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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingsonde mit einem Schwingelement, einer Anregungseinrichtung zur Anregung des Schwingelements und einer Detektions- und Auswertungseinrichtung zur Detektion bzw. Auswertung von Schwingungen des Schwingelements,
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Derartige Schwingsonden haben heute vielerlei Verwendung erfahren. In der
EP 0985916 A1 ist beispielsweise eine Schwingsonde beschrieben, die in einem weiten Anwendungsbereich, d. h. in vielen verschiedenen Medien einsetzbar ist und im wesentlichen ein in einer Öffnung eines das Medium enthaltenen Behälters verschraubbares Gehäuse, ein in den Behälter hineinragendes Schwingelement, eine an ihrem Rand fest in das Gehäuse eingespannte Membran, an der das Schwingelement befestigt ist, und einen elektromechanischen Wandler zur Anregung der Membran zu Schwingungen in Abhängigkeit von einem an dem Wandler anliegenden Sendesignal und zum Empfangen und Umwandeln von den Schwingungen der Membran in ein elektrisches Empfangssignal umfasst.
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Aus der
DE 102 03 461 A1 geht ein Verfahren zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einer in dem Behälterinnenraum angeordneten Schwingstab-Sonde, die Bestandteil eines elektromechanischen Schwingungssystems ist, hervor. Zur Grenzstand-Detektion wird dabei das Schwingungssystem jeweils angeregt und es werden eine oder mehrere charakteristische Kenngrößen der Reaktion des Schwingungssystems auf diese Anregung gemessen und ausgewertet.
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Aus der
DE 101 31 081 A1 geht eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter hervor, bei der eine Antriebs-/Empfangseinheit, die unmittelbar an dem schwingfähigen System befestigt ist und sie in vorgegeben Zeitintervallen oder kontinuierliche zu Schwingungen in zumindest einer ihrer Eigenmoden anregt, wobei zur Überwachung des Füllstandes eine Auswertung durch zusätzliche Mittel, beispielsweise durch Anregung in wenigstens zwei unterschiedlichen Moden (höherfrequente und tieferfrequente Moden) oder durch Auswertung des Abklingverhaltens der für eine bestimmte Zeitspanne angeregten schwingfähigen Einheit ermittelt wird. Eine Erfassung von Materialansatz an dem schwingfähigen System wird durch Ausnutzung der Tatsache erkannt, dass höherfrequente und tieferfrequente Moden im Falle einer Ansatzbildung unterschiedlich stark bedämpft werden.
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Ferner werden derartige Schwingsonden auch zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen verwendet, die wiederum bspw. zum homogenisieren von Emulsionen etc. verwendet werden. Derartige Schwingsonden und Vorrichtungen enthaltend solche Schwingsonden sind heute im Handel erhältlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Selbstüberwachungseigenschaften derartiger Vorrichtungen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Schwingelement ein Referenzelement umfasst, das eine, vorzugsweise temperaturabhängige, Phasenumwandlung erfährt.
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Es ist somit eine Idee der Erfindung ein Referenzelement zu verwenden und am Schwingelement anzubringen oder das Schwingelement derart auszugestalten, dass es ein Referenzelement umfasst. Das Referenzelement ist ferner vorzugsweise derart ausgelegt oder besteht aus einem derartigen Material, dass es zumindest eine Phasenumwandlung im Bereich der schwankenden physikalischen und/oder chemischen Umgebungsbedingungen durchläuft, denen die Schwingsonde im Betrieb ausgesetzt ist. Insbesondere ist das Referenzelement derart ausgestaltet oder umfasst ein Material, dass es bei einer vorgegebenen Temperatur, insbesondere einer vorgegebenen Maximal- oder Minimaltemperatur, eine Phasenumwandlung durchläuft.
