專利名稱：用于確定和/或者監(jiān)測介質(zhì)過程變量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或者監(jiān)測介質(zhì)的至少一個過程變量 的裝置，該裝置具有至少一個帶有大量自然固有模式的可機械振蕩的 膜片以及具有至少一個激勵/接收單元，該激勵/接收單元激勵所述膜片 產(chǎn)生機械振蕩和/或者從該膜片接收機械振蕩。過程變量例如是介質(zhì)的 料位、密度或者粘度，所述介質(zhì)例如是液體或者散狀物料。介質(zhì)優(yōu)選 處于容器內(nèi)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，為了確定介質(zhì)的料位和其它過程變量而公知所謂 的振叉和單桿。各自充分利用如下所述可振蕩單元振蕩的特征值(振 幅、共振頻率、在頻率上的相位變化過程)依賴于與介質(zhì)的接觸或也 依賴于其特性。如果介質(zhì)到達(dá)可振蕩的單元并至少部分覆蓋可振蕩的 單元，那么例如振蕩的頻率或者振幅減小。因此，可以由振蕩頻率或 振幅的減小推斷出介質(zhì)達(dá)到了依賴于裝置的構(gòu)造及安裝位置的料位。 此外，振蕩頻率也例如依賴于介質(zhì)的粘度和密度。在作為振叉的構(gòu)造 方案中，這種測量裝置具有至少兩個小鏟或者叉尖，它們安裝在膜片 上并彼此反相地振蕩。該測量原理可廣泛用于液體和散狀物料。但通 過小鏟不能提供正面齊頭的測量裝置，這是因為這種測量裝置總是具 有至少兩個對介質(zhì)進(jìn)行采集的小伊。
在機械上可振蕩的系統(tǒng)中在總體上重要的是，不會例如通過與容 器的相耦合而失去振蕩能量。能量損耗通常與可應(yīng)用性的損壞或測量 誤差或在作為開關(guān)的應(yīng)用方案中與錯誤接入相關(guān)聯(lián)。同時能量損耗很 少能夠通過更高的驅(qū)動功率進(jìn)行補償，這是因為所介紹的、大多用作 開關(guān)的測量裝置通常以小而有限的能量供給來運行。此外，對于可盡可能廣泛地應(yīng)用的測量來說，具有優(yōu)點的是，可 機械振蕩單元的有效質(zhì)量盡可能小并且與介質(zhì)發(fā)生接觸的有效面積盡 可能大。但其面臨的問題在于，可振蕩單元優(yōu)選通過盡可能小的孔從
下面裝入介質(zhì)所處的容器內(nèi)。
采用膜片的主要彎曲模式工作的所謂膜片振蕩器或者傳感器在測 量技術(shù)中的可應(yīng)用性僅是非常有限，這是因為始終存在膜片與過程連 接部的機械耦合。因此，這種測量裝置只能非常受限地用于液體和散 狀物料。但仍然具有優(yōu)點的是，這種振蕩極限開關(guān)由于其僅具有一個 膜片而實現(xiàn)正面齊頭的結(jié)構(gòu)。這一點使容器/箱體的清潔變得容易并在 食品業(yè)、化學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域中帶來對于過程裝備的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種振動測量裝置，該裝置的可 振蕩的單元盡可能有效地機械退耦和該裝置即使對于連接部很小的情 況下的安裝，也能可靠地識別介質(zhì)的過程變量。
為了解決該任務(wù)，本發(fā)明由此在于，驅(qū)動/接收單元和膜片以如下 方式構(gòu)造和相互協(xié)調(diào)，使得膜片僅進(jìn)行與高于膜片基本模式的模式相 應(yīng)的機械振蕩?；蛘邠Q句話說激勵膜片進(jìn)行高于膜片基波或者基本 模式的諧波振蕩。
在本發(fā)明中，在一種構(gòu)造方案中，激勵特別是圓形的膜片的反相 的振蕩模式。在此，根據(jù)幾何尺寸，對于例如像直徑1英寸和厚度約1 mm的膜片，振蕩頻率在此可能超過20kHz。在此，振蕩頻率依賴于膜 片厚度和膜片直徑以及所使用的材料。介質(zhì)優(yōu)選處于容器內(nèi)，膜片能 以正面齊頭的方式安裝在該容器上。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括驅(qū)動/接收單元和膜片這樣構(gòu)成和/或者彼此相對地設(shè)置，使得基本上阻止膜片與膜片的基本模式相應(yīng)的 機械振蕩的出現(xiàn)。在一種構(gòu)造方案中，驅(qū)動/接收單元這樣構(gòu)造并與膜 片連接，使得驅(qū)動/接收單元不能激勵膜片的基本模式。在另一種構(gòu)造 方案中，膜片本身這樣構(gòu)成，使得基本模式的振蕩得到阻止。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元基本上僅激勵 膜片產(chǎn)生振蕩。為了退耦，在此膜片的夾緊裝置的至少一部分可以承 受力和力矩。但夾緊裝置在此是測量裝置的組成部分，從而通過測量 裝置本身出現(xiàn)退耦并且至少沒有力或者力矩傳遞到容器本身上。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元和膜片這樣構(gòu)成和相 互協(xié)調(diào)，使膜片實施這樣的機械振蕩，即，膜片獲得2*n個分區(qū)以及 各自相鄰的分區(qū)實施反相運動，其中，n為自然數(shù)。在此，n大于或者 等于l，也就是說，n=l、 2、 3、 4...。分區(qū)的總數(shù)特別是2的整數(shù)倍， 也就是說，振蕩時峰的數(shù)目和谷的數(shù)目或反相振蕩區(qū)域的數(shù)目分別相 等°
