DE102019132021A1

DE102019132021A1 - Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran

Info

Publication number: DE102019132021A1
Application number: DE102019132021.6A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor 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, einem an der Membran angeordnete mechanische Schwingungseinheit zur Übertragung von Schwingungen der Membran auf ein mechanische Schwingungseinheit umgebendes Medium, wobei die mechanische Schwingungseinheit abhängig von dem sie umgebenden Medium eine erste Resonanzfrequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Antrieb eine zweite Schwingungseinheit angeordnet ist, die eine zweite Resonanzfrequenz f_res2 aufweist, wobei die zweite Resonanzfrequenz um wenigstens einen Faktor 2 von der ersten Resonanzfrequenz in unbedecktem Zustand abweicht und unabhängig von einer Bedeckung des Vibrationssensors mit Medium ist.

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.
Im Stand der Technik sind zwei unterschiedliche Arten von Antrieben häufig im Einsatz. In einer ersten Variante ist ein mehrfach segmentiertes Piezoelement mit der Membran verklebt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einzelne oder mehrere Segmente des Piezoelements wird dieses zu einer Biegung oder Torsion angeregt und überträgt diese auf die Membran, die dadurch in Schwingung versetzt wird und den mechanischen Schwinger in Schwingung versetzt. Diese Art von Antrieb erzeugt nur einen begrenzten Hub und kann nur bei Vibrationssensoren eingesetzt werden, die bei Temperaturen deutlich unter der Glasübergangstemperatur des verwendeten Klebers und unterhalb der Curie-Temperatur des verwendeten Piezomaterials eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen über 150°C sind diese Sensoren nicht geeignet.
Wird für eine Anwendung ein Sensor mit größerem Hub benötigt oder ist ein Einsatz bei höheren Temperaturen notwendig, so wird eine zweite Variante von Antrieben, sogenannte Piezostapelantriebe, eingesetzt.
In 4 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 4 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.
Bei den zuvor beschriebenen Vibrationssensoren aus dem Stand der Technik 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. Die Zeitdauer für das Abklingen der Schwingung wird häufig als zu lange empfunden. Ferner wird die Genauigkeit und Geschwindigkeit der so erzielten Temperaturmessung bemängelt.
Zusätzlich kann sich die Kapazität des Piezos über die Betriebsdauer ändern, was folglich zu einem Messfehler in der Temperaturbestimmung führen würden
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrationssensor zur Verfügung zu stellen, der eine Temperaturmessung ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand und mit hoher Genauigkeit aufweist und keinem Alterungsprozess unterliegt.
Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor 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, einem an der Membran angeordnete mechanische Schwingungseinheit zur Übertragung von Schwingungen der Membran auf ein die mechanische Schwingungseinheit umgebendes Medium, wobei die mechanische Schwingungseinheit abhängig von dem sie umgebenden Medium eine erste Resonanzfrequenz aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass an oder in dem Antrieb eine zweite Schwingungseinheit angeordnet ist, die eine zweite Resonanzfrequenz aufweist, wobei die zweite Resonanzfrequenz um wenigstens einen Faktor 2 von der ersten Resonanzfrequenz in unbedecktem Zustand abweicht und unabhängig von einer Bedeckung des Vibrationssensors mit Medium ist.
Der erfindungsgemäße Vibrationssensor realisiert damit eine zweite mechanische Schwingungseinheit, mittels derer eine Temperaturbestimmung möglich ist. Konkret kann eine Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungseinheit ermittelt und aus dieser zweiten Resonanzfrequenz die aktuelle Temperatur der zweiten Schwingungseinheit bestimmt werden. Die zweite Schwingungseinheit wird über den Antrieb, der zur Erzeugung und Detektion der Schwingungsfrequenz der ersten Schwingungseinheit genutzt wird, in Schwingung versetzt und es wird vorzugsweise über den Antrieb auch die zweite Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungseinheit durch den Antrieb detektiert. Die zweite Schwingungseinheit kann hierfür bspw. mit einer Frequenzrampe, einer Reihe von sog. Chirps oder einem Stufenimpuls zur Schwingung angeregt werden.
