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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Vibrationssensor mit einem solchen Antrieb gemäß Patentanspruch 10 sowie die Verwendung von Gelen als Antriebselement in Vibrationssensoren gemäß Patentanspruch 11.
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoren, die die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Grenzstand oder Druck erfassen. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräte weisen in der Regel ein Gehäuse, einen Sensor und eine in dem Gehäuse angeordnete Elektronikeinheit auf.
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Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen Feldgerät und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife beziehungsweise eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.
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Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal oder nur Feldbus und Versorgung über eine Zweidrahtleitung, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen. Alternativ kann das Feldgerät auch autark, beispielsweise über eine Batterie, einen Akku, eine Solarzelle oder eine andere lokale Energieversorgung betreiben werden.
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Im Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren 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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Im Stand der Technik werden sowohl piezoelektrische als auch induktive Antriebe eingesetzt.
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In einer ersten Variante eines piezoelektrischen Antriebs 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 ihrerseits 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.
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Wird für eine Anwendung ein Sensor mit größerem Hub benötigt oder ist ein Einsatz bei höheren Temperaturen notwendig, so wird eine zweite Variante von piezoelektrischen Antrieben, sogenannte Piezostapelantriebe, eingesetzt.
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Hier ist ein Stapel aus einer Piezoeinheit, die aus einem oder mehreren Piezoelementen besteht, je einer oberhalb und unterhalb der Piezoeinheit angeordneten Anpassungskeramik sowie oberhalb und unterhalb der Anpassungskeramiken angeordneten Druckstücken über einem an der Membran des Sensors angeordneten Spannbolzen und eine Spannmutter gegen die Membran gespannt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente ändern diese ihre Ausdehnung in Axialrichtung des Bolzens und versetzen die Membran so in Schwingung. Ferner sind aus dem Stand der Technik induktive Antriebe für Vibrationssensoren bekannt.
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Ein Vibrationssensor mit induktivem Antrieb ist beispielsweise aus der
EP 2 209 110 B1 der Anmelderin bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren mit induktivem Antrieb zeichnen sich dadurch aus, dass Sie im Vergleich zu Vibrationssensoren mit piezoelektrischem Antrieb für höhere Umgebungstemperaturen geeignet sind.
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In einer bekannten Ausgestaltungsform ist ein Permanentmagnet über eine Magnetaufnahme mit einer schwingfähigen Membran mit einer daran angeordneten Schwinggabel gekoppelt und durch eine feststehend in einem Gehäuse des Vibrations-Grenzstandsensors angeordnete Spule zu Schwingungen anregbar. Die Spule ist auf einem Spulenträger in eine Spulenaufnahme zur Magnetfeldlenkung angeordnet und weist einen Spulenkern, ebenfalls zur Magnetfeldlenkung, auf. Ein zwischen dem Permanentmagneten und dem Spulenkern gebildeter erster Luftspalt ist innerhalb einer axialen Erstreckung der Spule angeordnet. Ein zweiter Luftspalt ist zwischen der zylindrisch ausgebildeten Magnetaufnahme und der ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Spulenaufnahme gebildet.
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Der Vibrations-Grenzstandsensor ist so aufgebaut, dass ein Magnetfeld induzierender Stromfluss in der Spule den Permanentmagneten zu Schwingungen in Axialrichtung anregt und/oder eine Schwingung des Permanentmagneten eine Spannung in der Spule induziert.
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Grundsätzlich besteht in der Prozessautomatisierungstechnik der Wunsch nach neuen, energiesparenden Feldgeräten, die bspw. einen autarken Betrieb, ohne eine aufwendige Verkabelung, bspw. im Batteriebetrieb oder durch Energy-Harvesting, d. h. dem „Ernten“ von Energie aus der Umwelt ermöglichen. Im Stand der Technik wird eine Reduktion des Energieverbrauchs durch den Einsatz einer energiesparenden Elektronik, d. h. bspw. energiesparenden Prozessoren oder Microcontrollern und energiesparenden Funkmodulen, vorangetrieben. Darüber hinaus besteht auch der Wunsch nach neuen Messprinzipien, die das Einsparen von Energie unterstützen oder aber neue Bereiche der Messtechnik eröffnen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen alternativen Antrieb für einen Vibrationssensor sowie einen Vibrationssensor mit einem solchen Antrieb zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen Vibrationssensor mit einem solchen Antrieb gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung von Hydrogelen als Antriebselement in einem Antrieb für Vibrationssensoren gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Antrieb für einen Vibrationssensor mit wenigstens einem Antriebselement, das durch ein Anregungselement, vorzugsweise das Anlegen einer elektrischen Spannung mittels Elektroden, zu einer Dimensionsänderung anregbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das wenigstens eine Antriebselement wenigstens teilweise aus einem Gel besteht.
