DE102018111629A1

DE102018111629A1 - membrane oscillator

Info

Publication number: DE102018111629A1
Application number: DE102018111629.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Mack; Tobias Brengartner
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2), umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit (4), eine Antriebs-/Empfangseinheit (5), und eine Elektronik (7), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und wobei die Elektronik (7) dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die Prozessgröße zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die mechanisch schwingfähige Einheit (4) eine erste (8) und eine parallel zur ersten angeordnete zweite scheibenförmige Membran (9) auf, welche derart angeordnet sind, dass sich zwischen der ersten (8) und zweiten Membran (9) ein Hohlraum (H) befindet, und es ist in dem Hohlraum (H) mindestens eine Koppeleinheit (12,13) angeordnet, welche mit der ersten (8) und zweiten Membran (9) zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die erste (8) und zweite Membran (9) im Wesentlichen eine gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegung ausführen.The present invention relates to a device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium (3) in a container (2) comprising a mechanically oscillatable unit (4), a drive / receiving unit (5), and electronics ( 7), wherein the drive / receiving unit (6) is adapted to excite the oscillatable unit (4) by means of an electrical excitation signal to mechanical vibrations, and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit (4) and convert it into an electrical reception signal, and wherein the electronics (7) is configured to determine the process variable based on the received signal. According to the invention, the mechanically oscillatable unit (4) has a first (8) and a second disk-shaped membrane (9) arranged parallel to the first, which are arranged such that a cavity (between the first (8) and second membrane (9) H), and at least one coupling unit (12, 13) is arranged in the cavity (H), which is in mechanical contact at least partially with the first (8) and second membrane (9) and is designed and arranged such that the first (8) and second diaphragms (9) perform essentially a similar, in particular in-phase, oscillatory movement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, um die Dichte und/oder um die Viskosität des Mediums. Bei dem Behältnis kann es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung handeln.The invention relates to a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container. The process variable is, for example, a fill level, in particular a limit level, the density and / or the viscosity of the medium. The container may be, for example, a container or a pipeline.

Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.Vibronic sensors are widely used in process and / or automation technology. In the case of level measuring devices, they have at least one mechanically oscillatable unit, such as a tuning fork, a monobloc or a membrane. This is excited in operation by means of a drive / receiving unit, often in the form of an electromechanical transducer unit to mechanical vibrations, which in turn may be, for example, a piezoelectric actuator or an electromagnetic drive. However, in the case of flowmeters, the mechanically oscillatable unit can also be designed as a vibratable tube through which the respective medium flows, for example in a measuring device operating according to the Coriolis principle.

Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen 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.Corresponding field devices are manufactured by the applicant in great variety and distributed in the case of level measuring devices, for example under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT. The underlying principles of measurement are known in principle from a variety of publications. The drive / receiving unit excites the mechanically oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical vibrations. Conversely, the drive / receiving unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and convert it into an electrical reception signal. The drive / receiving unit is either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit.

Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen 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 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein.In this case, the drive / receiving unit is in many cases part of a feedback electrical resonant circuit, by means of which the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations takes place. For example, for a resonant oscillation, the resonant circuit condition, according to which the amplification factor is ≥1 and all phases occurring in the resonant circuit are multiples of 360 °, must be satisfied.

Zur Anregung der resonanten Schwingung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte, vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Solch ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal kann gemäß Stand der Technik auf unterschiedliche Arten und Weisen eingestellt werden, wie beispielhaft in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 , oder DE00102010030982A1 beschrieben.To excite the resonant oscillation and fulfillment of the resonant circuit condition, a specific, specifiable phase shift between the excitation signal and the received signal must be ensured. Such a setpoint for the phase shift between the excitation signal and the received signal can be adjusted according to the prior art in different ways, such as in the documents DE102006034105A1 . DE102007013557A1 . DE102005015547A1 . DE102009026685A1 . DE102009028022A1 . DE102010030982A1 , or DE00102010030982A1 described.

Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstand eines Mediums in einem Behälter, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums oder der Durchfluss eines Mediums durch ein Rohr. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder aber frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, können anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden werden.Both the start signal and the receive signal are characterized by their frequency ω, amplitude A and / or phase Φ. Accordingly, changes in these quantities are usually used to determine the respective process variable, such as a predetermined level of a medium in a container, or the density and / or viscosity of a medium or the flow of a medium through a pipe. In the case of a vibronic limit switch for liquids, for example, a distinction is made as to whether the oscillatable unit is covered by the liquid or vibrates freely. These two states, the free state and the covered state, can be distinguished on the basis of different resonance frequencies, ie a frequency shift.

Die Dichte und/oder Viskosität lassen sich dagegen nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit jeweils vom Medium bedeckt ist. Auch zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität anhand des Schwingungsverhaltens der schwingfähigen Einheit sind ebenfalls zahlreiche Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt geworden, beispielsweise die in den Dokumenten DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 beschriebenen.The density and / or viscosity, however, can only be determined if the oscillatable unit is covered by the medium. Also, to determine the density and / or viscosity on the basis of the vibration behavior of the oscillatory unit also numerous approaches from the prior art have become known, for example, in the documents DE10050299A1 . DE102007043811A1 . DE10057974A1 . DE102006033819A1 . DE102015102834A1 or DE102016112743A1 . described

Die Verwendung einer schwingfähigen Einheit in Form einer Membran hat den Vorteil, dass die Sensoreinheit des Messgeräts im Wesentlichen frontbündig mit dem jeweiligen Behältnis abschließt. Problematisch bei solchen, auch unter Bezeichnung Membranschwinger, bekannten Sensoren ist allerdings die mechanische Entkopplung der in Form zumindest einer Membran ausgestalten schwingfähigen Einheit von dem jeweiligen Behältnis, insbesondere von einer Wandung desselben. Eine mechanische Kopplung zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Behältnis führt dazu, dass Schwingungsenergie von der schwingfähigen Einheit an das Behältnis abgegeben wird. Beispielsweise führt dies zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit bis hin zu dem Fall, dass die schwingfähige Einheit keine Schwingungen mehr ausführt.The use of a vibratable unit in the form of a membrane has the advantage that the sensor unit of the measuring device is substantially flush with the front of the respective container. However, the problem with such sensors, also known as membrane transducers, is the mechanical decoupling of the unit, which is designed to oscillate in the form of at least one membrane, of the respective container, in particular of a wall thereof. A mechanical coupling between the oscillatable unit and the container causes vibration energy is delivered from the oscillatory unit to the container. For example, this leads to a reduction of the oscillation amplitude of the oscillatable unit up to the case that the oscillatable unit no longer carries out oscillations.

