CN109477750B - 用于确定和/或监测至少一个过程变量的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)，所述设备(1)包括：至少一个可振荡单元(3)，固定到所述膜(9)的至少三个杆(10a至10d)，壳体(8)，至少一个驱动/接收单元(6)，以及电子单元(7)，所述电子单元(7)被实施为根据所述接收的信号产生激励器信号，并且至少根据所述接收的信号确定所述至少一个过程变量。根据本发明，所述杆(10a至10d)中的至少一个基本上在所述膜(9)的所述底部区域(A)上的位置处固定到所述膜(9)，其中所述膜(9)根据所述底部区域(A)上的所述位置而从静止位置偏转的所述二阶导数基本上为零。

Description

用于确定和/或监测至少一个过程变量的设备

技术领域

本发明涉及用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的设备，并且包括至少一个驱动/接收单元，尤其是呈机电换能器单元的形式。所述过程变量是例如介质的料位或流速，或者甚至是其密度或黏度。所述介质位于例如容器、储罐或甚至管线中。

背景技术

在自动化技术中，各种各样的现场装置被应用于确定和/或监测至少一个过程变量，尤其是物理或化学过程变量。涉及例如料位测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、pH氧化还原电势测量装置、导电性测量装置等，所述装置记录对应的过程变量、料位、流量、压力、温度、pH值和导电性等。从大量出版物中已知相关联的测量原理。

现场装置通常包括：至少一个传感器单元，所述至少一个传感器单元至少部分和至少有时与过程接触；以及电子单元，所述电子单元用于例如信号记录、评估和/或馈送。原则上，靠近过程使用并且传送或处理过程相关信息的所有测量装置以及布置在现场级别上的远程I/O、无线电适配器和一般的电子部件在本发明的情况下被称作现场装置。申请人制造和出售了大量此种现场装置。

在若干对应现场装置中，使用了机电换能器单元。这种的一个示例是电子振动传感器，诸如电子振动料位或流量测量装置。它们也在超声波料位测量装置或流量测量装置中使用。访问具有机电换能器单元的每种类型的现场装置并且分别且详细地探索不同类型的基本原理将是多余的。因此，出于简化的目的，在参考特定现场装置的情况下，以下描述通过举例的方式限制为具有可振荡单元的料位测量装置。

这种料位测量装置的可振荡单元(也称作电子振动传感器)是例如振荡叉、单个尖齿或膜。可振荡单元在操作期间借助于通常呈机电换能器单元形式的驱动/接收单元被激励，以执行机械振荡。机电换能器单元可以是例如压电、电磁或甚至磁致伸缩驱动/接收单元。对应的现场装置由申请人制造，种类繁多，并且例如以商标LIQUIPHANT和SOLIPHANT出售。基础测量原理基本上是已知的。驱动/接收单元借助于电激励信号来激励机械可振荡单元，以执行机械振荡。相反，驱动/接收单元可以接收机械可振荡单元的机械振荡，并且将所述机械振荡转换成接收的电信号。驱动/接收单元可以是单独的驱动单元和单独的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。

为了激励机械可振荡单元，已开发出各种各样的方法，包括模拟方法和数字方法两者。在许多情况下，驱动/接收单元是反馈、电、振荡电路的一部分，借助于该部分发生机械可振荡单元的用于执行机械振荡的激励。例如，对于共振，必须满足振荡电路条件，根据该条件放大系数≥1并且振荡电路中产生的所有相位必须总和为360°的倍数。这导致必须确保激励器信号与接收信号之间的某个相移。为此，各种各样的解决方案是已知的。原则上，可以例如通过应用合适的滤波器执行所述相移的设置，或者甚至借助于控制回路使相移控制到可预定的相移、期望的值。从DE102006034105A1已知的是例如使用可调谐移相器。相反，在DE102007013557A1中描述了放大器与可调谐放大系数的额外集成，用于另外控制振荡幅度。DE102005015547A1提供全通滤波器的应用。此外，相移的设置可以借助于涉及诸如DE102009026685A1、DE102009028022A1和DE102010030982A1中所公开的扫频的方法。然而，也可以借助于相位控制回路(锁相回路，PLL)使相移控制到可预定的值。这种激励方法是DE102010030982A1的主题。

激励器信号以及接收的信号二者的特征在于频率、振幅和/或相位。然后将这些变量的改变纳入考虑，以便确定特定过程变量，诸如容器中的介质的预定料位或甚至是介质的密度和/或黏度。例如，在用于液体的电子振动限位开关的情况下，相关的是可振荡单元是否被液体覆盖或自由振荡。在这种情况下，基于不同的共振频率因此频率偏移或者基于振荡幅度的阻尼而区分自由状态和覆盖状态这两种状态。

