DE102006058926B4

DE102006058926B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102006058926B4
Application number: DE102006058926.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lopatin Sergej; Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: DE102006058926A1; WO2008071563A2; WO2008071563A3

Abstract

Membranschwinger zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1),mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (2), undmit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (3), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) mechanische Schwingungen empfängt,wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (2) mindestens eine erste Membran (11) und eine zweite Membran (12) umfasst, undwobei die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) mechanisch miteinander gekoppelt sind,dadurch gekennzeichnet,dass mindestens eine Grundmembran (10) vorgesehen ist, unddass die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) Teile der Grundmembran (10) sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfängt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, um ein Schüttgut oder um ein Gas.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Messgeräte bekannt, welche durch die Auswertung der Schwingungen eines mechanisch schwingfähigen Systems Aussagen über eine Prozessgröße erlauben. Die Technik beruht darauf, dass die Wechselwirkung zwischen der Schwingeinheit - sei es ein Einstab oder sei es eine Schwinggabel - und dem Medium sich auf die Kenngrößen der Schwingungen (Amplitude, Frequenz, Phase) auswirken. So ändert sich mit dem Füllstand des Mediums auch die Amplitude - bei Schüttgütern - bzw. die Frequenz - bei Flüssigkeiten - der Schwingungen, so dass aus der Frequenz bzw. aus der Amplitude der Füllstand ermittelt werden kann. Entsprechendes gilt für die Prozessgrößen wie Dichte oder Viskosität.
Aus der DE102005044725A1 ist beispielsweise ein vibronisches Messgerät bekannt geworden, bei welchem die schwingfähige Einheit eine erste und eine zweite Membran aufweist, welche Membranen miteinander gekoppelt sind, und dass jeweils nur eine der beiden Membranen in Kontakt mit dem Medium kommt.
Die US2006/0218996A1 sowie die DE 689 01 828 T2 betreffen vibronische Messgeräte, bei welchen die Membranen in Abhängigkeit der Schwingungsmode unterschiedliche Schwingungsknotenlinien ausbilden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Ausgestaltung zu den im Stand der Technik bestehenden Varianten eines auf der Vibronik beruhenden Messgerätes anzugeben.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens eine erste Membran und eine zweite Membran umfasst, dass die erste Membran und die zweite Membran mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass mindestens eine Grundmembran vorgesehen ist, und dass die erste Membran und die zweite Membran Teile der Grundmembran sind. Vorzugsweise sind die beiden Membranen elastisch miteinander gekoppelt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit genau eine erste Membran und eine zweite Membran umfasst.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Ebene der ersten Membran und die Ebene der zweiten Membran wenigstens in einem Ruhezustand im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegen. Die beiden Membranen befinden sich somit beispielsweise in Bezug auf das Medium auf der gleichen Höhe. In einer Ausgestaltung umfasst eine Membran die andere Membran koaxial, wobei insbesondere die innere Membran kreisförmig und die äußere umfassende Membran ringförmig ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Membran und die zweite Membran derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran und die zweite Membran gegenphasige Schwingungen ausführen. Die beiden Membranen schwingen somit im Gegentakt zueinander. Dies bewirkt, dass beispielsweise keine Energie oder Momente auf die Einspannung der Membranen und damit auf einen Behälter, an welchem die Membranen befestigt sind, übertragen werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die erste Membran und die zweite Membran derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran in der Ebene der zweiten Membran liegt. Die erste Membran befindet sich somit quasi in der Membranebene, die von der zweiten Membran aufgespannt wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Steg vorgesehen ist, welcher die Grundmembran in die erste Membran und die zweite Membran einteilt. Gemäß dieser Ausgestaltung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Messgerät quasi um einen Membranschwinger mit Stützring, welcher die Grundmembran in eine beispielsweise äußere und eine innere Membran einteilt. Die beiden Membranen gleichen somit vom Aufbau her einem Schnitt durch ein Koaxialkabel mit Abschirmung als äußerer zweiter Membran und Seele als innerer erster Membran.