CN118076864A - 用于振动传感器的解耦单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)的解耦单元(13)以及具有根据本发明的解耦单元(13)的对应设备(1)，解耦单元(13)包括具有能够机械振荡的单元(4)和驱动/接收单元(5)的传感器单元(2)，该驱动/接收单元(5)被配置为通过电激励信号(A)激励能够机械振荡的单元(4)以进行机械振荡并接收能够机械振荡的单元的机械振荡并将机械振荡转换成第一电接收信号(E_A)。解耦单元(13)包括管状主体(14)，其中管状主体(14)的第一端部区域(E₁)被配置用于连接到设备(1)的传感器单元(2)，并且管状主体(14)的第二端部区域(E₂)被配置用于连接到设备(1)的另一部件，特别是设备(1)的电子***(6)的壳体或延伸元件，并且其中管状主体(14)的壁厚(w)沿着管状主体(14)的纵向轴线(A)是可变的。

Description

用于振动传感器的解耦单元

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备的解耦单元，包括具有机械可振动单元和驱动/接收单元的传感器单元，以及一种具有根据本发明的解耦单元的设备。介质位于容器中，例如在贮存器中或在管道中。

背景技术

振动传感器通常用于过程和/或自动化工程。在填充液位测量设备的情况下，它们具有至少一个机械可振动的单元，诸如例如振动叉、单个杆或隔膜。在操作中，这通过通常是机电换能器单元的形式的驱动/接收单元被激励以产生机械振动，该驱动/接收单元又可以是例如压电驱动器或电磁驱动器。各种对应的现场设备由申请人以例如名称LIQUIPHANT或SOLIPHANT生产并且分发。基础测量原理原则上从许多出版物中已知。驱动/接收单元通过电激励信号激励机械可振动单元以引起机械振动。相反，驱动/接收单元可以接收机械可振动单元的机械振动并将其转换成电接收信号。因此，驱动/接收单元是单独的驱动单元和单独的接收单元或组合驱动/接收单元。

在许多实例中，驱动/接收单元因此是电谐振反馈电路的一部分，通过该电谐振反馈电路发生机械可振动单元的激励以产生机械振动。例如，根据其放大因子≥1的谐振电路条件，并且谐振电路中出现的所有相位导致谐振振动必须满足360°的倍数。为了激励和满足谐振电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的限定相移。因此，通常设置相移的预定值，因此设置激励信号和接收信号之间的相移的设定点。为此目的，如例如在文献DE102006034105A1、DE102007013557A1、DE102005015547A1、DE102009026685A1、DE102009028022A1、DE102010030982A1、或DE00102010030982A1中描述的，从现有技术已经知道模拟和数字方法两者的各种解决方案。

激励信号和接收信号两者的特征在于其频率ω、振幅A和/或相位Φ。因此，这些变量的改变通常用于确定相应的过程变量。过程变量可以例如是填充水平、指定填充水平、或介质的密度或粘度、以及流率。例如，给定用于液体的振动水平开关，在可振动单元是被液体覆盖还是自由振动之间进行区分。这两个条件，自由条件和覆盖条件，例如基于不同的谐振频率，即基于频移被区分。

如果可振动单元完全被介质覆盖，则密度和/或粘度又只能用这样的测量设备确定。结合密度和/或粘度的确定，不同的可能性同样从诸如在文献DE10050299A1、DE102007043811A1、DE10057974A1、DE102006033819A1、DE102015102834A1、或者DE102016112743A1中公开的那些的现有技术中变得已知。

从文献DE102012100728A1或DE102017130527A1中已知各种振动传感器，其中压电元件至少部分地布置在可振动单元内。用这样的和类似的布置，多个过程变量可以有利地用单个传感器来确定，并且用于表征不同的过程，如例如从文献WO2020/094266A1、DE102019116150A1、DE102019116151A1、DE02019116152A1、DE102019110821A1、DE102020105214A1、或者DE102020116278A1已知的。

