DE102011088304A1

DE102011088304A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102011088304A1
Application number: DE102011088304A
Authority: DE
Inventors: Helmut Pfeiffer; Benjamin Mack
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: WO2013087392A1; US9473070B2; US20140320224A1; DE102011088304B4

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (11), mit einer schwingfähigen Einheit (2), welche eine Membran (3) und mindestens ein schwingfähiges Element (4) aufweist, wobei das schwingfähige Element (4) zumindest an einem ersten Befestigungsbereich (91) und einem zweiten Befestigungsbereich (92) an der Membran (3) befestigt ist, mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (7), welche die schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche ein von den Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) abhängiges Empfangssignal erzeugt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), welche das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auswertet. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) derart ausgestaltet und auf einer von dem schwingfähigen Element (4) abgewandten Rückseite der Membran (3) angeordnet ist, dass das schwingfähige Element (4) Torsionsschwingungen durchführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit einer schwingfähigen Einheit, welche eine Membran und mindestens ein schwingfähiges Element aufweist, wobei das schwingfähige Element zumindest in einem ersten Befestigungsbereich und einem zweiten Befestigungsbereich an der Membran befestigt ist, mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und welche ein von den Schwingungen der schwingfähigen Einheit abhängiges Empfangssignal erzeugt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, welche das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auswertet. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität eines Mediums. Das Medium kann hierbei in Form einer Flüssigkeit oder eines Gases vorliegen. Bei der schwingfähigen Einheit handelt es sich beispielsweise um einen an einer Membran angeformten Stab oder um eine Schwinggabel mit zwei an einer Membran angeformten paddelartigen Schwingelementen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 031 188 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße bekannt, welche ein auf einer Membran befestigtes Schwingelement aufweist, das auf Grund seiner speziellen Ausgestaltung zu Torsionsschwingungen angeregt wird. Die Membran wird hierbei derart ausgelenkt, dass sie eine transversale Bewegung senkrecht zur Membranfläche ausführt, d. h. in der Grundmode schwingt. Das Schwingelement ist derart ausgestaltet und mit zwei Verbindungsbereichen an der Membran befestigt, dass die beiden Verbindungsbereiche bei dieser Bewegung der Membran unterschiedlich gerichtete Kraftkomponenten erfahren und das Schwingelement eine Torsionsbewegung ausführt.
Weiterhin sind vibronische Messgeräte mit einer so genannten Schwinggabel als mechanisch schwingfähige Einheit bekannt. Mit Schwinggabeln sind einerseits Füllstand und Dichte bestimmbar, andererseits aber auch die Viskosität. Die Schwinggabel wird mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, meist in Form eines oder mehrerer piezoelektrischer Elemente, zu Biegeschwingungen angeregt. Hierbei führen die beiden die Schwinggabel bildenden Paddel gegenphasige Biegebewegungen aus. Zur Füllstandsmessung wird die Schwingfrequenz überwacht. Zur Viskositätsmessung wird meist die Amplitude der Schwingungen ausgewertet. Durch den added-mass-Effekt auf Grund von mitbewegtem Medium ist die Anwendung in höherviskosen Medien jedoch problematisch.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße bereit zu stellen, welche auch bei einem Einsatz in hochviskosen Medien zuverlässig misst.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Antriebs-/Empfangseinheit derart ausgestaltet und auf einer von dem schwingfähigen Element abgewandten Rückseite der Membran angeordnet ist, dass die Antriebs-/Empfangseinheit die Membran derart zu Schwingungen anregt, dass ein erster Abschnitt der Membran, in welchem sich der erste Befestigungsbereich befindet, und ein zweiter Abschnitt der Membran, in welchem sich der zweite Befestigungsbereich befindet, gegenphasige Schwingungen durchführen, und das schwingfähige Element Torsionsschwingungen durchführt. Bei den Torsionsschwingungen handelt es sich bevorzugt um Schwingungen in der Torsionsmode mit der Eigenfrequenz des mindestens einen schwingfähigen Elements. Bei der Torsionsschwingung führen beispielsweise zwei bezüglich einer Längsachse spiegelsymmetrisch angeordnete Punkte des schwingfähigen Elements Bewegungen in entgegengesetzte Richtungen aus. Im Gegensatz hierzu bewegen sich bei einer Biegeschwingung alle das schwingfähige Element ausmachenden Punkte in dieselbe Richtung.