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Der Antrieb ist dabei diejenige Komponente, die den Vibrationssensor zu einer Schwingung anregt und/oder eine Schwingung detektiert. Der Begriff Antrieb wird dabei in der vorliegenden Anmeldung für Komponenten benutzt, die nur eine Antriebsfunktion erfüllen, also Schwingungen erzeugen, für Komponenten, die eine Antriebs- und Empfangsfunktion erfüllen und für Komponenten, die nur eine Detektionsfunktion erfüllen, also Schwingungen erfassen.
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Dadurch, dass das wenigstens eine Antriebselement wenigsten teilweise aus einem Gel besteht, wird eine neue Form des Antriebs für Vibrationssensoren, insbesondere Vibrations-Grenzstandsensoren geschaffen. Durch einen Antrieb mit erfindungsgemäß wenigsten teilweise aus einem Gel bestehenden Antriebselementen wird eine Anordnung geschaffen, deren Arbeitspunkt an eine Resonanzfrequenz eines mechanischen Schwingers des Vibrationssensors entsprechend der jeweiligen Anwendung einem zu erfassenden Medium optimal anpassbar ist. Durch eine geeignete Auswahl des verwendeten Gels kann der Antrieb gezielt auf die vorherrschenden Umgebungsbedingungen, bspw. hohe oder niedrige Temperaturen optimiert werden.
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Ferner ist eine kostengünstiger und platzsparender Antriebsaufbau realisierbar, mittels dem auf geringer Fläche im Vergleich zum Stand der Technik große Kräfte realisierbar sind.
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Wenigsten ein Antriebselement bedeutet im Sinne der vorliegenden Anmeldung, dass der Antrieb ein oder mehrere Antriebselemente aufweisen soll.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, dass das Antriebselement auch andere Komponenten als das Gel umfassen kann. So kann das Gel bspw. Additive aufweisen, die, wie oben erläutert die Eigenschaften des Gels modifizieren können. Ferner kann das Antriebselement auch weitere Komponenten bspw. zur mechanischen Stabilisierung aufweisen.
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Das Gel ist vorzugsweise als Hydrogel, Silikon-Hydrogel, Silikongel oder Mischung daraus ausgebildet.
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Ein Gel ist ein disperses System, das aus mindestens zwei Komponenten, einer festen Komponente und einer flüssigen oder gasförmigen Komponente, besteht. Die feste Komponente bildet ein schwammartiges, dreidimensionales Netzwerk, dessen Poren durch flüssige oder gasförmige Komponente ausgefüllt sind. Die flüssige oder gasförmige Komponente ist dadurch in der festen Komponente immobilisiert.
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Der Begriff Gel wird in der vorliegenden Anmeldung gleichwertig für den zugrundeliegenden Gelbildner als auch das damit gebildete Gel verwendet.
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Ein Hydrogel ist ein Wasser enthaltendes, aber wasserunlösliches Polymer, dessen Moleküle chemisch, durch kovalente, ionische Bindungen oder physikalisch, durch Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals Kräfte oder Verschlaufen der Polymerketten, zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind. Durch eingebaute hydrophile Polymerkomponenten quellen sie in Wasser unter beträchtlicher Volumenzunahme auf, ohne aber ihren stofflichen Zusammenhalt zu verlieren.
