CN107850476A - 用于确定和/或监测至少一个过程变量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及确定和/或监测容器(3)中介质(2)的至少一个过程变量的装置，包括：可机械振荡单元(4)；驱动/接收单元(5)，用于激励可机械振荡单元(4)以借助电激励信号执行机械振荡并接收机械振荡和把机械振荡转换成电接收信号；控制单元(12)，被实施为根据接收信号产生激励器信号并调节激励器信号和接收信号之间的可预定相移；可电磁振荡单元(7)；有源元件(13)，用于在可电磁振荡单元(7)中产生和/或维持电磁振荡，有源元件与可电磁振荡单元(7)一起形成振荡器；耦合单元(14)，被实施为分接来自有源元件(13)的输出信号；和评估单元(15)，该评估单元(15)被实施为从接收信号和/或输出信号确定至少一个过程变量。
Description
技术领域
本发明涉及用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的装置。
背景技术
过程技术和/或自动化技术的相应的现场设备取决于待确定的过程变量而基于本身从现有技术已知的许多不同的原理。在这种情形中，特定的现场设备能够记录各个过程变量或者尤其是同时地记录许多过程变量。然而，一般来说，对于介质的性能尤其是物理性能和/或化学性能的综合表征，多个现场设备必须被并行地应用。
现场设备通常包括直接地或间接地至少部分地出现的且至少有时与过程接触的至少一个传感器元件以及例如用于信号记录、信号评估和/或信号馈送的电子器件单元。例如，电子振动料位测量设备的传感器元件通常包括至少一个可机械振荡单元，比如，例如，振荡叉、单个杆或膜。这在操作期间借助于驱动/接收单元(通常为机电换能器单元的形式)来激发以执行机械振荡。例如，机电换能器单元可以是压电驱动器或电磁驱动器。此处应提到，驱动/接收单元根据测量设备的实施方式可以是分离的驱动单元和分离的接收单元或组合的驱动/接收单元。
电子振动料位测量设备由申请人以大量形式来生产并且例如在市场上以LIQUIPHANT和SOLIPHANT出售。支持的测量原理通常从大量公布是已知的。驱动/接收单元借助于电激励信号来激励可机械振荡单元以执行机械振荡。相反地，驱动/接收单元可以接收可机械振荡单元的机械振荡并且将它们转换成电接收信号。驱动/接收单元在许多情形中是反馈电气振荡电路的一部分，借助于反馈电气振荡电路，激励可机械振荡单元执行机械振荡发生。例如，对于共振，必须满足振荡电路条件，根据此，振荡电路中的所有放大率的和，或者放大因子不斯奥与1且在振荡电路中出现的所有的相位合计为360°的倍数。
为了激励和满足振荡电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的一定的相移。因此，通常，为相移设定可预定的值，因而位对于激励信号和接收信号之间的相移所期望的值。为此从现有技术已知的是不同的解决方案，既是模拟的以及也是数字的解决方案。原则上，例如，可以通过应用合适的滤波器或者也借助于将可预定的相移控制到期望的值的控制环路来执行相移的调节。例如，从DE102006034105A1已知可调谐的相移器。相比之下，在DE102007013557A1中描述了具有用于另外控制振荡幅度的可调节放大因子的放大器的另外集成。DE102005015547A1提供了全通滤波器的应用。此外，借助于扫频程序，相移的设定是可能的，比如例如在DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中公开的。然而，也可以借助于锁相环(PLL)将相移控制到可预定的值。这样的激励方法是DE102010030982A1的主题。
激励信号以及还有接收信号两者都以频率f、振幅A和/或相位Φ为特征。相应地，这些变量的变化通常被考虑以用于确定过程变量，比如预定的料位、流量、密度和/或粘度。在用于液体的电子振动限位开关的情形中，例如，区别可振荡单元是被液体覆盖还是自由振荡。在这种情形中，这两个状态，即自由状态和覆盖状态，例如，基于不同的共振频率来区分，因而在激励信号和接收信号之间的可预定的相移的存在的情形中，基于频移来区分。密度和/或粘度进而可以仅在可振荡单元被介质覆盖时利用这样的测量设备来确定。
从DE10057974A1已知用于确定和/或监测介质的密度的方法和装置，借助于该方法和装置，至少一个干扰变量(例如，粘度)对可机械振荡单元的振荡频率的影响被确定并且被相应地补偿。此外，在DE102006033819A1中描述了在激励信号和接收信号之间的可预定的相移的设定，即，其中介质的粘度的变化对可机械振荡单元的机械振荡的影响可忽略不计的一种相移。在这种情形中，基本上根据以下公式来确定密度：
