WO2014146980A1 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE EINES MEDIUMS - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE EINES MEDIUMS Download PDF

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WO2014146980A1
WO2014146980A1 PCT/EP2014/055090 EP2014055090W WO2014146980A1 WO 2014146980 A1 WO2014146980 A1 WO 2014146980A1 EP 2014055090 W EP2014055090 W EP 2014055090W WO 2014146980 A1 WO2014146980 A1 WO 2014146980A1
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WO
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unit
receiving unit
housing
medium
bolt
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/055090
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Dreyer
Sascha D'angelico
Sergej Lopatin
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves

Definitions

  • the invention relates to a device for determining and / or
  • LIQUIPHANT and SOLIPHANT are offered and distributed.
  • piezoelectric bimorph drives or stack drives are used.
  • a bimorph drive a disc-shaped piezoelectric element, which is non-positively connected to the oscillatable unit, divided into different.
  • a stack drive a plurality of non-positively connected to each other and with the oscillatory unit piezoelectric elements are arranged, wherein a part of the piezoelectric elements has the function of exciter unit and is excited by an alternating electrical signal to oscillate, while another part of the piezoelectric elements, the function the receiving unit takes over and converts the oscillations of the oscillatable unit into an electrical response alternating signal.
  • DE 39 31 453 C1 a device for detecting and / or monitoring a predetermined level of a medium in a container is described.
  • the oscillatable unit in the form of a mechanical resonator has two oscillating rods projecting into the container, which are fastened to the medium-facing outer surface of the diaphragm.
  • At least one receiving transducer is piezoelectric Elements in a stack one behind the other on a stud
  • the excitation transducer is acted upon by an alternating voltage signal, whereby the two oscillating rods of the oscillatable unit to opposite directions vibrations are excited transversely to the longitudinal axis.
  • the receiving transducer receives the vibrations of the mechanical oscillatable unit and converts them into an electrical output signal.
  • the stack drive is arranged between the extensions of the oscillating rods, so that the vibrations generated by the stack drive, directly on the
  • Extensions or the oscillating rods act. In the opposite way, the vibrations of the oscillating rods are received by the receiving unit.
  • Electromechanical elements formed stack drive acted upon by a defined bias, or he is biased with a defined force.
  • the defined force acts evenly on the electromechanical elements of the excitation unit and the electromechanical elements of the receiving unit.
  • Upon activation of the exciter unit and stimulation of the oscillatory unit acts a harnononische force on the membrane or the vibrating rod ends - depending on the design of the stack drive.
  • this harmonic force not only acts where it is supposed to act - ie on the membrane or on the extensions of the oscillating rods - but also affects the piezoelectric elements of the receiving unit. It comes to a crosstalk: As a result of the harmonic force an AC signal is generated in the receiving unit, which is phase-shifted with respect to the excitation signal.
  • the harmonic excitation signal and the phase-shifted harmonic received signal add, resulting in a weakening and a corruption of the phase of the received signal of the oscillatable unit.
  • This effect is particularly critical in strongly attenuating media, such as bulk materials and viscous liquids, since it causes a deterioration of the sensor sensitivity: Below a limit, the attenuated weak oscillations of the oscillatory unit in the known solutions can no longer be detected.
  • the invention has for its object to propose a vibronic device, which is also in high-damping media, such as. Schüttgüttern can be used.
  • the invention relates to a device for determining and / or monitoring a process variable of a medium or for determining and / or monitoring a predetermined level of a medium in a container, comprising a housing and an oscillatable unit connected to the housing, which in the container is arranged so that it dips into the medium up to a defined immersion depth, or which is mounted at the level of the predetermined level, with an exciter unit, which excites the oscillatory unit to vibrate. Furthermore, a receiving unit is provided which receives the oscillations of the oscillatable unit.
  • the vibronic sensor has an adjusting unit, which is configured such that the excitation unit and the receiving unit are subjected to a defined bias independently of one another or be charged.
