DE102019102204A1

DE102019102204A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Vibrationssensors mit integrierter Temperaturerfassung

Info

Publication number: DE102019102204A1
Application number: DE102019102204.5A
Authority: DE
Inventors: Volker ALLGAIER; Dominik Fehrenbach; Fabian Rank
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors (1) mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), mit folgenden Schritten:- zyklisches Anregen des piezoelektrischen Antriebs (3) mit einem vorgegebenen Anregesignal und hervorrufen einer Schwingung der Membran (5), anschließendes Erfassen von Schwingungen der Membran (5) durch den piezoelektrischen Antrieb (3), wobei die Schritte des Anregens und Erfassens fortlaufend durchlaufen werden,wobei- eine Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs (3) als Empfangssignal (E) erfasst wird,- eine Fläche eines durch das Anregesignal (A) hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals (E) wenigstens näherungsweise ermittelt wird,- aus dem Wert der Fläche eine temperaturabhängige Kapazität (C) des piezoelektrischen Antriebs (3) ermittelt und- aus der Kapazität (C) die Temperatur (T) des piezoelektrischen Antriebs (3) bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrisch betriebenen Vibrationsgrenzschalters mit integrierter Temperaturerfassung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Temperaturermittlung bei einem solchen Vibrationsgrenzschalter.
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 und Dichte dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
In 11 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter piezoelektrisch angetriebene Vibrationssensor 1, der insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden kann, gezeigt.
Der Vibrationssensor 1 weist eine über einen Antrieb 3 zu einer Schwingung anregbare Membran 5 auf, wobei der Antrieb 3 eine Mehrzahl von ringförmig ausgebildeten Piezoelementen 7 mit einer Öffnung 9 und eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente 7 umfasst. Typischerweise sind die Piezoelemente 7 über einen an der Membran 5 des Vibrationssensors 1 angeordneten Zugbolzen 17, der durch die Öffnung 9 der Piezoelemente 7 verläuft, über eine Spannschraube 19 gegen die Membran 5 gespannt, sodass eine über ein elektrisches Signal erzeugte Schwingung der Piezoelemente 7 zuverlässig auf die Membran 5 übertragen wird. Typischerweise sind zwischen den Piezoelementen 7 und der Membran 5 eine Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 angeordnet, die für eine gezielte Einleitung der mechanischen Schwingung in die Membran 5 sowie eine elektrische Isolierung der Piezoelemente 7 gegenüber der typischerweise metallisch ausgebildeten Membran 5 sowie eine thermische Anpassung sorgt. Analog zu Anpasskeramik 13 und Spannscheibe 14 zwischen der Membran 5 und den Piezoelementen 7 kann ebenfalls eine weitere Anpasskeramik 13 und eine Spannscheibe 14 zwischen der Spannschraube 19 und den Piezoelementen 7 vorgesehen sein, sodass auch die Spannschraube 19 gegenüber den Piezoelementen 7 elektrisch isoliert ist.
Gegenüber dem Zugbolzen 17 können die Piezoelemente 7 über eine in der Öffnung 9 angeordnete, vorliegend nicht näher gezeigte Hülse 10 isoliert sein.
Eine elektrische Kontaktierung der Piezoelemente 7 erfolgt über an den Oberflächen der Piezoelemente 7 angeordnete und über Kabel 25 von außen kontaktierte Elektroden 8.
Auf einer dem Antrieb 3 abgewandten Seite der Membran 5 sind typischerweise zwei als Paddel ausgebildete mechanische Schwinger 11 angeordnet, die die in die Membran 5 eingekoppelte Schwingung auf ein die mechanischen Schwinger 11 umgebendes Medium übertragen.
Vibrationssensoren der zuvor beschriebenen Art, insbesondere Vibrationsgrenzschalter für Flüssigkeiten arbeiten nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung. Der Vibrationsgrenzschalter schwingt je nach Bedeckungszustand, Dichte, Temperatur und Druck 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 sowie vom herrschenden Prozessdruck abhängig.
Damit die Einflüsse der Temperatur auf die Resonanzfrequenz kompensiert werden können, muss die Temperatur am Piezoantrieb und/oder des Schwingungselements bekannt sein.
Der Einfluss der Temperatur auf die Resonanzfrequenz ist durch die Materialkonstanten der verwendeten Materialen, insbesondere der Membran und der mechanischen Schwinger bekannt. Ist die Temperatur bekannt, kann also eine durch Temperatureinflüsse hervorgerufene Resonanzfrequenzverschiebung kompensiert werden.
Im Stand der Technik wird im Antrieb ein Temperatursensor, in 11 mit 22 bezeichnet, z. B. vom Typ PT100 mit verbaut.
Da es bei den oben beschriebenen Vibrationssensoren als nachteilig empfunden wird, dass zur Temperaturerfassung ein Temperatursensor und damit ein zusätzliches Bauelement mit zusätzlicher Verkabelung notwendig ist, gibt es mittlerweile Vibrationssensoren mit integrierter Temperaturerfassung. Ein solcher Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung ist bspw. in der EP 3 312 574 A1 der Anmelderin beschrieben.
Der dort beschriebe Vibrationssensor weist einen Piezostapelantrieb mit wenigstens zwei mechanisch in Reihe geschalteten Piezoelementen aus unterschiedlichen piezoelektrischen Materialien auf, wobei eine Temperatur durch Erfassen einer Kapazität wenigstens eines Piezoelements bestimmt wird. Eine solche Temperaturbestimmung ist möglich, da die eingesetzten piezoelektrischen Materialien zwischen den Elektroden zur Anregung der Piezoelemente wie ein Dielektrikum eines Plattenkondensators wirken und dessen relative Dielektrizitätszahl in 33-Richtung (und ggf. in andere Richtungen) eine Temperaturabhängigkeit aufweist, die durch eine Kapazitätsmessung auch eine Temperaturbestimmung zulässt.
Die Dielektrizitätszahl ε bzw. die relative Dielektrizitätszahl ε_r ist Richtungsabhängig. ε_r beschreibt dabei das Verhältnis aus der Dielektrizitätszahl ε des piezoelektrischen Materials und der Dielektrizitätskonstante ε₀, wobei die Dielektrizitätszahl ε ein Maß für die Polarisierbarkeit des piezoelektrischen Materials im elektrischen Feld darstellt. Die Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätszahl ε_r von der Richtung des elektrischen Feldes und der dielektrischen Verschiebung wird ebenfalls durch entsprechende Indizes angezeigt. ε₃₃ beschreibt dabei die Dielektrizitätszahl ε in Polarisationsrichtung bei ebenfalls in Polarisationsrichtung anliegenden elektrischem Feld.
