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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit oder zur Plausibilitätsprüfung eines vibronischen Sensors.
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Vibronische Sensoren werden zur Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums in einem Behälter eingesetzt. Zur Grenzstandsmessung ist der vibronische Sensor in einem Behälter auf der Höhe des vorgegebenen, zu überwachenden Füllstands angebracht. Üblicherweise handelt es sich bei dem Behälter um einen Tank oder um ein geschlossenes oder offenes rohrförmiges Behältnis. Zwecks Messung der Viskosität oder der Dichte muss der Sensor so in dem Behälter positioniert sein, dass er - zumindest zeitweise - bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist.
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Ein vibronischer Sensor besteht aus einem Sensorrohr und einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran. Aus der
DE 10 2005 044 725 A1 ist ein sog. Membranschwingers bekannt geworden, der für den Einsatz in unterschiedlichsten Medien geeignet ist. Zur Verstärkung der Schwingung ist üblicherweise an der schwingfähigen Membran noch ein schwingfähiges Element, ein Schwingstab oder eine Schwinggabel mit zwei symmetrisch angeordneten Zinken, angebracht. Im Folgenden werden die bekannten Ausgestaltungen unter dem Begriff schwingfähige Einheit subsumiert. Vibrationssensoren mit Schwinggabeln werden in flüssigen, gasförmigen oder festen bzw. festen fließfähigen Medien eingesetzt und von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Unter der Bezeichnung SOLIPHANT sind Vibrationssensoren mit einem Schwingstab, einem sog. Einstab, bekannt geworden. Diese sind hauptsächlich für den Einsatz in Feststoffen oder in Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil ausgewiesen.
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Über eine Sende-/Empfangseinheit werden Anregungssignale auf die schwingfähige Einheit übertragen und entsprechenden Antwortsignale empfangen. Eine Regel-/Auswerteeinheit bestimmt anhand der empfangenen Antwortsignale das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes und/oder die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums.
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Vibronische Sensoren zur Füllstandsmessung schwingen üblicherweise auf einer definierten Resonanzfrequenz - führen also eine harmonische Schwingung aus. Die Resonanzfrequenz ist durch die Konstruktion der schwingförmigen Einheit und die verwendeten Werkstoffe bestimmt. Jede Schwingung lässt sich über die Frequenz und die Dämpfung charakterisieren. Schwingt die schwingfähige Einheit in einem flüssigen Medium mit einer hohen Dichte, so hat die Mediumsdichte als mitbewegte Masse einen Einfluss auf die schwingfähige Einheit. Folglich liegt die Schwingfrequenz in einem flüssigen Medium tiefer als in einem gasförmigen Medium. Eine Frequenzänderung zeigt somit beispielsweise den Übergang von einem gasförmigen zu einem flüssigen Medium an. Auch hat die Dämpfung des Mediums einen Einfluss auf die Schwingungen eines vibronischen Sensors. Schüttgüter wie Weizen oder Reis dämpfen die Schwingungen der schwingfähigen Einheit eines Vibrationssensors und verursachen eine drastische Amplitudensenkung beim Übergang Luft/Schüttgut.
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Als Grenzstandmessgeräte ausgebildete Vibrationssensoren mit schwingfähigem Element nutzen somit den Effekt aus, dass sowohl die Schwingungsfrequenz als auch die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des schwingfähigen Elements: Während das schwingfähige Element in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird nur die Frequenz gemessen) lässt sich folglich ein eindeutiger Rückschluss auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen. Die Frequenzänderung in nicht dämpfenden Medien, wie Gasen und dünnflüssigen Flüssigkeiten, hängt von der Mediumsdichte ab. Die Frequenzänderung ist ausreichend, um das Medium zu erkennen und die Dichte auszuwerten. Füllstandsmessgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen, zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes oder zur Erkennung von Durchfluss in einer Rohrleitung verwendet.
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Wie bereits gesagt, wird die Dämpfung der Schwingung der schwingfähigen Einheit überwiegend durch die Reibungskräfte zwischen den festen Partikeln oder Molekülen des jeweiligen Mediums bestimmt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zwischen der Schwingungsamplitude und der Dichte des Schüttguts (die Reibung in schweren Schüttgütern mit einer hohen Schüttgutdichte ist höher als in leichten) oder zwischen der Schwingungsamplitude und der Viskosität, so dass Vibrationssensoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung in Schüttgüter geeignet sind. Weiterhin werden vibronische Sensoren zur Bestimmung der Viskosität eines flüssigen Mediums eingesetzt.
