CN115104009A - 电子振动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备(1)和一种用于确定和/或监测容器(3)中介质(2)的至少一个过程变量(P)的方法。根据本发明，该设备(1)包括被布置在隔膜(8)上的四个杆状元件(9a‑9d)、三个压电元件(11a‑11c)和电子系统(6)，其中一个第一杆状元件(9a)和一个第二杆状元件(9b)被布置并配置成使得它们形成可机械振动的单元(4)，其中该设备(1)被配置成借助于激励信号(A)激励可振动单元(4)以产生机械振荡，接收可振动单元(4)的机械振荡并将其转换为第一接收信号(EA)，发射发射信号(S)并接收第二接收信号(ES)，并且电子系统(6)被设计成基于第一接收信号(EA)和/或第二接收信号(ES)确定所述至少一个过程变量。

Description

电子振动传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量的设备。过程变量例如是介质的料位，特别是极限料位、密度和/或粘度。例如，容器可以是罐或管道。
背景技术
电子振动传感器通常用于过程和/或自动化工程。在料位测量设备的情况下，它们具有至少一个可机械振动的单元，诸如例如振荡叉、单杆或膜。在操作期间，通常呈机电换能器单元形式的驱动/接收单元激发可振动单元机械振荡，该驱动/接收单元又可以是例如压电驱动器或电磁驱动器。然而，在流量计的情况下，可机械振动的单元也可以设计为振动管，诸如在根据科里奥利原理工作的流量计中，相应的介质2流过该振动管。
申请人制造了多种相应的现场设备，并且在料位测量设备的情况下，以LIQUIPHANT或SOLIPHANT的名称销售。基本的测量原理原则上从许多出版物中已知。驱动/接收单元借助于电激励信号激励可机械振动的单元做机械振动。相反，驱动/接收单元可以接收可机械振动的单元的机械振动并且将其转换成电接收信号。相应地，驱动/接收单元或者是单独的驱动单元和单独的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。在许多情况下，驱动/接收单元由此是反馈电谐振电路的一部分，借助于该反馈电谐振电路，发生可机械振动的单元的激励以进行机械振动。例如，必须满足谐振振动的谐振电路条件，根据该谐振电路条件，放大因子≥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，必须确保激励信号和接收信号之间的定义相移。因此，频繁地设置用于相移的可预先确定的值，即，用于激励信号和接收信号之间的相移的目标值。为此目的，从现有技术中已知多种解决方案，包括模拟方法和数字方法两者。原则上，可以例如通过使用合适的滤波器来设置相移，或者可以借助于控制回路将相移调节到可预定的相移，即设定点值。例如，DE102006034105A1公开了可调节移相器的使用。相比之下，在DE102007013557A1中描述了额外集成具有可调节放大因子的放大器以额外控制振动幅度。DE102005015547A1建议使用全通滤波器。也可以借助于所谓的频率搜索来设置相移，例如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中公开。然而，也可以借助于锁相环(PLL)将相移调节到可预定的值。基于锁相环的激励方法形成了DE00102010030982A1的主题。
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用于确定所讨论的过程变量，诸如罐中介质的预定料位，或者介质的密度和/或粘度，或者通过管道的介质的流动。例如，在用于液体的电子振动料位开关的情况下，对振动单元是被液体覆盖还是自由振动进行区分。两种状态——自由状态和覆盖状态——因此是有区别的——例如，基于不同的谐振频率，即频移。继而，只有当可振动单元被介质覆盖时，才可以用这种测量设备确定密度和/或粘度。
