专利名称：用于确定和/或监控容器中介质的至少一种物理或化学过程量的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用于确定和/或监控介质的至少一种物理或化学过程量，该装置包括至少一个机械可振荡单元和至少一个驱动/接收单元。机械可振荡单元包括管和内部振荡器。管以背离过程的末端连接至紧固单元，而管的朝向过程的末端构造为自由端。管围绕内部振荡器并且内部振荡器以朝向过程的末端固定至管的朝向过程的末端。驱动/接收单元激励机械可振荡单元振荡，或接收机械可振荡单元的振荡。过程量例如是介质的料位、粘度或密度。在这种情况中，介质可以是液体或松散材料。
专利DE 692 02 354 T2公开了一种振荡型水位传感器。检测管单元以作为固定端的末端固定至紧固单元并且在另一端以端盖密封。内部振荡件固定至这个端盖并且在管单元中。振荡件具有伸长的矩形棒形状。振荡机构固定至这个振荡件的侧表面。管、端盖和内部振荡件共同形成折叠悬臂。在端盖中附着有检测机构，其检测折叠悬臂的振荡。根据该专利，管长度和振荡件长度之间的长度比应为1.6～3.0，以具有从记录单元的最优可能输出电压。如果管单元经由薄膜固定至紧固单元，那么折叠悬臂的振荡节点可以移动至紧固单元。这使得可以使用较短的管单元。利用薄膜，管长度和振荡单元长度之间的长度比应为1.0～2.5。这种折叠悬臂的缺点在于，传感器长度非常大。这是由于折叠悬臂的振荡频率是由内部振荡件的质量和长度确定的。为了减少振荡频率，内部振荡件必须尽可能长。这种振荡频率的减少具有普遍的优点可以获得更大的振幅并且传感器因而具有更广的应用范围。在许多情况中，除了较长的内部振荡件，还需要更大的管长度。这个长度比防止振荡能量从折叠悬臂转移到容器。基于这些考虑，导致传感器的较大长度。紧固单元上的薄膜表示有可能缩短长度。然而，从DE 37 40 598 C2中可以看出，机械制造公差导致振荡节点并未精确作用在薄膜紧固上。结果，这里也可能发生能量损失。另外，这种薄膜的振荡节点位于薄膜紧固处的约束限制了振荡频率的选择。专利DE692 02 354 T2的另一个缺点在于，内部振荡件需要特殊的几何形状，其与振荡机构的位置和结构相关联。另外，除了用于激励的振荡机构之外，还需要用于接收的检测机构。
本发明的目的是使用机械可振荡单元和驱动/接收单元确定和/或监控介质的物理或化学过程量，其中测量精度尽可能高。
根据本发明，通过提供具有至少一个槽/锥的内部振荡器实现该目的，其中该槽/锥至少确定机械可振荡单元的振荡频率。
基本上，振荡频率依赖于内部振荡器相对于槽/锥的旋转轴的质量惯性力矩。其它依赖性来自具有槽/锥的内部振荡器截面的弯曲刚度以及来自在紧固单元夹紧时管相对于旋转轴的质量惯性力矩。管固定至的紧固单元的区域的旋转刚度也对振荡频率有比较小的作用。例如，内部振荡器的旋转刚度是由槽或锥的直径和/或长度限定的。依赖于实施例，也考虑内部振荡器的质量。在某些情况中，在内部振荡器的进一步发展中要作考虑。由于旋转刚度对于确定振荡频率也有贡献，所以可以通过槽/锥的结构和/或位置合适地调整工作频率。于是，可以通过槽或锥的尺寸和/或位置减小振荡频率，这导致振荡幅度增加。为了更加精细地确定振荡频率或幅度，正如已经说明的，相应地对结构进行进一步发展。在涉及槽的变型的情况中，优点是内部振荡器构造为旋转件，这能够节省成本。槽或锥优选地旋转对成，从而不会发生偏心。另外，应当注意，内部振荡器通过槽/锥仍然总是稳定的，使得振荡不导致形变等。
在一个具有优点的实施例中，槽/锥位于内部振荡器朝向过程的末端的方向。于是，槽/锥最优地位于管和内部振荡器的过渡中。以这样的方式，内部振荡器的惯性质量在槽/锥上最大。另外，力作用在这一点上并且这一点也是旋转刚度起作用的地方。然而，槽/锥的位置也依赖于驱动/接收单元的位置和结构，以使驱动/接收单元可以最优地作用或最优地接收，或者使得尽可能地没有破坏性力和力矩作用在内部振荡器上。