  • a control / evaluation unit provides information about the process variable or the achievement of the predetermined fill level on the basis of at least one component of the oscillation or based on a change of a component of the oscillation.
  • the solution according to the invention makes it possible to decouple the excitation unit and the receiving unit-at least largely-mechanically and electrically from one another.
  • the excitation unit excites approximately exclusively the oscillatory unit to oscillate, while the vibrations detected by the receiving units of the receiving unit are not affected by the excitation signals of the exciter unit and vice versa. This makes it possible to detect and evaluate even in attenuating, viscous attenuated weak vibrations.
  • the sensor sensitivity is increased.
  • the setting unit is configured so that the bias voltage applied to the excitation unit is different from the bias applied to the receiving unit.
  • the adjusting unit has at least one bolt, a first adjusting element and a second adjusting element. The excitation unit and the receiving unit are arranged one behind the other with respect to the bolt.
  • Receiving unit or between the receiving unit and the exciter unit is the first adjusting element, while the second adjusting element is arranged behind the receiving unit or behind the exciter unit.
  • the excitation unit preferably has at least one electromechanical or piezoelectric excitation element arranged coaxially with the bolt on.
  • the receiving unit has at least one coaxial with the bolt arranged electromechanical or piezoelectric receiving element.
  • the bolt is a stud, which is arranged axially to the longitudinal axis of the housing.
  • the first adjusting element is designed as a pressure screw and connected to the inner wall of the housing or connectable.
  • the second adjusting element is a compression nut, which is connected or connectable to the stud.
  • the embodiment of the oscillatable unit can correspond to all known configurations:
  • Fig. 1 a a first become known from the prior art
  • Embodiment of a stack drive, Fig. 1 b a second known from the prior art
  • Fig. 1 c a third known from the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 1a shows a first known from the prior art
  • the housing 2 is closed by a membrane 5 in a region facing the medium.
  • the membrane 5 is usually a metal membrane.
  • On the membrane are e.g. two oscillating rods arranged symmetrically. These are not shown separately in Fig. 1 a.
  • the excitation unit 6a is an electromechanical excitation element 7, for example a piezoceramic
  • the receiver unit 6b is an electromechanical receiver element 8, for example a piezoceramic.
  • Both the number of excitation and receiving elements 7, 8 as well as their arrangement with respect to the membrane 5 is arbitrary.
  • the pressure screw 12 is screwed via the screw thread 14 with the housing thread 15. About the tightening torque of the pressure screw 12 can be a defined bias on the stack drive 6 exercise. About a in Fig. 1 a not shown separately feedback electronics, the membrane 5 is excited with the oscillatory unit 3 to vibrate. If the medium changes in the vicinity of the oscillatable unit 3, the oscillatable unit 3 is detuned and is detected by an evaluation unit.
  • the same harmonic force acts on the excitation unit 6a and the receiving unit 6b. If the excitation unit 6a is excited, the corresponding harmonic force also acts on the receiving unit 6b. In the receiving unit 6b, an electrical signal is generated, which is phase-shifted to the excitation signal. The electrical signals add up, which leads to a deterioration of the sensor sensitivity. As a result of this, weak ones can be left
  • Fig. 1 b shows a second known from the prior art embodiment of a stack drive 6, which differs constructively from the solution shown in Fig. 1 a. However, here - as well as in Fig. 1 a - at the excitation unit 6a and the receiving unit 6b the same bias voltage ⁇ .
  • the stud bolt 10 is welded to the center of the membrane 5.
  • the excitation unit 6a an annular
  • Electromechanical excitation element 7, and the receiving unit 6b, an annular electromechanical receiver element 8, are clamped between a coaxially fitting to the inner surface of the diaphragm 5 retaining ring 18 and a threaded bolt 10 with the stud nut 13. Between the exciter unit 6a and the nut 13, a metal ring 19 is still provided.
  • Fig. 1 c is schematically shown a third known from the prior art embodiment of a stack drive 6.
  • the stack drive 6 is not oriented in the direction of the longitudinal axis L of the vibronic sensor 1, but is arranged transversely to the longitudinal axis L.
