专利名称：用于确定和/或者监测介质过程变量的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量 的装置，该装置具有至少一个带有大量自然固有模式的可机械振荡的 膜片以及具有至少一个激励/接收单元，该激励/接收单元激励所述膜片 产生机械振荡和/或者从该膜片接收机械振荡。过程变量例如是介质的 料位、密度或者粘度，所述介质例如是液体或者散状物料。介质优选 处于容器内。
背景技术：
在现有技术中，为了确定介质的料位和其它过程变量而公知所谓 的振叉和单杆。各自充分利用如下所述可振荡单元振荡的特征值(振 幅、共振频率、在频率上的相位变化过程)依赖于与介质的接触或也 依赖于其特性。如果介质到达可振荡的单元并至少部分覆盖可振荡的 单元，那么例如振荡的频率或者振幅减小。因此，可以由振荡频率或 振幅的减小推断出介质达到了依赖于装置的构造及安装位置的料位。 此外，振荡频率也例如依赖于介质的粘度和密度。在作为振叉的构造 方案中，这种测量装置具有至少两个小铲或者叉尖，它们安装在膜片 上并彼此反相地振荡。该测量原理可广泛用于液体和散状物料。但通 过小铲不能提供正面齐头的测量装置，这是因为这种测量装置总是具 有至少两个对介质进行采集的小伊。
在机械上可振荡的系统中在总体上重要的是，不会例如通过与容 器的相耦合而失去振荡能量。能量损耗通常与可应用性的损坏或测量 误差或在作为开关的应用方案中与错误接入相关联。同时能量损耗很 少能够通过更高的驱动功率进行补偿，这是因为所介绍的、大多用作 开关的测量装置通常以小而有限的能量供给来运行。此外，对于可尽可能广泛地应用的测量来说，具有优点的是，可 机械振荡单元的有效质量尽可能小并且与介质发生接触的有效面积尽 可能大。但其面临的问题在于，可振荡单元优选通过尽可能小的孔从
下面装入介质所处的容器内。
采用膜片的主要弯曲模式工作的所谓膜片振荡器或者传感器在测 量技术中的可应用性仅是非常有限，这是因为始终存在膜片与过程连 接部的机械耦合。因此，这种测量装置只能非常受限地用于液体和散 状物料。但仍然具有优点的是，这种振荡极限开关由于其仅具有一个 膜片而实现正面齐头的结构。这一点使容器/箱体的清洁变得容易并在 食品业、化学、药学等领域中带来对于过程装备的优点。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种振动测量装置，该装置的可 振荡的单元尽可能有效地机械退耦和该装置即使对于连接部很小的情 况下的安装，也能可靠地识别介质的过程变量。
为了解决该任务，本发明由此在于，驱动/接收单元和膜片以如下 方式构造和相互协调，使得膜片仅进行与高于膜片基本模式的模式相 应的机械振荡。或者换句话说激励膜片进行高于膜片基波或者基本 模式的谐波振荡。
在本发明中，在一种构造方案中，激励特别是圆形的膜片的反相 的振荡模式。在此，根据几何尺寸，对于例如像直径1英寸和厚度约1 mm的膜片，振荡频率在此可能超过20kHz。在此，振荡频率依赖于膜 片厚度和膜片直径以及所使用的材料。介质优选处于容器内，膜片能 以正面齐头的方式安装在该容器上。
本发明的一种构造方案包括驱动/接收单元和膜片这样构成和/或者彼此相对地设置，使得基本上阻止膜片与膜片的基本模式相应的 机械振荡的出现。在一种构造方案中，驱动/接收单元这样构造并与膜 片连接，使得驱动/接收单元不能激励膜片的基本模式。在另一种构造 方案中，膜片本身这样构成，使得基本模式的振荡得到阻止。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元基本上仅激励 膜片产生振荡。为了退耦，在此膜片的夹紧装置的至少一部分可以承 受力和力矩。但夹紧装置在此是测量装置的组成部分，从而通过测量 装置本身出现退耦并且至少没有力或者力矩传递到容器本身上。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相 互协调，使膜片实施这样的机械振荡，即，膜片获得2*n个分区以及 各自相邻的分区实施反相运动，其中，n为自然数。在此，n大于或者 等于l，也就是说，n=l、 2、 3、 4...。分区的总数特别是2的整数倍， 也就是说，振荡时峰的数目和谷的数目或反相振荡区域的数目分别相 等°