Die zweite Schwingungseinheit ist dafür derart an oder in dem Antrieb, der bspw. als Piezostapelantrieb aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Piezoelemente gebildet sein kann, angeordnet, dass ihre Resonanzfrequenz unabhängig von einer Bedeckung des Sensors mit Medium ist. Die zweite Resonanzfrequenz hängt damit bei gegebener Form und Befestigung der zweiten Schwingungseinheit ausschließlich von der Temperatur eines Materials der zweiten Schwingungseinheit ab. Da sich die Resonanzfrequenz der zweiten Schwingungseinheit abhängig von einer temperaturabhängigen Veränderung des Elastizitätsmoduls des verwendeten Materials ebenfalls ändert, kann über die Bestimmung der Resonanzfrequenz in Kenntnis der Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von der Temperatur eine Temperaturbestimmung erfolgen.
Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz empirisch bestimmt und bspw. in einer Wertetabelle abgelegt werden. Alternativ kann auch ein über die bestimmten Stützstellen interpoliertes Polynom in eine Funktion zur Bestimmung der Temperatur umgeformt und bspw. in einem Speicher abgelegt werden.
Der Elastizitätsmodul, kurz E-Modul, ist ein Materialkennwert der bei linearelastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Wenn in der vorliegenden Anmeldung vom Elastizitätsmodul, kurz E-Modul gesprochen wird, ist der statische Elastizitätsmodul gemeint.
Der E-Modul ist abhängig von der kristallographischen Richtung, da auch der Atomabstand sich mit der kristallographischen Richtung verändert. Aus diesem Grund kann der Elastizitätsmodul von bspw. Stahl nicht als eine konstante skalare Werkstoffkonstante angesehen werden, sondern ist ein Tensor vierter Stufe. Da aber bei metallischen Werkstoffen die Eigenschaften über viele Kristalle gemittelt werden und bei regelloser Kristallanordnung ein „quasiisotropes“ Verhalten zeigen, ist es für die meisten Berechnungen zulässig, von einem mittleren E-Modul des Werkstoffs auszugehen. Die einzelnen Kristallite im polykristallinen Haufwerk weisen allerdings ein unterschiedliches Verhalten in der Beanspruchungsrichtung auf, das an den Korngrenzen ausgeglichen werden muss, so dass sich eine ungleichmäßige Spannungsverteilung in mikroskopischen Bereichen im Werkstoff einstellt. Abweichungen von der regellosen Kristallorientierung werden als ausgeprägte Texturen bezeichnet; diese führen zu richtungsabhängigen Eigenschaften. Darüber hinaus kann es durch starke Formgebung auch zu geometrisch bedingten Richtungsabhängigkeiten kommen, zum Beispiel durch eine starke Gefügestreckung oder durch eine zeilige Anordnung von Ausscheidungen.
Vorliegend wird der mittels Zugversuch bestimmte E-Modul betrachtet. Der Zugversuch stellt ein genormtes Standardverfahren in der Werkstoffprüfung dar. Bestimmt werden können damit die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Streckgrenze, sowie weitere Wertstoffkennwerte. Der Zugversuch zählt zu den zerstörenden, quasistatischen Prüfverfahren, da der Werkstoff über die Streckgrenze hinaus belastet wird. Beim Zugversuch werden standardisierte Proben mit einer definierten Querschnittsfläche Zugversuch bis zum Bruch gedehnt, dabei werden die Dehnung und der Weg stoßfrei und mit einer geringen Geschwindigkeit gleichmäßig gesteigert. Im Verlauf des Zugversuches werden an der Probe die Kraft F sowie in der Messstrecke die Längenänderung ΔL kontinuierlich gemessen. Die Nennspannung σn ergibt sich dabei aus der Kraft und der Querschnittsfläche der nicht deformierten Probe So. Viele Werkstoffe verhalten sich zu Beginn einer Krafteinwirkung linear-elastisch. Das bedeutet, dass die Verformung bei einer Entlastung vollständig reversibel ist, solange die Streckgrenze nicht erreicht wurde. Das linear-elastische Verformungsverhalten wird mit dem Wertstoffkennwert des Elastizitätsmoduls E beschrieben. Der Wertstoffkennwert entspricht in diesem Fall der Steigung der hookeschen Geraden im Spannungs-DehnungsDiagramm.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die zweite Schwingungseinheit derart ausgebildet, dass sie eine Schwingung senkrecht zu einer Ebene der Membran ausführt. Durch eine derartige Ausgestaltung wird eine kompakte Bauform ermöglicht.
