устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра процесса

Формула изобретения

1. Устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра процесса среды с элементом (1), способным совершать механические колебания, который выполнен с возможностью, по меньшей мере, в одном направлении осуществлять механические колебания, и который закреплен на зажиме (3), с возбуждающе/приемным элементом (5), выполненным с возможностью возбуждать механические колебания в элементе (1), способном совершать механические колебания, и который воспринимает механические колебания элемента (1), способного совершать механические колебания, и с блоком регулировки/обработки результатов, который выполнен с возможностью регулировать механические колебания элемента (1), способного совершать механические колебания, и который посредством механических колебаний элемента (1), способного совершать механические колебания, может определять и/или контролировать параметр процесса, отличающееся тем, что предусмотрена, по меньшей мере, одна компенсационная масса (20), которая механически соединена с элементом (1), способным совершать механические колебания, и которая выполнена и/или закреплена с возможностью осуществлять, по меньшей мере, механически колебания в одном направлении, причем направление колебаний компенсационной массы (20), по существу, перпендикулярно направлению колебаний элемента (1), способного совершать механические колебания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент (1), способный совершать механические колебания, выполнен и/или закреплен с возможностью осуществлять механические колебания, по существу, перпендикулярно к одной из своих продольных осей (2), и что компенсационная масса (20) выполнена и/или закреплена с возможностью осуществлять, по меньшей мере, аксиальные колебания параллельно продольной оси (2) элемента (1), способного совершать механические колебания.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсационная масса (20) выполнена и/или закреплена таким образом, что действующие на зажим (3) со стороны элемента (1), способного совершать механические колебания, силы реакции компенсируются.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент (1), способный совершать механические колебания, закреплен, по меньшей мере, на одной мембране (4).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что возбуждающе/приемный элемент (5) закреплен на мембране (4).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен, по меньшей мере, один корпус (15), что элемент (1), способный совершать механические колебания, соединен с корпусом (15) и что компенсационная масса (20) соединена с корпусом (15).

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компенсационная масса (20) посредством, по меньшей мере, одного пружинного элемента (25) механически соединена с элементом (1), способным совершать механические колебания.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что возбуждающе/приемный элемент (5) имеет, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент.

9. Устройство по п.1 или 8, отличающееся тем, что компенсационная масса (20) имеет, по меньшей мере, один внутренний паз (21), который окружает возбуждающе/приемный элемент (5).

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент (1), способный совершать механические колебания, представляет собой колебательную вилку с двумя отстоящими друг от друга колебательными штангами (1.1).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного параметра процесса среды, с элементом, способным совершать механические колебания, который, по меньшей мере, в одном направлении осуществляет механические колебания и который закреплен на зажиме, с возбуждающе/приемным элементом, который возбуждает механические колебания у элемента, способного совершать механические колебания, и который воспринимает механические колебания элемента, способного совершать механические колебания, и с блоком регулировки/обработки результатов, который регулирует механические колебания элемента, способного совершать механические колебания, и который посредством механических колебаний элемента, способного совершать механические колебания, определяет и/или контролирует параметр процесса. Под параметром процесса подразумевается, к примеру, уровень заполнения или, в случае использования жидкости в качестве среды, также, к примеру, плотность или вязкость. Однако также возможны другие параметры процесса.

Такое устройство очевидно, к примеру, из патента DE 3931453 С1. Принцип измерения уровня заполнения с помощью таких измерительных приборов состоит в том, что колебания элемента, способного совершать механические колебания, к примеру - колебательной вилки, зависит от того, покрывается элемент средой или нет. При покрытии, к примеру, амплитуда уменьшается. Таким образом, когда амплитуда увеличивается, наоборот может быть сделан вывод, что уровень среды упал ниже уровня заполнения, обусловленного размерами датчика и расположением установки. Одновременно, в случае покрытия, можно, однако, также определить плотность и вязкость среды. Для этого, к примеру, необходимо наряду с амплитудой и частотой оценивать также фазу между возбуждающим сигналом и воспринимаемым (ответным) сигналом.