在振动传感器中，原则上，可振动单元被激励成机械振动，该机械振动又受到各种介质的特性的影响。为了高测量精度，因此需要尽可能地将机械振动***与外干扰解耦。相反，必须减少或消除由可振动单元的振动运动引起的力，特别是由于缺乏完美的对称性，并且该力可以例如作用在对应的容器上或布置在其上的过程连接器上，以便防止损坏。这样的来自振动***的能量流出也导致振动行为的改变。

发明内容

因此，本发明所基于的目的是提高振动传感器的测量精度。

该目的通过根据权利要求1的解耦单元和通过根据权利要求8的设备实现。

关于解耦单元，本发明所基于的目的是通过用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备的解耦单元来实现的，该解耦单元包括传感器单元，该传感器单元具有机械可振动单元和驱动/接收单元，该驱动/接收单元被配置为通过电激励信号激励机械可振动单元以进行机械振动，并且接收机械可振动单元的机械振动并将机械振动转换成电接收信号。根据本发明，解耦单元包括管状主体，其中管状主体的第一端部区域被配置用于连接到设备的传感器单元，并且管状主体的第二端部区域被配置用于连接到设备的另一部件，特别是设备的电子***的壳体或延伸元件，并且其中管状主体的壁厚沿着管状主体的纵向轴线是可变的。

解耦单元用于振动传感器的机械振动解耦。通过解耦单元，可以在每种情况下防止能量从使用的振动传感器的振动***流出到过程连接器或容器。从振动传感器的振动***流出的能量由解耦单元直接耗散。从振动***流出的能量例如由可振动单元的区域中的小不对称性——特别是由于制造过程——导致。在可振动单元是具有两个振动杆的振动叉的情况下，两个振动杆相对于一个或相对于它们相对于彼此的布置的不对称性在这种情况下特别重要。如果流出能量没有被根据本发明的解耦单元耗散，则可能发生例如谐振特性的改变，特别是可振动单元的谐振频率的改变。然而，频率稳定的振动行为对于振动传感器的测量精度特别重要。在通过振动传感器确定介质密度的情况下，频率稳定性特别相关。

为了实现有效的振动解耦，管状主体的壁厚沿着纵向轴线是可变的。特别地，沿着管状主体的纵向轴线发生壁厚的至少一个突变、台阶状或不连续改变。这导致管状主体沿纵向轴线的刚度的改变，特别是突变，这又对振动解耦和振动传感器的频率稳定性有决定性贡献。

应当注意，在本发明的范围内可以想到管状主体的壁的各种实施例。例如，外壁或内壁可以是直的，而相应的其他壁至少部分地具有非线性轮廓，以便实现壁厚的改变。然而，还可以想到，不仅内壁而且外壁至少部分地具有非线性轮廓。非线性轮廓特别是指存在至少一个台阶、边缘或舍入。

在一个实施例中，在沿着纵向轴线的至少一个子区域中的管状主体具有大于或小于在子区域外部的管状主体的壁的壁厚的壁厚。在子区域中，壁因此比子区域外更厚或更薄。因此，解耦单元在子区域中具有改变的刚度，这又有助于振动解耦。

在这种情况下，如果在子区域中的壁厚比在子区域外部的壁厚大或小至少2倍，优选地至少5倍，则是有利的。

在另一实施例中，在至少一个子区域中的管状主体具有凹部，特别是凹口或凹槽，其可以布置在管状主体的内壁或外壁的区域中。

在解耦单元的另一实施例中，在至少一个子区域中的管状主体具有垂直于管状主体的纵向轴线的内径或外径，该内径或外径大于在子区域外部的管状主体的内径或外径。

在解耦单元的另一实施例中，平行于管状主体的纵向轴线的至少一个子区域距第一端部区域的距离是管状主体的直径——特别是外径——的至少一半。

最后，解耦单元的实施例还包括平行于管状主体的纵向轴线的至少一个子区域距第一端部区域的距离不超过管状主体的直径——特别是外径——的四倍。

本发明所基于的目的还通过一种用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备来实现，该设备包括：传感器单元，该传感器单元具有机械可振动单元和驱动/接收单元，该驱动/接收单元被配置为通过电激励信号来激励机械可振动单元以进行机械振动，并且接收机械可振动单元的机械振动并将机械振动转换成第一电接收信号；电子***，该电子***被配置为基于接收信号来确定至少一个过程变量；以及根据上述实施例中的至少一个实施例的根据本发明的解耦单元。

