振动传感器的制作方法

本发明涉及一种用于确定和/或监视介质的至少一个过程变量的振动传感器及用于操作该振动传感器的方法。

背景技术：

振动传感器广泛应用于过程和/或自动化技术。在料位测量装置的情况下，它们包括至少一个机械可振荡单元，诸如例如振荡叉、单杆或膜。这种机械可振荡单元在工作期间通过通常呈机电换能器单元形式的驱动/接收单元激发，以执行机械振荡。机电换能器单元可以例如是压电驱动器或电磁驱动器。然而，在流量测量装置的情况下，机械可振荡单元也可以实施为诸如例如在根据科里奥利原理工作的测量装置中的可振荡管，介质流经该可振荡管。

各种各样的相应现场设备由申请人生产，并且在料位测量装置的情况下，例如以商标liquiphant和soliphant销售。基础测量原理从大量出版物中得知。驱动/接收单元使用电的激励器信号来激励机械可振荡单元，以执行机械振荡。另一方面，驱动/接收单元可以将从机械可振荡单元接收的机械振荡转换为电的接收信号。驱动/接收单元或者是单独的驱动单元和单独的接收单元，或者是组合的驱动/接收单元。

在这种情况下，驱动/接收单元通常是反馈电振荡电路的一部分，借助该反馈电振荡电路发生机械可振荡单元的激励以执行机械振荡。例如，对于谐振振荡，必须满足振荡电路条件，根据该条件，放大系数为≥1，并且振荡电路中出现的所有相位总和必须为360°的倍数。

为了激励和满足振荡电路条件，必须确保激励器信号与接收信号之间有一定的相移。因此，通常，针对相移调谐可预定值，因此是激励器信号与接收信号之间的相移的期望值。为此，从现有技术中得知模拟方法和数字方法两者的各种解决方案。原理上，相移的调谐可以例如通过使用合适的滤波器来执行，或者也可以借助控制回路来控制为可预定相移，即期望值。例如，从de102006034105a1得知的是使用可调谐移相器。相反，在de102007013557a1中描述了具有用于附加控制振荡的幅度的可调放大倍数的放大器的附加集成。de102005015547a1公开了全通滤波器的应用。此外，相移的调谐也可以借助频率搜索操作来进行，诸如例如在de102009026685a1，de102009028022a1和de102010030982a1中所公开的。然而，相移也可以借助锁相回路(pll)控制到可预定值。基于此的激励方法是de00102010030982a1的主题。

激励器信号以及接收信号均以其频率f、振幅a和/或相位φ为特征。相应地，这些变量的变化通常被考虑用来确定感兴趣的过程变量，例如容器中的介质的预定料位、或者还有介质或流体的密度和/或粘度、或通过管道或管的介质的流量。在用于液体的振动极限液位开关的情况下，例如可以区分振荡单元是被液体覆盖还是自由振荡。在这种情况下，例如基于不同的谐振频率，进而基于频移来进行区分这两个状态，即自由状态和被覆盖状态。当可振动单元被介质覆盖时，密度和/或粘度依次地可以仅用这种测量装置确定。

如例如de10050299a1所述，介质的粘度可以借助振动传感器根据相位与频率曲线(φ＝g(f))来确定。该过程基于可振荡单元的阻尼对相应介质的粘度的依赖性。在这种情况下，粘度越小，相位与频率曲线的斜率越陡。为了消除密度对测量的影响，根据由两个不同相位值产生的频率变化、进而借助相对测量来确定粘度。在这点上，或者可以设定两个不同的相位值并且可以确定关联的频率变化，或者移动穿过预定频带并且当达到至少两个预定相位值时被检测到。

此外，从de102007043811a1得知，为从本征频率和/或谐振频率和/或相位的变化确定粘度的变化，和/或根据对应地提供的可振荡单元的振荡对相应介质的粘度的依赖性来确定粘度。同样在该过程的情况下，必须要考虑粘度对介质密度的依赖性。