Aus der DE102005044725B4 ist ein Membranschwinger bekannt geworden, bei welchem die schwingfähige Einheit aus zwei parallel zueinander angeordneten, durch ein Verbindungsstück verbundenen Membranen zusammengesetzt sind. Das Verbindungsstück, vorzugsweise ein zylindrisches Rohrstück, dient der Übertragung von Schwingungsenergie und Schwingungsmomenten zwischen den beiden Membranen. Im Resonanzfall schwingen die beiden Membranen gegenphasig zueinander. Kommt beispielsweise eine der beiden Membranen mit dem jeweiligen Medium in Kontakt, sind die Schwingungen der beiden Membranen dagegen nicht mehr aufeinander abgestimmt. From the DE102005044725B4 a diaphragm transducer has become known in which the oscillatable unit is composed of two mutually parallel, connected by a connector membranes. The connector, preferably a cylindrical tube piece, serves to transmit vibrational energy and moments of vibration between the two diaphragms. In the case of resonance, the two membranes oscillate in opposite phase to each other. If, for example, one of the two membranes comes into contact with the respective medium, the vibrations of the two membranes are no longer matched to one another.

Der dort beschriebene Membranschwinger weist zudem zwei den Membranen zugeordnete, mit diesen mechanisch gekoppelte, Gewichtsstücke zur Reduktion der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit auf. Diese Maßnahme verbessert die Messperformance, insbesondere in ausgehenden Medien. Bei solchen Medien kommt es vermehrt zu einer Festsetzung von Gasblasen auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran, was zu einem Anstieg der Resonanzfrequenz führt. Dies hat ggf. unter anderem ein falsches Schaltverhalten des Sensors zur Folge.The membrane oscillator described therein also has two diaphragms assigned to the diaphragms and mechanically coupled to them for reducing the resonant frequency of the oscillatable unit. This measure improves the measurement performance, especially in outgoing media. In such media, there is an increase in the establishment of gas bubbles on the surface of the membrane facing the process, which leads to an increase in the resonance frequency. This may result in, among other things, a wrong switching behavior of the sensor.

Aus der DE102006058926A1 ist ebenfalls ein Membranschwinger mit zwei mechanisch miteinander gekoppelten Membranen bekannt geworden. Die beiden Membranen liegen in einem Ruhezustand im Wesentlichen in einer Ebene. Durch einen passenden Abgleich der Schwingungsbewegungen der beiden Membranen kann erreicht werden, dass die Kräfte und Momente der beiden Membranen sich gerade gegenseitig kompensieren, so dass keine Energie und keine Momente über eine Einspannung der Membranen an das Behältnis verloren geht. Auf diese Weise wird also eine mechanische Entkopplung vom Behälter erzielt.From the DE102006058926A1 is also a membrane oscillator with two mechanically coupled membranes has become known. The two membranes are in a state of rest substantially in one plane. By matching the vibration movements of the two membranes can be achieved that the forces and moments of the two membranes just compensate each other, so that no energy and no torque is lost to a clamping of the membranes to the container. In this way, therefore, a mechanical decoupling is achieved by the container.

Aus der DE102007057124A1 ist es schließlich bekannt geworden, eine Entkopplung der schwingfähigen Einheit eines Membranschwingers dadurch zu erreichen, dass die schwingfähige Einheit derart angeregt wird, dass sie lediglich solche mechanischen Schwingungen ausführt, welche Moden entsprechen, die oberhalb der Grundmode der Membran liegen. Auf diese Weise kann ein komplexer Aufbau mehrerer mechanisch miteinander gekoppelter Membranen für die schwingfähige Einheit entfallen. Allerdings ist eine Einstellung der Resonanzfrequenz mit Hinsicht auf Vermeidung der ggf. störenden Einflüsse von sich auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran bildenden Gasblasen nicht ohne weiteres möglich. Das Dokument WO2010/040583A1 schlägt zur Vermeidung der Problematik von Gasblasen vor, einen Hochspannungssweep durchzuführen. Hierdurch lösen sich die jeweils gebildeten Gasblasen zwar aufgrund der hohen auftretenden Schwingungsamplituden ab. Jedoch benötigt die Durchführung eines solchen Hochspannungssweeps vergleichsweise viel Energie und bedingt ein vergleichsweise hohes Lärmaufkommen.From the DE102007057124A1 Finally, it has become known to achieve a decoupling of the oscillatory unit of a membrane vibrator in that the oscillatable unit is excited so that it only performs such mechanical vibrations, which correspond to modes that are above the fundamental mode of the membrane. In this way, a complex structure of several mechanically coupled to each other membranes for the oscillatory unit can be omitted. However, an adjustment of the resonance frequency with respect to avoiding the possibly disturbing influences of itself on the process-facing surface of the membrane-forming gas bubbles is not readily possible. The document WO2010 / 040583A1 proposes to avoid the problem of gas bubbles to perform a high voltage sweep. As a result, the gas bubbles formed in each case indeed dissolve due to the high oscillation amplitudes occurring. However, the implementation of such a Hochspannungssweeps requires relatively much energy and causes a comparatively high noise levels.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Membranschwinger bereitzustellen, mit welchem sich auf einfache Art und Weise eine möglichst hohe Messgenauigkeit für einen weiten Anwendungsbereich erzielen lässt.Starting from the prior art, the present invention has for its object to provide a diaphragm transducer, which can be achieved in a simple manner the highest possible accuracy for a wide range of applications.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, und eine Elektronik, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und wobei die Elektronik dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die Prozessgröße zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die mechanisch schwingfähige Einheit eine erste und eine parallel zur ersten angeordnete zweite scheibenförmige Membran auf, welche derart angeordnet sind, dass sich zwischen der ersten und zweiten Membran ein Hohlraum befindet. In dem Hohlraum ist mindestens eine Koppeleinheit angeordnet, welche mit der ersten und zweiten Membran zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die erste und zweite Membran im Wesentlichen gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegungen ausführen.This object is achieved by a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container, comprising a mechanically oscillatable unit, a drive / receiving unit, and electronics, wherein the drive / receiving unit is configured to the oscillatory Unit to excite mechanical vibrations by means of an electrical pick-up signal, and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit and convert it into a received electrical signal, and wherein the electronics is configured to determine the process variable based on the received signal. According to the invention, the mechanically oscillatable unit has a first and a second disc-shaped diaphragm arranged parallel to the first, which are arranged such that there is a cavity between the first and second diaphragm. In the cavity at least one coupling unit is arranged, which is at least partially in mechanical contact with the first and second membrane and configured and arranged such that the first and second membrane perform substantially similar, in particular in-phase, oscillatory movements.

Im Gegensatz zu den beschriebenen Lösungen gemäß Stand der Technik dient die Verwendung von zwei Membranen erfindungsgemäß nicht der Entkopplung vom Behältnis durch eine komplexe Anpassung des Schwingungsverhaltens der beiden Membranen relativ zueinander. Vielmehr liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, dass beide Membranen gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegungen ausführen. Die erfindungsgemäße Koppeleinheit ist derart ausgestaltet, dass mittels der Koppeleinheit das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit, insbesondere der beiden Membranen gezielt beeinflussbar ist. Insbesondere dient die Koppeleinheit der Einstellung zumindest einer charakteristischen Kenngröße der Schwingungsbewegung der die beiden Membranen umfassenden schwingfähigen Einheit, beispielsweise Amplitude oder Frequenz.In contrast to the described solutions according to the prior art, the use of two membranes according to the invention is not the decoupling of the container by a complex adjustment of the vibration behavior of the two membranes relative to each other. Rather, the present invention is based on the idea that both membranes perform similar, in particular in-phase, oscillatory movements. The coupling unit according to the invention is designed such that by means of the coupling unit, the vibration behavior of the oscillatory unit, in particular of the two membranes can be selectively influenced. In particular, the coupling unit serves to set at least one characteristic parameter of the oscillatory movement of the oscillatable unit comprising the two diaphragms, for example amplitude or frequency.

