DE102022127929A1 - Vibration sensor with spacer for thermal decoupling of the drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Vibrationssensor 1 zur Erfassung eines Füllstands oder Grenzstands in einem Inneren eines Behältnisses 3, mit einem Gehäuse 9, einer zu einer Schwingung anregbaren Membran 6 und einem Antrieb 5 zum Versetzen der Membran 6 in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran 6, wobei der Antrieb 5 mit der Membran 6 über eine mechanische Kopplung verbunden ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Kopplung ein Distanzstück 4 umfasst, so dass der Antrieb 5 zur thermischen Entkopplung beabstandet zur Membran 6 angeordnet ist.The invention relates to a vibration sensor 1 for detecting a fill level or limit level in the interior of a container 3, with a housing 9, a membrane 6 that can be excited to vibrate and a drive 5 for setting the membrane 6 into vibration and/or for sensing a vibration of the membrane 6, wherein the drive 5 is connected to the membrane 6 via a mechanical coupling. The invention is characterized in that the mechanical coupling comprises a spacer 4, so that the drive 5 is arranged at a distance from the membrane 6 for thermal decoupling.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a vibration sensor according to the preamble of
Konkret betrifft die Erfindung einen Vibrationssensor zur Erfassung eines Füllstands oder Grenzstands in einem Behältnis, mit einer zu einer Schwingung anregbaren Membran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran, wobei der Antrieb mit der Membran über eine mechanische Kopplung verbunden ist. Dabei ist der Antrieb von der Membran thermisch entkoppelt.Specifically, the invention relates to a vibration sensor for detecting a fill level or limit level in a container, with a membrane that can be excited to vibrate and a drive for setting the membrane into vibration and/or for sensing a vibration of the membrane, wherein the drive is connected to the membrane via a mechanical coupling. The drive is thermally decoupled from the membrane.
Vibrationssensoren zur Erfassung von Füllständen oder Grenzständen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Von solchen Vibrationssensoren können Füllstände oder Grenzstände von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältnissen erfasst werden. Dazu umfassen die Vibrationssensoren in der Regel einen Antrieb, der mit einer mechanischen Kopplung, insbesondere einer Membran derart mechanisch gekoppelt ist, dass Schwingungen vom Antrieb auf die Membran und umgekehrt übertragen werden können. An der Membran sind mechanische Schwinger ähnlich einer Stimmgabel angebracht, die durch den Antrieb zum Schwingen angeregt werden. Tauchen die mechanischen Schwinger in ein Füllgut oder eine Flüssigkeit ein, verändert sich ihr Schwingverhalten, was wiederum Auswirkungen auf den Betrieb des Antriebs hat. Das geänderte Schwingverhalten der mechanischen Schwinger kann durch den Antrieb detektiert werden und daraus Rückschlüsse gezogen werden, wie hoch der Füllstand im Behältnis ist oder ob ein Grenzstand über- oder unterschritten ist.Vibration sensors for detecting fill levels or limit levels are known from the state of the art. Such vibration sensors can detect fill levels or limit levels of liquids or bulk materials in containers. For this purpose, the vibration sensors usually comprise a drive that is mechanically coupled to a mechanical coupling, in particular a membrane, in such a way that vibrations can be transmitted from the drive to the membrane and vice versa. Mechanical oscillators similar to a tuning fork are attached to the membrane and are caused to oscillate by the drive. If the mechanical oscillators are immersed in a filling material or liquid, their oscillation behavior changes, which in turn affects the operation of the drive. The changed oscillation behavior of the mechanical oscillators can be detected by the drive and conclusions can be drawn from this as to how high the fill level in the container is or whether a limit level has been exceeded or not reached.
Als Antrieb kommen beispielsweise piezoelektrische und/oder induktive Antriebe zum Einsatz. Bei piezoelektrischen Antrieben werden meist mehrere Piezoelemente übereinandergestapelt, um den Arbeitsweg des Antriebs zu erhöhen. Diese Piezoelemente können dann durch Anlegen einer Wechselspannung zu einer oszillierenden Längenänderung angeregt werden, die über die Membran zu den mechanischen Schwingern weitergeleitet wird und so zu einer oszillierenden Bewegung der mechanischen Schwinger führt. Andersherum können auch Schwingungen von den mechanischen Schwingern über die Membran auf die Piezoelemente übertragen werden, die dann zu einer elektrischen Spannung an den Piezoelementen führen und entsprechend erfasst werden können.Piezoelectric and/or inductive drives are used as drives. With piezoelectric drives, several piezo elements are usually stacked on top of each other to increase the working travel of the drive. These piezo elements can then be excited to an oscillating change in length by applying an alternating voltage, which is passed on to the mechanical oscillators via the membrane and thus leads to an oscillating movement of the mechanical oscillators. Conversely, vibrations can also be transmitted from the mechanical oscillators via the membrane to the piezo elements, which then lead to an electrical voltage on the piezo elements and can be recorded accordingly.
Induktive Antriebe umfassen einen Magneten und eine Spule. Wird an der Spule eine Wechselspannung angelegt, wird der Magnet zu einer oszillierenden Bewegung angeregt. Der Magnet ist mit der Membran mechanisch gekoppelt, so dass durch die Schwingungen des Magneten die Membran zum Schwingen angeregt wird. Umgekehrt führt eine durch die Membran auf den Magneten übertragene Schwingung zu einer elektrischen Spannung in der Spule, die wiederum detektiert werden kann.Inductive drives consist of a magnet and a coil. If an alternating voltage is applied to the coil, the magnet is stimulated to oscillate. The magnet is mechanically coupled to the membrane, so that the vibrations of the magnet cause the membrane to vibrate. Conversely, a vibration transmitted through the membrane to the magnet leads to an electrical voltage in the coil, which in turn can be detected.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Spule mit der Membran mechanisch gekoppelt ist, und der Magnet ortsfest, beispielsweise an einem Gehäuse des Vibrationssensors, angeordnet ist. In dem Fall wird die Spule selbst zu der oszillierenden Bewegung in Wechselwirkung mit dem Magneten angeregt, so dass die Membran zum Schwingen angeregt wird.It is also possible that the coil is mechanically coupled to the membrane and the magnet is arranged in a fixed location, for example on a housing of the vibration sensor. In this case, the coil itself is stimulated to the oscillating movement in interaction with the magnet, so that the membrane is stimulated to vibrate.
Gemeinsam haben alle diese Antriebsarten, dass sie auf Temperaturänderungen durch Änderungen des Schwingverhaltens reagieren und oberhalb von gewissen Höchsttemperaturen bzw. unterhalb von gewissen Tiefsttemperaturen nicht mehr einsetzbar sind. Beispielsweise verlieren Magnete oberhalb der Curie-Temperatur vollständig ihre magnetischen Eigenschaften und der Antrieb könnte nicht mehr Schwingen. Die Curie-Temperatur liegt je nach Zusammensetzung des Magneten bei +100°C bis +800°C, so dass der Einsatzbereich der Antriebe häufig schon auf +80°C begrenzt ist.What all these types of drives have in common is that they react to temperature changes by changing their oscillation behavior and can no longer be used above certain maximum temperatures or below certain minimum temperatures. For example, magnets completely lose their magnetic properties above the Curie temperature and the drive can no longer oscillate. Depending on the composition of the magnet, the Curie temperature is between +100°C and +800°C, so the application range of the drives is often limited to +80°C.
