УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И/ИЛИ КОНТРОЛЯ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, ОДНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ИЛИ ХИМИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ПРОЦЕССА СРЕДЫ В ЕМКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического или химического параметра процесса среды, содержащему, по меньшей мере, один способный к механическим колебаниям блок, состоящий из трубки и внутреннего вибратора, причем трубка обращенным от процесса концом соединена с крепежным блоком, обращенный к процессу конец трубки выполнен в виде свободного конца, трубка окружает внутренний вибратор, который обращенным к процессу концом закреплен на обращенном к процессу конце трубки, и, по меньшей мере, один приемоприводной блок, который возбуждает колебания способного к механическим колебаниям блока или принимает колебания способного к механическим колебаниям блока. Параметр процесса представляет собой, например, уровень, вязкость или плотность среды. Среда может быть при этом жидкостью или любым сыпучим продуктом.

В DE 69202354 Т2 описан маятниковый датчик вибрационного типа. Регистрирующий блок-трубка закреплен одним концом в качестве свободного конца на крепежном блоке, а на другом конце закрыт колпачком. На этом колпачке и в блоке-трубке закреплена внутренняя вибрационная деталь. Вибрационная деталь имеет форму продолговатого прямоугольного стержня. На одной боковой поверхности этой вибрационной детали закреплено вибрирующее устройство. Регистрирующая трубка, колпачок и внутренняя вибрационная деталь образуют сообща сильфонную консоль. В колпачке размещено регистрирующее устройство, которое регистрирует измерения вибрации сильфонной консоли. Согласно этой публикации, для максимально оптимального выходного напряжения регистрирующего блока соотношение длин трубки и вибрационной детали должно составлять 1,6-3,0. Если блок-трубка закреплен на крепежном блоке посредством мембраны, то узел колебаний сильфонной консоли может смещаться в направлении крепежного блока. Это позволяет использовать более короткую длину блока-трубки. С мембраной соотношение длин трубки и вибрационной детали должно составлять 1,0-2,5. Недостаток этой сильфонной консоли в том, что длина датчика очень велика. Это происходит оттого, что частота колебаний сильфонной консоли определяется массой и длиной внутренней вибрационной детали. Для уменьшения частоты колебаний внутренняя вибрационная деталь должна быть максимально длинной. Такое уменьшение частоты колебаний имеет то общее преимущество, что этим достигаются большие амплитуды и что за счет этого датчик имеет широкую область применения. Одновременно с длинной внутренней вибрационной деталью в большинстве случаев требуется еще большая длина трубки. Это соотношение длин препятствует передаче колебательной энергии от сильфонной консоли на емкость. Таким образом, возникает большая длина датчика. Мембрана на крепежном блоке является возможностью укорочения длины. Однако из DE 3740598 С2 известно, что механические производственные допуски приводят к тому, что узел колебаний воздействует на место закрепления мембраны неточно. Таким образом, также и здесь могут возникнуть потери энергии. Кроме того, такая мембрана при условии того, что в месте ее закрепления находятся узлы колебаний, ограничивает выбор частот колебаний. Другой недостаток публикации DE 69202354 Т2 в том, что внутренняя вибрационная деталь требует специальной геометрии, связанной с размещением и выполнением вибрирующего устройства. Кроме того, помимо вибрирующего устройства для возбуждения требуется еще регистрирующее устройство для приема.

Задачей изобретения является определение и/или контроль физического или химического параметра процесса среды с помощью, по меньшей мере, одного способного к механическим колебаниям и приемоприводного блоков, причем точность измерений максимально высока.

Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что внутренний вибратор имеет, по меньшей мере, один паз/сужение, которое определяет, по меньшей мере, частоту колебаний способного к механическим колебаниям блока.

