устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического параметра среды (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического параметра среды, содержащее, по меньшей мере, один механический колебательный блок (100) и, по меньшей мере, один приводной/приемный блок (101), при этом механический колебательный блок (100) представляет собой моностержень (6), причем моностержень (6) закреплен на основании (7), при этом приводной/приемный блок (101) выполнен с возможностью возбуждения колебания колебательного блока (100) и приводной/приемный блок (101) выполнен с возможностью воспринимать колебания колебательного блока (100), отличающееся тем, что в приводном/приемном блоке (101) предусмотрен, по меньшей мере, один пьезопривод (16, 37), имеющий, по меньшей мере, одну наружную поверхность (102), состоящую только из двух сегментов (2, 3) с разной поляризацией, причем направления поляризации, в основном, встречные, что с наружной поверхностью (102) механический колебательный блок (100) соединен непосредственно или косвенно для обеспечения возбуждения движения механического колебательного блока (100) и восприятия движения механического колебательного блока (100), причем каждое движение состоит, по меньшей мере, из двух разных силовых составляющих, при этом силовые составляющие представляют собой растяжение и сжатие и движение является опрокидывающим.

2. Устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического параметра среды, содержащее, по меньшей мере, один механический колебательный блок (100) и, по меньшей мере, один приводной/приемный блок (101), причем механический колебательный блок (100) представляет собой моностержень (6), при этом моностержень (6) закреплен на основании (7), причем приводной/приемный блок (101) выполнен с возможностью возбуждения колебания колебательного блока (100) и приводной/приемный блок (101) выполнен с возможностью восприятия колебания колебательного блока (100), отличающееся тем, что в приводном/приемном блоке (101) предусмотрен, по меньшей мере, один пьезопривод (16, 37), имеющий, по меньшей мере, одну наружную поверхность (102), посредством которой механический колебательный блок (100) соединен с пьезоприводом (16, 37) непосредственно или косвенно и которая состоит только из двух сегментов (2, 3), выполненных с возможностью оказания за счет приложения электрического сигнала к пьезоприводу (16, 37), по меньшей мере, двух разных силовых составляющих на механический колебательный блок (100), вызывающих сообща движение механического колебательного блока (100), и выполненных с возможностью вырабатывания за счет движения механического колебательного блока (100), состоящего, по меньшей мере, из двух разных силовых составляющих, в пьезоприводе (16, 37) электрического сигнала, при этом силовые составляющие представляют собой растяжение и сжатие и движение является опрокидывающим.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что силовые составляющие движения, в основном, встречные по отношению друг к другу.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что сегменты (2, 3) выполнены симметричными по отношению друг к другу.

5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) представляет собой, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент (1, 32) или, по меньшей мере, один штабель (5), состоящий из пьезоэлектрических элементов (1, 32).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что штабель (5) состоит, по меньшей мере, из двух пьезоэлектрических элементов (1, 32), расположенных с возможностью повышения усилия.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы (1, 32) расположены в штабеле (5) таким образом, что, по меньшей мере, два сегмента (2, 3, 33, 34, 35, 36) с одинаковой поляризацией находятся друг против друга и, в основном, взаимно перекрываются, при этом возникает, по меньшей мере, одна наружная поверхность (102), состоящая, по меньшей мере, из двух сегментов (2, 3) с разной поляризацией.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы (1, 32) расположены в штабеле (5) таким образом, что, по меньшей мере, два сегмента (2, 3, 33, 34, 35, 36) находятся друг против друга и, в основном, взаимно перекрываются, оказывают соответственно одинаковую силовую составляющую или воспринимают одинаковую силовую составляющую, при этом возникает, по меньшей мере, одна наружная поверхность (102), состоящая, по меньшей мере, из двух сегментов (2, 3), оказывающих или воспринимающих разные силовые составляющие.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы (1, 32) расположены в штабеле (5) таким образом, что они соединены механически последовательно, а электрически включены параллельно.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что между пьезоэлектрическими элементами (1, 32) в штабеле (5) предусмотрена, по меньшей мере, одна электропроводящая деталь (9).

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сегменты наружных поверхностей пьезоэлектрических элементов (1, 32) в штабеле короткозамкнуты между собой и/или наружные поверхности пьезоэлектрических элементов (1, 32), противоположные друг другу в штабеле (5), короткозамкнуты между собой.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что предусмотрено соединительное устройство (17), так что пьезоэлектрические элементы (1, 32) в штабеле (5) находятся под сжимающим напряжением.

13. Устройство по п.6, отличающееся тем, что между пьезоэлектрическими элементами (1, 32) в штабеле (5) предусмотрен, по меньшей мере, один клеевой, паяный и/или сварной слой и/или резьбовое соединение (10, 17).

14. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) выполнен шайбо- или кольцеобразным.

15. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в пьезоприводе (16, 37) выполнено, по меньшей мере, одно отверстие (4) для фиксации и/или ввода, по меньшей мере, одной электрической детали.

16. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на наружной поверхности (102) пьезопривода (16, 37) предусмотрен, по меньшей мере, один электрод (8), который находится в проводящем соединении, по меньшей мере, с двумя сегментами (2, 3, 33, 34, 35, 36) с разной поляризацией или находится в проводящем соединении, по меньшей мере, с двумя сегментами (2, 3, 33, 34, 35, 36), оказывающими или воспринимающими разные силовые составляющие.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что между электродом (8) и пьезоприводом (16, 37) предусмотрен, по меньшей мере, один клеевой, паяный и/или сварной слой (10) и/или резьбовое соединение (17).

18. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) выполнен в виде, по меньшей мере, двух пьезоэлектрических элементов (1, 32) или, по меньшей мере, двух штабелей (5), состоящих из пьезоэлектрических элементов (1, 32), или, по меньшей мере, из одного пьезоэлектрического элемента (1, 32) и, по меньшей мере, из одного штабеля (5), причем один пьезоэлектрический элемент (1, 32) или один штабель (5) служит для возбуждения колебаний механического колебательного блока (100), а другой пьезоэлектрический элемент (1,32) или один штабель (5) - для восприятия колебаний механического колебательного блока (100).

19. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что между пьезоприводом (16, 37) и механическим колебательным блоком (100) предусмотрен, по меньшей мере, один клеевой, паяный и/или сварной слой (10) и/или резьбовое соединение (17).

20. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что механический колебательный блок (100) выполнен в виде внутреннего колебательного стержня (11) внутри внешней трубки (12), причем в основании (7) предусмотрен фиксирующий элемент (14), на котором закреплен один конец внутреннего стержня (11) в виде неподвижного конца (13), при этом другой конец внутреннего стержня (11) выполнен в виде свободного конца (20).

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) закреплен внутри основания (7) и расположен с возможностью возбуждения колебаний внутреннего стержня (11) или внешней трубки (12) или внутреннего стержня (11) и внешней трубки (12) или восприятия их колебаний.

22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) на фиксирующем элементе (14) внутреннего стержня (11) соединен с внутренним стержнем (11) и размещен на стороне фиксирующего элемента (14), обращенной к свободному концу (15) внутреннего стержня (11) или обращенной от него.

23. Устройство по п.20, отличающееся тем, что в основании (7) предусмотрен второй фиксирующий элемент (18), на котором фиксирована внешняя трубка (12).

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) закреплен между фиксирующим элементом внутреннего стержня (11) и вторым фиксирующим элементом (18) внешней трубки (12).

25. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что механический колебательный блок (100) выполнен в виде внутреннего колебательного стержня (11) внутри внешней трубки (12), фиксированной одним концом (19) на основании (7), а на другом конце (20) снабженной колпачком (21), причем внутренний колебательный стержень (11) закреплен на колпачке (21).

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) фиксирован между внутренним стержнем (11) и колпачком (21).

27. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что механический колебательный блок (100) выполнен в виде моностержня (22) с компенсационным грузом (23) и двумя точками (24) опоры, причем один конец (25) стержня (22) находится внутри основания (7).

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что пьезопривод (16, 37) закреплен на моностержне (22) внутри основания (7) за компенсационным грузом (23).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического параметра среды, содержащему, по меньшей мере, один механический колебательный блок и, по меньшей мере, один приводной/приемный блок, причем приводной/приемный блок возбуждает колебания колебательного блока или причем приводной/приемный блок воспринимает колебания колебательного блока.

В US 4740726 и US 5247832 описан виброрезонатор с внешней трубкой и внутренним колебательным стержнем. Для возбуждения колебаний в углублении внутреннего колебательного стержня закреплен пьезоэлектрический элемент. Этот колебательный стержень имеет прямоугольную вытянутую форму. Пьезоэлектрический элемент оказывает на стержень изгибающий момент, который в сочетании с выполнением стержня вызывает опрокидывающие движения.

Недостаток этих технических решений состоит в том, что к выполнению колебательного стержня и размещению пьезоэлектрического элемента предъявляются особые требования. Кроме того, возбуждаются не непосредственно опрокидывающие колебания колебательного стержня, а изгибные колебания, которые за счет геометрии колебательного стержня и размещения пьезоэлектрического элемента на колебательном стержне вызывает опрокидывающие колебания.