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Die Schwingungen eines Vibrationssensors werden von einem elektromechanischen Wandler erzeugt. Bei dem elektromechanischen Wandler handelt es sich üblicherweise um einen Piezoantrieb mit zumindest einem piezoelektrischen Element. Der Piezoantrieb regt die schwingfähige Einheit zu harmonischen Schwingungen auf einer Resonanzfrequenz an und kompensiert die Energieverluste, die in der schwingfähigen Einheit auftreten. Mit Piezoantrieben lässt sich ein hoher Wirkungsgrad erzielen. Da die Energiezufuhr relativ gering ist, ist ein breiter Einsatz in der Automatisierungstechnik möglich. Weitere Information findet sich beispielsweise in der
DE 10 2008 050 266 A1 .
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Vielfach werden sogenannte Stapelantriebe als Piezoantriebe eingesetzt. Bei Stapelantrieben sind mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente übereinander gestapelt angeordnet. Darüber hinaus werden zur Schwingungserzeugung und Schwingungsdetektion Bimorphantriebe verwendet. Prinzipiell besteht ein Bimorphantrieb aus einem mit der Membran kraftschlüssig verbundenen, scheibenförmigen piezoelektrischen Element, das in zumindest zwei flächigen Bereichen eine Polarisation aufweist. In der
EP 0 985 916 A1 und der
EP 1 281 051 B1 sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Bimorphantrieben beschrieben.
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Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht eine Auswerteeinheit die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit und signalisiert den Zustand ‚Sensor bedeckt‘ bzw. ‚Sensor unbedeckt‘, sobald die Messsignale einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vibronischen Sensor vorzuschlagen, der zuverlässig Messwerte mit einer vorgegebenen Messgenauigkeit liefert.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen vibronischen Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße eines in einem Behältnis befindlichen Mediums mit einer schwingfähigen Einheit, einer Anregungs-/Empfangseinheit und einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei die Anregungs-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit durch Anregungssignale zu mechanischen Schwingungen anregt und die entsprechenden Antwortsignale erfasst, wobei die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Antwortsignale Messsignale in Bezug auf die Prozessgröße bereitstellt. Die schwingfähige Einheit ist zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material gefertigt. Weiterhin ist eine Erfassungseinheit für ein Magnetfeld vorgesehen. Diese misst das Magnetfeld, das infolge der auf die schwingfähige Einheit einwirkenden mechanischen Kräfte in dem magnetostriktiven Material auftritt. Die Regel-/Auswerteeinheit generiert anhand des gemessenen Magnetfeldes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit und/oder eine Plausibilitätsaussage über die von dem vibronischen Sensor gelieferten Messwerte generiert.
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Durch die Überwachung der Funktionstüchtigkeit des vibronischen Sensors ist sichergestellt, dass der Sensor während seiner Lebensdauer zuverlässig Messwerte innerhalb der zugesicherten Messgenauigkeit liefert. Überschreitet die Abweichung der Messwerte einen vorgegebenen Grenzwert, ist dies ein Hinweis darauf, dass der vibronische Sensor gewartet oder ausgetauscht werden muss. Diese Überwachung kann kontinuierlich oder während entsprechend vorgesehener Wartungsintervalle erfolgen. Darüber hinaus ist alternativ oder additiv vorgesehen, dass der vibronische Sensor kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen redundante Messwerte liefert, die zumindest eine Plausibilitätsaussage bezüglich der gelieferten Messwerte erlauben. Dadurch dass es möglich ist, den erfindungsgemäßen Sensor auch in sicherheitskritischen Anwendungen einzusetzen.
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Als Magnetostriktion wird die Änderung der geometrischen Abmessungen eines ferromagnetischen Körpers unter dem Einfluss eines Magnetfelds bezeichnet. Dieser Effekt ist bei allen ferromagnetischen Materialien messbar. Im Zusammenhang mit der Erfindung kommt der entgegengesetzte Effekt, der sog. Villari-Effekt, zum Tragen, d. h. es wird die Änderung des Magnetfeldes bzw. der magnetischen Eigenschaften des magnetostriktiven Materials unter dem Einfluss von auf das Material einwirkenden mechanischen Kräften betrachtet. Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen Nickel und Cobalt bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Als viertes Element mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur wurde Ruthenium in der metastabilen raumzentrierten tetragonalen Phase ausgemacht. Für die praktische Anwendung bieten sich ferromagnetische Legierungen wie z. B. AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 („Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen („Mumetall“) an. Welches ferromagnetische Material in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommt, hängt davon ab, ob das ferromagnetische Material in Kontakt mit dem Medium kommt oder ob es von dem Medium isoliert angeordnet ist.