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Im Allgemeinen bestehen Hydrogele aus einem Netzwerk von Polymerketten, die unter wässrigen Bedingungen quellen. Sie bestehen entweder aus physikalischen oder chemischen Vernetzungen mit Taschen aus einem wässrigen Medium, die die Quellung ermöglichen. Dabei entwickelt das Hydrogel erhebliche Kräfte bei der Expansion und Kontraktion und kann somit mechanische Arbeit verrichten. Die Expansion und Kontraktion der Hydrogele kann beliebig oft wiederholt werden. Durch Austrocknung geht das Hydrogel in seinen Ausgangszustand zurück.
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Ein Austrocknen des Hydrogels kann entweder aufgrund der Abwesenheit von Wasser oder wasserhaltigen Flüssigkeiten durch die Umgebungs- und/oder Prozesstemperatur erfolgen, oder es kann, um eine gezielte und/oder beschleunigte Austrocknung herbeizuführen, ein Heizelement in dem Sensor vorgesehen sein. Ein solches Heizelement kann bspw. Heizwiderstand, als Widerstandsdraht, als Peltierelement oder dergleichen ausgebildet sein.
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Der Begriff Hydrogel wird in der vorliegenden Anmeldung gleichwertig für das zugrundeliegende Polymer und das damit gebildete, Wasser enthaltende Hydrogel verwendet.
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Der Begriff „Vernetzung“ bezieht sich auf den Verbindungspunkt mehrerer Polymerketten. Diese Verbindungen sind in der Regel kleine chemische Brücken, können aber auch die Verbindung von Makromolekularketten sein, die durch Van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken verursacht werden. Viele Hydrogel-Polymernetzwerke sind überwiegend Ein-Netzwerk-Hydrogele, d. h., dass sie ein einziges vernetztes Polymernetzwerk aufweisen. Diesen Hydrogelen fehlt jedoch in der Regel die mechanische Festigkeit und Elastizität.
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Hydrogele können als ein- oder mehrphasige Gele klassifiziert werden.
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Einphasengele sind solche, die keine externen diskreten Partikel enthalten, wodurch das Aussehen des Gels in der Regel klar und homogen ist. Darüber hinaus sind Einphasengele die am häufigsten natürlich vorkommenden Gele. In ihrer Zusammensetzung dominiert Wasser und der Polymeranteil beträgt weniger als 10%. In Bezug auf ihre Anwendungen in Aktoren und Sensoren ist es jedoch nachteilig, dass Gele mit niedrigem Polymergehalt sehr weich und leicht entwässerbar sind.
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Gele mit einem höheren Polymeranteil werden daher für technische Anwendungen bevorzugt, um eine höhere Steifigkeit und bessere wasserabsorbierende Eigenschaften zu erreichen.
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Mehrphasengele bestehen aus verschiedenen Phasen, sind heterogen und daher in der Regel trüb. In diesen Gelen sind Vernetzungen verschiedener Materialien vorhanden und es können Faserverstärkungen vorgesehen sein. Durch die verschiedenen Polymere wird eine Kombination der Eigenschaften verschiedener Materialien möglich. Darüber hinaus können sie weitere Partikel, bspw. kristalline Strukturen oder Fasern, bspw. Carbon-Nanotubes enthalten, die in der Lage sind, die Eigenschaften des Hydrogels weiter zu verändern. Bspw. kann so eine Leitfähigkeit erhöht werden und/oder es können die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
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Mehrphasengele haben einige Vorteile, wie z. B. erhöhte Elastizitätsmodule, Festigkeiten oder Dehnungen. Diese sind vor allem auf die Vernetzung von zwei oder mehr verschiedenen Polymeren mit gegenseitig vorteilhaften Eigenschaften zurückzuführen.
