DE102016125822A1

DE102016125822A1 - vibration sensor

Info

Publication number: DE102016125822A1
Application number: DE102016125822.9A
Authority: DE
Inventors: Günter Kech
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Bereitgestellt wird ein Vibrationssensor (301) zur Messung des Füll- oder Grenzstands eines Mediums mit einem Mess-Schwingelement (304, 502) und einem Kompensations-Schwingelement (305,504), wobei das Mess-Schwingelement (304,502) und das Kompensations-Schwingelement (305,504) über ein Kopplungselement (306) mit einem Deckel (311) und einem Boden (308) miteinander gekoppelt sind, bei dem das Mess-Schwingelement (304,502) sich ausgehend von einem Boden (308) des Kopplungselements (306) in Richtung weg vom Deckel (311) des Kopplungselements (306) erstreckt und dass das Kompensations-Schwingelement (305,504) sich ausgehend vom Deckel (311) des Kopplungselements (306) in Richtung auf den Boden (308) des Kopplungselements (306) hin erstreckt und innerhalb des Kopplungselements (306) angeordnet ist.Provided is a vibration sensor (301) for measuring the level of a medium with a measuring oscillating element (304, 502) and a compensating oscillating element (305, 504), wherein the measuring oscillating element (304, 502) and the compensating oscillation element (305, 504 ) are coupled together by a coupling member (306) having a lid (311) and a bottom (308), wherein the measuring oscillating member (304, 502) extends from a bottom (308) of the coupling member (306) in the direction away from the lid (311) of the coupling element (306) and that the compensating oscillation element (305, 504) extends from the cover (311) of the coupling element (306) towards the bottom (308) of the coupling element (306) and inside the coupling element (306). 306) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor zur Messung eines Füll- oder Grenzstands eines Mediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a vibration sensor for measuring a filling or level of a medium having the features of the preamble of claim 1.

Derartige Vibrationssensoren sind beispielsweise aus der DE 8601452 U1 , der DE 3912038 A1 oder der EP 2273239 A1 bekannt. Ihr Funktionsprinzip beruht darauf, dass ein mechanisch schwingfähiges Gebilde, das Mess-Schwingelement, zum Schwingen angeregt wird. Bei einer Bedeckung des schwingenden Elements mit Medium wird diese Schwingung in Bezug auf ihre Amplitude und/oder Frequenz verändert. Durch elektronische Mittel kann diese Veränderung ausgewertet werden, und am Ausgang des Sensors ein entsprechendes Signal erzeugt werden.Such vibration sensors are for example from the DE 8601452 U1 , of the DE 3912038 A1 or the EP 2273239 A1 known. Their functional principle is based on the fact that a mechanically oscillating structure, the measuring oscillating element, is caused to vibrate. Upon coverage of the vibrating element with medium, this vibration is changed in amplitude and / or frequency. By electronic means, this change can be evaluated, and at the output of the sensor, a corresponding signal can be generated.

Die 1 und 2 zeigen aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsformen, die den Ausgangspunkt zur hier vorliegenden Erfindung bilden und daher bereits an dieser Stelle erläutert werden sollen. Anzumerken ist dabei, dass hier wie auch bei der Beschreibung der weiteren Figuren jeweils identische Bezugszeichen für Komponenten, die sich nicht auf den jeweiligen Vibrationssensor selbst, sondern dessen Einbausituation beziehen, verwendet werden:The 1 and 2 show embodiments known from the prior art, which form the starting point for the present invention and therefore should be explained already at this point. It should be noted that here, as well as in the description of the other figures, identical reference symbols are used for components that do not refer to the respective vibration sensor itself but its installation situation:

1 zeigt eine weit verbreitete Ausführungsform eines Vibrationssensors 101. Der Vibrationssensor 101 wird an einer Montageposition 102 an einem Behälter 103 mechanisch fixiert. Durch elektrische und/oder magnetische Anregung mittels eines nicht dargestellten Antriebs wird ein in Richtung des Prozessmediums 104 ausgedehntes mechanisches Bauteil, das Mess-Schwingelement 105, zur Ausbildung von Schwingungen angeregt. Weit verbreitet sind an dieser Stelle, wie in der 1 dargestellt, Mess-Schwingelemente 105, welche in ihrer Formgebung einer Stimmgabel ähneln. Diese sogenannten Gabelsensoren besitzen den Vorteil, dass sich die mechanische Schwingung im Allgemeinen nicht auf die Montageposition 102 überträgt, da sich die Kräfte und Momente der Schwingung in der Gabel selbst kompensieren. Die beiden Schenkel der Gabel vollziehen vollständig symmetrische, sich jeweils entgegengesetzte Bewegungsmuster und gleichen somit die durch sie hervorgerufenen Kräfte und Momente aus. 1 shows a widely used embodiment of a vibration sensor 101. The vibration sensor 101 is mechanically fixed to a mounting position 102 on a container 103. By electrical and / or magnetic excitation by means of a drive, not shown, a stretched in the direction of the process medium 104 mechanical component, the measuring vibration element 105 is excited to form vibrations. Widely used at this point, as in the 1 shown measuring vibration elements 105, which resemble in their shape of a tuning fork. These so-called fork sensors have the advantage that the mechanical vibration is generally not transferred to the mounting position 102, since compensate for the forces and moments of vibration in the fork itself. The two legs of the fork complete completely symmetrical, each opposite motion pattern and thus compensate for the forces and moments caused by them.

