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Die Erfindung betrifft einen modularen vibronischen Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Messzelle umfassend einen erfindungsgemäßen Sensor, ein tragbares Messgerät zur Analyse eines Mediums mit einer erfindungsgemäßen Messzelle und ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sensors. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behältnis, beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung, oder in der Messzelle.
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Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
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Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten
DE102006034105A1 ,
DE102007013557A1 ,
DE102005015547A1 ,
DE102009026685A1 ,
DE102009028022A1 ,
DE102010030982A1 oder
DE102010030982A1 beschrieben.
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Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen vorgegebenen Füllstand, oder auch um die Dichte oder die Viskosität des Mediums, sowie um den Durchfluss handeln. Bei einem vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also anhand einer Frequenzverschiebung, unterschieden.
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Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vollständig vom Medium bedeckt ist. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt geworden, wie beispielswiese die in den Dokumenten
DE10050299A1 ,
DE102007043811A1 ,
DE10057974A1 ,
DE102006033819A1 ,
DE102015102834A1 oder
DE102016112743A1 offenbarten.
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Mit einem vibronischen Sensor lassen sich entsprechend mehrere Prozessgrößen bestimmen und für eine Charakterisierung des jeweiligen Prozesses heranziehen. In vielen Fällen werden für eine umfassende Prozessüberwachung und/oder -kontrolle allerdings weitere Informationen über den Prozess, insbesondere Kenntnis über weitere physikalische und/oder chemische Prozessgrößen und/oder -parameter benötigt. Dies kann beispielsweise durch die Integration weiterer Feldgeräte in den jeweiligen Prozess erreicht werden. Dann können die von den verschiedenen Messgeräten zur Verfügung gestellten Messwerte in einer den Geräten übergeordneten Einheit geeignet weiterverarbeitet werden.
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Zudem sind verschiedene vibronische Multisensoren bekannte geworden, mit welchen sich weitere Prozessgrößen ermitteln lassen. Beispielsweise sind solche Sensoren offenbart worden, bei welchem neben dem vibronischen Messprinzip das Ultraschall-Messprinzip zum Einsatz kommt, wie beispielsweise die Sensoren aus
DE102018127526A1 ,
DE102019116150A1 ,
DE102019116151A1 ,
DE102019116152 ,
DE102019110821A1 ,
DE102020105214A1 ,
DE102020116278A1 , oder auch der bisher unveröffentlichten, deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102021122534.5.
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Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Funktionalität eines vibronischen Sensors weiter zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den modularen, vibronischen Sensor nach Anspruch 1, durch die Messzelle nach Anspruch 6, das tragbare Messgerät nach Anspruch 7, das Verfahren nach Anspruch 8, sowie durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors nach Anspruch 11.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor handelt es sich um einen modularen, vibronischen Sensor zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit einer Sensoreinheit. Die Sensoreinheit umfasst einen, insbesondere elektrisch isolierenden, ersten rohrförmigen Grundkörper, ein erstes piezoelektrisches Element und ein zweites piezoelektrisches Element umfasst.
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Erfindungsgemäß sind das erste und zweite piezoelektrische Element einander gegenüber liegend im Bereich einer Mantelfläche des Grundkörpers angeordnet. Der Grundkörper und die beiden piezoelektrischen Elemente bilden gemeinsam eine mechanisch schwingfähige Einheit mit Antriebs-/Empfangseinheit. Die Sensoreinheit wird mittels geeigneten Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die mechanischen Schwingungen werden im Falle, dass die Sensoreinheit zumindest teilweise von Medium bedeckt sind, von den Eigenschaften des Mediums beeinflusst, so dass anhand zumindest eines von der Sensoreinheit empfangenen Empfangssignals, welches die Schwingungen der Sensoreinheit repräsentiert, eine Aussage über die zumindest eine Prozessgröße generierbar ist.
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Die piezoelektrischen Elemente können aber auch der Erzeugung eines Sendesignals, welches in Form eines Antwortsignals empfangen wird, dienen. Wenn das Sendesignal auf seinem Weg zumindest zeitweise und abschnittsweise das Medium durchläuft, wird es ebenfalls durch die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums beeinflusst und kann entsprechend zur Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums herangezogen werden.