反过来，当可振荡单元被介质覆盖时，密度和/或黏度可以仅利用这种测量装置来加以确定。从DE10050299A1、DE102006033819A1和DE102007043811A1已知的是基于频率相位曲线(Φ＝g(f))而确定介质的黏度。该过程是基于介质的粘度对可振荡单元的阻尼的依赖性。为了消除密度对测量的影响，黏度是基于由针对相位的两个不同的值引起的频率改变，因此是借助于相对测量而确定的。相反，为了确定和/或监测介质的密度，根据DE10057974A1，例如黏度的至少一个干扰变量对机械可振荡单元的振荡频率的影响得到确定和补偿。在DE102006033819A1中，还另外教导了在激励器信号与接收信号之间设置可预定的相移，在此情况下，介质粘度的改变对机械可振荡单元的机械振荡的影响是可忽略的。在该相移下，可以创建用于确定密度的经验公式。

如已经提及的驱动/接收单元通常被实施为机电换能器单元。通常来说，在各种各样的实施例中，其包括至少一个压电元件。通过使用压电效应，可以实现高效率。在这种情况下，效率是指将电能转换成机械能的效率。基于LZT(锆钛酸铅)的对应压电材料通常适合于在至多300℃下使用。存在在高于300℃的温度下保持其压电性质的压电材料；然而，这些材料的缺点在于它们的效率明显低于基于LZT的材料。此外，对于在电子振动传感器中的使用，因为金属和陶瓷材料的热膨胀系数差异大，所以这些高温材料仅有条件地适用。因为它们作为力提供者起作用，所以至少一个压电元件必须通过力传输连接与膜(它是可振荡单元的一部分)加以连接。然而，尤其是在高温的情况下，常常会出现大的机械应力，这可能会导致压电元件破裂和与其相关联的传感器完全失效。

可以更适合于在高温下使用的替换方案由所谓的电磁驱动/接收单元提供，例如文献WO 2007/113011和WO 2007/114950 A1中所描述的。电能改变成机械能在这种情况下经由磁场发生。对应的机电换能器单元包括至少一个线圈和永磁体。借助于线圈，产生穿过磁体的交变磁场，并且经由磁体使周期性力传递到可振荡单元。通常来说，这种周期性力的传递与螺线管的原理类似地发生，所述螺线管位于膜的中心。以这种方式，驱动/接收单元适用于在﹣200℃与500℃之间的温度范围。然而，通常来说，没有在膜与驱动/接收单元之间的力传输连接，以使得与压电驱动/接收单元相比，现场装置的效率降低。

除了应用的驱动/接收单元以外，通常集成到现场装置中作为电子单元的一部分的不同电子部件也限制了可以应用特定现场装置的最大过程温度。为了将这种温度敏感的电子部件与过程分离，已确立的方法提供了在现场装置的结构中集成所谓的温度间隔管。例如，涉及一种管，所述管是现场装置的壳体的一部分，并且由一种以高热绝缘为特征的材料制成。就这一点而言，参考了例如EP2520892A1，其中以这样的方式描述了测量装置的壳体的一部分的体现，使得在过程连接的环境与电子单元之间存在温度差的情况下，到电子单元的较低热流平行于壳体的纵向轴线发生。

为了确保驱动/接收单元与过程的尽可能有效的温度分离，从尚未公开的德国专利申请No.102015104536.2中已知一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的设备，在这种情况下，驱动/接收单元在空间上与过程分隔。该德国专利申请在下面通过引用并入本文。

发明内容

从上述现有技术出发，本发明的目的是提供一种具有机电换能器单元的现场装置，所述现场装置与现有技术相比特征在于具有提高的效率。

本发明的该目的通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量的设备来实现，所述设备包括：

可振荡单元，所述可振荡单元具有能够被致使执行机械振荡的至少一个膜，

至少三个杆，所述至少三个杆固定到膜并且垂直地向膜的底部区域延伸，

壳体，其中所述膜形成壳体的壁的至少一部分，并且其中所述杆延伸到壳体内部中，

至少一个驱动/接收单元，所述至少一个驱动/接收单元布置在所述杆的膜远端区域中，所述驱动/接收单元被实施为借助于电激励信号以及借助于所述杆来激励可振荡单元以执行机械振荡并且接收可振荡单元的机械振荡，并且将其转换成电的接收的信号，以及

