Изобретение относится к устройству для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического или химического параметра процесса среды, содержащему, по меньшей мере, один колебательный блок, создающий и/или принимающий механические колебания. Параметр процесса может представлять собой, например, уровень, плотность или вязкость среды в резервуаре или объемный или массовый расход протекающей по трубе текучей среды. Колебания могут создаваться либо непрерывно, либо речь идет о пакетах колебаний, так называемых Bursts. Изобретение относится также к способу изменения резонансной частоты описанного выше устройства.
Под колебательным блоком следует понимать колебательный блок, создающий и/или принимающий механические колебания, причем колебания зависят от определенных, заданных самим блоком величин. Такие колебательные блоки известны, например, в виде колебательных стержней или колебательных вилок для детектирования предельного уровня или в виде колебательной мембраны ультразвукового преобразователя, или в виде измерительной трубки вставленного в трубопровод измерительного преобразователя вибрационного типа. Измерительные преобразователи вибрационного типа используются, например, для измерения массового расхода, плотности и/или вязкости протекающей по трубопроводу текучей среды. У таких колебательных блоков, например, частота или длина волны зависит от инерции массы и жесткости, если речь идет о колебательном стержне, или от заданной в блоке скорости звука, на которую также влияет жесткость, если речь идет об ультразвуковом преобразователе. Проблема таких колебательных блоков состоит в том, что они должны быть настроены на определенные частоты или длины волн для применения в соответствующих средах или для использования определенных предпочтительных частотных диапазонов. Кроме того, соответствующие блоки обработки в большинстве случаев фиксированы в отношении применяемой электроники на специальные частотные диапазоны. Этому противоречит тот факт, что господствующие при применении условия процесса воздействуют на установленную резонансную частоту, т.е. могут влиять на нее или изменять ее. У так называемых моностержней, а также, в целом, датчиков, вступающих в непосредственный контакт с измеряемой средой, может образоваться налет за счет материала, или возникнуть коррозия. То и то изменяет массу и, тем самым, резонансную частоту моностержня. У ультразвуковых датчиков резонансные свойства изменяются, например, за счет температуры процесса. Таким образом, существуют условия процесса, препятствующие коррекции или настройке на желаемую частоту.
Поэтому задачей изобретения является обеспечение возможности изменяемой настройки или согласования, по меньшей мере, одного колебательного свойства устройства для определения и/или контроля параметра процесса.
Эта задача решается в отношении устройства за счет того, что предусмотрен, по меньшей мере, один настроечный блок, жесткость которого может быть изменена и который выполнен и соединен с колебательным блоком или является составной частью колебательного блока с возможностью изменения посредством настроечного блока, по меньшей мере, резонансной частоты колебательного блока. Основная мысль изобретения состоит в том, чтобы за счет жесткости настроечного блока и, тем самым, в зависимости от соединения с колебательным блоком подходящим образом настроить посредством жесткости колебательного блока резонансную частоту и, при необходимости, также подстраивать ее в применении, т.е. во время процесса. Таким образом, во-первых, возможна коррекция, необходимая, например, по производственным причинам и обеспечивающая, тем самым, большие допуски деталей. Это важно при изготовлении. Во-вторых, во время применения может быть осуществлена коррекция или подгонка, необходимая из-за условий процесса. Таким образом, даже в поле в суровых условиях можно настроить оптимальную чувствительность. Кроме того, за счет целенаправленного изменения резонансной частоты возможно предупредительное обслуживание. Настроечный блок может быть составной частью колебательного блока или колебательный и настроечный блоки могут быть также идентичными, так что один блок выполняет обе функции. Выполнение настроечного блока зависит при этом от вида применения и выполнения колебательного блока.