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元和膜片这样构 成和相互协调，使膜片实施这样的机械振荡，即，膜片获得2*n个对 称的分区以及各自相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。n = 2 的情况意味着，膜片在反相的分区之间具有两个过渡并因此具有彼此 交替地振荡的峰和谷。这种区域之间的过渡是一条线，该线穿过膜片 中心分布并且沿着该线不出现振荡。
本发明的一种构造方案包括，膜片靠近介质的侧不具可振荡的单 元。因而，在这种构造方案中涉及一种纯膜片振荡器，该膜片振荡器 的膜片不具单杆或者不具振叉的叉尖。换句话说这是一种正面齐头 的膜片振荡器，该膜片振荡器由于反相的膜片振荡而在机械上与过程 连接部退耦。
9依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元和膜片这样地 构造和相互协调，使得膜片在膜片在无介质时进行振荡的情况下以大
于2kHz的频率实施机械振荡。因此，膜片的第一谐波高于2kHz。振 叉的共振频率相比而言例如处于O.l到1.4kHz之间。在此，膜片振荡 器的频率也依赖于尺寸设计。利用较大直径和更薄的膜片也可以在更 低的频率范围内振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相 互协调，使得膜片在膜片无介质时进行振荡的情况下以大于5kHz的频 率进行机械振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元和膜片这样构成和相 互协调，使得膜片在膜片无介质时进行振荡的情况下，以大于20kHz 的频率实施机械振荡。这一点例如涉及具有直径1英寸和厚度1 mm的 膜片的膜片振荡器。
依据本发明的一种构造方案，膜片呈圆形或椭圆形或矩形或正方 形地构成。
本发明的一种构造方案包括，膜片固定在至少一个夹紧装置上。 在一种构造方案中，夹紧装置由上面固定有膜片的环和旋接件组成， 该旋接件可与环连接并允许固定在容器等上面。
依据本发明的一种构造方案设置为，设置有至少一个评估单元， 该评估单元在过程变量方面对膜片的机械振荡进行评估。该评估单元 例如是一种微控制器或者例如是一种模拟电路，其中对频率和/或者振 幅相对于极限值的变化进行识别并进行相应地评估。
本发明的一种构造方案包括，评估单元至少在如下方面对机械振 荡进行评估即，介质是否至少部分覆盖膜片。特别是对于过程变量料位来说，膜片被介质覆盖的程度可以通过介质在振荡或在特征值(诸 如膜片振荡的振幅或者频率)方面确定。但对于其它过程变量例如像 粘度或者密度来说，关于覆盖程度的说明对于确定或监测各自的过程 变量是重要的。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元具有至少一个 压电元件。
本发明的一种构造方案包括，压电元件这样地构造和/或者触点接 通，使得压电元件具有至少两个分离的区域，以及压电元件这样设置 并与膜片连接，使压电元件的两个分离的区域激励膜片的各一个分区 产生机械振荡。驱动/接收单元的压电元件因此例如由两个区域组成， 这两个区域要么在同方向上，例如轴向，也就是在膜片的法线方向上， 要么在彼此相反的方向上极化。这种分布例如可以通过如下方式产生， 方法是与电极的电触点接通相应地仅涉及压电元件的区域。如果压 电元件的两个区域要么施以反相(同向极化)的交流电压信号，要么 施以同相(反向极化)的交流电压信号，则这些区域分别进行不同的 振动。也就是说， 一个区域收縮(厚度减小)而另一区域彼此伸展(厚 度上升)。这样导致膜片的各自优选位于压电元件一个区域上方的相 应分区也各自进行其它振荡。也就是说，在这种构造方案中，压电元 件的分离的区域处于膜片一个分区的下方。
依据本发明的一种构造方案，压电元件的至少两个分离的区域之 间的分离区基本上设置在膜片的分区之间的分离区附近。在一种构造 方案中，压电元件激励产生如下模式的振荡，在该模式中，膜片的两 个分区彼此反相地振荡。为此，压电元件这样触点接通或这样构造， 使两个分离的区域在压电区域内获得。在此，该元件这样相对于膜片 设置，使膜片两个分区之间的分离区处于压电元件两个分离的区域之 间的分区的上方。因此，对于圆形膜片而言，该元件处于膜片的分布 在两个分区之间的对角线的下方。本发明的一种构造方案包括，压电元件这样设置并与膜片连接， 使压电元件激励膜片的一个分区产生机械振荡。在这种构造方案中， 优选仅激励膜片的一个分区激励产生所述振荡。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元具有至少两个压电元 件，以及压电元件在不同的区域上与膜片连接。在这种构造方案中， 因此各一个压电元件负责膜片一个分区的运动。这些区域根据所要激 励的振荡类型相配地选择。
