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Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationssensors gemäß Patentanspruch 10.
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Im Stand der Technik sind Vibrationssensoren, die beispielsweise als Vibrationsgrenzschalter verwendet werden, bekannt, wobei der Vibrationssensor eine über einen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran aufweist, mittels der ein an der Membran angeordneter mechanischer Schwinger zu einer Schwingung anregbar ist. Abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingers mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes schwingt der mechanische Schwinger mit einer charakteristischen Frequenz oder Amplitude, die von dem Vibrationssensor detektiert werden und in ein Messsignal umgewandelt werden kann.
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Als Antriebe zur Anregung der Membran und des mechanischen Schwingers werden im Stand der Technik häufig piezoelektrische Antriebe eingesetzt.
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In einer Ausgestaltungsform weist ein piezoelektrischer Antrieb ein mehrfach segmentiertes Piezoelement auf, welches mit der Membran verklebt ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einzelne oder mehrere Segmente des Piezoelements wird dieses zu einer Biegung oder Torsion angeregt und überträgt diese auf die Membran, die dadurch in Schwingung versetzt wird und ihrerseits den mechanischen Schwinger in Schwingung versetzt. Diese Art von Antrieb erzeugt nur einen begrenzten Hub und kann nur bei Vibrationssensoren eingesetzt werden, die bei Temperaturen deutlich unter der Glasübergangstemperatur des verwendeten Klebers und unterhalb der Curie-Temperatur des verwendeten Piezomaterials eingesetzt werden. Für Hochtemperaturanwendungen über 150°C sind diese Sensoren nicht geeignet.
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Wird für eine Anwendung ein Sensor mit größerem Hub benötigt oder ist ein Einsatz bei höheren Temperaturen notwendig, so kann eine andere Variante von piezoelektrischen Antrieben, ein sogenannter Piezostapelantrieb, eingesetzt werden.
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Hier ist ein Stapel aus einer Piezoeinheit, die aus einem oder mehreren Piezoelementen besteht, je einer oberhalb und unterhalb der Piezoeinheit angeordneten Anpassungskeramik sowie oberhalb und unterhalb der Anpassungskeramiken angeordneten Druckstücken über einem an der Membran des Sensors angeordneten Spannbolzen und eine Spannmutter gegen die Membran gespannt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoelemente ändern diese ihre Ausdehnung in Axialrichtung des Bolzens und versetzen die Membran so in Schwingung.
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Die Detektion der Schwingung erfolgt regelmäßig ebenfalls mittels eines Piezoelementes. Dabei kann es sich um dasselbe Piezoelement wie das auch zum Antrieb vorgesehene Piezoelement oder auch um ein separates, zweites Piezoelement handeln.
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Bei sogenannten Ein-Piezo-Systemen erfolgt die Anregung der Membran und die Detektion der Schwingungen der Membran zeitlich gemultiplext an einem Piezoelement. Das hat zur Folge, dass die potenzielle maximale Anregungsleistung nicht ausgeschöpft wird. Auch das bei der Detektion erhaltene Empfangssignal ist nicht vollständig verfügbar, weil ein Teil der Periode genutzt wird, um die Membran mit dem Piezoelement anzuregen. Der fehlende zeitliche Bereich, in welchem die Anregung erfolgt, muss im Empfangssignal künstlich eingefügt werden. Dies führt zu einem deutlich höheren Schaltungsaufwand.
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Bei sogenannten Zwei-Piezo-Systemen, welche ein separates Piezoelement für die Anregung und die Detektion aufweisen, wird durch das starke Anregungssignal, welches den piezoelektrischen Antrieb zum Schwingen bringt und welches typischerweise um den Faktor 100 stärker ist als das Empfangssignal, das Empfangssignal deutlich übersteuert.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Vibrationssensor und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die die vorstehend genannten Nachteile bei der Detektion der Schwingungsfrequenz vermeiden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor umfasst dabei eine in Schwingung versetzbaren Membran und einen an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger. Bei dem mechanischen Schwinger handelt es sich insbesondere um mindestens ein Paddel und vorzugsweise um zwei Paddel. Ein piezoelektrischer Antrieb ist derart angeordnet, dass Schwingungen des piezoelektrischen Antriebs auf die Membran und den mechanischen Schwinger übertragen werden. Insbesondere ist der piezoelektrische Antrieb wie vorstehend beschrieben mit einem segmentierten Piezoelement oder als Piezostabelantrieb ausgebildet.