其中K是可机械振荡单元的密度敏感性，f0,Vak是在真空中的机械振荡的频率，C和A分别是可机械振荡单元的线性和二次温度系数，t是过程温度，fT,P,Med是介质中的机械振荡的频率，D是压力系数，且p是介质的压力。
介质的粘度可以借助于电子振动传感器基于相位-频率曲线(Φ＝g(f))来确定，比如在例如DE10050299A1中描述的。该程序基于可振荡单元的阻尼对介质粘度的依赖性。在这种情形中，粘度越低，相位-频率曲线越陡。为了消除密度对测量的影响，基于由两个不同的相位值造成的频率变化，因而借助于相对测量来确定粘度。就此而言，两个不同的相位值可以被设定并且相关的频率变化被确定，或者预定的频带移过并且检测至少两个预定的相位值何时被实现。
此外，从DE102007043811A1已知由本征频率和/或共振频率和/或相位关系的变化来确定粘度的变化和/或基于可振荡单元的振荡对介质的粘度的相应配置的依赖性来确定粘度。而且，在该程序的情形中，粘度对介质的密度的依赖性必须被考虑。
总之，在可振荡单元被介质覆盖的情况下，使用电子振动料位测量设备实现了可预定的料位(尤其是限位)的确定和/或监测，以及还有介质的密度和/或粘度的确定这两者。表征介质特征所需要的其它过程变量仅通过基于另一个原理应用至少一个另外的测量设备是可确定的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于确定和/或监测至少一个过程变量并具有扩展的应用范围的装置。
该目的通过用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的装置来实现，该装置包括：
-可机械振荡单元，
-驱动/接收单元，用于激励可机械振荡单元以借助电激励信号执行机械振荡，并且用于接收机械振荡和把机械振荡转换成电接收信号，
-控制单元，其被实施为产生起源于接收信号的激励器信号并且设定激励器信号和接收信号之间的可预定的相移，
-可电磁振荡单元，
-有源元件，其用于在可电磁振荡单元中产生和/或维持电磁振荡，所述有源元件与可电磁振荡单元一起形成振荡器，
-耦合单元，其被实施为分接来自有源元件的输出信号，以及
-评估单元，所述评估单元被实施为根据接收信号和/或输出信号确定至少一个过程变量。
根据本发明，可机械振荡单元是第一传感器元件的至少一部分并且可电磁振荡单元是第二传感器元件的至少一部分。在本发明的装置的情形中，关注的是电子振动料位测量设备和所谓的微波谐振器、微波振荡***或微波振荡器的形式的测量设备的组合。这样的设备在下面也被称为微波传感器。有利地，以此方式，与常规的电子振动料位测量设备相比可以实现明显扩展的应用范围。这涉及积垢数量的可确定的过程变量以及由此借助于数学关系可得到的变量的可达性，以及也涉及能够执行关于两个传感器元件中的至少一个的状态的扩展的诊断功能的机会。
微波传感器形式的测量设备本身从现有技术是已知的并且例如在专利申请DE102012104075A1、DE102013112025A1和DE102013112026A1中被描述。这些专利申请的公开将是与本发明的公开相应地综合地相关的。在相应的测量设备的情形中，特定的过程变量基于受介质的至少部分和/或有时的存在的影响的电磁场是可确定的。
就此而言，所谓的频率确定元件(其在此情形中是振荡器的可电磁振荡单元，尤其是具有10MHz至例如10GHz的范围的频率的高频振荡器)以这样的方式布置使得其至少有时和/或部分地定位在介质或测量介质的附近。根据特定的介质，于是振荡器的振荡特性改变，基于此，可以进行期望的过程变量的确定。
至少为了产生并维持电磁振荡，振荡器包括例如为放大器的所谓有源元件。有源元件尤其是以这样的方式设计使得一方面振荡器内的电磁振荡可以被维持并且另一方面对应于振荡器中的振荡的输出信号可以经由所谓的外耦合元件(在本情形中，耦合单元的一部分)被耦合出来，而不影响振荡器的振荡行为。基于输出信号，最终，确定特定的过程变量。除此之外，高频振荡器可以是反馈振荡器或也可以是反射振荡器。合适的高频振荡器的构造例如可以从专利申请DE102011078060A1获知。
接下来，通过举例，现在将描述本发明的测量设备的某些优选实施方式连同产生的优点。这些解释不代表可能的应用和实施方式的排它列举。
在不同的实施方式中，可机械振荡单元是膜、单个杆或振荡叉。可机械振荡单元可以有利地由金属、陶瓷或合成材料比如塑料制造。取决于可电磁振荡单元的定位，尤其是将合成材料应用于可机械振荡单元可以证明是尤其有利的。如果可电磁振荡单元例如至少部分地至少定位在可机械振荡单元的一部分内，则合成材料一方面提供高的微波辐射透射率。另一方面，至少部分地包围可电磁振荡单元的合成材料代表对特定介质的有效屏障，并且因而例如保护可电磁振荡单元不受腐蚀。