依据本发明的一种构造方案设置为，压电元件使膜片产生弯曲变 形。通过与膜片的触点接通(该触点接通例如通过整面粘接而产生)， 当压电元件被施以交流电压时，则膜片上产生弯曲振荡。在一种构造 方案中，压电元件在径向上产生力。通过将元件固定在膜片上，该径 向力使膜片产生相应的变形。
驱动/接收单元因此在一种构造方案中至少由两个压电元件组成， 这两个压电元件为所谓的压电双晶片驱动装置。这些元件在此在一种 构造方案中与膜片的内侧粘接。由于粘接，这有可能带来对于温度范 围的限制。
本发明的一种构造方案包括，设置有至少一个止动单元，该单元 这样构成并与膜片连接，使膜片基本模式的振荡由该止动单元阻止。 即在这种构造方案中，在机械上阻止膜片以基本模式进行振荡，方法 是例如对所述弯曲加以阻止。这种构造方案的优点在于，这样得到了 更大的稳定性并阻止膜片在基本模式上的寄生振荡。
为了限制膜片在轴向上(第一模式或者基波)的自由度，膜片的 中心例如固定作为止动单元的销柱，该销柱再与测量装置的壳体，例 如夹紧装置或者包括膜片的旋接件牢固地连接。销柱截面的尺寸在这种构造方案中这样设计，对膜片施加压力负荷并因此对作为止动单元 的销柱施加压力负荷时，使截面上的应力低于屈服极限。此外，销柱 的长度这样设计，使抗弯刚度大于膜片的抗弯刚度。由于这种结构， 膜片的构造方案主要确定振荡频率并且止动单元对振荡频率仅具有次 要的影响。特别是止动单元不是共振器的组成部分，该共振器激励产 生振荡并将该共振器的振荡用于确定和/或者监测过程变量。
依据本发明的一种构造方案设置为，止动单元固定在膜片远离介 质的侧上。因此，止动单元处于依据本发明的测量装置的内侧上或内 部空间内。
本发明的一种构造方案包括，止动单元基本上固定在膜片的中心。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元这样构成并与 止动单元连接，使驱动/接收单元通过止动单元激励膜片产生机械振荡。 因此，止动单元在这种构造方案中满足三重功能，即该止动单元首先 阻止基本振荡而二是产生所要求的谐波的振荡以及允许作用到膜片上 的压力负荷的提高。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元在远离膜片的侧上与 止动单元机械地连接。因此，驱动/接收单元在这种构造方案中，大致 安装在止动单元的底面上。
依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元基本上产生屈 曲运动。
本发明的一种构造方案包括，驱动/接收单元沿止动单元的对称轴 线与止动单元机械地连接，特别是力配合地连接。在这种构造方案中，
驱动/接收单元处于止动单元的侧上。
13依据本发明的一种构造方案设置为，驱动/接收单元沿对称轴线使 止动单元产生弯曲运动。
关于产生振荡的此前所介绍的可选构造方案的优点是，这样驱动/ 接收单元进一步远离过程、介质进而远离那里存在的温度和过程压力，
也就是说，这种构造方案因此也可以在例如大于30(TC的更高温度下使 用。在这种构造方案中，通过例如构造为销柱或者推杆的止动单元， 直接激励膜片的反相振荡模式。另一个优点是，对于测量装置允许的 过程压力负荷比例如在驱动/接收单元的压电元件直接固定在膜片内侧 上的方案中的压力负荷更高。
一种构造方案包括，设置有至少一个连接片，连接片与膜片机械 地耦合以及驱动/接收单元这样构成并与连接片连接，使连接片至少暂 时基本上进行俯仰运动。在这种构造方案中，连接片或者桥式件优选 处于膜片远离介质的侧上。连接片在此优选在两个彼此径向相对的区 域上与膜片机械地耦合。连接片在此通过驱动/接收单元激励进行俯仰 运动，其中，例如连接片的两个端区通过驱动/接收单元实施彼此相反
指向的运动，从而整体上形成俯仰运动。也就是说，连接片的一个端 区从膜片移走，这样另一个端区向膜片靠近。因为连接片在一种构造 方案中通过两个区域与膜片连接，所以膜片也在这两个区域上激励产 生反相的运动。因此整体上，激励振荡的这种构造方案被称为俯仰驱 动装置。
