DE102020130558A1

DE102020130558A1 - Drive for a vibration sensor, vibration sensor and use of shape memory materials as a drive element in vibration sensors, and method for driving a vibration sensor

Info

Publication number: DE102020130558A1
Application number: DE102020130558.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Fabian Witt
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Die Erfindung Antrieb (20) für einen Vibrationssensor (10).Es ist die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Antrieb (20) für einen Vibrationssensor (10) zur Verfügung zu stellen, welcher besonders kompakt ist.Dazu umfasst der Antrieb (20) einen Draht (22) aus einem Formgedächtnismaterial, wobei der Draht (22) mittels mindestens eines Anregungselementes (26) derart zu einer Längenänderung anregbar ist, dass der Draht (22) eine damit verbundene Membran (30) zu Schwingungen anregt.The invention drive (20) for a vibration sensor (10). It is the object of the present application to provide a drive (20) for a vibration sensor (10) which is particularly compact Wire (22) made of a shape-memory material, wherein the wire (22) can be excited to change its length by means of at least one excitation element (26) in such a way that the wire (22) excites a membrane (30) connected thereto to vibrate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für einen Vibrationssensor gemäß Patentanspruch 1, einen Vibrationssensor mit einem solchen Antrieb gemäß Patentanspruch 7 sowie die Verwendung von Formgedächtnismaterialien als Antriebselement in Vibrationssensoren gemäß Patentanspruch 10 und ein Verfahren zum Antrieb eines Vibrationssensors gemäß Patentanspruch 11.The present invention relates to a drive for a vibration sensor according to patent claim 1, a vibration sensor with such a drive according to patent claim 7 and the use of shape memory materials as a drive element in vibration sensors according to patent claim 10 and a method for driving a vibration sensor according to patent claim 11.

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.In process automation technology, field devices are often used that are used to record and/or influence process variables. Examples of such field devices are filling level measuring devices, limit level measuring devices and pressure measuring devices with sensors that record the corresponding process variables filling level, limit level or pressure. Such field devices are often connected to higher-level units, for example control systems or control units. These higher-level units are used for process control, process visualization and/or process monitoring. The field devices known from the prior art generally have a housing, a sensor and an electronics unit arranged in the housing.

Im Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran aufweist, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.Vibration sensors, which are used for example as vibration limit switches, are known in the prior art, with the vibration sensor having a membrane that can be excited to vibrate via a drive, by means of which a mechanical vibrator arranged on the membrane can be excited to vibrate. The mechanical oscillator oscillates at a characteristic frequency, which can be detected by the vibration sensor and converted into a measurement signal, depending on how much the mechanical vibrator is covered with a filling material and on the viscosity of this filling material.

Im Stand der Technik werden sowohl piezoelektrische als auch induktive Antriebe eingesetzt.Both piezoelectric and inductive drives are used in the prior art.

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.In a first variant of a piezoelectric drive, a multi-segmented piezo element is glued to the membrane. By applying an electrical voltage to one or more segments of the piezo element, this is excited to bend or torsion and transmits this to the membrane, which is thereby set in motion and in turn sets the mechanical vibrator in motion. This type of drive only produces a limited stroke and can only be used with vibration sensors that are used at temperatures well below the glass transition temperature of the adhesive used and below the Curie temperature of the piezo material used. These sensors are not suitable for high-temperature applications above 150°C.

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.If a sensor with a longer stroke is required for an application or if use at higher temperatures is necessary, a second variant of piezoelectric drives, so-called piezo stack drives, is used.

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.Here, a stack of a piezo unit consisting of one or more piezo elements, one ceramic adapter arranged above and one below the piezo unit, and pressure pieces arranged above and below the ceramic adapters is clamped against the membrane by a clamping bolt and a clamping nut arranged on the membrane of the sensor. By applying an electrical voltage to the piezo elements, they change their expansion in the axial direction of the bolt and thus cause the membrane to vibrate.

Ferner sind aus dem Stand der Technik induktive Antriebe für Vibrationssensoren bekannt.Furthermore, inductive drives for vibration sensors are known from the prior art.

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.A vibration sensor with inductive drive is, for example, from EP 2 209 110 B1 known to the applicant. The vibration sensors with an inductive drive known from the prior art are characterized in that they are suitable for higher ambient temperatures compared to vibration sensors with a piezoelectric drive.

