本發(fā)明涉及用具有膜和振蕩元件的至少一個可振蕩單元來監(jiān)控介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置和方法。

背景技術(shù)：

也被稱為振動傳感器的這些裝置被用作料位測量設(shè)備并且通常具有作為可振蕩單元的振蕩叉(oscillatoryfork)。然而，已知具有單桿或膜的變體。在操作期間通過機電換能器單元激勵可振蕩單元以執(zhí)行機械振蕩。機電換能器單元例如可以是壓電驅(qū)動或電磁驅(qū)動。

當然，除上述示例外，其他選項也是可用的，同樣落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

申請人以許多不同的形式出售對應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備。在料位測量設(shè)備的情況下，例如，這類設(shè)備在soliphant和/或soliphant標記下出售。從大量出版物已知基礎(chǔ)測量原理。激勵可振蕩單元能通過模擬以及數(shù)字方法這兩者來進行并且大多經(jīng)由模擬、電氣、振蕩電路發(fā)生。機電換能器單元通過電氣激勵信號來激勵可振蕩單元，以執(zhí)行機械振蕩并且接收振蕩以及將它們轉(zhuǎn)換成電氣、接收信號。機電換能器單元可以是單獨的驅(qū)動和接收單元或組合的驅(qū)動/接收單元。

在這些情況下，機電換能器單元是集成在電子單元中的控制回路的一部分。在正常情況下，控制回路設(shè)定激勵信號，使得在激勵信號和接收信號之間存在預定相移。例如，對于諧振振蕩，必須滿足振蕩電路條件，根據(jù)該條件，在振蕩電路中出現(xiàn)的所有相位產(chǎn)生360°的倍數(shù)。

激勵信號和接收信號這兩者的特征均在于頻率、振幅和/或相位。因此，為確定各個過程變量，諸如例如容器中的介質(zhì)的預定料位，或介質(zhì)的密度和/或粘度，通?？紤]這些變量的改變。在用于液體的振動限位開關(guān)的情況下，區(qū)分例如可振蕩單元被液體覆蓋還是自由地振蕩。在這種情況下，基于不同的諧振頻率，由此基于頻移來區(qū)分這兩種狀態(tài)，自由狀態(tài)和覆蓋狀態(tài)。僅在至少部分由介質(zhì)覆蓋的情況下，通過這種測量設(shè)備，又能確定密度和/或粘度。

用作激勵信號的通常是正弦或矩形信號。正弦信號的優(yōu)點在于沒有或很少有作為激勵信號的整數(shù)倍的諧波被傳送到可振蕩單元。以這種方式，提供的振蕩能量有利地基本上被用于僅一種振蕩模式。參考電子單元內(nèi)的信號生成，然而，這相當復雜并且與測量設(shè)備的相對較高的功耗相關(guān)聯(lián)。因此，方便地，通常，矩形信號被用于激勵。這尤其使得能經(jīng)由4-20ma或namur接口來操作振蕩測量設(shè)備。

然而，使用矩形信號的缺點在于除激勵頻率外，諧波被傳送到可振蕩單元。因此，能從可振蕩單元發(fā)出相當大的噪聲。

對于所有應(yīng)用中的大部分，所需的振蕩模式是通過用基本諧振頻率激勵來激勵的基本振蕩模式。然而，還已知激勵扭轉(zhuǎn)模式的應(yīng)用。

本發(fā)明的目的是提供一種用于振動傳感器的可振蕩單元及其制造方法，其特征在于：低噪聲發(fā)射，尤其是在用矩形信號激勵的情況下。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

