DE102020121610A1

DE102020121610A1 - Vibronischer Sensor und Verfahren zur Bestimmung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102020121610A1
Application number: DE102020121610.6A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Julian Epting
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor (1) zur Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums (2), mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran (3) und einem Antrieb (4) zum Versetzen der Membran (3) in Schwingung, wobei an einer zu der bestimmenden Prozessgröße hin orientierten Seite der Membran (3) ein mechanischer Schwinger (9) derart angeordnet ist, dass die in die Membran (3) eingekoppelte Schwingung über den mechanischen Schwinger (9) auf das den mechanischen Schwinger (9) umgebende Medium (2) übertragbar ist. Die Membran (3) ist wenigstens teilweise zumindest transluzent und ein optischer Abstandssensor (12) ist vorgesehen, mittels welchem von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran (3) durch ihren zumindest transluzenten Teil (11) hindurch eine Beabstandung zwischen dem Medium (2) und der Membran (3) erfassbar ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur vibronischen Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor bzw. vibronischen Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße, beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums, sowie ein Verfahren zur vibronischen Bestimmung einer solchen Prozessgröße.
Vibronische Sensoren (auch als Vibrationssensoren bezeichnet), insbesondere zum Beispiel zur Grenzstand-/Füllstandüberwachung, sind an sich wohl bekannt. Diese weisen gewöhnlich einen Antrieb auf, die eine Membran zu Schwingungen anregen kann. Ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger wird wiederum über die Membran zu Schwingungen angeregt. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Medium bzw. Füllgut sowie abhängig von der Viskosität und Dichte dieses Mediums schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz und Amplitude (Resonanzzustand), die von dem Vibrationssensor detektiert und in ein Messsignal umgewandelt werden kann. Hierbei ist die Amplitude der Resonanzfrequenz von der Viskosität des Mediums abhängig und eine Frequenzverschiebung gegenüber einer Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers ohne Bedeckung durch ein Medium im Wesentlichen von der Dichte des den Schwinger bedeckenden Mediums.
Ein Vibrationssensor mit einem elektromagnetischen Antrieb ist beispielsweise in DE 10 2018 112 506 B3 beschrieben, wobei zusätzlich ein optischer Schwingungsmesser zur Erfassung der Membranschwingung vorgesehen ist, um Fehldetektionen aufgrund von Störschwingungen und mechanischen Einflüssen auf die Membran zu vermeiden.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Vibrationssensor sowie ein verbessertes Verfahren zur vibronischen Bestimmung einer Prozessgröße zu schaffen, die die Bereitstellung zuverlässigerer und genauerer Messergebnisse ermöglichen. Insbesondere sollen mögliche Störeinflüsse, z. B. eine etwaige Anhaftung von Medium am Vibrationssensor bzw. seinem Schwinger, nicht zu einer falschen Bestimmung der Prozessgröße führen.
Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen hinweg, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Erfindungsgemäß weist ein Vibrationssensor zur vibronischen Bestimmung einer Prozessgröße, beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums, eine zu einer Schwingung anregbare Membran und einen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung auf. Das heißt, der Antrieb ist ausgebildet und angeordnet, die Membran zu einer Schwingung mit vorbestimmter Frequenz und Amplitude anzuregen. An einer zu der bestimmenden Prozessgröße hin orientierten Seite der Membran (hierin einfachheitshalber auch als Membranvorderseite bezeichnet) ist ein mechanischer Schwinger derart angeordnet, dass die in die Membran mittels des Antriebs eingekoppelte Schwingung über den mechanischen Schwinger auf das den mechanischen Schwinger umgebende Medium, dessen Prozessgröße bestimmt werden soll, übertragbar ist.
Mit anderen Worten befindet sich der mit der Membran gekoppelte mechanische Schwinger bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Vibrationssensors in einer räumlichen Nähe zum Medium, dessen Prozessgröße zu ermitteln ist, derart, dass der Schwinger wenigstens bei Erreichen eines bestimmten Prozesszustands von dem Medium umgeben oder umströmt sein kann. Hierbei kann der mechanische Schwinger nicht, teilweise oder vollständig von dem Medium umgeben sein.