依据一种构造方案设置为，连接片通过至少两个承载单元与膜片 机械地耦合。在一种构造方案中，因此，整体上形成一种由两个承载 单元和连接片组成的U形单元，其中，U字的两端与膜片相通，也就
是与其连接。
一种构造方案包括，连接片和两个承载单元一体地构造。因此在 这种构造方案中，例如连接片和两个承载单元形成唯一的U形结构件。依据一种构造方案设置为，止动单元基本上设置在连接片的中心。 由此在这种构造方案中，止动单元基本上设置在膜片中心的延长部内。 止动单元因此在一种构造方案中穿过连接片的中心。在另一构造方案
中，它通至连接片中心的下方。在一种构造方案中，连接片的长度基 本上等于圆形膜片的直径。
一种构造方案包括，驱动/接收单元基本上设置在连接片的中心。 如果驱动/接收单元是具有两个拥有逆向极化的区域的压电元件，那么 这两个区域之间的分离区优选基本上处于连接片的中心，其中，两个 极化各自垂直地置于连接片上并分别为一个远离连接片和一个朝向连 接片。通过这种构造方案，连接片的一侧压低，而另一侧则上拉。在 此，定向在这里与膜片的内侧，也就是膜片远离介质的侧相关。
依据一种构造方案设置为，止动单元贯穿连接片或者连接片贯穿 止动单元以及驱动/接收单元呈环形地构造，其中，止动单元穿过环形 驱动/接收单元伸出或者其中环形驱动/接收单元穿过止动单元伸出。连 接片和止动单元因此这样构成和设置，使它们彼此贯穿或者相互连接 或者至少耦合。
现借助下面的附图对本发明进行详细说明。其中
图1示出依据本发明的测量装置的机械结构第一方案的剖切立体
图，
图2示出膜片振荡运动的示意图， 图3示出图2的膜片的另一剖面， 图4示出第二方案的机械结构的剖面，
图5示出依照图4的机械结构的第二方案的剖切立体图， 图6a、 b和c示出用于依据本发明的测量装置的压电元件的三张 示意图，以及图7a、 b和c示出针对与膜片连接的压电元件的触点接通的三种
方案，以及
图8示出机械结构的第三方案的剖切立体图。
具体实施例方式
图1示出依据本发明的测量装置直接参与振荡的结构件。可机械 振荡的单元依据本发明仅由膜片1组成。这样例如具有如下优点，这 样测量装置能以正面齐头的方式装入介质所处容器的容器壁上。为产
生振荡，在这里驱动/接收单元2由两个压电元件8组成，这两个压电 元件8在膜片1的内侧上，也就是远离介质的侧上平面地粘牢。这是 一种所谓的双晶片驱动装置。这些元件在此在轴向上，也就是垂直于 膜片平面地极化。当对驱动/接收单元2的元件施加交流电压时，那么 这些元件在其极化的方向上伸展并在径向上收缩。通过粘接导致膜片1 相应实施弯曲变形。当两个元件2彼此相反地极化并向被施以相同的 电压信号或者这两个元件2具有相同的极化，但进行反相地激励，那 么膜片1以一部分实施向上或向外或朝向介质方向的振荡并以另一部 分实施在测量装置内部的方向上的振荡。因此，膜片1整体上在其第 二固有模式中受到激励。第一固有模式或基本模式不能通过设置两个 压电元件8进行激励。这一点从图1很容易看出。如果应当激励其它 振荡模式，那么在这种激励方案中推荐安装相应更大数目的压电元件。
驱动/接收单元2在所示的实施例中反过来同样接收机械振荡并将 其转换为交流电压。振荡的特征值，诸如振幅、频率和频率上相对于 激励信号的相位变化曲线依赖于膜片1被介质覆盖的程度，而且也依 赖于介质本身的几个过程变量，如密度、粘度或者阻尼。然后，对接 收信号的评估并从中确定或监测过程变量由评估单元5承担。例如， 如果介质是液体，那么膜片1被介质覆盖而导致振荡频率降低。在散 状物料的情况下，这一点相应地体现为振荡幅度。因此频率或振幅的 降到可预先规定的极限值以下是指以下情况，即介质达到或超过了与 极限值相关的料位。反过来，频率或振幅上升则意味着未超过所述料位。膜片1在此固定在夹紧装置3的环6上。环6过渡到旋接件7内， 借助该旋接件7将测量装置固定在其应用区域上。
图2示出示意膜片1及其夹紧装置3或其环6的剖面。振荡运动 的未按比例的视图采用虚线或点划线示出。膜片1在此进行其第二固 有模式的振荡。膜片1的振荡运动期间，膜片的两半部分在图2所示 的X-Z剖切平面上由于反相运动而传递垂直于膜片平面的、反相作用 的力Flz或-Flz。在对称结构的情况下，两种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。因为这两 个力彼此错开距离a，所以这两个力产生转矩Mz(t):Flz(t"a。