从de10057974a1中得知一种用于确定和/或监视介质密度的方法及装置，借助该方法和装置，例如粘度的至少一个干扰变量对机械可振荡单元的振荡频率的影响可以被确定并相应进行补偿。此外，在de102006033819a1中描述了激励器信号与接收信号之间的可预定相移的设定，在这种情况下，介质的粘度变化对机械可振荡单元的机械振荡的影响可忽略。在这种情况下，密度基本上根据以下公式确定

其中，k为机械可振荡单元的密度灵敏度，f0,vak为真空中的机械振荡的频率，c和a分别是机械可振荡单元的线性温度系数和二次温度系数，t为过程温度，f0,med为介质中的机械振荡的频率，d为压力系数和p为介质的压力。

在测量值在某个可预定相移下与粘度无关的经验导出的假设的情况下，所描述的测量原理的适用性的限制产生。因此，必须确定特定介质的最大允许粘度，密度确定的测量原理直至最大允许粘度实现完全精确测量。

在所提及的装置和方法的实例中，缺点在于，一方面为了确定介质的粘度，必须考虑其密度，且反之亦然。另一方面，各种测量原理都是基于经验确定的关系。在给定情况下，由此导致在密度和粘度的确定上的不准确性以及可能的应用领域的限制。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是扩大用于借助振动传感器确定密度和/或粘度的应用范围。

该目的通过装置权利要求1的特征以及方法权利要求10的特征来实现。

根据本发明，提供了一种用于确定和/或监视至少容器中的介质的密度和/或粘度的振动传感器，其包括至少一个机械可振荡单元、驱动/接收单元和电子单元。驱动/接收单元被实施成借助电的激励器信号激励机械可振荡单元以执行机械振荡，并且接收机械可振荡单元的机械振荡并将其转换成电的接收信号。此外，电子单元被实施成：从接收信号开始产生激励器信号，使得在激励器信号与接收信号之间存在可预定相移；设定至少第一可预定相移和第二可预定相移；确定对应于相应可预定相移的第一频率和第二频率；以及从两个频率借助第一解析公式确定介质的密度和/或借助第二解析公式确定介质的粘度。特别地，可以以可预定时间间隔交替设定第一相移和第二相移。因此，密度和/或粘度确定的经验基础根据本发明被解析基础取代。通过该过程，可振荡单元与介质之间的相互作用被考虑在内。根据本发明，为此，电子单元必须被实施成用于估测在激励器信号与接收信号之间的两个不同的可预定相移下的可振荡单元的频率。那么，对应振动传感器可普遍适用于可振荡单元可在其中执行振荡移动的所有粘性介质，并且适合于确定密度和粘度两者。此外，因为考虑了密度和粘度这两个变量的相互影响，所以与现有技术中已知的方法相比，本发明的解决方案提高了密度和/或粘度确定的精度。这在下面推导的基础上将更清楚地看出。

在特别优选的实施例中，第一可预定相移基本上等于+/-90°，第二可预定相移基本上等于45°或-135°。+/-90°的相移对应于与基础振荡模式对应的可振荡单元的谐振激励。在这种情况下，纯机械振荡器在-90°的第一可预定相移的情况下执行谐振机械振荡。对应地，第二可预定相移将是-135°。然而，考虑到电子单元和驱动/接收单元的相移，特别是在由申请人销售的liquiphant仪器的情况下，产生+180°的附加相移，使得第一可预定相移必须是+90°，且第二可预定相移是+45°。

此外，当可振荡单元布置在容器内的限定位置使得其在介质中延伸到可确定浸入深度时是有利的。

此外，当电子单元被实施成确定和/或监视容器中的介质的预定填充水平时是有利的。

在实施例中，可振荡单元是膜、单杆或振荡叉。

在实施例中，驱动/接收单元包括压电元件。替选地，驱动/接收单元是电磁驱动/接收单元。

在特别优选的实施例中，考虑到以由于包围可振动单元的介质产生的压缩力和摩擦力以及由于在介质内的可振动单元的同样形成的移动而产生的摩擦力的形式的可振荡单元与介质的相互作用，从可振荡单元的振荡移动的运动方程的解得出第一解析公式和/或第二解析公式。由于获得运动方程的解析解的目的，因此实际上对应于弯曲振荡的振荡移动被近似为扭转振荡。此外，用于两个叉齿中的每一个，两个不同尺寸的椭圆形柱体用作可振荡单元的几何形状的近似。