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.In a known embodiment, a permanent magnet is coupled via a magnet receptacle with an oscillatable membrane with an oscillating fork arranged thereon and can be excited to oscillate by a coil arranged in a fixed manner in a housing of the vibration point level sensor. The coil is arranged on a coil carrier in a coil receptacle for magnetic field steering and has a coil core, also for magnetic field steering. A first air gap formed between the permanent magnet and the coil core is located within an axial extent of the coil. A second air gap is formed between the cylindrical magnet mount and the likewise cylindrical coil mount.

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.The vibration point level sensor is constructed in such a way that a current flow inducing a magnetic field in the coil excites the permanent magnet to oscillate in the axial direction and/or an oscillation of the permanent magnet induces a voltage in the coil.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, einen Antrieb für einen Vibrationssensor sowie einen Vibrationssensor mit einem solchen Antrieb sowie die Verwendung eines Formgedächtnismaterials zur Verfügung zu stellen, welche besonders kompakt sind. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung einen solchen kompakten Antrieb mit einem einfachen Verfahren zu betreiben.It is the object of the present application, a drive for a vibration sensor and to provide a vibration sensor with such a drive and the use of a shape memory material, which are particularly compact. Furthermore, it is the object of the invention to operate such a compact drive with a simple method.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is achieved according to the invention with the features of the independent claims. Further practical embodiments and advantages are described in connection with the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßer Antrieb für einen Vibrationssensor umfasst einen Draht aus einem Formgedächtnismaterial, wobei der Draht mittels mindestens eines Anregungselementes derart zu einer Längenänderung anregbar ist, dass der Draht eine mit dem Draht unmittelbar oder mittelbar verbundene Membran zum Schwingen anregt. Die Membran ist, wie vorstehend bereits beschrieben, mit einem mechanischen Schwinger verbunden und versetzt diesen durch ihre Bewegung ebenfalls in Schwingungen. Bei dem mechanischen Schwinger handelt es sich insbesondere um eine Schwinggabel oder einen Schwingstab.A drive according to the invention for a vibration sensor comprises a wire made of a shape-memory material, wherein the wire can be excited to change its length by means of at least one excitation element in such a way that the wire excites a membrane directly or indirectly connected to the wire to oscillate. As already described above, the membrane is connected to a mechanical vibrator and, as a result of its movement, also causes it to vibrate. The mechanical oscillator is in particular an oscillating fork or an oscillating rod.

Ein Formgedächtnismaterial weist in Abhängigkeit der Temperatur oder in Abhängigkeit eines äußeren magnetischen Feldes zwei unterschiedliche Strukturen auf, welche das Formgedächtnismaterial durch eine kristallographisch reversible Phasenumwandlung einnehmen kann.Depending on the temperature or depending on an external magnetic field, a shape memory material has two different structures, which the shape memory material can assume through a crystallographically reversible phase transformation.

Bei der temperaturabhängigen Phasenumwandlung handelt in der Regel um eine Umwandlung zwischen den Kristallstrukturen Martensit und Austenit. Die Kristallstruktur Austenit liegt dabei bei höheren Temperaturen vor (Hochtemperaturphase) und die Kristallstruktur Martensit bei niedrigeren Temperaturen (Niedertemperaturphase). Die Kristallstrukturen bzw. Phasen können jeweils durch Temperaturänderung ineinander übergehen (Zweiwegeffekt). Ein Vorteil der temperaturinduzierten Phasenumwandlung ist, dass sich das Material in eine zuvor eingeprägte Gestalt zurückverformt. Die als Formgedächtnislegierungen hauptsächlich verwendeten Werkstoffe sind metallische Legierungen wie NiTi (Nickel-Titan) und NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer).The temperature-dependent phase transformation is usually a transformation between the crystal structures of martensite and austenite. The austenite crystal structure is present at higher temperatures (high-temperature phase) and the martensite crystal structure at lower temperatures (low-temperature phase). The crystal structures or phases can change into one another as a result of temperature changes (two-way effect). An advantage of the temperature-induced phase transformation is that the material deforms back into a previously imprinted shape. The materials mainly used as shape memory alloys are metallic alloys such as NiTi (nickel-titanium) and NiTiCu (nickel-titanium-copper).