Die zweite Schwingungseinheit kann beispielsweise zwischen zwei Piezoelementen angeordnet sein. Auf diese Weise kann die oben genannte Kompaktheit in einer Ausgestaltungsform realisiert werden. Bei einer Anordnung des zweiten Schwingungselements zwischen zwei übereinander gestapelten Piezoelementen eines Piezostapelantriebs kann die zweite Schwingungseinheit mit den Piezoelementen und ggf. weiteren Komponenten des Antriebs verspannt werden, sodass Schwingungen des zweiten Schwingungselements effektiv auf den Antrieb übertragen werden. So können die Schwingungen des zweiten Schwingungselements besonders gut durch den Antrieb selbst detektiert werden.
Bei einer derartigen Anordnung kann insbesondere der Teil der zweiten Schwingungseinheit zu einer Schwingung angeregt werden, der einen Durchmesser des Antriebs in Radialrichtung überragt. Dieser über den Durchmesser des Antriebs hinausreichende Teil der zweiten Schwingungseinheit kann frei schwingen, wobei diese Schwingung durch die Piezoelemente, zwischen die die zweite Schwingungseinheit eingespannt ist, detektiert werden kann.
Die zweite Schwingungseinheit kann bspw. aus einem Blech gefertigt sein. Bei einer Fertigung aus einem Blech kann die zweite Schwingungseinheit bspw. kostengünstig als Stanzteil hergestellt werden. Als Material kommen verschiedene Metalle in Frage, die vorzugsweise eine starke Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls von der Temperatur aufweisen. Durch einen entsprechenden Temperaturgang wird eine Temperaturermittlung begünstigt. Ein solches Material ist bspw. Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4404, auch bekannt als X2CrNiMo17-12-2 oder 316L.
Unter einem Blech wird in der vorliegenden Anmeldung ein flächiges Metallerzeugnis verstanden, dessen Ausdehnung in einer Ebene deutlich größer als die Ausdehnung senkrecht zu dieser Ebene ist. Vorzugsweise werden Bleche mit einer Dicke von 0,2 mm bis 2,0 mm verwendet.
Um ausreichend unabhängig von der Grenzstandmessung zu sein, weist die zweite Schwingungseinheit vorzugsweise eine Form, einen Elastizitätsmodul sowie eine Befestigung auf, die derart aufeinander abgestimmt sind, dass die zweite Resonanzfrequenz um wenigstens einen Faktor 2 von der ersten Resonanzfrequenz in unbedecktem Zustand abweicht und unabhängig von einer Bedeckung des Vibrationssensors mit Medium ist. Vorzugsweise unterscheidet sich die zweite Resonanzfrequenz um einen Faktor 3 von der ersten Resonanzfrequenz.
Findet die Grenzstandmessung bspw. in wenigstens einem Frequenzbereich zwischen 0,5 und 2 kHz statt, so sollte die zweite Resonanzfrequenz mit ihrem niedrigsten Wert wenigstens 4 kHz betragen. Da der niedrigste Wert für die zweite Resonanzfrequenz bei der höchsten Temperatur zu erwarten ist, müssen Form, Befestigung und Material für die zweite Schwingungseinheit so aufeinander abgestimmt werden, dass die zweite Resonanzfrequenz bei der nächsten zu detektierenden Temperatur wenigstens 4 kHz beträgt.