在实施方式中，驱动/接收单元包括至少一个压电元件或至少一个线圈。最多样化的实施方式对于电子振动传感器的压电驱动/接收单元是已知的。具有至少一个压电元件的相应的机电换能器单元包括至少一个发送单元或发送电极和接收单元或接收电极。在某些情形中，此外，还提供了例如用作地电势的至少一个参考电极，但是甚至浮动参考电极是可能的。在所谓的双压电晶片驱动器的情形中的实施方式的示例例如在EP0751380B1中公开。相比之下，所谓的堆栈驱动器例如在EP0875741B1、EP1134038A1、EP1277243B1和EP19969005B1中被描述，并且所谓的四象限驱动器例如是EP1281051B1的主题。
相比之下，在所谓的电磁驱动/接收单元的情形中，电能改变为机械能经由磁***变场发生，借助于磁***变场，周期力被传输到可机械振荡单元。而且对于机电换能器单元(其通常包括至少一个线圈和一个磁体)的该原理，很多实施方式是已知的，比如例如在文献WO 2007/113011和WO 2007/114950 A1中描述的那些。
在另外的实施方式中，可电磁振荡单元被实施为波导，尤其是同轴电缆、中空导体或微带传输线，实施为贴片天线，梯度导体尤其是介电梯度导体，或双线线路。根本地，可电磁振荡单元以电磁波可以在其中传播的方式形成。在作为波导的实施方式的情形中，可电磁振荡单元可以例如以电缆形式(比如具有双绞线的带状导体的情形中)、具有固定分隔的线或其它导体或者具有共享屏蔽的线(比如例如在同轴电缆的情形中)存在。而且，所谓的管形状(比如例如在中空导体的情形中)是已知的，其尤其可以以具有矩形或圆形形状的横截面的金属管的形式，或者还有条状导体(比如例如微带传输线)存在。通常，被称为贴片天线的是天线形式，在此情形中，通常矩形的金属表面作为谐振器。而且，双线线路可以例如是所谓的带状导体。最后，梯度导体例如是光波导，尤其是多模玻璃纤维。优选地，其是具有可预定的梯度折射率分布的多模玻璃纤维。用于这种多模玻璃纤维的是所谓的梯度折射率纤维，或者还有梯度纤维，在此情形中，折射率从纤维芯向外连续地下降。梯度导体可以有利地完全由合成材料构成。
在优选实施方式中，至少一个过程变量是所述容器中的介质的料位或限位、粘度、密度、介电常数、磁导率、介电损耗因子、介质尤其是食物的蛋白含量和/或脂肪含量，或油中的水含量。在这种情形中，可确定的过程变量的该列举是非排它的。利用本发明的装置，可以使用两个可振荡单元确定可预定的料位。此外，在比较小的容器的情形中，可电磁振荡单元也提供记录连续的料位的机会。介质的密度和/或粘度可以基于可机械振荡单元的机械振荡的评估来确定。相比之下，介电常数(也称为电介导电性)或磁导率或者还有导磁率(其是电场和磁场的某一介质的磁导率的度量)可以借助于可电磁振荡单元(例如借助于同样是可确定的复折射率)来确定。利用可电磁振荡单元同样可确定的介电损耗因子进而是在振荡器内的电磁能的消耗的度量，并且由此是传播的电磁波的阻尼程度或衰减的度量。
介质的蛋白含量和/或脂肪含量进而可以从过程变量、介电常数、介电损耗因子、透射率和反射程度以及密度和/或粘度的组合来确定。在这种情形中，在用于脂肪的可电磁振荡单元的情形中，在比较低的介电损耗因子下产生了比较低的介电常数，而在蛋白质的情形中，存在与比较高的介电损耗因子关联的比较低的介电常数。油中的水份额的确定在DE102013112025A1中详细地描述。关于介质的盐含量，(烹饪)盐具有独立于温度的5.9的介电常数或介电常量。而且，参考可电磁振荡单元出现了比较高的介电损耗因子和比较小的透射率。如果进一步介质的密度和/或介质的温度被考虑，则介质(例如食物)的盐含量可以从针对某一介质确定的介电常量的值为5.9的偏离来确定。
许多不同的选项可用于本发明的装置的特定几何实施方式，现在将描述其中的两个尤其优选的变型。在此情形中，宽范围的可能的实施方式涉及至少两个传感器元件(因而至少一个可机械振荡单元和至少一个可电磁振荡单元)的布置，以及还涉及至少一个电子器件单元(其除此之外包括与可机械振荡单元相关联的控制单元以及还有与可电磁振荡单元相关联的耦合单元，以及有源元件)的实施方式。而且，至少一个电子器件单元还可以具有至少一个评估单元，借助于评估单元，至少一个过程变量例如基于在微处理器中配备和运行的评估算法来确定。
在尤其优选的实施方式中，可电磁振荡单元布置在可机械振荡单元的至少一个部分上或至少一个部分内或者与驱动/接收单元一起布置、布置在驱动/接收单元内或作为驱动/接收单元的一部分布置。在这种情形中，这是空间节省实施方式，其中确保了可电磁振荡单元布置在介质的附近。在此情形中，利用的材料必须以在可电磁振荡单元内传播的电磁波可以至少部分地在介质中传播这样的方式与特定的几何布置匹配。可机械振荡单元和/或驱动/接收单元的至少一部分因而应尤其是具有针对电磁波的高透射率。在给定情形中，对于本发明的这种实施方式尤其是有利的是至少对可机械振荡单元的一部分和/或驱动/接收单元的至少一个壳体应用合成材料。
