CN1217167C - 用于确定并且监测容器中填料的液位的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定并且监测容器中填料的液位的装置，其中，提供了一个振荡单元(2)，它被固定在一个薄膜(5)上，上述振荡单元(2)被安置在预定液位高度上。还提供了一个发射接收单元(6)，它以预定的发射频率使薄膜(5)和振荡单元(2)起振，并接收振荡单元的振荡。还提供了一个调节分析单元(10)，一旦出现预定的频率改变，它就能识别是否达到预定的液位，或者借助于振荡单元的振荡频率，它可以确定填料的密度。

Description

用于确定并且监测容器中填料的液位的装置

本发明涉及一种用于确定并且监测容器中填料的液位，或者用于识别容器中介质密度的装置，其中，提供了一个被固定在一个薄膜上的振荡单元，它被安装在预定液位的高度上，或者浸入到介质中直到达到一个确定的浸入深度；还提供了一个发射接收单元，它使得薄膜和振荡单元以预定的起振频率振荡，并且接收振荡单元的振荡；还提供了一个调节分析单元，只要出现预定的频率改变，调节分析单元就能探知预定的液位是否达到，或者借助于振荡单元的振荡它可以识别介质的密度。

现已有带有至少一个振荡元件，即振荡检测器，用于检测或监测容器中填料的液位的装置。这种振荡元件通常带有至少一个固定在一个薄膜上的振荡棒。薄膜通过一个电机传感器，例如一个压电元件，被起振。由于薄膜的振荡，使得固定在薄膜上的振荡元件开始振荡。

被设计为液位测量装置的振荡检测器利用了这样一种效应：振荡频率和振幅与振荡元件当时的覆盖度有关，当振荡元件暴露在空气中时能够无衰减地输出它的振荡，一旦它部分或全部浸入到填料中，它就有一个频率和幅度的改变。借助于预定的频率改变(通常频率被测量)，就可以得出容器中的填料达到预定的液位的明确结论。此外，液位测量装置特别应用于过满保护或泵空转保护。

除此之外，振荡元件的振荡衰减也受到当时填料密度的影响。当覆盖度恒定时存在一个关于填料密度的函数关系，使得振荡检测器不但适用于确定液位，也非常好地适用于确定密度。在实际应用中，为监测和探测容器中填料的液位或密度，获取薄膜的振荡，并借助于至少一个压电元件将其转化为电接收信号。然后这个电接收信号由一个分析电子件进行分析。在要确定液位的情况下，该分析电子件监测振荡元件的频率以及/或者振幅，如果测量值低于或者超出预定的参考值，它就并将“传感器被覆盖”或者“传感器未被覆盖”的状态信号化。操作人员可以通过光和/或声音的途径得到相应的通知。替代地或附加地触发一个开关过程，使得容器上的输入阀或泄放阀被打开或关闭。

欧洲专利EP0985916A1公开了一种发射接收单元的具有显著优点的改进实施例，通过该单元一方面使振荡检测器的薄膜起振，另一方面接收薄膜的振荡，并转化为电信号。基本上发射和接收电极分别设置成半圆形，并且安装在一个片状的压电元件的同一个侧面上；该压电元件自身是均匀极化过的，具有圆形的横截面。发射和接收电极相对于一个位于薄膜平面内的轴对称地放置，该轴与压电元件圆盘面的对角线相符合。

该压电元件在一侧的几乎整个面上带有一个接地电极，该侧面位于压电元件带有电极结构的一侧的反面。如果薄膜和振荡检测器的外壳是导电的，使薄膜上的接地电极与外壳电接触就足够了。如果由于安全技术原因，在薄膜或外壳与压电元件之间不允许存在任何导电的连接，就在薄膜和压电元件之间设置一个绝缘层。在这种情况下，接地电极通过一个连接电极接地，该连接电极被安置在压电元件带有电极结构的一侧。

本发明的目的在于，改进振荡检测器的发射接收单元，使得来自干扰信号的影响最小化。

这一问题通过下面的方法来解决，对于发射接收单元涉及一个片状的压电元件，在它的第一侧面上提供了一个电极结构，该电极结构至少具有两个发射电极和两个接收电极，并且第一个发射电极与第二个发射电极，或者第一个接收电极与第二个接收电极分别基本上成点对称相对放置。

