JP4202390B2 - 媒質の少なくとも一つの物理的または化学的なプロセス変量を決定および／または監視する装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒質の少なくとも一つの物理的または化学的なプロセス変量（process variable）を決定および／または監視する装置に関する。本発明は、管および内部の発振器を有する、機械的に振動可能なユニットを少なくとも一つ含む。管は、プロセスから離れた方の端にある固定（securement）ユニットに結合されている。プロセスに近い方の管の端は、自由端の形である。管が内部の発振器を取り巻いている。プロセスに近い方の管の端に、内部の発振器のプロセスに近い方の端が固定されている。少なくとも一つの駆動／受波ユニットをさらに含む。駆動／受波ユニットは、機械的に振動可能なユニットを励起して振動させるとともに、機械的に振動可能なユニットの振動を受波する。プロセス変量の例は、媒質の充填水準（fill level）、粘度または濃度である。そのような場合、媒質は液体でもよいし、バルク物質（bulk good）でもよい。

ドイツ特許公報ＤＥ ６９２ ０２ ３５４ Ｔ２は、振動型の水準センサについて述べている。記録式の（registering）管ユニットは、一端が固定ユニットに固定された固定端となっており、他端が端部キャップで封じられている。この端部キャップに固定されて管ユニット内にあるのは、内部の振動部である。振動部は細長い矩形の棒状の形である。この振動部の側面に固定されているのは振動機構である。記録式の管、端部キャップ、および内部の振動部は、折り曲げられたカンチレバー（folded cantilever）をともに形成する。端部キャップに取り付けられているのは記録機構で、折り曲げられたカンチレバーの振動の変化を記録する。この特許によると、管の長さと振動部の長さの比は、記録ユニットからの可能な出力電圧を最適にするためには、１．６と３．０の間でなくてはならない。もし管ユニットが膜または隔壁を通じて固定されているなら、折り曲げられたカンチレバーの振動ノードは、固定ユニットに移動してもよい。これによって、管ユニットの長さをより短くできる。膜または隔壁がある場合、管の長さと振動ユニットの長さの比は、１．０から２．５の間でなくてはならない。この折り曲げられたカンチレバーの欠点は、センサがとても長いことである。これは、折り曲げられたカンチレバーの振動周波数が質量および内部の振動部の長さによって決まる、という事実の結果である。振動周波数を減らすためには、内部の振動部はできるだけ長くせねばならない。そのように振動周波数を減らすことは、一般的な利点がある。それによってより大きな振幅が得られて、その結果、センサの適用範囲がより広くなる、という利点である。長い内部の振動部とともに、ほとんどの場合で、さらに管がより長いことが要求される。折り曲げられたカンチレバーから容器へと振動エネルギーが伝達されることを、この長さの比により防ぐ。これらの考慮にもとづくと、センサがとても長くなる。固定ユニット上の膜は、長さを短くできる可能性を示している。しかし、ドイツ特許公報ＤＥ ３７ ４０ ５９８ Ｃ２からは、機械的な製造公差の結果、まさに膜の固定されたところに振動の節が作用するわけではない、という事実が読み取れる。その結果、ここでもエネルギー損失が起こりうる。さらに、そのような膜の振動の節が膜の固定されたところに位置しているという制約により、振動周波数の選択肢が制限される。ドイツ特許公報ＤＥ ６９２ ０２ ３５４ Ｔ２にはさらに欠点がある。内部の振動部が特定の配置（geometry）を必要とするという欠点で、振動機構の配置と構造に関連がある。さらに、励起のための振動機構のほかに、受波のための記録機構も必要である。

本発明の目的は、機械的に振動可能なユニットおよび駆動／受波ユニットを用いて、測定精度を可能な限り良くして、媒質の物理的または化学的なプロセス変量を決定および／または監視することである。