Принцип этого возбуждения колебаний следующий. Пьезоэлектрический элемент размещают на колебательном блоке или на подходящей мембране, например посредством клеевого соединения. Во время приложения напряжения к пьезоэлектрическому элементу происходит изменение его длины. Поскольку пьезоэлектрический элемент соединен с колебательным блоком, однако поскольку колебательный блок не испытывает растяжения по длине, это приводит к тому, что пьезоэлектрический элемент и колебательный блок изгибаются. При приложении переменного напряжения возникает, тем самым, изгибное колебание. Из-за особого выполнения колебательного блока должно быть обеспечено предпочтительное направление этого колебания. Кроме того, пьезоэлектрический элемент должен быть соединен с колебательным блоком с возможностью преобразования изменения длины, в основном в движение изгиба. В то же время соединение должно быть выполнено так, чтобы оно сохранялось даже в изогнутом состоянии. Предпочтительным методом является соединение клеем. Клеи, однако, обеспечивают в большинстве случае применение только до определенной температуры.

В целом, метод, заключающийся в том, чтобы обойти изгибные колебания, следовательно, очень сложен. Требуется особое выполнение в отношении вида фиксации пьезоэлектрического элемента и геометрии колебательного блока. Предпочтительное размещение с помощью клея связано также с проблемой, что такие клеи могут применяться только до определенных температур. К тому же принципиально неудовлетворительным этот метод является потому, что опрокидывающее движение колебательного блока может быть достигнуто только через промежуточный этап изгибного колебания.

Задачей изобретения является возбуждение с помощью устройства колебаний механического колебательного блока или детектирование его колебаний, причем устройство должно быть как можно более простым и дешевым. Это относится и к монтажу, и к выполнению остальных элементов, необходимых для применения. Далее устройство должно обеспечивать генерирование или прием колебаний непосредственно без необходимости двигаться обходным путем через иную форму движений.

Эта задача решается посредством изобретения таким образом, что в приводном/приемном блоке предусмотрен, по меньшей мере, один пьезопривод, имеющий, по меньшей мере, одну наружную поверхность, состоящую, по меньшей мере, из двух сегментов с разной поляризацией, причем направления поляризации, в основном, встречные, с наружной поверхностью непосредственно или косвенно соединен механический колебательный блок, происходит возбуждение движения механического колебательного блока или прием движения механического колебательного блока, причем каждое движение состоит, по меньшей мере, из двух разных силовых составляющих.

Задача решается также, согласно изобретению, за счет того, что в приводном/приемном блоке предусмотрен, по меньшей мере, один пьезопривод, имеющий, по меньшей мере, одну наружную поверхность, посредством которой механический колебательный блок непосредственно или косвенно соединен с пьезоприводом и которая состоит, по меньшей мере, из двух сегментов, которые при приложении электрического сигнала к пьезоприводу оказывают на механический колебательный блок, по меньшей мере, две разные силовые составляющие, вызывающие сообща движение механического колебательного блока или за счет движения механического колебательного блока, состоящего, по меньшей мере, из двух разных силовых составляющих, вырабатывают в пьезоприводе электрический сигнал.

Предпочтительным и технически простейшим является выполнение, в котором силовые составляющие движения встречные или у которого силовые составляющие представляют собой растяжение и сжатие, а движение представляет собой опрокидывающее или вращательное движение.

Одно большое преимущество изобретения заключается в создании опрокидывающего движения. Речь больше не идет о движении изгиба, преобразование которого в опрокидывающий момент реализуется за счет особого размещения пьезопривода на стержне особой формы. Это обеспечивает то, что механический колебательный блок может иметь почти произвольную форму и что привод может быть смонтирован компактно и просто. Кроме того, отпадают расходы на сложные обработку и подготовку.

У определяемого или контролируемого физического параметра речь может идти, например, об уровне, вязкости, плотности или температуре среды.

Одна предпочтительная реализация включает в себя то, что сегменты выполнены симметричными по отношению друг к другу. Речь может идти, например, о двух половинах цилиндра. Идея в том, что сегменты как бы короткозамкнуты между собой, так что происходит компенсация усилий, действующих на сторону пьезопривода. В то же время предотвращены также пироэлектрические эффекты, благодаря чему привод может применяться также во взрывоопасных областях.