Nachteilig an der aufgezeigten Ausführungsform ist zum einen ein Ausfall der Sensorik bei Verklemmung der Gabel, beispielsweise durch einen Kieselstein. Darüber hinaus wird eine gewisse Mindestgröße einer Öffnung des Behälters 103 benötigt, um die Montage der zwei schwingenden Gabelzinken vornehmen zu können.A disadvantage of the embodiment shown on the one hand, a failure of the sensor in jamming of the fork, for example, by a pebble. In addition, a certain minimum size of an opening of the container 103 is required in order to make the assembly of the two swinging forks can.

Die Kräfte- und Momentefreiheit der Anordnung bewirkt zum einen, dass von der Schwingungsenergie des Mess-Schwingelements 105 nichts auf den Behälter 103 übertragen wird. Zum anderen wird hierdurch aber auch sichergestellt, dass Fremdvibrationen des Behälters 103 selbst nicht auf das Schwingelement 105 einwirken können. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Sensors erhöht.The freedom of forces and torque of the arrangement, on the one hand, causes nothing to be transferred to the container 103 from the vibration energy of the measuring oscillating element 105. On the other hand, this also ensures that external vibrations of the container 103 itself can not act on the oscillating element 105. This increases the reliability of the sensor.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Vibrationssensors 201 nach dem Stand der Technik. Der Vibrationssensor 201 ist als sogenannter Einstabschwinger ausgebildet. Das Mess-Schwingelement 202 wird hier durch ein Rohr gebildet, das eine erste Schwingung vollziehen kann. Darüber hinaus weist der Vibrationssensor 201 im Inneren des Rohres, das das Mess-Schwingelement 202 bildet, einen Gegenschwinger in Gestalt des Kompensations-Schwingelements 203 auf, dessen Aufgabe darin besteht, die durch die Schwingung des Mess-Schwingelements 202 verursachten Kräfte und Momente zu kompensieren. Die dargestellte Ausführungsform beseitigt das Problem des Verklemmens, da der Hohlraum zwischen dem Mess-Schwingelement 202 und dem Kompensations-Schwingelement 203 hermetisch abgetrennt vom Medium 104 ist. Es bleibt aber das Problem, dass eine Reduktion des erforderlichen Einbaudurchmessers aufgrund des Koaxialaufbaus der Sensorik schwierig ist. 2 shows a further embodiment of a vibration sensor 201 according to the prior art. The vibration sensor 201 is formed as a so-called one-bar oscillator. The measuring vibrating element 202 is here formed by a tube that can perform a first vibration. Moreover, the vibration sensor 201 in the interior of the tube forming the measuring vibrating member 202 has a counteroscillator in the form of the compensating vibrating member 203, the purpose of which is to compensate for the forces and moments caused by the vibration of the measuring vibrating member 202 , The illustrated embodiment eliminates the problem of jamming since the cavity between the measuring vibrating member 202 and the compensating vibrating member 203 is hermetically separated from the medium 104. However, the problem remains that a reduction of the required installation diameter due to the coaxial design of the sensor is difficult.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, einen Vibrationssensor zur Überwachung eines Füll- oder Grenzstands vorzuschlagen, der sich durch nachfolgende Eigenschaften auszeichnet:

• Ausbildung eines einzigen schwingenden Messelementes (Stab, Paddel, ...) in Richtung des zu vermessenden Mediums; dadurch im Gegensatz zu den bekannten Schwinggabelsensoren keine Gefahr eines Verklemmens von Teilen des Mediums (z.B. Kieselsteine), reduzierte Oberfläche und hierdurch reduzierte Gefahr von Fehlfunktion durch Anhaftungen am Sensor
• Reduzierte Baugröße durch das Wegfallen eines Kompensations-Schwingelementes im Bereich des Volumens, dessen Füllstand zu überwachen ist; dadurch Schaffung einer Möglichkeit zur Realisierung eines Füll- bzw. Grenzstandsensors nach dem Vibrationsprinzip mit reduziertem Einbaudurchmesser, und
• Weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber der Einbausituation; im Vergleich zu bislang bekannten Einzelschwingsystemen weist die vorgeschlagene Vorrichtung ein zuverlässiges Schaltverhalten unabhängig davon auf, ob die Montageposition starr oder flexibel ist oder ob der Sensor gar in einer abgehängten Version an einem Kabel befestigt ist.

The object of the invention is thus to propose a vibration sensor for monitoring a filling or level, which is characterized by the following properties:

• formation of a single oscillating measuring element (rod, paddle, ...) in the direction of the medium to be measured; this in contrast to the known oscillating fork sensors no risk of jamming of parts of the medium (eg pebbles), reduced surface and thereby reduced risk of malfunction due to adhesion to the sensor
• Reduced size due to the elimination of a compensation oscillating element in the area of the volume whose level is to be monitored; thereby creating a possibility for the realization of a filling or level sensor according to the principle of vibration with reduced mounting diameter, and
• Extensive insensitivity to the installation situation; Compared to previously known single vibration systems, the proposed device has a reliable switching behavior regardless of whether the mounting position is rigid or flexible or whether the sensor is even attached to a cable in a suspended version.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is achieved by a vibration sensor with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Vibrationssensor zur Messung des Füll- oder Grenzstands eines Mediums weist ein Mess-Schwingelement und ein Kompensations-Schwingelement auf, wobei das Mess-Schwingelement und das Kompensations-Schwingelement über ein Kopplungselement mit einem Deckel und einem Boden miteinander gekoppelt sind.The vibration sensor according to the invention for measuring the filling level or limit level of a medium has a measuring oscillating element and a compensating oscillating element, wherein the measuring oscillating element and the compensating oscillating element are coupled to one another via a coupling element having a cover and a bottom.