电子单元，所述电子单元被实施为根据接收的信号产生激励器信号，并且至少根据接收的信号确定至少一个过程变量。

所述壳体以及所述杆用于将驱动/接收单元在空间上与过程分隔。以这种方式，本发明的设备最适合于在扩展的温度范围内使用，尤其是在高温下使用。所述杆与膜的直接尤其是力传输连接确保从驱动/接收单元到可振荡单元的高效力传递，尽管有空间分隔。尽管如此，本发明的设备的结构构造相对简单。

驱动/接收单元，尤其是机电换能器单元，可以是单独的驱动单元和单独的接收单元二者，或者是组合的驱动/接收单元。所述单元可以例如至少固定到两个杆，其中所述固定尤其涉及力传输连接。或者，然而其也可以以不接触两个杆的方式布置在壳体内。

优选地，驱动/接收单元被实施为致使所述杆执行机械振荡，其中所述杆固定到膜，使得膜的振荡由杆的振荡造成。因此，波按照由驱动/接收单元所预定的波长λ沿所述杆传播。就这一点而言，借助于驱动/接收单元按照正确频率将杆压开并拉到一起。所述杆相应地作为机械共振器起作用。因为所述杆与膜连接，尤其是以传输力的方式连接，因此还致使可振荡单元来执行机械振荡。相反地，驱动/接收单元接收波，所述波从可振荡单元开始沿所述两个杆传播，并且从中生成电接收的信号。

根据本发明，所述杆中的至少一个基本上在所述膜的底部区域上的位置处固定到膜，其中根据底部区域上的位置的膜从静止位置偏转的二阶导数基本上为零。其中在所述膜的底部区域上何处膜从静止位置偏转的二阶导数基本上为零，除其他之外，取决于膜的振荡模式。

因此，所述杆中的至少一个基本上固定在根据膜的位置从静止位置偏转的转折点的区域中。在这种情况下，涉及所述区域，在膜相对于与膜的底部区域平行的平面因此相对于静止位置具有最大振荡幅度时，所述区域最弯曲。在这种情况下，膜的静止位置是以下位置：其中没有产生的力作用在膜上，其中因此膜不会弯曲，而是基本上是平面的。

因为根据本发明的杆的定位，实现了所述杆的振荡移动到所述膜的尤其高效的传递。因此，所述设备具有尤其高的效率。尽管如此，本发明的机电换能器单元的结构构造相对简单。此外，与等效设备相比，操作本发明的设备所需要的能量被有利地最小化。

在本发明的设备的优选实施例中，所述杆的长度L，相对于沿着所述杆传播的波的波长，等于L＝nλ/2+λ/4，其中n是自然数。因此，对应于期望的激励频率以及关于需要的温度分离，对所述杆的长度进行了适应。

在另一优选实施例中，本发明的设备包括至少一个固定元件，借助于所述至少一个固定元件使所述至少三个杆中的至少两个在膜远端区域中彼此机械地耦合。为此，所述杆和所述固定元件例如借助于力传输连接彼此连接。因此，所述杆借助于膜并且还借助于固定元件彼此耦合。如在不具有固定元件的实施例的情况下，借助于驱动/接收单元将杆压开或按照正确频率拉到一起，以使得波沿着杆传播并且致使可振荡单元执行机械振荡。根据本发明，独立于杆的数量，单个固定元件可以应用于所有杆。或者，杆的总数中的个别部分也可以设置有不同的固定元件。后一种变形对于并非所有杆都具有相同长度的情况尤其有利。

在本发明的设备的实施例中，对激励信号的频率和/或杆的长度L进行选择，以使得杆的振荡引起驻波沿所述杆传播。根据本发明的设备的效率，驻波沿所述杆的传播尤其有利。

在这种情况下，尤其有利的是，杆的长度L，相对于沿着所述两个杆传播的波的波长，等于L＝nλ/2，其中n是自然数。因此，对应于驻波可以传播的期望的激励频率以及关于需要的温度分离，对所述杆的长度进行了调整。

尤其适合于本发明的具有固定元件的设备的实施例的是包括至少一个压电元件的驱动/接收单元。

尤其优选的实施例规定，所述杆和/或壳体由提供良好热绝缘的材料制造而成。这增加了热绝缘的程度。因此，壳体不只用于起保护其中所容纳的部件(诸如杆)的作用。相反，壳体还充当温度间隔管。那么，电子单元可以容纳在温度间隔管的过程远端区域中，或者壳体包括特殊区域，电子单元布置在所述特殊区域内。此外，过程连接固定到尤其充当温度间隔管的壳体的部分。在这种情况下，过程连接沿壳体的确切位置是由特定安装要求引起的。

