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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran aufweist, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität 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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Aus dem Stand der Technik sind sowohl piezoelektrische als auch elektromagnetische Antriebe für solche Vibrationssensoren bekannt, wobei vorliegend von einem Vibrationssensor mit einem elektromagnetischen Antrieb ausgegangen werden soll.
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Ein bekannter Antrieb ist in 5 dargestellt.
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In 5 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter elektromagnetisch angetriebener Vibrationssensor 1, der insbesondere als Vibrationsgrenzschalter eingesetzt werden kann, gezeigt. Der Vibrationssensor 1 weist eine über einen Antrieb 5 zu einer Schwingung anregbare Membran 3 auf, wobei der Antrieb 5 durch eine an einem Gehäuse 19 des Sensors 1 gelagerte bestrombare Spule 9, einen in der Spule 9 angeordneten Spulenkern 21 sowie einen an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7 gebildet ist. Der Bolzen 7 ist im vorliegend dargestellten Antrieb 5 als Permanentmagnet ausgestaltet und mit der Membran 3 starr verbunden. Ein der Spule 9 zugeführter Strom induziert in der Spule 9 ein Magnetfeld, das dann abhängig von seiner Orientierung den an der Membran 3 angeordneten Permanentmagneten 7 anzieht oder abstößt, wodurch die Membran 3 in die entsprechende Richtung bewegt wird. Auf diese Weise ist ein elektrisches Signal in eine Bewegung der Membran 3 umsetzbar.
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Analog hierzu induziert eine Bewegung des Bolzens 7 einen Strom in der Spule 9, so dass Bewegungen des Bolzens 7 und damit der Membran 3 in elektrische Signale überführt und somit detektiert werden können.
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Auf einer dem Antrieb 5 abgewandten Seite der Membran 3 sind typischerweise zwei als Paddel ausgebildete mechanische Schwinger 17 angeordnet, die die in die Membran 3 eingekoppelte Schwingung auf ein die mechanischen Schwinger 17 umgebendes Medium übertragen.
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Vibrationssensoren der zuvor beschriebenen Art, insbesondere Vibrationsgrenzschalter für Flüssigkeiten und Schüttgüter arbeiten nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung. Der Vibrationsgrenzschalter schwingt je nach Bedeckungszustand, Dichte und Temperatur des Mediums mit einer anderen Resonanzfrequenz und Amplitude. Die Amplitude der Resonanzfrequenz ist dabei von der Viskosität des Mediums abhängig. Die Frequenzverschiebung ist von der Dichte und Temperatur des Mediums abhängig.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren wie dem in 5 dargestellten tritt das Problem auf, dass nicht nur von der Membran 3 auf den Antrieb 5 übertragene Schwingungen in Axialrichtung A einen Strom in der Spule 9 induzieren, sondern auch Störschwingungen, insbesondere in Radialrichtung R, zu einer Induktion in der Spule 9 führen und damit die Messgenauigkeit des Vibrationssensors 1 negativ beeinflussen. Die Störschwingungen werden durch externe Einflüsse, beispielweise eine seitlich wirkende Kraft F auf die Schwinggabel oder durch Stöße oder Vibrationen in Radialrichtung R, hervorgerufen. Bspw. kann eine mechanische Einwirkung auf die mechanischen Schwinger 17 zu einer Verformung der Membran 3 und damit zu einer Positionsänderung des Bolzens 7 führen. Aufgrund dieser Positionsänderung, die, wie in 2 gezeigt, in der Regel in einem Verkippen des Bolzens 7 relativ zur Spule 9 besteht, können in der Spule 9 elektrisch Signale induziert werden, die von einem tatsächlichen Messsignal nicht unterschieden werden können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vibrationssensor derart weiterzubilden, dass dieser eine möglichst kostengünstige Schwingungsdetektion ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran, und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung, zeichnet sich dadurch aus, dass der Vibrationssensor einen kapazitiven Schwingungsmesser aufweist, der geeignet ausgebildet und angeordnet ist, eine Schwingung der Membran zu erfassen.