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元和膜片這樣構(gòu) 成和相互協(xié)調(diào)，使膜片實施這樣的機械振蕩，即，膜片獲得2*n個對 稱的分區(qū)以及各自相鄰的分區(qū)進(jìn)行反相運動，其中，n為自然數(shù)。n = 2 的情況意味著，膜片在反相的分區(qū)之間具有兩個過渡并因此具有彼此 交替地振蕩的峰和谷。這種區(qū)域之間的過渡是一條線，該線穿過膜片 中心分布并且沿著該線不出現(xiàn)振蕩。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，膜片靠近介質(zhì)的側(cè)不具可振蕩的單 元。因而，在這種構(gòu)造方案中涉及一種純膜片振蕩器，該膜片振蕩器 的膜片不具單桿或者不具振叉的叉尖。換句話說這是一種正面齊頭 的膜片振蕩器，該膜片振蕩器由于反相的膜片振蕩而在機械上與過程 連接部退耦。
9依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元和膜片這樣地 構(gòu)造和相互協(xié)調(diào)，使得膜片在膜片在無介質(zhì)時進(jìn)行振蕩的情況下以大
于2kHz的頻率實施機械振蕩。因此，膜片的第一諧波高于2kHz。振 叉的共振頻率相比而言例如處于O.l到1.4kHz之間。在此，膜片振蕩 器的頻率也依賴于尺寸設(shè)計。利用較大直徑和更薄的膜片也可以在更 低的頻率范圍內(nèi)振蕩。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元和膜片這樣構(gòu)成和相 互協(xié)調(diào)，使得膜片在膜片無介質(zhì)時進(jìn)行振蕩的情況下以大于5kHz的頻 率進(jìn)行機械振蕩。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元和膜片這樣構(gòu)成和相 互協(xié)調(diào)，使得膜片在膜片無介質(zhì)時進(jìn)行振蕩的情況下，以大于20kHz 的頻率實施機械振蕩。這一點例如涉及具有直徑1英寸和厚度1 mm的 膜片的膜片振蕩器。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案，膜片呈圓形或橢圓形或矩形或正方 形地構(gòu)成。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，膜片固定在至少一個夾緊裝置上。 在一種構(gòu)造方案中，夾緊裝置由上面固定有膜片的環(huán)和旋接件組成， 該旋接件可與環(huán)連接并允許固定在容器等上面。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，設(shè)置有至少一個評估單元， 該評估單元在過程變量方面對膜片的機械振蕩進(jìn)行評估。該評估單元 例如是一種微控制器或者例如是一種模擬電路，其中對頻率和/或者振 幅相對于極限值的變化進(jìn)行識別并進(jìn)行相應(yīng)地評估。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，評估單元至少在如下方面對機械振 蕩進(jìn)行評估即，介質(zhì)是否至少部分覆蓋膜片。特別是對于過程變量料位來說，膜片被介質(zhì)覆蓋的程度可以通過介質(zhì)在振蕩或在特征值(諸 如膜片振蕩的振幅或者頻率)方面確定。但對于其它過程變量例如像 粘度或者密度來說，關(guān)于覆蓋程度的說明對于確定或監(jiān)測各自的過程 變量是重要的。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元具有至少一個 壓電元件。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，壓電元件這樣地構(gòu)造和/或者觸點接 通，使得壓電元件具有至少兩個分離的區(qū)域，以及壓電元件這樣設(shè)置 并與膜片連接，使壓電元件的兩個分離的區(qū)域激勵膜片的各一個分區(qū) 產(chǎn)生機械振蕩。驅(qū)動/接收單元的壓電元件因此例如由兩個區(qū)域組成， 這兩個區(qū)域要么在同方向上，例如軸向，也就是在膜片的法線方向上， 要么在彼此相反的方向上極化。這種分布例如可以通過如下方式產(chǎn)生， 方法是與電極的電觸點接通相應(yīng)地僅涉及壓電元件的區(qū)域。如果壓 電元件的兩個區(qū)域要么施以反相(同向極化)的交流電壓信號，要么 施以同相(反向極化)的交流電壓信號，則這些區(qū)域分別進(jìn)行不同的 振動。也就是說， 一個區(qū)域收縮(厚度減小)而另一區(qū)域彼此伸展(厚 度上升)。這樣導(dǎo)致膜片的各自優(yōu)選位于壓電元件一個區(qū)域上方的相 應(yīng)分區(qū)也各自進(jìn)行其它振蕩。也就是說，在這種構(gòu)造方案中，壓電元 件的分離的區(qū)域處于膜片一個分區(qū)的下方。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案，壓電元件的至少兩個分離的區(qū)域之 間的分離區(qū)基本上設(shè)置在膜片的分區(qū)之間的分離區(qū)附近。在一種構(gòu)造 方案中，壓電元件激勵產(chǎn)生如下模式的振蕩，在該模式中，膜片的兩 個分區(qū)彼此反相地振蕩。為此，壓電元件這樣觸點接通或這樣構(gòu)造， 使兩個分離的區(qū)域在壓電區(qū)域內(nèi)獲得。