Один вариант предусматривает, что настроечный блок состоит из пьезоэлектрического материала, соединенного с электродами, а его жесткость может быть изменена, по меньшей мере, посредством электрического тока между электродами. Жесткость пьезоэлектрических элементов может быть изменена за счет присоединения электродов, которые либо свободны, т.е. между ними не может течь ток, либо короткозамкнуты, т.е. между электродами течет ток. В короткозамкнутом состоянии жесткость элемента обычно минимальная. За счет постепенного перехода между этими обоими состояниями можно постепенно изменять жесткость. Что касается относительной жесткости пьезоэлектрического элемента, то могут быть достигнуты отличия до 25%. В зависимости от того, какую долю жесткости колебательного блока, в целом, образует пьезоэлектрический элемент, можно изменять и настраивать в соответствующих пределах общую жесткость и, тем самым, резонансную частоту. Число пьезоэлектрических элементов следует выбирать в соответствии с этим, чтобы получить желаемый диапазон настройки резонансной частоты.
Частота f колебаний, например, колебательного стержня вычисляется посредством его крутильной жесткости С в точке его закрепления и посредством момента q инерции его массы по формуле: [являющейся закодированной математической формулой]. Таким образом, изменение жесткости С приводит к изменению частоты f колебаний. Если настроечный блок является составной частью колебательного блока или подходящим образом соединен с ним, то резонансную частоту можно настроить просто и, прежде всего, электрически.
Один вариант предусматривает, что настроечный блок состоит из магнитострикционного материала, жесткость которого может быть изменена, по меньшей мере, за счет приложенного магнитного поля. Если настроечный блок представляет собой магнитострикционный элемент, то в результате приложения магнитного поля, преимущественно магнитного поля постоянного тока, к этому элементу возникает механическое напряжение, что приводит к изменению жесткости настроечного блока. Магнитострикционные материалы могут деформироваться за счет приложения магнитного поля. Наоборот, они создают магнитное поле при оказании на них механического давления. Классические железо-редкоземельные соединения имеют более высокую удельную мощность, чем пьезоэлектрические элементы/керамические материалы. Поэтому они приносят много преимуществ в целом ряде применений.
В одном предпочтительном варианте предусмотрен блок управления, который электрически управляет настроечным блоком. Такой блок управления обрабатывает, например, колебания колебательного блока и подходящим образом настраивает резонансную частоту. Это может быть реализовано, например, посредством микропроцессоров. Преимущество в том, что при практическом применении может быть автоматически осуществлена, тем самым, оптимизация условий измерения. Блок управления может обслуживаться, например, и потребителем. В простейшем случае блок управления представляет собой реостат, с помощью которого изменяют граничные условия настроечного блока, например ток между электродами.
Один предпочтительный вариант предусматривает, что блок управления выполнен с возможностью настройки резонансной частоты колебательного блока в зависимости от амплитуды и/или частоты механических колебаний, созданных и/или принятых колебательным блоком. Такой блок управления может быть, например, частью производственного блока, так что в зависимости от амплитуды и/или частоты жесткость изменяют с возможностью достижения заданного значения или, например, максимальной амплитуды. Такой блок управления устанавливает, например, реостат на соответствующее значение. Это является применением изобретения в области производства, чтобы можно было реагировать на производственные допуски деталей. Блок управления может быть также частью блока регулирования/обработки, который является в большинстве случаев составной частью устройства и подходящим образом обрабатывает и регулирует там колебания для определения и/или контроля параметра процесса. Таким образом, резонансную частоту можно подстраивать во время практического применения устройства, если это необходимо на основе условий процесса. При таком активном согласовании следует, однако, обратить внимание на то, чтобы не компенсировалось изменение контролируемого или определяемого параметра процесса. Соответствующие варианты зависят при этом соответственно от конкретного выполнения колебательного блока и от вида применения устройства.
Нижеследующие рассуждения относятся к так называемому моностержню в качестве колебательного блока устройства.