Erfindungsgemäß ist die Membran wenigstens teilweise zumindest transluzent, das heißt lichtdurchlässig, nicht zwingend jedoch transparent, also bild- oder blickdurchlässig bzw. durchsichtig. Jedoch kann der optisch wirksame Teil der Membran auch transparent sein. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff transluzent so aufzufassen, dass ebenso die Eigenschaft transparent umfasst bzw. enthalten ist.
Weiterhin weist der Vibrationssensor gemäß der Erfindung einen optischen, d. h. nach einem optischen Messprinzip arbeitenden, Abstandssensor auf, mittels welchem von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran (hierin einfachheitshalber auch als Membranrückseite bezeichnet) durch ihren zumindest transluzenten Teil hindurch eine Beabstandung zwischen dem Medium und der Membran erfassbar ist.
Es ist zu verstehen, dass die Erfassung der Beabstandung nicht zwingend als Ergebnis einen absoluten Betrag einer Entfernung zwischen der Membranvorderseite und dem Medium liefern muss, was den Aufbau des Vibrationssensors vereinfachen kann. Es reicht erfindungsgemäß bereits aus, qualitativ zu erkennen, dass das Medium nicht unmittelbar an die Membranvorderseite angrenzt, also zum Beispiel bei einer Restanhaftung von Medium am mechanischen Schwinger zur Membranvorderseite über einen Luftspalt oder eine Luftblase beabstandet ist oder überhaupt kein Medium am bzw. mit dem mechanischen Schwinger in Kontakt steht.
Selbstverständlich kann durch den optischen Abstandssensor ebenso auch eine quantitative Bestimmung des Abstands zwischen der Membranvorderseite und dem Medium im Sinne der vorliegenden Erfindung verwirklicht sein, wodurch sich zusätzlich eine noch genauere Bewertung bzw. Analyse der erfassten Membranschwingungen bzw. Schwingungen des mit der Membran gekoppelten mechanischen Schwingers erreichen lässt und folglich das vom Vibrationssensor bereitgestellte Messergebnis weiter verbessert wird.
In beiden vorstehend erwähnten Prozesszuständen, das heißt, wenn der mechanische Schwinger im Wesentlichen nicht von dem Medium umgeben ist bzw. wenn das Medium lediglich als Restanhaftung von einem vorausgegangenen Kontakt am mechanischen Schwinger vorhanden ist, kann die alleinige Bestimmung der Schwingungsfrequenz und/oder Schwingungsamplitude, d. h. das reine vibronische Sensorsignal, des vom Antrieb zur Schwingung angeregten mechanischen Schwingers eine falsche Aussage in Bezug auf die zu bestimmende Prozessgröße hervorbringen. Bereits am mechanischen Schwinger lediglich anhaftende Restmengen des Mediums können den Schwingungsvorgang des Schwingers derart beeinflussen (z. B. in Form einer Frequenzverschiebung und/oder Amplitudenver-änderung), dass ein scheinbarer vollständiger Kontakt des mechanischen Schwingers mit dem Medium festgestellt wird, obwohl dies tatsächlich nicht der Fall ist, weil z. B. ein Pegel oder ein Füllstand des Mediums in einem Behälter augenblicklich unterhalb der Messposition des Messsensors liegt.
Ein solcher Zustand kann durch die optische Erfassung der möglichen Beabstandung zwischen der Membranvorderseite und dem Medium zuverlässig erkannt werden. Somit ist sicher feststellbar, ob der Vibrationssensor vollständig vom Medium umgeben ist oder nicht. Das vom Vibrationssensor bereitgestellte Messergebnis ist zuverlässiger und genauer. Der Einfluss bestimmter Störfaktoren auf das Messergebnis wird beseitigt bzw. zumindest erheblich verringert.
Wie vorstehend bereits erwähnt, kann die zu bestimmende Prozessgröße ein Füllstand, Grenzstand, Dichte, Viskosität oder ein Druck des Mediums sein. Der Vibrationssensor ist dann eingerichtet und angeordnet, einen Füllstand, einen Grenzstand bzw. einen Druck eines flüssigen oder festen, schüttbaren Mediums zu bestimmen. Das Medium kann sich hierbei in einem (offenen oder geschlossenen) Behälter befinden, in welchem der genaue Füllstand des Mediums oder lediglich das Erreichen eines oder mehrerer vorbestimmter Grenzstände im Behälter oder der Behälterdruck bestimmt werden. Die Bestimmung eines Füllstands, Grenzstands oder Drucks eines Mediums kann ebenfalls in einer freien (z. B. natürlichen) Umgebung erfolgen, zum Beispiel ein Wasserstand (Pegel) eines Gewässers (z. B. Fluss, Kanal und dergleichen).