Die Antriebs-/Empfangseinheit ist beispielsweise derart angeordnet, dass sie die erste Membran zu mechanischen Schwingungen anregt. Über die Koppeleinheit wird dann die zweite Membran zu Schwingungen angeregt, welche der Schwingungsbewegung der ersten Membran gleicht. Bevorzugt ist die zweite Membran in diesem Fall dem Prozess zugewandt und kommt zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Medium in Kontakt. The drive / receiving unit is arranged, for example, such that it excites the first diaphragm to mechanical vibrations. Via the coupling unit, the second membrane is then excited to oscillate, which equals the oscillation movement of the first membrane. In this case, the second membrane preferably faces the process and at least temporarily and / or partially comes into contact with the medium.

In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Prozessgröße um einen Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums.In one embodiment, the process variable is a fill level, in particular a limit level, the density or the viscosity of the medium.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Hohlraum gegenüber dem Prozess und einem Innenvolumen der Vorrichtung dicht verschlossen ist, und dass es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit um ein den Hohlraum, insbesondere vollständig, füllendes Füllmaterial handelt. Das Füllmaterial kommt mit der ersten und zweiten Membran in Kontakt und bedingt somit eine mechanische Kopplung der ersten und zweiten Membran.A particularly preferred embodiment includes that the cavity is sealed against the process and an internal volume of the device, and that the at least one coupling unit is a filling material filling the cavity, in particular completely. The filler material comes into contact with the first and second membranes and thus requires mechanical coupling of the first and second membranes.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Füllmaterial eine Flüssigkeit, vorzugsweise ein Silikonöl oder ein Halocarbonöl, ist. Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu anderen möglichen Füllstoffen in der Regel deutlich weniger kompressibel sind und damit eine Vermittlung bzw. Übertragung der Schwingungsenergie zwischen den beiden Membranen im Wesentlichen verlustfrei möglich ist. Die Flüssigkeit kann ferner in Bezug auf den Siedepunkt ausgewählt werden. Vorzugsweise wird der Siedepunkt der Flüssigkeit passend für den jeweiligen Anwendungsbereich der Vorrichtung, insbesondere hinsichtlich der Prozesstemperatur des jeweils verwendeten Mediums, gewählt.In this case, it is advantageous if the filling material is a liquid, preferably a silicone oil or a halocarbon oil. Liquids have the advantage that, in comparison to other possible fillers, they are generally much less compressible, and thus transmission or transmission of the vibrational energy between the two membranes is essentially loss-free. The liquid may also be selected in terms of boiling point. Preferably, the boiling point of the liquid is selected to suit the particular field of application of the device, in particular with regard to the process temperature of the medium used in each case.

Es ist ferner von Vorteil, wenn das Füllmaterial eine Viskosität η<100mPas und/oder eine Dichte ρ>1g/cm³ aufweist. Die Viskosität bestimmt unter anderem die intrinsische Dämpfung des Füllmaterials. Im Rahmen der Ausgestaltung der Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials ist eine geringe Dämpfung durch das Füllmaterial für eine möglichst verlustfreie Vermittlung bzw. Übertragung der Schwingungsenergie wünschenswert. Die Dichte des Füllmaterials bestimmt dagegen bei festem Volumen des Hohlraums dessen Masse. Mittels der Dichte kann somit die Masse der schwingfähigen Einheit erhöht werden. Es ist ein großer Vorteil, dass durch die Erhöhung der Masse anhand des Füllmaterials keine Veränderung der Steifigkeit der beiden Membranen erfolgt. Somit kann durch die Dichte, bzw. Masse, der Koppeleinheit die Frequenz der schwingfähigen Einheit gezielt beeinflusst werden und somit unter anderem die Problematik, welche mit der Entstehung von Gasblasen auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der prozessberührenden Membran vermieden werden.It is also advantageous if the filling material has a viscosity η <100 mPas and / or a density ρ> 1 g / cm ³ . The viscosity determines inter alia the intrinsic damping of the filling material. In the context of the design of the coupling unit in the form of a filling material, a low attenuation by the filler for a lossless mediation and transfer of the vibration energy is desirable. In contrast, the density of the filling material determines its mass at a fixed volume of the cavity. By means of the density, the mass of the oscillatable unit can thus be increased. It is a great advantage that increasing the mass by means of the filling material does not change the rigidity of the two membranes. Thus, by the density, or mass, of the coupling unit, the frequency of the oscillatory unit can be selectively influenced and thus, among other things, the problem which is avoided with the formation of gas bubbles on the process-facing surface of the process-contacting membrane.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein Volumen des Hohlraums und/oder eine Eigenschaft des Füllmaterials derart gewählt ist/sind, dass eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1kHZ ist, und wenn das Volumen des Hohlraums derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% ist. Die Sensitivität s eines vibronischen Sensors ist dabei gegeben durch $S = \frac{ω_{0} - ω_{M}}{ω_{0}} \cdot 100 %$

wobei ω₀ die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit im Vakuum und ω_M die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit in einem Medium, beispielsweise in einer Flüssigkeit mit einer Dichte zwischen 0,3-2,0 g/cm³.It is also advantageous if a volume of the cavity and / or a property of the filling material is selected such that a resonant frequency of the oscillatable unit is less than a resonant frequency of bubbles possibly forming in the region of the oscillatable unit, preferably the resonant frequency of the oscillatable unit is ω ₂ <5kHZ, in particular ω ₂ <1kHZ, and if the volume of the cavity is chosen such that a sensitivity of the device is s≥5%. The sensitivity s a vibronic sensor is given by

S = \frac{ω_{0} - ω_{M}}{ω_{0}} \cdot 100 %

in which ω ₀ the resonant frequency of the oscillatory unit in vacuum and ω _M the resonant frequency of the oscillatable unit in a medium, for example in a liquid with a density between 0.3-2.0 g / cm ³ .