В основном, частота колебаний зависит от момента инерции массы внутреннего вибратора по отношению к оси вращения в пазу/сужении. Другие зависимости возникают от изгибной жесткости указанного участка внутреннего вибратора с пазом/сужением и от момента инерции массы трубки по отношению к оси вращения в месте зажима крепежного блока. Небольшое участие в частоте вибрации принимает еще вращательная жесткость участка крепежного блока, на котором закреплена трубка. Например, вращательная жесткость внутреннего вибратора определяется, например, диаметром и/или длиной паза или сужения. В зависимости от выполнения затронута и масса внутреннего вибратора. Это следует иметь в виду, при необходимости, при дальнейшем выполнении внутреннего вибратора. Поскольку вращательная жесткость определяет, в том числе, и частоту колебаний, за счет выполнения и/или положения паза/сужения можно подходящим образом установить рабочую частоту. Таким образом, за счет расчета и/или положения паза или сужения можно уменьшить частоту колебаний, в результате чего возрастает амплитуда колебаний. Для дальнейшего, более точного установления частоты колебаний или амплитуды важным является, как и сказано выше, также дальнейшее выполнение. У варианта выполнения в виде паза преимущество в том, что внутренний вибратор выполнен в виде вращательной детали, что является экономичным. Паз или сужение имеет предпочтительно вращательно-симметричное выполнение, так что, в том числе, не возникает дисбаланса. Кроме того, следует также обратить внимание на то, что внутренний вибратор за счет паза/сужения все еще настолько стабилен, что в результате колебаний не может возникнуть деформация и т.п.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что паз/сужение находится в направлении обращенного к процессу конца внутреннего вибратора. Паз/сужение находится, следовательно, оптимально на переходе между трубкой и внутренним вибратором. Таким образом, инерционная масса внутреннего вибратора наибольшая над пазом/сужением. Кроме того, это точка, в которой действуют усилия и где сказывается также вращательная жесткость. Позиционирование паза/сужения зависит, однако, и от положения и выполнения приемоприводного блока, так что приемоприводной блок может действовать оптимально или принимать оптимально или на внутренний вибратор не действуют никакие деструктивные силы и моменты.

Во время колебательного движения колеблющиеся части (трубка и внутренний вибратор) передают усилия и крутящие моменты, воспринимаемые крепежным блоком в виде реакционных усилий и моментов. Крепежный блок или базовый блок непосредственно или, при необходимости, через дополнительный элемент соединен с емкостью, в которой находится среда. Во избежание связи с емкостью и, тем самым, с возможной потерей энергии необходимо позаботиться о том, что способный к механическим колебаниям блок находится в энергетическом равновесии. Это означает, что сумма усилий и крутящих моментов, создаваемых во время колебательного движения отдельными компонентами, в крепежном блоке равна, в основном, нулю.

У одного предпочтительного варианта осуществления изобретения в крепежном блоке предусмотрен дополнительный груз. Благодаря этому, в основном, устраняется связь между способным к механическим колебаниям и крепежным блоками в отношении передачи колебательной энергии. Кроме того, вес также помогает сделать место зажима более стабильным в отношении техники колебаний.

Другие варианты осуществления изобретения предусматривают, что трубка и/или внутренний вибратор имеет круглое, эллиптическое, квадратное или многоугольное сечение. Для геометрии почти не существует, следовательно, заданных форм и пределов. Круглое сечение трубки имеет то преимущество, что уменьшается опасность сгибания способного к механическим колебаниям блока материалом. Таким образом, можно реализовать также монтаж в любом месте в емкости для среды. Кроме того, у круглого сечения изготовление является простым и рентабельным.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения предусматривают, что внутренний вибратор выполнен полым, сплошным или частично полым и частично сплошным. Следует обеспечить, чтобы внутренний вибратор, несмотря на паз или сужение, был достаточно стабильным в этой зоне, т.е. не должен отламываться за счет колебаний. Поскольку для внутреннего вибратора масса играет важную роль, целесообразно выполнить его в виде сплошного материала. У полой трубки частота колебаний повысилась бы. Это также дает, конечно, возможность установить частоту колебаний.

У одного предпочтительного варианта осуществления изобретения в приемоприводном блоке предусмотрен только один пьезоблок, служащий приемоприводным блоком. У другого варианта осуществления изобретения в приемоприводном блоке предусмотрены, по меньшей мере, два пьезоблока, причем, по меньшей мере, один пьезоблок служит приводным блоком, а, по меньшей мере, один пьезоблок - приемным блоком, причем пьезоблоки позиционированы в одном положении. Это позволяет значительно упростить монтаж пьезоблока и конструкцию трубки, внутреннего вибратора и других возможных фиксирующих элементов. Это упрощает также кабельную разводку пьезоблока. Другие преимущества при использовании только одного блока заключаются в меньших производственных издержках. Другое преимущество в том, что изготавливают независимый от вибратора узел, который перед монтажом можно проверить и протестировать, что всегда желательно в производстве.

Пьезоблоки обычно зажаты. У такого пьезоблока важным для эффективности является, в том числе, то, что внутренний вибратор максимально соединен со всей поверхностью пьезоблоков, т.е., например, паз/углубление сидит не непосредственно на пьезоблоке, имеющем значительно больший диаметр. Эти и аналогичные соображения в отношении выполнения близки квалифицированному специалисту и сильно зависят от вида и детальных условий конкретной реализации.