当电子单元被实施成基本上根据公式计算密度和/或根据公式计算粘度时，则是有利的，其中

以及

其中，θ是在未被介质覆盖的状态下的可振荡单元的振荡杆的质量惯性矩，

其中，ω0是无阻尼情况下的可振荡单元的角频率，

其中，dr(t)是膜的温度相关的抗扭刚度，

其中，γ是未被介质覆盖的可振荡单元的阻尼，

其中，和是几何相关参数，以及

其中，ω90和ω135是对应于激励器信号与接收信号之间的大致+/-90°和45°或-135°的可预定相移的频率。对于可振荡单元的角频率，假设在限定温度下在真空中的可振荡单元用于解析推导。然而，实际上空气中的阻尼可以忽略，因此对于下文中的“无阻尼情况”，假设可振荡单元未被介质覆盖。未被介质覆盖的可振荡单元的阻尼原理上描述了可振荡单元的固有阻尼。再次，在下文中忽略空气引起的阻尼。在这些公式中，在确定密度和/或粘度的情况下在解析模型中不使用压力相关性。然而，类似于在根据现有技术的方法的情况下，经验确定的多项式被考虑在内。

关于该方法，本发明的目的是借助一种用于借助振动传感器，特别是借助根据前述权利要求中的至少一项所述的振动传感器来确定容器中的介质的密度和/或粘度的方法来实现的，其中借助电的激励器信号激励可振荡单元以执行机械振荡，并且机械可振荡单元的机械振荡接收并转换成电的接收信号，并且其中激励器信号从接收信号开始产生，使得在激励器信号与接收信号之间存在可预定相移。根据本发明，设定至少第一可预定相移和第二可预定相移，其中，确定对应于相应可预定相移的第一频率和第二频率，并且其中，从两个频率借助第一解析公式确定介质的密度和/或借助第二解析公式确定介质的粘度。

在这种情况下，将第一可预定相移设定为大致+/-90°，并且将第二可预定相移设定为大致45°或-135°时是有利的。

实施例提出了在容器中监视介质的预定料位。

特别优选的实施例提出了，在考虑到如由于包围可振动单元的介质产生的压缩力和摩擦力以及由于在介质内的可振动单元的同样形成的移动而产生的摩擦力表示的可振荡单元与介质的相互作用的形成的情况下，从可振荡单元的振荡移动的运动方程的解得出第一解析公式和/或第二解析公式。为了获得运动方程的解析解的目的，实际上与弯曲振荡相对应的振荡移动近似为扭转振荡。此外，两个不同尺寸的椭圆形柱体用作可振荡单元的几何形状的近似，即一组用于两个叉齿中的每一个。这里，注意到，不限制一般性的情况下，也可以选择任何其它几何形状用于可振荡单元。然而，在这种情况下，几何系数必须相对应地适配。

当基本上根据公式计算密度和/或根据公式计算粘度时，则是有利的，其中

以及

其中，θ是在未被介质覆盖的状态下的可振荡单元的振荡杆的质量惯性矩，

其中，ω0是无阻尼情况下的可振荡单元的角频率，

其中，dr(t)是膜的温度相关的抗扭刚度，

其中，γ是未被介质覆盖的可振荡单元的阻尼，

其中和是几何相关参数，以及

其中，ω90和ω135是对应于激励器信号与接收信号之间的大致+/-90°和45°或-135°的可预定相移的频率。

总之，与现有技术相比，本发明提供以下优点：

-密度可以独立于介质的粘度确定，

-粘度可以独立于介质的密度确定，以及

-本发明的密度和/或粘度的解析公式比从现有技术得知的公式更准确。

附图说明

现在将根据附图更详细地描述本发明及其有利实施例，其附图示出如下：

图1是根据现有技术的振动传感器的示意图，

图2是振荡叉的示意图，以及

图3是使用椭圆形柱体的振荡叉的几何形状的近似的示意图。

具体实施方式

图1示出了振动传感器1。呈振荡叉形式的可振荡单元4被包括在振动传感器1中，其部分地延伸到位于容器3中的介质2中。借助激励器/接收单元5激励可振荡单元以执行机械振荡，激励器/接收单元5可以是例如压电叠层驱动器或双压电晶片驱动器。然而，应当理解，振动传感器的其它实施例也落入本发明的范围内。此外，示出了电子单元6，信号记录、评估和/或馈送借助该电子单元6发生。