Элементы, способные совершать механические колебания, сконструированы обычно таким образом, что в измерительном приборе по возможности не возникает сил реакции и моментов реакции в зоне зажима - часто речь идет о мембране - элемента, способного совершать механические колебания. К примеру, в случае вышеупомянутой колебательной вилки, это осуществляется посредством того, что обе колебательные штанги имеют одинаковые моменты инерции массы и жесткость, таким образом, специально, оба зубца должны были быть закреплены на мембране одинаково и как можно более симметрично. Если оба зубца колеблются противоположно друг другу, то как раз компенсируются силы и моменты, и силы реакции и моменты реакции не воздействуют на зажим и соответственно на мембрану. Тем самым предотвращается возможность потери энергии колебаний через зажим. Проблематичным является, однако, тот случай, когда колебательные штанги располагаются на зажиме не вертикально, а немного наклонены друг от друга или друг к другу. Колебательная вилка, таким образом, в некотором роде расширяется или сжимается. В этом случае появляются аксиальные силы, параллельные оси симметрии зубцов. Так как эти силы одинаково направлены, они не компенсируются, а воздействуют на зажим, и, таким образом, связаны с внешней средой, что может приводить к потерям энергии.

Поэтому, задача изобретения состоит в создании такого измерительного устройства, на зажим которого через элемент, способный совершать механические колебания, по возможности, не будут оказывать влияние никакие силы реакции.

Изобретение решает задачу посредством того, что предусмотрена, по меньшей мере, одна компенсационная масса, которая механически соединена с элементом, способным совершать механические колебания, и которая выполнена и/или закреплена с возможностью осуществлять, по меньшей мере, механические колебания в одном направлении, причем направление колебаний компенсационной массы, по существу, перпендикулярно направлению колебаний элемента, способного совершать механические колебания. Идеей изобретения является, таким образом, тот факт, что действующие в направлении, перпендикулярном направлению колебаний элемента, способного совершать механические колебания, силы реакции выравниваются посредством колеблющейся в данном направлении компенсационной массы. В противовес элементу, способному совершать механические колебания, колеблется, таким образом, компенсационная масса, противофазные колебания которой как раз компенсируют действующие силы реакции. Силы, таким образом, компенсируются посредством применения изобретения, благодаря чему энергия в классическом понимании остается сохраненной в системе. Это явно следует отличать от того, что усилия посредством потери энергии переводятся, к примеру, в тепло, вследствие чего система теряет энергию. Если, таким образом, две колебательные штанги у колебательной вилки колеблются в противофазе, так что не возникает радиальных сил реакции и моментов реакции, то эта компенсация выполняется в изобретении посредством того, что элемент, способный совершать механические колебания, и компенсационная масса образуют колебательную пару, противофазные колебания которой приводят к тому, что не возникает аксиальных сил реакции.

Вариант выполнения предусматривает, что элемент, способный совершать механические колебания, выполнен и/или закреплен с возможностью осуществлять механические колебания, по существу, перпендикулярно к одной из своих продольных осей, и что компенсационная масса таким образом выполнена и/или закреплена, что она осуществляет, по меньшей мере, аксиальные колебания параллельно продольной оси элемента, способного совершать механические колебания. Здесь речь идет, таким образом, об особом случае, что элемент, способный совершать механические колебания, осуществляет поперечные или изгибные колебания. Если в данном случае колебательные штанги или зубцы вилки наклонены к их продольной оси или оси симметрии, то на мембрану действуют дополнительные аксиальные составляющие силы, которые уравновешиваются посредством соответствующих противофазных колебаний компенсационной массы.

Вариант выполнения состоит в том, что компенсационная масса выполнена и/или закреплена с возможностью действовать на зажим со стороны элемента, способного совершать механические колебания, силы реакции компенсируются. Компенсационная масса и жесткость подвески должна быть, следовательно, согласована с вариантом выполнения устройства, так чтобы была возможна оптимальная компенсация.

Вариант выполнения предусматривает, что элемент, способный совершать механические колебания, закреплен, по меньшей мере, на одной мембране. Под зажимом в данном случае подразумевается мембрана. Посредством такой мембраны обычно осуществляется возбуждение колебаний в элементе, способном совершать механические колебания, или осуществляется прием этих колебаний. Мембрана сама по себе, с другой стороны, является частью корпуса, посредством которого измерительное устройство, к примеру, надлежащим образом закрепляется на стенке резервуара или аналогичным образом.

Согласно варианту выполнения возбуждающе/приемный элемент закреплен на мембране. Предпочтительно возбуждающе/приемный элемент установлен на противолежащей стороне мембраны, так что может происходить оптимальная передача колебаний между элементом, способным совершать механические колебания, и возбуждающе/приемным элементом.

