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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit, insbesondere in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit. Die Prozessgröße ist beispielsweise gegeben durch den Füllstand oder den Durchfluss des Mediums oder auch durch dessen Dichte oder Viskosität. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behälter, einem Tank, oder auch in einer Rohrleitung.
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In der Automatisierungstechnik werden unterschiedlichste Feldgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße, insbesondere einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße, eingesetzt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Redoxpotentialmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte usw., welche die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeit usw. erfassen. Die jeweiligen Messprinzipien sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.
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Ein Feldgerät umfasst typischerweise zumindest eine zumindest teilweise und zumindest zeitweise mit dem Prozess in Berührung kommende Sensoreinheit und eine Elektronikeinheit, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung dient. Als Feldgeräte werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung im Prinzip alle Messgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten, also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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In einer Reihe von entsprechenden Feldgeräten kommen elektromechanische Wandlereinheiten zum Einsatz. Beispielsweise seien hier vibronische Sensoren, wie beispielsweise vibronische Füllstands- oder Durchflussmessgeräte genannt, aber auch in Ultraschall-Füllstandsmessgeräten oder -Durchflussmessgeräten werden sie verwendet. Auf jede Gattung von Feldgerät mit einer elektromechanischen Wandlereinheit und dessen zugrundeliegendes Messprinzip gesondert und detailliert einzugehen, würde den Rahmen der vorliegenden Anmeldung sprengen. Deshalb beschränkt sich der Einfachheit halber die nachfolgende Beschreibung dort, wo auf konkrete Feldgeräte Bezug genommen wird, beispielhaft auf Füllstandsmessgeräte mit einer schwingfähigen Einheit.
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Die schwingfähige Einheit eines solchen, auch als vibronischer Sensor bezeichneten Füllstandsmessgeräts, ist beispielsweise eine Schwinggabel, ein Einstab oder eine Membran. Die schwingfähige Einheit wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, üblicherweise in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise eine piezoelektrische, elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheit sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Grunde bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
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Zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit sind unterschiedlichste, sowohl analoge als auch digitale Verfahren entwickelt worden. In vielen Fällen ist die Antriebs-/Empfangseinheit Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥ 1 sowie alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Dies hat zur Folge, dass eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet werden muss. Hierfür sind unterschiedlichste Lösungen bekannt geworden. Prinzipiell kann die Einstellung der Phasenverschiebung beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Filters vorgenommen werden, oder auch mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt werden. Aus der
DE 10 2006 034 105 A1 ist beispielsweise bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der
DE 10 2007 013 557 A1 beschrieben. Die
DE 10 2005 015 547 A1 schlägt die Verwendung eines Allpass vor. Die Einstellung der Phasenverschiebung ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs möglich, wie beispielsweise in der der
DE 10 2009 026 685 A1 ,
DE 10 2009 028 022 A1 , und
DE 10 2010 030 982 A1 offenbart. Die Phasenverschiebung kann aber auch mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL) auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden. Ein hierauf basierendes Anregungsverfahren ist Gegenstand der DE00102010030982A1.
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Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz, Amplitude und/oder Phase. Änderungen in diesen Größen werden dann üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, oder anhand einer Dämpfung der Schwingungsamplitude, unterschieden.
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Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Aus der
DE10050299A1 , der
DE 10 2006 033 819 A1 und der der
DE 10 2007 043 811 A1 ist bekannt geworden, die Viskosität eines Mediums anhand der Frequenz-Phase-Kurve (Φ = g(f)) zu bestimmen. Dieses Vorgehen basiert auf der Abhängigkeit der Dämpfung der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums. Um den Einfluss der Dichte auf die Messung zu eliminieren, wird die Viskosität anhand einer durch zwei unterschiedliche Werte für die Phase verursachten Frequenzänderung bestimmt, also mittels einer Relativmessung. Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums wird hingegen gemäß der
DE10057974A1 der Einfluss von zumindest einer Störgröße, beispielswese der Viskosität, auf die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt und kompensiert. In der
DE 10 2006 033 819 A1 ist ferner beschrieben, eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal einzustellen, bei welcher Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vernachlässigbar sind. Bei dieser Phasenverschiebung lässt sich eine empirische Formel zur Bestimmung der Dichte aufstellen.
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Die Antriebs-/Empfangseinheit ist, wie bereits erwähnt, in der Regel als eine elektromechanische Wandlereinheit ausgestaltet. Oftmals umfasst sie zumindest ein piezoelektrisches Element in unterschiedlichsten Ausgestaltungen. Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts lässt sich nämlich ein hoher Wirkungsgrad erzielen. Dabei sei unter dem Begriff Wirkungsgrad die Effizienz der Umwandlung der elektrischen in mechanische Energie verstanden. Entsprechende piezokeramische Werkstoffe auf PZT-Basis (Bleizirkonattitanat) sind normalerweise für den Einsatz bei Temperaturen bis 300°C geeignet. Zwar gibt es piezokeramische Werkstoffe, die auch bei Temperaturen oberhalb von 300°C ihre piezoelektrischen Eigenschaften bewahren; diese haben jedoch den Nachteil, dass sie deutlich ineffektiver sind als die Werkstoffe auf PZT-Basis. Für den Einsatz in vibronischen Sensoren sind diese Hochtemperaturwerkstoffe darüber hinaus aufgrund der großen Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen und keramischen Stoffen nur bedingt geeignet. Wegen ihrer Funktion als Kraftgeber muss das zumindest eine piezoelektrische Element kraftschlüssig mit einer Membran, welche Teil der schwingfähigen Einheit ist, verbunden sein. Insbesondere bei hohen Temperaturen kommt es aber vermehrt zu großen mechanischen Spannungen, die einen Bruch des piezoelektrischen Elements und damit einhergehend einen Totalausfall des Sensors zur Folge haben können.