有利地，过程变量是容器中的介质的料位或流速，或者是介质的密度或黏度。为了确定过程变量密度和/或黏度，另外有利的是，使可振荡单元布置在容器内的限定位置处，以使得所述可振荡单元延伸到介质中的可确定穿透深度。

另一方面，可振荡单元可以是膜振荡器。另一方面，实施例规定使至少一个振荡尖齿固定到可振荡单元的膜。那么，可振荡单元是单个尖齿，在例如两个振荡尖齿的情况下，可振荡单元是振荡叉。

在优选实施例中，驱动/接收单元包括至少一个压电元件。因此，存在压电换能器单元，诸如堆叠或双晶片驱动器。或者，驱动/接收单元可以是具有至少一个线圈和磁体的电磁驱动器。另外，磁致伸缩驱动/接收单元也是选择。因为空间分隔，应用的驱动/接收单元不必满足关于温度敏感性的任何特殊条件。相反，可以相对于其向杆传递力的效率使其优化。在压电驱动/接收单元的情况下，这可以例如与杆直接连接，其中所述杆中的至少两个反过来优选地借助于固定元件连接。然而，在电磁驱动/接收单元的情况下，所述杆尤其是可以例如固定在所述杆上的磁体，不应接触线圈。在这种情况下，根据具体实施例，固定元件是不必要的。

本发明的设备的实施例规定，所述杆中的至少一个基本上在围绕膜的底部区域的中点延伸的环行线上连接到膜。该选择对于在基本振荡模式下的膜振荡尤其有利，在这种情况下，膜的中点经历最大偏转。然而，该实施例还适合于较高振荡模式，在这种情况下，膜的中点经历最大偏转。对于较高振荡模式，在这种情况下，节点线越来越多地出现在膜的底部区域上。

本发明的实施例规定，杆的数量是偶数，其中使所述杆沿着围绕膜的中点的环形线对称地布置。

或者，杆的数量是奇数，其中使所述杆沿着围绕膜的中点的环形线以相等的角度布置。

根据选定驱动/接收单元的实施例，当所述杆中的每个与驱动/接收单元具有基本上相同的分隔时可能是有利的。

在本发明的优选实施例中，可振荡单元是具有两个尖齿的振荡叉，其中所述设备具有四个杆，并且其中所述四个杆中被固定到膜的两个以及被固定到膜的两个振荡尖齿被布置成相对于垂直于穿过杆和/或振荡尖齿的纵向轴线的平面彼此镜像对称地相对地搁置。在每个情况下，振荡尖齿和杆因此基本上沿着与其两个纵向轴线平行的同一个假想线延伸。特别地，对这两个杆和振荡尖齿进行布置，以使得它们位于与垂直于所述杆和振荡尖齿的纵向轴线的膜的底部区域的中点的相同距离。在电子振动传感器具有作为可振荡单元的振荡叉的情况下，该对称布置实现了尤其高的效率。

振荡尖齿、换能器杆和膜形成耦合的振荡***，其中所述耦合由膜确定。针对以振荡叉形式的可振荡单元的示例，例如，两个振荡尖齿和膜形成第一机械共振器，与振荡尖齿相反地搁置的两个杆与膜形成第二共振器，并且两个其它杆与膜形成第三共振器。优选地选择激励信号的频率，以使得第一共振器和第二共振器以相对于穿过垂直于换能器杆和/或振荡尖齿的纵向轴线的膜的平面的反对称振荡模式振荡。原则上，在由三个共振器形成的振荡***中，基本上出现三个共振频率。这结合图5更加详细地进行描述。

同样地，本发明的替换优选实施例规定，可振荡单元是具有两个尖齿的振荡叉。然而，设备具有三个杆，其中所述三个杆布置在围绕膜的中点M布置的等角三角形的转角点处，以这种方式，三个换能器杆中的两个之间的连接线平行于两个振荡尖齿之间的连接线延伸。

将换能器杆中的至少一个布置在膜的区域中提供尤其高的效率以便将振荡从换能器杆传递到膜，在给定情况下，传递到固定至膜的至少一个振荡尖齿，所述区域在振荡移动期间经历尤其大的弯曲。在这种情况下，效率基本上根据所使用的换能器杆的数量而提高。然而，杆的数量的最大化，除其他之外，尤其受到设备壳体内可用空间的限制。应当注意，特别是通过调整杆的长度和/或刚度，可以影响振荡运动的频率。

