EP4710074A1 - Vibronischer sensor - 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 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 (4) und Elektroden (7) zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezoelements (4) aufweist, wobei der Antrieb (3) gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb (3) beabstandet umgebenden Hülle (2), die mit einer flüssige Füllung (9) gefüllt ist, wobei die Füllung (9) eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als (3) kV/mm aufweist, wobei die Hülle (2) wenigstens abschnittsweise flexibel ausgebildet ist.

Description

Vibronischer Sensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vibronischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 ist mindestens ein Schwingstab, der - wie bereits erwähnt - direkt an einer Membran befestigt ist. 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 Grenzzustandes 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 Sensors 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 Depolarisation 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 sowohl 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 der vibronische Sensor dadurch aus, dass der Antrieb gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb beabstandet umgebenden Hülle und einer isolierenden gasförmige oder flüssige Füllung, wobei die Füllung eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist. Die Hülle zur Kapselung des Antriebs ist wenigstens abschnittsweise flexibel ausgebildet und vorzugsweise so ausgelegt, dass eine thermische Ausdehnung der Füllung durch eine korrespondierende Ausdehnung der Hülle aufgenommen wird.

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 ihn rückseitig ab und ist vorderseitig ebenfalls abgeschlossen, vorzugsweise durch die Membran.

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. Bei Anordnungen zum Ausgleich von thermisch induzierten Effekten wird standardmäßig ein Ausgleich zur Atmosphäre vorgenommen. Die Druckdifferenz wird durch ein entsprechendes, durchlässiges Element zur Atmosphäre ausgeglichen. Vorliegend wird eine durch thermische Ausdehnung auftretende Druckdifferenz durch die Verformung eines definierten, undurchlässigen Elements abgemildert.

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 wird, dass bei Befüllung der Hülle mit dem Isolator auch zur Hülle und Membran Durchschläge verhindert werden. Die Flüssigkeit weist vorzugweise ein Volumen von weniger als 3 ml, weiter bevorzugt weniger als 2 ml, weiter bevorzugt weniger als 1 ml auf.

Zur Polarisation von Piezoelemente sind hohe Spannungen im Bereich von 3000V/mm nötig. Um Spannungsüberschläge zwischen Anode und Kathode zu verhindern, werden die Piezoelemente während der Polarisation mit nicht leitfähigem Öl umgeben. Da vibronische Sensoren, wie sie Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, in allen Einbaulagen verwendbar sein müssen, muss die isolierende Füllung durch eine geeignete Hülle in Position gehalten werden. Erwärmt sich das Gerät, dehnt die Füllung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, der sich von dem der Hülle unterscheidet. Es entsteht ein Über- oder Unterdrück, der ohne Kompensation die Membran vorspannen würde. Dies würde zu einer Steifigkeitsänderung und damit verbunden zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz des vibronischen Sensors führen. Die Änderung des Innendrucks bewirkt zudem eine Last, die zusätzlich zum Prozessdruck die Membran belastet. Dieser Last müsste ohne geeignete Kompensation durch eine dickere Gabelmembran entgegengewirkt werden, wodurch die Schwingungsamplitude gedämpft würde.

Der vorliegende vibronische Sensor ermöglicht damit eine flüssigkeitsisolierte Neupolarisation des Antriebs in eingebautem Zustand.

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

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Hülle einen hülsenförmigen Abschnitt und eine Kontaktdurchführung auf. Der hülsenförmige Abschnitt umgibt den Antrieb in Radialrichtung, während die Kontaktdurchführung die Hülle in rückseitiger Richtung abschließt. Die Kontaktdurchführung kann bspw. plattenförmig ausgestaltet sein. In einer Ausgestaltungsform kann die Kontaktdurchführung eingeglaste Kontaktstifte aufweisen.

In einer Ausgestaltungsform des vibronischen Sensors kann der hülsenförmige Abschnitt in Radialrichtung verformbar ausgestaltet sein. Durch eine Verformbarkeit in Radialrichtung wird eine Bewegung in Axialrichtung minimiert. Das hat den Vorteil, dass bspw. die Kontaktdurchführung so ausgestaltet werden kann, dass diese nicht verformbar ist.

