專利名稱：用于確定和/或監(jiān)控過(guò)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/或監(jiān)控容器中的介質(zhì)的至少一個(gè)過(guò) 程變量的裝置，其包括至少一個(gè)機(jī)械可振蕩單元和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)/接 收單元，后者激勵(lì)機(jī)械可振蕩單元執(zhí)行機(jī)械振蕩并且接收機(jī)械可振蕩單元的機(jī)械振蕩，其中機(jī)械可振蕩單元具有至少一個(gè)隔膜，其中隔膜 與外殼相連，其中驅(qū)動(dòng)/接收單元設(shè)置在隔膜和支持單元之間，以及其 中支持單元固定至外殼。過(guò)程變量例如是料位、密度或粘度。介質(zhì)例 如是液體或松散材料。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中己知所謂的振蕩叉和所謂的單棒，利用其例如能夠測(cè) 量介質(zhì)的料位。為此，振蕩叉或單棒被激勵(lì)為執(zhí)行機(jī)械振蕩。振蕩的 特征變量，幅度、頻率和相位依賴于可振蕩單元(在叉的情況中，是 兩個(gè)叉齒)是自由振蕩還是被介質(zhì)覆蓋。于是，例如在液體的情況中， 當(dāng)叉或單棒從未被覆蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸桓采w狀態(tài)時(shí)，頻率下降。于是， 通過(guò)分析頻率，可以推導(dǎo)出料位。這種測(cè)量?jī)x表常常用于極限料位監(jiān) 控。在這種情況中，要區(qū)分監(jiān)控料位下限(最小保護(hù))和料位上限(最 大保護(hù))。在這種情況中，有關(guān)的極限料位依賴于測(cè)量?jī)x表的安裝高 度和尺寸以及特別是依賴于可振蕩單元的尺寸?？烧袷巻卧ǔ９潭ㄔ诟裟ど希?qū)動(dòng)/接收單元位于隔膜之后。驅(qū) 動(dòng)/接收單元用于激勵(lì)可振蕩單元執(zhí)行振蕩以及接收振蕩。驅(qū)動(dòng)/接收單 元常常是壓電元件，其將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，或者反過(guò)來(lái)，將 機(jī)械振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷?。然后，?duì)于交流電壓的分析使得能夠確認(rèn) 振蕩的特征變量。在一個(gè)實(shí)施例中，諸如在EP 1 134 038 Al中所描述 的，驅(qū)動(dòng)/接收單元是壓電元件堆，其固定在半球和圓盤之間。這個(gè)堆在一定的預(yù)應(yīng)力下被壓向隔膜，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的力傳遞。在高溫應(yīng)用的情況中，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生問(wèn)題。如果發(fā)生溫度跳變， 那么由于測(cè)量?jī)x表的隔膜和驅(qū)動(dòng)/接收單元的不同熱膨脹系數(shù)以及由于 溫度在測(cè)量?jī)x表中的不均勻傳播時(shí)間，可能在一定的時(shí)間中在驅(qū)動(dòng)/接 收單元和隔膜之間會(huì)失去接觸。當(dāng)然，這對(duì)測(cè)量不利，甚至不能測(cè)量。特別對(duì)于與安全相關(guān)的料位監(jiān)控，這是不能容忍的。 發(fā)明內(nèi)容于是，本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量?jī)x表，其即使在髙溫應(yīng)用中 也能保證驅(qū)動(dòng)/接收單元與隔膜之間的接觸。本發(fā)明通過(guò)以下特征實(shí)現(xiàn)目的，即，支持單元這樣構(gòu)造并固定至外殼，使得基本在外殼的法向(Nl)上作用的徑向力(Frad)產(chǎn)生基 本在支持單元的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。于是， 通過(guò)本發(fā)明，由于發(fā)生溫度梯度而產(chǎn)生的徑向力Fmd用于將驅(qū)動(dòng)/接收 單元壓向隔膜。徑向力Frad往往向外作用。在一個(gè)實(shí)施例中，支持單 元固定至的外殼部分是管狀單元。在這個(gè)情況中，涉及垂直于管的法 線。在這種情況中，外殼或外殼的管的兩條法線N1以及支持單元的法 線N2特別地基本彼此垂直。