  • the solution is in the already mentioned and
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the device according to the invention or of the mechanical part of the vibronic sensor 1 according to the invention.
  • the mechanical part of the vibronic sensor 1 has a housing 2 and an oscillatable unit 3 connected to the housing 2.
  • the latter is only indicated in FIG. 2 as a tuning fork with two oscillating rods 4.
  • the oscillatable unit 3 is arranged on the container in such a way that it dips into the medium up to a defined immersion depth.
  • the oscillatable unit 3 is mounted at the level of the predetermined level.
  • a exciter unit 6a which excites the oscillatory unit 3 to vibrate
  • a receiving unit 6b the
  • Vibrations of the oscillatory unit (3) receives, arranged.
  • an adjusting unit 1 1 is provided on the stud bolt 10, which is designed so that the exciter unit 6a and the receiving unit 6b are independently acted upon or acted upon by defined bias voltages ⁇ 1, ⁇ 2.
  • the excitation unit 6a and the receiving unit 6b are arranged axially on the bolt 10 one behind the other.
  • the setting unit in the case shown in principle includes four components: the bolt 10, a first adjusting element 12, a second adjusting element 13 and the housing 2. Between the exciter unit 6a and the receiving unit 6b, the first adjusting element 12 is arranged.
  • the second adjusting element 13 is arranged in the axial direction behind the receiving unit 6b.
  • the first adjusting element 12 is designed as a pressure screw which is screwed to the housing 2 via the thread 14 and the housing thread 15. About the pressure screw 12 can be individually on the excitation unit 6a
  • the second adjusting element 13 is a pressure nut 13, which on the Stud bolt 10 is screwed over the threads 20, 21. Again, it is possible over the tightening torque of the pressure nut 13 on the
  • Receiving unit 6b applied bias ⁇ 2 or the force FB individually set. Between the receiving unit 6b and the pressure nut 13 is still a metal disc 17.
  • the setting unit 1 1 is configured so that the bias voltage applied to the excitation unit 6a, is different from the bias applied to the receiving unit 6b.
  • the bias voltages ⁇ 1, ⁇ 2 are chosen so that they largely prevent crosstalk. According to the invention
  • the control / evaluation unit 9 provides on the basis of at least one component of the vibration or based on a change of a component of
  • Vibration is the amplitude, the frequency or the phase or the phase shift hiss excitation signal and received signal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter, mit einem Gehäuse (2) und einer mit dem Gehäuse (2) verbundenen schwingfähigen Einheit (3), die derart in dem Behälter angeordnet ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, oder die auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht ist, mit einer Erregereinheit (6a), die die schwingfähige Einheit (3) zu Schwingungen anregt, mit einer Empfangseinheit (6b), die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) empfängt, mit einer Einstelleinheit (11), die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit (6a) und die Empfangseinheit (6b) unabhängig voneinander mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt sind oder beaufschlagbar sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderungen einer Komponente der Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung stellt.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
einer Prozessgröße eines Mediums
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder
Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter. Bei den Prozessgrößen, die neben dem Füllstand
(Grenzstanddetektion) mit vibronischen Sensoren überwacht werden können, handelt es sich insbesondere um die Dichte und die Viskosität. Entsprechende Sensoren zur Bestimmung und Überwachung des Grenzstands von flüssigen Medien und rieselfähigen Feststoffen, der Dichte und/oder der Viskosität von Flüssigkeiten werden von der Anmelderin u.a. unter der Bezeichnung
LIQUIPHANT und SOLIPHANT angeboten und vertrieben. Für den Antrieb von vibronischen Sensoren werden entweder piezoelektrische Bimorphantriebe oder Stapelantriebe verwendet. Bei einem Bimorphantrieb ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element, das kraftschlüssig mit der schwingfähigen Einheit verbunden ist, in unterschiedliche aufgeteilt. Bei einem Stapelantrieb sind auf einem Bolzen mehrere kraftschlüssig untereinander und mit der schwingfähigen Einheit verbundene piezoelektrische Elemente angeordnet, wobei ein Teil der piezoelektrischen Elemente die Funktion der Erregereinheit hat und durch ein elektrisches Wechselsignal zu Schwingungen angeregt wird, während ein anderer Teil der piezoelektrischen Elemente die Funktion der Empfangseinheit übernimmt und die Schwingungen der schwingfähigen Einheit in ein elektrisches Antwort-Wechselsignal umwandelt.
