DE102022110405B3

DE102022110405B3 - Vibronischer Grenzstandsensor mit Schalldetektor

Info

Publication number: DE102022110405B3
Application number: DE102022110405.2A
Authority: DE
Inventors: Levin Dieterle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2042-04-29

Abstract

Es wird ein vibronischer Grenzstandsensor (100) zur Bestimmen eines Füllstands eines Mediums beschrieben, miteinem mechanischen Schwingsystem zur Detektion des Mediums;einem Antrieb (105) zur Anregung des mechanischen Schwingsystems;einem Schalldetektor (120) zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, der mit dem mechanischen Schwingsystem mittels Luftschall gekoppelt ist.

Description

Stand der Technik
Produktionsprozesse aus Vorgängen zur Verarbeitung von Rohstoffen, wie Mischen, Erhitzen usw. Chargenprozesse werden in der Regel mit industriellen Sensoren überwacht, die Prozessmerkmale wie Druck, Durchfluss oder Füllstand bestimmen. Vibrations-Grenzstandschalter werden zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen für insbesondere fließfähige Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrations-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit einem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfrequenz/Dämpfung oder Schwingungsamplitude der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mechanischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beeinflusst wird.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2015 112 055 A1 betrifft einen vibronischen Füllstandssensor mit Schalldetektion via Luftschall zur Laufzeitmessung, um eine Füllstandsensor-Innentemperatur zu messen. Dazu ist ein Schallwellenerzeuger vorgesehen, der in einer Kavität zumindest zeitweise eine Schallwelle ausbildet, die ein charakteristisches Schwingungsverhalten oder eine charakteristische Laufzeit aufweist. Eine Auswerteeinheit bestimmt anhand einer Änderung des charakteristischen Schwingungsverhaltens oder der charakteristischen Laufzeit der Schallwelle die Temperatur.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2019 116 152 A1 beschreibt einen vibronischen Füllstandsensor mit Schalldetektion zur Erfassung physikalischer Größen im Nahbereich des Füllstandsensors auf Basis einer Laufzeitmessung. Von einem ersten piezoelektrischen Element wird ein Sendesignal ausgesendet, welches von einem zweiten piezoelektrischen Element in Form eines zweiten Empfangssignals empfangen wird. Da die beiden piezoelektrischen Elemente zumindest im Bereich der Schwingelemente angeordnet sind, durchläuft ein Sendesignal ein Medium, sofern die Sensoreinheit mit dem Medium in Kontakt ist und wird entsprechend von den Eigenschaften des Mediums beeinflusst. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sendesignal um ein, insbesondere gepulstes, Ultraschallsignal, insbesondere um zumindest einen Ultraschallpuls.
Die Patentanmeldung AT 510 851 A4 betrifft eine Vibrationserfassungseinrichtung für Frequenzen im Hörbereich mit Hilfe eines Mikrofons und einem spaltförmigen geschlossenen Hohlraum, wodurch die Schwingungen einer schwingenden Membran akustisch über Luftschall erfasst werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch als Körperschallsensor oder als Vibrationsmesseinrichtung bezeichnet werden. Es handelt sich um einen Beschleunigungssensor zur Erfassung von Vibrationen bzw. Körperschall.
Offenbarung der Erfindung
Bestehende vibronische Grenzstandsensoren, welche auf dem Prinzip eines mechanischen Schwingsystems entsprechend einer Stimmgabel oder eines Schwingstabes beruhen, das mit einem Antrieb in Schwingung versetzt wird, können durch externe Vibrationen ebenfalls angeregt werden und können hierdurch Fehlmessungen produzieren. Zusätzlich wird typischerweise in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen des vibronischen Grenzstandsensors eine redundante bzw. eine alternative Auswertung und/oder Sensorik gefordert.
Gemäß Aspekten der Erfindung wird ein vibronischer Grenzstandsensor und eine Verwendung eines vibronischen Grenzstandsensors gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung sind einige Merkmale mit Zählwörtern versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern oder die Zuordnung eindeutiger zu machen, dies impliziert aber nicht ein Vorhandensein bestimmter Merkmale.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein vibronischer Grenzstandsensor zum Bestimmen eines Füllstands eines Mediums vorgeschlagen, mit

- einem mechanischen Schwingsystem zur Detektion des Mediums; und
- einem Antrieb zur Anregung des mechanischen Schwingsystems; und
- einem Schalldetektor zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, der mit dem mechanischen Schwingsystem mittels Luftschall gekoppelt ist.