Als Boden ist dabei die bei Verwendung des Vibrationssensors dem Medium, dessen Füllstand zu überwachen ist, nähere Seite oder Stirnfläche anzusehen, als Deckel die dieser gegenüberliegende Seite oder Stirnfläche.When the bottom is when using the vibration sensor to view the medium whose level is to monitor nearer side or end face, as a cover of this opposite side or end face.

Erfindungswesentlich ist, dass das Mess-Schwingelement sich ausgehend von einem Boden des Kopplungselements in Richtung weg vom Deckel des Kopplungselements erstreckt und dass das Kompensations-Schwingelement sich ausgehend vom Deckel des Kopplungselements in Richtung auf den Boden des Kopplungselements hin erstreckt und innerhalb des Kopplungselements, also in einem Innenraum des Kopplungselements der durch die Teile des Kopplungselements, die Deckel und Boden miteinander verbinden, begrenzt wird, angeordnet ist. Insbesondere kann das Kopplungselement beispielsweise rohrförmig ausgebildet sein und/oder Deckel und Boden können jeweils als eine Membran-Schwingelement-Baugruppe ausgeführt werden.It is essential to the invention that the measuring oscillating element extends from a bottom of the coupling element in the direction away from the cover of the coupling element and that the compensating oscillation element extends from the cover of the coupling element in the direction of the bottom of the coupling element and within the coupling element, ie in an inner space of the coupling element which is bounded by the parts of the coupling element which connect the lid and the bottom to one another. In particular, the coupling element may for example be tubular and / or cover and bottom may each be designed as a membrane-vibrating element assembly.

Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vibrationssensors führt zu besonders wohldefinierten Umgebungsbedingungen für das Kompensations-Schwingelements. Hierdurch kann eine besonders kompakte mechanische Realisierung erreicht werden.This embodiment of the vibration sensor according to the invention leads to particularly well-defined environmental conditions for the compensation oscillation element. This allows a particularly compact mechanical implementation can be achieved.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kopplungselement so ausgeführt ist, dass von einem Antrieb in eines der drei Elemente Kompensations-Schwingelement, Mess-Schwingelement und Kopplungselement eingeleitete Schwingungen an die beiden anderen, nicht direkt angetriebenen Elemente weitergeleitet werden. Dies führt zu einem Vibrationssensor, bei dem trotz Vorsehen einer Schwingungskompensation die Kosten für zusätzliche Komponenten, insbesondere einen zusätzlichen Antrieb, vermieden werden können.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the coupling element is designed so that vibrations transmitted by a drive to one of the three elements compensating oscillation element, measuring oscillation element and coupling element are forwarded to the two other, not directly driven elements. This leads to a vibration sensor, in which despite the provision of a vibration compensation, the cost of additional components, in particular an additional drive, can be avoided.

In einer ersten Variante der soeben beschriebenen Weiterbildung ist der Antrieb als Antrieb zur unmittelbaren Anregung des Kompensations-Schwingelements zu Schwingungen ausgeführt ist, und das Kopplungselement bildet den Antrieb des Mess-Schwingelements, so dass das Mess-Schwingelement nur durch über das Kopplungselement übertragene Schwingungen des durch den Antrieb angetriebenen Kompensations-Schwingelements angetrieben wird.In a first variant of the development just described, the drive is designed as a drive for direct excitation of the compensating oscillation element to oscillate, and the coupling element forms the drive of the measuring oscillation element, so that the measuring oscillation element only transmitted through the coupling element oscillations of the driven by the drive driven compensating vibrating element.

Insbesondere kann bei dieser Ausführungsform als Antrieb zur unmittelbaren Anregung des Kompensations-Schwingelements zu Schwingungen ein am Deckel angeordnetes Piezo-Element Verwendung finden.In particular, can be used in this embodiment as a drive for the direct excitation of the compensation vibrating element to vibrations a piezoelectric element arranged on the cover.

In einer zweiten Variante der soeben beschriebenen Weiterbildung kann der Antrieb als Antrieb zur unmittelbaren Anregung des Kopplungselements zu Schwingungen ausgeführt sein, so dass das Kopplungselement den Antrieb des Mess-Schwingelements und des Kompensations-Schwingelements bildet, so dass das Mess-Schwingelement und das Kompensations-Schwingelement nur durch über das Kopplungselement übertragene Schwingungen des durch den Antrieb angetriebenen Kompensations-Schwingelements angetrieben werden.In a second variant of the development just described, the drive can be embodied as a drive for direct excitation of the coupling element to oscillate, so that the coupling element forms the drive of the measuring oscillation element and of the compensation oscillation element, so that the measuring oscillation element and the compensating element Oscillating element can be driven only by transmitted via the coupling element vibrations of the driven by the drive compensation oscillating element.