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Vibrationssensor als Vibrations-Grenzstandsensor zur Ermittlung eines vorherbestimmten Grenzstands des Mediums in einem Behälter ausgebildet. Während des zu überwachenden Prozesszustands kann der Vibrationssensor bzw. der mechanische Schwinger abwechselnd vollständig von dem Medium umgeben sein und dann wieder nicht. In einem solchen Anwendungsszenario ist der erfindungsgemäße Vibrationssensor aufgrund der zuverlässigen optischen Erkennung dieser beiden Zustände besonders vorteilhaft einsetzbar, ohne jedoch zwingend auf diese Anwendung beschränkt zu sein. Andere hierin bereits erwähnte Verwendungszwecke sind ebenfalls denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zumindest transluzente (ggfs. transparente) Teil der Membran von einem in die Membran eingelassenen Fenster aus einem Glaswerkstoff gebildet. Zum Beispiel kann der Glaswerkstoff auch in die Membran eingebrannt sein. Als Glaswerkstoffe sind grundsätzlich solche Werkstoffe zu verstehen, die die hierin beschriebenen optischen Eigenschaften (z. B. Transluzenz, Transparenz) aufweisen können, also beispielsweise Kunststoffe, Quarzglas (Silica), Saphirglas und dergleichen. Insbesondere kann der Glaswerkstoff neben seinen optischen Eigenschaften auch abhängig von der zu erwartenden Prozesstemperatur, welcher der Vibrationssensor bzw. die Membran bei seiner Verwendung ausgesetzt sein wird, passend ausgewählt werden.
So kann der Glaswerkstoff beispielsweise bei Verwendung von Quarzglas oder Saphir hochtemperaturgeeignet sein, so dass der Vibrationssensor insbesondere bis zu Temperaturen von wenigstens 250 °C, vorzugsweise wenigstens 300 °C, weiter bevorzugt wenigstens 350 °C und insbesondere bevorzugt wenigstens 400 °C verwendbar ist.
Die Membran selbst kann bis auf das lichtdurchlässige Fenster (optischer Teil der Membran) aus einem Metallwerkstoff gebildet sein.
In einer hierzu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Membran auch vollständig aus einem Glaswerkstoff gebildet sein, also beispielsweise aus einem Kunststoff, Quarzglas (Silica), Saphirglas und dergleichen mit den zuvor beschriebenen Merkmalen und Vorteilen.
Für den Fall, dass die Membran lediglich einen lichtdurchlässigen Abschnitt (Fenster) aufweist, ist das Fenster gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung aus einer Glasperle gebildet. Diese kann beispielsweise in die Membran eingelassen oder eingebrannt sein. Die Glasperle kann eine im Wesentlichen kugelförmige, elliptische und/oder zylindrische Gestalt aufweisen. Hierdurch lässt sich beispielsweise eine gewünschte Lichtbrechung nach Art einer optischen Linse, z. B. eine Bündelung/Fokussierung von Lichtstrahlen an einem vorherbestimmten Messort des optischen Abstandssensors, realisieren, wodurch sich die Lichtleistung des optischen Abstandssensors und damit das optische Messergebnis zusätzlich verbessern lassen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet der mechanische Schwinger eine bauliche Einheit mit der Membran, was eine stets zuverlässige und gleichbleibende Schwingungsübertragung/Kopplung zwischen der Membran und dem mechanischen Schwinger sicherstellt. Zusätzlich vereinfacht sich der Gesamtaufbau des Vibrationssensors.
In dem vorbeschriebenen Fall, dass der mechanische Schwinger eine bauliche Einheit mit der Membran bildet, können der mechanische Schwinger und die Membran auch vollständig aus einem Glaswerkstoff gebildet sein, wie dieser hierin bereits erwähnt wurde.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mechanische Schwinger als Gabelschwinger mit wenigstens zwei von der Membran abstehenden bzw. sich von dieser weg erstreckenden Schwingkörpern ausgebildet.
