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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter. Bei den Prozessgrößen, die neben dem Füllstand (Grenzstanddetektion) mit vibronischen Sensoren überwacht werden können, handelt es sich insbesondere um die Dichte und die Viskosität. Entsprechende Sensoren zur Bestimmung und Überwachung des Grenzstands von flüssigen Medien und rieselfähigen Feststoffen, der Dichte und/oder der Viskosität von Flüssigkeiten werden von der Anmelderin u. a. unter der Bezeichnung LIQUIPHANT und SOLIPHANT angeboten und vertrieben.
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Für den Antrieb von vibronischen Sensoren werden entweder piezoelektrische Bimorphantriebe oder Stapelantriebe verwendet. Bei einem Bimorphantrieb ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element, das kraftschlüssig mit der schwingfähigen Einheit verbunden ist, in unterschiedliche aufgeteilt. Bei einem Stapelantrieb sind auf einem Bolzen mehrere kraftschlüssig untereinander und mit der schwingfähigen Einheit verbundene piezoelektrische Elemente angeordnet, wobei ein Teil der piezoelektrischen Elemente die Funktion der Erregereinheit hat und durch ein elektrisches Wechselsignal zu Schwingungen angeregt wird, während ein anderer Teil der piezoelektrischen Elemente die Funktion der Empfangseinheit übernimmt und die Schwingungen der schwingfähigen Einheit in ein elektrisches Antwort-Wechselsignal umwandelt.
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In Bezug auf Stapelantriebe sind mehrere unterschiedliche Lösungen bekannt geworden. In der
DE 39 31 453 C1 wird eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands eines Mediums in einem Behälter beschrieben. Die schwingfähige Einheit in Form eines mechanischen Resonators weist zwei in den Behälter ragende Schwingstäbe auf, die an der dem Medium zugewandten Außenfläche der Membran befestigt sind. Bei dem zumindest einen Erregungswandler und dem zumindest einen Empfangswandler handelt es sich um piezoelektrische Elemente, die in einem Stapel hintereinander auf einem Stehbolzen angeordnet sind. Stehbolzen und Stapel sind in Richtung der Längsachse der Vorrichtung orientiert ist. Der Stapelantrieb und die schwingfähige Einheit sind kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Erregungswandler wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt, wodurch die beiden Schwingstäbe der schwingfähigen Einheit zu gegensinnigen Schwingungen quer zur Längsachse angeregt werden. Der Empfangswandler empfängt die Schwingungen der mechanischen schwingfähigen Einheit und wandelt sie in ein elektrisches Ausgangssignal um. Tritt eine Frequenzänderung der schwingfähigen Einheit auf, so ist dies der Auslöser für eine entsprechende Meldung des vibronischen Sensors, die im Falle einer Überfüllsicherung lautet: ”schwingfähige Einheit ist in Kontakt mit dem Medium” bzw. ”Grenzstand erreicht” oder ”schwingfähige Einheit schwingt frei” bzw. ”Grenzstand ist nicht erreicht”.
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Aus der
DE 42 01 360 A1 ist eine weitere Einrichtung zur Füllstandsmessung bekannt geworden. Bei dieser Lösung sind die Verlängerungen der Schwingstäbe durch die Membran hindurchgeführt. Der Stapelantrieb ist zwischen den Verlängerungen der Schwingstäbe angeordnet, so dass die Schwingungen, die vom Stapelantrieb erzeugt werden, direkt auf die Verlängerungen bzw. die Schwingstäbe einwirken. Auf umgekehrtem Wege werden die Schwingungen der Schwingstäbe von der Empfangseinheit empfangen.
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In der
EP 0 950 879 A1 ist eine Lösung beschrieben, bei der der Stapelantrieb ebenfalls näherungsweise senkrecht zu den Schwingstäben angeordnet ist, allerdings ist der Stapelantrieb in diesem Fall seitlich zu den Verlängerungen der Schwingstäbe orientiert.