Geeignete Materialien für die zweite Schwingungseinheit weisen bspw. einen Elastizitätsmodul auf, der zwischen 150 kN/mm² und 250 kN/mm² liegt.
In einer Ausgestaltungsform kann die zweite Schwingungseinheit im Wesentlichen in Form einer Kreisscheibe ausgebildet sein. Eine Kreisscheibe weist eine besonders einfache Kontur auf und kann durch die Formgebung eine hohe Schwingungsmasse zur Verfügung stellen, wodurch die Schwingung des zweiten Schwingungselements eine entsprechend große Amplitude aufweist, die durch den Antrieb einfach detektierbar ist.
Um Verwindungseffekte, die eine freie Schwingung der zweiten Schwingungseinheit negativ beeinflussen würden, innerhalb der Kreisscheibe zu verhindern, kann die Kreisscheibe mehrfach geschlitzt ausgebildet sein. Die Schlitze verlaufen vorzugsweise nur über einen Teil des Radius der Kreisscheibe von deren Umfang in Richtung des Mittelpunkts, sodass die so gebildeten Segmente zum Mittelpunkt der Kreisscheibe weisend miteinander verbunden bleiben. Vorzugsweise weist die Kreisscheibe vier orthogonal zueinander verlaufende Schlitze auf, sodass die Kreisscheibe in vier gleich große Segmente unterteilt ist.
Alternativ kann die Kreisscheibe auch eine andere Zahl an Schlitzen aufweisen, wobei eine regelmäßige Anordnung der Schlitze und hieraus resultierend gleich große Segmente bevorzugt werden.
Alternativ kann die Kreisscheibe an ihrem Umfang Anformungen aufweisen, die zu einer Schwingung angeregt werden. Die Kreisscheibe weist bevorzugt wenigstens zwei Anformungen auf, wobei die Anformungen vorzugsweise punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt der Kreisscheibe angeordnet sind.
Durch eine solche symmetrische Anordnung der Anformungen wird erreicht, dass das zweite Schwingungselement symmetrisch aufgebaut ist und keine einseitigen Belastungen, bspw. Kippmomente in den Vibrationssensor einkoppelt.
Um eine möglichst große Amplitude der Schwingung der zweiten Schwingungseinheit zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn diese einen Durchmesser von 90% - 95% eines Innendurchmessers eines Gehäuses des Vibrationssensors im Bereich des Antriebs aufweist. Durch einen möglichst großen Durchmesser wird die Masse der zweiten Schwingungseinheit maximiert, sodass auch die Amplitude entsprechend maximiert werden kann.
Die zweite Schwingungseinheit kann bspw. einen Durchmesser zwischen 16 mm und 20 mm aufweisen, wobei ein Durchmesser von 18 mm besonders bevorzugt ist.