Вариант выполнения предусматривает, что запланирован, по меньшей мере, один корпус, что элемент, способный совершать механические колебания, соединен с корпусом и что компенсационная масса соединена с корпусом. Под соединением здесь также можно понимать механическое соединение.

Обычно измерительное устройство имеет чашеобразный корпус, который в направлении процесса ограничен мембраной. На мембране находятся затем элемент, способный совершать механические колебания, и возбуждающе/приемный элемент. Посредством данного корпуса аксиальная колебательная энергия может передаваться для компенсационной массы. Для этого важны пружинные элементы следующего варианта выполнения.

В соответствии с вариантом выполнения компенсационная масса посредством, по меньшей мере, одного пружинного элемента механически соединена с элементом, способным совершать механические колебания. Благодаря такому пружинному элементу становится возможным осуществлять передачу энергии/силы, причем вариант выполнения компенсационной массы осуществляется таким образом, что могут быть удовлетворены особые потребности измерительного прибора. Особенность данной компенсационной массы, поскольку она также устанавливается внутри корпуса устройства, состоит в том, что предусмотрено лишь очень мало места. Из-за возбуждающе/приемного элемента место ограничено. Далее соответственно необходимо также, чтобы, по меньшей мере, части устройства были отлиты, так как это тем самым также приведет к сокращению места. Посредством подходящего пружинного элемента теперь возможно передавать энергию даже тогда, когда компенсационная масса не может иметь непосредственного контакта, к примеру, с корпусом.

Согласно варианту выполнения возбуждающе/приемный элемент имеет, по меньшей мере, один пьезоэлектрический элемент. Такие пьезоэлектрические элементы или пьезопреобразователи превращают электрические переменные напряжения в механические колебания и, наоборот, механические колебания в электрические переменные напряжения. Посредством таких элементов, таким образом, можно легко осуществить преобразование механических колебаний в электрические сигналы, поддающиеся анализу, и наоборот.

Вариант выполнения предусматривает, что возбуждающе/приемный элемент выполнен, по существу, цилиндрической формы. При этом речь часто идет о пакетах пьезоэлектрических элементов. Такие пакеты в большинстве случаев установлены центрально на внутренней стороне мембраны.

В соответствии с вариантом выполнения компенсационная масса имеет, по меньшей мере, один внутренний паз, который окружает возбуждающе/приемный элемент. Таким образом, компенсационная масса, находится, следовательно, вокруг возбуждающе/приемного элемента и заполняет пространство вокруг него. Для данного варианта выполнения вышеупомянутый пружинный элемент является также очень полезным. При таком варианте осуществления изобретения выполняется требование экономии места.

Вариант выполнения предусматривает, что в качестве элемента, способного совершать механические колебания, используется колебательная вилка с двумя отстоящими друг от друга колебательными штангами. У таких колебательных вилок колебательные штанги могут выгибаться посредством среды, так что истинная симметрия нарушается и происходит аксиальное воздействие сил реакции на зажим. Таким образом, особенно при таких вилках изобретение, следовательно, имеет очень важное значение.

Под параметром процесса подразумевается степень заполнения, плотности или вязкости среды. Эти параметры процесса уже обсуждались во вступлении.

Изобретение поясняется более подробно на основании последующих чертежей, которые показывают:

Фиг.1 - силы и моменты, действующие со стороны колебательной вилки на зажим,

Фиг.2а - схематичное изображение колебательной штанги с компенсационной массой,

Фиг.2b - физическая замещающая система для колебательной штанги и компенсационной массы,

Фиг.3 - фрагмент варианта выполнения компенсационной массы в соответствии с изобретением, в перспективе,

Фиг.4 - дополнительный вариант выполнения компенсационной массы в соответствии с изобретением,

Фиг.5 - следующий вариант выполнения компенсационной массы в соответствии с изобретением.

Фиг.1 показывает силы, действующие со стороны элемента 1, способного совершать механические колебания, на зажим 3. Элемент 1, способный совершать механические колебания, закреплен здесь на мембране 4, и со стороны возбуждающе/приемного элемента 5 - см. Фиг.3 - в нем возбуждаются механические колебания (поперечные или изгибные). Элемент 1, способный совершать механические колебания, состоит из двух колебательных штанг 1.1, которые симметрично установлены на мембране 4 и слегка наклонены относительно продольной оси или оси 2 симметрии в противоположном направлении. Элемент 1, способный совершать механические колебания, таким образом, расширен. Обе штанги 1.1 колеблются в противофазе относительно друг друга. Вызываемые посредством этого силы инерции Fr, Fl, а также Fvr и Fvl действуют в радиальном направлении противоположно друг другу, а в аксиальном направлении одинаково направленно.