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Je nach Grad der Überdeckung mit Füllgut ändert sich die Schwingungsfrequenz des mechanischen Schwingers. Zur Detektion der von dem mechanischen Schwinger auf die Membran übertragenen Schwingung weist der Vibrationssensor zudem mindestens ein triboelektrischen Sensor auf.
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Ein triboelektrischer Sensor oder auch triboelektrischer Nanogenerator (TENG) bezeichnet, ist ein Sensor welcher mechanische Energie, wie zum Beispiel Vibrationen oder Rotationen, in elektrische Energie umwandelt. Diese Generator umfasst üblicherweise zwei Schichten möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit. Bei einem Kontakt oder einer Relativverschiebung dieser beiden Schichten laden diese sich gegensätzlich auf, welches bei einer Trennung oder Rückverschiebung der beiden Schichten zur Ausbildung einer Spannung führt. Es lässt sich entsprechend eine elektrische Spannung abgreifen. Diese Spannung kann gemessen werden und aus den Spannungspulsen kann die Frequenz des mechanischen Schwingers bestimmt werden.
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Mittels des triboelektrischen Sensors soll die Frequenz des durch den piezoelektrischen Antrieb angetriebenen mechanischen Schwingers alleinig oder auch zusätzlich zu einer Detektion mittels eines Piezoelementes überwacht werden.
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Der Vorteil eines triboelektrischen Sensors ist hierbei, dass dieser nur empfindlich auf seine eigenen Schwingungen reagiert und die Messung daher nicht von dem elektrischen Anregungssignal des piezoelektrischen Antriebs negativ beeinflusst wird.
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Der triboelektrische Sensor ist lediglich mechanisch mit dem Antrieb gekoppelt. Durch die Detektion des Schwingungssignals, bzw. der Schwingbewegungen getrennt von der Anregung, können kapazitive Rückkopplungen oder kapazitives Übersprechen wie es bei einem Zwei-Piezo-System mit einem separates Piezoelement für die Anregung zusätzlichem Piezoelement für den Empfang auftritt, vermieden werden.
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Alternativ können zur Umwandlung der mechanischen Bewegung der Membran in ein elektrisches Signal auch ein Dehnungsmessstreifen oder andere MEMS verwendet werden.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vibrationssensors ist der mindestens eine triboelektrische Sensor auf der dem Prozess abgewandten Seite der Membran angeordnet. Insbesondere ist der mindestens eine triboelektrische Sensor unmittelbar auf der Membran angeordnet, um die mechanischen Schwingungen besonders gut zu detektieren. Die triboelektrischen Sensoren sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet und kommen so nicht in Kontakt mit dem Prozess.
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Insbesondere ist der mindestens eine triboelektrische Sensor in eine Klebeschicht eingebettet. Eingebettet soll heißen, dass der mindestens eine triboelektrische Sensor von sämtlichen Seiten oder an allen Seiten außer der unmittelbar auf der Membran angeordneten Seite von Klebstoff umgeben ist. Der Klebstoff erstreckt sich damit sowohl seitlich als auch auf der dem Prozess abgewandten Seite des triboelektrischen Sensors. Insbesondere sind mehrere triboelektrische Sensoren vorgesehen, welche gemeinsam in eine Klebeschicht eingebettet sind. Durch die Klebeschicht können die Sensoren besonders gut auf der Membran fixiert werden und zudem beeinträchtigt die Klebeschicht auch nicht die Schwingungsfähigkeit der Membran sowie die Übertragung der Schwingung von dem Piezoelement auf die Membran.
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Die Kontaktierung des mindestens einen triboelektrischen Sensors erfolgt insbesondere mittels elektrischer Kontakte (Leitungen oder Kabel), die durch den Klebstoff hindurchgeführt sind.