Vorzugsweise ist die zweite Schwingungseinheit aus Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L) gefertigt. Durch eine Fertigung aus diesem Stahl kann kostengünstig eine zweite Schwingungseinheit zur Temperaturermittlung zur Verfügung gestellt werden. 316L weist eine ausreichende Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls auf und ermöglicht so bei entsprechender Formgebung der zweiten Schwingungseinheit eine Temperaturbestimmung in einem auf die Grenzstandbestimmung abgestimmten Frequenzband.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt durch einen Vibrationssensor gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 verschiedene Möglichkeiten für die Ausgestaltung des zweiten Schwingungselementes, wie es in dem Vibrationssensor gemäß 1 zum Einsatz kommen kann,
3a die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls von Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L),
3b die temperaturabhängige Resonanzfrequenzverschiebung einer Schwinggabel aus Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L), und
4 einen Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Vibrationssensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der in 1 dargestellte Vibrationssensor 1 mit integrierter Temperaturerfassung weist eine über einen Antrieb 3 in Schwingung versetzbaren Membran 5 auf, wobei der Antrieb 3 als piezoelektrischer Stapelantrieb aus einer Mehrzahl von entlang einer Längsachse L übereinandergestapelten Piezoelementen 7 gebildet ist. Die Piezoelemente 7 sind über Elektroden 8 elektrisch kontaktiert, wobei den Elektroden 8 über Kabel 25 ein Anregungssignal zur Versetzung der Piezoelemente 7 in eine Longitudinalschwingung zugeführt ist. Oberhalb und unterhalb der Piezoelemente 7 sowie der jeweils zugeordneten Elektroden 8 ist jeweils eine Anpassungskeramik 13 im Stapel angeordnet. Die Anpassungskeramiken 13 dienen zur Anpassung eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Piezoelemente 7 an oberhalb und unterhalb der Anpassungskeramiken 13 im Stapel angeordneten Spannscheiben 4, die zur Vorspannung des Antriebs 3 sowie zur Spannung des Antriebs 3 gegen die Membran 5 dienen.
Eine Verspannung des Antriebs 3 mit der Membran 5 erfolgt über einen einstückig mit der Membran 5 ausgebildeten Spannbolzen 17, der sich senkrecht zu einer Membranebene M im Inneren eines Gehäuses 6 des Vibrationssensors 1 erstreckt und in einer den Antrieb 3 senkrecht durchsetzen der Öffnung 9 verläuft. An dem Spannbolzen 17 ist ein Außengewinde angeordnet, sodass mittels einer Spannschraube 19 der gesamte Antrieb 3 gegen die Membran 5 verspannbar ist.
An einer dem Antrieb 3 gegenüberliegenden Seite der Membran 5 ist eine erste mechanische Schwingungseinheit 11 angeordnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel schematisch als sich senkrecht von der Membranebene M wegerstreckende Paddel ausgebildet ist.
Wird die Membran 5 durch den Antrieb 3 zu einer Schwingung senkrecht zur Membranebene M angeregt, überträgt sich diese Schwingung auf die erste mechanische Schwingungseinheit 11, sodass diese abhängig davon, ob die erste mechanische Schwingungseinheit 11 mit einem Medium bedeckt ist, oder frei in Luft schwingt, mit einer unterschiedlichen ersten Resonanzfrequenz f_res1 schwingt. Eine Verschiebung dieser ersten Resonanzfrequenz f_res1 kann mittels des Antriebs 3, der gleichzeitig als Detektor wirkt, erkannt und so auf einen Bedeckungszustand der ersten mechanischen Schwingungseinheit 11 geschlossen werden.
Zusätzlich zu der ersten mechanischen Schwingungseinheit 11 weist der Vibrationssensor 1 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine zweite mechanische Schwingungseinheit 12 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierfach geschlitzte Kreisscheibe 126 ausgebildet und in dem als Stapel ausgebildeten Antrieb 3 zwischen den Piezoelementen 7 angeordnet ist. Die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 ist damit gemeinsam mit den anderen Komponenten des Antriebs 3 gegen die Membran 5 gespannt und kann von dem Antrieb 3 ebenfalls zu einer Schwingung angeregt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 derart ausgestaltet, dass sie eine zweite Resonanzfrequenz f_res2 aufweist, die um einen Faktor drei höher ist als die erste Resonanzfrequenz f_res1 der ersten mechanischen Schwingungseinheit 11, wenn diese frei schwingt. Die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 führt, wenn sie angeregt wird, eine Schwingung senkrecht zur Membranebene M, d. h. in Richtung einer Längsachse L des Antriebs 3 aus.