Der vibronische Grenzstandsensor, bzw. Vibrations-Grenzstandsensor kann ein Medium durch eine Verstimmung eines mechanischen Schwingsystems detektieren, und weist typischerweise getrennte Piezosysteme zum Anregen und zum Auswerten des Schwingsystems auf, bzw. ist bei Verwendung eines einzigen Piezosystems entsprechend in, insbesondere unterschiedlich polarisierte, piezoelektrische Sektoren aufgeteilt, um ein getrenntes Anregen- und Auswerten des Schwingsystems zu ermöglichen.
Solche, insbesondere piezoelektrische, Systeme können mittels einer Klebeverbindung mit dem mechanischen Schwingsystem, das ein Schwingelement für eine Wechselwirkung mit einem Medium aufweisen kann, mechanisch gekoppelt sein. Bei der Wechselwirkung mit dem Medium kann das Schwingsystem, entsprechend einer Stimmgabel, durch Wechselwirkung mit dem Medium, verstimmt werden, um das Medium zu detektieren. Alternativ können für das Anregen und das Auswerten des Schwingsystems elektromagnetische Systeme verwendet werden. Für eine effektive Anregung des Schwingsystems ist vorteilhaft, ein Piezosystem zu verwenden, welches eine möglichst große Antriebsfläche bzw. eine geringe Sektorierung aufweist.
Dabei kann der Antrieb mechanisch an das mechanische Schwingsystem gekoppelt sein. Das mechanische Schwingsystem kann Schwingelemente aufweisen, und der vibronische Grenzstandsensor kann so eingerichtet sein, dass die Schwingelemente mit dem Medium wechselwirken können, um die Frequenz und/oder Amplitude und/oder Dämpfung des mechanischen Schwingsystems durch Wechselwirkung mit dem Medium zu verändern.
Die Membran des mechanischen Schwingsystems kann direkt angrenzend an den Antrieb des mechanischen Schwingsystems mechanisch gekoppelt sein.
Ein solcher vibronischer Grenzstandsensor kann beispielsweise zur Feststellung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter dienen.
Dazu kann der vibronischer Grenzstandsensor, entsprechend einem Füllstandsensor, ein mechanisches Schwingsystem und ein System zur Anregung des mechanischen Schwingsystems, bzw. einen Antrieb, und ein System zur Detektion von Schwingungen des Schwingsystems, z.B. einen Beschleunigungssensor, aufweisen. Der vibronische Grenzstandsensor kann so, z.B. an einem Behälter, angebracht sein, dass das mechanische Schwingsystem mit dem Füllgut in Berührung kommt, wenn dieses einen vorbestimmten Füllstand erreicht. Durch ein System zur Anregung des mechanischen Schwingsystems zum Beispiel mittels einer entsprechend eingerichteten Auswerteeinheit und dem Antrieb kann, insbesondere mittels einer Niederfrequenz-Erregungsschaltung, das mechanische Schwingsystem zu niederfrequenten Schwingung erregt werden, wobei die detektierten Schwingungen mittels der entsprechend eingerichteten Auswerteeinheit in Bezug auf eine Frequenzänderung und/oder Amplitudenänderung eine Wechselwirkung des Schwingsystems mit dem Füllgut detektiert werden.
Zur Anregung des mechanischen Schwingsystems kann ein piezoelektrischer Antrieb mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran mechanisch gekoppelt sein, und der piezoelektrische Antrieb kann mittels einer Elektronik-Schaltung angesteuert werden, um das mechanische Schwingsystem in Schwingung zu versetzen.
Beispielsweise, abhängig von einem Bedeckungsstand des mechanischen Schwingsystems mit einem Medium, wie beispielsweise einem Füllgut, sowie abhängig von einer Viskosität dieses Mediums, kann eine Veränderung einer Schwingung des mechanischen Schwingsystems in Bezug auf eine charakteristische Frequenz und/oder eine Größe einer Amplitude und/oder einer Dämpfung, von dem Schalldetektor detektiert werden. Messsignale, die von dem Schalldetektor, basierend auf den Schwingungen des Schwingsystems, mit denen er mittels des Luftschalls gekoppelt ist, generiert werden, können mittels einer signalmäßig gekoppelten Auswerteeinheit eine Stärke einer solchen Wechselwirkung detektieren.
Ein Antrieb zur Anregung des mechanischen Schwingsystems kann sowohl auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip als auch einem elektromechanischen Wirkprinzip basieren.
Der Schalldetektor zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems kann mittels Luftschalls, insbesondere akustisch, mit der Membran gekoppelt sein, so dass Schwingungen der Membran auf den Schalldetektor übertragen werden, um Schwingungen der Membran zu detektieren. Dabei kann der Schalldetektor entsprechend einem Mikro-Elektromechanischen System (MEMS) aufgebaut sein, und insbesondere die akustischen Schwingungen basierend auf Kapazitätsveränderungen zwischen Elektroden, die in einem Feder-Masse-System angeordnet sind, detektieren. Vorteilhafterweise kann durch Verwendung eines solchen Schalldetektors die Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems wirtschaftlich günstig realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Schalldetektor ein akustisches Mikrofon sein.