图2示出了呈振荡叉形式的可振荡单元4，诸如集成到例如由申请人以商标liquiphant销售的振动传感器1中。振动叉4包括安装在膜8上的两个振荡杆7a、7b，也称为叉齿。为了致使振荡杆7a、7b执行机械振荡，通过材料粘合安装在背向振荡杆7a、7b的膜8的侧面上的驱动/接收单元5将力施加在膜8上。驱动/接收单元5是机电换能器单元，并且包括例如压电元件9，或也包括电磁驱动器。驱动单元5和接收单元构造为两个单独单元，或构造为组合的驱动/接收单元。在图2右侧的细节图中，详细示出了驱动/接收单元5。压电元件9布置在滑石盘10上，并装配有用于施加激励器信号以及用于分接接收信号的电极11。

在其中驱动/接收单元5包括压电元件9的情况下，施加到膜8的力通过例如以交流电压的形式施加激励器信号ua来产生。所施加的电压的变化引起驱动/接收单元5的几何形状的变化，由此引起压电元件9的收缩或膨胀，使得以激励器信号ua的形式的交流电压的施加引起通过材料粘合与驱动/接收单元5连接的膜8的振荡。

如上所述，本发明的目的是扩大用于借助振动传感器1确定密度和/或粘度的应用范围。目前，用于确定密度和/或粘度的方法是基于经验确定的假设。根据本发明，这些经验模型被用于描述振动传感器1在粘性介质中的振荡移动的解析模型取代。这种模型以前并没有。因此，现在将简要说明该模型的基础。

在理想的驱动单元5的假设下，可振荡单元4可被描述为谐波单质量振荡器。两个振荡杆7a、7b或叉齿的振荡移动主要对应于弯曲梁的偏转。由于振动传感器1的可振荡单元4的几何结构通常复杂得多，然而，将两个振荡杆7a、7b的振荡移动近似为旋转移动是有帮助的。可以通过考虑合适的校正项来消除由近似产生的数学描述与实际振荡移动之间的差异。

呈旋转移动形式的诸如图1所示的可振荡单元4的自由强制振荡的运动方程原理上从现有技术中得知，并且可以基于作用在两个振荡杆7a、7b上的力矩得出。如果补充地考虑流体与可振动单元之间的相互作用，则得出二阶微分方程作为运动方程：

ms+md+mr+mf＝me

在这种情况下，描述了mf是由于流体-结构相互作用引起的力矩，me是激励器力矩，mr是来自膜刚度的力矩，md是由于可振动单元的内部阻尼引起的力矩，以及ms是由于叉齿的质量惯量矩引起的力矩。此外，φ是可振荡单元4的振荡杆7a、7b从静止位置的偏转，或者在这里认为近似为可振荡单元4的振荡杆7a、7b从静止位置转动的转动角度，θ是振荡的振荡杆7a、7b的质量引起的质量惯性矩，γ是由可振动单元4的内部阻尼产生的阻尼系数，以及dr是由于膜8的刚度引起的抗扭刚度。

借助假设与放大函数得到特殊解，其中

放大函数

其描述了可振荡单元4的振幅特性，并且，其中可振荡单元4的相位遵循

在这种情况下，lehr的阻尼比，其表示振荡系统的质量的特征变量，以及对应无阻尼振荡器的本征频率。

由于流体-结构相互作用引起的力矩mf取决于可振荡单元4的几何形状，并且原理上描述了可振荡单元4与相关介质2之间的相互作用。mf＝0的情况描述了在介质2外部的可振荡单元4的振荡的情况。