通過一種確定和/或監(jiān)控容器中的介質(zhì)的至少一個過程變量的裝置來實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該裝置至少包括：可振蕩單元，具有至少一個膜和至少一個振蕩元件；驅(qū)動/接收單元，其被實現(xiàn)為通過可調(diào)整激勵頻率的電氣激勵信號來激勵機械可振蕩單元，以在與激勵頻率相對應(yīng)的振蕩模式下執(zhí)行振蕩并且從可振蕩單元接收機械振蕩并且將其轉(zhuǎn)換成電氣接收信號，以及電子單元，被實現(xiàn)為基于接收的信號產(chǎn)生所述激勵信號，并且根據(jù)接收的信號確定至少一個過程變量，其中，所述膜與所述驅(qū)動/接收單元連接，其中，所述振蕩元件具有振蕩桿的形狀，在所述振蕩桿上，末端形成槳，以及在遠離所述槳的振蕩元件的末端區(qū)域中，將振蕩元件固定在所述膜上，以及其中，選擇所述可振蕩單元的質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)使得：高于與所述激勵信號相對應(yīng)的振蕩模式的可振蕩單元的振蕩模式中的至少一個位于在激勵頻率的兩個相鄰整數(shù)倍之間的范圍中。

該測量基于下述考慮顯著地降低噪聲排放：尤其是在用矩形信號激勵的情況下，多個諧波被傳送到可振蕩單元。如果激勵信號中的諧波的頻率對應(yīng)于用于激勵可振蕩單元的高次振蕩模式的頻率，則代替所需振蕩模式中的單個振蕩，多個振蕩模式疊加。這隨后導致噪聲發(fā)射的增加。由此，當用其來激勵高次振蕩模式的可振蕩單元的基本諧振頻率、以及基本諧振頻率的諧波，由此頻率不對應(yīng)于激勵信號的諧波時是有利的。

一般來說，機械振蕩系統(tǒng)的諧振頻率取決于其剛性和質(zhì)量分布。剛性越小，恒定質(zhì)量的振蕩頻率越小。由此，通過質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)的智能選擇，對任何特定應(yīng)用，作為目標，能改變和優(yōu)化可振蕩單元的振蕩頻譜。特別地，能有利地實現(xiàn)高次振蕩模式不處于與各個激勵頻率的諧波相對應(yīng)的頻率。

在尤其優(yōu)選的實施例中，可振蕩單元是振蕩叉。振動傳感器的可振蕩單元的實施例是最常用的幾何結(jié)構(gòu)。這是由于叉的幾何結(jié)構(gòu)提供的特定振蕩特性。

當槳由具有密度(ρ)、預定面積(ap)、以及預定厚度(d)的預定材料組成時，并且當厚度(d)和密度(ρ)的乘積盡可能小，并且槳(10)的面積(ap)盡可能大時是有利的。特性的該組合顯著地增加測量的精度，諸如在de102005062001a1中所述。

同樣地，當槳的面積(ap)和/或振蕩桿的面積(ar)是彎曲的時是有利的。這簡化槳的處理，尤其是其拋光。

在優(yōu)選實施例中，槳的邊緣為弧形。在這種情況下，當相對于與振蕩桿平行的縱向軸線(l)，槳的寬度(b)在中間區(qū)域為最大，以及遠離膜的末端區(qū)域中的槳以相對于槳的縱向軸線成20°和55°之間的角度傾斜時尤其有利。參考可振蕩單元的滴脫特性，尤其是在粘性介質(zhì)的情況下，在邊緣上尤其是在末端區(qū)域中傾斜的槳是有利的，諸如在ep1373840b1中所述。

在另一變形中，槳還具有尖端。事實上，參考振蕩叉的滴脫特性，該幾何結(jié)構(gòu)最有利。然而，振蕩叉的靈敏度隨槳的末端區(qū)域中的傾斜區(qū)域下降，因為檢測超出介質(zhì)的限位的切換點改變。該切換點由與介質(zhì)中的振蕩叉的某一侵入深度相對應(yīng)的某一可調(diào)整頻移限定。在常規(guī)的liquiphant儀器的情況下，切換點例如為在兩個槳的末端區(qū)域上方約13mm。

由此，取決于應(yīng)用，判定哪一幾何結(jié)構(gòu)最有利，并且平衡滴脫行為對特定應(yīng)用起有意義的作用是有利的。

在另一優(yōu)選實施例中，振蕩元件的振蕩桿具有垂直于縱向軸線(l)的圓形橫截面積。至少一個振蕩元件與膜的理想耦合是點狀的。。然而，該幾何結(jié)構(gòu)是技術(shù)上不可實現(xiàn)的。為此，圓形橫截面積提供最佳折衷。