Niedrige Temperaturen von unter -100°C bis -200°C können negative Folgen für die eingesetzten Materialien der Antriebe haben. Die Materialien verspröden und haben dadurch nicht mehr die geforderten mechanischen Festigkeiten, oder Einrichtungen zur Aufhängung der schwingenden Bauteile verlieren ihre Elastizität, so dass die schwingenden Bauteile an ihrer Bewegung gehindert werden.Low temperatures of below -100°C to -200°C can have negative consequences for the materials used in the drives. The materials become brittle and therefore no longer have the required mechanical strength, or the devices for suspending the vibrating components lose their elasticity, preventing the vibrating components from moving.
Damit Vibrationssensoren aber auch zur Füll- oder Grenzstandüberwachung von sehr kalten (unter -100°C) oder sehr heißen (über +100°C) Füllgütern wie zum Beispiel flüssigem Wasserstoff mit -252°C oder flüssigem Stickstoff mit -196°C genutzt werden können, ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Vibrationssensor bereit zu stellen, der den Temperatureinsatzbereich von Vibrationssensoren verbessert.So that vibration sensors can also be used for filling or limit level monitoring of very cold (below -100°C) or very hot (above +100°C) filling materials such as liquid hydrogen at -252°C or liquid nitrogen at -196°C, the object of the invention is to provide a vibration sensor that improves the temperature application range of vibration sensors.
Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a vibration sensor having the features of
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.Further, particularly advantageous embodiments of the invention are disclosed in the respective subclaims.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically reasonable manner (including across category boundaries, for example between method and device) and further embodiments of the invention The description further characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used herein, which stands between two features and links them together, is always to be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature can be present and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor zur Erfassung eines Füllstands oder Grenzstands in einem Inneren eines Behältnisses, insbesondere eines industriellen Behältnisses, beispielsweise eines Containers, Silos oder IBC (= Intermediate Bulk Container) mit einem Gehäuse, einer zu einer Schwingung anregbaren Membran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran, wobei der Antrieb mit der Membran über eine mechanische Kopplung verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die mechanische Kopplung ein Distanzstück umfasst, so dass der Antrieb zur thermischen Entkopplung beabstandet zur Membran angeordnet ist.A vibration sensor according to the invention for detecting a fill level or limit level in the interior of a container, in particular an industrial container, for example a container, silo or IBC (= intermediate bulk container) with a housing, a membrane that can be excited to vibrate and a drive for setting the membrane into vibration and/or for sensing a vibration of the membrane, wherein the drive is connected to the membrane via a mechanical coupling, is characterized in that the mechanical coupling comprises a spacer, so that the drive is arranged at a distance from the membrane for thermal decoupling.
Der Vibrationssensor weist ein Gehäuse auf, das vorderseitig, d. h. zu einem zu überwachendem Füllgut hin mit einer Membran abgeschlossen ist. An die Membran ist ein mechanischer Schwinger gekoppelt, so dass Schwingungen von der Membran auf den mechanischen Schwinger übertragen werden können und umgekehrt.The vibration sensor has a housing that is closed off with a membrane on the front side, i.e. towards the product to be monitored. A mechanical oscillator is coupled to the membrane so that vibrations can be transferred from the membrane to the mechanical oscillator and vice versa.
Ein typischer mechanischer Schwinger kann zum Beispiel nach Art einer Schwinggabel aufgebaut sein. Die beiden Enden schwingen dabei in Abhängigkeit des sie umgebenden Mediums mit einer charakteristischen Frequenz.A typical mechanical oscillator can, for example, be constructed like a tuning fork. The two ends oscillate at a characteristic frequency depending on the medium surrounding them.
Der Vibrationssensor ist so an dem Behältnis montiert, dass der Vibrationssensor in das Innere des industriellen Behältnisses hineinragt und die mechanischen Schwinger je nach Füllstand im Behältnis in Kontakt mit dem darin befindlichen Füllgut kommen kann. So kann von dem Vibrationssensor von einer Veränderung des Schwingverhaltes der mechanischen Schwinger auf eine Veränderung des die mechanischen Schwinger umgebenden Füllgutes im Behältnis geschlossen werden.The vibration sensor is mounted on the container in such a way that the vibration sensor extends into the interior of the industrial container and the mechanical oscillators can come into contact with the contents of the container depending on the fill level. The vibration sensor can therefore use a change in the vibration behavior of the mechanical oscillators to determine a change in the contents of the container surrounding the mechanical oscillators.
Damit die mechanischen Schwinger schwingen, werden diese unter Zwischenschaltung der Membran durch den Antrieb angetrieben. Dazu führt der Antrieb entlang einer Anregungsrichtung eine oszillierende translatorische Bewegung aus, die auf die Membran übertragen wird. Der Antrieb ist zur Übertragung dieser oszillierenden Bewegung mit der Membran über die mechanische Kopplung verbunden. Durch die mechanische Kopplung ist die Membran mit dem Antrieb wenigstens in Anregungsrichtung des Antriebs starr verbunden.In order for the mechanical oscillators to oscillate, they are driven by the drive with the membrane interposed. To do this, the drive carries out an oscillating translational movement along an excitation direction, which is transferred to the membrane. The drive is connected to the membrane via the mechanical coupling to transmit this oscillating movement. The mechanical coupling means that the membrane is rigidly connected to the drive, at least in the excitation direction of the drive.
Je nach Anwendungsfall können im Behältnis hohe Temperaturen von beispielsweise über +100°C oder niedrige Temperaturen von unter -100°C herrschen. Wie eingangs beschrieben liegen solche hohen bzw. niedrigen Temperaturen außerhalb des Temperatur-Arbeitsbereichs des Antriebs. Außerhalb dieses Temperatur-Arbeitsbereichs kann der Antrieb nicht richtig arbeiten, so dass es gilt den Antrieb innerhalb des Temperatur-Arbeitsbereiches zu halten. Die mechanische Kopplung ist daher derart eingerichtet, dass der Antrieb zwar mit der Membran mechanisch verbunden ist, jedoch von der Membran thermisch entkoppelt ist.Depending on the application, high temperatures of, for example, over +100°C or low temperatures of below -100°C can prevail in the container. As described at the beginning, such high or low temperatures are outside the temperature working range of the drive. Outside of this temperature working range, the drive cannot work properly, so it is important to keep the drive within the temperature working range. The mechanical coupling is therefore set up in such a way that the drive is mechanically connected to the membrane, but is thermally decoupled from the membrane.