Dabei umfasst der Begriff Luftschall Schallwellen, insbesondere Longitudinalwellen, die sich in einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft und/oder in anderen Gasen, ausbreiten können.
Das mechanische Schwingsystem kann eine Membran aufweisen, die, insbesondere mechanisch schwingfähig, mit dem vibronischen Grenzstandsensor und/oder einem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensor gekoppelt ist. Insbesondere kann das mechanische Schwingsystem ein Schwingelement, bzw. einen Schwingkörper, aufweisen der mechanisch mit der Membran so gekoppelt ist, dass Schwingungen der Membran auf das Schwingelement übertragen werden.
Vorteilhafterweise kann der vibronische Grenzstandsensor einen Antrieb, wie insbesondere ein Piezoelement, aufweisen, wobei der Antrieb für das in Schwingung setzen der Membran die gesamte Fläche der Membran nutzen kann, da der Schalldetektor eingerichtet ist, die Schwingungen der Membran zu detektieren.
Wenn der Antrieb nicht sektoriert ist, da für die Detektion des mechanischen Schwingsystems bzw. der Membran der Schalldetektor vorgesehen ist, kann, insbesondere mittels eines auf die Membran aufgeklebten Piezoelement-Antriebs, mittels eines einzelnen großen Piezoelements, das die gesamte Membranfläche belegt, ein größerer Sektor für die Polarisierung bzw. für die Schwingung-Anregung der Membran verwendet werden, um eine stärkere Amplitude des mechanischen Schwingsystems bei gleichbleibender Anrege-Spannung zu erzielen. Zudem lässt sich ein solches Piezoelement durch Wegfall einer aufwendigen Sektorierung für die Polarisierung auch kostengünstiger produzieren.
Weiterhin vorteilhaft kann durch eine räumliche Trennung, infolge der Luftschall-Kopplung, des Schalldetektors von der Membran und/oder dem mechanischen Schwingungssystem der Temperaturbereich, in dem der vibronische Grenzstandsensor eingesetzt werden kann, erhöht werden. Denn da der Schalldetektor vom Antrieb und auch von der prozessberührenden Membran abgesetzt angeordnet werden kann, kann eine direkte Temperaturkopplung vermieden werden.
Der Schalldetektor, der mit der Membran oder dem mechanischen Schwingsystem und/oder dem Antrieb luftschallgekoppelt ist, kann, direkt und/oder zumindest indirekt an einen unteren Luftraum eines Gehäuses des vibronischen Grenzsteinsensors, in dem zumindest Teile das mechanische Schwingsystem angeordnet sind, gekoppelt sein.
Vorteilhafterweise kann eine Detektion und eine entsprechende Auswertung des mechanischen Schwingungs- bzw. Vibrationsverhaltens des mechanischen Schwingsystems des vibronischen Grenzstandsensors mittels mindestens einem Schalldetektor, wie beispielsweise einem ersten akustischen Mikrofon erfolgen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das mechanische Schwingsystem eine Membran aufweist, die schwingfähig ist, wobei der Antrieb mit der Membran mechanisch gekoppelt ist, um das mechanische Schwingsystem zu Schwingungen anzuregen.
Der Schalldetektor kann mit der Membran und/oder dem Antrieb, insbesondere akustisch, mittels Luftschall gekoppelt sein, um die Schwingungen, insbesondere der Membran, zu detektieren.
Dabei kann die Membran selbst einer Elastizität aufweisen und/oder elastisch aufgehängt sein, um mittels des Antriebs zu Schwingungen, insgesamt oder in Teilflächen der Membran, angeregt werden zu können. Der Antrieb kann durch Verklebung oder durch Verschraubung mechanisch mit der Membran gekoppelt sein, um die Membran zu Schwingungen anzuregen. Die Membran kann direkt mit dem Medium wechselwirken, so dass die Detektion eines Mediums möglich wird.
Alternativ oder zusätzlich kann die Membran mit einem ausgedehnten Schwingelement, wie beispielsweise einer Schwinggabel mit Zinken, so mechanisch gekoppelt sein, dass eine Schwingung der Membran das Schwingelement in Schwingung versetzt. Das Schwingelement des vibronischen Grenzstandsensors kann so eingerichtet und angeordnet sein, dass es mit dem Medium, beispielsweise in einem Behälter und/oder einem Rohr, wechselwirken kann, sodass eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder ein Abklingverhalten bzw. eine Dämpfung des durch den Antrieb angeregten mechanischen Schwingsystems durch die Wechselwirkung mit dem Medium verändert wird.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das mechanische Schwingsystem zumindest ein Schwingelement aufweist; und der vibronischer Grenzstandsensor so eingerichtet ist, dass das Schwingelement mit dem Medium wechselwirken kann, und durch Änderung einer Frequenz und/oder einer Amplitude und/oder einer Dämpfung der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, den Füllstand zu bestimmen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Schalldetektor, mittels eines akustischen Elements, verstärkt oder vermindert an den Luftschall des mechanischen Schwingsystems, zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, angekoppelt ist.
