EP4710073A1 - Vibronischer sensor sowie verfahren zum betreiben eines solchen sensors - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibronischen Sensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), einem an der Membran (5) angeordnete mechanische Schwin- gungseinheit (11) zur Übertragung von Schwingungen der Membran (5) auf ein mechanische Schwingungseinheit (11) umgebendes Medium, wobei eine Reso- nanzfrequenz der die mechanische Schwingungseinheit (11) abhängig von dem sie umgebenden Medium ist, wobei der piezoelektrische Antrieb wenigsten ein Piezo- element (37) und Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezoelements (37) aufweist, wobei der Antrieb (3) gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb (3) beanstandet umgebenden Hülle (9) und einer isolierenden gasförmige oder flüssige Füllung (7), wobei die Füllung (7) eine elektrische Durch- bruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist.

Description

Vibronischer Sensor sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vibronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors.

In der Prozess- und Fabrikautomation werden zur Überwachung und zur Steuerung von Prozessen, elektronische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können beispielsweise zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern eingesetzt werden.

Eine weit verbreitete Gattung solcher Sensoren stellen vibronische Sensoren dar. Vibronische Sensoren zur Detektion von Füllständen oder Grenzständen arbeiten durch das Anregen einer mechanische Schwingungseinheit mit deren Resonanzfrequenz. Das Bedecken des Schwingelements durch eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut ändert dessen Resonanzfrequenz. Durch Überschreiten eines vorgegebenen Wertes dieser Änderung wird ein Schaltbefehl generiert.

Vibronische Sensoren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter oder zur Ermittlung der Dichte eines Mediums im Behälter, weisen ein Gehäuse, eine Membran, eine mechanische Schwingungseinheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, im Folgenden auch kurz als Antrieb bezeichnet, und eine Regel-/Auswerteeinheit, im Folgenden auch kurz als Sensorelektronik bezeichnet, auf. Die Membran verschließt ein stirnseitiges Ende des Gehäuses und die mechanische Schwingungseinheit ist an der Membran angeordnet, wobei der Antrieb im Inneren des Gehäuses so angeordnet ist, dass er die Membran und die mechanische Schwingungseinheit in Schwingungen versetzt und deren Schwingungen erfasst und die Sensorelektronik aus den erfassten Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes oder die Dichte des Mediums feststellt.

Solche Schwingungsdetektoren sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Die mechanische Schwingungseinheit kann eine Membran, ein an der Membran befestigter Schwingstab oder eine an der Membran befestigte Schwinggabel sein. Die Membran wird über einen elektromechanischen Wandler, z. B. ein piezoelektrisches Element, in Schwingung versetzt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt die an der Membran befestigte mechanische Schwingungseinheit ebenfalls Schwingungen aus.

Als Füllstandmessgeräte ausgeführte Schwingungsdetektoren machen sich den Effekt zunutze, dass die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude vom jeweiligen Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit abhängig sind: Während die mechanische Schwingungseinheit in Luft ihre Schwingungen frei und ungedämpft ausführen kann, erfährt sie eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald sie teilweise oder ganz in das Füllgut eintaucht. Aus einer vorbestimmten Frequenzänderung (typischerweise wird nicht die Amplitude, sondern die Frequenz gemessen) lässt sich somit eindeutig ableiten, ob ein vorbestimmter Füllstand eines Produktes im Behälter erreicht ist. Füllstandmessgeräte dieser Art werden darüber hinaus vor allem als Mittel zur Sicherung gegen Überfüllung oder zur Verhinderung des Leerlaufs einer Pumpe eingesetzt.

Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des schwingfähigen Elements auch von der Dichte des jeweiligen Produkts beeinflusst. Bei konstantem Überdeckungsgrad des mindestens einen schwingfähigen Elements besteht ein Zusammenhang mit der Dichte des Produktes, so dass sich Schwingungsdetektoren sowohl für die Erfassung eines vorgegebenen Grenzstandes als auch für die Erfassung der Dichte hervorragend eignen.