Eine thermische Entkopplung des Antriebs von der Membran bedeutet im Sinne der vorliegenden Anmeldung, dass die Temperatur der Membran außerhalb eines Temperatur-Arbeitsbereiches des Antriebs liegen kann, während über die mechanische Kopplung nur so wenig Wärme übertragen wird, dass der Antrieb innerhalb seines Temperatur-Arbeitsbereiches bleibt. Angenommen im Behältnis befindet sich thermisch verflüssigter Wasserstoff mit -252°C, so dass die Membran in jedem Falle eine Temperatur von unter -200°C aufweist, so würde die Temperatur des Antriebs aufgrund der gehemmten Wärmeübertragung der mechanischen Kopplung nicht unter -100°C fallen.Thermal decoupling of the drive from the membrane means in the sense of the present application that the temperature of the membrane can be outside the temperature working range of the drive, while only so little heat is transferred via the mechanical coupling that the drive remains within its temperature working range. Assuming that the container contains thermally liquefied hydrogen at -252°C, so that the membrane always has a temperature of below -200°C, the temperature of the drive would not fall below -100°C due to the inhibited heat transfer of the mechanical coupling.
Erreicht werden kann eine thermische Entkopplung zwischen Membran und Antrieb, indem die mechanische Kopplung Bauteile umfasst, die beispielsweise aus Materialien mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten hergestellt sind, oder die durch bestimmte Geometrien wie zum Beispiel langen Übertragungswegen den Wärmetransport zwischen Antrieb und Membran hemmen.Thermal decoupling between the membrane and the drive can be achieved by using mechanical coupling components that are made, for example, from materials with low thermal conductivities or that inhibit heat transport between the drive and the membrane through certain geometries such as long transfer paths.
Dazu umfasst die mechanische Kopplung ein Distanzstück, so dass der Antrieb zur thermischen Entkopplung beabstandet zur Membran angeordnet ist. Das Distanzstück überträgt die Schwingungen zwischen Membran und Antrieb und bildet so eine direkte Wärme- bzw. Kältebrücke. Damit die Wärmeleitung zwischen Antrieb und Membran gehemmt wird und die thermische Entkopplung erreicht wird, ist es von Vorteil, wenn der Antrieb und die Membran beabstandet zueinander im Gehäuse des Vibrationssensors angeordnet sind. Dieser Abstand wird durch das Distanzstück überbrückt.For this purpose, the mechanical coupling includes a spacer so that the drive is arranged at a distance from the membrane for thermal decoupling. The spacer transfers the vibrations between the membrane and the drive and thus forms a direct heat or cold bridge. In order to inhibit the heat conduction between the drive and the membrane and to achieve thermal decoupling, it is advantageous if the drive and the membrane are arranged at a distance from each other in the housing of the vibration sensor. This distance is bridged by the spacer.
Die vorliegende Anordnung eignet sich daher besonders gut für Grenzstandmessungen in kryonisch verflüssigten Gasen, insbesondere Wasserstoff, Stickstoff oder Helium.The present arrangement is therefore particularly suitable for limit level measurements in cryonic liquefied gases, in particular hydrogen, nitrogen or helium.
Mithilfe des Distanzstücks ist es beispielsweise möglich, den Antrieb weit außerhalb des Behältnisses anzuordnen und die Membran mit den mechanischen Schwingern innerhalb des Gehäuses, während die mechanische Kopplung durch das Distanzstück auch über größere Abstände gewährleistet ist. Weit außerhalb des Behältnisses meint im Sinne der Anmeldung, dass eine dem Prozess zugewandte Seite des Antriebs wenigstens 5 cm, vorzugsweise wenigstens 10 cm, weiter vorzugsweise wenigstens 20 cm Abstand zu einer dem Prozess abgewandten Außenseite des Behältnisses aufweist.With the help of the spacer, it is possible, for example, to arrange the drive far outside the container and the membrane with the mechanical oscillators inside the housing, while the mechanical coupling is also ensured by the spacer over larger distances. Far outside the container in the sense of the application means that a side of the drive facing the process is at least 5 cm, preferably at least 10 cm, more preferably at least 20 cm away from an outside of the container facing away from the process.
Der Abstand zwischen Membran und Antrieb kann vorzugsweise wenigstens 3 cm, 5 cm, 10 cm oder 15 cm betragen, oder beispielsweise ein Vielfaches der Antriebsabmessungen betragen. Dieser Abstand wird von einer dem Prozess abgewandten Seite der Membran hin zu einer dem Prozess zugewandten Seite des Antriebs gemessen.The distance between the membrane and the drive can preferably be at least 3 cm, 5 cm, 10 cm or 15 cm, or for example a multiple of the drive dimensions. This distance is measured from a side of the membrane facing away from the process to a side of the drive facing the process.
Das Material, aus dem das Distanzstück hergestellt ist, ist vorteilhafter Weise aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Hierzu bietet sich beispielsweise eine Keramik an. Auch Kunststoffe sind hinsichtlich Ihrer Wärmeleitfähigkeit geeignet, allerdings ist hier dann der Temperaturbereich oft eingeschränkt gegenüber Keramik und Metall.The material from which the spacer is made is preferably a material with low thermal conductivity. Ceramic, for example, is suitable for this. Plastics are also suitable in terms of their thermal conductivity, but the temperature range is often limited compared to ceramic and metal.
Aufgrund der hohen bzw. niedrigen Temperaturen sind nicht zu vernachlässigende Wärmeausdehnungen zu erwarten. Da der Antrieb gegen die Membran vorgespannt ist, sollte im Falle einer Änderung der Länge des Distanzstücks aufgrund von einer Temperaturänderung möglichst die Vorspannung erhalten bleiben. Dies kann erreicht werden, indem das Gehäuse um das Distanzstück herum und das Distanzstück eine ähnliche oder sogar gleiche Wärmeausdehnung aufweisen, beispielsweise durch die Verwendung von Materialien mit einem ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere kann für das Gehäuse und das Distanzstück das gleiche Material verwendet werden. Aufgrund chemischer Beständigkeit und der mechanischen Eigenschaften ist Metall zu bevorzugen.Due to the high and low temperatures, non-negligible thermal expansion is to be expected. Since the drive is preloaded against the membrane, if the length of the spacer changes due to a change in temperature, the preload should be maintained as far as possible. This can be achieved by ensuring that the housing around the spacer and the spacer have a similar or even the same thermal expansion, for example by using materials with a similar thermal expansion coefficient; in particular, the same material can be used for the housing and the spacer. Metal is preferred due to its chemical resistance and mechanical properties.