In Bezug auf Stapelantriebe sind mehrere unterschiedliche Lösungen bekannt geworden. In der DE 39 31 453 C1 wird eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands eines Mediums in einem Behälter beschrieben. Die schwingfähige Einheit in Form eines mechanischen Resonators weist zwei in den Behälter ragende Schwingstäbe auf, die an der dem Medium zugewandten Außenfläche der Membran befestigt sind. Bei dem zumindest einen Erregungswandler und dem
zumindest einen Empfangswandler handelt es sich um piezoelektrische Elemente, die in einem Stapel hintereinander auf einem Stehbolzen
angeordnet sind. Stehbolzen und Stapel sind in Richtung der Längsachse der Vorrichtung orientiert ist. Der Stapelantrieb und die schwingfähige Einheit sind kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Erregungswandler wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt, wodurch die beiden Schwingstäbe der schwingfähigen Einheit zu gegensinnigen Schwingungen quer zur Längsachse angeregt werden. Der Empfangswandler empfängt die Schwingungen der mechanischen schwingfähigen Einheit und wandelt sie in ein elektrisches Ausgangssignal um. Tritt eine Frequenzänderung der schwingfähigen Einheit auf, so ist dies der Auslöser für eine entsprechende Meldung des vibronischen Sensors, die im Falle einer Überfüllsicherung lautet: "schwingfähige Einheit ist in Kontakt mit dem Medium" bzw. "Grenzstand erreicht" oder "schwingfähige Einheit schwingt frei" bzw. "Grenzstand ist nicht erreicht". Aus der DE 42 01 360 A1 ist eine weitere Einrichtung zur Füllstandsmessung bekannt geworden. Bei dieser Lösung sind die Verlängerungen der
Schwingstäbe durch die Membran hindurchgeführt. Der Stapelantrieb ist zwischen den Verlängerungen der Schwingstäbe angeordnet, so dass die Schwingungen, die vom Stapelantrieb erzeugt werden, direkt auf die
Verlängerungen bzw. die Schwingstäbe einwirken. Auf umgekehrtem Wege werden die Schwingungen der Schwingstäbe von der Empfangseinheit empfangen.
In der EP 0 950 879 A1 ist eine Lösung beschrieben, bei der der Stapelantrieb ebenfalls näherungsweise senkrecht zu den Schwingstäben angeordnet ist, allerdings ist der Stapelantrieb in diesem Fall seitlich zu den Verlängerungen der Schwingstäbe orientiert.
Bei allen bekannten Lösungen wird der aus piezoelektrischen bzw.