Da der Elastizitätsmodule E des Materials der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 eine Temperaturabhängigkeit aufweist und damit mit steigender Temperatur T abnimmt sinkt die zweite Resonanzfrequenz f_res2 mit zunehmender Temperatur T, was mittels des Antriebs 3 detektiert werden kann. Dadurch, dass von der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 sämtliche notwendigen Eigenschaften, d. h. insbesondere Material, Form, Befestigung und Abhängigkeit der zweiten Resonanzfrequenz f_res2 von der Temperatur T bekannt sind, kann durch eine Bestimmung der zweiten Resonanzfrequenz f_res2 auf die herrschende Temperatur T zurückgeschlossen werden. Da die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 unmittelbar im Antrieb 3 angeordnet ist, wird die Temperatur T aus einem Prozessraum, in dem die erste mechanische Schwingungseinheit 11 angeordnet ist unmittelbar auf die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 übertragen, sodass auf diese Weise eine Bestimmung der Temperatur T im Prozessraum möglich ist.
In Kenntnis der Temperatur T im Bereich der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 kann eine Temperaturkompensation von temperaturinduzierten Änderungen der ersten Resonanzfrequenz f_res1 durchgeführt werden, sodass eine Qualität der Grenzstandmessung verbessert wird. Ferner kann durch eine Ausgestaltung, wie sie in 1 dargestellt ist, eine Temperaturbestimmung ohne einen zusätzlichen Temperatursensor und ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand in den Vibrationssensor 1 integriert werden.
In den 2a) bis 2e) sind verschiedene Ausgestaltungsformen des zweiten Schwingungselements 12, wie es in einem Vibrationssensor 1 gemäß 1 zum Einsatz kommen kann, gezeigt.
2a) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine zweite mechanische Schwingungseinheit 12, wobei die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 als Kreisscheibe 126 ausgebildet ist. Abhängig davon, ob der Antrieb 3 über einen Spannbolzen 17, der zentral durch den Antrieb 3 geführt ist, oder über einen außenseitig auf den Antrieb 3 wirkenden Käfig (vorliegend nicht dargestellt) mit der Membran 5 verbunden ist, weist die zweite mechanische Schwingungseinheit 12 eine zentrale Öffnung auf, oder nicht. In den Ausführungsbeispielen der 2a) bis 2e) sind die zweiten Schwingungseinheit 12 jeweils ohne zentrale Öffnung ausgebildet. Es versteht sich für den Fachmann aber von selbst, dass diese für den Einsatz in einem Vibrationssensor 1 mit einem Antrieb 3 wie er in 1 dargestellt ist eine zentrale Öffnung 9 aufweisen müssen.
Die in 2a) dargestellte zweite mechanische Schwingungseinheit 12 ist aus einem Blech gefertigt und weist eine kreisrunde Außenkontur auf, wobei ein Durchmesser d der Kreisscheibe 126 wie in 1 dargestellt, größer ist als ein Durchmesser d der oberhalb und unterhalb im Stapel angeordneten Elemente des Antriebs 3, vorliegend der Piezoelemente 7.
Durch eine Ausgestaltung der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 als Kreisscheibe 126 ist es bei gegebener Blechstärke möglich die schwingfähige Masse, die den Antrieb in Radialrichtung R überragt, zu maximieren. Allerdings können durch bei der Schwingung auftretende Spannungen oder Verwindungen auch negative Effekte hierdurch induziert werden, sodass - je nach Anwendungsfall - vom Fachmann andere Ausführungsformen bevorzugt werden mögen.
2b) zeigt eine zweite Ausführungsform einer zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12, die als Kreisscheibe 126 mit vier gleichmäßig über den Umfang der Kreisscheibe 126 verteilten Anformungen 127 ausgestaltet ist. Die Anformungen 127 erstrecken sich in Radialrichtung R und sind mit einem Winkel von jeweils 90° zueinander über den Umfang der Kreisscheibe 126 verteilt. Durch eine solche symmetrische Anordnung der Anformungen 127 wird erreicht, dass die Schwingung der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 ebenfalls symmetrisch ist und damit keine Kippmomente in den Antrieb 3 eingekoppelt werden. Der Durchmesser d der zweiten Schwingungseinheit 12 bemisst sich in diesem Ausführungsbeispiel wie in 2b) dargestellt nicht nach dem Durchmesser der Kreisscheibe 126 sondern nach dem Durchmesser der Kreisscheibe 126 zuzüglich der Länge der in Radialrichtung R verlaufenden, einander gegenüberliegenden Anformungen 127.