Eine durch ein äußeres Magnetfeld induzierte Phasenumwandlung bewirkt in der Regel eine Längenänderung des Materials. Das Material orientiert sich in der ferromagnetischen martensitischen Phase aufgrund der Beweglichkeit von Zwillingsgrenzen im Atomgitter neu. Da die martensitische Struktur tetragonal ist, hat eine solche mikroskopische Orientierungsänderung auch eine makroskopische Längenänderung zur Folge. Diese Umorientierung kann aufgrund der anisotropen Permeabilität (richtungsabhängige magnetische Leitfähigkeit) durch ein äußeres Magnetfeld ausgelöst werden. Die magnetfeldabhängige Reaktion erfolgt dabei um ein bis zwei Größenordnungen schneller als bei den thermischen Formgedächtnislegierungen. Formgedächtnislegierungen, welche diesen magnetischen Effekt zeigen, sind unter anderem Legierungen aus Nickel, Mangan und Gallium. Insgesamt können mittels dieser Formgedächtnislegierungen Längenänderungen bzw. Dehnungen von ca. 10% erzielt werden.A phase transformation induced by an external magnetic field usually causes a change in the length of the material. The material reorients itself in the ferromagnetic martensitic phase due to mobility of twin boundaries in the atomic lattice. Since the martensitic structure is tetragonal, such a microscopic change in orientation also results in a macroscopic change in length. This reorientation can be triggered by an external magnetic field due to the anisotropic permeability (direction-dependent magnetic conductivity). The reaction, which is dependent on the magnetic field, takes place one to two orders of magnitude faster than in the case of thermal shape memory alloys. Shape memory alloys that exhibit this magnetic effect include alloys of nickel, manganese and gallium. Overall, changes in length or elongation of about 10% can be achieved by means of these shape memory alloys.

Für den erfindungsgemäßen Antrieb ist der Draht so angeordnet und wird von dem Anregungselement derart angeregt, dass der Draht seine wirksame Länge verändert, d.h. sich längt und wieder zusammenzieht. Der Länge des Drahtes kann durch das Anregungselement insbesondere periodisch verändert werden. Durch die Verbindung mit der Membran wird diese durch das einmalige oder mehrmalige Zusammenziehen und Längen des Drahtes in Schwingungen versetzt.For the drive according to the invention, the wire is arranged and is excited by the excitation element in such a way that the wire changes its effective length, i.e. lengthens and contracts again. The length of the wire can, in particular, be changed periodically by the excitation element. The connection to the membrane causes it to vibrate when the wire is pulled together and lengthened once or several times.

Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb ist vor allem ein platzsparender Antriebsaufbau realisierbar. Insbesondere bei einem Einsatz des Antriebes in einem Vibrationssensor, kann das Gehäuse des Vibrationssensors besonders kleine Abmessungen aufweisen. So konnten mit dem erfindungsgemäßen Antrieb bereits Prozessanschlüsse realisiert werden, die einen Durchmesser von weniger als 1/2 Zoll aufweisen.Above all, a space-saving drive structure can be implemented with the drive according to the invention. In particular when the drive is used in a vibration sensor, the housing of the vibration sensor can have particularly small dimensions. With the drive according to the invention, it has already been possible to implement process connections that have a diameter of less than 1/2 inch.

Ein weiterer Vorteil eines Antriebs mit einem Element aus einer Formgedächtnislegierung ist, dass sehr hohe Zugkräfte mittels des Drahtes aufgebracht werden können. Drähte aus Formgedächtnislegierungen sind zudem gut und in hoher Qualität verfügbar. Zudem erfordert ein Draht nur einen geringen Materialeinsatz und ist besonders leicht.A further advantage of a drive with an element made of a shape memory alloy is that very high tensile forces can be applied by means of the wire. Wires made of shape memory alloys are also readily available and of high quality. In addition, a wire requires only a small amount of material and is particularly light.

Ferner ist ein erfindungsgemäßer Antrieb vergleichsweise einfach aufgebaut. Der Verdrahtungsaufwand für den Antrieb kann besonders gering gehalten werden, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird.Furthermore, a drive according to the invention has a comparatively simple structure. The wiring effort for the drive can be kept particularly low, as will be explained in more detail below.