少なくとも一つの溝／首を有する内部の発振器を用いることで、この目的は本発明により解決される。溝／首は、機械的に振動可能なユニットの振動周波数を決定している。
本質的に振動周波数は、溝／首における回転軸に関する内部発振器の質量慣性モーメントに依存する。さらに、内部の発振器の溝／首での断面の曲げ剛性に起因する依存関係と、固定ユニットによる固定支持のもとでの回転軸に関する管の質量慣性モーメントに起因する依存関係もある。振動周波数の決定に少し関与しているのは、固定ユニットの、管が固定されている部分の回転剛性である。たとえば、内部の発振器の回転剛性は、溝／首の直径および／または長さによって決められる。実施例によれば、内部の発振器の質量も関係がある。これは、ある場合には、内部の発振器のさらなる開発について考慮されるべきことである。回転剛性はとりわけ振動周波数の決定に寄与するので、動作周波数（working frequency）を、溝／首の構造および／または位置によって、適切に調整することができる。よって、溝または首の寸法および／または位置によって振動周波数を小さくできる。このことにより、今度は、振動の振幅を増加させることにつながる。さらに、上述のごとく、振動周波数または振幅をより良く定めることは、構造をさらに開発することと関連している。溝を含む変化形の場合、内部の発振器が回転式部品として作られ、それによって費用が節約できるという利点がある。溝または首は、望ましくは、回転対称に作られ、とりわけ、偏心のないように作られるとよい。さらに、溝／首がある場合でも、振動によってプラスチックの歪みなどを生じないように、内部の発振器を安定させるよう、注意せねばならない。

有利な実施態様においては、内部の発振器のプロセスに近い方の端の方に、溝／首が位置している。よって、管と内部の発振器の間の移行部に、溝／首は最適に位置する。このようにすると、内部の発振器の慣性質量が、溝／首の上で最大になる。さらに、ここが力の作用点であり、よってここは回転剛性が影響力を持つ点なのである。しかし、溝／首の位置は、駆動／受波ユニットの位置と構造にも依存する。駆動／受波ユニットが最適に動く、または最適に受波することができるようにするため、または、場合によっては、可能な限り、内部の発振器に破壊的な力やモーメントが働かないようにするためである。

振動する動きの間、振動している部分（管および内部の発振器）は力とトルクを伝達する。力とトルクは、固定ユニットで反作用の力およびモーメントとして吸収される。固定ユニットまたは基礎ユニットは、直接的に、またはある場合はさらに別の要素を通じて、媒質の入っている容器に結合されている。機械的に振動可能なユニットが容器に連結されることと、それによって起こりうるエネルギー損失とを防ぐために、機械的に振動可能なユニットがエネルギー平衡状態にあるよう注意を払わなくてはならない。これが意味することは、振動する動きの間に個々の構成要素によって生み出される力とトルクの和は、固定ユニットにおいては基本的にゼロであるということだ。

有利な実施態様では、固定ユニットに付加的重りが備わっている。この実施態様では、機械的に振動可能なユニットは基本的に、振動エネルギーの伝達に関して固定ユニットから切り離されている。さらに、重りには、振動に対してより安定的な固定を実現するという利点もある。

有利な実施態様では、管および／または内部の発振器は、円形、楕円形、方形、または多角形の断面を有する。よって、幾何的な仕様または限定はほとんどない。円形の断面の管には、機械的に振動可能なユニットが曲がってしまう危険を減らせるという利点がある。管の断面が円形だと、媒質の容器のどのような場所にでも取り付けられるようにもなる。さらに、円形断面は製造が簡単で、それにかかわる費用も節約できる。

有利な実施態様において内部の発振器は、中空であるか、中実であるか、または部分的に中空で部分的に中実である。溝または首があったとしても、内部の発振器はこの領域で十分に安定であると保証されねばならない。つまり、振動で壊れるようなことがあってはならない。内部の発振器にとっては質量が重要な役目を果たすので、内部の発振器を密な物質で作ることは意味がある。中空の管の場合、振動周波数が大きくなるかもしれない。このようにして自然に、振動周波数を調整する機会がまた存在する。

有利な実施態様において、駆動／受波ユニットが単一の圧電ユニットであり、駆動ユニットと受波ユニットの両方として働く。別の実施態様では、駆動／受波ユニットに少なくとも二つの圧電ユニットを備え、それら圧電ユニットが同じ位置にあって、少なくとも一つの圧電ユニットが駆動ユニットとして働き、少なくとも一つの圧電ユニットが受波ユニットとして働く。これにより、圧電ユニットの取り付けを著しく簡略化できる。また、管、内部の発振器、および他に考えられる取り付け要素の設計を著しく簡略化できる。このことにより、圧電ユニットの電気的接続も簡略になる。一つのユニットだけを使う場合にさらに有利な点は、製造コストが低くなることである。さらに有利な点は、発振器に依存しない部品が生産され、その部品は、取り付け前に点検・検査されることが可能な点であって、これは生産においていつでも望ましいことである。圧電ユニットは通常固定されている。そのような圧電ユニットの場合、とりわけ効率の点から意味があるのは、内部の発振器ができるだけ圧電ユニットの全表面にわたって結合されていること、ゆえに、たとえば、溝／首は、はるかに大きな直径の圧電ユニットに直接的に接した位置にあるのではないこと、である。実施態様に関するこれらの考察および類似の考察は、当業の技能の範囲内のものであり、自然法則および具体的な実装の条件に強く依存する。

