WO2018059754A1 - Vibration sensor and method for operating a vibration sensor - Google Patents

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WO2018059754A1
WO2018059754A1 PCT/EP2017/066226 EP2017066226W WO2018059754A1 WO 2018059754 A1 WO2018059754 A1 WO 2018059754A1 EP 2017066226 W EP2017066226 W EP 2017066226W WO 2018059754 A1 WO2018059754 A1 WO 2018059754A1
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mechanical oscillator
vibration sensor
sectors
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Levin Dieterle
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Vega Grieshaber Kg
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    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • GPHYSICS
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    • G10K9/00Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the present invention relates to a vibration sensor ge ⁇ according to the preamble of claim 1 and a method for operating a vibration sensor according to the preamble of claim 7.
  • Such vibration level switches are used insbeson ⁇ particular for the detection of levels or limit levels in Benzol ⁇ tern for flowable and fluidizable media, especially for liquids or solids.
  • the vibrato ⁇ ons level switch are sorted by level in the container with the medium in contact with or not, so that a Schwingfre acid sequence of the membrane or of which is arranged on the membrane mecha ⁇ African transducer is influenced by the contact with the medium.
  • the piezoelectric element know at least two electrical PLEASE CONTACT ⁇ requirements. At least one first electrical contacting is applied to an upper side of the piezoelectric element and at least one second electrical contacting is applied to a lower side of the piezoelectric element. Typically applied flat Metallisierun ⁇ gen be used for contacting of the piezo element.
  • the underside of the piezo element ie a surface of the piezo element facing the diaphragm
  • the top of the piezo element, ie the surface of the piezo element facing away from the diaphragm, either with is one or provided with several electrical contacts ⁇ rule.
  • the upper surface of the piezoelectric element may be contacted four times segmented and it can be in each case two diagonally opposite contacted at ⁇ parent segments together electrically. In this way, it is possible via two of the contacts to couple a movement in the membrane and simultaneously detect a frequency and / or Amplitu ⁇ de the membrane via the other two contacts. If the surface is not contacted segmen ⁇ advantage, as excitation and detection can be performed only se ⁇ quentiell.
  • a voltage is generated by the piezoelectric element, which is proportional to is a curvature of the piezoelectric element and can be tapped on themaschineie ⁇ ments. Conversely, an applied voltage is converted into a proportional curvature of the piezo element and thus of the membrane.
  • Schwingers can be interpreted. This situation leads to the withdrawal of the medium to a significantly delayed change ⁇ tion of the switching state of the known from the prior art ⁇ th sensors. Sometimes it can also misdetections occur. This is perceived in the prior art as a significant after ⁇ part.
  • the vibrations detected by means of the drive are characterized in that the drive comprises at least one piezoelectric element, the piezoelectric element having at least four sectors which can be controlled separately from one another.
  • the present invention is based on the knowledge Grun de ⁇ that has a coverage for the detection of the mechanical oscillator with a medium, the Clap mode a particularly high frequency shift relative to the empty resonance. If the clap-transverse mode is examined with the same coverage of the mechanical oscillator, this shows that this has a significantly lower frequency shift. In contrast, an adhesion to the mechanical oscillator acts as a sluggish mass on both the Clap mode and the clap-cross mode and causes an equally large rela ⁇ tive frequency shift in both modes compared to the respective idle resonance, so the presence of an adhesion can be detected.
  • the vorlie ⁇ constricting invention will be driven all the four sectors of the piezoelectric element is equal ⁇ early and specifically in accordance with, so that by excitation of a ge ⁇ aimed deformation of the diaphragm sub targeted excitation different eigenmodes of the mechanical oscillator can be done.
  • the piezoelectric element is disc-shaped with a substantially circular base surface, wherein the sectors and the electrodes occupy substantially a quarter of the base area and korres ⁇ pondierend each other, in particular congruent, are arranged.
  • a substantially circular base area also includes ground surfaces deviating therefrom , which, for example, have an elliptical shape
  • a base surface adapted to a deformation of the membrane that forms during oscillation of the mechanical oscillator.
  • a corresponding arrangement of electrodes and sectors means, in particular, that each one sector of the piezoelement is assigned an electrode and electrically contacts this sector.
  • a simple electrical control of the piezoelectric element with a simple design can be achieved if the piezoelectric element has a full-surface back ⁇ side electrode on a second side. Characterized in that the piezoelectric element on the first side, in particular the upper side, is selectively kontak ⁇ advantage and on the second side, in particular the lower ⁇ side has a full-surface back electrode, ei ⁇ ne simple coupling of the ground potential to the back and a simple coupling a voltage excitation or tapping of voltages for detection on the top he ⁇ follow.
  • the piezo element at least two portions different ⁇ Licher polarization direction can including
  • the indicated above deformations are even easier coupled into the membrane and the ground potential of the back electrode is due to the necessary for a rectified deformation countervailing starting voltage in each case constant between the on ⁇ regeêten.
  • the ground potential can thus be coupled capacitively and a direct electrical contacting of the return electrode is not necessary.
  • a method for operating a vibration sensor in which a arranged on a diaphragm mechanical oscillator by means of a drive to a
  • Oscillation is excited and detects a vibration of the mechanical oscillator for detecting a coverage state of the mechanical ⁇ rule vibrator, wherein the method is characterized in that for detecting the state of coverage of the mechanical oscillator and buildup on the mechanical ⁇ African vibrator at least two different eigenmodes of the mechanical oscillator are alternately excited and a respective resulting vibration is detected.
  • the second excitation mode always necessarily follows the first excitation mode and vice versa, but may also mean in the sense of the present application that one of the excitation modes occurs several times. Alternately, however, this means in particular that in one measurement cycle in each case probably the first and the second excitation mode is excited.
  • the two different Eigenmo ⁇ a different vibration direction, which are preferably substantially orthogonal to each other.
  • a particularly good detection can be achieved if a first eigenmode for detecting a covering oscillates along a surface normal of the mechanical oscillator and a second eigenmode for detecting an adhesion oscillates perpendicular to this surface normal and perpendicular to a longitudinal axis of the mechanical oscillator.
  • all sectors of the piezoelectric element are excited to a rectified deformation for excitation of the first eigenmode, wherein for the excitation of the second eigenmode each two diagonally opposite ⁇ lying sectors of the piezoelectric element are excited to a rectified deformation.
  • a sequential proceeding is carried out in which the mechanical oscillator is first excited to oscillate in one of the eigenmodes and after the excitation a detection of frequency and / or phase and / or amplitude and / or attenuation of the then decaying oscillation takes place ,
  • the number of vibration ⁇ cycles adapted to the attenuation occurring through the medium is to get in a certain range, a largely constant amplitude in the case of reception.
  • Figure 1 is a mechanical oscillation unit of a vibration ⁇ sensor according to the present application.
  • Fig. 3 shows a piezoelectric element with differently polarized
  • FIG. 4 shows the maximum oscillation amplitudes occurring upon excitation of the piezoelectric element 201 according to FIG. 3 in accordance with the control specified in FIGS. 211 and 221.
  • the mechanical vibration unit is basically capable of oscillation from egg ⁇ ner in a circumferential edge 30 is spun ⁇ th membrane 5, wherein on the diaphragm 5 a mechanical ⁇ shear oscillator 10 is disposed.
  • the mechanical oscillator 10 is formed in the present embodiment as a tuning fork with two vibration elements, the two
  • Vibration elements are each formed as attached via a coupling 102 on the diaphragm 5 paddle 101.
  • the pad ⁇ del 101 are aligned substantially parallel to each other and symmetrically to a plane of symmetry S via the couplings 102 on the membrane 5 attached.
  • FIG. 1 also shows the surface normal n of one of the pads 101.
  • the paddles are planarized to maximize the difference in interaction with the media / adhesion between the two stimulable modes. But since the paddles may have more complex geometries surgicalngeo ⁇ is considered a surface normal n of norma ⁇ len vector to the gebil- by the largest surface extension finished level.
  • FIG. 2 shows a top view of the membrane 5 of the mechanical vibration unit from FIG. 1, wherein the vibration elements of the mechanical oscillator 10 are shown schematically in this plan view.
  • the paddles 101 and their coupling 102 can be seen, wherein the couplings 102 are arranged symmetrically to the plane of symmetry S and the paddles 101 are aligned parallel to each other.
  • the four sub-figures from Figure 2 which are denoted by 100, 110, 120 and 130 which occur primarily in a mechanical vibrating assembly according to Figure 1 first four eigenmodes of the mechanical oscillator 10 are schematic ⁇ table located.
  • the so-called Sway-transverse-mode is characterized, in which the paddle 101 in the common mode perpendicular to the surfaces ⁇ normal n of the paddles and thus parallel to the symmetry plane S, that is, they oscillate in the plane defined by the paddle FLAE ⁇ surface.
