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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran aufweist, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind sowohl piezoelektrische als auch elektromagnetische Antriebe für solche Vibrationssensoren bekannt, wobei vorliegend von einem Vibrationssensor mit einem elektromagnetischen Antrieb ausgegangen werden soll.
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In 2 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter elektromagnetisch angetriebener Vibrationssensor 1, der insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden kann, gezeigt. Der Vibrationssensor 1 weist eine über einen Antrieb 5 zu einer Schwingung anregbare Membran 3 auf, wobei der Antrieb 5 durch eine an einem Gehäuse 19 des Sensors 1 gelagerte bestrombare Spule 9, einen in der Spule 9 angeordneten Spulenkern 21 sowie einen an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7 gebildet ist. Der Bolzen 7 ist im vorliegend dargestellten Antrieb 3 als Permanentmagnet ausgestaltet und mit der Membran 3 starr verbunden. Ein der Spule 9 zugeführter Strom induziert in der Spule 9 ein Magnetfeld, das dann abhängig von seiner Orientierung den an der Membran 3 angeordneten Permanentmagneten 7 anzieht oder abstößt, wodurch die Membran 3 in die entsprechende Richtung bewegt wird. Auf diese Weise ist ein elektrisches Signal in eine Bewegung der Membran 3 umsetzbar.
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Analog hierzu induziert eine Bewegung des Bolzens 7 einen Strom in der Spule 9, sodass Bewegungen des Bolzens 7 und damit der Membran 3 in elektrische Signale überführt und somit detektiert werden können.
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Auf einer dem Antrieb 5 abgewandten Seite der Membran 3 sind typischerweise zwei als Paddel ausgebildete mechanische Schwinger 17 angeordnet, die die in die Membran 3 eingekoppelte Schwingung auf ein die mechanischen Schwinger 17 umgebendes Medium übertragen.
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Vibrationssensoren der zuvor beschriebenen Art, insbesondere Vibrationsgrenzschalter für Flüssigkeiten und Schüttgüter arbeiten nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung. Der Vibrationsgrenzschalter schwingt je nach Bedeckungszustand, Dichte und Temperatur des Mediums mit einer anderen Resonanzfrequenz und Amplitude. Die Amplitude der Resonanzfrequenz ist dabei von der Viskosität des Mediums abhängig. Die Frequenzverschiebung ist von der Dichte und Temperatur des Mediums abhängig.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren wie dem in 2 dargestellten tritt das Problem auf, dass nicht nur von der Membran 3 auf den Antrieb 5 übertragene Schwingungen in Axialrichtung A einen Strom in der Spule 9 induzieren sondern auch Störschwingungen, insbesondere in Radialrichtung R, zu einer Induktion in der Spule 9 führen und damit die Messgenauigkeit des Vibrationssensors 1 negativ beeinflussen. Die Störschwingungen werden durch externe Einflüsse, beispielweise eine seitlich wirkende Kraft F auf die Schwinggabel oder durch Stöße oder Vibrationen in Radialrichtung R, hervorgerufen. Bspw. kann eine mechanische Einwirkung auf die mechanischen Schwinger 17 zu einer Verformung der Membran 3 und damit zu einer Positionsänderung des Bolzens 7 führen. Aufgrund dieser Positionsänderung, die, wie in 2 gezeigt, in der Regel in einem Verkippen des Bolzens 7 relativ zur Spule 9 besteht, können in der Spule 9 elektrisch Signale induziert werden, die von einem tatsächlichen Messsignal nicht unterschieden werden können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vibrationssensor mit einem elektromagnetischen Antrieb derart weiterzubilden, dass Fehldetektionen auf Grund von Störschwingungen und mechanischen Einflüssen auf die Membran und/oder die mechanischen Schwinger vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran, und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung, wobei der Antrieb ein elektromagnetisch wirkenden Antrieb ist und wenigstens einen mit der Membran gekoppelten Bolzen und eine Spule aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Vibrationssensor einen optischen Schwingungsmesser aufweist, der geeignet ausgebildet und angeordnet ist, eine Schwingung der Membran zu erfassen.