Zur Festlegung von Richtungen in Bezug auf die verwendeten Piezoelemente werden, wie dies in 10 dargestellt ist, die Achsen 1, 2 und 3 eingeführt, die analog zu X-, Y- und Z-Achsen des kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet sind. Zusätzlich werden mit den Ziffern 4, 5 und 6 die Drehrichtungen um die jeweiligen Achsen, ebenfalls wie in 7 eingezeichnet, bezeichnet. Die Achse 3 ist dabei entlang der Polarisierungsrichtung des jeweiligen Piezoelements ausgerichtet. Da das piezoelektrische Material anisotrop ist, werden die entsprechenden physikalischen Größen durch Tensoren beschrieben und entsprechend der obigen Achsennummerierung indiziert.
Bei Verwendung entsprechend unterschiedlicher Materialien wird es im Stand der Technik vorteilhaft beschrieben, wenn eine erste relative Dielektrizitätszahl des ersten piezoelektrischen Materials und eine zweite relative Dielektrizitätszahl des zweiten piezoelektrischen Materials eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit aufweisen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erste relative Dielektrizitätszahl in 33-Richtung und die zweite relative Dielektrizitätszahl in 33-Richtung eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Sofern in der vorliegenden Anmeldung von einer Dielektrizitätszahl ohne explizite Indizierung oder Richtungsangabe gesprochen wird, so ist in diesen Fällen die Dielektrizitätszahl in 33-Richtung, d. h. parallel zur Polarisierung des Piezoelements und in einer Richtung senkrecht zur Membran des Vibrationssensors gemeint.
Um eine möglichst gute Temperaturerfassung mit Hilfe einer Kapazitätsmessung des Antriebs insgesamt oder eines einzelnen Piezoelements zu gewährleisten, wird es im Stand der Technik als vorteilhaft beschrieben, wenn die zweite relative Dielektrizitätszahl in dem zu messenden Temperaturbereich eine relative Änderung von mehr als +/- 10%, vorzugsweise mehr als +/- 15%, insbesondere in einem Bereich von - 10% bis + 30%, vorzugsweise in einem Bereich von - 10% bis + 50% aufweist. Durch eine entsprechend große Änderung der Dielektrizitätszahl des Piezoelements wird eine entsprechend große Änderung einer Kapazität eines Plattenkondensators, der mit den piezoelektrischen Elementen gebildet ist, erreicht, sodass mit hinreichender Genauigkeit eine Temperaturbestimmung erfolgen kann.
Vorzugsweise weist die relative Dielektrizitätszahl in dem Temperaturbereich eine Änderung von wenigstens 30%, vorzugsweise wenigstens 50%, insbesondere wenigstens 80% auf, wobei hier eine betragsmäßige Änderung über den gesamten Temperaturbereich gemeint sein soll.
Um bei Verwendung eines entsprechenden piezoelektrischen Materials dennoch über sämtliche Temperaturen hinweg eine ausreichende Antriebsleistung zu erzielen, ist es sinnvoll oder kann sogar notwendig sein, dass der Antrieb wenigstens ein zweites Piezoelement aufweist, das einen über den gesamten Temperaturbereich stabilen Kopplungsfaktor aufweist.
Der Kopplungsfaktor k ist ein Maß für die Ausprägung des piezoelektrischen Effekts. Er beschreibt das Vermögen eines piezoelektrischen Materials, aufgenommene elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Der Kopplungsfaktor berechnet sich dabei aus der Quadratwurzel des Verhältnisses von gespeicherter mechanischer Energie zur gesamten aufgenommenen Energie. Unter dynamischen Bedingungen hängt der Kopplungsfaktor k von der entsprechenden Schwingungsform des piezoelektrischen Körpers ab. Besonders relevant für piezoelektrische Antriebe von Vibrationssensoren der vorliegenden Art ist der Kopplungsfaktor der Longitudinalschwingung k₃₃, d. h. inwieweit ein Piezoelement eine in Richtung der Polarisation angelegte elektrische Spannung in eine Ausdehnung in Richtung der Achse 3, d. h. in Richtung der Polarisation überführt.
Der Kopplungsfaktor in 33-Richtung ist wie folgt definiert: $k_{33}^{2} = \frac{W_{mech .. 3}}{W_{elektr ., 3}} = \frac{0.5 \cdot d_{33}^{2} \cdot U_{3}^{2} \cdot b \cdot h/ (s_{33}^{E} \cdot 1)}{0.5 \cdot U_{3}^{2} \cdot ε_{33}^{T} \cdot b \cdot h/ 1} = \frac{d_{33}^{2}}{s_{33}^{E} \cdot ε_{33}^{T}} .$
Wobei die verwendeten Formelbestandteile folgende Bedeutung aufweisen:

K₃₃ - Kopplungsfaktor in 33-Richtung
W_mech.,3 - mechanische Arbeit in 33-Richtung
W_elektr.,3 - elektrische Energie in 33-Richtung
U₃ - Elektrodenspannung in 33-Richtung
b - Piezobreite in 22-Richtung
h - Piezohöhe in 11-Richtung
1 - Piezolänge in 33-Richtung
d₃₃ - Piezoelektrische Ladungskonstante in 33-Richtung
s₃₃ ^E - Elastische Nachgiebigkeitskonstante in 33-Richtung
∈₃₃ ^T - Relative Permittivitätszahl in 33-Richtung

Um einen hinreichend großen Kopplungsfaktor für den gesamten Antrieb über den gesamten Temperaturbereich hinweg zu gewährleisten, kann es vorteilhaft sein, wenn der Antrieb wenigstens zwei Piezoelemente aus dem ersten piezoelektrischen Material aufweist. Die Kopplungsfaktoren von mechanisch in Reihe geschalteten Piezoelementen addieren sich dabei zu einem Gesamtkopplungsfaktor des Antriebs.
Es ist vorteilhaft, wenn der Kopplungsfaktor des Antriebs in dem gesamten Temperaturbereich wenigstens 20, vorzugsweise wenigstens 25, weiter bevorzugt wenigstens 35 beträgt, da auf diese Weise bei einer vorgegebenen Vorspannung des Antriebs eine hinreichend mechanische Anregung der Membran erzielt werden kann.
Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn das erste Piezoelement eine Curietemperatur von wenigstens 300°C, vorzugsweise wenigstens 320°C aufweist.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren mit integrierter Temperaturmessung ist eine Kapazitätsbestimmung und damit eine Temperaturmessung nur bei ruhendem Sensor möglich, d.h. wenn eine mechanische Schwingung des Sensors vollständig abgeklungen ist. Um eine Kapazitäts-/Temperaturmessung durchzuführen wird eine Anregung des Vibrationssensors unterbrochen, gewartet, bis die mechanische Schwingung des Sensors vollständig abgeklungen ist, anschließend eine Temperaturmessung durchgeführt und dann der Vibrationssensor wieder zu Schwingungen angeregt, sodass eine Grenzstandüberwachung wieder möglich ist. Das abklingen der mechanischen Schwingung dauert bei den bekannten Sensoren typischerweise zwischen 1 und 5 Sekunden. Eine erneute Schwingungsanregung, sodass wieder eine Grenzstandüberwachung stattfinden kann dauert zwischen 0,1 Sekunden und 1 Sekunde, sodass bei vernachlässigbarer Messzeit für die Kapazitäts-/Temperaturmessung für eine Temperaturbestimmung in einem worst-case-Szenario eine Unterbrechung von 6 Sekunden veranschlagt werden muss, in der keine Grenzstandüberwachung möglich ist. In sicherheitskritischen Anwendungen wird diese Dauer als deutlich zu hoch empfunden und stellt gegenüber Systemen mit einem separaten Temperatursensor einen deutlichen Wettbewerbsnachteil dar.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit integrierter Temperaturerfassung und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturbestimmung anzugeben, die diese Nachteile des Standes der Technik überwinden, insbesondere eine Temperaturmessung ohne Unterbrechung der mechanischen Schwingung des Vibrationssensors ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran, einem piezoelektrischen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran, ermöglicht ein zyklisches Anregen des piezoelektrischen Antriebs mit einem vorgegebenen Anregesignal und hervorrufen einer Schwingung der Membran, anschließendes Erfassen von Schwingungen der Membran durch den piezoelektrischen Antrieb, wobei die Schritte des Anregens und Erfassens fortlaufend durchlaufen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs als Empfangssignal erfasst wird, eine Fläche eines durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals wenigstens näherungsweise ermittelt wird, wobei aus dem Wert der Fläche eine temperaturabhängige Kapazität des piezoelektrischen Antriebs ermittelt und aus der Kapazität die Temperatur des piezoelektrischen Antriebs bestimmt wird.
Durch die Bestimmung der Fläche des in dem Empfangssignal durch das Anregesignal hervorgerufenen Flächenanteils, der sich im Empfangssignal als Signalspitze eindeutig identifizieren lässt, lässt sich ein Ladevorgang des durch die Elektroden zur Kontaktierung des Piezoelements und das als Dielektrikum zwischen diesen Elektroden liegende piezoelektrische Materials gebildeten Plattenkondensators nachvollziehen.
Da das Anregesignal bekannt ist, d.h. insbesondere die Signalform und -amplitude bzw. -spannung, und auch bekannt ist welche Dimensionen der verwendete Aufbau hat, kann aus der Fläche der im Empfangssignal durch eine steigende oder eine fallende Flanke des Anregesignals hervorgerufenen Signalspitze auf die Kapazität des Plattenkondensators und da die Dimensionen des Kondensators als konstant angenommen werden können, über eine bekannte Temperaturabhängigkeit der Permittivität (Dielektrizitätszahl) des piezoelektrischen Materials auf die Temperatur geschlossen werden.
Dies kann rein rechnerisch erfolgen, wenn die Temperaturabhängigkeit der Permittivität des piezoelektrischen Materials formelmäßig bekannt ist, oder über empirisch ermittelte Zusammenhänge.
Die Formel zur Berechnung der Kapazität eines Plattenkondensators ist $C = ε_{0} \times ε_{r} \times A/d$
Wobei ε₀ die dielektrische Konstante, ε_r die relative Dielektrizitätszahl des Piezomaterials, A die Fläche der Elektrode und d den Abstand der Elektroden bezeichnet.
Aus dem Empfangssignal kann die Kapazität über den Zusammenhang $\int_{0}^{t} U (t) d t = U_{0} \cdot R \cdot C$
d. h. aus dem beim Ladevorgang des Kondensators entstehenden Spannungsverlauf, der Zeit t, in der der Kondensator geladen wird, und der Spannung U₀, die an den Kondensator angelegt wird, ermittelt werden. Der Spannungsverlauf ist aus dem Empfangssignal zu ermitteln, die übrigen Größen sind auf Grund der bekannten Signalform bekannt.
Dadurch, dass die Kapazität des o.g. Plattenkondensators bzw. eine dazu in einem bekannten oder zumindest empirisch ermittelbaren Verhältnis stehende Größe damit in laufendem Betrieb des Vibrationssensors ermittelt werden kann, kann eine Temperaturermittlung ohne Unterbrechung der Grenzstandmessung erfolgen.
Unter einem Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung wird in der vorliegenden Anmeldung ein Vibrationssensor mit einer in Schwingung versetzbaren Membran, einem piezoelektrischen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran verstanden, bei dem eine Temperaturerfassung durch Bestimmung einer Kapazität wenigstens eines Piezoelements erfolgt.
Der mechanische Aufbau des Vibrationssensors kann dabei dem in Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Aufbau entsprechen. Es ist aber auch ein Aufbau denkbar, bei dem der Antrieb separat gefertigt und verspannt ist und über beispielsweise ein Gewinde zwischen einem an der Membran angeordneten Kragen und den Antrieb an der Membran befestigt wird.
Vibrationssensoren mit einer Temperaturerfassung, bei denen bspw. ein Temperatursensor in den Antrieb eingebracht ist, oder eine Thermospannung an einer Zuleitung zum Antrieb über eine weitere Leitung gemessen wird, werden nicht als Vibrationssensoren mit integrierter Temperaturerfassung im Sinne der vorliegenden Anmeldung aufgefasst.
