CN1214237C - 用于确定和/或监控容器内预定填充液面的装置 - Google Patents

Abstract

提供一种装置用于确定和/或监控容器中预定填充液面，以表明容器中的填充液面，并最可能优化地用于应用中，该装置包括：置于预定填充液面高度处的机械振动结构，其显示，在其上形成有膜(3)及两个相互分离的振荡棒(7)，机电转化器，在工作中其激发振动结构以振荡进行振动，这样振荡棒(7)在垂直于它们纵轴方向进行振荡，及接收机—及评价单元(13)，其使用振荡以确定和/或监控预定的填充液面是否达到或还没有达到，其中振荡棒(7)具有这样的形状，其中与在液体中以浸入状态移动的振荡棒(7)一起移动的液体量的质量惯性矩，要尽可能的大，大于0.2倍的振荡棒(7)的质量惯性矩。

Description

用于确定和/或监控容器内预定填充液面的装置

本发明涉及用于确定和/或监控容器内预定填充液面的装置。

这种类型的填充液面极限转化开关应用于工业的许多分支中，特别是化工和食品工业中。它们用于检测极限液面，例如用于溢出保护或防护泵的空转。

DE-A 44 19 617公开了用于确定和/或监控容器内预定填充液面的装置。装置包括：

--置于预定填充液面高度处的机械振动结构，

--其显示，在其上形成有膜或隔膜及两个相互分离的振荡棒，

--机电转化器，

--在工作中其激发振动结构以共振振荡进行振动，这样振荡棒可激发垂直于它们纵轴的振荡，及

--接收机--及评价单元，其使用振荡以确定和/或监控预定填充液面是否达到或还没有达到。

振荡棒在其远离膜的端部上有平面的相互平行的桨。桨表面的切线垂直于桨的纵轴方向。

机电转换器具有至少一个传输器，传输的电信号施加在其上，其激发机械振动结构振动。提供接收机，其接收振动结构的机械振动并将其转换为可接收的电信号。评价单元得到接收的信号，将其频率与参考频率进行比较。产生输出信号，如果频率值小于参考频率，其表明机械振动结构被填充物料覆盖，如果值较大，那么没有被覆盖。提供控制电路，其调节传输电信号和接收电信号之间的相差到预定的恒定值，在该值振动结构以共振频率进行振动。