Один вариант предусматривает, что в колебательном блоке расположены, по меньшей мере, один внутренний и один внешний колебательные стержни, внешний колебательный стержень коаксиально охватывает внутренний колебательный стержень, внешний и внутренний колебательные стержни связаны между собой, и, по меньшей мере, один настроечный блок связан, по меньшей мере, с одним из колебательных стержней. Преимущественно настроечный блок связан, по меньшей мере, с одним колебательным стержнем механически или соединен, по меньшей мере, с одним из колебательных стержней. Колебательный блок представляет собой в этом варианте моностержень (см. заявку № 10318705). Моностержень служит, например, для детектирования уровня, при котором изменение амплитуды или частоты колебаний интерпретируют в том смысле, что заданный монтажной высотой уровень понижается, т.е. констатируется переход от покрытого к свободному колебанию, или что такой уровень повышается, т.е. оценивается, как амплитуда и частота реагируют на переход с состояния «покрыт» к состоянию «свободен». У такого моностержня внутренний и внешний колебательные стержни должны быть настроены друг на друга, так чтобы в зоне зажима колебательного блока не возникали реактивные усилия и моменты, т.е. чтобы не терялась энергия колебаний. Такая коррекция, означающая, например, одинаковую резонансную частоту колебательных стержней, может быть устранена налетом на внешнем колебательном стержне или коррозией. Это может привести к тотальному выходу из строя. Во избежание этого настроечный блок может осуществлять коррекцию. Таким образом, можно реагировать на налет или коррозию в определяемой выполнением настроечного блока области в поле, т.е. в применении. Колебательный блок может представлять собой также так называемую колебательную вилку, изготавливаемую и распространяемую заявителем под названием "Liquiphant". При этом, по меньшей мере, один зубец этой вилки следует связать с настроечным блоком.
Один предпочтительный вариант предусматривает, что настроечный блок соединен, по меньшей мере, с внутренним колебательным стержнем. Таким образом, настроечный блок находится в защищенном состоянии во внутреннем пространстве устройства и может оптимально выполнять там свою корректирующую функцию.
Один вариант предусматривает, что блок управления выполнен с возможностью управления настроечным блоком для достижения максимальной амплитуды в зависимости от амплитуды колебаний. Это особенно важно для моностержней, у которых амплитуду используют для определения и/или контроля параметров процесса. Таким образом, максимизирован физический эффект, используемый для применения.
Нижеследующие рассуждения относятся к ультразвуковому преобразователю или ультразвуковому датчику в соответствующем устройстве. Аналогичные преобразователи и датчики с другими частотными диапазонами также пригодны для реализации изобретения.
Один вариант предусматривает, что в колебательном блоке расположен, по меньшей мере, один приемо-передающий пьезоэлемент, настроечный блок является составной частью колебательного блока, а резонансная частота колебательного блока лежит в ультразвуковом диапазоне. Если частоты лежат в ультразвуковом диапазоне, то колебательный блок представляет собой ультразвуковой преобразователь. Такой преобразователь может эксплуатироваться непрерывно или создавать так называемые Bursts, т.е. пакеты волн. В простейшей конструкции речь идет о приемо-передающем пьезоэлементе, который при определенных условиях попеременно передает и принимает. Если в колебательном блоке расположены несколько пьезоэлектрических элементов, то один из этих элементов может представлять собой сам настроечный блок.
Один вариант для диапазона ультразвуковых колебаний предусматривает, что в колебательном блоке расположены, по меньшей мере, одна передняя и одна задняя массы, по меньшей мере, один приемо-передающий пьезоэлемент расположен между обеими массами, по меньшей мере, один настроечный блок является составной частью одной из обеих масс, а резонансная частота колебательного блока лежит в ультразвуковом диапазоне. Колебательный блок представляет собой в этом варианте, следовательно, ультразвуковой преобразователь или ультразвуковой датчик ланжевенового типа. Резонансная частота при этом обычно обратно пропорциональна длине всего блока из обеих масс и приемо-передающего пьезоэлемента, поскольку половина длины волны соответствует этой длине. Это условие можно, однако, изменить за счет изменения скорости звука, по меньшей мере, в одной из обеих масс. В этом заключается также большое преимущество изобретения. Если, по меньшей мере, один настроечный блок является составной частью, по меньшей мере, одной массы, то за счет изменения жесткости можно изменить также скорость звука в этой массе. Таким образом, возможно намного более легкое согласование резонансной частоты, чем, например, за счет укорочения или удлинения масс. Этот настроечный блок, поэтому особенно важен, чтобы можно было реагировать на производственные допуски. Кроме того, датчик может быть настроен на желаемый частотный диапазон без необходимости применения принятого обычно демпфера, который в большинстве случаев приводит к снижению мощности, поскольку он делает датчик широкополосным. Возможно также применение ультразвукового преобразователя с полной мощностью с несколькими резонансными частотами. Изобретение не ограничено в этой области применением в ультразвуковом диапазоне.