在实施方式中，至少一个可机械振荡单元为具有第一叉齿和第二叉齿的振荡叉的形式，并且至少一个可电磁振荡单元设置有至少第一导电迹线和第二导电迹线。
对于该实施方式，有利地，至少一个可电磁振荡单元中的至少一个的第一导电迹线至少部分地布置在第一叉齿的内部，并且这种可电磁振荡单元的第二导电迹线至少部分地布置在至少一个可机械振荡单元的第二叉齿的内部。可替代地，至少一个可电磁振荡单元中的至少一个的第一导电迹线和第二导电迹线可以至少部分地布置在至少一个可机械振荡单元的相同叉齿的内部。同样有利地，至少一个可电磁振荡单元的第一导电迹线和/或第二导电迹线布置在驱动/接收单元的壳体内。
当然，除提到的变型之外，同样落入本发明的范围内的其它实施方式是可能的。例如，可电磁振荡单元的至少第一和第二导电迹线可具有不同的几何形状，尤其是参考其宽度和/或长度。导电迹线优选地由铜制造；然而，当然还可以使用其它材料。而且，选择是将多个可电磁振荡单元布置在可机械振荡单元内和/或布置在驱动/接收单元内。通过相对于彼此不同的定位和定向，参考可确定的过程变量的应用领域可以被进一步扩展；也比较在DE102013112025A1中描述的变型。
尤其优选的实施方式提供了，设置了至少两个可电磁振荡单元，其中至少两个可电磁振荡单元被布置并且评估单元以从第一可电磁振荡单元的至少第一输出信号和第二可电磁振荡单元的第二输出信号的比较确定在至少一个可机械振荡单元上存在积垢的方式得以实施。例如，可机械振荡单元是振荡叉并且应识别在两个叉齿之间的积垢形成。然后，第一可电磁振荡单元可以以其在两个叉齿之间的区域中与介质接触这样的方式被布置，而第二可电磁振荡单元以其在两个叉齿之间的中间空间之外的区域中与介质接触这样的方式被布置。在两个叉齿之间形成积垢的情形中，借助于两个可电磁振荡单元确定的输出信号开始不同。然后，例如，两个输出信号相互偏离的极限值可以被建立并且在超过该极限值时产生已经形成积垢的报告和/或警告。在振荡叉的形式的可机械振荡单元的叉齿之间的积垢的检测借助于常规的电子振动测量设备不是直接可能的。此外。此处积垢检测的方法可以容易地转换到可机械振荡单元的其它实施方式。
在另外的实施方式中，至少一个可电磁振荡单元布置在驱动/接收单元的壳体内，其中评估单元被实施为从可电磁振荡单元的输出信号确定介质穿入到驱动/接收单元的壳体内。而且在此情形中，介质的穿入引起特定的可电磁振荡单元的输出信号的变化。例如，介质穿入驱动/接收单元的壳体内可以基于介电常量显著的(尤其是突然的)增加加以检测。再次，然后，例如，在输出信号的变化超出可预定的极限值的情况下，可以产生报告和/或警告。
而且，有利地，补充地，存在用于记录介质的温度的温度传感器。这样的温度传感器可以例如是电阻元件(尤其是铂元件，尤其是例如所谓的PT100或PT1000元件)、NTC热敏电阻(尤其是所谓的NTC电阻器，例如NTC热敏电阻(NTC＝负温度系数))、PTC热敏电阻(尤其是所谓的PTC电阻器，例如PTC热敏电阻(PTC＝正温度系数))或所谓的IC温度传感器。作为另一个过程变量的温度的记录产生许多计量优点，一方面参考可确定的过程变量的数量，然而，也参考测量精度。各个过程变量(比如，例如，在含水介质的情形中它们的介电常量)以及还有布置在过程附近的装置的电子部件(尤其是参考它们的实施方式)可以具有温度依赖性。
除至少两个传感器元件的实施方式的各种选择之外，参考本发明的装置的电子部件的许多不同的变型也是可能的。
电子振动传感器的常规电子器件单元通常包括至少一个控制单元和一个评估单元。驱动/接收单元通常布置在与其相互作用的可机械振荡单元的附近。同时，然而，在许多情形中，驱动/接收单元是反馈电气振荡电路的一部分，借助于反馈电气振荡电路，发生可机械振荡单元的激励以执行机械振荡。借助于评估单元，从可机械振荡单元接收的接收信号相对于其频率、相位和/或振幅被评估，并且基于这些变量中的至少一个，确定特定的过程变量。
相比之下，用于微波传感器的常规的电子器件单元包括至少一个有源元件、耦合单元和评估单元。有源元件与可电磁振荡单元直接地连接，或者经由合适的连接件(尤其是经由例如用于连接两个相同地实施的或不同地实施的波导的插接连接件)间接地连接。然而，有源元件必须不布置在相应的介质附近。因而，例如，有源元件可以容纳在测量设备的容纳其余部件(尤其是电子部件)的分离的壳体中。而且，有源元件与耦合单元连接，该耦合单元将耦合出来的输出信号引导到评估单元，该评估单元至少参考其频率评估输出信号并且基于频率评估确定特定的过程变量。微波传感器可以以两种操作模式(连续模式或脉冲模式)操作，其中脉冲模式明显地更节省能量。合适的评估单元的实施方式的变型例如在专利申请DE102012104075A1和DE102013112025A1中被描述。
