CN115066597A - 对气泡形成具有减小易损性的振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)，包括能够机械振动的单元(4)、驱动器/接收器单元(5)和电子单元(6)，其中，驱动器/接收器单元(5)被设计用于借助于电激励信号激励能够机械振动的单元(4)以产生机械振动，并且接收能够机械振动的单元(4)的机械振动并将它们转换成电接收信号，电子单元(6)被设计成基于接收信号生成激励信号，设置激励信号的频率使得在激励信号和接收信号之间存在可预定的相移，并基于接收信号确定至少一个过程变量(P)，能够机械振动的单元(4)包括隔膜(7)，并且膈膜的(7)的面向过程的表面(0)是弯曲的。

Description

对气泡形成具有减小易损性的振动传感器

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备，包括能够机械振动的单元、驱动器/接收器单元和电子单元。该介质因此位于容器中，例如，在储存器中或在管道中。该过程变量继而例如是，尤其是，可预先确定的填充水平、流速、介质的密度或粘度。

背景技术

振动传感器通常被用于过程和/或自动化工程。在填充水平测量设备的情况下，它们具有至少一个能够机械振动的单元，诸如例如振动叉、单杆或隔膜。在操作中，它借助于驱动器/接收器单元被激励以产生机械振动，该驱动器/接收器单元通常是机电换能器单元的形式，该机电换能器单元继而能够是，例如，压电驱动器或电磁驱动器。申请人生产了多种对应的现场设备，并且该多种对应的现场设备例如以名称LIQUIPHANT或SOLIPHANT被分布。原则上从许多出版物中已知基本的测量原理。驱动器/接收器单元借助于电激励信号激励能够机械振动的单元以产生机械振动。相反，驱动器/接收器单元能够接收能够机械振动的单元的机械振动并将它们转换成电接收信号。因此，驱动器/接收器单元或者是分开的驱动单元和分开的接收单元，或者是组合的驱动器/接收器单元。

在许多情况下，驱动器/接收器单元由此是电谐振反馈电路的一部分，借助于该电路激励能够机械振动的单元以产生机械振动。例如，对于谐振振动，必须满足谐振电路条件，根据该条件，放大因数≥1并且谐振电路中出现的所有相位导致360°的倍数。为了激励和满足谐振电路条件，必须在激励信号和接收信号之间确保限定的相移。因此经常设置相移的可预定值，因此设置激励信号和接收信号之间的相移的设定值。为此目的，从现有技术已知各种解决方案，包括模拟方法和数字方法，如例如在文献DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1或DE00102010030982A1中所描述的。

激励信号和接收信号都由它们的频率ω、幅度A和/或相位Φ来表征。因此，这些变量的变化通常被用于确定相应的过程变量。例如，过程变量能够是填充水平、指定的填充水平或介质的密度或粘度以及流速。例如，给定用于液体的振动式水平开关，区分能够振动的单元是被液体覆盖还是自由振动。这两个条件，自由条件和覆盖条件，例如基于不同的谐振频率，即基于频移，是有区别的。

如果能够振动的单元完全被介质覆盖，则密度和/或粘度继而只能够利用这种测量设备确定。关于密度和/或粘度的确定，从现有技术中同样已知不同的可能性，诸如在文献DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1或DE102016112743A1中公开的那些。

基于机械振动的传感器的一个问题与不同介质中气泡的存在有关。气泡对液体的粘弹性有很大的影响。因此，与考虑的相应过程变量无关的能够振动的单元的振动频率的不期望的变化能够伴随相应过程变量的伪造测量值而发生。

多种因素，诸如过程中的搅拌或泵送操作、介质中压力降低后溶解空气的脱气或者甚至介质温度的变化，都能够导致液体介质中气泡的形成。气泡特别常见地形成于淡水或水溶液中。分开的气泡由此发挥作用，它们既分布在介质中，并且因此也分布在包括能够振动的单元的传感器的相应传感器单元的表面上。