Durch die spezielle Ausgestaltung und Anordnung des Antriebs-/Empfangselements wird das schwingfähige Element in Torsionsschwingungen versetzt. Der Vorteil von Torsionsschwingungen gegenüber Biegeschwingungen liegt darin, dass allenfalls ein geringer Effekt durch mitbewegte Masse auftritt, sodass die Vorrichtung auch in Medien mit hoher Viskosität einsetzbar und die Prozessgröße zuverlässig bestimmbar ist. Die Torsionsmode wird durch die gegenphasigen Schwingungen der beiden Abschnitte der Membran, in welchen jeweils ein Befestigungsbereich des schwingfähigen Elements liegt, angeregt.
Die Torsionsmode ist beispielsweise in Bezug auf Füllstand und Dichte auswertbar. Zur Füllstandsmessung wird wie bei der Anregung einer Biegemode das Über- oder Unterschreiten einer Grenzfrequenz ausgewertet. Die Grenzfrequenz zwischen Bedecktzustand und Freizustand liegt lediglich an einer anderen Stelle als bei der Anregung in einer Biegemode. Insbesondere eignet sich die Torsionsmode jedoch zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität des Mediums, mit welchem die schwingfähige Einheit in Kontakt steht. Zur Viskositätsmessung wertet die Regel-/Auswerteeinheit beispielsweise die Amplitude und/oder die Frequenz der Schwingungen aus. Durch den geringen added-mass-Effekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Viskosimeter besonders geeignet.
In einer Ausgestaltung ist das schwingfähige Element zumindest abschnittsweise paddelförmig oder stabförmig ausgestaltet. Ein stabförmiges schwingfähiges Element besitzt beispielsweise eine kreisförmige oder ovale Grundfläche. Bei einem zylindrischen schwingfähigen Element ist die mitbewegte Masse besonders gering.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Antriebselement auf. Zum Empfangen der mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit und Wandlung in ein elektrisches Empfangssignal kann die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein weiteres piezoelektrisches Element aufweisen. Alternativ kann das Antriebselement jedoch gleichzeitig auch als Empfänger dienen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Antriebselement senkrecht zu einer Ebene, in welcher die Membran in einem entspannten Zustand liegt, polarisiert. Das Antriebselement kann hierbei homogen in eine Richtung polarisiert sein, oder in zwei Bereiche unterteilt sein, welche in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind. In jedem Fall handelt es sich um eine axiale Polarisation.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte symmetrische Bereiche aufweist und derart angeordnet ist, dass sich der erste Bereich über den ersten Abschnitt der Membran erstreckt, in welchem sich zumindest der erste Befestigungsbereich des schwingfähigen Elements befindet und dass sich der zweite Bereich über den zweiten Abschnitt der Membran erstreckt, in welchem sich zumindest der zweite Befestigungsbereich des schwingfähigen Elements befindet. In einer Ausgestaltung besitzt die Antriebs-/Empfangseinheit nur ein Antriebselement, welches in zwei symmetrische Bereiche unterteilt ist. Die Unterteilung ist beispielsweise durch die Anordnung von Sendeelektroden auf der Oberfläche des Antriebselements hergestellt. Jeder der beiden Bereiche dient der Anregung eines der beiden Abschnitte der Membran zu Schwingungen. In einer alternativen Ausführungsform sind die zwei Bereiche der Antriebs-/Empfangseinheit zur Anregung der beiden Membranabschnitte zu gegenphasigen Schwingungen durch zwei separat ausgeführte Antriebselemente realisiert. Die beiden Abschnitte der Membran, welche von der Antriebs-/Empfangseinheit zu gegenphasigen mechanischen Schwingungen angeregt werden, sind symmetrisch zu einer Mittelachse der Membran. Die beiden Antriebselemente sind daher vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch zueinander ausgeformt und symmetrisch zu dieser Mittelachse angeordnet. Vorzugsweise besitzen die beiden Antriebselemente die Form von Kreisabschnitten; dies insbesondere bei einer kreisförmigen Membran. Die Antriebs-/Empfangseinheit ist in jedem Fall derart ausgestaltet, dass die beiden Bereiche des piezoelektrischen Antriebselements bzw. die beiden piezoelektrischen Antriebselemente gegenphasige Dickenoszillationen ausführen.