elektromechanischen Elementen gebildete Stapelantrieb mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt, bzw. er ist mit einer definierten Kraft vorgespannt. Die definierte Kraft wirkt hierbei gleichmäßig auf die elektromechanischen Elemente der Erregereinheit und die elektromechanischen Elemente der Empfangseinheit. Bei Aktivierung der Erregereinheit und Anregung der schwingfähigen Einheit wirkt eine harnnonische Kraft auf die Membran oder die Schwingstabenden - je nach Ausgestaltung des Stapelantriebs. Diese harmonische Kraft wirkt jedoch nicht nur dort, wo sie wirken soll - also an der Membran bzw. an den Verlängerungen der Schwingstäbe - sondern sie beeinflusst auch die piezoelektrischen Elemente der Empfangseinheit. Es kommt zu einem Übersprechen: Als Folge der harmonischen Krafteinwirkung wird in der Empfangseinheit ein Wechselspannungssignal erzeugt, das gegenüber dem Anregungssignal phasenverschoben ist. Das harmonische Anregungssignal und das phasenverschoben harmonische Empfangssignal addieren sich, was zu einer Schwächung und eine Verfälschung der Phase des Empfangssignals der schwingfähigen Einheit führt. Besonders kritisch ist dieser Effekt in stark dämpfenden Medien, wie Schüttgüter und viskosen Flüssigkeiten, da er eine Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit herbeiführt: Unterhalb eines Grenzwertes lassen sich die gedämpften schwachen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei den bekannten Lösungen nicht mehr detektieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vibronische Vorrichtung vorzuschlagen, die auch in hochdämpfenden Medien, wie z.B. Schüttgüttern eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst. Es handelt sich erfindungsgemäß um eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter, mit einem Gehäuse und einer mit dem Gehäuse verbundenen schwingfähigen Einheit, die derart in dem Behälter angeordnet ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, oder die auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht ist, mit einer Erregereinheit, die die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt. Weiterhin ist eine Empfangseinheit vorgesehen, die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt. Der vibronische Sensor weist eine Einstelleinheit auf, die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit und die Empfangseinheit unabhängig voneinander mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt sind bzw. beaufschlagt werden. Eine Regel-/Auswerteeinheit stellt anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderung einer Komponente der Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Erregereinheit und die Empfangseinheit - zumindest weitgehend - mechanisch und elektrisch voneinander zu entkoppeln. Somit regt die Erregereinheit näherungsweise ausschließlich die schwingfähige Einheit zu Schwingungen an, während die von der Empfangseinheiten detektierten Schwingungen der Empfangseinheit nicht durch die Anregungssignale der Erregereinheit beeinflusst werden und umgekehrt. Hierdurch ist es möglich, auch noch die in dämpfenden, viskosen gedämpften schwachen Schwingungen zu detektieren und auszuwerten. Die Sensorempfindlichkeit wird erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Einstelleinheit so ausgestaltet ist, dass die Vorspannung, die auf die Erregereinheit ausgeübt wird, verschieden ist von der Vorspannung, die auf die Empfangseinheit ausgeübt wird. Somit ist es möglich, die Erregereinheit und die Empfangseinheit individuell mit unterschiedlichen Vorspannungen zu beaufschlagen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein mechanisches Übersprechen zwischen der Erregereineit und der Empfangseinheit unterdruckt werden kann. In einer konkreten Ausführungsform weist die Einstelleinheit zumindest einen Bolzen, ein erstes Einstellelement und ein zweites Einstellelement auf. Die Anregungseinheit und die Empfangseinheit sind bezüglich des Bolzens hintereinander angeordnet. Zwischen der Erregereinheit und der
Empfangseinheit bzw. zwischen der Empfangseinheit und der Erregereinheit befindet sich das erste Einstellelement, während das zweite Einstellelement hinter der Empfangseinheit bzw. hinter der Erregereinheit angeordnet ist.