附图说明

现在将基于附图更详细地描述本发明及其有利实施例，附图示出如下：

图1是现有技术电子振动传感器的示意图，

图2是本发明的具有呈振荡叉形式的可振荡单元的设备，所述设备(图2a)不具有固定元件但具有四个杆，以及(图2b)具有固定元件且具有三个杆，

图3是本发明的具有呈膜形式的可振荡单元以及(图3a)四个杆和(图3b)三个杆的设备的膜的底部区域上的杆的示意性布置，

图4是(图4a)有关图2a的电子振动料位测量装置的膜的曲率线，以及在(图4b)四个杆和(图4c)三个杆的情况下膜的底部区域上的杆的优选布置，并且

图5是具有呈振荡叉形式的可振荡单元和四个杆的电子振动传感器的频谱。

具体实施方式

图1示出电子振动料位测量装置1。具有呈现振荡叉形式的机械可振荡单元3的传感器单元2部分突出到介质4中，所述介质4位于容器5中。可振荡单元3借助于通常是机电换能器单元的驱动/接收单元6而被激励，以执行机械振荡。激励/接收单元6可以是例如压电堆叠或双晶片驱动器，然而也可以是电磁或甚至磁致伸缩驱动/接收单元。然而，应当理解，电子振动料位测量装置的其它实施例也是可能的。还提供电子单元7，信号记录、评估和/或馈送借助于所述电子单元7发生。

图2a示意性地示出本发明的设备1的第一实施例。在壳体8的底壁中，安装了膜9。在该位置处，壳体8因此用膜9封闭。壳体8因此是圆柱形的，并且膜9是圆盘形状的，具有圆形的底部区域A。然而，应当理解，其它几何形状也是选择，并且落入本发明的范围内。布置成固定到垂直于其底部区域A的膜9并且向内延伸到壳体8的内部中的是四个杆10a、10b、10c、10d(杆10d在所示出的视图中不可见)。在这种情况下，固定尤其是经由力传输连接。膜9的底部区域A搁置在垂直于四个杆10a至10d的纵向方向的平面上。

布置在杆10a至10d的膜9远端区域中的是驱动/接收单元6。另一方面，所述驱动/接收单元6可以至少固定到杆10a至10d中的一个。然而，在此处所示出的示例中，驱动/接收单元6布置在壳体8内，以使得其不接触杆10a至10d。驱动/接收单元6是机电换能器单元，尤其是具有至少一个压电单元的压电换能器单元，或者是电磁换能器单元。

在图2a中示出的示例中，壳体由两个部分8a、8b组成。第一部分8a至少围绕杆10a至10d和驱动/接收单元6，并且充当温度间隔管。该温度间隔管的长度与杆10a至10d的长度基本上匹配。在第二部分8b中，布置有电子单元7。两个部分8a、8b以传输力的方式彼此连接和被实施为使得信号传导电缆等可以从传感器单元2通向电子单元7。两个部分8a、8b之间的连接可以是例如焊接、粘合、锡焊或钎焊连接。当然，壳体8也可以包括多个部分，或者甚至制造成一件。在壳体8的第一部分8a的中间区域中，还定位有过程连接12，并且所述过程连接12与壳体8固定地连接。在这里，所述连接同样可以是例如焊接、粘合、锡焊或钎焊连接。在每个情况下，基于个别安装情形而确定过程连接的确切位置。

在正在进行的操作中，驱动/接收单元6被供应有呈交流电流或交流电压信号形式的激励器信号，以使得驱动/接收单元6和杆10a至10d在膜9远端区域中以正确频率分开和/或一起移动，以使得致使杆10a至10d振荡。因此，波沿着杆10a至10d传播，这由于杠杆效应引起可振荡单元3的振荡移动，因此在这种情况下引起膜9的振荡移动。在这种情况下，通过将有关温度分离的要求纳入考虑，使杆10a至10d的长度和激励信号的频率彼此匹配。根据激励信号的频率和杆10a至10d的长度的选择，优选地出现驻波，所述驻波引起关于力传递到膜9的尤其高的效率。

另一方面，驱动/接收单元接收尤其是驻波的波的振幅，所述波从可振荡单元3沿着杆10a至10d传播，并且将这些波转换成接收的电信号。在这种情况下，杆10a至10d与膜9一起形成机械共振器。

诸如图2b中所示，基于本发明的具有三个杆10a至10c的设备，以及当然对于具有四个杆10a至10d的情况，可选地固定到膜9的壳体8远侧的可以是两个振荡尖齿13a、13b，所述两个振荡尖齿13a、13b以传输力的方式与膜9连接。那么，可振荡单元3是振荡叉。然而，应当理解，可振荡单元3也可以是例如单个尖齿。