Eine noch weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem optischen Abstandssensor und der Membran der Antrieb angeordnet ist, wobei der Abstandssensor optisch über einen Lichtkanal mit dem zumindest transluzenten Teil der Membran in Verbindung steht. Der Antrieb kann somit als membrannah und der optische Abstandssensor als membranfern bezeichnet werden. Einerseits werden die Einkopplung und Erfassung der Schwingungen zwischen dem membrannahen Antrieb und der Membran durch ihre relative Nähe zueinander erleichtert. Andererseits kann der Vibrationssensor weiterhin kompakt bauen und beispielsweise in einem (schlanken) zylinderförmigen Gehäuse mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser aufgenommen sein. Es ist zu verstehen, dass der Lichtkanal ein starrer Kanal sein kann, jedoch ebenso als flexibler Kanal ausgebildet sein kann, beispielsweise als flexible Glasfaserleitung. Ein flexibler Kanal ermöglicht einen hohen Freiheitsgrad bei der konkreten Anordnung des optischen Abstandssensors innerhalb des Vibrationssensors. So sind beispielsweise an spezielle Anwendungen besonders angepasste Bauformen des Vibrationssensors realisierbar.
Eine weitere, kompakt bauende Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Antrieb als induktiver Antrieb oder als piezoelektrischer Antrieb ausgebildet ist, wobei letzterer besonders bevorzugt ist. Beide Antriebsvarianten ermöglichen eine im Wesentlichen zylinderförmige Anordnung angrenzend an die Membran, wobei in einem Zentralbereich des Antriebs ein bauteilfreier Kanal ausgebildet sein kann, der zum Beispiel als Lichtkanal in der vorbeschriebenen Weise dienen kann. Der induktive oder piezoelektrische Antrieb kann trotz des zentralen freien Kanals weiterhin kompakt und mit einer ausreichend hohen, in die Membran einkoppelbaren Schwingungsleistung ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands ist in dem Lichtkanal ein lichtleitendes Material angeordnet. Hierdurch lässt sich die Lichteffizienz des optischen Abstandssensors weiter steigern und hierdurch die optische Messgenauigkeit erhöhen.
Wie bereits oben im Zusammenhang mit dem Glaswerkstoff des lichtdurchlässigen Membranfensters bzw. der gesamten Membran beschrieben wurde, kann auch das lichtleitende Material im Lichtkanal hochtemperaturgeeignet sein, insbesondere bis zu Temperaturen von wenigstens 250 °C, vorzugsweise wenigstens 300 °C, weiter bevorzugt wenigstens 350 °C und insbesondere bevorzugt wenigstens 400 °C einsetzbar sein, so dass der mögliche Einsatzbereich des Vibrationssensor nochmals erweitert wird.
Das lichtleitende Material kann aus einem Kunststoff, Quarzglas (Silica) oder Saphir gebildet sein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der optische Abstandssensor als Lasersensor ausgebildet. Beispielsweise kann ein Sender des Lasersensors eine Laserdiode sein, die entweder einen Lichtimpuls oder -strahl mit sichtbarem Licht oder z. B. Infrarot aussendet. Der Lichtstrahl aus dem Laser wird vom zu vermessenden Medium reflektiert und kann ggfs. über eine Optik an einen Empfänger geleitet und ausgewertet werden. Besonders bevorzugt sind Sender und Empfänger als eine bauliche Einheit im Vibrationssensor ausgebildet, wobei die Erfindung nicht zwingend hierauf beschränkt ist. Sender und Empfänger können auch als getrennte bauliche Einheiten im Vibrationssensor vorgesehen und entsprechend angeordnet sein. Der Abstand zum Messobjekt, d. h. vorliegend zum Medium, kann beispielsweise mittels Phasenverschiebung des vom Abstandssensor erzeugten Lichtstrahls bestimmt werden. Der Lasersensor ermöglicht eine Messung auf geringstem Raum, so dass ein kompakt bauender Vibrationssensor bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur vibronischen Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums, ein Vibrationssensor nach einer der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eingesetzt. Das heißt, der Vibrationssensor weist zumindest eine zu einer Schwingung anregbare Membran und einen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung auf, wobei an einer zu der bestimmenden Prozessgröße hin orientierten Seite der Membran (Membranvorderseite) ein mechanischer Schwinger derart angeordnet ist, dass die in die Membran eingekoppelte Schwingung über den mechanischen Schwinger auf das den mechanischen Schwinger umgebende Medium übertragen wird. Die Membran ist wenigstens teilweise zumindest transluzent, ggfs. auch transparent. Außerdem weist der Vibrationssensor einen optischen Abstandssensor auf, mittels welchem von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran (Membranrückseite) durch ihren zumindest transluzenten Teil hindurch eine Beabstandung zwischen dem Medium und der Membran erfassbar ist.