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Dadurch, dass der Vibrationssensor einen kapazitiven Schwingungsmesser, d. h. einen Schwingungsmesser, der darauf beruht, die Änderung einer Kapazität zu erfassen, aufweist, ist es möglich, einen Antrieb, d. h. das Versetzten der Membran in Schwingung, und eine Schwingungsdetektion voneinander zu entkoppeln. Es kann auf diese Weise mehr Schwingungsenergie in die Membran eingekoppelt werden, da nicht zwischen Sende- und Empfangsbetrieb, d. h. Versetzen der Membran in Schwingung und Detektieren der Schwingungsfrequenz der Membran abgewechselt werden muss. Es ist damit möglich, die Membran mit Hilfe des Antriebs dauerhaft anzutreiben und gleichzeitig mit Hilfe des kapazitiven Schwingungsmessers eine Schwingungsfrequenz der Membran zu detektieren.
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Insgesamt bietet eine kapazitive Schwingungsdetektion eine einfache und auch kostengünstige Detektion von Schwingungen.
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Der kapazitive Schwingungsmesser kann bspw. als Kondensator ausgestaltet sein. Insbesondere ist der Schwingungsmesser als Plattenkondensator ausgestaltet. Für die Kapazität des Plattenkondensators gilt:
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Durch die Schwingungen der Membran ändert sich der Plattenabstand zwischen den Platten des Kondensators, welches zu einer Änderung der gemessenen Kapazität führt. Aus der dynamischen Kapazitätsänderung kann die Schwingungsfrequenz der Membran ermittelt werden. Insgesamt können mit Hilfe des Kondensators kleinste Schwingungen eines Gegenstandes, d. h. vorliegend der Membran erfasst und bspw. hinsichtlich der Schwingungsfrequenz ausgewertet werden.
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In einer Variante kann der Schwingungsmesser derart ausgestaltet und angeordnet sein, dass eine Schwingungsmessung an einem mit der Membran gekoppelten oder einstückig ausgebildeten Element erfolgt. Weist die Membran im schwingfähigen Bereich der Membran fest mit der Membran verbundene und damit mit der Membran schwingende Elemente auf, so kann eine Schwingungsmessung auch an diesen Elementen erfolgen.
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Besonders einfach kann eine Schwingungsmessung erfolgen, wenn diese an einer der Membran abgewandten Stirnfläche des Bolzens erfolgt. Die der Membran abgewandte Stirnfläche des Bolzens, also die Stirnfläche, die in der Spule dem Spulenkern zugewandt ist, ist von einer Rückseite des Vibrationssensors her besonders einfach zugänglich und kann daher bevorzugt für eine Schwingungsmessung verwendet werden. Ferner ist der Bolzen zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades beim Antreiben der Membran in deren Zentrum angeordnet und ist damit an einer Stelle der Membran, an der eine große Schwingungsamplitude zu erwarten ist. Bei dem Bolzen handelt es sich insbesondere um einen Permanentmagneten aus einem Metallwerkstoff.
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Eine zentrische Schwingungsmessung, d. h. eine Schwingungsmessung an einem Mittelpunkt der Membran bzw. in Verlängerung dazu ist besonders einfach möglich, wenn die Spule einen Spulenkern zur Magnetfeldlenkung aufweist, wobei das dem Bolzen zugewandte Ende des Spulenkerns eine metallische Schicht aufweist. Dabei kann eine separate Metallscheibe mit dem Ende des Spulenkerns verbunden sein oder es kann eine metallische Beschichtung auf den Spulenkern aufgebracht werden. Entsprechend ist der Kondensator zur kapazitiven Schwingungsmessung zwischen dem Ende des Spulenkerns mit der metallischen Schicht und der Stirnfläche des Bolzens ausgebildet. Die Schwingungsmessung erfolgt dann durch Messung einer Kapazität zwischen der metallischen Schicht an dem Spulenkern und dem Bolzen.
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Insbesondere ist zwischen der metallischen Schicht an dem Ende des Spulenkerns und dem Spulenkern selbst eine Isolierschicht angeordnet. Bei der Isolierschicht kann es sich um eine separate, mit dem Spulenkörper verbundene Scheibe handeln oder die Isolierschicht ist als Beschichtung auf den Spulenkörper aufgebracht.
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Vibrationssensoren mit induktivem Antrieb werden häufig für Anwendungen bei hohen Temperaturen, d. h. insbesondere Temperaturen, bei denen Vibrationssensoren mit Piezoantrieb nicht mehr eingesetzt werden können, verwendet. Das ist insbesondere bei Temperaturen in der Größenordnung knapp unterhalb der Curie-Temperatur des entsprechend verwendeten Materials der Fall, da ab dieser Temperatur bereits eine Alterung/Degradation des Materials einsetzt und somit der Wirkungsgrad des piezoelektrischen Antriebs ab dieser Temperatur schon deutlich sinkt. Aktuelle vibronische Sensoren mit piezoelektrischen Antrieben, welche eine Curie-Temperatur von ca. 370°C aufweisen, werden bis zu einer Temperatur von ca. 250°C eingesetzt. Es ist daher vorteilhaft, wenn sämtliche verwendeten Materialien, insbesondere Materialien im Bereich des Antriebs, in dem vorliegenden Vibrationssensor hochtemperaturgeeignet sind. Die Isolierschicht ist daher insbesondere aus einem Keramikwerkstoff.