图2b中示出了本发明的设备1的与图2a中所示出的实施例非常类似的替换实施例。然而，与图2a的实施例相比，图2b的设备1具有仅三个杆10a至10c。除了结合图2a所描述的部件外，另外在图2b中，固定元件11也存在于杆10a至10c的膜9远端区域中。固定元件11可以是例如圆盘形状的，并且具有圆形横截面面积，或者具有与膜9的底部区域大体上相同的底部区域A'。也可以提供不止一个固定元件11，其中在每种情况下，一个固定元件11连接杆10a至10c中的至少两个。驱动/接收单元6被布置成直接邻近固定元件11，位于固定元件11的面向膜9的一侧上。然而，应当注意，其他布置也是可能的。在该示例中，驱动/接收单元6尤其至少固定到杆10a至10c，尤其是以传输力的方式固定。因此，杆10a至10c经由膜9在其端部区域中的一个中彼此耦合，并且经由固定元件11在第二端部区域中彼此耦合。在这种实施例的情况下，驱动/接收单元6优选地包括至少一个压电元件。

根据本发明，杆10a至10d中的至少一个基本上固定在膜9上，固定在膜9的底部区域上的位置处，其中膜9根据底部区域A上的位置而从静止位置偏转的二阶导数基本上为零。在圆形膜9具有以基本振荡模式执行振荡的底部区域A的情况下，该区域基本上由围绕膜的中点M延伸的环行线14限定，如图3a和图3b中所示。在较高振荡模式的情况下，节点线越来越多地形成在膜9上，以使得根据振荡模式，有若干区域可以存在于膜9的底部区域A上，其中偏转的二阶导数基本上为零。

对于具有不同数量的杆10a至10d，杆10a至10d在具有圆形底部区域A的膜9的底部区域上的优选定位在图3中示出。在图3的实施例的示例中，每个用圆圈指示的四个杆10a至10d布置在环形线14的区域中，以使得在每种情况下，两个杆10a和10b以及10c和10d彼此相对地搁置。对于三个杆10a至10c的情况，如图3b所示，相反，所述杆优选地沿环形线的圆周以相等的角度布置。

在呈膜9形式的可振荡单元的情况下，本发明的设备1是机械共振器。相反，在至少一个振荡尖齿13a、13b与可振荡单元3相关联以使得尤其存在单个尖齿或振荡叉的情况下，形成了耦合的共振器***，所述共振器***发生若干振荡模式和共振频率。针对本发明的具有四个杆10a至10d而不具有固定元件11和呈振荡叉形式的可振荡单元3的设备1的示例，例如可振荡单元3的两个振荡尖齿13a、13b与膜9形成第一机械共振器，而两对杆10a、10b和10c、10d与膜9分别形成第二机械共振器和第三机械共振器。所有三个共振器经由膜9彼此机械地耦合，其中经由膜9的实施例可调整所述耦合。例如，可以经由膜9的壁厚或材料来影响耦合，然而也可以通过与振荡尖齿13a、13b或杆10a至10d的特定连接来影响所述耦合。下面基于图4和图5来解释这些振荡模式的发生。

可以最容易解释由于存在至少一个振荡尖齿13a、13b而改变的振荡行为，例如基于呈振荡叉形式的可振荡单元3。这例如从膜9的从其中点M到其沿着图4a中所示出的两条线m和n的边缘的曲率线是显而易见的，其中线m平行于膜9的底部区域A上穿过两个振荡尖齿13a和13b的假想连接线延伸，而线n垂直于线m。两个振荡尖齿13a、13b在这里由两个x来指示。与图3的实施例相比，沿着线n和线m的曲率线不再是对称的。这尤其会因为膜9沿着两个线m和n的刚度彼此不同而发生。因此，膜9的底部区域A上的位置不再由环形线14而是由椭圆23给出，在所述位置处膜9从其静止位置偏转的二阶导数基本上等于零。

为了尽可能有效地将能量从杆10a至10d传递到膜9，相应地有利的是沿着围绕膜9的底部区域A的中点M延伸的椭圆23布置杆10a至10d。然后，所有杆10a至10d因此将被布置在膜9的最大曲率的区域中，其中杆10a至10d各自在固定到膜9的区域中经历最大偏转。另外，有利的是，杆10a至10d中的每个与垂直于膜的底部区域A延伸的穿过膜9的底部区域A的中点M的轴线的分隔基本上相同，以便使杆10a至10d一致地移位以便振荡。例如，如果期望最佳折中这两个要求，可以推荐图4b和图4c中示出的有关具有三个杆和四个杆10a至10d的设备的情况的优选布置。