Das Verfahren weist demnach die Schritte auf, die Prozessgröße durch Schwingungsanregung des Schwingers über die Membran mittels des Antriebs und Erfassen der resultierenden Schwingung des Schwingers zu bestimmen und eine Beabstandung zwischen dem Medium und der Membran, d. h. eine Beabstandung des Mediums zur Membranvorderseite, zur Bewertung (z. B. Plausibilisierung oder Korrektur) der zuvor bestimmten Prozessgröße mittels des optischen Abstandssensors von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran durch den zumindest transluzenten (ggfs. auch transparenten) Teil der Membran hindurch zu erfassen.
Es sei angemerkt, dass bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Vibrationssensors verwiesen wird. Entsprechend können Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Vibrationssensors in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Auch können Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Vibrationssensors herangezogen werden. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Vibrationssensors sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 eine Ansicht eines Längsquerschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors gemäß der Erfindung in einem ersten Prozesszustand,
2 eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors aus 1,
3 eine Ansicht eines Längsquerschnitts durch einen mechanischen Schwinger einschließlich einer schwingfähigen Membran des Vibrationssensors aus 1 sowie eine vergrößerte Teilansicht hiervon,
4 eine Ansicht des Längsquerschnitts des Vibrationssensors aus 1 in einem zweiten Prozesszustand,
5 eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors aus 4,
6 eine Ansicht des Längsquerschnitts des Vibrationssensors aus 1 in einem dritten Prozesszustand und
7 eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors aus 6.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt schematisch eine Ansicht eines Längsquerschnitts durch ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 1, beispielsweise in Form eines Grenzstand- oder Füllstandsensors, gemäß der Erfindung in einem ersten Prozesszustand dar. 2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors 1 hiervon. Der Vibrationssensor 1 dient der Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines flüssigen oder festen, schüttfähigen Mediums 2, das beispielsweise in einem Behälter (nicht dargestellt) aufgenommen sein kann.
Wie 1 zu entnehmen ist, weist der Vibrationssensor 1 eine zu einer Schwingung anregbare Membran 3 auf. Weiterhin weist der Vibrationssensor 1 einen Antrieb 4, vorliegend ein piezoelektrischer Antrieb, ohne jedoch hierauf zwingend beschränkt zu sein, zum Versetzen der schwingfähigen Membran 3 in Schwingung auf. Der piezoelektrische Antrieb kann gleichfalls zum Erfassen einer nach der Schwingungsanregung resultierenden Schwingung der Membran 3 verwendet werden. Während der Antriebsbetriebsart des vorliegenden Antriebs 4 wird über eine an Piezoelementen 5 (2) des Antriebs 4 angelegte elektrische Spannung in an sich bekannter Weise die Schwingungsanregung erzeugt, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über Anpasskeramikringe 6, eine Druckschraube 7 und einen Druckring 8 in die Membran 3 eingekoppelt wird. Der in 1 und 2 gezeigte Aufbau des piezoelektrischen Antriebs 4 ist lediglich als ein mögliches Beispiel zu verstehen. Andere Anordnungen der Antriebskomponenten und/oder deren Zahl und Art können variieren und entsprechend den (Leistungs-, Schwingungs-, etc.) Anforderungen des Antriebs sowie den Schwingungseigenschaften der Membran 3 gewählt werden.