继而，只有当可振动单元被介质覆盖时，才可以用这种测量设备确定密度和/或粘度。关于密度和/或粘度的确定，从诸如在文献DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1或DE102016112743A1中公开的那些现有技术中同样已知不同的可能性。
使用电子振动传感器，可以相应地确定多个过程变量并将其用于表征相应的过程。然而，在许多情况下，需要关于过程的进一步的信息，尤其是进一步的物理和/或化学过程变量和/或过程参数的知识，以进行全面的过程监测和/或控制。例如，这可以通过将其它现场设备集成到相应的过程中来实现。由各种测量设备提供的测量值然后可以以合适的方式在对于设备上级的单元中被进一步处理。
因此，从先前未公开的国际专利申请中已知一种电子振动多传感器，该国际专利申请的文件号为PCT/EP2019/064724，它在单个设备中结合了两种测量原理——电子振动测量原理和超声波测量原理。传感器单元一方面进行机械振动；此外，发射发射信号。响应于机械振动以及响应于发射信号，接收两个接收信号并且针对至少两个不同的过程变量进行评估。可以有利地彼此独立地评估两个接收信号。
发明内容
从现有技术出发，本发明基于扩展电子振动传感器的应用领域的目的。
该目的通过根据权利要求1的用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量的设备和通过根据权利要求10的用于确定和/或监测容器中介质的至少一个过程变量的方法来实现。
根据本发明的设备包括被布置在膜上的四个杆状元件、三个压电元件和电子系统，其中一个第一杆状元件和一个第二杆状元件被布置并配置成使得它们形成可机械振动单元，其中该设备被配置成借助于激励信号激励可振动单元以产生机械振荡，并且被配置成接收可振动单元的机械振荡并将其转换成第一接收信号，发射发射信号，并且接收第二接收信号，并且其中电子系统被配置成基于第一和/或第二接收信号确定至少一个过程变量。
传感器单元是用于确定和/或监测介质的一个或多个过程变量的设备的一部分，并且传感器单元包括四个杆状元件，其中两个杆状元件形成可振动单元，类似于或对应于振荡叉。三个压电元件中的两个优选用作驱动/接收单元，用于产生和检测可机械振动的单元的机械振荡，所述机械振荡的形式为第一接收信号，其受介质影响，因此可用于确定过程变量。第三压电元件用于发射发射信号以及用于接收第二接收信号。发射信号至少暂时地和部分地通过介质，并且同样受到介质的物理性质和/或化学性质的影响，并且因此也可以用于确定介质的过程变量。
在本发明的范围内，有利地，可以在单个设备中实施至少两个测量原理，类似于先前未公开的文件号为PCT/EP2019/064724的国际专利申请，在本申请的范围内，引用该国际专利申请的全部内容。传感器单元一方面进行机械振荡；此外，发出发射信号。响应于机械振荡以及响应于发射信号，接收两个接收信号并且就至少一个过程变量或优选地就两个不同的过程变量进行评估。可以有利地彼此独立地评估两个接收信号。以此方式，根据本发明，可确定的过程变量的数量可以显著增加，这导致相应传感器的更高功能性或扩展的应用范围。
在一个实施例中，根据本发明的设备包括四个压电元件。因此，该设备被配置成，例如，借助于电激励信号激励可振动单元以借助于第一和第二压电元件产生机械振荡，以及接收可振动单元的机械振荡并将其转换成电接收信号，以及借助于第三和第四压电元件发射发射信号并且接收第二接收信号。原则上，每个杆状元件都可以借助于激励信号和/或发射信号来加载。当使用激励信号和发射信号的两个不同频率时，可以在电子系统中对接收信号进行适当的信号分离。
然而，也可以想到许多其它布置和实施例，它们也落入本发明的范围内。例如，可以设想，压电元件在每种情况下都用于产生振荡以及用于在每种情况下检测一个杆状元件的振荡。然而，在其它实施例中，形成可振动单元的两个杆状元件也可以被激励以一起振荡。此外，在一个实施例中，例如，使用单个压电元件也足以产生并检测振荡，该单个压电元件例如可以不必被布置在形成可振动单元的杆状元件之一中。在设置三个压电元件并且第三压电元件用于产生发射信号的情况下，不用作可振动单元的杆状元件之一可以被配置和/或布置为：发射信号在该杆状元件处被反射并且被引导回第三压电元件。然而，一个压电元件也可以用于产生发射信号，而另一个压电元件也可用于检测第二接收信号。
