专利名称：用于确定和/或监控过程量的现场设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种现场设备，用于确定和/或监控容器中介质的至少一个过程量。该现场设备包括至少一个机械可振荡单元，其通过过程连接与容器相连；和至少一个驱动/接收单元，其激励机械可振荡单元振荡，或检测机械可振荡单元的振荡。过程量涉及例如介质的料位、密度或粘度。
这种现场设备的操作原理在于，在料位确定的情况中，可振荡单元的振荡依赖于它是自由振荡还是被介质覆盖；而在例如监控粘度的情况中，可振荡单元的振荡依赖于例如介质的粘度是否改变。依赖于介质特性，或者通常依赖于介质是否覆盖可振荡单元，振荡的频率和幅度改变。于是，例如在料位传感器的应用情况中，根据频率改变可以得到介质已经超过或低于特定料位的结论，该特定料位是由传感器的安装位置确定的。对于幅度也是同样的。
申请人以LIQUIPHANT商标制造并销售振荡叉，例如用于料位检测。振荡叉的优点在于，两个叉齿的振荡精确地互补或抵消，使得例如叉的能量没有传递到夹紧区域，从而没有达到测量仪表连接至容器的区域并从而进入容器中。对于材料可以例如粘附在叉齿之间的应用情况中，感兴趣的是使用单棒设备。在这种情况中，缺乏固有的力消除，并且因而，力和力矩能够作用在夹紧装置上。
于是，本发明的任务是提供现场设备的机械可振荡单元，其振荡在夹紧装置上产生尽可能小的力和力矩。
根据本发明，这样实现该目的机械可振荡单元具有至少三个振荡体；至少一个振荡体在夹紧区域与过程连接相连；三个振荡体执行由驱动/接收单元产生或检测的振荡；并且这样构造并互连三个振荡体以及这样选择夹紧区域，使得在机械可振荡单元和过程连接之间发生反作用力和反作用力矩的大致确定的传递。本发明的基本思想在于，机械可振荡单元由三个振荡体共同构成。其中两个与第三振荡体相连。这意味着，与此相应地，振荡也直接相互耦合在例如成对互连的振荡体之间，或者间接耦合。于是，力和力矩也在彼此传递。在这种情况中，振荡体的结构可以是棒状或管状，但是也可以是例如与合适的弹簧相连的球体，或者直角形状的结构。振荡体可以由相同或不同的材料制成，例如金属或塑料。根本的是与振荡相关的物理量，例如刚度和质量。关于振荡的频率和幅度，相关的自然是长度。自然，长度的匹配应当使得振荡不互相妨碍。
在一个实施例中，机械可振荡单元的振荡是弯曲振荡。作为弯曲振荡的替换，是横向振荡。这种振荡用于上面提到的由申请人制造并销售的用于料位检测的LIQUIPHANT中。在这个实施例中，振荡例如不是超声振荡。
在一个具有优点的实施例中，至少可这样确定和/或计算三个振荡体的构造、它们之间的连接、它们与夹紧区域的连接以及它们的匹配，使得至少由于机械可振荡单元的振荡而作用于过程连接的反作用力和反作用力矩尽可能为零。通过合适的计算或通过实验，机械可振荡单元的振荡体和夹紧区域的选择彼此匹配。夹紧区域，即振荡元件与过程连接相连的区域的选择是相关的，因为这个振荡元件同样振荡，即，这个振荡元件存在持续运动并因而不能用于与过程连接相连的区域，而夹紧区域要保持静止。通过使用三个振荡体，得到自由度的提高，从而可以很好地均衡力和力矩。具有优点的，振荡元件在这里与过程连接相连，在这里这个元件具有正好一个振荡节点，即，在振荡期间不移动的区域。因而，这个实施例具有振荡不影响容器的优点。