Ermitteln der eigeschlossenen Fläche des Messsignals über die Dauer einer ansteigenden oder abfallenden Flanke bedeutet, dass die von dem Messsignal eingeschlossenen Fläche ermittelt wird, die auf der Zeitachse zwischen dem Zeitpunkt beginnend mit dem Anstieg oder dem Abfallen des Anregesignals bis zum Ende des Anstiegs oder Abfalls liegt. Unter einem Ansteigen oder Abfallen bzw. einer ansteigenden oder abfallenden Flanke des Anregesignals wird in der vorliegendne Anmeldung eine Steigung von 5 V pro 100 µs verstanden.
Unter der Fläche eines durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteils der Messkurve soll die von der Messkurve eingeschlossene Fläche verstanden werden, die durch das Anregesignal zusätzlich zu dem durch eine mechanische Schwingung der Membran erzeugten Anteil hervorgerufen wird.
In einer einfachen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Fläche des durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals durch Ermittlung der von dem Empfangssignal über die Dauer einer ansteigenden oder abfallenden Flanke des Anregesignals eingeschlossenen Fläche bestimmt werden.
Dadurch, dass das Anregesignal bspw. mittels eines Signalgenerators erzeugt wird, ist bekannt, wann das Anregesignal steigende oder fallende Flanken aufweist, die an den Antrieb angelegt werden. Die Dauer dieser steigenden oder fallenden Flanken kann zur Bestimmung einer Dauer und eines Zeitpunkts für die Flächenbestimmung im Empfangssignal genutzt werden.
Die Fläche kann bspw. durch Annäherung der Signalspitze durch Ein- oder Umbeschreibung von Polygonen oder durch Bildung von Ober- und/oder Untersummen ermittelt werden. Je nachdem, wie groß die Temperaturabhängigkeit der Permittivität und damit die Temperaturabhängigkeit der Kapazitätsänderung ist, kann es ausreichend sein, wenn die Größe der Fläche der Signalspitze angenähert wird. Bspw. kann die Fläche der Signalspitze durch die Fläche eines gleichschenkliges Dreiecks mit einer durch die Dauer der steigenden oder fallenden Flanke des Anregesignals definierten Basis und einer, durch eine Maximalspannung im Empfangssignal, bestimmbaren Höhe angenähert werden.
Es sind aber auch andere Annäherungen möglich und vorstellbar.
Eine auch schaltungstechnisch einfach umzusetzende Variante der Flächenbestimmung ist die Bestimmung der Fläche durch Integration des Empfangssignals über die Dauer der ansteigenden oder abfallenden Flanke des Anregesignals. Die Integration kann bspw. numerisch mittels eines Microcontrollers oder schaltungstechnisch mittels eines Integrators erfolgen. Alternativ können ein entsprechend ausgestalteter ASIC (application specific integrated circuit, Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) oder ein entsprechend ausgestaltetes FPGA (field progammable gate array, Feldprogrammierbare Gatter Anordnung) als anwendungsspezifische Schaltungen zum Einsatz kommen.
Eine verbesserte Temperaturbestimmung ist möglich, wenn das Integral um einen Flächenanteil der durch die mechanische Schwingung der Membran hervorgerufen wir, korrigiert wird. Da das Integral im kartesischen Koordinatensystem eine über einen bestimmten Abschnitt der x-Achse unter einer Funktion liegende Fläche beschreibt, wird bei einer Integration des Empfangssignals auch ein Flächenanteil ermittelt, der durch die mechanische Schwingung des Sensors hervorgerufen wird. Um nur den durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteil des Empfangssignals zu erhalten, muss das Integral um den Flächenanteil aufgrund der mechanischen Schwingung korrigiert werden. Dieser Flächenanteil kann durch das Integral über die mechanische Schwingung beschrieben werden: $\int_{0}^{t} sin (2 π \cdot f_{r e s} \cdot t + Φ) d t$
Dabei ist fres die mechanische Resonanzfrequenz von Membran und mechanischem Schwinger und Φ die Phasenverschiebung der mechanischen Schwingung relativ zum Anregesignal.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei der o.g. Flächenbestimmung Gleichanteile des Empfangssignals, bspw. ein Gleichspannungsanteil des Empfangssignals, zu kompensieren sind.
Der durch die mechanische Schwingung der Membran hervorgerufene Anteil des Empfangssignals ist in der Regel sinusförmig. Aufgrund der Lage der steigenden oder fallenden Flanken des überlagerten Anregesignals im Bereich der Wendepunkte des Sinussignals, kann der durch die mechanische Schwingung des Vibrationssensors hervorgerufene Flächenanteil des Empfangssignals bspw. durch ein Dreieck angenähert werden. Genauer kann der Flächenanteil durch Integration der durch die mechanische Schwingung der Membran hervorgerufenen Sinusfunktion über die Dauer der steigenden oder fallenden Flanke des Anregesignals berechnet werden.
Zur Verringerung des rechnerischen oder schaltungstechnischen Aufwands kann eine Temperaturbestimmung nur bei jeder hundertsten, jeder fünfzigsten oder jeder zehnten zyklischen Anregung der Membran erfolgen.
Ferner kann es sinnvoll sein, eine Temperaturbestimmung nur bei Abweichung einer Abweichung der Amplitude des Empfangssignals von einer Amplitude des Anregesignals von 10 mV oder weniger durchzuführen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich der Vibrationssensor in einem eingeschwungenen Zustand befindet und es werden Fehlmessungen aufgrund von Änderungen in der mechanischen Schwingung des Vibrationssensors vermieden.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Temperaturbestimmung bei einem Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran, einem mit einem Anregesignal beaufschlagbaren piezoelektrischen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran, mit einer Schaltung zur Erfassung einer Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs als Empfangssignal, zeichnet sich durch eine Einheit zur Flächenbestimmung eines durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals aus, wobei aus dem Wert der Fläche eine temperaturabhängige Kapazität des piezoelektrischen Antriebs ermittelt und aus der Kapazität die Temperatur des piezoelektrischen Antriebs bestimmt wird.
Der Schritt des Ermittelns der Kapazität des piezoelektrischen Antriebs kann dabei auch so ausgestaltet sein, dass die Kapazität nicht ihrem exakten Wert nach bestimmt wird, sondern lediglich die zu der Fläche korrespondierende Temperatur bei bekanntem Temperaturverhalten der Permittivität des piezoelektrischen Materials ausgegeben wird.
