专利名称：用于确定和/或监测介质的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可机械振动的单元，所述装置具有至少一个转换单元，所述至少一个转换单元从激励信号出发激励所述可机械振动的单元发生机械振动，并且所述至少一个转换单元接收所述可机械振动的单元的机械振动并且将所述机械振动转换成接收信号，其中，所述转换单元具有至少一个压电元件，所述装置具有至少一个电子单元，所述至少一个电子单元向所述转换单元施加激励信号，并且所述至少一个电子单元从转换单元中接收所述接收信号，所述装置具有至少一个补偿元件，所述至少一个补偿元件向所述电子单元施加激励信号，并且所述电子单元从所述至少一个补偿元件中接收补偿信号。所述过程变量例如是在容器中介质的料位(FUllStand)、密度或者粘度。所述介质例如是液体或者散装物料 (Schiittgut) 。
背景技术：
在现有技术中公知所谓的振动叉，利用该振动叉，可以监测介质在容器中的料位。 在此，通过压电的转换元件，激励振动叉形式的可机械振动的单元发生共振。用于激励振动或接收振动的例如是，带有各至少一个发送和接收压电(Sende-und Empfangspiezo)的两件式的压电驱动装置(例如DE 39 31 453 Cl)或者仅带有一个压电元件的单件式的压电驱动装置(例如DE 197 20 519 Al)。在单压电技术中，一个压电元件既用作发射器，又用作接收器，也就是说，如下压电还接收机械系统的振动，通过该压电激励所述机械系统处在其共振情况下。向压电所施加的激励信号在此例如是矩形的交流电压。在矩形信号的边沿上使压电电容换向，由此形成充电和放电电流。此外，在脉冲期间流入的是，相应于机械运动的电流。所产生的电流能够通过测量电阻转换成电压并且加以评估。因为压电电容的充电和放电电流不包含关于机械振动的信息，所以涉及到不希望的副作用，所述副作用在现有技术中(参见DE 197 20519 Al)例如借助于参考电容器来抑制。这例如发生在测量电桥中，其中以如下方式来校正补偿电容器，即，使该补偿电容器相应于压电电容。如果在运行中，也就是在测量中，向转换元件(也就是压电元件)和补偿电容器施加相同的激励信号，那么(在电容相同的情况下)两者都在再充电过程或者再充电峰值(或者再充电电流)方面通过电容性分量在各自可截取的电压中显示出相同的特性。可从转换单元截取的电压尤其是接收信号，该接收信号因此承载着充电/放电曲线和真正的、代表可机械振动的单元的机械振动的有用信号(Nutzsignal)。如果将两个电压相减(或者即使在前面提及的反向之后进行相加的情况下)，那么从接收信号中仅仅还剩下真正的、承载着关于可机械振动的单元(这里是振动叉)的机械振动的信息的有用信号。在使用补偿电容器时的问题在于，该补偿电容器显示出与压电的转换元件不同的老化特性以及还有温度特性。大多数情况下，针对电容器使用具有介电常数的相对低的温度系数的原料。与之相反，例如基于PZT基底(锆钛酸铅)的压电原料具有介电常数的非常高的温度系数。因此显示出相应电容的明显不同的温度特性。PZT原料的介电特性也随着时间变化(老化)。因此，关于温度方面并且也关于时间方面，按现有技术可能导致补偿失调(Verstimmung)。
发明内容
因此，本发明的任务在于，在温度稳定性方面并且优选也在压电原料的老化效应方面，改善现有技术的补偿。按本发明，该任务通过以下方式得以解决，即，补偿元件具有至少一个至少部分地由压电材料或压电原料制成的元件。在一种构造方式中，补偿元件与至少部分地由压电材料(例如由极化的或者非极化的或者去极化的压电陶瓷)制成的元件相同。因此，与现有技术不同，在本发明中不使用用于补偿的电容器。按本发明，优选至少部分地由与转换单元的压电元件相同的原料制成的元件用于补偿。这具有以下优点，即， 介电常数的温度系数几乎是相同的并且因此关于温度的补偿保持稳定。那就是说，两个元件经受类似的老化过程。此外，在相应地机械解耦的情况下，将补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件例如集成到转换元件中，从而使得两个元件不仅暴露在同一温度影响下，而且也相同地进行接触。对于这种情况来说，必要时还需要特别的构造方式，由此，补偿元件不记录可机械振动的单元的运动，也不产生取决于该运动的信号。一种构造方式包括转换单元正好具有一个压电元件。因此，转换单元仅由一个压电元件组成，该压电元件不仅用于产生振动，而且用于检测振动。