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Der mindestens eine Sensor ist insbesondere zwischen dem piezoelektrischen Antrieb und der Membran angeordnet. Wie vorstehend bereits beschrieben, kann der piezoelektrische Antrieb auch durch den Klebstoff und auch durch den mindestens einen oder auch mehrere triboelektrische Sensoren hindurch die Membran ausreichend stark zum Schwingen anregen. Die Klebeschicht dient insbesondere auch zur Fixierung des piezoelektrischen Antriebs.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vibrationssensors ist der mindestens eine triboelektrische Sensor in einem Bereich bzw. innerhalb eines Umfangs, angeordnet, der innerhalb einer Projektion des zum Antrieb vorgesehenen Piezoelementes in axialer Richtung auf die Membran liegt. Mit anderen Worten werden die Schwingungen eines Bereiches der Membran überwacht, die unmittelbar von dem piezoelektrischen Antrieb angetrieben werden. Der mindestens eine triboelektrische Sensor erstreckt sich nicht weiter in radialer Richtung nach außen als der piezoelektrische Antrieb.
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Eine besondere genaue Schwingungsermittlung kann realisiert werden, wenn mindestens zwei triboelektrische Sensoren angeordnet sind, die in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Insbesondere sind mindestens zwei triboelektrische Sensoren in einer Ebene, insbesondere auf der Membran, angeordnet und dort aber unterschiedlich orientiert. Durch mindestens zwei oder auch mehrere triboelektrische Sensoren, die in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, kann Schwingungen bzw. Empfangssignale in verschiedenen Richtungen getrennt erfasst werden und somit eine räumliche Bewegung erkannt werden. Damit kann zum Beispiel auf Fremdvibrationen oder auf eine Degradation des Piezo-Antriebs geschlossen werden. Eine Degradation kann beispielsweise durch ein Ablösen eines geklebten Elements auftreten oder durch eine thermische Überlastung eines Piezoelementes
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Insbesondere können mehrere triboelektrische Sensoren jeweils in radialer Richtung ausgerichtet sein. Insbesondere sind die triboelektrischen Sensoren sternförmig angeordnet, d.h. die triboelektrischen Sensoren erstrecken sich von einem Mittelpunkt sämtlich radial nach außen. Es können dabei auch mehrere triboelektrische Sensoren in einer sich von der Mitte nach außen erstreckenden Reihe hintereinander angeordnet sein. Eine sternförmige Abdeckung der Fläche der Membran mit triboelektrischen Sensoren ermöglicht eine großflächig verteilte Erfassung von Schwingungen und insbesondere auch eine Erfassung von Schwingungen unterschiedlicher Richtungen.
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Es ist auch denkbar, dass mehrere triboelektrische Sensoren parallel zueinander angeordnet sind. Dabei können die triboelektrischen Sensoren über die Fläche der Membran in mehreren parallel zueinander verlaufenden Reihen verteilt angeordnet sein. Eine Reihe kann dabei mehrere triboelektrische Sensoren aufweisen. Auch hiermit kann eine gute Abdeckung der Membran zur Erfassung von Schwingungen erzielt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend beschriebenen Vibrationssensors, wobei die Anregung des mechanischen Schwingers mittels eines piezoelektrischen Antriebs erfolgt und Ermittlung die Schwingungsfrequenz des mechanischen Schwingers mittels eines triboelektrischen Sensors erfolgt. Der triboelektrische Sensor kann dabei zusätzlich zu einer Schwingungsdetektion mit einem Piezoelement oder einem anderen Element dienen oder auch alleinig die Schwingungsfrequenz detektieren. In Bezug auf die Vorteile des Verfahrens wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Im Folgenden werden in Zusammenhang mit den Figuren weitere Ausführungsformen und Vorteile erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Vibrationssensor in einer schematischen Ansicht von der Seite,
- 2 einen Vibrationssensor gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Blick auf die Membran in einer schematischen Ansicht von oben, und
- 3 einen Vibrationssensor gemäß eine zweiten Ausführungsform mit einem Blick auf die Membran in einer schematischen Ansicht von oben.
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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 zur Erfassung einer Bedeckung des mechanischer Schwingers 14 mit einem Medium angeordnet ist. Der mechanischer Schwinger 14 ist vorliegend in Form einer Schwinggabel mit zwei Paddeln 16 ausgebildet.