Neben der thermischen Entkopplung durch die mechanische Kopplung kann es auch von Vorteil sein, wenn das Gehäuse des Vibrationssensors derart gestaltet ist, dass möglichst wenig Wärme durch die Wandung des Gehäuses und durch das Innere des Gehäuses übertragen wird. Das hat zur Folge, dass zum Antrieb hin oder vom Antrieb weg möglichst wenig Wärme geleitet wird. Beispielsweise können Hohlräume im Gehäuse, insbesondere Hohlräume um die mechanische Kopplung herum, evakuiert werden. Dies hemmt die Wärmeleitung und kann gleichzeitig die Schwingungsübertragung der mechanischen Kopplung begünstigen. Zur Herstellung des Gehäuses kann ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.In addition to thermal decoupling through the mechanical coupling, it can also be advantageous if the housing of the vibration sensor is designed in such a way that as little heat as possible is transferred through the wall of the housing and through the interior of the housing. This means that as little heat as possible is conducted towards or away from the drive. For example, cavities in the housing, especially cavities around the mechanical coupling, can be evacuated. This inhibits heat conduction and can at the same time promote the vibration transmission of the mechanical coupling. A material with low thermal conductivity can be used to manufacture the housing.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise sowohl miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.Advantageous embodiments and variants of the invention emerge from the subclaims and the following description. The features listed individually in the subclaims can be combined in any technically reasonable manner both with each other and with the features explained in more detail in the following description and represent other advantageous embodiments of the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors ist das Distanzstück derart eingerichtet, dass ein erster Wärmeleitungspfad von der Membran über das Distanzstück zum Antrieb einen höheren thermischen Widerstand aufweist, als ein zweiter Wärmeleitungspfad von der Membran über das Gehäuse zu einer Umgebung des Gehäuses. Die Umgebung wird dabei durch die Umgebungsluft um das Gehäuse des Vibrationssensors herum gebildet.In a preferred embodiment of the vibration sensor, the spacer is designed such that a first heat conduction path from the membrane via the spacer to the drive has a higher thermal resistance than a second heat conduction path from the membrane via the housing to an environment of the housing. The environment is formed by the ambient air around the housing of the vibration sensor.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des thermischen Widerstands des zweiten Wärmeleitungspfads nur der Teil des Gehäuses berücksichtigt, der außerhalb des industriellen Behältnisses angeordnet ist. Weiter vorzugsweise wird nur ein Wärmeabfuhrabschnitt des außerhalb des industriellen Behältnisses liegenden Gehäuses berücksichtigt. Dieser Wärmeabfuhrabschnitt des Gehäuses erstreckt sich über das Gehäuse ausgehend von dem industriellen Behältnis entlang der Anregungsrichtung des Antriebs und wird durch eine senkrecht zu der Anregungsrichtung liegende Ebene begrenzt, die zwischen dem Antrieb und der Membran und angrenzend zum Antrieb gelegen ist.Preferably, only the part of the housing that is arranged outside the industrial container is taken into account to determine the thermal resistance of the second heat conduction path. Further preferably, only a heat dissipation section of the housing that is located outside the industrial container is taken into account. This heat dissipation section of the housing extends over the housing starting from the industrial container along the excitation direction of the drive and is limited by a plane that is perpendicular to the excitation direction and is located between the drive and the membrane and adjacent to the drive.
Der thermische Widerstand eines Wärmeleitungspfades hängt von den Wärmeleitfähigkeiten der Materialien entlang des Wärmeleitungspfades ab, sowie von deren Querschnittsfläche und der Länge des Wärmeleitungspfades. Je länger der Wärmeleitungspfad, und je kleiner die Wärmeleitfähigkeiten sowie die Querschnittsflächen sind, desto größer ist der thermische Widerstand. Wird die Wärme nicht nur über die Feststoffe transportiert, sondern beispielsweise auch an angrenzende Gase oder Flüssigkeiten abgegeben, spielt ebenfalls die Größer der Oberfläche, über die die Wärme an das Gas bzw. die Flüssigkeit abgegeben wird, eine Rolle für den thermischen Widerstand des Wärmeleitungspfades. Je größer die Oberfläche zum Gas oder zur Flüssigkeit ist, desto kleiner ist der thermische Widerstand.The thermal resistance of a heat conduction path depends on the thermal conductivities of the materials along the heat conduction path, as well as on their cross-sectional area and the length of the heat conduction path. The longer the heat conduction path and the smaller the thermal conductivities and cross-sectional areas, the greater the thermal resistance. If the heat is not only transported via the solids, but also transferred to adjacent gases or liquids, for example, the size of the surface over which the heat is transferred to the gas or liquid also plays a role in the thermal resistance of the heat conduction path. The larger the surface to the gas or liquid, the smaller the thermal resistance.
Der erste Wärmeleitungspfad verläuft dabei ausgehend von der Membran über das Distanzstück zum Antrieb, wobei zwischen Membran und Distanzstück und zwischen Antrieb und Distanzstück auch noch weitere Bauteile, wie zum Beispiel Druckstücke, Halter und/oder Kopplungen, angeordnet sein können, so dass der erste Wärmeleitungspfad auch durch diese Bauteile verläuft.The first heat conduction path runs from the membrane via the spacer to the drive, whereby further components, such as pressure pieces, holders and/or couplings, can be arranged between the membrane and the spacer and between the drive and the spacer, so that the first heat conduction path also runs through these components.
Der zweite Wärmeleitungspfad verläuft dabei ausgehend von der Membran über das Gehäuse zur Umgebung des Gehäuses, wobei auch dort zwischen Membran und Gehäuse weitere Bauteile, wie zum Beispiel Halter, weitere Gehäuseteile und/oder Kopplungen, angeordnet sein können, so dass der zweite Wärmeleitungspfad auch durch diese Bauteile verläuft. Da der zweite Wärmeleitungspfad einen möglichst geringen thermischen Widerstand aufweisen soll, kann es sich anbieten die Oberfläche des Gehäuses zum Beispiel durch Kühlrippen oder zusätzliche Wärmeleitstrukturen zu erhöhen. Die Wärmeleitstrukturen können innen und/oder außen am Gehäuse angebracht sein, um den thermischen Widerstand von Gehäuse zur Umgebung zu verringern, oder ausgehend von der Membran parallel zum Gehäuse verlaufen.The second heat conduction path runs from the membrane across the housing to the surroundings of the housing, whereby additional components such as holders, additional housing parts and/or couplings can also be arranged between the membrane and the housing, so that the second heat conduction path also runs through these components. Since the second heat conduction path should have as low a thermal resistance as possible, it may be advisable to increase the surface area of the housing, for example by means of cooling fins or additional heat conduction structures. The heat conduction structures can be attached to the inside and/or outside of the housing in order to reduce the thermal resistance from the housing to the surroundings, or they can run parallel to the housing starting from the membrane.
Der thermische Widerstand des ersten Wärmeleitungspfads kann über den Bauteilquerschnitt und über die Materialauswahl des Distanzstücks beeinflusst werden. Dabei weist das Distanzstück einen möglichst kleinen Bauteilquerschnitt auf und ist aus Materialien mit möglichst niedrigen Wärmeleitfähigkeiten hergestellt.The thermal resistance of the first heat conduction path can be influenced by the component cross-section and the material selection of the spacer. The spacer has the smallest possible component cross-section and is made of materials with the lowest possible thermal conductivities.
