WO2023117334A1 - Method for checking the functionality or for checking the plausibility of a vibronic sensor - Google Patents

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WO2023117334A1
WO2023117334A1 PCT/EP2022/083676 EP2022083676W WO2023117334A1 WO 2023117334 A1 WO2023117334 A1 WO 2023117334A1 EP 2022083676 W EP2022083676 W EP 2022083676W WO 2023117334 A1 WO2023117334 A1 WO 2023117334A1
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magnetic field
magnetostrictive material
vibronic sensor
vibronic
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PCT/EP2022/083676
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Sergey Lopatin
Anh Tuan Tham
Peter KLÖFER
Benjamin Scherer
Raphael KUHNEN
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Endress+Hauser SE+Co. KG
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    • G01N2009/006—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis vibrating tube, tuning fork

Definitions

  • the invention relates to a method for checking the functionality or plausibility check of a vibronic sensor.
  • Vibronic sensors are used to monitor a specified fill level, the density or the viscosity of a medium in a container.
  • the vibronic sensor is installed in a container at the level of the specified level to be monitored.
  • the container is usually a tank or a closed or open tubular container.
  • the sensor In order to measure viscosity or density, the sensor must be positioned in the container in such a way that it is in contact with the medium, at least temporarily, up to a defined immersion depth.
  • a vibronic sensor consists of a sensor tube and a membrane that seals the sensor tube gas-tight in one end area.
  • DE 10 2005 044 725 A1 has disclosed what is known as a membrane oscillator, which is suitable for use in a wide variety of media.
  • an oscillatable element an oscillating rod or an oscillating fork with two symmetrically arranged tines, is usually attached to the oscillatable membrane.
  • the known configurations are subsumed under the term oscillatable unit.
  • Vibration sensors with vibrating forks are used in liquid, gaseous or solid or solid flowable media and are offered and sold by the applicant under the name LIQUIPHANT.
  • Vibration sensors with an oscillating rod, a so-called single rod have become known under the name SOLIPHANT. These are designed primarily for use in solids or in liquids with a high solids content.
  • Excitation signals are transmitted to the oscillatable unit via a transmitter/receiver unit and corresponding response signals are received.
  • a control/evaluation unit uses the response signals received to determine whether the predetermined fill level has been reached and/or the density and/or the viscosity of the medium.
  • Vibronic sensors for level measurement usually oscillate at a defined resonance frequency - i.e. they carry out a harmonic oscillation.
  • the resonant frequency is determined by the design of the oscillating unit and the materials used.
  • Each vibration can be characterized by frequency and damping. If the oscillatable unit oscillates in a liquid medium with a high density, then the medium density as a comoving mass has a Influence on the oscillatable unit. Consequently, the vibration frequency is lower in a liquid medium than in a gaseous medium. A change in frequency thus indicates, for example, the transition from a gaseous to a liquid medium.
  • the damping of the medium also has an influence on the vibrations of a vibronic sensor. Bulk materials such as wheat or rice dampen the vibrations of the oscillatable unit of a vibration sensor and cause a drastic reduction in amplitude at the transition from air to bulk material.
  • Vibration sensors designed as limit level measuring devices with an oscillatable element thus use the effect that both the oscillation frequency and the oscillation amplitude are dependent on the respective degree of coverage of the oscillatable element: While the oscillatable element can oscillate freely and undamped in air, it experiences a frequency and amplitude change once partially or fully immersed in the medium. Based on a predetermined change in frequency (usually only the frequency is measured), a clear conclusion can be drawn as to whether the predetermined fill level of the medium in the container has been reached.
  • the change in frequency in non-damping media such as gases and low-viscosity liquids, depends on the density of the medium. The change in frequency is sufficient to identify the medium and evaluate the density.
  • level gauges are primarily used as overfill protection, for the purpose of pump idling protection or to detect flow in a pipeline.
  • the damping of the vibration of the oscillatable unit is predominantly determined by the frictional forces between the solid particles or molecules of the respective medium. Therefore, with a constant degree of coverage, there is a functional relationship between the vibration amplitude and the density of the bulk material (friction in heavy bulk materials with a high bulk density is higher than in light ones) or between the vibration amplitude and viscosity, so vibration sensors for both level and are suitable for determining the density of bulk solids. Furthermore, vibronic sensors are used to determine the viscosity of a liquid medium.