在振荡运动期间，振荡件(管和内部振荡器)传递力和扭矩，它们由紧固单元作为反作用力和力矩而吸收。紧固单元或基底单元直接地或在某些情况中通过另一元件与其中容纳介质的容器相连。为了防止耦合至容器以及因而可能的能量损失，必须注意机械可振荡单元能量均衡。这意味着，在振荡运动期间由单个元件产生的力和扭矩之和在紧固单元中基本为零。
在一个具有优点的实施例中，在紧固单元中提供附加重量。在这个实施例中，机械可振荡单元关于振荡能量的传递基本上与紧固单元解耦。另外，重量还具有令夹持在振荡技术上更稳定的优点。
在具有优点的实施例中，管和/或内部振荡器具有圆形、椭圆、方形或多边形截面。于是，对于几何形状几乎没有任何规范或限制。管的圆形截面的优点是，机械可振荡单元由于材料而弯曲的危险减少。这也使得可以在介质的容器中的任何位置进行安装。另外，圆形截面的制造简单并且相应地节省成本。
在具有优点的实施例中，内部振荡器是中空的、实心的、或部分中空部分实心。应当保证，尽管有槽或锥，但是内部振荡器在这个区域足够稳定，即，它一定不能因振荡而破裂。由于质量对于内部振荡器很重要，所以使用实心材料(Vollmaterial)构造是有意义的。在中空管的情况中，将增加振荡频率。自然，以这种方式，再一次有了调整振荡频率的可能性。
在一个具有优点的实施例中，在驱动/接收单元中仅提供单个压力单元，其既用作驱动单元又用作接收单元。另一实施例中，在驱动/接收单元中提供至少两个压力单元，其中至少一个压力单元用作驱动单元，并且至少一个压力单元用作接收单元，这些压力单元位于相同的位置。这能够显著简化压力单元的安装以及管、内部振荡器和其它可能的固定元件的结构。这还简化了压力单元的力连接。在使用仅仅一个单元的情况中，进一步的优点在于较低的制造成本。进一步的优点是，制造独立于振荡器的模块并且该模块可以在安装之前得到检测和测试，这在制造中通常是需要的。压力单元通常被夹钳。在这种压力单元的情况中，内部振荡器尽可能地与压力单元的整个表面相连对于效率也是有意义的，于是，例如槽/锥不直接位于具有大得多的直径的压力单元上。实施例的这些以及类似的考虑是本领域技术人员所熟知的并且主要依赖于具体实施方式
的特性和具体条件。
在一个非常特殊的具有优点的实施例中，压力单元是压电元件，其由相互反向极化的至少两个段组成，极性方向平行于机械可振荡单元的旋转轴。如果电压施加到压力单元的上侧和下侧，那么一个段收缩而另一段膨胀，即，一个段具有较小的高度并且另一端具有较大的高度。于是，这个特殊压力单元具有以下优点可以直接产生或检测摇摆运动或旋转运动。
在一个实施例中，驱动/接收单元位于内部振荡器朝向过程的末端和管朝向过程的末端之间。对于特殊实施的压力单元，这种定位用于保证机械可振荡单元被激励为直接摇摆运动或旋转运动，或者用于接收来自这种运动的振荡。进一步的优点是，涉及简单且易于安装的部件，产生与振荡器的直接刚性耦合，并且由于压力单元的不同极化方向而不会接收到轴向运动，例如扰动。另外，这是一种成本低廉的方案，因为需要很少的部件。
在一个实施例中，内部振荡器具有至少一个第二槽/锥。在与其相关联的实施例中，驱动/接收单元位于第一槽/锥和第二槽/锥之间。在这种情况中，第一槽/锥与端盖非常接近，在内部振荡器以及管的朝向过程的末端上。驱动/接收单元与这个端盖如此接近或者靠近内部振荡器的固定件，使得可以实现振荡能量的最优使用。为了获得直接摇摆运动，具有相对极性的压力单元也是非常有效的。这个结构增加了传感器的测量敏感度。
现在根据附图详细解释本发明，附图中
图1是装置的实施例的截面；图2是振荡和产生的力的示意图；和图3是装置的另一实施例的截面。