Предпочтительными являются выполнения, в которых пьезопривод представляет собой, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент или, по меньшей мере, один штабель, состоящий из пьезоэлектрических элементов. В отношении расположения пьезоэлектрических элементов в штабеле см. DE 19841597. Более тонкие пьезоэлектрические элементы имеют то преимущество, что они более дешевы, чем, например, более высокие цилиндры. Чтобы обеспечить повышение усилия, эти элементы, однако, подходящим образом соединяют в штабели. Предпочтительно для этого, если пьезоэлектрические элементы расположены в штабеле таким образом, что, по меньшей мере, два сегмента с одинаковой поляризацией расположены друг против друга и, в основном, взаимно перекрываются и что возникает, по меньшей мере, одна наружная поверхность, состоящая, по меньшей мере, из двух сегментов с разной поляризацией. То же самое относится к тому случаю, когда пьезоэлектрические элементы противоположны друг другу в штабеле таким образом, что, в основном, перекрываются сегменты, оказывающие или воспринимающие одинаковую силовую составляющую и когда возникает, по меньшей мере, одна наружная поверхность, по меньшей мере, с двумя сегментами, оказывающими и воспринимающими разные силовые составляющие. Это соответствует устройству, в котором пьезоэлектрические элементы соединены в штабеле механически последовательно, а электрически включены параллельно. Для эффективного использования пьезоэлектрических элементов в штабеле между ними предусмотрен, по меньшей мере, один электропроводящий элемент, так что сегменты наружных поверхностей пьезоэлектрических элементов в штабеле короткозамкнуты между собой и/или наружные поверхности пьезоэлектрических элементов, противоположные друг к другу в штабеле, короткозамкнуты между собой. При этом может быть предусмотрено соединительное устройство, так что пьезоэлектрические элементы в штабеле находятся под сжимающим напряжением. Другими возможностями закрепления являются слои клея, припоя и/или сварные слои между элементами и/или резьбовое соединение.

Геометрическое выполнение пьезопривода почти не ограничено. Он может быть шайбо- или кольцеобразным, круглым или угловатым. Важно только, чтобы возникала наружная поверхность, по меньшей мере, с двумя сегментами с разной поляризацией или чтобы возникала наружная поверхность, которая могла бы создавать, по меньшей мере, две разные силовые составляющие. Для недорогого и компактного монтажа пьезопривода можно выполнить в нем отверстия для фиксации и/или для пропускания электрических элементов, например проводов.

Для создания с помощью электрического сигнала опрокидывающего движения или для преобразования опрокидывающего движения в электрический сигнал на наружной поверхности пьезопривода предусмотрен, по меньшей мере, один электрод, находящийся в проводящем соединении, по меньшей мере, с двумя сегментами с разной поляризацией или соединенный с двумя сегментами, которые оказывают разные силовые составляющие на механический колебательный блок или воспринимают их от него. Другая возможность в зависимости от места и выполнения состоит в том, что на наружной поверхности пьезопривода предусмотрены, по меньшей мере, один первый и, по меньшей мере, один второй электроды, причем первый электрод находится в проводящем соединении, по меньшей мере, с одним первым сегментом с первой поляризацией, а второй электрод - по меньшей мере, с одним вторым сегментом со второй поляризацией, причем первая поляризация первого сегмента отличается от второй поляризации второго сегмента, и, причем первый и второй электроды электрически соединены между собой. Другая возможность состоит в том, что первый электрод находится в проводящем соединении, по меньшей мере, с одним первым сегментом, оказывающим и воспринимающим первую силовую составляющую, и что второй электрод находится в проводящем соединении, по меньшей мере, с одним вторым сегментом, оказывающим и воспринимающим вторую силовую составляющую, причем первая силовая составляющая первого сегмента отличается от второй силовой составляющей второго сегмента и причем первый и второй электроды электрически соединены между собой. Необходимо, следовательно, обеспечить лишь то, чтобы разные сегменты пьезопривода достигали одинакового сигнала, причем эти сегменты на основе сигнала с разными силовыми составляющими реагируют на механический колебательный блок или наоборот сигнал, возникающий из разных силовых составляющих, должен быть подходящим образом отведен. Для соединения электрода и пьезопривода целесообразно предусмотрено, по меньшей мере, один клеевой, паяный и/или сварной слой и/или резьбовое соединение.

Одно целесообразное выполнение включает в себя то, что у пьезопривода речь идет, по меньшей мере, о двух пьезоэлектрических элементах или, по меньшей мере, об одном штабеле, состоящем из пьезоэлектрических элементов, или, по меньшей мере, об одном пьезоэлектрическом элементе или, по меньшей мере, об одном штабеле, причем один пьезоэлектрический элемент или один штабель служит для возбуждения колебаний механического колебательного блока и причем другой пьезоэлектрический элемент или другой штабель служит для восприятия колебаний механического колебательного блока. При этом часть пьезопривода служит, следовательно, для возбуждения колебаний, а другая часть - для их восприятия. Одна возможность заключается в размещении между этими обеими функциональными секциями разделительной шайбы для устранения механического соединения.