In der Praxis werden zur Überwachung und Detektion des Füllstandes bzw. der Dichte des Produktes im Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und in elektrische Empfangssignale umgewandelt. Dazu wird typischerweise wenigstens ein piezoelektrisches Element verwendet. Die elektrischen Empfangssignale werden dann von einer Auswerteelektronik ausgewertet. Bei der Füllstandbestimmung überwacht die Auswerteelektronik die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit und signalisiert den Zustand "Sensor bedeckt" oder "Sensor unbedeckt", sobald die Messwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Dies kann dem Bedienpersonal entsprechend visuell und/oder akustisch gemeldet werden. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst und z.B. ein Zu- oder Abflussventil am Behälter geöffnet oder geschlossen. Als elektromechanische Wandler der Antriebseinheit eines solchen Sensor kommen überwiegend piezokeramische Elemente zum Einsatz. Hierzu sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Weit verbreitet sind geschraubte Stapelantriebe, bei denen die Piezoaktoren durch eine geschraubte Befestigung fixiert werden, sowie geklebte Antriebe, bei denen ein Piezoelement mit der Membran verklebt ist.

Um solche piezokeramischen Elemente als elektromechanische Wandler im Antrieb nutzen zu können müssen diese zunächst polarisiert werden. Zur Polarisation solcher Piezokeramiken sind hohe elektrische Felder im Bereich von 3000 V/mm und mehr nötig.

Bei keramischen Piezoelementen sind die internen Dipole nach dem Sinterprozess noch ungeordnet, weshalb sich keine piezoelektrischen Eigenschaften zeigen. Die Weissschen Bezirke oder Domänen besitzen eine willkürliche räumliche Orientierung und gleichen sich gegenseitig aus. Durch eine Polarisation des Piezoelements mittels eins äußeren elektrischen Gleichfelds werden die einzelnen Dipolmomente ausgerichtet. Das Material kann dabei bis knapp unter die Curie-Temperatur erwärmt und wieder abgekühlt werden, wodurch der vorgenannte Effekt noch verstärkt wird. Die eingeprägte Orientierung bleibt nach der Polarisation zu einem Teil erhalten (remanente Polarisation) und wird als Polarisationsrichtung bezeichnet.

Solche Antriebe können grundsätzlich bei Prozesstemperaturen bis über 300°C zum Einsatz kommen. Bei diesen hohen Prozesstemperaturen treten bereits Depolarisationserscheinungen der verwendeten Piezokeramiken auf, die die Antriebsleistung des Sensors verringern. Ebenso können etwaige Überschwinger der Prozesstemperatur für eine weitere Depolarisation sorgen. Solche Depolarisationserscheinungen können daneben auch über Alterserscheinungen von Sensoren auftreten.

Durch eine Depolaristation der Piezoelemente des Antriebs verliert dieser mit der Zeit an Leistung, d.h. bei gleicher aufgewendeter elektrischer Energie wird weniger mechanische Energie erzeugt und umgekehrt. Das bedeutet, dass die mechanische Schwingungseinheit mit weniger mechanischer Energie zu Schwingungen angeregt wird und folglich mit einer geringeren Amplitude schwingt. Ferner bedeutet das, dass auch eine geringere Amplitude für die Detektion der Schwingung zur Verfügung steht und dadurch nur ein kleineres elektrisches Signal zur Schwingungsdetektion zur Verfügung steht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Konzept für einen Aufbau eines vibronischen Füllstandsensors vorzuschlagen, welches einen dauerhaften Betrieb des Sensors bei gleichbleibender Signalqualität ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. 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 miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.