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Eine Art von Mehrphasengelen sind Doppelnetzwerk-Gele, die sich durch eine spezielle Netzwerkstruktur auszeichnen, die aus zwei Arten von Polymerkomponenten mit entgegengesetzter physikalischer Natur besteht: Die in geringerer Menge enthaltene Komponente sind stark vernetzte Polyelektrolyte und die Hauptkomponente besteht aus schlecht vernetzten neutralen Polymeren. Diese beiden Komponenten werden als erstes Netzwerk bzw. zweites Netzwerk bezeichnet, da die Synthese in dieser Reihenfolge durchgeführt werden sollte, um eine hohe mechanische Festigkeit zu realisieren. Doppelnetzwerk-Gele, die unter geeigneten Bedingungen synthetisiert werden (Auswahl der Polymere, Aufgabemischungen, Reaktionsatmosphäre usw.), können ein Elastizitätsmodul von 0,1-1,0 MPa, eine Bruchnennspannung von 1-10 MPa bei einer Dehnung von 1000-2000% sowie eine Bruchdruckspannung von 20-60 MPa bei einer Dehnung von 90-95% sowie eine hohe Zähigkeit mit einer Bruchenergie von 100~1000 J/m2 aufweisen. Diese hervorragenden mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von Kautschuken.
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Bei ausgewählten Polymernetzwerken kann durch geeignete Kombination von verschiedenen Polymeren und ggf. Zusatzstoffen ein smartes Verhalten erzeugt werden. Diese smarten Hydrogele reagieren bspw. durch eine Volumenänderung auf physikalische Umgebungsgrößen wie z. B. Temperatur, elektrische Felder, Magnetfelder, Licht, Druck oder Akustik. Des Weiteren reagieren sie auch auf chemische Einflüsse wie z. B. PH-Wert, Ionen- oder Stoffkonzentrationen, Zusammensetzung von Lösungsmittel oder Molekülen. Die Empfindlichkeit gegenüber diesen Einflüssen wird in der Regel durch im Netzwerk verankerte Ionen hervorgerufen, die durch eine Mischung aus chemischen, elektrischen und mechanischen Wechselwirkungseffekten Differenzen in den Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Gels hervorrufen. Dadurch wird das Wasser durch Osmose ins oder aus dem Gel gedrängt und eine sich ändernde Dehnung des Gels ausgelöst. Im Gegenzug kann durch eine mechanische Verformung bei gleich bleibenden Randbedingungen eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels erzeugt werden, wodurch die Verformung gemessen und quantitativ erfasst werden kann.
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Gele, insbesondere Hydrogel können damit als passiver oder als aktiver Messumformer eingesetzt werden.
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Beispielsweise kann ein geänderter Widerstand des Gels, eine geänderte relative Dielektrizität oder eine mechanische Verformung des Gels über eine Messelektronik ausgewertet werden. Alternativ kann die mechanische Verformung bei gleichbleibenden Randbedingungen begrenzt werden, wodurch das Gel einen Quellungsdruck entwickelt, der z.B. bei bestimmten Hydrogelen zu einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten des Gels führt, sodass ein aktiver Messumformer gebildet wird.
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Umgekehrt ist es auch möglich, dass geeignete Gele, insbesondere smarte Hydrogele, als Aktoren eingesetzt werden. Wird bspw. an solche smarten, ein elektrisches Feld angelegt, also eine elektrische Spannung über das smarte Hydrogel angelegt, so reagiert das Gel durch eine Dimensions-, insbesondere Volumenänderung. Diese Eigenschaft kann dazu genutzt werden, mit dem Gel mechanische Arbeit zu verrichten.
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Zur Formstabilisierung und/oder zum Schutz des Gels vor unerwünschten seitlichen Einwirkungen kann es sinnvoll sein, wenn das wenigstens eine Antriebselement aus einem Gel und einem Rahmen besteht. Der Rahmen kann das Gel umfänglich umgebend ausgebildet sein und so verhindern, dass das Gel bei einer Druckeinwirkung in Axialrichtung in Radialrichtung ausweicht. Eine Höhe des Rahmens kann auf eine minimale Dicke des Gels abgestimmt sein, d. h. dass eine Höhe des Rahmens einer minimalen Dicke des Gels unter Druckeinwirkung entspricht. Auf diese Weise kann das Gel vor einer zu großen Druckeinwirkung geschützt und so eine Schädigung des Gels durch eine zu starke Kompression in Axialrichtung verhindert werden.