Der thermische Widerstand des ersten Wärmeleitungspfads ist insbesondere um 20% größer, vorzugsweise um 50% größer als der thermische Widerstand des zweiten Wärmeleitungspfads.The thermal resistance of the first heat conduction path is in particular 20% greater, preferably 50% greater, than the thermal resistance of the second heat conduction path.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors ist das Gehäuse dazu eingerichtet an einer Öffnung des Behältnisses derart befestigt zu werden, dass der Antrieb außerhalb und die Membran innerhalb des Behältnisses angeordnet ist. Es ist nicht zwingend notwendig, dass der gesamte Vibrationssensor zur Erfassung des Füll- oder Grenzstandes innerhalb des Behältnisses angeordnet ist. Wichtig ist, dass die mechanischen Schwinger, welche in der Regel direkt mit der Membran verbunden sind, in das Füllgut eintauchen können. Daher ist wenigstens die Membran zusammen mit den mechanischen Schwingern innerhalb des Behältnisses angeordnet. Sofern die Membran in einer Öffnung des Behältnisses und fluchtend mit einer Wandung des Behältnisses angeordnet ist, gilt die Membran im Sinne der Anmeldung immer noch als innerhalb des Behältnisses angeordnet.In a preferred embodiment of the vibration sensor, the housing is designed to be attached to an opening of the container in such a way that the drive is arranged outside and the membrane is arranged inside the container. It is not absolutely necessary for the entire vibration sensor to detect the fill or limit level to be arranged inside the container. It is important that the mechanical oscillators, which are usually directly connected to the membrane, can be immersed in the filling material. Therefore, at least the membrane is arranged together with the mechanical oscillators inside the container. If the membrane is arranged in an opening of the container and flush with a wall of the container, the membrane is still considered to be arranged inside the container for the purposes of the application.
Innerhalb des Behältnisses herrschen die angesprochenen niedrigen bzw. hohen Temperaturen, vor denen es den Antrieb zu entkoppeln gilt. Außerhalb des Behältnisses herrschen dagegen meist moderate Temperaturen zum Beispiel im Bereich von -20°C bis +60°C. Daher bietet es sich an, den Bereich des Vibrationssensors mit dem Antrieb außerhalb des Behältnisses anzuordnen, so dass von außen keine hohen oder niedrigen Temperaturen auf den Antrieb einwirken.Inside the container, the low or high temperatures mentioned above prevail, from which the drive must be decoupled. Outside the container, on the other hand, moderate temperatures usually prevail, for example in the range of -20°C to +60°C. It is therefore advisable to arrange the area of the vibration sensor with the drive outside the container so that no high or low temperatures affect the drive from the outside.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors weist das Distanzstück eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer Länge und einem Durchmesser auf, wobei die Länge ein Vielfaches des Durchmessers beträgt. Je größer der Querschnitt des Distanzstücks ist, und je kürzer dessen Länge, desto mehr bzw. schneller kann die Wärme vom einen Ende des Distanzstücks zum anderen Ende übertragen werden. Daher sollte der Querschnitt und damit der Durchmesser möglichst klein im Verhältnis zur Länge des Distanzstücks sein, damit möglichst wenig und möglichst langsam die Wärme vom einen Ende des Distanzstücks zum anderen Ende und damit zwischen Membran und Antrieb geleitet wird.In a further preferred embodiment of the vibration sensor, the spacer has a substantially cylindrical shape with a length and a diameter, the length being a multiple of the diameter. The larger the cross-section of the spacer and the shorter its length, the more or faster the heat can be transferred from one end of the spacer to the other end. Therefore, the cross-section and thus the diameter should be as small as possible in relation to the length of the spacer so that as little and as slowly as possible the heat is conducted from one end of the spacer to the other end and thus between the membrane and the drive.
Die Form des Querschnitts ist dabei kaum entscheidend, so dass sich neben einem Kreisförmigen Querschnitt auch ein ovaler, rechteckiger, quadratischer oder vieleckiger Querschnitt anbietet. Wichtig ist, dass die Querschnittsfläche klein gegenüber der Länge des Distanzstücks ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Distanzstück an einer Stelle entlang seiner Länge, in Richtung der Anregungsrichtung gesehen, einen sehr geringen Querschnitt aufweist, um dort den Wärmetransport möglichst stark zu hemmen, während die restlichen Querschnittsflächen des Distanzstücks größer ausfallen können.The shape of the cross-section is hardly important, so that in addition to a circular cross-section, an oval, rectangular, square or polygonal cross-section is also possible. It is important that the cross-sectional area is small compared to the length of the spacer. It can also be provided that the spacer has a very small cross-section at one point along its length, seen in the direction of excitation, in order to inhibit heat transport there as much as possible, while the remaining cross-sectional areas of the spacer can be larger.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors ist das Distanzstück als Hohlkörper ausgebildet. Wie zuvor bereits erläutert führt eine niedrige Querschnittsfläche des Distanzstücks zu einer niedrigen Wärmeleitung. Daher kann es von Vorteil sein, wenn die Querschnittsfläche durch eine Aushöhlung im Distanzstück verkleinert wird. Dazu kann für das Distanzstück ein Rundrohr oder Rechteckrohr verwendet werden, wobei die Enden des Distanzstücks verschlossen oder offen ausgeführt sein können. Da neben der Wärmeleitfähigkeit eines hohlen Distanzstücks auch die Masse verringert ist, verbessert sich gleichzeitig auch das Schwingverhalten des Distanzstücks, so dass Schwingungen zwischen Membran und Antrieb präziser aufgrund der verringerten Trägheiten übertragen werden können. Sofern die Enden des Distanzstücks verschlossen sind, kann das Distanzstück mit einem Medium mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel einem Gas, insbesondere einem chemisch inertem Gas oder einem Schutzgas oder mit Natrium, gefüllt sein, oder auch evakuiert sein.In a further preferred embodiment of the vibration sensor, the spacer is designed as a hollow body. As already explained, a small cross-sectional area of the spacer leads to low heat conduction. It can therefore be advantageous if the cross-sectional area is reduced by a hollow in the spacer. A round tube or rectangular tube can be used for this purpose for the spacer, whereby the ends of the spacer can be closed or open. Since the thermal conductivity of a hollow spacer is reduced as well as the mass, the vibration behavior of the spacer is also improved at the same time, so that vibrations between the membrane and the drive can be transmitted more precisely due to the reduced inertia. If the ends of the spacer are closed, the spacer can be filled with a medium with very low thermal conductivity, such as a gas, in particular a chemically inert gas or a protective gas or with sodium, or it can also be evacuated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors ist das Distanzstück in dem Gehäuse des Vibrationssensors schwingend gelagert. Je nach Länge des Distanzstücks kann es von Vorteil sein, wenn das Distanzstück nicht nur durch die Kopplung mit der Membran und dem Antrieb gelagert ist, sondern zusätzlich auch im Gehäuse gelagert ist. Da das Distanzstück den Schwingungen der Membran und dem Antrieb folgen können muss, sollte die Lagerung möglichst das Schwingen des Distanzstücks in Anregungsrichtung des Antriebs ermöglichen. Eine Bewegung des Distanzstücks quer zur Anregungsrichtung, beispielsweise aufgrund einer Durchbiegung des länglichen Distanzstücks, kann durch die Lagerung verhindert oder zumindest eingeschränkt werden.In a further preferred embodiment of the vibration sensor, the spacer is mounted in the housing of the vibration sensor in an oscillating manner. Depending on the length of the spacer, it can be advantageous if the spacer is not only mounted by the coupling with the membrane and the drive, but is also mounted in the housing. Since the spacer must be able to follow the vibrations of the membrane and the drive, the mounting should, if possible, enable the spacer to oscillate in the direction of excitation of the drive. Movement of the spacer transverse to the direction of excitation, for example due to deflection of the elongated spacer, can be prevented or at least limited by the mounting.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors ist das Distanzstück mithilfe von wenigstens einem Dämpfungselement im Gehäuse schwingend gelagert, wobei das Dämpfungselement vorzugsweise Schwingungen in einer Anregungsrichtung des Antriebs wesentlich weniger dämpft als orthogonal und/oder schräg zur Anregungsrichtung. Für die Erfassung von Füll- oder Grenzständen werden lediglich Schwingungen des Distanzstücks in Richtung der Anregungsrichtung und damit senkrecht zur Membran genutzt. Diese Schwingungen entlang der Anregungsrichtung werden auch Nutzmoden genannt. Alle anderen Schwingungen des Distanzstücks, die nicht in Richtung der Anregungsrichtung bzw. senkrecht zu der Membran stattfinden, können die Erfassung des Füll- oder Grenzstands durch den Vibrationssensor stören. Diese Schwingungen werden als Störmoden bezeichnet. Das Dämpfungselement dämpft also die Nutzmoden deutlich weniger stark als die Störmoden.In a further preferred embodiment of the vibration sensor, the spacer is mounted in the housing so that it can vibrate using at least one damping element, whereby the damping element preferably dampens vibrations in an excitation direction of the drive significantly less than orthogonal and/or oblique to the excitation direction. To detect fill or limit levels, only vibrations of the spacer in the direction of the excitation direction and thus perpendicular to the membrane are used. These vibrations along the excitation direction are also called useful modes. All other vibrations of the spacer that do not occur in the direction of the excitation direction or perpendicular to the membrane can interfere with the detection of the fill or limit level by the vibration sensor. These vibrations are referred to as interference modes. The damping element therefore dampens the useful modes significantly less than the interference modes.