  • the order of the modes may differ in their frequency.
  • the clap or clap-transverse mode are particularly suitable.
  • the use of clap Mode for detecting a coverage with medium corresponds to the prior art. If the mechanical oscillator 10 immerses in a medium to be detected, the resonance frequency and amplitude of the Clap mode change as a function of the density and viscosity of the medium. With complete coverage with medium, the clap-cross mode has a significantly lower frequency shift compared to the clap mode. Swinging the mechanical oscillator 10 but is free and has a strong adhesion of medium affects the inertial mass of the adhesion to both modes alike and the relative frequency shift ⁇ environment due to adhesion is similar in both modes. Thus, by using and comparing the frequencies of clap and clap-cross modes, adhesion can be actively detected and sensor mismatch due to adhesions and the resulting frequency shift avoided.
  • a drive 3 suitable for this purpose can be accomplished, for example, by a sectored polarized piezoelectric element 7 with 90 ° electrodes 71, 71, 73, 74. Three possible polarizations of the piezoelectric element 7 are shown in the sections 201, 202 and 203 in FIG. 3.
  • opposing halves of the piezoelectric element can be polarized equally, with each half each having two 90 ° electrodes 71, 74; 72, 73.
  • the piezoelectric element 7 is divided into four segments, these being circulating alternately polarized in each case.
  • the segments are each 90 ° large with this ⁇ correspond to the electrodes 71, 72, 73, 74 is provided.
  • a uniform polarization of the piezoelectric element 7 would also be possible, wherein a division into sectors is effected by four 90 ° electrodes.
  • 211, 212 and 213 shows the polarity of the AC voltage to the Clap mode ⁇ on and 221, 222 and 223, the polarity of the AC voltage for exciting the clap-transverse mode.
  • the ground potential is always exactly between the two clamping ⁇ voltages.
  • the ground electrode on the rear side of the piezoelectric element does not have to be contacted separately and can capacitive capacitive to the membrane 5 to which the piezoelectric element 7 is adhered, are coupled.
  • the actuation of the piezoelectric element 7 is advantageously carried out by a sinusoidal voltage on the Resonanzfre ⁇ frequency, since the frequency spectrum has only one frequency and ⁇ not, for example, in a square-wave voltage has a plurality of harmonics, which in addition to the ⁇ to moving Mode can stimulate other vibration modes.
  • a sinusoidal voltage on the Resonanzfre ⁇ frequency since the frequency spectrum has only one frequency and ⁇ not, for example, in a square-wave voltage has a plurality of harmonics, which in addition to the ⁇ to moving Mode can stimulate other vibration modes.
  • Orientation of the adhered to the membrane piezoelectric element 7 relative to the tuning fork be such that the connection of the paddle 102 to the diaphragm 5 is exactly on one of Sektorli ⁇ nien of the piezoelectric element 7.
  • Electrode 13 and corresponding to V14 abuts the electrode 14 during the swinging out of the piezoelectric element 7.
  • the signs in the summation arise by the polarization or bending of the individual Sekto ⁇ ren 71,72,73,74.
  • Fig. 4 shows the logarithmic applied vibration is amplitude (simulation) as a function of the excitation frequency at the tip of a paddle 101 along the surface of Norma ⁇ len n of the paddle 101 (x-direction) and perpendicular thereto (y direction) when excited with a sectored piezoelectric element 7 according to the embodiment shown in 201.
  • the amplitude in the x-direction with polarity of the starting voltage according to 211 is shown at 310.
  • 311 shows the amplitude in y-direction with polarity of the starting voltage according to 221.

Abstract

The invention relates to a vibration sensor (1) comprising a membrane (5) that can be stimulated so as to oscillate by means of a piezoelectric drive (3), a mechanical oscillator (10) which is arranged on the membrane and has at least two eigenmodes (100, 110, 120, 130), and an electronic system for controlling the drive (3) and for evaluating oscillations detected by the drive (3), wherein the drive (3) comprises at least one piezoelectric element (7), the piezoelectric element (7) having at least four separately controllable sectors (71, 72, 73, 74).

Description

Vibrationssensor und Verfahren zum Betreiben eines Vibrations Vibration sensor and method for operating a vibration
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor ge¬ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. The present invention relates to a vibration sensor ge ¬ according to the preamble of claim 1 and a method for operating a vibration sensor according to the preamble of claim 7.
Aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationssensoren weisen eine über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran mit einem an der Membran angeordneten mecha¬ nischen Schwinger sowie eine Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs und zur Auswertung von detektierten Schwingungen auf. From the prior-art vibration sensors exhibit a piezoelectric actuator to oscillate stimulable membrane having a membrane arranged on the mechanical ¬ African transducer and an electronic unit for controlling the drive and for the evaluation of the detected vibrations.
Eingesetzt werden diese häufig als Vibrations-These are often used as vibratory
Grenzstandschalter mit einer in Schwingung versetzbaren Memb¬ ran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran sowie ei¬ nem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger, wobei als Antrieb häufig piezoelektrische Elemente zum Einsatz kom¬ men. Derartige Vibrations-Grenzstandschalter werden insbeson¬ dere zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen in Behäl¬ tern für fließfähige und fluidisierbare Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrati¬ ons-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit dem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfre¬ quenz der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mecha¬ nischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beein- flusst wird. Level switch with a vibratable Memb ¬ ran and a drive for moving the membrane in oscillation and / or for picking up a vibration of the membrane and ei ¬ nem arranged on the membrane mechanical oscillator, often being used as a drive komkom ¬ piezoelectric elements. Such vibration level switches are used insbeson ¬ particular for the detection of levels or limit levels in Behäl ¬ tern for flowable and fluidizable media, especially for liquids or solids. The vibrato ¬ ons level switch are sorted by level in the container with the medium in contact with or not, so that a Schwingfre acid sequence of the membrane or of which is arranged on the membrane mecha ¬ African transducer is influenced by the contact with the medium.
Die aus dem Stand bekannten Vibrationssensoren werden häufig mit einem geklebten Antrieb betrieben, wobei bei dieser An¬ triebsart ein scheibenförmig ausgebildetes Piezoelement unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoele- ment mit der Membran verklebt ist. The known from the state of vibration sensors are often operated with a glued drive, wherein in this on ¬ triebsart a disc-shaped design piezo element under Interposition of a compensation element for adjusting the thermal expansion coefficients of membrane and piezoelectric element is glued to the membrane.
Um die Membran in Schwingung zu versetzen und Schwingungen der Membranen erfassen und in ein Messsignal überführen zu können, weißt das Piezoelement wenigstens zwei elektrische Kontaktie¬ rungen auf. Wenigstens eine erste elektrische Kontaktierung ist auf einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektrische Kontaktierung ist auf einer Unterseite des Piezoelements aufgebracht. Typischerweise werden zur Kontak- tierung des Piezoelements flächig aufgebrachte Metallisierun¬ gen verwendet . To enable the diaphragm to vibrate and detect vibrations of the membranes and to be able to be converted into a measurement signal, the piezoelectric element know at least two electrical PLEASE CONTACT ¬ requirements. At least one first electrical contacting is applied to an upper side of the piezoelectric element and at least one second electrical contacting is applied to a lower side of the piezoelectric element. Typically applied flat Metallisierun ¬ gen be used for contacting of the piezo element.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Antrieben ist die Unterseite des Piezoelements , d.h. eine der Membran zugewandte Oberfläche des Piezoelements , in der Regel vollflächig kontaktiert während die Oberseite des Piezoele- ments, d. h. die von der Membran wegweisende Oberfläche des Piezoelements , entweder mit einer oder mit mehreren elektri¬ schen Kontaktierungen versehen ist. Beispielsweise kann die Oberseite des Piezoelements vierfach segmentiert kontaktiert sein und es können jeweils zwei diagonal gegenüberliegend an¬ geordnete Segmente gemeinsam elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist es möglich über zwei der Kontaktierungen eine Bewegung in die Membran einzukoppeln und gleichzeitig über die beiden anderen Kontaktierungen eine Frequenz und/oder Amplitu¬ de der Membran zu erfassen. Ist die Oberfläche nicht segmen¬ tiert kontaktiert, so können Anregung und Detektion nur se¬ quentiell durchgeführt werden. In the case of the piezoelectric drives known from the prior art, the underside of the piezo element, ie a surface of the piezo element facing the diaphragm, generally contacts the entire surface while the top of the piezo element, ie the surface of the piezo element facing away from the diaphragm, either with is one or provided with several electrical contacts ¬ rule. For example, the upper surface of the piezoelectric element may be contacted four times segmented and it can be in each case two diagonally opposite contacted at ¬ parent segments together electrically. In this way, it is possible via two of the contacts to couple a movement in the membrane and simultaneously detect a frequency and / or Amplitu ¬ de the membrane via the other two contacts. If the surface is not contacted segmen ¬ advantage, as excitation and detection can be performed only se ¬ quentiell.