例如，从DE102015122661A1已知一种通过科里奥利流量计来确定充气液体的物理参数的方法。能够振动的单元以两种不同的振动模式被激励，以产生机械振动，该机械振动在不同程度上取决于介质内存在的气泡。气泡对测量的影响能够根据针对在两种振动模式下的密度和/或质量流量计算的值的比率来确定和校正。

然而，希望能够从一开始就避免气泡的粘附和由此引起的测量不准确。因此，从所引用的现有技术开始，本发明基于提高振动传感器的测量精度的目的。

发明内容

通过用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备实现该目的，该设备包括根据权利要求1的能够机械振动的单元、驱动器/接收器单元和电子单元。该驱动器/接收器单元被设计成借助于电激励信号激励能够机械振动的单元以产生机械振动，并且接收能够机械振动的单元的机械振动并将它们转换为电接收信号。该电子单元继而被设计成基于接收信号生成激励信号，设置激励信号的频率使得在激励信号和接收信号之间存在可预定的相移，并且使用接收信号确定至少一个过程变量。根据本发明，能够机械振动的单元包括隔膜，其中，该隔膜的面向过程的表面是弯曲的。

能够振动的单元是该设备的传感器单元的一部分。例如，这是隔膜振动器、单杆或振动叉，给定能够振动的单元包括隔膜和/或一体地形成在隔膜上的一个或多个振动元件。驱动器/接收器单元能够包括至少一个压电元件，但它也能够是电磁驱动器/接收器单元。一方面，它用作驱动器/接收器单元，用于借助于电激励信号生成能够机械振动的单元的机械振动，该电激励信号例如能够是正弦波或矩形波信号。然而，它也用于接收机械振动并将该振动转换为电接收信号。在能够振动的单元被介质覆盖的情况下，能够机械振动的单元的机械振动受介质特性的影响，使得能够使用代表能够振动的单元的振动的接收信号生成关于至少一个过程变量的结论。能够机械振动的单元优选地至少暂时地被激励以产生共振振动。

通过隔膜的弯曲设计能够明显地减少隔膜区域中气泡的沉积和/或粘附。相比之下，在平面表面的情况下，气泡的沉积优选地发生在隔膜的区域中，由于阿基米德原理，该气泡保留在那里并且无法逸出。相比之下，在给定曲面的情况下，气泡由于浮力从表面的中心区域向外移动并且能够从那里逸出。

对于弯曲隔膜的特定设计，可设想许多变体，所有这些变体都属于本发明。因此能够取决于应用，例如取决于传感器的安装位置或介质，适当地选择隔膜的确切形状和性质。在下面通过示例来说明根据本发明的隔膜的一些优选实施例。

在本发明的一个实施例中，隔膜的表面因此至少部分是凸的。如果该设备通过容器的上壁或侧壁附接至容器，这是特别有利的。

在本发明的替代实施例中，隔膜的表面至少部分是凹的。给定设备从容器的下壁的集成，这样的实施例继而是有利的。

在另一实施例中，该表面被设计成圆锥形、截头圆锥形、半球形的或具有球截形的形状。

又一实施例包括该表面是圆形的，特别是在该表面的中心点的区域中。

一个替代实施例包括该表面具有尖端，特别是在该表面的中心点的区域中。具有尖端的表面尤其能够加速位于隔膜表面上的气泡的分离过程。

在另一实施例中，该表面被设计为相对于该表面的中心点对称。对称实施例相对于能够振动的单元的振动特性是有利的。

如果至少一个振动元件一体地形成在隔膜上则是有利的。如果至少两个振动元件一体地形成在隔膜上则同样是有利的。因此，这优选地是单杆或振动叉。然而，多于两个的振动元件也能够一体地形成在隔膜上。