至少就形成可振动单元的元件而言，压电元件和杆状元件的布置和配置尤其可以对应于在DE102017130527A1中描述的用于电子振动传感器的实施例之一。在本发明的范围内完整地参考了该申请。
最后，均可以想到，借助于激励信号和发射信号同时作用于传感器单元，其中激励信号和发射信号相互叠加或同时产生，并且不同的信号作用于设备的不同的压电元件。然而，替代地，传感器单元也可以交替地由激励信号和发射信号作用。例如，激励信号是具有至少一个可预定频率的电信号，尤其是正弦信号或矩形信号。可机械振动的单元优选地至少暂时地被激励以共振地振动。发射信号又尤其是超声波信号，尤其是脉冲超声波信号，尤其是至少一个超声波脉冲。
利用根据本发明的设备，可以相互独立地确定至少部分不同的过程变量和/或过程参数，从而可以借助于单个仪表对各个过程进行综合分析。此外，通过对两种测量方法使用相同的传感器单元，可以显著提高测量精度。此外，这两个过程变量可用于监控设备的状态。
在一个实施例中，至少一个压电元件至少部分地被布置在杆状元件内。特别地，多个或所有压电元件也可以被布置在杆状元件之一中。例如，在文献DE102012100728A1和DE102017130527A1中已经描述了传感器单元的相应实施例。应该指出，然而，本发明不限于在两个文献中描述的传感器单元的可能实施例之一。相反，这些仅仅是示例性的、可能的设计实施例。并非绝对必须将压电元件专门地布置在在杆状元件的区域中。相反，一些所使用的压电元件也可以被布置在膜的形成有杆状元件的区域中。
在另一实施例中，过程变量是料位，特别是可预定的料位、密度、粘度、声速、雷诺数或从这些变量中的至少一个导出的变量。
如果电子系统被配置成基于第一和/或第二接收信号确定至少两个不同的过程变量，则是进一步有利的。在这种情况下，可以想到许多变形，其中一些优选的变形在先前未公开的文件号为PCT/EP2019/064724的国际专利申请中加以指定。
下面详细说明传感器单元的可能实施例的一些特别优选的变形，即杆状元件和压电元件的布置和/或实施例。然而，本发明决不限于所描述的变形。
在一个实施例中，第一杆状元件和第二杆状元件以及第三杆状元件和第四杆状元件在每种情况下被同样地配置并且相对于在其上形成杆状元件的膜的表面的中心点彼此相对地布置。杆状元件因此成对地等同地被配置并且相对于膜的面向介质的表面的中心点对称地被布置。
在进一步的实施例中，第一杆状元件和第二杆状元件之间的第一连接线与第三杆状元件和第四杆状元件之间的第二连接线之间的角度基本上彼此垂直。两条连接线因此彼此具有90°的角度。
对于杆状元件，距膜的中心点的距离在每种情况下可以相同或至少部分不同。特别地，对于每对杆状元件，特别是第一和第二杆状元件以及第三和第四杆状元件，距离膜的面向介质的表面的中心点的距离可以每个都一样。
在又一个实施例中，第一杆状元件与第二杆状元件以及第三杆状元件与第四杆状元件在每种情况下具有相同的长度，其中第一杆状元件和第二杆状元件的长度大于第三杆状元件和第四杆状元件的长度。因此，成对的杆状元件具有相同的长度。特别地，第一和第二杆状元件用于产生振荡。
最后，在一个实施例中，第一杆状元件与第二杆状元件以及第三杆状元件与第四杆状元件各自具有同样的底面积，其中第一杆状元件和第二杆状元件的底面积大于第三杆状元件和第四杆状元件的底面积。
本发明所基于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方法来实现，其中借助于激励信号激励可机械振动单元以产生机械振荡，接收可振动单元的机械振荡并将其转换为第一接收信号，发射发射信号，并接收第二接收信号，其中基于第一和/或第二接收信号确定至少一个过程变量。
