WO2016150621A1 - Device for determining and/or monitoring at least one process variable - Google Patents

Device for determining and/or monitoring at least one process variable Download PDF

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WO2016150621A1
WO2016150621A1 PCT/EP2016/053131 EP2016053131W WO2016150621A1 WO 2016150621 A1 WO2016150621 A1 WO 2016150621A1 EP 2016053131 W EP2016053131 W EP 2016053131W WO 2016150621 A1 WO2016150621 A1 WO 2016150621A1
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WO
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rods
membrane
unit
resonator
drive
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/053131
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German (de)
French (fr)
Inventor
Raphael KUHNEN
Dietmar FRÜHAUF
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296Acoustic waves
    • G01F23/2968Transducers specially adapted for acoustic level indicators
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container comprising at least one drive / receiving unit, in particular in the form of an electromechanical converter unit.
  • Process variable is given for example by the level or the flow of the medium or by its density or viscosity.
  • the medium is for example in a container, a tank, or in a pipeline.
  • field devices are used to determine and / or monitor at least one process variable, in particular a physical or chemical process variable.
  • process variable in particular a physical or chemical process variable.
  • These are, for example, level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity, etc.
  • the respective measurement principles are known from a variety of publications.
  • a field device typically comprises at least one at least partially and at least temporarily come into contact with the process sensor unit and an electronic unit, which serves for example the signal detection, evaluation and / or supply.
  • field devices are in principle all measuring devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information, including remote I / Os, radio adapters or generally electronic components, which are arranged at the field level.
  • remote I / Os radio adapters or generally electronic components, which are arranged at the field level.
  • a variety of such field devices is manufactured and distributed by the Applicant.
  • electromechanical transducer units are used.
  • vibronic sensors such as vibronic level or flow meters are mentioned here, but they are also used in ultrasonic level gauges or flowmeters.
  • the oscillatable unit of such also referred to as vibronic sensor level gauge, for example, a tuning fork, a single rod or a membrane.
  • the oscillatable unit is excited in operation by means of a drive / receiving unit, usually in the form of an electromechanical transducer unit, to mechanical vibrations, which in turn may be, for example, a piezoelectric, electromagnetic or magnetostrictive drive / receiving unit.
  • a drive / receiving unit usually in the form of an electromechanical transducer unit
  • mechanical vibrations which in turn may be, for example, a piezoelectric, electromagnetic or magnetostrictive drive / receiving unit.
  • Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and, for example, under the name LIQUIPHANT or
  • the drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and convert it into an electrical reception signal.
  • the drive / receiving unit is either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit.
  • the drive / receiving unit is part of a feedback electrical resonant circuit, by means of which the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations takes place.
  • the resonant circuit condition according to which the amplification factor> 1 as well as all the phases occurring in the resonant circuit result in a multiple of 360 °, must be satisfied. This has the consequence that a certain phase shift between the excitation signal and the
  • a suitable filter can be made, or also by means of a control loop to a predetermined phase shift, the setpoint regulated.
  • DE 102006034105A1 has disclosed the use of an adjustable phase shifter.
  • the additional integration of an amplifier with an adjustable amplification factor for additional regulation of the oscillation amplitude has been described in DE102007013557A1.
  • DE102005015547A1 suggests the use of an allpass.
  • the adjustment of the phase shift is also possible by means of a so-called frequency search, as disclosed, for example, in DE102009026685A1, DE102009028022A1, and DE102010030982A1.
  • the phase shift can, however, also be regulated to a predefinable value by means of a phase-locked loop (PLL).
  • PLL phase-locked loop
  • Excitation method is the subject of DE00102010030982A1. Both the start signal and the receive signal are characterized by their frequency, amplitude and / or phase. Changes in these sizes are then usually for
  • Determining the respective process variable used such as a predetermined level of a medium in a container, or the density and / or viscosity of a medium.
  • a vibronic level switch for liquids for example, a distinction is made as to whether the oscillatable unit is covered by the liquid or vibrates freely.
  • These two states, the free state and the covered state are differentiated, for example, based on different resonance frequencies, ie a frequency shift, or on the basis of an attenuation of the oscillation amplitude.
  • the density and / or viscosity in turn can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is covered by the medium. From DE10050299A1, the
  • the viscosity is determined on the basis of a frequency change caused by two different values for the phase, ie by means of a relative measurement.
  • the influence of at least one disturbance variable, for example the viscosity, on the oscillation frequency of the mechanically oscillatable unit is determined and compensated.
  • DE 102006033819A1 is further described to set a predetermined phase shift between the excitation signal and the received signal, in which effects of changes in the viscosity of the medium to the mechanical
  • Phase shift can be an empirical formula for determining the density set up.
  • the drive / receiving unit is, as already mentioned, usually designed as an electromechanical converter unit. Often, it comprises at least one piezoelectric element in a wide variety of configurations. By utilizing the piezoelectric effect, namely, a high efficiency can be achieved.
  • efficiency is understood to mean the efficiency of the conversion of the electrical energy into mechanical energy.
  • Piezoceramic materials based on PZT are normally suitable for use at temperatures up to 300 ° C. Although there are piezoceramic materials that maintain their piezoelectric properties even at temperatures above 300 ° C; However, these have the disadvantage that they are significantly less effective than the materials based on PZT. For the
  • the at least one piezoelectric element must be non-positively connected to a membrane which is part of the oscillatable unit. In particular, at high temperatures, however, there are increasingly large mechanical stresses, the breakage of the piezoelectric element and thus
  • corresponding electromechanical transducer unit comprises at least one coil and a permanent magnet.
  • the coil is a magnetic interspersed magnetic
  • / Receiving unit can be used for a temperature range between -200 ° C and 500 ° C. Often, however, there is no frictional connection between the membrane and the drive / receiving unit, so that the efficiency of the respective field device compared to a piezoelectric drive / receiver unit is reduced.
  • Temperature distance pipe in the structural design of the respective field device.
  • it is a tube, which is part of the housing of the field device, and which is made of a material that is characterized by a high thermal insulation.
  • EP2520892A1 in which it is described to design a section of the housing of a measuring device in such a way that, in the presence of a
  • Electronics unit a low heat flow parallel to a longitudinal axis of the housing to
  • the present invention is therefore based on the object to provide a field device with an electromechanical transducer unit, which is suitable for use at high
  • a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container comprising at least
  • an oscillatable unit with at least one membrane which can be set into mechanical vibrations
  • a housing wherein the membrane forms at least a portion of a wall of the housing, and wherein the two rods are directed into the housing interior, at least one drive / receiving unit, which faces away in the membrane End Scheme of the two rods is arranged, which drive / receiving unit is adapted to excite the oscillatory unit by means of an electrical excitation signal and by means of the two rods to mechanical vibrations and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit and convert it into a received electrical signal, and
  • an electronic unit which is configured to generate an excitation signal from the received signal, and to determine the at least one process variable at least from the received signal.
  • the housing and the rods serve for the spatial separation of the drive / receiving unit from the process.
  • the device according to the invention is optimally suited for use in an extended temperature range, in particular for use at high temperatures
  • the drive / receiving unit in particular an electromechanical converter unit, may be both a separate drive unit and a separate receiving unit, or a combined drive / receiving unit. This can for example be attached to at least the two rods, which is in particular a non-positive connection is. Alternatively, however, it may also be arranged inside the housing such that it does not touch the two rods.
  • the drive / receiving unit is designed to set the two rods in mechanical vibrations, wherein the two rods are attached to the membrane such that vibrations of the membrane result from the vibrations of the two rods.
  • waves propagate along the rods with a wavelength ⁇ predetermined by the drive / receiving unit.
  • the rods are pressed apart by means of the drive / receiving unit frequency properly or pulled together.
  • the two rods behave accordingly like a mechanical resonator. Since the rods are connected to the membrane, in particular non-positively connected, consequently, the oscillatable unit is also set into mechanical vibrations.
  • the drive / receiving unit receives the waves which propagate along the two rods from the oscillatable unit and generates an electrical reception signal therefrom.
  • the length of the rods is thus adjusted according to a desired excitation frequency and in view of the respectively necessary temperature decoupling.
  • the device according to the invention additionally comprises a fixing element, by means of which fixing element the two rods are mechanically coupled to one another in the end region facing away from the membrane.
  • the two rods and the fixing element for example, positively connected to each other.
  • the two strands are thus coupled to each other both by means of the membrane and by means of the fixing element.
  • the rods are forced apart by the drive / receiver unit in the correct frequency or contracted such that a wave propagates along the two rods and the oscillatory unit is set into mechanical vibrations.
  • a drive / receiving unit which comprises at least one piezoelectric element is suitable.
  • a particularly preferred embodiment provides that the rods and / or the housing are made of a material which provides good thermal insulation. This increases the degree of thermal insulation.
  • the housing is thus not only the function of protection of the components contained therein such as the rods. Rather, the housing also serves as
  • the electronics unit can then either be accommodated in the region of the temperature-distancing tube facing away from the process, or else the housing comprises a separate region within which the electronics unit is arranged. At that portion of the housing, which serves as a temperature spacer tube, in particular further is the
  • the process variable is given by a level or the flow of the medium in the container, or by the density or viscosity of the medium.
  • the oscillatable unit may be a membrane vibrator.
  • an embodiment provides that at least one vibrating rod is attached to the membrane of the oscillatable unit.
  • the oscillatable unit is a single rod or tuning fork.
  • the drive / receiving unit comprises at least one piezoelectric element. It is therefore a piezoelectric transducer unit, such as a stack or bimorph drive.
  • the drive unit may also be an electromagnetic drive with at least one coil and a magnet.
  • magnetostrictive drive / receiving units are also conceivable. Due to the spatial separation, the drive / receiving unit used in each case must meet no special conditions with regard to the temperature sensitivity. It can rather be optimized in terms of their efficiency in the power transmission to the two rods out.
  • the oscillatable unit is arranged in a defined position within the container, such that it dips into the medium to a determinable immersion depth. In this way, the process variables viscosity and / or density can be determined.
  • the oscillatable unit is a tuning fork with two oscillating rods, wherein the two rods attached to the membrane and the two oscillating rods attached to the membrane are mutually mirror-symmetrical with respect to the plane perpendicular are arranged opposite to the longitudinal axis through the rods and / or oscillating rods.
  • a vibrating rod and a rod run essentially along the same imaginary line parallel to their two longitudinal axes.
  • the two rods and oscillating rods are arranged such that they are at the same distance from the center of the
  • Base of the membrane are perpendicular to the longitudinal axis of the rods and vibrating rods. This symmetrical arrangement in the case of a vibronic sensor with a tuning fork as a vibrating unit can achieve a particularly high efficiency.
  • Membrane mechanically coupled to each other, wherein the frequency of the exciting signal is selected such that the first and second resonator oscillate in an antisymmetric vibration mode with respect to the plane through the membrane perpendicular to the longitudinal axis of the rods and / or vibrating rods.
  • the oscillating rods, rods and the membrane thus form a coupled oscillating system, wherein the coupling is determined by the membrane.
  • a coupled vibration system two resonance frequencies occur. If these resonant frequencies are sufficiently close together, the rods and oscillating rods vibrate, ie the first and second mechanical oscillations
  • the length L and / or the rigidity of the two rods are selected such that the oscillation frequency of the first resonator and the oscillation frequency of the second resonator have substantially the same value in the event that the oscillatable unit is not covered by medium.
  • the resonant frequency of the first or second resonator is determined by the length and the geometric configuration of the rods or oscillating rods, and by the nature of the connection with the membrane. Using, for example, a tuning fork, as used in the marketed by the applicant LIQUIPHANTEN or SOLIPHANTEN, the resonant frequency of the oscillatory unit is already established. Then, by properly selecting the length, diameter, wall thickness, and configuration of the connection to the diaphragm, the resonant frequency of the second mechanical resonator including the rods can be adjusted to the resonant frequency of the vibratable unit.
  • the length L and / or the rigidity of the two rods are selected such that the oscillation frequency of the first resonator and the oscillation frequency of the second resonator, in the case that the oscillatable unit is covered by a selectable reference medium, substantially the same value exhibit.
  • This allows the device to a adjust certain desired reference medium.
  • the damping of the oscillations of the oscillatory unit by this medium is counteracted, cf. also the following description.