Weiterhin ist 1 zu entnehmen, dass an einer zu der bestimmenden Prozessgröße (Medium 2) hin orientierten Seite der Membran 3 (hierin auch als Membranvorderseite bezeichnet) ein mechanischer Schwinger 9 angeordnet ist, der vorliegend als Gabelschwinger mit zwei von der Membran 3 abstehenden Schwingkörpern 10 ausgebildet ist, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Vorliegend sind der Schwinger 9 und die Membran 3 außerdem als eine einzige bauliche Einheit ausgebildet. Dies ist jedoch ebenfalls nicht zwingend erforderlich.
Die durch den Antrieb 4 in die Membran 3 eingekoppelte Schwingung wird auf den Schwinger 9 bzw. die Schwingkörper 10 übertragen, so dass diese letztendlich auf das Medium 2 übertragen wird, wenn dieses den Schwinger 9 umgibt. Umgekehrt kann eine am Schwinger 9 sich einstellende, resultierende Schwingung nach der Schwingungsanregung durch den Antrieb 4 wieder über die Membran 3 vorzugsweise mittels des Antriebs 4 detektiert werden. Hierzu kann im gezeigten Ausführungsbeispiel eine von den Piezoelementen 5 erzeugte elektrische Spannung infolge des auf diese über die schwingende Membran 3 ausgeübten mechanischen Drucks erfasst und zur Frequenz- und/oder Amplitudenauswertung der schwingenden Membran 3 herangezogen werden. Der Antrieb 4 unterbricht hierfür kurzzeitig seine Antriebsbetriebsart, um die Schwingungsdetektion durchzuführen.
Bei einem induktiven Antrieb (nicht dargestellt) können die Schwingungsanregung sowie die Schwingungsdetektion entsprechend über eine Bestromung einer Spule bzw. über in der Spule induzierte Spannungen realisiert sein.
Des Weiteren ist bei dem in 1 gezeigten Vibrationssensor 1 die Membran 3 wenigstens teilweise zumindest transluzent, ggfs. auch transparent. Vorliegend weist die Membran 3 hierzu ein eingelassenes oder eingebranntes transluzentes bzw. transparentes Fenster 11 aus einem Glaswerkstoff, wie diese hierin im allgemeinen Teil dieser Beschreibung schon genannt wurden, auf, das z. B. auch aus einer Glasperle gebildet sein kann. Die Membran 3 kann in diesem Fall bis auf das optische Fenster 11 aus einem Metallwerkstoff gebildet sein. Alternativ kann die Membran auch vollständig aus einem Glaswerkstoff gebildet sein (nicht dargestellt), so dass die gesamte Membran gleichzeitig als optisches Fenster 11 dient.
Weiterhin ist in 1 ein optischer Abstandssensor 12 als Bestandteil des Vibrationssensors 1 gezeigt, der vorliegend als Lasersensor mit einer optischen Sende- und Empfangseinheit (nicht separat dargestellt) ausgebildet ist. Die Sendeeinheit kann beispielsweise eine Laserdiode aufweisen, die einen Laserstrahl 13 erzeugt. Die Empfangseinheit kann entsprechend als Fotodetektor ausgebildet sein.
Der Abstandssensor 12 ist auf einer zur bestimmenden Prozessgröße des Mediums 2 weg orientierten Seite der Membran 3 (Membranrückseite) angeordnet. Der Abstandssensor 12 erfasst somit eine Beabstandung zwischen dem Medium 2 und der Membran 3, d. h. der Membranvorderseite, ausgehend von der Membranrückseite durch das transluzente bzw. transparente Fenster 11 der Membran 3.
In 1 ist außerdem zu erkennen, dass bei dem Ausführungsbeispiel des Vibrationssensors 1 der Antrieb 4 zwischen dem optischen Abstandssensor 12 und der Membran 3 angeordnet ist. Der bevorzugt als induktiv oder piezoelektrisch wirkende Antrieb 4 ermöglicht in einfacher baulicher Weise, einen Lichtkanal 14 durch einen Zentralbereich des Antriebs 4 bereitzustellen, da der Zentralbereich von Bauteilen des Antriebs 4 ohne Einschränkung seiner Funktion freigehalten werden kann. Über diesen Lichtkanal 14 steht der Abstandssensor 12 optisch mit dem zumindest transluzenten Teil 11 der Membran 3 in Verbindung. Mit anderen Worten wird der von dem Abstandssensor 4 erzeugte Licht-/Laserstrahl 13 durch den Lichtkanal 14 zu dem optischen Fenster 11 der Membran 3 geführt.