Bei den typischerweise eingesetzten Piezoelementen wird von dem Piezoelement eine Spannung erzeugt, welche proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist und über die Kontaktie¬ rungen abgegriffen werden kann. Umgekehrt wird eine angelegte Spannung in eine proportionale Krümmung des Piezoelements und damit der Membran umgesetzt. In the piezo elements typically used, a voltage is generated by the piezoelectric element, which is proportional to is a curvature of the piezoelectric element and can be tapped on the Kontaktie ¬ ments. Conversely, an applied voltage is converted into a proportional curvature of the piezo element and thus of the membrane.
Als mechanische Schwinger kommen häufig stimmgabelähnlich aus¬ gebildete Anordnungen zum Einsatz, bei denen zwei an der Memb¬ ran symmetrisch angeordnete und parallel zueinander ausgerich¬ tete Paddel zur Schwingungsübertragung verwendet werden. Diese Paddel weisen in der Regel eine stabförmige Ankopplung an die Membran und ein, ähnlich einem Paddel flächig verbreitertes freies Ende auf. As mechanical oscillators are often tuning fork similar from ¬ formed arrangements are used, in which two symmetrically arranged on the Memb ¬ ran arranged and parallel to each other ¬ tete paddles for vibration transmission. These paddles usually have a rod-shaped coupling to the membrane and, like a paddle widened flat free end.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren messen lediglich eine beim Eintauchen eines mechanischen The known from the prior art vibration sensors measure only one when immersing a mechanical
Schwingers in das zu detektierende Medium auftretende Fre¬ quenzverschiebung relativ zur Frequenz einer Leerresonanz und leiten aus dieser Frequenzverschiebung einen Schaltbefehl ab. Durch die oben beschriebene Anregung zweier diagonal gegen¬ überliegender Segmente wird die sogenannte Clap-Mode angeregt, bei dem sich die Paddel des mechanischen Schwingers entlang einer Oberflächennormalen des Paddels aufeinander zu bzw. von einander weg bewegen. Oscillator occurring in the medium to be detected Fre ¬ quenzverschiebung relative to the frequency of a Leerresonanz and derive from this frequency shift from a switching command. By the above described excitation of two diagonally opposite ¬ opposing segments, the so-called Clap-mode is excited, in which moving the paddles of the mechanical oscillator along a surface normal of the paddle towards and away from each other.
Bei den im Stand der Technik verwendeten Antrieben wird entwe¬ der bei der vollflächigen Kontaktierung des Piezoelements die Resonanzfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und der mechani¬ schen Schwinger beginnt auf Grund der eingekoppelten Frequenz in der entsprechenden Eigenmode zu schwingen oder es wird bei segmentiert kontaktierten Piezoantrieben an zwei Segmenten die Eigenfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und über die zwei verbleibenden Segmente eine Detektion der sich ausbildenden Schwingungsfrequenz durchgeführt . Bei Messungen in hochviskosen Medien kommt es häufig nach Be¬ deckung des mechanischen Schwingers und anschließendem Abzug des Mediums zu Anhaftungen an bzw. zwischen den Paddeln des mechanischen Schwingers, die ebenfalls zu einer Frequenzver¬ schiebung führen, welche als Bedeckung des mechanischen Is at the used in the prior art drives entwe ¬ the coupled resonant frequency of the Clap-mode at the full-surface contact with the piezoelectric element and the mechanical ¬ rule oscillator starts due to the injected frequency in the corresponding eigenmode to swing or it will at segmented contacted piezo drives coupled to two segments, the natural frequency of the Clap mode and performed on the two remaining segments, a detection of the forming vibration frequency. For measurements in highly viscous media it occurs frequently on to Be ¬ cover the mechanical oscillator and subsequent deduction of the medium to buildup or between the paddles of the mechanical oscillator, which also lead to a Frequenzver ¬ shift, which as a covering of the mechanical
Schwingers interpretiert werden kann. Diese Situation führt nach dem Abzug des Mediums zu einer deutlich verzögerten Ände¬ rung des Schalt zustandes der aus dem Stand der Technik bekann¬ ten Sensoren. Mitunter können dadurch auch Fehldetektionen auftreten. Dies wird im Stand der Technik als deutlicher Nach¬ teil empfunden. Schwingers can be interpreted. This situation leads to the withdrawal of the medium to a significantly delayed change ¬ tion of the switching state of the known from the prior art ¬ th sensors. Sometimes it can also misdetections occur. This is perceived in the prior art as a significant after ¬ part.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrati¬ onssensor zur Verfügung zu stellen, der ein besseres Detekti- onsverhalten und weniger Fehldetektionen aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationssensors anzugeben, durch das Fehldetektionen vermieden werden. It is the object of the present invention to provide a vibrato ¬ onssensor available, the onsverhalten a better Detekti- and has fewer incorrect detections. Further, it is an object of the present invention to provide a method of operating such a vibration sensor by which misdetections are avoided.
Diese Aufgaben werden durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit den Merkmalen des Pa- tentanspruchs 7 gelöst. These objects are achieved by a vibration sensor having the features of patent claim 1 and by a method for operating a vibration sensor having the features of patent claim 7.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprü¬ chen angegeben. Advantageous developments are specified in dependent Patentansprü ¬ chen.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Memb¬ ran mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwin¬ ger, der wenigstens zwei Eigenmoden aufweist, und einer Elekt¬ ronik zur Ansteuerung des Antriebs sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs detektierten Schwingungen zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb wenigstens ein Piezoelement um- fasst, wobei das Piezoelement wenigstens vier getrennt vonei- nander ansteuerbare Sektoren aufweist . An inventive vibration sensor with a stimulable via a piezoelectric drive Memb ¬ ran with a arranged on the membrane mechanical Schwin ¬ ger, which has at least two eigenmodes, and a Elekt ¬ ronik for controlling the drive and for the evaluation of The vibrations detected by means of the drive are characterized in that the drive comprises at least one piezoelectric element, the piezoelectric element having at least four sectors which can be controlled separately from one another.
Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Piezoelements mit wenigstens vier voneinander getrennt ansteuerbaren Sektoren wird erreicht, dass zusätzlich zu der im Stand der Technik ausschließlich zur Grenzstanddetektion verwendeten Clap-Mode auch eine weitere Eigenmode, insbesondere die Clap-quer-Mode, bei der die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers gegengleich und orthogonal zu ihrer jeweiligen Oberflächen¬ normalen schwingen, angeregt werden kann. By a corresponding configuration of the piezoelectric element with at least four separately controllable sectors is achieved that in addition to the Clap mode used in the prior art exclusively for level detection also another eigenmode, in particular the clap-transverse mode in which the vibration elements of the mechanical Oscillator opposite and orthogonal to their respective surfaces ¬ normal swing, can be excited.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Erkenntnis zu Grun¬ de, dass für die Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit einem Medium die Clap-Mode eine besonders hohe FrequenzVerschiebung relativ zu der Leer-Resonanz aufweist. Wird bei gleicher Bedeckung des mechanischen Schwingers die Clap-quer-Mode untersucht, zeigt sich, dass dies eine deutlich geringere Frequenzverschiebung aufweist. Im Gegensatz dazu wirkt eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger als träge Masse sowohl auf die Clap-Mode als auch auf die Clap-quer-Mode und verursacht für beide Moden eine gleichermaßen große rela¬ tive FrequenzVerschiebung im Vergleich zu der jeweiligen Leer- Resonanz, sodass das Vorhandensein einer Anhaftung detektiert werden kann. Thus the present invention is based on the knowledge Grun de ¬ that has a coverage for the detection of the mechanical oscillator with a medium, the Clap mode a particularly high frequency shift relative to the empty resonance. If the clap-transverse mode is examined with the same coverage of the mechanical oscillator, this shows that this has a significantly lower frequency shift. In contrast, an adhesion to the mechanical oscillator acts as a sluggish mass on both the Clap mode and the clap-cross mode and causes an equally large rela ¬ tive frequency shift in both modes compared to the respective idle resonance, so the presence of an adhesion can be detected.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden gemäß der vorlie¬ genden Erfindung alle vier Sektoren des Piezoelements gleich¬ zeitig und gezielt angesteuert, damit durch Anregung einer ge¬ zielten Verformung der Membran eine gezielte Anregung unter- schiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers erfolgen kann . In contrast to the prior art, the vorlie ¬ constricting invention will be driven all the four sectors of the piezoelectric element is equal ¬ early and specifically in accordance with, so that by excitation of a ge ¬ aimed deformation of the diaphragm sub targeted excitation different eigenmodes of the mechanical oscillator can be done.