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Bei allen bekannten Lösungen wird der aus piezoelektrischen bzw. elektromechanischen Elementen gebildete Stapelantrieb mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt, bzw. er ist mit einer definierten Kraft vorgespannt. Die definierte Kraft wirkt hierbei gleichmäßig auf die elektromechanischen Elemente der Erregereinheit und die elektromechanischen Elemente der Empfangseinheit. Bei Aktivierung der Erregereinheit und Anregung der schwingfähigen Einheit wirkt eine harmonische Kraft auf die Membran oder die Schwingstabenden – je nach Ausgestaltung des Stapelantriebs. Diese harmonische Kraft wirkt jedoch nicht nur dort, wo sie wirken soll – also an der Membran bzw. an den Verlängerungen der Schwingstäbe – sondern sie beeinflusst auch die piezoelektrischen Elemente der Empfangseinheit. Es kommt zu einem Übersprechen: Als Folge der harmonischen Krafteinwirkung wird in der Empfangseinheit ein Wechselspannungssignal erzeugt, das gegenüber dem Anregungssignal phasenverschoben ist. Das harmonische Anregungssignal und das phasenverschoben harmonische Empfangssignal addieren sich, was zu einer Schwächung und eine Verfälschung der Phase des Empfangssignals der schwingfähigen Einheit führt. Besonders kritisch ist dieser Effekt in stark dämpfenden Medien, wie Schüttgüter und viskosen Flüssigkeiten, da er eine Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit herbeiführt: Unterhalb eines Grenzwertes lassen sich die gedämpften schwachen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei den bekannten Lösungen nicht mehr detektieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vibronische Vorrichtung vorzuschlagen, die auch in hochdämpfenden Medien, wie z. B. Schüttgüttern eingesetzt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst. Es handelt sich erfindungsgemäß um eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter, mit einem Gehäuse und einer mit dem Gehäuse verbundenen schwingfähigen Einheit, die derart in dem Behälter angeordnet ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, oder die auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht ist, mit einer Erregereinheit, die die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt. Weiterhin ist eine Empfangseinheit vorgesehen, die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt. Der vibronische Sensor weist eine Einstelleinheit auf, die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit und die Empfangseinheit unabhängig voneinander mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt sind bzw. beaufschlagt werden. Eine Regel-/Auswerteeinheit stellt anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderung einer Komponente der Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Erregereinheit und die Empfangseinheit – zumindest weitgehend – mechanisch und elektrisch voneinander zu entkoppeln. Somit regt die Erregereinheit näherungsweise ausschließlich die schwingfähige Einheit zu Schwingungen an, während die von der Empfangseinheiten detektierten Schwingungen der Empfangseinheit nicht durch die Anregungssignale der Erregereinheit beeinflusst werden und umgekehrt. Hierdurch ist es möglich, auch noch die in dämpfenden, viskosen gedämpften schwachen Schwingungen zu detektieren und auszuwerten. Die Sensorempfindlichkeit wird erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einstelleinheit so ausgestaltet ist, dass die Vorspannung, die auf die Erregereinheit ausgeübt wird, verschieden ist von der Vorspannung, die auf die Empfangseinheit ausgeübt wird. Somit ist es möglich, die Erregereinheit und die Empfangseinheit individuell mit unterschiedlichen Vorspannungen zu beaufschlagen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein mechanisches Übersprechen zwischen der Erregereineit und der Empfangseinheit unterdruckt werden kann.
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In einer konkreten Ausführungsform weist die Einstelleinheit zumindest einen Bolzen, ein erstes Einstellelement und ein zweites Einstellelement auf. Die Anregungseinheit und die Empfangseinheit sind bezüglich des Bolzens hintereinander angeordnet. Zwischen der Erregereinheit und der Empfangseinheit bzw. zwischen der Empfangseinheit und der Erregereinheit befindet sich das erste Einstellelement, während das zweite Einstellelement hinter der Empfangseinheit bzw. hinter der Erregereinheit angeordnet ist.
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Bevorzugt weist die Erregereinheit zumindest ein koaxial zum Bolzen angeordnetes elektromechanisches bzw. piezoelektrisches Erregerelement auf. Ebenso weist die Empfangseinheit zumindest ein koaxial zum Bolzen angeordnetes elektromechanisches bzw. piezoelektrisches Empfangselement auf.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Bolzen um einen Stehbolzen, der axial zur Längsachse des Gehäuses angeordnet ist. Hierbei ist das erste Einstellelement als Druckschraube ausgebildet und mit der Innenwand des Gehäuses verbunden bzw. verbindbar. Bei dem zweiten Einstellelement handelt es sich um eine Druckmutter, die mit dem Stehbolzen verbunden bzw. verbindbar ist. Über separates Anziehen der Druckschraube und der Druckmutter ggf. noch mit unterschiedlichen, aber definierten Vorspannungskräften lässt sich die Messempfindlichkeit des vibronischen Sensors so erhöhen, dass zuverlässige Messungen in hochviskosen Medien möglich sind. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Lösung auch ohne weiteres bei den in der Beschreibungseinleitung genannten Varianten von Stapelantrieben zum Einsatz kommen kann – auch wenn sie in dieser Patentanmeldung explizit nur für die Variante mit Stehbolzen beschrieben ist.