In dem Lichtkanal 14 kann ein lichtleitendes Material (nicht dargestellt), beispielsweise ein hochtemperaturgeeignetes Material wie Quarzglas (Silica) oder Saphir, angeordnet sein, um die Lichtübertragungsleistung zu erhöhen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ebenso können Kunststoffe mit entsprechenden optischen und mechanischen Eigenschaften als lichtleitendes Material verwendet werden.
Alternativ kann der Lichtkanal 14 auch als flexibler Lichtkanal (nicht dargestellt) beispielsweise mittels eines flexiblen Lichtleiters realisiert sein, der den zusätzlichen Vorteil eines noch höheren Freiheitsgrads hinsichtlich der Anordnung des optischen Abstandssensors 12, des Antriebs 4, des transluzenten bzw. transparenten Bereichs der Membran 3 (Fenster 11) und ggfs. weiterer Komponenten des Vibrationssensors 1 bietet.
Schließlich ist 1 auch ein Gehäuse 15 des Vibrationssensors 1 zumindest teilweise zu entnehmen, in dem der Antrieb 4 und der optische Abstandssensor 12 aufgenommen sind. Der Schwinger 9 ist an einem Ende des Gehäuses 15 mit diesem verbunden, beispielsweise verschraubt, geklemmt, geklebt und dergleichen.
3 zeigt in Ansicht A einen Längsquerschnitt durch den mechanischen Schwinger 9 einschließlich der schwingfähigen Membran 3 des Vibrationssensors 1 aus 1, die vorliegend als eine einzige bauliche Einheit ausgebildet sind, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein, sowie in Ansicht B eine vergrößerte Teilansicht hiervon.
In 1 ist ein Prozesszustand angezeigt, in welchem kein Medium 2 den Schwinger 9 umgibt. Die Schwingkörper 10 befinden sich im gezeigten Zustand frei in der Luft.
4 zeigt demgegenüber eine Ansicht des Längsquerschnitts des Vibrationssensors 1 aus 1 in einem zweiten Prozesszustand, in dem der mechanische Schwinger 9 bzw. die Schwingkörper 10 vollständig vom Medium 2 umgeben sind. 5 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors 1 in diesem Zustand.
Durch das Fenster 11 kann der optische Abstandssensor 12 mithilfe des erzeugten Licht-/Laserstrahls 13 hindurch in den Prozess (Medium 2) messen. Der Abstandssensor 12 kann nun erkennen, dass keine Beabstandung in 4 zwischen der Membran 3 bzw. der Membranvorderseite und dem Medium 2 vorhanden ist und folglich der Vibrationssensor 1 bzw. der Schwinger 9 vollständig vom Medium 2 umgeben/bedeckt ist. In diesem Zustand liefert das vibronische Messsignal (Schwingungsdetektion) des Vibrationssensors 1 zuverlässige Messwerte bezüglich der zu erfassenden Prozessgröße (z. B. Füllstand, Grenzstand, Dichte, Viskosität des Mediums 2).
6 stellt eine Ansicht des Längsquerschnitts des Vibrationssensors 1 aus 1 in einem dritten Prozesszustand dar, in dem an den Schwingkörpern 10 lediglich eine restliche Anhaftung des Mediums 2 (z. B. Tropfen) vorhanden ist, der Schwinger 9 an sich im Wesentlichen jedoch nicht mehr vollständig von dem Medium 2 umgeben ist bzw. nicht vollständig in dem Medium 2 eingetaucht ist. 7 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Vibrationssensors 1 in diesem Zustand. Obwohl das rein vibronische Messsignal, d. h. die Schwingungsanalyse beispielsweise mittels des Antriebs 4, den in 6 dargestellten Zustand nicht von dem in 4 dargestellten Zustand unterscheiden kann, stellt der optische Abstandssensor 12 eine Beabstandung des Mediums 2 von der Membranvorderseite fest, da die Anhaftung des Restmediums 2 am Schwinger 9 einen Luftspalt oder Luftblase 16 entstehen lässt. Die Auswertung des optischen Messsignals zusätzlich zum vibronischen Messsignal ermöglicht damit eine zuverlässige Bewertung des vibronischen Messsignals, so dass trotz der Anhaftung des Mediums 2 in dem in 6 gezeigten Prozesszustand sicher erkannt wird, dass der Schwinger 9 des Vibrationssensors 1 nicht bedeckt ist und folglich ein vorherbestimmter Füll- bzw. Grenzstand des Mediums 2 nicht erreicht ist.
