(57)【要約】【課題】プロセス変量を測定するためのフィールド装置を提供すること。【解決手段】本発明は、少なくとも１つの容器内の媒体のプロセス変量を測定および／または監視するためのフィールド装置に関する。該フィールド装置は、プロセス接続部（２）を介して容器に接続される、少なくとも一つの機械的振動可能部（１）と、前記機械的振動可能部（１）を振動させるために励磁するかまたは、場合によっては前記機械的振動可能部（１）の振動を検出する、少なくとも一つのドライバ／レシーバ部（５）とを備えている。本発明では、前記機械的振動可能部（１）は、少なくとも３つの振動部（１０，１１、１２）を備え、そのうちの少なくとも一つ（１０）はプロセス接続部（２）に取り付け領域（１０．３）において接続される。また、該３つの振動部（１０，１１，１２）は、前記ドライバ／レシーバ部５が生じさせる、または場合によっては検出する振動を実行可能である。そして、おおよそ定義された反作用力と反トルクの伝播が機械的振動可能部（１）とプロセス接続部（２）の間で起こるように、３つの振動部（１０，１１，１２）が構成かつ相互接続され、また、取り付け領域が選択される。【選択図】図１
2009515137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の中の媒体の少なくとも１つのプロセス変量を測定および／または監視するためのフィールド装置であって、
プロセス接続部(２)を介して容器と接続される、少なくとも１つの機械的振動可能部（１）と、
前記機械的振動可能部（１）を振動させるために励磁する、または、場合によっては前記機械的振動可能部（１）の振動を検出する、少なくとも１つのドライバ／レシーバ部（５）と、を備えるフィールド装置において、
前記機械的振動可能部（１）は少なくとも３つの振動部(１０，１１，１２)を備え、
少なくとも１つの前記振動部は、取り付け領域（１０．３）において前記プロセス接続部（２）と接続され、
前記３つの振動部(１０，１１，１２)は、前記ドライバ／レシーバ部（５）が生じさせる、または場合によっては検出する振動を実行し、
反作用力と反トルクのおよそ定義された伝播が、前記機械的振動可能部（１）とプロセス接続（２）の間で生じるように、前記３つの振動部(１０，１１，１２)は構成かつ相互接続され、前記取り付け領域（１０．３）は選択される、
ことを特徴とするフィールド装置。
【請求項２】
前記機械的振動可能部（１）の振動は曲げ振動であることを特徴とする請求項１記載のフィールド装置。
【請求項３】
前記機械的振動可能部（１）の振動のために前記プロセス接続部（２）に作用する少なくとも実質的な反作用力と反トルクができるだけゼロに近づくように、少なくとも、前記３つの振動部(１０，１１，１２)、それらの相互接続部、および前記取り付け領域（１０．３）の構成、ならびにそれらの相互の整合が、決定および／または計算可能である、ことを特徴とする請求項１または２記載のフィールド装置。
【請求項４】
前記３つの振動部(１０，１１，１２)は、長さＬ，質量Ｍ，剛性Ｅｌの長いロッドと、長さＬ１，質量Ｍ１，剛性Ｅｌ１の第１の短いロッドと、長さＬ２，質量Ｍ２，剛性Ｅｌ２の第２の短いロッドであり、
前記第１の短いロッド(１１)は、プロセス側を向いた端部領域（１１．１）が、プロセス側を向いた前記長いロッド(１０)の端部領域（１０．１）で、前記長いロッド(１０)に接続され、
前記第２の短いロッド(１２)は、プロセスとは反対側を向いた端部領域（１２．２）が、プロセスとは反対側を向いた前記長いロッド(１０)の端部領域（１０．２）で、前記長いロッド（１０）に接続され、
前記長いロッド(１０)は、少なくとも取り付け領域（１０．３）において前記プロセス接続部（２）と接続されている、
ことを特徴とする請求項１または２または３記載のフィールド装置。
【請求項５】
前記二本の短いロッド（１１、１２）は、長さ、質量、回転の中心に関する慣性質量モーメントが基本的に等しく、場合によっては剛性も基本的に等しい、
ことを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項６】
前記第１および／または第２の短いロッド（１１、１２）は、少なくとも前記機械的振動可能部（１）の振動周波数を決定する、少なくとも１つの溝／首（１５）を備える、
ことを特徴とする請求項４または５記載のフィールド装置。
【請求項７】
前記長いロッド（１０）は、少なくとも前記第１の短いロッドを同軸上に囲む、
ことを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項８】
少なくとも前記第２の短いロッド（１２）は、同軸上に前記長いロッド（１０）を囲む、
ことを特徴とする請求項４または７記載のフィールド装置。