Один предпочтительный вариант предусматривает, что в колебательном блоке расположен, по меньшей мере, один согласующий слой для связи со средой. Для обеспечения максимальной эффективности в определенных средах (например, воде) часто используется согласующий 1/4-слой. Такие согласующие слои имеют, однако, обычно иную температурную зависимость скорости звука, нежели пьезорезонатор. Поэтому при определенных температурах мощность снижается. С помощью настроечных блоков согласно изобретению можно осуществлять согласование резонансной частоты с 1/4-согласующим слоем по широкому интервалу температур. Резонансная частота может быть согласована, следовательно, с помощью настроечного блока согласно изобретению при изменениях температуры с согласующим слоем.
Один предпочтительный вариант предусматривает, что в колебательном блоке расположен, по меньшей мере, один болт, создающий натяжение. Соединение между обеими массами и приемо-передающим пьезоэлементом может осуществляться посредством клеев или болта. Мощность ультразвукового датчика зависит от механического натяжения между деталями. Это натяжение определяется болтом. При ослаблении болта уменьшаются натяжение и мощность. В смысле предупредительного обслуживания встает вопрос о том, как можно проверить это натяжение без необходимости развинчивания блока. Такая возможность позволяет своевременно обнаружить потерю натяжения, не извлекая при этом измерительное устройство. Благодаря изобретению возможен, следовательно, непосредственный контроль в поле. Если ультразвуковой датчик состоит из различных деталей разной жесткости, то доминирующей является обычно возникающая минимальная жесткость. С помощью настроечного блока, согласно изобретению, можно, однако, варьировать жесткость без изменения натяжения. За счет этого изменения возникает определенное влияние на резонансную частоту образования, в случае если датчик сам по себе не слишком отклоняется от жесткости настроечного блока. При уменьшении механического натяжения изменение частоты также уменьшается за счет изменения жесткости, поскольку общая жесткость сильнее зависит от ослабления болта. Таким образом, за счет отклонения от известного изменения частоты можно сделать вывод об ослаблении болта.
Один вариант устройства согласно изобретению предусматривает, что колебательный блок содержит, по меньшей мере, одну измерительную трубку вставленного в трубопровод измерительного преобразователя вибрационного типа, в частности кориолисова массового расходомера или кориолисова массового расходомера/плотномера. Такие принципы измерения описаны в US 5796011, US 6651513, US 6006609 или US 5531126.
Задача относится также к способу изменения резонансной частоты устройства для определения и/или контроля, по меньшей мере, одного физического или химического параметра процесса среды, содержащего, по меньшей мере, один колебательный блок, создающий и/или принимающий механические колебания. Под термином «резонансная частота устройства» следует при этом понимать то, что речь идет о резонансной частоте или, в целом, о частоте колебаний, с которой работает (измерительное) устройство, т.е. определяет и/или измеряет соответствующий параметр процесса.
Эта задача решается согласно изобретению в отношении способа за счет того, что изменяют жесткость, по меньшей мере, одного настроечного блока, соединенного с колебательным блоком или являющегося составной частью колебательного блока. Если колебательный блок представляет собой колебательную систему, резонансная частота которой определяется жесткостью, по меньшей мере, одной детали, то, например, пьезоэлектрический блок обеспечивает простую и, прежде всего, также электрически управляемую настройку резонансной частоты. Кроме того, варианты вышеописанного устройства согласно изобретению могут применяться и при осуществлении способа.