本发明所述的解决方法带来很多的优点：

1.作为发射接收单元的压电片的使用，使得振荡检测器中相应对空间的需求可以比较小。

2.片状的压电发射接收单元可以相对简单地加工制造。

3.由于发射和接收电极的对称排列，用于两个电极对的连线完全可以互换，从而消除了错误的电极触点接触。

4.电气接触可以通过简单的方法从一侧来实现(例如通过回流过程)，因为发射接收单元的电极和反电极安装在压电元件的同一侧。

根据本发明的装置的具有优点的构型，发射接收单元的发射电极以及接收电极基本上具有相同的形状。考虑到先前已提到过的优点，出于电极结构的对称构造，这具有特别的优点。

此外，对本发明所述装置的优选实施例为，发射电极以及接收电极呈90°的扇形。

根据本发明所述的装置，还提供了一种优选的改进构型，其中第一个与第二个发射电极，或者第一个与第二个接收电极是反相极化的。优选地，使用一个反相器，将与发射单元的两个发射电极之一相连接的发射信号反转。另外，根据本发明所述装置的优选实施例，还提供了一个差分放大器，在两个接收电极上获取的接收信号连接到差分放大器的输入端。通过这种结构，针对同步干扰(例如电网交流声或外来振动)的抗干扰性得到了很大的提高。迄今对于已知的装置是采用电气隔离来消除同步干扰的。根据本发明所述的解决方案，完全节省了用于电气隔离所需的变压器，从而显著降低了生产成本。

根据本发明所述的装置，提供了另一个供选择的构成方案，即发射接收单元的发射电极和接收电极是同向极化的，两个发射电极和两个接收电极相互成点对称排列。由外来振动引起的干扰信号被消除了，因为它们的模相同，但却具有相反的符号。

此外，根据本发明所述的装置的两种构型，压电元件的第二侧面(与具有电极结构的第一侧面相对的一侧)上至少部分地带有一层导电涂层。该特征不仅可以和同向极化，而且可以和反相极化的发射以及接收电极一起运用。

为了简化流程，特别是为了使发射接收单元在一个方法步骤中(例如在一个回流过程上)能够发生接触，在压电元件具有电极结构的侧面上带有一个连接电极，它在至少一个区域内与构成接地电极的压电元件的第二侧面的导电层相连接。

根据本发明所述的装置优选构型，连接电极设计为条状，并且，压电元件带有电极结构的侧面最好划分为有着相同面积的两部分。

借助下面的图解，更详细地阐述本发明：

图1是本发明所述装置的原理图，

图2a是压电元件具有电极结构的第一侧面的俯视图(根据本发明所述装置的第一实施例)，

图2b是图2a所示压电元件的侧视图，

图2c是压电元件第二侧面的俯视图(根据本发明所述装置的第一

实施例)，

图3是优选的电极结构的俯视图(根据本发明所述装置的第一实施例)，

图4是电气接触的原理图(根据图2至图3所示的本发明所述装置的实施方式)，

图5a是压电元件具有电极结构的第一侧面的俯视图(根据本发明所述装置的第二实施例)，

图5b是压电元件具有导电层的第二侧面的俯视图(根据本发明所述装置的第二实施例)，并且

图6是线路图(根据图5a和图5b所示的本发明所述装置的第二实施方式)。

图1表示了本发明所述的用于确定并且监测容器中填料的液位的装置的原理图(容器和填料没有在图1中表示出来)。如上所述，图1中所示的装置1不仅适用于液位识别，也适用于确定容器中填料的密度。在用于液位识别的情况下，振荡单元2只要达到填料的边界液位，或者不浸入到填料中，而为了监测或为了确定密度ρ，它必须继续浸入到填料中，直到达到一个预定的浸入深度。关于容器，它可以是一个油箱，也可以是一个让填料流过的管子。装置1的外壳基本上呈圆柱形，在外壳的外表面上是螺纹7。螺纹7用于将装置1固定在一个预定的液位高度上，并且安装在容器的一个相应的开孔中。显而易见，其他类型的固定方法(例如利用法兰盘)也可以用来代替螺栓固定。

振荡检测器1的外壳在突出到容器中的终端区域被薄膜5封闭，其中薄膜5在其边缘区域内置入外壳中绷紧。突出到容器中的振荡单元2被固定到薄膜5上。在上述情况下，振荡单元2被设计为一个音叉，包含两个彼此有间隔的、被固定在薄膜5上的、并且突出到容器中的振荡棒3、4。