Es ist aber auch möglich, für das Mess-Schwingelement und für das Kompensations-Schwingelement jeweils einen eigenen Antrieb vorzusehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn man, z.B. aus Bauraumerwägungen, Mess- und Kompensationsschwingelemente mit unterschiedlicher Geometrie und/oder unterschiedlichen Materialeigenschaften verwendet.However, it is also possible to provide a separate drive for the measuring oscillating element and for the compensating oscillating element. This is particularly advantageous when one, e.g. used for space considerations, measuring and Kompensationsschwingelemente with different geometry and / or different material properties.

Wenn der Antrieb ein berührungsloser, insbesondere elektromagnetischer, Antrieb ist, kann besonders einfach eine Anregung des innerhalb des Kopplungselements angeordneten Kompensations-Schwingelements erfolgen.If the drive is a non-contact, in particular electromagnetic, drive, it is particularly easy to excite the compensation oscillation element arranged inside the coupling element.

Vorteilhaft ist ferner, wenn der Antrieb, das Kopplungselement, das Kompensations-Schwingelement und das Mess-Schwingelement so ausgeführt sind, dass das Kompensations-Schwingelement und das Mess-Schwingelement gemeinsam jeweils sequentiell und/oder gleichzeitig zu Schwingungen in mindestens zwei unterschiedliche Raumrichtungen angeregt werden können. Durch solche Schwingungsanregungen in unterschiedliche Richtungen ist es möglich, Änderungen des Schwingungsverhaltens des Mess-Schwingelements, die tatsächlich nicht durch Füllstandsänderungen sondern durch Störeffekte, wie z.B. Anlagerungen am Mess-Schwingelement verursacht werden, als solche zu identifizieren.It is furthermore advantageous if the drive, the coupling element, the compensation oscillation element and the measuring oscillation element are designed such that the compensation oscillation element and the measuring oscillation element are excited jointly in each case sequentially and / or simultaneously to oscillations in at least two different spatial directions can. By such vibrational excitations in different directions, it is possible to detect changes in the vibration behavior of the measuring vibrating element which are not actually caused by level changes but by disturbing effects such as e.g. Deposits on the measuring vibrating element are caused to identify as such.

Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Vibrationssensor eine Steuer- und Auswerteelektronik aufweist, die ausgelegt und eingerichtet ist, um durch entsprechende Ansteuerung von Antrieben in einer ersten Betriebsphase das Kompensations-Schwingelement und das Mess-Schwingelement zu Schwingungen in eine Richtung anzuregen und in einer zweiten Betriebsphase zu Schwingungen in eine zweite Richtung anzuregen und beide Betriebsphasen in die Auswertung einzubeziehen.According to a preferred variant of this development, it is provided that the vibration sensor has a control and evaluation, which is designed and set up by appropriate control of drives in a first phase of operation, the compensation vibration element and to excite the measuring vibrating element to oscillate in one direction and to excite vibrations in a second direction in a second operating phase and to include both operating phases in the evaluation.

Wenn das Kompensations-Schwingelement aus einem permanentmagnetischen Werkstoff besteht oder mit einem Permanentmagneten verbunden ist, ist es besonders gut dafür geeignet, berührungslos angetrieben zu werden und kann dann auch, wie bereits beschrieben als einziges angetriebenes Schwingelement verwendet werden, von dem die Schwingungen über das Kopplungselement auf das Mess-Schwingelement übertragen werden.If the compensating vibrating element consists of a permanent magnetic material or is connected to a permanent magnet, it is particularly well suited to be driven without contact and then, as already described, can be used as the only driven vibrating element, from which the vibrations via the coupling element be transferred to the measuring vibrating element.

Bauraumerfordernissen kann dadurch Rechnung getragen werden, dass das Mess-Schwingelement und das Kompensations-Schwingelement unterschiedlich geformt sind.Space requirements can be taken into account that the measuring vibration element and the compensating vibration element are shaped differently.

Um die Kompensationswirkung und/oder die Schwingungsübertragung zu optimieren kann es vorteilhaft sein, wenn wenigstens zwei der Teile Mess-Schwingelement, Kompensations-Schwingelement und Kopplungselement aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut sind.In order to optimize the compensation effect and / or the vibration transmission, it may be advantageous if at least two of the parts measuring vibration element, compensation vibration element and coupling element are constructed of different materials.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:

1: Einen ersten Vibrationssensor zur Füll- oder Grenzstandsmessung nach dem Stand der Technik,
2: einen zweiten Vibrationssensor zur Füll- oder Grenzstandsmessung nach dem Stand der Technik,
3: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors,
6: eine dreidimensionale Darstellung der Schwingungsmechanik mit aufgeklebtem Piezoantrieb

The invention will be explained in more detail with reference to figures that illustrate embodiments. Show it:

1 : A first vibration sensor for filling or level measurement according to the prior art,
2 : a second prior art level or level measurement vibration sensor,
3 : an embodiment of a vibration sensor according to the invention,
6 : A three-dimensional representation of the vibration mechanics with glued piezo drive