运动方程的解析解只能通过将可振动单元4假设为简单几何结构来获得，诸如例如球体(也参见wyshih，x.li，h.gu，whshi和iaaksay："simultaneousliquidviscosityanddensitydeterminationwithpiezoelectricunimorphcantilevers"，2001年发表在journalofappliedphysics,89(2):1497–1505,15.1)、长方体状结构(也参见jesader："frequencyresponseofcantileverbeamsimmersedinviscousfluidswithapplicationstotheatomicforcemicroscope”，1998年发表在journalofappliedphysics,84(1):64–76,1.7)、或无限延伸的圆柱体(也参见w.zhang的论文：“energydissipationsinmemsresonators:fluiddampingofflexuraresonatorsandthermoelasticdamping”,2006年12月在加利福尼亚大学发表)。这些几何形状实际上并不适合复杂得多的可振荡单元4的几何形状，例如呈振动传感器1的振荡叉的形式。更适合于振荡叉的是具有半轴a和b的椭圆形柱体的几何形状，诸如例如在1976年1月在卡尔斯鲁厄大学(技术学院)电气工程学院的j.friedmann的论文“untersuchungenüberdasverhaltender(在音叉气体密度测量装置的情况下关于振荡频率的特性的调查)”中的。使用该近似，振荡单元4的振荡杆7a、7b的实际尺寸有利地进入解析解。图3中示出了该可振荡单元4的几何形状近似。对于应用于liquiphant仪器中的振荡叉4，桨叶12a、12b末端地形成在两个振荡杆7a、7b中的每一个上，这在图3a中示出。为了考虑到这一点，可振荡单元的几何形状针对每个振荡杆由两个椭圆形柱近似，如图1所示。长度为l1、宽度为a1以及厚度为b1的第一椭圆形柱体13用于表示桨叶12a、12b，而长度为l2、宽度为a2以及厚度为b2的第二椭圆形柱体14表示振荡杆7a、7b。图3c在侧视图中示出了振荡叉4的叉齿7a以及两个椭圆形柱体13、14的近似几何形状。

可振荡单元4与介质2之间的相互作用由介质2通过在浸入状态下的可振荡单元4的移动来移动引起。这导致与可振荡单元4的移动相反的力ff发生。这些力可以分为压缩力和摩擦力，即：

ff＝fd+fr+fsp。

在这种情况下，fd是压缩力，fr为由于包围振荡椭圆形柱体的流体而作用的摩擦力，以及fsp为由于椭圆形柱体的同样形成的移动而补充作用的摩擦力。为了计算这些力，可振动单元4周围中的介质2的速度分布必须是已知的。为此，参考h.lamb的“lehrbuchderhydrodynamik”(流体动力学教科书)、包括应用的数学科学教科书的b.g.teubner的收藏的第26卷，b.g.teubner，出版社，leipzigandberlin，1907年第3版。

根据“hydrodynamik”(流体动力学)教科书，系列的第6卷，lehrbuchdertheoretischenphysik(理论物理教科书)，由ldlandau和e.mlifschitz，akademieverlag，出版社，berlin，1991年第5版，速度分布可以分为法向分量和切向分量。当法向速度分量不受介质2的粘度的影响时，其可以根据理想流体的模型来确定。相反，在可振荡单元4周围的区域中的切向分量受介质粘度的影响。在与可振荡单元4相距无限距离的限制情况下，相反地，法向分量变换成切向速度分量。

考虑了椭圆形柱体13、14的几何形状并使用基本流体动力学方程即欧拉方程、连续性方程以及汤姆森定理和d'alembert的悖论，作用在椭圆形柱体13、14上的每单位长度的压缩力fd可以确定如下：

其中，ρ是介质2的密度，以及u是可振荡单元4的速度。

由于包围振荡椭圆形柱体的流体而作用的摩擦力fr可以开始从摩擦力fy得出，该摩擦力fy作用在无限延伸的平面区域上，

并且结果为：

其中，振荡频率ω，以及函数

其中，ei1和ei2是指一阶和二阶的完全椭圆积分。函数可以近似为指数函数。

由于椭圆形柱体的同样形成的移动而补充作用的力fsp是stoke摩擦力的结果。其与振荡频率ω无关并与介质的粘度η成比例。根据w.zhang的“energydissipationsinmemsresonators:fluiddampingofflexuralresonatorsandthermoelasticdamping”以及h.lamb的“lehrbuchderhydrodynamik”的论文，得出摩擦力fsp

