用於確定介質的至少一個測量變量的方法和裝置的製作方法

2023-10-08 12:58:14 2

專利名稱：用於確定介質的至少一個測量變量的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定和/或監控至少部分氣態的介質的至少 一個測量變量的方法，利用至少一個機械可振蕩單元，其被激勵執行 機械振蕩並且其機械振蕩被接收和分析。另外，本發明涉及一種用於 確定和/或監控至少部分氣態的介質的至少一個測量變量的裝置。該裝 置包括至少一個機械可振蕩單元，其中機械可振蕩單元包括至少一 個槳葉，其由具有密度(p)的可預定的材料製成，具有面積(A)的
可預定的表面和可預定的厚度(d);和至少一個驅動/接收單元，其激 勵機械可振蕩單元執行振蕩並且接收機械可振蕩單元的機械振蕩。
背景技術：
為了確定介質的過程變量，現有技術中已知激勵機械可振蕩單元 (例如振蕩叉、單棒或隔膜振蕩器)執行機械振蕩並檢測這些振蕩。 在這種情況中，機械振蕩的特徵顯示了對於過程變量的依賴性，從而 由振蕩可以得出關於這些變量的結論。如果例如介質是液體並且料位 是待確定或監控的過程變量，那麼具有優點的是至少分析振蕩頻率。 如果可振蕩單元自由振蕩並且特別是沒有被介質覆蓋，那麼諧振頻率 高於介質覆蓋振蕩器的情況。在鬆散材料的情況中，振幅相應減小。 於是，振蕩傳感器最優地適用於確定過程變量。現有技術中已知在液 體以及在鬆散材料中的應用。

發明內容
本發明的一個目的是利用儘可能成本低廉且魯棒的測量方法確定 或監控不同氣體或混合氣體的測量變量。另一個目的是識彆氣體或混 合氣體而無需化學分析。
本發明通過一種方法實現該目的，該方法用於確定和/或監控至少 部分氣態的介質的至少一個測量變量，利用至少一個機械可振蕩單元， 其被激勵執行機械振蕩並且其機械振蕩被接收和分析。本發明的方法 包括保存至少一條特徵曲線，其對於至少一種氣體或混合氣體至少 描述機械可振蕩單元的機械振蕩的至少一個特徵變量與壓力的依賴關 系；至少確定機械可振蕩單元的機械振蕩的特徵變量；將確定的特徵 變量與保存的特徵曲線比較；以及根據確定的特徵變量與保存的特徵 曲線的比較，確定介質的測量變量。於是，在本發明的方法中，產生 並保存特徵曲線，其對於至少一種氣體或混合氣體描述機械振蕩的特 徵變量與主要壓力的依賴關係。於是，指示至少一個點，在這裡至少 對於氣體或對於混合氣體的濃度值，為特定的壓力分配特徵變量的確 定值。由於特徵變量是從機械振蕩中確定的，所以已知關於氣體或混 合氣體的情況，就可以推導出壓力，或者至少可以指示與某一壓力的 偏差。相反，如果已知壓力，那麼可以推導出氣體的存在性或者該氣 體/混合氣體的濃度。
在本發明的方法的一個實施例中，介質的壓力被確定作為介質的 測量變量，介質是氣體或混合氣體。在這個方法第一實施例中，已知 氣體或混合氣體是什麼或者給定其濃度。這允許從振蕩的特徵變量推 導出介質的壓力或者氣體/混合氣體的壓力。於是，這個實施例涉及一 種用於確定氣體或混合氣體的壓力的方法。這裡， 一種應用例子可能 是天然氣管線，己知的氣體流經它。
本發明的方法的一個實施例包括作為介質的測量變量，確定介
質內的一種氣體的存在性和/或混合氣體形式的介質內的一種氣體的濃
度；至少測量介質壓力；將確定的特徵變量與保存的特徵曲線比較，
該曲線描述了特徵變量與至少一種氣體的壓力和/或至少一種混合氣體 的至少一個濃度的壓力的依賴關係；以及根據確定的特徵變量與保存
的特徵曲線的比較，確定氣體和/或混合氣體的濃度。這個方法的第二 變型利用了以下事實，即，氣體或混合氣體在已知壓力下特性不同並且也不同地影響機械振蕩，從而根據已知壓力下的振蕩，可以推導出 氣體的種類或者氣體的存在性或者混合氣體的濃度。於是，在這種情 況中，涉及一種用於識彆氣體和/或用於確定混合氣體中的至少一種氣 體的濃度的方法。這還需要測量氣體的壓力。這裡， 一種應用例子是 由已知氣體或已知混合氣體填充的容器。該測量方法允許推導出例如 當過程偏離預定參數時濃度是否改變，或者推導出過程中是否存在洩 漏。
以下實施例同樣涉及上述兩種變型。
在本發明的方法的一個實施例中，頻率被確定作為機械振蕩的特 徵變量。其它特徵變量可以是幅度或者相對于振蕩的激勵信號的相位。
在本發明的方法的一個實施例中，測量介質的溫度，並且在確定 測量變量中考慮測量的溫度。溫度通常也影響氣體，從而溫度的確定 使得測量更精確以及/或者允許在不同溫度下的應用。