现在，一方面可以根据可振荡单元(因而根据传感器元件)分别地布置和接触本发明的装置的电子部件。然而，也可以将多个部件连接(例如将它们布置在共享的电子器件单元)中。此外，至少两个传感器元件的电气接触可以至少部分地被组合。
可能的实施方式提供了，至少两个电子器件单元和一个评估单元被设置，其中第一电子器件单元至少包括控制单元，其中第二电子器件单元至少包括有源元件和耦合单元，并且其中评估单元被实施为从接收信号和/或输出信号确定至少一个过程变量。在此情形中，两个电子器件单元中的每一个与高级评估单元电连接。
可替代地，根据另一个可能的实施方式，提供了至少两个电子器件单元，其中第一电子器件单元至少包括控制单元和第一评估单元，其可以至少从接收信号确定至少一个过程变量，并且其中第二电子器件单元至少包括有源元件、耦合单元和第二评估单元，其可以至少从输出信号确定至少一个过程变量。然而，至少两个评估单元也可以与至少两个电子器件单元的其余电子部件分开地布置。而且，至少两个电子器件单元可以被实施为彼此通信。尤其是，主/从原则可以至少用于数据向高级过程控制***的传输和/或传感器元件的供应，在此情形中，借助于两个评估单元确定的过程变量经由相同的线传输。
为了避免参考可机械振荡单元和可电磁振荡单元的测量操作的相互影响，在优选实施方式中，可电磁振荡单元以在100MHz至100GHz的范围的频率振荡，且可机械振荡单元以在100Hz至100kHz的范围的频率振荡。
在其中两个传感器元件与它们的电子部件之间部分地经由相同的线发生接触的情形中，当提供触发器单元时是有利的，该触发器单元被实施为在基于随时间而变的激励信号可确定的某一时间间隔至少触发输出信号的外耦合，尤其是在具有激励器信号的过零点或极值点的时间间隔。在此情形中，可电磁振荡单元以脉冲模式操作。
附图说明
现在将基于附图详细说明本发明以及其有利实施方式，其中：
图1是根据现有技术的电子振动传感器的示意图，
图2是具有作为可机械振荡单元的振荡叉和包括至少两个导电迹线的可电磁振荡单元的本发明的装置的三个示意图，其中在(a)中每一个叉齿包含导电迹线，在(b)中两个导电迹线布置在相同的叉齿中并且在(c)中至少两个导电迹线布置在可电磁振荡单元内，
图3是具有布置在振荡叉的形式的可机械振荡单元内的至少两个可电磁振荡单元的本发明的装置的实施方式，其中(a)是第一侧视图，(b)是第二侧视图，(c)是可电磁振荡单元中的一个的至少两个导电迹线的细节图，以及(d)是从两个可电磁振荡单元发出的传播的电磁波的可能场分布，
图4是根据图2c)的本发明的装置的实施方式，其中(a)是侧视图，(b)是驱动/接收单元以及可电磁振荡单元的两个导电迹线的细节图，以及(c)是从可电磁振荡单元发出的传播的电磁波的可能场分布，以及
图5(a-b)是本发明的装置的电子部件的两个可能变型。
具体实施方式
图1示出用于确定和/或监测至少一个过程变量的电子振动传感器1形式的装置1。示出振荡叉形式的可机械振荡单元4，其被部分地浸入位于容器3中的介质2中。以下说明集中于振荡叉的形式的可机械振荡单元4。然而，无意限制本发明的一般应用。
尤其是对于其中至少一个可电磁振荡单元7至少部分地布置在可机械振荡单元4内的实施方式，至少制造塑料形式的合成材料的可机械振荡单元4的两个叉齿是有利的。
可振荡单元4借助于驱动/接收单元5被激励以执行机械振荡。例如，驱动/接收单元5可以是压电堆驱动器或双压电晶片驱动器。然而，电子振动传感器的其它实施方式也落入本发明的范围内。还示出电子器件单元6，信号记录、信号评估和/或信号馈送借助于该电子器件单元6发生。
除可机械振荡单元4之外，本发明的装置还包括可电磁振荡单元7。关于可机械振荡单元4和可电磁振荡单元7的布置，各种选项是可利用的。在至少一个可电磁振荡单元7至少部分地布置在可机械振荡单元4的至少一部分上或中时，尤其是产生了空间节省实施方式。以下说明集中于这些种类的实施方式。然而，无意限制本发明的一般应用。对于具有两个叉齿4a、4b的振荡叉的形式的可机械振荡单元4和与这些直接邻接的驱动/接收单元5以及具有至少两个导电迹线7a、7b的可电磁振荡单元7，图2例示了实施方式的三个不同形式。示出的概念也可以容易地转移到至少一个可机械振荡单元4和至少一个可电磁振荡单元7的其它实施方式。
在图2a的实施方式中，可电磁振荡单元7的第一导电迹线7a布置在可机械振荡单元4的第一叉齿4a中，而第二导电迹线7b位于第二叉齿4b中。在该示例中，有意义的是通过两个叉齿4a、4b与介质完全隔离的两个相同实施的导电迹线7a、7b的对称布置。相反，在图2b的实施方式的情形中，可电磁振荡单元7的两个导电迹线7a、7b布置在可机械振荡单元4的第一叉齿4a中，并且在根据图2c的实施方式的示例的情形中，可电磁振荡单元7最终完全地定位在驱动/接收单元5的壳体5a内。