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Das magnetostriktive Material selbst erzeugt kein eigenes Magnetfeld, verändert aber unter dem Einfluss einer einwirkenden Kraft seine Permeabilität µ. Um Änderungen des Magnetfeldes zu messen, ist es daher erforderlich, ein Offset-Magnetfeld zu erzeugen, z.B. durch einen Permanentmagneten oder eine Spule. So lassen sich Änderungen des Magnetfeldes infolge einer auf das magnetostriktive Material einwirkenden Kraft mittels der Magnetfelderfassungseinheit messen.
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Nachfolgend sind vorteilhafte Ausgestaltungen der schwingfähigen Einheit beschrieben. In einer ersten Ausgestaltung ist die schwingfähige Einheit aus dem magnetostriktiven Material gefertigt. Eine zweite Ausführungsform sieht vor, dass die schwingfähige Einheit mit dem magnetostriktiven Material beschichtet ist. Als sehr interessante Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird es angesehen, wenn die schwingfähige Einheit zumindest in einem Teilbereich, in dem die maximalen mechanischen Spannungen bei der Anregung der Schwingungen auftreten, mit einer Beschichtung aus dem magnetostriktiven Material versehen ist oder in diesem zumindest einen Teilbereich aus dem magnetostriktiven Material gefertigt ist.
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Im Prinzip können in Verbindung mit der Erfindung die bekannten Magnetfelderfassungseinheiten zum Einsatz kommen. Bevorzugt aber handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor. Quantensensoren sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt geworden. Sie nutzen unterschiedliche Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Prozessgrößen aus. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung ist der Einsatz von Quantensensoren in zweierlei Hinsicht interessant: Quantensensoren ermöglichen die Miniaturisierung der eingesetzten Sensoren und steigern gleichzeitig deren Leistungsfähigkeit.
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Bevorzugt werden in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen vibronischen Sensor zwei Typen von Quantensensoren eingesetzt. So kann es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor handeln, der zumindest einen Kristallkörper mit zumindest einer Magnetfeld-empfindlichen Fehlstelle aufweist. Bei dem Kristallkörper kann es sich beispielsweise um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handeln. Es können selbstverständlich auch mehrere Fehlstellen in dem Kristallkörper angeordnet sein. Diese sind bevorzugt linear angeordnet. Eine Erhöhung der Anzahl der Fehlstellen führt zu einer erhöhten Intensität, so dass die Messauflösung verbessert bzw. Intensitätsänderungen auch bei vergleichsweise schwachen Magnetfeldern detektierbar sind.
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Alternativ kann in Verbindung mit der Erfindung als Magnetfelderfassungseinheit ein Quantensensor zum Einsatz kommen, der als Gaszelle ausgebildet ist. Entsprechend Sensoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.
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Aus der Patentliteratur sind bereits eine Vielzahl von Quantensensoren bekannt geworden, die in der Prozessautomatisierung eingesetzt werden können. So beschreibt die
DE3742878A1 einen optischen Magnetfeldsensor, indem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird.
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Aus der
DE 102017205099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionseinheit zur Detektion einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Die Lichtquelle ist auf einem ersten Substrat und die Detektionseinrichtung auf einem zweiten Substrat angeordnet, während die Hochfrequenzeinrichtung und der Kristallkörper auf beiden, miteinander verbundenen Subtraten angeordnet sein können. Als Messgrößen kommen externe Magnetfelder, elektrische Ströme, eine Temperatur, mechanischen Spannung oder ein Druck in Frage. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
DE102017205265A1 bekannt geworden.
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Die
DE 102014219550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Magnetfeldern, wobei das Sensorelement eine Diamantstruktur mit zumindest einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum aufweist.
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Die
DE 102018214617 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung, welche ebenfalls einen Kristallkörper mit einer Anzahl von Farbzentren, bei welcher zur Steigerung der Effektivität und zur Miniaturisierung verschiedene optische Filterelemente verwendet werden.