控制电路例如这样形成以使接收的信号放大并通过相移动装置反馈给传输信号。

这样的装置可用于多样化的不同应用中，因此面临非常不同的要求。

本发明的目的是提供这样的一种装置，用于确定和/或监控容器中预定的填充液面，该装置最可能适合于多样化的应用。

根据本发明，通过用于确定和/或监控容器中预定填充液面的装置可实现上述的目的，该装置包括：

--置于预定填充液面高度处的机械振动结构，

--其显示，在其上形成有膜或隔膜及两个相互分离的振荡棒，

--机电转化器，

--在工作中其激发振动结构以共振振荡进行振动，这样振荡棒可激发垂直于它们纵轴的振荡，及

--接收机--及评价单元，其使用振荡以确定和/或监控预定填充液面是否达到或还没有达到。

--其中振荡棒具有这样的形状，其中与在液体中以浸入状态移动的振荡棒一起移动的液体量的质量惯性矩，要尽可能的大，大于0.2倍振荡棒的质量惯性矩。

根据一个实施方式，振荡棒在其远离膜的端部上有平面的相互平行的桨，其中桨表面的切线垂直于振荡棒的纵轴方向。

根据另外的改进，

--在工作中振荡棒延伸通过开口进入容器中，

--开口的直径小于5cm，

--膜的直径略微小于开口的直径，

--桨具有最大宽度，其中在振荡棒区域的装置的外部直径小于或等于开口的直径。

根据另外的改进，这样选择包括桨的长度为L的振荡棒，要使振荡结构的共振频率在最大桨宽度处小于1400Hz。

根据另外的改进，桨的长度1，其为振荡棒长度L的50％+/-10％。

根据另外的改进，桨具有小的厚度。

根据另外的改进，膜由金属制造，厚度为0.6～1mm。

根据第一实施方式，

--开口的直径为约24mm(1/2英寸)，

--将膜置于开口中并将其封闭，

--每一个振荡棒的质量惯性矩小于或等于18kgmm²～大于或等于1.1kgmm²，

--桨的厚度为1mm～4.1mm，及

--振荡棒的长度为37mm～60mm。

根据第二实施方式，

--开口的直径为约12mm(1/4英寸)，

--将膜置于开口中并将其封闭，

--每一个振荡棒的质量惯性矩小于或等于1.6kgmm²～大于或等于0.4kgmm²，

--桨的厚度为1mm～2mm，及

--振荡棒的长度为30mm～40mm。

本发明也涉及用于制造上述装置其中之一的方法，其中

--从容器中预定的开口直径确定膜的最大直径，

--相互分离的桨和它们的厚度作为膜直径的函数进行确定，

--随后，为得到装置的高灵敏度，确定桨的最大可能的宽度，

--确保振荡棒的最小长度，由其确定的振荡结构的共振频率小于1400Hz，及

--使用上述的说明制造振荡结构。

振荡结构在工作中激发受迫的谐振。优选以共振驱动装置，因为共振的振幅最大。在液体中的振荡结构的浸入可实现共振振荡另外的阻尼，导致振荡振幅及共振频率的减少。进行阻尼的理由是作为振荡棒形状的函数，大量的液体随振荡棒一起移动。

通过这样构造振荡棒使以浸入状态随振荡棒一起移动的水物质的质量惯性矩，与振荡棒的质量惯性矩相比，要尽可能的大，装置显示非常高的灵敏度。即，由浸入液体中导致的测量影响非常大。对于本发明讨论的质量惯性矩，参考轴在每一种情况是在膜的平面内，并垂直于桨表面的切线延伸。

试验表明对于大多数的应用，移动液体物质的质量惯性矩至少为0.2倍振荡棒的质量惯性矩已足够。这可保证装置没有差错地工作，甚至在非常困难的条件例如在很低密度的介质中。对于与振荡棒一起移动的液体量的大小，在振荡棒移动方向突出的面积是决定因素。突出的面积越大，随同移动的液体量也越大。

装置的灵敏度的度量是共振频率的变化。以下，灵敏度δ是指共振频率ω_f与共振频率ω₀之间的差，当振荡结构浸入液体中时其以共振频率ω_f振荡，当振荡结构离开液体时其以共振频率ω₀振荡。

试验显示灵敏度δ是，与浸入状态的振荡棒一起移动的液体质量的质量惯性矩与振荡棒的质量惯性矩之比的函数。关系是：

δ＝1-(1/1(1+V)^1/2                 (1)

对于比值V为0.2时，灵敏度已经为16％。在方程(1)中给出的通式示意于图1中。

基于附图，将更详细地说明本发明及其另外的优点，其中列出实施方式的实施例，在图中相同的组件给出相同的参考号。

图1显示作为与浸入状态振荡棒一起移动的液体质量的质量惯性矩与振荡棒质量惯性矩之比函数的装置灵敏度δ；

图2显示通过用于确定和/监控预定填充液面装置的纵向截面图；

图3显示振荡棒的侧视图；

图4显示装置的灵敏度与桨宽度的关系；

图5显示装置的灵敏度与桨长度的关系；

图6显示装置的灵敏度与桨的厚度的关系；

图7显示振荡棒形状的实施例；

图8显示振荡棒形状的实施例；

图2显示通过本发明用于确定和/或监控容器中预定填充液面装置的纵向截面图。该装置的机械振荡结构置于预定填充液面高度的位置。

振荡结构包括基本上圆柱型的室1，所述的室通过环型膜3与前端的液流隔开。在室1上形成螺纹5，这样装置可被拧到布置于预定填充液面高度处的容器开口6。其他的紧固技术是本领域的普通技术人员熟知的，例如同样也可以使用在室1上形成的法兰。

同样作为振荡结构一部分的两个振荡棒7在室1外部的膜3上形成并深入到容器中。图3显示了振荡棒7的示意图。通过布置于室1内部膜3上的机电转换器9使振荡棒垂直其纵轴方向振荡。在该实施方式中的机电转换器9是圆盘型的压电元件，其位于膜3上并与其固定连接。压电元件例如是胶粘、焊接或铜焊在膜3上，以在工作中使膜弯曲进行振荡。该弯曲运动又使振荡棒7垂直于其长轴方向进行振荡。