Um das Empfangssignal nicht durch weitere Signalverarbeitungseinheiten zu verzerren kann dieses einem der weiteren Signalverarbeitung zur Grenzstandbestimmung parallel geschalteten Verstärker zugeführt sein, der der Einheit zur Flächenbestimmung vorgeschaltet sein kann.
Der Verstärker kann die Verstärkung 1 aufweisen, d.h. als Impedanzwandler ausgestaltet sein. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Einheit zur Flächenbestimmung schaltungstechnisch von der Schwinggabel entkoppelt ist und damit keine Rückwirkungen auf das Empfangssignal zu befürchten sind.
Die Einheit zur Flächenbestimmung kann zum Starten und Stoppen der Flächenbestimmung einen Schmitt-Trigger aufweisen, dem das Empfangssignal zugeführt ist. Übersteigt das Empfangssignal einen bestimmten Wert, wird die Flächenbestimmung gestartet, sinkt das Empfangssignal unter einen bestimmten Wert ab, wird die Flächenbestimmung wieder gestoppt. Durch die Verwendung eines Schmitt-Triggers zum Starten und Stoppen der Flächenbestimmung kann auf einfache Art und Weise durch schaltungstechnische Maßnahmen eine Prozessorlast eines Microcontrollers, der die Temperaturbestimmung durchführen soll, reduziert werden, da das Start- und Stoppsignal für die Flächenbestimmung nicht durch den Microcontroller berechnet, sondern durch eine einfache Schaltungskomponente erzeugt wird.
Die Flächenbestimmung kann ferner ebenfalls zu einem wesentlichen Teil schaltungstechnisch implementiert werden, indem die Einheit zur Flächenbestimmung einen Integrator aufweist. Ein Integrator kann auf einfache Weise als Schaltungskomponente realisiert werden, was die Prozessorlast des Microcontrollers weiter reduzieren kann.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sowohl das Starten und Stoppen der Flächenbestimmung als auch die Integration und Korrektur des Integrals in einem Microcontroller stattfinden können. Das Empfangssignal ist dem Microcontroller dazu über einen Analog-Digital-Wandler zuzuführen. Anschließend können sämtliche Rechenoperationen im Microcontroller ablaufen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen Vibrationssensor gemäß der vorliegenden Anmeldung,
2 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild des Antriebs des Vibrationssensors aus 1,
3 beispielhafte Signalverläufe für das Anregesignal und ein dadurch erzeugtes Empfangssignal,
4 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Empfangssignal gemäß 3,
5 eine mögliche Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Vibrationssensors mit integrierter Temperaturmessung,
6 eine mögliche Schaltung zur schaltungstechnischen Implementierung einer Integration,
7 die Abhängigkeit der Kapazität eines beispielhaften piezoelektrischen Antriebs von der Temperatur,
8 die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz eines mechanischen Schwingers von der Temperatur,
9 die Abhängigkeit der ermittelten Temperatur von einer Eintauchtiefe des Sensors ohne Kompensation der mechanischen Schwingung,
10 ein Koordinatensystem wie es zur Bezeichnung der Richtungen von Polarisation, Kopplungsfaktor und relativer Dielektrizitätszahl verwendet wird (schon behandelt) und
11 einen Vibrationssensor gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Vibrationssensor 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Ein Gehäuse sowie eine Sensorelektronik sind der besseren Übersichtlichkeit halber vorliegend nicht dargestellt.
Der gezeigte Vibrationssensor 1 besteht im Wesentlichen aus einem Antrieb 3, der mittels eines Zugbolzens 17 und einer Spannschraube 19 mit einer Membran 5 verschraubt ist. An einer dem Antrieb 3 gegenüberliegenden Seite der Membran 5 sind mechanische Schwinger 11, beispielsweise in Form von an der Membran 5 angeordneten und parallel zueinander ausgerichteten Paddeln angeordnet.
Zentraler Bestandteil des Antriebs 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Stapel aus zwei Piezoelementen 7, die nachfolgend zu deren Unterscheidbarkeit als erstes Piezoelement 71 und zweites Piezoelement 72 bezeichnet werden. Die Piezoelemente 7 sind vorliegend ringförmig ausgebildet und umschließen damit den Zugbolzen 17 in Umfangsrichtung. Zur zentrierten Ausrichtung der Piezoelemente 7 sowie zu deren elektrischer Isolation gegenüber dem metallischen Zugbolzen 17 ist zwischen dem Zugbolzen 17 und den Piezoelementen 7 eine isolierende Hülse 10 angeordnet. Die Piezoelemente 7 sind über Elektroden 8 elektrisch kontaktiert, wobei ein Anregesignal A über in rückseitiger Richtung verlaufende Kabel 25 geführt wird. Die Elektroden 8 kontaktieren jeweils eine in der vorliegenden Figur nicht näher dargestellte Oberflächenmetallisierung der Piezoelemente 7.
Unter vorderseitig wird in der vorliegenden Anmeldung eine Orientierung in Richtung der Membran 5, unter rückseitig eine Orientierung von der Membran 5 weggewandt verstanden.
Vorder- und rückseitig der Piezoelemente 7 ist jeweils eine Anpasskeramik 13 zur elektrischen Isolation angeordnet. Wiederum vorder- und rückseitig zu den jeweiligen Anpasskeramiken 13 sind Spannscheiben 14 angeordnet, mittels derer der Antrieb vorderseitig auf der Membran 5 aufsitzt und rückseitig mit Hilfe einer Spannschraube 19 mit dem Zugbolzen 17 verschraubt und damit in Richtung der Membran 5 vorgespannt ist.
Das erste Piezoelement 71 und das zweite Piezoelement 72 sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übereinandergestapelt und damit mechanisch in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass sich in Richtung einer Längsachse L des Zugbolzens 17 ausbildende Längenänderungen des ersten Piezoelements 71 und des zweiten Piezoelements 72 innerhalb des Antriebs 3 addieren und damit ein vergrößerter Hub erreicht werden kann.
Bei einer mechanischen Reihenschaltung, wie dies in 1 dargestellt ist, addieren sich die Kopplungsfaktoren der aufeinandergestapelten Piezoelemente 7 zu einem Gesamtkopplungsfaktor des Antriebs 3.