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In der
DE 102016210259 A1 wird eine weitere Ausgestaltung für eine Sensorvorrichtung sowie eine Kalibrations- und Auswertemethode basierend auf Fehlstellen in einem Kristall vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle, eine Mikrowellenantenne zur Beaufschlagung des Kristallkörpers mit Mikrowellen, eine Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Fluoreszenz von dem Kristallkörper, und eine Anlegeeinrichtung, mittels welcher ein Induktionsstrom an die Mikrowellenantenne anlegbar ist. So dient die Mikrowellenantenne zum einen zur Erzeugung der Mikrowellen und zur Erzeugung eines internen Magnetfelds. Das interne Magnetfeld ermöglicht eine Kalibrierung im fortlaufenden Betrieb.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen vibronischen Sensors,
- 2: eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit in Form einer Schwinggabel,
- 3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors mit einer Beschichtung aus magnetostriktivem Material,
- 4: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1 zeigt schematisch einen vibronischen Sensor 1 zur Bestimmung einer Prozessgröße eines in einem Behältnis 3 befindlichen Mediums 2. Bei der Prozessgröße, die von dem erfindungsgemäßen vibronischen Sensor 1 bestimmt wird, handelt es sich insbesondere um den Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums 2.
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In 2 sind die wesentliche Komponenten des vibronischen Sensors 1 gezeigt: eine schwingfähige Einheit 4, eine Anregungs-/Empfangseinheit 7 und eine Regel-/Auswerteeinheit 9. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 4 um eine sog. Schwinggabel mit zwei symmetrisch an einer Membran 5 angeordneten paddelförmigen Schwingstäben 6. Derartige Sensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei der schwingfähigen Einheit 4 auch um einen Einstab oder um einen Membranschwinger handeln.
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Die Anregungs-/Empfangseinheit 7 überträgt Anregungssignale auf die Membran 5 und versetzt die Membran 5 und die an der Membran 5 angeordneten Schwingstäben 6 in mechanische Schwingungen. Um die schwingfähige Einheit 4 in mechanische Schwingungen zu versetzen, wird mittels einer auf der vom Prozess abgewandten Oberfläche der Membran 5 stoffschlüssig angebrachten Antriebs-/Empfangseinheit 7 eine Kraft auf die Membran 5 übertragen. Die Antriebs-/Empfangseinheit 7 ist bevorzugt eine elektromechanische Wandlereinheit und umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Element oder auch einen elektromagnetischen Antrieb [nicht gezeigt]. Entweder sind die Antriebseinheit und die Empfangseinheit als zwei separate Einheiten ausgestaltet oder als kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit 7.
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Im Falle, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 7 ein piezoelektrisches Element umfasst, wird die der Membran 5 aufgeprägte Kraft über das Anlegen eines Anregesignals, beispielweise in Form einer elektrischen Wechselspannung, generiert. Eine Änderung der angelegten elektrischen Spannung bewirkt eine Änderung der geometrischen Form der Antriebs-/Empfangseinheit 7, also eine Kontraktion bzw. eine Relaxation innerhalb des piezoelektrischen Elements derart, dass das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal zu einer mechanischen Schwingung der stoffschlüssig mit der Antriebs-/Empfangseinheit 7 verbundenen Membran 5 führt. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 über die Membran 5 an die Antriebs-/Empfangseinheit 7 übertragen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt. Die Frequenz des Empfangssignals entspricht dabei der mechanischen Schwingungsfrequenz der schwingfähigen Einheit 4. Eine Regel-/Auswerteeinheit 9 erfasst die entsprechenden elektrische Antwortsignale und stellt anhand der Antwortsignale Messsignale in Bezug auf die Prozessgröße bereit.
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Die schwingfähige Einheit 4 besteht zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material 11. Möglich ist es im Zusammenhang mit der Erfindung, die Membran 6 und/oder die Schwingstäbe 6 - bzw. den Einstab - voll aus dem magnetostriktiven Material 11 zu fertigen. Alternativ kann auch eine Beschichtung aus magnetostriktiven Material 11 auf die Membran 5 und/ oder die Schwingstäbe 6 aufgebracht sein. U.U. ist die Beschichtung noch einmal mit einer inerten Schutzschicht versehen. Das magnetostriktive Material 11 kann in beiden Ausgestaltungen durchgehend oder aber in Teilbereichen der schwingfähigen Einheit 4 vorgesehen sein. Als interessante Ausführungsform wird es erachtet, wenn das magnetostriktive Material 11 in dem Bereich der Membran 5 oder der Schwingstäbe 6 angeordnet ist, in dem die maximalen mechanischen Spannungen infolge der jeweiligen von der Anregungs-/Empfangseinheit 7 angeregten Schwingungen zu erwarten sind. Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das magnetostriktive Material 11 in einem vom Medium 2 abgewandten Bereich der Membran 5 zu finden ist, beispielsweise auf der vom Medium 2 abgewandten Oberfläche der Membran 5, die sich im Innern des Gehäuses des vibronischen Sensors 1 befindet, in dem z.B. auch die Antriebs-/Empfangseinheit 7 zu finden ist.