非常に特別に有利な実施態様では、圧電ユニットは、少なくとも二つの部分を有する圧電素子である。その二つの部分は、互いに逆向きに分極されており、分極の方向は、機械的に振動可能なユニットの回転軸に平行である。この圧電ユニットの上部と下部に電圧が印加されると、一つの部分が縮小し、もう一つの部分が拡大する。つまり、一つの部分の高さが減り、もう一つの部分の高さが増える。よって、特別な圧電ユニットには、場合によっては、揺れる動きまたは回転する動きを直接的に作り出す、または検知することができるという、大きな利点がある。

ある実施態様では、プロセスに近い方の内部の発振器の端と、プロセスに近い方の管の端との間に、駆動／受波ユニットが位置している。機械的に振動可能なユニットが励起されて、揺れる動きまたは回転する動きを管理する（direct）ことを確実にするために、あるいは場合によっては、そのような動きを含む振動が受波されることを確実にするために、具体的に実現された圧電ユニットとともにこの配置が役立つ。さらに有利な点は、組立が簡単な構成要素が含まれていること、それによって発振器に直接かたく固定することができること、よって、たとえば妨害のような軸方向の動きが圧電ユニットの異なる分極方向のために受波されないこと、である。さらに、これは費用の面でも好ましい解決法である。なぜなら、必要な構成部品がより少ないからである。

ある実施態様では、内部の発振器には少なくとも第二の溝／首がある。これに付随する実施態様では、駆動／受波ユニットが第一の溝／首と第二の溝／首との間に位置している。そのような場合、第一の溝／首は、端部キャップの非常に近くに位置している。よって、内部の発振器のプロセスに近い方の端や、プロセスに近い方の管の端にも非常に近い位置にある。駆動／受波ユニットはできる限り、内部の発振器のこの端、または、内部の発振器の取り付け部に近く位置していて、振動エネルギーが最適に利用できるようにしてある。直接の揺れる動きを得るためには、逆向きに分極された圧電ユニットも非常に効果的である。この構成によれば、センサの計測感度を増すことができる。

本発明は、図にもとづいて、さらに詳細に説明される。

図１は一つの実装における本発明の装置の断面図である。機械的に振動可能なユニット１は管２と内部の発振器３を含む。管２には二つの端があり、端６はプロセスに向いており、端４はプロセスから離れている。プロセスから離れた方の端４で、管２は固定ユニット５に固定されている。ここに示した例では、プロセスから離れた方の端４は、ねじ込み部品１０で固定されている。ねじ込み部品１０は、固定ユニット５内の膜または隔壁でもよい。膜１０による実施態様の場合は、機械的に振動可能なユニットの振動周波数をとりわけ膜１０が規定する。固定ディスクの直径が固定ディスクの厚さよりもはるかに大きいとき、膜が考えられる。あるいは、環状膜の場合、外径と内径の差が膜の厚さよりもはるかに大きい場合も考えられる。機械的に振動可能なユニット１の振動周波数は、膜の厚さが減るにつれて減少する。しかし同時に、機械的に振動可能なユニット１の振動の振幅も減少する。さらにこの実施態様では、付加的重り１２も固定ユニット５に備わっている。重り１２は一方では固定ユニット５をより安定させ、もう一方では振動可能なユニット１を固定ユニット５から切り離すのに役立つ。

管２のプロセスに近い方の端６に固定されているのは、端部キャップ１１である。端部キャップ１１内には穴１７がある。内部の発振器３と管２を連結するために、穴１７の中には、内部の発振器３のプロセスに近い方の端７の固定要素１８が挿入されている。そのようなねじ込み式の連結１７、１８によって、たとえば、内部の発振器を管２のプロセスに近い方の端６に、管２が非常に長い場合であっても、容易にかつ面倒が少なく、取り付けることができる。特殊な媒質または特殊な容器には、より長い管２が必要である。ねじ込み操作のためには、内部の発振器３のプロセスから離れた方の端１３にスロットを設けて、たとえば、連結を達成するのを助けるためにねじ回しが使えるようにするのも有益である（この点から図３も参照のこと）。駆動／受波ユニット８は、機械的に振動可能なユニット１を励起して振動させるとともに、機械的に振動可能なユニット１の振動を受波するが、この実施例では、駆動／受波ユニット８が、内部の発振器３と管２上の端部キャップ１１との間に固定されている。固定要素１８を介して内部の発振器３を固定するために、駆動／受波ユニットはこの場合、環状の形状になっている。駆動／受波ユニット８は、望ましくは、少なくとも一つの圧電ユニット１６である。異なる複数の圧電ユニット１６が駆動用と受波用に備えられる場合、この複数の圧電ユニット１６は、たとえば積み重ねる形をとって、同じ場所に位置する。互いに逆に分極された二つの圧電ユニットは、この配置で、直接の揺れる振動を作り出すことができる。