3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors 301. Der Vibrationssensor 301 besitzt ein Mess-Schwingelement 304, welches in Richtung des zu überwachenden Mediums 104 ausgerichtet ist. Die Kräfte und Momente der Schwingung des Mess-Schwingelementes 304 werden durch ein Kompensations-Schwingelement 305 kompensiert, wobei dieses mechanisch über ein Kopplungselement 306 mit dem ersten Element gekoppelt ist. Über eine Antriebs- und Auswertevorrichtung, die hier als Piezo-Element 303 ausgeführt ist, wird das System zu mechanischen Schwingungen angeregt. Eine Auswerte- und Kommunikationseinheit 302 überwacht das Schwingverhalten von Mess-Schwingelement 304, Kompensations-Schwingelement 305 und/oder Kopplungselement 306 und generiert daraus ein Schaltsignal, das über eine Schnittstelle 307 nach außen hin bereitgestellt wird. 3 shows a first embodiment of a vibration sensor according to the invention 301 , The vibration sensor 301 has a measuring oscillating element 304 , which in the direction of the medium to be monitored 104 is aligned. The forces and moments of vibration of the measuring oscillating element 304 be through a compensating vibrating element 305 compensated, this mechanically via a coupling element 306 is coupled to the first element. Via a drive and evaluation device, here as a piezo element 303 is executed, the system is excited to mechanical vibrations. An evaluation and communication unit 302 monitors the vibration behavior of measuring vibration element 304 , Compensating vibrating element 305 and / or coupling element 306 and generates from it a switching signal, which via an interface 307 is provided to the outside.

4 zeigt Querschnitte durch die mechanische Einheit des erfindungsgemäßen Vibrationssensors 301. In der dargestellten Ausführung regt das Piezo-Element 303 das als Paddel ausgestaltete Kompensations-Schwingelement 305 zu Schwingungen an, welche sich über das Kopplungselement 306 auf das dem Prozess zugewandte, ebenfalls als Paddel ausgeführte Mess-Schwingelement 304 übertragen. Zur Halterung ist ein Halteabschnitt 309 vorgesehen. Die vorgeschlagene Ausführung bietet den Vorteil, an der Montageposition 102 nahezu keine Kräfte und Momente auf den Behälter 103 auszuüben, und somit gegenüber äußeren Schwingungen des Behälters 103 unempfindlich zu sein. 4 shows cross sections through the mechanical unit of the vibration sensor according to the invention 301 , In the illustrated embodiment, the piezo element excites 303 the designed as a paddle compensation vibration element 305 to oscillations, which extend over the coupling element 306 on the process facing, also designed as a paddle measuring vibration element 304 transfer. To hold is a holding section 309 intended. The proposed design offers the advantage of being in the mounting position 102 almost no forces and moments on the container 103 exercise, and thus against external vibrations of the container 103 to be insensitive.

Darüber hinaus besitzt die Vorrichtung den Vorteil, dass keine Möglichkeit eines Blockierens durch Verklemmen von Medienbestandteilen gegeben ist, da in Richtung des Innenraums des Behälters 103, nur ein einziges Schwingelement, nämlich das Mess-Schwingelement 304 gerichtet ist.In addition, the device has the advantage that there is no possibility of jamming by jamming of media components, as in the direction of the interior of the container 103 , only a single vibrating element, namely the measuring vibrating element 304 is directed.

Zudem bietet die vorgeschlagene Ausführungsform des Vibrationssensors 301 beste Voraussetzungen für eine Miniaturisierung, welche in Bezug auf den Durchmesser der benötigten Montageöffnung im Behälter 103 zu deutlichen Verbesserungen führt und somit das Einsatzspektrum solcher Sensoren in Richtung kleiner Behälter 103 erweitert. Das als Paddel ausgeführte Mess-Schwingelement 304 kann deutlich kleiner gebaut werden als die zwei Schwingelemente einer Stimmgabel 105. Zudem besitzt das Mess-Schwingelement 304 nicht die Einschränkungen bezüglich einer Mindestbaugröße eines koaxial aufgebauten Einstabschwingers 202, 203, dessen Wandungen aufgrund der erforderlichen mechanischen Stabilität nicht beliebig dünn ausgestaltet werden können.In addition, the proposed embodiment of the vibration sensor offers 301 best conditions for miniaturization, which in relation to the diameter of the required mounting hole in the container 103 leads to significant improvements and thus the range of use of such sensors in the direction of small containers 103 extended. The measuring oscillating element designed as a paddle 304 can be built much smaller than the two vibrating elements of a tuning fork 105 , In addition, the measuring vibration element has 304 not the restrictions regarding a minimum size of a coaxial single-rod vibrator 202 . 203 whose walls can not be made arbitrarily thin due to the required mechanical stability.

Das als Paddel realisierte Mess-Schwingelement 304 wird vorzugsweise in massivem Vollmetall ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, aus Gründen der Materialeinsparung, Gewichtsreduktion und/oder zur Verbesserung des Schwingverhaltens eine Hohlkammerausführung des Mess-Schwingelements 304 zu realisieren. Die Anregung und Auswertung der Schwingungen des Vibrationssensors 301 kann durch Piezo-Elemente, elektromagnetisch wirkende Elemente oder andere Vorrichtungen nach bekanntem Stand der Technik erfolgen.The measuring oscillating element realized as a paddle 304 is preferably carried out in solid solid metal. But it is also conceivable, for reasons of material savings, weight reduction and / or to improve the vibration behavior, a hollow chamber design of the measuring vibrating element 304 to realize. The excitation and evaluation of the vibrations of the vibration sensor 301 can be done by piezo elements, electromagnetically acting elements or other devices known in the art.