【請求項９】
前記長いロッド（１０）は、二つの短いロッド（１１、１２）を同軸上に囲む、
ことを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項１０】
前記プロセス接続部（２）はチューブであり、少なくとも前記取り付け領域（１０．３）において、前記長いロッド（１０）が前記チューブに固定されている、ことを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項１１】
前記ドライバ／レシーバ部（５）は、前記長いロッド（１０）のプロセス側を向いた端部領域（１０．１）と前記第１の短いロッド（１１）のプロセス側を向いた端部領域（１１．１）との間に位置することを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項１２】
前記ドライバ／レシーバ部（５）は、前記長いロッド（１０）のプロセスとは反対側を向いた端部領域（１０．２）と前記第２の短いロッド（１２）のプロセスとは反対側を向いた端部領域（１２．２）との間に位置することを特徴とする請求項４記載のフィールド装置。
【請求項１３】
少なくとも１つ圧電素子が、前記ドライバ／レシーバ部（５）に備えられることを特徴とする請求項１または４または１１または１２記載のフィールド装置。
【請求項１４】
前記ドライバ／レシーバ部（５）内の圧電素子は、反対方向に相互に分極している、少なくとも二つのセグメントを備え、該分極方向は、前記機械的振動可能部（１）の回転軸に平行である、ことを特徴とする請求項１３記載のフィールド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内の媒体の少なくとも１つのプロセス変量を、測定および／または監視するためのフィールド装置に関わる。本発明のフィールド装置は、プロセス接続部を介して容器に接続する、少なくとも１つの機械的振動可能部と、該機械的振動可能部を励磁して振動させ、場合によっては該機械的振動可能部の振動を検出する、少なくとも１つのドライバ／レシーバ部とを備える。プロセス変量の具体例は、媒体の充填量レベル、密度、粘性である。
【背景技術】
【０００２】
従来のフィールド装置の動作原理は、振動可能部の振動が、媒体によって覆われていない状態で振動しているか、覆われている状態で振動しているかに依存している。これは、つまり媒体の充填量レベル検出である。または、フィールド装置の動作原理は、振動可能部の振動が、例えば、媒体変化による粘性に依存している。これは、例えば粘性の監視である。一般に、媒体の特性に依存するので、媒体が振動部を覆っているか又は覆っていないに関わらず、振動周波数と振幅は変化する。周波数変化から逆に考えてみると、例えば、充填量レベルセンサとして利用されている場合、媒体がある充填量レベルを上回ったかまたは下回ったかは、センサの設置された位置によって予測される。同様なことが振幅についても適用される。
【０００３】
例えば充填レベル検出器として、ＬＩＱＵＩＰＨＡＮＴという商標で、音叉発振器が製造、販売されている。音叉発振器の長所は、二つの歯の振動が正確に補償または相殺しあうため、例えば音叉のエネルギーが、その取り付け領域へと移動することがなく、従って、測定装置が容器と接続しているところへ移動し、さらにそこから容器自身へと移動することがない、という事実にある。可能性のあるアプリケーションの形式として、例えば物質が音叉の歯の間で立ち往生しうる場合に、いわゆるシングルロッド装置を用いることは興味あることである。この場合、音叉特有の相殺能力はなくなり、同時に力とトルクは取り付け部に作用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の目的は、機械的振動可能部を備え、その振動の結果、取り付け部への力とトルクの作用がほとんどない、フィールド装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、次のような特徴を備える。機械的振動可能部は、少なくとも３つの振動部を備える。少なくとも１つの振動部は、取り付け領域においてプロセス接続部に接続され、３つの振動部は、ドライバ／レシーバ部が生成する、または場合によっては検出する振動を実行する。反作用力と反トルクのおよそ定義された伝播が、前記機械的振動可能部とプロセス接続部の間で生じるように、３つの振動部は構成かつ相互接続され、取り付け領域が選択される。このように、本発明の基本的なアイディアは機械的振動可能部が３つの部分から構成される、ということである。二つの振動部は、第三の振動部と接続される。これは、振動が、例えば相互に接続された振動部間で、直接的に結合され、または場合によっては、間接的に結合される、ということを意味している。このように、力とトルクはお互いに転送される。このような場合において、振動部の構成は、棒状またはチューブ状だけでなく、例えば、適当なバネが接続した球形や、角胴形などがありうる。振動部は同じまたは異なる材料、例えば金属やプラスティックなどの材料で作成されうる。最も重要なものは、剛性や質量といった振動に関係する物理変数である。振動周波数、振幅、当然ながら長さも、適切である。当然、振動が相互に干渉しないように長さの調整はすべきである。