在这方面，如果在隔膜与振动元件之间的过渡区域具有相应的可预定的过渡半径则是有利的。以这种方式，能够明显地减少或避免在过渡区域中气泡的粘附。

又一实施例包括平行于穿过隔膜的纵向轴线的平面与隔膜表面的切线之间的角度小于或等于45°。如果该设备是电子振动多传感器，例如在文件号为PCT/EP2019/064724的先前未公开的国际专利申请中或在参考文献号为102018127526.9的先前未公开的德国专利申请中描述的，则这样的实施例是特别合理的。下面将整体参考这些申请。在另一实施例中，该设备包括至少一个用作驱动器/接收器单元的第一压电元件，其中，该设备被设计成借助于激励信号激励能够机械振动的单元以产生机械振动，接收该能够振动的单元的机械振动并将它们转换为第一接收信号，发射传输信号，并且接收第二接收信号，并且其中，电子设备被设计成使用第一和/或第二接收信号来确定介质的至少一个过程变量。

发射信号优选地是超声信号，尤其是脉冲超声信号，尤其是至少一个超声脉冲。因此作为被使用的第二测量方法，在本发明的范围内执行基于超声的测量。相应的所发射的传输信号至少部分地穿过介质并且在其特性方面受到介质影响。因此，使用相应地接收到的第二接收信号同样可以得出关于不同介质的结论。

如果该设备还包括至少一个第二压电元件则是有利的，其中，第一和第二压电元件被设计成激励能够机械振动的单元以借助于激励信号产生机械振动，并且接收能够振动的单元的机械振动并将它们转换成第一接收信号，其中，第一压电元件被设计为发射传输信号，并且其中，第二压电元件被设计为以第二接收信号的形式接收发射信号。

因此，这些实施例涉及这样一种多传感器，其中，两种不同的测量原理被组合。

如果机械可振动的单元是具有第一和第二振动元件的振动叉则同样是有利的，并且其中，第一压电元件至少部分地被布置在第一振动元件中，并且第二压电元件至少部分地被布置在第二振动元件中。例如在文献DE102012100728A1和DE102017130527A1中已经描述了传感器单元的对应实施例。在本发明的范围内同样整体提及这两个申请。这两篇文献中描述的传感器单元的可能实施例是传感器单元的示例性可能的结构实施例。例如，也不是绝对必然将压电元件排他地布置在振动元件的区域中。而是，所使用的那些的各个压电元件也可以被布置在隔膜的区域中，或者布置在不被用于振动激励并且同样被施加到隔膜上的另外的振动元件中。

最后，如果隔膜的平行于振动元件的纵向轴线的范围小于振动杆的平行于纵向轴线的长度的20％，则是有利的。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。以下被示出：

图1是根据现有技术的振动传感器的示意图，

图2是振动叉形式的能够振动的单元，其具有(a)平面和(b)弯曲的隔膜表面，以及

图3是用于弯曲隔膜的各种示例性实施例。

具体实施方式

在附图中，相同的元件分别被提供相同的附图标记。

图1示出了具有传感器单元2的振动传感器1。传感器具有振动叉形式的能够机械振动的单元4，其部分浸入位于储存器3中的介质M中。能够振动的单元4被驱动器/接收器单元5激励以产生机械振动，并且例如能够是压电堆叠驱动器或双晶驱动器。例如，其他振动传感器具有电磁驱动器/接收器单元5。可能使用既用于激励机械振动又用于检测它们的单个驱动器/接收器单元5。然而，同样可设想一个驱动器单元和一个接收器单元每个分别实现一个。图1中还描绘了电子单元6，借助于该电子单元6进行信号采集、评估和/或馈送。

图2中描绘的是振动叉形式的相应能够振动的单元4。单元4具有隔膜7，在其表面O上——在被引入容器3的状态下是介质M——一体地形成两个振动元件8a、8b。在图2a中，隔膜7的表面O被设计为平面的。结果，介质M中所包含的气泡能够积聚在隔膜7的表面O上，并根据阿基米德原理在那里被捕获。

在如图2b所描绘的根据本发明的变体中，隔膜7的表面O相比之下是弯曲的，使得气泡从表面O的中心穿过到其边缘并且能够从那里逸出。因此，弯曲设计显著地降低了振动传感器相对于气泡粘附的灵敏度以及相关联的不利测量效果。