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Vorteilhafterweise ist das wenigstens eine Antriebselement kreisförmig oder ringförmig ausgebildet und ober- und unterseitig durch Anregungselemente, vorzugsweise Elektroden kontaktiert. Grundsätzlich können verschiedene Anregungselemente zum Einsatz kommen, abhängig davon, auf welche Stimuli das Gel mit einer Dimensionsänderung reagiert. Bevorzugt werden jedoch Elektroden, mittels derer eine elektrische Spannung bzw. ein elektrisches Feld an das Antriebselement angelegt werden kann.
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Die Anregungselemente sind vorzugsweise so ausgebildet, dass sie das Antriebselement vollflächig, das bedeutet insbesondere vollflächig ober- und unterseitig kontaktieren. Der Begriff vollflächig schließt dabei nicht aus, dass das oder die Anregungselemente bspw. netz- oder gitterförmig ausgebildet sein können, bevorzugt ist jedoch eine oberseitig und unterseitig jeweils durchgehende Kontaktierung durch eine geschlossene Elektrodenfläche.
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Um einen mit dem Antrieb erzielbaren Hub zu vergrößern kann es sinnvoll sein, wenn der Antrieb durch eine Mehrzahl, vorzugsweise 2 bis 4, übereinander gestapelter Antriebselemente gebildet ist.
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Die im Antrieb angeordneten Antriebselemente können gleichzeitig als Empfangselement ausgebildet und angesteuert sein. Mittels dieser kombinierten Antriebs- und Empfangselemente mittels derer sowohl Schwingungen auf eine Membran übertragbar als auch von der Membran ausgeführte Schwingungen detektierbar sind ist damit eine sehr kompakter Aufbau eines Antriebs möglich. In einer Minimalkonfiguration kann ein Antrieb mit einem einzigen kombinierten Antriebs- und Empfangselement realisiert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann der Antrieb wenigstens ein Empfangselement aufweisen. Durch separat ausgebildete Empfangselemente kann erreicht werden, dass mit dem Antrieb gleichzeitig eine Schwingung angeregt und eine Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers detektiert werden kann. Es ist damit nicht notwendig, den Antrieb gepulst zu betreiben, d. h. abwechselnd eine Schwingung anzuregen und zu detektieren, sondern es ist möglich, dies gleichzeitig zu tun. Der Antrieb kann damit kontinuierlich erregt werden, sodass eine größere Leistung eingekoppelt werden kann.
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Der Antrieb kann hierfür aus abwechselnd übereinander gestapelten Antriebselementen und Empfangselementen gebildet sein. Vorzugsweise sind die Antriebs- und Empfangselemente voneinander elektrisch isoliert angeordnet, bspw. durch zwischen jeweils zugeordneten Elektroden angeordnete Isolierscheiben voneinander getrennt.
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Um eine möglichst große Kraftwirkung in Axialrichtung zu erzielen kann es sinnvoll sein, wenn der Antrieb in Axialrichtung vorgespannt ausgebildet ist.
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Um eine Stabilität des Gels in Radialrichtung zu erzielen kann es sinnvoll sein, wenn der gesamte Antrieb in einer als Hülse ausgebildeten Antriebsaufnahme angeordnet ist. Diese Hülse kann dann auch dazu verwendet werden, eine Vorspannung in Axialrichtung in den Antrieb einzukoppeln. Bspw. kann die Hülse mit einem Rand der Membran in Axialrichtung feststehend gekoppelt sein und eine Axialkraft auf den Antrieb durch eine Druckschraube, die von Hinten her in die Hülse eingeschraubt wird, aufgebracht werden. Die Antriebsaufnahme kann bspw. mit der Membran mittelbar oder unmittelbar verschraubt, verschweißt, verlötet, verklebt oder über einen Bajonettverschluss verbunden sein. Eine gezielte Einleitung einer durch den Antrieb aufgebrachten Kraft in die Membran kann bspw. durch ein sog. Druckstück, also ein zwischen den Antrieb und die Membran eingebrachtes Element zur Kraftlenkung, erzielt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer an einer in Schwingung versetzbaren Membran angeordneten mechanischen Schwingungseinheit und einem Antrieb der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass Schwingungen der des Antriebs auf die Membran und Schwingungen der Membran auf den Antrieb übertragen werden, zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist. Der Vibrationssensor ist vorzugsweis als Vibrations-Grenzstandsensor und/oder Vibrations-Dichtesensor ausgebildet.