图1显示了装置的实施例的截面。机械可振荡单元1包括管2和内部振荡器3。管2具有两个末端，末端6朝向过程，末端4背离过程。通过背离过程的末端4，管2固定至紧固单元5。在这里示出的情况中，背离过程的末端4固定在旋入件10中。旋入件10也可以是紧固单元5中的薄膜。在这种情况中，薄膜10的实施例还确定机械可振荡单元1的振荡频率。当紧固盘的直径远远大于其厚度时，存在薄膜。或者，对于环形薄膜，外径和内径之间的差应远远大于薄膜的厚度。机械可振荡单元1的振荡频率随薄膜厚度减小而减小。然而，同时，机械可振荡单元1的振荡幅度也减小。另外，在这个实施例中，在紧固单元5中也提供了附加重量12，其一方面令紧固单元5更稳定，另一方面用于将可振荡单元1与紧固单元5解耦。端盖11固定至管2的朝向过程的末端6。在端盖11中提供孔17，其中插入内部振荡器3的朝向过程的末端7的固定元件18，用于将内部振荡器3与管2相连。这种螺旋连接17、18使得可以例如容易地在管2的朝向过程的末端6上固定内部振荡器3并且降低复杂度，即使在非常长的管2的情况中。例如对于特殊介质或对于特殊容器，可能需要较长的管2。为了旋入，在内部振荡器3背离过程的末端13中提供槽也是有益的，以使例如可以借助旋接驱动器进行旋接(关于这一点，参见图3)。驱动/接收单元8激励机械可振荡单元1振荡，或者接收机械可振荡单元1的振荡，在一个实施例中该单元8固定在内部振荡器3和管2的端盖11之间。由于经由固定元件18固定内部振荡器3，在这种情况中驱动/接收单元8构造为环形。驱动/接收单元8优选的是至少一个压力单元16。如果对于驱动和接收提供不同的压力单元16，那么这多个压力单元16例如在堆栈内的同一位置。在这个位置，具有两个相对极性的压电元件可以产生直接的摇摆振荡。在所示的情况中，内部振荡器3是实心圆棒。然而，其它形状也是可以的。振荡器3在朝向过程的末端7的方向具有槽9。类似的，锥也是合适的实施方式。槽/锥9在这里是旋转对称的。其它实施方式也是本领域技术人员所能实现的。特别地，槽9的直径和长度确定在这个槽区域中内部振荡器3的这个部分的旋转刚度Ci。内部振荡器3的谐振频率由内部振荡器的这个旋转刚度Ci以及质量惯性力矩θi确定。于是，槽9的尺寸直接影响内部振荡器3的谐振频率。机械可振荡单元1的振荡频率对应于内部振荡器3在与管2相耦合的情况中的谐振频率。另外，这个谐振频率受到管2的质量惯性力矩及其弯曲刚度的影响。然而，只要管2的谐振频率远小于内部振荡器3的谐振频率，这个影响就仅仅是轻微的。于是，有可能使用槽9和/或其位置来影响机械可振荡单元1的振荡频率。
于是，本发明的一个基本思想是机械可振荡单元1的振荡频率可通过槽/锥9调整。对于相等的激励能量，较小的振荡频率导致较高的幅度。于是，这个槽/锥使得内部振荡器3可以制得更短。在这种情况中，参考槽/锥9的相对变量是其结构(直径、长度)以及它在内部振荡器3上的位置。
图2详细说明了图1的作用及反作用力及力矩。其中，还可以看到管2和内部振荡器3彼此反向振荡。在振荡运动期间，振荡件2、3传递力Fi、Fa和力矩Mi和Ma，它们由紧固单元5作为反作用力Fr或力矩Mr而吸收。为了防止耦合至容器并由容器的振荡引起能量损失和干扰，必须保证机械可振荡单元1能量均衡。这意味着，在振荡运动期间产生的力和力矩的总和必须在紧固单元5中为零。需要作用在内部振荡器3的重心Si和管2的重心Sa上的力Fi和Fa大小相同Fi＝Fa。类似的，内部振荡器的转矩Mi和管的转矩Ma必须相等Mi＝Ma。如果这两个条件近似满足，那么仅有可忽略的力Fr或力矩Mr被传输至紧固单元5并且基本上没有来自机械可振荡单元1的能量损失。
图3显示了具有两个锥9和19的内部振荡器3的实施例。驱动/接收单元8，或者在这种情况中，具有两个极性相对片段的压力单元16位于两个锥9和19之间。通过压力单元16的结构，施加至压力单元16的电压导致压力单元16的一个段收缩，而另一段膨胀。于是，直接产生摇摆运动，从而得到振荡。在这个情况中，紧固单元5与图1所示的情况相比更坚固地实现，或附加重量12是紧固单元5自身的一部分。而且，这个实施例表示了内部振荡器3中的刻槽20，内部振荡器3可以经由它例如使用旋接驱动器旋入管2的端盖11。这对于机械可振荡单元1也是一个非常易于安装且因而成本低廉的例子。
附图标记1机械可振荡单元2管3内部振荡器4管的背离过程的末端5紧固单元6管的朝向过程的末端7内部振荡器的朝向过程的末端8驱动/接收单元9槽/锥10 旋入件11 端盖12 附加重量13 内部振荡器的背离过程的末端