在此，該元件這樣相對于膜片 設(shè)置，使膜片兩個分區(qū)之間的分離區(qū)處于壓電元件兩個分離的區(qū)域之 間的分區(qū)的上方。因此，對于圓形膜片而言，該元件處于膜片的分布 在兩個分區(qū)之間的對角線的下方。本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，壓電元件這樣設(shè)置并與膜片連接， 使壓電元件激勵膜片的一個分區(qū)產(chǎn)生機械振蕩。在這種構(gòu)造方案中， 優(yōu)選僅激勵膜片的一個分區(qū)激勵產(chǎn)生所述振蕩。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元具有至少兩個壓電元 件，以及壓電元件在不同的區(qū)域上與膜片連接。在這種構(gòu)造方案中， 因此各一個壓電元件負(fù)責(zé)膜片一個分區(qū)的運動。這些區(qū)域根據(jù)所要激 勵的振蕩類型相配地選擇。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，壓電元件使膜片產(chǎn)生彎曲變 形。通過與膜片的觸點接通(該觸點接通例如通過整面粘接而產(chǎn)生)， 當(dāng)壓電元件被施以交流電壓時，則膜片上產(chǎn)生彎曲振蕩。在一種構(gòu)造 方案中，壓電元件在徑向上產(chǎn)生力。通過將元件固定在膜片上，該徑 向力使膜片產(chǎn)生相應(yīng)的變形。
驅(qū)動/接收單元因此在一種構(gòu)造方案中至少由兩個壓電元件組成， 這兩個壓電元件為所謂的壓電雙晶片驅(qū)動裝置。這些元件在此在一種 構(gòu)造方案中與膜片的內(nèi)側(cè)粘接。由于粘接，這有可能帶來對于溫度范 圍的限制。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，設(shè)置有至少一個止動單元，該單元 這樣構(gòu)成并與膜片連接，使膜片基本模式的振蕩由該止動單元阻止。 即在這種構(gòu)造方案中，在機械上阻止膜片以基本模式進(jìn)行振蕩，方法 是例如對所述彎曲加以阻止。這種構(gòu)造方案的優(yōu)點在于，這樣得到了 更大的穩(wěn)定性并阻止膜片在基本模式上的寄生振蕩。
為了限制膜片在軸向上(第一模式或者基波)的自由度，膜片的 中心例如固定作為止動單元的銷柱，該銷柱再與測量裝置的殼體，例 如夾緊裝置或者包括膜片的旋接件牢固地連接。銷柱截面的尺寸在這種構(gòu)造方案中這樣設(shè)計，對膜片施加壓力負(fù)荷并因此對作為止動單元 的銷柱施加壓力負(fù)荷時，使截面上的應(yīng)力低于屈服極限。此外，銷柱 的長度這樣設(shè)計，使抗彎剛度大于膜片的抗彎剛度。由于這種結(jié)構(gòu)， 膜片的構(gòu)造方案主要確定振蕩頻率并且止動單元對振蕩頻率僅具有次 要的影響。特別是止動單元不是共振器的組成部分，該共振器激勵產(chǎn) 生振蕩并將該共振器的振蕩用于確定和/或者監(jiān)測過程變量。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，止動單元固定在膜片遠(yuǎn)離介 質(zhì)的側(cè)上。因此，止動單元處于依據(jù)本發(fā)明的測量裝置的內(nèi)側(cè)上或內(nèi) 部空間內(nèi)。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，止動單元基本上固定在膜片的中心。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元這樣構(gòu)成并與 止動單元連接，使驅(qū)動/接收單元通過止動單元激勵膜片產(chǎn)生機械振蕩。 因此，止動單元在這種構(gòu)造方案中滿足三重功能，即該止動單元首先 阻止基本振蕩而二是產(chǎn)生所要求的諧波的振蕩以及允許作用到膜片上 的壓力負(fù)荷的提高。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元在遠(yuǎn)離膜片的側(cè)上與 止動單元機械地連接。因此，驅(qū)動/接收單元在這種構(gòu)造方案中，大致 安裝在止動單元的底面上。
依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元基本上產(chǎn)生屈 曲運動。
本發(fā)明的一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元沿止動單元的對稱軸 線與止動單元機械地連接，特別是力配合地連接。在這種構(gòu)造方案中，
驅(qū)動/接收單元處于止動單元的側(cè)上。
13依據(jù)本發(fā)明的一種構(gòu)造方案設(shè)置為，驅(qū)動/接收單元沿對稱軸線使 止動單元產(chǎn)生彎曲運動。
關(guān)于產(chǎn)生振蕩的此前所介紹的可選構(gòu)造方案的優(yōu)點是，這樣驅(qū)動/ 接收單元進(jìn)一步遠(yuǎn)離過程、介質(zhì)進(jìn)而遠(yuǎn)離那里存在的溫度和過程壓力，
也就是說，這種構(gòu)造方案因此也可以在例如大于30(TC的更高溫度下使 用。在這種構(gòu)造方案中，通過例如構(gòu)造為銷柱或者推桿的止動單元， 直接激勵膜片的反相振蕩模式。另一個優(yōu)點是，對于測量裝置允許的 過程壓力負(fù)荷比例如在驅(qū)動/接收單元的壓電元件直接固定在膜片內(nèi)側(cè) 上的方案中的壓力負(fù)荷更高。