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Auf diese Weise kann ein besonders kompakter und energiesparender Vibrationssensor gebildet werden.
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Ebenfalls erfindungsgemäß ist die Verwendung von Gelen, insbesondere Hydrogel, Silikon-Hydrogelen, Silikongelen oder Mischung daraus als Antriebs- und/oder Empfangselement in einem Vibrationssensor.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise sowohl miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors mit einem Antrieb gemäß der vorliegenden Anmeldung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors mit einem Antrieb gemäß der vorliegenden Anmeldung und
- 3 eine schematische Darstellung eines Stapelantriebs gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 100 mit einem Antrieb 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Vibrationssensors 100, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Vibrationsgrenzstandsensor ausgebildet ist, gezeigt. Der Vibrationssensor 100 weist im Wesentlichen ein Gehäuse 70 auf, an dem endseitig eine mechanische Schwingungseinheit 13 zur Erfassung einer Bedeckung der mechanischen Schwingungseinheit 13 mit einem Medium angeordnet ist. Die mechanische Schwingungseinheit 13, die vorliegend in Form einer Stimmgabel ausgebildet ist, ist an einer durch einen Antrieb 1 in Schwingung versetzbaren Membran 11 angeordnet.
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Der Antrieb 1, der vorliegend nur schematisch dargestellt ist, weist ein Antriebselement 3 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Kreisscheiben förmige Gel-Einheit ausgestaltet ist. Das in dem Antriebselement 3 enthaltene Gel ist vorliegend als smartes Hydrogel ausgestaltet, dass auf ein anliegendes elektrisches Feld mit einer Volumenänderung reagiert. Auf diese Weise kann durch zyklisches Anlegen eines elektrischen Felds an das Antriebselement 3 mittels oberseitig und unterseitig an dem Antriebselement 3 angeordneten Anregungselementen 9, die als Elektroden ausgestaltet sind, eine zyklische Expansion des Antriebselements 3 erreicht werden. Da eine Volumenänderung des Antriebselements 3 in Radialrichtung R durch einen als Hülse ausgebildeten Rahmen 7, der das Antriebselement 3 umfänglich umgibt, verhindert wird, wird auf diese Weise eine Volumenänderung in Axialrichtung A hervorgerufen, mittels derer die Membran 11 zu einer Schwingung angeregt wird.
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Gleichzeitig regt eine Schwingung der mechanischen Schwingungseinheit 13 die Membran 11 zu einer Schwingung an, die sich auf das mit der Membran 11 gekoppelte Antriebselement 3 überträgt und so eine Dimensionsänderung desselben hervorruft. Auf diese externen hervorgerufene Dimensionsänderung reagiert das Antriebselement 3 durch Ausbildung einer elektrischen Potentialdifferenz, die mittels der Elektroden 9 als Spannung abgegriffen werden kann. Das Antriebselement 3 ist damit gleichzeitig als Empfangselement 5 ausgebildet.
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Der in 1 dargestellten Vibrationssensor 100 kann damit abwechselnd in einem Sende- und einem Empfangsmodus betrieben werden, wobei in dem Sendemodus die mechanische Schwingungseinheit 13 zu einer Schwingung angeregt und in dem Empfangsmodus die Schwingungsfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit 13 unmittelbar nach einer Erregung detektiert wird. Da die mechanische Schwingungseinheit 13 abhängig von ihrem Bedeckungszustand mit einem zu detektierenden Medium mit einer unterschiedlichen Frequenz schwingt kann auf diese Weise eine Bedeckung der mechanischen Schwingungseinheit 13 erkannt werden.