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In einer Ausführungsform der Schwingsonde ist die Phasenumwandlung anhand der Schwingungseigenschaften des Schwingelements erkennbar. Bei einer Phasenumwandlung ändert sich somit die Schwingungseigenschaften des Schwingelements wie bspw. die Eigenfrequenzen mit das denen Schwingelement schwingen kann. Bei dem Phasenübergang können sich unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Referenzelements wie bspw. das Volumen, das Trägheitsmoments etc. ändern. Diese Änderungen beeinflussen dabei die Schwingungseigenschaften des Referenzelements, d. h. die Schwingungseigenschaften ändern sich in Abhängigkeit der Phase in der das Referenzelement oder das Material aus dem das Referenzelement besteht oder welches es umfasst vorliegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde besteht das Referenzelement aus einem Material oder umfasst ein Material, das je nach Phase in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegt. Bspw. kann sich durch eine Phasenumwandlung des Referenzelements oder des Materials aus dem es besteht oder welches es umfasst, eine geänderte Massenverteilung des Schwingelements ergeben, durch welche geänderte Massenverteilung sich auch die Schwingungseigenschaften des Schwingelements ändern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde ist die Schwingsonde bzw. das Referenzelement mit mindestens einem Temperaturmesswertaufnehmer ausgestattet. Der Temperaturmesswertaufnehmer dient dann vorzugsweise dazu, die Temperatur in der Umgebung der Schwingsonde und/oder die Temperatur des Referenzelements zu bestimmen. Ferner kann dann die von dem Temperaturmesseraufnehmer bestimmte Temperatur und/oder die Temperatur bei dem der Phasenübergang des Referenzelements bzw. des Referenzmaterials auftritt zur Überprüfung und/oder zur Kalibrierung des Schwingsonde und/oder des Temperaturmesswertaufnehmers verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde wird anhand der Phasenumwandlung eine Temperatur bestimmt, der das Schwingelement ausgesetzt ist. Da derartige thermodynamische Phasenumwandlungen bspw. in Abhängigkeit des Materials bei einer bestimmten Temperatur auftreten kann, durch die Änderung der Schwingungseigenschaften des Schwingelements auf eine Temperatur geschlossen werden, der das Schwingelement oder die Schwingsonde ausgesetzt sind. Dies kann dann zur Änderung des Betriebsmodus genutzt werden in dem die Schwingsonde betrieben wird. bspw. kann die Schwingsonde bei erreichen dieser vorgegebene Temperatur ein- oder ausgeschaltet werden oder nur noch intermittierend betrieben werden, insbesondere nur dann wenn die Temperatur in einem Bereich liegt für welchen der Einsatz der Schwingsonde vorgesehen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde handelt es sich bei der Schwingsonde um eine einarmige oder mehrarmige Schwingsonde, wobei ein Schwingarm jeweils wenigstens ein Schwingelement umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde dient die Schwingsonde dazu, in einem vollständig gefüllten oder teilgefüllten Behälter einzutauchen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde besteht das Referenzelement aus einem Material oder umfasst ein Material, das im Wesentlichen aus Salz oder salzhaltigen Mischungen besteht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde besteht das Referenzelement aus einem Material oder umfasst ein Material, das aus einer Substanzmischung bzw. Substanzmischungen besteht, welche Substanzmischung bzw. Substanzmischungen ein Eutektikum bilden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde besteht das Referenzelement aus einem Hohlraumkörper in dem sich ein Referenzmaterial befindet, wobei der Hohlraumkörper vorzugsweise in das Referenzelement integriert ist oder an dem Referenzelement angebracht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde weist das Schwingelement mehrere Referenzelemente auf oder umfasst mehrere Referenzelemente. Somit kann das Erreichen unterschiedlicher Temperaturen durch die sich ändernden Schwingungseigenschaften bei Erreichen der jeweiligen Temperatur nachgewiesen werden. Ferner kann durch die redundante Auslegung der Referenzelemente eine besonders zuverlässiger Nachweis des Vorliegens einer bestimmten Temperatur, wie bspw. der Umgebungstemperatur der Schwingungssonde, erbracht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde sind mehrere Schwingelemente vorgesehen, die jeweils ein oder mehrere Referenzelemente aus einem oder aus unterschiedlichen Referenzmaterialien umfassen. Für gewöhnlich treten bei