Ein solches akustisches Element kann beispielsweise ein Schalltrichter sein, der eine Querschnittsöffnung mit einem linearen und/oder exponentiellen Verlauf aufweist und/oder ein akustischer Resonator sein und/oder ein akustisches Element zur Anpassung der akustischen Impedanz des Luftschalls mit dem Schalldetektor sein und/oder eine akustische Druckkammer sein. Alternativ oder zusätzlich kann das akustische Element schallabsorbierende Eigenschaften aufweisen.
Vorteilhafterweise kann ein solches akustisches Element die Empfindlichkeit des Schalldetektors an die Intensität bzw. Stärke oder Amplitude des Luftschalls anpassen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Antrieb auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip und/oder einem elektromechanischen Wirkprinzip basiert, um das mechanische Schwingsystem in mechanische Schwingung zu versetzen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vibronische Grenzstandsensor zusätzlich einen Detektor zur Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems aufweist, der mechanisch mit dem mechanischen Schwingsystem gekoppelt ist.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der zusätzliche Detektor einen piezoelektrischen Detektor und/oder elektromechanischen Detektor zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems aufweist.
Der vibronische Grenzstandsensor weist typischerweise ein mechanisches Schwingsystem, mit insbesondere eine Schwinggabel oder einen Schwingstab als Schwingelement, auf, das eine hohen mechanischen Güte hat. Dadurch können externe Schwingungs-Anregungen eine zeitlich leicht verzögerte mechanische Antwort in Form von Störungen des mechanischen Schwingsystems bedingen.
Ein schwingfähiges System mit der mechanischen Güte Q benötigt eine SchwingungsAnregung von ca. N = Q Perioden um seine maximale Amplitude bei der anregenden Frequenz zu erreichen. Diese zeitliche Verzögerung und/oder der zeitliche Verlauf der Amplitude und/oder bspw. auch der Phasenversatz zum Anrege-Signal des mechanischen Schwingsystems lässt sich messtechnisch erfassen und auswerten.
Zur Verbesserung des Bestimmens des Füllstands mittels des vibronischen Grenzstandsensors kann der vibronische Grenzstandsensor zusätzlich zum Schalldetektor einen weiteren Detektor zur Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems aufweisen. Der Detektor kann dazu direkt mechanisch mit dem Schwingsystem gekoppelt sein. Von dem Schalldetektor generierte Signale können, insbesondere durch Auswertung akustischer Signale, dazu verwendet werden, den Schwingungszustand des Antriebes und/oder des mechanischen Schwingsystems über ein unabhängiges zweites Messverfahren neben der Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems mit dem Detektor zu überwachen und somit die Messsicherheit zu erhöhen.
Ein solcher Detektor kann beispielsweise ein piezoelektrischer Detektor und/oder ein elektromechanischer Detektor sein. Der piezoelektrische Detektor kann ein Teilsektor eines entsprechend sektorierten Piezosystems sein, der eingerichtet und konfiguriert ist, Schwingungen des mechanischen Schwingsystems zu bestimmen und/oder auszuwerten. Wobei der andere Teilsektor des Piezosystems ein Antrieb zur Anregung des mechanischen Schwingsystem sein kann.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der zusätzliche Detektor mittels einer Schicht direkt angrenzend an den Antrieb angeordnet ist. Insbesondere kann der Antrieb ein piezoelektrisches Wirkprinzip aufweisen. Die Schicht kann eine Klebeschicht sein.