Далее в одном предпочтительном выполнении между пьезоприводом и механическим колебательным блоком предусмотрен, по меньшей мере, один клеевой, паяный и/или сварной слой и/или резьбовое соединение. Это соединение служит для фиксации колебательного блока с приводом и должно в то же время обеспечивать передачу усилий.

Целесообразные, известные из практики и зарекомендовавшие себя выполнения включают в себя то, что у механического колебательного блока речь идет о колебательной вилке или моностержне, причем колебательная вилка или моностержень закреплен на основании. Это может осуществляться, например, за счет закрепления механического колебательного блока на мембране. Основание представляет собой корпусную деталь, закрепляемую на емкости, в которой находится среда, физический параметр которой следует определить и/или проконтролировать.

Прежде всего следует обсудить применения пьезопривода в моностержнях. Одно выполнение состоит из внутреннего колебательного стержня внутри внешней трубки. Одним концом внутренний стержень закреплен на фиксирующем блоке в основании. Это - неподвижный конец внутреннего стержня. Пьезопривод закреплен предпочтительно внутри основания и возбуждает, тем самым, колебания внутреннего стержня, внешней трубки или внутреннего стержня и внешней трубки или воспринимает соответствующие колебания. Для этого одно выполнение предусматривает, что пьезопривод соединен на фиксирующем элементе внутреннего стержня с внутренним стержнем, причем пьезопривод размещен на стороне фиксирующего элемента, обращенной к свободному концу внутреннего стержня или обращенной от него.

Другое выполнение включает в себя то, что в основании предусмотрен второй фиксирующий элемент, на котором фиксирована внешняя трубка. Это обеспечивает то, что пьезопривод закреплен между фиксирующим элементом внутреннего стержня и вторым фиксирующим элементом внешней трубки. Таким образом, пьезопривод может возбуждать также колебания внешней трубки или воспринимать ее колебания. Это особенно важно тогда, когда внешняя трубка блокирована, например, за счет контакта с сыпучим материалом. Если бы в этом случае за счет конструкции возбуждались бы колебания только внутреннего стержня, то колебания возбуждались бы даже несмотря на блокирование внешней трубки, и могли бы возникнуть ошибочные интерпретации результатов измерений. Эти ошибочные интерпретации предотвращены за счет возбуждения колебаний также внешней трубки.

Другая возможность состоит в том, что механический колебательный блок представляет собой внутренний колебательный стержень внутри внешней трубки, причем внешняя трубка одним концом фиксирована на основании, а на другом конце снабжена колпачком и причем внутренний колебательный стержень закреплен на этом колпачке. Речь идет, следовательно, о моностержне, один конец которого как бы сложен. У этого выполнения напрашивается фиксация пьезопривода между внутренним стержнем и колпачком.

Другая возможность реализации заключается в том, что механический колебательный блок представляет собой моностержень с компенсационным грузом и двумя точками опоры, причем один конец стержня находится внутри основания. При этом целесообразно, если пьезопривод закреплен на моностержне внутри основания за компенсационным грузом.

Другим классом механических колебательных блоков являются колебательные вилки с двумя зубцами, причем оба фиксированы на основании. Основание может представлять собой, например, также мембрану. Ниже перечислены некоторые возможности фиксации зубцов вилки на основании. Оба зубца вилки можно фиксировать на основании раздельно, например, посредством отдельных шайб. Можно также фиксировать оба зубца вилки посредством одной общей шайбы. Одна возможность заключается также в том, что оба зубца вилки фиксированы внутри основания одной общей U-образной соединительной деталью. У этих выполнений предусмотрено соответственно два пьезопривода, каждый из которых соединен с зубцами вилки. Другое усовершенствование только с одним пьезоприводом возникает тогда, когда оба зубца вилки фиксированы внутри основания перекладиной общей Т-образной соединительной детали. Тогда пьезопривод можно разместить внутри продольной стороны Т-образной соединительной детали между первым и вторым зубцами вилки, и только одного пьезопривода достаточно, чтобы заставить вибрировать оба зубца вилки.