Составляя сумму сил в радиальном направлении, таким образом вычисляют силу реакции Fx в плоскости мембраны, так в качестве оставшейся силы реакции получают ноль: - Fl+Fr=Fx=0. В аксиальном направлении получают сумму обоих составляющих ускорения, которые воспринимаются как реакция зажима 3: Fy=Fvr+Fvl.

Крутящие моменты Ml и Mr левой и правой колебательных штанг 1.1 взаимно компенсируются, так что Me=0.

Баланс сил показывает, таким образом, что возникающая в зажиме 3 сила реакции Fx равна нулю, так как сумма обеих сил Fr и Fl равна нулю. Аксиальная сила реакции Fy в зажиме 3, как сумма обеих аксиальных сил Fvr и Fvl, соответственно не равна нулю, так как обе силы действуют в одном направлении. Сила реакции Fy зависит от положения угла обеих колебательных штанг 1.1. Для случая =0, т.е. в случае, если обе колебательные штанги 1.1 расположены на мембране 4 вертикально, сила реакции Fy также равна нулю, так как отдельные составляющие силы равны нулю.

Для идеально разъединенной колебательной системы имеет место Fx=Fy=0 и Мх=My=0, чтобы не происходило потери колебательной энергии. Это соображение предполагает к тому же, что амплитуды колебаний достаточно малы.

Так как положение угла колебательных штанг 1.1 относительно друг друга имеет значение из соображений технического использования (расширение, к примеру, имеет смысл для предотвращения зажима материала между колебательными штангами), необходимо либо соглашаться с перекрестными наводками в месте 3 свинчивания, либо компенсировать их с помощью дополнительного мероприятия в колебательной системе. Было бы возможно также просто рассеивание энергии, но, однако, здесь к этому не стремятся. Простые изменения жесткости в мембране 4 не оказывают влияния на разъединение такой колебательной системы.

Фиг.2а представляет половину измерительного устройства. Можно увидеть колебательную штангу 1.1, которая закреплена на мембране 4. Мембрана 4 является частью корпуса 15. В корпусе 15 через пружинный элемент 25 установлена компенсационная масса 20. Колебательная штанга 1.1 слегка наклонена, так что эта штанга 1.1 и соответствующая вторая штанга - не представленная здесь - совместно оказывают аксиальное усилие на мембрану 4. Эта сила реакции компенсируется посредством компенсационной массы 20, которая колеблется в аксиальном направлении, в противофазе к элементу 1, способному совершать механические колебания, и, таким образом, воспринимает и компенсирует силу реакции на мембрану 4.

На Фиг.2b представлена модель, соответствующая примеру выполнения на Фиг.2а. Эта половинчатая колебательная система состоит из следующих масс: m1 (для колебательной штанги 1.1), m2 (для компенсационной массы 20) и mk (для массы мембраны 4 или зажима 3 и корпуса 15) и пружин со следующими жесткостями: с1 (для колебательного соединения между колебательной штангой 1.1 и мембраной 4) и с2 (для соединения между корпусом 15, в качестве удлинения мембраны 4, и компенсационной массой 20, посредством пружинного элемента 25).

Задачей дополнительно помещенного в корпус 15 пружинного элемента 25 с жесткостью с2 и компенсационной массы 20 с массой m2 является задача, при правильном согласовании с пружиной с1 и массой ml, свести перемещение uk(t) массы mk (мембрана 4) к нулю. Поэтому, следовательно, необходимо соответствующее согласование.