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Eine Alternative, welche für den Einsatz bei hohen Temperaturen besser geeignet sein kann, stellen sogenannte elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten dar, wie beispielsweise in den Druckschriften
WO 2007/113011 und
WO 2007/114950 A1 beschrieben. Die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt hierbei über ein Magnetfeld. Eine entsprechende elektromechanische Wandlereinheit umfasst zumindest eine Spule und einen Permanentmagneten. Mittels der Spule wird ein den Magnet durchsetzendes magnetisches Wechselfeld erzeugt, und über den Magneten eine periodische Kraft auf die schwingfähige Einheit übertragen. Üblicherweise überfolgt die Übertragung dieser periodischen Kraft ähnlich dem Prinzip eines Stößels, welcher mittig auf die Membran aufsetzt. Auf diese Weise wird die Antriebs-/Empfangseinheit für einen Temperaturbereich zwischen –200°C und 500°C einsetzbar. Oftmals besteht jedoch keine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Membran und der Antriebs-/Empfangseinheit, so dass der Wirkungsgrad des jeweiligen Feldgeräts gegenüber einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit reduziert ist.
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Neben der jeweils verwendeten Antriebs-/Empfangseinheit sind diverse elektronische Komponenten, welche üblicherweise als Teil einer Elektronikeinheit in einem Feldgerät integriert sind, limitierend für die maximale Prozesstemperatur, bei welcher das jeweilige Feldgerät noch eingesetzt werden kann. Um derartige temperaturempfindliche elektronische Komponenten von einem Prozess zu entkoppeln, besteht eine gängige Methode in der Integration eines sogenannten Temperaturdistanzrohres in den konstruktiven Aufbau des jeweiligen Feldgeräts. Beispielsweise handelt es sich um ein Rohr, welches Teil des Gehäuses des Feldgeräts ist, und welches aus einem Material gefertigt ist, dass sich durch eine hohe Wärmeisolation auszeichnet. In dieser Hinsicht sei beispielsweise auf die
EP2520892A1 verwiesen, in welcher beschrieben ist, einen Abschnitt des Gehäuses eines Messgeräts derart auszugestalten, dass bei Vorliegen eines Temperaturunterschieds zwischen einer Umgebung des Prozessanschlusses und der Elektronikeinheit ein geringer Wärmestrom parallel zu einer Längsachse des Gehäuses zur Elektronikeinheit fließt.
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Um eine möglichst effiziente Temperaturentkopplung der Antriebs-/Empfangseinheit vom jeweiligen Prozess zu gewährleisten, wäre es wünschenswert, auch die Antriebs-/Empfangseinheit räumlich vom Prozess zu separieren. Allerdings ist eine derartige Entkopplung nicht einfach zu realisieren, da ein effizienter Kraftübertrag auf die Membran gegebenenfalls nicht mehr möglich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät mit einer elektromechanischen Wandlereinheit bereitzustellen, welches für den Einsatz bei hohen Prozesstemperaturen geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend zumindest
- – eine schwingfähige Einheit mit zumindest einer in mechanische Schwingungen versetzbaren Membran,
- – zwei senkrecht zu einer Grundfläche der Membran an der Membran befestigte Stangen,
- – ein Gehäuse, wobei die Membran zumindest einen Teilbereich einer Wandung des Gehäuses bildet, und wobei die beiden Stangen ins Gehäuseinnere gerichtet sind,
- – zumindest eine Antriebs-/Empfangseinheit, welche im der Membran abgewandten Endbereich der beiden Stangen angeordnet ist, welche Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals und mittels der beiden Stangen zu mechanischen Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und
- – eine Elektronikeinheit, welche dazu ausgestaltet ist, aus dem Empfangssignal ein Anregesignal zu erzeugen, und die zumindest eine Prozessgröße zumindest aus dem Empfangssignal zu ermitteln.
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Das Gehäuse sowie die Stangen dienen dabei der räumlichen Separation der Antriebs-/Empfangseinheit vom Prozess. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bestens für den Einsatz in einem erweiterten Temperaturbereich, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen, geeignet. Die direkte, insbesondere kraftschlüssige Verbindung der Stangen mit der Membran sorgt trotz der räumlichen Trennung für einen hohen Wirkungsgrad der Kraftübertragung von der Antriebs-/Empfangseinheit auf die schwingfähige Einheit. Trotzdem ist der konstruktive Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleichsweise einfach.