In einer Ausgestaltungsform kann der hülsenförmige Abschnitt in Radialrichtung konkav vorgeformt sein. Ein konkav vorgeformter hülsenförmiger Abschnitt bedeutet vorliegend eine nach innen, also in Richtung des Antriebs ausgebildete Vorverformung des hülsenförmigen Abschnitts. Hierdurch kann der hülsenförmige Abschnitt an einem Rand der Membran befestigt werden und hat durch die nach Innen weisende Vorverformung dennoch einen Ausgleichsraum, in den sich der hülsenförmige Abschnitt bei einer thermischen Ausdehnung der Füllung, hineinverformen, also das Volumen der Hülle vergrößern kann. Durch die konkave Form wird auch dem „Knackfrosch" Effekt Einhalt geboten. Die Hülse überschreitet nie die komplett zylindrische Form, sondern hat immer eine Wölbung ins Innere. Dadurch kann sich nicht schlagartig die Biegerichtung verändern. Wäre der hülsenförmige Abschnitt streng zylindrisch, wäre bei einer Befestigung am Rand der Membran keine Ausdehnungsmöglichkeit in Radialrichtung gegeben.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der hülsenförmige Abschnitt vorderseitig mit der Membran verschweißt ist. Ein Verschweißen des hülsenförmigen Abschnitts mit der Membran hat den Vorteil, dass durch eine Verschweißung eine sichere und dauerhaft dichte Verbindung zwischen dem hülsenförmigen Abschnitt und der Membran geschaffen wird, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist.

Alternativ ist auch eine Verklebung oder eine Verlötung möglich.

Weist der hülsenförmige Abschnitt in einem rückseitigen Bereich, in dem dieser mit der Kontaktdurchführung verbunden ist, einen kleineren Durchmesser auf, als in einem vorderseitigen Bereich, in dem dieser mit der Membran verbunden ist, ist es ferner besonders einfach möglich, den hülsenförmigen Abschnitt, ggf. bereits mit daran befestigter Kontaktdurchführung, an dem Rand der Membran zu befestigen. Die Befestigung kann durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen erfolgen.

Wie bereits beschrieben kann der der hülsenförmige Abschnitt rückseitig mit der Kontaktdurchführung abdichtend verbunden, insbesondere ebenfalls verschweißt sein.

Auf diese Weise kann der Teil der Hülle aus Kontaktdurchführung und hülsenförmigem Abschnitt als Baugruppe vorgefertigt werden, die dann mit der Baugruppe bestehend aus Membran und Antrieb verbunden werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Hülle wenigstens abschnittsweise mit einer Wandstärke ausgeführt, die 1/3 und 1/4 oder weniger einer Dicke der Membran beträgt. Durch eine dementsprechende Ausgestaltung wird erreicht, dass sich die Hülle in einem vorbestimmten Bereich bei Auftreten einer thermisch induzierten Ausdehnung der Füllung verformt. Vorzugsweise ist die Hülle im Bereich des hülsenförmigen Abschnitts so ausgelegt, dass sie sich in diesem Bereich verformt. In einer Ausführungsform weisen die Piezoelemente eine in Axialrichtung der Hülse längenvariable elektrische Kontaktierung auf. Durch längenvariabel elektrische Kontaktierungen kann eine Verschiebung der Kontaktdurchführung in Axialrichtung bei einer Verformung des hülsenartigen Abschnitts kompensiert werden.

Beispielsweise kann die längenvariable elektrische Kontaktierung durch eine Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung als wenigstens ein Kontaktpin mit wenigstens einer korrespondierend ausgebildeten Schiebehülse realisiert werden. Bspw. kann an dem Antrieb eine Buchse in Form einer Schiebehülse angeordnet sein, während an der Kontaktdurchführung ein Pin angeordnet ist, der in die Buchse eingreift. Je nach thermischer Ausdehnung und dementsprechend Verformung des hülsenartigen Abschnitts kann eine unterschiedlich große Überlappung zwischen der Buchse und dem Pin bestehen. Alternativ kann der Pin an dem Pie- zoelement und die Buchse an der Kontaktdurchführung angeordnet sein.