  • the oscillations of a vibration sensor are generated by an electro-mechanical converter.
  • the electromechanical converter is usually a piezo drive with at least one piezoelectric element.
  • the piezo drive stimulates the oscillatable unit to produce harmonic oscillations at a resonant frequency and compensates for the energy losses that occur in the oscillatable unit.
  • a high level of efficiency can be achieved with piezo drives. Since the Energy supply is relatively low, a wide use in automation technology is possible. Further information can be found, for example, in DE 10 2008 050 266 A1.
  • bimorph drives are often used as piezo drives.
  • stack drives several disc-shaped piezoelectric elements are stacked one on top of the other.
  • bimorph drives are used to generate and detect vibrations.
  • a bimorph drive consists of a disk-shaped piezoelectric element which is non-positively connected to the membrane and which has a polarization in at least two flat areas.
  • Different configurations of bimorph drives are described in EP 0 985 916 A1 and EP 1 281 051 B1.
  • an evaluation unit monitors the vibration frequency and/or the vibration amplitude of the oscillatable unit and signals the 'sensor covered' or 'sensor uncovered' status as soon as the measurement signals fall below or exceed a specified reference value.
  • a corresponding message to the operating personnel can be made optically and/or acoustically.
  • a switching process is triggered; for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.
  • the invention is based on the object of proposing a vibronic sensor that reliably supplies measured values with a specified measuring accuracy.
  • a vibronic sensor for determining a process variable of a medium located in a container with an oscillatable unit, an excitation-Zreceiving unit and a control-Zevaluation unit, wherein the excitation-Zreceiving unit excites the oscillatable unit through excitation signals to mechanical oscillations and the corresponding Response signals are detected, with the rule-Zevaluation unit providing measurement signals relating to the process variable based on the response signals.
  • the oscillatable unit is at least partially made of a magnetostrictive material.
  • a detection unit for a magnetic field is provided. This measures the magnetic field that occurs in the magnetostrictive material as a result of the mechanical forces acting on the oscillatable unit.
  • the control/evaluation unit uses the measured magnetic field to generate a statement about the functionality and/or a plausibility statement about the measured values supplied by the vibronic sensor.
  • the vibronic sensor ensures that the sensor provides reliable readings throughout its service life delivers within the guaranteed measurement accuracy. If the deviation of the measured values exceeds a specified limit value, this is an indication that the vibronic sensor must be serviced or replaced. This monitoring can take place continuously or during correspondingly provided maintenance intervals. In addition, it is alternatively or additionally provided that the vibronic sensor supplies redundant measured values continuously or at predetermined time intervals, which allow at least a plausibility statement with regard to the measured values supplied. The fact that it is possible to use the sensor according to the invention in safety-critical applications.
  • Magnetostriction is the change in the geometric dimensions of a ferromagnetic body under the influence of a magnetic field. This effect can be measured with all ferromagnetic materials.
  • the opposite effect the so-called Villari effect, comes into play, i. H. the change in the magnetic field or the magnetic properties of the magnetostrictive material under the influence of mechanical forces acting on the material is considered.
  • iron, nickel and cobalt have ferromagnetic properties at room temperature.
  • the fourth element with ferromagnetic properties at room temperature was ruthenium in the metastable body-centered tetragonal phase. Ferromagnetic alloys such as e.g. B.
  • the ferromagnetic material used in connection with the invention depends on whether the ferromagnetic material will be in contact with the medium or whether it will be isolated from the medium.
  • the magnetostrictive material itself does not generate its own magnetic field, but changes its permeability p under the influence of an acting force. Therefore, in order to measure changes in the magnetic field, it is necessary to create an offset magnetic field, e.g. by a permanent magnet or a coil. In this way, changes in the magnetic field as a result of a force acting on the magnetostrictive material can be measured using the magnetic field detection unit.
  • the oscillatable unit is made from the magnetostrictive material.