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Um den mechanischen Schwinger 14 in Schwingungen zu versetzen ist dieser mit einer Membran 18 verbunden, welche wiederum über einen Antrieb 20 in Schwingung versetzbar ist.
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Bei dem Antrieb 20 handelt es sich vorliegend um einen piezoelektrischen Antrieb mit einem Piezoelement 22.
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Zwischen dem piezoelektrischen Antrieb 20 und der Membran 18 sind mehrere triboelektrische Sensoren 24 angeordnet. Die triboelektrischen Sensoren 24 sind unmittelbar auf der Membran 18 angeordnet.
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Zur Fixierung der triboelektrischen Sensoren 24 sind diese in eine Klebeschicht 26 (hier gepunktet dargestellt) eingebettet. Die Klebeschicht 26 erstreckt sich seitlich und auf der der Membran 18 abgewandten Seite der triboelektrischen Sensoren 24. Auf der Klebeschicht 26 ist der piezoelektrische Antrieb 20 angeordnet. Die Klebeschicht 26 dient dabei ebenfalls zur Fixierung des piezoelektrischen Antriebs 20.
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Die Kontaktierung der triboelektrischen Sensoren 24 erfolgt über elektrische Kontakte 28 durch die Klebeschicht 26 hindurch. Dabei sind die triboelektrischen Sensoren 24 derart kontaktiert, dass auch eine richtungsabhängige Auswertung der Schwingungen des mechanischen Schwingers 14 bzw. der Membran 18 möglich ist. Der piezoelektrische Antrieb 20 ist ebenfalls über einen elektrischen Kontakt 30 angebunden.
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Im Folgenden werden zur Beschreibung weiterer Ausführungsformen für identische oder zumindest funktionsgleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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In den 2 und 3 sind mögliche Anordnungen von triboelektrischen Sensoren 24 auf der Membran 18 gezeigt. Dabei ist immer ein Blick von oben auf die Membran 18 gezeigt, wobei die einzelnen Elemente transparent dargestellt sind, sodass ihre Anordnung zueinander erkennbar ist. Die unterhalb der Membran 18 angeordneten Paddel 16 des mechanischen Schwingers 14 sind zur Orientierung gestrichelt eingezeichnet.
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In 2 ist die Membran 18 des Vibrationssensors 10 dargestellt, welche den äußeren Rand bildet. Innerhalb des Umfangs der Membran 18 ist das Piezoelement 22 angeordnet. Wie gut erkennbar ist, erstreckt sich die Klebeschicht 26 radial weiter nach außen als das Piezoelement 22.
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Die triboelektrischen Sensoren 24 sind innerhalb des Umfangs der Klebeschicht 26 und auch innerhalb des Umfangs des von dem Piezoelement 22 gebildeten Bereichs auf der Membran 18 angeordnet.
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In der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform sind die triboelektrischen Sensoren 24 sternförmig angeordnet. Dabei erstrecken sich die triboelektrischen Sensoren 24 jeweils in radialer Richtung, wobei hier jeweils zwei triboelektrische Sensoren 24 in einer sich in radialer Richtung erstreckenden Reihe angeordnet sind. Mit diesen, in verschiedenen Richtungen orientierten triboelektrischen Sensoren 24 können Schwingungen in unterschiedlichen Richtungen detektiert werden.
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In 3 sind die triboelektrischen Sensoren 24 in zwei Bereichen I und II angeordnet, die jeweils einem Paddel 16 zugeordnet sind. Die triboelektrischen Sensoren 24 sind in dem jeweiligen Bereich I bzw. II in mehreren parallel zueinander angeordneten Reihen angeordnet. In einer Reihe sind vorliegend zwei triboelektrische Sensoren 24 angeordnet, wobei die Länge der Sensoren 24 an die abzudeckende Fläche des von dem Piezoelement 22 angeregten Bereiches der Membran 18 angepasst sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vibrationssensor
- 12
- Gehäuse
- 14
- mechanischer Schwinger
- 16
- Paddel
- 18
- Membran
- 20
- Antrieb
- 22
- Piezoelement
- 24
- triboelektrischer Sensor
- 26
- Klebeschicht
- 28
- elektrischer Kontakt
- 30
- elektrischer Kontakt
