CN101405583B

CN101405583B - 用于确定和/或监控过程变量的装置

Info

Publication number: CN101405583B
Application number: CN2007800101956A
Authority: CN
Inventors: 赫尔穆特·普法伊费尔; 尤塔·库尼
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: EP1996905B1; US10234324B2; US20090126480A1; EP1996905A1; CN101405583A; WO2007107459A1; DE102006013255A1; ATE514924T1

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监控容器中的介质的至少一个过程变量的装置，其包括：至少一个机械可振荡单元(1)和至少一个驱动/接收单元(2)，后者激励机械可振荡单元(1)执行机械振荡并且接收机械可振荡单元(1)的机械振荡，其中机械可振荡单元(1)具有至少一个隔膜(4)，其中隔膜(4)与外壳(5)相连，其中驱动/接收单元(2)设置在隔膜(4)和支持单元(6)之间，以及其中支持单元(6)固定至外壳(5)。在本发明中，支持单元(6)这样构造并固定至外壳(5)，使得基本在外壳(5)的法向(N1)上作用的径向力(Frad)产生基本在支持单元(6)的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。

Description

用于确定和/或监控过程变量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监控容器中的介质的至少一个过程变量的装置，其包括：至少一个机械可振荡单元和至少一个驱动/接收单元，后者激励机械可振荡单元执行机械振荡并且接收机械可振荡单元的机械振荡，其中机械可振荡单元具有至少一个隔膜，其中隔膜与外壳相连，其中驱动/接收单元设置在隔膜和支持单元之间，以及其中支持单元固定至外壳。过程变量例如是料位、密度或粘度。介质例如是液体或松散材料。

背景技术

现有技术中已知所谓的振荡叉和所谓的单棒，利用其例如能够测量介质的料位。为此，振荡叉或单棒被激励为执行机械振荡。振荡的特征变量，幅度、频率和相位依赖于可振荡单元(在叉的情况中，是两个叉齿)是自由振荡还是被介质覆盖。于是，例如在液体的情况中，当叉或单棒从未被覆盖状态转变为被覆盖状态时，频率下降。于是，通过分析频率，可以推导出料位。这种测量仪表常常用于极限料位监控。在这种情况中，要区分监控料位下限(最小保护)和料位上限(最大保护)。在这种情况中，有关的极限料位依赖于测量仪表的安装高度和尺寸以及特别是依赖于可振荡单元的尺寸。

可振荡单元通常固定在隔膜上，驱动/接收单元位于隔膜之后。驱动/接收单元用于激励可振荡单元执行振荡以及接收振荡。驱动/接收单元常常是压电元件，其将交流电压转变为机械振荡，或者反过来，将机械振荡转变为交流电压。然后，对于交流电压的分析使得能够确认振荡的特征变量。在一个实施例中，诸如在EP 1 134 038 A1中所描述的，驱动/接收单元是压电元件堆，其固定在半球和圆盘之间。这个堆在一定的预应力下被压向隔膜，以实现最优的力传递。

在高温应用的情况中，这种结构产生问题。如果发生温度跳变，那么由于测量仪表的隔膜和驱动/接收单元的不同热膨胀系数以及由于温度在测量仪表中的不均匀传播时间，可能在一定的时间中在驱动/接收单元和隔膜之间会失去接触。当然，这对测量不利，甚至不能测量。特别对于与安全相关的料位监控，这是不能容忍的。

发明内容

于是，本发明的目的是提供一种测量仪表，其即使在高温应用中也能保证驱动/接收单元与隔膜之间的接触。

本发明通过以下特征实现目的，即，支持单元这样构造并固定至外壳，使得基本在外壳的法向(N1)上作用的径向力(Frad)产生基本在支持单元的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。于是，通过本发明，由于发生温度梯度而产生的径向力Frad用于将驱动/接收单元压向隔膜。径向力Frad往往向外作用。在一个实施例中，支持单元固定至的外壳部分是管状单元。在这个情况中，涉及垂直于管的法线。在这种情况中，外壳或外壳的管的两条法线N1以及支持单元的法线N2特别地基本彼此垂直。

在一个实施例中，支持单元具有至少一个平板单元和一个倾斜单元，平板单元和倾斜单元这样构造并彼此匹配，使得平板单元和倾斜单元彼此形成角度(α)，支持单元经由倾斜单元与外壳相连。这个实施例使得能够产生扭矩，通过合适选择几何形状，扭矩具有在期望方向上的力分量。