2c) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine zweite Schwingungseinheit 12. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2c) weist im Wesentlichen den Aufbau des Ausführungsbeispiels aus 2b) auf, wobei zusätzlich zu den dort gezeigten vier Anformungen 127 die jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, vier weitere Anformungen 127 vorgesehen sind. Insgesamt weist die zweite Schwingungseinheit 12 gemäß 2c) damit acht Anformungen 127 auf, die sich in Radialrichtung R erstreckende jeweils um 45° versetzt am Umfang der Kreisscheibe 126 angeordnet sind. Der Durchmesser d des dritten Ausführungsbeispiels bemisst sich wie auch im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2b) nach dem Durchmesser der Kreisscheibe 126, zuzüglich der Länge zwei diametral gegenüberliegender Anformungen 127. Durch eine Mehrzahl solcher Anformungen 127 kann die schwingfähigen Masse für die Temperaturbestimmung erhöht und damit eine Amplitude zur Bestimmung der zweiten Resonanzfrequenz f_res2 erhöht werden.
Es ist für den Fachmann selbstverständlich, dass es weitere Ausführungsformen gibt und mehrere Anformungen 127 möglich sind, wobei die Anzahl der Anformungen nicht notwendigerweise einem Vielfachen von vier entsprechen muss.
2d) zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer zweiten Schwingungseinheit 12 wobei dieses vierte Ausführungsbeispiel lediglich zwei diametral gegenüberliegende Anformungen 127 an der Kreisscheibe 126 aufweist. Die im vierten Ausführungsbeispiel gezeigten Anformungen 127 weisen eine Breite b senkrecht zur Radialrichtung R auf, die etwa dem halben Durchmesser der Kreisscheibe 126 entspricht. Die hierdurch gebildete schwingfähige Masse ist bei ansonsten gleichen Bedingungen in etwa doppelt so groß wie bei dem in 2c) gezeigte Ausführungsbeispiel, bietet jedoch den Vorteil, dass an den Stellen des Umfangs der Kreisscheibe 126 an denen keine Anformungen 127 vorgesehen sind beispielsweise Kabel 25 zur elektrischen Kontaktierung der Piezoelemente 7 an der zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12 vorbeigeführt werden können.
2e) zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer zweiten mechanischen Schwingungseinheit 12, wobei diese gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2e) als Kreisscheibe 126 mit einem Durchmesser d ausgebildet ist, wobei die Kreisscheibe 126 vier jeweils um 90° versetzte in Radialrichtung R verlaufende Schlitze 128 aufweist. Die Schlitze 128 ermöglichen eine freie Schwingung der so gebildeten Kreissegmente, wobei negative Einflüsse durch Verwindungen durch die Schlitze 128 reduziert werden.
3a zeigt in einem Graphen die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls E für Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L). Wie aus 3 hervorgeht, weist der E-Modul von Edelstahl 316L in dem dargestellten Temperaturbereich eine lineare Abhängigkeit von der Temperatur T auf.
In 3b ist die temperaturabhängige Resonanzfrequenzverschiebung Δf für eine Schwinggabel 11 aus Edelstahl der Werkstoffnummer 1.4404 (316L) gezeigt.
Die dargestellten Daten beziehen sich auf eine tatsächliche Schwinggabel 11 aus Edelstahl 316L. Dargestellt ist die Frequenzverschiebung Δf in Hertz gegenüber der Temperatur T in Grad Celsius, wobei die Darstellung in 3b auf eine Temperatur von 25 °C normiert ist, d.h. bei 25 °C die Frequenzverschiebung Δf 0 Hz beträgt.