  • a second embodiment provides that the oscillatable unit is coated with the magnetostrictive material.
  • it is considered when the oscillatable unit, at least in a partial area in which the maximum mechanical stresses occur when the vibrations are excited, with a coating of the magnetostrictive material is provided or is made in this at least a portion of the magnetostrictive material.
  • the known magnetic field detection units can be used in connection with the invention.
  • the magnetic field detection unit is preferably a quantum sensor.
  • Quantum sensors have become known in a wide variety of configurations. They use different quantum effects to determine various physical and/or chemical process variables. In the field of industrial process automation, the use of quantum sensors is interesting in two respects: Quantum sensors enable the miniaturization of the sensors used and at the same time increase their performance.
  • the magnetic field detection unit can be a quantum sensor that has at least one crystal body with at least one magnetic field-sensitive defect.
  • the crystal body can be, for example, a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect, or hexagonal boron nitride with at least one defect color center. It is of course also possible for several defects to be arranged in the crystal body. These are preferably arranged linearly. An increase in the number of defects leads to an increased intensity, so that the measurement resolution is improved and changes in intensity can be detected even with comparatively weak magnetic fields.
  • a quantum sensor designed as a gas cell can be used as a magnetic field detection unit.
  • Corresponding sensors are known in different configurations.
  • DE3742878A1 describes an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component.
  • DE 102017205099 A1 discloses a sensor device with a crystal body having at least one defect, a light source, a high-frequency device for applying a high-frequency signal to the crystal body, and a detection unit for detecting a magnetic-field-dependent fluorescence signal.
  • the light source is arranged on a first substrate and the detection device on a second substrate, while the high-frequency device and the Crystal bodies can be arranged on both interconnected substrates. External magnetic fields, electrical currents, temperature, mechanical stress or pressure can be used as measured variables.
  • a similar device has become known from DE102017205265A1.
  • DE 102014219550 A1 describes a combination sensor for detecting pressure, temperature and/or magnetic fields, the sensor element having a diamond structure with at least one nitrogen vacancy center.
  • DE 102018214617 A1 discloses a sensor device which also has a crystal body with a number of color centers, in which various optical filter elements are used to increase effectiveness and for miniaturization.
  • the DE 102016210259 A1 proposes a further configuration for a sensor device and a calibration and evaluation method based on defects in a crystal.
  • the sensor device comprises a crystal body with at least one defect, a light source, a microwave antenna for applying microwaves to the crystal body, a detection device for detecting fluorescence from the crystal body, and an application device by means of which an induction current can be applied to the microwave antenna.
  • the microwave antenna is used on the one hand to generate the microwaves and to generate an internal magnetic field. The internal magnetic field enables calibration during ongoing operation.
  • Fig. 1 shows schematically a vibronic sensor 1 for determining a process variable of a medium 2 located in a container 3.
  • the process variable which is determined by the vibronic sensor 1 according to the invention, is in particular the level, the density and/or the Viscosity of the medium 2.
  • the oscillatable unit 4 is a so-called tuning fork with two symmetrical paddle-shaped oscillating rods 6 arranged on a membrane 5.
  • Such sensors are offered and sold by the applicant under the name LIQUIPHANT.
  • the oscillatable unit 4 can also be a single-rod or a membrane oscillator.
  • the excitation/receiving unit 7 transmits excitation signals to the membrane 5 and causes the membrane 5 and the oscillating rods 6 arranged on the membrane 5 to oscillate mechanically.
  • a force is transmitted to the membrane 5 by means of a drive/receiver unit 7 materially attached to the surface of the membrane 5 facing away from the process.
  • the drive/receiver unit 7 is preferably an electromechanical converter unit and includes, for example, a piezoelectric element or an electromagnetic drive (not shown). Either the drive unit and the receiver unit are designed as two separate units or as a combined drive/receiver unit 7.
  • the force applied to the membrane 5 is generated by applying an excitation signal, for example in the form of an electrical alternating voltage.
  • an excitation signal for example in the form of an electrical alternating voltage.