Für eine gezielte Anregung der unterschiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers durch Einkopplung einer gezielten Verformung in die Membran ist es vorteilhaft, wenn die vier Sektoren des Piezoelements wenigstens auf einer Seite des Pie- zoelements durch vier, im Wesentlichen gleichgroße Elektroden kontaktiert sind. Vorteilhafterweise ist das Piezoelement scheibenförmig mit im Wesentlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet, wobei die Sektoren und die Elektroden jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmen und korres¬ pondierend zueinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet sind . For a targeted excitation of the different eigenmodes of the mechanical oscillator by coupling a targeted deformation in the membrane, it is advantageous if the four sectors of the piezoelectric element are contacted at least on one side of the piezoelectric element by four, substantially equal electrodes. Advantageously, the piezoelectric element is disc-shaped with a substantially circular base surface, wherein the sectors and the electrodes occupy substantially a quarter of the base area and korres ¬ pondierend each other, in particular congruent, are arranged.
Eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche schließt gemäß der vorliegenden Anmeldung auch hiervon abweichende Grundflä¬ chen mit ein, die beispielsweise elliptisch ausgeformt According to the present application, a substantially circular base area also includes ground surfaces deviating therefrom , which, for example, have an elliptical shape
und/oder in ihrer Form an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran an- gepasste Grundfläche aufweisen. Ebenso können die im Wesentli¬ chen ein Viertel der Grundfläche einnehmenden Elektroden an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran angepasst sein. Durch eine entsprechende Anpassung kann beispielsweise eine erhöhte elektrische Amplitude erzielt werden, sodass eine weiter ver¬ besserte Detektion ermöglicht wird. and / or have in their shape a base surface adapted to a deformation of the membrane that forms during oscillation of the mechanical oscillator. Likewise, can be the one adapted to be forming at a vibration of the mechanical oscillator in the deformation of the diaphragm Wesentli ¬ chen a quarter of the base engaging electrodes. By a corresponding adaptation, for example an increased electrical amplitude can be obtained, so that a further improved ver ¬ detection is made possible.
Ein zueinander korrespondierendes Anordnen von Elektroden und Sektoren bedeutet insbesondere, dass je einem Sektor des Pie- zoelements eine Elektrode zugeordnet ist und diesen Sektor elektrisch kontaktiert. Eine einfache elektrische Ansteuerung des Piezoelements bei gleichzeitig einfachem Aufbau kann erreicht werden, wenn das Piezoelement auf einer zweiten Seite eine vollflächige Rück¬ seitenelektrode aufweist. Dadurch, dass das Piezoelement auf der ersten Seite, insbesondere der Oberseite, selektiv kontak¬ tiert wird und auf der zweiten Seite, insbesondere der Unter¬ seite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist, kann ei¬ ne einfache Ankopplung des Massepotentials an die Rückseite sowie ein einfaches Einkoppeln einer Spannungsanregung bzw. Abgreifen von Spannungen zur Detektion auf der Oberseite er¬ folgen . A corresponding arrangement of electrodes and sectors means, in particular, that each one sector of the piezoelement is assigned an electrode and electrically contacts this sector. A simple electrical control of the piezoelectric element with a simple design can be achieved if the piezoelectric element has a full-surface back ¬ side electrode on a second side. Characterized in that the piezoelectric element on the first side, in particular the upper side, is selectively kontak ¬ advantage and on the second side, in particular the lower ¬ side has a full-surface back electrode, ei ¬ ne simple coupling of the ground potential to the back and a simple coupling a voltage excitation or tapping of voltages for detection on the top he ¬ follow.
Es ist vorteilhaft, wenn das Piezoelement, die Elektroden und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einander benach¬ barten Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteu¬ ermodus je zwei einander diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoe¬ lement in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt. Bei einem mittelbar oder unmittelbar mit der Membran verklebten Piezoe¬ lement wird durch diese zwei Ansteuermodi die Membran entweder im Wesentlichen gleichsinnig gekrümmt, wodurch der Clap-Mode angeregt werden kann, oder gegensinnig gekrümmt, wodurch die Clap-quer-Mode angeregt werden kann. Die gegensinnig gekrümmte Membran ähnelt dabei einem hyperbolischen Paraboloid oder ei¬ ner Sattelfläche. Die Sektor-Grenzlinien des Piezos bilden hierbei jeweils die Knotenlinien der mechanischen Schwingung aus, wobei die stabförmige Anbindung des Paddels des mechani¬ scher Schwinger idealerweise direkt auf dieser Knotenlinie an- gebracht ist. It is advantageous to have when the piezoelectric element, the electrodes and the electronics configured and matched to each other that when a first drive mode two mutually Benach ¬ disclosed sectors of the piezoelectric element and in a second Ansteu ¬ ermodus two mutually diagonally opposite sectors of the piezo element in such a way are excitable that the Piezoe ¬ element deformed rectified in these sectors. The membrane whereby the Clap-transverse mode can be excited, in a directly or indirectly bonded with the membrane Piezoe ¬ lement by these two drive modes either substantially curved in the same direction, whereby the Clap mode can be excited, or oppositely curved. The oppositely curved membrane resembles a hyperbolic paraboloid or egg ¬ ner saddle surface. The sector boundary lines of the piezo form here in each case the nodal lines of the mechanical vibration of, said rod-shaped connection of the paddle of the mechanical ¬ shear vibrator is ideally placed directly off against this nodal line.
Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Abschnitte unterschied¬ licher Polarisationsrichtung aufweist können die oben angege- benen Verformungen noch einfacher in die Membran eingekoppelt werden und das Massepotential der Rückseitenelektrode liegt aufgrund der für eine gleichgerichtete Verformung notwendigen gegengleichen Anregespannung jeweils konstant zwischen den An¬ regespannungen. Durch eine bipolare Anregespannung kann das Massepotential somit auch kapazitiv gekoppelt werden und eine direkte elektrische Kontaktierung der Rückelektrode ist nicht nötig . When the piezo element at least two portions different ¬ Licher polarization direction can including The indicated above deformations are even easier coupled into the membrane and the ground potential of the back electrode is due to the necessary for a rectified deformation countervailing starting voltage in each case constant between the on ¬ regespannungen. By a bipolar excitation voltage, the ground potential can thus be coupled capacitively and a direct electrical contacting of the return electrode is not necessary.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors, bei dem ein an einer Membran angeordneter mechanischer Schwinger mittels eines Antriebs zur einer According to the invention, a method for operating a vibration sensor, in which a arranged on a diaphragm mechanical oscillator by means of a drive to a
Schwingung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechani¬ schen Schwingers erfasst wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers und von Anhaftungen an dem mecha¬ nischen Schwinger wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmoden des mechanischen Schwingers abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultierende Schwingung detektiert wird. Oscillation is excited and detects a vibration of the mechanical oscillator for detecting a coverage state of the mechanical ¬ rule vibrator, wherein the method is characterized in that for detecting the state of coverage of the mechanical oscillator and buildup on the mechanical ¬ African vibrator at least two different eigenmodes of the mechanical oscillator are alternately excited and a respective resulting vibration is detected.
Durch das abwechselnde Anregen unterschiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers kann einerseits eine Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium detektiert und andererseits eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger erkannt werden. By alternately exciting different eigenmodes of the mechanical oscillator, on the one hand a covering of the mechanical oscillator with medium can be detected and on the other hand an adhesion to the mechanical oscillator can be detected.
Abwechselnd im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet nicht, das zwangsweise auf den ersten Anregungsmodus immer der zweite Anregungsmodus folgt und umgekehrt, sondern kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch bedeuten, dass einer der Anregungsmodi mehrfach auftritt. Abwechselnd bedeutet dabei aber insbesondere, dass in einem Messzyklus in jedem Fall so- wohl der erste als auch der zweite Anregungsmodus angeregt wird . Alternate within the meaning of the present application does not mean that the second excitation mode always necessarily follows the first excitation mode and vice versa, but may also mean in the sense of the present application that one of the excitation modes occurs several times. Alternately, however, this means in particular that in one measurement cycle in each case probably the first and the second excitation mode is excited.
Vorteilhafterweise weisen die zwei unterschiedlichen Eigenmo¬ den eine unterschiedliche Schwingungsrichtung auf, wobei diese vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen. Eine besonders gute Detektion kann erreicht werden, wenn eine erste Eigenmode zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen des mechanischen Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu dieser Flächennormalen und senkrecht auf einer Längsachse des mechanischen Schwingers schwingt. Advantageously, the two different Eigenmo ¬ a different vibration direction, which are preferably substantially orthogonal to each other. A particularly good detection can be achieved if a first eigenmode for detecting a covering oscillates along a surface normal of the mechanical oscillator and a second eigenmode for detecting an adhesion oscillates perpendicular to this surface normal and perpendicular to a longitudinal axis of the mechanical oscillator.