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 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.

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 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.

Der vibronische Sensor 1 weist eine in mechanische Schwingungen in einer Axialrichtung A versetzbare Membran 5 sowie einen als Antrieb 3 bezeichneten elektromechanischen Wandler zur Erzeugung und Detektion dieser mechanischen Schwingungen auf. An der Membran 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine mechanische Schwingungseinheit 11 in Form von zwei paddelförmig ausgebildeten Schwingern angeordnet, mittels derer Schwingungen der Membran auf ein die mechanische Schwingungseinheit 11 umgebendes Medium übertragbar sind. Der Antrieb 3 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel Piezoelement 4 auf, das unter Zwischenschaltung einer sogenannten Ausgleichskeramik 6 zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Membran 5 und des Piezoelements 4 mit der Membran 5 verklebt ist. Das Piezoelement 4 ist über Elektroden 7 elektrisch kontaktiert, sodass ein elektrisches Signal zur Anregung des Piezoelements 4 angelegt und eine elektrische Spannung, die aus einer mechanischen Anregung des Piezoelements 4 resultiert, abgegriffen werden kann.

Die Elektroden 7 sind vorliegend als mit dem Piezoelement verklebte Kontaktpins ausgestaltet, die sich in Axialrichtung A rückseitig von dem Piezoelement 4 weg erstrecken.

Der Antrieb 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer Hülle 2 umgeben, die mit einer Füllung 9, vorliegend einem Transformatorenöl, gefüllt ist. Die Hülle 2 ist vorderseitig durch die Membran 5, in Umfangsrichtung durch einen hülsenförmigen Abschnitt 21 und rückseitig durch eine Kontaktdurchführung 23 gebildet. Der hülsenförmige Abschnitt 21 ist mittels einer ersten Schweißnaht 25 an einem Übergang von der Membran 5 und einem sich von der Membran 5 rückseitig in Axialrichtung A erstreckenden Rand 15 angeschweißt und so abdichtend mit der Membran 5 verbunden. Rückseitig ist der hülsenförmige Abschnitt 21 mit einer zweiten Schweißnaht 27 an der Kontaktdurchführung 23 befestigt. Auf diese Weise ist der Antrieb 3 abdichtend umschlossen und somit von dem restlichen Gehäuse des vibronischen Sensors 1 abgekapselt.

Das Transformatorenöl weist eine Durchschlagfestigkeit von 5-30 kV/mm auf und ist somit optimal für eine Isolation des Antriebsgegenüber der Hülle 2 und dem Gehäuse geeignet.

Durch die Kontaktdurchführung 23 sind zwei korrespondierend zu den Elektroden 7 angeordnete und als Hülsen zur Aufnahme der als Kontaktpin ausgebildeten Elektroden 7 ausgebildete, elektrisch leitende Kontakte angeordnet. Die Kontakte bilden zusammen mit den Elektroden 7 eine Art Schiebehülse, sodass eine in Axialrichtung A längenvariable elektrische Kontaktierung gebildet ist.

Diese Längenvariabilität ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel notwendig, da der hülsenförmige Abschnitt 21 der Hülle 2 konkav vorgeformt ist. Das bedeutet im vorliegenden Ausführungsbeispiel, dass der hülsenförmige Abschnitt 21 nach innen, d.h. in Richtung des Antriebs 3 vorgeformt ausgestaltet ist. Durch diese Vorformung wird in Radialrichtdung R ein Ausgleichsraum 24 geschaffen, in den sich die Hülle 2 ausdehnen kann. Durch eine temperaturbedingte Ausdehnung der Füllung dehnt sich diese innerhalb der Hülle 2 aus und drückt den hülsenförmigen Abschnitt 21 in Radialrichtung nach außen. Durch diese Verformung steigt die Erstreckung des hülsenförmigen Abschnittes 21 in Axialrichtung A, wodurch sich ein Abstand zwischen dem Piezoelement 4 und der Kontaktdurchführung 23 vergrößert. Durch die Vergrößerung des Abstands gleiten die Elektroden 7 weiter aus den Kontakten der Kontaktdurchführung 23 heraus, wobei aber gleichzeitig ein elektrischer Kontakt erhalten bleibt.