Der hierin offenbarte erfindungsgemäße Vibrationssensor sowie das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale des Vibrationssensors sowie des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In bevorzugter Ausführung wird der erfindungsgemäße Vibrationssensor zur Füllstand-, Grenzstand-, Viskositäts- oder Druckmessung eines flüssigen oder festen, schüttfähigen Mediums verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Vibrationssensor
2: Medium
3: Membran
4: Antrieb
5: Piezoelement
6: Anpasskeramikring
7: Druckschraube
8: Druckring
9: Schwinger
10: Schwingkörper
11: Fenster
12: Optischer Abstandssensor
13: Laserstrahl
14: Lichtkanal
15: Gehäuse
16: Luftspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018112506 B3 [0003]

Claims

Vibrationssensor (1) zur Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums (2), mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran (3) und einem Antrieb (4) zum Versetzen der Membran (3) in Schwingung, wobei an einer zu der bestimmenden Prozessgröße hin orientierten Seite der Membran (3) ein mechanischer Schwinger (9) derart angeordnet ist, dass die in die Membran (3) eingekoppelte Schwingung über den mechanischen Schwinger (9) auf das den mechanischen Schwinger (9) umgebende Medium (2) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) wenigstens teilweise zumindest transluzent ist und ein optischer Abstandssensor (12) vorgesehen ist, mittels welchem von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran (3) durch ihren zumindest transluzenten Teil (11) hindurch eine Beabstandung zwischen dem Medium (2) und der Membran (3) erfassbar ist.
Vibrationssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest transluzente Teil (11) der Membran (3) von einem in die Membran (3) eingelassenen Fenster (11) aus einem Glaswerkstoff gebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (11) aus einer Glasperle gebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) aus einem Metallwerkstoff gebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) vollständig aus einem Glaswerkstoff gebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (9) eine bauliche Einheit mit der Membran (3) bildet.
Vibrationssensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (9) und die Membran (3) vollständig aus einem Glaswerkstoff gebildet sind.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Schwinger (9) als Gabelschwinger mit wenigstens zwei von der Membran (3) abstehenden Schwingkörpern (10) ausgebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem optischen Abstandssensor (12) und der Membran (3) der Antrieb (4) angeordnet ist, wobei der Abstandssensor (12) optisch über einen Lichtkanal (14) mit dem zumindest transluzenten Teil (11) der Membran (3) in Verbindung steht.
Vibrationssensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lichtkanal (14) ein lichtleitendes Material angeordnet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Material hochtemperaturgeeignet ist, insbesondere bis zu Temperaturen von wenigstens 250 °C, vorzugsweise wenigstens 300 °C, weiter bevorzugt wenigstens 350 °C und insbesondere bevorzugt wenigstens 400 °C einsetzbar ist.
Vibrationssensor (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Material Quarzglas (Silica) oder Saphir ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Abstandssensor (12) als Lasersensor ausgebildet ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (4) ein induktiver Antrieb oder piezoelektrischer Antrieb ist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Vibrations-Grenzstandsensor ist.
Verfahren zur vibronischen Bestimmung einer Prozessgröße, insbesondere eines Füllstands, Grenzstands, Dichte oder Viskosität eines Mediums (2), mittels eines Vibrationssensors (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessgröße durch Schwingungsanregung des Schwingers (9) über die Membran (3) mittels des Antriebs (4) und Erfassen der resultierenden Schwingung des Schwingers (9) bestimmt wird und eine Beabstandung zwischen dem Medium (2) und der Membran (3) zur Bewertung der zuvor bestimmten Prozessgröße mittels des optischen Abstandssensors (12) von einer zur bestimmenden Prozessgröße weg orientierten Seite der Membran (3) durch den zumindest transluzenten Teil (11) der Membran (3) hindurch erfasst wird.