当工作时通过电路11振荡结构被激发以共振振荡进行振荡，提供接收器--和评价单元13以确定和/或监控预定填充液面是否已经达到或没有。这是通过例如在压电元件9远离膜的一侧布置传输电极15和接收电极17上实现的。

电路11置于传输电极15上传输电信号，其激发机械振荡结构进行振荡。通过接受电极17接受振荡并转变为可接受的电信号。接收器--和评价单元13接受可接受的信号并将该频率与参考频率进行比较。其产生输出信号表明当频率值小于参考频率时，机械振荡结构被填充液面浸入，当该值较大时其没有被浸入。在电路11中，提供一个对照电路，其将传输的电信号与接收的电信号之间的相差调节到预定的恒定值，在该值振荡结构以共振频率进行振荡。

对照电路例如是这样构造的要使接收到的信号放大，通过相位移装置反馈到传输信号上。

根据本发明，振荡棒具有这样的形状，其中与在液体中以浸入状态移动的振荡棒一起移动的液体量的质量惯性矩要尽可能的大，大于0.2倍振荡棒的质量惯性矩。

“质量惯性矩”总是指振荡棒7的质量惯性矩，或与振荡棒一起移动的液体物质的质量惯性矩，依情况不同，指膜3平面内的轴，及与桨8表面切线垂直的方向延伸。

以这样的方式构造振荡棒保证装置具有高的灵敏度δ。对于使装置优化适合于多样化的应用，高灵敏度δ是根本的条件。基于高灵敏度δ，装置可被毫无问题地使用，即使在其他非常困难的应用中，例如非常低密度的液体中。

关键参数比值V的增加，如上解释，可以许多方式实现。当振荡棒7具有这样的形状时，其中与振荡棒7一起移动的液体层的厚度要尽可能的大，存在大的比值V。为实现上述目的，在移动方向的突出的振荡棒7的面积是决定性因素。移动通过液体的突出面积越大，与其一起移动的液体的量就越大。

由于平面组件更适合于随其移动大量的液体，如图3所示，优选振荡棒7在其远离膜的端部配置有平面相互平行的桨8，所述的桨这样取向要使其表面的切线在垂直于振荡棒7的纵轴方向延伸。

研究显示与振荡棒7一起移动的液体的质量惯性矩与振荡棒7的质量惯性矩之比，对于装置的灵敏度非常重要，通过增加振荡棒7的宽度或在附图实施方式的情形，桨8的宽度b，该比值明显增加。图4示意了作为桨8宽度b函数的灵敏度δ。相反，振荡棒7和/或桨8的长度增加不能导致两质量惯性矩之比V的明显增加。振荡棒7的长度增加对于移动液体和振荡棒的质量惯性矩的增加程度几乎相同。因此，桨8的宽度b应最大化以实现装置的高灵敏度。

在工作中振荡棒7突出通过开口6进入容器。开口6的直径为几cm。膜3的直径略微小于开口6的直径。结果，桨8优选具有最大的宽度b，在该最大宽度装置在振荡棒区域的外部直径略微小于容器中开口6的直径。

尽管增加桨的宽度b和长度l都增加了振荡棒7的质量惯性矩，但仅增加宽度b导致装置灵敏度δ明显的增加。

将桨的厚度d降低有限的程度可增加比值V。对于相对于液体移动的同样的突出面积，越薄的桨8具有的质量越小，因此比其他具有较厚的桨8的相同振荡棒，具有更小的质量惯性矩。由于移动通过液体的突出面积相同，移动的液体量也相同，因此其质量惯性矩也相同。因此，质量惯性矩的比值V增加。图6显示装置的灵敏度与桨厚度d的关系。

通常，桨8的厚度d降低有一定的限度，其源于这样的要求，即在相关应用的机械负荷下振荡棒7和桨8不能变形、弯曲或断裂。在金属振荡棒7的情况下，出于机械稳定性的理由，不应使用低于极限值1mm的厚度。