在一個(gè)實(shí)施例中，支持單元具有至少一個(gè)平板單元和一個(gè)傾斜單 元，平板單元和傾斜單元這樣構(gòu)造并彼此匹配，使得平板單元和傾斜 單元彼此形成角度(ce)，支持單元經(jīng)由傾斜單元與外殼相連。這個(gè)實(shí) 施例使得能夠產(chǎn)生扭矩，通過(guò)合適選擇幾何形狀，扭矩具有在期望方 向上的力分量。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)/接收單元設(shè)置在平板單元的法向(N2)上。 在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)/接收單元的對(duì)稱軸垂直于平板單元并因而在法 向(N2)上。換言之，驅(qū)動(dòng)/接收單元垂直于平板單元，平板單元在這種情況中特別地是圓盤形狀。通過(guò)本發(fā)明的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，扭矩產(chǎn)生在法向N2上并因而在驅(qū)動(dòng)/接收單元對(duì)稱軸方向上的力，其中驅(qū)動(dòng)/接收單元例如是壓電堆。在一個(gè)實(shí)施例中，角度(a)基本位于40。 60。間。這個(gè)角度特別 具有優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，角度特別地為約45。。在一個(gè)實(shí)施例中，傾斜單元這樣構(gòu)成，使得平板單元所處的平面 以及傾斜單元與外殼之間的連接區(qū)域所處的平面相距距離(a)。為了 獲得盡可能大的扭矩并同時(shí)獲得盡可能大的力，距離a應(yīng)當(dāng)盡可能大， 即，它應(yīng)當(dāng)提供盡可能大的力臂，用于將徑向力Frad轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性隍?qū) 動(dòng)/接收單元方向上的分量的力矩Md。在一個(gè)實(shí)施例中，距離(a)使得從隔膜開始平板單元位于連接區(qū) 域之后。由于驅(qū)動(dòng)/接收單元優(yōu)選地具有與現(xiàn)有技術(shù)相同的幾何形狀， 即，特別是相同的高度，所以連接區(qū)域在隔膜的方向上比現(xiàn)有技術(shù)中 高出距離a。在一個(gè)實(shí)施例中，支持單元和外殼具有基本相同的線膨脹系數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，支持單元、外殼和隔膜基本旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。于是， 本發(fā)明中與外殼相關(guān)的部分特別是管。在一個(gè)實(shí)施例中，支持單元與作為外殼一部分的管相連。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械可振蕩單元具有至少一個(gè)振蕩棒。在另一 實(shí)施例中，提供兩個(gè)振蕩棒，使得例如涉及所謂的振蕩叉。


現(xiàn)在根據(jù)附圖詳細(xì)解釋本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量?jī)x表的截面；和 圖2是本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表的截面。
具體實(shí)施方式
圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量?jī)x表的示意圖的截面。機(jī)械可振 蕩單元1由兩個(gè)振蕩棒3構(gòu)成，它們彼此對(duì)稱并且固定在隔膜4上。 于是，這里顯示了一半所謂的振蕩叉。通過(guò)分析機(jī)械可振蕩單元1的 機(jī)械振蕩，能夠確定和/或監(jiān)控不同過(guò)程變量。在這種情況，如果關(guān)心 的是例如容器中的介質(zhì)的料位，那么在液體的情況中振蕩頻率降低或 者在松散材料的情況中振幅降低是已經(jīng)達(dá)到料位以及可振蕩單元1被 介質(zhì)覆蓋的訊號(hào)。隔膜4與外殼5連接，電子器件(未顯示)也位于外殼5中。特 別地，這里，隔膜4與作為外殼一部分的管相連，該管包含測(cè)量?jī)x表 的機(jī)械結(jié)構(gòu)。于是，這里，驅(qū)動(dòng)/接收單元2是設(shè)置在半球10和圓盤 11之間的壓電元件堆。驅(qū)動(dòng)/接收單元2在預(yù)應(yīng)力下被夾在隔膜4和支 持單元6之間。這里，支持單元6是金屬板，其在周圍的連接區(qū)域9 與外殼5或者與上述管相連。這里，支持單元6與外殼5以及隔膜4 一樣旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。