Приведенные выше выполнения относятся соответственно к пьезоприводам, имеющим только два сегмента с разной поляризацией или с разными силовыми составляющими. Другое выполнение предусматривает, что на наружной поверхности пьезопривода предусмотрены четыре сегмента с двумя разными поляризациями или с двумя силовыми составляющими, причем поляризации или силовые составляющие соседних сегментов соответственно разные. Этот пьезопривод может тогда очень эффективно применяться также у колебательной вилки с двумя зубцами, если над зубцами вилки расположены два сегмента с одинаковой поляризацией или с одинаковой силовой составляющей.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью приложенных чертежей, на которых изображают:

- фиг.1: принципиальную конструкцию части устройства;

- фиг.2: конструкцию пьезоэлектрического элемента с двумя сегментами;

- фиг.3: конструкцию пьезоэлектрического элемента с двумя сегментами и отверстием;

- фиг.4: пример создания опрокидывающего движения посредством штабеля из двух пьезоэлектрических элементов;

- фиг.4а: увеличенный фрагмент фиг.4;

- фиг.5: в перспективе вид расположения двух пьезоэлектрических элементов с двумя сегментами в штабеле;

- фиг.6: вид сбоку штабеля из двух пьезоэлектрических элементов с электродами;

- фиг.7: пояснение некоторых возможных усилий на пьезоэлектрический элемент и результирующих сигналов;

- фиг.8: моностержень в качестве механического колебательного блока, у которого внутренний стержень находится во внешней трубке и фиксирован на неподвижном конце внешней трубки;

- фиг.9: в сравнении с фиг.8 другой вид закрепления пьезопривода;

- фиг.10: в сравнении с фиг.8 еще один вид закрепления пьезопривода;

- фиг.11: моностержень в качестве механического колебательного блока, у которого внутренний стержень находится во внешней трубке и фиксирован на концевом колпачке внешней трубки;

- фиг.12: моностержень с дополнительным грузом и двумя точками опоры;

- фиг.13: вилку с двумя зубцами в качестве механического колебательного блока с двумя пьезоприводами;

- фиг.14: в сравнении с фиг.13 другой вид фиксации зубцов вилки;

- фиг.15: в сравнении с фиг.13 еще один вид фиксации зубцов вилки;

- фиг.16: вилку с двумя зубцами в качестве механического колебательного блока с одним пьезоприводом;

- фиг.17: конструкцию пьезоэлектрического элемента с четырьмя сегментами и отверстием;

- фиг.18: в перспективе вид расположения двух пьезоэлектрических элементов с четырьмя сегментами для штабеля;

- фиг.19: вилку с двумя зубцами в качестве механического колебательного блока с одним пьезоприводом, имеющим четыре сегмента;

- фиг.20: разрез конструкции на фиг.19.

На фиг.1 изображены рассматриваемые в изобретении компоненты устройства для определения и/или контроля физического параметра среды: механический колебательный блок 100 и приводной/приемный блок 101. В качестве примера механического колебательного блока 100 здесь показана колебательная вилка 103. Это, однако, не должно являться ограничением, поскольку ниже в качестве механических колебательных блоков 100 рассматриваются, например, также моностержни.

На фиг.2 и 3 изображена конструкция предпочтительной формы выполнения пьезоэлектрического элемента 1. В качестве примера показана круглая шайба, наружная поверхность 102 которой имеет два сегмента 2, 3 с противоположной поляризацией (здесь обозначено знаками + и -). Для ввода деталей или для фиксации элемента 1 можно выполнить в шайбе одно или несколько отверстий 4 (фиг.3). Факт, что здесь и ниже пьезоприводы или пьезоэлектрические элементы 1 изображены круглыми, не должен являться ограничением. Геометрическое выполнение пьезоэлектрических элементов 1 и пьезопривода не подлежит ограничению. Речь может также идти, следовательно, например, об угловатых шайбах и т.п. Следует лишь обеспечить, чтобы механический колебательный блок был соединен, по меньшей мере, с двумя сегментами 2, 3 с разной поляризацией или с разными силовыми составляющими.

На фиг.4 показано, как, например, штабель 5 из двух пьезоэлектрических элементов 1 непосредственно возбуждает опрокидывающие колебания моностержня 6. Штабель 5 размещен на основании 7. На и в этом штабеле 5 находятся три электропроводящие детали 8. Со штабелем 5 соединен моностержень 6. Увеличенный фрагмент А (фиг.4а) показывает область вокруг штабеля 5. При прикладывании напряжения к электропроводящим деталям 8 (для наглядности в увеличенном фрагменте не показаны) штабель 5 сжимается на одной стороне и растягивается на другой. Таким образом, на моностержень 6 действуют растягивающее и сжимающее усилия. Обе эти силовые составляющие приводят к тому, что моностержень 6 испытывает непосредственный опрокидывающий момент. При этом опрокидывающее движение в этом примере совершается в одной плоскости, перпендикулярной плоскости соединения штабеля 5 и моностержня 6. В результате приложения переменного напряжения моностержень 6 совершает колебание в этой специфицированной за счет геометрии плоскости.