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Bei der Antriebs-/Empfangseinheit, insbesondere einer elektromechanischen Wandlereinheit, kann es sich sowohl um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit handeln, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Diese kann beispielsweise zumindest an den beiden Stangen befestigt sein, wobei es sich insbesondere um eine kraftschlüssige Verbindung handelt. Alternativ kann sie jedoch auch derart innerhalb des Gehäuses angeordnet sein, dass sie die beiden Stangen nicht berührt.
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Es ist von Vorteil, wenn die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die beiden Stangen in mechanische Schwingungen zu versetzen, wobei die beiden Stangen derart an der Membran befestigt sind, dass aus den Schwingungen der beiden Stangen Schwingungen der Membran resultieren. Es breiten sich also Wellen mit einer durch die Antriebs-/Empfangseinheit vorgegebenen Wellenlänge λ entlang der Stangen aus. Dazu werden die Stangen mittels der Antriebs-/Empfangseinheit frequenzrichtig auseinander gedrückt oder zusammengezogen. Die beiden Stangen verhalten sich entsprechend wie ein mechanischer Resonator. Da die Stangen mit der Membran verbunden, insbesondere kraftschlüssig verbunden, sind, wird folglich auch die schwingfähige Einheit in mechanische Schwingungen versetzt. Umgekehrt empfängt die Antriebs-/Empfangseinheit die Wellen, welche sich ausgehend von der schwingfähigen Einheit entlang der beiden Stangen ausbreiten, und generiert daraus ein elektrisches Empfangssignal.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Länge L der Stangen in Bezug auf die Wellenlänge der sich entlang der beiden Stangen ausbreitenden Wellen L = nλ/2 + λ/4 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Länge der Stangen wird also entsprechend einer gewünschten Anregefrequenz und im Hinblick auf die jeweils notwendige Temperaturentkopplung angepasst.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich ein Fixierungselement, mittels welchem Fixierungselement die beiden Stangen im der Membran abgewandten Endbereich mechanisch miteinander gekoppelt sind. Dazu sind die beiden Stangen und das Fixierungselement beispielsweise kraftschlüssig miteinander verbunden. Die beiden Strangen sind also sowohl mittels der Membran also auch mittels des Fixierungselements miteinander gekoppelt. Wieder werden die Stangen mittels der Antriebs-/Empfangseinheit frequenzrichtig auseinander gedrückt oder zusammengezogen derart, dass sich eine Welle entlang der beiden Stangen ausbreitet und die schwingfähige Einheit in mechanische Schwingungen versetzt wird.
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Es ist von Vorteil, wenn die Frequenz des Anregesignals und/oder die Länge L der beiden Stangen derart gewählt sind, dass sich eine stehende Welle entlang der Stangen ausbreitet. Auf diese Weise kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Länge L der Stangen in Bezug auf die Wellenlänge der sich entlang der beiden Stangen ausbreitenden Wellen L = nλ/2 beträgt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Länge der Stangen wird also entsprechend einer gewünschten Anregefrequenz und im Hinblick auf die jeweils notwendige Temperaturentkopplung so angepasst, dass sich stehende Wellen ausbreiten können.
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Für eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Fixierungselement eignet sich insbesondere eine Antriebs-/Empfangseinheit, welche zumindest ein piezoelektrisches Element umfasst.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Stangen und/oder das Gehäuse aus einem Material gefertigt sind, welches eine gute Wärmeisolation bietet. Dies erhöht den Grad der Wärmeisolation. Dem Gehäuse kommt also nicht nur die Funktion eines Schutzes der darin enthaltenen Komponenten wie der Stangen zu. Vielmehr dient das Gehäuse auch als Temperaturdistanzrohr. Die Elektronikeinheit kann dann entweder im dem Prozess abgewandten Bereich des Temperaturdistanzrohrs untergebracht sein, oder aber das Gehäuse umfasst einen gesonderten Bereich, innerhalb welchem die Elektronikeinheit angeordnet ist. An jenem Teilbereich des Gehäuses, welcher als Temperaturdistanzrohr dient, ist insbesondere ferner der Prozessanschluss befestigt. Die genaue Lage des Prozessanschlusses entlang des Gehäuses ergibt sich dabei aus den jeweiligen besonderen Einbauanforderungen.
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Es ist von Vorteil, wenn die Prozessgröße gegeben ist durch einen Füllstand oder den Durchfluss des Mediums in dem Behältnis, oder durch die Dichte oder die Viskosität des Mediums.