unterschiedlichen Materialien auch die Phasenübergänge bei unterschiedlichen Temperaturen auf. Die Erfassung von mindestens zwei Phasenumwandlungstemperaturen schafft bspw. eine Validierungsvorrichtung mit der die Steilheit, die Koeffizienten für nichtlineares Verhalten und Nullpunktsverschiebungen der eingesetzten Temperaturmesswertaufnehmer überprüft werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde unterscheiden sich die Referenzmaterialien hinsichtlich ihrer jeweiligen Phasenumwandlungspunkte, insbesondere der Temperatur bei der eine Phasenumwandlung stattfindet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde weist die Schwingsonde eine primäre Funktionalität auf, welche primäre Funktionalität bspw. in der Bestimmung eines Füllstands, einer Phase eines Medium in einem Behälter, o. ä. besteht, und wobei die Schwingsonde eine sekundäre Funktionalität aufweist, die in der Erfassung der Phasenumwandlung des Referenzelements anhand der Schwingungseigenschaften der Schwingsonde besteht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde wird das Schwingelement durch Schwingungen einer ersten Frequenz und Schwingungen einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz unterscheidet, angeregt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde werden durch Anregung des Schwingelements mit einer einzigen Frequenz verschiedene Schwingungszustände des Schwingelements angeregt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde dient die Anregung des Schwingelements mit der ersten und der zweiten Frequenz bzw. die Anregung zweier verschiedener Schwingungszustände des Schwingelements dazu, neben der primären Funktionalität der Schwingungssonde eine weitere Funktionalität der Schwingungssonde auszuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde ist ein Heizelement vorgesehen, dass dazu dient, den vorzugsweise temperaturabhängigen, Phasenübergang herbeizuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde weist das Schwingelement und/oder das Referenzelement einen ovalen, ellipstischen oder elliptisch-förmigen Querschnitt auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde handelt es sich bei dem Schwingelement und/oder dem Referenzelement um einen Körper mit einem kreisförmigen oder elliptisch-förmigen Umriss.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schwingsonde ist die Schwingsonde in mehreren Betriebsmodi betreibbar, wobei bei Erreichen bzw. Detektieren der Phasenumwandlung durch das Referenzelement der Betriebsmodus der Schwingsonde gewechselt wird, insbesondere die Schwingsonde eingeschaltet bzw. ausgeschaltet oder nur intermittierend betrieben wird. Zudem kann auch kurz vor Erreichen oder Detektieren der Phasenumwandlung des Refrenzelement bzw. Referenzmaterial durch einen Temperaturmesswertaufnehmer die Temperatur in der Umgebung der Schwingsonde oder die Temperatur des Refrenzelements bzw. des Referenzmaterials erfasst und bewertet werden, um die Schwingsonde einzuschalten, auszuschalten oder nur intermittierend, bspw. innerhalb eines oder mehrerer vorgegebener Temperaturintervalle, zu betrieben.
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Ferner wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung umfassend eine Schwingsonde nach einer der vorherigen Ausführungsformen, sowie: einen, insbesondere vakuumdichten, Behälter in den die Sonde einführbar ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer einarmigen Schwingsonde,
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2: eine schematische Darstellung einer zweiarmigen Schwingsonde,
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3: eine schematische Darstellung einer Anordnung umfassend eine Schwingsonde, sowie ein Isolations- und eine Heizvorrichtung,
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4: eine schematische Darstellung einer Schwingsonde, die an einen Messumformer angeschlossen ist,
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5: eine schematische Darstellung eines kugelförmigen Schwingelements einer Schwingsonde,
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6: eine schematische Darstellung eines ellipsoidalen Schwingelements einer Schwingsonde,
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7: eine schematische Darstellung eines zylindrischen Schwingelements einer Schwingsonde, welche Schwingsonde an einem isolierenden Gehäuse angebracht ist, wobei das Gehäuse zusätzlich einen Mediumseinlass aufweist, und
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8: eine schematische Darstellung eines Schwingelements mit zwei Referenzelementen.