机械振动单元例如是隔膜、单个杆、至少两个振动元件的布置或振动叉。

激励信号生成可振动单元的机械振动，当可振动单元被介质覆盖时，该机械振动受到介质的特性的影响。因此，可以基于表示可振动单元的振动的接收信号来进行关于至少一个过程变量的陈述。激励信号例如是具有至少一个可指定频率的电信号，尤其是正弦或矩形波信号。优选地，至少暂时激励机械可振动单元以产生共振。该设备还可以包括电子***，例如用于信号获取和/或信号馈送。

在该设备的一个实施例中，驱动/接收单元包括至少一个压电元件。然而，也可以存在相对于可振动单元布置在不同位置处的多个压电元件。然而，替代地，也可以想到电磁驱动/接收单元。

如果压电元件至少部分地布置在可振动单元的内部体积中，则是有利的。例如，可振动单元可以包括压电元件被引入其中的至少一个腔。然后优选用填充物，特别是用灌封材料，例如粘合剂，来填充腔，或者在腔中铸造压电元件。

如果设备被设计为发出发射信号和接收第二接收信号，并且使用第一接收信号和/或第二接收信号来确定和/或监测至少一个过程变量，则也是有利的。在这种情况下，它是振动多传感器。

在这种情况下，一方面，压电元件用作驱动/接收单元，以生成机械可振动单元的机械振动并发射发射信号，发射信号以第二接收信号的形式被接收。发射信号优选地是超声信号，尤其是脉冲超声信号，尤其是至少一个超声脉冲。因此，在本发明的范围内执行基于超声波的测量作为所使用的第二测量方法。

如果发射信号在其途中至少暂时地且分段地穿过介质，则其同样受到介质的物理和/或化学特性的影响，并且可以相应地用于确定介质的过程变量。在生成激励信号和发射信号的情况下，因此可以在单个设备中实现至少两个测量原理，并且可以评估至少两个不同的过程变量。可以有利地彼此独立地评估两个接收信号。以这种方式，根据本发明，可确定过程变量的数量可以显著增加，这导致相应传感器的更高功能或扩展的应用领域。结合发射信号的附加生成，还参考WO2020/094266A1，在本发明的范围内完全参考WO2020/094266A1。

最后，关于该设备，如果机械可振动单元是具有第一振动元件和第二振动元件的振动叉，并且其中至少一个压电元件至少部分地被布置在两个振动元件中的一个中，或者其中压电元件被布置在每个振动元件中也是有利的。已经例如在文献DE102012100728A1和DE102017130527A1中描述了这种传感器单元的对应实施例。在本发明的范围内，两种应用的全部内容同样被引用。然而，在两篇文献中描述的传感器单元的可能实施例是传感器单元的示例性、可能的结构实施例。也不绝对需要将压电元件排他地布置在振动元件的区域中。相反，所使用的那些压电元件的各个压电元件也可以被布置在隔膜的区域中，或者布置在不用于振动激励并且同样施加到隔膜的另外的振动元件中。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。在附图中：

图1是根据现有技术的振动传感器的示意图；

图2示出了根据现有技术的振动传感器的各种可能的实施例，其中压电元件被布置在振动元件内；

图3示出了根据本发明的具有耦合单元的振动传感器的优选实施例；以及

图4示出了根据图3a的解耦单元中的作为不同壁厚的函数的振动传感器的频率改变。

在附图中，相同的元件分别提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了具有传感器单元2的振动传感器1。传感器具有以振动叉形式的机械可振动单元4，其部分地浸入位于贮存器3中的介质M中。可振动单元4被激励/接收单元5激励以机械振动，并且可以例如通过压电堆驱动或双形态驱动来激励。例如，其他振动传感器具有电磁驱动/接收单元5。可以使用单个驱动/接收单元5，其既用于激励机械振动又用于检测机械振动。然而，同样可以想到的是，可以实现驱动单元和接收单元各一个。图1中还描绘了电子单元6，通过该电子单元6进行信号获取、评估和/或馈送。