Bei dem mindestens einen Anregungselement handelt es sich insbesondere um eine Anregungsspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Wie oben bereits beschrieben, kann die Formänderung eines Elementes aus einer Formgedächtnislegierung auch magnetisch beeinflusst werden. Ein erfindungsgemäßer Antrieb beruht vorzugsweise auf einer solchen magnetischen Anregung der Phasenumwandlung des Formgedächtnismaterials. Insbesondere ist der Draht zumindest über einen Teil seiner Länge innerhalb der Anregungsspule angeordnet. Durch das innerhalb der Spule herrschende Magnetfeld kann die Länge des Drahtes beeinflusst bzw. eingestellt werden. Mittels der Anregungsspule kann wechselweise ein Magnetfeld erzeugt werden, d.h. das Magnetfeld angeschaltet und ausgeschaltet werden. Das sich zeitlich ändernde Magnetfeld induziert jeweils eine Längenänderung im Draht aus der Formgedächtnislegierung.The at least one excitation element is in particular an excitation coil for generating a magnetic field. As already described above, the change in shape of an element made of a shape memory alloy can also be influenced magnetically. A drive according to the invention is preferably based on such a magnetic excitation of the phase transformation of the shape memory material. In particular, the wire is arranged within the excitation coil over at least part of its length. The length of the wire can be influenced by the magnetic field within the coil or to be set. A magnetic field can be generated alternately by means of the excitation coil, ie the magnetic field can be switched on and off. The time-varying magnetic field induces a change in length in the wire made of the shape memory alloy.

In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs umfasst der Antrieb eine Detektoreinheit, mittels welcher von der Membran ausgeführte Schwingungen detektierbar sind.In a practical embodiment of the drive according to the invention, the drive comprises a detector unit, by means of which vibrations carried out by the membrane can be detected.

Eine solche Detektoreinheit umfasst insbesondere einen Draht, insbesondere einen bereits magnetisierten, ferromagnetischen Draht, und eine Detektorspule. Der Draht ist unmittelbar oder mittelbar mit der Membran verbundenen. Insbesondere verläuft der Draht zumindest über einen Teil seiner Länge innerhalb der Detektorspule. Durch die von dem Antrieb in Schwingungen versetzte Membran wird ebenfalls der mit der Membran verbundene Draht der Detektoreinheit in Schwingungen versetzt. Die Bewegung des Drahtes innerhalb der Spule induziert eine Spannung in der Spule, welche von einem Messgerät erfasst werden kann. Aus der Amplitude und Frequenz der Spannung kann auf die Schwingung der Membran geschlossen werden.Such a detector unit includes in particular a wire, in particular an already magnetized, ferromagnetic wire, and a detector coil. The wire is directly or indirectly connected to the membrane. In particular, the wire runs at least over part of its length inside the detector coil. The wire of the detector unit, which is connected to the membrane, is also set in vibration by the membrane set in vibration by the drive. The movement of the wire within the coil induces a voltage in the coil which can be detected by a measuring device. The vibration of the membrane can be deduced from the amplitude and frequency of the voltage.

Insbesondere handelt es sich bei der Anregungsspule zur Anregung des Drahtes aus der Formgedächtnislegierung und der Detektorspule um zwei separate Bauteile. Mit dieser Ausführungsform kann gleichzeitig eine Anregung der Membran bewirkt werden und Schwingungsantwort der Membran gemessen werden. Die Membran bzw. der mechanische Schwinger kann damit kontinuierlich erregt werden, sodass eine größere Leistung eingekoppelt werden kann.In particular, the excitation coil for exciting the wire made of the shape memory alloy and the detector coil are two separate components. With this embodiment, the membrane can be excited and the vibration response of the membrane can be measured at the same time. The membrane or the mechanical oscillator can thus be excited continuously, so that greater power can be coupled.

In dieser Ausführungsform mit separater Anregungsspule und Detektorspule erfolgt die Regelung des Antriebes insbesondere derart, dass die Anregungsspule auf die jeweils von der Detektoreinheit detektierte aktuelle Resonanzfrequenz der Membran, d.h. die Frequenz, bei welcher die Membran mit der größten Amplitude schwingt, eingeregelt wird. Durch Auswertung der jeweiligen Resonanzfrequenz kann dann auf eine Bedeckung des mechanischen Schwingers zurückgeschlossen werden.In this embodiment with a separate excitation coil and detector coil, the drive is controlled in such a way that the excitation coil is adjusted to the current resonance frequency of the membrane detected by the detector unit, i.e. the frequency at which the membrane vibrates with the greatest amplitude. By evaluating the respective resonant frequency, it is then possible to conclude that the mechanical oscillator is covered.

In einer alternativen Ausgestaltungsform kann die Ansteuerung in Form eines geschlossenen Regelkreises ausgebildet sein.In an alternative embodiment, the control can be designed in the form of a closed control loop.