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Um den Einfluss von Störschwingungen in Radialrichtung zu minimieren, können einander zugewandte Oberflächen der einen magnetisch wirksamen Luftspalt ausbildenden Teile jeweils einen Kugelflächenabschnitt bilden. Der Radius des Kugelflächenabschnittes entspricht insbesondere dem Abstand der Oberflächen zu einem Drehpunkt, um den sich der Bolzen bei einer seitlichen Auslenkung bewegt. Die Oberfläche kann auch einer Annäherung an diesen Kugelflächenabschnitt entsprechend ausgebildet sein. Eine solche Annäherung kann bspw. eine lineare Annäherung sein.
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Konkret können bspw. einander zugewandte Oberflächen des Bolzens und des Spulenkerns entsprechend ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass seitliche Auslenkungen des Bolzens einen Abstand der Bolzenoberfläche zu der Spulenkernoberfläche nicht verändern und somit eine noch präzisere Schwingungsmessung möglich ist. Die dem Spulenkern zugewandte Stirnfläche des Bolzens ist dafür insbesondere konvex und die dem Bolzen zugewandte Stirnfläche des Spulenkerns konkav ausgebildet.
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Die metallische Schicht am Ende des Spulenkerns zur Bildung der einen Plattenfläche ragt insbesondere in radialer Richtung betrachtet gegenüber dem Bolzen hervor. Die Fläche der metallischen Schicht am Ende des Spulenkerns ist damit größer als die Stirnfläche des Bolzens. Selbst bei Auslenkung des Bolzens wird damit eine konstante bzw. gleichbleibende wirksame Plattenfläche realisiert und die Auswertung der Schwingungsfrequenz vereinfacht.
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In einer einfachen Variante ist der Schwingungsmesser derart ausgestaltet und angeordnet, dass eine Schwingungsmessung an der Membran erfolgt. Dazu ist bspw. ein zusätzliches metallisches Element oder ein zusätzliches Element mit einer metallischen Schicht in einem Abstand zu der Membran angeordnet, so dass Schwingungen der Membran direkt zu einer Änderung der gemessenen Kapazität führen. Die Membran bildet dann selbst die zweite Platte des Kondensators. Insbesondere kann das zusätzlich Element als Kreisring ausgebildet sein, wobei der Kreisring zum Beispiel den Bolzen umgebend angeordnet ist.
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Weiterhin kann die metallische Schicht so ausgebildet sein, dass diese einen Temperatursensor aufweist. Insbesondere ist der Temperatursensor nach Art einer Referenzelektrode an einer Platte des Kondensators ausgebildet. Mittels der Referenzelektrode kann dann eine durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Kapazität detektiert werden.
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Der Antrieb kann vorzugsweise als ein elektromagnetisch wirkender Antrieb ausgebildet sein, der wenigstens einen mit der Membran gekoppelten Bolzen und eine Spule aufweist. Elektromagnetisch wirkende Antriebe sind, wie im Zusammenhang mit dem Stand der Technik dargestellt, besonders anfällig für durch Störschwingungen hervorgerufene Messsignale, deren Auswirkungen sich durch die vorliegende Ausgestaltung besonders effektiv unterdrücken lassen.
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Alternativ kann der Antrieb auch als piezoelektrischer Antrieb ausgestaltet sein, wobei für diese Antriebe durch die vorliegende Ausgestaltung eine besonders kostengünstige Schwingungsmessung realisieren lässt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehender erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Vibrationssensor in einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Anmeldung in einer schematischen Darstellung im Querschnitt,
- 2 einen Vibrationssensor in einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Anmeldung in einer schematischen Darstellung im Querschnitt,
- 3 einen Vibrationssensor in einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Anmeldung in einer schematischen Darstellung im Querschnitt,
- 4 einen Vibrationssensors mit piezoelektrischem Antrieb in einer schematischen Darstellung im Querschnitt und
- 5 einen Vibrationssensor mit induktivem Antrieb gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 1 mit einem induktiven Antrieb 5.