Ein erfindungsgemäßer vibronischer Sensor mit einer in Schwingung versetzbaren Membran, einem piezoelektrischen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran, einem an der Membran angeordnete mechanische Schwingungseinheit zur Übertragung von Schwingungen der Membran auf ein mechanische Schwingungseinheit umgebendes Medium. Eine Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit ist abhängig von dem sie umgebenden Medium. Der piezoelektrische Antrieb weist wenigsten ein Piezoelement und Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezoelements auf. Erfindungsgemäß zeichnet sich vibronische Sensor dadurch aus, dass der Antrieb gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb beanstandet umgebenden Hülle und einer isolierenden gasförmige oder flüssige Füllung, wobei die Füllung eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist es, dass der Antrieb des vibronischen Sensors gekapselt ausgeführt und mit einem isolierenden Medium gefüllt ist, das eine Durchbruchfeldstärke von wenigstens 3 kV/mm aufweist. Beträgt eine an ein Piezoelement angelegte Feldstärke 3 kV/mm, so kann das Piezoelement neu Polarisiert werden. Alterungs- und Degradationseffekte, die durch zu hohe Temperaturen, Alterung oder zu große mechanische Beanspruchungen auftreten, können durch eine neue Polarisation des Piezos behoben werden, sodass eine erhöhte Standzeit des Sensors und - wenn eine Depolarisation bewusst in Kauf genommen wird - auch ein größeres Betriebsfenster erzielt werden kann. Das bedeutet, dass der Sensor bspw. bei höheren Temperaturen eingesetzt werden kann, da eine dadurch auftretende Depolarisation des Piezomaterials und eine damit einhergehende sinkende Performance des Antriebs durch eine rechtzeitige Neupolarisation wieder behoben werden kann.

Gekapselt soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung bedeuten, dass der Antrieb in einer geschlossenen und mit einem Isolator gefüllten Hülle angeordnet ist. Die Hülle umschließt den Antrieb in Umfangsrichtung, schließt in rückseitig ab und ist vorderseitig durch die Membran ebenfalls abgeschlossen.

Durch eine Isolation mit einer Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm ist sichergestellt, dass bei Anlegen eines für eine Neupolarisation ausreichenden elektrischen Feldes kein Überschlag erfolgt, der zu einer Beschädigung des Piezomaterials oder der elektrischen Kontakte, bspw. durch Abbrand an den Elektroden, führen würde.

Neupolarisation bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das betroffene Piezoe- lement mit einer ausreichend großen Feldstärke beaufschlagt wird, um eine Sättigungspolarisation des piezoelektrischen Materials zu erreichen. Liegt diese Sättigungsfeldstärke für eine Polarisationszeit an, so verbleibt nach abschalten des elektrischen Feldes eine remanente Polarisation, mit der das Piezoelement remanent, also verbleibend, polarisiert werden kann.

Eine Flüssigkeit oder ein Gas als Isolator in der Hülle hat gegenüber einem Verguss oder einem Feststoff als Isolator den Vorteil, dass Gase und Flüssigkeiten die dynamischen Eigenschaften des Sensors nur in reduziertem Maße beeinflussen. Vergussmassen dämpfen die Bewegung des Antriebs und der Membran in einem zu großen Ausmaß, sodass diese in der Praxis nicht eingesetzt werden können. Bei der Verwendung von Isolierflüssigkeiten kann eine vereinfachte Abdichtung der Hülle erreicht werden und auch eine Diffusion ist verhindert.

In einer Weiterbildung zeichnet sich der vibronische Sensor dadurch aus, dass als Isolator eine Flüssigkeit ist und im speziellen ein Mineralöl, insbesondere Transformatorenöl, insbesondere gesättigte Pentaerythrit-tetrafettsäureester, aufweist, und vorzugsweise daraus besteht. Die Anreicherung der Isolationsflüssigkeit mit den vorgenannten Stoffen erhöht die Durchschlagfestigkeit. Transformatorenöle sind aus der Anwendung in flüssigkeitsisolierten Transformatoren bekannt und gut erprobt. Transformatorenöle sind daher auch auf dem Markt verfügbar und hinsichtlich ihrer chemischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften gut erforscht.

Vorzugsweise ist das Flüssigkeitsvolumen innerhalb der Hülle so gering wie möglich, erfüllt aber die notwendigen Isolationsanforderungen. Das bedeutet, dass die Abstände der Hülle zu den Elektroden so gewählt, dass bei Befüllung der Hülle mit dem Isolator auch zur Hülle und Membran Durchschläge verhindert werden. Die Flüssigkeit weist vorzugweise ein Volumen von maximal 2 ml auf. Vorzugsweise beträgt das Volumen 0,3-1, 4 ml, abhängig von der weiteren technischen Ausführung. Besonders bevorzugt beträgt das Volumen 1 ml.