由于膜片1的弯曲运动，在夹紧装置3上产生使保持环6略微发 生形变的转矩。膜片夹紧装置上的刚度根据运动方向略有不同，例如， 当它向外运动时，那么夹紧装置中的膜片移动略微变大，或当它向内 运动时，则变小。这样导致膜片1在振荡运动期间在径向上进行少量 偏移ex并因此由于运动的质量而在两侧各产生一种力Flx/2。这两个 在左侧和右侧在相同的方向上作用。径向上总的膜片运动相应于偏移 ex。转矩Mx(t)=Flx*b与振荡运动每个相位上的转矩Mz(t)相反地作用。
在杆臂b的尺寸设定正确的情况下，Mx(t) = Mz(t)，从而这种振荡 系统本身退耦。夹紧装置上的反作用力Fr和反作用力矩Mr都变为零。 因此仅使用膜片l产生振荡，但一部分夹紧装置用于吸收力和力矩。
夹紧装置3在这里可以理解为弹性保持环6，保持环6以其下部区 域固定在实心旋接件7上。
图3示出膜片1和夹紧装置3或夹紧装置3的上部环6的另一剖 面。虚线示出两个振荡方向。与振荡方向垂直的平面在径向上没有力 和力矩，这是因为振荡平面上几乎无运动的"中性线"(沿Y轴线表 示)与膜片1相反地在理想情况下不发生形变。图4所示的膜片振荡器配有作为止动单元4的推杆，该推杆将膜
片1与夹紧装置3的旋接件7牢固地连接。但推杆4不必直接与旋接 件7连接。对于基本振荡的止动功能来说，仅须设置有至少一个固定 装置。在推杆4之间在下端安装压电环形件8，利用该压电环形件8将 膜片1作为驱动/接收单元2进行激励。
为进行振荡激励，压电元件8具有两个彼此电学隔离的电极。如 果对第一电极施加交流电压并对第二电极施加同样大小但反相存在的 交流电压，那么推杆4由于压电元件2在轴向上不对称的变形而产生 弯曲振荡。推杆4的往复运动向膜片1上传递交变力矩。振荡频率在 此相应于反相膜片模式的固有频率。
通过推杆4的强制运动，振荡器内存在的第一固有模式或基本模 式不会受到激励，这对于包括这里未示出的、与驱动/接收单元2连接 的反馈电子装置在内的整个振荡系统来说是具有优点的。
图1的双晶片驱动装置可以设计为直至最大15(TC都能行使功能， 而推杆驱动装置则可以直至高于30(TC下使用。应用极限不受振荡材料 本身的限制，而是受到所使用的压电材料限制。在过程压力负荷方面， 推杆4与双晶片实施方案相比提供附加的优点，这是因为推杆4使膜 片稳定化并因此可以传递更高的压力负荷。
如果观察图4所示的振荡模式(虚线)，那么可以看到如下的一 个位置，在该位置上由于膜片1的反相运动而不存在或者仅存在非常 小的运动。确切地说是膜片中心的一个点或横向于对称轴线的一条线， 其几乎是不运动的。如果将推杆4固定在膜片中心的附近，则不再存 在自由膜片的基本模式，这是因为在轴向的Z轴方向上的自由度受到 推杆限制，也就是说，基本模式被止动。因此，存在于振荡器内的第 一固有模式是反相的膜片运动，也就是膜片1的第一谐波，这样在电
18子装置设计方面提供了优点。附加的优点见于压力范围内。推杆提高
了处于过程压力下的膜片1的稳定性。对于具有厚度为0.8mm的、3/4 英寸大的膜片1的传感器，可达到的最大过程压力处于100巴的数量 级，而无需担心塑性变形。此外，具有优点的是，推杆4可以直接作 为驱动装置使用。为此轴向极化的压电元件8以半侧隔离的电极(对 称轴线的右侧和左侧)张紧到推杆4之间。在对一个电极施加交流电 压并反相地对另一电极施加交流电压(通过所施加的交流电压信号的 两个信号变化曲线来表示)的情况下，压电元件2横向于对称轴线地 将依赖于时间的转矩传递到推杆4上。该转矩通过弹性的连接件直接 传递到膜片1上。膜片1反相的振荡模式的激励频率在此相应于膜片1 的反相弯曲模式。整个膜片1以基波振荡朝相同方向运动的同相模式 不能通过驱动装置2发生振荡。
图5示出振荡产生的另一方案，其中，驱动/接收单元2安装在止 动单元4的侧上。膜片1在这种情况下处于振荡中。在这里同样产生 弯曲运动，弯曲运动激励推杆4屈曲运动。这种振荡产生也可以将线 圈设置在止动单元4上的方式产生。在该图示中，还可以看到夹紧装 置3的上部作为环6，该环6与主体7牢固连接。
图6a示出压电元件8，例如其可以用于驱动/接收单元那样。元件 8呈盘状地带有圆形或者椭圆形的表面，利用该表面优选也固定在膜片 上。极化在此优选分布在轴向上，也就是说，在安装状态下垂直于膜 片平面。在这种构造方案中，在此元件8两个区域9的极化彼此相反 地指向。这一点通过正号或负号表示。