其中，欧拉常数γe≈0.577，和雷诺数re是介质2的流的无量纲特征变量。

为了获得描述在粘性介质中的可振荡单元的振荡移动的运动方程，由于可振荡单元与介质之间的相互作用而作用在可振动单元上的每长度单位的全部的力ff必须转换成相关联的力矩mf。在这种情况下，必须考虑到每个振荡杆由不同尺寸的两个椭圆形柱近似，如结合图3所述。

则有在粘性介质2中的可振荡单元4的振荡移动的运动方程结果

其中是补充耦合的质量惯性矩以及是由于可振荡单元4与介质2的相互作用而补充作用的抗扭阻尼。对于这些项，已经提到的数值可确定的校正项可用于将运动方程与弯曲振荡进行匹配。可以例如借助ansys仿真工具对在弯曲振荡的情况下和在扭转振荡的情况下的可振动单元4的偏转进行比较来计算校正项。

这种二阶微分方程的一个特殊解可以从下式得到

其中，v(ω)是所谓的放大函数，其表示可振荡单元4的振幅特性，且是可振荡单元4的相位差。因此，在粘性介质2中振荡的可振荡单元4的运动方程与如上所述的未被覆盖情况下的可振荡单元4的运动方程明显不同。在浸入粘性介质2中的情况下，除了密度ρ和粘度η之外，可振荡单元4的振荡移动还取决于可振荡单元4的振荡频率ω。

在粘性介质2中的振动传感器1的振荡移动是时间可变振荡系统的振荡移动。在这种情况下，粘性介质2引起的质量耦合取决于密度ρ和/或粘度η的变化。此外，质量耦合还取决于可振荡单元4的振荡频率ω。因此，严格来说，不可能使用恒定的本征频率或恒定的lehr阻尼比来表征振动传感器1。

通过估测在大致为+/-90°和-45°或-135°的激励器信号ua与接收信号ue之间的相移下的振荡频率，可以确定已经提到的密度和粘度解析公式：

以及

在这种情况下，下列关系保持：

以及

这里，θ是在未被介质覆盖的状态下的可振荡单元的振荡杆的质量惯性矩，如例如借助ansys软件计算的。此外，ω0和dr(t)可以被测量。未被介质覆盖的可振荡单元的阻尼γ最终可以通过测量lehr阻尼比来计算，并且在给定的情况下，甚至可忽略。几何相关参数和最终可以例如借助所谓的参数估计方法来计算，诸如例如de102012113045a1或先前未发表的申请de102013106172.9中所述的。则频率ω90和ω135是在振动传感器在激励器信号和接收信号之间的基本上为+/-90°和45°或-135°的可预定相移下工作期间测量得到的频率。

附图标记列表

1振动传感器

2介质

3容器

4可振荡单元

5机电换能器单元

6电子单元

7a,7b可振荡单元的振荡杆

8膜

9压电元件

10滑石盘

11电极

12a,12b可振荡单元的桨叶

13第一椭圆形柱体

14第二椭圆形柱体

ua激励器信号

ue接收信号

φ可振荡单元的振荡杆从静止位置转动的转动角

θ由于振荡的振荡杆的质量产生的质量惯性矩

γ由于振荡系统的内部阻尼产生的阻尼系数

dr由于膜的刚度而引起的抗扭刚度

a,b椭圆形柱体的半轴

li椭圆形柱体的长度

ai椭圆形柱体的宽度

di椭圆形柱体的厚度

fd压缩力

fr由于包围振荡的椭圆形柱体的流体而产生的摩擦力

fsp由于椭圆形柱体的同样形成的移动而作用的补充摩擦力

ρ介质密度

u可振荡单元的速度

ω可振荡单元的振荡频率

ω0在没有阻尼情况下的可振荡单元的角频率

γe欧拉常数

re雷诺数

由于与介质的相互作用产生的补充耦合质量惯性矩

由于可振荡单元与介质的相互作用而补充作用的抗扭阻尼

v(ω)放大函数，其表示可振荡单元的振幅特性

可振荡单元的相位差

几何相关参数

ω90,ω135对应于90°和45°的可预定相移的频率

45°和90°的可预定相移