Um eine ausreichend hohe Feldstärke für eine Neupolarisation des Piezos erzeugen zu können, weist der Sensor eine Hochspannungselektronik zur Bereitstellung einer Polarisationsspannung auf.

Die Hochspannungselektronik kann dabei zuschaltbar und abschaltbar ausgestaltet sein, sodass der Sensor weiterhin energiesparend betrieben werden kann und die für die Hochspannungselektronik notwendige Energie nur dann verbraucht wird, wenn eine Polarisation des Piezomaterials notwendig ist.

Insbesondere kann die Hochspannungselektronik eine Spannungserhöherschaltung aufweisen. Die Spannungserhöherschaltung dient dazu, aus einer Versorgungsspannung des vibronischen Sensors die für die Neupolarisation des Piezomaterials notwendige Hochspannung zur Erzeugung der Sättigungsfeldstärke zu erzeugen.

Die Spannungserhöherschaltung kann insbesondere als Halbleiterschaltung, vorzugsweise als Spannungsvervielfacher, Aufwärtswandler oder Ladungspumpe oder als eine Kombination aus diesen Schaltungen ausgebildet sein. Da vibronische Sensoren häufig als Zweileitersensoren ausgebildet sind, die gemäß dem 4-20 mA Standard mit Energie versorgt werden, ist eine zur Verfügung stehende Versorgungsenergie begrenzt. Die Versorgungsspannung ist bei solchen Zweileitersensoren typischerweise in einem Bereich von 12-48 V und muss dann mittels einer geeigneten Schaltungsanordnung erhöht werden.

Unter einem Zweileitersensor oder Zweileiter-Feldgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feldgerät verstanden, das über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl eine Energieversorgung als auch eine Messwertübermittlung stattfindet.

Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Zweileiter-Feldgerät und der übergeordneten Einheiten erfolgt dabei nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife, d.h. eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus- PA-Protokoll genannt.

Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.

Bei Zweileiter-Feldgeräten ist die zur Verfügung stehende Eingangsleistung erheblich beschränkt. Die Elektronik im Feldgerät muss so ausgelegt sein, dass sie auch bei einem minimalen Signalstrom von 4 mA noch zuverlässig arbeitet. Hierin besteht auch bei einer Neupolarisation von Piezoelementen ein große Herausforderung.

Um eine sukzessive Speicherung zur Verfügung stehender Energie zu ermöglichen, ist es sinnvoll, wenn die Hochspannungselektronik einen Energiezwischenspeicher, insbesondere einen Kondensator zur Zwischenspeicherung der Polarisationsspannung aufweist. Mittels eines solchen Kondensators kann Energie für die Polarisation aus Phasen, in denen der Sensor einen verringerten Energieverbrauch aufweist, gepuffert und anschließend für die Polarisation verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Hochspannungselektronik derart ausgebildet, dass eine Polarisationsspannung für eine Feldstärke von wenigstens 3 kV/mm für eine Polarisationsdauer, insbesondere für wenigstens 30 s, insbesondere 30-60 s, zur Verfügung steht. Eine Dauer von wenigstens 30 s ist in der Regel ausreichend um eine Ausrichtung der depolarisierten Bereiche zu erreichen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines vibronischen Sensors, mit einer in Schwingung versetzbaren Membran, einem piezoelektrischen Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran, eine an der Membran angeordnete mechanische Schwingungseinheit zur Übertragung von Schwingungen der Membran auf ein mechanische Schwingungseinheit umgebendes Medium, wobei eine Resonanzfrequenz der die mechanische Schwingungseinheit abhängig von dem sie umgebenden Medium ist, wobei der piezoelektrische Antrieb wenigstens ein Piezoelement und Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezoelements aufweist, und der Antrieb gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb beanstandet umgebenden Hülle und einer isolierenden gasförmigen oder flüssigen Füllung, wobei die Füllung eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Neupolarisation des wenigstens einen Piezoelements während eines Betriebs des vibronischen Sensors durchgeführt wird.