在一个实施例中，驱动/接收单元设置在平板单元的法向(N2)上。在一个实施例中，驱动/接收单元的对称轴垂直于平板单元并因而在法向(N2)上。换言之，驱动/接收单元垂直于平板单元，平板单元在这种情况中特别地是圆盘形状。通过本发明的测量装置的结构，扭矩产生在法向N2上并因而在驱动/接收单元对称轴方向上的力，其中驱动/接收单元例如是压电堆。

在一个实施例中，角度(α)基本位于40°～60°间。这个角度特别具有优点。在一个实施例中，角度特别地为约45°。

在一个实施例中，倾斜单元这样构成，使得平板单元所处的平面以及倾斜单元与外壳之间的连接区域所处的平面相距距离(a)。为了获得尽可能大的扭矩并同时获得尽可能大的力，距离a应当尽可能大，即，它应当提供尽可能大的力臂，用于将径向力Frad转变为具有在驱动/接收单元方向上的分量的力矩Md。

在一个实施例中，距离(a)使得从隔膜开始平板单元位于连接区域之后。由于驱动/接收单元优选地具有与现有技术相同的几何形状，即，特别是相同的高度，所以连接区域在隔膜的方向上比现有技术中高出距离a。

在一个实施例中，支持单元和外壳具有基本相同的线膨胀系数。

在一个实施例中，支持单元、外壳和隔膜基本旋转对称。于是，本发明中与外壳相关的部分特别是管。

在一个实施例中，支持单元与作为外壳一部分的管相连。

在一个实施例中，机械可振荡单元具有至少一个振荡棒。在另一实施例中，提供两个振荡棒，使得例如涉及所谓的振荡叉。

附图说明

现在根据附图详细解释本发明，附图中：

图1是根据现有技术的测量仪表的截面；和

图2是本发明的测量仪表的截面。

具体实施方式

图1显示了根据现有技术的测量仪表的示意图的截面。机械可振荡单元1由两个振荡棒3构成，它们彼此对称并且固定在隔膜4上。于是，这里显示了一半所谓的振荡叉。通过分析机械可振荡单元1的机械振荡，能够确定和/或监控不同过程变量。在这种情况，如果关心的是例如容器中的介质的料位，那么在液体的情况中振荡频率降低或者在松散材料的情况中振幅降低是已经达到料位以及可振荡单元1被介质覆盖的讯号。

隔膜4与外壳5连接，电子器件(未显示)也位于外壳5中。特别地，这里，隔膜4与作为外壳一部分的管相连，该管包含测量仪表的机械结构。于是，这里，驱动/接收单元2是设置在半球10和圆盘11之间的压电元件堆。驱动/接收单元2在预应力下被夹在隔膜4和支持单元6之间。这里，支持单元6是金属板，其在周围的连接区域9与外壳5或者与上述管相连。这里，支持单元6与外壳5以及隔膜4一样旋转对称。驱动/接收单元2的支承区域与连接区域9的高度相同。

在使用中，温度变化首先影响具有可振荡单元1连同隔膜4，并且在延迟之后影响其余的外壳5或驱动/接收单元2。由于隔膜4和驱动/接收单元2的膨胀系数不同，预应力减小，或者依赖于温度变化的大小而预应力消失，即，在极端情况中，在瞬态过程期间驱动/接收单元2不与隔膜4接触。这个问题通过图2中显示的本发明的实施方式得以解决。

图2显示了本发明的测量仪表。这里保持与图1相同的附图标记。与图1中的现有技术不同，这里，支持单元6由平板单元7和倾斜单元8构成。单元7和8彼此形成角度α，该角度为大约45°。只要保持壁厚s，那么增加直至60°能够增强效果。支持单元6的平板单元7经由倾斜单元8而在旋转对称的连接区域9与外壳5的管相连。通过角度α，与图1中所示的现有技术相比，固定处9更靠近隔膜4。在这种情况中，驱动/接收单元2的压电堆与图1的现有技术中高度相同。于是，两个平面之间也具有距离a。所以，如果在图1中，驱动/接收单元2的支承区域位于连接区域9的高度，那么支承区域在连接区域9之后，相距距离a。