一種構(gòu)造方案包括，設(shè)置有至少一個連接片，連接片與膜片機械 地耦合以及驅(qū)動/接收單元這樣構(gòu)成并與連接片連接，使連接片至少暫 時基本上進(jìn)行俯仰運動。在這種構(gòu)造方案中，連接片或者橋式件優(yōu)選 處于膜片遠(yuǎn)離介質(zhì)的側(cè)上。連接片在此優(yōu)選在兩個彼此徑向相對的區(qū) 域上與膜片機械地耦合。連接片在此通過驅(qū)動/接收單元激勵進(jìn)行俯仰 運動，其中，例如連接片的兩個端區(qū)通過驅(qū)動/接收單元實施彼此相反
指向的運動，從而整體上形成俯仰運動。也就是說，連接片的一個端 區(qū)從膜片移走，這樣另一個端區(qū)向膜片靠近。因為連接片在一種構(gòu)造 方案中通過兩個區(qū)域與膜片連接，所以膜片也在這兩個區(qū)域上激勵產(chǎn) 生反相的運動。因此整體上，激勵振蕩的這種構(gòu)造方案被稱為俯仰驅(qū) 動裝置。
依據(jù)一種構(gòu)造方案設(shè)置為，連接片通過至少兩個承載單元與膜片 機械地耦合。在一種構(gòu)造方案中，因此，整體上形成一種由兩個承載 單元和連接片組成的U形單元，其中，U字的兩端與膜片相通，也就
是與其連接。
一種構(gòu)造方案包括，連接片和兩個承載單元一體地構(gòu)造。因此在 這種構(gòu)造方案中，例如連接片和兩個承載單元形成唯一的U形結(jié)構(gòu)件。依據(jù)一種構(gòu)造方案設(shè)置為，止動單元基本上設(shè)置在連接片的中心。 由此在這種構(gòu)造方案中，止動單元基本上設(shè)置在膜片中心的延長部內(nèi)。 止動單元因此在一種構(gòu)造方案中穿過連接片的中心。在另一構(gòu)造方案
中，它通至連接片中心的下方。在一種構(gòu)造方案中，連接片的長度基 本上等于圓形膜片的直徑。
一種構(gòu)造方案包括，驅(qū)動/接收單元基本上設(shè)置在連接片的中心。 如果驅(qū)動/接收單元是具有兩個擁有逆向極化的區(qū)域的壓電元件，那么 這兩個區(qū)域之間的分離區(qū)優(yōu)選基本上處于連接片的中心，其中，兩個 極化各自垂直地置于連接片上并分別為一個遠(yuǎn)離連接片和一個朝向連 接片。通過這種構(gòu)造方案，連接片的一側(cè)壓低，而另一側(cè)則上拉。在 此，定向在這里與膜片的內(nèi)側(cè)，也就是膜片遠(yuǎn)離介質(zhì)的側(cè)相關(guān)。
依據(jù)一種構(gòu)造方案設(shè)置為，止動單元貫穿連接片或者連接片貫穿 止動單元以及驅(qū)動/接收單元呈環(huán)形地構(gòu)造，其中，止動單元穿過環(huán)形 驅(qū)動/接收單元伸出或者其中環(huán)形驅(qū)動/接收單元穿過止動單元伸出。連 接片和止動單元因此這樣構(gòu)成和設(shè)置，使它們彼此貫穿或者相互連接 或者至少耦合。


現(xiàn)借助下面的附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。其中
圖1示出依據(jù)本發(fā)明的測量裝置的機械結(jié)構(gòu)第一方案的剖切立體
圖，
圖2示出膜片振蕩運動的示意圖， 圖3示出圖2的膜片的另一剖面， 圖4示出第二方案的機械結(jié)構(gòu)的剖面，
圖5示出依照圖4的機械結(jié)構(gòu)的第二方案的剖切立體圖， 圖6a、 b和c示出用于依據(jù)本發(fā)明的測量裝置的壓電元件的三張 示意圖，以及圖7a、 b和c示出針對與膜片連接的壓電元件的觸點接通的三種
方案，以及
圖8示出機械結(jié)構(gòu)的第三方案的剖切立體圖。
具體實施例方式
圖1示出依據(jù)本發(fā)明的測量裝置直接參與振蕩的結(jié)構(gòu)件?？蓹C械 振蕩的單元依據(jù)本發(fā)明僅由膜片1組成。這樣例如具有如下優(yōu)點，這 樣測量裝置能以正面齊頭的方式裝入介質(zhì)所處容器的容器壁上。為產(chǎn)
生振蕩，在這里驅(qū)動/接收單元2由兩個壓電元件8組成，這兩個壓電 元件8在膜片1的內(nèi)側(cè)上，也就是遠(yuǎn)離介質(zhì)的側(cè)上平面地粘牢。這是 一種所謂的雙晶片驅(qū)動裝置。這些元件在此在軸向上，也就是垂直于 膜片平面地極化。當(dāng)對驅(qū)動/接收單元2的元件施加交流電壓時，那么 這些元件在其極化的方向上伸展并在徑向上收縮。通過粘接導(dǎo)致膜片1 相應(yīng)實施彎曲變形。當(dāng)兩個元件2彼此相反地極化并向被施以相同的 電壓信號或者這兩個元件2具有相同的極化，但進(jìn)行反相地激勵，那 么膜片1以一部分實施向上或向外或朝向介質(zhì)方向的振蕩并以另一部 分實施在測量裝置內(nèi)部的方向上的振蕩。因此，膜片1整體上在其第 二固有模式中受到激勵。第一固有模式或基本模式不能通過設(shè)置兩個 壓電元件8進(jìn)行激勵。這一點從圖1很容易看出。如果應(yīng)當(dāng)激勵其它 振蕩模式，那么在這種激勵方案中推薦安裝相應(yīng)更大數(shù)目的壓電元件。