У одного особенно предпочтительного варианта осуществления изобретения пьезоблок представляет собой пьезоэлектрический элемент, состоящий, по меньшей мере, из двух сегментов, поляризованных во встречных направлениях, причем направления поляризации параллельны оси вращения способного к механическим колебаниям блока. При приложении напряжения к верхней и нижней сторонам этого пьезоблока один сегмент сжимается, а другой расширяется, т.е. один сегмент имеет меньшую, а другой большую высоту. Этот специальный пьезоблок имеет, таким образом, большое преимущество обнаружения непосредственных возникающих опрокидывающих или вращательных движений.

Один вариант осуществления изобретения предусматривает, что приемоприводной блок позиционирован между обращенным к процессу концом внутреннего вибратора и обращенным к процессу концом трубки. Это позиционирование в сочетании с особо выполненным пьезоблоком служит для возбуждения непосредственных опрокидывающих или вращательных движений способного к механическим колебаниям блока или приема колебаний, состоящих из таких движений. Другие преимущества в том, что создается прямая и жесткая связь с вибратором и что осевые движения, например помехи, из-за различных направлений поляризации пьезоблока не принимаются. Кроме того, речь идет о рентабельном решении, поскольку требуется меньше отдельных деталей.

Один вариант осуществления изобретения предусматривает, что внутренний вибратор имеет, по меньшей мере, один второй паз/сужение. С этим связан вариант осуществления изобретения, у которого приемоприводной блок позиционирован между первым и вторым пазами/сужениями. Первый паз/сужение находится при этом очень близко к колпачку, т.е. к концу обращенного к процессу конца внутреннего вибратора и трубки. Приемоприводной блок находится также как можно ближе к этому концу или к месту фиксации внутреннего вибратора, так что может происходить оптимальное использование колебательной энергии. Для получения непосредственных опрокидывающих движений очень эффективен также пьезоблок со встречной поляризацией. Эта конструкция повышает чувствительность измерений датчика.

Изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображены:

- фиг.1: сечение одного варианта реализации устройства;

- фиг.2: схематично пояснение колебаний и возникающих усилий;

- фиг.3: сечение другого варианта реализации устройства.

На фиг.1 изображено сечение одного варианта реализации устройства. Способный к механическим колебаниям блок 1 состоит из трубки 2 и внутреннего вибратора 3. Трубка 2 имеет два конца. Конец 6 обращен к процессу, а конец 4 обращен от процесса. Обращенным от процесса концом 4 трубка 2 закреплена на крепежном блоке 5. В изображенном здесь случае обращенный от процесса конец 4 закреплен во ввинчиваемой детали 10. Ввинчиваемая деталь 10 может представлять собой также мембрану в крепежном блоке 5. Выполнение мембраны определяет при этом, в том числе, и частоту колебаний способного к механическим колебаниям блока 1. Мембрана имеет место тогда, когда диаметр крепежной шайбы намного больше ее толщины, или для кольцевой мембраны разность внешнего и внутреннего диаметров должна быть намного больше толщины мембраны. Частота колебаний способного к механическим колебаниям блока 1 уменьшается с уменьшением толщины мембраны. В то же время уменьшается, однако, и амплитуда колебаний способного к механическим колебаниям блока 1. Кроме того, у этого варианта выполнения в крепежном блоке 5 предусмотрен дополнительный груз 12, который, во-первых, делает крепежный блок 5 более стабильным, а во-вторых, способствует устранению связи между способным к колебаниям блоком 1 и крепежным блоком 5. На обращенном к процессу конце 6 трубки 2 закреплен колпачок 11. В колпачке 11 выполнено отверстие 17, в которое ввинчивают фиксирующий элемент 18 обращенного к процессу конца 7 внутреннего вибратора 3 для соединения внутреннего вибратора 3 с трубкой 2. Такое резьбовое соединение 17, 18 позволяет, например, легко и просто фиксировать внутренний вибратор 3 на обращенном к процессу конце 6 трубки 2 даже при очень длинной трубке 2. Более длинная трубка 2 может потребоваться, например, для специальных сред или специальных емкостей. Для свинчивания целесообразно также снабдить обращенный от процесса конец 13 внутреннего вибратора 3 шлицем, так что возможно, например, ввинчивание посредством отвертки (фиг.3). Приемоприводной блок 8, возбуждающий колебания способного к механическим колебаниям блока 1 или принимающий колебания способного к механическим колебаниям блока 1, фиксирован в данном примере между внутренним вибратором 3 и колпачком 11 на трубке 2. За счет фиксации внутреннего вибратора 3 посредством фиксирующего элемента 18 приемо-приводной блок 8 выполнен в данном случае в форме кольца. Приемоприводной блок 8 представляет собой предпочтительно, по меньшей мере, один пьезоблок 16. Если для привода и приема предусмотрены разные пьезоблоки 16, то эти несколько пьезоблоков 16 находятся в одном положении, например, внутри штабеля. Пьезоэлектрический блок с двумя встречными поляризациями может создавать в этом положении непосредственные опрокидывающие движения. Внутренний вибратор 3 представляет собой в данном случае прочный круглый стержень. Возможны, однако, и другие формы. Вибратор 3 имеет в направлении обращенного к процессу конца 7 паз 9. Возможно также сужение. Паз/сужение 9 выполнен здесь вращательно-симметричным. Другие выполнения близки квалифицированному специалисту. Вращательная жесткость С_i участка внутреннего вибратора 3 в этой пазовой зоне особенно определяется диаметром и длиной паза 9. Вращательная жесткость C_i и момент θ_i инерции массы внутреннего вибратора 3 определяют, в свою очередь, резонансную частоту внутреннего вибратора 3. Таким образом, размер паза 9 прямо влияет на резонансную частоту внутреннего вибратора 3. Частота колебаний способного к механическим колебаниям блока 1 соответствует резонансной частоте внутреннего вибратора 3 в состоянии связи с трубкой 2. Дополнительно на эту частоту колебаний влияет момент инерции массы трубки 2 и ее изгибная жесткость. Это влияние, правда, невелико, пока резонансная частота трубки 2 намного меньше резонансной частоты внутреннего вибратора 3. Таким образом, можно повлиять через паз 9 и/или его положение на частоту колебаний способного к механическим колебаниям блока 1.