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Im Prinzip kann die Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit allen bekannten Ausgestaltungen entsprechen:
- – es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um zwei über eine Membran an dem Gehäuse befestigte Gabelzinken handeln → Schwinggabel;
- – es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um einen über eine Membran an dem Gehäuse befestigten Schwingstab handeln → Schwingstab;
- – es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Membran handelt → Membranschwinger.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1a: eine erste aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs,
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1b: eine zweite aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs,
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1c: eine dritte aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs und
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2: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1a zeigt eine erste aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs 6 für einen vibronischen Sensor 1. Das Gehäuse 2 wird in einem dem Medium zugewandten Bereich durch eine Membran 5 verschlossen. Bei der Membran 5 handelt es sich üblicherweise um eine Metallmembran. An der Membran sind z. B. zwei Schwingstäbe symmetrisch angeordnet. Diese sind in 1a nicht gesondert dargestellt.
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Zwischen der Membran 5 und einer Druckschraube 12 sind koaxial zur Längsachse L eine Erregereinheit 6a und eine Empfangseinheit 6b angeordnet. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der Erregereinheit 6a um ein elektromechanisches Erregerelement 7, z. B. eine Piezokeramik, und bei der Empfängereinheit 6b um ein elektromechanisches Empfängerelement 8, z. B. eine Piezokeramik. Sowohl die Anzahl der Erreger- und Empfangselemente 7, 8 ebenso wie deren Anordnung bezüglich der Membran 5 ist beliebig wählbar.
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Die Druckschraube 12 ist über das Schraubgewinde 14 mit dem Gehäusegewinde 15 verschraubt. Über das Anzugsmoment der Druckschraube 12 lässt sich eine definierte Vorspannung auf den Stapelantrieb 6 ausüben. Über eine in der 1a nicht gesondert dargestellte Rückkoppelelektronik wird die Membran 5 mit der schwingfähigen Einheit 3 zu Schwingungen angeregt. Ändert sich das Medium in der Umgebung der schwingfähigen Einheit 3, kommt es zu einer Verstimmung der schwingfähigen Einheit 3, die von einer Auswerteeinheit detektiert wird.
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Wie bereits zuvor erwähnt, wirkt bei den bekannten Lösungen die gleiche harmonische Kraft auf die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b. Wird die Erregereinheit 6a angeregt, so wirkt die entsprechende harmonische Kraft auch auf die Empfangseinheit 6b. In der Empfangseinheit 6b wird ein elektrisches Signal erzeugt, das zu dem Anregungssignal phasenverschoben ist. Die elektrischen Signale addieren sich, was zu einer Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit führt. Als Folge davon lassen sich schwache Schwingungen der schwingfähigen Einheit 3 in zähen Medien nicht mehr mit ausreichender Sicherheit detektieren.
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1b zeigt eine zweite aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs 6, die konstruktiv von der in 1a gezeigten Lösung abweicht. Jedoch liegt auch hier – ebenso wie in 1a – an der Erregereinheit 6a und der Empfangseinheit 6b dieselbe Vorspannung σ an. Bei der in 1b gezeigten Lösung ist der Stehbolzen 10 mittig an der Membran 5 angeschweißt. Die Erregereinheit 6a, ein ringförmiges elektromechanisches Erregerelement 7, und die Empfangseinheit 6b, ein ringförmiges elektromechanisches Empfängerelement 8, sind zwischen einem koaxial an der Innenfläche der Membran 5 anliegenden Haltering 18 und einer mit dem Stehbolzen 10 verschraubten Mutter 13 eingespannt. Zwischen der Erregereinheit 6a und der Mutter 13 ist noch ein Metallring 19 vorgesehen.