Vorteilhafterweise kann durch die Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems mit zwei Messsystemen, die auf einem unterschiedlichen Wirkmechanismus basieren, eine Messsicherheit erhöht werden und/oder Fremdvibrationen erkannt werden und/oder Störmoden detektiert werden, um insbesondere die Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems zu verbessern. Dadurch kann die Bestimmung des Füllstands verbessert werden. Dazu können die Messwerte der zumindest zwei Messsysteme mittels unabhängiger Auswertemethoden verglichen werden, um jeweilige Mess-Störungen zu eliminieren. Dies kann insgesamt zu einer deutlich erhöhten Messsicherheit führen. Beispielsweise kann durch einen Detektor, der direkt mit dem Antrieb gekoppelt ist, eine Bewegung des Antriebs, wie beispielsweise eines Piezosystems, direkt bestimmt werden. Mit dem Schalldetektor, der über den Luftschall mit dem Schwingsystem gekoppelt ist, kann durch eine zweite, unabhängige Mess- bzw. Auswertemethode die Messsicherheit erhöht werden und/oder Fremdvibrationen erkannt werden. Fremdvibrationen können Schwingungen des mechanischen Schwingsystems sein, die ein Messsignal, mit dem beispielsweise ein Füllstand bestimmt werden soll, verfälschen können.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Detektor zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip und/oder einem elektromechanischen Wirkprinzip basiert. Vorteilhafterweise kann der vibronische Grenzstandsensor sowohl einen Antrieb auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip und/oder einem elektromechanischen Wirkprinzip aufweisen und somit unterschiedlichen Betriebsbedingungen und/oder Betriebsanforderungen angepasst werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vibronische Grenzstandsensor, zusätzlich ein Mikrofon und/oder einen Beschleunigungssensor aufweist, das/der/die zumindest mit einem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensors mechanisch und/oder akustisch gekoppelt sind, und innerhalb des Gehäuses des vibronischen Grenzstandsensors so angeordnet und/oder eingerichtet ist/sind, dass die Ankopplung des Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors an das mechanische Schwingsystem mittels Luftschall geringer ist, als die Luftschall-Ankopplung des Schalldetektors an das mechanische Schwingsystem.
Vorteilhafterweise kann mit dem zusätzlichen, insbesondere zweiten, Mikrofon und/oder dem Beschleunigungssensor ein Vergleich der Signale durchgeführt werden, die von dem Schalldetektor, dem Detektor und dem zusätzlichen, insbesondere zweiten, Mikrofon und/oder dem Beschleunigungssensor generiert werden. Dadurch, dass das zusätzliche Mikrofon und/oder der Beschleunigungssensor so angeordnet und/oder eingerichtet ist/sind das die Ankopplung des zusätzlichen Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors mittels Luftschall geringer ist als die Ankopplung des Schalldetektors an das mechanische Schwingsystem, kann eine Quelle von Störungen für das mechanische Schwingsystem analysiert werden. Die geringere Ankopplung des zusätzlichen Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das zusätzliche Mikrofon und/oder der Beschleunigungssensor möglichst weit an einem entgegengesetzten Ende innerhalb des Gehäuses des vibronischen Grenzstandsensor angeordnet werden. Insbesondere externen Vibrationen, die auf das mechanische Schwingsystem einwirken, können so detektiert werden. Änderungen im Schwingungsverhalten, Fremdvibrationen und aufkommende Störmoden können somit frühzeitig erkannt werden. Mittels des Beschleunigungssensors kann auch störender Körperschall von Luftschall unterschieden werden.
Dieses zusätzliche, insbesondere zweite, Mikrofon kann vorteilhafter Weise verwendet werden, um fremde Störgeräusche und/oder extern angeregte Störgeräusche und/oder Vibrationen zu bestimmen, um die so bestimmten Störgeräusche aus dem Signal des Detektors zu reduzieren oder auszublenden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vibronische Grenzstandsensor eine Auswerteeinheit aufweist, die mit dem Schalldetektor und/oder dem Detektor signalmäßig gekoppelt ist, und wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, mittels Signalen des Schalldetektors und/oder Signalen des Detektors, den Füllstand des Mediums zu bestimmen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vibronische Grenzstandsensor eine von dem Antrieb abgesetzte Auswerteeinheit aufweist, die mit dem Schalldetektor und/oder Detektor und/oder Mikrofon und/oder Beschleunigungssensor elektrisch und/oder signalmäßig gekoppelt ist, und eingerichtet ist, durch Bestimmung einer Veränderung einer Frequenz der Schwingung und/oder einer Amplitude und/oder einer Dämpfung der Schwingung des Schwingsystems das Medium zu detektieren. Dazu kann die Auswerte Einheit eingerichtet sein die Signale des Schalldetektors und/oder des Detektors und/oder des Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors auszuwerten.
Die Auswerteeinheit kann dabei eingerichtet sein, sowohl das Signal vom Schalldetektor als auch von dem Detektor auszuwerten und damit ein Signal zu generieren, dass abhängig von der Wechselwirkung des Schwingsystems mit dem Medium ist, um das Medium zu detektieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, insbesondere entsprechende einer Steuerung und/oder Regelung, abhängig von dem Signal des Detektors und/oder Schalldetektor, ein Anregungssignal für den Antrieb der Schwingsystems bereitzustellen. Dieses Anregungssignal kann über das Flexkabel elektrisch mit dem Antrieb gekoppelt sein. Die Auswertung und Regelung und/oder Steuerung der Anregung des Antriebs kann durch Auswerten, der mit dem Detektor und/oder Schalldetektor bestimmten Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, erfolgen.