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Der Vibrationssensor 1 weist eine über einen umlaufenden Rand an einem Gehäuse 19 des Vibrationssensors 1 schwingfähig befestigte Membran 3 auf, an der vorderseitig, d. h. an einer zu einem Prozess hin orientierten Seite der Membran 3 mechanische Schwinger 17 angeordnet sind. Die Membran 3 ist über einen Antrieb 5 im Wesentlichen zu einer Schwingung anregbar, wobei der Antrieb 5 durch eine an dem Gehäuse 19 des Vibrationssensors 1 gelagerter bestrombaren Spule 9 einen in der Spule 9 angeordneten Spulenkern 21 sowie einen an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7 gebildet ist. Ein in der Spule 9 fließender Strom induziert in dieser ein Magnetfeld, das abhängig von seiner Orientierung den an der Membran 3 angeordneten Bolzen 7, der vorliegend als Permanentmagnet ausgebildet ist, anzieht oder abstößt, wodurch die Membran 3 in die entsprechende Richtung bewegt wird. Auf diese Weise ist ein elektrisches Signal, das der Spule 9 zugeführt wird, in eine Bewegung der Membran 3 umsetzbar.
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Die auf einer dem Antrieb 5 abgewandten Seite der Membran 3 angeordneten mechanischen Schwinger 17 übertragen eine in die Membran 3 eingekoppelte Schwingung auf ein die mechanischen Schwinger 17 umgebendes Medium.
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Wie bereits in Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, arbeitet auch der vorliegend dargestellte Vibrationssensor 1 nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzverschiebung, bei dem der Vibrationssensor 1 je nach Bedeckungszustand, Dichte und Temperatur eines die mechanischen Schwinger 17 umgebenden Mediums mit einer charakteristischen Resonanzfrequenz und Amplitude schwingt.
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Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel weist der Spulenkern 21 an einem zu dem Bolzen 7 weisenden Ende eine Isolierschicht 100 und eine daran anschließende metallische Schicht 110 auf. Die metallische Schicht 110 bildet mit der Stirnfläche des Bolzens 7 einen (Platten-)Kondensator 120. Diese Plattenkondensator 120 dient vorliegend als ein kapazitiver Schwingungsmesser 11.
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Aus der durch die Schwingungen der Membran 3 und dem damit verbundenen Bolzen 7 resultierenden Änderung des Plattenabstandes des Plattenkondensators 120 resultiert eine Änderung der Kapazität. Aus der Änderung der Kapazität kann dann unabhängig von der induktiven Anregung die Schwingungsfrequenz der Membran 3 ermittelt werden.
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In Verbindung mit den 2 und 3 werden weitere Ausführungsbeispiele eines Vibrationssensors 1 erläutert, wobei für identische oder zumindest gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden, wie zur Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 1 dargestellt. Hier ist gut erkennbar, dass bei einer seitlich in Radialrichtung R, d. h. vorliegend senkrecht zur Axialrichtung A wirkenden Kraft F auf die mechanischen Schwinger 17 die Oberfläche des Bolzens 7 auf einer Kreisoberfläche um einen Drehpunkt D verschoben wird.
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Eine dem Spulenkern 21 zugewandte erste Stirnfläche 71 des Bolzens 7 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel konvex ausgebildet. Die erste Stirnfläche 71 ist dabei entsprechend einem Kugelflächenabschnitt mit einem ersten Radius r1 einer Länge eines Abstands der ersten Stirnfläche 71 zu einem Drehpunkt D des Bolzens 7 ausgebildet.
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Eine dem Bolzen 7 zugewandte zweite Stirnfläche 72 des Spulenkerns 21 mit der metallischen Schicht 110 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel konkav, vorliegend entsprechend einem Kugelflächenabschnitt mit einem zweiten Radius r2 einer Länge eines Abstands der zweiten Stirnfläche 72 zu dem Drehpunkt D des Bolzens 7 ausgebildet.
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Die metallische Schicht 110 ist ferner so ausgeführt, dass sie in radialer Richtung gegenüber der Stirnfläche 71 des Bolzens 7 hervorragt.