振荡棒7的质量惯性矩取决于振荡棒的形状，通过近似计算直接确定，或通过模拟计算例如通过有限元分析方法进行确定。移动液体质量的质量惯性矩从方程式(1)间接确定。为达到此目的，装置的灵敏度必须在第一步用试验或数字计算，必须得到振荡棒7的质量惯性矩。目前可以得到用于数字计算灵敏度δ的模拟程序，例如Canonsburg，PA 15317的ANSYS公司的软件包AVSYS程序，利用该软件可模拟在液体中振荡棒7的浸入，从该模拟中可确定振荡频率。

由于振荡棒的长度L基本上不影响质量惯性矩的比值V，但的确影响振荡棒7的质量惯性矩，可使用振荡棒长度L以设定一个希望的共振频率。优选，包括桨8的振荡棒7的长度L是这样选择的要使对于桨最大宽度b的振荡结构的共振频率小于1400Hz。这确保装置即使在冒泡的介质中例如在含有二氧化碳的水中时仍能可靠地工作。

优选，桨8的长度为l，其为振荡棒长度L的50％+/-10％。相对于振荡棒7的长度L进一步增加桨8的长度l仅引起非常小的灵敏度δ增加，小于5％，这样意味着材料额外的成本，而对大多数应用没有带来相应的益处。

膜3由金属制造，厚度为0.6～1mm。这样的厚度提供了金属膜3足够的安全因素，因此膜3可承受甚至强负荷例如高压或机械压力。

如下是两个优化的含有桨8的振荡棒7的实施例。

对于容器，其中开口直径为约24mm(1/2英寸)，膜3以这样的方式安装在开口中以封闭开口，振荡棒7优选的质量惯性矩小于或等于18kg/mm²，大于或等于1.1kg/mm²。在该情况下桨优选的厚度为1mm～4.1mm，振荡棒7的长度为37mm～60mm。

对于容器，其中开口直径为约12mm(1/2英寸)，膜3以这样的方式安装在开口中以封闭开口，振荡棒7优选的质量惯性矩小于或等于1.6kg/mm²，大于或等于0.4kg/mm²。在该情况下桨优选的厚度为1mm～2mm，振荡棒7的长度为30mm～40mm。

为实现应用的优化设计，装置如下制造：首先，对于给定的开口直径确定膜3的最大直径。作为膜3直径的函数，选择相互分离的振荡棒7及其厚度。随后，为得到装置的高灵敏度δ，确定桨8的最大可能宽度。这要遵循如下的约束，即其必须仍可能通过开口将桨8插入到容器中。最后，确定振荡棒7的最小长度L，根据这样的长度，振荡结构的共振频率小于1400Hz。于是综合考虑上述的尺寸数据制造振荡结构。

通过数字可确定桨8的形状及其对灵敏度的影响。这可基于如下的两种具体形状进行解释。在图7中列出第一形状A。这是一种最简单的振荡棒7，是具有长方形截面的宽度为bs的棒，在其远离膜的端部上形成有桨8。桨8同样也是长方形截面，宽度为b长度为l。桨8的长度l为0.5倍振荡棒7的总长度L。

图8示意振荡棒7的另一种形状B。振荡棒7同样具有长方形截面宽度为bs的棒，在其远离膜的端部上形成有桨8。桨8具有长方形截面，在远离膜处有制成尖的端部17。端部17、与振荡棒纵轴成45°角倾斜的两个侧面及具有宽度sp切角顶端的端部汇聚一起。桨8本身也具有总尺寸，长度为l宽度为b。桨8的长度l 0.5倍振荡棒7的总长度L。

上述的程序ANSYS提供预制的液体组件，用于模拟液体中振荡棒7的振荡。因此，该程序可用于模拟在液体和空气中振荡棒7的振荡。对于在两种情形下，这都引起了共振频率，如上所述，根据上述的描述可确定装置的灵敏度δ。

在形状A的情况下，棒的宽度bs为3mm，得到如下的灵敏度通式：

通式A $\mathrm{\δ}\left(d\right)=[1-\sqrt{\frac{1}{1+\frac{(0.0121\·b^2+0.026\·b)\·{\left(\frac{1}{40}\right)}^3\·\left(\frac{\mathrm{pfl}}{{10}^{-4}}\right)}{\frac{1}{24}\·d\·\mathrm{pp}\·(3+7\·b)}}}]\·100$