一个发射接收单元6使得薄膜5进行振荡，其中发射单元以一个预定的发射频率使薄膜5起振，而接收单元接收振荡单元2的回复信号。本发明所述的发射接收单元6将通过下面的图解更详细地说明。由于薄膜5的振荡，使得振荡单元2也进行振荡，其中，当振荡单元2与填料相接触，并且出现与填料的接地耦合时，或者当振荡单元2能够自由地、与填料无接触地振荡时，其振荡频率是不同的。

压电元件根据沿极化方向的电压差改变其厚度。当施加交流电压时，压电元件这样振动：当其厚度增大时，压电元件的直径减小；另一方面当其厚度减小时，压电元件的直径相应增大。

由于上述压电元件15的这种振荡关系，在外壳中被绷紧的薄膜5的弯曲受到电压差的影响。由于薄膜5的振荡，使得被安置在薄膜5上的振荡单元2的振荡棒3、4围绕其纵轴做反方向的振荡。

电接收信号经过数据线8、9被传导到调节分析单元10。调节分析单元10带有一个存储单元11，其中存有额定值。当达到预定的液位或预定的密度时，操作人员通过输出单元14的显示得到通知。此外在图1中还有一个与振荡检测器远距离放置的控制台或调度台12。调节分析单元10与控制台12通过数据线13相互通信。优选地，由于提高了抗干扰性，上述通信基于数字的传输得以实现。很明显，本发明所述的解决方法也可以集成在一个紧密的传感器中。

图2a表示了根据本发明所述装置的第一种构型在其第一侧面上带有电极结构24的压电元件15的俯视图。图2b是图2a中所示的压电元件15的侧视图。图2c表示了压电元件15相应的第二侧面17的俯视图。在压电元件15的第一侧面16上设置一个电极结构24，它由四个电极18、19、20、21组成。在上述情况下，电极18、19、20、21呈四个90°的扇形，其中两个电极18、19或20、21总是关于圆心成点对称相对放置。两个成点对称相对放置的电极构成了发射电极20、21；剩下的两个电极构成接收电极18、19。

如上所述，在压电元件15的第二侧面17上设置一个金属层29，它完成接地电极的功能。该接地电极位于压电元件15的朝向薄膜5的侧面上。如果振荡探测器或密度传感器1的外壳和薄膜5由导电材料构成，并处于地电位，导电层29与薄膜5之间有导电连接(例如借助于导电的粘着剂或者焊剂)就足够了。

根据图3和图4的描述，涉及了压电元件15的一种优选实施例。当由于安全技术的原因，在压电元件15和薄膜5或振荡检测器1的外壳之间不允许存在导电连接时，或者当薄膜5或振荡检测器1的外壳由不导电的材料构成时，这种构型就被应用。如欧洲专利EP0985916A1所述，在必要的情况下，一种介电材料(例如滑石片)被放置在薄膜5和接地电极之间。欧洲专利EP0985916A1相应的公开内容并入本申请的公开内容。

图3表达了一种优选的电极结构24，它具有两个发射电极20、21和两个接收电极18、19。电极18、19、20、21是经过均匀极化的。总是两两成中心对称相对放置的电极18、19或20、21构成了接收电极18、19或发射电极20、21。由于电极结构24的对称关系，发射电极20、21和接收电极18、19完全可以互换。这一情况在图3中通过连接标识E/S或S/E用符号的方法来表示。由于这种与同向极化相关联的特殊电极结构，由外来振动引起的同步干扰被自动消除了。

图4表示了图2至图3所示的本发明所述装置实施方式的电气接触原理图。很明显，这种电气接触也是适用于压电元件15的本发明所述电极结构24的第二种实施方法。通过线路(芯线)25、26、27，实现了图3或图6所示的电极结构24的单个电极18、19、20、21的电气连接。优选地，线路25、26、27被集成在一个所谓的软跳线中。软跳线即一条柔性带，单个的线路通过它被相互连接起来。这样的软跳线的结构在已被引用的欧洲专利EP0985916 A1中公开了。

图3和图4中所示的实施倒也在欧洲专利EP0985916A1中公开了，它使得接地电极与发射接收电极18、19、20、21一样，也可以接触到压电元件15的第一侧面16。与第一侧面16的电气接触是通过连接电极28来实现的，在上述情况下连接电极28表现为一条加宽的对角线，并越过压电元件15的圆柱形外表面，与压电元件15第二侧面上的导电层29发生电接触。通过该结构，使得所有必需的电气接触通过一个回流过程仅在一个步骤中就可以实现，当然这种方法显著地节省了时间和成本。