Das in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 301 besitzt auch im Hinblick auf die Unempfindlichkeit gegenüber Anhaftungen Vorteile gegenüber den bislang bekannten Ausführungsformen 101, 201. Erreicht wird diese Verbesserung insbesondere durch eine homogene und glatte Oberfläche des als Paddel ausgeführten Mess-Schwingelements 304, welche ggf. auftretende Anhaftungen von viskosen Medien, beispielsweise bei Honig, sehr schnell wieder abtropfen lässt.That in the 3 and 4 shown embodiment of a vibration sensor 301 also has advantages over the previous ones in terms of insensitivity to adhesions known embodiments 101 . 201 , This improvement is achieved, in particular, by a homogeneous and smooth surface of the measuring oscillating element designed as a paddle 304 , which can drain any occurring adhesions of viscous media, for example in honey, very quickly again.

Weitere Verbesserungen in Bezug auf Anhaftungen lassen sich mit der in 5 dargestellten mechanischen Einheit 509, die bei einer mögliche Realisierung der Erfindung verwendbar ist, erreichen. Die mechanische Einheit 509 weist ein modifiziertes Paddel als Mess-Schwingelement 502 auf, welches im Anschlussbereich an das Kopplungselement 306 eine Verjüngung 503 aufweist. Das zugehörige Kompensations-Schwingelement 504 besitzt entsprechend eine Verjüngung 505.Further improvements in attachment can be found in the 5 illustrated mechanical unit 509 achievable in a possible realization of the invention. The mechanical unit 509 has a modified paddle as a measuring vibrating element 502 on, which in the connection area to the coupling element 306 a rejuvenation 503 having. The associated compensation oscillating element 504 has a corresponding rejuvenation 505 ,

Die gezeigte Anordnung erlaubt die Anregung des dem Prozessmedium zugewandten Mess-Schwingelements 502 in zwei Dimensionen. In einer ersten Betriebsphase erfolgt zunächst eine Anregung der Schwingung in X-Richtung 506. Der zugehörige Antrieb wird hier durch ein in 4 Quadranten unterteiltes Piezo-Element 501 erreicht, wobei jeweils zwei benachbarte Quadranten des Piezo-Elements 501 mit gleichartigen Signalen angesteuert werden müssen. Im Rahmen der Auswertung dieser Schwingung wird insbesondere deren Amplitude und Frequenz detektiert und im Speicher des als Grenzstandsensor einsetzbaren Vibrationssensors abgelegt.The arrangement shown permits the excitation of the measuring vibration element facing the process medium 502 in two dimensions. In a first phase of operation, the oscillation in the X direction 506 is initially excited. The associated drive is here represented by a piezo element divided into 4 quadrants 501 achieved, with two adjacent quadrants of the piezoelectric element 501 must be controlled with similar signals. In the context of the evaluation of this vibration, in particular its amplitude and frequency are detected and stored in the memory of the usable as a level sensor vibration sensor.

In einer zweiten Betriebsphase wird eine Schwingung in Y-Richtung 507 angeregt. Die Quadranten des Piezo-Elements 501 werden hierbei passend angesteuert. Die Auswerteelektronik registriert auch in dieser Richtung die Frequenz und die Amplitude der sich einstellenden Schwingungen des Mess-Schwingelements 502 und des Kompensations-Schwingelements 504.In a second phase of operation, a vibration in the Y direction 507 is excited. The quadrants of the piezo element 501 are controlled accordingly. The evaluation also registers in this direction the frequency and the amplitude of the self-adjusting vibrations of the measuring vibrating element 502 and the compensating vibrating element 504 ,

Durch eine nachgelagerte Gesamtauswertung der registrierten Amplituden- und Frequenzwerte in X- und Y-Richtung lässt sich eine Anhaftung von Medium am Mess-Schwingelement 502 sicher von einer Komplettbedeckung mit dem Produkt 104 unterscheiden. Eine Anhaftung verändert das Schwingverhalten des Mess-Schwingelements 502 und des Kompensations-Schwingelements 504, in X-Richtung 506 und/oder in Y-Richtung 507. Ein komplettes Eintauchen des Mess-Schwingelements 502 in ein Medium 104 wirkt sich aufgrund der unterschiedlichen Wirkflächen 510, 508 in unterschiedlicher Weise auf das Schwingverhalten aus. Während die Schwingung in X-Richtung 506 aufgrund der großen Wirkfläche 508 stark durch das umgebende Medium beeinflusst wird, wirkt sich dieses bei einer Anregung der Schwingung in Y-Richtung 507 nur sehr geringfügig auf die Schwingung aus, da die Wirkfläche 510 des Mess-Schwingelements 502 eher gering ist.By means of a downstream overall evaluation of the registered amplitude and frequency values in the X and Y directions, an adhesion of medium to the measuring oscillating element can be achieved 502 sure of a complete coverage with the product 104 differ. An adhesion changes the vibration behavior of the measuring vibration element 502 and the compensating vibrating element 504 , in the X direction 506 and / or in the Y direction 507. A complete immersion of the measuring oscillating element 502 in a medium 104 affects because of the different effective surfaces 510 . 508 in different ways on the vibration behavior. While the oscillation in the X direction 506 due to the large effective area 508 is strongly influenced by the surrounding medium, this affects only very slightly on the oscillation when the oscillation in the Y direction 507 is excited, since the effective area 510 of the measuring oscillating element 502 rather low.