Die Dimension des Hohlraums, insbesondere dessen Volumen ergibt sich unter anderem aus den Dimensionen der Membranen und deren Abstand zueinander. Durch die relative Anordnung der beiden Membranen zueinander, insbesondere durch deren Abstand voneinander. Der Abstand der beiden Membranen wird allerdings auf der anderen Seite durch das Erfordernis einer effizienten Übertragung der Schwingungsenergie zwischen den beiden Membranen mittels der Koppeleinheit begrenzt. Bei festem Volumen wiederum können die Resonanzfrequenz und Sensitivität durch die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Füllmaterials beeinflusst werden, insbesondere über die Dichte und Viskosität des Füllmaterials.The dimension of the cavity, in particular its volume results inter alia from the dimensions of the membranes and their distance from each other. Due to the relative arrangement of the two membranes to each other, in particular by their distance from each other. The distance between the two membranes is, however, limited on the other side by the requirement of efficient transmission of the vibrational energy between the two membranes by means of the coupling unit. For a fixed volume, in turn, the resonant frequency and sensitivity may be affected by the chemical and / or physical properties of the filler, particularly the density and viscosity of the filler.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit um zumindest ein stabförmiges Element handelt, welches sich in dem Hohlraum befindet und in einem ersten Endbereich mit der ersten und in einem zweiten Endbereich mit der zweiten Membran kraftschlüssig verbunden ist. Durch das zumindest eine stabförmige Element werden die beiden Membranen also miteinander verbunden bzw. mechanisch miteinander gekoppelt.Another particularly preferred embodiment of the present invention includes that the at least one coupling unit is at least one rod-shaped element, which is located in the cavity and connected in a first end region with the first and in a second end region with the second membrane non-positively is. By the at least one rod-shaped element, the two membranes are thus connected to each other or mechanically coupled together.

Für diese Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn ein Durchmesser des stabförmigen Elements im ersten und zweiten Endbereich geringer ist als in einem mittleren Bereich. Durch die Erhöhung des Durchmessers kann, ähnlich wie im Falle der Ausgestaltung der Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials eine Erhöhung der Masse, und damit einhergehend, eine Beeinflussung der Frequenz, der schwingfähigen Einheit erreicht werden. Die Kontaktflächen zwischen der ersten und zweiten Membran und dem stabförmigen Element sind vorteilhaft von dieser Maßnahme nicht betroffen, so dass durch die Massenerhöhung keine Änderung der Steifigkeiten der Membranen hervorgerufen wird.For this embodiment, it is advantageous if a diameter of the rod-shaped element in the first and second end region is lower than in a central region. By increasing the diameter can, similar to the embodiment of the coupling unit in the form of a Filling material an increase in mass, and concomitantly, an influence on the frequency of the oscillatory unit can be achieved. The contact surfaces between the first and second membrane and the rod-shaped element are advantageously not affected by this measure, so that caused by the increase in mass, no change in the stiffness of the membranes.

Ferner ist es von Vorteil, wenn ein eine Länge, Dicke und/oder Masse des stabförmigen Elements derart gewählt ist/sind derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1 kHZ ist, ist, und wobei das Volumen des Hohlraums derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% ist. Auch für diese Ausgestaltung sind der Längenausdehnung des stabförmigen Elements Grenzen hinsichtlich der Effizienz der Übertragung von Schwingungsenergie gesetzt. Die Masse kann einerseits durch die Materialeigenschaften des stabförmigen Elements, oder über dessen geometrische Dimensionierung beeinflusst werden. Wichtig ist in dieser Hinsicht, dass durch das stabförmige Element eine möglichst geringe Beeinflussung der Steifigkeiten der beiden Membranen erfolgt.Furthermore, it is advantageous if a length, thickness and / or mass of the rod-shaped element is / are chosen such that a resonant frequency of the oscillatable unit is smaller than a resonant frequency of possibly forming bubbles in the region of the oscillatable unit, Preferably, the resonant frequency of the oscillatory unit is ω ₂ <5kHZ, in particular ω ₂ <1 kHZ, and wherein the volume of the cavity is selected such that a sensitivity of the device is s≥5%. Also, for this embodiment, the length extension of the rod-shaped element limits are set in terms of the efficiency of the transmission of vibration energy. The mass can be influenced on the one hand by the material properties of the rod-shaped element, or by its geometrical dimensioning. It is important in this regard that the rod-shaped element minimizes the influence of the stiffnesses of the two membranes.

Es ist ebenfalls möglich, eine erste Koppeleinheit in Form eines Füllstoffes und eine zweite Koppeleinheit in Form zumindest eines stabförmigen Elements zu verwenden.It is also possible to use a first coupling unit in the form of a filler and a second coupling unit in the form of at least one rod-shaped element.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt in der Regel über ein Gehäuse. Beispielsweise können die beiden Membranen in dem Gehäuse befestigt sein, und gemeinsam mit zumindest einem Teilbereich zumindest einer Wandung des Gehäuses den Hohlraum bilden. Beispielsweise kann das Gehäuse rohrförmig ausgestalte sein, wobei die mit dem Prozess in Berührung kommende Membran in einem Endbereich des rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist, und wobei die zweite Membran in einem vorgebbaren Abstand zur ersten Membran innerhalb des rohrförmigen Gehäuses angeordnet und an einer inneren Wandung des Gehäuses befestigt ist.The device according to the invention usually has a housing. For example, the two membranes may be mounted in the housing, and together with at least a portion of at least one wall of the housing form the cavity. For example, the housing may be tubular, wherein the membrane in contact with the process is disposed in an end region of the tubular housing, and wherein the second membrane is disposed at a predeterminable distance from the first membrane within the tubular housing and against an inner wall of the housing is attached.

Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet wiederum, dass die schwingfähige Einheit einen rohrförmigen Körper aufweist, wobei in einem ersten Endbereich des Körpers die erste Membran und in einem zweiten Endbereich des Körpers die zweite Membran angeordnet ist, derart dass die erste und zweite Membran sowie der Körper den Hohlraum bilden. Die beiden Membranen sind in diesem Fall also durch die Koppeleinheit und durch den rohrförmigen Körper mechanisch gekoppelt.A further embodiment of the present invention, in turn, that the oscillatable unit comprises a tubular body, wherein in a first end portion of the body, the first membrane and in a second end portion of the body, the second membrane is arranged, such that the first and second membrane and the Body form the cavity. The two membranes are thus mechanically coupled in this case by the coupling unit and by the tubular body.

Beispielsweise weisen in einer Ausgestaltung unabhängig davon, ob die schwingfähige Einheit einen rohrförmigen Körper umfasst, oder ob die Membranen an/in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet sind, die beiden Membranen jeweils eine kreisrunde Querschnittsfläche auf, während das Gehäuse bzw. der rohrförmige Körper zylindrisch ausgestaltet sind. In diesem Falle handelt es sich um einen zylinderförmigen Hohlkörper.For example, in one embodiment, regardless of whether the oscillatable unit comprises a tubular body, or whether the membranes are arranged on / in a housing of the device, the two membranes each have a circular cross-sectional area, while the housing or the tubular body is cylindrical are. In this case, it is a cylindrical hollow body.