在本發明的方法的一個實施例中，將確定的測量變量與至少一個 保存的期望值比較，並且在確定的測量變量偏離保存的期望值的情況 下，生成一個信號。在這個實施例中，通過該方法監控測量變量。
本發明還通過一種裝置實現目的，該裝置用於確定和/或監控至少 部分氣態的介質的至少一個測量變量。該裝置包括至少一個機械可 振蕩單元，其中機械可振蕩單元包括至少一個槳葉，其由具有密度(p)
的可預定的材料製成，該槳葉具有面積(A)的可預定的表面和可預定
的厚度(d);和至少一個驅動/接收單元，其激勵機械可振蕩單元執行
振蕩並且接收機械可振蕩單元的機械振蕩。在這種情況中，本發明的
特徵在於，槳葉的厚度(d)和密度(p)之積儘可能小，以及槳葉(2) 的表面(A)儘可能大。振蕩叉的振蕩頻率(FMedium)相對於真空中的 頻率(FVacuum)的改變可以如下表達-
在這種情況中，PMed,um是介質密度，K是靈敏度常數，其依賴於
^ = c, a + c2 振蕩單元的
具體實施例方式
一
在這種情況中，因子a是振蕩叉的叉齒的寬度，d是叉齒的厚度， p是製造叉齒的材料的密度。可以看出，當K大時，即，當叉齒的厚 度與所用材料的密度之積小且叉齒的寬度儘可能大時，測量靈敏度增 加。換言之，叉齒應當儘可能輕薄。特別是在氣體的情況中，靈敏度 儘可能大是至關重要的。反過來，例如與鬆散材料相比，氣體允許使 用可振蕩單元，其由於密度較低而魯棒性較差。
在本發明的裝置的實施例中，槳葉的厚度(d)與密度(P)之積 相對於面積(A)小於0.34g/cm。這意味著，在面積為1 cn^的情況中， 密度與厚度之積小於0.34 g/cm。
在本發明的裝置的一個實施例中，槳葉的厚度(d)小於lcm。
在本發明的裝置的一個實施例中，槳葉的厚度(d)小於lmm。
在本發明的裝置的一個實施例中，槳葉的密度(P)小於8.5g/cm3。 這個值對於很多種鋼都成立。
在本發明的裝置的一個實施例中，槳葉基本由陶瓷或玻璃或塑料 製成。這些材料具有低密度但同時牢固耐用。


現在根據附圖詳細解釋本發明，附圖中 圖1是測量裝置的示意圖； 圖2是可振蕩單元的截面；
圖3是對於不同的槳葉厚度，頻率變化與壓力的關係的圖表；和
8
圖4是對於不同氣體，類似圖3的圖表。
具體實施例方式
圖1顯示了容器8，混合氣體作為介質7填充該容器。氣體7由 具有機械可振蕩單元1的測量儀表監控或測量。在這種情況中，機械 可振蕩單元包括兩個固定至隔膜3的叉齒。在隔膜3上連接驅動/接收 單元4，其例如是壓電元件。驅動/接收單元4例如被供應交流電壓， 這導致其執行機械振蕩，該機械振蕩通過隔膜3傳遞至叉齒。由驅動/ 接收單元4檢測的機械振蕩反過來被轉換為交流電壓，被分析/調節單 元5分析。由振蕩可以確定例如頻率、幅度或甚至相位，作為特徵變 量。在這種情況中，振蕩的特徵變量至少依賴於氣體的種類和佔支配 地位的壓力。如果這兩個變量已知，那麼從測量的特徵變量可以確定 剩餘變量。這裡，提供壓力傳感器10，其測量容器S中的壓力並從而 測量介質7的壓力。這個壓力測量值被提供給分析/調節單元5，並且 進行與存儲單元6中保持的特徵曲線的比較。以這種方式，可以識別 混合氣體的濃度，或者識別容器8中確定氣體的存在與否。存儲單元6 中還可以保存期望值，例如在測量值超過該期望值時，輸出警報或切 換信號。例如，如果對於氣體的期望值是O並且得到的濃度大於O，那 麼識別到已經存在氣體。利用這種設置，例如可以識別儲氣罐中的洩 漏，其中確定存在的氣體的濃度變化或者其它氣體的流入。由於介質 主要涉及氣體，所以還要注意溫度依賴性。於是，這裡也提供溫度傳 感器9。
在利用測量儀表測量壓力中，要保證介質的成分保持相同。這裡 顯示的壓力傳感器IO例如用於冗餘或有效性。
這裡從側面顯示的叉齒在這種視圖中具有厚度d。圖2顯示了槳 葉2的正視圖，從而可以看到寬度為a的面積A。通過令槳葉2儘可能 薄並令其具有儘可能大的寬度a的儘可能大的面積A，可以增加測量儀 表的敏感性。另外，應該儘可能由具有低密度P的材料製造槳葉。高靈敏度對於氣體測量特別重要。
由於傳感器具有較高敏感度，它還可以適用於識別過程容器8中 的冷凝水、冰沉積、或灰塵沉積。
圖3給出了對於20°C的空氣，相對頻率變化與壓力的依賴關係。
壓力越大，振蕩頻率變化越大。在這個情況中，這個特徵曲線的斜率
強烈依賴於槳葉2的厚度。槳葉從下到上的厚度為0.3 mm、 0.5 mm、 l.Omm禾卩2.1 mm。可以看出，較薄的槳葉2更好，因為測量靈敏度更 大。非常值得引起注意的是，振蕩頻率的測量允許推導出佔支配地位 的壓力。在這種情況中，曲線在不同溫度的偏移在實際中相應得到考 慮。即，這些曲線理想地適用於壓力測量。