In der vorliegenden Anmeldung soll als Flächennormale der nor¬ malen Vektor auf die größte der Flächen des mechanischen In the present application is intended as a surface normal of nor ¬ paint vector on the largest of the surfaces of the mechanical
Schwingers bzw. der jeweiligen Schwingelemente verstanden wer¬ den . Vibrator or the respective oscillating elements understood ¬ who.
In einer Ausgestaltungsform des vorliegenden Verfahrens werden zur Anregung der ersten Eigenmode alle Sektoren des Piezoele- ments zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt, wobei zur Anregung der zweiten Eigenmode je zwei diagonal gegenüber¬ liegende Sektoren des Piezoelements zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden. In one embodiment of the present method, all sectors of the piezoelectric element are excited to a rectified deformation for excitation of the first eigenmode, wherein for the excitation of the second eigenmode each two diagonally opposite ¬ lying sectors of the piezoelectric element are excited to a rectified deformation.
Zur Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium oder einer Anhaftung werden vorzugsweise eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Dämpfung und/oder Pha¬ senbeziehung des mechanischen Schwingers nach der Anregung analysiert. Da gemäß der vorliegenden Erfindung sämtliche Sek¬ toren des Piezoelements zur gezielten Anregung der unter¬ schiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers verwendet werden, ist es nicht möglich gleichzeitig zur Anregung eine Detektion durchzuführen. Es wird daher eine sequentielles Vor¬ gehen durchgeführt, bei dem der mechanische Schwinger zunächst zu einer Schwingung in einer der Eigenmoden angeregt wird und nach der Anregung eine Detektion von Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude und/oder Dämpfung der dann abklingenden Schwingung erfolgt. For detecting a coverage of the mechanical oscillator with a medium or adhesion of a frequency and / or amplitude and / or attenuation and / or Pha ¬ senbeziehung of the mechanical oscillator are preferably analyzed after excitation. As used under different ¬ union eigenmodes of the mechanical oscillator according to the present invention, all ¬ sec tors of the piezo element for selective excitation of, it is not possible simultaneously to excite a To perform detection. Therefore, a sequential proceeding is carried out in which the mechanical oscillator is first excited to oscillate in one of the eigenmodes and after the excitation a detection of frequency and / or phase and / or amplitude and / or attenuation of the then decaying oscillation takes place ,
Um eine möglichst große Schwingungsamplitude zu realisieren ist es sinnvoll, die Frequenz zur Anregung der jeweiligen Ei- genmode an die zuletzt bei dieser Eigenmode detektierte Fre¬ quenz anzupassen bzw. diese nachzuführen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der mechanische Schwinger immer im Be¬ reich seiner jeweiligen aktuellen Resonanzfrequenz, egal ob bedeckt oder unbedeckt, mit oder ohne Anhaftung, angeregt wird. In order to realize the greatest possible vibration amplitude, it is appropriate to adjust the frequency to excite the respective eigenmode to the last detected in this eigenmode Fri acid sequence or to track them. In this way it is ensured that the mechanical oscillator always Be ¬ rich its respective actual resonance frequency, whether, is excited with or without attachment covered or uncovered.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn jeweils eine Eigenmode zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms die It has proved to be advantageous if in each case an eigenmode between 20 ms and 80 ms, in particular between 40 ms and 60 ms and particularly advantageously for 50 ms excited and then between 20 ms and 80 ms, especially between 40 ms and 60 ms and especially beneficial for 50 ms the
Schwingung detektiert wird. Oscillation is detected.
Bei einer Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers von et- wa 1 kHz entspricht dies einer Anregung von etwa 20 Schwin¬ gungszyklen des mechanischen Schwingers, wobei auch die Mög¬ lichkeit besteht, die Dauer der Anregung an die jeweils not¬ wendige Zeit für 20 Schwingungszyklen, bei der zuletzt detek- tierten Resonanzfrequenz anzupassen. At a resonant frequency of the mechanical oscillator of about 1 kHz, this corresponds to an excitation of approximately 20 oscillations ¬ supply cycles of the mechanical oscillator, wherein the Mög ¬ friendliness is, the duration of the excitation at each of not ¬ manoeuvrable time for 20 cycles of oscillation, wherein Adjust the last detected resonant frequency.
Weiterhin ist auch denkbar, dass die Anzahl der Schwingungs¬ zyklen an die durch das Medium auftreten Dämpfung angepasst wird, um in einem gewissen Messbereich eine weitestgehend gleichbleibende Amplitude im Empfangsfall zu erhalten. Furthermore, it is also conceivable that the number of vibration ¬ cycles adapted to the attenuation occurring through the medium is to get in a certain range, a largely constant amplitude in the case of reception.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zur der Beurteilung des Ausschwingverhaltens, ein aus den an den einzelnen Piezosektoren anliegenden Spannungen generiertes Summensignal auszuwerten. Hierdurch wird verhindert, dass eine Überlagerung der beiden Schwingungsmoden bei kurzer zeitlichen Abfolge der beiden Anregungsmoden das Messergebnis unvorteil- haft verändert. Furthermore, it has proven to be advantageous for the evaluation of the decay behavior to evaluate a sum signal generated from the voltages applied to the individual piezoelectric sectors. This prevents that a superimposition of the two vibration modes in a short time sequence of the two excitation modes changed the measurement result unfavorable.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrations¬ sensors gemäß der vorliegenden Anmeldung, The present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying figures. In the drawings: Figure 1 is a mechanical oscillation unit of a vibration ¬ sensor according to the present application.
Fig. 2 vier sich bei der mechanischen Schwingungseinheit Fig. 2 four in the mechanical vibration unit
mäß Figur 1 hauptsächlich ausbildende Eigenmoden,  according to FIG. 1, mainly self-developed modes,
Fig. 3 ein Piezoelement mit unterschiedlich polarisierten Fig. 3 shows a piezoelectric element with differently polarized
Sektoren sowie die Polarität der angelegten elektri sehen Spannung zur Erzeugung der Eigenmoden 100 und Sectors and the polarity of the applied electrical see voltage for generating the eigenmodes 100 and
130 gemäß Figur 2 und 130 according to Figure 2 and
Fig. 4 die maximal auftretenden Schwingungsamplituden bei einer Anregung des Piezoelements 201 gemäß Figur 3 gemäß der in 211 und 221 angegebenen Ansteuerung. 4 shows the maximum oscillation amplitudes occurring upon excitation of the piezoelectric element 201 according to FIG. 3 in accordance with the control specified in FIGS. 211 and 221.
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine me¬ chanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung. Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen aus ei¬ ner schwingungsfähig in einen umlaufenden Rand 30 eingespann¬ ten Membran 5 aufgebaut, wobei an der Membran 5 ein mechani¬ scher Schwinger 10 angeordnet ist. Der mechanische Schwinger 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stimmgabel mit zwei Schwingungselementen ausgebildet, wobei die beiden 1 shows a perspective view of a me chanical ¬ oscillation unit of a vibration sensor according to the present application. The mechanical vibration unit is basically capable of oscillation from egg ¬ ner in a circumferential edge 30 is spun ¬ th membrane 5, wherein on the diaphragm 5 a mechanical ¬ shear oscillator 10 is disposed. The mechanical oscillator 10 is formed in the present embodiment as a tuning fork with two vibration elements, the two
Schwingungselemente jeweils als über eine Ankopplung 102 an der Membran 5 befestigte Paddel 101 ausgebildet sind. Die Pad¬ del 101 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und symmetrisch zu einer Symmetrieebene S über die Ankopplun- gen 102 an der Membran 5 befestigt. Vibration elements are each formed as attached via a coupling 102 on the diaphragm 5 paddle 101. The pad ¬ del 101 are aligned substantially parallel to each other and symmetrically to a plane of symmetry S via the couplings 102 on the membrane 5 attached.
In Figur 1 ist ferner die Oberflächennormale n eines der Pad¬ del 101 eingezeichnet. Vorteilhafterweise sind die Paddel planar ausgeführt, um den Unterschied bei der Interaktion mit dem Medium/Anhaftung zwischen den beiden anregbaren Moden zu maximieren. Da die Paddel aber auch komplexere Oberflächengeo¬ metrien aufweisen können, wird als Flächennormale n der norma¬ len Vektor auf die durch die größte Flächenerstreckung gebil- dete Ebene verstanden. FIG. 1 also shows the surface normal n of one of the pads 101. Advantageously, the paddles are planarized to maximize the difference in interaction with the media / adhesion between the two stimulable modes. But since the paddles may have more complex geometries Oberflächengeo ¬ is considered a surface normal n of norma ¬ len vector to the gebil- by the largest surface extension finished level.