一种构造方式设置补偿元件正好具有一个至少部分地由压电材料制成的元件。 因此，在该构造方式中，补偿元件例如由压电原料例如基于PZT基底或者带有钛酸钡的压电原料制成的极化的或者去极化的或者非极化的陶瓷组成。一种构造方式设置补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件基本上具有与转换单元的压电元件相同的介电材料特性。在另一构造方式中，相应地设置相同的几何尺寸。在对此可供选择的构造方式中，也就是在给出了补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件和转换单元的压电元件的不同的尺寸设定的情况下，相应地不同地对信号进行加权或者放大。此外，两个压电元件尤其优选来自相同的生产批次(Fertigungs-Charge)。因此，在该构造方式中，补偿元件的元件和转换单元的元件基本上具有相同的相关材料特性， 并且在另一构造方式中还具有相同的相关尺寸设定，也就是说，其特性和老化基本上相同。一种构造方式设置补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件基本上是去极化的或者非极化的。在该构造方式中，向补偿元件施加激励信号不会导致该补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件本身出现机械振动，或者，在补偿元件中通过机械振动不会产生电信号/电压。通过使用去极化的或者非极化的或者基本上没有极化的补偿元件， 显示出在老化和温度依赖性方面几乎相同的特性，从而对再充电电流进行稳定的补偿。一种构造方式包括补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件和可机械振动的单元彼此基本机械解耦。在该构造方式中，通过取消由于压电特性原则上在机械方面对振动敏感的或者还能振动的补偿元件与可机械振动的单元之间的机械联接/接触，也就是说通过解耦，可从补偿元件中截取的电信号不承载关于可振动的单元的振动的信息，而是基本上仅承载着通过其电容表征的充电/放电曲线。因此，在该构造方式中，补偿元件的压电元件可以要么是极化的，要么是非极化的。在另一构造方式中，补偿元件以如下方式构造并且相对于可机械振动的单元布置，即，使得补偿元件的极化的定向引起相对于可机械振动的单元的解耦。例如，所述极化平行于可机械振动的单元的膜片，在该膜片上固定有补偿元件。一种构造方式设置补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件以如下方式构造并且与可机械振动的单元机械地联接，即，使得如下电信号基本上相互补偿，所述电信号由通过可机械振动的单元作用于补偿元件的至少部分地由压电材料制成的元件上的机械力产生。因此，在该构造方式中，机械振动在压电元件中产生电信号。然而，所述信号相互补偿，使得可从补偿元件中截取的总信号不受机械振动或者机械力的影响。因此，在该构造方式中，尤其重要的是，合适地放置补偿元件的至少部分地由压电材料/原料制成的元件。 在膜片振动器(Membran-Sctwinger)中，这一点例如能够以如下方式来实现，即，将用于补偿的压电元件放置在作为可机械振动的元件的膜片的内侧上，从而使得其外表面在中间被波节区域(中线)基本上对称地分开。这适用于第二模式的振动。由此补偿通过振动在补偿元件的压电元件中形成的电信号。因此，仅出现表征压电电容的充电/放电曲线。这具有以下优点，即，能够将补偿元件的压电元件极化或者保持不变，并且该补偿元件的压电元件还暴露在与转换单元的压电元件相同的载荷下。因此，温度和老化像作用到转换单元上那样以相同程度作用到补偿元件上。一种构造方式包括可机械振动的单元是可振动的膜片或者单杆或者振动叉。一种构造方式设置过程变量是在容器中介质的料位、粘度或密度。
结合下面的附图对本发明进行详细解释。其中图1示出按本发明的测量仪的应用的示意性的例子，图2示出按现有技术的、用于补偿充电/放电曲线的电路，图3示出按本发明的电路，以及图如和图4b示出按本发明的测量设备的膜片的俯视图和剖面。