驅(qū)動(dòng)/接收單元2的支承區(qū)域與連接區(qū)域9的高度相同。在使用中，溫度變化首先影響具有可振蕩單元1連同隔膜4，并且 在延遲之后影響其余的外殼5或驅(qū)動(dòng)/接收單元2。由于隔膜4和驅(qū)動(dòng)/ 接收單元2的膨脹系數(shù)不同，預(yù)應(yīng)力減小，或者依賴于溫度變化的大 小而預(yù)應(yīng)力消失，即，在極端情況中，在瞬態(tài)過(guò)程期間驅(qū)動(dòng)/接收單元 2不與隔膜4接觸。這個(gè)問(wèn)題通過(guò)圖2中顯示的本發(fā)明的實(shí)施方式得以 解決。圖2顯示了本發(fā)明的測(cè)量?jī)x表。這里保持與圖1相同的附圖標(biāo)記。 與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)不同，這里，支持單元6由平板單元7和傾斜單 元8構(gòu)成。單元7和8彼此形成角度a，該角度為大約45。。只要保持壁厚s，那么增加直至60。能夠增強(qiáng)效果。支持單元6的平板單元7經(jīng) 由傾斜單元8而在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的連接區(qū)域9與外殼5的管相連。通過(guò)角 度o;，與圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)相比，固定處9更靠近隔膜4。在這種 情況中，驅(qū)動(dòng)/接收單元2的壓電堆與圖1的現(xiàn)有技術(shù)中高度相同。于 是，兩個(gè)平面之間也具有距離a。所以，如果在圖1中，驅(qū)動(dòng)/接收單 元2的支承區(qū)域位于連接區(qū)域9的高度，那么支承區(qū)域在連接區(qū)域9 之后，相距距離a。在從20°C到300°C的理論溫度震動(dòng)的情況中，傳感器的時(shí)間特性 使得傳感器的管壁在兩秒鐘之后暴露于完全的溫度，而支持單元6在 兩秒鐘之后的溫度僅為約50°C。相關(guān)聯(lián)的大約250°C的溫度梯度導(dǎo)致 在外殼5的傳感器管中的溫度應(yīng)力，然而通過(guò)連接區(qū)域9中的支持單 元6防止該溫度應(yīng)力跟隨外殼5周圍材料的徑向漂移。于是，在支持 單元6和外殼5的管之間產(chǎn)生非常高的徑向力Frad。在這種情況中， 這個(gè)力基本在外殼5的法向Nl上作用。利用本發(fā)明的構(gòu)造，由于平板單元7相對(duì)于連接區(qū)域9的位置偏 移以及由于對(duì)稱軸，產(chǎn)生右旋扭矩]^<1 = ^(1*&，其具有在支持單元6 的法向N2上并因而在隔膜4的方向上的力分量。這導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)/接收單 元2隨時(shí)間變化的沖程運(yùn)動(dòng)，這保證了驅(qū)動(dòng)/接收單元2總是保持接觸 傳感器隔膜4。于是，還保證了在溫度震動(dòng)期間，保持傳感器的功能。 扭矩Md越大，a越大。正如可以從圖2看到的，距離d隨著角度ce變 大而增加，這導(dǎo)致扭矩Md相應(yīng)增加。然而，角度a的增加具有限度， 因?yàn)橹С謫卧?特別是傾斜單元8的硬度必須保持足夠大以傳遞力。在這種情況中，支持單元6或平板單元7本身足夠硬。特別地， 比隔膜4的彎曲硬度明顯更硬，因?yàn)榉駝t的話作為驅(qū)動(dòng)/接收單元2的 壓電堆的一部分運(yùn)動(dòng)將傳遞到支持單元6，即，否則棒3的振蕩運(yùn)動(dòng)將 變小。對(duì)于傾斜單元8也是同樣。它也應(yīng)當(dāng)足夠硬，因?yàn)榉駝t的話， 當(dāng)扭矩在溫度跳變期間作用時(shí)，傾斜單元8將被彈回并因而產(chǎn)生較小的壓力Fy。本發(fā)明的構(gòu)造的效果簡(jiǎn)要概括如下1. 在支持單元6和外殼管5之間產(chǎn)生溫度梯度。2. 因此，管5試圖沿方向Nl拉支持單元6,即，產(chǎn)生徑向力Frad(t)。3. 通過(guò)將根據(jù)本發(fā)明由平板單元7和傾斜單元8構(gòu)成的支持單元 6偏移設(shè)置在管5上，S卩，通過(guò)距離a，也產(chǎn)生相應(yīng)的反作用力-Frad(t)。4. 這導(dǎo)致在順時(shí)針?lè)较蛏献饔玫呐ぞ豈d-Fradfa。5. 由于作用的扭矩，產(chǎn)生在N2方向上的軸向力。由于Md-Fy木 b,有Fy = a/b * Frad。6. 于是，通過(guò)扭矩而作用于壓電堆2的力依賴于兩個(gè)距離a和b。數(shù)值計(jì)算已經(jīng)顯示，角度a最優(yōu)地位于40。 60。。附圖標(biāo)記1 機(jī)械可振蕩單元2 驅(qū)動(dòng)/接收單元3 振蕩棒4 隔膜5 外殼6 支持單元7 平板單元8 傾斜單元9 連接區(qū)域 10半球11 圓盤