对于根据本发明的隔膜，可设想许多实施例，其中的一些在图3中通过示例分别以截面图的形式描绘。例如，表面O能够被设计为凸形(如图3a所示)或凹形(如图3b所示)，尤其取决于传感器1的安装位置。在这两种情况下，表面O都是圆形的。替代地，表面O也可以具有半球或球截形的形状。此外，如图3c中所描绘的，也可设想具有尖端或者例如具有如图3d中所示的截头圆锥的形状的表面O。除了这里所示的实施例之外，还可设想许多其他可能性，所有这些都属于本发明。还应注意的是，表面O不必然需要被设计成对称的，如图3所描绘的变体也是如此。而是，表面O能够特定于应用而被选择。

附图标记列表

1 振动传感器

2 传感器单元

3 储存器

4 能够振动的单元

5 驱动器/接收器单元

6 电子设备

7 隔膜

8a,8b 振动元件

9 气泡

M 介质

P 过程变量

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)，包括能够机械振动的单元(4)、驱动器/接收器单元(5)和电子单元(6)，

其中，所述驱动器/接收器单元(5)被设计成借助于电激励信号激励所述能够机械振动的单元(4)产生机械振动，并且接收所述能够机械振动的单元(4)的所述机械振动并将它们转化为电接收信号，

其中，所述电子单元(6)被设计成基于所述接收信号生成所述激励信号，设置所述激励信号的频率使得在所述激励信号和所述接收信号之间存在能够预定的相移，并且使用所述接收信号确定所述至少一个过程变量(P)，

其中，所述能够机械振动的单元(4)包括隔膜(7)，并且

其中，所述隔膜(7)的面向所述过程的表面(O)是弯曲的。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中，所述隔膜(7)的所述表面(O)至少部分是凸的。

3.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中，所述隔膜(7)的所述表面(O)至少部分是凹的。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述表面(O)为圆锥形、截头圆锥形、半球形的或具有球截形的形状。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述表面(O)是圆形的，特别是在所述表面(O)的中心点的区域中。

6.根据权利要求1-4中的至少一项所述的设备，

其中，所述表面(O)具有尖端，特别是在所述表面(O)的中心点的区域中。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述表面(O)被设计成相对于所述表面(O)的中心点对称。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，至少一个振动元件(8a、8b)一体地形成在所述隔膜(7)上。

9.根据权利要求8所述的设备(1)，

其中，在所述隔膜和所述振动元件之间的过渡区域具有相应的能够预定的过渡半径。

10.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

其中，平行于穿过所述隔膜(7)的纵向轴线的平面与所述隔膜(7)的所述表面(O)的切线之间的角度小于或等于45°。

11.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，

包括用作驱动器/接收器单元(5)的至少一个第一压电元件，

其中，所述设备(1)被设计为

借助于激励信号激励所述能够机械振动的单元(4)产生机械振动，

接收所述能够振动的单元(4)的所述机械振动并将它们转换为第一接收信号，

发射传输信号并且接收第二接收信号，以及

其中，所述电子单元(6)被设计成使用所述第一接收信号和/或所述第二接收信号确定所述介质(M)的所述至少一个过程变量(P)。

12.根据权利要求11所述的设备(1)，

还包括至少一个第二压电元件，

其中，所述第一压电元件和所述第二压电元件被设计成借助于激励信号激励所述能够机械振动的单元(4)以产生机械振动，并且接收所述能够振动的单元(4)的所述机械振动并将它们转换为第一接收信号，

其中，所述第一压电元件被设计成发射传输信号，并且

其中，所述第二压电元件被设计成以第二接收信号的形式接收所述传输信号。

13.根据权利要求11或12中的一项所述的设备(1)，

其中，所述能够机械振动的单元(4)为具有第一振动元件(8a)和第二振动元件(8b)的振动叉，并且其中，所述第一压电元件被至少部分地布置在所述第一振动元件(8a)中，并且所述第二压电元件被至少部分地布置在所述第二振动元件(8b)中。

14.根据权利要求11-13中的至少一项所述的设备(1)，

其中，所述隔膜(7)的平行于所述振动元件(8a、8b)的纵向轴线的范围小于振动杆(8a、8b)的平行于所述纵向轴线的长度的20％。

Images