In einer Ausgestaltung sind ein erstes schwingfähiges Element und ein zweites schwingfähiges Element im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse der Membran an der Membran angeformt.
Eine hiermit verbundene Ausgestaltung besteht darin, dass die Antriebs-/Empfangseinheit und die beiden schwingfähigen Elemente derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich der erste Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit über den ersten Abschnitt der Membran erstreckt, in welchem sich zumindest der erste Befestigungsbereich des ersten schwingfähigen Elements und der erste Befestigungsbereich des zweiten schwingfähigen Elements befinden, und dass sich der zweite Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit über den zweiten Abschnitt der Membran erstreckt, in welchem sich zumindest der zweite Befestigungsbereich des ersten schwingfähigen Elements und der zweite Befestigungsbereich des zweiten schwingfähigen Elements befinden. Auf die beiden schwingfähigen Elemente wirken jeweils einander entgegen gerichtete Kräfte. Hierdurch sind die Schwingungen entkoppelt und es wirkt keine oder allenfalls eine vernachlässigbar geringe Kraft auf die Einspannung der Membran. Diejenige Mittelachse der Membran, zu welcher die beiden schwingfähigen Elemente symmetrisch angeordnet sind, und diejenige Mittelachse, welche zwischen den beiden gegenphasig schwingenden Abschnitten der Membran liegt und bezüglich welcher die beiden Bereiche der Antriebs-/Empfangseinheit symmetrisch sind, verlaufen orthogonal zueinander.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die beiden Bereiche der Antriebs-/Empfangseinheit jeweils eine Sendeelektrode aufweisen und die Regel-/Auswerteeinheit die Sendeelektroden jeweils mit einem Wechselspannungssignal gleicher Frequenz beaufschlagt, wobei für den Fall, dass die beiden Bereiche die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen, die beiden Wechselspannungssignale relativ zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen und für den Fall, dass die beiden Bereiche eine entgegengesetzte Polarisationsrichtung aufweisen, die beiden Wechselspannungssignale phasengleich sind. Durch die Polarisationsrichtung und die entsprechend gewählte Art der Beaufschlagung mit dem Erregersignal führen die beiden Bereiche gegenphasige Dickenoszillationen, was zu einer gegenphasigen Auslenkung der beiden Membranabschnitte führt, an welchen die beiden Bereiche der Antriebs-/Empfangseinheit angeordnet sind.