图5a是根据本发明的第二种实施方式的发射接收单元6的带有电极结构24的第一侧面的俯视图。压电元件15左侧上的两个电极19、20与压电元件15右侧上的两个电极18、21是相反极化的。

图5b是根据本发明的第二种实施方式的装置的压电元件15的带有导电层29的第二侧面的俯视图。如上所述，导电层29可以通过导电薄膜5和导电外壳直接接地。但是，导电层29也可通过压电元件15的带有电极结构24的第一侧面上的连接电极28连接到地电位。

图6是本发明所述装置(图5a，图5b)或本发明所述发射接收单元的第二种实施方式的线路图。经过反相器22反转的发射信号连接到发射电极21；未经反转的发射信号连接到发射电极20。从而将发射信号连接到两个发射电极20、21，两个发射信号的模相同，但是具有相反的符号。如果一个同步干扰σ出现(例如由电网交流声或外来振动引起)(在图中用下标“干扰”来标识)，则导出接收电极18处的信号E1＝+ΔE+σ和接收电极19处的信号E2＝-ΔE+σ。这两个信号被送到差分放大器23的输入端，在其输出端就得到了消除了同步干扰的信号E＝E1-E2＝+2ΔE。利用本发明所述的装置，特别是采用本发明所述的发射接收单元，分别以相同方式作用于两个成点对称排列的电极18、19或20、21上的干扰通过非常简单和高效的技术和方法被排除了。

此外，用于本发明所述装置的第一种构型的反馈电路的线路图已在前面多次引用的欧洲专利EP0985916A1中被公开了，因此这里对此不再作解释说明。

                        相关符号列表

1.振荡检测器或密度传感器

2.振荡单元

3.振荡棒

4.振荡棒

5.薄膜

6.发射接收单元

7.螺纹

8.数据线

9.数据线

10.调节分析单元

11.存储单元

12.控制台

13.数据线

14.输出单元

15.压电元件

16.压电元件的第一侧面

17.压电元件的第二侧面

18.接收电极

19.接收电极

20.发射电极

21.发射电极

22.反相器

23.差分放大器

24.电极结构

25.第一条线路

26.第二条线路

27.第三条线路

28.连接电极

29.导电层

Claims (10)

1.一种用于确定并且监测容器中填料的液位，或者用于识别容器中填料的过程量的装置，其中提供了一个固定在一个薄膜上的振荡单元，该振荡单元被放置在预定的液位高度上，或者该振荡单元这样被放置，即浸入到填料中，直到达到一个确定的浸入深度，还提供了一个发射接收单元，它以一个预定的发射频率使薄膜和振荡单元起振，并接收振荡单元的振荡，还提供了一个调节分析单元，当出现预定的频率改变，它就能识别预定的液位是否达到，或者利用振荡单元的振荡频率来检测填料的密度，其特征在于，

发射接收单元(6)涉及一个片状的压电元件(15)，在其第一侧面(16)上设置有一个电极结构(24)，其中电极结构(24)具有至少两个发射电极(20，21)和两个接收电极(18，19)，其中第一个发射电极(20)与第二个发射电极(21)，以及第一个接收电极(18)与第二个接收电极(19)分别成关于圆心对称地相对放置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，发射接收单元(6)的发射电极(20，21)和接收电极(18，19)形状相同。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，发射电极(20，21)和接收电极(18，19)呈90°扇形的形状。

4.根据权利要求1，2或3所述的装置，其特征在于，第一个发射电极(20)和第二个发射电极(21)，以及第一个接收电极(18)和第二个接收电极(19)经过相反的极化。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，提供了一个反相器，它将连接到发射接收单元(6)的两个发射电极(20，21)上的电信号反转。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，提供了一个差分放大器(23)，从两个接收电极(18，19)导出的电信号连接到它的输入端。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，提供了一个差分放大器(23)，从两个接收电极(18，19)导出的电信号连接到它的输入端。

8.根据权利要求1，2或3所述的装置，其特征在于，发射接收单元(6)的第一个发射电极(20)和第二个发射电极(21)，以及第一个接收电极(18)和第二个接收电极(19)经过同向极化。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在压电元件(15)的带有电极结构(24)的第一侧面(16)相对的第二侧面(17)上，至少部分地设置导电涂层(29)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，提供了一个位于压电元件(15)带有电极结构(24)的第一侧面(16)上的连接电极(28)，它在至少一个区域内与位于压电元件(15)第二侧面(17)上的构成接地电极的导电涂层(29)相连接。

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