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of a vibronic sensor according to the prior art
  • FIG. 2 shows a device according to the invention with an oscillatable unit in the form of a
  • Tuning fork (a) without fixation element, and (b) with fixation element.
  • FIG. 3 shows the symmetrical (a) and the antisymmetric (b) oscillation modes of the first and second coupled resonators of the coupled oscillation system of FIG. 2, and FIG.
  • FIG. 4 shows a diagram of the two resonance frequencies of the first and second resonators of a device according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3.
  • a vibronic level gauge 1 is shown.
  • the oscillatable unit 3 is excited by means of the pickup / receiving unit 6, usually an electromechanical transducer unit, to mechanical vibrations, and may for example be a piezoelectric stack or
  • a first embodiment of a device 1 according to the invention is shown schematically.
  • a membrane 9 is introduced in the lower wall of a housing 8.
  • the housing 8 thus closes off with the membrane 9.
  • the housing 8 is cylindrical and the diaphragm 9 disc-shaped with a circular base A.
  • two rods 10a, 10b are fastened to the membrane 9. This is in particular a non-positive connection.
  • the base of the membrane 9 is then in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the two rods.
  • the two rods 10a, 10b along an imaginary line or axis through the center of the base A of the membrane 9 symmetrically arranged around this center.
  • a drive / receiving unit 11 is arranged in the end region of the two rods 10a, 10b facing away from the membrane 9. This can on the one hand at least be attached to the two rods 10a, 10b. In the example shown here, however, the drive / receiving unit is arranged within the housing 8 such that it does not touch the two rods 10a, 10b.
  • the drive / receive unit 1 1 is an electromechanical converter unit, in particular a piezoelectric converter unit with at least one piezoelectric element, or an electromagnetic converter unit.
  • the housing consists of two partial areas 8a, 8b.
  • the first subarea 8a surrounds at least the two rods 10a, 10b and the drive / receiving unit and serves as a temperature spacer.
  • the length of this temperature spacer tube is in
  • the electronic unit 7 is arranged in the second portion 8b.
  • the two subregions 8a, 8b are non-positively connected to one another and designed such that signal-conducting cables and the like can be guided from the sensor unit 2 to the electronic unit 7.
  • the connection between the two subregions 8a, 8b may, for example, be a welded, glued or soldered connection.
  • the housing 8 can also comprise more partial areas or can also be manufactured in one piece.
  • a process connection 12 is further attached, which is fixedly connected to the housing 8. This can also be an adhesive, solder or welded connection. The exact position of the process connection 12 results in each case from the individual installation situation.
  • the drive / receiving unit with a start signal in the form of an AC or AC signal is applied such that the drive / receiving unit, the two rods 10a, 10b in the membrane 9 opposite end portion frequency right apart and / or together, such that the two rods 10a, 10b are vibrated.
  • a wave propagates along the rods 10a, 10b, which, due to a lever effect, leads to a vibratory movement of the oscillatable unit 3, that is to say in particular the diaphragm 9.
  • the length of the two rods 10a, 10b and the frequency of the start signal taking into account the requirements with respect to
  • the driving / receiving unit receives the amplitude of the waves, in particular standing waves, which propagate from the oscillatable unit 3 along the bars 10a, 10b and converts them into an electrical reception signal.
  • the rods 10a, 10b form with the membrane 9 a mechanical resonator.
  • the oscillatable unit 3 is a
  • the two longitudinal axes intersect the plane parallel to the membrane 9 at the same distance from the center of this surface A.
  • a fixing element 14 is fastened in the end region of the rods 10 a, 10 b facing away from the membrane 9 in FIG.
  • This may, for example, be disk-shaped and have a round cross-sectional area, or generally have the same base area A 'as that of the membrane 9.
  • the drive / receiving unit 1 1 is arranged in the immediate vicinity of the fixing element 14 on the membrane 9 facing side of the fixing element 14. It should be noted, however, that other arrangements are conceivable.
  • the drive / receiving unit is attached in particular at least to the two rods 10a, 10b, in particular fastened non-positively.
  • the two rods 10a, 10b are thus coupled together in one of their end regions via the membrane 9 and coupled in the second end region via the fixing element 14.
  • it is preferably a drive / receiving unit 1 1 with at least one piezoelectric element.
  • the mechanical coupling of the two resonators 15, 16 takes place essentially via the membrane 9, via which the coupling is also adjustable.
  • the coupling can be influenced by the thickness or the material of the membrane 9 be, but also by the respective connection with the oscillating rods 13a, 13b or rods 10a, 10b.
  • two vibration modes occur with two different resonance frequencies (F1, F2), which are illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • the two vibration modes are symmetrical - and one
  • the oscillation modes move the rods 10 a, 10 b towards one another in the end region facing away from the membrane 9 when the two oscillating rods 13 a, 13 b
  • the antisymmetric oscillation mode thus corresponds to the natural oscillatory motion of an oscillatable unit 3, such as the vibration forks used in a LIQUIPHANTEN or SOLIPHANTEN.
  • the membrane 9 remains largely unmoved.
  • the oscillating rods 13a, 13b and the two rods 10a, 10b oscillate in the event that the oscillatable unit 3 is not in contact with medium 4, simultaneously with maximum amplitude relative to a specific one Control Power
  • Resonant frequencies F1 and F2 on Since no assignment of the resonances to the oscillating rods 13a, 13b or rods 10a, 10b is possible in this area, this area is not provided with hatching. If the frequency F2 of the first resonator 15 continues to increase, the result is a mirror-symmetric behavior for the two oscillation modes of the first 15 and second 16 resonators.
  • the resonance frequency should be F2 of the second
  • oscillatory unit 3 are so that no double assignment of a frequency can be done.
  • dynamic range is meant that interval of resonance frequencies F1, with which the oscillatable unit 3 can vibrate in contact with different media 4 and in the case of different immersion depths into the respective medium 4.
  • the resonant frequency F2 of the second resonator 16 is to be chosen to be just above the highest frequency F1 of the dynamic range of a particular vibration mode of the oscillatable unit 3.
  • the second resonator 16 is tuned, for example, to a frequency of F2 1100 Hz, so that the frequency F2 of the second resonator 16 drops to about 950 Hz due to the coupling.
  • the frequency F1 of the first resonator 15 decreases while the frequency F2 of the second resonator 16 remains substantially constant.
  • the adaptation of the resonance frequencies F1 and F2 can be carried out in such a way that they are matched to one another without contact of the oscillatable unit 3 with a medium 4.
  • the frequencies F1 and F2 at least partially submerge the oscillatable unit in a medium 4 from the intersection point 17 away.
  • the adaptation of the resonance frequencies F1 and F2 can also be carried out in such a way that, in the case of a specific immersion depth of the oscillatable unit 3, they are matched to one another in a selectable reference medium 4.
  • the type of adaptation of the two resonators 15, 16 counteracts the damping by the reference medium.
  • a change in the resonant frequency of the oscillatable unit 3 for the determination of the respective process variable is frequently used for media 4 in the form of liquids. As mentioned in connection with FIG. 4, the current one depends
  • the medium 4 is a bulk material
  • usually the amplitude damping of the oscillatable unit 3 is used to determine the at least one process variable. Upon contact of the oscillatory unit 3 with the bulk material is the
  • the standing wave which propagates along the bars 10a, 10b is deprived of energy, resulting in a decrease in the amplitude of the received signal.
  • the device according to the invention allows the use of a field device with an electromechanical transducer unit in an extended temperature range, in particular for use at high temperatures.
  • the maximum permissible process temperature is essentially determined only by the material properties of the oscillatable unit 3 and by the length and the material of the housing 8, or the temperature spacer tube.
  • the length of the rods 10a, 10b and the housing 8 can be extended in multiples of half the wavelength of the standing wave and adapted to the respective present temperature requirements become. In this case, no special temperature requirements for the drive / receiving unit must be met.

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Abstract

A device (1) for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium (4) in a container (5), the device comprising: at least one unit (3) that is capable of vibration and has at least one membrane (9) that can be made to mechanically vibrate; two rods (10a, 10b) secured to the membrane (9) perpendicularly to a main surface of the membrane (9); a housing (8), the membrane (9) forming at least one sub-region of a wall of the housing (8) and the two rods (10a, 10b) being directed into the housing interior; at least one drive unit/receiver unit (11) arranged in the end region of the two rods (10a, 10b) that faces away from the membrane (9), the drive unit/receiver unit (11) being designed to cause the unit (3) capable of vibration to mechanically vibrate by means of an electric excitation signal and by means of the two rods (10a, 10b) and to receive the mechanical vibrations of the unit (3) capable of vibration and to convert the vibrations into an electric received signal; and an electronic unit (7) designed to generate an excitation signal from the received signal and to calculate the at least one process variable at least from the received signal.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße  Device for determining and / or monitoring at least one process variable
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend zumindest eine Antriebs- /Empfangseinheit, insbesondere in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit. Die The invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container comprising at least one drive / receiving unit, in particular in the form of an electromechanical converter unit. The
Prozessgröße ist beispielsweise gegeben durch den Füllstand oder den Durchfluss des Mediums oder auch durch dessen Dichte oder Viskosität. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behälter, einem Tank, oder auch in einer Rohrleitung. In der Automatisierungstechnik werden unterschiedlichste Feldgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße, insbesondere einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße, eingesetzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit usw. erfassen. Die jeweiligen Messprinzipien sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.  Process variable is given for example by the level or the flow of the medium or by its density or viscosity. The medium is for example in a container, a tank, or in a pipeline. In automation technology, a wide variety of field devices are used to determine and / or monitor at least one process variable, in particular a physical or chemical process variable. These are, for example, level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, etc., which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH or conductivity, etc. The respective measurement principles are known from a variety of publications.
Ein Feldgerät umfasst typischerweise zumindest eine zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung kommende Sensoreinheit und eine Elektronikeinheit, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung dient. Als Feldgeräte werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. A field device typically comprises at least one at least partially and at least temporarily come into contact with the process sensor unit and an electronic unit, which serves for example the signal detection, evaluation and / or supply. In the context of the present application, field devices are in principle all measuring devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information, including remote I / Os, radio adapters or generally electronic components, which are arranged at the field level. A variety of such field devices is manufactured and distributed by the Applicant.
In einer Reihe von entsprechenden Feldgeräten kommen elektromechanische Wandlereinheiten zum Einsatz. Beispielsweise seien hier vibronische Sensoren, wie beispielsweise vibronische Füllstands- oder Durchflussmessgeräte genannt, aber auch in Ultraschall-Füllstandsmessgeräten oder -Durchflussmessgeräten werden sie verwendet. Auf jede Gattung von Feldgerät mit einer elektromechanischen Wandlereinheit und dessen zugrundeliegendes Messprinzip gesondert und detailliert einzugehen, würde den Rahmen der vorliegenden Anmeldung sprengen. Deshalb beschränkt sich der Einfachheit halber die nachfolgende Beschreibung dort, wo auf konkrete Feldgeräte Bezug genommen wird, beispielhaft auf Füllstandsmessgeräte mit einer schwingfähigen Einheit. Die schwingfähige Einheit eines solchen, auch als vibronischer Sensor bezeichneten Füllstandsmessgeräts, ist beispielsweise eine Schwinggabel, ein Einstab oder eine Membran. Die schwingfähige Einheit wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, üblicherweise in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise eine piezoelektrische, elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheit sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder In a number of corresponding field devices electromechanical transducer units are used. For example, vibronic sensors such as vibronic level or flow meters are mentioned here, but they are also used in ultrasonic level gauges or flowmeters. To address each genus of field device with an electromechanical transducer unit and its underlying measurement principle separately and in detail, would go beyond the scope of the present application. Therefore, for the sake of simplicity, the following description is limited to where specific field devices are referenced, by way of example to level measuring devices with an oscillatable unit. The oscillatable unit of such, also referred to as vibronic sensor level gauge, for example, a tuning fork, a single rod or a membrane. The oscillatable unit is excited in operation by means of a drive / receiving unit, usually in the form of an electromechanical transducer unit, to mechanical vibrations, which in turn may be, for example, a piezoelectric, electromagnetic or magnetostrictive drive / receiving unit. Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and, for example, under the name LIQUIPHANT or
SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Grunde bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Sold SOLIPHANT. The underlying measurement principles are basically known. The drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and convert it into an electrical reception signal. The drive / receiving unit is either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit.
Zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit sind unterschiedlichste, sowohl analoge als auch digitale Verfahren entwickelt worden. In vielen Fällen ist die Antriebs-/Empfangseinheit Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor >1 sowie alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Dies hat zur Folge, dass eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem To stimulate the mechanically oscillatable unit a variety of both analog and digital methods have been developed. In many cases, the drive / receiving unit is part of a feedback electrical resonant circuit, by means of which the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations takes place. For example, for a resonant oscillation, the resonant circuit condition, according to which the amplification factor> 1 as well as all the phases occurring in the resonant circuit result in a multiple of 360 °, must be satisfied. This has the consequence that a certain phase shift between the excitation signal and the
Empfangssignal gewährleistet werden muss. Hierfür sind unterschiedlichste Lösungen bekannt geworden. Prinzipiell kann die Einstellung der Phasenverschiebung beispielsweise durch Receiving signal must be guaranteed. For this purpose, a variety of solutions have become known. In principle, the adjustment of the phase shift, for example, by
Verwendung eines geeigneten Filters vorgenommen werden, oder auch mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt werden. Aus der Use of a suitable filter can be made, or also by means of a control loop to a predetermined phase shift, the setpoint regulated. From the
DE 102006034105A1 ist beispielsweise bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der DE102007013557A1 beschrieben. Die DE102005015547A1 schlägt die Verwendung eines Allpass vor. Die Einstellung der Phasenverschiebung ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs möglich, wie beispielsweise in der der DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , und DE102010030982A1 offenbart. Die Phasenverschiebung kann aber auch mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase- Locked-Loop, PLL) auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden. Ein hierauf basierendes For example, DE 102006034105A1 has disclosed the use of an adjustable phase shifter. The additional integration of an amplifier with an adjustable amplification factor for additional regulation of the oscillation amplitude, on the other hand, has been described in DE102007013557A1. DE102005015547A1 suggests the use of an allpass. The adjustment of the phase shift is also possible by means of a so-called frequency search, as disclosed, for example, in DE102009026685A1, DE102009028022A1, and DE102010030982A1. The phase shift can, however, also be regulated to a predefinable value by means of a phase-locked loop (PLL). A based on this
Anregungsverfahren ist Gegenstand der DE00102010030982A1. Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz, Amplitude und/oder Phase. Änderungen in diesen Größen werden dann üblicherweise zur Excitation method is the subject of DE00102010030982A1. Both the start signal and the receive signal are characterized by their frequency, amplitude and / or phase. Changes in these sizes are then usually for
Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, oder anhand einer Dämpfung der Schwingungsamplitude, unterschieden. Determining the respective process variable used, such as a predetermined level of a medium in a container, or the density and / or viscosity of a medium. In the case of a vibronic level switch for liquids, for example, a distinction is made as to whether the oscillatable unit is covered by the liquid or vibrates freely. These two states, the free state and the covered state, are differentiated, for example, based on different resonance frequencies, ie a frequency shift, or on the basis of an attenuation of the oscillation amplitude.
Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Aus der DE10050299A1 , der The density and / or viscosity in turn can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is covered by the medium. From DE10050299A1, the
DE102006033819A1 und der der DE 10200704381 1A1 ist bekannt geworden, die Viskosität eines Mediums anhand der Frequenz-Phase-Kurve (0=g(f)) zu bestimmen. Dieses Vorgehen basiert auf der Abhängigkeit der Dämpfung der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligenDE102006033819A1 and DE 10200704381 1A1 has become known to determine the viscosity of a medium on the basis of the frequency-phase curve (0 = g (f)). This procedure is based on the dependence of the damping of the oscillatory unit on the viscosity of the respective
Mediums. Um den Einfluss der Dichte auf die Messung zu eliminieren, wird die Viskosität anhand einer durch zwei unterschiedliche Werte für die Phase verursachten Frequenzänderung bestimmt, also mittels einer Relativmessung. Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums wird hingegen gemäß der DE10057974A1 der Einfluss von zumindest einer Störgröße, beispielswese der Viskosität, auf die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt und kompensiert. In der DE 102006033819A1 ist ferner beschrieben, eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal einzustellen, bei welcher Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Medium. In order to eliminate the influence of the density on the measurement, the viscosity is determined on the basis of a frequency change caused by two different values for the phase, ie by means of a relative measurement. For determining and / or monitoring the density of a medium, however, according to DE10057974A1, the influence of at least one disturbance variable, for example the viscosity, on the oscillation frequency of the mechanically oscillatable unit is determined and compensated. In DE 102006033819A1 is further described to set a predetermined phase shift between the excitation signal and the received signal, in which effects of changes in the viscosity of the medium to the mechanical
Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vernachlässigbar sind. Bei dieser Vibrations of the mechanically oscillatable unit are negligible. At this
Phasenverschiebung lässt sich eine empirische Formel zur Bestimmung der Dichte aufstellen. Phase shift can be an empirical formula for determining the density set up.
Die Antriebs-/Empfangseinheit ist, wie bereits erwähnt, in der Regel als eine elektromechanische Wandlereinheit ausgestaltet. Oftmals umfasst sie zumindest ein piezoelektrisches Element in unterschiedlichsten Ausgestaltungen. Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts lässt sich nämlich ein hoher Wirkungsgrad erzielen. Dabei sei unter dem Begriff Wirkungsgrad die Effizienz der Umwandlung der elektrischen in mechanische Energie verstanden. Entsprechende The drive / receiving unit is, as already mentioned, usually designed as an electromechanical converter unit. Often, it comprises at least one piezoelectric element in a wide variety of configurations. By utilizing the piezoelectric effect, namely, a high efficiency can be achieved. The term efficiency is understood to mean the efficiency of the conversion of the electrical energy into mechanical energy. Appropriate
piezokeramische Werkstoffe auf PZT-Basis (Bleizirkonattitanat) sind normalerweise für den Einsatz bei Temperaturen bis 300°C geeignet. Zwar gibt es piezokeramische Werkstoffe, die auch bei Temperaturen oberhalb von 300°C ihre piezoelektrischen Eigenschaften bewahren; diese haben jedoch den Nachteil, dass sie deutlich ineffektiver sind als die Werkstoffe auf PZT-Basis. Für denPiezoceramic materials based on PZT (lead zirconate titanate) are normally suitable for use at temperatures up to 300 ° C. Although there are piezoceramic materials that maintain their piezoelectric properties even at temperatures above 300 ° C; However, these have the disadvantage that they are significantly less effective than the materials based on PZT. For the
Einsatz in vibronischen Sensoren sind diese Hochtemperaturwerkstoffe darüber hinaus aufgrund der großen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen und keramischen Stoffen nur bedingt geeignet. Wegen ihrer Funktion als Kraftgeber muss das zumindest eine piezoelektrische Element kraftschlüssig mit einer Membran, welche Teil der schwingfähigen Einheit ist, verbunden sein. Insbesondere bei hohen Temperaturen kommt es aber vermehrt zu großen mechanischen Spannungen, die einen Bruch des piezoelektrischen Elements und damit In addition, these high-temperature materials are used in vibronic sensors due to the large differences in the thermal expansion coefficients of metals and ceramic Substances only conditionally suitable. Because of its function as a force transmitter, the at least one piezoelectric element must be non-positively connected to a membrane which is part of the oscillatable unit. In particular, at high temperatures, however, there are increasingly large mechanical stresses, the breakage of the piezoelectric element and thus
einhergehend einen Totalausfall des Sensors zur Folge haben können. accompanied by a total failure of the sensor can result.
Eine Alternative, welche für den Einsatz bei hohen Temperaturen besser geeignet sein kann, stellen sogenannte elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten dar, wie beispielsweise in den Druckschriften WO 2007/11301 1 und WO 2007/1 14950 A1 beschrieben. Die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt hierbei über ein Magnetfeld. Eine An alternative which may be better suited for use at high temperatures is represented by so-called electromagnetic drive / receiving units, as described, for example, in the publications WO 2007/11301 1 and WO 2007/1 14950 A1. The conversion of electrical energy into mechanical energy takes place via a magnetic field. A
entsprechende elektromechanische Wandlereinheit umfasst zumindest eine Spule und einen Permanentmagneten. Mittels der Spule wird ein den Magnet durchsetzendes magnetisches corresponding electromechanical transducer unit comprises at least one coil and a permanent magnet. By means of the coil is a magnetic interspersed magnetic
Wechselfeld erzeugt, und über den Magneten eine periodische Kraft auf die schwingfähige Einheit übertragen. Üblicherweise überfolgt die Übertragung dieser periodischen Kraft ähnlich dem Prinzip eines Stößels, welcher mittig auf die Membran aufsetzt. Auf diese Weise wird die Antriebs-Generated alternating field, and transmitted via the magnet, a periodic force on the oscillatory unit. Usually, the transmission of this periodic force similar to the principle of a plunger, which sits centrally on the membrane. In this way, the drive
/Empfangseinheit für einen Temperaturbereich zwischen -200°C und 500°C einsetzbar. Oftmals besteht jedoch keine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Membran und der Antriebs- /Empfangseinheit, so dass der Wirkungsgrad des jeweiligen Feldgeräts gegenüber einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit reduziert ist. / Receiving unit can be used for a temperature range between -200 ° C and 500 ° C. Often, however, there is no frictional connection between the membrane and the drive / receiving unit, so that the efficiency of the respective field device compared to a piezoelectric drive / receiver unit is reduced.
Neben der jeweils verwendeten Antriebs-/Empfangseinheit sind diverse elektronische Komponenten, welche üblicherweise als Teil einer Elektronikeinheit in einem Feldgerät integriert sind, limitierend für die maximale Prozesstemperatur, bei welcher das jeweilige Feldgerät noch eingesetzt werden kann. Um derartige temperaturempfindliche elektronische Komponenten von einem Prozess zu entkoppeln, besteht eine gängige Methode in der Integration eines sogenannten In addition to the drive / receiving unit used in each case, various electronic components, which are usually integrated as part of an electronics unit in a field device, limit the maximum process temperature at which the respective field device can still be used. To decouple such temperature-sensitive electronic components from a process, a common method in the integration of a so-called
Temperaturdistanzrohres in den konstruktiven Aufbau des jeweiligen Feldgeräts. Beispielsweise handelt es sich um ein Rohr, welches Teil des Gehäuses des Feldgeräts ist, und welches aus einem Material gefertigt ist, dass sich durch eine hohe Wärmeisolation auszeichnet. In dieser Hinsicht sei beispielsweise auf die EP2520892A1 verwiesen, in welcher beschrieben ist, einen Abschnitt des Gehäuses eines Messgeräts derart auszugestalten, dass bei Vorliegen eines  Temperature distance pipe in the structural design of the respective field device. For example, it is a tube, which is part of the housing of the field device, and which is made of a material that is characterized by a high thermal insulation. In this regard, reference is made, for example, to EP2520892A1, in which it is described to design a section of the housing of a measuring device in such a way that, in the presence of a
Temperaturunterschieds zwischen einer Umgebung des Prozessanschlusses und der  Temperature difference between an environment of the process connection and the
Elektronikeinheit ein geringer Wärmestrom parallel zu einer Längsachse des Gehäuses zur Electronics unit a low heat flow parallel to a longitudinal axis of the housing to
Elektronikeinheit fließt. Um eine möglichst effiziente Temperaturentkopplung der Antriebs-/Empfangseinheit vom jeweiligen Prozess zu gewährleisten, wäre es wünschenswert, auch die Antriebs-/Empfangseinheit räumlich vom Prozess zu separieren. Allerdings ist eine derartige Entkopplung nicht einfach zu realisieren, da ein effizienter Kraftübertrag auf die Membran gegebenenfalls nicht mehr möglich ist. Electronic unit flows. In order to ensure the most efficient temperature decoupling of the drive / receiving unit from the respective process, it would be desirable, even the drive / receiving unit spatially to separate from the process. However, such a decoupling is not easy to implement, since an efficient transfer of force to the membrane may no longer be possible.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät mit einer elektromechanischen Wandlereinheit bereitzustellen, welches für den Einsatz bei hohen The present invention is therefore based on the object to provide a field device with an electromechanical transducer unit, which is suitable for use at high
Prozesstemperaturen geeignet ist. Process temperatures is suitable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend zumindest This object is achieved by a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container comprising at least
eine schwingfähige Einheit mit zumindest einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Membran,  an oscillatable unit with at least one membrane which can be set into mechanical vibrations,
zwei senkrecht zu einer Grundfläche der Membran an der Membran befestigte Stangen, ein Gehäuse, wobei die Membran zumindest einen Teilbereich einer Wandung des Gehäuses bildet, und wobei die beiden Stangen ins Gehäuseinnere gerichtet sind, zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit, welche im der Membran abgewandten Endbereich der beiden Stangen angeordnet ist, welche Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals und mittels der beiden Stangen zu mechanischen Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und  two perpendicular to a base of the membrane attached to the membrane rods, a housing, wherein the membrane forms at least a portion of a wall of the housing, and wherein the two rods are directed into the housing interior, at least one drive / receiving unit, which faces away in the membrane Endbereich of the two rods is arranged, which drive / receiving unit is adapted to excite the oscillatory unit by means of an electrical excitation signal and by means of the two rods to mechanical vibrations and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit and convert it into a received electrical signal, and
eine Elektronikeinheit, welche dazu ausgestaltet ist, aus dem Empfangssignal ein Anregesignal zu erzeugen, und die zumindest eine Prozessgröße zumindest aus dem Empfangssignal zu ermitteln.  an electronic unit, which is configured to generate an excitation signal from the received signal, and to determine the at least one process variable at least from the received signal.