In Figur 2 ist eine Draufsicht von oben auf die Membran 5 der mechanischen Schwingungseinheit aus Figur 1 gezeigt, wobei die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers 10 in dieser Draufsicht schematisch eingezeichnet sind. Insbesondere sind dabei die Paddel 101 sowie deren Ankopplung 102 zu erkennen, wobei die Ankopplungen 102 symmetrisch zu der Symmetrieebene S angeordnet und die Paddel 101 parallel zueinander ausgerichtet sind. In den vier Teilfiguren von Figur 2, die mit 100, 110, 120 und 130 bezeichnet sind, sind die bei einer mechanischen Schwingungsanordnung gemäß Figur 1 hauptsächlich auftretenden ersten vier Eigenmoden des mechanischen Schwingers 10 schema¬ tisch eingezeichnet. Mit 100 ist die sogenannte Clap-Mode oder Klatschmodus gekenn¬ zeichnet, bei dem beide Paddel 101 gegengleich und im Gegen¬ takt entlang der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwin- gen. Diese Symmetrieebene S bildet für diese Mode eine Spie¬ gelebene . FIG. 2 shows a top view of the membrane 5 of the mechanical vibration unit from FIG. 1, wherein the vibration elements of the mechanical oscillator 10 are shown schematically in this plan view. In particular, the paddles 101 and their coupling 102 can be seen, wherein the couplings 102 are arranged symmetrically to the plane of symmetry S and the paddles 101 are aligned parallel to each other. In the four sub-figures from Figure 2, which are denoted by 100, 110, 120 and 130 which occur primarily in a mechanical vibrating assembly according to Figure 1 first four eigenmodes of the mechanical oscillator 10 are schematic ¬ table located. With 100 the so-called Clap mode or gossip mode is marked in ¬ characterized wherein both paddle 101 against the same and in the opposite ¬ clock along the surface normal of the paddle 101 n oscillation gene. This symmetry plane S forms a Spie ¬ gelebene for this mode.
Mit 110 ist die sogenannte Sway-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gleichgerichtet, d. h. im Gleichtakt in Rich- tung der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen. 110 is the so-called Sway-mode characterized in the two paddles 101 rectified, d. H. oscillate in the same direction in the direction of the surface normal n of the paddle 101.
Mit 120 ist die sogenannte Sway-quer-Mode gekennzeichnet, bei der die Paddel 101 im Gleichtakt senkrecht zu der Oberflächen¬ normalen n der Paddel und somit parallel zur Symmetrieebene S, d. h. sie schwingen in der von dem Paddel aufgespannten Flä¬ che . 120 the so-called Sway-transverse-mode is characterized, in which the paddle 101 in the common mode perpendicular to the surfaces ¬ normal n of the paddles and thus parallel to the symmetry plane S, that is, they oscillate in the plane defined by the paddle FLAE ¬ surface.
Mit 130 ist schließlich die Clap-quer-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gegengleich, d. h. im Gegentakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel 101 und somit parallel zur Symmetrieebene S schwingen. Finally, at 130, the clap-cross mode is indicated, in which both paddles 101 are equal to each other, i. H. in the push-pull perpendicular to the surface normal n of the paddle 101 and thus swing parallel to the plane of symmetry S.
Mit den eingezeichneten Pfeilen ist jeweils die Bewegungsrich¬ tung der Paddel 101 am Anfang einer Schwingungsperiode angege- ben. With the drawn arrows each movement Rich ¬ processing of the paddle is ben 101 angege- the beginning of a period of oscillation.
Je nach Ausführung der Paddel 101, Membran 5 und Anbindung 102 an die Membran 5 kann sich die Reihenfolge der Moden in ihrer Frequenz unterscheiden. Depending on the design of the paddle 101, membrane 5 and connection 102 to the membrane 5, the order of the modes may differ in their frequency.
Für die Detektion der Bedeckung des mechanischen Schwingers 10 mit Medium bzw. zur Anhaftungsdetektion sind die Clap- bzw. Clap-quer-Mode besonders geeignet. Die Verwendung der Clap- Mode zur Detektion einer Bedeckung mit Medium entspricht dem Stand der Technik. Taucht der mechanische Schwinger 10 in ein zu detektierendes Medium ein verändert sich in Abhängigkeit von Dichte und Viskosität des Mediums die Resonanzfrequenz und Amplitude der Clap-Mode. Bei kompletter Bedeckung mit Medium kommt es bei der Clap-quer-Mode im Vergleich zu der Clap-Mode zu einer deutlich geringen Frequenzverschiebung. Schwingt der mechanische Schwinger 10 jedoch frei und weist eine starke An- haftung von Medium auf wirkt die träge Masse der Anhaftung auf beide Moden gleichermaßen und die relative Frequenzverschie¬ bung aufgrund der Anhaftung ist bei beiden Moden vergleichbar. Somit lässt sich unter Verwendung und Vergleich der Frequenzen von Clap- und Clap-quer-Mode eine Anhaftung aktiv detektieren und Fehlschaltung des Sensors aufgrund von Anhaftungen und der daraus resultierenden Frequenzverschiebung vermeiden. For the detection of the coverage of the mechanical vibrator 10 with medium or for adhesion detection, the clap or clap-transverse mode are particularly suitable. The use of clap Mode for detecting a coverage with medium corresponds to the prior art. If the mechanical oscillator 10 immerses in a medium to be detected, the resonance frequency and amplitude of the Clap mode change as a function of the density and viscosity of the medium. With complete coverage with medium, the clap-cross mode has a significantly lower frequency shift compared to the clap mode. Swinging the mechanical oscillator 10 but is free and has a strong adhesion of medium affects the inertial mass of the adhesion to both modes alike and the relative frequency shift ¬ environment due to adhesion is similar in both modes. Thus, by using and comparing the frequencies of clap and clap-cross modes, adhesion can be actively detected and sensor mismatch due to adhesions and the resulting frequency shift avoided.
Ein hierfür geeigneter Antrieb 3 lässt sich beispielsweise durch einen sektoriert polarisiertes Piezoelement 7 mit 90° großen Elektroden 71, 71, 73, 74 bewerkstelligen. Drei mögli- che Polarisierungen des Piezoelements 7 sind in Fig. 3 in den Abschnitten 201, 202 und 203 dargestellt. A drive 3 suitable for this purpose can be accomplished, for example, by a sectored polarized piezoelectric element 7 with 90 ° electrodes 71, 71, 73, 74. Three possible polarizations of the piezoelectric element 7 are shown in the sections 201, 202 and 203 in FIG. 3.
Zum einen können jeweils gegenüberliegende Hälften des Piezoe- lements gleich polarisiert sein, wobei jede Hälfte je zwei 90° große Elektroden 71, 74; 72, 73 aufweist. On the one hand, opposing halves of the piezoelectric element can be polarized equally, with each half each having two 90 ° electrodes 71, 74; 72, 73.
Diese Variante ist in Abschnitt 201 dargestellt. This variant is shown in section 201.
In einer zweiten Ausgestaltungsform, die in Abschnitt 202 dar- gestellt ist, ist das Piezoelement 7 in vier Segmente geteilt, wobei diese umlaufend jeweils abwechselnd polarisiert sind. Die Segmente sind je 90° groß und mit hierzu korrespondieren¬ den Elektroden 71, 72, 73, 74 versehen. Des Weiteren wäre auch eine einheitliche Polarisierung des Piezoelements 7 möglich, wobei eine Unterteilung in Sektoren durch vier 90° Elektroden erfolgt. In a second embodiment, which is shown in section 202, the piezoelectric element 7 is divided into four segments, these being circulating alternately polarized in each case. The segments are each 90 ° large with this ¬ correspond to the electrodes 71, 72, 73, 74 is provided. Furthermore, a uniform polarization of the piezoelectric element 7 would also be possible, wherein a division into sectors is effected by four 90 ° electrodes.
In Figur 3 symbolisiert ® eine Polarisierung in die Zeichen¬ ebene hinein und O aus der Zeichenebene heraus. In Figure 3 ® symbolizes a polarization in the plane ¬ into and O out of the plane of the drawing.
Die jeweils zu den dargestellten Piezoelementen 7 entgegenge- setzt polarisierten Piezoelemente beschreiben dabei Piezoele¬ mente 7 derselben Art. Um dieselbe Verformung des entgegenge¬ setzt polarisierten Piezoelements 7 im Vergleich zu den darge¬ stellten Polarisierungen zu erreichen, muss lediglich die Po¬ larität der angelegten Wechselspannung gedreht werden. Bei gleich angelegter Wechselspannung wird dieselbe Verformung ei¬ ne halbe Periode später angenommen (180° phasenverschoben). The counteracted respectively to the shown piezoelectric elements 7 is polarized piezo elements describe this Piezoele ¬ elements 7 of the same type. At the same deformation of the entgegenge ¬ is polarized piezoelectric element 7 in comparison to the Darge ¬ presented polarizations to reach, must only the Po ¬ larity of the applied AC voltage to be rotated. For the same applied alternating voltage, the same deformation ei ¬ ne half period later assumed (180 ° out of phase).