На фиг.5 показано, как могут быть расположены два пьезоэлектрических элемента 1, так что возникает штабель 5 в качестве пьезопривода, как, например, на фиг.4. Преимущество штабеля 5 состоит в том, что происходит повышение усилия, за счет чего могут быть созданы бóльшие амплитуды, чем при использовании более тонких пьезоэлектрических элементов 1. Далее, до определенной высоты штабель 5 из плоских пьезоэлектрических элементов 1 дешевле, чем один пьезоэлектрический элемент 1 такой же высоты. Оба пьезоэлектрических элемента 1 расположены так, что сегменты 2, 3 с одинаковой поляризацией или с одинаковыми силовыми составляющими противоположны друг другу. Это можно пояснить примерно так, как человек хлопает в ладоши. Между обоими элементами 1 находится электропроводящая деталь 9, которая выполняет задачу короткого замыкания сегментов 2, 3 элементов 1 и наружных поверхностей 102 внутри штабеля 5. Примером электропроводящей детали 9 является, например, контактный лепесток для пайки.

На фиг.6 изображен вид сбоку штабеля 5 из двух пьезоэлектрических элементов 1. Поляризации или силовые составляющие обозначены здесь стрелками. Также здесь одинаковые поляризации или силовые составляющие противоположны друг другу. Между элементами 1 находится электрод 8, соединенный с пьезоэлектрическими элементами 1 посредством соединительных элементов 10, например клея, паяных мест или сварных мест. В качестве альтернативы возможно также устройство, посредством которого пьезоэлектрические элементы 1 находятся под сжимающим напряжением. На обеих наружных поверхностях 102 штабеля находятся два других электрода 8, соединенных между собой. При этом для работы штабеля 5 в качестве пьезопривода знаки приложенных к электродам 8 напряжений чередуются, так что возникает электрическая параллельная схема.

На фиг.7 показано большое преимущество пьезоэлектрических элементов согласно изобретению. Такой элемент 1 изображен с обоими электродами 8. Ниже поясняется действие разных усилий (обозначенных стрелками) на этот элемент. Симметричные усилия взаимно утрачивают свое действие и не вырабатывают, таким образом, никакого сигнала. Единственно опрокидывающее движение на наружной стороне пьезоэлектрического элемента 1 с сегментами 2, 3 с противоположной поляризацией вырабатывает сигнал. Опрокидывающее движение представляет собой движение, которое можно разложить, например, на обе силовые составляющие сжатие и растяжение. Сигнал обозначен здесь 2*Е, поскольку за счет усилий, действующих на пьезоэлектрический элемент 1 сверху и снизу, возникает электрический потенциал, который вдвое больше усилия за счет опрокидывающего движения только на одной стороне. Таким образом, пьезопривод не восприимчив к большинству мешающих усилий.

На фиг.8-12 изображены примеры того, как пьезопривод 16 с двумя сегментами 2, 3 может быть использован для возбуждения колебаний моностержня 6. На всех последующих фигурах стрелками обозначены действующие усилия. Усилия у пьезоприводов представляют собой сжатие и растяжение; у механических колебательных блоков 6 речь идет о результирующем из сжатия и растяжения опрокидывающем движении. В то же время этими стрелками обозначено также положение сегментов 2, 3 пьезопривода 16. При этом речь идет, однако, лишь о некоторых примерах, поясняющих некоторые предпочтительные выполнения.

На фиг.8-10 изображен моностержень 6, у которого внутренний стержень 11 находится во внешней трубке 12. Один конец внутреннего стержня 11 закреплен в качестве неподвижного конца 13 на фиксирующем элементе, например на мембране 14 внутри основания 7. Другой конец внутреннего стержня 11 выполнен в виде свободного конца 15. Пьезопривод 16 соединен с внутренним стержнем 11 посредством резьбового соединения 17 на фиксирующем элементе 14.

На фиг.8 пьезопривод 16 находится на стороне фиксирующего элемента 14, обращенной к свободному концу 15 внутреннего стержня 11. На фиг.9 он находится на обращенной стороне. В обоих случаях пьезопривод 16 возбуждает колебания только внутреннего стержня 11. Это может быть недостатком, если внешняя трубка 12 блокирована, например сыпучим материалом. В этих случаях внешняя трубка 12, возможно, не будет колебаться, однако, тем не менее, могут возбуждаться колебания внутреннего стержня 11, что приводит к ошибочным интерпретациям. На фиг.10 внешняя трубка 12 поэтому соединена через крепежный блок 18 также с пьезоприводом 16, так что могут возбуждаться колебания внешней трубки 12.