Beispielsweise kann eine Regelung der Anrege-Frequenz auf einem Phasenversatz, zwischen einem Anregesignal für den Antrieb und einer mechanischen Antwort, die aus dem Signal des Schalldetektors und/oder des Detektors resultiert, basieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Auswertung des Signals des Schalldetektors und/oder des Detektors mittels einer Fouriertransformation (FFT: fast fourier transformation) eines gemessenen Zeitsignales des Schalldetektors und/oder des Detektors in einem Frequenzbereich erfolgen.
Vorteilhafterweise kann der vibronische Grenzstandsensor mittels der, gegenüber dem Schwingsystem, abgesetzten Auswerteeinheit robuster, insbesondere gegenüber thermischen Veränderungen, ausgestaltet werden.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, mittels der Signale des Schalldetektors und/oder des Detektors, durch Bestimmung einer Veränderung einer Frequenz der Schwingung des Schwingsystems und/oder einer Veränderung einer Amplitude der Schwingung des Schwingsystem und/oder einer Veränderung einer Dämpfung der Schwingung des Schwingsystems, das Medium zu detektieren.
Insbesondere kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, die Veränderungen von der Frequenz und/oder der Amplitude und/oder der Dämpfung der Schwingung des Schwingsystems für den Schalldetektor und/oder den Detektor und/oder das zusätzliche Mikrofon und/oder den Beschleunigungssensor unabhängig voneinander auszuwerten, um aus einem Vergleich der daraus resultierenden Signale, Störsignale, die auf das mechanische Schwingsystem wirken, zu detektieren, um den Füllstand mittels des vibronischen Grenzstandsensor zuverlässig und/oder sicher zu bestimmen. Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit mittels eines flachen Flexkabels elektrisch und/oder signalmäßig zumindest mit dem Detektor gekoppelt ist, und insbesondere die Auswerteeinheit beabstandet von dem Detektor und/oder der Membran in dem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensors angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann der Schalldetektor beabstandet von der Membran in dem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensor angeordnet sein.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um, basierend auf einer redundanten Bestimmung der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, mittels zumindest einem der Signale, die Zuverlässigkeit der Detektion des Füllstands zu verbessern.
Vorteilhafterweise wird durch die redundante Bestimmung und/oder einer alternativen Auswertung der Schwingung des mechanischen Schwingsystems eine Messsicherheit entsprechend einer Sicherheitsanforderungenstufe (SIL; engl.: Safety Integrity Level erhöht. Dies gilt insbesondere dann wenn eine Amplitude des Störsignals in der Größenordnung der Amplitude der Anregefrequenz des mechanischen Schwingsystems ist.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um extern angeregte Schwingungen des Schwingsystems zu bestimmen und/oder um die Zuverlässigkeit der Detektion des Füllstands zu verbessern.
Dabei können extern angeregte Schwingungen Schwingungsanteile der Schwingung des mechanischen Schwingsystems sein, die durch externe Quellen, die mit dem mechanische Schwingsystem gekoppelt sind, bedingt sind. Diese extern angeregten Schwingungen des Schwingsystems können bspw. aufgrund einer Schwingung und/oder einer Vibration eines Behälters angeregt werden, an den der vibronische Grenzstandsensor mechanisch gekoppelt ist, um den Füllstand des Mediums in dem Behälter zu bestimmen.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um Störmoden des Schwingsystems zu identifizieren und/oder die Zuverlässigkeit der Detektion des Füllstands zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit mit dem Mikrofon und/oder dem Beschleunigungssensor und/oder dem Detektor signalmäßig gekoppelt ist, und die Auswerteeinheit eingerichtet ist, basierend auf den Signalen des Detektors und/oder des Schalldetektors und/oder des Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors, die extern angeregten Schwingungen des Schwingsystem zu bestimmen und/oder um die Zuverlässigkeit der Detektion des Füllstands zu verbessern.
Dabei kann insbesondere eine extern angeregte Schwingung und/oder eine Störmode des Schwingsystems bestimmt werden, indem eine Differenz des Signals des Schalldetektors und des Signals des Detektors gebildet wird, um die Signale zu vergleichen. Insbesondere können für den Vergleich die Signale des Schalldetektors und des Detektors vor dem Bilden der Differenz gewichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die extern angeregte Schwingung basierend auf einer Fouriertransformierten der jeweiligen Signale bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Vergleich mittels einer jeweils bestimmten Phase und/oder einer Amplitude der jeweiligen Signale erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann, mittels des Beschleunigungssensors, eine Schwingungsrichtung der Störmode und/oder der externen anregenden Schwingung für den Vergleich der jeweiligen Signale bestimmt werden.
Es wird eine Verwendung eines der oben beschriebenen vibronischen Grenzstandsensoren zur Detektion eines Füllstands eines Mediums und/oder zur Prozesskontrolle vorgeschlagen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die 1 dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Skizze eines Querschnitts eines vibronischen Grenzstandsensors mit einem Schalldetektor.