其中ρf1是液体的密度，ρp是振荡棒7的密度，密度以kg/mm³为单位，长度以mm为单位。

对于形状B，具有的棒宽度bs为3mm，切角端部宽度sp为1mm，得到如下的灵敏度通式：

通式B $\mathrm{\δ}\left(d\right)=[1-\sqrt{\frac{1}{1+\frac{(0.01\·b^2+0.043\·b)[{\left(\frac{\lg }{40}\right)}^{3.33}\·\left(\frac{\mathrm{pfl}}{{\mathrm{pH}}_{2}O}\right)]}{\frac{1}{24}\·d\·{\lg }^3\mathrm{pp}\·(3+7\·b\·p)-\frac{1}{192}\·{(b-1)}^4\·d\·\mathrm{pp}\·[1+\frac{[\lg -\frac{1}{6}\·{(b-1)}^2]}{{(b-1)}^2}]}}}]\·100$

当然，复杂的形状也可用数字进行评价，可以计算灵敏度δ与其他参数的关系。这导致对于任何特定形状的比值V的评价。具有最小可能的振荡棒7质量惯性矩的特定桨形状的突出的面积越大，装置的灵敏度越大。

Claims (10)

1.一种用于确定和/或监控容器中预定填充液面的装置，该装置包括：

--置于预定填充液面高度处的机械振动结构，

--在该机械振动结构上形成有膜(3)及两个相互分离的振荡棒(7)，

--机电转换器，

--在工作中该机电转换器激发振动结构以进行振荡，这样振荡棒(7)在垂直于它们纵轴方向进行振荡，及

--接收机--及评价单元(13)，其使用振荡以确定和/或监控预定的填充液面是否达到或还没有达到，

--其中振荡棒(7)具有这样的形状，其中与在液体中以浸入状态移动的振荡棒(7)一起移动的液体量的质量惯性矩，至少等于0.2倍振荡棒(7)的质量惯性矩。

2.如权利要求1的装置，其中

振荡棒(7)在其远离膜的端部上有平面的相互平行的桨(8)，其中桨(8)表面的切线垂直于振荡棒(7)的纵轴。

3.如权利要求2的装置，其中

--在工作中振荡棒(7)延伸通过开口进入容器中，

--开口的直径小于5cm，

--膜(3)的直径略微小于开口的直径，

--桨(8)具有最大宽度(b)，所述宽度在如下限制下最大化，即在振荡棒区域装置的外部直径小于或等于开口的直径。

4.如权利要求3的装置，其中

这样选择包括桨(8)长度为L的振荡棒(7)，要使振荡结构的共振频率在最大桨(8)宽度(b)处小于1400Hz。

5.如权利要求3的装置，其中

桨(8)的长度1，其为振荡棒(7)长度L的50％+/-10％。

6.如权利要求2的装置，其中

桨(8)具有厚度(d)，所述的厚度在必要条件下减少到极限，所述的必要条件是指应用施加机械负荷时振荡棒(7)和其桨(8)不能变形、弯曲或断裂。

7.如权利要求2的装置，其中

膜(3)由金属制造，厚度为0.6～1mm。

8.如权利要求2的装置，其中

--开口的直径为约24mm(1/2英寸)，

--将膜(3)置于开口中并将其封闭，

--每一个振荡棒(7)的质量惯性矩小于或等于18kgmm²～大于或等于1.1kgmm²，

--桨(8)的厚度(d)为1mm～4.1mm，及

--振荡棒(7)的长度为37mm～60mm。

9.如权利要求2的装置，其中

--开口的直径为约12mm(1/4英寸)，

--将膜(3)置于开口中并将其封闭，

--每一个振荡棒(7)的质量惯性矩小于或等于1.6kgmm²～大于或等于0.4kgmm²，

--桨(8)的厚度(d)为1mm～2mm，及

--振荡棒(7)的长度(L)为30mm～40mm。

10.制造上述权利要求任一项装置的方法，其中

--从容器中预定的开口(6)直径确定膜(3)的最大直径，

--相互分离的桨(8)和它们的厚度(d)作为膜(3)直径的函数进行确定，

--随后，为得到装置的高灵敏度(δ)，确定桨(8)的最大可能宽度(b)，

--确保振荡棒(7)的最小长度，由其得到的振荡结构的共振频率小于1400Hz，及

--使用上述的说明制造振荡结构。

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