在三个杆10a至10c的情况下，这些杆布置在围绕膜9的中点M延伸的等角三角形的转角点中，如图4b中所示。三个杆10a至10c中的两个10a、10b之间的连接线与两个线13a、13b之间的连接线平行延伸。对于图4b的实施例，两个杆10a、10b另外还布置在膜9的底部区域A上的位置处，所述位置在振荡移动期间经历最大的曲率，其中所述膜9从静止位置偏转的二阶导数基本上为零。或者，同样可选择的是，三个杆10a至10c中仅一个布置在膜9的底部区域A上的位置处，其中膜9的偏转的二阶导数基本上为零。然后，优选的是，三个杆10a至10c中的另外两个之间的连接线平行于两个线13a、13b之间的连接线延伸。

如根据图4c显而易见的是，在四个杆10a至10d的情况下，杆10a至10d相反与图3中所示出的呈膜9的形式的可振荡单元情况类似，优选地沿着围绕膜9的底部区域A的中点M的环形线布置，以使得在每种情况下，四个杆10a至10d中的两个跨膜9的底部区域A的中点M彼此相对地搁置。与图3的实施例相比，这具有以下结果：在该示例中，四个杆10a至10d中的仅两个布置在膜9的底部区域A上的位置处，其中偏转的二阶导数基本上为零，因为这些位置由椭圆23描述。

优选地，两个振荡尖齿13a、13b和四个杆10a至10d中的两个杆10a、10b固定在膜9上，以使得在每种情况下，由一个杆和一个振荡尖齿形成的一对，即在一种情况下10a和13a，在另一种情况下10b和13b，沿着所述一对所共用的并且垂直于穿过膜9的底部区域A延伸的纵向轴线延伸。在这种情况下，两个纵向轴线在与区域A的中点相同的距离处与平行于膜9的平面相交。该对称布置关于相对于设备的效率尤其有利。

在呈振荡叉形式的可振荡单元3的情况下(以及甚至在单个尖齿的情况下)发生的耦合的共振器***与在尚未公布的德国专利申请No.102015104536.2中所描述的***类似地起作用。为方便起见，下面基于图5解释这种耦合的共振器***，用于具有四个杆10a至10d的机电换能器单元的情况，如图4c中所示。对于具有非偶数数量的杆的情况，尤其是在三个杆10a至10c的情况下，类似的考虑成立。然而，应当注意，与具有偶数数量的杆10a至10d的布置相比较，尤其由于所述布置的相应对称性，可以发生相对更复杂的振荡模式。

在具有四个杆10a至10d和呈振荡叉形式的可振荡单元3的耦合的共振器***中，发生三个共振频率，其中一个属于反对称的振荡模式，且两个属于对称振荡模式，诸如根据图5中的频谱所显而易见的，其中介质是空气。在该具有约864Hz的频谱的示例的情况下，存在反对称振荡模式f1，而在1050Hz和1135Hz下存在两个对称振荡模式f2和f3。在具有频率f1的反对称、振荡模式的情况下，当两个振荡尖齿13a、13b在膜9远端区域中远离彼此移动时，杆10a至10d在膜9远端区域朝向彼此移动。该振荡模式对应于振荡叉3的自然振荡移动，例如应用在LIQUIPHANT或SOLIPHANT仪器中的振荡叉3。相反，当杆10a至10d在膜9远端区域中朝向彼此移动时，对称振荡模式使两个振荡尖齿13a、13b在膜9远端区域中同样朝向彼此移动。对于具有共振频率f2和f3的对称振荡模式，在每种情况下，两个杆对10a和10b以及10c和10d中的一个的振荡幅度略大于另一杆对的振荡幅度。然而，在个别振荡模式f1至f3的共振频率相对于彼此足够靠近的情况下，这是无关紧要的，并且杆10a至10d和振荡尖齿13a、13b基本上以相等的幅度振荡。

总之，本发明的设备最适合于在扩展的温度范围内使用，尤其是在高温下使用。在这种情况下，可允许的最大过程温度基本上仅由可振荡单元3的材料性质以及由壳体8的长度和材料尤其是温度间隔管确定。在这种情况下，杆10a至10d和壳体8的长度可以按照驻波的多个半波长延长，并且在每种情况下与现有的温度要求相匹配。在这种情况下，不存在驱动/接收单元6必须满足的特殊温度要求。

参考字符列表

1 电子振动传感器

2 传感器单元

3 可振荡单元

4 介质

5 容器

6 驱动/接收单元

7 电子单元

8 壳体

8a,8b 壳体的第一部分和第二部分

9 膜

10a,10b 杆

11 固定元件

12 过程连接

13a,13b 可振荡单元的振荡尖齿

14 环形线

23 椭圆

f1 第一共振器的频率

f2 第二共振器的频率

f3 第三共振器的频率

A 膜的底部区域

M 膜的底部区域的中点

L 杆的长度

λ 沿杆传播的波的波长

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监测容器(5)中的介质(4)的至少一个过程变量的设备(1)，所述设备(1)包括：