图2通过示例示出了振动传感器1的不同传感器单元2，其中压电元件5布置在可振动单元的内部体积中。图2a所示的机械可振动单元4包括两个振动元件9a、9b，它们安装在基座8上，并且因此也称为叉齿。可选地，还可以在两个振动元件9a、9b的端面上分别形成桨叶(这里未示出)。在两个振动元件9a、9b中的每一个中，分别引入腔10a、10b，尤其是袋状腔，其中分别布置有驱动/接收单元5的至少一个压电元件11a、11b。优选地，压电元件11a和11b嵌入腔10a和10b中。腔10a、10b可以使得两个压电元件11a、11b完全或部分地位于两个振动元件9a、9b的区域中。在DE102012100728A1中广泛地描述了这样的布置以及类似的布置。

图2b中描绘了传感器单元2的另一可能的示例性实施例。机械可振动单元4具有两个振动元件9a、9b，这两个振动元件9a、9b彼此平行地对准并且在此以棒状方式被配置。它们安装在盘形元件12上，并且可以彼此单独地激励以机械地振动。它们的振动同样可以彼此单独地被接收和评估。两个振动元件9a和9b分别具有腔10a和10b，其中至少一个压电元件11a和11b分别布置在面向盘形元件12的区域中。关于根据图2b的实施例，再次参考参考号DE102017130527A1的尚未公开的德国专利申请。

如图2b所示，传感器单元2一方面被供应激励信号A，使得机械振动在可振动单元4中被激励。通过两个压电元件11a和11b生成振动。可以想到，两个压电元件都被供应相同的激励信号A，并且第一振动元件11a被供应第一激励信号A₁，并且第二振动元件11b被供应第二激励信号A₂。还可以想到，基于机械振动接收第一接收信号E_A，或者每个振动元件9a、9b接收单独的接收信号E_A1或E_A2。

此外，例如，也可以从第一压电元件11a发出发射信号S，发射信号S由第二压电元件11b以第二接收信号E_S的形式接收。由于两个压电元件11a和11b至少布置在振动元件9a和9b的区域中，所以发射信号S穿过介质M，只要传感器单元2与介质M接触并且相应地受到介质M的特性的影响。发射信号S优选是超声信号，尤其是脉冲超声信号，尤其是至少一个超声脉冲。然而，也可以想到，发射信号S在第一振动元件9a的区域中由第一压电元件11a发出并且在第二振动元件9b处被反射。在这种情况下，第二接收信号E_S被第一压电元件11a接收。在这种情况下，发射信号S经过介质M两次，导致发射信号S的传输时间τ加倍。

除了根据本发明的设备1示出的这两个实施例之外，还可以想到同样落入本发明内的许多其他变型。例如，对于根据图2a和图2b的实施例，可以仅使用一个压电元件11a、11b并且将其布置在两个振动元件9a、9b中的至少一个中。在这种情况下，压电元件9a用于生成激励信号和发射信号S，并接收第一E₁和第二接收信号E₂。然后，发射信号S从第一振动元件9a的区域中的第一压电元件11a发出并且在第二振动元件9b处反射，使得第二接收信号E_S也被第一压电元件11a接收。此时，发射信号S经过介质M两次，导致发射信号S的传输时间τ加倍。

图2c中描绘了另一示例性可能性。这里，第三压电元件11c被设置在膜片12的区域中。第三压电元件11c用于生成激励信号A并接收第一接收信号E₁；第一压电元件11a和第二压电元件11b用于生成发射信号S或接收第二接收信号E₂。替代地，例如，可以生成激励信号A和发射信号S，并用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b接收第二接收信号E₂，其中第三压电元件11c用于接收第一接收信号E1。还可以用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b生成发射信号S以及用第三压电元件11c生成激励信号A，并且用第一压电元件11a和/或第二压电元件11b接收第一E₁和/或第二接收信号E₂。在图2c的情况下，其他实施例也可以省略第一压电元件11a或第二压电元件11b。