Der vibronische Sensor kann insbesondere gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgestaltet sein.

Kern des vorliegenden Verfahrens zum Betreiben eines vibronischen Sensors ist es also, dass während eines Betriebs des Sensors eine Neupolarisation des wenigstens einen Piezoelements durchgeführt wird.

Es sei an dieser Stelle betont, dass eine Neupolarisation im Sinne der vorliegenden Anmeldung insbesondere das Anlegen eines elektrischen Feldes derart, dass eine bereits vorhandene Polarisation des Piezoelements, d.h. eine bereits vorhandene Polarisationsrichtung, verstärkt wird, bedeutet. Das bedeutet insbesondere nicht, dass es für eine Neupolarisation, wie sie vorliegend verstanden werden soll, notwendig ist, die vorhandene Polarisation zunächst durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu löschen, bevor ein elektrisches Feld zur Neupolarisation angelegt wird.

Um den vorliegenden vibronischen Sensor möglichst energiesparend und gleichzeitig effizient betreiben zu können, ist es sinnvoll, die vorgeschlagenen Neupolarisation nicht nach einem bloßen Zeitschema durchzuführen, bspw. alle x-Betriebs- stunden, sondern zusätzlich oder alternativ eine Kenngröße des Sensors zu überwachen, wobei bei Unterschreiten oder Überschreiten eines Schwellwerts der überwachten Kenngröße die Neupolarisation ausgelöst wird.

Auf diese Weise kann in der einen Variante sichergestellt werden, dass eine Neupolarisation auch dann durchgeführt wird, wenn bspw. das vorgegebene Zeitschema noch keine Neupolarisation vorsehen würde. Das steigert die Verfügbarkeit und Effizienz des Sensors. In der anderen Variante kann aber auch sichergestellt werden, dass der Sensor möglichst energiesparsam betrieben wird, indem eine Polarisation nur dann durchgeführt wird, wenn es aufgrund der überwachten Kenngröße notwendig ist.

Geeignete Kenngrößen können bspw. eine Amplitude der erzeugten Schwingungen, eine Frequenz oder das Ergebnis einer Impedanzspektroskopie oder auch Kombinationen daraus sein.

Sinkt bei bekannten Rahmenbedingungen, bspw. wenn der Sensor bei einer bekannten Temperatur frei in Luft schwingt, die Schwingungsamplitude, so kann dies auf eine Depolarisation der Piezoelemente des Antriebs zurückzuführen sein und durch eine Neupolarisation behoben werden. Ist die Schwingungsamplitude nach einer Neupolarisation immer noch reduziert, so kann das auf andere Probleme, bspw. Anbackungen und eine dadurch erhöhte Masse der mechanischen Schwingungseinheit zurückzuführen sein.

Mittels einer Impedanzspektroskopie, d.h. einer Bestimmung des Wechselstromwiderstandes der Piezoelemente in Abhängigkeit von einer Frequenz der angelegten Wechselspannung kann ebenfalls auf die Polarisation der Piezoelemente zurückgeschlossen werden. Die Neupolarisation der Piezoelemente kann insbesondere folgende Schritte umfassen :

- Aktivieren einer Hochspannungselektronik,

- Zwischenspeichern von Energie in einem Energiezwischenspeicher,

- Erhöhen einer Eingangsspannung in der Hochspannungselektronik bis zu der Polarisationsspannung,

- Anlegen der Polarisationsspannung an das wenigstens eine Piezoelement für eine Polarisationsdauer.