对于图2中示出的所有示例，在每一种情形中，可电磁振荡单元7分别在相关联的驱动/接收单元5的壳体5a内布置在可机械振荡单元4内。然而，也可以提供多于一个可电磁振荡单元7。尤其是，可以在相同的可机械振荡单元4内布置多个可电磁振荡单元7，比如对于图3所示情形中是两个可电磁振荡单元7、7'，该两个可电磁振荡单元7、7'布置在振荡叉的形式的可机械振荡单元4的两个叉齿4a、4b中。图3a示出这样的装置的示例的侧视图。具有两个导电迹线7a、7b的第一可电磁振荡单元7布置在可机械振荡单元4的第一叉齿4a中，类似于图2b所示的示例。然而，根据图3a，提供了定位在第二叉齿4b内的同样具有两个导电迹线7a'和7b'的第二可电磁振荡单元7'。两个可电磁振荡单元7、7'被相同地实现并且彼此对称地定位在两个叉齿4a、4b内，使得不影响可机械振荡单元4的振荡行为。至少一个可电磁振荡单元7在可机械振荡单元4内的对称布置因此通常是优选的。
对于图3所示的示例，带有壳体5a的驱动/接收单元5包括所谓的带有盘形压电元件11的压电双压电晶片驱动器，在其一个面上，在第一区域中布置了发送电极8并且在第二区域中布置了接收电极9。发送电极8和接收电极9此处在形式上被实施为相同并且彼此轴向对称地布置。此外，在围绕发送电极8和接收电极9的镜像轴线对称地延伸的第三区域中定位了参考电极10，该参考电极10可以位于未定义的电势，或者例如可以用作地电势。而且，滑石盘18在压电元件11下方。在此情形中，还可以使用其它材料，尤其是电路板材料。此外，驱动/接收单元5的其它实施方式也是可能的。
图3b显示了从图3a的视图转动90°的相同布置的二维视图。从该视角可以看到，对于两个可电磁振荡单元7、7'中的每一个，在每一种情形中，第一导电迹线7a、7a'的几何形状和第二导电迹线7b、7b'的几何形状不同。这些差别在图3c中在可电磁振荡单元7、7'的两个导电迹线7a、7a'、7b、7b'的详细视图中最佳地示出。第一导电迹线7a、7a'关于可机械振荡单元4的叉齿4a、4b的宽度比第二导电迹线7b、7b'窄。两个可电磁振荡单元7、7'中的每一个因而可以由例如通过塑料层彼此隔离的两个迹线层形成。例如，可以使用多层电路板。在每一种情形中，两个导电迹线7a、7a'或7b、7b'中的一个与大地或地连接。在图3的示例中，在每一种情形中，第二导电迹线7b、7b'较宽。可电磁振荡单元7、7'有利地由塑料包围，塑料除保护作用之外还提供与介质2的电流隔离。这样的电流隔离然后必须不再被设置在装置1的电子部件6内。
从图3a-3c所示的本发明的装置的实施方式，产生了比如图3d示意性地所示的电磁场的场分布。对于两个可电磁振荡单元7、7'中的每一个，在邻接两个导电迹线7b、7b'的空间区域中产生了比较高的场密度。图3d显示了第一可电磁振荡单元7例如对两个叉齿4a、4b之间的中间空间是敏感的，而第二可电磁振荡单元7'对两个叉齿4a、4b之间中间空间外的空间区域是敏感的。于是，介电常数、磁导率、折射率或还有介电损耗因子例如可以有利地借助于第二可电磁振荡单元7'来确定。从与特定的过程变量的比较值的偏离，如基于第一可电磁振荡单元7确定的，进一步可以检测到在两个叉齿4a、4b之间形成积垢。此处还注意到，可电磁振荡单元7、7'的几何形状针对特定应用可以被优化，例如，以尽可能大的空间区域或较小的空间区域例如通过协调电磁场达到的地方可尽可能精确地记录的方式被优化。当然，代替使两个可电磁振荡单元7、7'平行，在此情形中，第一宽执行的导电迹线7a、7a'布置在左侧，而第二更窄执行的导电迹线7b、7b'布置在右侧，例如，两个可电磁振荡单元7、7'的反平行布置也是可能的，使得两个可电磁振荡单元对于在两个叉齿4a、4b之间的中间空间外的空间区域是敏感的。在此情形中，例如，除实际的过程变量确定之外，可以检测到在叉齿4a、4b的外侧上的有差别的积垢。在这种情形中，关于积垢形成的知识有利地影响测量设备的测量精度。