211, 212 und 213 zeigt die Polung der Wechselspannung zur An¬ regung der Clap-Mode und 221, 222 und 223 die Polung der Wech- selspannung zur Anregung der Clap-quer-Mode . 211, 212 and 213 shows the polarity of the AC voltage to the Clap mode ¬ on and 221, 222 and 223, the polarity of the AC voltage for exciting the clap-transverse mode.
Besonders vorteilhaft erweist sich die mit 201 gekennzeichnete Variante, da für die beiden anzuregenden Moden (Clap und Clap- quer) jeweils zwei benachbarte Sektoren, d. h. eine Hälfte des Piezoelements 7 mit einer ersten Wechselspannung in Figur 3 mit „+" gekennzeichnet und die andere Hälfte mit einer um 180° phasenverschobenen Wechselspannung, in Figur 3 mit „-„ gekenn¬ zeichnet angeregt werden muss. Diese Anregung ist in Figur 3 symbolisch in den Abschnitten 211 und 221 dargestellt. Particularly advantageous is the variant marked 201, since for the two modes to be excited (Clap and Clap- quer) two adjacent sectors, ie one half of the piezoelectric element 7 with a first alternating voltage in Figure 3 with "+" and the other half with a phase shifted by 180 ° alternating voltage, in Figure 3 - labeled in ¬ records must be excited This excitation is shown in Figure 3 symbolically in sections 211 and 221 ".".
Dadurch, dass beide Spannungen um 180° phasenverschoben sind, liegt das Massepotential immer exakt zwischen den beiden Span¬ nungen. Somit muss die Masseelektrode auf der Rückseite des Piezoelementes nicht separat kontaktiert werden und kann ein- fach kapazitiv an die Membran 5 auf die das Piezoelement 7 aufgeklebt wird, gekoppelt werden. Characterized in that both voltages are phase shifted by 180 °, the ground potential is always exactly between the two clamping ¬ voltages. Thus, the ground electrode on the rear side of the piezoelectric element does not have to be contacted separately and can capacitive capacitive to the membrane 5 to which the piezoelectric element 7 is adhered, are coupled.
Die Ansteuerung des Piezoelements 7 erfolgt dabei in vorteil- hafter Weise durch eine Sinusspannung auf der Resonanzfre¬ quenz, da deren Frequenzspektrum lediglich eine Frequenz auf¬ weist und nicht wie bspw. bei einer Rechteckspannung eine Vielzahl von Oberschwingungen aufweist, welche neben der anzu¬ regenden Mode weitere Schwingungsmoden anregen können. Um ei- nen optimalen Antrieb zu gewährleisten, sollte die relativeThe actuation of the piezoelectric element 7 is advantageously carried out by a sinusoidal voltage on the Resonanzfre ¬ frequency, since the frequency spectrum has only one frequency and ¬ not, for example, in a square-wave voltage has a plurality of harmonics, which in addition to the ¬ to moving Mode can stimulate other vibration modes. To ensure optimum drive, the relative
Orientierung des auf die Membran aufgeklebten Piezoelements 7 bezogen auf die Schwinggabel derart sein, dass die Anbindung der Paddel 102 an die Membran 5 exakt auf einer der Sektorli¬ nien des Piezoelements 7 liegt. Orientation of the adhered to the membrane piezoelectric element 7 relative to the tuning fork be such that the connection of the paddle 102 to the diaphragm 5 is exactly on one of Sektorli ¬ nien of the piezoelectric element 7.
Für die Auswertung des Ausschwingverhaltens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Spannungen, welche am Piezoelement 7 durch die mechanische Durchbiegung der Memb¬ ran 5 durch das Ausschwingen des mechanischen Schwingers 10 entstehen, entsprechend der Polarisierung und Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71,72,73,74, zu addieren. Hierdurch wird ein Übersprechen der Ausschwingphasen in die entsprechend nachfolgende Ausschwingphase der anderen Mode verhindert, da sich entsprechende Spannungsanteile gegenseitig aufheben. Im Falle der Polarisierung gemäß 201 ist Vll die Spannung, welche an der Elektrode 11, V12 die an Elektrode 12, V13 die an For the evaluation of the decay behavior, it has been found to be particularly advantageous, the voltages which arise at the piezoelectric element 7 by the mechanical deflection of the Memb ¬ ran 5 by the decay of the mechanical oscillator 10, according to the polarization and deflection of the individual sectors 71,72, 73.74, to add. As a result, a crosstalk of the decay phases is prevented in the corresponding subsequent decay phase of the other mode, since corresponding voltage components cancel each other out. In the case of the polarization according to 201, Vll is the voltage applied to the electrode 11, V12 to the electrode 12, V13 to the
Elektrode 13 und entsprechend V14 die an Elektrode 14 während des Ausschwingens am Piezoelement 7 anliegt. Im Falle der clap-Mode ist es somit vorteilhaft die Spannung V12+V13- (V11+V14) bzw. V11+V14- (V12+V13) und für die clap (quer) -Mode die Spannung V13+V14- (V12+V11) bzw. V12+V11- (V13+V14) auszu¬ werten. Die Vorzeichen bei der Summenbildung ergeben sich durch die Polarisierung bzw. Durchbiegung der einzelnen Sekto¬ ren 71,72,73,74. Electrode 13 and corresponding to V14 abuts the electrode 14 during the swinging out of the piezoelectric element 7. In the case of the clap mode, it is thus advantageous to have the voltage V12 + V13- (V11 + V14) or V11 + V14- (V12 + V13) and for the clap (transverse) mode the voltage V13 + V14- (V12 + for For V11) or V12 + V11- (V13 + V14) ¬ values. The signs in the summation arise by the polarization or bending of the individual Sekto ¬ ren 71,72,73,74.
Fig. 4 zeigt die logarithmisch aufgetragene Schwingungs- amplitude (Simulation) in Abhängigkeit von der Anregefrequenz an der Spitze eines Paddels 101 entlang der Oberflächennorma¬ len n des Paddels 101 (x-Richtung) , sowie senkrecht dazu (y- Richtung) bei Anregung mit einem sektorierten Piezoelement 7 gemäß dem in 201 dargestellten Ausführungsbeispiel. Mit 310 ist die Amplitude in x-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 211 gezeigt. 311 zeigt die Amplitude in y-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 221. Diese beiden Amplituden sind um ein Vielfaches größer als die Amplitude in y-Richtung 312 mit Polung der Wechselspannung gemäß 221 oder die Amplitu- de in x-Richtung 313 mit Polung der Wechselspannung gemäß 211. Dies zeigt, dass es möglich ist, die Resonanz der Clap- und Clap-quer-Mode weitestgehend unabhängig voneinander anzuregen, sodass die Bewegung in der Richtung jeweils senkrecht zur an¬ geregten Mode vernachlässigbar ist. Des Weiteren sind die bei- den Sway-Moden durch diesen Antrieb nur sehr gering angeregt, sodass diese ohne Einfluss bleiben. Fig. 4 shows the logarithmic applied vibration is amplitude (simulation) as a function of the excitation frequency at the tip of a paddle 101 along the surface of Norma ¬ len n of the paddle 101 (x-direction) and perpendicular thereto (y direction) when excited with a sectored piezoelectric element 7 according to the embodiment shown in 201. The amplitude in the x-direction with polarity of the starting voltage according to 211 is shown at 310. 311 shows the amplitude in y-direction with polarity of the starting voltage according to 221. These two amplitudes are many times greater than the amplitude in y-direction 312 with polarity of the alternating voltage according to 221 or the amplitude in x-direction 313 with polarity of AC voltage according to 211. This shows that it is possible to stimulate the resonance of the clap and clap-cross mode largely independently of each other, so that the movement in the direction perpendicular to the an ¬ excited mode is negligible. Furthermore, the two Sway modes are only very slightly excited by this drive, so that they have no influence.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
I Vibrationssensor 3 Antrieb I vibration sensor 3 drive
5 Membran 5 membrane
7 Piezoelement 7 piezo element
10 mechanischer Schwinger10 mechanical oscillator
II erste Elektrode II first electrode
12 zweite Elektrode  12 second electrode
13 dritte Elektrode  13 third electrode
14 vierte Elektrode  14 fourth electrode
15 Rückseitenelektrode  15 rear side electrode
30 Rand 30 edge
71 erster Sektor 71 first sector
72 zweiter Sektor  72 second sector
73 dritter Sektor  73 third sector
74 vierter Sektor  74 fourth sector
101 Paddel 101 paddles
102 Ankopplung  102 coupling
100 Clap-Mode 100 clap mode
110 Sway-Mode  110 Sway Fashion
120 Sway-quer-Mode  120 Sway-cross-fashion
130 Clap-quer-Mode Frequenz130 Clap-Quer-Mode frequency
Ampl itudeAmpl itude
Dämpfung n Flächennormale S Symmetrieachse Attenuation n Surface normal S Symmetry axis

Claims

Vibrationssensor (1) mit einer über einen piezoelektri¬ schen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren MembranVibration sensor (1) having a piezoelectric ¬ a rule drive (3) excitable to a vibrating diaphragm
(5) mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger (10) mit wenigstens zwei Eigenmoden (100, 110, 120, 130) und einer Elektronik zur Ansteuerung des An¬ triebs (3) sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs(5) with a diaphragm arranged on the mechanical oscillator (10) with at least two eigenmodes (100, 110, 120, 130) and electronics for controlling the on ¬ drive (3) and for evaluation by means of the drive
(3) detektierten Schwingungen, (3) detected vibrations,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
der Antrieb (3) wenigstens ein Piezoelement (7) umfasst, wobei das Piezoelement (7) wenigstens vier getrennt an¬ steuerbare Sektoren (71, 72, 73, 74) aufweist. the drive (3) comprises at least one piezoelectric element (7), wherein the piezoelectric element (7) has at least four separated at ¬ controllable sectors (71, 72, 73, 74).