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Somit ist es auch möglich, zumindest zwei Messprinzipien in einer einzigen Vorrichtung zu realisieren, nämlich das vibronische Messprinzip und das Ultraschall-Messprinzip. Dies erlaubt insbesondere auch die simultane Bestimmung und/oder Überwachung mehrerer, insbesondere auch verschiedener, Prozessgrößen. Dabei können das Empfangssignal und das Antwortsignal vorteilhaft unabhängig voneinander ausgewertet und die Anzahl ermittelbarer Prozessgrößen deutlich erhöht werden, was zu einer höheren Funktionalität des jeweiligen Sensors bzw. in einem erweiterten Anwendungsbereich resultiert.
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Das erfindungsgemäße, modulare Sensorkonzept ermöglicht dabei eine besonders einfache Anpassbarkeit auf verschiedene Geometrien. Die Dimensionierung der Schwingelemente und des Grundkörpers können adaptiv gewählt werden. Im Prinzip können unterschiedlich ausgestaltete Schwingelemente mit demselben Grundkörper verwendet werden. Die Gestaltungsfreiheit betrifft nicht nur die Dimensionierung und Geometriewahl, sondern auch die jeweils verwendeten Materialien. Dies erlaubt besonders vorteilhaft eine Miniaturisierung entsprechender vibronischer Sensoren.
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Darüber hinaus ist ein erfindungsgemäßer Sensor besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Beispielsweise ist keine Fertigung einer separaten Antriebs-/Empfangseinheit notwendig. Die Herstellung von Schwingelementen und Antriebs-/Empfangseinheit erfolgt vielmehr gemeinsam in einem Schritt. Zudem kann der Grundkörper in einem Teilbereich zur Aufnahme einer Elektronik aufweisen, so dass auch in diesem Zusammenhang eine Vereinfachung des Sensoraufbaus erreichbar ist.
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In einer Ausgestaltung sind die piezoelektrischen Elemente von außen oder von innen an dem rohrförmigen Grundkörper befestigt, oder innerhalb einer Wandung des rohrförmigen Körpers angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der rohrförmige Körper in einem ersten und/oder zweiten Endbereich verschlossen. In diesem Falle kann in einem Innenvolumen des rohrförmigen Körpers ein gasförmiges oder auch ein anderes Medium angeordnet sein.
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Es ist von Vorteil, wenn die piezoelektrischen Elemente und/oder eine Außenwandung des Grundkörpers zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist/sind. Vorteilhaft ist zumindest ein medienberührender Bereich der Sensoreinheit mit der Beschichtung versehen. Dabei können unterschiedlichste Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Beispielsweise kann es sich um eine isolierende Beschichtung handeln. Es kann sich aber ebenso um eine wasseraufnehmende Beschichtung handeln.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der erfindungsgemäße Sensor ein Filterelement, welches derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass es den rohrförmigen Grundkörper zumindest teilweise umgibt. Vorzugsweise ist das Filterelement an dem Grundkörper befestigt. Das Filterelement umfasst beispielsweise eine, vorzugsweise poröse, Membran oder eine selektive Membran. Das Filterelement ist insbesondere im Bereich zumindest des ersten Grundkörpers befestigbar.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Messzelle zur Analyse eines Mediums umfassend einen erfindungsgemäßen modularen vibronischen Sensor. Unter einer Messzelle wird erfindungsgemäß im Prinzip ein abgeschlossenes Volumen mit einem, beispielsweise universellen Anschluss zum Anschließen eines Sensors verstanden. Der erfindungsgemäße modulare vibronische Sensor ist beispielsweise vermittels des ersten Grundkörpers in die Messzelle einbringbar. Dazu kann der Grundkörper mit einem zu dem Anschlusselement der Messzelle komplementär ausgestalten Anschlusselement versehen ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein tragbares Messgerät zur Analyse eines Mediums, umfassend eine erfindungsgemäße Messzelle, eine Elektronik und eine Vorrichtung zur Probennahme. Die Elektronik kann beispielsweise über eine Anzeigeeinheit verfügen. Das tragbare Messgerät dient beispielsweise zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, der Dichte, Viskosität oder Schallgeschwindigkeit eines Mediums oder um eine Konzentration einer Substanz, welche in dem Medium enthalten ist.