具体实施例方式在图1中示意性地示出借助于按本发明的测量设备来监测容器11中介质10的料位。在这里，可机械振动的单元1构造成振动叉，其中，两个叉尖固定在膜片上。所述可机械振动的单元1的振动取决于与介质的接触，并且因此取决于被介质遮盖的程度或者说取决于介质的料位，但也取决于介质特性例如密度或粘度。这些过程变量可以相应地从振动的特征量(例如频率、振幅或相对于激励信号的相位)中求得，或者能够由此指明变化。可机械振动的单元1与转换单元机械地联接，该转换单元从电激励信号出发激励可机械振动的单元1发生机械振动，并且反过来，该转换单元从可机械振动的单元1中接收机械振动并且转换成电接收信号。所述信号大多数情况下是电交流电压信号。所述激励信号例如是矩形信号。在现有技术中，例如常见的是，转换单元例如由两个压电元件或者由一个压电元件组成。在第一种情况下，发送和接收信号的任务交给两个单元。在第二种情况下，由一个
6压电元件既产生振动又检测振动。这使得压电元件的电容特性在接收信号中产生影响。在激励信号的边沿上发生压电元件的再充电现象，所述再充电现象在接收信号中作为充电和放电曲线示出。这些曲线叠加在作为关于可机械振动的单元的振动信息的载体的实际的有用信号上，并且这些曲线本身仅仅取决于压电元件的电特性。因此，有利的是，这些曲线渐渐隐没(ausblenden)并且仅仅以纯粹的振动信号来工作。在图2中示出现有技术的电路，在该电路中，充电和放电曲线得以去除。在这里，与转换单元2的压电元件并行地设置有电容器作为补偿元件4。由电子单元3向转换单元2和补偿元件4施加相同的激励信号，例如矩形信号。除了电阻R之外，在图2中还示出相应的可截取的电压信号。如可以很好地看出的那样，补偿元件4的电压信号仅示出电容器的典型的充电或者放电特性。在转换单元2 上的电压分布中示出的是可机械振动的单元的真正的正弦形的振动信号与充电和放电曲线的叠加。如果补偿元件4的电容器具有与转换单元2的压电元件一样的电容，那么两者都具有相同的充电和放电曲线。因此，两个信号的差仅仅还具有依赖于可机械振动的单元的振动的正弦信号形式的、真正的有用信号。所述差也在这里示出。在现有技术中的可供选择的构造方式中，在使信号反向之后，将两个信号相加。现有技术中的该方法的缺点在于，转换单元2和用于补偿的电容器4的电容不总是相同。因此，表现出不同的老化特性并且也表现出对温度的依赖性。因此，所述补偿仅仅在一定范围内是稳定的。在图3中示出用于实现本发明的例子。在这里，补偿元件4 (如转换单元2那样) 仅仅由一个如下元件组成，该元件由压电材料或原料制成。尤其是，补偿元件4和转换单元 2的两个元件由相同的原料制成并且优选也来自相同的生产批次。优选地，两个压电元件 2、4基本上安置在相同的地方，也就是说它们暴露在相同的环境温度和载荷之下。在这里示出的电子单元3中，从两个压电元件2、4截取的电压信号到达差动放大器上。因此，在这里将两个信号相减，从而仅剩下正弦形的并且承载着关于可机械振动的单元的振动的信息的有用信号，转换元件与该可振动的单元机械地联接。然后，还将该信号输送给(在这里未示出的)评估装置。此外，将该信号放大作为转换单元2的激励信号并且再次输送给补偿元件4。在可供选择的构造方式中，将接收信号和补偿信号分开地在电子单元3中进行评估和处理。补偿元件4在一种构造方式中尤其仅由一个压电元件构成，在该补偿元件4的构造方式和安置方式方面，应该注意的是，可从补偿元件4上截取的、用于补偿的信号本身不受机械振动的影响。也就是说，补偿信号应该仅承载着充电或者放电曲线。因此，具有优点地，补偿元件由于构造方式和安置方式而暴露在与转换单元一样的温度以及尽可能也相同的机械载荷之下。然而，补偿元件的信号同时应该与可机械振动的单元的机械振动无关。因此，在一种构造方式中，补偿元件4的压电元件是去极化的或者非极化的。在另一种构造方式中，补偿元件4与可机械振动的单元机械解耦，例如通过相应的减震元件或者通过基本上无接触的安置方式来实现。在图如和图4b中示出第三变型方案。图如示出按本发明的测量装置的圆形的膜片5的俯视图。转换单元2的压电元件由两个相对于膜片5的中轴线对称地构造的半圆面组成。两个分面各自不仅充当机械振动的发生器，而且充当机械振动的接收器。在这些分面之间的中间，布置有构造为压电元件的补偿元件4。压电元件4矩形地构造，其中，窄的侧相应于膜片5地被倒圆。补偿元件4 自身相对于膜片5的虚线画出的中轴线对称地布置和构造。因此，在该结点状区域内，补偿元件4沿着该中线几乎“被分成”两个大小完全相同的分元件。这具有以下优点，即，可振动的单元的振动对补偿元件4的影响在所述可机械振动的单元实施第二种模式的振动的情况下相互补偿。补偿元件4的构造方式和安置方式也取决于哪种振动模式被激发。在图4b中示出壳体6和膜片5的剖面。以虚线记入的是膜片5的中垂线，该中垂线因此垂直于膜片5的在图如中画出的中轴线。此外，膜片5的振动运动以非常夸大的方式用虚线画出。如可以很好地看出的那样，补偿元件4的一半经历向内的运动，而另一半经历向外的运动，也就是说，通过机械运动在补偿元件4中产生的应力正好相互补偿，从而使得可从补偿元件4截取的电压信号与机械振动无关。补偿元件4的压电元件和转换单元2的压电元件处于一个平面内并且两者通过膜片5与介质靠近地接触。在这里，可机械振动的单元作为例子仅仅是如下的膜片，该膜片安置在壳体6上并且该壳体在一侧封闭，也就是说，示出的是所谓的膜片振动器。附图标记列表1可振动的单元