Zur Beaufschlagung des piezoelektrischen Antriebselements bzw. der piezoelektrischen Antriebselemente mit einem Erregersignal sind zwei Sendeelektroden auf diejenige Oberfläche des Antriebselements bzw. der Antriebselemente aufgebracht, welche der Membran abgewandt ist. Im Fall einer kreisförmigen Membran ist das Antriebselement ebenfalls kreisförmig und die beiden Sendeelektroden weisen die Form zweier voneinander beabstandeter Kreissegmente auf. Bei einer zweiteiligen Ausgestaltung sind zwei Antriebselemente in Form von Kreissegmenten mit Sendeelektroden versehen, welche ebenfalls kreissegmentförmig sind. Beispielsweise sind die Sendeelektroden als metallische Beschichtung auf das Antriebselement bzw. die Antriebselemente aufgebracht. Diejenige Oberfläche des Antriebselements bzw. der Antriebselemente, welche mit der Membran in Kontakt steht, ist vorzugsweise mit einer flächigen Elektrode beschichtet, welche mit dem Massepotential verbunden ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist in das schwingfähige Element mindestens eine Ausnehmung und/oder mindestens ein Durchbruch derart eingebracht, dass sich zwei symmetrische Füße ausbilden, mittels welchen das schwingfähige Element an der Membran befestigt ist. Durch eine Ausnehmung oder einen Durchbruch ist die Steifigkeit des schwingfähigen Elements herabgesetzt. Die Füße sind in den beiden Befestigungsbereichen mit der Membran verbunden. Vorzugsweise sind die Füße an einer Stelle maximaler Auslenkung der Membran positioniert.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Prozessgröße um eine rheologische Eigenschaft, insbesondere die Viskosität, und/oder die Dichte und/oder einen Grenzfüllstand des Mediums in einem Behälter.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 einen Behälter mit einem vibronischen Messgerät;
2 eine Draufsicht auf eine schwingfähige Einheit mit Antriebs-/Empfangseinheit;
3a eine Ausgestaltung eines einteiligen Antriebselements;
3b eine Ausgestaltung eines zweiteiligen Antriebselements;
4 eine Ausführungsform eines schwingfähigen Elements.
In 1 ist ein teilweise mit einer Flüssigkeit 11 gefüllter Behälter 12 dargestellt. Auf einer bestimmten Höhe in dem Behälter 12 ist ein vibronisches Messgerät 1 in die Wandung des Behälters 12 eingebracht. Das Messgerät 1 ragt mit einer schwingfähigen Einheit 2 in Form zweier an einer Membran 3 angeformter Paddel 5, 6 in das Innere des Behälters 12 hinein. Die Membran 3 verschließt endseitig ein rohrförmiges Gehäuse des Messgeräts 1. In dem Gehäuse und in Kontakt mit der dem Inneren des Behälters 12 abgewandten Rückseite der Membran 3 befindet sich eine Antriebs-/Empfangseinheit 7. Diese verformt die Membran 3 periodisch derart, dass die Paddel 5, 6 Schwingungen ausführen. Vorzugsweise ist die Antriebs-/Empfangseinheit 7 als piezoelektrischer Bimorph- oder Stapelantrieb ausgestaltet. Ein piezoelektrisches Antriebselement kann auch als Empfänger dienen, indem die Rückkoppelspannung über einen Widerstand abgegriffen wird. Alternativ liegen ein oder mehrere separate Antriebselemente und Empfangselemente vor.
Mit der Antriebs-/Empfangseinheit 7 ist eine Regel-/Auswerteeinheit 8 verbunden, bei welcher es sich um eine Elektronikeinheit, vorzugsweise mit mindestens einem Mikrocontroller, handelt. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 regelt oder steuert die Schwingungsanregung mittels der Antriebs-/Empfangseinheit 7 und empfängt von dieser das von den Schwingungen der schwingfähigen Einheit abhängige elektrische Empfangssignal zur Auswertung in Bezug auf die zu bestimmende oder überwachende Prozessgröße. Im Fall einer elektromechanischen Wandlereinheit in Form einer Antriebs-/Empfangseinheit 7 mit einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen beaufschlagt die Regel-/Auswerteeinheit 8 die Antriebs-/Empfangseinheit 7 mit einem elektrischen Erregersignal in Form einer Wechselspannung. Die Frequenz der Wechselspannung ist vorzugsweise über einen Schwingkreis derart vorgebbar, dass zwischen Erregersignal und Empfangssignal eine vorgebbare Phasenverschiebung besteht. Die Regelung der Frequenz kann hierbei analog und/oder digital erfolgen.