在图6b和6c中示出了如下的情况，通过电极IO对压电元件8施 加交流电压(图6b中具有+E的状态和图6c中具有-E的状态)。元件 8的下部面在这里完全接地。根据施加的电压，区域9收縮或伸展，从 而交流电压也产生压电元件8厚度的相应振荡。这时，优点在于，唯 一的压电元件8大致产生两部分运动。通过与膜片的配合连接，膜片的各一个分区-分别在依赖于分区处于压电元件8的哪个区域上方的 情况下-进行本身的振荡，其中此外，处于压电元件的区域上方的分 区的振荡是反相的。此外，不允许该压电元件8激励膜片的基本模式。
为使分区各自承受相同的力或也为使探测时振荡的灵敏度同样各
自等大，压电元件1分离的区域9分别具有基本相同的尺寸。
图7示出针对驱动/接收单元2或压电元件8以及膜片1的构造方 案的三种示例性方案。
图7a示出固定在膜片1内侧上的压电元件8。膜片1在这里应被 激励产生如下的振荡，其中，两个对称的分区彼此反相地振荡。也就 是大致激励第一谐波。膜片1在此为圆形，从而两个分区各自形成一 个半圆。膜片1在此-在这里未示出地-在其边缘上力配合地与过程 连接部连接。
压电元件8在轴向上轴向极化，也就是说，极化与膜片平面垂直 地分布。压电元件8上安装有两个对称的电极10。为了产生振荡而向 电极IO分别发出反相信号。当特别地为交流电压信号时，那么压电元 件8的区域9分别实施反相的厚度振荡，也就是说， 一个区域收縮， 这样另一个区域伸展。
特别是在这里压电元件8的两个区域9之间的分离区处于膜片1 的分离区或分界线的上方，从而压电元件8的一个区域恰好处于膜片1 的一个分区的上方(或从过程侧来看处于膜片1的一个分区的下方)。 也就是说，这里圆形的压电元件8设置在这里圆形膜片1的中心。压 电元件8在此例如为陶瓷或者在另一构造方案中为单晶体。
在图7b中，两个电极10电短接。在此，在这里特别地能导电地 构造的膜片1与另一个电极连接。将交流电压施加到压电元件8的或膜片1的电极10上，从而产生振荡。
图7c示出另一构造方案，其中，压电元件8安装在膜片1的一个 分区的下方。压电元件8在这里完全用于产生相应分区的振荡。在这 里同样将交流电压信号施加到膜片1的或压电元件8的电极上。整体 上，膜片l两个对称的、也就是等大的分区由此也反相地振荡。
因此，在依据本发明的测量装置中，将由膜片分区的反相振荡组 成的膜片谐波用于确定和/或者监测过程变量。作为选择可以这样表达， 即，激励膜片产生如下的振荡模式，该振荡模式处于基本模式或者具 有最低固有频率的模式的上方，以及该模式的特征在于，膜片彼此对 称的分区进行反相振荡。在此，测量从膜片1与介质之间的相互作用 出发或从介质对机械振荡特征值的作用出发。
谐波在此例如这样产生，即，驱动/接收单元只能产生谐波或者相 配地抑制膜片的基波。
图8以剖切的方式示出膜片振荡器的另一构造方案。在这里，膜 片振荡器是一种俯仰驱动装置。俯仰件处于膜片1后面，也就是处于 远离介质侧上，该俯仰件由在这里与膜片1的面基本上平行地设置的 连接片11以及两个承载单元13组成。因此，通过承载单元13将连接 片ll与膜片l机械地耦合。在这里所示的情况下，俯仰件呈U字形一
体地构造。在这里圆形的膜片1中，在此连接片11相当于与膜片1平 行的圆的加宽的对角线。
在膜片1的上方设置有止动单元4，止动单元4穿过连接片11的 中心。止动单元4和连接片11因此分段地穿过。驱动/接收单元2夹紧 地处于止动单元4端部上的柱头与连接片11之间，在这里驱动/接收单 元2构造为压电元件8。止动单元4穿过圆形压电元件8的中心。压电 元件8 -如上面详细介绍的那样-具有两个彼此相反极化的区域。当向该元件8施加电压时，那么这导致连接片11的一侧移向膜片1的方 向而另一侧远离膜片移开。也就是说，特别是连接片的端区12呈现出 反相运动。因此，通过交流电压获得连接片11的俯仰运动。
在此，两个承载单元13仅以其最靠外的部位上接触膜片1，从而
几乎对膜片1的机械特性没有影响。附图标记列表 表1
1膜片
2驱动/接收单元
3夹紧装置
4止动单元
评估单元
6环
7旋接件
8压电元件
9压电元件的区域
10电极
11连接片
12连接片的端区
13承载单元
2权利要求