Werden die Amplituden der Nutz- und Störmoden zum Vergleich herangezogen, so dämpft das Dämpfungselement die Amplituden der Nutzmoden vorzugsweise um einen Faktor 3, 5, 10 oder 20 weniger als die Amplituden der Störmoden. In einer bevorzugten Ausführungsform reduziert das Dämpfungselement die Amplituden der Nutzmoden weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3%, während die Amplituden der Störmoden wenigstens um 90%, vorzugsweise wenigstens um 95% reduziert werden.If the amplitudes of the wanted and spurious modes are used for comparison, the damping element preferably dampens the amplitudes of the wanted modes by a factor of 3, 5, 10 or 20 less than the amplitudes of the spurious modes. In a preferred embodiment, the damping element reduces the amplitudes of the wanted modes by less than 5%, preferably less than 3%, while the amplitudes of the spurious modes are reduced by at least 90%, preferably at least 95%.
Die Dämpfung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Dämpfungselement als Dämpfungsfeder ausgebildet ist. Eine besonders günstige Ausgestaltung der Dämpfungsfeder ist eine Membranfeder, da diese Bewegungen senkrecht zur Membranebene sehr gut zulässt und Bewegungen parallel zur Membranebene sehr gut dämpft. Wird eine solche Membranfeder nun parallel zur Membran des Vibrationssensors eingesetzt, so können die Nutzmoden senkrecht zur Ebene der Membranfeder wirken und werden damit annähernd nicht gedämpft, wohingegen die Störmoden allesamt hohe Bewegungsanteile orthogonal zur Anregungsrichtung und damit parallel zur Ebene der Membranfeder aufweisen, die daher stark gedämpft werden.The damping can be achieved, for example, by designing the damping element as a damping spring. A particularly advantageous design of the damping spring is a diaphragm spring, as this allows movements perpendicular to the diaphragm plane very well and dampens movements parallel to the diaphragm plane very well. If such a diaphragm spring is used parallel to the diaphragm of the vibration sensor, the useful modes can act perpendicular to the plane of the diaphragm spring and are therefore almost not damped, whereas the interference modes all have high movement components orthogonal to the direction of excitation and thus parallel to the plane of the diaphragm spring, which are therefore strongly damped.
Daher ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors das wenigstens eine Dämpfungselement als Membranfeder ausgeführt, deren Breite und Länge oder deren Durchmesser ein Vielfaches größer ist als deren Dicke.Therefore, in a further preferred embodiment of the vibration sensor, the at least one damping element is designed as a diaphragm spring whose width and length or whose diameter is many times greater than its thickness.
Es hat sich gezeigt, dass bei üblichen Vibrationssensoren und Dämpfungselementen in Form von Membranfedern aus Federstahl, insbesondere Federstahl 1.4310, Edelstahl, insbesondere Edelstahl 1.4301 oder Stahl, insbesondere Stahl C22, mit einer Dicke von 0,1 mm bis 1,0 mm sowie einem Außendurchmesser von 20 mm bis 50 mm gute Ergebnisse ermöglichen. Besonders gute Ergebnisse haben vollflächige Membranfedern mit einer Dicke von 0,2 mm gezeigt. Die Membranfedern können dabei als flache Zylinderscheibe ausgebildet sein, oder aber tellerförmig oder mit einer konzentrischen Wellenstruktur versehen sein.It has been shown that good results can be achieved with conventional vibration sensors and damping elements in the form of diaphragm springs made of spring steel, in particular spring steel 1.4310, stainless steel, in particular stainless steel 1.4301 or steel, in particular steel C22, with a thickness of 0.1 mm to 1.0 mm and an outer diameter of 20 mm to 50 mm. Full-surface diaphragm springs with a thickness of 0.2 mm have shown particularly good results. The diaphragm springs can be designed as a flat cylindrical disk, or be plate-shaped or have a concentric wave structure.
Es wurden ebenfalls gute Ergebnisse bezüglich der Dämpfungswirkung mit teilweise durchbrochenen Membranfedern mit einer Dicke von 0,4 mm erzielt. Daher weist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors das wenigstens eine Dämpfungselement in Form einer Membranfeder wenigstens eine Durchgangsöffnung in Richtung der Antriebsrichtung auf.Good results were also achieved with regard to the damping effect with partially perforated diaphragm springs with a thickness of 0.4 mm. Therefore, in a further preferred embodiment of the vibration sensor, the at least one damping element in the form of a diaphragm spring has at least one through-opening in the direction of the drive direction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Vibrationssensors weist das wenigstens eine Dämpfungselement einen Innenring zum Verbinden mit dem Distanzstück und einen Außenring zum Verbinden mit dem Gehäuse auf, wobei der Innenring mit dem Außenring über wenigstens einen, vorzugsweise vier Stege verbunden ist.In a further preferred embodiment of the vibration sensor, the at least one damping element has an inner ring for connection to the spacer and an outer ring for connection to the housing, wherein the inner ring is connected to the outer ring via at least one, preferably four webs.