Gegenüber einem herkömmlichen vibronischen Messgerät zur Füllstands-, Dichte- und/oder Viskositätsmessung unterscheidet sich das erfindungsgemäße Messgerät 1 baulich zumindest in der Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit 7. Durch die spezielle Anordnung des Antriebselements 77 bzw. der Antriebselemente 71, 72 ist an Stelle von Biegemoden eine Torsionsmode anregbar. Auch bei einer Torsionsschwingung sind die genannten Prozessgrößen an Hand der Schwingungseigenschaften bestimmbar. Auswertbare Schwingungseigenschaften sind insbesondere die Frequenz, die Amplitude und/oder die Phasenverschiebung zwischen Erreger- und Empfangssignal. Der Vorteil der Anregung zu Torsionsschwingungen liegt darin, dass Dämpfungseffekte durch mit den schwingfähigen Elementen 5, 6 mitbewegtes Medium 11 wesentlich verringert werden und somit auch hochviskose Medien 11 die Messung nicht beeinträchtigen oder behindern. Zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Messgerät 1 die Viskosität zuverlässig bestimmbar.
Die Regel-/Auswerteeinheit 8 erzeugt in einer Ausführungsform ein Erregersignal mit einer vorbestimmten Frequenz, welche dazu geeignet ist, die schwingfähigen Elemente 5, 6 zu Torsionsschwingungen anzuregen. Diese Frequenz ist beispielsweise durch Simulation feststellbar und daher fest vorgebbar, sodass das Messgerät 1 nach der Installation sofort einsatzbereit ist. Vorzugsweise ist die Frequenz derart gewählt, dass die schwingfähigen Elemente 5, 6 in Resonanz schwingen. Hierdurch ist eine maximale Wirkung erzielt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die schwingfähige Einheit 2 bzw. sind insbesondere die schwingfähigen Elemente 5, 6 derart dimensioniert, dass die niedrigste von der Antriebs-/Empfangseinheit 7 anregbare Mode die gewünschte reine Torsionsmode ist. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 kann in diesem Fall zum Auffinden der passenden Frequenz einen Frequenzbereich im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit 2 mit steigender Frequenz durchfahren und regt hiermit automatisch die Torsionsmode an.
In 2 ist eine schematische Detailansicht der Membran 3 mit zwei schwingfähigen Elementen 5, 6 und zwei Antriebselementen 71, 72 während der Torsionsbewegung gezeigt. Die Auslenkung der schwingfähigen Elemente 5, 6 und die Verformung der Antriebselemente 71, 72 sind hierbei stark übertrieben dargestellt. Die beiden schwingfähigen Elemente 5, 6 sind symmetrisch bezüglich einer Mittelachse L1 auf einer dem Medium 11 zugewandten Außenfläche der Membran 3 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die schwingfähigen Elemente 5, 6 und die Membran 3 eine zusammenhängende flächige Kontaktfläche, d. h. der erste Befestigungsbereich 91 und der zweite Befestigungsbereich 92 eines schwingfähigen Elements 5, 6 gehen ineinander über.
Beispielsweise sind die schwingfähigen Elemente 5, 6 und die Membran 3 aus einem Metall, insbesondere Edelstahl, gefertigt und miteinander verschweißt. Die schwingfähigen Elemente 5, 6 paddelförmig mit einem Anschlussbereich zur Befestigung an der Membran 3 und einem flächigen Element 61 ausgestaltet. Alternativ können die schwingfähigen Elemente 5, 6 auch stabförmig, insbesondere zylinderförmig, ausgestaltet sein. Bei einem zylindrischen schwingfähigen Element 5, 6 ist der added-mass-Effekt in der Torsionsmode besonders gering.
Auf der Rückseite der Membran 3, d. h. auf derjenigen Seitenfläche, auf welcher keine schwingfähigen Elemente 5, 6 angeordnet sind, und welche einem Inneren des Messgeräts 1 zugewandt ist, befinden sich zwei piezoelektrische Antriebselemente 71, 72. Diese besitzen die Form von Kreisabschnitten und sind symmetrisch bezüglich einer Mittelachse L2 der Membran 3 ausgerichtet. Die beiden Mittelachsen L1 und L2 verlaufen orthogonal zueinander.