In 2 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild der Piezoelemente 7 aus 1 dargestellt. Aus diesem Ersatzschaltbild ist ersichtlich, dass das erste Piezoelement 71 und das zweite Piezoelement 72 elektrisch gesehen parallelgeschaltet sind.
Wie aus 2 ersichtlich, bildet das erste Piezoelement 71 eine erste Kapazität C₁ und das zweite Piezoelement 72 eine zweite Kapazität C₂ aus. Durch die elektrische Parallelschaltung addieren sich die Kapazitäten C₁ , C₂ zu einer Gesamtkapazität Cges des Antriebs 3.
Wie aus dem Ersatzschaltbild ersichtlich ist, sind die Piezoelemente 7 dabei als Dielektrikum innerhalb von Plattenkondensatoren anzusehen, sodass eine Änderung der relativen Dielektrizitätszahl ε_r des piezoelektrischen Materials des jeweiligen Piezoelements 71, 72 zu einer Änderung der Kapazität C₁ , C₂ des zugeordneten Plattenkondensators führt. Auf diese Weise kann durch Bestimmung der Gesamtkapazität Cges des Antriebs 3 wie nachfolgend gezeigt wird eine Bestimmung einer Temperatur T der Piezoelemente mit hinreichender Genauigkeit erfolgen.
Der piezoelektrische Antrieb 3 wird mit einem Anregesignal A, das über die Kabel 25 zugeführt wird, beaufschlagt. Aufgrund des zyklischen Anregesignals A und dem oben beschriebenen mechanischen Aufbau wird die Membran 5 und der an der Membran 5 angeordnete mechanische Schwinger 11 zu einer Schwingung auf seiner Resonanzfrequenz fres angeregt, die von dem piezoelektrischen Antrieb 3 wieder detektiert werden kann und als Empfangssignal E abgreifbar ist. Im Betrieb des dargestellten Vibrationssensors 1 wird im Empfangssignal E ein Signalanteil der mechanischen Schwingung überlagert durch Signalanteile, die durch die zyklische Anregung des Antriebs 3 bzw. der Membran 5 durch das Anregesignal A hervorgerufen werden.
3 zeigt beispielhafte Signalverläufe für das Anregesignal A und das Empfangssignal E.
In 3 oben ist das Anregesignal A gezeigt. Das Anregesignal A hat grundlegend die Form eines periodischen Rechtecksignals, wobei aber steigende Flanken F₁ und fallende Flanken F₂ nicht durch einen Spannungssprung in Form einer Stufenfunktion sondern jeweils durch 1/4 einer Sinusfunktion realisiert sind.
Wie aus dem unteren Teil von 3 deutlich zu erkennen ist, ist das Empfangssignal E eine Überlagerung aus einer Sinusschwingung, aufgrund der Schwingung der Membran 5 und des an der Membran 5 angeordneten mechanischen Schwingers 11, und Signalanteilen, die jeweils bei steigenden Flanken F₁ oder fallenden Flanken F₂ des Anregesignals A entstehen. Diese Signalanteile, die deutlich als Signalspitzen S zu erkennen sind entstehen dadurch, dass der piezoelektrische Antrieb 3 wie ein aus einer Kapazität C, nämlich der Kapazität Cges des piezoelektrischen Antriebs und einem Widerstand R gebildeter CR-Hochpass wirkt und die hohen Frequenzanteile der Flanken F₁ , F₂ durchlässt. In 3 ist eine Dauer D einer steigenden Flanke.
Die Anregung erfolgt nicht mit einem reinen Rechtecksignal, sondern mit einem ¼-Sinus-Signal, welches von einem Microcontroller 110, der zur Steuerung des Vibrationssensors 1 eingesetzt wird, über einen Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler) DA ausgegeben wird. Da der Wert des Widerstands R und das von dem DA-Wandler DA ausgegebenen Anregesignal A sowohl der Signalform als auch der Maximalspannung Umax nach bekannt sind, und auch die Maximalspannung Umax konstant ist, steht die Fläche der Signalspitze S im Verhältnis zur Kapazität Cges des piezoelektrischen Antriebs 3.
Somit kann während eines Anregeimpulses des Anregesignals A über eine Bestimmung der Fläche der Signalspitze S, was vorliegend durch eine Integration gelöst ist, ein Verhältnis zur Kapazität Cges berechnet werden. Diese Kapazität Cges weißt wiederum ein materialabhängiges, bekanntes Verhalten über die Temperatur T auf, sodass aus der Größe der Kapazität Cges über die temperaturabhängige Permittivität ε des Piezomaterials auf die Temperatur T geschlossen werden kann. Die Temperaturbestimmung kann dabei rechnerisch über eine Bestimmung der von der Signalspitze S eingeschlossenen Fläche, einer Berechnung der Kapazität Cges sowie hieraus einer Berechnung der Temperatur T über die Permittivität ε erfolgen. Alternativ kann aber zu jeder Fläche eine korrespondierende Temperatur T hinterlegt sein, bspw. in einer entsprechenden Lookup-Table in einem Speicher des Microcontrollers 110.
4 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des Empfangssignals E aus 3 im Bereich einer Signalspitze S.
Um die Temperatur T noch genauer zu bestimmen ist es notwendig, das Integral über die Signalspitzte S um den Anteil der mechanischen Schwingung, der mit der Signalspitze S überlagert ist, zu korrigieren. Diese Korrektur kann bspw., wie in 4 dargestellt, durch Annäherung einer Korrekturfläche K, als Fläche eines Dreiecks erfolgen. Für diese Annäherung wird ein Anfangswert W1 des Empfangssignals E am Beginn und ein Endwert W2 am Ende einer steigenden Flanke F₁ des Anregesignals A bestimmt und die Fläche eines Dreiecks mit einer Basis in Länge der Dauer D der steigenden Flanke F₁ berechnet. Die angenäherte Korrekturfläche bestimmt sich demnach wie folgt: $K = 1 / 2 \times D \times (W 2 - W 1)$
Alternativ zu einer Annäherung der Korrekturfläche K kann diese auch durch Integration des von der mechanischen Schwingung hervorgerufenen Signalanteils des Empfangssignals E ermittelt werden.