内部の発振器３は、図示した場合だと、中実の丸い棒である。しかし他の形も可能である。発振器３は、プロセスに近い方の端７の方向に溝９を有している。首も同様に適切な実施態様であろう。溝／首９はここに示したように回転対称である。当業者の能力の範囲内で、他の実施態様も存在する。特に、溝９の直径と長さによって、この溝領域での内部の発振器３のこの断面の回転剛性Ｃ_ｉが規定される。そして、この回転剛性Ｃ_ｉと、内部の発振器の質量慣性モーメント_ｉとによって、内部の発振器３の共振周波数が規定される。よって、溝９の寸法は、内部の発振器３の共振周波数に対して直接的な影響を持っている。機械的に振動可能なユニット１の振動周波数は、管２につながれた状態での内部の発振器３の共振周波数に対応している。さらに、この振動周波数は、管２の質量慣性モーメントとその曲げ剛性にも影響される。しかし、管２の共振周波数が内部の発振器３の共振周波数に比べてはるかに小さい限り、この影響はほんの些細なものである。よって、首９および／またはその位置によって、機械的に振動可能なユニット１の振動周波数に影響を与えることができる。

よって、本発明の基本的な考え方は、機械的に振動可能なユニット１の振動周波数が、溝／首９によって調整可能だということである。振動周波数がより小さくなると、同じ励起エネルギーのためには、より大きな振幅が必要になる。よって、この溝／首によって、内部の発振器３をより短くすることができる。そのような場合、溝／首９について関連する変数は、その構造（直径、長さ）や、内部の発振器３上のその位置である。

図２は図１で作用している力とモーメント、およびその結果生じる力とモーメントを詳述したものである。図２において、管２と内部の発振器３とが互いに逆に振動しているのが分かる。振動する動きの間、振動している部分２、３は、力Ｆｉ、ＦａとモーメントＭｉ、Ｍａを伝達する。これらの力とモーメントは、固定ユニット５で反作用の力Ｆｒと反作用のモーメントＭｒとして吸収される。容器への連結を防ぎ、容器への連結の結果として容器の振動により起こるエネルギー損失と妨害を防ぐためには、機械的に振動可能なユニット１がエネルギー平衡にあることを保証する必要がある。これが意味するのは、振動する動きの間に作り出される力とモーメントの和が、固定ユニットにおいてゼロでなくてはならないということである。必要条件は、内部の発振器の重心Ｓｉと、管２の重心Ｓａに働く力ＦｉとＦａが同じ大きさでなくてはならない（Ｆｉ＝Ｆａ）、ということである。同様に、内部の発振器のモーメントＭｉと管のモーメントＭａも等しくなくてはならない（Ｍｉ＝Ｍａ）。もしこれら二つの条件がほぼ満たされるなら、無視できる程度の力ＦｒまたはモーメントＭｒだけが固定ユニット５に伝達されるので、当然の結果として、機械的に振動可能なユニット１からのエネルギー損失は起きない。

図３は、内部の発振器が二つの首９と１９を有する実施態様を示す。駆動／受波ユニット８、または、この場合だと、互いに逆向きに分極された二つの部分を有する圧電ユニット１６は、二つの首９と１９の間に位置している。圧電ユニット１６の構造を通じて、圧電ユニット１６に印加された電圧により、圧電ユニット１６の一つの部分が収縮し、もう一方の部分が拡大する。よって、揺れる動きが直接的に作り出され、その結果、振動となる。この場合、固定ユニット５は、図１の状況に比べて、より中身が詰まった態様で実施される。あるいは、図に示したのとは違うが、固定ユニット５自体の一部としてここに付加された重り１２がある。また、この図では内部の発振器３内にスロット２０を示してある。ねじ回しを使い、スロット２０を介して、内部の発振器３を管２の端部キャップ１１にねじ込むことができる。これも、機械的に振動可能なユニット１がいかにして非常に簡単に組立可能であり、それによって費用面で好ましいものでありうるか、という一例である。