2转换单元
3电子单元
4补偿元件
5膜片
6壳体
10介质
11容器
权利要求
1.用于确定和/或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可机械振动的单元(1)，所述装置具有至少一个转换单元(2)，所述至少一个转换单元从激励信号出发激励所述可机械振动的单元(1)机械振动，并且所述至少一个转换单元接收所述可机械振动的单元(1)的机械振动并将该机械振动转换成接收信号，其中，所述转换单元( 具有至少一个压电元件， 所述装置具有至少一个电子单元(3)，所述至少一个电子单元向所述转换单元( 施加所述激励信号，并且所述至少一个电子单元从转换单元O)中接收所述接收信号， 并且所述装置具有至少一个补偿元件(4)，所述至少一个补偿元件向所述电子单元C3)施加所述激励信号，并且所述电子单元 (3)从所述至少一个补偿元件接收补偿信号， 其特征在于，所述补偿元件(4)具有至少一个至少部分地由压电材料制成的元件。
2.按权利要求1所述的装置， 其特征在于，所述转换单元( 正好具有一个压电元件。
3.按权利要求1或2所述的装置， 其特征在于，所述补偿元件(4)正好具有一个至少部分地由压电材料制成的元件。
4.按权利要求1至3中任一项所述的装置， 其特征在于，所述补偿元件的所述至少部分地由压电材料制成的元件基本上具有与所述转换单元O)的压电元件相同的介电材料特性。
5.按权利要求1至4中任一项所述的装置， 其特征在于，所述转换单元( 的压电元件和所述补偿元件(4)的所述至少部分地由压电材料制成的元件基本上由相同的压电材料制成。
6.按权利要求1至5中任一项所述的装置， 其特征在于，所述补偿元件(4)的所述至少部分地由压电材料制成的元件基本上是去极化的或者非极化的。
7.按权利要求1至6中任一项所述的装置， 其特征在于，所述补偿元件的所述至少部分地由压电材料制成的元件和所述可机械振动的单元(1)彼此基本机械解耦。
8.按权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述补偿元件的所述至少部分地由压电材料制成的元件以如下方式构造并且与所述可机械振动的单元(1)机械地联接，即，使得由通过所述可机械振动的单元(1)作用于所述补偿元件的所述至少部分地由压电材料制成的元件上的机械力所产生的电信号基本上相互补偿。
9.按权利要求1至8中任一项所述的装置， 其特征在于，所述可机械振动的单元(1)是可振动的膜片或者单杆或者振动叉。
10.按权利要求1至9中任一项所述的装置， 其特征在于，所述过程变量是在容器中介质的料位、粘度或密度。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定和/或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可机械振动的单元(1)至少一个转换单元(2)，其从激励信号出发激励可机械振动的单元(1)机械振动，并且接收可机械振动的单元(1)的机械振动并将该机械振动转换成接收信号，其中，转换单元(2)具有至少一个压电元件；至少一个电子单元(3)，其向转换单元(2)施加激励信号并且从转换单元(2)接收所述接收信号；和至少一个补偿元件(4)，其向电子单元(3)施加激励信号并且电子单元(3)从至少一个补偿元件中接收补偿信号。根据本发明，补偿元件(4)具有至少一个至少部分由压电材料制成的元件。
文档编号G01N29/02GK102177421SQ200980139920
公开日2011年9月7日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年10月7日
发明者奥利弗·施密特, 谢尔盖·洛帕京, 马丁·乌尔班 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司