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Einerseits kann es sich bei der schwingfähigen Einheit um einen Membranschwinger handeln. Andererseits sieht eine Ausgestaltung vor, dass an der Membran der schwingfähigen Einheit zumindest ein Schwingstab befestigt ist. Dann ist die schwingfähige Einheit ein Einstab oder eine Schwinggabel.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Antriebs-/Empfangseinheit zumindest ein piezoelektrisches Element. Es handelt sich also um eine piezoelektrische Wandlereinheit, wie beispielsweise einem Stapel- oder Bimorphantrieb. Alternativ kann es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit aber auch um einen elektromagnetischen Antrieb mit zumindest einer Spule und einem Magneten handeln. Ferner sind auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheiten denkbar. Durch die räumliche Separation muss die jeweils verwendete Antriebs-/Empfangseinheit keine besonderen Bedingungen hinsichtlich der Temperaturempfindlichkeit erfüllen. Sie kann vielmehr in Bezug auf ihren Wirkungsgrad bei der Kraftübertragung auf die beiden Stangen hin optimiert werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die schwingfähige Einheit in einer definierten Position innerhalb des Behältnisses angeordnet ist, derart, dass sie bis zu einer bestimmbaren Eintauchtiefe in das Medium eintaucht. Auf diese Weise lassen sich die Prozessgrößen Viskosität und/oder Dichte bestimmen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die schwingfähige Einheit eine Schwinggabel mit zwei Schwingstäben, wobei die beiden an der Membran befestigten Stangen und die beiden an der Membran befestigten Schwingstäbe einander spiegelsymmetrisch bezogen auf die Ebene senkrecht zur Längsachse durch die Stangen und/oder Schwingstäbe gegenüberliegend angeordnet sind. Jeweils ein Schwingstab und eine Stange verlaufen also im Wesentlichen entlang der gleichen gedachten Linie parallel zu ihrer beider Längsachsen. Insbesondere sind die beiden Stangen und Schwingstäbe derart angeordnet, dass sie sich im gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Grundfläche der Membran senkrecht zur Längsachse der Stangen und Schwingstäbe befinden. Diese symmetrische Anordnung im Falle eines vibronischen Sensors mit einer Schwinggabel als schwingfähiger Einheit kann einen besonders hohen Wirkungsgrad erzielen.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die beiden Schwingstäbe und die Membran einen ersten mechanischen Resonator bilden, und wenn die beiden Stangen und die Membran einen zweiten mechanischen Resonator bilden. Dann sind der erste und der zweite Resonator mittels der Membran miteinander mechanisch gekoppelt, wobei die Frequenz des Anregesignals derart gewählt ist, dass der erste und zweite Resonator in einer antisymmetrischen Schwingungsmode bezogen auf die Ebene durch die Membran senkrecht zur Längsachse der Stangen und/oder Schwingstäbe schwingen.
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Die Schwingstäbe, Stangen und die Membran bilden also ein gekoppeltes Schwingsystem, wobei die Kopplung durch die Membran bestimmt wird. In solch einem gekoppelten Schwingsystem treten zwei Resonanzfrequenzen auf. Sofern diese Resonanzfrequenzen ausreichend dicht beieinander liegen, schwingen die Stangen und Schwingstäbe, also der erste und zweite mechanische Resonator gleichzeitig mit großer Schwingungsamplitude. Dies wird in Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 noch ausführlich beschrieben werden wird.
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In einer Ausgestaltung sind die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen derart gewählt, dass die Schwingfrequenz des ersten Resonators und die Schwingfrequenz des zweiten Resonators im Falle, dass die schwingfähige Einheit nicht von Medium bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Die Resonanzfrequenz des ersten bzw. zweiten Resonators bestimmt sich aus der Länge sowie der geometrischen Ausgestaltung der Stangen bzw. Schwingstäbe, und durch die Art der Verbindung mit der Membran. Verwendet man beispielsweise eine Schwinggabel, wie sie in den von der Anmelderin vertriebenen LIQUIPHANTEN oder SOLIPHANTEN eingesetzt wird, so ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bereits festgelegt. Dann kann durch geeignete Wahl der Länge, des Durchmessers, der Wanddicke und der Ausgestaltung der Verbindung zur Membran die Resonanzfrequenz des zweiten mechanischen Resonators, welcher die Stangen beinhaltet, auf die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit angepasst werden.
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In einer anderen Ausgestaltung sind die Länge L und/oder die Steifigkeit der beiden Stangen derart gewählt, dass die Schwingfrequenz des ersten Resonators und die Schwingfrequenz des zweiten Resonators im Falle, dass die schwingfähige Einheit von einem wählbaren Referenzmedium bedeckt ist, im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Damit lässt sich die Vorrichtung auf ein bestimmtes gewünschtes Referenzmedium anpassen. Der Dämpfung der Schwingungen der schwingfähigen Einheit durch dieses Medium wird dadurch entgegengewirkt, vgl. auch die nachfolgende Beschreibung.
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Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1–4 näher beschrieben. Es zeigt:
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1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
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2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer schwingfähigen Einheit in Form einer Schwinggabel, (a) ohne Fixierungselement, und (b) mit Fixierungselement.
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3 die symmetrische (a) und die antisymmetrische (b) Schwingungsmode des ersten und zweiten gekoppelten Resonators des gekoppelten Schwingsystems aus 2, und
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4 ein Diagramm der beiden Resonanzfrequenzen des ersten und zweiten Resonators einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2 oder 3.