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Grundmembran und/oder die erste Membran und/oder die zweite Membran zumindest abschnittweise kreisförmig ausgestaltet sind/ist. Insbesondere ist die innere erste Membran kreisförmig und die äußere zweite Membran erstreckt sich ringförmig um die erste Membran herum.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie die erste Membran und/oder die zweite Membran zu Schwingungen der ersten Eigenresonanz anregt. Es wird eine Grundwellenanregung bevorzugt, damit eine möglichst niedrige Frequenz verwendet werden kann. Die Frequenz hängt dabei u.a. von der Masse des Schwingers und dessen Biegesteifigkeit ab.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine erste Zusatzmasse vorgesehen ist, und dass die erste Membran und die erste Zusatzmasse mechanisch miteinander gekoppelt sind. Durch die erste Zusatzmasse kann die Resonanzfrequenz der ersten Membran eingestellt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine zweite Zusatzmasse vorgesehen ist, und dass die zweite Membran und die zweite Zusatzmasse mechanisch miteinander gekoppelt sind. Eine zweite Zusatzmasse für die zweite Membran erlaubt die Einstellung der Schwingungsfrequenz.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Membran und/oder die erste Zusatzmasse und/oder die zweite Membran und/oder die zweite Zusatzmasse derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran und die erste Zusatzmasse und die zweite Membran und die zweite Zusatzmasse im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Idealerweise besitzen beide Membransegmente oder Membranen die gleiche Biegesteifigkeit und die gleichen Zusatzmassen, wobei eine praxisgerechte Abstimmung auch mit unterschiedlichen Steifigkeiten und unterschiedlichen Zusatzmassen bei gleicher Resonanzfrequenz möglich ist. Für die gegenphasige Schwingungserregung wird in dieser Ausgestaltung dafür gesorgt, dass beispielsweise die erste Membran und die erste Zusatzmasse als erstes Schwingsystem und die zweite Membran und die zweite Zusatzmasse als zweites Schwingsystem die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen. Bei richtiger Anpassung der Membransteifigkeiten und Zusatzmassen ist der Sensor unabhängig von der Einspannung an der Behälterwand. Diese Forderung ist notwendig, da die Funktionalität nach der Montage eines Sensors grundsätzlich gegeben sein muss.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Einspannung vorgesehen ist, dass die Grundmembran und/oder die erste Membran und/oder die zweite Membran mit der Einspannung verbunden sind/ist, und dass der Steg mit der Einspannung verbunden ist. Die Membranen sind mit einer Einspannung als Teil eines Gehäuses verbunden. Der Steg, welcher die beiden Membranen voneinander trennt, ist dabei mit dieser Einspannung fest verbunden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einspannung mit einem Behälter verbunden ist, in welchem sich das Medium befindet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Steg derartig ausgestaltet ist, dass der Steg in der Nähe der Grundmembran eine verringerte Biegesteifigkeit aufweist. Der Steg hat also dort, wo Steg und Membran zusammentreffen, eine geringere Biegesteifigkeit.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Steg in der Nähe der Grundmembran verjüngt ist. In vorgenannte Ausgestaltung wird in dieser Ausgestaltung dadurch umgesetzt, dass der Steg in dem Kontaktbereich oder Übergangbereich zwischen Steg und Membran verjüngt ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes in der Anwendung zur Messung eines Füllstands eines Mediums,
2: eine Hälfte eines Schnittes durch die mechanische Ausgestaltung des Messgerätes, und
3: eine Hälfte eines Schnittes während eines Schwingungsmoments.