Die beiden Antriebselemente 71, 72 besitzen die gleiche Polarisationsrichtung. Diese verläuft in axialer Richtung, d. h. senkrecht zu der Membranebene. Die Erregersignale mit welchen die Regel-/Auswerteeinheit 8 die beiden auf den Antriebselementen 71, 72 aufgebrachten Sendeelektroden 73, 74 beaufschlagt, sind Wechselspannungssignale, welche die gleiche Frequenz besitzen, jedoch relativ zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Hierdurch führen die beiden Antriebselemente 71, 72 gegenphasige Dickenoszillationen aus.
In dieser Darstellung verdickt sich das erste Antriebselement 71 und zieht sich demgemäß in seiner Flächenausdehnung zusammen. Der entsprechende Membranabschnitt wölbt sich nach außen, sodass auf die beiden Befestigungsbereiche der schwingfähigen Elemente 5, 6, welche sich in diesem Abschnitt befinden, eine Kraft Ua weg von der Mittelachse L1 wirkt. Das Antriebselement 72 hingegen dehnt sich aus, sodass sich der entsprechende Abschnitt der Membran 3 nach innen wölbt und die beiden Befestigungsbereiche der beiden schwingfähigen Elemente 5, 6, welche sich in diesem Abschnitt befinden, eine Kraft Ui in Richtung der Mittelachse L1 erfahren. Da die schwingfähigen Elemente 5, 6 jeweils zur Hälfte an dem einen Abschnitt und dem anderen Abschnitt der Membran 3 befestigt sind, führen die beiden Befestigungsbereiche eines schwingfähigen Elements 5, 6 Bewegungen in entgegengesetzte Richtungen aus. Hierdurch entstehen in den beiden Befestigungsbereichen entgegengesetzte Drehmomente, was zur Torsion der schwingfähigen Elemente 5, 6 führt.
Diese Art der Anregung der schwingfähigen Elemente 5, 6 zu Torsionsschwingungen ist besonders einfach realisierbar.
Bei Anregung der beiden Abschnitte der Membran 3 zu gegenphasigen Schwingungen existiert auf Grund der Symmetrie der beiden schwingfähigen Elemente 5, 6 zu jeder auftretenden Kraft eine entsprechende Gegenkraft, sodass das Schwingsystem entkoppelt ist. Eine Ausgestaltung mit nur einem schwingfähigen Element 4 ist jedoch ebenfalls möglich. In diesem Fall sollte die Einspannung der Membran 3 jedoch so massiv sein, dass auf diese wirkende Kräfte die Messung nicht beeinflussen.
Die Viskosität ist proportional zu einer Winkelauslenkung des schwingfähigen Elements 5, 6 im viskosen Medium 11 bezogen auf eine entsprechende Winkelauslenkung in Luft oder Vakuum. Die Regel-/Auswerteeinheit 8 bestimmt die Viskosität des Mediums 11 beispielsweise an Hand der Amplitude des Empfangssignals. Dieses ist beispielsweise über einen Widerstand von den Sendeelektroden 73, 74 abgreifbar. Zur Überwachung eines vorbestimmten Grenzstands des Mediums 11, bzw. zur Detektion, ob das Medium 11 den vorbestimmten Grenzstand über- oder unterschreitet, wertet die Regel-/Auswerteeinheit 8 eine Frequenzänderung der Torsionsschwingungen aus.
In den 3a und 3b sind zwei Varianten für einen geeigneten Antrieb dargestellt. 3a zeigt ein scheibenförmiges piezoelektrisches Antriebselement 77, auf welchem zwei Sendeelektroden 73, 74 aufgebracht sind. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Antriebselements 77 verläuft senkrecht zur Membranebene.
Die Sendeelektroden 73, 74 besitzen jeweils die Form eines Kreisabschnittes und sind symmetrisch zu einer Mittelachse M1 des Antriebselements 77 ausgestaltet. Durch die beiden Sendeelektroden 73, 74 sind zwei elektrisch voneinander getrennte Bereiche ausgebildet. Das Antriebselement 77 ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung derart auf die dem Medium abgewandte Rückseite der Membran 3 aufgebracht, dass die Mittelachse M1 des Antriebselements 77 und die Mittelachse L1 der Membran 3, welche die Symmetrieachse für die beiden schwingfähigen Elemente 5, 6 bildet, orthogonal zueinander verlaufen.