Изобретение более подробно поясняется с помощью нижеследующих чертежей, на которых изображают:
- фиг.1: устройство, колебательные стержни которого показаны в разрезе;
- фиг.2: ультразвуковой датчик, содержащий настроечный блок согласно изобретению.
На фиг.1 изображено устройство 1, у которого колебательный блок 5 представляет собой моностержень 10, состоящий из внутреннего 10.1 и внешнего 10.2 колебательных стержней. При этом внешний колебательный стержень 10.2 коаксиально охватывает внутренний колебательный стержень 10.1. Оба колебательных стержня 10.1, 10.2 упруго связаны между собой посредством первой мембраны 11.1. Внешний колебательный стержень 10.2 прочно соединен посредством второй мембраны 11.2 с присоединением 12. Посредством этого присоединения 12 устройство 1 устанавливают в резервуаре (не показан) для контроля, например, уровня среды, здесь, в частности, сыпучего материала, в этом резервуаре. Посредством приводного/приемного пьезоэлемента 13 возбуждают противофазные колебания колебательных стержней 10.1, 10.2. Для этого требуется, чтобы оба колебательных стержня 10.1, 10.2 имели одинаковую резонансную частоту. Когда внешний колебательный стержень 10.2 вступает в контакт с сыпучим материалом, происходит изменение амплитуды, поскольку моностержень 10 из-за эффектов трения теряет энергию. То же относится к тому случаю, когда внешний колебательный стержень 10.2 сначала покрыт, а затем свободно колеблется. Изменения амплитуды преобразуются обычно в соответствующие сообщения.
Важно, чтобы моностержень 10 не терял энергию из-за того, что, например, за счет неправильной настройки обоих колебательных стержней 10.1, 10.2 энергия передается на присоединение 12 и, тем самым, на резервуар. Это означает, что радиальное усилие в центре тяжести внутреннего колебательного стержня 10.1 должно быть, в основном, равно радиальному усилию внешнего колебательного стержня 10.2 и что крутящие моменты в месте зажима также должны быть, в основном, равны. Усилия и моменты должны, следовательно, компенсироваться вследствие противофазных колебаний, в основном, в зоне присоединения. Поэтому требуется настройка обоих колебательных стержней 10.1, 10.2 друг на друга.
Если такая колебательная система оптимально скорректирована, то она может применяться на практике. Другая проблема состоит, однако, в том, что на внешнем колебательном стержне 10.2 из-за контакта со средой может образоваться налет или возникнет коррозия. В результате изменяется масса внешнего колебательного стержня 10.2, и, тем самым, возникает иной момент инерции массы, и за счет этого также иные частота и амплитуды колебаний внешнего колебательного стержня 10.2. Вследствие этого, однако, внутренний 10.1 и внешний 10.2 колебательные стержни больше не настроены друг на друга, и энергия колебаний передается на присоединение 12. Поэтому здесь при налете или коррозии важную роль играет настроечный блок 20.
Настроечный блок 20 состоит здесь из пьезоэлектрического материала, к которому присоединены два электрода 21. В зависимости от того, свободны ли электроды 21 или короткозамкнуты, т.е. может ли течь ток или нет, изменяется жесткость пьезоэлектрического элемента 20. Между короткозамкнутым и соединенным с постоянным напряжением пьезоэлектрическим элементом 20 достигают процентных изменений жесткости, лежащих в диапазоне до 25% для этого элемента. Настроечным блоком 20 управляют посредством блока 25 управления, важным элементом которого в простейшем выполнении является реостат. С ним соединена тогда, например, соответствующая регулирующая электроника, например с микропроцессорным управлением (не показано). Через сопротивление блока 25 управления пьезоэлектрический элемент 20 может тогда постепенно замыкаться накоротко, причем одновременно уменьшается жесткость. Таким образом, можно постепенно уменьшать жесткость пьезоэлектрического элемента 20 и, тем самым, внутреннего колебательного стержня 10.1. За счет этого изменяется резонансная частота, и, несмотря на налет или коррозию, можно, в основном, снова согласовать оба колебательных стержня 10.1, 10.2, так что на место 12 зажима, в основном, не действуют никакие усилия или моменты и моностержень 10 снова имеет оптимальную чувствительность. При корректировке согласно изобретению следует, однако, постоянно обращать внимание на то, чтобы не компенсировать измерительные эффекты без их использования для определения измеряемого параметра процесса. В качестве колебательного блока возможна также так называемая колебательная вилка. У нее оба зубца находятся в контакте со средой.