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In 1 ist ein vibronisches Füllstandsmessgerät 1 gezeigt. Eine Sensoreinheit 2 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 3 in Form einer Schwinggabel taucht teilweise in ein Medium 4 ein, welches sich in einem Behälter 5 befindet. Die schwingfähige Einheit 3 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 6, in der Regel einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb, aber auch eine elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheit sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Füllstandsmessgeräts möglich sind. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 7 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
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In 2a ist schematisch eine erste Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. In der unteren Wandung eines Gehäuses 8 ist eine Membran 9 eingebracht. An dieser Seitenfläche schließt das Gehäuse 8 also mit der Membran 9 ab. In diesem Beispiel sei das Gehäuse 8 zylinderförmig und die Membran 9 scheibenförmig mit kreisrunder Grundfläche A. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Geometrien denkbar sind und unter die vorliegende Erfindung fallen. Senkrecht zur Grundfläche A der Membran 9 und ins Innere des Gehäuses 8 hineinreichend sind zwei Stangen 10a, 10b an der Membran 9 befestigt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine kraftschlüssige Verbindung. Die Grundfläche der Membran 9 liegt dann in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der beiden Stangen. Beispielsweise sind die beiden Stangen 10a, 10b entlang einer gedachten Linie bzw. Achse durch den Mittelpunkt der Grundfläche A der Membran 9 symmetrisch um diesen Mittelpunkt herum angeordnet.
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Im der Membran 9 abgewandten Endbereich der beiden Stangen 10a, 10b ist eine Antriebs-/Empfangseinheit 11 angeordnet. Diese kann einerseits zumindest an den beiden Stangen 10a, 10b befestigt sein. Im hier gezeigten Beispiel ist die Antriebs-/Empfangseinheit jedoch derart innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet, dass sie die beiden Stangen 10a, 10b nicht berührt. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit 11 handelt es sich um eine elektromechanische Wandlereinheit, insbesondere eine piezoelektrische Wandlereinheit mit zumindest einem piezoelektrischen Element, oder eine elektromagnetische Wandlereinheit.
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In dem in 2a gezeigten Beispiel besteht das Gehäuse aus zwei Teilbereichen 8a, 8b. Der erste Teilbereich 8a umgibt zumindest die beiden Stangen 10a, 10b und die Antriebs-/Empfangseinheit und dient als Temperaturdistanzrohr. Die Länge dieses Temperaturdistanzrohres ist im Wesentlichen an die Länge der beiden Stangen 10a, 10b angepasst. Im zweiten Teilbereich 8b ist die Elektronikeinheit 7 angeordnet. Die beiden Teilbereiche 8a, 8b sind kraftschlüssig miteinander verbunden und derart ausgestaltet, dass signalleitende Kabel und ähnliches von der Sensoreinheit 2 zur Elektronikeinheit 7 geführt werden können. Die Verbindung zwischen beiden Teilbereichen 8a, 8b kann beispielsweise eine Schweiß-, Klebe- oder Lötverbindung sein. Es versteht sich von selbst, dass das Gehäuse 8 auch mehr Teilbereiche umfassen oder auch einstückig gefertigt sein kann. Im mittleren Bereich des ersten Teilbereichs 8a des Gehäuses 8 ist weiterhin ein Prozessanschluss 12 angebracht, welcher mit dem Gehäuse 8 fest verbunden ist. Hier kann es sich ebenfalls um eine Klebe-, Löt- oder Schweißverbindung handeln. Die genaue Position des Prozessanschlusses 12 ergibt sich jeweils aus der individuellen Einbausituation.
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Im fortlaufenden Betrieb wird die Antriebs-/Empfangseinheit mit einem Anregesignal in Form eines Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal beaufschlagt derart, dass die Antriebs-/Empfangseinheit die beiden Stangen 10a, 10b im der Membran 9 abgewandten Endbereich frequenzrichtig auseinander und/oder zusammen, derart dass die beiden Stangen 10a, 10b in Schwingungen versetzt werden. Als Folge breitet sich eine Welle entlang der Stangen 10a, 10b aus, welche aufgrund einer Hebelwirkung zu einer Schwingungsbewegung der schwingfähigen Einheit 3, also insbesondere der Membran 9 führt. Dabei sind die Länge der beiden Stangen 10a, 10b und die Frequenz des Anregesignals unter Berücksichtigung der Anforderungen bezüglich der Temperaturentkopplung aufeinander abgestimmt. Je nach Wahl der Frequenz des Anregesignals und der Länge der Stangen 10a, 10b handelt es sich dann um stehende Wellen, was zu einem besonders hohen Wirkungsgrad bezüglich der Kraftübertragung auf die Membran 9 führt.
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Auf der anderen Seite empfängt die Antriebs-/Empfangseinheit die Amplitude der Wellen, insbesondere stehenden Wellen, welche sich ausgehend von der schwingfähigen Einheit 3 entlang der Stangen 10a, 10b ausbreiten, und wandelt diese in ein elektrisches Empfangssignal um. Die Stangen 10a, 10b bilden dabei mit der Membran 9 einen mechanischen Resonator.