Das Gehäuse sowie die Stangen dienen dabei der räumlichen Separation der Antriebs- /Empfangseinheit vom Prozess. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bestens für den Einsatz in einem erweiterten Temperaturbereich, insbesondere für den Einsatz bei hohen The housing and the rods serve for the spatial separation of the drive / receiving unit from the process. As a result, the device according to the invention is optimally suited for use in an extended temperature range, in particular for use at high temperatures
Temperaturen, geeignet. Die direkte, insbesondere kraftschlüssige Verbindung der Stangen mit der Membran sorgt trotz der räumlichen Trennung für einen hohen Wirkungsgrad der Kraftübertragung von der Antriebs-/Empfangseinheit auf die schwingfähige Einheit. Trotzdem ist der konstruktive Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleichsweise einfach. Temperatures, suitable. The direct, in particular non-positive connection of the rods with the membrane ensures despite the spatial separation for a high efficiency of power transmission from the drive / receiving unit to the oscillatory unit. Nevertheless, the structural design of a device according to the invention is comparatively simple.
Bei der Antriebs-/Empfangseinheit, insbesondere einer elektromechanischen Wandlereinheit, kann es sich sowohl um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit handeln, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Diese kann beispielsweise zumindest an den beiden Stangen befestigt sein, wobei es sich insbesondere um eine kraftschlüssige Verbindung handelt. Alternativ kann sie jedoch auch derart innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, dass sie die beiden Stangen nicht berührt. The drive / receiving unit, in particular an electromechanical converter unit, may be both a separate drive unit and a separate receiving unit, or a combined drive / receiving unit. This can for example be attached to at least the two rods, which is in particular a non-positive connection is. Alternatively, however, it may also be arranged inside the housing such that it does not touch the two rods.
Es ist von Vorteil, wenn die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die beiden Stangen in mechanische Schwingungen zu versetzen, wobei die beiden Stangen derart an der Membran befestigt sind, dass aus den Schwingungen der beiden Stangen Schwingungen der Membran resultieren. Es breiten sich also Wellen mit einer durch die Antriebs-/Empfangseinheit vorgegebenen Wellenlänge λ entlang der Stangen aus. Dazu werden die Stangen mittels der Antriebs- /Empfangseinheit frequenzrichtig auseinander gedrückt oder zusammengezogen. Die beiden Stangen verhalten sich entsprechend wie ein mechanischer Resonator. Da die Stangen mit der Membran verbunden, insbesondere kraftschlüssig verbunden, sind, wird folglich auch die schwingfähige Einheit in mechanische Schwingungen versetzt. Umgekehrt empfängt die Antriebs- /Empfangseinheit die Wellen, welche sich ausgehend von der schwingfähigen Einheit entlang der beiden Stangen ausbreiten, und generiert daraus ein elektrisches Empfangssignal. It is advantageous if the drive / receiving unit is designed to set the two rods in mechanical vibrations, wherein the two rods are attached to the membrane such that vibrations of the membrane result from the vibrations of the two rods. Thus, waves propagate along the rods with a wavelength λ predetermined by the drive / receiving unit. For this purpose, the rods are pressed apart by means of the drive / receiving unit frequency properly or pulled together. The two rods behave accordingly like a mechanical resonator. Since the rods are connected to the membrane, in particular non-positively connected, consequently, the oscillatable unit is also set into mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit receives the waves which propagate along the two rods from the oscillatable unit and generates an electrical reception signal therefrom.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Länge L der Stangen in Bezug auf die Wellenlänge der sich entlang der beiden Stangen ausbreitenden Wellen Ι_=ηλ/2+ K/4 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Länge der Stangen wird also entsprechend einer gewünschten Anregefrequenz und im Hinblick auf die jeweils notwendige Temperaturentkopplung angepasst. It is further advantageous if the length L of the rods with respect to the wavelength of the waves propagating along the two rods is Ι_ = ηλ / 2 + K / 4, where n is a natural number. The length of the rods is thus adjusted according to a desired excitation frequency and in view of the respectively necessary temperature decoupling.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich ein Fixierungselement, mittels welchem Fixierungselement die beiden Stangen im der Membran abgewandten Endbereich mechanisch miteinander gekoppelt sind. Dazu sind die beiden Stangen und das Fixierungselement beispielsweise kraftschlüssig miteinander verbunden. Die beiden Strängen sind also sowohl mittels der Membran also auch mittels des Fixierungselements miteinander gekoppelt. Wieder werden die Stangen mittels der Antriebs-/Empfangseinheit frequenzrichtig auseinander gedrückt oder zusammengezogen derart, dass sich eine Welle entlang der beiden Stangen ausbreitet und die schwingfähige Einheit in mechanische Schwingungen versetzt wird. In another preferred embodiment, the device according to the invention additionally comprises a fixing element, by means of which fixing element the two rods are mechanically coupled to one another in the end region facing away from the membrane. For this purpose, the two rods and the fixing element, for example, positively connected to each other. The two strands are thus coupled to each other both by means of the membrane and by means of the fixing element. Again, the rods are forced apart by the drive / receiver unit in the correct frequency or contracted such that a wave propagates along the two rods and the oscillatory unit is set into mechanical vibrations.
Es ist von Vorteil, wenn die Frequenz des Anregesignals und/oder die Länge L der beiden Stangen derart gewählt sind, dass sich eine stehende Welle entlang der Stangen ausbreitet. Auf diese Weise kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Länge L der Stangen in Bezug auf die Wellenlänge der sich entlang der beiden Stangen ausbreitenden Wellen L=nA/2 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Länge der Stangen wird also entsprechend einer gewünschten Anregefrequenz und im Hinblick auf die jeweils notwendige Temperaturentkopplung so angepasst, dass sich stehende Wellen ausbreiten können. Für eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Fixierungselement eignet sich insbesondere eine Antriebs-/Empfangseinheit, welche zumindest ein piezoelektrisches Element umfasst. It is advantageous if the frequency of the excitation signal and / or the length L of the two rods are selected such that a standing wave propagates along the rods. In this way, a particularly high efficiency can be achieved. It is particularly advantageous if the length L of the rods with respect to the wavelength of the propagating along the two rods waves L = nA / 2, where n is a natural number. The length of the rods is thus adjusted according to a desired excitation frequency and in view of the respectively necessary temperature decoupling so that standing waves can propagate. For a refinement of the device according to the invention with a fixing element, in particular a drive / receiving unit which comprises at least one piezoelectric element is suitable.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stangen und/oder das Gehäuse aus einem Material gefertigt sind, welches eine gute Wärmeisolation bietet. Dies erhöht den Grad der Wärmeisolation. Dem Gehäuse kommt also nicht nur die Funktion eines Schutzes der darin enthaltenen Komponenten wie der Stangen zu. Vielmehr dient das Gehäuse auch als A particularly preferred embodiment provides that the rods and / or the housing are made of a material which provides good thermal insulation. This increases the degree of thermal insulation. The housing is thus not only the function of protection of the components contained therein such as the rods. Rather, the housing also serves as
Temperaturdistanzrohr. Die Elektronikeinheit kann dann entweder im dem Prozess abgewandten Bereich des Temperaturdistanzrohrs untergebracht sein, oder aber das Gehäuse umfasst einen gesonderten Bereich, innerhalb welchem die Elektronikeinheit angeordnet ist. An jenem Teilbereich des Gehäuses, welcher als Temperaturdistanzrohr dient, ist insbesondere ferner der Temperature spacer tube. The electronics unit can then either be accommodated in the region of the temperature-distancing tube facing away from the process, or else the housing comprises a separate region within which the electronics unit is arranged. At that portion of the housing, which serves as a temperature spacer tube, in particular further is the
Prozessanschluss befestigt. Die genaue Lage des Prozessanschlusses entlang des Gehäuses ergibt sich dabei aus den jeweiligen besonderen Einbauanforderungen. Attached process connection. The exact location of the process connection along the housing results from the particular installation requirements.
Es ist von Vorteil, wenn die Prozessgröße gegeben ist durch einen Füllstand oder den Durchfluss des Mediums in dem Behältnis, oder durch die Dichte oder die Viskosität des Mediums. It is advantageous if the process variable is given by a level or the flow of the medium in the container, or by the density or viscosity of the medium.
Einerseits kann es sich bei der schwingfähigen Einheit um einen Membranschwinger handeln. Andererseits sieht eine Ausgestaltung vor, dass an der Membran der schwingfähigen Einheit zumindest ein Schwingstab befestigt ist. Dann ist die schwingfähige Einheit ein Einstab oder eine Schwinggabel. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Antriebs-/Empfangseinheit zumindest ein piezoelektrisches Element. Es handelt sich also um eine piezoelektrische Wandlereinheit, wie beispielsweise einem Stapel- oder Bimorphantrieb. Alternativ kann es sich bei der Antriebs- ZEmpfangseinheit aber auch um einen elektromagnetischen Antrieb mit zumindest einer Spule und einem Magneten handeln. Ferner sind auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheiten denkbar. Durch die räumliche Separation muss die jeweils verwendete Antriebs-/Empfangseinheit keine besonderen Bedingungen hinsichtlich der Temperaturempfindlichkeit erfüllen. Sie kann vielmehr in Bezug auf ihren Wirkungsgrad bei der Kraftübertragung auf die beiden Stangen hin optimiert werden. On the one hand, the oscillatable unit may be a membrane vibrator. On the other hand, an embodiment provides that at least one vibrating rod is attached to the membrane of the oscillatable unit. Then the oscillatable unit is a single rod or tuning fork. In a preferred embodiment, the drive / receiving unit comprises at least one piezoelectric element. It is therefore a piezoelectric transducer unit, such as a stack or bimorph drive. Alternatively, the drive unit may also be an electromagnetic drive with at least one coil and a magnet. Furthermore, magnetostrictive drive / receiving units are also conceivable. Due to the spatial separation, the drive / receiving unit used in each case must meet no special conditions with regard to the temperature sensitivity. It can rather be optimized in terms of their efficiency in the power transmission to the two rods out.