在该方法的一个实施例中，确定介质的流动特性。因此，根据本发明的方法有利地用于表征流动介质。有利的是，借助于超声波测量原理，即基于发射信号和第二接收信号，例如基于发射信号或第二接收信号的起始时间和接收时间的不同传送时间确定介质的流量。因此，可以利用传感器确定料位和流动。
在这方面，第三杆状元件和/或第四杆状元件用作在流动介质的情况下在介质中产生涡流的挡板是有利的，其中来自挡板的涡流具有与速度相关的涡流脱落频率，其中基于由涡流引起的压力波动借助于可振动单元确定涡流脱落频率，并且其中基于涡流脱落频率确定斯特鲁哈尔数(Strouhal number)、雷诺数(Reynolds number)和/或从斯特鲁哈尔数和/或雷诺数导出的变量。在此上下文中，参考文献WO00/09973A1，其中描述了用于压电涡流传感器的类似过程。如果第三和/或第四杆状元件以促进涡流形成的方式加以设计，则该实施例是进一步有利的。
杆状元件中的至少一个用作挡板，因此用于产生涡流。这是卡门涡街，其中涡流产生的频率由雷诺数确定。雷诺数描述了惯性与粘度的比值，可以根据流速、所使用挡板的直径和介质的粘度来确定雷诺数。又可以基于斯特鲁哈尔数确定涡流的脱落频率。以下等式适用：
Figure BDA0003795305820000081
其中f是涡流的脱落频率，v是流入速度，而d是挡板的特征尺寸。涡流的脱落频率可以相应地根据斯特鲁哈尔数确定，斯特鲁哈尔数取决于挡板的形状和雷诺数。例如，因此可以借助于可机械振动的单元来确定涡流脱落频率，并且可以基于基于超声波的测量来确定流量，即流入速度。如果流入体的几何形状已知，则可以确定雷诺数。
在该方法的一个实施例中，基于第一接收信号确定粘度和/或密度，并且在确定粘度和/或密度时考虑雷诺数。通过考虑雷诺数，可以显著提高相应传感器在确定密度和/或粘度时的测量精度。
在另一个实施例中，使用斯特鲁哈尔数和/或雷诺数来确定流动特性。这尤其是介质的流动特性。
最后，在根据本发明的方法的一个实施例中，在第一操作模式下产生激励信号和发射信号，其中在第一操作模式下基于第一和/或或第二接收信号确定至少一个过程变量，而在第二操作模式下确定介质的流动属性。
还应该指出，结合根据本发明的方法描述的实施例也可以在具有必要的修改后应用于根据本发明的设备，反之亦然。
附图说明
本发明及其有利的实施例在下文参照附图，即图1至图3更详细地描述。示出如下：
图1：根据现有技术的电子振动传感器的示意图，
图2：根据本发明的设备的示例性实施例，以及
图3：借助于图2所示设备确定雷诺数的示意图。
具体实施方式
图1a示出了电子振动传感器1。该传感器具有传感器单元2，该传感器单元2具有振荡叉形式的可机械振动的单元4，该可机械振动的单元部分浸没在位于罐3中的介质M中。激励/接收单元5激励可振动单元4做机械振动，并且可振动单元4可以例如借助于压电堆叠驱动器或双晶驱动器。其它电子振动传感器例如具有电磁驱动/接收单元5。可以使用单个驱动/接收单元5，其用于激励机械振动并且用于检测它们。但是，也可以想到分别实施一个驱动单元和一个接收单元。图1进一步示出了电子系统6，借助于该电子系统6进行信号采集、评估和/或馈送。
图1b示出了振荡叉形式的可振动单元4，例如集成在申请人以名称LIQUIPHANT销售的电子振动传感器1中。振荡叉4包括两个杆状元件9a、9b，这两个杆状元件9a、9b安装在膜8上，并且在这两个杆状元件9a、9b中的每一个的端部上一体地形成桨10a、10b。因此，这些也被称为叉尖头。驱动/接收单元5借助于整体结合和/或力配合连接紧固到膜8的背离杆状元件9a、9b的一侧。对于所示的示例性实施例，假设驱动/接收单元5包括至少一个压电元件。在连续操作期间，通过施加激励信号UA，例如以在电子系统6中产生的交流电压的形式，将力施加到膜8。施加的电压的变化引起驱动/接收单元5的几何形状的变化，即压电元件内的收缩或松弛，使得作为激励信号UA的交变电压的施加导致与驱动/接收单元5一体地结合的膜8的振荡，并且因此导致可机械振动的单元4的振荡。
在根据本发明的设备1中，如图3中的示例所示，传感器单元2包括形成在膜8上的四个杆状元件9a-9d和四个压电元件11a-11d。第一杆状元件9a和第二杆状元件9b形成可振动单元4。在每种情况下，一个压电元件11a-11d被引入到杆状元件9a-9b中的一个中。