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Auf der dem Gehäuse 8 abgewandten Seite der Membran 9 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 2a außerdem zwei Schwingstäbe 13a, 13b befestigt, welche kraftschlüssig mit der Membran verbunden sind. Entsprechend handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 3 um eine Schwinggabel. Es versteht sich jedoch von selbst, dass als schwingfähige Einheit 3 gleichermaßen auch ein Einstab oder ein Membranschwinger in Frage kommen. Bevorzugt sind die beiden Schwingstäbe 13a, 13b und die beiden Stangen 10a, 10b derart an der Membran 9 befestigt, dass jeweils eine Stange 10a, 10b und ein Schwingstab 13a, 13b entlang der gleichen Längsachse, das ist die Achse senkrecht zur Grundfläche A durch die Membran 9 verlaufen. Dabei schneiden die beiden Längsachsen die Ebene parallel zur Membran 9 im gleichen Abstand zum Mittelpunkt dieser Fläche A. Durch diese symmetrische Anordnung kann ein erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden.
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Eine alternative, jedoch sehr ähnliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 2b gezeigt. Zusätzlich zu den im Zusammenhang mit 2a beschriebenen Komponenten ist in 2b im der Membran 9 abgewandten Endbereich der Stangen 10a, 10b ein Fixierungselement 14 befestigt. Dieses kann beispielsweise scheibenförmig sein und eine runde Querschnittsfläche aufweisen, oder allgemein die gleiche Grundfläche A‘ wie die der Membran 9 aufweisen. Die Antriebs-/Empfangseinheit 11 ist in unmittelbarer Umgebung zum Fixierungselement 14 auf der der Membran 9 zugewandten Seite des Fixierungselements 14 angeordnet. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass auch andere Anordnungen denkbar sind. In diesem Beispiel ist die Antriebs-/Empfangseinheit insbesondere zumindest an den beiden Stangen 10a, 10b befestigt, insbesondere kraftschlüssig befestigt. Die beiden Stangen 10a, 10b sind also in einem ihrer Endbereiche über die Membran 9 miteinander gekoppelt und im zweiten Endbereich über das Fixierungselement 14 gekoppelt. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich bevorzugt um eine Antriebs-/Empfangseinheit 11 mit zumindest einem piezoelektrischen Element.
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Sowohl im Ausführungsbeispiel gemäß 2a also auch im Falle von 2b liegt insgesamt ein gekoppeltes Resonatorsystem vor, bei welchem die beiden Schwingstäbe 13a, 13b der schwingfähigen Einheit 3 mit der Membran 9 einen ersten mechanischen Resonator 15 und die beiden Stangen 10a, 10b mit der Membran 9 und gegebenenfalls dem Fixierungselement 14 einen zweiten mechanischen Resonator 16 bilden. Die mechanische Kopplung der beiden Resonatoren 15, 16 erfolgt im Wesentlichen über die Membran 9, über welche die Kopplung auch einstellbar ist. Beispielsweise kann die Kopplung über die Dicke, oder das Material der Membran 9 beeinflusst werden, aber auch durch die jeweilige Verbindung mit den Schwingstäben 13a, 13b oder Stangen 10a, 10b. In einem derartig gekoppelten Resonatorsystem treten zwei Schwingungsmoden mit zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen (F1, F2) auf, welche in 3 und 4 illustriert sind.
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Bei den beiden Schwingungsmoden handelt es sich um eine symmetrische – und eine antisymmetrische Schwingungsmode, wie in 3 anhand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 2b illustriert. Für ein Ausführungsbeispiel gemäß 2a liegt eine äquivalente Situation vor.
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Bei der symmetrischen Schwingungsmode (3a) schwingen der erste Resonator 15 und der zweite Resonator 16 spiegelsymmetrisch zueinander, bezogen auf die Ebene parallel zur Grundfläche A der Membran 9. Bewegen sich die Stangen 10a, 10b im der Membran 9 abgewandten Endbereich aufeinander zu, so bewegen sich auch die beiden Schwingstäbe 13a, 13b im von der Membran 9 abgewandten Bereich aufeinander zu. Bei der antisymmetrischen Schwingungsmode (3b) dagegen bewegen sich die Stangen 10a, 10b im der Membran 9 abgewandten Endbereich aufeinander zu, wenn sich die beiden Schwingstäbe 13a, 13b voneinander wegbewegen. So bleiben die beiden Stangen 10a, 10b und die beiden Schwingstäbe 13a, 13b in unmittelbarer Umgebung der Membran 9 entlang einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet, was für die symmetrische Schwingungsmode nicht der Fall ist. Die antisymmetrische Schwingungsmode entspricht somit der natürlichen Schwingungsbewegung einer schwingfähigen Einheit 3, wie beispielsweise den in einem LIQUIPHANTEN oder SOLIPHANTEN eingesetzten Schwinggabeln. Dagegen bleibt bei der symmetrischen Schwingungsmode die Membran 9 weitegehend unbewegt.