Bezüglich des rohrförmigen Körpers ist es von Vorteil, wenn eine Dicke der Wandung des Körpers zumindest in einem Teilbereich derart gewählt ist, dass eine Steifigkeit der Wandung des Körpers mindestens einer Steifigkeit der ersten und/oder zweiten Membran entspricht, insbesondere ist die Steifigkeit der Wandung in dem Teilbereich des Körpers mindestens eine Größenordnung größer als die Steifigkeit der ersten und/oder zweiten Membran. Der Teilbereich umfasst dabei bevorzugt den dem Kontaktbereich mit den beiden Membranen abgewandten Bereich des rohrförmigen Körpers. Hierdurch kann erreicht werden, dass möglichst wenig Schwingungsenergie von den beiden Membranen auf den rohrförmigen Körper übertragen wird.With respect to the tubular body, it is advantageous if a thickness of the wall of the body is selected at least in a partial region such that a stiffness of the wall of the body corresponds to at least one rigidity of the first and / or second membrane, in particular the rigidity of the wall is in the subregion of the body at least an order of magnitude greater than the rigidity of the first and / or second membrane. The partial region preferably comprises the region of the tubular body facing away from the contact area with the two membranes. In this way it can be achieved that as little vibration energy as possible is transmitted from the two membranes to the tubular body.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass zumindest eine der Membranen und/oder der Körper zumindest teilweise aus einem Kunststoff, einer Keramik oder einem Metall besteht/bestehen. Vorzugsweise sind beide Membranen oder beide Membranen und der rohrförmige Körper aus dem gleichen Material gefertigt.An embodiment of the device according to the invention includes that at least one of the membranes and / or the body at least partially consists of a plastic, a ceramic or a metal / consist. Preferably, both membranes or both membranes and the tubular body are made of the same material.

Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass eine Dicke und/oder Steifigkeit der ersten Membran und eine Dicke und/oder Steifigkeit der zweiten Membran im Wesentlichen gleich sind. Dies ist hinsichtlich des zu erzielenden gleichartigen Schwingungsverhaltens von Vorteil. Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn die Dimensionierung beider Membranen im Wesentlichen gleich ist, insbesondere, wenn die Querschnittsflächen beider Membranen im Wesentlichen gleich sind.A further embodiment includes that a thickness and / or rigidity of the first membrane and a thickness and / or rigidity of the second membrane are substantially equal. This is advantageous in terms of the similar vibration behavior to be achieved. It is also advantageous if the dimensioning of both membranes is substantially the same, especially if the cross-sectional areas of both membranes are substantially the same.

Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn ein Ausdehnungskoeffizient der Koppeleinheit im Wesentlichen den gleichen Wert aufweist wie ein Ausdehnungskoeffizient der ersten Membran, der zweiten Membran und/oder des rohrförmigen Körpers. Durch die Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten kann ein ähnliches Verhalten der verschiedenen Komponenten bei Änderungen der Umgebungs- und/oder Prozesstemperatur in einem erweiterten Temperaturbereich gewährleistet werden Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet schließlich, dass die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, eine höhere Schwingungsmode, insbesondere die erste höhere Schwingungsmode, der schwingfähigen Einheit anzuregen. Durch die Anregung höherer Schwingungsmoden kann eine Entkopplung der schwingfähigen Einheit vom jeweiligen Behältnis erzielt werden. In dieser Hinsicht wird vollumfänglich auf die DE102007057124A1 Bezug genommen.It is also advantageous if an expansion coefficient of the coupling unit has substantially the same value as an expansion coefficient of the first membrane, the second membrane and / or the tubular body. By adapting the expansion coefficients, a similar behavior of the various components can be ensured in the case of changes in the ambient and / or process temperature in an extended temperature range. A preferred embodiment finally includes that the drive / receive unit is configured to have a higher vibration mode, in particular the first one higher vibrational mode to excite the vibratory unit. By the suggestion of higher Vibration modes, a decoupling of the oscillatory unit can be achieved by the respective container. In this regard, is fully on the DE102007057124A1 Referenced.

Die vorliegende Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 4 näher beschrieben. Es zeigt:

1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors in Form eines Membranschwingers gemäß Stand der Technik,
2: eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Einheit (a) ohne und (b) mit einem rohrförmigen Körper,
3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials,
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Koppeleinheit in Form eines stabförmigen Elements.

The present invention and its advantageous embodiments are described below with reference to FIGS 1 - 4 described in more detail. It shows:

1 FIG. 2: a schematic sketch of a vibronic sensor in the form of a membrane vibrator according to the prior art, FIG.
2 FIG. 2 is a schematic drawing of a vibratory unit (a) according to the invention without and (b) with a tubular body, FIG.
3 a device according to the invention with a coupling unit in the form of a filling material,
4 a device according to the invention with a coupling unit in the form of a rod-shaped element.

In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 mit einer Membran 5, welche zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium 3 in Kontakt kommt, welches sich in dem Behälter 2 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 6 zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche Antriebs-/Empfangseinheit 6 beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb gegeben sein kann. Andere vibronische Sensoren 1 verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 6. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 6 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 7, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder - speisung erfolgt.In 1 is a vibronic sensor 1 shown. The sensor has a mechanically oscillatable unit 4 with a membrane 5 which at least partially and / or temporarily with the medium 3 comes into contact, which is in the container 2 located. The oscillatable unit 4 is by means of the pickup / receiver unit 6 stimulated to mechanical vibrations, which drive / receiving unit 6 may be given for example by a piezoelectric stack or bimorph drive. Other vibronic sensors 1 have, for example, electromagnetic drive / receiver units 6 , It is possible to have a single drive / receiver unit 6 to be used, which serves to excite the mechanical vibrations and their detection. However, it is also conceivable to realize a drive unit and a receiving unit. Is shown in 1 also an electronics unit 7 , by means of which the signal acquisition, evaluation and / or - feeding done.

Die mechanisch schwingfähige Einheit 4 ist über den Prozessanschluss 2a in eine Wandung W des Behälters 2 eingebracht. Bei mangelnder mechanischer Entkopplung der Membran 5 vom Prozess, oder auch im Falle, dass die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 in einem Bereich liegt, in welchem der Einfluss sich möglicherweise an der prozesszugewandten Oberfläche bildender Gasblasen relevant sind, kann es zu einer deutlichen Verringerung der messtechnischen Eigenschaften des Sensors 1 kommen.The mechanically oscillatable unit 4 is about the process connection 2a in a wall W of the container 2 brought in. In the absence of mechanical decoupling of the membrane 5 from the process, or even in the event that the resonant frequency of the oscillatory unit 4 is in a range in which the influence may be relevant to the process-facing surface of forming gas bubbles, it can lead to a significant reduction in the metrological properties of the sensor 1 come.

Mittels der vorliegenden Erfindung sollen derartige die messtechnischen Eigenschaften eines vibronischen Sensors 1 in Form eines Membranschwingers, verschlechternde Einflüsse, deutlich verringert werden.By means of the present invention, such are the metrological properties of a vibronic sensor 1 in the form of a membrane vibrator, worsening influences, be significantly reduced.