在一个具有优点的实施例中，三个振荡体是长度L、质量M和刚度E1的长棒，长度L1、质量M1和刚度E11的第一短棒，长度L2、质量M2和刚度E12的第二短棒，其中第一短棒以朝向过程的末端区域在长棒的朝向过程的末端区域与长棒相连，第二短棒以背离过程的末端区域在长棒的背离过程的末端区域与长棒相连，并且长棒至少在夹紧区域与过程连接相连。于是，基本思想在于，通常由一个长棒和两个短棒构成的单棒，其中所有三个单元都能够振荡。短棒各自在一个末端与长棒相连，并且具有优选地自由端，该自由端不与长棒相连并因而可以自由振荡。这种棒状或管状实施例简化了力矩和力的计算，并因而使得具体的实施方式更清楚。在这种情况中，短棒与长棒的连接例如通过将短棒旋入在长棒中相应实现的孔中而直间实现，或者例如通过弹簧元件而间接实现。进一步，连接可以直接发生在各自末端区域的连接处或者在其横截面。也可以具有延伸略微超过长棒的短棒。其它实施方式也是可能的。
在一个具有优点的实施例中，两个短棒具有基本相等的长度、基本相等的质量或围绕它们的旋转点基本相等的质量转动惯量、以及基本相等的刚度。这是最简单的实施例，其中两个短棒反相振荡并且可以精确地彼此补偿。
在一个具有优点的实施例中，第一和/或第二短棒具有至少一个槽/锥，其至少确定机械可振荡单元的振荡频率。这种槽/锥影响相应的短棒的旋转刚度，并因而允许调节依赖于它的谐振频率。
在一个具有优点的实施例中，长棒同轴地围绕至少第一短棒。因而，至少仅有长棒接触介质，并且短棒总是在相同的物理条件下振荡。因此，这个第一短棒的振荡也不受长棒的沉积物或腐蚀的影响。在另一实施例中，长棒同轴地围绕两个短棒。于是，这种机械可振荡单元最优地自容纳并相对于环境受到保护，从而没有介质可以渗透。于是，从外部看，它仅仅显示为一个振荡单元。在这种情况中，作为长棒，或者更确切的，作为长管的实施例具有以下优点在大多数情况中，除了例如负载极高这样的特殊情况之外，通过材料作用的力不导致破坏。
在一个具有优点的实施例中，至少第二短棒同轴围绕长棒。与上述实施例相联系，这意味着长棒在朝向过程的末端包围第一短棒并且其自己也在另一端被第二短棒包围。在这种情况中，第二短棒可以在短棒的长度上完全同轴地围绕长棒；然而，第二短棒也可以仅仅部分围绕长棒并且例如以其背离过程的末端突出超过长棒。这个实施例在投入实际生产方面具有优点。首先，第一短棒固定在长棒中。然后，例如在背离过程的末端敞开的管状长棒与第二短棒相连。在这种情况中，第二短棒也可以向下打开，使得例如总有到长棒内部空间的打开通路。这对于电缆敷设是有优点的。
在一个具有优点的实施例中，过程连接是管，长棒至少在夹紧区域中固定至该管。很大的优点在于，至少长棒背离过程的部分可以振荡，然而它例如对于介质的沉积物和/或腐蚀、或者容器中存在的过程条件得到保护。另外，缩短了直接位于容器中的区域，该区域作为“干扰”而作用。
在本发明的一个具有优点的实施例中，驱动/接收单元位于长棒朝向过程的末端区域和第一短棒朝向过程的末端区域之间。在另一具有优点的实施例中，驱动/接收单元位于长棒背离过程的末端区域和第二短棒背离过程的末端区域之间。在两个实施例中的短棒都与振荡激励器或检测器相连，并且另一短棒用作补偿质量或振荡器。
在一个实施例中，在驱动/接收单元中提供至少一个压电元件。这个实施例对于电子振动中的驱动/接收单元是常见的。
在一个具有优点的实施例中，驱动/接收单元中的压电元件具有至少两个片段，它们相互反向地极化，极化方向平行于机械可振荡单元的旋转轴。这种元件具有以下优点由于施加的电压使得一个片段收缩而另一片段膨胀，所以直接产生倾斜力矩。对于在可振荡单元中产生弯曲振荡，需要这种倾斜力矩。
现在根据附图详细解释本发明，附图中
图1是机械可振荡单元的原理结构；图2是机械可振荡单元的详细说明，其中压电单元在过程的方向上；图3是压电单元位于背离过程一侧中的实施例；和图4是图2的实施例的变型。