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Liegen die Resonanzfrequenzen F1, F2 der beiden Schwingungsmoden ausreichend dicht beieinander, schwingen die Schwingstäbe 13a, 13b und die beiden Stangen 10a, 10b im Falle, dass die schwingfähige Einheit 3 nicht in Kontakt mit Medium 4 ist, gleichzeitig mit maximaler Amplitude bezogen auf eine bestimmte Anregeleistung Selbst wenn der erste 15 und der zweite Resonator 16 derart ausgestaltet werden, dass beide als einzelnes System die gleiche Resonanzfrequenz (F1 = F2) aufweisen, werden sich durch die Kopplung der beiden Resonatoren 15, 16 mittels der Membran 9 zwei Resonanzfrequenzen (F1 ≠ F2) bzw. Schwingungsmoden ausbilden, wobei der Abstand zwischen den beiden Resonanzfrequenzen F1, F2 durch die Kopplung bestimmt ist.
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4 zeigt ein Diagramm, in welchem die Frequenzen der beiden Resonatoren 15, 16 gegeneinander aufgetragen sind. Es bezeichnet F1 die Frequenz des ersten Resonators 15 und F2 die Frequenz des zweiten Resonators 16. Während sich die Frequenz F1 beim Eintauchen der schwingfähigen Einheit 3 in ein Medium 4 ändert, bleibt die Frequenz F2 des zweiten Resonators im Wesentlichen konstant. Aufgrund der Kopplung durch die Membran 9 ergeben sich jedoch die beiden Schraffuren R1 des ersten 22 und R2 des zweiten Resonators 16, wobei die Breite der Schraffuren die Schwingungsamplitude des jeweiligen Resonators 15, 16 angibt. Schwingt nun beispielsweise der erste Resonator 15, also die schwingfähige Einheit 6, mit einer Frequenz von F1 = 700Hz, so erfolgt die Schwingungsbewegung mit einer vergleichsweise geringen Schwingungsamplitude. Dabei sei angenommen, dass die Schwingung bei F1 = 700Hz einer Schwingung der schwingfähigen Einheit 3 bei teilweisem Eintauchen in ein bestimmtes Medium 4 entspricht. Schwingt der zweite Resonator 23 gleichzeitig bei F2 = 1000Hz, so weist diese Schwingung eine vergleichsweise große Schwingungsamplitude auf. Wird nun die schwingfähige Einheit 3 langsam aus dem Medium 4 herausgezogen, steigt sowohl die Frequenz F1 des ersten Resonators 15 als auch dessen Schwingungsamplitude R1 an. Der Einfachheit halber sei für diese Betrachtung die sich durch das Herausziehen der schwingfähigen Einheit 3 aus dem Medium 4 verringernde Mediumsdämpfung vernachlässigt. Als Konsequenz verbessert sich die Abstimmung der beiden Resonatoren 15, 16 und es kann mehr Energie von den Stangen 10a, 10b auf die Schwingstäbe 13a, 13b übertragen wird. Im gleichen Maße sinkt jedoch die Schwingungsamplitude R2 des zweiten Resonators 16.
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Im Kreuzungspunkt 17 sind der erste 15 und der zweite Resonator 16 aufeinander abgestimmt. Trotzdem treten aufgrund der Kopplung durch die Membran 9 zwei unterschiedliche Resonanzfrequenzen F1 und F2 auf. Da in diesem Bereich keine Zuordnung der Resonanzen zu den Schwingstäben 13a, 13b bzw. Stangen 10a, 10b möglich ist, ist dieser Bereich nicht mit einer Schraffur versehen. Steigt die Frequenz F2 des ersten Resonators 15 weiter an, so ergibt sich ein zum Kreuzungspunkt 17 spiegelsymmetrisches Verhalten für die beiden Schwingungsmoden des ersten 15 und zweiten 16 Resonators.
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Um eine möglichst effiziente Energieübertragung von der elektromechanischen Wandlereinheit 4 auf die Schwingstäbe 13a, 13b, also einen möglichst hohen Wirkungsgrad, zu erzielen, sollte kein zu großer Abstand zwischen den Resonanzfrequenzen (F1, F2) des ersten 15 und zweiten 16 Resonators entstehen. Auf der anderen Seite sollte die Resonanzfrequenz F2 des zweiten Resonators 16 jedoch auch nicht im Dynamikbereich für die Resonanzfrequenz F1 der schwingfähigen Einheit 3 liegen, damit keine doppelte Zuordnung einer Frequenz erfolgen kann. Mit dem Dynamikbereich ist dabei jenes Intervall von Resonanzfrequenzen F1 gemeint, mit welchen die schwingfähige Einheit 3 bei Kontakt mit unterschiedlichen Medien 4 und im Falle unterschiedlicher Eintauchtiefen in das jeweilige Medium 4 schwingen kann. Daraus folgt, dass die Resonanzfrequenz F2 des zweiten Resonators 16 so zu wählen ist, dass sie knapp oberhalb der höchsten Frequenz F1 des Dynamikbereichs einer bestimmten Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit 3 liegt. Gleichzeitig gilt es, die Steifigkeit und Masse der Stangen 10a, 10b so zu optimieren, dass eine möglichst große Hebelwirkung vorhanden ist. Wird beispielsweise eine LIQUIPHANT-Schwinggabel verwendet, so beträgt ohne Kontakt mit dem zu messenden Medium F1 ≈ 1000Hz. Dann wird der zweite Resonator 16 beispielsweise auf eine Frequenz von F2 ≈ 1100Hz abgestimmt, so dass durch die Kopplung die Frequenz F2 des zweiten Resonators 16 auf ca. 950Hz sinkt. Beim Eintauchen in ein zu messendes Medium sinkt die Frequenz F1 des ersten Resonators 15, während die Frequenz F2 des zweiten Resonators 16 im Wesentlichen konstant bleibt.