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1, A vibration sensor (1) according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die vier Sektoren auf einer ersten Seite des Piezoele- ments durch vier, im Wesentlichen gleich große Elektroden (11, 12, 13, 14) kontaktiert sind. the four sectors on a first side of the piezoelectric element are contacted by four substantially equal-sized electrodes (11, 12, 13, 14).
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims ¬
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Piezoelement (7) scheibenförmig mit im Westlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet ist und die Sekto¬ ren (71, 72, 73, 74) und die Elektroden (11, 12, 13, 14) jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche ein¬ nehmen und korrespondierend zueinander angeordnet sind. the piezoelectric element (7) is disc-shaped with circular in Western base and the Sekto ¬ ren (71, 72, 73, 74) and the electrodes (11, 12, 13, 14) each substantially assume a quarter of the base area a ¬ and are arranged corresponding to each other.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims ¬,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Piezoelement (7) auf einer zweiten Seite eine voll- flächige Rückseitenelektrode aufweist. the piezoelectric element (7) on a second side has a complete having flat rear side electrode.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims ¬,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Piezoelement (7), die Elektroden (11, 12, 13, 14) und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einan¬ der benachbarte Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteuerungsmodus zwei einander diagonal gegen¬ überliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoelement (7) in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt. the piezoelectric element (7), the electrodes (11, 12, 13, 14) and designed the electronics so and are coordinated so that each diagonal in a first driving mode in each case two Einan ¬ the adjacent sectors of the piezoelectric element and in a second control mode, two against ¬ overlying sectors of the piezoelectric element are excitable such that the piezoelectric element (7) deformed rectified in these sectors.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden An¬ sprüche, Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims ¬,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
das Piezoelement (7) wenigstens zwei Abschnitte unter¬ schiedlicher Polarisation aufweist. has the piezoelectric element (7) at least two portions under ¬ schiedlicher polarization.
Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors (1), bei dem ein an einer Membran (5) angeordneter mechanischer Schwinger (10) mittels eins Antriebs (3) zu einer Schwin¬ gung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers (10) zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) erfasst wird, A method of operating a vibration sensor (1) in which is arranged an at a membrane (5) mechanical oscillator (10) is excited to oscillations ¬ supply by means of one drive (3) and a vibration of the mechanical oscillator (10) for detecting a cover state the mechanical oscillator (10) is detected,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) und von Anhaftungen an dem mechanischen Schwinger (10) wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmo¬ den (100, 110, 120, 130) des mechanischen Schwingers (10) abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultieren- de Schwingung detektiert wird. Verfahren nach Anspruch 7, for detecting the state of coverage of the mechanical oscillator (10) and buildup on the mechanical oscillator (10) at least two different Eigenmo ¬ (100, 110, 120, 130) of the mechanical oscillator (10) are excited alternately and each resultieren- de vibration is detected. Method according to claim 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Eigenmoden (100, 110, 120, 130) eine unterschiedlichethe eigenmodes (100, 110, 120, 130) have a different one
Schwingungsrichtung aufweisen. Have direction of vibration.
Verfahren gemäß Anspruch 8, Method according to claim 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Schwingungsrichtungen der Eigenmoden (100, 110, 120,the oscillation directions of the eigenmodes (100, 110, 120,
130) im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen. 130) are substantially orthogonal to each other.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, Method according to one of claims 7 to 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
eine erste Eigenmode (100) zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen (n) des mechanischen a first eigenmode (100) for detecting a blanket along a surface normal (s) of the mechanical
Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode (130) zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu der Flächennorma¬ len (n) schwingt. Oscillator oscillates and a second eigenmode (130) for detecting an adhesion perpendicular to the surface normal ¬ len (n) oscillates.
Verfahren gemäß Anspruch 10, Method according to claim 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
zur Anregung der ersten Eigenmode (100) je zwei nebenei¬ nander liegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden und zur An¬ regung der zweiten Eigenmode (130) je zwei diagonal ge¬ genüberliegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden. to excite the first eigenmode (100) for each two nebenei ¬ Nander opposite sectors of the piezo element (7) are set into a rectified deformation and at ¬ excitation of the second eigenmode (130) for each two diagonally ge ¬ genüberliegende sectors of the piezo element (7) to a rectified deformation are excited.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, Method according to one of claims 7 to 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
zur Detektion eine Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) und/oder Dämpfung des mechanischen Schwingers (10) nach der Anregung analysiert wird. Verfahren gemäß Anspruch 12, for detecting a frequency (f) and / or amplitude (A) and / or damping of the mechanical oscillator (10) according to the suggestion is analyzed. Method according to claim 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Frequenz (f) zur Anregung der jeweiligen Eigenmode (100, 110, 120, 130) an die zuletzt bei dieser Eigenmode (100, 110, 120, 130) detektierte Frequenz angepasst wird. the frequency (f) for excitation of the respective eigenmode (100, 110, 120, 130) is adapted to the frequency last detected at this eigenmode (100, 110, 120, 130).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, Method according to one of claims 7 to 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
jeweils eine Eigenmode (100, 110, 120, 130) zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, wei¬ ter insbesondere für 50 ms, angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, weiter insbesondere für 50 ms detektiert wird. each one eigenmode (100, 110, 120, 130) between 20 ms and 80 ms, in particular between 40 ms and 60 ms, wei ¬ ter in particular for 50 ms, excited and then between 20 ms and 80 ms, especially between 40 ms and 60 ms, in particular for 50 ms is detected.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, Method according to one of claims 7 to 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Anzahl der Anregezyklen, entsprechend der auftreten¬ den Dämpfung durch das zu detektierende Medium, angepasst wird, um in einem vorgebenen Messbereich eine annähernd gleichbleibende Empfangsamplitude zu gewährleisten. is adapted to the number of the excitation cycles, corresponding to occur ¬ the attenuation by the medium to be detected, to ensure an approximately constant reception amplitude in a pre-enclosed measuring area.
Verfahren gemäß einen der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, Method according to one of the preceding claims 7 to 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d a d u r c h e c e n c i n e s that
eine Auswertung durch Addition von Elektroden (11, 12, 13, 14) an jeweils senkrecht zur Schwingungsrichtung der angeregten Mode aneinander grenzenden anliegenden Span¬ nungen (Vll, V12, V13, V14) und Differenzbildung der Sum¬ men erfolgt. an evaluation by the addition of electrodes (11, 12, 13, 14) takes place in each case perpendicular to the direction of oscillation of the excited fashion contiguous applied clamping voltages ¬ (Vll, V12, V13, V14), and the difference of the sum ¬ men.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, 17. The method according to claim 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Spannungen (Vll, V12, V13, V14) der Elektroden (11, 12, 13, 14) entsprechend ihrer Polarisation positiv oder negativ in die Summenbildung eingehen, wobei die Spannun¬ gen (Vll, V12, V13, V14) bei einer Polarisierung in die Zeichenebene positiv und bei einer Polarisierung aus der Zeichenebene heraus negativ berücksichtigt werden. the voltages (Vll, V12, V13, V14) of the electrodes (11, 12, 13, 14) received according to their polarization positive or negative in the summation, the Spannun ¬ gene (Vll, V12, V13, V14) at a polarization positive in the drawing plane and negative in the case of polarization from the drawing plane.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, 18. The method according to claim 16 or 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass  d a d u r c h e c e n c i n e s that
die Differenzbildung derart erfolgt, dass ein Überspre¬ chen der von der ersten Mode erfassten Spannungssumme auf eine von der zweiten Mode erfasste Spannungssumme vermie¬ den wird. If the difference such that a cross-talk ¬ chen detected by the first mode voltage sum to a detected from the second mode voltage sum vermie ¬ is.
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