Die 1 skizziert schematisch einen Querschnitt eines vibronischen Grenzstandsensors 100, mit einem mechanischen Schwingsystem, das eine Membran 102 und eine Schwinggabel 101 als Schwingelement aufweist, zur Detektion eines Mediums und/oder zum Bestimmen eines Füllstands eines Mediums. Die Schwinggabel 101, insbesondere mit Zinken in Paddelgeometrie, kann mit der Membran 102 mechanisch gekoppelt sein, wobei die Membran 102 wiederum mit einem Antrieb 105 des mechanischen Schwingsystems gekoppelt ist. Dabei kann das Schwingelement, und insbesondere die Zinken der Schwinggabel, mit einem Medium wechselwirken, um Änderungen in einer Frequenz und/oder einer Amplitude und/oder einer Dämpfung der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems zu bewirken. Der Antrieb 105 des vibronischen Grenzstandsensors kann mittels einer Klebeschicht 106 mit der Membran 102 mechanisch gekoppelt sein.
Weiterhin weist der vibronische Grenzstandsensor 100 einen Schalldetektor 120 zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems auf. Dabei ist der Schalldetektor 120 mit dem mechanischen Schwingsystem zumindest mittels Luftschall 125 gekoppelt. Mittels des Schalldetektors 120, wie beispielsweise eines Mikrofons zur Schalldetektion, können Schwingungen des mechanischen Schwingsystems akustisch überwacht werden. Dieser Schalldetektor 120 kann direkt angrenzend an eine Ansteuerungs- und Auswerteelektronik 110 angeordnet sein, um akustische Signale 125 des Antriebs 105 zu detektieren. Das Signal des Schalldetektors 120 kann zusätzlich verwendet werden, um ein Anregungssignal für den Antrieb 105 zu regeln, um insbesondere das Schwingsystem unabhängig von der Wechselwirkung mit einem Medium immer auf einer Anregungsfrequenz, insbesondere seiner jeweiligen Resonanzfrequenz, anzuregen.
Die Auswerteeinheit 110 ist dabei eingerichtet, sowohl ein Anregungssignal für den Antrieb 105, insbesondere geregelt mit einem, insbesondere digitalen, Signal des Schalldetektors 120, bereitzustellen, als auch ein Auswertesignal, das von der Auswerteeinheit 110 mittels der Signale von dem Schalldetektor 120, insbesondere mittels eines Mikroprozessors, generiert wird, bereitzustellen. Dabei repräsentiert das Auswertesignal eine Information über eine Detektion eines Mediums mit dem Schwi ngsystem.
Zur Optimierung der Amplitude eines elektrischen Signals des Schalldetektors 120, kann ein entsprechend ausgestaltetes akustisches Element 130 innerhalb eines Gehäuses des vibronischen Grenzstandsensors 100 angeordnet sein. Das akustische Element 130 kann bspw. eine Form eines Schalltrichters aufweisen und/oder auch in ausgewählten Bereichen innerhalb des Gehäuses schallabsorbierende Eigenschaften aufweisen.
Der Antrieb 105 des vibronischen Grenzstandsensors 100 kann ein Piezoelement zur Anregung des mechanischen Schwingsystems aufweisen. Das Piezoelement als Antrieb 105 kann mittels eines Klebstoffs 106 mechanisch mit der Membran 102 verbunden sein und über ein Kabel 107 mit der Ansteuerungs- und Auswerteelektronik 110 signalmäßig verbunden sein.
Optional kann der vibronische Grenzstandsensor 100 ein zusätzliches Mikrofon 140 und/oder einen Beschleunigungssensor 140 aufweisen, welches/welcher insbesondere auf der dem Antrieb 105 abgewandten Seite der Ansteuerungs- und Auswerteelektronik 110 angeordnet ist.
Um das Medium zu detektieren, können die Schwingungen des mechanischen Schwingsystems mit dem Schalldetektor 120 detektiert werden und Signale des Schalldetektors 120 können signalmässig mit der Auswerteeinheit 110 gekoppelt sein, wobei die Auswerteeinheit 110 einen Mikroprozessor zur Auswertung der Signale vom Schalldetektor 120 aufweisen kann.
Die Auswerteeinheit 110 ist somit abgesetzt von dem mechanischen Schwingungssystem und insbesondere der Membran 102 angeordnet.