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Dadurch, dass der Vibrationssensor einen optischen Schwingungsmesser, d. h. einen Schwingungsmesser, der nach einem optischen Messprinzip arbeitet, aufweist, ist es möglich, einen Antrieb, d. h. das Versetzten der Membran in Schwingung, und eine Schwingungsdetektion voneinander zu entkoppeln. Es kann auf diese Weise mehr Schwingungsenergie in die Membran eingekoppelt werden, da nicht zwischen Sende- und Empfangsbetrieb, d. h. Versetzen der Membran in Schwingung und Detektieren der Schwingungsfrequenz der Membran abgewechselt werden muss. Es ist damit möglich, die Membran mit Hilfe des elektromagnetischen Antriebs dauerhaft anzutreiben und gleichzeitig mit Hilfe des optischen Schwingungsmessers eine Schwingungsfrequenz der Membran zu detektieren.
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Dadurch, dass die Schwingungserfassung nicht mehr induktiv, d. h. über den induktiven Antrieb erfolgt, ist auch der Einfluss von Störschwingungen in Radialrichtung reduziert, da mit dem optischen Schwingungsmesser selektiv Schwingungen der Messmode, d. h. Schwingungen der Membran in Axialrichtung, d. h. senkrecht zu einer Ebene der Membran, erfasst werden können.
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Der optische Schwingungsmesser kann bspw. als Interferometer ausgestaltet sein. Mit Hilfe eines Interferometers können kleinste Schwingungen eines Gegenstandes, d. h. vorliegend der Membran erfasst und bspw. hinsichtlich der Schwingungsfrequenz ausgewertet werden. Der Schwingungsmesser ist dazu idealerweise als Laser-Doppler-Vibrometer ausgestaltet. Ein Laser-Doppler-Vibrometer, nachfolgend der Einfachheit halber nur als Vibrometer bezeichnet, kann zur Messung von Schwingungsfrequenz und -amplitude verwendet werden.
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Das Vibrometer weist einen Laser auf, der auf die zu messende Oberfläche fokussiert wird. Aufgrund des Doppler-Effekts verschiebt sich bei einer Bewegung der zu messenden Oberfläche die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts. Diese Frequenzverschiebung wird im Vibrometer mittels eines Interferometers ausgewertet und als Spannungssignal oder digitaler Datenstrom ausgegeben.
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Der Schwingungsmesser ist derart ausgestaltet und angeordnet, dass eine Schwingungsmessung an einem mit der Membran gekoppelten oder einstückig ausgebildeten Element erfolgt. Die Membran weist im schwingfähigen Bereich der Membran ein fest mit der Membran verbundenes und damit mit der Membran schwingendes Element, nämlich den Bolzen auf, wobei eine Schwingungsmessung an diesem Element erfolgt.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Schwingungsmessung an einer der Membran abgewandten Stirnfläche des Bolzens. Die der Membran abgewandte Stirnfläche des Bolzens, also die Stirnfläche, die in der Spule dem Spulenkern zugewandt ist, ist von einer Rückseite des Vibrationssensors her besonders einfach zugänglich und kann daher bevorzugt für eine Schwingungsmessung verwendet werden. Ferner ist der Bolzen zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades beim Antreiben der Membran in deren Zentrum angeordnet und ist damit an einer Stelle der Membran, an der eine große Schwingungsamplitude zu erwarten ist.
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Eine zentrische Schwingungsmessung, d. h. eine Schwingungsmessung an einem Mittelpunkt der Membran bzw. in Verlängerung dazu ist besonders einfach möglich, wenn die Spule einen Spulenkern zur Magnetfeldlenkung mit einer zentrischen Bohrung aufweist und die Schwingungsmessung durch die Bohrung im Spulenkern erfolgt.
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Um eine Beeinträchtigung der Schwingungsmessung durch Ablagerungen in der Bohrung zu vermeiden, kann es sinnvoll sein, wenn ein lichtleitendes Material beispielsweise eine Glasfaser oder ein Glasfaserbündel in der Bohrung angeordnet ist.
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Damit der Vibrationssensor auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann, ist das lichtleitende Material dabei vorzugsweise hochtemperaturgeeignet ausgeführt. Besonders geeignet sind Materialien, die bis zu Temperaturen von wenigstens 250°C, vorzugsweise wenigstens 300°C, weiter bevorzugt wenigstens 350°C und insbesondere bevorzugt wenigstens 500°C einsetzbar sind. Geeignete Materialien sind beispielsweise Siliciumdioxid (Silica) oder auch Saphir.