In 3b ist eine Ausgestaltung mit zwei identisch ausgestalteten Antriebselementen 71, 72 dargestellt. Das erste Antriebselement 71 und das zweite Antriebselement 72 besitzen jeweils die Form von Kreisabschnitten. Auf einer ihrer beiden flachen Seitenflächen ist jeweils eine Sendeelektrode 73, 74 aufgebracht. Die Montage auf der Membran 3 erfolgt derart, dass die beiden Antriebselemente 71, 72 symmetrisch zu der Längsachse L2 angeordnet sind und sich die Sendeelektroden 73, 74 auf derjenigen Seitenfläche befinden, welche der Membran 3 abgewandt ist. Durch Beaufschlagung der zweiten Sendeelektrode 74 mit einem Erregersignal, welches gegenüber dem der ersten Sendeelektrode 73 zugeführten Erregersignal um 180° phasenverschoben ist, sind die beiden Antriebselemente 71, 72 bzw. die beiden Bereiche des Antriebselements 7 zu gegenphasigen Dickenoszillationen anregbar.
In einer Variante sind die beiden Antriebselemente 71, 72 oder die beiden Bereiche des Antriebselements 77 in entgegengesetzte Richtungen polarisiert. Die Sendeelektroden 73, 74 werden in diesem Fall mit dem gleichen Erregersignal beaufschlagt.
Die Anregung einer umlaufend eingespannten Membran zu gegenphasigen Schwingungen bzw. Schwingungen in der ersten Oberwelle mittels eines piezoelektrischen Elements ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2007 057 124 A1 beschrieben, sodass an dieser Stelle nicht näher auf die Anregung eingegangen wird. Dort getroffene Aussagen sind analog anwendbar und gelten auch für die zweiteilige Ausgestaltung gemäß 3b.
4 illustriert eine Ausführungsform eines schwingfähigen Elements 4, welches als einziges schwingfähiges Element 4 an der Membran 3 angeformt sein kann, oder welches eines von zwei schwingfähigen Elementen 5, 6 bildet, welche symmetrisch an der Membran 3 befestigt sind. Das schwingfähige Element 4 besitzt die Form eines Paddels, welches aus einem flächigen Element 61 und aus einem verjüngten Anschlussbereich besteht. Der Anschlussbereich befindet sich nahe der Membran 3 und ist an dieser befestigt. In den Anschlussbereich ist ein Durchbruch 63 eingebracht. Durch diesen Durchbruch sind zwei Füße 62 ausgebildet, welche jeweils an einem Befestigungsbereich 91, 92 mit der Membran 3 verbunden sind.
Unterhalb des ersten Befestigungsbereichs 91, auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Membran 3, ist ein erstes Antriebselement 71 angeordnet, während unterhalb des zweiten Befestigungsbereichs 92 ein zweites Antriebselement 72 angeordnet ist. Bei Beaufschlagung der beiden Antriebselemente 71, 72 mit einem wie bereits beschriebenen geeigneten Erregersignal führen die beiden Abschnitte der Membran 3, in welchen sich die beiden Befestigungsbereiche 91, 92 befinden, Bewegungen in entgegengesetzte Richtungen aus. Auf die beiden Füße 62 wirkt jeweils ein Drehmoment in entgegengesetzter Richtung. Dies führt wie bei einem schwingfähigen Element 4 ohne Durchbruch 63 zu einer Torsionsbewegung des schwingfähigen Elements 4. Jedoch ist durch den Durchbruch 63 zum einen die Steifigkeit des Anschlussbereichs herabgesetzt und zum anderen die Membran 3 freier in ihrer Bewegung. Hierdurch wird eine Torsionsbewegung mit größerer Amplitude ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Schwingfähige Einheit
3: Membran
4: Schwingfähiges Element
5: Erstes schwingfähiges Element
6: Zweites schwingfähiges Element
61: Flächiges Element
62: Fuß
63: Durchbruch
7: Antriebs-/Empfangseinheit
71: Erstes Antriebselement
72: Zweites Antriebselement
73: Sendeelektrode
74: Sendeelektrode
77: Antriebselement
8: Regel-/Auswerteeinheit
91: Erster Befestigungsbereich
92: Zweiter Befestigungsbereich
11: Medium
12: Behälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006031188 A1 [0002]