Es ist von Vorteil, wenn die schwingfähige Einheit in einer definierten Position innerhalb des Behältnisses angeordnet ist, derart, dass sie bis zu einer bestimmbaren Eintauchtiefe in das Medium eintaucht. Auf diese Weise lassen sich die Prozessgrößen Viskosität und/oder Dichte bestimmen. It is advantageous if the oscillatable unit is arranged in a defined position within the container, such that it dips into the medium to a determinable immersion depth. In this way, the process variables viscosity and / or density can be determined.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die schwingfähige Einheit eine Schwinggabel mit zwei Schwingstäben, wobei die beiden an der Membran befestigten Stangen und die beiden an der Membran befestigten Schwingstäbe einander spiegelsymmetrisch bezogen auf die Ebene senkrecht zur Längsachse durch die Stangen und/oder Schwingstäbe gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils ein Schwingstab und eine Stange verlaufen also im Wesentlichen entlang der gleichen gedachten Linie parallel zu ihrer beider Längsachsen. Insbesondere sind die beiden Stangen und Schwingstäbe derart angeordnet, dass sie sich im gleichen Abstand zum Mittelpunkt der In a particularly preferred embodiment, the oscillatable unit is a tuning fork with two oscillating rods, wherein the two rods attached to the membrane and the two oscillating rods attached to the membrane are mutually mirror-symmetrical with respect to the plane perpendicular are arranged opposite to the longitudinal axis through the rods and / or oscillating rods. In each case, a vibrating rod and a rod run essentially along the same imaginary line parallel to their two longitudinal axes. In particular, the two rods and oscillating rods are arranged such that they are at the same distance from the center of the
Grundfläche der Membran senkrecht zur Längsachse der Stangen und Schwingstäbe befinden. Diese symmetrische Anordnung im Falle eines vibronischen Sensors mit einer Schwinggabel als schwingfähiger Einheit kann einen besonders hohen Wirkungsgrad erzielen. Base of the membrane are perpendicular to the longitudinal axis of the rods and vibrating rods. This symmetrical arrangement in the case of a vibronic sensor with a tuning fork as a vibrating unit can achieve a particularly high efficiency.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die beiden Schwingstäbe und die Membran einen ersten It is advantageous if the two oscillating rods and the membrane has a first
mechanischen Resonator bilden, und wenn die beiden Stangen und die Membran einen zweiten mechanischen Resonator bilden. Dann sind der erste und der zweite Resonator mittels der form a mechanical resonator, and when the two rods and the membrane form a second mechanical resonator. Then, the first and the second resonator by means of
Membran miteinander mechanisch gekoppelt, wobei die Frequenz des Anregesignals derart gewählt ist, dass der erste und zweite Resonator in einer antisymmetrischen Schwingungsmode bezogen auf die Ebene durch die Membran senkrecht zur Längsachse der Stangen und/oder Schwingstäbe schwingen.  Membrane mechanically coupled to each other, wherein the frequency of the exciting signal is selected such that the first and second resonator oscillate in an antisymmetric vibration mode with respect to the plane through the membrane perpendicular to the longitudinal axis of the rods and / or vibrating rods.
Die Schwingstäbe, Stangen und die Membran bilden also ein gekoppeltes Schwingsystem, wobei die Kopplung durch die Membran bestimmt wird. In solch einem gekoppelten Schwingsystem treten zwei Resonanzfrequenzen auf. Sofern diese Resonanzfrequenzen ausreichend dicht beieinander liegen, schwingen die Stangen und Schwingstäbe, also der erste und zweite mechanische The oscillating rods, rods and the membrane thus form a coupled oscillating system, wherein the coupling is determined by the membrane. In such a coupled vibration system, two resonance frequencies occur. If these resonant frequencies are sufficiently close together, the rods and oscillating rods vibrate, ie the first and second mechanical oscillations
Resonator gleichzeitig mit großer Schwingungsamplitude. Dies wird in Zusammenhang mit den Figuren Fig. 3 und Fig. 4 noch ausführlich beschrieben werden wird. Resonator simultaneously with high vibration amplitude. This will be described in detail in connection with FIGS. 3 and 4.
In einer Ausgestaltung sind die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen derart gewählt, dass die Schwingfrequenz des ersten Resonators und die Schwingfrequenz des zweiten Resonators im Falle, dass die schwingfähige Einheit nicht von Medium bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Die Resonanzfrequenz des ersten bzw. zweiten Resonators bestimmt sich aus der Länge sowie der geometrischen Ausgestaltung der Stangen bzw. Schwingstäbe, und durch die Art der Verbindung mit der Membran. Verwendet man beispielsweise eine Schwinggabel, wie sie in den von der Anmelderin vertriebenen LIQUIPHANTEN oder SOLIPHANTEN eingesetzt wird, so ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bereits festgelegt. Dann kann durch geeignete Wahl der Länge, des Durchmessers, der Wanddicke und der Ausgestaltung der Verbindung zur Membran die Resonanzfrequenz des zweiten mechanischen Resonators, welcher die Stangen beinhaltet, auf die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit angepasst werden. In one embodiment, the length L and / or the rigidity of the two rods are selected such that the oscillation frequency of the first resonator and the oscillation frequency of the second resonator have substantially the same value in the event that the oscillatable unit is not covered by medium. The resonant frequency of the first or second resonator is determined by the length and the geometric configuration of the rods or oscillating rods, and by the nature of the connection with the membrane. Using, for example, a tuning fork, as used in the marketed by the applicant LIQUIPHANTEN or SOLIPHANTEN, the resonant frequency of the oscillatory unit is already established. Then, by properly selecting the length, diameter, wall thickness, and configuration of the connection to the diaphragm, the resonant frequency of the second mechanical resonator including the rods can be adjusted to the resonant frequency of the vibratable unit.
In einer anderen Ausgestaltung sind die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen derart gewählt, dass die Schwingfrequenz des ersten Resonators und die Schwingfrequenz des zweiten Resonators im Falle, dass die schwingfähige Einheit von einem wählbaren Referenzmedium bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Damit lässt sich die Vorrichtung auf ein bestimmtes gewünschtes Referenzmedium anpassen. Der Dämpfung der Schwingungen der schwingfähigen Einheit durch dieses Medium wird dadurch entgegengewirkt, vgl. auch die nachfolgende Beschreibung. Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren Fig. 1 - Fig. 4 näher beschrieben. Es zeigt: In another embodiment, the length L and / or the rigidity of the two rods are selected such that the oscillation frequency of the first resonator and the oscillation frequency of the second resonator, in the case that the oscillatable unit is covered by a selectable reference medium, substantially the same value exhibit. This allows the device to a adjust certain desired reference medium. The damping of the oscillations of the oscillatory unit by this medium is counteracted, cf. also the following description. The invention and its advantageous embodiments will be described in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4. It shows:
Fig. 1 : eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik, Fig. 2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer schwingfähigen Einheit in Form einer 1 shows a schematic sketch of a vibronic sensor according to the prior art, FIG. 2 shows a device according to the invention with an oscillatable unit in the form of a
Schwinggabel, (a) ohne Fixierungselement, und (b) mit Fixierungselement. Tuning fork, (a) without fixation element, and (b) with fixation element.
Fig. 3 die symmetrische (a) und die antisymmetrische (b) Schwingungsmode des ersten und zweiten gekoppelten Resonators des gekoppelten Schwingsystems aus Fig. 2, und FIG. 3 shows the symmetrical (a) and the antisymmetric (b) oscillation modes of the first and second coupled resonators of the coupled oscillation system of FIG. 2, and FIG
Fig. 4 ein Diagramm der beiden Resonanzfrequenzen des ersten und zweiten Resonators einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 oder Fig. 3. 4 shows a diagram of the two resonance frequencies of the first and second resonators of a device according to the invention according to FIG. 2 or FIG. 3.
In Fig. 1 ist ein vibronisches Füllstandsmessgerät 1 gezeigt. Eine Sensoreinheit 2 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 3 in Form einer Schwinggabel taucht teilweise in ein Medium 4 ein, welches sich in einem Behälter 5 befindet. Die schwingfähige Einheit 3 wird mittels der Anrege- /Empfangseinheit 6, in der Regel einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder In Fig. 1, a vibronic level gauge 1 is shown. A sensor unit 2 with a mechanically oscillatable unit 3 in the form of a tuning fork partially immersed in a medium 4, which is located in a container 5. The oscillatable unit 3 is excited by means of the pickup / receiving unit 6, usually an electromechanical transducer unit, to mechanical vibrations, and may for example be a piezoelectric stack or
Bimorphantrieb, aber auch eine elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs- /Empfangseinheit sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Füllstandsmessgeräts möglich sind. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 7 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt. Bimorphantrieb, but also an electromagnetic or magnetostrictive drive / receiving unit. However, it goes without saying that other embodiments of a vibronic level gauge are possible. Furthermore, an electronic unit 7 is shown, by means of which the signal detection, evaluation and / or supply is carried out.
In Fig. 2a ist schematisch eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. In der unteren Wandung eines Gehäuses 8 ist eine Membran 9 eingebracht. An dieser Seitenfläche schließt das Gehäuse 8 also mit der Membran 9 ab. In diesem Beispiel sei das Gehäuse 8 zylinderförmig und die Membran 9 scheibenförmig mit kreisrunder Grundfläche A. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Geometrien denkbar sind und unter die vorliegende Erfindung fallen. Senkrecht zur Grundfläche A der Membran 9 und ins Innere des Gehäuses 8 hineinreichend sind zwei Stangen 10a, 10b an der Membran 9 befestigt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine kraftschlüssige Verbindung. Die Grundfläche der Membran 9 liegt dann in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der beiden Stangen. Beispielsweise sind die beiden Stangen 10a, 10b entlang einer gedachten Linie bzw. Achse durch den Mittelpunkt der Grundfläche A der Membran 9 symmetrisch um diesen Mittelpunkt herum angeordnet. In Fig. 2a, a first embodiment of a device 1 according to the invention is shown schematically. In the lower wall of a housing 8, a membrane 9 is introduced. At this side surface, the housing 8 thus closes off with the membrane 9. In this example, the housing 8 is cylindrical and the diaphragm 9 disc-shaped with a circular base A. It goes without saying, however, that other geometries are conceivable and fall within the scope of the present invention. Perpendicular to the base area A of the membrane 9 and extending into the interior of the housing 8, two rods 10a, 10b are fastened to the membrane 9. This is in particular a non-positive connection. The base of the membrane 9 is then in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the two rods. For example, the two rods 10a, 10b along an imaginary line or axis through the center of the base A of the membrane 9 symmetrically arranged around this center.
Im der Membran 9 abgewandten Endbereich der beiden Stangen 10a, 10b ist eine Antriebs- /Empfangseinheit 1 1 angeordnet. Diese kann einerseits zumindest an den beiden Stangen 10a, 10b befestigt sein. Im hier gezeigten Beispiel ist die Antriebs-/Empfangseinheit jedoch derart innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet, dass sie die beiden Stangen 10a, 10b nicht berührt. Bei der Antriebs- /Empfangseinheit 1 1 handelt es sich um eine elektromechanische Wandlereinheit, insbesondere eine piezoelektrische Wandlereinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element, oder eine elektromagnetische Wandlereinheit. In the end region of the two rods 10a, 10b facing away from the membrane 9, a drive / receiving unit 11 is arranged. This can on the one hand at least be attached to the two rods 10a, 10b. In the example shown here, however, the drive / receiving unit is arranged within the housing 8 such that it does not touch the two rods 10a, 10b. The drive / receive unit 1 1 is an electromechanical converter unit, in particular a piezoelectric converter unit with at least one piezoelectric element, or an electromagnetic converter unit.
In dem in Fig. 2a gezeigten Beispiel besteht das Gehäuse aus zwei Teilbereichen 8a, 8b. Der erste Teilbereich 8a umgibt zumindest die beiden Stangen 10a, 10b und die Antriebs-/Empfangseinheit und dient als Temperaturdistanzrohr. Die Länge dieses Temperaturdistanzrohres ist im In the example shown in FIG. 2a, the housing consists of two partial areas 8a, 8b. The first subarea 8a surrounds at least the two rods 10a, 10b and the drive / receiving unit and serves as a temperature spacer. The length of this temperature spacer tube is in
Wesentlichen an die Länge der beiden Stangen 10a, 10b angepasst. Im zweiten Teilbereich 8b ist die Elektronikeinheit 7 angeordnet. Die beiden Teilbereiche 8a, 8b sind kraftschlüssig miteinander verbunden und derart ausgestaltet, dass signalleitende Kabel und ähnliches von der Sensoreinheit 2 zur Elektronikeinheit 7 geführt werden können. Die Verbindung zwischen beiden Teilbereichen 8a, 8b kann beispielsweise eine Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung sein. Es versteht sich von selbst, dass das Gehäuse 8 auch mehr Teilbereiche umfassen oder auch einstückig gefertigt sein kann. Im mittleren Bereich des ersten Teilbereichs 8a des Gehäuses 8 ist weiterhin ein Prozessanschluss 12 angebracht, welcher mit dem Gehäuse 8 fest verbunden ist. Hier kann es sich ebenfalls um eine Klebe-, Löt- oder Schweißverbindung handeln. Die genaue Position des Prozessanschlusses 12 ergibt sich jeweils aus der individuellen Einbausituation. Substantially adapted to the length of the two rods 10a, 10b. In the second portion 8b, the electronic unit 7 is arranged. The two subregions 8a, 8b are non-positively connected to one another and designed such that signal-conducting cables and the like can be guided from the sensor unit 2 to the electronic unit 7. The connection between the two subregions 8a, 8b may, for example, be a welded, glued or soldered connection. It goes without saying that the housing 8 can also comprise more partial areas or can also be manufactured in one piece. In the central region of the first portion 8a of the housing 8, a process connection 12 is further attached, which is fixedly connected to the housing 8. This can also be an adhesive, solder or welded connection. The exact position of the process connection 12 results in each case from the individual installation situation.