图1显示了机械可振荡单元1的原理结构。这里，长棒10同轴地围绕两个短棒11、12。然而，其它的实施例也是可以的。第一短棒11以其朝向过程的末端区域11.1与长棒10朝向过程的末端区域10.1相连。由于靠近介质，所以第一短棒11放置在长棒10中是具有优点的，因为这样仅有一个部件，即长棒10能够接触介质。在长棒10背离过程的末端区域10.2，长棒以第二短棒背离过程的末端区域12.2与第二短棒12相连。在每一情况中，短棒11、12的另一末端区域是自由端，可以自由振荡。在夹紧区域10.3中，长棒10与过程连接2相连。在这种情况中，过程连接可以例如是套管，其旋入容器(未显示)的开口中。通过同轴构造，仅有长棒10接触介质(未显示)。于是，即使在长棒10上介质沉积的情况中，两个短棒11、12仍然能够执行反相振荡，并因而防止了作用于夹紧装置的力或力矩。
图2是机械可振荡单元1的更具体的实施例。驱动/接收单元5位于过程的方向上，在第一短棒11朝向过程的末端区域11.1和长棒10的相应末端区域10.1之间。驱动/接收单元这里示意性地显示为压电元件，其具有相互反向极化的至少两个片段。极化平行于可振荡单元1的旋转轴16。这种实施例具有以下优点在将电压施加至该压电元件时，一个片段收缩而另一片段膨胀。因此，直接产生倾斜运动，其导致机械可振荡单元1的弯曲振荡。长棒10在夹紧区域10.3与过程连接2相连。这个连接2与密封件3相连，从而没有材料能够渗透进入机械可振荡单元1的内部区域。在图中，还可以清楚地看到，仅有在夹紧区域10.3和长棒10朝向过程的末端区域10.1之间的区域能够与过程连接，而长棒10的整个长度是可振荡的。
图3代表了与图2类似的实施例，但是在这种情况中，驱动/接收单元5位于第二短棒12背离过程的末端区域12.2和长棒10的相应末端区域10.2之间。
图4显示了与图2不同的另一实施例。这里，驱动/接收单元5也位于第一短棒11中。但是，第二短棒12现在构成为管，其内径大于长棒10的外径。因而，第二短棒12可以同轴地围绕长轴10。如果这种短棒12力配合地与长棒10相连，那么未连接且朝向过程的部分，即类似于自由端可以自由振荡。在这个特殊实施例中，第二短棒12同轴地围绕长棒10，长棒10在其背离过程的末端被斗(如果需要，也可以在其底部打开)围绕，并且因而长棒10同轴地围绕第一短棒11。这在固定的方面具有优点。而且在这个实施例中，通过合适的调节，两个短棒11、12和长棒10执行反相振荡，使得作用于密封件3和连接2的力和转矩相反并且大小相等，从而没有反作用力和反作用力矩作用于密封件3和连接2。而且如图4所示，槽/锥15可以在更大的部分上延伸。第一短棒11由两个部分构成一个部分位于驱动/接收单元5和长棒10与第一短棒11的连接位置之间，第二部分位于驱动/接收单元5的另一侧上。在过程方向中的部分具有较小的直径，并且因而是延展的锥15。
附图标记1机械可振荡单元2过程连接3密封件5驱动/接收单元10 长棒10.1 朝向过程的末端区域10.2 背向过程的末端区域10.3 夹紧区域11 第一短棒11.1 朝向过程的端部区域12 第二短棒12.2 背向过程的端部区域15 槽/锥16 旋转轴
权利要求
1.用于确定和/或监控容器中的介质的至少一个过程量的现场设备，包括至少一个机械可振荡单元(1)，其中机械可振荡单元(1)通过过程连接(2)与容器相连；和至少一个驱动/接收单元(5)，其中驱动/接收单元(5)激励机械可振荡单元(1)振荡，或者驱动/接收单元(5)检测机械可振荡单元(1)的振荡；其特征在于，机械可振荡单元(1)具有至少三个振荡体(10、11、12)；至少一个振荡体(10)在夹紧区域(10.3)与过程连接(2)相连；三个振荡体(10、11、12)执行由驱动/接收单元(5)产生或检测的振荡；并且这样构造并互连三个振荡体(10、11、12)以及这样选择夹紧区域(10.3)，使得在机械可振荡单元(1)和过程连接(2)之间发生反作用力和反作用力矩的大致确定的传递。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其中机械可振荡单元(1)的振荡是弯曲振荡。