Bevorzugt weist die Erregereinheit zumindest ein koaxial zum Bolzen angeordnetes elektromechanisches bzw. piezoelektrisches Erregerelement auf. Ebenso weist die Empfangseinheit zumindest ein koaxial zum Bolzen angeordnetes elektromechanisches bzw. piezoelektrisches Empfangselement auf. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Bolzen um einen Stehbolzen, der axial zur Längsachse des Gehäuses angeordnet ist. Hierbei ist das erste Einstellelement als Druckschraube ausgebildet und mit der Innenwand des Gehäuses verbunden bzw. verbindbar. Bei dem zweiten Einstellelement handelt es sich um eine Druckmutter, die mit dem Stehbolzen verbunden bzw. verbindbar ist. Über separates Anziehen der Druckschraube und der Druckmutter ggf. noch mit unterschiedlichen, aber definierten
Vorspannungskräften lässt sich die Messempfindlichkeit des vibronischen Sensors so erhöhen, dass zuverlässige Messungen in hochviskosen Medien möglich sind. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Lösung auch ohne weiteres bei den in der Beschreibungseinleitung genannten
Varianten von Stapelantrieben zum Einsatz kommen kann - auch wenn sie in dieser Patentanmeldung explizit nur für die Variante mit Stehbolzen
beschrieben ist. Im Prinzip kann die Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit allen bekannten Ausgestaltungen entsprechen:
- es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um zwei über eine
Membran an dem Gehäuse befestigte Gabelzinken handelnd
Schwinggabel;
- es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um einen über eine
Membran an dem Gehäuse befestigten Schwingstab handeln ->
Schwingstab;
- es kann sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Membran handelt -> Membranschwinger.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 a: eine erste aus dem Stand der Technik bekannt gewordene
Ausführungsform eines Stapelantriebs, Fig. 1 b: eine zweite aus dem Stand der Technik bekannt gewordene
Ausführungsform eines Stapelantriebs,
Fig. 1 c: eine dritte aus dem Stand der Technik bekannt gewordene
Ausführungsform eines Stapelantriebs und
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 a zeigt eine erste aus dem Stand der Technik bekannt gewordene
Ausführungsform eines Stapelantriebs 6 für einen vibronischen Sensor 1 . Das Gehäuse 2 wird in einem dem Medium zugewandten Bereich durch eine Membran 5 verschlossen. Bei der Membran 5 handelt es sich üblicherweise um eine Metallmembran. An der Membran sind z.B. zwei Schwingstäbe symmetrisch angeordnet. Diese sind in Fig. 1 a nicht gesondert dargestellt.
Zwischen der Membran 5 und einer Druckschraube 12 sind koaxial zur Längsachse L eine Erregereinheit 6a und eine Empfangseinheit 6b
angeordnet. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der Erregereinheit 6a um ein elektromechanisches Erregerelement 7, z.B. eine Piezokeramik, und bei der Empfängereinheit 6b um ein elektromechanisches Empfängerelement 8, z.B. eine Piezokeramik. Sowohl die Anzahl der Erreger- und Empfangselemente 7, 8 ebenso wie deren Anordnung bezüglich der Membran 5 ist beliebig wählbar. Die Druckschraube 12 ist über das Schraubgewinde 14 mit dem Gehäusegewinde 15 verschraubt. Über das Anzugsmoment der Druckschraube 12 lässt sich eine definierte Vorspannung auf den Stapelantrieb 6 ausüben. Über eine in der Fig. 1 a nicht gesondert dargestellte Rückkoppelelektronik wird die Membran 5 mit der schwingfähigen Einheit 3 zu Schwingungen angeregt. Ändert sich das Medium in der Umgebung der schwingfähigen Einheit 3, kommt es zu einer Verstimmung der schwingfähigen Einheit 3, die von einer Auswerteeinheit detektiert wird. Wie bereits zuvor erwähnt, wirkt bei den bekannten Lösungen die gleiche harmonische Kraft auf die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b. Wird die Erregereinheit 6a angeregt, so wirkt die entsprechende harmonische Kraft auch auf die Empfangseinheit 6b. In der Empfangseinheit 6b wird ein elektrisches Signal erzeugt, das zu dem Anregungssignal phasenverschoben ist. Die elektrischen Signale addieren sich, was zu einer Verschlechterung der Sensorempfindlichkeit führt. Als Folge davon lassen sich schwache
Schwingungen der schwingfähigen Einheit 3 in zähen Medien nicht mehr mit ausreichender Sicherheit detektieren. Fig. 1 b zeigt eine zweite aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs 6, die konstruktiv von der in Fig. 1 a gezeigten Lösung abweicht. Jedoch liegt auch hier - ebenso wie in Fig. 1 a - an der Erregereinheit 6a und der Empfangseinheit 6b dieselbe Vorspannung σ an. Bei der in Fig. 1 b gezeigten Lösung ist der Stehbolzen 10 mittig an der Membran 5 angeschweißt. Die Erregereinheit 6a, ein ringförmiges
elektromechanisches Erregerelement 7, und die Empfangseinheit 6b, ein ringförmiges elektromechanisches Empfängerelement 8, sind zwischen einem koaxial an der Innenfläche der Membran 5 anliegenden Haltering 18 und einer mit dem Stehbolzen 10 verschraubten Mutter 13 eingespannt. Zwischen der Erregereinheit 6a und der Mutter 13 ist noch ein Metallring 19 vorgesehen.