На фиг.11 внешняя трубка 12 одним концом 19 соединена с основанием 7, а на другом конце 20 закрыта колпачком 21. На этом колпачке 21 посредством резьбового соединения 17 фиксированы внутренний стержень 11 и пьезопривод 16. У этого выполнения речь идет, следовательно, о моностержне 6, конец которого как бы сложен.

На фиг.12 изображен моностержень 6 с дополнительным грузом 23, причем моностержень 6 имеет две точки 24 опоры в основании 7. При этом пьезопривод 16 закреплен на конце 25 моностержня 6, находящемся внутри основания 7.

Моностержень 6 требует лишь опрокидывающего момента или вращательного усилия у своего корня, т.е. в зоне, в которой он соединен с основанием 7. Для привода колебательной вилки 103 с двумя зубцами 27, при необходимости, требуется сложное распределение усилия.

На фиг.13-16 показано применение у колебательных вилок 103 с двумя зубцами 27 в качестве механического колебательного блока. На фиг.13-15 требуются два пьезопривода 16. Выполнение на фиг.16 требует лишь одного пьезопривода 16. На фиг.13-16 внимание уделено прежде всего двум пьезоприводам 16 с двумя сегментами 2, 3. Применение одного пьезопривода 16 с несколькими сегментами потребовало бы небольших изменений в реализации.

На фиг.13 каждый зубец 27 вилки соединен с основанием 7 посредством собственного резьбового соединения 17 и собственного фиксирующего блока 28. На фиг.14 оба зубца 27 вилки соединены между собой внутри основания 7 посредством общей шайбы 29. Выполнение шайбы 29 в виде общей соединительной детали расширено на фиг.15 до U-образной соединительной детали 30. На фиг.16 показано, как можно для обоих зубцов 27 вилки использовать только один пьезопривод 16. Для этого зубцы 27 вилки фиксированы Т-образной соединительной деталью 31, в продольной стороне которой находится пьезопривод 16, фиксированный дополнительным резьбовым соединением 17.

На фиг.17-20 изображено выполнение пьезопривода 37, имеющего четыре сегмента 33, 34, 35, 36. На фиг.17 видна наружная поверхность 102 пьезоэлектрического элемента 32, имеющего четыре сегмента 33, 34, 35, 36. Поляризации или вырабатываемые и воспринимаемые силовые составляющие сегментов 33, 34; 35, 36 идентичны. Поляризации или силовые составляющие лежащих рядом друг с другом соседних сегментов чередуются.

Особенно эффективная реализация соединения двух таких пьезоэлектрических элементов 32 для штабеля показана на фиг.18. Здесь, как на фиг.4, одинаковые поляризации или одинаковые силовые составляющие противоположны друг другу.

На фиг.19 показано применение такого пьезопривода с четырьмя сегментами 37 в колебательной вилке 103 с двумя зубцами 27 в качестве механического колебательного блока 100. Эти зубцы 27 вилки фиксированы на мембране 40 основания 7. Внутри основания 7 пьезопривод с четырьмя сегментами 37 закреплен на мембране 40. На фиг.20 показано, что сегменты с одинаковой поляризацией (здесь минус) или с одинаковыми силовыми составляющими находятся над зубцами 27 вилки.

Другие выполнения механического колебательного блока, пьезопривода и вида соединения блока с приводом можно подходящим образом реализовать в зависимости от требований и возможностей.

Перечень ссылочных позиций

1 - пьезоэлектрический элемент с двумя сегментами

2 - сегмент

3 - сегмент

4 - отверстие

5 - штабель

6 - моностержень

7 - основание

8 - электрод

9 - электропроводящая деталь, контактный лепесток для пайки

10 - соединительный элемент

11 - внутренний стержень

12 - внешняя трубка

13 - неподвижный конец

14 - фиксирующий элемент

15 - свободный конец

16 - пьезопривод

17 - резьбовое соединение

18 - крепежный блок в основании

19 - неподвижный конец

20 - свободный конец

21 - колпачок

22 - моностержень

23 - дополнительный груз

24 - точка опоры

25 - конец внутри основания

26 - конец вне основания

27 - зубец вилки

28 - фиксирующий блок

29 - шайба

30 - U-образная соединительная деталь

31 - Т-образная соединительная деталь

32 - пьезоэлектрический элемент с четырьмя сегментами

33 - сегмент

34 - сегмент

35 - сегмент

36 - сегмент

37 - пьезопривод с четырьмя сегментами

38 - распорный болт

39 - гайка

40 - мембрана

100 - механический колебательный блок

101 - приводной/приемный блок

102 - наружная поверхность

103 - колебательная вилка