3.根据权利要求1或2所述的现场设备，其中至少可这样确定和/或计算三个振荡体(10、11、12)的构造、它们之间的连接、它们与夹紧区域(10.3)的连接以及它们的匹配，使得至少由于机械可振荡单元(1)的振荡而作用于过程连接(2)的反作用力和反作用力矩尽可能为零。
4.根据权利要求1、2或3所述的现场设备，其中三个振荡体(10、11、12)是具有长度(L)、质量(M)和刚度(E1)的长棒(10)，具有长度(L1)、质量(M1)和刚度(E11)的第一短棒(11)，具有长度(L2)、质量(M2)和刚度(E12)的第二短棒(12)；第一短棒(11)以朝向过程的末端区域(11.1)在长棒的朝向过程的末端区域(10.1)与长棒(10)相连；第二短棒(12)以背离过程的末端区域(12.2)在长棒的背离过程的末端区域(10.2)与长棒(10)相连；并且长棒(10)至少在夹紧区域(10.3)与过程连接(2)相连。
5.根据权利要求4所述的现场设备，其中两个短棒(11、12)具有基本相等的长度、基本相等的质量或围绕它们的旋转点基本相等的质量转动惯量、以及基本相等的刚度。
6.根据权利要求4或5所述的现场设备，其中第一短棒(11)和/或第二短棒(12)具有至少一个槽/锥(15)，其至少确定机械可振荡单元(1)的振荡频率。
7.根据权利要求4所述的现场设备，其中长棒(10)同轴地至少围绕第一短棒(11)。
8.根据权利要求4或7所述的现场设备，其中至少第二短棒(12)同轴地围绕长棒(10)。
9.根据权利要求4所述的现场设备，其中长棒(10)同轴地围绕两个短棒(11、12)。
10.根据权利要求4所述的现场设备，其中过程连接(2)是管，长棒(10)至少在夹紧区域(10.3)中固定至该管。
11.根据权利要求4所述的现场设备，其中驱动/接收单元(5)位于长棒(10)朝向过程的末端区域(10.1)和第一短棒(11)朝向过程的末端区域(11.1)之间。
12.根据权利要求4所述的现场设备，其中驱动/接收单元(5)位于长棒(10)背离过程的末端区域(10.2)和第二短棒(12)背离过程的末端区域(12.2)之间。
13.根据权利要求1、4、11或12所述的现场设备，其中在驱动/接收单元(5)中提供至少一个压电元件。
14.根据权利要求13所述的现场设备，其中驱动/接收单元(5)中的压电元件具有至少两个片段，它们相互反向地极化，其中极化方向平行于机械可振荡单元(1)的旋转轴(16)。
全文摘要
本发明涉及一种现场设备，用于确定和/或监控容器中介质的至少一个过程量。该现场设备包括至少一个机械可振荡单元(1)，其通过过程连接(2)与容器相连；和至少一个驱动/接收单元(5)，其激励机械可振荡单元(1)振荡，或检测机械可振荡单元(1)的振荡。在本发明中，机械可振荡单元(1)具有至少三个振荡体(10，11，12)，至少一个振荡体(10)在夹紧区域(10.3)与过程连接(2)相连，三个振荡体(10，11，12)可以激励驱动/接收单元(5)产生或检测的振荡，并且这样构造并互连三个振荡体(10，11，12)以及这样选择夹紧区域(10.3)，使得在机械可振荡单元(1)和过程连接(2)之间发生反作用力和反作用力矩的大致确定的传递。
文档编号G01N11/10GK1823265SQ200480019971
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月8日 优先权日2003年7月11日
发明者谢尔盖·洛帕京, 赫尔穆特·普法伊费尔 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司