Das Dämpfungselement weist einen Innenring auf, mittels dem es mittelbar oder unmittelbar mit dem Distanzstück verbindbar ist. Das Dämpfungselement kann auf diese Weise einfach mit dem schwingenden Distanzstück mit einem ausreichenden Abstand zur Membran des Vibrationssensors verbunden werden. Dadurch, dass das Dämpfungselement zu der Membran beabstandet angeordnet ist, wird ein verbessertes Dämpfungsverhalten für das Distanzstück erreicht, da das Distanzstück aufgrund der Kopplung mit der Membran einen Drehpunkt in der Ebene der Membran aufweist. Um diesen Drehpunkt können die Störmoden des Distanzstücks schwingen. Das Dämpfungselement weist jedoch durch den Abstand zur Membran einen verbesserten Angriffspunkt mit großem Hebel auf, so dass die Schwingungen der Störmoden effektiv gedämpft werden können.The damping element has an inner ring, by means of which it can be connected directly or indirectly to the spacer. In this way, the damping element can be easily connected to the vibrating spacer with a sufficient distance to the membrane of the vibration sensor. By arranging the damping element at a distance from the membrane, an improved damping behavior for the spacer is achieved, since the spacer has a pivot point in the plane of the membrane due to the coupling with the membrane. The interference modes of the However, due to the distance from the membrane, the damping element has an improved point of attack with a large lever, so that the vibrations of the disturbing modes can be effectively dampened.
Um die Dämpfungswirkung des Dämpfungselements noch weiter zu verbessern, kann dieses einen Außenring aufweisen, mittels dem es mit einem relativ zur Membran feststehenden Gehäuse des Vibrationssensors verbindbar ist. Der Außenring kann beispielsweise mit dem Gehäuse des Vibrationssensors verschweißt oder zwischen einem Absatz des Gehäuses und einer Einschraubhülse verklemmt werden. Vorzugsweise ist das Dämpfungselement mit dem Gehäuse verschweißt, wobei durch eine umlaufende Verschweißung eine besonders stabile Befestigung des Dämpfungselementes erreicht werden kann. Auf diese Weise wird eine Fixierung des Dämpfungselements sowohl in Axial- als auch in Radialrichtung erreicht, wodurch eine Dämpfungswirkung weiter verbessert werden kann. Die Verbindung kann auch über einen Sinterprozess oder ein Metallpulverspritzguss-Verfahren (engl.: metal injection moulding, kurz MIM-Verfahren) hergestellt werden, wobei dabei dieselben Vorteile bestehen, wie beim Verschweißen.In order to further improve the damping effect of the damping element, it can have an outer ring by means of which it can be connected to a housing of the vibration sensor that is fixed relative to the membrane. The outer ring can, for example, be welded to the housing of the vibration sensor or clamped between a shoulder of the housing and a screw-in sleeve. The damping element is preferably welded to the housing, whereby a particularly stable fastening of the damping element can be achieved by means of a circumferential weld. In this way, the damping element is fixed in both the axial and radial directions, which can further improve the damping effect. The connection can also be made using a sintering process or a metal injection molding process (MIM process for short), which offers the same advantages as welding.
An dem Innenring können eine Mehrzahl von federnden Stegen angeordnet sein, die sich wenigstens abschnittsweise in Radialrichtung erstrecken. Durch eine Ausgestaltung der Membranfeder mit solchen federnden Stegen kann eine Dämpfungscharakteristik der Membranfeder beeinflusst werden. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die Membranfeder derart auszugestalten, dass sie in unterschiedlichen Richtungen in der Membranebene unterschiedlich stark dämpft. Eine besonders einfache Handhabung von mit Stegen ausgebildeten Membranfedern ergibt sich, wenn sich die Stege von dem Innenring zu dem Außenring erstrecken. Die Federstege können sich insbesondere radial, spiral- oder mäanderförmig erstrecken.A plurality of resilient webs can be arranged on the inner ring, which extend at least in sections in the radial direction. By designing the diaphragm spring with such resilient webs, a damping characteristic of the diaphragm spring can be influenced. In particular, it is possible in this way to design the diaphragm spring in such a way that it dampens to different degrees in different directions in the diaphragm plane. Diaphragm springs designed with webs are particularly easy to handle if the webs extend from the inner ring to the outer ring. The spring webs can extend in particular radially, spirally or meanderingly.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform sind an dem Innenring vier Stege rechtwinklig zueinander angeordnet, wobei jeweils zwei gegenüberliegend angeordnete Stege identische Abmessungen aufweisen. Eine solche symmetrische Ausgestaltungsform ist sinnvoll, da Vibrationssensoren der zugrunde liegenden Art typischerweise rotationssymmetrisch aufgebaut sind. Ferner ist es dadurch möglich, die Membranfeder so auszugestalten, dass sie beispielsweise in einer Vorzugsrichtung auftretende Störmoden besonders gut dämpfen kann.In a preferred embodiment, four webs are arranged at right angles to one another on the inner ring, with two opposite webs having identical dimensions. Such a symmetrical embodiment is useful because vibration sensors of the type in question are typically constructed rotationally symmetrically. It also makes it possible to design the diaphragm spring in such a way that it can dampen interference modes occurring in a preferred direction particularly well, for example.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zwei in Richtung einer Verbindungslinie von zwei, an der Membran an einer dem Antrieb gegenüberliegenden Seite angeordneten Seite mechanischen Schwingungselementen verlaufende erste Stege breiter ausgebildet sind als die zwei dazu senkrecht verlaufenden zweiten Stege. Da als mechanische Schwingungselemente typischerweise parallel zueinander ausgerichtete Paddel zum Einsatz kommen, die senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen ihren Ansatzpunkten an der Membran ausgerichtet sind, treten bestimmte Störmoden bevorzugt in Richtung der Verbindungslinien der Befestigungspunkte dieser mechanischen Schwinger auf. Um diese Störmoden besonders effektiv abdämpfen zu können, ist es sinnvoll, wenn die entsprechenden Stege stärker, insbesondere breiter, ausgebildet sind. Beispielsweise können die ersten Stege eine Breite von 6 mm und die zweiten Stege eine Breite von 4 mm aufweisen, wobei die Stege bei typischen Vibrationssensoren typischerweise eine Länge zwischen 3 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 3,5 mm und 4,5 mm aufweisen.This can be achieved, for example, by making two first webs running in the direction of a connecting line between two mechanical vibration elements arranged on the membrane on a side opposite the drive wider than the two second webs running perpendicular to them. Since paddles that are aligned parallel to one another and perpendicular to the connecting line between their attachment points on the membrane are typically used as mechanical vibration elements, certain interference modes occur preferentially in the direction of the connecting lines of the attachment points of these mechanical oscillators. In order to be able to dampen these interference modes particularly effectively, it is useful if the corresponding webs are made stronger, in particular wider. For example, the first webs can have a width of 6 mm and the second webs a width of 4 mm, with the webs in typical vibration sensors typically having a length between 3 mm and 5 mm, in particular between 3.5 mm and 4.5 mm.