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Erfindungsgemäß ist eine geeignete Magnetfelderfassungseinheit 10 vorgesehen, die das Magnetfeld misst, das infolge der auf die schwingfähige Einheit 4 einwirkenden mechanischen Kräfte in dem magnetostriktiven Material auftritt (Villari-Effekt). Die Regel-/Auswerteeinheit 9, die Teil der Elektronikeinheit 8 des vibronischen Sensors 1 ist, generiert anhand des gemessenen Magnetfeldes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit des Sensors 1 und/oder macht eine Plausibilitätsaussage über die von dem vibronischen Sensor 1 gelieferten Messwerte.
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3 zeigt schematisch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1. Hier ist die schwingfähige Einheit 1 mit einer Beschichtung aus magnetostriktivem Material versehen. Das Magnetfeld, das infolge der in dem magnetostriktiven Material 11 erzeugten mechanischen Spannungen generiert wird, wird von der Magnetfelderfassungseinheit 10 detektiert.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit 10 um einen Quantensensor. Unterschiedliche Ausgestaltungen von Quantensensoren wurden zuvor bereits ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Quantensensoren haben gegenüber herkömmlichen Magnetfelderfassungssensoren, wie z.B. Hallsensoren, den Vorteil, dass sie bezüglich ihrer Dimensionierung klein sind - sich also auch bevorzugt in den vibronischen Sensor 1 integrieren lassen - und dabei äußerst sensitiv messen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnetfelderfassungseinheit 10 als separate Komponente auszugestalten und außerhalb des vibronischen Sensors 1 derart zu platzieren, dass das Magnetfeld gemessen wird. Das magnetostriktiven Material 11 erzeugt unter Zuhilfenahme eines Magneten, z.B. eines Permanentmagneten, der ein Offset-Magnetfeld erzeugt, ein Magnetfeld, das von der Magnetfelderfassungseinheit 10 mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden kann. Das magnetostriktive Material 11 selbst erzeugt kein eigenes Magnetfeld, verändert aber unter dem Einfluss einer einwirkenden Kraft seine Permeabilität µ. Daher ist es erforderlich, ein Offset-Magnetfeld zu erzeugen, z.B. durch einen Permanentmagneten oder eine Spule, um die Änderung des Magnetfeldes infolge einer auf das magnetostriktive Material 11 einwirkenden Kraft zu messen. Obwohl der Einsatz eines Quantensensors zur Ermittlung des Magnetfelds in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung präferiert wird, versteht es sich von selbst, dass je nach Ausgestaltung und Anordnung des magnetostriktiven Materials 11 und des Permanentmagneten an der schwingfähigen Einheit 4 auch ein herkömmlicher Magnetfeldsensor zum Einsatz kommen kann.
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Bei der in 4 schematisch dargestellten Variante des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1 ist das magnetostriktive Material 11 in den Bereichen des schwingfähigen Einheit 4 angeordnet, in denen maximale bzw. höhere mechanische Spannungen auftreten als in anderen Bereichen der schwingfähigen Einheit 4. Bei der gezeigten Ausführungsform eines vibronischen Sensors 1 tritt die maximale Spannung an der äußeren Umrandung der Membran 5 und im Zentrum der Membran 5 auf. Mittels einer Spule oder eines Permanentmagneten (nicht dargestellt) wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der über z.B. eine Ankerkonstruktion durch die Magnetfelderfassungseinheit 10 geleitet wird. Das Magnetfeld wird gemessen. Durch eine entsprechende Anordnung des magnetostriktiven Materials 11 lässt sich die Stärke des auftretenden Magnetfeldes und damit die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors optimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibronischer Sensor
- 2
- Medium
- 3
- Behälter
- 4
- Schwingfähige Einheit
- 5
- Membran
- 6
- Schwingstab
- 7
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 8
- Elektronikeinheit
- 9
- Regel-/Auswerteeinheit
- 10
- Magnetfelderfassungseinheit
- 11
- Magnetostriktives Material
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005044725 A1 [0003]
- DE 102008050266 A1 [0008]
- EP 0985916 A1 [0009]
- EP 1281051 B1 [0009]
- DE 3742878 A1 [0020]
- DE 102017205099 A1 [0021]
- DE 102017205265 A1 [0021]
- DE 102014219550 A1 [0022]
- DE 102018214617 A1 [0023]
- DE 102016210259 A1 [0024]