Das Verfahren zum Betreiben des beispielhaft in 1 dargestellten Vibrationssensors 1 mit integrierter Temperaturerfassung ermöglicht damit eine Temperaturbestimmung im laufenden Messbetrieb, ohne eine Schwingungsmessung unterbrechen zu müssen. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird der piezoelektrische Antrieb 3 des Vibrationssensors 1 mit einem vorgegebenen Anregesignal A zyklisch angeregt und damit eine Schwingung der Membran 5 sowie des an der Membran 5 angeordneten mechanischen Schwingers 11 hervorgerufen. Die Anordnung aus Membran 5 und mechanischem Schwinger 11 wird dadurch zu einer Schwingung auf ihrer mechanischen Resonanzfrequenz fres angeregt, die wie oben dargestellt, von dem Bedeckungszustand des mechanischen Schwingers 11 und der Temperatur T abhängig ist.
Zur Temperaturbestimmung wird eine Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs 3 als Empfangssignal E erfasst und eine Fläche eines durch das Anregesignal A hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals E wenigstens näherungsweise ermittelt. Der durch das Anregesignal A hervorgerufene Flächenanteil im Empfangssignal ist eindeutig als Signalspitze S identifizierbar.
Der Flächenanteil der Signalspitze S ist proportional zur Kapazität Cges des piezoelektrischen Antriebs 3 und ermöglicht damit eine Bestimmung der temperaturabhängigen Kapazität Cges des piezoelektrischen Antriebs. Aus der Kapazität Cges wird dann über die bekannte Temperaturabhängigkeit der Permittivität ε des Piezomaterials die Temperatur T des piezoelektrischen Antriebs 3 bestimmt.
Die so bestimmte Temperatur T kann dann in der Folge zur Temperaturkompensation der Frequenzermittlung für die Grenzstandmessung verwendet werden.
5 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung 100 zum Betreiben eines Vibrationssensors 1 mit integrierter Temperaturmessung.
Der piezoelektrische Antrieb 3 des Vibrationssensors 1 ist eingangsseitig mit dem Microcontroller 110 zur Steuerung der Grenzstandmesung verbunden. Von dem Microcontroller 110 ist dem Vibrationssensor 1 über einen Digital-Analog-Wandler DA das Anregesignal A zugeführt. Das Anregesignal A wird dabei durch eine digitale Regelung innerhalb des Microcontrollers 110 erzeugt und über Speicherdirektzugriff (Direct Memory Access, DMA) über den Digital-Analog-Wandler DA ausgegeben. An dem Vibrationssensor 1 liegt damit das Anregesignal A, wie es in 3 oben dargestellt ist, an.
Ausgangsseitig ist an dem Vibrationssensor 1 das Empfangssignal E, wie es in 3 unten dargestellt ist, abgreifbar. Einerseits wird das Empfangssignal E der digitalen Reglung zur Frequenzermittlung über eine Reihenschaltung aus einem Schalter S₁ , einem Bandpassfilter BP sowie einem ersten Analog-Digital-Wandler AD1 zugeführt. Dem ersten Analog-Digital-Wandler DA1 ist eine Reihenschaltung aus einem Verstärker 111 und einem zweiten Analog-Digital-Wandler AD2 parallelgeschaltet. Dem zweiten Analog-Digital-Wandler AD2 ist wiederum ein Schmitt-Trigger parallel geschaltet. Über den Verstärker 111 wird das Empfangssignal bei zu geringer Amplitude verstärkt um bei großer Signaldämpfung trotzdem messbar zu sein. Der Schmitt-Trigger macht aus dem Signal wiederum ein Rechteck-Signal, womit eine hochgenaue Frequenzmessung möglich wird.
Das ausgangsseitig an dem Vibrationssensor 1 abgreifbare Empfangssignal E ist vorliegend über einen Impedanzwandler 112, d.h. einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1, einem dritten Analog-Digital-Wandler AD3 zugeführt. Parallel ist das ausgangsseitig an dem Impedanzwandler 112 abgreifbare Signal einer Einrichtung zur Kapazitätsmessung 114 zugeführt. Das Ausgangssignal der Kapazitätsmessung 114 ist ebenfalls dem dritten Analog-Digital-Wandler AD3 zugeführt. Der dritte Analog-Digital-Wandler AD3 ist ausgangsseitig mit dem Microcontroller 110 verbunden. Parallel zu der Einrichtung zur Kapazitätsmessung 114 ist das Ausgangssignal des Impedanzwandlers 112 einem Schmitt-Trigger zugeführt, der außerhalb des Microcontrollers 110 ein Startsignal und ein Stoppsignal für die Kapazitätsbestimmung generiert. Auf diese Weise kann der Microcontroller entlastet werden, da das Start- und das Stoppsignal für die Kapazitätsmessung schaltungstechnisch erzeugt werden können.
Innerhalb des Microcontrollers 110 wird auf Basis des A/Dgewandelten Empfangssignals E der Wert der Kapazitätsmessung 114 um die Korrekturfläche K korrigiert, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Temperaturbestimmung erfolgt dann basierend auf dem korrigierten Kapazitätswert. Basierend auf dem korrigierten Kapazitätswert wird die Temperaturbestimmung durchgeführt und eine Temperaturkompensation der digitalen Regelung und eines von dem Microcontroller 110 generierten Schaltbefehls durchgeführt.
Eine mögliche Schaltung zur schaltungstechnischen Implementierung der Einrichtung zur Kapazitätsmessung 114 ist in 6 dargestellt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Fläche unter der Signalspitze S mittels einer Integration bestimmt. In 6 ist ein analog aufgebauter Integrator dargestellt, der über einen Schalter S₂ mit dem am Ausgang des Impedanzwandlers 112 anliegenden Empfangssignal beaufschlagbar ist. Der Integrator 114 ist aus einem Operationsverstärker OPi mit einer Kapazität Ci in Gegenkopplung aufgebaut. Der Operationsverstärker OPi ist mit einem Vorschaltwiderstand R_v sowie einem der Gegenkopplung parallel geschalteten Rücksetzzweig aus einem Rücksetzwiderstand R_res und einem Schalter Sres zum Aktivieren der Rücksetzung des Integrators beschaltet.
7 zeigt die Abhängigkeit einer Änderung der Kapazität Cges eines beispielhaften piezoelektrischen Antriebs 1 von der Temperatur T. Wie 7 entnommen werden kann, liegt bei geeigneter Wahl der Materialien der Piezoelemente 71, 72 des piezoelektrischen Antriebs 3 eine annähernd lineare Abhängigkeit der Kapazitätsänderung des piezoelektrischen Antriebs 3 von der Temperatur T vor.