Die elektrische Ansteuerung regt über die Anregungsspule das Schwingelement zur Schwingung an. Ein Detektor misst die aktuelle Schwingungsamplitude, welche in einem Verstärker verstärkt wird. Ein Vergleicher prüft, ob die Schwingamplitude größer oder kleiner geworden ist. Das Ergebnis des Vergleichers wird an die el. Ansteuerung übergeben, welche demensprechend die Schwingungsfrequenz anpasst. Es wird in diesem System immer nach der maximalen Amplitude gesucht.The electrical control stimulates the oscillating element to oscillate via the excitation coil. A detector measures the current vibration amplitude, which is amplified in an amplifier. A comparator checks whether the vibration amplitude has increased or decreased. The result of the comparator is transferred to the electronic control, which adjusts the oscillation frequency accordingly. In this system, the search is always for the maximum amplitude.

Insgesamt muss in dieser Ausführungsform des Antriebs mit zwei separaten Spulen für die Anregung und die Detektion der Schwingungen nur jeweils eine Leitung oder ein Anschluss pro Spule zur Verfügung gestellt werden. Eine Anschluss weiterer Bauteile ist nicht erforderlich. Entsprechend ist der Verkabelungs- bzw. Verdrahtungsaufwand für einen solchen Antrieb sehr gering.Overall, in this embodiment of the drive with two separate coils for the excitation and detection of the vibrations, only one line or one connection per coil has to be provided. It is not necessary to connect other components. Accordingly, the amount of cabling or wiring required for such a drive is very low.

In einer besonders bauraumsparenden Anordnung ist die Membran über den Draht der Detektoreinheit mit dem Draht aus dem Formgedächtnismaterial verbunden. In a particularly space-saving arrangement, the membrane is connected to the wire made of the shape-memory material via the wire of the detector unit.

Der Draht aus der Formgedächtnislegierung ist dabei mit seinem ersten Ende ortsfest gegenüber dem Vibrationssensor festgelegt, beispielsweise gegenüber einem Gehäuse des Vibrationssensors und mit dem zweiten Ende mit einem ersten Ende des ferromagnetischen Drahtes verbunden. Der Draht der Detektoreinheit ist mit seinem zweiten Ende wiederum mit der Membran verbunden. Durch Längenänderung des Drahtes aus der Formgedächtnislegierung wird der Draht der Detektoreinheit auf- und abbewegt und gleichzeitig damit die Membran in Schwingungen versetzt.The first end of the wire made of the shape memory alloy is fixed in place relative to the vibration sensor, for example relative to a housing of the vibration sensor, and the second end is connected to a first end of the ferromagnetic wire. The second end of the wire of the detector unit is in turn connected to the membrane. By changing the length of the wire made of the shape memory alloy, the wire of the detector unit is moved up and down and at the same time the membrane is made to vibrate.

In einer weiteren praktischen Ausführungsform handelt es sich bei der Anregungsspule und der Detektorspule um ein (einziges) Bauelement. Damit ist der Antrieb besonders kompakt und für den Antrieb ist nur ein Anschluss für die Spule (Anregungsspule und Detektorspule) notwendig. Der Aufwand für die Verkabelung ist entsprechend klein. Insbesondere erstreckt sich die Spule zumindest über einen Teil der Länge des Drahtes aus dem Formgedächtnismaterial und der Länge des Drahtes der Detektoreinheit.In a further practical embodiment, the excitation coil and the detector coil are a (single) component. This makes the drive particularly compact and only one connection for the coil (excitation coil and detector coil) is required for the drive. The effort for the cabling is correspondingly small. In particular, the coil extends at least over part of the length of the wire made of the shape memory material and the length of the wire of the detector unit.

Für das Betreiben des Antriebs bedeutet dies, dass die Anregung des Drahtes in Intervallen erfolgt und jeweils für die Detektion der Schwingungsfrequenz unterbrochen wird.For the operation of the drive, this means that the wire is excited at intervals and is interrupted for the detection of the oscillation frequency.