本发明的另一可能的实施方式最终是图4的主题。驱动/接收单元5包括比如在图3的实施方式中的压电双压电晶片驱动器。如从图4a明显的，可电磁振荡单元7以两个基本上环形的导电迹线7a、7b的形式布置在驱动/接收单元5的壳体5a内，该两个基本上环形的导电迹线7a、7b位于滑石盘18的两个相对的面上。然而，可电磁振荡单元7的确切布置可以基于图4b和图4c中的详细视图更确切地被检测。在图4b所示的示例中，第二迹线7b被实施为环形的且布置在滑石盘18的第一(在该示例中)圆形圆面的区域中。代替滑石盘18，例如，还可以使用电路板。此外，第二导电迹线7b经由从滑石盘18的第一面延伸到与第一面相对的第二面的导电触点接触。而且，开口长度u的开放(即，不封闭)环区段的形式的第一导电迹线7a布置在该第二面上。第一导电迹线部分地(即不完全地)围绕支承电极8、9和10的压电元件11延伸。在这种情形中，开口u的长度可以根据应用被合适地选择。此处应注意，实施方式的该示例基本上可以以许多不同的方式修改。例如，第二导电迹线也可以设置为完整圆的形式或圆形区段的形式，然而，也可以为其它几何形状的二维几何区域的形式。此外，导电迹线7a、7b可以不同地布置在驱动/接收单元的壳体内，即，可以应用不同地实施的可电磁振荡单元7。
在该示例中，两个导电迹线7a、7b的小的分离允许选择比较高的频率，据此特定的电磁场仅在比较小的空间区域中传播并且导致该布置的高敏感性。所产生的场分布在图4d中表示。取决于可电磁振荡单元7的几何设计，这样的布置也可以用于检测介质穿入驱动/接收单元的壳体5a内。
最后，图5a和图5b以两个框图的形式显示了本发明的装置的电子部件的两个可能实施方式。在根据图5a的示例中，提供了第一电子器件单元6a和第二电子器件单元6b。第一电子器件单元6a借助于驱动/接收单元(在此未单独显示)与可机械振荡单元4连接并且至少包括控制单元12，控制单元12至少被实施为产生起源于接收信号的激励器信号并且设定在激励器信号和接收信号之间的可预定的相移。第二电子器件单元6b又与可电磁振荡单元7连接并且至少包括有源元件13和耦合单元14。两个电子器件单元6a、6b又与评估单元15连接，至少在评估单元15内确定至少一个过程变量。在这种情形中，评估单元15例如包括微处理器。此外，其还可以具有存储器单元。评估单元15此外可以与高级控制***16连接。
可选地，此外，提供了触发器单元17。这在可电磁振荡单元7的脉冲操作的情形中尤其有用。触发器单元在基于随时间而变的激励信号可确定的某一时间间隔至少触发输出信号的外耦合，尤其是在具有激励器信号的过零点或极值点的时间间隔。以这种方式触发的操作一方面区别于特别低的功耗。另一方面，输出信号和激励器和/或接收信号的可能的相互影响被最小化。
对于图5a所示的示例可替代地，第一和第二电子器件单元也可以一起放置在高级电子器件单元6(虚线框)中。而且，评估单元15以及触发器单元17可以布置在该电子器件单元6中。
图5b显示了电子部件的本发明布置的第二变型。在此情形中，提供了两个分离的评估单元15a、15b，其中第一评估单元15a与第一电子器件单元6a相关联并且被实施为用于至少从可机械振荡单元4的接收信号确定过程变量，并且其中第二评估单元15b与第二电子器件单元6b相关联并且设计成至少从可电磁振荡单元7的输出信号确定过程变量。两个评估单元15a、15b当然也可以与两个电子器件单元6a、6b分开地布置。再次，也可以可选地提供触发器单元17。
对于期望(在给定情形中与高级控制***)的连接在该实施方式的情形中存在许多选项。例如，两个评估单元15a、15b中的每一个可以与高级控制***连接(情形i)。可替代地，然而，两个评估单元15a、15b也可以彼此连接(情形ii)。于是，两个评估单元15a、15b中的仅一个(在此处所示的示例中，第一评估单元15a)与高级控制***连接是足够的。两个评估单元15a、15b之间的通信于是可以例如根据主/从原理发生。
附图标记列表
1 电子振动传感器
2 介质
3 容器
4 可机械振荡单元，振荡叉
4a 第一叉齿
4b 第二叉齿
5 驱动/接收单元
5a 驱动/接收单元的壳体
6 电子器件单元
6a 第一电子器件单元
6b 第二电子器件单元
7 可电磁振荡单元
7a 第一导电迹线
7b 第二导电迹线
8 发送电极
9 接收电极
10 参考电极
11 压电元件
12 控制单元
13 有源元件
14 耦合单元
15 评估单元
15a 第一评估单元
15b 第二评估单元
16 与高级控制***的连接
17 触发器单元
18 滑石盘
u 以环形区段形式存在的导电迹线的开口的长度
Claims (16)
1.一种用于确定和/或监测容器(3)中的介质(2)的至少一个过程变量的装置，包括：
-可机械振荡单元(4)，以及
-驱动/接收单元(5)，用于激励所述可机械振荡单元(4)以借助电激励信号执行机械振荡，并且用于接收所述机械振荡和把所述机械振荡转换成电接收信号，
-控制单元(12)，被实施为产生起源于所述接收信号的激励器信号并且设定所述激励器信号和所述接收信号之间的可预定的相移，
-可电磁振荡单元(7)，
-有源元件(13)，用于在所述可电磁振荡单元(7)中产生和/或维持电磁振荡，所述有源元件(13)与所述可电磁振荡单元(7)一起形成振荡器，
-耦合单元(14)，被实施为分接来自所述有源元件(13)的输出信号，以及