Im fortlaufenden Betrieb wird die Antriebs-/Empfangseinheit mit einem Anregesignal in Form eines Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal beaufschlagt derart, dass die Antriebs- /Empfangseinheit die beiden Stangen 10a, 10b im der Membran 9 abgewandten Endbereich frequenzrichtig auseinander und/oder zusammen, derart dass die beiden Stangen 10a, 10b in Schwingungen versetzt werden. Als Folge breitet sich eine Welle entlang der Stangen 10a, 10b aus, welche aufgrund einer Hebelwirkung zu einer Schwingungsbewegung der schwingfähigen Einheit 3, also insbesondere der Membran 9 führt. Dabei sind die Länge der beiden Stangen 10a, 10b und die Frequenz des Anregesignals unter Berücksichtigung der Anforderungen bezüglich der In continuous operation, the drive / receiving unit with a start signal in the form of an AC or AC signal is applied such that the drive / receiving unit, the two rods 10a, 10b in the membrane 9 opposite end portion frequency right apart and / or together, such that the two rods 10a, 10b are vibrated. As a result, a wave propagates along the rods 10a, 10b, which, due to a lever effect, leads to a vibratory movement of the oscillatable unit 3, that is to say in particular the diaphragm 9. The length of the two rods 10a, 10b and the frequency of the start signal taking into account the requirements with respect to
Temperaturentkopplung aufeinander abgestimmt. Je nach Wahl der Frequenz des Anregesignals und der Länge der Stangen 10a, 10b handelt es sich dann um stehende Wellen, was zu einem besonders hohen Wirkungsgrad bezüglich der Kraftübertragung auf die Membran 9 führt. Auf der anderen Seite empfängt die Antriebs-/Empfangseinheit die Amplitude der Wellen, insbesondere stehenden Wellen, welche sich ausgehend von der schwingfähigen Einheit 3 entlang der Stangen 10a, 10b ausbreiten, und wandelt diese in ein elektrisches Empfangssignal um. Die Stangen 10a, 10b bilden dabei mit der Membran 9 einen mechanischen Resonator. Temperature decoupling coordinated. Depending on the choice of the frequency of the excitation signal and the length of the rods 10a, 10b are then standing waves, which leads to a particularly high efficiency with respect to the power transmission to the diaphragm 9. On the other hand, the driving / receiving unit receives the amplitude of the waves, in particular standing waves, which propagate from the oscillatable unit 3 along the bars 10a, 10b and converts them into an electrical reception signal. The rods 10a, 10b form with the membrane 9 a mechanical resonator.
Auf der dem Gehäuse 8 abgewandten Seite der Membran 9 sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a außerdem zwei Schwingstäbe 13a, 13b befestigt, welche kraftschlüssig mit der Membran verbunden sind. Entsprechend handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 3 um eine On the side facing away from the housing 8 of the membrane 9, two oscillating rods 13a, 13b are also fixed in the embodiment of FIG. 2a, which are non-positively connected to the membrane. Accordingly, the oscillatable unit 3 is a
Schwinggabel. Es versteht sich jedoch von selbst, dass als schwingfähige Einheit 3 gleichermaßen auch ein Einstab oder ein Membranschwinger in Frage kommen. Bevorzugt sind die beidenTuning fork. However, it goes without saying that a single rod or a membrane oscillator can equally be considered as the oscillatable unit 3. The two are preferred
Schwingstäbe 13a, 13b und die beiden Stangen 10a, 10b derart an der Membran 9 befestigt, dass jeweils eine Stange 10a, 10b und ein Schwingstab 13a, 13b entlang der gleichen Längsachse, das ist die Achse senkrecht zur Grundfläche A durch die Membran 9 verlaufen. Dabei schneiden die beiden Längsachsen die Ebene parallel zur Membran 9 im gleichen Abstand zum Mittelpunkt dieser Fläche A. Durch diese symmetrische Anordnung kann ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden. Oscillating rods 13a, 13b and the two rods 10a, 10b attached to the membrane 9 such that in each case a rod 10a, 10b and a vibrating rod 13a, 13b along the same longitudinal axis, that is, the axis perpendicular to the base A through the membrane 9. In this case, the two longitudinal axes intersect the plane parallel to the membrane 9 at the same distance from the center of this surface A. By this symmetrical arrangement, an increased efficiency can be achieved.
Eine alternative, jedoch sehr ähnliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 2b gezeigt. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit Fig. 2a beschriebenen Komponenten ist in Fig. 2b im der Membran 9 abgewandten Endbereich der Stangen 10a, 10b ein Fixierungselement 14 befestigt. Dieses kann beispielsweise scheibenförmig sein und eine runde Querschnittsfläche aufweisen, oder allgemein die gleiche Grundfläche A' wie die der Membran 9 aufweisen. Die Antriebs-/Empfangseinheit 1 1 ist in unmittelbarer Umgebung zum Fixierungselement 14 auf der der Membran 9 zugewandten Seite des Fixierungselements 14 angeordnet. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass auch andere Anordnungen denkbar sind. In diesem Beispiel ist die Antriebs- /Empfangseinheit insbesondere zumindest an den beiden Stangen 10a, 10b befestigt, insbesondere kraftschlüssig befestigt. Die beiden Stangen 10a, 10b sind also in einem ihrer Endbereiche über die Membran 9 miteinander gekoppelt und im zweiten Endbereich über das Fixierungselement 14 gekoppelt. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich bevorzugt um eine Antriebs- /Empfangseinheit 1 1 mit zumindest einem piezoelektrischen Element. An alternative, but very similar embodiment of a device according to the invention is shown in Fig. 2b. In addition to the components described in connection with FIG. 2 a, a fixing element 14 is fastened in the end region of the rods 10 a, 10 b facing away from the membrane 9 in FIG. This may, for example, be disk-shaped and have a round cross-sectional area, or generally have the same base area A 'as that of the membrane 9. The drive / receiving unit 1 1 is arranged in the immediate vicinity of the fixing element 14 on the membrane 9 facing side of the fixing element 14. It should be noted, however, that other arrangements are conceivable. In this example, the drive / receiving unit is attached in particular at least to the two rods 10a, 10b, in particular fastened non-positively. The two rods 10a, 10b are thus coupled together in one of their end regions via the membrane 9 and coupled in the second end region via the fixing element 14. In such an embodiment, it is preferably a drive / receiving unit 1 1 with at least one piezoelectric element.
Sowohl im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a also auch im Falle von Fig. 2b liegt insgesamt ein gekoppeltes Resonatorsystem vor, bei welchem die beiden Schwingstäbe 13a, 13b der schwingfähigen Einheit 3 mit der Membran 9 einen ersten mechanischen Resonator 15 und die beiden Stangen 10a, 10b mit der Membran 9 und gegebenenfalls dem Fixierungselement 14 einen zweiten mechanischen Resonator 16 bilden. Die mechanische Kopplung der beiden Resonatoren 15, 16 erfolgt im Wesentlichen über die Membran 9, über welche die Kopplung auch einstellbar ist. Beispielsweise kann die Kopplung über die Dicke, oder das Material der Membran 9 beeinflusst werden, aber auch durch die jeweilige Verbindung mit den Schwingstäben 13a, 13b oder Stangen 10a, 10b. In einem derartig gekoppelten Resonatorsystem treten zwei Schwingungsmoden mit zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (F1 , F2) auf, welche in Fig. 3 und Fig. 4 illustriert sind. Bei den beiden Schwingungsmoden handelt es sich um eine symmetrische - und eine Both in the exemplary embodiment according to FIG. 2 a and also in the case of FIG. 2 b there is a coupled resonator system in which the two oscillating rods 13 a, 13 b of the oscillatable unit 3 with the diaphragm 9 have a first mechanical resonator 15 and the two rods 10 a, 10 b form a second mechanical resonator 16 with the membrane 9 and optionally the fixing element 14. The mechanical coupling of the two resonators 15, 16 takes place essentially via the membrane 9, via which the coupling is also adjustable. For example, the coupling can be influenced by the thickness or the material of the membrane 9 be, but also by the respective connection with the oscillating rods 13a, 13b or rods 10a, 10b. In such a coupled resonator system, two vibration modes occur with two different resonance frequencies (F1, F2), which are illustrated in FIGS. 3 and 4. The two vibration modes are symmetrical - and one
antisymmetrische Schwingungsmode, wie in Fig. 3 anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2b illustriert. Für ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a liegt eine äquivalente Situation vor. Bei der symmetrischen Schwingungsmode (Fig. 3a) schwingen der erste Resonator 15 und der zweite Resonator 16 spiegelsymmetrisch zueinander, bezogen auf die Ebene parallel zur antisymmetric vibration mode, as illustrated in Fig. 3 with reference to a device according to the invention shown in FIG. 2b. For an exemplary embodiment according to FIG. 2a, an equivalent situation exists. In the case of the symmetrical oscillation mode (FIG. 3 a), the first resonator 15 and the second resonator 16 oscillate in mirror symmetry with respect to one another, parallel to the plane
Grundfläche A der Membran 9. Bewegen sich die Stangen 10a, 10b im der Membran 9 Base area A of the membrane 9. The rods 10a, 10b move in the membrane 9
abgewandten Endbereich aufeinander zu, so bewegen sich auch die beiden Schwingstäbe 13a, 13b im von der Membran 9 abgewandten Bereich aufeinander zu. Bei der antisymmetrischen towards the end region facing away from one another, the two oscillating rods 13a, 13b also move toward one another in the region facing away from the membrane 9. In the antisymmetric
Schwingungsmode (Fig. 3b) dagegen bewegen sich die Stangen 10a, 10b im der Membran 9 abgewandten Endbereich aufeinander zu, wenn sich die beiden Schwingstäbe 13a, 13b On the other hand, the oscillation modes (FIG. 3 b) move the rods 10 a, 10 b towards one another in the end region facing away from the membrane 9 when the two oscillating rods 13 a, 13 b
voneinander wegbewegen. So bleiben die beiden Stangen 10a, 10b und die beiden Schwingstäbe 13a, 13b in unmittelbarer Umgebung der Membran 9 entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet, was für die symmetrische Schwingungsmode nicht der Fall ist. Die antisymmetrische Schwingungsmode entspricht somit der natürlichen Schwingungsbewegung einer schwingfähigen Einheit 3, wie beispielsweise den in einem LIQUIPHANTEN oder SOLIPHANTEN eingesetzten Schwinggabeln. Dagegen bleibt bei der symmetrischen Schwingungsmode die Membran 9 weitegehend unbewegt. Liegen die Resonanzfrequenzen F1 , F2 der beiden Schwingungsmoden ausreichend dicht beieinander, schwingen die Schwingstäbe 13a, 13b und die beiden Stangen 10a, 10b im Falle, dass die schwingfähige Einheit 3 nicht in Kontakt mit Medium 4 ist, gleichzeitig mit maximaler Amplitude bezogen auf eine bestimmte Anregeleistung Selbst wenn der erste 15 und der zweite Resonator 16 derart ausgestaltet werden, dass beide als einzelnes System die gleiche Resonanzfrequenz (F1 =F2) aufweisen, werden sich durch die Kopplung der beiden Resonatoren 15, 16 mittels der Membran 9 zwei Resonanzfrequenzen (Fl ?^) bzw. Schwingungsmoden ausbilden, wobei der Abstand zwischen den beiden Resonanzfrequenzen F1 , F2 durch die Kopplung bestimmt ist. move away from each other. Thus, the two rods 10a, 10b and the two oscillating rods 13a, 13b remain aligned in the immediate vicinity of the diaphragm 9 along a common longitudinal axis, which is not the case for the symmetrical vibration mode. The antisymmetric oscillation mode thus corresponds to the natural oscillatory motion of an oscillatable unit 3, such as the vibration forks used in a LIQUIPHANTEN or SOLIPHANTEN. In contrast, in the symmetric vibration mode, the membrane 9 remains largely unmoved. If the resonance frequencies F1, F2 of the two oscillation modes are sufficiently close to one another, the oscillating rods 13a, 13b and the two rods 10a, 10b oscillate in the event that the oscillatable unit 3 is not in contact with medium 4, simultaneously with maximum amplitude relative to a specific one Control Power Even if the first 15 and the second resonator 16 are designed such that both have the same resonant frequency (F1 = F2) as a single system, the coupling of the two resonators 15, 16 by means of the diaphragm 9 will produce two resonance frequencies (Fl? ^) or vibration modes, wherein the distance between the two resonance frequencies F1, F2 is determined by the coupling.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in welchem die Frequenzen der beiden Resonatoren 15, 16 4 shows a diagram in which the frequencies of the two resonators 15, 16