一方面，可以由激励信号A作用于这种设备，使得激励可振动单元4以产生机械振荡。借助于两个压电元件11a和11b产生振荡。可以想到，相同的激励信号A作用于两个压电元件，并且借助于第一激励信号A1作用于第一振动元件11a，而借助于第二激励信号A2作用于第二振动元件11b。还可以想到，基于机械振荡接收第一接收信号EA，或者从每个振动元件9a、9b分别接收第一接收信号EA1或EA2。
此外，发射信号S从第三压电元件11c被发出，并且发射信号S由第四压电元件11d以第二接收信号ES的形式接收。由于两个压电元件11c和11d被布置在杆状元件9c和9d的区域中，因此如果传感器单元2与介质M接触，则发射信号S经过介质M并且相应地受到介质M的性质的影响。发射信号S优选地是超声波信号，尤其是脉冲超声波信号，并且尤其是至少一个超声波脉冲。在其它实施例中，可以省略第四压电元件11d。然后，发射信号S在第四杆状元件11d处反射并且被第三压电元件11c接收。在这种情况下，发射信号S经过介质M两次，这导致发射信号S的传送时间τ加倍。
对于所示实施例，第一杆状元件9a和第二杆状元件9b被同样地设计。它们具有相同的底面积G1和长度L1，并且彼此对称地被布置在膜8的面向介质M的表面O的中心点P的相对的侧上。第三杆状元件9c和第四杆状元件杆状元件9d也被同样地设计，具有相同的底面积G2和长度L2，并且彼此对称地被布置在膜8的面向介质M的表面O的中心点P的相对的侧上。第一杆状元件9a和第二杆状元件9b的长度L1和底面积G1均大于第三杆状元件9c和第四杆状元件9d的长度L2和底面积G2。
除了根据本发明的设备1的这个所示实施例之外，也可以想到许多其它变形，它们同样落入本发明的范围内。
最后，图3示出了雷诺数RE的确定。示出了来自图2的传感器单元2的俯视图。第一杆状元件9a和第二杆状元件9b形成可振动单元4。第三杆状元件9c和第四杆状元件9d形成用于产生涡流W的流动单元12，通过可振动单元4检测涡流W。第三杆状元件12c用作挡板。
附图标记列表
1 电子振动传感器
2 介质
3 容器
4 可振动单元
5 驱动/接收单元
6 电子系统
8 膜
9,9a-9d 杆状元件
10,10a,10b 桨
11a-11d 压电元件
12 用于超声波测量和用于产生涡流的单元
A 激励信号
S 发射信号
EA 第一接收信号
ES 第二接收信号
L1,L2 杆状元件的长度
G1,G2 杆状元件的底面积
b,b1-b4 振动元件的底侧
d1,d2 离膜的中心点的距离
M 介质
W 涡流
P 膜的中心点
O 膜的面向介质的表面
f 涡流频率
SR 斯特鲁哈尔数
RE 雷诺数。

Claims (15)

1.一种用于确定和/或监测容器(3)中的介质(M)的至少一个过程变量的设备(1)，
所述设备包括四个被布置在膜(8)上的杆状元件(9a-9d)、三个压电元件(11a-11c)和电子系统(6)，
其中，一个第一杆状元件(9a)和一个第二杆状元件(9b)被布置并配置成使得它们形成可机械振动单元(4)，
其中所述设备(1)被设计为
借助于激励信号(A)激励所述可振动单元(4)以产生机械振荡，并且接收所述可振动单元(4)的机械振荡并将所述机械振荡转换为第一接收信号(EA)，
发射发射信号(S)，并且接收第二接收信号(ES)，以及
其中，所述电子系统(6)被配置成基于所述第一接收信号(EA)和/或第二接收信号(ES)确定所述至少一个过程变量。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，
包括四个压电元件(11a-11d)。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，