-评估单元(15)，所述评估单元(15)被实施为根据所述接收信号和/或所述输出信号确定至少一个过程变量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可机械振荡单元(4)是膜、单个杆或振荡叉。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述可机械振荡单元(4)由金属、陶瓷或合成材料制造。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述驱动/接收单元(5)包括至少一个压电元件(11)或至少一个线圈。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述可电磁振荡单元(7)被实施为波导，尤其是同轴电缆、中空导体或微带传输线，被实施为贴片天线，被实施为介电梯度导体或被实施为双线线路。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述至少一个过程变量是所述容器中的介质的料位或限位、粘度、密度、介电常数、磁导率、介电损耗因子、介质尤其是食物的蛋白含量和/或脂肪含量，或油中的水份额。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述可电磁振荡单元(7)布置在所述可机械振荡单元(4)的至少一个部分上或至少一个部分内或者与所述驱动/接收单元(5)一起布置、布置在所述驱动/接收单元(5)内或作为所述驱动/接收单元(5)的一部分布置。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，至少一个可机械振荡单元(4)是具有第一叉齿(4a)和第二叉齿(4b)的振荡叉的形式，并且至少一个可电磁振荡单元(7)设置有至少第一导电迹线(7a)和第二导电迹线(7a)。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个可电磁振荡单元(7)中的至少一个的第一导电迹线(7a)至少部分地布置在所述第一叉齿(4a)的内部，并且所述可电磁振荡单元(7)的第二导电迹线(7b)至少部分地布置在所述至少一个可机械振荡单元(4)的第二叉齿(4a)的内部。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个可电磁振荡单元(7)中的至少一个的第一导电迹线(7a)和第二导电迹线(7b)至少部分地布置在所述至少一个可机械振荡单元(4)的相同叉齿(4a、4b)的内部。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，至少一个可电磁振荡单元(7)的第一导电迹线(7a)和/或第二导电迹线(7b)布置在所述驱动/接收单元(5)的壳体(5a)内。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，设置了至少两个可电磁振荡单元(7、7')，并且其中所述至少两个可电磁振荡单元(7、7')被布置并且所述至少一个评估单元(15)被实施成使得根据至少第一可电磁振荡单元(7)的第一输出信号和第二可电磁振荡单元(7')的第二输出信号的比较确定在所述至少一个可机械振荡单元(4)上存在积垢。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，至少一个可电磁振荡单元(7)布置在所述驱动/接收单元(5)的壳体(5a)中，并且其中所述评估单元(15)被实施为根据所述可电磁振荡单元(7)的输出信号确定介质穿入到所述驱动/接收单元(5)的壳体(5a)内。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，存在用于记录介质的温度的温度传感器。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述可电磁振荡单元(7)以100MHz至100GHz范围内的频率振荡，和/或其中所述可机械振荡单元(4)以100Hz至100kHz范围内的频率振荡。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，设置了触发器单元(17)，所述触发器单元(17)被实施为在基于随时间而变的所述激励信号可确定的一定时间间隔至少触发所述输出信号的外耦合，尤其是在具有所述激励器信号的过零点或极值点的时间间隔。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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