Wie 3b zeigt, nimmt die Resonanzfrequenz f_res mit abnehmender Temperatur T zu und mit steigernder Temperatur T ab. Mit steigender Temperatur T nimmt also der Elastizitätsmodul E und auch die Resonanzfrequenz f_res ab. Wie 3b entnommen werden kann, ist der Verlauf der Frequenzverschiebung Δf nicht vollständig linear, kann aber in einer ersten Näherung als linear angesehen werden. Je nach geforderter Genauigkeit kann mit dem linearen Zusammenhang, der bspw. als einfache Geradengleichung abgespeichert werden kann, mit einem Polynom höherer Ordnung als Formel, oder mit einer Wertetabelle als Grundlage für die Temperaturbestimmung und die Kompensation der Resonanzfrequenz f_res der Schwinggabel 11 gearbeitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vibrationssensor
3: Antrieb
5: Membran
6: Gehäuse
7: Piezoelemente
8: Elektroden
9: Öffnung
11: mechanische Schwingungseinheit
12: zweite Schwingungseinheit
13: Anpasskeramik
14: Spannscheibe
17: Zugbolzen
19: Spannschraube
22: Temperatursensor
25: Kabel
126: Kreisscheibe
127: Schlitze
128: Anformungen
d: Durchmesser
E: Elastizitätsmodul
fres1: erste Resonanzfrequenz
fres2: zweite Resonanzfrequenz
L: Längsachse
M: Membranebene
P: Mittelpunkt
T: Temperatur

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 [0014]

Claims

Vibrationssensor (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), einem an der Membran (5) angeordnete mechanische Schwingungseinheit (11) zur Übertragung von Schwingungen der Membran (5) auf ein mechanische Schwingungseinheit (11) umgebendes Medium, wobei die mechanische Schwingungseinheit (11) abhängig von dem sie umgebenden Medium eine erste Resonanzfrequenz (f_res1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Antrieb (3) eine zweite Schwingungseinheit (12) angeordnet ist, die eine zweite Resonanzfrequenz (f_res2) aufweist, wobei die zweite Resonanzfrequenz (f_res2) um wenigstens einen Faktor 2 von der ersten Resonanzfrequenz (f_res1) in unbedecktem Zustand abweicht und unabhängig von einer Bedeckung des Vibrationssensors (1) mit Medium ist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) derart ausgebildet ist, dass sie eine Schwingung senkrecht zu einer Membranebene (M) ausführt.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) zwischen zwei Piezoelementen (7) angeordnet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) aus einem Blech gefertigt ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) eine Form, einen Elastizitätsmodul (E) sowie eine Befestigung aufweist, die derart aufeinander abgestimmt sind, dass die zweite Resonanzfrequenz (f_res2) um wenigstens einen Faktor 2 von der ersten Resonanzfrequenz (f_res1) in unbedecktem Zustand abweicht und unabhängig von einer Bedeckung des Vibrationssensors (1) mit Medium ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul (E) der zweiten Schwingungseinheit (12) zwischen 150 kN/mm² und 250 kN/mm² liegt.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) im Wesentlichen in Form einer Kreisscheibe (126) ausgebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisscheibe (126) mehrfach geschlitzt ausgebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisscheibe (126) an ihrem Umfang Anformungen (128) aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisscheibe (126) wenigstens zwei Anformungen (128) aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformungen (128) punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt P der Kreisscheibe (126) angeordnet sind.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) einen Durchmesser (d) von 90% - 95% eines Innendurchmessers eines Gehäuses (6) aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) einen Durchmesser (d) zwischen 16 mm und 20mm aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingungseinheit (12) aus Edelstahl, vorzugsweise Werkstoffnummer 1.4404 (316L) gefertigt ist.