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Vibrationssensoren mit induktivem Antrieb werden häufig für Anwendungen bei hohen Temperaturen, d. h. insbesondere Temperaturen, bei denen Vibrationssensoren mit Piezoantrieb nicht mehr eingesetzt werden können, verwendet. Das ist insbesondere bei Temperaturen in der Größenordnung knapp unterhalb der Curie-Temperatur des entsprechend verwendeten Materials der Fall, da ab dieser Temperatur bereits eine Alterung/Degradation des Materials einsetzt und somit der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs ab dieser Temperatur schon deutlich sinkt. Aktuelle vibronische Sensoren mit piezoelektrischen Antrieben, welche eine Curie-Temperatur von ca. 370°C aufweisen, werden bis zu einer Temperatur von ca. 250°C eingesetzt. Es ist daher vorteilhaft, wenn sämtliche verwendeten Materialien, insbesondere Materialien im Bereich des Antriebs, in dem vorliegenden Vibrationssensor hochtemperaturgeeignet sind.
Das lichtleitende Material kann dafür bspw. Quarzglas, Saphir oder aus einem vergleichbaren Material sein. Diese Materialien sind besonders Temperaturbeständig und gleichzeitig hervorragende Lichtleiter.
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Um den Einfluss von Störschwingungen in Radialrichtung zu minimieren können einander zugewandte Oberflächen der einen magnetisch wirksamen Luftspalt ausbildenden Teile jeweils einem Kugelflächenabschnitt mit einem Radius einer Länge des Abstands der Oberflächen zu einem Drehpunkt, um den Sich der Bolzen bei einer seitlichen Auslenkung bewegt, oder einer Annäherung an diesen Kugelflächenabschnitt entsprechen ausgebildet sein. Eine solche Annäherung kann bspw. eine lineare Annäherung sein.
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Konkret können bspw. einander zugewandte Oberflächen des Bolzens und des Spulenkerns entsprechend ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass seitliche Auslenkungen des Bolzens einen Abstand der Bolzenoberfläche zu der Spulenkernoberfläche nicht verändern und somit eine noch präzisere Schwingungsmessung möglich ist. Die dem Spulenkern zugewandte Stirnfläche des Bolzens ist dafür insbesondere konvex und die dem Bolzen zugewandte Stirnfläche des Spulenkerns konkav ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehende erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Vibrationssensor mit induktivem Antrieb gemäß der vorliegenden Anmeldung und
- 2 einen Vibrationssensor mit induktivem Antrieb gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 1 mit einem induktiven Antrieb 5 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Der Vibrationssensor 1 weist eine über einen umlaufenden Rand an einem Gehäuse 19 des Vibrationssensors 1 schwingfähig befestigte Membran 3 auf, an der vorderseitig, d. h. an einer zu einem Prozess hin orientierten Seite der Membran 3 mechanische Schwinger 17 angeordnet sind. Die Membran 3 ist über einen Antrieb 5 im Wesentlichen zu einer Schwingung anregbar, wobei der Antrieb 5 durch eine an dem Gehäuse 19 des Vibrationssensors 1 gelagerter bestrombaren Spule 9 einen in der Spule 9 angeordneten Spulenkern 21 sowie einen an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7 gebildet ist. Ein in der Spule 9 fließender Strom induziert in dieser ein Magnetfeld, das abhängig von seiner Orientierung den an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7, der vorliegend als Permanentmagnet ausgebildet ist, anzieht oder abstößt, wodurch die Membran 3 in die entsprechende Richtung bewegt wird. Auf diese Weise ist ein elektrisches Signal, das der Spule 9 zugeführt wird, in eine Bewegung der Membran 3 umsetzbar.
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Die auf einer dem Antrieb 5 abgewandten Seite der Membran 3 angeordneten mechanischen Schwinger 17 übertragen eine in die Membran 3 eingekoppelte Schwingung auf ein die mechanischen Schwinger 17 umgebendes Medium.
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Wie bereits in Bezug auf den Stand der Technik beschrieben arbeitet auch der vorliegend dargestellte Vibrationssensor 1 nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung, bei dem der Vibrationssensor 1 je nach Bedeckungszustand, Dichte und Temperatur eines die mechanischen Schwinger 17 umgebenden Mediums mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz und Amplitude schwingt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Spulenkern 21 eine in Axialrichtung A verlaufende und mit einem lichtleitenden Material 25, welches vorzugsweise als lichtleitende Faser oder Faserbündel ausgeformt ist, gefüllte Bohrung 23 auf. Die Bohrung 23 durchsetzt den Spulenkern 21 in Axialrichtung A vollständig, sodass ein optischer Schwingungsmesser 11, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Laser-Doppler-Vibrometer ausgestaltet ist, auf eine der Membran 3 abgewandten ersten Stirnfläche 71 des Bolzens 7 ausgerichtet angeordnet sein kann.