其中至少一个压电元件(11a-11d)至少部分地被布置在杆状元件(9a-9d)内。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述过程变量是料位，特别是可预定的料位、密度、粘度、声速、雷诺数或从这些变量中的至少一个导出的变量。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述电子系统(6)被配置成基于所述第一接收信号(EA)和/或第二接收信号(ES)确定至少两个不同的过程变量。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述第一杆状元件(9a)与所述第二杆状元件(9b)以及第三杆状元件(9c)与第四杆状元件(9d)在每种情况下被同样地配置并且相对于在其上形成所述杆状元件(9a-9d)的膜的表面(O)的中心点(P)彼此相对地布置。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，
其中，所述第一杆状元件(9a)和所述第二杆状元件(9b)之间的第一连接线与所述第三杆状元件(9c)和所述第四杆状元件(9d)之间的第二连接线之间的角度基本上彼此垂直。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，
其中，所述第一杆状元件(9a)与所述第二杆状元件(9b)以及所述第三杆状元件(9c)与所述第四杆状元件(9d)在每种情况下具有相同的长度，并且其中，所述第一杆状元件(9a)和所述第二杆状元件(9b)的长度(L1)大于所述第三杆状元件(9c)和所述第四杆状元件(9d)的长度(L2)。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的设备(1)，
其中，在每种情况下，所述第一杆状元件(9a)与所述第二杆状元件(9b)以及所述第三杆状元件(9c)与所述第四杆状元件(9d)具有同样的底面积，并且其中第一杆状元件(9a)和第二杆状元件(9b)的底面积(G1)大于所述第三杆状元件(9c)和所述第四杆状元件(9d)的底面积(G2)。
10.一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的方法，
其中，借助于激励信号(A)激励可机械振动单元(4)以产生机械振荡，并且所述可振动单元(4)的机械振荡被接收并被转换为第一接收信号(EA)，
发射发射信号(S)，并且接收第二接收信号(ES)，以及
其中，基于所述第一接收信号(EA)和/或所述第二接收信号(ES)确定所述至少一个过程变量。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，确定所述介质(M)的流动特性。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，第三杆状元件(9c)和/或第四杆状元件(9d)被用作挡板，在流动介质(M)的情况下，所述挡板在所述介质(M)中产生涡流，其中所述涡流具有来自所述挡板的与速度相关的涡流脱落频率(f)，
其中，借助于所述可振动单元(4)基于由所述涡流引起的压力波动来确定涡流脱落频率(f)，
并且其中，基于所述涡流脱落频率(f)确定斯特鲁哈尔数(SR)、雷诺数(RE)和/或从所述斯特鲁哈尔数(SR)和/或所述雷诺数(RE)导出的变量。
13.根据权利要求11或12所述的方法，
其中，基于所述第一接收信号(EA)确定粘度和/或密度，并且其中，考虑所述雷诺数(RE)以确定所述粘度和/或所述密度。
14.根据权利要求11-13中的至少一项所述的方法，
其中，使用所述斯特鲁哈尔数(SR)和/或所述雷诺数(RE)确定所述流动特性。
15.根据权利要求12-14中的至少一项所述的方法，
其中，在第一操作模式下产生所述激励信号(A)和所述发射信号(S)，其中在所述第一操作模式下基于所述第一接收信号(EA)和/或所述第二接收信号(ES)确定所述至少一个过程变量，并且
其中，在第二操作模式下确定所述介质(M)的所述流动特性。
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