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1 zeigt eine Schwingsonde 9. Die Schwingsonde 9 umfasst dabei ein Schwingelement 15, eine Erregereinheit 1, vermittels der das Schwingelement 15 zu Schwingungen, vorzugsweise in Eigenmoden, angeregt werden kann, sowie eine Detektions- und Auswerteeinheit 2, 3, die zur Detektion und zur Auswertung der Schwingungen des Schwingelements 15 dienen.
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Das Schwingelement 15 umfasst ferner einen Behälter, in dem sich eine Referenzsubstanz 6 befindet. Der Behälter befindet sich dabei an dem freien Ende des Schwingelements. Behälter und Referenzsubstanz bilden dabei das Referenzelement 5.
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Im Ausführungsbeispiel gem. 1 und 2 ist zusätzlich ein Temperaturmesswertaufnehmer 7 vorgesehen, der zur Erfassung der Temperatur in der Umgebung der Schwingsonde 9 bzw. zur Erfassung der Temperatur der Referenzsubstanz 6 dient.
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Durch die in den Figuren dargestellten Pfeile soll die Dreh- bzw. Schwingbewegung der Schwingsonde 9 bzw. des Schwingelements 15 wiedergegeben werden. Bei der Drehbewegung handelt es sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung um eine Rotationsschwingung.
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2 zeigt eine Schwingsonde 9 mit zwei Schwingelementen 15, einem sog. zweiarmigen Schwinger 8. Dabei weist jedes der beiden Schwingelemente 15 ein eigenes Referenzelement 5 auf. Die jeweiligen Referenzelemente 5 können dabei das gleiche Referenzmaterial 6 oder unterschiedliche Referenzmaterialien 6 enthalten.
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3 zeigt eine Anordnung umfassend eine Schwingsonde 9, ein Isolations- und eine Heizelement 112, 11. Das Heizelement 11 ist dabei an in dem Behälter der das Medium M als auch die Schwingsonde 9 enthält angeordnet. Durch das Heizelement 11 kann das Medium M als auch die Schwingsonde 9 samt Referenzelement aufgeheizt werden, so dass der Phasenübergang des Referenzmaterials 6 eintritt. Dadurch kann bspw. die Funktionsweise der Schwingsonde 9 überprüft werden.
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4 zeigt eine Schwingsonde 9, bei der die Detektions- und/oder Auswerteeinheit 2, 3, üblicherweise auch als Betriebselektronik bezeichnet, abgesetzt von den Schwingelementen 8, 15, und dem Erregereinheit 1 angeordnet ist. Diese Betriebselektronik ist dabei in einem Gehäuse 21 angeordnet und mit den Schwingelementen 8, 15 über eine Verbindungsleitung verbunden, über welche Signale, vorzugsweise Messsignale, von den Schwingelementen 8, 15 and die Betriebselektronik übertragbar sind.
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5 zeigt eine Schwingsonde 9, die ein Schwingelement 15 in Form eines Rotationsschwingers aufweist. Der gezeigte Rotationsschwinger weist dabei ein Schwingelement 15 auf, bei dem an einen länglichen Arm ein Referenzelement 5 in Form eines im Wesentlichen kugelförmigen Endes angebracht ist. Das kugelfömige Ende bildet eine Hohlkugel, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nur teilweise mit dem Referenzmaterial gefüllt ist.
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In 6 zeigt eine Schwingsonde 9 mit einem im Wesentlichen ellipsoidalen Schwingelement 15 bzw. ellipsoidalen Referenzelement 5.