In der 1 ist schematisch die Füllstandsmessung mit dem erfindungsgemäßen Messgerät dargestellt. In der Wandung des Behälters 5, in welchem sich das Medium 1 befindet, ist die mechanisch schwingfähige Einheit 2, hier die Membran angebracht. Die Membran 2 wird für die Messungen durch die Antriebs-/Empfangseinheit 3 zu mechanischen Schwingungen angeregt, bzw. die Antriebs-/Empfangseinheit 3 empfängt die mechanischen Schwingungen und wandelt sie beispielsweise in elektrische Signale um, welche von der Auswerteeinheit 4 in Hinsicht auf die Prozessgröße ausgewertet werden. So kann beispielsweise aus den Kenngrößen der Schwingungen wie Frequenz und Amplitude darauf geschlossen werden, ob das Medium 1 die mechanisch schwingfähige Einheit 2 bedeckt oder nicht. Aufgrund dieser Information lässt sich dann das Erreichen oder Unterschreiten eines durch die Ausgestaltung der mechanisch schwingfähigen Einheit 2 und deren Anbringung im Behälter 5 bedingten Füllstandes anzeigen bzw. überwachen. Daher auch die Bezeichnung Grenzstandschalter für ein solches erfindungsgemäßes Messgerät. Weiterhin lassen sich jedoch auch graduelle Änderungen im Füllstand oder auch in anderen Prozessgrößen wie Dichte oder Viskosität feststellen bzw. passend auswerten.
In der 2 ist eine Hälfte eines Schnittes durch die mechanisch schwingfähige Einheit dargestellt. Die Ausgestaltung ist dabei spiegelsymmetrisch durch die Mitte der Grundmembran 10. Die mechanisch schwingfähige Einheit besteht hier aus einer Grundmembran 10, welcher an einer Einspannung 16 befestigt ist. Über diese Einspannung 16 findet auch die Befestigung an dem Behälter mit dem Medium statt. An der Grundmembran 10 bzw. spezieller unterhalb der zweiten Membran 12 ist dabei die Antriebs-/Empfangseinheit 3 angebracht, bei welcher es sich beispielsweise um ein in axialer Richtung polarisiertes piezo-elektrisches Element handelt. Das Element 3 ist dabei beispielsweise fest mit der Membran 12 verklebt. Beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung wird das Piezoelement derart verformt, dass auf die Membran 12 in der Klebstelle Radialkräfte übertragen werden, die sie im Resonanzfall in Biegeschwingungen versetzt. Dies führt zu einer Hubbewegung, d.h. die Membran 10 schwingt nach außen bzw. bei der nächsten Halbwelle des Spannungssignals nach innen.
Die Grundmembran 10 ist durch einen Steg 13, welcher ringförmig ausgestaltet ist, in zwei Membranen 11, 12 eingeteilt. An die Einspannung 16 schließt die ringförmige zweite Membran 12 an, in deren mittleren Bereich sich die kreisförmige erste Membran 11 befindet. Der Steg 13 ist dabei fest mit der Einspannung 16 verbunden, so dass die beiden Membranen 11, 12 zwar elastisch miteinander gekoppelt, aber eigenständig sind. Die Resonanzen der beiden Membranen 11, 12 hängen von deren Biegesteifigkeit und von deren Massen ab. Zur Einstellung der Frequenzen verfügt jede der beiden Membranen 11, 12 über eine eigene Zusatzmasse 14, 15, so dass die erste Membran 11 und die erste Zusatzmasse 14 ein erstes Schwingsystem und die zweite Membran 12 und die zweite Masse 15 ein zweites Schwingsystem bilden. Durch eine passende Ausgestaltung weisen beide Schwingsysteme jeweils die gleiche Resonanzfrequenz auf. Dafür verfügen beispielsweise beide Membranen 11, 12 idealerweise über die gleiche Biegesteifigkeit.
In der 3 ist ein Abschnitt während einer Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit dargestellt. Die beiden Membranen 11, 12 schwingen mit der gleichen Resonanzfrequenz, jedoch um 180° phasenverschoben. Die erste Membran 11 bewegt sich in der Abbildung nach Innen und die zweite Membran 12 nach Außen, wobei Außen sich hier auf die Richtung des Prozesses bzw. des Mediums und Innen sich auf die mediumsabgewandte Seite bezieht. Durch den Abgleich der Schwingungsbewegungen kann dafür gesorgt werden, dass sich die Kräfte und Momente der beiden Membranen 11, 12 gerade gegenseitig kompensieren, so dass keine Energie und keine Momente über die Einspannung 16 an den Behälter verloren gegen. Dies bedeutet, dass die schwingfähige Einheit vollständig entkoppelt ist.
Um das Messgerät auch in ausgasenden Flüssigkeiten zu verwenden, ist die Frequenz des Membranschwingers vorzugsweise kleiner als 1400Hz zu wählen. Dies geschieht entweder durch eine Erhöhung der Zusatzmassen und/oder durch eine Reduktion der Membrandicke. Eine Erhöhung der Zusatzmassen geht dabei meist mit einer Reduktion des Messeffekts einher.
Bezugszeichenliste