可振荡单元(3)，所述可振荡单元(3)具有能够被致使执行机械振荡的至少一个膜(9)，

至少三个杆，所述杆以传输力的方式固定到所述膜(9)并且垂直地向所述膜(9)的底部区域延伸，

壳体(8)，其中所述膜(9)形成所述壳体(8)的壁的至少一部分，并且其中所述杆延伸到所述壳体内部中，

至少一个驱动/接收单元(6)，所述驱动/接收单元(6)布置在所述杆的所述膜(9)远端区域中，所述驱动/接收单元(6)被实施为借助于电激励信号以及借助于所述杆来激励所述可振荡单元(3)以执行机械振荡并且接收所述可振荡单元(3)的所述机械振荡，并且将其转换成电的接收的信号，

其中，所述驱动/接收单元被实施为通过按照正确频率将所述杆压开并拉到一起而致使所述杆执行机械振荡，其中所述杆固定到所述膜，使得所述膜的振荡由所述杆的振荡造成，以及

电子单元(7)，所述电子单元(7)被实施为根据所述接收的信号产生激励器信号，并且至少根据所述接收的信号确定所述至少一个过程变量，

其特征在于

所述杆中的至少一个基本上在所述膜(9)的所述底部区域(A)上的位置处固定到所述膜(9)，

其中所述膜(9)根据所述底部区域(A)上的所述位置而从静止位置偏转的二阶导数基本上为零，在这种情况下，所述膜的静止位置是以下位置：其中没有产生的力作用在膜上，其中因此所述膜不会弯曲，而是基本上是平面的。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中所述杆的长度L，相对于沿所述杆传播的波的波长λ，等于L＝nλ/2+λ/4，其中n是自然数。

3.根据权利要求2所述的设备，

还包括至少一个固定元件(11)，借助于所述固定元件(11)使所述至少三个杆中的至少两个在所述膜(9)远端区域中彼此机械地耦合。

4.根据权利要求3所述的设备，

其中对所述激励信号的频率和/或所述杆的所述长度L进行选择，以使得所述杆的振荡引起驻波沿所述杆传播。

5.根据权利要求3所述的设备，

其中所述杆的所述长度L，相对于沿着所述两个杆传播的所述波的所述波长λ，等于L＝nλ/2，其中n是自然数。

6.根据权利要求1或2所述的设备，

其中所述杆和/或所述壳体(8)由提供良好热绝缘的材料制造而成。

7.根据权利要求1或2所述的设备，

其中所述过程变量是所述容器(5)中的所述介质(4)的预定料位或流速，或者是所述介质(4)的密度或黏度。

8.根据权利要求1或2所述的设备，

其中至少一个振荡尖齿(13a、13b)被固定到所述可振荡单元(3)的所述膜(9)。

9.根据权利要求1或2所述的设备，

其中所述驱动/接收单元(6)包括至少一个压电元件，或者其中所述驱动/接收单元(6)包括具有至少一个线圈和磁体的电磁驱动器。

10.根据权利要求1或2所述的设备，

其中所述杆中的至少一个基本上在围绕所述膜(9)的所述底部区域(A)的中点(M)延伸的环形 线(14)上连接到所述膜(9)。

11.根据权利要求10所述的设备，

其中所述杆的数量是偶数，其中使所述杆沿着围绕所述膜(9)的所述中点(M)的所述环形线(14)对称地布置。

12.根据权利要求10所述的设备，

其中所述杆的数量是奇数，其中使所述杆沿着围绕所述膜(9)的所述中点(M)的所述环形线(14)以相等的角度布置。

13.根据权利要求1或2所述的设备，

其中所述可振荡单元(3)是具有两个振荡尖齿(13a、13b)的振荡叉，其中所述设备(1)具有四个杆，并且其中所述四个杆中被固定到所述膜(9)的两个以及被固定到所述膜(9)的所述两个振荡尖齿(13a、13b)被布置成关于垂直于穿过所述杆和/或振荡尖齿(13a、13b)的纵向轴线的平面彼此镜像对称地相对地搁置。

14.根据权利要求10所述的设备，

其中所述可振荡单元(3)是具有两个振荡尖齿(13a、13b)的振荡叉，其中所述设备(1)具有三个杆，并且其中所述三个杆布置在围绕所述膜(9)的所述中点(M)延伸的等角三角形的转角点处，以这种方式，所述三个杆中的两个之间的连接线平行于所述两个振荡尖齿(13a、13b)之间的连接线延伸。

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