Ein vergrößertes Volumen der Füllung 9 und ein sich daraus ergebender erhöhter Innendruck im Inneren der Hülle 2 wird durch eine Verformung der Hülsenwandung des hülsenförmigen Abschnitts 21 und eine damit einhergehende Vergrößerung des umschlossenen Volumens kompensiert. Die Kontaktdurchführung 23 und auch die Membran 5 sind wesentlich steifer als die Hülsenwandung, weshalb der Innendruck zuerst auf dies Wandung einwirkt.

Wäre die Hülle 2 vollständig starr ausgebildet, würde sich bei einer Druckdifferenz unter Temperatureinfluss die Frequenz stark verschieben, da die Steifigkeit des Systems zunimmt. Membran 5 und Kabeldurchführung würden sich unter dem Einfluss des Innendrucks verformen.

Der hülsenförmige Abschnitt 21 der Hülle 2 liegt im Innenbereich des vibronischen Sensors 1, weshalb ein Prozessdruck nicht auf diesen einwirkt. Somit muss der hülsenförmige Abschnitt 21 auch nicht auf den Prozessruck ausgelegt werden, sondern nur die temperaturindizierte Druckdifferenz ertragen können. Durch eine entsprechend angepasste Ausgestaltung der Hülle 2, insbesondere des hülsenförmigen Abschnitts 21 kann ein Volumen der Füllung 9 minimiert werden, sodass auch die thermische Ausdehnung der Füllung 9 minimiert wird. Bezugszeichen

Vibronischer Sensor

Hülle

Antrieb

Piezoelement

Membran

Ausgleichskeramik

Elektroden

Füllung

Mechanische Schwingeinheit

Kontaktdurchführung

Rand

Hülsenförmiger Abschnitt

Kontaktdurchführung

Ausgleichsraum

Erste Schweißnaht

Zweite Schweißnaht

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 (4)und Elektroden (7) zur elektrischen Kontaktierung des wenigstens einen Piezo- elements (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) gekapselt ausgeführt ist mit einer den Antrieb (3) beab- standet umgebenden Hülle (2), die mit einer flüssige Füllung (9) gefüllt ist, wobei die Füllung (9) eine elektrische Durchbruchfeldstärke von mehr als 3 kV/mm aufweist, wobei die Hülle (2) wenigstens abschnittsweise flexibel ausgebildet ist.

2. Vibronischer Sensor (1) gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

Hülle (2) einen hülsenförmigen Abschnitt (21) und eine Kontaktdurchführung (23) aufweist.

3. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (21) in Radialrichtung verformbar ausgestaltet ist.

4. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (21) in Radialrichtung (R) konkav vorgeformt ist.

5. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (21) vorderseitig mit der Membran (5) verschweißt ist.

6. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Abschnitt (21) rückseitig mit der Kontaktdurchführung (23) abdichtend verbunden, insbesondere verschweißt ist.

7. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülle (2) wenigstens abschnittsweise mit einer Wandstärke ausgeführt ist, die zwischen 1/3 und 1/4 oder weniger einer Dicke der Membran (5) beträgt.

8. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (4) eine in Axialrichtung (A) längenvariable elektrische Kontaktierung aufweisen.

9. Vibronischer Sensor (1) gemäß Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung als wenigstens ein Kontaktpin mit wenigstens einer korrespondierend ausgebildeten Schiebehülse ausgebildet ist.

10. Vibronischer Sensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung in Axialrichtung (A) vorgespannt ausgebildet ist.