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Ferner wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen modularen vibronischen Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer ersten Prozessgröße eines Mediums, wobei die Sensoreinheit mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen der Sensoreinheit empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, und wobei anhand des Empfangssignals die zumindest eine erste Prozessgröße ermittelt wird. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums. Die Sensoreinheit umfasst das erste und zweite Schwingelement.
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Bei dem Anregesignal handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Signal mit zumindest einer vorgebbaren Frequenz, insbesondere um ein sinusförmiges oder um ein rechteckförmiges Signal. Vorzugsweise wird die Sensoreinheit zumindest zeitweise zu Resonanzschwingungen angeregt. Die mechanischen Schwingungen werden durch das die Schwingstäbe umgebende Medium beeinflusst, so dass anhand eines die Schwingungen repräsentierenden Empfangssignals Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften des Mediums möglich sind.
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Bei dem Sendesignal handelt es sich bevorzugt um ein, insbesondere gepulstes, Ultraschallsignal, insbesondere um zumindest einen Ultraschallpuls. Als zweites angewendetes Messverfahren wird demnach im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ultraschall-basierte Messung durchgeführt. Das jeweils ausgesendete Sendesignal durchläuft zumindest teilweise das Medium und wird von diesem in seinen Eigenschaften beeinflusst. Entsprechend können anhand des jeweils empfangenen Antwortsignals ebenfalls Rückschlüsse auf verschiedene Medien gezogen werden.
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In noch einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest eine zweite Prozessgröße des Mediums bestimmt oder überwacht. Dazu wird ein Sendesignal ausgesendet, ein Antwortsignal empfangen, wobei anhand des Antwortsignals die zumindest eine zweite Prozessgröße bestimmt wird. Bei der zweiten Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um die Schallgeschwindigkeit des Mediums.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das erste Schwingelement mit dem Sendesignal beaufschlagt wird, wobei das Antwortsignal von dem zweiten Schwingelement empfangen wird.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die zumindest eine erste und zweite Prozessgröße abwechselnd bestimmt werden. Es ist aber ebenfalls möglich, dass die Sensoreinheit gleichzeitig mittels des Anregesignals und mittels des Sendesignals beaufschlagt wird, wobei das Anregesignal und das Sendesignal einander überlagert werden.
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Die erfindungsgemäß ermittelbaren Prozessgrößen sind beispielsweise gegeben durch einen vorgebbaren Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Schallgeschwindigkeit oder eine aus zumindest einer dieser Größen abgeleitete Größe. Auch die Konzentration/Konzentrationen von einer oder zwei unterschiedlichen Substanzen in dem Medium kann/können ermittelt werden. Besonders bevorzugt wird anhand des Empfangssignals die Dichte und/oder Viskosität des Mediums und anhand des Antwortsignals die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Mediums bestimmt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass neben den hier explizit genannten Prozessgrößen auch weitere Prozessgrößen und/oder -parameter, welche mittels der beiden durchgeführten Messungen zugänglich sind, ebenfalls bestimmt und für eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums herangezogen werden können.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor, eine Messzelle, ein tragbares Messgerät sowie das Verfahren können beispielsweise verwendet werden zur Überwachung eines Gärprozesses. Bei einer Gärung wird Zucker in Ethanol umgewandelt. Um eine qualitative Überwachung gewährleisten zu können, ist es deshalb erforderlich, sowohl die Konzentration von Zucker als auch von Ethanol zu bestimmen.
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Zudem kann der erfindungsgemäße Sensor vorteilhaft auch als Single-Use Sensor verwendet werden. Dabei kann der Sensor jeweils spezifisch an die jeweilige Aufgabe angepasst werden. Möglich ist vorteilhaft ferner auch eine Verwendung in einem Labor, insbesondere zur Ermittlung der jeweiligen Prozessgröße anhand eines vergleichsweise geringen Flüssigkeitsvolumens bzw. einer kleinen Probenmenge. Eine weitere vorteilhafte Verwendung betrifft die Validierung von Sensoren, und zwar aufgrund der einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Sensors. Schließlich betrifft eine vorteilhafte Verwendung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors als Gassensor zur Bestimmung und/oder Überwachung eines gasförmigen Mediums. Insbesondere kann eine Resonanzfrequenz eines erfindungsgemäßen Sensors jeweils individuell an die jeweilige Applikation angepasst werden.