驅(qū)動/接收單元2在所示的實施例中反過來同樣接收機械振蕩并將 其轉(zhuǎn)換為交流電壓。振蕩的特征值，諸如振幅、頻率和頻率上相對于 激勵信號的相位變化曲線依賴于膜片1被介質(zhì)覆蓋的程度，而且也依 賴于介質(zhì)本身的幾個過程變量，如密度、粘度或者阻尼。然后，對接 收信號的評估并從中確定或監(jiān)測過程變量由評估單元5承擔(dān)。例如， 如果介質(zhì)是液體，那么膜片1被介質(zhì)覆蓋而導(dǎo)致振蕩頻率降低。在散 狀物料的情況下，這一點相應(yīng)地體現(xiàn)為振蕩幅度。因此頻率或振幅的 降到可預(yù)先規(guī)定的極限值以下是指以下情況，即介質(zhì)達(dá)到或超過了與 極限值相關(guān)的料位。反過來，頻率或振幅上升則意味著未超過所述料位。膜片1在此固定在夾緊裝置3的環(huán)6上。環(huán)6過渡到旋接件7內(nèi)， 借助該旋接件7將測量裝置固定在其應(yīng)用區(qū)域上。
圖2示出示意膜片1及其夾緊裝置3或其環(huán)6的剖面。振蕩運動 的未按比例的視圖采用虛線或點劃線示出。膜片1在此進(jìn)行其第二固 有模式的振蕩。膜片1的振蕩運動期間，膜片的兩半部分在圖2所示 的X-Z剖切平面上由于反相運動而傳遞垂直于膜片平面的、反相作用 的力Flz或-Flz。在對稱結(jié)構(gòu)的情況下，兩種加速力在方向和大小上相 同并因此在垂直于膜片平面的Z方向上力平衡地相互抵消。因為這兩 個力彼此錯開距離a，所以這兩個力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Mz(t):Flz(t"a。
由于膜片1的彎曲運動，在夾緊裝置3上產(chǎn)生使保持環(huán)6略微發(fā) 生形變的轉(zhuǎn)矩。膜片夾緊裝置上的剛度根據(jù)運動方向略有不同，例如， 當(dāng)它向外運動時，那么夾緊裝置中的膜片移動略微變大，或當(dāng)它向內(nèi) 運動時，則變小。這樣導(dǎo)致膜片1在振蕩運動期間在徑向上進(jìn)行少量 偏移ex并因此由于運動的質(zhì)量而在兩側(cè)各產(chǎn)生一種力Flx/2。這兩個 在左側(cè)和右側(cè)在相同的方向上作用。徑向上總的膜片運動相應(yīng)于偏移 ex。轉(zhuǎn)矩Mx(t)=Flx*b與振蕩運動每個相位上的轉(zhuǎn)矩Mz(t)相反地作用。
在桿臂b的尺寸設(shè)定正確的情況下，Mx(t) = Mz(t)，從而這種振蕩 系統(tǒng)本身退耦。夾緊裝置上的反作用力Fr和反作用力矩Mr都變?yōu)榱恪?因此僅使用膜片l產(chǎn)生振蕩，但一部分夾緊裝置用于吸收力和力矩。
夾緊裝置3在這里可以理解為彈性保持環(huán)6，保持環(huán)6以其下部區(qū) 域固定在實心旋接件7上。
圖3示出膜片1和夾緊裝置3或夾緊裝置3的上部環(huán)6的另一剖 面。虛線示出兩個振蕩方向。與振蕩方向垂直的平面在徑向上沒有力 和力矩，這是因為振蕩平面上幾乎無運動的"中性線"(沿Y軸線表 示)與膜片1相反地在理想情況下不發(fā)生形變。圖4所示的膜片振蕩器配有作為止動單元4的推桿，該推桿將膜
片1與夾緊裝置3的旋接件7牢固地連接。但推桿4不必直接與旋接 件7連接。對于基本振蕩的止動功能來說，僅須設(shè)置有至少一個固定 裝置。在推桿4之間在下端安裝壓電環(huán)形件8，利用該壓電環(huán)形件8將 膜片1作為驅(qū)動/接收單元2進(jìn)行激勵。
為進(jìn)行振蕩激勵，壓電元件8具有兩個彼此電學(xué)隔離的電極。如 果對第一電極施加交流電壓并對第二電極施加同樣大小但反相存在的 交流電壓，那么推桿4由于壓電元件2在軸向上不對稱的變形而產(chǎn)生 彎曲振蕩。推桿4的往復(fù)運動向膜片1上傳遞交變力矩。振蕩頻率在 此相應(yīng)于反相膜片模式的固有頻率。
通過推桿4的強制運動，振蕩器內(nèi)存在的第一固有模式或基本模 式不會受到激勵，這對于包括這里未示出的、與驅(qū)動/接收單元2連接 的反饋電子裝置在內(nèi)的整個振蕩系統(tǒng)來說是具有優(yōu)點的。
圖1的雙晶片驅(qū)動裝置可以設(shè)計為直至最大15(TC都能行使功能， 而推桿驅(qū)動裝置則可以直至高于30(TC下使用。應(yīng)用極限不受振蕩材料 本身的限制，而是受到所使用的壓電材料限制。在過程壓力負(fù)荷方面， 推桿4與雙晶片實施方案相比提供附加的優(yōu)點，這是因為推桿4使膜 片穩(wěn)定化并因此可以傳遞更高的壓力負(fù)荷。
如果觀察圖4所示的振蕩模式(虛線)，那么可以看到如下的一 個位置，在該位置上由于膜片1的反相運動而不存在或者僅存在非常 小的運動。確切地說是膜片中心的一個點或橫向于對稱軸線的一條線， 其幾乎是不運動的。如果將推桿4固定在膜片中心的附近，則不再存 在自由膜片的基本模式，這是因為在軸向的Z軸方向上的自由度受到 推桿限制，也就是說，基本模式被止動。因此，存在于振蕩器內(nèi)的第 一固有模式是反相的膜片運動，也就是膜片1的第一諧波，這樣在電
18子裝置設(shè)計方面提供了優(yōu)點。附加的優(yōu)點見于壓力范圍內(nèi)。推桿提高
了處于過程壓力下的膜片1的穩(wěn)定性。對于具有厚度為0.8mm的、3/4 英寸大的膜片1的傳感器，可達(dá)到的最大過程壓力處于100巴的數(shù)量 級，而無需擔(dān)心塑性變形。此外，具有優(yōu)點的是，推桿4可以直接作 為驅(qū)動裝置使用。為此軸向極化的壓電元件8以半側(cè)隔離的電極(對 稱軸線的右側(cè)和左側(cè))張緊到推桿4之間。在對一個電極施加交流電 壓并反相地對另一電極施加交流電壓(通過所施加的交流電壓信號的 兩個信號變化曲線來表示)的情況下，壓電元件2橫向于對稱軸線地 將依賴于時間的轉(zhuǎn)矩傳遞到推桿4上。該轉(zhuǎn)矩通過彈性的連接件直接 傳遞到膜片1上。膜片1反相的振蕩模式的激勵頻率在此相應(yīng)于膜片1 的反相彎曲模式。整個膜片1以基波振蕩朝相同方向運動的同相模式 不能通過驅(qū)動裝置2發(fā)生振蕩。