gegeneinander aufgetragen sind. Es bezeichnet F1 die Frequenz des ersten Resonators 15 und F2 die Frequenz des zweiten Resonators 16. Während sich die Frequenz F1 beim Eintauchen der schwingfähigen Einheit 3 in ein Medium 4 ändert, bleibt die Frequenz F2 des zweiten Resonators im Wesentlichen konstant. Aufgrund der Kopplung durch die Membran 9 ergeben sich jedoch die beiden Schraffuren R1 des ersten 22 und R2 des zweiten Resonators 16, wobei die Breite der Schraffuren die Schwingungsamplitude des jeweiligen Resonators 15, 16 angibt. Schwingt nun beispielsweise der erste Resonator 15, also die schwingfähige Einheit 6, mit einer Frequenz von F1=700Hz, so erfolgt die Schwingungsbewegung mit einer vergleichsweise geringen are applied against each other. F1 denotes the frequency of the first resonator 15 and F2 the frequency of the second resonator 16. While the frequency F1 changes upon immersion of the oscillatable unit 3 into a medium 4, the frequency F2 of the second resonator remains at Essentially constant. Due to the coupling through the membrane 9, however, the two hatching lines R1 of the first 22 and R2 of the second resonator 16 result, the width of the hatching indicating the oscillation amplitude of the respective resonator 15, 16. If, for example, the first resonator 15, that is to say the oscillatable unit 6, oscillates at a frequency of F1 = 700 Hz, the oscillation movement takes place with a comparatively small oscillation
Schwingungsamplitude. Dabei sei angenommen, dass die Schwingung bei F1=700Hz einer Schwingung der schwingfähigen Einheit 3 bei teilweisem Eintauchen in ein bestimmtes Medium 4 entspricht. Schwingt der zweite Resonator 23 gleichzeitig bei F2=1000Hz, so weist diese  Oscillation amplitude. It is assumed that the oscillation at F1 = 700 Hz corresponds to a vibration of the oscillatable unit 3 in the case of partial immersion in a specific medium 4. If the second resonator 23 simultaneously oscillates at F2 = 1000 Hz, then this points
Schwingung eine vergleichsweise große Schwingungsamplitude auf. Wird nun die schwingfähige Einheit 3 langsam aus dem Medium 4 herausgezogen, steigt sowohl die Frequenz F1 des ersten Resonators 15 als auch dessen Schwingungsamplitude R1 an. Der Einfachheit halber sei für diese Betrachtung die sich durch das Herausziehen der schwingfähigen Einheit 3 aus dem Medium 4 verringernde Mediumsdämpfung vernachlässigt. Als Konsequenz verbessert sich die Abstimmung der beiden Resonatoren 15, 16 und es kann mehr Energie von den Stangen 10a, 10b auf die Schwingstäbe 13a, 13b übertragen wird. Im gleichen Maße sinkt jedoch die Schwingungsamplitude R2 des zweiten Resonators 16. Oscillation on a comparatively large vibration amplitude. If now the oscillatable unit 3 is slowly pulled out of the medium 4, both the frequency F1 of the first resonator 15 and its oscillation amplitude R1 increase. For the sake of simplicity, the medium attenuation diminishing due to the extraction of the oscillatable unit 3 from the medium 4 is neglected for this consideration. As a consequence, the tuning of the two resonators 15, 16 improves and more energy can be transmitted from the rods 10a, 10b to the oscillating rods 13a, 13b. To the same extent, however, the oscillation amplitude R2 of the second resonator 16 decreases.
Im Kreuzungspunkt 17 sind der erste 15 und der zweite Resonator 16 aufeinander abgestimmt. Trotzdem treten aufgrund der Kopplung durch die Membran 9 zwei unterschiedliche At the intersection point 17, the first 15 and the second resonator 16 are matched to one another. Nevertheless, due to the coupling through the membrane 9, two different
Resonanzfrequenzen F1 und F2 auf. Da in diesem Bereich keine Zuordnung der Resonanzen zu den Schwingstäben 13a, 13b bzw. Stangen 10a, 10b möglich ist, ist dieser Bereich nicht mit einer Schraffur versehen. Steigt die Frequenz F2 des ersten Resonators 15 weiter an, so ergibt sich ein zum Kreuzungspunkt 17 spiegelsymmetrisches Verhalten für die beiden Schwingungsmoden des ersten 15 und zweiten 16 Resonators. Resonant frequencies F1 and F2 on. Since no assignment of the resonances to the oscillating rods 13a, 13b or rods 10a, 10b is possible in this area, this area is not provided with hatching. If the frequency F2 of the first resonator 15 continues to increase, the result is a mirror-symmetric behavior for the two oscillation modes of the first 15 and second 16 resonators.
Um eine möglichst effiziente Energieübertragung von der elektromechanischen Wandlereinheit 4 auf die Schwingstäbe 13a, 13b, also einen möglichst hohen Wirkungsgrad, zu erzielen, sollte kein zu großer Abstand zwischen den Resonanzfrequenzen (F1 , F2) des ersten 15 und zweiten 16 In order to achieve the most efficient transfer of energy from the electromechanical transducer unit 4 to the oscillating rods 13a, 13b, ie the highest possible efficiency, should not too large a distance between the resonant frequencies (F1, F2) of the first 15 and second 16th
Resonators entstehen. Auf der anderen Seite sollte die Resonanzfrequenz F2 des zweiten Resonator arise. On the other hand, the resonance frequency should be F2 of the second
Resonators 16 jedoch auch nicht im Dynamikbereich für die Resonanzfrequenz F1 der Resonator 16 but not in the dynamic range for the resonance frequency F1 of the
schwingfähigen Einheit 3 liegen, damit keine doppelte Zuordnung einer Frequenz erfolgen kann. Mit dem Dynamikbereich ist dabei jenes Intervall von Resonanzfrequenzen F1 gemeint, mit welchen die schwingfähige Einheit 3 bei Kontakt mit unterschiedlichen Medien 4 und im Falle unterschiedlicher Eintauchtiefen in das jeweilige Medium 4 schwingen kann. Daraus folgt, dass die Resonanzfrequenz F2 des zweiten Resonators 16 so zu wählen ist, dass sie knapp oberhalb der höchsten Frequenz F1 des Dynamikbereichs einer bestimmten Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit 3 liegt. Gleichzeitig gilt es, die Steifigkeit und Masse der Stangen 10a, 10b so zu optimieren, dass eine möglichst große Hebelwirkung vorhanden ist. Wird beispielsweise eine LIQUIPHANT-Schwinggabel verwendet, so beträgt ohne Kontakt mit dem zu messenden Medium F1 «1000Hz. Dann wird der zweite Resonator 16 beispielsweise auf eine Frequenz von F2«1100Hz abgestimmt, so dass durch die Kopplung die Frequenz F2 des zweiten Resonators 16 auf ca. 950Hz sinkt. Beim Eintauchen in ein zu messendes Medium sinkt die Frequenz F1 des ersten Resonators 15, während die Frequenz F2 des zweiten Resonators 16 im Wesentlichen konstant bleibt. oscillatory unit 3 are so that no double assignment of a frequency can be done. With the dynamic range is meant that interval of resonance frequencies F1, with which the oscillatable unit 3 can vibrate in contact with different media 4 and in the case of different immersion depths into the respective medium 4. It follows that the resonant frequency F2 of the second resonator 16 is to be chosen to be just above the highest frequency F1 of the dynamic range of a particular vibration mode of the oscillatable unit 3. At the same time, it is necessary to optimize the rigidity and mass of the rods 10a, 10b so that a the greatest possible leverage exists. If, for example, a LIQUIPHANT tuning fork is used, without contact with the medium F1 to be measured is 1000 Hz. Then, the second resonator 16 is tuned, for example, to a frequency of F2 1100 Hz, so that the frequency F2 of the second resonator 16 drops to about 950 Hz due to the coupling. When immersed in a medium to be measured, the frequency F1 of the first resonator 15 decreases while the frequency F2 of the second resonator 16 remains substantially constant.
Beispielsweise kann die Anpassung der Resonanzfrequenzen F1 und F2 derart vorgenommen werden, dass diese ohne Kontakt der schwingfähigen Einheit 3 mit einem Medium 4 aufeinander abgestimmt sind. In diesem Falle verschieben sich die Frequenzen F1 und F2 beim zumindest teilweisen Eintauchen der schwingfähigen Einheit in ein Medium 4 vom Kreuzungspunkt 17 weg. Andererseits kann die Anpassung der Resonanzfrequenzen F1 und F2 auch derart vorgenommen werden, dass sie im Falle einer bestimmten Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit 3 in ein wählbares Referenzmedium 4 aufeinander abgestimmt sind. In diesem Falle wird durch die Art der Anpassung der beiden Resonatoren 15, 16 aufeinander der Dämpfung durch das Referenzmedium entgegengewirkt. For example, the adaptation of the resonance frequencies F1 and F2 can be carried out in such a way that they are matched to one another without contact of the oscillatable unit 3 with a medium 4. In this case, the frequencies F1 and F2 at least partially submerge the oscillatable unit in a medium 4 from the intersection point 17 away. On the other hand, the adaptation of the resonance frequencies F1 and F2 can also be carried out in such a way that, in the case of a specific immersion depth of the oscillatable unit 3, they are matched to one another in a selectable reference medium 4. In this case, the type of adaptation of the two resonators 15, 16 counteracts the damping by the reference medium.
Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße wird für Medien 4 in Form von Flüssigkeiten häufig eine Änderung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 3 zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Wie in Zusammenhang mit Fig. 4 erwähnt, hängt die aktuelle To determine the respective process variable, a change in the resonant frequency of the oscillatable unit 3 for the determination of the respective process variable is frequently used for media 4 in the form of liquids. As mentioned in connection with FIG. 4, the current one depends
Resonanzfrequenz F1 der schwingfähigen Einheit 3, also des ersten Resonators vom jeweiligen Medium 4, und von der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit 3 in das Medium 4 ab. Ähnliche Betrachtungen ergeben sich auch für die Schwingungsamplituden R1 und R2 der beiden  Resonance frequency F1 of the oscillatory unit 3, ie the first resonator from the respective medium 4, and from the immersion depth of the oscillatory unit 3 in the medium 4 from. Similar considerations also apply to the vibration amplitudes R1 and R2 of the two
Resonatoren 15, 16. Handelt es sich bei dem Medium 4 nämlich um ein Schüttgut, so dient üblicherweise die Amplitudendämpfung der schwingfähigen Einheit 3 zur Bestimmung der zumindest einen Prozessgröße. Bei Kontakt der schwingfähigen Einheit 3 mit dem Schüttgut wird die Resonators 15, 16. If the medium 4 is a bulk material, usually the amplitude damping of the oscillatable unit 3 is used to determine the at least one process variable. Upon contact of the oscillatory unit 3 with the bulk material is the
Schwingungsamplitude R1 der schwingfähigen Einheit 3, also des ersten Resonators 15 gedämpft. Dadurch wird der stehenden Welle, welche sich entlang der Stangen 10a, 10b ausbreitet, Energie entzogen, was in Form einer Abnahme der Amplitude des Empfangssignals resultiert. Vibration amplitude R1 of the oscillatable unit 3, so the first resonator 15 attenuated. As a result, the standing wave which propagates along the bars 10a, 10b is deprived of energy, resulting in a decrease in the amplitude of the received signal.