In Fig. 1 c ist schematisch eine dritte aus dem Stand der Technik bekannt gewordene Ausführungsform eines Stapelantriebs 6 gezeigt. Der wesentliche Unterschied zu den in Fig. 1 a und Fig. 1 b gezeigten Varianten ist darin zu sehen, dass hier der Stapelantrieb 6 nicht in Richtung der Längsachse L des vibronischen Sensors 1 orientiert ist, sondern quer zur Längsachse L angeordnet ist. Die Lösung ist in der bereits zuvor erwähnten und
beschriebenen DE 42 01 360 A1 offenbart. Wiederum werden die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b mit derselben Vorspannung σ beaufschlagt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1 . Der mechanische Teil des vibronischen Sensors 1 weist ein Gehäuse 2 und eine mit dem Gehäuse 2 verbundenen schwingfähigen Einheit 3 auf. Letztere ist in der Fig. 2 als Schwinggabel mit zwei Schwingstäben 4 nur angedeutet. Soll die Viskosität oder die Dichte eines Mediums bestimmt werden, so ist die schwingfähige Einheit 3 so an dem Behälter angeordnet, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht. Für die Füllstandsdetektion ist die schwingfähige Einheit 3 auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht.
Auf einem Stehbolzen 10 sind eine Erregereinheit 6a, die die schwingfähige Einheit 3 zu Schwingungen anregt, und eine Empfangseinheit 6b, die
Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) empfängt, angeordnet.
Weiterhin ist auf dem Stehbolzen 10 eine Einstelleinheit 1 1 vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b unabhängig voneinander mit definierten Vorspannungen σ1 , σ2 beaufschlagt bzw. beaufschlagbar sind. Die Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b sind axial auf dem Bolzen 10 hintereinander angeordnet. Zu der Einstelleinheit gehören im gezeigten Fall im Prinzip vier Komponenten: der Bolzen 10, ein erstes Einstellelement 12, ein zweites Einstellelement 13 und das Gehäuse 2. Zwischen der Erregereinheit 6a und der Empfangseinheit 6b ist das erste Einstellelement 12 angeordnet. Das zweite Einstellelement 13 ist in axialer Richtung hinter der Empfangseinheit 6b angeordnet. Das erste Einstellelement 12 ist als Druckschraube ausgebildet, die über das Gewinde 14 und das Gehäusegewinde 15 mit dem Gehäuse 2 verschraubt ist. Über die Druckschraube 12 lässt sich individuell die auf die Erregereinheit 6a
ausgeübte Vorspannung σ1 bzw. die Kraft FA einstellen. Bei dem zweiten Einstellelement 13 handelt es sich um eine Druckmutter 13, die an dem Stehbolzen 10 über die Gewinde 20, 21 verschraubt ist. Wiederum ist es möglich, über das Anzugsmoment der Druckmutter 13 die auf die
Empfangseinheit 6b ausgeübte Vorspannung σ2 bzw. die Kraft FB individuell einzustellen. Zwischen der Empfangseinheit 6b und der Druckmutter 13 befindet sich noch eine Metallscheibe 17. Bevorzugt ist die Einstelleinheit 1 1 so ausgestaltet, dass die Vorspannung, die auf die Erregereinheit 6a ausgeübt wird, verschieden ist von der Vorspannung, die auf die Empfangseinheit 6b ausgeübt wird. Die Vorspannungen σ1 , σ2 sind so gewählt, dass sie ein Übersprechen weitgehend verhindern. Erfindungsgemäß werden die
Erregereinheit 6a und die Empfangseinheit 6b über die Einstelleinheit 1 1 voneinander entkoppelt.