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Beispielsweise kann die Anpassung der Resonanzfrequenzen F1 und F2 derart vorgenommen werden, dass diese ohne Kontakt der schwingfähigen Einheit 3 mit einem Medium 4 aufeinander abgestimmt sind. In diesem Falle verschieben sich die Frequenzen F1 und F2 beim zumindest teilweisen Eintauchen der schwingfähigen Einheit in ein Medium 4 vom Kreuzungspunkt 17 weg. Andererseits kann die Anpassung der Resonanzfrequenzen F1 und F2 auch derart vorgenommen werden, dass sie im Falle einer bestimmten Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit 3 in ein wählbares Referenzmedium 4 aufeinander abgestimmt sind. In diesem Falle wird durch die Art der Anpassung der beiden Resonatoren 15, 16 aufeinander der Dämpfung durch das Referenzmedium entgegengewirkt.
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Zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße wird für Medien 4 in Form von Flüssigkeiten häufig eine Änderung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 3 zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Wie in Zusammenhang mit 4 erwähnt, hängt die aktuelle Resonanzfrequenz F1 der schwingfähigen Einheit 3, also des ersten Resonators vom jeweiligen Medium 4, und von der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit 3 in das Medium 4 ab. Ähnliche Betrachtungen ergeben sich auch für die Schwingungsamplituden R1 und R2 der beiden Resonatoren 15, 16. Handelt es sich bei dem Medium 4 nämlich um ein Schüttgut, so dient üblicherweise die Amplitudendämpfung der schwingfähigen Einheit 3 zur Bestimmung der zumindest einen Prozessgröße. Bei Kontakt der schwingfähigen Einheit 3 mit dem Schüttgut wird die Schwingungsamplitude R1 der schwingfähigen Einheit 3, also des ersten Resonators 15 gedämpft. Dadurch wird der stehenden Welle, welche sich entlang der Stangen 10a, 10b ausbreitet, Energie entzogen, was in Form einer Abnahme der Amplitude des Empfangssignals resultiert.
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Zusammenfassend erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Verwendung eines Feldgeräts mit einer elektromechanischen Wandlereinheit in einem erweiterten Temperaturbereich, insbesondere für den Einsatz bei hohen Temperaturen. Die maximal zulässige Prozesstemperatur ist dabei im Wesentlichen nur von den Materialeigenschaften der schwingfähigen Einheit 3 und durch die Länge und das Material des Gehäuses 8, bzw. des Temperaturdistanzrohres bestimmt. Die Länge der Stangen 10a, 10b und des Gehäuses 8 kann dabei in Vielfachen der halben Wellenlänge der stehenden Welle verlängert und auf die jeweils vorliegenden Temperaturanforderungen angepasst werden. Dabei müssen keine besonderen Temperaturanforderungen für die Antriebs-/Empfangseinheit erfüllt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibronischer Sensor
- 2
- Sensoreinheit
- 3
- Schwingfähige Einheit
- 4
- Medium
- 5
- Behältnis
- 6
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 7
- Elektronikeinheit
- 8
- Gehäuse
- 8a, 8b
- erster, zweiter Teilbereich des Gehäuses
- 9
- Membran
- 10a, 10b
- Stangen
- 11
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 12
- Prozessanschluss
- 13a, 13b
- Schwingstäbe der schwingfähigen Einheit
- 14
- Fixierungselement
- 15
- erster Resonator
- 16
- zweiter Resonator
- 17
- Kreuzungspunkt
- F1
- Frequenz des ersten Resonators
- F2
- Frequenz des zweiten Resonators
- R1
- Schwingungsamplitude des ersten Resonators
- R2
- Schwingungsamplitude des zweiten Resonators
- A
- Grundfläche der Membran
- L
- Länge der Stangen
- λ
- Wellenlänge der sich entlang der Stangen ausbreitenden Wellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006034105 A1 [0006]
- DE 102007013557 A1 [0006]
- DE 102005015547 A1 [0006]
- DE 102009026685 A1 [0006]
- DE 102009028022 A1 [0006]
- DE 102010030982 A1 [0006]
- DE 10050299 A1 [0008]
- DE 102006033819 A1 [0008, 0008]
- DE 102007043811 A1 [0008]
- DE 10057974 A1 [0008]
- WO 2007/113011 [0010]
- WO 2007/114950 A1 [0010]
- EP 2520892 A1 [0011]