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Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensor beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Messzelle, das erfindungsgemäße tragbare Messgerät und das erfindungsgemäße Verfahren anwenden lassen und umgekehrt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
- 2 eine erste Ausgestaltung eines modularen vibronischen Sensors;
- 3 eine erfindungsgemäße Messzelle, und
- 4 ein tragbares Messgerät.
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In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 2 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium M eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Andere vibronische Sensoren verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 5. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
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Eine erste beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen, modularen vibronischen Sensors 1 ist in 2 skizziert. Der Sensor 1 verfügt über eine Sensoreinheit 2 umfassend einen, insbesondere elektrisch isolierenden, ersten rohrförmigen Grundkörper 7 sowie ein erstes 8a und ein zweites 8b piezoelektrisches Element. Die beiden piezoelektrischen Elemente 8a, 8b sind einander gegenüber liegend im Bereich einer Mantelfläche m des Grundkörpers 7 angeordnet.
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Für die in 2 dargestellte Ausgestaltung sind die piezoelektrischen Elemente 8a, 8b auf die Mantelfläche m im inneren Bereich des rohrförmigen Grundkörpers 7 aufgebracht. In anderen Ausgestaltungen können die piezoelektrischen Elemente 8a, 8b auch nach außen gerichtet auf die Mantelfläche m aufgebracht sein. Die piezoelektrischen Elemente 8a, 8b können also von außen oder von innen an dem rohrförmigen Körper 7 angeordnet sein. Sie können auch in die Mantelfläche m zumindest teilweise eingebracht sein.
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Der Grundkörper 7 kann zudem in seinen beiden Endbereichen E1 und E2 geöffnet sein, wie im Falle von 2. Ebenso kann der Grundkörper 7 in einem oder beiden Endbereichen E1 und E2 auch verschlossen sein. Darüber hinaus ist im Falle der 2 eine Querschnittsfläche des Grundkörpers 7 quadratisch ausgestaltet. Es können aber auch zahlreiche andere Formen für die Querschnittsfläche gewählt werden und fallen ebenfalls unter die vorliegende Erfindung.
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In 3 ist eine erfindungsgemäße Messzelle 10 mit einem erfindungsgemäßen Sensor 1 ähnlich wie der aus 2, gezeigt. Die beiden piezoelektrischen Elemente 8a, 8b sind über die Anschlussleitungen 9a, 9b elektrisch kontaktiert. Eine Elektronik 6 ist im zweiten Endbereich E2 innerhalb des Grundkörpers 7 angeordnet. Eine solche Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensors 1 ist besonders kompakt und die notwendigen Herstellungsschritte werden weiter reduziert.
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Ein erfindungsgemäßes, tragbares Messgerät 11 ist schließlich in 4 skizziert. Das Messgerät 11 umfasst ein Gehäuse 12 mit einem optionalen Griff 12a und einer Vorrichtung zur Probennahme 13, eine erfindungsgemäße Messzelle 10 mit einem, hier nicht gezeigten, erfindungsgemäßen Sensor 1, und eine Elektronik 14 mit einer optionalen Anzeigeeinheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibronischer Sensor
- 2
- Sensoreinheit
- 3
- Behälter
- 4
- Schwingfähige Einheit
- 5
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 6
- Elektronik
- 7
- Grundkörper
- 8a, 8b
- piezoelektrische Elemente
- 9a, 9b
- Anschlussleitungen
- 10
- Messzelle
- 11
- tragbares Messgerät
- 12
- Gehäuse mit Griff 12a
- 13
- Vorrichtung zur Probennahme
- 14
- Elektronik mit Anzeigeeinheit
- M
- Medium
- m
- Mantelfläche
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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 102006034105 A1 [0003]
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- DE 102016112743 A1 [0005]
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- DE 102019116150 A1 [0007]
- DE 102019116151 A1 [0007]
- DE 102019116152 [0007]
- DE 102019110821 A1 [0007]
- DE 102020105214 A1 [0007]
- DE 102020116278 A1 [0007]