図１は、一つの実装における本発明の装置の断面図である。 図２は、振動とそれによって起こる力の説明図である。 図３は、さらに別の実装における本発明の装置の断面図である。

符号の説明

１ 機械的に振動可能なユニット
２ 管
３ 内部の発振器
４ プロセスから離れた方の管の端
５ 固定ユニット
６ プロセスに近い方の管の端
７ 内部の発振器のプロセスに近い方の端
８ 駆動／受波ユニット
９ 溝／首
１０ ねじ込み部品
１１ 端部キャップ
１２ 付加的重り
１３ 内部の発振器のプロセスから離れた方の端
１４ 回転軸
１６ 圧電ユニット
１７ 穴
１８ 取り付けユニット
１９ 第二の溝／首
２０ スロット

Claims (11)

1. 媒質の少なくとも一つの物理的または化学的なプロセス変量を決定および／または監視する装置であって、管（２）と内部の発振器（３）とを含む機械的に振動可能なユニット（１）を少なくとも一つ有する装置であり、
   前記管（２）は、プロセスから離れた方の端（４）で固定ユニット（５）に連結され、
   前記プロセスに近い方の前記管（２）の端（６）は自由端となっており、
   前記管（２）が前記内部の発振器（３）を取り巻いており、
   前記プロセスに近い方の前記管（２）の前記端（６）に、前記内部の発振器（３）が、前記プロセスに近い方の端（７）で固定されており、
   さらに少なくとも一つの駆動および受波ユニット（８）を有し、
   前記駆動および受波ユニット（８）は前記の機械的に振動可能なユニット（１）を励起して振動させるとともに、
   前記駆動および受波ユニット（８）は前記の機械的に振動可能なユニット（１）の振動を受波する装置において、
   前記内部の発振器（３）の断面が円であり、
   前記内部の発振器（３）が、前記の機械的に振動可能なユニット（１）の少なくとも振動周波数を決定する、前記円の中心のまわりに回転対称な溝（９）を少なくとも一つ有し、
   前記溝（９）の直径と長さは、前記溝（９）領域内での前記内部の発振器（３）の断面の回転剛性を規定し、
   前記管（２）が、前記の機械的に振動可能なユニット（１）の前記振動周波数に、無視することのできる影響しか与えないように、前記溝（９）の構造、位置、または寸法は、前記管（２）の共振周波数が前記内部の発振器（３）の共振周波数に比べて小さくなるように決められる、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記内部の発振器（３）の前記プロセスに近い方の前記端（７）の方向に、前記溝（９）が位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 付加的重り（１２）が前記固定ユニット（５）内に備わっていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記管（２）の断面が、円、楕円、方形、または多角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
5. 前記内部の発振器（３）が、中空、中実、または部分的に中空で部分的に中実であることを特徴とする請求項１、２または４に記載の装置。
6. 前記駆動および受波ユニット（８）にはただ一つの圧電ユニット（１６）が備わっており、該圧電ユニットは駆動ユニットおよび受波ユニットとしてはたらくことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
7. 前記駆動および受波ユニット（８）には少なくとも二つの圧電ユニット（１６）が備わっており、少なくとも一つの圧電ユニット（１６）が駆動ユニットとしてはたらき、少なくとも一つの圧電ユニット（１６）が受波ユニットとしてはたらき、前記複数の圧電ユニット（１６）が同じ位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
8. 前記圧電ユニット（１６）は、少なくとも二つの部分を有する圧電素子であり、該部分は互いに逆方向に分極されており、該分極の方向が前記の機械的に振動可能なユニット（１）の回転軸（１４）と平行であること特徴とする請求項６または７に記載の装置。
9. 前記内部の発振器（３）の前記プロセスに近い方の前記端（７）と、前記プロセスに近い方の前記管（２）の前記端（６）との間に、前記駆動および受波ユニット（８）が位置していること特徴とする請求項１、２、６、７または８に記載の装置。
10. 前記内部の発振器（３）が少なくとも第二の溝（１９）を有すること特徴とする請求項１、２、６、７または８に記載の装置。
11. 前記第一の溝（９）と前記第二の溝（１９）との間に、前記駆動および受波ユニット（８）が位置していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。

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