【０００６】
本発明の一態様によれば、機械的振動可能部の振動は、曲げ振動であることを含む。曲げ振動の代替案としては、横振動である。このような振動は、充填レベル検出器として製造販売されている前述のＬＩＱＵＩＰＨＡＮＴという商標の装置に用いられている。本発明の実施例では、振動は、例えば、超音波振動ではない。
【０００７】
本発明の一態様によれば、機械的振動部の振動の結果としてプロセス接続部に作用する少なくとも反作用力と反トルクができるだけ０に近づくように、少なくとも、３つの振動部の構成と、それらの相互の接続および取り付け領域でのそれらの接続と、それらの相互の整合とが、決定および／または計算可能である。機械的振動可能部の振動部と、取り付け領域をどこにするのかという選択は、適当な計算または実験によって相互に適合されうる。取り付け領域、すなわち振動要素がプロセス接続部に接続される場所、をどこにするのかの選択は、適切である。なぜなら、そのような振動要素もまた振動するからであり、すなわち、この振動要素には、連続的に運動する領域が存在し、従って、取り付け領域が停止したままである限りにおいて、プロセス接続部との接続に寄与することができない領域が存在するからである。３つの振動可能部を用いることによって、自由度の増加が起こる。そのため力とトルクの均衡を保つことは全く可能となる。
【０００８】
都合のよいことに、振動要素の一つはプロセス接続部に接続され、そこでは、その要素は振動の節、すなわち振動中に動かない領域、を正確に有している。その結果として、本発明は容器に振動の影響を与えないという長所がある。
【０００９】
本発明の一態様によれば、３つの振動部は、質量Ｍ、剛性Ｅｌ、長さＬの長いロッド、質量Ｍ１、剛性Ｅｌ１、長さＬ１の第１の短いロッド、及び質量Ｍ２、剛性Ｅｌ２、長さＬ２の第２の短いロッドからなる。第１の短いロッドは、プロセス側を向いた端部領域が、長いロッドのプロセス側を向いた端部領域で、長いロッドに接続される。第２の短いロッドは、プロセスとは反対側を向いた端部領域が、長いロッドのプロセスとは反対側を向いた端部領域で、長いロッドに接続される。そして、長いロッドは、少なくとも取り付け領域でプロセス接続部と接続される。このように、基本的な考えは、全体としてシングル・ロッド構造のロッドが用いられ、そのロッドは、１本の長いロッドと２本の短いロッドからなり、３つ全ての部分が振動可能である、ということである。短いロッドは、それぞれ長いロッドの片端と接続され、また、長いロッドに接続されずに自由に振動可能な自由端を有しているのが望ましい。そのような棒状またはチューブ状の実施例により、トルクと力の計算は簡単化され、その結果、具体的な実施をより明確にする。このような場合において、短いロッドと長いロッドの接続は、例えば長いロッド中に対応して組み込まれた穴の中に短いロッドをねじ込むことにより、直接的に行なってもよいし、または例えばバネ要素を介して、間接的に行なってもよい。更に、それぞれの端部領域の先端または側面部に直接接続してもよい。短いロッドを長いロッドよりも少し伸ばすことも可能である。他の実施例も可能である。
【００１０】
本発明の一態様によれば、二つの短いロッドは基本的に長さ、質量、回転の中心に関する慣性質量モーメント、剛性が同じである。これは、最も簡単な実施例で、二つの短いロッドが反位相で振動し、お互いをちょうど相殺する。
【００１１】
本発明の一態様によれば、第１および／または第２の短いロッドが、少なくとも機械的振動可能部の振動周波数を決定する、少なくとも１つの溝／首を含むことを特徴とする。そのような溝／首は、対応する短いロッドの回転剛性を生じさせ、その結果、それに依存する共振周波数の調整を可能にする。
【００１２】
本発明の一態様によれば、長いロッドは、少なくとも第１の短いロッドを同軸上に囲む。その結果、少なくとも長いロッドだけは媒体と接触するようにし、第１の短いロッドは常に同じ物理的条件下で振動する。そのため、この第１の短いロッドの振動は、長いロッドへの付着または腐食による影響も受けない。更なる実施例においては、長いロッドが二つの短いロッドを同軸上に囲む。そのような機械的振動可能部は、最適に自己完結しており、環境から保護されており、そのため、媒体が浸透することもできない。外側から、それはただ１つの振動部のように見える。このような場合において、実施例における長いロッド、すなわちもっと具体的にいえば長いチューブは、例えば、超高度充填であるような特別の例外を除く、ほとんどの場合において、材料中を通って作用する力にひずみが生じないという利点がある。