Основная идея изобретения заключается, следовательно, в том, что частота колебаний способного к механическим колебаниям блока 1 может быть установлена посредством паза/сужения 9. Меньшая частота колебаний приводит при равной энергии возбуждения к более высокой амплитуде. Этот паз/сужение позволяет, тем самым, выполнить внутренний вибратор 3 короче. Важными параметрами паза/сужения 9 являются при этом его выполнение (диаметр, длина) и его положение на внутреннем вибраторе 3.

На фиг.2 подробно показаны действующие и возникающие усилия и моменты из фиг.1. При этом видно также, что трубка 2 и внутренний вибратор 3 колеблются навстречу друг другу. Во время колебательного движения колеблющиеся детали 2, 3 передают усилия Fi, Fa и крутящие моменты Mi, Ma, воспринимаемые крепежным блоком 5 в виде реакционных усилий Fr и моментов Mr. Во избежание связи с емкостью и, тем самым, потери энергии или помех из-за колебаний емкости следует позаботиться о том, чтобы способный к механическим колебаниям блок 1 находился в энергетическом равновесии. Это означает, что сумма усилий и крутящих моментов, создаваемых во время колебательного движения, должна равняться в крепежном блоке 5 нулю. Требования заключаются в том, чтобы усилия Fi, Fa, действующие в центре Si тяжести внутреннего вибратора 3 и в центре Sa тяжести трубки 2, были одинаковы: Fi=Fa. Точно так же крутящие моменты Mi внутреннего вибратора 3 и Ma крутящие моменты трубки 2 должны быть одинаковы: Mi=Ma. Если эти условия почти выполнены, то на крепежный блок 5 передаются лишь усилия Fr и моменты Mr, которыми можно пренебречь, и не возникает никаких заметных потерь энергии способного к механическим колебаниям блока 1.

На фиг.3 изображен вариант выполнения, у которого внутренний вибратор 3 имеет два сужения 9 и 19. Приемоприводной блок 8 или в этом случае пьезоблок 16 из двух сегментов со встречной поляризацией находится между обоими сужениями 9 и 19. За счет выполнения пьезоблока 16 приложенное к нему напряжение приводит к тому, что один его сегмент сжимается, а другой расширяется. Таким образом, создается непосредственно опрокидывающее движение, за счет которого возникают колебания. Крепежный блок 5 выполнен здесь прочнее, чем на фиг.1, или дополнительный груз 12 является здесь частью крепежного блока 5. Здесь виден также шлиц 20 во внутреннем вибраторе 3, посредством которого внутренний вибратор 3 может быть ввинчен в колпачок 11 трубки 2 с помощью отвертки. Это также является примером очень легко монтируемого и, тем самым, также экономичного выполнения способного к механическим колебаниям блока 1.