Die Erfindung betrifft auch einen Vibrationssensor mit einem wie vorstehend beschriebenen Antrieb. Der Vibrationssensor umfasst insbesondere ein Gehäuse, in welchem der Antrieb, die Membran und ggf. weitere Ansteuerungselektronik angeordnet sind. Durch den kompakten Antrieb kann auch das Gehäuse besonders kompakt sein und vor allem im Bereich des Prozessanschlusses nur einen geringen Durchmesser aufweisen. Der Vibrationssensor ist vorzugsweis als Vibrations-Grenzstandsensor und/oder Vibrations-Dichtesensor ausgebildet.The invention also relates to a vibration sensor with a drive as described above. In particular, the vibration sensor includes a housing in which the drive, the membrane and possibly other control electronics are arranged. Due to the compact drive, the housing can also be particularly compact and only have a small diameter, especially in the area of the process connection. The vibration sensor is preferably designed as a vibration limit level sensor and/or a vibration density sensor.

Der Draht aus dem Formgedächtnismaterial ist insbesondere ortsfest in dem Vibrationssensor fixiert. So kann der Draht mit einem Ende ortsfest in oder an dem Gehäuse des Vibrationssensors oder damit fest verbundener Komponenten des Vibrationssensors festgelegt sein. Dies bewirkt, dass sich der Draht unter Einwirkung des Magnetfelds nicht innerhalb des Vibrationssensors bewegt.The wire made of the shape memory material is in particular fixed in place in the vibration sensor. Thus, one end of the wire can be fixed in place in or on the housing of the vibration sensor or components of the vibration sensor that are permanently connected thereto. This causes the wire not to move within the vibration sensor under the influence of the magnetic field.

In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationssensors weist dieser ein Spannelement auf, welches mit dem Draht aus dem Formgedächtnismaterial verbunden ist. Das Spannelement ist insbesondere beabstandet von der Membran angeordnet und der Draht aus der Formgedächtnislegierung erstreckt sich zwischen dem Spannelement und der Membran.In a practical embodiment of the vibration sensor according to the invention, it has a tensioning element which is connected to the wire made of the shape-memory material. In particular, the tensioning element is arranged at a distance from the membrane and the wire made of the shape memory alloy extends between the tensioning element and the membrane.

Das Spannelement ist insbesondere in das Gehäuse des Vibrationssensors einschraubbar. Durch Drehen des Spannelementes kann dieses in seiner Relativposition zum Gehäuse verfahren werden und dadurch den Draht aus Formgedächtnismaterial und die damit verbundene Membran vorspannen.In particular, the clamping element can be screwed into the housing of the vibration sensor. By turning the clamping element, it can be moved in its position relative to the housing and thereby prestress the wire made of shape memory material and the membrane connected to it.

Die Erfindung betrifft auch ein Formgedächtnismaterial als Antriebselement für einen Vibrationssensor. Insbesondere handelt es sich bei dem Formgedächtnismaterial um eine Legierung, welche in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes eine Längenänderung vollzieht. Insbesondere ist das Formgedächtnismaterial als Draht ausgestaltet.The invention also relates to a shape memory material as a driving element for a vibration sensor. In particular, the shape-memory material is an alloy that undergoes a change in length as a function of an external magnetic field. In particular, the shape memory material is designed as a wire.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Antrieb eines Vibrationssensors mit einem wie vorstehend beschriebenen Antrieb. Insbesondere wird die Membran über den Draht und das Anregungselement kontinuierlich in Schwingungen versetzt. Kontinuierlich bedeutet dabei, dass die Membran während der gesamten Messung in Schwingungen versetzt wird. Dies ist insbesondere bei Antrieben möglich, welche ein Anregungselement und eine separate Detektoreinheit aufweisen, welche unabhängig voneinander angesteuert und ausgewertet können.Furthermore, the invention relates to a method for driving a vibration sensor with a drive as described above. In particular, the membrane is continuously vibrated via the wire and the excitation element. Continuous means that the membrane vibrates throughout the measurement. This is particularly possible with drives that have an excitation element and a separate detector unit that can be controlled and evaluated independently of one another.

Alternativ dazu wird die Membran gepulst oder zyklisch in Schwingungen versetzt. Dieses Verfahren wird insbesondere bei Antrieben verwendet, bei welchen es sich bei dem Anregungselement und der Detektoreinheit um dasselbe Bauelement handelt, welches zweitweise zur Anregung dient und zweitweise zur Erfassung der Anregung ausgelesen wird.Alternatively, the membrane is vibrated in a pulsed or cyclic manner. This method is used in particular in drives in which the excitation element and the detector unit are the same component, which is used in part for excitation and is read out in part for detecting the excitation.

Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindungen mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Vibrationssensor in einer Seitenansicht, und
2 einen erfindungsgemäßen Antrieb in einer schematischen Darstellung im Querschnitt.