Wenn eine Neupolarisation durchgeführt werden soll, wird die Hochspannungselektronik aktiviert und anschließend Energie in dem Energiezwischenspeicher gesammelt. Ist eine ausreichende Energiemenge für eine Neupolarisation vorhanden, so erfolgt die Umsetzung in auf die für die Neupolarisation notwendige Polarisationsspannung im Hochspannungsbereich und das Anlegen der Polarisationsspannung an das wenigstens eine Piezoelement für eine vorgegebene Polarisationsdauer. Die notwendige Polarisationsspannung ist von dem verwendeten Piezoma- terial und der Dicke der Piezoelemente abhängig. Ist beides bekannt, kann eine für die Neupolarisation notwendige Feldstärke bestimmt werden, sodass dann die notwendige Polarisationsspannung ermittelt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines vibronischen Sensors,

Figur 2 die Polarisation eine Piezomaterials abhängig von einem angelegten elektrischen Feld,

Figur 3 das mechanische Verhalten eines Piezoelements abhängig von einem angelegten elektrischen Feld und

Figur 4 stark vereinfacht das Verhalten der Polarisation eines Piezomaterials abhängig von der Temperatur. In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vibronischen Sensors gemäß der vorliegenden Anmeldung.

Der vibronische Sensor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem in einem rückseitigen Teil eine Sensorelektronik 30, die vorliegend nur schematisch dargestellt ist, angeordnet ist. Die Sensorelektronik 30 ist als Regel- und Auswerteeinheit ausgestaltet, die im normalen Betrieb des vibronischen Sensors 1 die Regelung eine in einem vorderseitigen Teil des Gehäuses 2 angeordneten Antriebs 3 und die Auswertung der Sensorsignale übernimmt. Der Antrieb 3 ist vorliegend als Piezosta- pelantrieb mit zwei Piezoelementen 37 als elektromechanische Wandler zur Erzeugung einer Bewegung auf Basis einer an dem Antrieb 31 angelegten Spannung, ausgebildet.

Der Antrieb solcher vibronischer Sensoren 1 basiert in der Regel auf Piezokerami- ken, die als elektromechanische Wandler eingesetzt werden. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) stellt hierbei die gängige Materialklasse dar. Um solche Keramiken als Pie- zoelement 37 in Antrieb nutzen zu können, müssen diese zunächst polarisiert werden. Zur Polarisation solcher Piezokeramiken sind hohe elektrische Felder im Bereich von 3000 V/mm und mehr nötig.

Der vibronische Sensor 1 ist vorliegend derart ausgestaltet, dass er in der Lage ist die Piezoelemente 37 des Antriebs 31 nach Depolarisationserscheinungen neu zu polarisieren. Hierfür weist der vibronische Sensor 1 verschiedene Komponenten auf, die nachfolgend näher erläutert werden.

Zum einen ist der Antrieb 3 gekapselt ausgeführt. Der Antrieb ist dafür ein einer beabstandet zu dem Antrieb 3 angeordneten Hülle 9 angeordnet, die geeignet ausgestaltet ist, eine isolierende Füllung 7, vorliegend einen flüssigen Isolator in Form eines isolierenden Öls aufzunehmen. Zusätzlich ist ein vorderer Abschnitt des Gehäuses 2 mittels einer Abtrennung 35 vom Rest des Gehäuses abgetrennt. Auf diese Weise können bspw. weitere Anforderungen an den Explosionsschutz erfüllt werden. Der Antrieb 3 ist durch Kabel 33 mit einer Hochspannungselektronik 34 verbunden, die eine für eine Neupolarisation der Piezoelemente 37 notwendige Hochspannung im Bereich von 3000 V ausgangsseitig zur Verfügung stellen kann. Über die Hochspannungselektronik 34 ist der Antrieb 31 ferner mit der Sensorelektronik 30 verbunden, die die normale Sensorfunktion übernimmt. Zusätzlich zu der normalen Sensorfunktion, also insbesondere der Grenzstandüberwachung ist die Sensorelektronik 30 geeignet ausgebildet, eine Impedanzspektroskopie der Piezoelemente 37 des Antriebs 3 durchzuführen.

Die Hochspannungselektronik ist so ausgestaltet, dass sie nur dann aktiv ist, wenn eine Neupolarisation der Piezoelemente des Antriebs 3 erfolgen soll, d.h. die Hochspannungselektronik ist im normalen Messbetrieb des Sensors 1 inaktiv.