在另一實施例中，末端區(qū)域中的槳的厚度小于中間區(qū)域中的所述槳的厚度。同時，該測量增加振蕩叉的測量靈敏度。

在優(yōu)選實施例中，至少一個過程變量為介質(zhì)的預定料位，或所述介質(zhì)的密度或所述介質(zhì)的粘度。

在另一優(yōu)選實施例中，可振蕩單元由金屬、陶瓷或合成材料，例如塑料組成。當然，其他材料也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)，以及能對振蕩叉提供涂層。

通過一種制造本發(fā)明的可振蕩單元的方法，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中，為調(diào)整機械可振蕩單元的至少一個高次振蕩模式的位置，改變所述可振蕩單元的質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)，使得所述高次振蕩模式位于所述激勵頻率的兩個相鄰整數(shù)倍之間的范圍中。由此，改變可振蕩單元的質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)，直到不再由激勵頻率的諧波來激勵可振蕩單元的至少一個高次振蕩模式。通過用于解答偏微分方程的數(shù)值法的有限元方法，給出用于構(gòu)成適當?shù)恼袷幉娴膬?yōu)選方法。

在制造可振蕩單元的方法的情況下，當為調(diào)整第一高次振蕩模式的位置，改變槳的中間區(qū)域中的質(zhì)量分布時，是有利的。同樣地，當為調(diào)整高次振蕩模式的位置，尤其是第二高次振蕩模式，改變膜和膜與振蕩桿之間的連接的區(qū)域中的剛性是有利的。

這樣的原因是基于可振蕩單元在特定振蕩模式下執(zhí)行的特定振蕩運動。在下文中，使用以單側(cè)固定桿的形式的彎曲振蕩器的示例，諸如振蕩叉來描述。如果用基本振蕩頻率來激勵彎曲的振蕩器，那么在基本振蕩模式下執(zhí)行振蕩。在這種情況下，桿通過在遠離桿的固定端的末端為最大的偏轉(zhuǎn)振幅振蕩，同時在固定端上，振蕩節(jié)點形成。如果用與高次振蕩模式相對應(yīng)的頻率來激勵彎曲振蕩器，那么通過各個振蕩模式，每個振蕩模式的桿上的振蕩節(jié)點的數(shù)量至少增加1。相應(yīng)地，在彎曲振蕩器等的中間區(qū)域中，對第一激勵振蕩模式，另一振蕩節(jié)點發(fā)生。單獨的振蕩模式下的振蕩節(jié)點的位置由此給出最好應(yīng)當如何或在何處改變可振蕩單元的質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)的指示?？紤]某一振蕩模式下的特定振蕩運動顯著地便于查找理想質(zhì)量分布、剛性和/或幾何結(jié)構(gòu)的計算效果。

附圖說明

現(xiàn)在，基于附圖更詳細地描述本發(fā)明及其有利實施例，各圖所示如下：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的振動傳感器的示意圖，

圖2是(a)振蕩叉以及(b)基本振蕩模式和前兩個激勵振蕩模式下的叉振蕩叉的運動的示意圖，

圖3(a)與本發(fā)明的振蕩叉的振蕩頻譜比較，liquiphant現(xiàn)場設(shè)備的振蕩叉的振蕩頻譜，以及(b)相關(guān)的聲譜。

圖4a-b是liquiphant現(xiàn)場設(shè)備的振蕩叉和屬于圖3的頻譜的本發(fā)明的振蕩叉的幾何結(jié)構(gòu)的比較。

圖5(a)圖4的發(fā)明的振蕩叉的側(cè)視圖，(b)末端區(qū)域中成弧形的槳(paddle)的本發(fā)明的振蕩叉的第二變形，以及(c)具有尖端的槳的本發(fā)明的振蕩叉的第三變形。

具體實施方式

圖1示出振動傳感器1。振蕩叉形式的可振蕩單元4部分延伸到位于容器3內(nèi)的介質(zhì)2中。由于可振蕩單元的該變體應(yīng)用最頻繁，下述描述整體涉及但不限于振蕩叉。