權(quán)利要求
1.用于確定和/或監(jiān)控容器中的介質(zhì)的至少一個(gè)過(guò)程變量的裝置，包括至少一個(gè)機(jī)械可振蕩單元(1)；和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)/接收單元(2)，其激勵(lì)機(jī)械可振蕩單元(1)執(zhí)行機(jī)械振蕩并且接收機(jī)械可振蕩單元(1)的機(jī)械振蕩；其中機(jī)械可振蕩單元(1)具有至少一個(gè)隔膜(4)；其中隔膜(4)與外殼(5)相連；其中驅(qū)動(dòng)/接收單元(2)設(shè)置在隔膜(4)和支持單元(6)之間；以及其中支持單元(6)固定至外殼(5)；其特征在于，所述支持單元(6)被構(gòu)造并固定至所述外殼(5)，使得基本在所述外殼(5)的法向(N1)上作用的徑向力(Frad)產(chǎn)生基本在所述支持單元(6)的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，支持單元(6)具有至少 一個(gè)平板單元(7)和一個(gè)傾斜單元(8)，平板單元(7)和傾斜單元(8)被構(gòu)造并彼此匹配，使得平板單元(7)和傾斜單元(8)彼此形 成角度(a)，并且支持單元(6)通過(guò)傾斜單元(8)與外殼(5)相 連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，驅(qū)動(dòng)/接收單元(2)設(shè)置 在平板單元(7)的法向(N2)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，角度(a)基本位于40。
600間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，傾斜單元(8)被構(gòu)成為使得平板單元(7)所處的平面以及傾斜單元(8)與外殼(5)之間的 連接區(qū)域(9)所處的平面相距距離(a)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中，距離(a)使得從隔膜(4) 出發(fā)，平板單元(7)位于連接區(qū)域(9)之后。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，支持單元(6)和外殼(5) 具有基本相同的線膨脹系數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的裝置，其中，支持單元(6)、外 殼(5)和隔膜(4)基本旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的裝置，其中，支持單元(6)與作 為外殼(5) —部分的管相連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，機(jī)械可振蕩單元(1)具 有至少一個(gè)振蕩棒(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定和/或監(jiān)控容器中的介質(zhì)的至少一個(gè)過(guò)程變量的裝置，其包括至少一個(gè)機(jī)械可振蕩單元(1)和至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)/接收單元(2)，后者激勵(lì)機(jī)械可振蕩單元(1)執(zhí)行機(jī)械振蕩并且接收機(jī)械可振蕩單元(1)的機(jī)械振蕩，其中機(jī)械可振蕩單元(1)具有至少一個(gè)隔膜(4)，其中隔膜(4)與外殼(5)相連，其中驅(qū)動(dòng)/接收單元(2)設(shè)置在隔膜(4)和支持單元(6)之間，以及其中支持單元(6)固定至外殼(5)。在本發(fā)明中，支持單元(6)這樣構(gòu)造并固定至外殼(5)，使得基本在外殼(5)的法向(N1)上作用的徑向力(Frad)產(chǎn)生基本在支持單元(6)的法向(N2)上作用的力分量和/或扭矩(Md)。
文檔編號(hào)G01F23/296GK101405583SQ200780010195
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2007年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月21日
發(fā)明者尤塔·庫(kù)尼, 赫爾穆特·普法伊費(fèi)爾 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司