Zusammenfassend erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Verwendung eines Feldgeräts mit einer elektromechanischen Wandlereinheit in einem erweiterten Temperaturbereich, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Die maximal zulässige Prozesstemperatur ist dabei im Wesentlichen nur von den Materialeigenschaften der schwingfähigen Einheit 3 und durch die Länge und das Material des Gehäuses 8, bzw. des Temperaturdistanzrohres bestimmt. Die Länge der Stangen 10a, 10b und des Gehäuses 8 kann dabei in Vielfachen der halben Wellenlänge der stehenden Welle verlängert und auf die jeweils vorliegenden Temperaturanforderungen angepasst werden. Dabei müssen keine besonderen Temperaturanforderungen für die Antriebs- /Empfangseinheit erfüllt werden. In summary, the device according to the invention allows the use of a field device with an electromechanical transducer unit in an extended temperature range, in particular for use at high temperatures. The maximum permissible process temperature is essentially determined only by the material properties of the oscillatable unit 3 and by the length and the material of the housing 8, or the temperature spacer tube. The length of the rods 10a, 10b and the housing 8 can be extended in multiples of half the wavelength of the standing wave and adapted to the respective present temperature requirements become. In this case, no special temperature requirements for the drive / receiving unit must be met.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vibronischer Sensor 1 Vibronic sensor
2 Sensoreinheit  2 sensor unit
3 Schwingfähige Einheit  3 Oscillatory unit
4 Medium  4 medium
5 Behältnis  5 container
6 Antriebs-/Empfangseinheit  6 drive / receiver unit
7 Elektronikeinheit  7 electronics unit
8 Gehäuse  8 housing
8a, 8b erster, zweiter Teilbereich des Gehäuses  8a, 8b first, second portion of the housing
9 Membran  9 membrane
10a, 10b Stangen  10a, 10b rods
1 1 Antriebs-/Empfangseinheit  1 1 drive / receiver unit
12 Prozessanschluss 12 process connection
13a, 13b Schwingstäbe der schwingfähigen Einheit  13a, 13b oscillating rods of the oscillatory unit
14 Fixierungselement  14 fixing element
15 erster Resonator  15 first resonator
16 zweiter Resonator  16 second resonator
17 Kreuzungspunkt 17 crossing point
F1 Frequenz des ersten Resonators F1 frequency of the first resonator
F2 Frequenz des zweiten Resonators  F2 frequency of the second resonator
R1 Schwingungsamplitude des ersten Resonators  R1 oscillation amplitude of the first resonator
R2 Schwingungsamplitude des zweiten Resonators R2 oscillation amplitude of the second resonator
A Grundfläche der Membran  A base area of the membrane
L Länge der Stangen  L length of the rods
λ Wellenlänge der sich entlang der Stangen ausbreitenden Wellen λ Wavelength of the waves propagating along the rods

Claims

Patentansprüche claims
Vorrichtung ( 1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behältnis (5) umfassend zumindest Device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium (4) in a container (5) comprising at least
eine schwingfähige Einheit (3) mit zumindest einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Membran (9),  an oscillatable unit (3) with at least one membrane (9) which can be set into mechanical vibrations,
zwei senkrecht zu einer Grundfläche der Membran (9) an der Membran (9) befestigte Stangen ( 10a, 10b),  two rods (10a, 10b) attached to the membrane (9) perpendicular to a base of the membrane (9),
ein Gehäuse (8), wobei die Membran (9) zumindest einen Teilbereich einer Wandung des Gehäuses (8) bildet, und wobei die beiden Stangen (10a, 10b) ins Gehäuseinnere gerichtet sind ,  a housing (8), wherein the membrane (9) forms at least a portion of a wall of the housing (8), and wherein the two rods (10a, 10b) are directed into the housing interior,
zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit (1 1 ), welche im der Membran (9)  at least one drive / receiving unit (1 1), which in the membrane (9)
abgewandten Endbereich der beiden Stangen ( 10a, 10b) angeordnet ist, welche Antriebs-/Empfangseinheit (1 1 ) dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit (3) mittels eines elektrischen Anregesignals und mittels der beiden Stangen ( 10a, 1 0b) zu mechanischen Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und  remote end portion of the two rods (10a, 10b) is arranged, which drive / receiving unit (1 1) is designed to oscillate the unit (3) by means of an electrical pickup signal and by means of the two rods (10a, 1 0b) to mechanical vibrations to stimulate and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit (3) and to convert it into a received electrical signal, and
eine Elektronikeinheit (7), welche dazu ausgestaltet ist, aus dem Empfangssignal ein Anregesignal zu erzeugen, und die zumindest eine Prozessgröße zumindest aus dem Empfangssignal zu ermitteln.  an electronic unit (7), which is designed to generate an excitation signal from the received signal, and to determine the at least one process variable at least from the received signal.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , Device according to claim 1,
wobei die Antriebs-/Empfangseinheit ( 1 1 ) dazu ausgestaltet ist, die beiden Stangen ( 10a, 10b) in mechanische Schwingungen zu versetzen, und wobei die beiden Stangen (10a, 10b) derart an der Membran (9) befestigt sind, dass aus den Schwingungen der beiden Stangen Schwingungen (10a, 10b) der Membran (9) resultieren. wherein the drive / receiving unit (1 1) is adapted to set the two rods (10 a, 10 b) in mechanical vibrations, and wherein the two rods (10 a, 10 b) are attached to the membrane (9), that from the vibrations of the two rods vibrations (10a, 10b) of the membrane (9) result.
Vorrichtung nach Anspruch 2, Device according to claim 2,
wobei die Länge (L) der Stangen ( 10a, 10b) in Bezug auf die Wellenlänge (λ) der sich entlang der beiden Stangen ( 10a, 10b) ausbreitenden Wellen Ι_=ηλ/2+ K/4 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist. wherein the length (L) of the rods (10a, 10b) with respect to the wavelength (λ) of the waves propagating along the two rods (10a, 10b) is Ι_ = ηλ / 2 + K / 4, where n is a natural number is.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , Device according to claim 1,
zusätzlich umfassend ein Fixierungselement ( 14), mittels welchem Fixierungselement (14) die beiden Stangen ( 10a, 10b) im der Membran (9) abgewandten Endbereich mechanisch miteinander gekoppelt sind . additionally comprising a fixing element (14), by means of which fixing element (14) the two rods (10a, 10b) in the membrane (9) facing away from the end portion are mechanically coupled together.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5. Apparatus according to claim 4,
wobei das Anregesignal und/oder die Länge (L) der beiden Stangen (10a, 10b) derart gewählt sind, dass Schwingungen der Stangen (10a, 10b) die Ausbreitung von stehenden Wellen entlang der Stangen (10a, 10b) zur Folge haben.  wherein the excitation signal and / or the length (L) of the two rods (10a, 10b) are chosen such that vibrations of the rods (10a, 10b) result in the propagation of standing waves along the rods (10a, 10b).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, 6. Apparatus according to claim 4 or 5,
wobei die Länge (L) der Stangen in Bezug auf die Wellenlänge (λ) der sich entlang der beiden Stangen (10a, 10b) ausbreitenden Wellen L=nA/2 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist.  wherein the length (L) of the rods with respect to the wavelength (λ) of the waves propagating along the two rods (10a, 10b) is L = nA / 2, where n is a natural number.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die Stangen (10a, 10b) und/oder das Gehäuse (8) aus einem Material gefertigt sind, welches eine gute Wärmeisolation bietet.  wherein the rods (10a, 10b) and / or the housing (8) are made of a material which provides good thermal insulation.
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die Prozessgröße gegeben ist durch einen vorbestimmten Füllstand oder den Durchfluss des Mediums (4) in dem Behältnis (5), oder durch die Dichte oder die Viskosität des Mediums (4).  wherein the process variable is given by a predetermined level or the flow of the medium (4) in the container (5), or by the density or the viscosity of the medium (4).
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei an der Membran (9) der schwingfähigen Einheit (3) zumindest ein Schwingstab (13a, 13b) befestigt ist.  wherein on the membrane (9) of the oscillatable unit (3) at least one vibrating rod (13a, 13b) is fixed.
10. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (11 ) zumindest ein piezoelektrisches Element umfasst, oder wobei es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit (1 1 ) um einen elektromagnetischen Antrieb mit zumindest einer Spule und einem Magneten handelt.  wherein the drive / receiving unit (11) comprises at least one piezoelectric element, or wherein the drive / receiving unit (1 1) is an electromagnetic drive with at least one coil and a magnet.
1 1. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 1 1. A device according to at least one of the preceding claims,
wobei die schwingfähige Einheit (3) an einer definierten Position innerhalb des Behältnisses (5) angeordnet ist, derart, dass sie bis zu einer bestimmbaren Eintauchtiefe in das Medium (4) eintaucht.  wherein the oscillatable unit (3) is arranged at a defined position within the container (5), such that it dives into the medium (4) to a determinable immersion depth.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 12. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die schwingfähige Einheit (3) eine Schwinggabel mit zwei Schwingstäben (13a, 13b) ist, und wobei die beiden an der Membran (9) befestigten Stangen (10a, 10b) und die beiden an der Membran (9) befestigten Schwingstäbe (13a, 13b) einander spiegelsymmetrisch bezogen auf die Ebene senkrecht zur Längsachse durch die Stangen (10a, 10b) und/oder Schwingstäbe (13a, 13b) gegenüberliegend angeordnet sind. wherein the oscillatable unit (3) is a tuning fork with two oscillating rods (13a, 13b), and wherein the two rods (10a, 10b) attached to the membrane (9) and the two oscillating rods (13a, 13b) attached to the membrane (9) 13b) mirror-symmetrical to each other relative to the plane perpendicular to the longitudinal axis by the rods (10a, 10b) and / or oscillating rods (13a, 13b) are arranged opposite one another.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 13. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die beiden Schwingstäbe (13a, 13b) und die Membran (9) einen ersten mechanischen wherein the two oscillating rods (13a, 13b) and the membrane (9) have a first mechanical
Resonator (15) bilden, Form resonator (15),
wobei die beiden Stangen (10a, 10b) und die Membran (9) einen zweiten mechanischen Resonator (16) bilden,  wherein the two rods (10a, 10b) and the membrane (9) form a second mechanical resonator (16),
wobei der erste (15) und der zweite Resonator (16) mittels der Membran (15) miteinander mechanisch gekoppelt sind, und  wherein the first (15) and the second resonator (16) are mechanically coupled together by means of the membrane (15), and
wobei die Frequenz des Anregesignals derart gewählt ist, dass der erste (15) und zweite Resonator (16) in einer antisymmetrischen Schwingungsmode bezogen auf die Ebene durch die Membran (9) senkrecht zur Längsachse der Stangen (10a, 10b) und/oder Schwingstäbe (13a, 13b) schwingen.  wherein the frequency of the excitation signal is selected such that the first (15) and second resonator (16) in an antisymmetric vibration mode with respect to the plane through the membrane (9) perpendicular to the longitudinal axis of the rods (10a, 10b) and / or oscillating rods ( 13a, 13b) swing.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 14. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen (10a, 10b) derart gewählt sind, dass die Schwingfrequenz (F1 ) des ersten Resonators (15) und die Schwingfrequenz (16) des zweiten Resonators (F2) im Falle, dass die schwingfähige Einheit (3) nicht von Medium (4) bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen.  wherein the length L and / or the rigidity of the two rods (10a, 10b) are selected such that the oscillation frequency (F1) of the first resonator (15) and the oscillation frequency (16) of the second resonator (F2) in the case that oscillatory unit (3) is not covered by medium (4), have substantially the same value.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, 15. Device according to at least one of the preceding claims,
wobei die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen (10a, 10b) derart gewählt sind, dass die Schwingfrequenz (F1 ) des ersten Resonators (15) und die Schwingfrequenz (F2) des zweiten Resonators (16) im Falle, dass die schwingfähige Einheit (3) von einem wählbaren Referenzmedium (4) bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen.  wherein the length L and / or the rigidity of the two rods (10a, 10b) are selected such that the oscillation frequency (F1) of the first resonator (15) and the oscillation frequency (F2) of the second resonator (16) in the case that oscillatable unit (3) is covered by a selectable reference medium (4), have substantially the same value.
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