Further practical embodiments and advantages are described in connection with the drawings. Show it:

1 a vibration sensor according to the invention in a side view, and
2 a drive according to the invention in a schematic representation in cross section.

In 1 ist eine schematische Darstellung eines Vibrationssensors 10 gezeigt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Vibrationsgrenzstandsensor ausgebildet ist. Der Vibrationssensor 10 weist ein Gehäuse 12 auf, an dem endseitig ein mechanischer Schwinger 14 angeordnet ist, der zur Erfassung einer Bedeckung mit einem Medium dient. Der mechanische Schwinger 14 ist vorliegend in Form einer Schwinggabel ausgebildet.In 1 a schematic representation of a vibration sensor 10 is shown, which is designed as a vibration limit level sensor in the present exemplary embodiment. The vibration sensor 10 has a housing 12 on which a mechanical oscillator 14 is arranged at the end, which is used to detect a covering with a medium. In the present case, the mechanical oscillator 14 is designed in the form of an oscillating fork.

Zur Anbindung des Vibrationssensors an einen Behälter weist das Gehäuse 12 einen Prozessanschluss 16 auf. In 2 ist zu erkennen, dass der Prozessanschluss als Gewinde 18 ausgebildet ist.The housing 12 has a process connection 16 for connecting the vibration sensor to a container. In 2 it can be seen that the process connection is designed as a thread 18 .

In dem Gehäuse 12 ist ferner ein Antrieb 20 angeordnet, welcher zur Anregung des mechanischen Schwingers 14 dient.Also arranged in the housing 12 is a drive 20 which is used to excite the mechanical oscillator 14 .

Der Antrieb 20 und seine Funktionsweise sind in Zusammenhang mit 2 beschrieben.The drive 20 and its operation are related to 2 described.

In 2 ist ein Querschnitt durch das Gehäuse 12 dargestellt. Der Antrieb 20 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 auf Höhe des Prozessanschlusses 16 mit Außengewinde 18.In 2 a cross section through the housing 12 is shown. The drive 20 is located within the housing 12 at the level of the process connection 16 with external thread 18.

Der Antrieb 20 umfasst einen sich in Längsrichtung des Vibrationssensors 10 erstreckenden Draht 22 aus einer Formgedächtnislegierung. Der Draht 22 ist mit einem ersten Ende ortsfest gegenüber dem Gehäuse 12 festgelegt und mit einem zweiten Ende mit einem magnetisierten, ferromagnetischen Draht 24 verbunden. Der Draht 22 erstreckt sich über einen Großteil seiner Länge innerhalb eines Anregungselementes 26 in Form einer Anregungsspule 28. Innerhalb der Anregungsspule 28 herrscht ein homogenes Magnetfeld.The drive 20 comprises a wire 22 made of a shape memory alloy and extending in the longitudinal direction of the vibration sensor 10 . The wire 22 has a first end fixed in place relative to the housing 12 and a second end connected to a magnetized, ferromagnetic wire 24 . The wire 22 extends over a large part of its length within an excitation element 26 in the form of an excitation coil 28. Within the excitation coil 28 there is a homogeneous magnetic field.

Der magnetisierte Draht 24 ist mit seinem oberen Ende mit dem Draht 22 aus der Formgedächtnislegierung verbunden und an seinem unteren Ende fest mit einer Membran 30 verbunden. Der Draht 24 ist mit einem Teil seiner Länge innerhalb einer Detektorspule 32 angeordnet. Der Draht 24 und die Detektorspule 32 bilden hier eine Detektionseinheit 34.The magnetized wire 24 is connected to the shape memory alloy wire 22 at its upper end and fixedly connected to a diaphragm 30 at its lower end. The wire 24 is disposed within a detector coil 32 for a portion of its length. The wire 24 and the detector coil 32 form a detection unit 34 here.

Insgesamt ist der Draht 22 aus der Formgedächtnislegierung mittelbar mittels des Drahtes 24 mit der Membran 30 verbunden.Overall, the wire 22 made of the shape memory alloy is indirectly connected to the membrane 30 by means of the wire 24 .