设备1的又一可能实施例是图2d的主题。从图2b的实施例开始，该设备包括第三振动元件9c和第四振动元件9d。然而，后者不用于生成振动。相反，第三压电元件11c和第四压电元件11d分别布置在附加元件9c、9d中。在这种情况下，通过前两个压电元件11a、11b进行振动测量，并且通过另外两个压电元件11c、11d进行超声测量。这里，也可以根据测量原理省略压电元件，例如11b和11d。然而，出于对称的原因，总是使用两个附加振动元件9c、0d是有利的。

图3中示出了根据本发明的解耦单元13的一些特别优选的实施例。根据本发明，解耦单元13包括管状主体14，沿着管状主体14的纵向轴线a的壁厚w是可变的。图3a示出了具有振动叉形式的可振动单元4并具有电子***6的振动传感器1的第一实施例，其中解耦单元13呗布置在电子***6和可振动单元4之间。解耦单元13包括管状主体14。主体14的第一端部区域E₁被配置用于连接到传感器单元2，并且管状主体14的第二端部区域E₂被配置用于连接到电子***6的壳体。主体14的壁厚w是可变的。在这种情况下，管状主体14在子区域T中具有壁厚w₂，其大于在子区域T外部的壁厚w₁。因此，在子区域T中的主体14的直径d₂大于在子区域T外部的直径d₁。对于图3b所示的变型，在子区域T中的管状主体14的壁厚w2小于在子区域T外部的壁厚w1。因此，在子区域T中的主体14的直径d₂小于在子区域T外部的直径d₁。在这种情况下，管状主体14在子区域T中具有例如凹槽或凹口。

虽然来自图3a和3b的解耦单元13被配置成使得管状主体14的外径d1、d2变化，但是在根据图3c的解耦单元13的实施例的情况下，外径d是恒定的。在这种情况下，相反，内径D以使得子区域T中的内径D₁小于子区域T外的内径D₂的方式变化。同样，这导致子区域T中的管状主体14的壁厚w₂大于子区域T外的壁厚w₁。除了这里示出的用于解耦单元13的实施例之外，还可以想到也落入本发明的范围内的许多其他实施例。例如，可以存在改变的直径d或D或改变的壁厚w的多个子区域T。子区域T与第一E₁或第二E₂端部区域的距离H或子区域T的高度h可以被不同地选择。

由于解耦单元13的特殊配置，由于能量从振动***流到其中使用传感器1的容器3中的过程连接器而引起的振动传感器1的谐振频率f的改变可以被耗散。振动能量的流出例如由可振动单元4的区域中的生产相关的不对称性引起。以这种方式，可以有效地防止由于能量流动到过程连接器而引起的可振动单元4的谐振特征的改变。这显著增加了对应传感器1的测量精度。

图4示出了具有解耦单元13的振动传感器1的谐振频率Δf₁/Δf₂的比率，解耦单元13具有(Δf₁)和不具有(Δf₂)夹紧，即，对于根据图3a的解耦单元13，对于两个壁厚Δw＝w₁-w₂的不同差异以及对于子区域T的不同高度h，根据管状主体13的长度L将传感器1紧固到容器3。解耦单元13的确切几何形状和各个几何参数w、d、h、H相对于彼此的确切比率取决于特定安装情况和对应传感器1的特性。解耦单元13提供对应传感器1的良好机械振动解耦。

参考符号列表

1 振动传感器

2 传感器单元

3 容器

4 振动单元

5 驱动/接收单元

6 电子器件

8 基座

9a、9b 振动元件

10a、10b 腔

11a 11b 压电元件

12 盘形元件

13 解耦单元

14 管状主体

M 介质

P 过程变量

A 激励信号

S 发射信号

E_A 第一接收信号

E_S 第二接收信号

E_T 第三接收信号

ΔΦ 可指定相移

E₁、E₂ 管状主体的端部区域

d 管状主体的外径

D 管状主体的内径

w 管状主体的壁厚

L 管体主体的长度

T 子区域

H 从子区域到第一端部区域的距离

h 子区域的高度

Claims (12)