圖5示出振蕩產(chǎn)生的另一方案，其中，驅(qū)動/接收單元2安裝在止 動單元4的側(cè)上。膜片1在這種情況下處于振蕩中。在這里同樣產(chǎn)生 彎曲運動，彎曲運動激勵推桿4屈曲運動。這種振蕩產(chǎn)生也可以將線 圈設(shè)置在止動單元4上的方式產(chǎn)生。在該圖示中，還可以看到夾緊裝 置3的上部作為環(huán)6，該環(huán)6與主體7牢固連接。
圖6a示出壓電元件8，例如其可以用于驅(qū)動/接收單元那樣。元件 8呈盤狀地帶有圓形或者橢圓形的表面，利用該表面優(yōu)選也固定在膜片 上。極化在此優(yōu)選分布在軸向上，也就是說，在安裝狀態(tài)下垂直于膜 片平面。在這種構(gòu)造方案中，在此元件8兩個區(qū)域9的極化彼此相反 地指向。這一點通過正號或負(fù)號表示。
在圖6b和6c中示出了如下的情況，通過電極IO對壓電元件8施 加交流電壓(圖6b中具有+E的狀態(tài)和圖6c中具有-E的狀態(tài))。元件 8的下部面在這里完全接地。根據(jù)施加的電壓，區(qū)域9收縮或伸展，從 而交流電壓也產(chǎn)生壓電元件8厚度的相應(yīng)振蕩。這時，優(yōu)點在于，唯 一的壓電元件8大致產(chǎn)生兩部分運動。通過與膜片的配合連接，膜片的各一個分區(qū)-分別在依賴于分區(qū)處于壓電元件8的哪個區(qū)域上方的 情況下-進(jìn)行本身的振蕩，其中此外，處于壓電元件的區(qū)域上方的分 區(qū)的振蕩是反相的。此外，不允許該壓電元件8激勵膜片的基本模式。
為使分區(qū)各自承受相同的力或也為使探測時振蕩的靈敏度同樣各
自等大，壓電元件1分離的區(qū)域9分別具有基本相同的尺寸。
圖7示出針對驅(qū)動/接收單元2或壓電元件8以及膜片1的構(gòu)造方 案的三種示例性方案。
圖7a示出固定在膜片1內(nèi)側(cè)上的壓電元件8。膜片1在這里應(yīng)被 激勵產(chǎn)生如下的振蕩，其中，兩個對稱的分區(qū)彼此反相地振蕩。也就 是大致激勵第一諧波。膜片1在此為圓形，從而兩個分區(qū)各自形成一 個半圓。膜片1在此-在這里未示出地-在其邊緣上力配合地與過程 連接部連接。
壓電元件8在軸向上軸向極化，也就是說，極化與膜片平面垂直 地分布。壓電元件8上安裝有兩個對稱的電極10。為了產(chǎn)生振蕩而向 電極IO分別發(fā)出反相信號。當(dāng)特別地為交流電壓信號時，那么壓電元 件8的區(qū)域9分別實施反相的厚度振蕩，也就是說， 一個區(qū)域收縮， 這樣另一個區(qū)域伸展。
特別是在這里壓電元件8的兩個區(qū)域9之間的分離區(qū)處于膜片1 的分離區(qū)或分界線的上方，從而壓電元件8的一個區(qū)域恰好處于膜片1 的一個分區(qū)的上方(或從過程側(cè)來看處于膜片1的一個分區(qū)的下方)。 也就是說，這里圓形的壓電元件8設(shè)置在這里圓形膜片1的中心。壓 電元件8在此例如為陶瓷或者在另一構(gòu)造方案中為單晶體。
在圖7b中，兩個電極10電短接。在此，在這里特別地能導(dǎo)電地 構(gòu)造的膜片1與另一個電極連接。將交流電壓施加到壓電元件8的或膜片1的電極10上，從而產(chǎn)生振蕩。
圖7c示出另一構(gòu)造方案，其中，壓電元件8安裝在膜片1的一個 分區(qū)的下方。壓電元件8在這里完全用于產(chǎn)生相應(yīng)分區(qū)的振蕩。在這 里同樣將交流電壓信號施加到膜片1的或壓電元件8的電極上。整體 上，膜片l兩個對稱的、也就是等大的分區(qū)由此也反相地振蕩。
因此，在依據(jù)本發(fā)明的測量裝置中，將由膜片分區(qū)的反相振蕩組 成的膜片諧波用于確定和/或者監(jiān)測過程變量。作為選擇可以這樣表達(dá)， 即，激勵膜片產(chǎn)生如下的振蕩模式，該振蕩模式處于基本模式或者具 有最低固有頻率的模式的上方，以及該模式的特征在于，膜片彼此對 稱的分區(qū)進(jìn)行反相振蕩。在此，測量從膜片1與介質(zhì)之間的相互作用 出發(fā)或從介質(zhì)對機械振蕩特征值的作用出發(fā)。
諧波在此例如這樣產(chǎn)生，即，驅(qū)動/接收單元只能產(chǎn)生諧波或者相 配地抑制膜片的基波。
圖8以剖切的方式示出膜片振蕩器的另一構(gòu)造方案。在這里，膜 片振蕩器是一種俯仰驅(qū)動裝置。俯仰件處于膜片1后面，也就是處于 遠(yuǎn)離介質(zhì)側(cè)上，該俯仰件由在這里與膜片1的面基本上平行地設(shè)置的 連接片11以及兩個承載單元13組成。因此，通過承載單元13將連接 片ll與膜片l機械地耦合。在這里所示的情況下，俯仰件呈U字形一
體地構(gòu)造。在這里圓形的膜片1中，在此連接片11相當(dāng)于與膜片1平 行的圓的加寬的對角線。
在膜片1的上方設(shè)置有止動單元4，止動單元4穿過連接片11的 中心。止動單元4和連接片11因此分段地穿過。驅(qū)動/接收單元2夾緊 地處于止動單元4端部上的柱頭與連接片11之間，在這里驅(qū)動/接收單 元2構(gòu)造為壓電元件8。止動單元4穿過圓形壓電元件8的中心。壓電 元件8 -如上面詳細(xì)介紹的那樣-具有兩個彼此相反極化的區(qū)域。當(dāng)向該元件8施加電壓時，那么這導(dǎo)致連接片11的一側(cè)移向膜片1的方 向而另一側(cè)遠(yuǎn)離膜片移開。也就是說，特別是連接片的端區(qū)12呈現(xiàn)出 反相運動。因此，通過交流電壓獲得連接片11的俯仰運動。