1.用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量的装置，所述装置具有至少一个拥有大量自然固有模式的可机械振荡的膜片(1)以及至少一个激励/接收单元(2)，所述激励/接收单元(2)激励所述膜片(1)机械振荡和/或者从所述膜片(1)接收机械振荡，其特征在于，所述驱动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)仅进行与处于所述膜片(1)的基本模式之上的模式相应的机械振荡。
2. 按权利要求l所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2) 和所述膜片(1)被构成和/或者彼此相对设置为使得基本上阻止所述膜 片(1)出现与所述膜片(1)的所述基本模式相应的机械振荡。
3. 按权利要求l或2所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单 元(2)基本上仅激励所述膜片(2)振荡。
4. 按权利要求1至3至少之一所述的装置，其特征在于，所述驱 动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)实施这样的机械振荡，S卩，膜片(1)形成2*n个分区以及各自 相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。
5. 按权利要求1至3至少之一所述的装置，其特征在于，所述驱 动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得所述膜片(1)实施这样的机械振荡，S卩，膜片(1)形成2*n个对称分区以及 各自相邻的分区进行反相运动，其中，n为自然数。
6. 按权利要求l至5至少之一所述的装置，其特征在于，所述膜 片(1)靠近所述介质的一侧不具有可振荡的单元。
7. 按权利要求1至6至少之一所述的装置，其特征在于，所述驱 动/接收单元(2)和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在所述膜 片(1)在无介质时振荡的情况下，所述膜片(1)以大于2kHz的频率 机械振荡。
8. 按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2) 和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在所述膜片(1)在无介质 时振荡的情况下，所述膜片(1)以大于5kHz的频率机械振荡。
9. 按权利要求8所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2) 和所述膜片(1)被构成和相互协调为使得在膜片(1)在无介质时振 荡的情况下，所述膜片(1)以大于20kHz的频率机械振荡。
10. 按权利要求1至9至少之一所述的装置，其特征在于，所述 膜片(1)呈圆形或者椭圆形或者矩形或者正方形。
11. 按权利要求1至IO至少之一所述的装置，其特征在于，所述 膜片(1)固定在至少一个夹紧装置(3)上。
12. 按权利要求1至11至少之一所述的装置，其特征在于，具有 至少一个评估单元(5)，所述评估单元(5)在所述过程变量方面对 所述膜片(1)的机械振荡进行评估。
13. 按权利要求12所述的装置，其特征在于，所述评估单元(5) 至少在如下方面对机械振荡进行评估，即所述介质是否至少部分覆 盖所述膜片(1)。
14. 按权利要求1至13至少之一所述的装置，其特征在于，所述 驱动/接收单元(2)具有至少一个压电元件(8)。
15. 按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8) 被构成和/或者触点接通为使得所述压电元件(8)具有至少两个分离的 区域(9)，以及所述压电元件(8)被这样设置并与所述膜片(1)连 接，使得所述压电元件的所述两个分离的区域(9)分别激励所述膜片(1)的一个分区机械振荡。
16. 按权利要求15所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8) 的所述至少两个分离的区域(9)之间的分离区基本上设置在所述膜片(1) 的所述分区之间的分离区附近。