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Der Vibrationssensor 100 weist ein Gehäuse 70 auf, in dem ein Elektronikmodul 71 angeordnet ist. Das Elektronikmodul 71 ist derart ausgebildet, dass es einerseits geeignete Signale zur Anregung des Antriebs- und Empfangselement 3, 5 im Antriebsmodus und andererseits eine Auswertung von Messsignalen des Antriebs- und Empfangselement 3, 5 bewerkstelligt. Ferner weist das Elektronikmodul 71 Komponenten zur Signalverarbeitung und zur Kommunikation mit einer übergeordneten Einheit auf.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 100 mit einem Antrieb gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Der Grenzstandsensor gemäß 2 zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der im Zusammenhang mit 1 beschriebene Vibrationssensor 100. Im Unterschied zu dem in Bezug auf 1 beschriebenen Vibrationssensors 100 dadurch, dass der Antrieb 1 mit einem separaten Antriebselement 3 und einem separaten Empfangselement 5 ausgebildet ist. Dadurch dass Antriebselement 3 und Empfangselement 5 separat ausgebildet sind ist es möglich, dass gleichzeitig eine Anregung der mechanischen Schwingungseinheit 13 und eine Detektion einer Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit 13 erfolgen kann. Absatz wie in Bezug auf 1 beschrieben ist eine Dimensionsänderung von Antriebselement 3 und Empfangselement 5 durch eine umfänglich angeordnete Hülse 7 in Radialrichtung beschränkt und dadurch in Axialrichtung gelenkt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebs 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als sogenannter Stapelantrieb ausgebildet ist.
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Der in 3 gezeigte Stapelantrieb 1 ist aus drei übereinander gestapelten kombinierten Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 gebildet, die voneinander durch in den Stapel eingefügte Isolationselemente 4 getrennt sind. Unterseitig, d. h. in Richtung einer Membran des Vibrationssensors 100 orientiert ist in dem Stapel ein Druckelement 14 zur gezielten Einleitung einer in dem Stapel erzeugten Kraft in die Membran 11 angeordnet. Oberseitig, das bedeutet an einem dem Druckstück 14 gegenüberliegenden Ende des Stapels ist durch ein weiteres Isolationselement 4 von den Antriebs- und Empfangselement ein 3, 5 getrennt eine Spannschraube 15 zur Vorspannung der Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 angeordnet. Umfänglich zu dem Stapel der Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 ist eine Hülse 7 angeordnet, die eine Ausdehnung der Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 in ein Radialrichtung verhindert. Die Hülse weist vorderseitig einen in Radialrichtung nach Innen springenden Steg auf, der das Druckstück 14 übergreift und so eine vom Montage des Antriebs 1 möglich macht. Die Hülse 7 ist mittels einer Schraubverbindung 8 mit einem Rand 12 der Membran 11 verbunden, sodass der Antrieb 1 in Axialrichtung A feststehend mit der Membran 11 gekoppelt ist. Durch ein Eindringen der Spannschraube 15 in die Hülse 7 werden die Antriebs- und Empfangselemente 3, 5, die dazwischen angeordneten Isolationselemente 4 und das Druckstück 14 gegen die Membran 11 verschwand und so eine Vorspannung des Antriebs 1 erreicht.
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Wird nun an jeweils oberseitig und unterseitig der Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 angeordnet Anregungselemente 9, die vorliegend als Elektroden ausgebildet sind, eine Spannung angelegt, so reagieren die Antriebs- und Empfangselemente 3, 5 durch eine Volumenzunahme, die aufgrund des zuvor beschriebenen Aufbaus eine in Axialrichtung vorderseitig wirkende Kraft bewirkt, die über das Druckstück 14 auf die Membran 11 übertragen wird. Die Membran reagiert hierauf mit einer Durchbiegung, was zu einer Schwingung der mechanischen Schwingungseinheit 13 führt.
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Das Detektionsrinzip des vorliegenden Vibrationssensors 100 entspricht damit dem eines aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensors mit einem piezoelektrischen an Piezoantrieb, wobei gemäß der vorliegenden Anmeldung ein Gelantrieb unter Einsatz smarter Hydrogelen zum Einsatz kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb
- 3
- Antriebselement
- 4
- Isolationselement
- 5
- Empfangselement
- 7
- Rahmen/Hülse
- 8
- Schraubverbindung
- 9
- Anregungselement/Elektrode
- 11
- Membran
- 12
- Rand
- 13
- mechanische Schwingungseinheit
- 14
- Druckstück
- 15
- Spannschraube
- 70
- Gehäuse
- 71
- Elektronikmodul
- 100
- Vibrationssensor
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