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Das lichtleitende Material 25 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Quarzglas gebildet. Dieses Material hat einerseits hervorragende lichtleitender Eigenschaften und ist andererseits Hochtemperatur geeignet, d. h. es ist bei Temperaturen bis zu ca. 300°C einsetzbar.
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Bei einer seitlich in Radialrichtung R, d. h. vorliegend senkrecht zur Axialrichtung A wirkende Kraft F auf die mechanischen Schwinger 17 wird die Oberfläche des Bolzen 7 auf einer Kreisoberfläche mit Radius r um einen Drehpunkt D verschoben.
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Eine dem Spulenkern 21 zugewandte erste Stirnfläche 71 des Bolzens 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel konvex ausgebildet. Die erste Stirnfläche 71 ist dabei entsprechend einem Kugelflächenabschnitt mit einem ersten Radius r1 einer Länge eines Abstands der ersten Stirnfläche 71 zu einem Drehpunkt D des Bolzens 7 ausgebildet. Eine dem Bolzen 7 zugewandte zweite Stirnfläche 72 des Spulenkerns 21 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel konkav, vorliegend entsprechend einem Kugelflächenabschnitt mit einem zweiten Radius r2 einer Länge eines Abstands der zweiten Stirnfläche 72 zu dem Drehpunkt D des Bolzens 7 ausgebildet. Durch diese zueinander korrespondierende Ausbildung der beiden Stirnfläche 71,72 hat eine seitliche Auslenkung des Bolzens 7 keine Abstandsänderung zwischen den Stirnflächen des Spulenkerns 21 und dem Bolzens 7 zur Folge. Auf diese Weise kann durch einfache mechanische Mittel sichergestellt werden, dass sogenannte Störmoden, beispielsweise durch seitliche Kräfte F hervorgerufene lateral Schwingungen des Bolzens 7 zu keiner Abstandsänderung in Axialrichtung A führen sodass der optischer Schwingungsmesser 11 ausschließlich die in Axialrichtung A wirkenden Messmoden detektiert. Ferner führt ein Verkippens des Bolzens 7 zu keiner Änderung der Größe des magnetisch wirksamen Luftspalts, sodass keine Änderung des magnetischen Flusses eintritt.
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Durch die vorliegende Ausgestaltung ist auf einfache Weise möglich eine Entkopplung von Schwingungsanregungen und Schwingungsdetektion zu erreichen, sodass nicht wie bisher zwischen Sende - und Empfangsphase im Zeitmultiplex umgeschaltet werden muss. Die Frequenz des Anregungssignals kann kontinuierlich durch Einstellen einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal auf die Resonanzfrequenz geregelt werden. Da der induktive Antrieb 5 also permanent eine Schwingung in die Membran 3 einkoppeln kann ist es möglich mehr elektrische Energie in mechanische Schwingungsenergie umzuwandeln, dadurch im Zeitmittel mehr Schwingungsenergie in die Membran 3 einzukoppeln und dadurch größere Amplituden für die Schwingungsdetektion zu erreichen.
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Eine Sensorelektronik zur Auswertung der empfangenen Signale kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel rückseitig an dem Vibrationssensor 1 angeordnet sein, sodass diese von einer möglicherweise heißen Prozessumgebung entkoppelt angeordnet ist. Da lediglich eine Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ausgewertet wird, beeinflussen absolute Amplitudenveränderungen des optisch erfassten Messwerts beispielsweise aufgrund thermischen Materialausdehnung die Messung nicht. Der vorliegende Vibrationssensor 1 ist somit auch in Temperaturbereichen über 300°C einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibrationssensor
- 3
- Membran
- 5
- Antrieb
- 7
- Bolzen
- 9
- Spule
- 11
- Schwingungsmesser
- 19
- Gehäuse
- 21
- Spulenkern
- 23
- Bohrung
- 25
- Lichtleitendes Material
- 71
- erste Stirnfläche
- 72
- zweite Stirnfläche
- D
- Drehpunkt
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- r1
- erster Radius
- r2
- zweiter Radius
- F
- Kraft