Eine elektrische Kopplung zwischen dem Flexkabel 107 und dem Antrieb 105 kann mittels einer Lotverbindung und/oder einer elektrisch leitfähigen Klebeverbindung erfolgen. Das Flexkabel 107 kann sowohl den Antrieb 105 als auch den mechanisch gekoppelten Detektor mit der Auswerteeinheit 110 signalmäßig koppeln. Der Detektor kann hierbei direkt angrenzend an das Antriebs-Piezoelement 105 angeordnet sein, auf das er aufgeklebt ist oder aber auf einen Anschlussbereich des Flexkabels 107 aufgelötet sein.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des vibronischen Grenzstandsensors sind geklebte Antriebe 105 mit einem Piezoelement skizziert. Der vibronische Grenzstandsensor 100 kann alternativ oder zusätzlich geschraubte piezoelektrische Antriebe oder auch induktive Antriebe aufweisen, deren Schwingungszustand mittels Signalen der Schalldetektors 120 erfasst werden und der Auswerteeinheit 110 bereitgestellt werden, um einen Füllstand des Mediums zu bestimmen.

Claims

Vibronischer Grenzstandsensor (100) zur Bestimmen eines Füllstands eines Mediums, mit einem mechanischen Schwingsystem zur Detektion des Mediums; einem Antrieb (105) zur Anregung des mechanischen Schwingsystems; einem Schalldetektor (120) zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, der mit dem mechanischen Schwingsystem mittels Luftschall gekoppelt ist.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei das mechanische Schwingsystem eine Membran (102) aufweist, die schwingfähig ist; und wobei der Antrieb (105) mit der Membran (102) mechanisch gekoppelt ist, um das mechanische Schwingsystem zu Schwingungen anzuregen.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Schalldetektor (120), mittels eines akustischen Elements (130), verstärkt oder vermindert an den Luftschall des mechanischen Schwingsystems, zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, angekoppelt ist.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb (105) auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip und/oder einem elektromechanischen Wirkprinzip basiert, um das mechanische Schwingsystem in mechanische Schwingung zu versetzen.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich einen Detektor zur Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems aufweist, der mechanisch mit dem mechanischen Schwingsystem gekoppelt ist.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß Anspruch 5, wobei der Detektor zur Detektion der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems auf einem piezoelektrischen Wirkprinzip und/oder einem elektromechanischen Wirkprinzip basiert.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich ein Mikrofon und/oder einen Beschleunigungssensor (140) aufweist, das/der/die zumindest mit einem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensors (100) mechanisch und/oder akustisch gekoppelt ist/sind, und innerhalb des Gehäuses des vibronischen Grenzstandsensors so angeordnet und/oder eingerichtet ist/sind, dass die Ankopplung des Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors (140) an das mechanische Schwingsystem mittels Luftschall geringer ist als die Ankopplung des Schalldetektors (120) an das mechanische Schwingsystem mittels Luftschall.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit (110), die mit dem Schalldetektor (120) und/oder dem Detektor signalmäßig gekoppelt ist; und wobei die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, mittels Signalen des Schalldetektors (120) und/oder Signalen des Detektors, den Füllstand des Mediums zu bestimmen.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, mittels der Signale des Schalldetektors (120) und/oder des Detektors, durch Bestimmung einer Veränderung einer Frequenz der Schwingung des Schwingsystems und/oder einer Veränderung einer Amplitude der Schwingung des Schwingsystem und/oder einer Veränderung einer Dämpfung der Schwingung des Schwingsystems, das Medium zu detektieren.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Auswerteeinheit (110) mittels eines flachen Flexkabels (107) elektrisch und/oder signalmäßig zumindest mit dem Detektor gekoppelt ist, und insbesondere die Auswerteeinheit (110) beabstandet von dem Detektor in dem Gehäuse des vibronischen Grenzstandsensors (100) angeordnet ist.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors (120) mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um, basierend auf einer redundanten Bestimmung der Schwingungen des mechanischen Schwingsystems, mittels zumindest einem der Signale, die Zuverlässigkeit der Detektion des Füllstands zu verbessern.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors (120) mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um extern angeregte Schwingungen des Schwingsystems zu bestimmen und/oder um die Zuverlässigkeit der Bestimmung des Füllstands zu verbessern.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, das Signal des Schalldetektors (120) mit dem Signal des Detektors zu vergleichen, um Störmoden des Schwingsystems zu identifizieren und/oder die Zuverlässigkeit der Bestimmung des Füllstands zu verbessern.
Vibronischer Grenzstandsensor (100) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Auswerteeinheit (110) mit dem Mikrofon und/oder dem Beschleunigungssensor (140) signalmäßig gekoppelt ist, und die Auswerteeinheit (110) eingerichtet ist, basierend auf den Signalen des Detektors und/oder des Schalldetektors (120) und/oder des Mikrofons und/oder des Beschleunigungssensors, (140) die extern angeregte Schwingungen des Schwingsystem zu bestimmen und/oder um die Zuverlässigkeit der Bestimmung des Füllstands zu verbessern.
Verwendung des vibronischen Grenzstandsensors (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung eines Füllstands eines Mediums und/oder zur Prozesskontrolle.