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Durch diese zueinander korrespondierende Ausbildung der beiden Stirnflächen 71, 72 hat eine seitliche Auslenkung des Bolzens 7 keine Abstandsänderung zwischen den Stirnflächen des Spulenkerns 21 und dem Bolzens 7 zur Folge. Auf diese Weise kann durch einfache mechanische Mittel sichergestellt werden, dass sogenannte Störmoden, beispielsweise durch seitliche Kräfte F hervorgerufene lateral Schwingungen des Bolzens 7 zu keiner Abstandsänderung in Axialrichtung A führen sodass der kapazitive Schwingungsmesser 11 ausschließlich die in Axialrichtung A wirkenden Messmoden detektiert. Ferner führt ein Verkippens des Bolzens 7 zu keiner Änderung der Größe des magnetisch wirksamen Luftspalts, sodass keine Änderung des magnetischen Flusses eintritt.
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Durch die vorliegende Ausgestaltung ist auf einfache Weise möglich eine Entkopplung von Schwingungsanregungen und Schwingungsdetektion zu erreichen, sodass nicht wie bisher zwischen Sende - und Empfangsphase im Zeitmultiplex umgeschaltet werden muss. Die Frequenz des Anregungssignals kann kontinuierlich durch Einstellen einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal auf die Resonanzfrequenz geregelt werden. Da der induktive Antrieb 5 also permanent eine Schwingung in die Membran 3 einkoppeln kann ist es möglich mehr elektrische Energie in mechanische Schwingungsenergie umzuwandeln, dadurch im Zeitmittel mehr Schwingungsenergie in die Membran 3 einzukoppein und dadurch größere Amplituden für die Schwingungsdetektion zu erreichen.
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Eine Sensorelektronik zur Auswertung der empfangenen Signale kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel rückseitig an dem Vibrationssensor 1 angeordnet sein, sodass diese von einer möglicherweise heißen Prozessumgebung entkoppelt angeordnet ist.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors 1 dargestellt.
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In diesem Fall ist zur Bildung des kapazitiven Schwingungsmessers 11 in Form des Kondensators 120, ein metallisches Zusatzelement 130 benachbart und beabstandet zu der Membran 3 angeordnet. Vorliegend ist das Zusatzelement 130 ringförmig ausgebildet und ist den Bolzen 7 zumindest über einen Teil seiner Höhe umschließend angeordnet. Das Zusatzelement 130 kann bspw. als ein an einem sich in Axialrichtung A in rückseitiger Richtung von der Membran wegerstreckenden, umlaufenden Rand der Membran angeordnet sein. Das Zusatzelement kann dazu bspw. als ein an dem Rand befestigter Ring aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit einer elektrisch leitenden Beschichtung an an einer der Membran 3 zugewandten Oberfläche sein.
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Die Detektion der Schwingung erfolgt entsprechend direkt durch den von dem Zusatzelement 130 und der Membran 3 gebildeten Plattenkondensator 120.
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4 zeigt einen Vibrationssensor 1 mit einem an dem Bolzen 7 angeordneten piezoelektrischen Antrieb 5, der die Membran 3 über ein Druckstück 16, das zwischen dem Antrieb 5 und der Membran 3 angeordnete ist, in Schwingungen versetzt. Wie in dem in Bezug auf 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Plattenkondensator 120 zwischen der Membran 3 und dem Zusatzelement 130 ausgebildet. Auf diese Weise wird eine einfach zu realisierende und kostengünstige Schwingungsdetektion realisiert und es wird ermöglicht, dass der Antrieb 5 permanent eine Anregung der Membran 3 gewährleistet, während unabhängig von dem Antrieb eine Detektion der Schwingung erfolgt.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform kann an der Membran 3 lediglich ein mechanischer Schwinger 17 angeordnet sein, der mit dem Medium interagiert.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform mit zwei mechanischen Schwingern 17 kann der Antrieb gegenüberliegend zu einem der mechanischen Schwinger 17 angeordnet sein und am Ansatzpunkt des anderen mechanischen Schwingers 17 an der Membran der Plattenkondensator 120 ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibrationssensor
- 3
- Membran
- 5
- Antrieb
- 7
- Bolzen
- 9
- Spule
- 11
- Schwingungsmesser
- 16
- Druckstück
- 17
- mechanische Schwinger
- 19
- Gehäuse
- 21
- Spulenkern
- 71
- erste Stirnfläche
- 72
- zweite Stirnfläche
- 100
- Isolierschicht
- 110
- metallische Schicht
- 120
- Kondensator
- 130
- Zusatzelement
- D
- Drehpunkt
- A
- Axialrichtung
- R
- Radialrichtung
- r1
- erster Radius
- r2
- zweiter Radius
- F
- Kraft