在此，兩個承載單元13僅以其最靠外的部位上接觸膜片1，從而
幾乎對膜片1的機械特性沒有影響。附圖標(biāo)記列表 表1
1膜片
2驅(qū)動/接收單元
3夾緊裝置
4止動單元
評估單元
6環(huán)
7旋接件
8壓電元件
9壓電元件的區(qū)域
10電極
11連接片
12連接片的端區(qū)
13承載單元
2權(quán)利要求
1.用于確定和/或者監(jiān)測介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置，所述裝置具有至少一個擁有大量自然固有模式的可機械振蕩的膜片(1)以及至少一個激勵/接收單元(2)，所述激勵/接收單元(2)激勵所述膜片(1)機械振蕩和/或者從所述膜片(1)接收機械振蕩，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元(2)和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得所述膜片(1)僅進(jìn)行與處于所述膜片(1)的基本模式之上的模式相應(yīng)的機械振蕩。
2. 按權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元(2) 和所述膜片(1)被構(gòu)成和/或者彼此相對設(shè)置為使得基本上阻止所述膜 片(1)出現(xiàn)與所述膜片(1)的所述基本模式相應(yīng)的機械振蕩。
3. 按權(quán)利要求l或2所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單 元(2)基本上僅激勵所述膜片(2)振蕩。
4. 按權(quán)利要求1至3至少之一所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū) 動/接收單元(2)和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得所述膜片(1)實施這樣的機械振蕩，S卩，膜片(1)形成2*n個分區(qū)以及各自 相鄰的分區(qū)進(jìn)行反相運動，其中，n為自然數(shù)。
5. 按權(quán)利要求1至3至少之一所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū) 動/接收單元(2)和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得所述膜片(1)實施這樣的機械振蕩，S卩，膜片(1)形成2*n個對稱分區(qū)以及 各自相鄰的分區(qū)進(jìn)行反相運動，其中，n為自然數(shù)。
6. 按權(quán)利要求l至5至少之一所述的裝置，其特征在于，所述膜 片(1)靠近所述介質(zhì)的一側(cè)不具有可振蕩的單元。
7. 按權(quán)利要求1至6至少之一所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū) 動/接收單元(2)和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得在所述膜 片(1)在無介質(zhì)時振蕩的情況下，所述膜片(1)以大于2kHz的頻率 機械振蕩。
8. 按權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元(2) 和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得在所述膜片(1)在無介質(zhì) 時振蕩的情況下，所述膜片(1)以大于5kHz的頻率機械振蕩。
9. 按權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元(2) 和所述膜片(1)被構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)為使得在膜片(1)在無介質(zhì)時振 蕩的情況下，所述膜片(1)以大于20kHz的頻率機械振蕩。
10. 按權(quán)利要求1至9至少之一所述的裝置，其特征在于，所述 膜片(1)呈圓形或者橢圓形或者矩形或者正方形。
11. 按權(quán)利要求1至IO至少之一所述的裝置，其特征在于，所述 膜片(1)固定在至少一個夾緊裝置(3)上。
12. 按權(quán)利要求1至11至少之一所述的裝置，其特征在于，具有 至少一個評估單元(5)，所述評估單元(5)在所述過程變量方面對 所述膜片(1)的機械振蕩進(jìn)行評估。
13. 按權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述評估單元(5) 至少在如下方面對機械振蕩進(jìn)行評估，即所述介質(zhì)是否至少部分覆 蓋所述膜片(1)。
14. 按權(quán)利要求1至13至少之一所述的裝置，其特征在于，所述 驅(qū)動/接收單元(2)具有至少一個壓電元件(8)。
15. 按權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述壓電元件(8) 被構(gòu)成和/或者觸點接通為使得所述壓電元件(8)具有至少兩個分離的 區(qū)域(9)，以及所述壓電元件(8)被這樣設(shè)置并與所述膜片(1)連 接，使得所述壓電元件的所述兩個分離的區(qū)域(9)分別激勵所述膜片(1)的一個分區(qū)機械振蕩。