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Dabei befindet sich das Referenzmaterial 6 in einer doppelwandigen Kammer, wobei die eine Wand die Außenseite des Schwing- bzw. Referenzelements 15, 5 bildet, welche im Betrieb dem Medium M ausgesetzt ist, und die innere Wand vorzugsweise an den Umriss der äußeren Wand angepasst ist.
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7 zeigt ein zylindrisches Schwingelement 15 einer Schwingsonde 9, welche Schwingsonde 9 an einem (thermisch) isolierenden Gehäuse angebracht ist, wobei das Gehäuse zusätzlich einen Mediumseinlass aufweist. Der Mediumseinlass wird dabei durch ein Ventil 113 gebildet, durch welches der Medienzustrom in den Behälter gesteuert werden kann.
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Das Schwingelement 15 weist in dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen zylindrisches Referenzelement 5 auf. Das Referenzelement 5 ist dabei an einem Ende eines länglichen Arms des Schwingelements 15 angeordnet. Das zylindrische Referenzelement 5 bildet dabei ebenfalls einen Hohlkörper, der wenigstens teilweise oder nur teilweise mit dem Referenzmaterial 6 gefüllt ist.
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In 8 ist eine Schwingsonde 9 mit einem Schwingelement 15, d. h. einem einzigen Schwingelement 15 gezeigt, das zwei Referenzelemente 5 aufweist. Die Referenzelemente 5 weisen dabei eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und sind unmittelbar nebeneinander versetzt entlang der Längsachse des Schwingelements 15 angeordnet. Die beiden Referenzelemente 5 sind dabei unmittelbar an einem Ende, vorzugsweise dem freischwingenden Ende des Schwingelements 15, angeordnet.
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Das erste Referenzelement 5 beinhaltet dabei ein erstes Referenzmaterial 6 und das zweite Referenzelement 5 ein zweites Referenzmaterial 6 das sich zumindest hinsichtlich der Temperatur bei dem das erste Referenzmaterial 6 und das zweite Referenzmaterial 6 einen Phasenübergang durchlaufen voneinander unterscheiden. Das erste Referenzelement und das zweite Referenzelement sind jeweils mit den Temperaturmessertaufnehmern 7 ausgestattet.
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Die Schwingsonde 9 ist gemäß der Ausführungsform in 8 als Rotationsschwinger ausgestaltet, d. h. das Schwingelement 15 rotiert demgemäß um seine Längsachse bspw. in einer Torsionsbewegung.
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Ferner ist es möglich einen Rotationssensor, also einen Sensor dessen primäre Funktion, bspw. Homogenisieren von Mischungen oder Bestimmung der Viskosität etc., durch seine Rotation um eine Drehachse ausgeführt wird, mit einem Referenzelement der vorgeschlagenen Art auszurüsten, so dass bei Auftreten einer Phasenumwandlung des Referenzelements eine Änderung der Rotationsbewegung, bspw. aufgrund einer Änderung des Trägheitsmoments des Rotationssensors, auftritt. Ferner ist möglich einen derartigen Rotationssensor mit einem Temperaturmesswertaufnehmer auszurüsten. Die in Zusammenhang mit der Schwingsonde genannten Ausführungsformen sind dann analog für den Rotationssensor ausführbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erregereinheit
- 2
- Detektionseinheit
- 3
- Auswerteeinheit
- 4
- einarmige Schwingsonde
- 5
- Referenzelement
- 6
- Referenzsubstanz(-material)
- 7
- Temperaturmesswertaufnehmer
- 8
- zweiarmige Schwingsonde
- 9
- Schwingsonde
- 10
- paddelförmiges Endstück
- 11
- Heizelement
- 12
- Prozessanschluss
- 13
- Ventil
- 14
- Temperaturmesswertaufnehmer
- 15
- Schwingelement
- 112
- Isolationselement
- 21
- Gehäuse
- M
- Medium
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0985916 A1 [0002]
- DE 10203461 A1 [0003]
- DE 10131081 A1 [0004]