Перечень ссылочных позиций

1 - способный к механическим колебаниям блок

2 - трубка

3 - внутренний вибратор

4 - обращенный от процесса конец трубки

5 - крепежный блок

6 - обращенный к процессу конец трубки

7 - обращенный к процессу конец внутреннего вибратора

8 - приемоприводной блок

9 - паз/сужение

10 - ввинчиваемая деталь

11 - колпачок

12 - дополнительный груз

13 - обращенный от процесса конец внутреннего вибратора

14 - ось вращения

16 - пьезоблок

17 - отверстие

18 - фиксирующий элемент

19 - второй паз/сужение

20 - шлиц

Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического или химического параметра процесса среды. Сущность: устройство содержит, по меньшей мере, один способный к механическим колебаниям блок (1) и, по меньшей мере, один приемоприводной блок (8). Блок (1) состоит из трубки (2) и внутреннего вибратора (3). Трубка (2) обращенным от процесса концом (4) соединена с крепежным блоком (5), а обращенный к процессу конец (6) трубки (2) выполнен в виде свободного конца. Крепежный блок непосредственно или, при необходимости, через дополнительный элемент соединен с емкостью, в которой находится среда. Трубка (2) окружает внутренний вибратор (3), который обращенным к процессу концом (7) закреплен на обращенном к процессу конце (6) трубки (2). Приемоприводной блок (8) возбуждает колебания способного к механическим колебаниям блока (1) или принимает колебания способного к механическим колебаниям блока (1). Согласно изобретению внутренний вибратор (3) имеет, по меньшей мере, один паз/сужение (9), которое определяет, по меньшей мере, частоту колебаний способного к механическим колебаниям блока (1). Технический результат: повышение точности измерения. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического или химического параметра процесса среды, содержащее, по меньшей мере, один выполненный с возможностью механических колебаний блок (1), состоящий из трубки (2) и внутреннего вибратора (3), причем трубка (2) обращенным от процесса концом (4) соединена с крепежным блоком (5), а обращенный к процессу конец (6) трубки (2) выполнен в виде свободного конца, при этом трубка (2) окружает внутренний вибратор (3), который обращенным к процессу концом (7) закреплен на обращенном к процессу конце (6) трубки (2), и, по меньшей мере, один приемо-приводной блок (8), который выполнен с возможностью возбуждения колебаний способного к механическим колебаниям блока (1) или приема колебаний способного к механическим колебаниям блока (1), отличающееся тем, что внутренний вибратор (3) имеет, по меньшей мере, один паз/сужение (9), которое определяет, по меньшей мере, частоту колебаний способного к механическим колебаниям блока (1) и находится в направлении обращенного к процессу конца (7) внутреннего вибратора (3).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в крепежном блоке (5) предусмотрен дополнительный груз (12).3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубка (2) и/или внутренний вибратор (3) имеет круглое, эллиптическое, квадратное или многоугольное сечение.4. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что внутренний вибратор (3) выполнен полым, сплошным, или частично полым, или частично сплошным.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в приемо-приводном блоке (8) предусмотрен только один пьезоблок (16), служащий приемо-приводным блоком (8).6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в приемо-приводном блоке (8) предусмотрены, по меньшей мере, два пьезоблока (16), причем, по меньшей мере, один пьезоблок (16) служит приводным блоком, а, по меньшей мере, один пьезоблок (16) - приемным блоком, причем пьезоблоки (16) позиционированы в одном положении.7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что пьезоблок (16) выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, состоящего, по меньшей мере, из двух сегментов, поляризованных во встречных направлениях, причем направления поляризации параллельны оси (14) вращения способного к механическим колебаниям блока (1).8. Устройство по любому из пп.1, 5 или 6, отличающееся тем, что приемо-приводной блок (8) позиционирован между обращенным к процессу концом (7) внутреннего вибратора (3) и обращенным к процессу концом (6) трубки (2).9. Устройство по любому из пп.1, 5 или 6, отличающееся тем, что внутренний вибратор (3) имеет, по меньшей мере, один второй паз/сужение (19).10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что приемо-приводной блок (8) позиционирован между первым (9) и вторым (19) пазами/сужениями.