16. 按權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述壓電元件(8) 的所述至少兩個分離的區(qū)域(9)之間的分離區(qū)基本上設(shè)置在所述膜片(1) 的所述分區(qū)之間的分離區(qū)附近。
17. 按權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述壓電元件(8) 被這樣設(shè)置并與所述膜片(1)連接，使得所述壓電元件(8)激勵所 述膜片(1)的分區(qū)機械振蕩。
18. 按權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元(2) 具有至少兩個壓電元件(8)，以及所述壓電元件(8)在不同的 區(qū)域上與所述膜片(1)連接。
19. 按權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述壓電元件(16) 使所述膜片(1)產(chǎn)生彎曲變形。
20. 按權(quán)利要求1至19至少之一所述的裝置，其特征在于，具有 至少一個止動單元(4)，所述止動單元(4)被這樣構(gòu)成并與所述膜 片(1)連接，使得所述膜片(1)的所述基本模式的振蕩被所述止動 單元(4)阻止。
21. 按權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述止動單元(4) 固定在所述膜片(1)遠(yuǎn)離所述介質(zhì)的一側(cè)上。
22. 按權(quán)利要求21所述的裝置，其特征在于，所述止動單元(4)基本上固定在所述膜片(1)的中心。
23. 按權(quán)利要求20至22至少之一所述的裝置，其特征在于，所 述驅(qū)動/接收單元(2)被這樣構(gòu)成并與所述止動單元(4)連接，使得 所述驅(qū)動/接收單元(2)通過所述止動單元(4)激勵所述膜片(1)機 械振蕩。
24. 按權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元 (2)在遠(yuǎn)離所述膜片(1)的一側(cè)上與所述止動單元(4)機械地連接。
25. 按權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元 (2)基本上產(chǎn)生屈曲運動。
26. 按權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元 (2)沿所述止動單元(4)的對稱軸線與所述止動單元(4)機械地連接，特別是力配合地連接。
27. 按權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動/接收單元 (2)沿所述對稱軸線使所述止動單元(4)產(chǎn)生彎曲運動。
28. 按權(quán)利要求1至27至少之一所述的裝置，其特征在于，具有 至少一個連接片(11);所述連接片(11)與所述膜片(1)機械地耦 合；以及所述驅(qū)動/接收單元(2)被這樣構(gòu)成并與所述連接片(11)連 接，使得所述連接片(11)至少暫時基本上實施俯仰運動。
29. 按權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述連接片(11) 通過至少兩個承載單元(13)與所述膜片(1)機械地耦合。
30. 按權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述連接片(11) 和所述兩個承載單元(13) —體地構(gòu)成。
31. 按權(quán)利要求28至30至少之一所述的裝置，其特征在于，所 述止動單元(4)基本上設(shè)置在所述連接片(11)的中心。
32. 按權(quán)利要求28至31至少之一所述的裝置，其特征在于，所 述驅(qū)動/接收單元(2)基本上設(shè)置在所述連接片(11)的中心。
33. 按權(quán)利要求28至32至少之一所述的裝置，其特征在于，所 述止動單元(4)貫穿所述連接片(11)或者所述連接片(11)貫穿所 述止動單元(4);以及所述驅(qū)動/接收單元(2)呈環(huán)形；其中，所述 止動單元(4)貫穿伸出所述環(huán)形的驅(qū)動/接收單元(2);或者其中， 所述環(huán)形的驅(qū)動/接收單元(2)貫穿伸出所述止動單元(4)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或者監(jiān)測介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置，該裝置具有至少一個具有大量自然固有模式的可機械振蕩的膜片(1)以及具有至少一個激勵/接收單元(2)，該激勵/接收單元(2)激勵膜片(1)產(chǎn)生機械振蕩和/或者從膜片(1)接收機械振蕩。依據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動/接收單元(2)和膜片(1)這樣構(gòu)成和相互協(xié)調(diào)，使膜片(1)僅進(jìn)行處于膜片(1)的基本模式之上的模式相應(yīng)的機械振蕩。
文檔編號G01N11/16GK101611294SQ200780050018
公開日2009年12月23日 申請日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者薩沙·德安熱利科, 謝爾蓋·洛帕京, 赫爾穆特·法伊弗 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司