Das in 5 aufgezeigte Beispiel der Erfindung mit den Verjüngungen 503, 505 stellt lediglich eine Ausführungsform eines geeigneten Schwingungsaufbaus dar. Es kann auch vorgesehen sein, ein Schwingen der Mess- bzw. Kompensations-Schwingelemente 502, 504 in X-Richtung 506 und Y-Richtung 507 ohne eine entsprechende Verjüngung umzusetzen. Es kann zudem vorgesehen sein, dass das Mess-Schwingelement 502 keine Rechteckgeometrie im Querschnitt 507 aufweist. Voraussetzung für eine Anregung in X-Richtung und in Y-Richtung und ein entsprechendes Auswerten der sich einstellenden Schwingungen in Bezug auf Anhaftungen ist lediglich, dass sich die jeweils wirksamen Querschnittsflächen 507, 508 unterscheiden.This in 5 Illustrated example of the invention with the tapers 503 . 505 represents only one embodiment of a suitable vibration structure. It can also be provided, a swinging of the measuring or compensating oscillation elements 502 . 504 in the X direction 506 and Y direction 507 without a corresponding taper to implement. It can also be provided that the measuring vibration element 502 no rectangular geometry in cross section 507 having. The prerequisite for an excitation in the X direction and in the Y direction and a corresponding evaluation of the resulting oscillations with respect to adhesions is merely that the respective effective cross-sectional areas 507 . 508 differ.

Es kann insbesondere vorgesehen werden, dass die mechanische Formgebung der Mess-Schwingelemente 502, 304 im Hinblick auf ein möglichst günstiges Verhalten im Hinblick auf ein schnelles Abtropfen zähflüssiger Medien optimiert wird. Bei einer rein eindimensionalen Ansteuerung des Mess-Schwingelementes 304 kann auch eine symmetrische Paddelgeometrie, beispielsweise in Form eines zylindrischen Stabes, gewählt werden.In particular, it may be provided that the mechanical shaping of the measuring oscillation elements 502 . 304 is optimized with regard to the best possible behavior with regard to the rapid dripping off of viscous media. In a purely one-dimensional control of the measuring oscillating element 304, a symmetrical paddle geometry, for example in the form of a cylindrical rod, can also be selected.

Die oben aufgezeigten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors 301 zeigen beispielhaft die Anregung und Auswertung von Schwingungen an der durch den Deckel 311 gebildeten Oberseite des Kopplungselementes 306 durch ein Piezo-Element 303,501. Es kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, die Anregung und/oder Auswertung von Schwingungen der Mess- bzw. Kompensations-Schwingelemente 304, 305, 502, 504 an anderen Stellen der Anordnung vorzusehen, beispielsweise im Bereich des Bodens 308 des Kopplungselements 306 oder in deren Seitenbereich. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Anregung und/oder Auswertung der Schwingungen der Paddel 304, 305, 502, 504 berührungslos erfolgt, beispielsweise elektromagnetisch.The above-mentioned embodiments of a vibration sensor according to the invention 301 show by way of example the excitation and evaluation of vibrations at the through the lid 311 formed top of the coupling element 306 by a piezo element 303, 501. It can of course also be provided, the excitation and / or evaluation of vibrations of the measuring or compensation oscillating elements 304 . 305 . 502 . 504 to provide at other locations of the arrangement, for example in the area of the soil 308 of the coupling element 306 or in their page area. It can also be provided that the excitation and / or evaluation of the vibrations of the paddles 304 . 305 . 502 , 504 is contactless, for example, electromagnetic.

In einer Ausgestaltung kann hierfür auch vorgesehen werden, dass insbesondere das Kompensations-Schwingelement 305, 504 aus einem permanentmagnetischen Werkstoff gefertigt wird, oder zumindest mit Permanentmagneten verbunden wird.In one embodiment, it can also be provided for this purpose that, in particular, the compensating oscillation element 305 . 504 is made of a permanent magnetic material, or at least connected to permanent magnets.

Die Form der Kompensations-Schwingelemente 305, 504 wird in den oben offenbarten Ausführungsformen der Erfindung der Formgebung der Prozesspaddel 304, 502 nachempfunden. Dies stellt zwar eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, jedoch sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass jegliche Art von mechanischen Formen verwendet werden kann, die in der Lage ist, die Kräfte und Momente der Schwingung des Mess-Schwingelements 304, 502 an der Montageposition 102 zu minimieren.The shape of the compensation oscillating elements 305 . 504 In the embodiments of the invention disclosed above, the molding of the process paddles becomes 304 . 502 modeled. Although this is an advantageous embodiment, it should be noted at this point that any type of mechanical forms can be used, which is able, the forces and moments of Oscillation of the measuring oscillating element 304 . 502 at the mounting position 102 to minimize.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, die einzelnen mit den Bezugszeichen 304, 305, 306, 502, 503, 504, 504 gekennzeichneten Teile der Schwingungsmechanik aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Dichten und/oder unterschiedlichen Elastizitätsmodulen aufzubauen.It can be provided in particular, the individual with the reference numerals 304 . 305 . 306 . 502 . 503 . 504 . 504 Marked parts of the vibration mechanics of different materials with different densities and / or different moduli of elasticity build.