Für die Neupolarisation kann der Messbetrieb des Sensors 1 kurz unterbrochen werden. Die Hochspannungserzeugung und das Anlegen der Hochspannung an den Antrieb kann folglich zugeschaltet und abgeschaltet werden. Die Erzeugung der Hochspannung kann beispielsweise durch einen Aufwärtswandler in der Hochspannungselektronik 34 durchgeführt werden, ist aber nicht auf diese Methode beschränkt.

Die Hochspannungselektronik 34 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Energiespeicher, in Form eines Kondensators auf, der mit der Hochspannung geladen wird. Bei Erreichen eines ausreichenden Ladestands wird der Kondensator mit dem Antrieb 3 verbunden und es werden dadurch die Piezoelemente 37 mit der Hochspannung in Höhe der Polarisationsspannung beaufschlagt. Die benötigten Komponenten müssen hierzu eine möglichst hohe Spannungsfestigkeit aufweisen. Weiterhin müssen bei der Konzeption des Aufbaus auch Abstände der Komponenten und Leiterbahnen an sich eingehalten werden um Überschläge zu vermeiden.

Figur 2 zeigt die klassische Polarisationskurve eines Piezoelements 37, wie es in dem Antrieb 3 gemäß Figur 1 zum Einsatz kommen kann.

Gezeigt ist die Polarisation P des Piezoelements 37 in Abhängigkeit von der Feldstärke E eines angelegten elektrischen Feldes. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes einer Feldstärke E steigt die Polarisation P des Piezoelements 37 bis zu einer Sättigungspolarisation Ps. Wird die Feldstärke wieder reduziert, verbleibt auch ohne anliegendes elektrisches Feld eine sogenannte remanente Polarisation PR, mittels derer das Piezoelement 37 dann als elektromechanischer Aktor betrieben werden kann. Ein elektrisches Feld mit umgekehrtem Vorzeichen kann ab einer sogenannten Koerzitivfeldstärke -Ec die Polarisation P wieder löschen. Wird die Feldstärke E des elektrischen Feldes weiter erhöht, wird eine Sättigungspolarisation -Ps in entgegengesetzter Richtung erreicht, wobei auch hier eine negative remanente Polarisation -P erhalten bleibt.

Figur 3 zeigt die mechanische Dehnung S eines Piezoelements in Abhängigkeit der Feldstärke E des elektrischen Feldes. Die mechanische Dehnung weist in dieser Kurve ebenfalls eine Sättigung auf und ist durch die Durchschlagfestigkeit des Piezoelements begrenzt. Die Grundlage hierfür bildet die vorhandene Polarisation P, wobei jeweils ab der Koerzitivfeldstärke Ec eine Umpolarisierung des Piezomateri- als beginnt.

Im Messbetrieb eines vibronischen Sensors 1, wie er Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, werden die Piezoelemente typischerweise mit unipolaren elektrischen Feldern betrieben und nicht bis in den Bereich der Sättigung der mechanischen Dehnung betrieben. Im regulären Betrieb wird damit keine Änderung der Polarisation P erzeugt.

Figur 4 zeigt stark vereinfacht das Verhalten der Polarisation P eines Piezoelements in Abhängigkeit von der Temperatur T.

Ab einer Grenztemperatur T_G, die etwa 50% der Curie-Temperatur T_c des verwendeten Piezomaterials beträgt, sinkt die Polarisation P bis sie bei der Curie-Temperatur Tc gänzlich verloren geht. Neben der Temperatur T kann die Polarisation P auch durch zu hohe elektrische Felder (vgl. Fig. 2) und zu große mechanische Belastungen sinken. Sinkt die Polarisation P des Piezoelements, dehnt es sich weniger stark aus, was zu einer verminderten Antriebsleistung des Antriebs 3 des vibronischen Sensors 1 führt.

Durch eine gezielte Neupolarisation durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Feldstärke E oberhalb der Koerzitivfeldstärke Ec kann die Polarisation des Piezoelements 37 wiederhergestellt werden, sodass die Antriebsleistung wiederhergestellt wird.