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In
1c ist schematisch eine dritte aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs
6 gezeigt. Der wesentliche Unterschied zu den in
1a und
1b gezeigten Varianten ist darin zu sehen, dass hier der Stapelantrieb
6 nicht in Richtung der Längsachse L des vibronischen Sensors
1 orientiert ist, sondern quer zur Längsachse L angeordnet ist. Die Lösung ist in der bereits zuvor erwähnten und beschriebenen
DE 42 01 360 A1 offenbart. Wiederum werden die Erregereinheit
6a und die Empfangseinheit
6b mit derselben Vorspannung σ beaufschlagt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1. Der mechanische Teil des vibronischen Sensors 1 weist ein Gehäuse 2 und eine mit dem Gehäuse 2 verbundenen schwingfähigen Einheit 3 auf. Letztere ist in der 2 als Schwinggabel mit zwei Schwingstäben 4 nur angedeutet. Soll die Viskosität oder die Dichte eines Mediums bestimmt werden, so ist die schwingfähige Einheit 3 so an dem Behälter angeordnet, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht. Für die Füllstandsdetektion ist die schwingfähige Einheit 3 auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht.
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Auf einem Stehbolzen 10 sind eine Erregereinheit 6a, die die schwingfähige Einheit 3 zu Schwingungen anregt, und eine Empfangseinheit 6b, die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) empfängt, angeordnet. Weiterhin ist auf dem Stehbolzen 10 eine Einstelleinheit 11 vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b unabhängig voneinander mit definierten Vorspannungen σ1, σ2 beaufschlagt bzw. beaufschlagbar sind. Die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b sind axial auf dem Bolzen 10 hintereinander angeordnet.
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Zu der Einstelleinheit gehören im gezeigten Fall im Prinzip vier Komponenten: der Bolzen 10, ein erstes Einstellelement 12, ein zweites Einstellelement 13 und das Gehäuse 2. Zwischen der Erregereinheit 6a und der Empfangseinheit 6b ist das erste Einstellelement 12 angeordnet. Das zweite Einstellelement 13 ist in axialer Richtung hinter der Empfangseinheit 6b angeordnet. Das erste Einstellelement 12 ist als Druckschraube ausgebildet, die über das Gewinde 14 und das Gehäusegewinde 15 mit dem Gehäuse 2 verschraubt ist. Über die Druckschraube 12 lässt sich individuell die auf die Erregereinheit 6a ausgeübte Vorspannung σ1 bzw. die Kraft FA einstellen. Bei dem zweiten Einstellelement 13 handelt es sich um eine Druckmutter 13, die an dem Stehbolzen 10 über die Gewinde 20, 21 verschraubt ist. Wiederum ist es möglich, über das Anzugsmoment der Druckmutter 13 die auf die Empfangseinheit 6b ausgeübte Vorspannung σ2 bzw. die Kraft FB individuell einzustellen. Zwischen der Empfangseinheit 6b und der Druckmutter 13 befindet sich noch eine Metallscheibe 17. Bevorzugt ist die Einstelleinheit 11 so ausgestaltet, dass die Vorspannung, die auf die Erregereinheit 6a ausgeübt wird, verschieden ist von der Vorspannung, die auf die Empfangseinheit 6b ausgeübt wird. Die Vorspannungen σ1, σ2 sind so gewählt, dass sie ein Übersprechen weitgehend verhindern. Erfindungsgemäß werden die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b über die Einstelleinheit 11 voneinander entkoppelt.
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Die Regel-/Auswerteeinheit 9 stellt anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderung einer Komponente der Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung. Bei den Komponenten der Schwingung handelt es sich um die Amplitude, die Frequenz oder die Phase bzw. die Phasenverschiebung zischen Erreger- und Empfangssignal.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingungssensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- schwingfähige Einheit
- 4
- Schwingstab
- 5
- Membran
- 6
- Stapelantrieb
- 6a
- Erregereinheit
- 6b
- Empfangseinheit
- 7
- elektromechanisches/piezoelektrisches Erregerelement
- 8
- elektromechanisches/piezoelektrisches Empfangselement
- 9
- Regel-/Auswerteeinheit
- 10
- Bolzen/Stehbolzen
- 11
- Einstelleinheit
- 12
- erstes Einstellelement/Druckschraube
- 13
- zweites Einstellelement/Druckmutter
- 14
- Gewinde am ersten Einstellelement
- 15
- Gewinde am Gehäuse
- 16
- Innenwand des Gehäuses
- 17
- Metallscheibe
- 18
- Haltering
- 19
- Metallscheibe
- 20
- Gewinde am Bolzen
- 21
- Gewinde an Druckmutter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3931453 C1 [0003]
- DE 4201360 A1 [0004, 0025]
- EP 0950879 A1 [0005]