6 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Schwingungsmechanik mit aufgeklebtem Piezoantrieb zum besseren Verständnis der Erfindung. Die durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichneten Bauelemente entsprechen den bereits in den 3 und 4 aufgezeigten Bauelementen. Die Darstellung zeigt darüber hinaus beispielhaft mögliche mechanische Abmessungen A von 21mm, B von 38mm und C von 10mm eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors 301. 6 shows a three-dimensional representation of the vibration mechanism with glued piezo drive for a better understanding of the invention. The components identified by the same reference numerals correspond to those already in the 3 and 4 indicated components. The illustration also shows exemplary possible mechanical dimensions A of 21mm, B of 38mm and C of 10mm of a vibration sensor according to the invention 301 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

101,201,301101,201,301: Vibrationssensorvibration sensor
102102: Montagepositionmounting position
103103: Behältercontainer
104104: Prozessmediumprocess medium
105,202,304,502105,202,304,502: Mess-SchwingelementMeasuring oscillating element
203,305,504203,305,504: Kompensations-SchwingelementCompensation oscillating element
303,501303.501: Piezo-ElementPiezo element
306306: Kopplungselementcoupling element
307307: Schnittstelleinterface
308308: Bodenground
309309: Halteabschnittholding section
311311: Deckelcover
503,505503.505: Verjüngungrejuvenation
506506: X-RichtungX-direction
507507: Y-RichtungY-direction
508,510508.510: Wirkflächeeffective area
509509: mechanische Einheitmechanical unit
A,B,CABC: Abmessungdimension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 8601452 U1 [0002]
DE 3912038 A1 [0002]
EP 2273239 A1 [0002]

Claims

A vibration sensor (301) for measuring the level of a medium with a measuring oscillating element (304, 502) and a compensating oscillating element (305, 504), wherein the measuring oscillating element (304, 502) and the compensating oscillating element (305, 504) are connected via a Coupling element (306) with a cover (311) and a bottom (308) are coupled together, characterized in that the measuring oscillating element (304,502), starting from a bottom (308) of the coupling element (306) in the direction away from the cover ( 311) of the coupling element (306) and that the compensation oscillating element (305, 504) extends from the cover (311) of the coupling element (306) towards the bottom (308) of the coupling element (306) and within the coupling element (306 ) is arranged.

Vibration sensor (301) after Claim 1 , characterized in that the coupling element (306) is designed so that by a drive in one of the three elements compensation oscillating element (305,504), measuring oscillating element (304,502) and coupling element (306) introduced vibrations to the other two, not directly be forwarded driven elements.

Vibration sensor (301) after Claim 2 , characterized in that the drive is designed as a drive for direct excitation of the compensating oscillating element (305,504) to oscillate, and that the coupling element (306) forms the drive of the measuring oscillating element (304,502), so that the measuring oscillating element (304,502 ) is driven only by vibrations transmitted via the coupling element (306) of the compensating oscillation element (305, 504) driven by the drive.

Vibration sensor (301) after Claim 3 , characterized in that the drive for the direct excitation of the compensating oscillation element (305, 504) to vibrations is a piezo element (303, 501) arranged on the cover (311).

Vibration sensor (301) after Claim 2 , characterized in that the drive is designed as a drive for direct excitation of the coupling element (306) to oscillate, so that the coupling element (306) forms the drive of the measuring oscillating element (304,502) and the compensating oscillating element (305,504), so that the measuring vibrating member (304, 502) and the compensating vibrating member (305, 504) are driven only by vibrations transmitted through the coupling member (306).

Vibration sensor (301) after Claim 2 , characterized in that a separate drive is provided in each case for the measuring oscillating element (304, 502) and for the compensating oscillating element (305, 504).

Vibration sensor (301) after Claim 1 , 2,3,5 or 6, characterized in that the drive is a non-contact, in particular electromagnetic, drive.

Vibration sensor (301) according to one of Claims 1 to 7 characterized in that the drive, the coupling element (306), the compensating oscillating element (305, 504) and the measuring oscillating element (304, 502) are made such that the compensating oscillating element (305, 504) and the measuring oscillating element (304, 502) are common can be excited in each case sequentially and / or simultaneously to vibrations in at least two different spatial directions (506,507).

Vibration sensor (301) after Claim 8 , characterized in that the vibration sensor (301) has a control and evaluation, which is designed and set to by appropriate control of drives in a first phase of operation, the compensating vibration element (305,504) and the measuring vibration element (304,502) to oscillations to stimulate in one direction and to stimulate vibrations in a second direction in a second operating phase and to include both operating phases in the evaluation.

Vibration sensor (301) according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the compensating vibration element (305,504) consists of a permanent magnetic material or is connected to a permanent magnet.

Vibration sensor (301) according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that the measuring oscillating element (304, 502) and the compensating oscillating element (305, 504) are shaped differently.

Vibration sensor (301) according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that at least two of the parts measuring vibration element (304,502), compensating vibration element (305,504) and coupling element (306) are constructed of different materials.