In 8 ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fres des mechanischen Schwingers 11 von der Temperatur T dargestellt. Auch hier ist ein annähernd lienearer Zusammenhang feststellbar. Mit steigender Temperatur T nimmt die Resonanzfrequenz fres des mechanischen Schwingers 11 aufgrund der Materialeigenschaften ab.
In Kenntnis der Temperatur T kann eine geeignete Kompensation durchgeführt werden, sodass immer, d.h. insbesondere temperaturunabhängig ein korrekter Schaltbefehl aus der Resonanzfrequenz fres des mechanischen Schwingers 11 abgeleitet wird.
In 9 ist die Abhängigkeit der ermittelten Temperatur T in Abhängigkeit von einer Eintauchtiefe des mechanischen Schwingers 11 in ein Messmedium gezeigt, wenn keine Bereinigung der ermittelten Fläche um die Korrekturfläche K stattfindet.
Abhängig von der der Eintauchtiefe variiert die ohne Berücksichtigung der Korrekturfläche K ermittelte Temperatur T um mehrere Grad Celsius. Aus dieser Darstellung geht eindeutig hervor, dass eine Berücksichtigung der Korrekturfläche bei der Kapazitäts- und Temperaturbestimmung in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel notwendig ist. Bei einer anderen Kombination von piezoelektrischen Materialien für Piezoelemente 71, 72 kann aber auch eine Flächenbestimmung ohne Korrektur ausreichend sein.
Bezugszeichenliste

1: Vibrationssensor
3: Antrieb
5: Membran
7: Piezoelemente
8: Elektroden
9: Öffnung
10: Hülse
11: mechanische Schwinger
13: Anpasskeramik
14: Spannscheibe
17: Zugbolzen
19: Spannschraube
22: Temperatursensor
25: Kabel
71: erstes Piezoelement
72: zweites Piezoelement
110: Microcontroller
111: Verstärker
112: Impedanzwandler
114: Einrichtung zur Flächenbestimmung
OP: Operationsverstärker
ε₀: Dielektrizitätskonstante
ε_r1: erste relative Dielektrizitätszahl
ε_r2: zweite relative Dielektrizitätszahl
k₁: erster Kopplungsfaktor
k₂: Zweiter Kopplungsfaktor
k_ges: Gesamtkopplungsfaktor
A: Anregesignal
E: Empfangssignal
S: Signalspitze
t: Zeit
f: Frequenz
f_res: Resonanzfrequenz
C₁: erste Kapazität
C₂: zweite Kapazität
C_ges: Gesamtkapazität
C_i: Kapazität
R: Widerstand
R_v: Vorschaltwiderstand
L: Längsachse
U_max: Maxiamlspannung
AD1: erster Analog-Digital-Wandler
AD2: zweiter Analog-Digital-Wandler
AD3: dritter Analog-Digital-Wandler
DA: Digital-Analog-Wandler
T: Temperatur
W₁: Anfangswert
W₂: Endwert
F₁: steigende Flanke
F₂: fallende Flanke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3312574 A1 [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors (1) mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), mit folgenden Schritten: - zyklisches Anregen des piezoelektrischen Antriebs (3) mit einem vorgegebenen Anregesignal und hervorrufen einer Schwingung der Membran (5), anschließendes Erfassen von Schwingungen der Membran (5) durch den piezoelektrischen Antrieb (3), wobei die Schritte des Anregens und Erfassens fortlaufend durchlaufen werden, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs (3) als Empfangssignal (E) erfasst wird, - eine Fläche eines durch das Anregesignal (A) hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals (E) wenigstens näherungsweise ermittelt wird, - aus dem Wert der Fläche eine temperaturabhängige Kapazität (C_ges) des piezoelektrischen Antriebs (3) ermittelt und - aus der Kapazität (C_ges) die Temperatur (T) des piezoelektrischen Antriebs (3) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche durch Ermittlung der von dem Empfangssignal (E) über eine Dauer (t) einer ansteigenden Flanke (F₁) oder abfallenden Flanke (F₂) des Anregesignals (A) eingeschlossenen Fläche bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, d a durc h g e k e n n z e ich n e t, dass die Fläche durch Annäherung des Empfangssignals (E) durch Ein- oder Umbeschreibung von Polygonen oder durch Bildung von Ober- und/oder Untersummen ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche durch Integration des Empfangssignals (E) über die Dauer (t) der ansteigenden oder abfallenden Flanke (F₁, F₂) des Anregesignals (A) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral um eine Korrekturfläche (K), die durch die mechanische Schwingung der Membran (5) hervorgerufen wird, korrigiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfläche (K) durch ein Dreieck angenähert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfläche (K) durch Integration der durch die mechanische Schwingung der Membran (5) hervorgerufenen Sinusfunktion berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturbestimmung nur bei jeder hundertsten, jeder fünfzigsten oder jeder zehnten zyklischen Anregung der Membran (5) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturbestimmung nur bei Abweichung einer Amplitude des Empfangssignals (E) von einer Amplitude des Anregesignals (A) von 10 mV oder weniger erfolgt.
Schaltungsanordnung (100) zur Temperaturbestimmung bei einem Vibrationssensor (1) mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem mit einem Anregesignal beaufschlagbaren piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), mit einer Schaltung zur Erfassung einer Ausgangsspannung des piezoelektrischen Antriebs (3) als Empfangssignal (E), g e k e n n z e ich n e t durch - eine Einheit zur Flächenbestimmung eines durch das Anregesignal hervorgerufenen Anteils des Empfangssignals (E), wobei - aus dem Wert der Fläche eine temperaturabhängige Kapazität (C_ges) des piezoelektrischen Antriebs (3) ermittelt und - aus der Kapazität (C_ges) eine Temperatur (T) des piezoelektrischen Antriebs (3) bestimmt wird.
Schaltungsanordnung (100) gemäß Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit zur Flächenbestimmung ein Verstärker (112) vorgeschaltet ist.
Schaltungsanordnung (100) gemäß Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (112) als Impedanzwandler ausgestaltet ist.
Schaltungsanordnung (100) gemäß einem der Patentansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Flächenbestimmung (114) einen Schmitt-Trigger aufweist, der die Flächenbestimmung startet und beendet.
Schaltungsanordnung (100) gemäß einem der Patentansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Flächenbestimmung (114) einen Integrator aufweist ist.