In 2 sind zwei beispielhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Einheit 4 gezeigt. Die schwingfähige Einheit 4 umfasst jeweils eine erste 8 und eine zweite Membran 9, welche für die hier gezeigte Ausgestaltung, aber nicht zwingend notwendig, identisch ausgestaltet sind. Nicht gezeigt ist in 2 der Einfachheit halber die Koppeleinheit 12. Bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die schwingfähige Einheit 4 einen rohrförmigen Körper 10. Die erste Membran 8 ist in einem ersten Endbereich 10a des Körpers 10 und die zweite Membran 9 ist in einem zweiten Endbereich 10b des Körpers 10 angeordnet. Auf diese Art und Weise bilden die beiden Membranen 8,9 zusammen mit dem Körper den Hohlraum H.In 2 are two exemplary embodiments of a vibratory unit according to the invention 4 shown. The oscillatable unit 4 each comprises a first 8 and a second membrane 9 , which are configured identically for the embodiment shown here, but not mandatory. Not shown in 2 for simplicity, the coupling unit 12 , At the in 2a embodiment shown includes the oscillatory unit 4 a tubular body 10 , The first membrane 8th is in a first end area 10a of the body 10 and the second membrane 9 is in a second end area 10b of the body 10 arranged. In this way, the two membranes 8,9 together with the body form the cavity H ,

Ist kein rohrförmiger Körper 10 vorgesehen, können die Membranen 8,9 beispielsweise auch in einem Gehäuse 11 der Vorrichtung 1 angeordnet sein, wie in 2b gezeigt. In diesem Fall bilden die beiden Membranen 8,9 zusammen mit dem Teilabschnitt T der Wandung W des Gehäuses 11 der Vorrichtung 1 den Hohlraum H. Dabei ist die zweite Membran in einem Endbereich 11a des Gehäuses 11 angeordnet, während die erste Membran an der Wandung W des Gehäuses 11 befestigt ist.Is not a tubular body 10 provided, the membranes 8.9, for example, in a housing 11 the device 1 be arranged as in 2 B shown. In this case, the two membranes form 8.9 together with the subsection T the wall W of the housing 11 the device 1 the cavity H , The second membrane is in one end area 11a of the housing 11 arranged while the first membrane on the wall W of the housing 11 is attached.

Für die beiden in 2 gezeigten Varianten sei angenommen, dass die erste Membran 8 zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Prozess in Berührung. Die Antriebs-/Empfangseinheit 6 ist dann bevorzugt im Bereich der zweiten Membran 9 im dem Hohlraum H abgewandten Bereich angeordnet. Die Einbringung der Membranen 8,9 in den rohrförmigen Körper 10 oder das Gehäuse 11 kann mit allen üblichen dem Fachmann bekannten Befestigungsweisen erfolgen. Beispielsweise können die Membranen 8,9 mit dem rohrförmigen Körper 10 oder dem Gehäuse 11 verschweißt werden.For the two in 2 shown variants is assumed that the first membrane 8th at least intermittently and / or partially in contact with the process. The drive / receiver unit 6 is then preferred in the region of the second membrane 9 in the cavity H arranged away from the area. The introduction of the membranes 8,9 in the tubular body 10 or the housing 11 can be done with all conventional methods known to the expert. For example, the membranes 8,9 with the tubular body 10 or the housing 11 be welded.

Eine erste besonders bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 gezeigt. Die schwingfähige Einheit 4 umfasst hier ein Koppeleinheit 12 in Form eines Füllmaterials. Das Füllmaterial 12 füllt den gesamten Hohlraum H aus und ist somit mit der ersten 8 und zweiten Membran 9 in direktem mechanischen Kontakt. Der Kontakt besteht dabei zwischen der dem Hohlraum H jeweils zugewandten Oberfläche der ersten 8 und zweiten Membran 9. Für das hier gezeigte Beispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Füllmaterial um eine Flüssigkeit mit der Dichte ρ und der Viskosität η handelt. Weiterhin umfasst die schwingfähige Einheit für das gezeigte Beispiel den rohrförmigen Körper 10. Es versteht sich von selbst, dass analoge Überlegungen für eine Ausgestaltung, in welcher die Membranen 8,9 in ein Gehäuse 11 eingebracht sind, gelten.A first particularly preferred embodiment of a device according to the invention is in 3 shown. The oscillatable unit 4 here includes a coupling unit 12 in the form of a filling material. The filling material 12 fills the entire cavity H out and is thus with the first 8th and second membrane 9 in direct mechanical contact. The contact is between the cavity H each facing surface of the first 8th and second membrane 9 , For the example shown here, it is assumed that the filler is a liquid having the density ρ and the viscosity η is. Furthermore, the oscillatable unit for the example shown comprises the tubular body 10 , It goes without saying that analogous considerations for an embodiment in which the membranes 8th . 9 in a housing 11 are incorporated.

Eine mögliche Schwingungsbewegung einer derartigen schwingfähigen Einheit ist in 3b skizziert. Die Antriebs-Empfangseinheit 6 ist im dem Hohlraum H abgewandten Bereich der zweiten Membran 9 angeordnet und dient dem Anregen der schwingfähigen Einheit 4 zu mechanischen Schwingungen und dem Empfangen der mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4. One possible oscillatory motion of such a vibratory unit is in 3b outlined. The drive-receiving unit 6 is in the cavity H remote area of the second membrane 9 arranged and serves to excite the oscillatory unit 4 to mechanical vibrations and to receive the mechanical vibrations of the oscillatory unit 4 ,

Die erste Membran 8 wird über die Koppeleinheit 12 ebenfalls zu Schwingungen angeregt. Dabei sind die Schwingungsbewegungen der beiden Membranen gleichartig, insbesondere gleichphasig.The first membrane 8th is via the coupling unit 12 also excited to vibrate. The oscillatory movements of the two membranes are similar, in particular in-phase.

Ohne die Koppeleinheit 12 würde die Eigenfrequenz ω₁ der schwingfähigen Einheit 4 sich gemäß $ω_{1} = \sqrt{\frac{c}{m_{M}}}$

bestimmen, wobei m_m die mitschwinge Masse der Membran und c die Federkonstante ist.Without the coupling unit 12 would be the natural frequency ω ₁ the oscillatory unit 4 according to

ω_{1} = \sqrt{\frac{c}{m_{M}}}

determine where m _m the sympathetic mass of the membrane and c is the spring constant.