通過被供給激勵信號的機電換能器單元5激勵振蕩叉來執(zhí)行機械振蕩。例如，機電換能器單元5能是壓電堆或雙壓電晶片驅(qū)動。然而，應(yīng)理解到振動傳感器的其他實施例落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，示出了電子單元6，通過該電子單元6，進行激勵信號的信號評估和/或供給。

圖2a示意性地示出振蕩叉，諸如用于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備。所示的是膜7，以及與之連接的振蕩元件8。振蕩元件包括兩個振蕩桿9，在兩個震蕩桿9中的每一個的末端形成槳10。操作中，可振蕩單元4執(zhí)行對應(yīng)于振蕩模式的振蕩運動，可振蕩單元4通過所述振蕩模式激勵。在圖2b中示意性地示出這些運動看起來如何。所示的是相對于圖2a旋轉(zhuǎn)90°的振蕩叉4。箭頭指示用于基本振蕩模式a、第一高次振蕩模式b、以及第二高次振蕩模式c的振蕩叉4的基本運動方向。兩個振蕩桿9中的每一個基本上表現(xiàn)為在描述的介紹中提及的彎曲振蕩器。在基本振蕩模式下，兩個振蕩桿9通過彼此相反的相位振蕩。

最終，在圖3a)示出兩個振蕩頻譜，一個用于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的常規(guī)振蕩叉，并且第二個用于本發(fā)明的振蕩叉。兩條曲線被歸一化為基本頻率的整數(shù)倍，其對應(yīng)于基本振蕩模式。虛線用于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中振蕩叉的振蕩頻譜，該liquiphant現(xiàn)場設(shè)備在1f0具有基本振蕩模式a、在7f0附近具有第一高次振蕩模式b、以及在13f0附近具有第二高次振蕩模式。相反，用于本發(fā)明的振蕩叉的第一高次振蕩模式b'(實線)位于約6.5f0，由此，在基本頻率的兩個整數(shù)倍之間的范圍中，并且不再受激勵信號激勵。本發(fā)明的振蕩叉的第二高次振蕩模式c'僅為約16f0，由此在可聽極限的區(qū)域中。結(jié)果是明確減少振蕩叉的噪聲發(fā)射，諸如由與振蕩頻率相關(guān)聯(lián)的、圖3b)中的聲頻為證。第一高次振蕩模式b的聲壓的減小總計達32db(spl)以及對第二高次振蕩模式，總計達62db(spl)。

為制造本發(fā)明的優(yōu)選振蕩叉，通過有限元方法，采用質(zhì)量分布、剛度和幾何結(jié)構(gòu)。為此目的，為變換第一高次振蕩模式b，改變槳的質(zhì)量分布。相反，對第二高次振蕩模式c，改變叉根和膜之間的過渡區(qū)的半徑，使得膜的剛性和彎曲線，對應(yīng)地振蕩桿和膜之間的接觸區(qū)改變。

為了說明，在圖4中，并排放置常規(guī)的liquiphant振蕩叉4和本發(fā)明的振蕩叉4'。在每一情況下，左邊的圖表示liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的振蕩叉，而右邊的為本發(fā)明的實施例。此外，以上撇號提供引用本發(fā)明的實施例的參考符號。在此所示的結(jié)構(gòu)僅是本發(fā)明的振蕩叉的一個可能示例。對振蕩叉，有無數(shù)其他實施例，同樣落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

在每一情形下，左邊是liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的振蕩叉的表示，而右邊是本發(fā)明的振蕩叉的類似表示。取決于工藝，維持liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的常規(guī)的振蕩叉的一些特征。一方面，這些與40mm的膜到槳的末端的長度a和17.2mm的槳的寬度b有關(guān)。特別地，關(guān)注振蕩叉的切換點，相應(yīng)地，隨著質(zhì)量分布和剛性的變化，不改變在到介質(zhì)的特定侵入深度的頻移。然而，應(yīng)理解到，此處其他度量也能用于振蕩元件8，特別是定義的其他切換點。