14旋转轴16压力单元17孔18固定单元19第二槽/锥20刻槽
权利要求
1.用于确定和/或监控介质的至少一个物理或化学过程量的装置，包括至少一个机械可振荡单元(1)和至少一个驱动/接收单元(8)，机械可振荡单元(1)由管(2)和内部振荡器(3)构成，其中管(2)以背离过程的末端(4)与紧固单元(5)相连，而管(2)的朝向过程的末端(6)构造为自由端，其中管(2)围绕内部振荡器(3)并且其中内部振荡器(3)以朝向过程的末端(7)固定在管(2)的朝向过程的末端(6)上，其中驱动/接收单元(8)激励机械可振荡单元(1)振荡，或者其中驱动/接收单元(8)接收机械可振荡单元(1)的振荡，其特征在于，内部振荡器(3)具有至少一个槽/锥(9)，其至少确定机械可振荡单元(1)的振荡频率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，槽/锥(9)位于内部振荡器(3)朝向过程的末端(7)的方向上。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中在紧固单元(5)中提供附加重量(12)。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，管(2)和/或内部振荡器(3)具有圆形、椭圆、方形或多边形截面。
5.根据权利要求1、2或4所述的装置，其中内部振荡器(3)是中空的、实心的或部分中空部分实心的。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，驱动/接收单元(8)中仅提供单个压力单元(16)，其用作驱动单元以及接收单元。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在驱动/接收单元(8)中提供至少两个压力单元(16)，其中至少一个压力单元(16)用作驱动单元而至少一个压力单元(16)用作接收单元，其中压力单元(16)位于相同的位置。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，压力单元(16)是压电元件，其由彼此反向极化的至少两个片段构成，其中极化方向平行于机械可振荡单元(1)的旋转轴(14)。
9.根据权利要求1、2、6、7或8所述的装置，其中，驱动/接收单元(8)位于内部振荡器(3)朝向过程的末端(7)和管(2)朝向过程的末端(6)之间。
10.根据权利要求1、2、6、7或8所述的装置，其中，内部振荡器(3)具有至少一个第二槽/锥(19)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，驱动/接收单元(8)位于第一槽/锥(9)和第二槽/锥(19)之间。
全文摘要
本发明涉及一种装置，用于确定和/或监控容器中的介质的至少一种物理或化学过程量，例如料位、粘度或密度，该装置包括至少一个机械可振荡单元(1)和至少一个驱动/接收单元(8)。机械可振荡单元包括管(2)和内部振荡器(3)。管(2)以背离过程的末端(4)连接至紧固单元(5)，而管(2)的朝向过程的末端(6)构造为自由端。紧固单元直接地或者通过另一元件而与容纳介质的容器相连。管(2)围绕内部振荡器(3)并且内部振荡器(3)以朝向过程的末端(7)固定至管(2)的朝向过程的末端(6)。驱动/接收单元(8)激励机械可振荡单元(1)振荡，或接收机械可振荡单元(1)的振荡。本发明中，内部振荡器(3)具有至少一个槽/锥(9)，其至少确定机械可振荡单元(1)的振荡频率。
文档编号B06B1/06GK1777794SQ200480010996
公开日2006年5月24日 申请日期2004年4月21日 优先权日2003年4月24日
发明者谢尔盖·洛帕京, 赫尔穆特·法伊弗 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司