На фиг.2 изображен ультразвуковой преобразователь 15, являющийся частью устройства 1 для определения и/или контроля параметра процесса, например уровня. Методом времени пробега можно с помощью такого ультразвукового преобразователя 15 определить, например, уровень среды путем излучения и детектирования волн и определения по времени пробега расстояния до отражающей поверхности. Ультразвуковой преобразователь может служить, например, в качестве электроакустического преобразователя уровнемера или ультразвукового расходомера для протекающей в трубопроводе текучей среды.
Ультразвуковой преобразователь 15 состоит из передней 15.1 и задней 15.2 масс и приемо-передающего пьезоэлемента 16 между этими обеими массами 15.1, 15.2. Болт 18 создает соответствующее натяжение, за счет которого возникает мощность ультразвукового преобразователя 15. Резонансная частота ультразвукового преобразователя 15 обратно пропорциональна его длине, поскольку скорости звука в нем одинаковы. На передней массе 15.1 находится согласующий слой 17, представляющий собой, например, 1/4-слой для связи с определенными средами, например водой. Настроечный блок 20 является здесь составной частью задней массы 15.2 и может, тем самым, посредством изменения жесткости настраивать скорость звука в задней массе 15.2 и за счет этого резонансную частоту колебательного блока 5 или ультразвукового преобразователя 15. В таком ультразвуковом преобразователе 15 настроечный блок 20 в качестве колебательного блока 5 может выполнять несколько задач: во-первых, можно реагировать на производственные допуски, подходящим образом настраивая резонансную частоту. Далее может быть изготовлен ультразвуковой преобразователь, работающий на разных частотах без потерь мощности за счет демпфера. Эта потеря мощности возникает оттого, что демпфер делает ультразвуковой преобразователь 15 широкополосным. Кроме того, можно реагировать на обусловленные влиянием температуры изменения резонанса в согласующем слое 17. Температурная характеристика такого согласующего 1/4-слоя 17 обычно отличается от температурной характеристики ультразвукового преобразователя 15. В результате может произойти, однако, рассогласование ультразвукового преобразователя 15 и согласующего слоя 17, что обычно связано с потерями мощности. Кроме того, за счет сознательного изменения жесткости можно контролировать натяжение болта. Если при данном натяжении изменение частоты ультразвукового преобразователя 15 вследствие изменения жесткости настроечного блока 20 известно, то при отклонениях от этого можно сделать вывод об уменьшении натяжения.
Изобретение относится к устройствам для определения параметров среды. Сущность: согласно изобретению предусмотрен, по меньшей мере, один настроечный блок (20), жесткость которого может быть изменена и который выполнен и соединен с колебательным блоком (5) или является составной частью колебательного блока (5) с возможностью изменения посредством настроечного блока (20), по меньшей мере, резонансной частоты колебательного блока (5). Кроме того, предусмотрен блок 25 управления, выполненный с возможностью электрического управления настроечным блоком и с возможностью настройки резонансной частоты колебательного блока (5) в зависимости от амплитуды и/или частоты механических колебаний, созданных и/или принятых колебательным блоком (5). Способ изменения резонансной частоты устройства для определения и/или контроля параметра процесса. Технический результат: обеспечение возможности изменяемой настройки или согласования, по меньшей мере, одного колебательного свойства устройства для определения и/или контроля параметра процесса. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
| US 5408168 А, 18.04.1995 | |||
| РЕЗОНАНСНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ИЗДЕЛИЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ | 1991 |
|
RU2077036C1 |
| РЕЗОНАНСНЫЙ ВИБРАТОР | 1999 |
|
RU2160494C2 |
| Устройство для ввода информации | 1986 |
|
SU1408436A1 |