Bezugszeichen

1 Vibronischer Sensor

2 Gehäuse

3 Antrieb

5 Membran

7 Füllung

9 Hülle

11 mechanische Schwingungseinheit

30 Sensorelektronik

33 Anschlusskabel

34 Hochspannungselektronik

37 Piezoelement

P Polarisation

T Temperatur

E Feldstärke

S mechanische Dehnung

SR remanente Dehnung

Ec Koerzitivfeldstärke

Ps Sättigungspolarisation

P remanente Polarisation

Tc Curie Temperatur

Claims

Patentansprüche

1. Vibronischer Sensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), einem an der Membran (5) angeordnete mechanische Schwingungseinheit (11) zur Übertragung von Schwingungen der Membran (5) auf ein mechanische Schwingungseinheit (11) umgebendes Medium, wobei eine Resonanzfrequenz der die mechanische Schwingungseinheit (11) abhängig von dem sie umgebenden Medium ist, wobei der piezoelektrische Antrieb (3) wenigsten ein Piezoelement (37) und Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezo- elements (37) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb (3) beanstandet umgebenden Hülle (9) und einer isolierenden gasförmige oder flüssige Füllung (7), wobei die Füllung (7) eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist.

2. Vibronischer Sensor (1) gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Mineralöl, insbesondere Transformatorenöl, insbesondere gesättigte Pentaerythrittetrafettsäureester, aufweist, vorzugsweise ist.

3. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein maximales Volumen von 2 ml, vorzugsweise 0,3-1, 4 ml, besonders bevorzugt 1 ml, aufweist.

4. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Hochspannungselektronik (34) zur Bereitstellung einer Polarisationsspannung aufweist.

5. Vibronischer Sensor (1) gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektronik (34) eine Spannungserhöher-Schaltung aufweist.

6. Vibronischer Sensor (1) gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserhöher-Schaltung als Halbleiterschaltung, insbesondere Spannungsvervielfacher, Aufwärtswandler oder Ladungspumpe ausgebildet ist.

7. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der Patentansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektronik (34) einen Energiezwischenspeicher, insbesondere einen Kondensator zur Zwischenspeicherung der Polarisationsspannung aufweist.

8. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektronik (34) derart ausgebildet ist, dass eine Polarisationsspannung für eine Feldstärke von wenigstens 3 kV/mm für eine Polarisationsdauer, insbesondere für wenigstens 30 s, insbesondere 30-60 s, zur Verfügung steht.

9. Verfahren zum Betreiben eines vibronischen Sensors (1), Vibronischer Sensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (5), einem piezoelektrischen Antrieb (3) zum Versetzen der Membran (5) in Schwingung und zur Erfassung von Schwingungen der Membran (5), einem an der Membran (5) angeordnete mechanische Schwingungseinheit (11) zur Übertragung von Schwingungen der Membran (5) auf ein mechanische Schwingungseinheit (11) umgebendes Medium, wobei eine Resonanzfrequenz der die mechanische Schwingungseinheit (11) abhängig von dem sie umgebenden Medium ist, wobei der piezoelektrische Antrieb wenigsten ein Piezoelement (37) und Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezoele- ments (37) aufweist, und der Antrieb (3) gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb (3) beanstandet umgebenden Hülle (9) und einer isolierenden gasförmige oder flüssige Füllung (7), wobei die Füllung (7) eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neupolarisation des wenigstens einen Piezoelements (37) während eines Betriebs des vibronischen Sensors (1) durchgeführt wird.

10. erfahren gemäß Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kenngröße des Sensors (1) überwacht wird und bei Unterschreiten oder Überschreiten eines Schwellwerts einer überwachten Kenngröße die Neupolarisation ausgelöst wird.

11. erfahren gemäß Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße eine Amplitude, eine Frequenz oder eine Impedanzspektroskopie oder Kombinationen daraus umfasst.

12. Verfahren gemäß einem der Patentansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Neupolarisation folgende Schritte umfasst:

- Aktivieren einer Hochspannungselektronik,

- Zwischenspeichern von Energie in einem Energiezwischenspeicher,

- Erhöhen einer Eingangsspannung in der Hochspannungselektronik bis zu der Polarisationsspannung,

- Anlegen der Polarisationsspannung an das wenigstens eine Piezoelement für eine Polarisationsdauer.