【００１３】
本発明の一態様によれば、少なくとも第２の短いロッドが長いロッドを同軸上に囲む。前述の実施例に関連して、このことは、長いロッドが、プロセス側を向いた一端で第１の短いロッドを囲み、今度は長いロッド自身がその他端で第２の短いロッドによって囲まれることを意味している。このような場合において、第２の短いロッドは、同軸上で、第２の短いロッドの全長にわたって長いロッドを囲むことができる。しかしながら、第２の短いロッドは、長いロッドの一部分だけを囲み、そして例えば、プロセスとは反対側を向いた端が長いロッドを超えて突き出るようにすることもできる。この実施例は、製造業の視点から、実現方法に関して効果がある。第１に、第１の短いロッドは長いロッドの中に固定されている。そして、例えばプロセスとは反対側を向いた端が開いている、チューブ状の長いロッドが、第２の短いロッドに接続されている。そのような場合において、例えば、長いロッドの内部へとつながる開口が存在するように、第２の短いロッドは下方に開放していてもよい。これは予定されているケーブルの配線に有利である。
【００１４】
本発明の一態様によれば、プロセス接続部はチューブで、このチューブに、少なくとも取り付け領域において長いロッドが固定されている。その最大の長所は、長いロッドにおける少なくともプロセスとは反対側を向いた部分が、確かに振動することは可能であるが、例えば、付着物の沈殿、腐食、または一般に容器中にいきわたっている媒体およびプロセス条件から保護されている、という事実にある。更に、直接容器中に設置され、そこで“妨害”として作用する領域が、減少される。
【００１５】
本発明の一態様によれば、ドライバ／レシーバ部が、プロセス側を向いた長いロッドの端部領域とプロセス側を向いた第１の短いロッドの端部領域との間に設置される。更なる一態様によれば、ドライバ／レシーバ部は、プロセスとは反対側を向いた長いロッドの端部領域とプロセスとは反対側を向いた第２の短いロッドの端部領域との間に設置される。どちらの実施例においても、一方の短いロッドは振動発振器、または場合によっては検出器に接続され、もう一方の短いロッドは質量補償器または振動補償器として機能する。
【００１６】
本発明の一態様によれば、少なくとも一つの圧電素子がドライバ／レシーバ部内に設けられる。これは、振動技術におけるドライバ／レシーバ部で通常良く用いられるものである。
【００１７】
本発明の一態様によれば、ドライバ／レシーバ部内の圧電素子は少なくとも二つのセグメントを備える。それらのセグメントは、相互反対方向に極性をもち、該極性方向は機械的振動可能部の回転軸に平行である。そのような素子は、印加電圧によって、一方のセグメントが収縮し、もう一方のセグメントが拡張するので、ティルティングトルクが直接生じるという長所がある。そのようなティルティングトルクは、何にもまして、振動可能部内に曲げ振動を生じさせるために必要なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら、より詳細に説明する。
図１は、機械的振動可能部１の原理構成を示す図である。この場合において、長いロッド１０が二つの短いロッド１１、１２を同軸上に囲むように構成されている。しかしながら、それに代わる構成も可能である。第１の短いロッドは、プロセス側を向いた端部領域１１．１で、ロッド１０のプロセス側を向いた端部領域１０．１に接続されている。媒体に近いということに起因して、第１の短いロッド１１が長いロッド１０中に配置された場合、唯一の部品（すなわち長いロッド１０）が媒体と接触可能になる、という長所がある。長いロッド１０のプロセスとは反対側を向いた端部領域１０．２において、長いロッドは、プロセスとは反対側を向いた第２の短いロッドの端部領域１２．２において、第２の短いロッド１２と接続されている。短いロッド１１、１２のもう一方の端部領域は、それぞれの場合において、自由振動可能な自由端である。取り付け領域１０．３において、長いロッド１０はプロセス接続部２と接続されている。そのような場合において、プロセス接続部は、図示していないが、容器の開口部にねじ込まれるニップルフィッティングになりうる。長いロッド１０に媒体の付着物が増加する場合においてさえも、二つの短いロッド１１、１２は、反位相の振動をすることが可能で、取り付け部に力またはトルクが作用するのを防ぐことができる。
【００１９】