DE 102007057124 A1 [0040]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (11), mit einer schwingfähigen Einheit (2), welche eine Membran (3) und mindestens ein schwingfähiges Element (4) aufweist, wobei das schwingfähige Element (4) zumindest an einem ersten Befestigungsbereich (91) und einem zweiten Befestigungsbereich (92) an der Membran (3) befestigt ist, mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (7), welche die schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche ein von den Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) abhängiges Empfangssignal erzeugt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (8), welche das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) derart ausgestaltet und auf einer von dem schwingfähigen Element (4) abgewandten Rückseite der Membran (3) angeordnet ist, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) die Membran (3) derart zu Schwingungen anregt, dass ein erster Abschnitt der Membran (3), in welchem sich der erste Befestigungsbereich befindet, und ein zweiter Abschnitt der Membran (3), in welchem sich der zweite Befestigungsbereich befindet, gegenphasige Schwingungen durchführen, und das schwingfähige Element (4) Torsionsschwingungen durchführt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingfähige Element (4) zumindest abschnittsweise paddelförmig oder stabförmig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) mindestens ein piezoelektrisches Antriebselement (77, 71, 72) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Antriebselement (77, 71, 72) senkrecht zu einer Ebene, in welcher die Membran (3) in einem entspannten Zustand liegt, polarisiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Bereiche aufweist und derart angeordnet ist, dass sich der erste Bereich über den ersten Abschnitt der Membran (3) erstreckt, in welchem sich zumindest der erste Befestigungsbereich (91) des schwingfähigen Elements (4) befindet und dass sich der zweite Bereich über den zweiten Abschnitt der Membran (3) erstreckt, in welchem sich zumindest der zweite Befestigungsbereich (92) des schwingfähigen Elements (4) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes schwingfähiges Element (5) und ein zweites schwingfähiges Element (6) im Wesentlichen symmetrisch zu einer Mittelachse (L1) der Membran (3) an der Membran (3) angeformt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) und die beiden schwingfähigen Elemente (5, 6) derart relativ zueinander angeordnet sind, dass sich der erste Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit (7) über den ersten Abschnitt der Membran (3) erstreckt, in welchem sich zumindest der erste Befestigungsbereich (91) des ersten schwingfähigen Elements (5) und der erste Befestigungsbereich (91) des zweiten schwingfähigen Elements (6) befinden, und dass sich der zweite Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit (7) über den zweiten Abschnitt der Membran (3) erstreckt, in welchem sich zumindest der zweite Befestigungsbereich (92) des ersten schwingfähigen Elements (5) und der zweite Befestigungsbereich (92) des zweiten schwingfähigen Elements (6) befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5 oder 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche der Antriebs-/Empfangseinheit (7) jeweils eine Sendeelektrode (73, 74) aufweisen und die Regel-/Auswerteeinheit (8) die Sendeelektroden (73, 74) jeweils mit einem Wechselspannungssignal gleicher Frequenz beaufschlagt, wobei für den Fall, dass die beiden Bereiche die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen, die beiden Wechselspannungssignale relativ zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen und für den Fall, dass die beiden Bereiche eine entgegengesetzte Polarisationsrichtung aufweisen, die beiden Wechselspannungssignale phasengleich sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das schwingfähige Element (4, 5, 6) mindestens eine Ausnehmung und/oder mindestens ein Durchbruch (63) derart eingebracht ist, dass sich zwei symmetrische Füße ausbilden, mittels welchen das schwingfähige Element (4, 5, 6) an der Membran (3) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um eine rheologische Eigenschaft, insbesondere die Viskosität, und/oder die Dichte und/oder einen Grenzfüllstand des Mediums (11) in einem Behälter (12) handelt.