Umfasst die schwingfähige Einheit 4 dagegen die Koppeleinheit 12 mit der Masse m_FI , so ergibt sich für die Resonanzfrequenz ω₂ der aus den beiden Membranen 8,9 und der Koppeleinheit 12 gebildeten schwingfähigen Einheit 4: $ω_{2} = \sqrt{\frac{2 c}{2 m_{M} + m_{F l}}}$

Includes the oscillatory unit 4 in contrast, the coupling unit 12 with the crowd _FI , so results for the resonant frequency ω ₂ from the two

membranes

8,9 and the coupling unit 12 formed oscillatable unit 4 :

ω_{2} = \sqrt{\frac{2 c}{2 m_{M} + m_{F l}}}

Das Verhältnis der beiden Eigenfrequenzen ω₁ und ω₂ ergibt sich dann zu: $\frac{ω_{1}}{ω_{2}} = \sqrt{\frac{2 m_{M} + m_{F f}}{2 m_{M}} =} \sqrt{1 + \frac{m_{F l}}{2 m_{M}}}$

The ratio of the two natural frequencies ω ₁ and ω ₂ then results in:

\frac{ω_{1}}{ω_{2}} = \sqrt{\frac{2 m_{M} + m_{F f}}{2 m_{M}} =} \sqrt{1 + \frac{m_{F l}}{2 m_{M}}}

Bei festem Durchmesser d der Membranen 8,9 bestimmt sich die Masse m_FI der Flüssigkeit bzw. der Koppeleinheit 12 aus der Höhe h_FI des mit der Flüssigkeit vollständig gefüllten Hohlraums H sowie aus der Dichte ρ der Flüssigkeit. Je größer die Masse m_FL der Flüssigkeit, desto stärker kann die Resonanzfrequenz ω₂ durch die Verwendung der Koppeleinheit 12 verringert werden. Auch eine Vergrößerung der Dicke h_M der Membranen 8,9 führt zu einer Vergrößerung der Masse der schwingfähigen Einheit 4. Allerdings hat die Dicke h_M der Membran 8,9 einen Einfluss auf deren Steifigkeit, so dass es durch eine Vergrößerung der Dicke h_M der Membran 8,9 nachteilig nicht zu einer gewünschten Reduzierung der Resonanzfrequenz ω der schwingfähigen Einheit 4 kommt.With a fixed diameter d of membranes 8, 9 the mass is determined _FI the liquid or the coupling unit 12 from the height h _FI of the completely filled with the liquid cavity H as well as from the density ρ the liquid. The bigger the mass m _FL the liquid, the stronger the resonance frequency ω ₂ through the use of the coupling unit 12 be reduced. Also an increase in thickness h _M the membranes 8,9 leads to an increase in the mass of the oscillatory unit 4 , However, the thickness has _hm the membrane 8,9 has an influence on its rigidity, so that it can be increased by increasing its thickness _hm the membrane 8.9 disadvantageous not to a desired reduction of the resonant frequency ω of the oscillatory unit 4 comes.

Analoge Überlegungen gelten für den Fall, dass die schwingfähige Einheit in einer höheren Schwingungsmode angeregt wird. Eine derartige Anregung dient der Entkopplung der Schwingungsbewegungen der schwingfähigen Einheit 4 vom Behälter 2.Analogous considerations apply in the event that the oscillatory unit is excited in a higher vibration mode. Such an excitation serves to decouple the oscillatory movements of the oscillatory unit 4 from the container 2 ,

Eine zweite besonders bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße schwingfähige Einheit 4 ist in 4 gezeigt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit bezieht sich das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel auf einen vibronischen Sensor 1, bei welchem die erste höhere Schwingungsmode angeregt wird.A second particularly preferred embodiment of a vibratory unit according to the invention 4 is in 4 shown. Without limitation of generality, this refers to 4 shown embodiment of a vibronic sensor 1 in which the first higher vibration mode is excited.

Die in 4a gezeigte Koppeleinheit 13 umfasst zwei stabförmige Elemente 13a und 13b, welche mit den beiden Membranen 8,9 in den jeweiligen Endbereichen a,a' und b,b' kraftschlüssig verbunden sind. Der mechanische Kontakt besteht dabei nur zwischen den Endbereichen a,a' und b,b' zwischen den stabförmigen Elementen 13a, 13b und den jeweiligen Teilbereichen der dem Hohlraum H jeweils zugewandten Oberfläche der ersten 8 und zweiten Membran 9.In the 4a Coupling unit shown 13 includes two rod-shaped elements 13a and 13b , which with the two membranes 8,9 in the respective end regions a . a ' and b, b 'are non-positively connected. The mechanical contact consists only between the end regions a . a ' and b . b ' between the rod-shaped elements 13a . 13b and the respective portions of the cavity H each facing surface of the first 8th and second membrane 9.

Auch für die Ausgestaltung gemäß 4 kommen wieder alle dem Fachmann bekannten Befestigungsweisen in Frage; insbesondere können die stabförmigen Elemente 13a und 13b an die beiden Membranen 8,9 angeschweißt sein. Die beiden stabförmigen Elemente 13a, 13b verlaufen durch den Hohlraum H, welcher durch die beiden Membranen 8,9 und den rohrförmigen Körper 10 gebildet wird. Auch für die Ausgestaltungen gemäß 4 kann alternativ auch eine Befestigung der Membranen 8,9 im Gehäuse 11 realisiert werden. Zur Erhöhung der Masse m_se der beiden stabförmigen Elemente 13a, 13b, können die Elemente 13a, 13b entlang ihrer Längsachse im Durchmesser variieren. Beispielsweise umfassen für die Ausgestaltung aus 4b die stabförmigen Elemente 13a, 13b Gewichtselemente 14a, 14b, welche kraftschlüssig mit den beiden stabförmigen Elementen 13a, 13b verbunden sind.Also for the embodiment according to 4 Again come all known to those skilled mounting ways in question; In particular, the rod-shaped elements 13a and 13b be welded to the two membranes 8,9. The two rod-shaped elements 13a . 13b pass through the cavity H , which through the two membranes 8,9 and the tubular body 10 is formed. Also for the embodiments according to 4 Alternatively, an attachment of the membranes 8,9 in the housing 11 will be realized. To increase the mass m _se the two rod-shaped elements 13a . 13b , the elements can 13a . 13b vary in diameter along its longitudinal axis. For example, for the embodiment include 4b the rod-shaped elements 13a . 13b weight elements 14a . 14b , which frictionally with the two rod-shaped elements 13a . 13b are connected.

Es sei darauf verwiesen, dass die Anzahl der stabförmigen Elemente 13a, 13b jeweils an die gewünschte Schwingungsbewegung der schwingfähigen Einheit 4 angepasst werden kann. Zumindest ein stabförmiges Element 13a ist beispielsweise für Schwingungsbewegungen der schwingfähigen Einheit 4 entsprechend der Grundschwingungsmode ausreichend.It should be noted that the number of rod-shaped elements 13a . 13b in each case to the desired oscillation movement of the oscillatory unit 4 can be adjusted. At least one rod-shaped element 13a is for example for oscillatory movements of the oscillatory unit 4 sufficient according to the fundamental mode.

Auch für die konkrete Ausgestaltung der stabförmigen Elemente 13a, 13b und der ggf. verwendeten Gewichtswelemente14a, 14b bestehen mehrere Freiheitsgrade. Eine abschnittsweise Änderung des Durchmessers der stabförmigen Elemente 13a, 13b kann einerseits durch eine, insb. kontinuierliche oder abrupte, Variation des Durchmessers erreicht werden. Auch die Verwendung von Gewichtselementen 14a, 14b stellt im Prinzip eine Variation des Durchmessers der stabförmigen Elemente 13a, 13b dar.Also for the specific embodiment of the rod-shaped elements 13a . 13b and optionally used Gewichtswelemente 14a . 14b exist several degrees of freedom. A sectional change in the diameter of the rod-shaped elements 13a . 13b on the one hand by a, especially continuous or Abrupt, variation of the diameter can be achieved. Also the use of weight elements 14a . 14b in principle represents a variation of the diameter of the rod-shaped elements 13a . 13b represents.