図２は、機械的振動可能部１をより詳細に示したものである。ドライバ／レシーバ部５は、プロセス側を向いた第１の短いロッド１１の端部領域１１．１とそれに対応する長いロッド１０の端部領域１０．１との間に、プロセスの方向に位置される。ドライバ／レシーバ部５は、概略的に、少なくとも二つの相互反対の極性のセグメントを持つ圧電素子として描かれている。これらの極性は振動可能部１の回転軸１６と平行である。この実施例は、圧電素子に電圧が印加されると、片方のセグメントが膨張し、もう一方のセグメントが収縮する、という利点がある。それゆえ、ティルティング動作は直接的に生成され、これにより曲げ振動が機械的振動可能部１の中で生じることになる。長いロッド１０は、取り付け領域１０．３において、プロセス接続部２と接続されている。このプロセス接続部２は、密閉金具３で接続さるため、材料は機械的振動可能部１の中に侵入できない。同図において、取り付け領域１０．３とプロセス側を向いた長いロッドの端部領域１０．１の間の範囲だけが、プロセスに接触することが可能で、一方で、それでもなお、長いロッド１０の全体が振動可能である、ということがよく認識できる。
【００２０】
図３は、図２の実施例に類似している。しかしながら、この場合、ドライバ／レシーバ部５が、プロセスとは反対側を向いた第２の短いロッドの端部領域１２．２とそれに対応する長いロッド１０の端部領域１０．２との間に存在する、ことが異なっている。
【００２１】
図４は、図２の変形例である。ここで、ドライバ／レシーバ部５は第１の短いロッド１１の中にある。しかし、第２の短いロッド１２は、その内径が長いロッド１０の外径よりも大きなチューブとして実現されている。その結果として、第２の短いロッド１２は、長いロッド１０を同軸上に囲むことができる。その短いロッド１２が力または収縮によって長いロッド１０と接続される場合、プロセス側を向いた接続されていない部分、要するに、自由端が自由に振動することができる。この特別な実施例において、第２の短いロッドが長いロッド１０を同軸上に取り囲み、要するに長いロッドは、ビーカーの形（もし必要があれば、その底は１つ以上の開口部を備える）をしたものによって、プロセスとは反対側を向いた端部において囲まれ、また、長いロッド１０は第１の短いロッド１１を同軸上に囲む。この実施例においてはまた、適当に調整すると、二本の短いロッド１１、１２と長いロッド１０は反位相の振動を発振するようになる。これにより、密閉金具３と接続部２に作用する力とトルクは正反対でかつ同じ大きさとなり、これにより、実質的な反作用力と反トルクは密閉金具３と接続部２に作用することがない。また図４に示すように、溝／首１５はより大きな部分に広がることができる。第１の短いロッド１１は、二つのセクションから構成される。１つのセクションは、ドライバ／レシーバ部５と、長いロッド１０および第１の短いロッドの接続位置との間に位置し、第２のセクションはドライバ／レシーバ部５のもう一方の側に位置している。プロセスの方向にあるセクションは、より小さい直径を備え、要するに、引き伸ばされた首５となっている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】機械的振動可能部の原理構成図を示すものである。
【図２】機械的振動可能部の詳細な図であり、圧電ユニットがプロセスの方向にある。
【図３】圧電ユニットがプロセスとは反対側を向いた端部に位置している実施例を示すものである。
【図４】図２の実施例の変形例を示すものである。
【符号の説明】
【００２３】
１            機械的振動可能部
２            プロセス接続部
３            密閉金具（シーリング金具）
５            ドライバ／レシーバ部
１０          長いロッド
１０．１      プロセス側を向いた端部領域
１０．２      プロセスとは反対側を向いた端部領域
１０．３      取り付け領域
１１          第１の短いロッド
１１．１      プロセス側を向いた端部領域
１２          第２の短いロッド
１２．２      プロセスとは反対側を向いた端部領域
１５          溝／首
１６          回転軸
【図１】
2009515137.tif 000003
【図２】
2009515137.tif 000004
【図３】
2009515137.tif 000005
【図４】
2009515137.tif 000006
【国際調査報告】
2009515137.tif 000007
2009515137.tif 000008
2009515137.tif 000009
2009515137.tif 000010
2009515137.tif 000011
2009515137.tif 000012