1: Medium
2: Mechanisch schwingfähige Einheit
3: Antriebs-/Empfangseinheit
4: Auswerteeinheit
5: Behälter
10: Grundmembran
11: Erste Membran
12: Zweite Membran
13: Steg
14: Erste Zusatzmasse
15: Zweite Zusatzmasse
16: Einspannung

Claims

Membranschwinger zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (2), und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (3), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche von der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) mechanische Schwingungen empfängt, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (2) mindestens eine erste Membran (11) und eine zweite Membran (12) umfasst, und wobei die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) mechanisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Grundmembran (10) vorgesehen ist, und dass die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) Teile der Grundmembran (10) sind.
Membranschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (2) genau eine erste Membran (11) und eine zweite Membran (12) umfasst.
Membranschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der ersten Membran (11) und die Ebene der zweiten Membran (12) wenigstens in einem Ruhezustand in der gleichen Ebene liegen.
Membranschwinger nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) gegenphasige Schwingungen ausführen.
Membranschwinger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran (11) in der Ebene der zweiten Membran (12) liegt.
Membranschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Steg (13) vorgesehen ist, welcher die Grundmembran (10) in die erste Membran (11) und die zweite Membran (12) einteilt.
Membranschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundmembran (10) und/oder die erste Membran (11) und/oder die zweite Membran (12) zumindest abschnittweise kreisförmig ausgestaltet sind/ist.
Membranschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (3) derartig ausgestaltet ist, dass sie die erste Membran (11) und/oder die zweite Membran (12) zu Schwingungen der ersten Eigenresonanz anregt.
Membranschwinger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Zusatzmasse (14) vorgesehen ist, und dass die erste Membran (11) und die erste Zusatzmasse (14) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
Membranschwinger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Zusatzmasse (15) vorgesehen ist, und dass die zweite Membran (12) und die zweite Zusatzmasse (15) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
Membranschwinger nach den Ansprüchen 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (11) und/oder die erste Zusatzmasse (14) und/oder die zweite Membran (12) und/oder die zweite Zusatzmasse (15) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die erste Membran (11) und die erste Zusatzmasse (14) und die zweite Membran (12) und die zweite Zusatzmasse (15) im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz aufweisen.
Membranschwinger nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einspannung (16) vorgesehen ist, dass die Grundmembran (10) und/oder die erste Membran (11) und/oder die zweite Membran (12) mit der Einspannung verbunden sind/ist, und dass der Steg (13) mit der Einspannung (16) verbunden ist.
Membranschwinger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannung (16) mit einem Behälter (5) verbunden ist, in welchem sich das Medium (1) befindet.
Membranschwinger nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (13) derartig ausgestaltet ist, dass der Steg (13) in der Nähe der Grundmembran (10) eine verringerte Biegesteifigkeit aufweist.
Membranschwinger nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (13) in der Nähe der Grundmembran (10) verjüngt ist.