Schließlich sei ebenfalls darauf verwiesen, dass auch solche Ausgestaltungen denkbar sind, in denen die schwingfähige Einheit 4 sowohl eine Koppeleinheit 12 in Form eines Füllmaterials als auch eine Koppeleinheit 13 in Form zumindest eines stabförmigen Element 13a, 13b - mit oder ohne zusätzlichem Gewichtselement 14a und 14b - aufweist.Finally, it should also be noted that such embodiments are conceivable in which the oscillatory unit 4 both a coupling unit 12 in the form of a filling material as well as a coupling unit 13 in the form of at least one rod-shaped element 13a . 13b - with or without additional weight element 14a and 14b - having.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vibronischer SensorVibronic sensor
22: Behältniscontainer
2a2a: Prozessanschlussprocess connection
33: Mediummedium
44: Schwingfähige EinheitOscillatory unit
55: Membranmembrane
66: Antriebs-/EmpfangseinheitDriver / receiver unit
77: Elektronikeinheitelectronics unit
88th: erste Membranfirst membrane
99: zweite Membransecond membrane
1010: rohrförmiger Körpertubular body
1111: Gehäusecasing
1212: Koppeleinheit in Form eines FüllmaterialsCoupling unit in the form of a filling material
13, 13a, 13b13, 13a, 13b: Koppeleinheit in Form stabförmiger ElementeCoupling unit in the form of rod-shaped elements
14a, 14b14a, 14b: Gewichtselementeweight elements
ρρ: Dichte des MediumsDensity of the medium
vv: Viskosität des MediumsViscosity of the medium
WW: Wandung BehälterWall container
HH: Hohlraumcavity
TT: Teilabschnittpart Of
ω₀ ω ₀: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit im VakuumResonant frequency of a vibratory unit in a vacuum
ω_M ω _M: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit in einem MediumResonant frequency of a vibratory unit in a medium
ω₁ ω ₁: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit ohne KoppeleinheitResonant frequency of a vibratory unit without coupling unit
ω₂ ω ₂: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit mit KoppeleinheitResonant frequency of a vibratory unit with coupling unit
m_M m _m: mitschwingende Masse der Membranresonant mass of the membrane
m_FL m _FL: mitschwingende Masse der Koppeleinheit, bzw. Flüssigkeitresonant mass of the coupling unit, or liquid
h_m h _m: Dicke der MembranThickness of the membrane
h_fl h _fl: Höhe des HohlraumsHeight of the cavity
a,a', b,b'a, a ', b, b': Endbereiche der stabförmigem ElementeEnd portions of the rod-shaped elements
dd: Durchmesser der MembranDiameter of the membrane
ss: Sensitivität des SensorsSensitivity of the sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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DE 102007057124 A1 [0012, 0033]
WO 2010/040583 A1 [0012]

Claims

Device (1) for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium (3) in a container (2), comprising a mechanically oscillatable unit (4), a drive / receiving unit (5), and electronics (7), wherein the drive / receiving unit (6) is adapted to excite the oscillatable unit (4) by means of an electrical excitation signal to mechanical vibrations, and to receive the mechanical vibrations of the oscillatable unit (4) and convert it into a received electrical signal, and wherein Electronics (7) is adapted to determine the process variable based on the received signal, characterized in that the mechanically oscillatable unit (4) has a first (8) and a second disc-shaped diaphragm (9) arranged parallel to the first, which are arranged in that there is a cavity (H) between the first (8) and second membrane (9), and at least one head in the cavity (H) Lich unit (12,13) is arranged, which is at least partially in mechanical contact with the first (8) and second membrane (9) and configured and arranged such that the first (8) and second membrane (9) substantially one perform similar, in particular in-phase, oscillatory motion.

Device (1) according to Claim 1 , wherein the process variable is a fill level, in particular a limit level, the density (ρ) or the viscosity (η) of the medium (3).

Device (1) according to Claim 1 or 2 wherein the cavity (H) is sealed against the process and an internal volume of the device (1), and wherein the at least one coupling unit (12) is a filling material filling the cavity, in particular completely.

Device (1) according to Claim 3 wherein the filling material (12) is a liquid, preferably a silicone oil or a halocarbon oil.

Device (1) according to Claim 3 or 4 , wherein the filling material (12) has a viscosity η <100 mPas and / or a density ρ> 1 g / cm ³ .

Device (1) according to at least one of Claims 3 - 5 wherein a volume of the cavity (H) is selected such that a resonant frequency (ω ₂ ) of the oscillatable unit (4) is smaller than a resonant frequency of bubbles possibly forming in the region of the oscillatable unit, preferably the resonant frequency (ω ₂ ) is oscillatory unit ω ₂ <5kHZ, in particular ω ₂ <1kHZ, and wherein the volume of the cavity (H) is selected such that a sensitivity of the device is s≥5%.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the at least one coupling unit (13) is at least one rod-shaped element (13a, 13b) which is located in the cavity (H) and in a first end region (a, a ') with the first (8) and in a second end region (b, b ') is non-positively connected to the second membrane (9).

Device (1) according to Claim 7 , wherein a diameter of the rod-shaped element in the first (a, a ') and second end region (b, b') is less than in a central region.

Device (1) according to Claim 7 or 8th , wherein a length, thickness and / or mass of the rod-shaped element (13a, 13b) is selected such that a resonant frequency (ω ₂ ) of the oscillatable unit (4) is less than a resonant frequency of itself in the region of the oscillatable unit possibly Preferably, the resonant frequency (ω ₂ ) of the oscillatory unit ω ₂ <5kHZ, in particular ω ₂ <1kHZ, and wherein the volume of the cavity (H) is selected such that a sensitivity of the device is s≥5%.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the oscillatable unit (4) comprises a tubular body (10), wherein in a first end region (10a) of the body (10) the first membrane (8) and in a second end region (10b) of the body (10) the second membrane (9) is arranged such that the first (8) and second membrane (9) and the body (10) form the cavity (H).

Device (1) according to Claim 10 , wherein a thickness of the wall of the body (10) is selected at least in a partial region such that a stiffness of the wall of the body (10) corresponds to at least one stiffness of the first (8) and / or second (9) membrane, in particular that Stiffness of the wall of the body (10) in the subregion is at least one order of magnitude greater than the rigidity of the first (8) and / or second membrane (9).

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein at least one of the membranes (8,9) and / or the body (10) at least partially from a Plastic, a ceramic or a metal is / consist.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein a thickness (h _M ) and / or rigidity of the first membrane (8) and a thickness (h _M ) and / or rigidity of the second membrane (9) are substantially equal.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein an expansion coefficient of the coupling unit (12, 13) has substantially the same value as an expansion coefficient of the first (8) membrane, the second membrane (9) and / or the tubular body (10).

Device (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the drive / receive unit (6) is configured to excite a higher vibration mode, in particular the first higher vibration mode, of the oscillatable unit (4).