17. 按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述压电元件(8) 被这样设置并与所述膜片(1)连接，使得所述压电元件(8)激励所 述膜片(1)的分区机械振荡。
18. 按权利要求14所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元(2) 具有至少两个压电元件(8)，以及所述压电元件(8)在不同的 区域上与所述膜片(1)连接。
19. 按权利要求18所述的装置，其特征在于，所述压电元件(16) 使所述膜片(1)产生弯曲变形。
20. 按权利要求1至19至少之一所述的装置，其特征在于，具有 至少一个止动单元(4)，所述止动单元(4)被这样构成并与所述膜 片(1)连接，使得所述膜片(1)的所述基本模式的振荡被所述止动 单元(4)阻止。
21. 按权利要求20所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4) 固定在所述膜片(1)远离所述介质的一侧上。
22. 按权利要求21所述的装置，其特征在于，所述止动单元(4)基本上固定在所述膜片(1)的中心。
23. 按权利要求20至22至少之一所述的装置，其特征在于，所 述驱动/接收单元(2)被这样构成并与所述止动单元(4)连接，使得 所述驱动/接收单元(2)通过所述止动单元(4)激励所述膜片(1)机 械振荡。
24. 按权利要求23所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元 (2)在远离所述膜片(1)的一侧上与所述止动单元(4)机械地连接。
25. 按权利要求24所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元 (2)基本上产生屈曲运动。
26. 按权利要求23所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元 (2)沿所述止动单元(4)的对称轴线与所述止动单元(4)机械地连接，特别是力配合地连接。
27. 按权利要求26所述的装置，其特征在于，所述驱动/接收单元 (2)沿所述对称轴线使所述止动单元(4)产生弯曲运动。
28. 按权利要求1至27至少之一所述的装置，其特征在于，具有 至少一个连接片(11);所述连接片(11)与所述膜片(1)机械地耦 合；以及所述驱动/接收单元(2)被这样构成并与所述连接片(11)连 接，使得所述连接片(11)至少暂时基本上实施俯仰运动。
29. 按权利要求28所述的装置，其特征在于，所述连接片(11) 通过至少两个承载单元(13)与所述膜片(1)机械地耦合。
30. 按权利要求29所述的装置，其特征在于，所述连接片(11) 和所述两个承载单元(13) —体地构成。
31. 按权利要求28至30至少之一所述的装置，其特征在于，所 述止动单元(4)基本上设置在所述连接片(11)的中心。
32. 按权利要求28至31至少之一所述的装置，其特征在于，所 述驱动/接收单元(2)基本上设置在所述连接片(11)的中心。
33. 按权利要求28至32至少之一所述的装置，其特征在于，所 述止动单元(4)贯穿所述连接片(11)或者所述连接片(11)贯穿所 述止动单元(4);以及所述驱动/接收单元(2)呈环形；其中，所述 止动单元(4)贯穿伸出所述环形的驱动/接收单元(2);或者其中， 所述环形的驱动/接收单元(2)贯穿伸出所述止动单元(4)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定和/或者监测介质的至少一个过程变量的装置，该装置具有至少一个具有大量自然固有模式的可机械振荡的膜片(1)以及具有至少一个激励/接收单元(2)，该激励/接收单元(2)激励膜片(1)产生机械振荡和/或者从膜片(1)接收机械振荡。依据本发明，驱动/接收单元(2)和膜片(1)这样构成和相互协调，使膜片(1)仅进行处于膜片(1)的基本模式之上的模式相应的机械振荡。
文档编号G01N11/16GK101611294SQ200780050018
公开日2009年12月23日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年1月16日
发明者萨沙·德安热利科, 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