Das obere Ende des Drahtes 22 ist fest mit einem Spannelement 36 verbunden. Das Spannelement 36 ist hier plattenförmig ausgebildet und weist ein Außengewinde 38 auf. Das Spannelement 36 kann durch Drehen innerhalb des Gehäuses 12 in Axialrichtung verfahren werden und in einer Position fixiert werden, in der sich der Draht 22 aus der Formgedächtnislegierung, der Draht 24 und die Membran 30 in einer vorgespannten Stellung befinden.The upper end of the wire 22 is firmly connected to a tensioning element 36 . The Spanele ment 36 is plate-shaped here and has an external thread 38 . Tension member 36 may be rotated axially within housing 12 and fixed in a position where shape memory alloy wire 22, wire 24 and diaphragm 30 are in a pre-tensioned position.

Um die Membran 30 und den damit verbundenen mechanischen Schwinger 14 in Schwingungen zu versetzen, wird zyklisch ein Magnetfeld mittels der Anregungsspule 28 erzeugt. Das sich ändernde Magnetfeld induziert eine Längenänderung im Draht 22 aus der Formgedächtnislegierung. Der Draht 22 längt sich in Axialrichtung und zieht sich in Axialrichtung zusammen. Durch die Verbindung des Drahtes 22 mit dem ferromagnetischen Draht 24 wird auch der Draht 24 auf- und abbewegt und mit ihm die damit verbundene Membran 30.In order to cause the membrane 30 and the mechanical oscillator 14 connected thereto to oscillate, a magnetic field is generated cyclically by means of the excitation coil 28 . The changing magnetic field induces a change in length in the shape memory alloy wire 22 . The wire 22 elongates in the axial direction and contracts in the axial direction. By connecting the wire 22 to the ferromagnetic wire 24, the wire 24 is also moved up and down and with it the membrane 30 connected to it.

Die Auf- und Abbewegung des Drahtes 24 in der Detektorspule 32 führt dazu, dass in der Detektorspule 32 eine das Vorzeichen wechselnde Spannung induziert wird, wobei die Höhe der Spannung und die Frequenz detektiert werden und daraus eine Resonanzfrequenz der Membran bestimmt werden kann, um auf die Bedeckung des mechanischen Schwingers 14 zu schließen.The up and down movement of the wire 24 in the detector coil 32 causes a voltage with a changing sign to be induced in the detector coil 32, with the magnitude of the voltage and the frequency being detected and a resonant frequency of the membrane being able to be determined therefrom in order to to close the cover of the mechanical vibrator 14.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Vibrationssensorvibration sensor
1212: GehäuseHousing
1414: mechanischer Schwingermechanical vibrator
1616: Prozessanschlussprocess connection
1818: Außengewindeexternal thread
2020: Antriebdrive
2222: Draht aus einer FormgedächtnislegierungShape memory alloy wire
2424: Draht (der Detektoreinheit)wire (of the detector unit)
2626: Anregungselementexcitation element
2828: Anregungsspuleexcitation coil
3030: Membranmembrane
3232: Detektorspuledetector coil
3434: Detektionseinheitdetection unit
3636: Spannelementclamping element
3838: Außengewindeexternal thread

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 2209110 B1 [0009]

Claims

Drive for a vibration sensor (10), comprising a wire (22) made of a shape-memory material, wherein the wire (22) can be excited to change its length by means of at least one excitation element (26) in such a way that the wire (22) has a membrane (30 ) stimulates to vibrate.

Drive according to the preceding claim, characterized in that the at least one excitation element (26) is an excitation coil (28).

Drive according to one of the preceding claims, characterized in that a detector unit (34) is provided, by means of which vibrations carried out by the membrane (30) can be detected.

Drive according to the preceding claim, characterized in that the detector unit (34) comprises a wire (24) connected to the membrane (30) and a detector coil (32).

Drive according to the preceding claim, characterized in that the membrane (30) is connected to the wire (22) made of the shape-memory material via the wire (24) of the detector unit (34).

Drive according to one of the two preceding claims, characterized in that the excitation coil (28) and the detector coil (32) are one component.

Vibration sensor with a drive (20) according to one of the above Claims 1 until 6 .

Vibration sensor according to the preceding claim, characterized in that the wire (22) made of the shape-memory material is fixed in place in the vibration sensor (10).

Vibration sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the vibration sensor (10) has a clamping element (36) which is connected to the wire (22) made of the shape memory material.

Use of a shape memory material as a drive element for a vibration sensor (10).

Method for driving a vibration sensor (10) with a drive (20) according to one of the above Claims 1 until 6 , characterized in that the membrane (30) is made to oscillate continuously or in a pulsed manner by means of the drive (20).