Фиг.3 демонстрирует конкретное воплощение представленного на Фиг.2а примера выполнения. Здесь можно увидеть возбуждающе/приемный элемент 5, который здесь, по существу, имеет цилиндрическую форму. При этом речь идет, к примеру, о пакете пьезоэлектрических элементов, в которых посредством электрического переменного напряжения возбуждаются механические колебания. Эти колебания через мембрану 4 передаются на элемент 1, способный совершать механические колебания, - здесь представлена одна из двух колебательных штанг 1.1. При этом речь идет об изгибных колебаниях или поперечных колебаниях, т.е. колебаниях параллельно мембране 4 или перпендикулярно к оси 2 симметрии элемента 1, способного совершать механические колебания, или перпендикулярно к продольной оси колебательной штанги 1.1. Напротив, возбуждающе/приемный элемент 5 преобразовывает механические колебания элемента 1, способного совершать механические колебания, в электрическое переменное напряжение, из которого затем соответственно можно делать вывод об определяемом или контролируемом параметре процесса - в представленной здесь системе речь идет первично об уровне заполнения, плотности или вязкости, возможны, однако, также и другие параметры. Возбуждающе/приемный элемент 5 установлен на жесткой опоре 16, которая выполнена таким образом, что энергия возбуждающе/приемного элемента 5 по возможности полностью переносится на мембрану 4. Мембрана 4 соединена с корпусом 15 устройства. В корпусе 15 находится компенсационная масса 20, которая посредством пружинного элемента 25 соединена с корпусом 15 и, таким образом, с мембраной 4. Говоря о пружинном элементе 25, речь идет, к примеру, о нескольких плоских пружинах, которые прочно соединены с компенсационной массой 20 и которые, к примеру, сварены с корпусом 15. Однако речь может идти и о большой плоской пружине. Как можно увидеть, компенсационная масса 20 имеет внутренний паз 21, который окружает возбуждающе/приемный элемент 5. Компенсационная масса 20 похожа, таким образом, на круглую шайбу, которая снаружи имеет круговой паз, в котором расположен пружинный элемент 25.

На Фиг.4 можно увидеть половину измерительного устройства (ось симметрии нанесена на чертеж). На мембране 4 установлена колебательная штанга 1.1 элемента 1, способного совершать механические колебания. Возбуждающе/приемный элемент 5, под которым в данном случае подразумевается пакет пьезоэлектрических элементов, зажат между мембраной 4 и опорой 16. Когда со стороны элемента 1, способного совершать механические колебания, на корпус 15 действуют аксиальные составляющие силы, то они через корпус 15, опору 16 и пружинные элементы 25 передаются на компенсационную массу 20, которая компенсирует данные составляющие силы посредством встречных колебаний. В данном примере выполнения компенсационная масса 20 расположена, таким образом, сзади возбуждающе/приемного элемента 5. Данный вариант выполнения также очень убедительно демонстрирует тот факт, что компенсационная масса 20 колеблется в аксиальном направлении, т.е. в направлении оси симметрии или продольной оси и, таким образом, перпендикулярно к оси колебаний элемента 1, способного совершать механические колебания.

Фиг.5 представляет одну из двух колебательных штанг 1.1, которые установлены на мембране 4. Колебательная штанга 1.1, которая предпочтительно колеблется с резонансной частотой, наклонена здесь на 45° относительно перпендикуляров. То же самое относится ко второй, не представленной здесь колебательной штанге колебательной вилки. Изображение на Фиг.5 - так же как и другие изображения - представлено не в масштабе. Зажим 3 для корпуса 15, на котором находится мембрана 4 и который содержит, по меньшей мере, возбуждающе/приемный элемент 5, находится здесь на фланце 6. Являющиеся результатом наклона на 45° аксиальные силы колебаний колебательных штанг 1.1 компенсируются посредством компенсационной массы 20, которая находится в опоясывающем корпусе 26 и которая, по меньшей мере, частично радиально окружает корпус 15 датчика колебаний. Опоясывающий корпус 26 также установлен на корпусе 15 и на фланце 6. Данный вариант выполнения позволяет применять известный из уровня техники датчик колебаний и дополнительно оснащать его компенсационной массой 20, т.е., так сказать, дооснащать его в случае наклона колебательных штанг 1.1. Для этого опоясывающий корпус 26 можно приварить или, по меньшей мере, соединять с фланцем бис корпусом 15 посредством силового замыкания с помощью винтового соединения. Сама компенсационная масса 20 подвешена в опоясывающем корпусе 26 посредством двух пружин 25, которые служат также для передачи усилия. Компенсационная масса 20 и действие элемента 1, способного совершать механические колебания, в резонансе приводят к тому, что для поддержания колебаний достаточно совсем малой подачи энергии.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 элемент, способный совершать механические колебания

1.1 колебательная штанга

2 продольная ось

3 зажим

4 мембрана

5 возбуждающе/приемный элемент

6 фланец

15 корпус

16 опора

20 компенсационная масса

21 внутренний паз

25 пружинный элемент

26 опоясывающий корпус