圖4a)提供兩個振蕩叉4,4'的透視圖。為了簡化起見，下述描述僅是槳10,10'中的一個。類似地實現(xiàn)另一槳10,10'。盡管對于常規(guī)的振蕩叉4(左)，振蕩桿9沿槳10繼續(xù)，作為從槳表面向外凸出的肋11，但在本發(fā)明(右)的振蕩叉4'的情況下，槳10'和肋11'合并成具有彎曲表面的均勻單元，其中，振蕩桿9'均勻地轉(zhuǎn)變。liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的振蕩叉4的外槳表面12與重疊的肋11在同一平面，而對本發(fā)明的振蕩叉4'，槳12'的外表面彎曲并且與肋11'合并，由此形成均勻單元。作為該合并的結(jié)果，半徑13、或者13'在振蕩桿9、9'與槳10、10'以及槳上緣輪廓14、或者對于本發(fā)明的振蕩叉4'成圓形的14'之間的轉(zhuǎn)變處也改變。

圖4b)以側(cè)視圖示出可振蕩單元4,4'。在該表示中，反而能更好地理解槳10,10'的外表面12,12'之間的不同。對于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的振蕩叉4，外表面為平面，而對于本發(fā)明的振蕩叉4'，外表面為曲面。在此所示的實施例中，對于振蕩叉4和對振蕩叉4'這兩者，槳的內(nèi)表面15,15'均為平面。然而，應(yīng)理解，槳15'的內(nèi)表面也可以是彎曲的。

振蕩叉4之間的另一不同與在與膜7,7'的接合16,16'處的振蕩桿9,9'的角方向相關(guān)。此變化最好由對于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備的振蕩叉4繪制的角度α和β的說明來給出。對于liquiphant現(xiàn)場設(shè)備中的振蕩叉4，這些角度為α＝35.5°以及β＝107.7°，而對于本發(fā)明的振蕩叉4'，類似的角度為α'＝29.9°以及β＝104.9°。

總的來說，對于本發(fā)明的振蕩叉4'的所示示例，采用由肋11'與槳表面合并引起的槳10'的區(qū)域中的質(zhì)量分布、以及采用其曲率影響第一高次諧波b的偏移。相反，第二高次諧波c的偏移由采用與膜的接合16,16'的區(qū)域中的半徑及改變的角方向引起。

最后，圖5示出本發(fā)明的振蕩叉的兩個其他變形。同樣地，這些為單個的示例，應(yīng)理解到，除這些所示的實施例外，還存在能被設(shè)計并且同樣落在本發(fā)明的范圍內(nèi)的許多其他的變形。其中，圖5a)示出如圖4所示的本發(fā)明的振蕩叉4'的側(cè)視圖。在該變形的情況下，槳的下緣輪廓15'，即末端區(qū)域被實施為直線。相反，圖5b)示出具有弧形下緣輪廓15”的本發(fā)明的振蕩叉4”的可能實施例，并且圖5c)示出具有尖下端15”'的本發(fā)明的振蕩叉4”'。同時，在這些示例的情況下，維持過程相關(guān)度量a和b。通過滴脫行為的最終差異，激發(fā)槳的末端區(qū)域15',15”,15”'的這些不同的幾何結(jié)構(gòu)。為此，弧形的邊緣輪廓5”，或具有尖端15”'均具有優(yōu)點。另一方面，槳的末端區(qū)域15”,15”'的幾何結(jié)構(gòu)的變化也改變振蕩叉的靈敏度，尤其是切換點，使得取決于末端區(qū)域15',15”,15”'的選擇必須重新適應(yīng)質(zhì)量分布和剛性。

參考符號的列表

1振動傳感器

2介質(zhì)

3容器

4振蕩叉的形式的可振蕩單元

5機電換能器單元

6電子單元

7膜

8振蕩元件

9振蕩桿

10末端形成的槳

11肋

12振蕩叉的外槳表面

13振蕩桿和槳之間的過渡區(qū)的半徑

14槳的上緣輪廓

15漿的下緣輪廓，即，末端區(qū)域

16與膜的接合處的振蕩桿的角方向

a振蕩叉的基本振蕩模式

b振蕩叉的第一高次振蕩模式

c振蕩叉的第二高次振蕩模式