圖4顯示了對於不同氣體的相應曲線。從下至上分別為冷卻液 R22、 丁烷、丙烷、C02和空氣。於是，如果已知壓力並且測量了振蕩 的頻率變化，那麼可以確定存在何種氣體。於是，測量裝置可以實現 氣體檢測，從而識別確定氣體存在與否並且給出混合氣體的濃度。
附圖標記
1 機械可振蕩單元
2 槳葉
3 隔膜
4 驅動/接收單元
5 分析/調節單元
6 存儲單元
7 介質
8 容器
9 溫度傳感器 10壓力傳感器
權利要求
1.用於確定和/或監控至少部分氣態的介質(7)的至少一個測量變量的方法，該方法利用至少一個機械可振蕩單元(1)，其被激勵機械振蕩並且其機械振蕩被接收和分析，其特徵在於，保存至少一條特徵曲線，其對於至少一種氣體或混合氣體至少描述機械可振蕩單元(1)的機械振蕩的至少一個特徵變量與壓力的依賴關係；至少確定機械可振蕩單元(1)的機械振蕩的所述特徵變量；將確定的特徵變量與保存的特徵曲線比較；以及根據確定的特徵變量與保存的特徵曲線的比較，確定介質(7)的測量變量。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，介質的壓力被確定作為介質(7)的測量變量，介質是氣體或混合 氣體。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，確定一種氣體的存在性和/或混合氣體形式的介質(7)內的一種 氣體的濃度，作為介質(7)的測量變量； 至少測量介質(7)的壓力；將確定的特徵變量與保存的特徵曲線比較，該曲線描述了特徵變量與至少一種氣體的壓力的依賴關係和/或特徵變量對於至少一種混合 氣體的至少一個濃度與壓力的依賴關係；以及根據確定的特徵變量與保存的特徵曲線的比較，確定混合氣體的 濃度和/或氣體。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中， 頻率被確定作為機械振蕩的特徵變量。
5. 根據權利要求2或3所述的方法，其中， 測量介質(7)的溫度，並且 在確定測量變量中考慮測量的溫度。
6. 根據權利要求2或3所述的方法，其中， 將確定的測量變量與至少一個保存的期望值比較，並且 在確定的測量變量偏離保存的期望值的情況下，生成一個信號。
7. 用於確定和/或監控至少部分氣態的介質(7)的至少一個測量 變量的裝置，包括至少一個機械可振蕩單元(1)，其中機械可振蕩 單元(1)具有至少一個槳葉(2)，其由具有密度(P)的可預定的材料製成，該槳葉具有面積(A)的可預定的表面和可預定的厚度(d); 和至少一個驅動/接收單元(4)，其激勵機械可振蕩單元(1)振蕩並且接收機械可振蕩單元(1)的機械振蕩， 其特徵在於，槳葉(2)的厚度(d)和密度(p)之積儘可能小，以及 槳葉(2)的表面(A)儘可能大。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中，槳葉(2)的厚度(d)與密度(p)之積相對於面積(A)小於0.34 g/cm。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其中， 槳葉(2)的厚度(d)小於1 cm。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中， 槳葉(2)的厚度(d)小於1 mm。
11. 根據權利要求7所述的裝置，其中， 槳葉(2)的密度(p)小於8.5g/cm3。
12.根據權利要求7或11所述的裝置，其中， 槳葉(2)基本由陶瓷或玻璃或塑料製成。
全文摘要
用於確定和/或監控至少部分氣態的介質(7)的至少一個測量變量的方法，利用至少一個機械可振蕩單元(1)，其被激勵執行機械振蕩並且其機械振蕩被接收和分析。本發明包括保存至少一條特徵曲線，其對於至少一種氣體或混合氣體至少描述機械可振蕩單元(1)的機械振蕩的至少一個特徵變量與壓力的依賴關係；至少確定機械可振蕩單元(1)的機械振蕩的特徵變量；將確定的特徵變量與保存的特徵曲線比較；以及根據確定的特徵變量與保存的特徵曲線的比較，確定介質(7)的測量變量。進一步，本發明涉及一種用於確定和/或監控測量變量的裝置。
文檔編號G01L9/00GK101346616SQ200680048588
公開日2009年1月14日 申請日期2006年11月24日 優先權日2005年12月22日
發明者謝爾蓋·洛帕京, 赫爾穆特·普法伊費爾 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司