Die Regel-/Auswerteeinheit 9 stellt anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderung einer Komponente der
Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung. Bei den Komponenten der
Schwingung handelt es sich um die Amplitude, die Frequenz oder die Phase bzw. die Phasenverschiebung zischen Erreger- und Empfangssignal.
Bezugszeichenliste
1 Schwingungssensor
2 Gehäuse
3 schwingfähige Einheit
4 Schwingstab
5 Membran
6 Stapelantrieb
6a Erregereinheit
6b Empfangseinheit
7 elektromechanisches / piezoelektrisches Erregerelement
8 elektromechanisches / piezoelektrisches Empfangselement
9 Reg el -/Au s we rtee i n h e it
10 Bolzen / Stehbolzen
1 1 Einstelleinheit
12 erstes Einstellelement / Druckschraube
13 zweites Einstellelement /Druckmutter
14 Gewinde am ersten Einstellelement
15 Gewinde am Gehäuse
16 Innenwand des Gehäuses
17 Metallscheibe
18 Haltering
19 Metallscheibe
20 Gewinde am Bolzen
21 Gewinde an Druckmutter

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums oder zur Bestimmung und/oder Überwachung eines
vorgegebenen Füllstands eines Mediums in einem Behälter,
mit einem Gehäuse (2) und einer mit dem Gehäuse (2) verbundenen schwingfähigen Einheit (3), die derart in dem Behälter angeordnet ist, dass sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht, oder die auf der Höhe des vorgegebenen Füllstandes angebracht ist,
mit einer Erregereinheit (6a), die die schwingfähige Einheit (3) zu
Schwingungen anregt,
mit einer Empfangseinheit (6b), die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (3) empfängt,
mit einer Einstelleinheit (1 1 ), die so ausgestaltet ist, dass die Erregereinheit (6a) und die Empfangseinheit (6b) unabhängig voneinander mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt sind oder beaufschlagbar sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand von zumindest einer Komponente der Schwingung oder anhand einer Änderungen einer
Komponente der Schwingung Information über die Prozessgröße oder das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes zur Verfügung stellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Einstelleinheit (1 1 ) so ausgestaltet ist, dass die Vorspannung, die auf die Erregereinheit (6a) ausgeübt wird, verschieden ist von der
Vorspannung, die auf die Empfangseinheit (6b) ausgeübt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Einstelleinheit (1 1 ) zumindest einen Bolzen (10), ein erstes
Einstellelement (12) und ein zweites Einstellelement (13) aufweist,
wobei die Erregereinheit (6a) und die Empfangseinheit (6b) bezüglich des Bolzens (10) hintereinander angeordnet sind, wobei zwischen der
Erregereinheit (6a) und der Empfangseinheit (6b) bzw. zwischen der
Empfangseinheit (6b) und der Erregereinheit (6a) das erste Einstellelement (12) angeordnet ist, und wobei das zweite Einstellelement (13) hinter der Empfangseinheit (6b) bzw. hinter der Erregereinheit (6a) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Erregereinheit (6) zumindest ein koaxial zum Bolzen (10) angeordnetes elektromechanisches Erregerelement (7) aufweist, und wobei die Empfangseinheit (6a) zumindest ein koaxial zum Bolzen (10) angeordnetes elektromechanisches Empfangselement (8) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei es sich bei dem Bolzen (10) um einen Stehbolzen handelt, der axial zur Längsachse (L) des Gehäuses (2) angeordnet ist,
wobei das erste Einstellelement (12) als Druckschraube ausgebildet ist, die mit der Innenwand (16) des Gehäuse (3) verbunden ist oder verbindbar ist, und
wobei es sich bei dem zweiten Einstellelement (13) um eine Druckmutter handelt, die mit dem Stehbolzen (10) verbunden ist oder verbindbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (3) um zwei über eine Membran (5) an dem Gehäuse (2) befestigte Schwingstäbe (4) handelt, oder
wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (3) um einen über eine Membran (5) an dem Gehäuse befestigten Schwingstab handelt, oder
wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (3) um eine Membran (5) handelt.
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