在从20℃到300℃的理论温度震动的情况中，传感器的时间特性使得传感器的管壁在两秒钟之后暴露于完全的温度，而支持单元6在两秒钟之后的温度仅为约50℃。相关联的大约250℃的温度梯度导致在外壳5的传感器管中的温度应力，然而通过连接区域9中的支持单元6防止该温度应力跟随外壳5周围材料的径向漂移。于是，在支持单元6和外壳5的管之间产生非常高的径向力Frad。在这种情况中，这个力基本在外壳5的法向N1上作用。

利用本发明的构造，由于平板单元7相对于连接区域9的位置偏移以及由于对称轴，产生右旋扭矩Md＝Frad*a，其具有在支持单元6的法向N2上并因而在隔膜4的方向上的力分量。这导致驱动/接收单元2随时间变化的冲程运动，这保证了驱动/接收单元2总是保持接触传感器隔膜4。于是，还保证了在温度震动期间，保持传感器的功能。扭矩Md越大，a越大。正如可以从图2看到的，距离d随着角度α变大而增加，这导致扭矩Md相应增加。然而，角度α的增加具有限度，因为支持单元6特别是倾斜单元8的硬度必须保持足够大以传递力。

在这种情况中，支持单元6或平板单元7本身足够硬。特别地，比隔膜4的弯曲硬度明显更硬，因为否则的话作为驱动/接收单元2的压电堆的一部分运动将传递到支持单元6，即，否则棒3的振荡运动将变小。对于倾斜单元8也是同样。它也应当足够硬，因为否则的话，当扭矩在温度跳变期间作用时，倾斜单元8将被弹回并因而产生较小的压力Fy。

本发明的构造的效果简要概括如下：

1.在支持单元6和外壳管5之间产生温度梯度。

2.因此，管5试图沿方向N1拉支持单元6，即，产生径向力Frad(t)。

3.通过将根据本发明由平板单元7和倾斜单元8构成的支持单元6偏移设置在管5上，即，通过距离a，也产生相应的反作用力-Frad(t)。

4.这导致在顺时针方向上作用的扭矩Md＝Frad*a。

5.由于作用的扭矩，产生在N2方向上的轴向力。由于Md＝Fy*b，有Fy＝a/b*Frad。

6.于是，通过扭矩而作用于压电堆2的力依赖于两个距离a和b。

数值计算已经显示，角度α最优地位于40°～60°。

附图标记

1 机械可振荡单元

2 驱动/接收单元

3 振荡棒

4 隔膜

5 外壳

6 支持单元

7 平板单元

8 倾斜单元

9 连接区域

10 半球

11 圆盘

Claims

1.用于确定和/或监控容器中的介质的至少一个过程变量的装置，包括：

至少一个机械可振荡单元(1)；和

至少一个驱动/接收单元(2)，其激励机械可振荡单元(1)执行机械振荡并且接收机械可振荡单元(1)的机械振荡；

其中机械可振荡单元(1)具有至少一个隔膜(4)；

其中隔膜(4)与外壳(5)相连；

其中驱动/接收单元(2)设置在隔膜(4)和支持单元(6)之间；以及

其中支持单元(6)固定至外壳(5)；

其特征在于，

支持单元(6)具有至少一个平板单元(7)和一个倾斜单元(8)，平板单元(7)和倾斜单元(8)被构造并彼此匹配，使得平板单元(7)和倾斜单元(8)彼此形成角度(α)，该角度(α)位于40°～60°间，并且支持单元(6)通过倾斜单元(8)与外壳(5)相连，使得在所述外壳(5)的圆周面的法向(N1)上作用的径向力(Frad)产生在所述平板单元(7)的平板表面的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，驱动/接收单元(2)设置在平板单元(7)的平板表面的法向(N2)上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，倾斜单元(8)被构成为使得平板单元(7)所处的平面以及倾斜单元(8)与外壳(5)之间的连接区域(9)所处的平面相距距离(a)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，距离(a)使得从隔膜(4)出发，平板单元(7)位于连接区域(9)之后。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，支持单元(6)和外壳(5)具有基本相同的线膨胀系数。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其中，支持单元(6)、外壳(5)和隔膜(4)基本旋转对称。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，支持单元(6)与作为外壳(5)一部分的管相连。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，机械可振荡单元(1)具有至少一个振荡棒(3)。