行振动，其中，驱动器5由可电力驱动的并且支撑在传感器1的壳体19上的线圈9、布置在线圈9中的线圈芯体21以及布置在膜片3上的螺栓7形成。在所示的该驱动器5中，螺栓7经由与螺栓7螺接的所谓的磁性支座8连接到永磁体10，使得永磁体10固定地耦接到膜片。永磁体10在轴向方向上并在螺栓7的延长部分上对齐并磁化。施加到9上的电流在线圈9中感生出磁场，接着，磁场根据其朝向吸引或排斥布置在膜片3上的永磁体10，由此使膜片3在相应方向上移动。以此方式，能够将电信号转换成膜片3的移动。
类似地，螺栓7的移动经由永磁体10在线圈9中感生出电流，从而将膜片3的移动转换成电信号，并由此可以检测移动。
在膜片3的与驱动器5相对的一侧处布置有两个通常被设计成桨状物的机械换能器17，机械换能器17将耦合到膜片3中的振动传递到机械换能器17周围的介质。
在磁性支座8和线圈9之间布置有在本实施例中为膜片弹簧形式的阻尼元件11。在本实施例中，膜片弹簧11在内侧固定在磁性支座8的突起(Fortsatz)上并在外侧固定在壳体19上。膜片弹簧11在外侧处周向地焊接在壳体19上，从而实现了膜片弹簧11在轴向方向A上以及径向方向R上的固定，并且特别地防止了膜片弹簧11相对于壳体19的任何倾斜。膜片弹簧11实施成平行于膜片3。
图2示出图1的振动传感器1沿图1中的线B-B的且在箭头所示视角方向上的剖面图。
从图2可以特别清楚地看出，本实施例中的膜片弹簧11形成为具有在内环12和外环13之间径向地延伸的弹簧臂21、22的穿孔膜片弹簧11。在本实施例中，弹簧臂21、22相对彼此垂直地布置，其中，第一弹簧臂21沿着机械换能器17在膜片3上的固定位置之间的连线V延伸，且第二弹簧臂22以垂直于第一弹簧臂的方式延伸，第一弹簧臂21的第一宽度b1大于第二弹簧臂22的宽度b2。所有的弹簧臂21、22在内环12的外直径到外环13的内直径之间具有相同的长度L，在本实施例中，长度L为3.9mm。第一弹簧臂21的第一宽度b1在本实施例中为6mm大小，第二弹簧臂22的第二宽度b2在本实施例中为4mm大小。在本实施例中，膜片弹簧11的厚度为0.4mm，且由弹簧钢1.4310制成。膜片弹簧11在周边处周向地焊接至壳体19。
附图标记列表
1 振动传感器
3 膜片
5 驱动器
7 螺栓
8 磁性支座
9 线圈
10 永磁体
11 膜片弹簧、阻尼元件、阻尼弹簧
12 内环
13 外环
17 振动元件、换能器
19 壳体
21 第一弹簧臂
22 第二弹簧臂
A 轴向方向
b1 第一宽度
b2 第二宽度
L 长度

Claims (16)

1.一种振动传感器(1)，其具有：
膜片(3)，其能够被激励以进行振动，和
驱动器(5)，其用于使所述膜片(3)振动并且/或者用于检测所述膜片(3)的振动，
其中，所述驱动器(5)是电磁作用型驱动器(5)，并包括永磁体(10)、线圈(9)和至少一个耦接到所述膜片(3)的螺栓(7)，
其特征在于，所述驱动器(5)包括阻尼元件(11)，所述阻尼元件实施并布置成使得：相比于任何有效模式，干扰模式被所述阻尼元件更强力地抑制。
2.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，相比于所述有效模式，所述干扰模式被所述阻尼元件(11)以至少为3的因数、优选地以至少为5的因数、进一步优选地以至少为20的因数更强力地抑制。
3.根据权利要求1所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述阻尼元件(11)将所述干扰模式的振幅减小至少90％、优选地至少95％，且将所述有效模式的振幅减小不超过5％，优选地不超过3％。
4.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述阻尼元件(11)实施为阻尼弹簧。
5.根据权利要求4所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述阻尼弹簧(11)实施为膜片弹簧。
6.根据权利要求5所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述膜片弹簧(11)具有0.1mm至1.0mm的厚度。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述膜片弹簧(11)具有内环(12)，所述膜片弹簧通过所述内环能够直接地或间接地连接到所述螺栓(7)、磁性支座(8)或所述永磁体(10)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述膜片弹簧(11)具有外环(13)，所述膜片弹簧通过所述外环能够在另一侧处连接到相对于所述膜片(3)固定到元件，优选地连接到壳体(19)或线圈基座。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，在所述内环(12)上布置有多个弹簧臂(21、22)。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述弹簧臂(21、22)从所述内环(12)延伸到所述外环(13)。
11.根据权利要求9或10所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述弹簧臂(21、22)径向地、螺旋地或蜿曲状地延伸。
12.根据权利要求8至11所述的振动传感器(1)，其特征在于，在所述内环(12)上布置有四个相对彼此垂直的弹簧臂(21、22)，其中，彼此相对地布置的相应两个所述弹簧臂(21、22)具有相同的尺寸。
13.根据权利要求12所述的振动传感器(1)，其特征在于，两个第一弹簧臂(21)实施为宽于两个第二弹簧臂(22)，其中，所述第一弹簧臂在两个机械振动元件(17)之间的连线(V)的方向上延伸，所述机械振动元件布置在所述膜片(3)上并位于与所述驱动器(5)相对的一侧，所述第二弹簧臂以垂直于所述第一弹簧臂的方式延伸。
14.根据权利要求13所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述第一弹簧臂(21)具有6mm的第一宽度(b1)，所述第二弹簧臂(22)具有4mm的第二宽度(b2)，并且它们具有优选为3至5mm，优选为3.9mm的长度(L)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，所述阻尼元件(11)优选地周向地焊接至所述壳体(19)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的振动传感器(1)，其特征在于，两个机械振动元件(17)布置在所述膜片(3)上并位于与所述驱动器(5)相对的一侧，所述机械振动元件优选为桨状物。
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