Je nach Geometrie des Distanzstücks kann es von Vorteil sein, wenn ein Dämpfungselement auf der Hälfte der Länge des Distanzstücks angeordnet ist, wobei die Länge des Distanzstücks entlang der Anregungsrichtung des Antriebs gemessen wird. Auf diese Weise wird die erste Schwing-Mode des Distanzstücks effektiv durch das Dämpfungselement gedämpft. Um die darauffolgende zweite Mode, dritte Mode, vierte Mode usw. effektiv zu dämpfen, können weitere Dämpfungselemente entlang der Länge des Distanzstücks vorgesehen werden, die jeweils an den Orten der Amplituden der verschiedenen Moden angeordnet sind.Depending on the geometry of the spacer, it may be advantageous if a damping element is arranged halfway along the length of the spacer, with the length of the spacer being measured along the excitation direction of the drive. In this way, the first vibration mode of the spacer is effectively damped by the damping element. In order to effectively dampen the subsequent second mode, third mode, fourth mode, etc., further damping elements can be provided along the length of the spacer, each arranged at the locations of the amplitudes of the various modes.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung eines Vibrationssensors, angeordnet in einer Öffnung eines Behältnisses mit einem durch ein Distanzstück thermisch entkoppelten Antrieb, -
2 ein Dämpfungselement ausgeführt als Membranfeder in einer Draufsicht, -
3 ein durch zwei Dämpfungselemente in einem Gehäuse eines Vibrationssensors schwingend gelagertes Distanzstück.
-
1 a sectional view of a vibration sensor arranged in an opening of a container with a drive thermally decoupled by a spacer, -
2 a damping element designed as a diaphragm spring in a plan view, -
3 a spacer that is mounted in a vibration sensor housing by two damping elements.
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures, unless otherwise stated, the same reference symbols designate the same components with the same function.
Der Antrieb 5 des Vibrationssensors 1 ist über das Distanzstück 4 mechanisch mit einer Membran 6 gekoppelt. An der Membran 6 sind zwei mechanische Schwinger 7 angeordnet, die nach Art einer Schwinggabel schwingen können. Um die mechanischen Schwinger 7 in Schwingung zu versetzen kann der Antrieb 5 das Distanzstück 4 in einer Anregungsrichtung A des Antriebs 5 oszillierend vor und zurück bewegen. Diese oszillierende Bewegung des Distanzstücks 4 wird auf die Membran 6 übertragen die dann wiederum die mechanischen Schwinger 7 zum Schwingen anregt. Umgekehrt können auf diesem Weg auch Schwingungen der mechanischen Schwinger 7 auf den Antrieb 5 übertragen werden. Das Schwingverhalten der mechanischen Schwinger 7 hängt stark von der Dichte des die mechanischen Schwinger 7 umgebenden Mediums ab. Tauchen die mechanischen Schwinger 7 in ein im Behältnis 3 vorhandenes Füllgut 10, in diesem Fall flüssigen Wasserstoff, ein, dessen Dichte deutlich höher liegt als des ansonsten in dem Behältnis befindlichen gasförmigen Wasserstoffs, so ändert sich das Schwingverhalten, was wiederum über den Antrieb 5 detektiert werden kann. Auf diese Weise kann der Füllstand oder Grenzstand des Füllguts 10 im Behältnis 3 erfasst werden.The
Das Distanzstück 4 ist mithilfe von zwei Dämpfungselementen 8 schwingend in einem zylinderförmig ausgebildeten Gehäuse 9 des Vibrationssensors 1 gelagert. Die Dämpfungselemente 8 ermöglichen es dem Distanzstück 4 sich entlang der Anregungsrichtung A des Antriebs 5 zu bewegen, ohne die Bewegung in Anregungsrichtung A sonderlich zu Dämpfen. Eine Bewegung des Distanzstücks 4 quer zu der Anregungsrichtung A wird jedoch von dem Dämpfungselementen 8 weitestgehend gedämpft bzw. verhindert.The
Durch das Distanzstück 4 kann der Antrieb 5 deutlich beabstandet zur Membran 6 bzw. den mechanischen Schwingern 7 innerhalb des Gehäuses 9 des Vibrationssensors 1 angeordnet werden. Das Distanzstück 4 kann durch seinen geringen Querschnitt und seine große Länge nur wenig Wärme leiten, so dass auf diese Weise der Antrieb 5 im Wesentlichen thermisch entkoppelt von der Membran 6 angeordnet ist. Für den Anwendungsfall eines Vibrationssensors 1 für flüssigen Wasserstoff als Füllgut 10, liegt die Länge des Distanzstücks 4 in einem Bereich von 5 bis 45 cm, während der Durchmesser 3 bis 10 mm beträgt, insbesondere weist das Distanzstück 4 eine Länge von 10 cm und einen Durchmesser von 5 mm auf. Zusätzlich ist das Gehäuse 9 des Vibrationssensors 1 derart in der Öffnung 2 des Behältnisses 3 befestigt, dass die Membran 6 mit den mechanischen Schwingern 7 innerhalb des Behältnisses 3 angeordnet sind, während der Antrieb 5 außerhalb des Behältnisses 3 angeordnet ist. In dieser Anordnung wird möglichst wenig Wärme oder Kälte vom Füllgut 10 auf den Antrieb 5 übertragen, so dass der Vibrationssensor 1 auch für Füllgüter 10 mit sehr hohen Temperaturen wie beispielsweise über +200°C oder sehr niedrigen Temperaturen wie beispielsweise unter -200°C eingesetzt werden kann, ohne dass dabei der Antrieb 5 außerhalb seines zulässigen Temperaturbereichs wie beispielsweise ± 100°C betrieben werden müsste.The
Es ist sowohl ein erster Wärmeleitungspfad W1 von der Membran 6 zum Antrieb 5 als auch ein zweiter Wärmeleitungspfad W2 von der Membran 6 zu einer Umgebung des Gehäuses 9 eingezeichnet. Dabei verläuft der erste Wärmeleitungspfad W1 über das Distanzstück 4, und der zweite Wärmeleitungspfad W2 über das Gehäuse 9. Die beiden Wärmeleitungspfade W1 und W2 weisen unterschiedliche thermische Widerstände auf. Der thermische Widerstand des ersten Wärmeleitungspfades W1 ist durch die geometrische Ausgestaltung des Distanzstücks 4 und durch dessen Materialeigenschaften gegenüber dem thermischen Widerstand des zweiten Wärmeleitungspfades W2 erhöht.Both a first heat conduction path W1 from the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- VibrationssensorVibration sensor
- 22
- Öffnungopening
- 33
- Behältniscontainer
- 44
- DistanzstückSpacer
- 55
- Antriebdrive
- 66
- Membranmembrane
- 77
- mechanischer Schwingermechanical oscillator
- 88th
- DämpfungselementDamping element
- 99
- GehäuseHousing
- 1010
- FüllgutFilling material
- 1111
- DurchgangsöffnungPassage opening
- 1212
- AußenringOuter ring
- 1313
- InnenringInner ring
- 1414
- Stegweb
- 1515
- Einschraubhülse Screw-in sleeve
- AA
- Anregungsrichtung des AntriebsExcitation direction of the drive
- W1W1
- erster Wärmeleitungspfadfirst heat conduction path
- W2W2
- zweiter Wärmeleitungspfadsecond heat conduction path
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022127929.4A DE102022127929A1 (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Vibration sensor with spacer for thermal decoupling of the drive |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022127929.4A DE102022127929A1 (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Vibration sensor with spacer for thermal decoupling of the drive |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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