1.一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)的解耦单元(13)，包括具有机械可振动单元(4)和驱动/接收单元(5)的传感器单元(2)，所述驱动/接收单元(5)被配置为通过电激励信号(A)激励所述机械可振动单元(4)以进行机械振动，并且接收所述机械可振动单元的所述机械振动并且将所述机械振动转换成第一电接收信号(E_A)，

所述解耦单元包括：

管状主体(14)，

其中，所述管状主体(14)的第一端部区域(E₁)被配置用于连接到所述设备(1)的所述传感器单元(2)，并且所述管状主体(14)的第二端部区域(E₂)被配置用于连接到所述设备(1)的另一部件，特别是所述设备(1)的电子***(6)的壳体或延伸元件，以及

其中，所述管状主体(14)的壁厚(w)沿着所述管状主体(14)的纵向轴线(A)是可变的。

2.根据前述权利要求中至少一项所述的解耦单元(13)，

其中，在沿着所述纵向轴线的至少一个子区域(T)中的所述管状主体(14)具有壁厚(w₂)，所述壁厚(w₂)大于或小于在所述子区域(T)外部的所述管状主体(14)的壁的壁厚(w₁)。

3.根据权利要求2所述的解耦单元(13)，

其中，在所述子区域(T)中的壁厚(w₂)比在所述子区域(T)外部的壁厚(w₁)大或小至少两倍，优选地至少5倍。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的解耦单元(13)，

其中，在所述至少一个子区域(T)中的所述管状主体(14)具有凹部，特别是凹口或凹槽，所述凹部能够被布置在所述管状主体(14)的内壁或外壁的区域中。

5.根据权利要求1至4中至少一项所述的解耦单元(13)，

其中，在所述至少一个子区域(T)中的所述管状主体(14)具有垂直于所述管状主体(14)的所述纵向轴线(A)的内径(D₂)或外径(d₂)，所述内径(D₂)或外径(d₂)大于在所述子区域(T)外部的所述管状主体(14)的内径(D₁)或外径(d₁)。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的解耦单元(13)，

其中，平行于所述管状主体(14)的所述纵向轴线(A)的所述至少一个子区域(T)距所述第一端部区域(E₁)的距离(H)为所述管状主体(14)的直径(d，D)的至少一半。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的解耦单元(13)，

其中，平行于所述管状主体(14)的所述纵向轴线(A)的所述至少一个子区域(T)距所述第一端部区域(E₁)的距离(H)不大于所述管状主体(14)的直径(d，D)的四倍。

8.一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量(P)的设备(1)，包括传感器单元(2)，所述传感器单元(2)具有

机械可振动单元(4)，以及

驱动/接收单元(5)，所述驱动/接收单元被配置为通过电激励信号(A)激励所述机械可振动单元(4)以进行机械振动，并且接收所述机械可振动单元(4)的所述机械振动，并且将所述机械振动转换成第一电接收信号(E_A)，

电子***，所述电子***被配置为基于所述接收信号来确定所述至少一个过程变量(P)，以及

根据前述权利要求中至少一项所述的解耦单元(13)。

9.根据权利要求8所述的设备(1)，

其中，所述驱动/接收单元(5)包括至少一个压电元件(11)。

10.根据权利要求8或9所述的设备(1)，

其中，所述压电元件(11)至少部分地被布置在所述可振动单元(4)的内部体积中。

11.根据权利要求8至10中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述设备(1)被设计为发出发射信号(S)并且接收第二接收信号(E_S)；以及

使用所述第一接收信号(E_A)和/或第二接收信号(E_S)来确定所述至少一个过程变量(P)。

12.根据权利要求9至11中至少一项所述的设备(1)，

其中，所述机械可振动单元(4)是具有第一振动元件(9a)和第二振动元件(9b)的振动叉，并且其中，所述至少一个压电元件(11)至少部分地被布置在两个振动元件(9a、9b)中的一个中，或者其中，在每种情况下，一个压电元件(11a、11b)被布置在每个振动元件(9a、9b)中。