  • a change in the electrical voltage applied causes a change in the geometric shape of the drive/receiver unit 7, i.e. a contraction or relaxation within the piezoelectric element in such a way that the application of an electrical AC voltage as an excitation signal results in a mechanical vibration of the integral part of the drive/receiver unit 7 associated membrane 5 leads.
  • the mechanical oscillations of the oscillatable unit 4 are transmitted via the membrane 5 to the drive/receiver unit 7 and converted into an electrical reception signal.
  • the frequency of the received signal corresponds to the mechanical oscillation frequency of the oscillatable unit 4.
  • a control/evaluation unit 9 detects the corresponding electrical response signals and uses the response signals to provide measurement signals relating to the process variable.
  • the oscillatable unit 4 consists at least partially of a magnetostrictive material 11 . It is possible in connection with the invention to manufacture the membrane 6 and/or the oscillating rods 6 - or the single rod - entirely from the magnetostrictive material 11 . Alternatively, a coating of magnetostrictive material 11 can also be applied to the membrane 5 and/or the oscillating rods 6 . If necessary, the coating is provided with an inert protective layer. In both configurations, the magnetostrictive material 11 can be provided continuously or else in partial areas of the oscillatable unit 4 .
  • the magnetostrictive material 11 is arranged in the area of the membrane 5 or the oscillating rods 6 in which the maximum mechanical stresses are to be expected as a result of the respective oscillations excited by the excitation/receiving unit 7 . Furthermore, it is considered advantageous if the magnetostrictive material 11 can be found in an area of the membrane 5 facing away from the medium 2, for example on the surface of the membrane 5 facing away from the medium 2, which is located inside the housing of the vibronic sensor 1. in which, for example, the drive/receiver unit 7 can also be found.
  • a suitable magnetic field detection unit 10 which measures the magnetic field that occurs in the magnetostrictive material as a result of the mechanical forces acting on the oscillatable unit 4 (Villari effect).
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of the vibronic sensor 1 according to the invention.
  • the oscillatable unit 1 is provided with a coating of magnetostrictive material.
  • the magnetic field generated as a result of the mechanical stress generated in the magnetostrictive material 11 is detected by the magnetic field detection unit 10 .
  • the magnetic field detection unit 10 is preferably a quantum sensor. Different configurations of quantum sensors have already been described in detail above, so that a repetition can be dispensed with at this point. Quantum sensors have the advantage over conventional magnetic field detection sensors, such as Hall sensors, that they are small in terms of their dimensions—that is, they can also preferably be integrated into the vibronic sensor 1—and measure extremely sensitively. Of course, it is also possible to design the magnetic field detection unit 10 as a separate component and to place it outside of the vibronic sensor 1 in such a way that the magnetic field is measured. With the aid of a magnet, for example a permanent magnet, which generates an offset magnetic field, the magnetostrictive material 11 generates a magnetic field which can be measured by the magnetic field detection unit 10 with the required accuracy.
  • a magnet for example a permanent magnet, which generates an offset magnetic field
  • the magnetostrictive material 11 itself does not generate its own magnetic field, but changes its permeability p under the influence of an acting force. It is therefore necessary to generate an offset magnetic field, for example by a permanent magnet or a coil, in order to measure the change in the magnetic field due to a force acting on the magnetostrictive material 11.
  • an offset magnetic field for example by a permanent magnet or a coil
  • a quantum sensor for determining the magnetic field is preferred in connection with the present invention, it goes without saying that, depending on the design and arrangement of the magnetostrictive material 11 and the permanent magnet on the oscillatable unit 4, a conventional magnetic field sensor can also be used .
  • the magnetostrictive material 11 is arranged in the areas of the oscillatable unit 4 in which maximum or higher mechanical stresses occur than in other areas of the oscillatable unit 4.
  • the maximum stress occurs at the outer edge of the membrane 5 and in the center of the membrane 5.
  • a coil or a permanent magnet (not shown) is used to generate a magnetic flux which is conducted through the magnetic field detection unit 10 via an armature structure, for example. The magnetic field is measured.
  • the strength of the occurring magnetic field and thus the measuring accuracy and reliability of the vibronic sensor according to the invention can be optimized by appropriate arrangement of the magnetostrictive material 11 .

Abstract

The invention relates to a vibronic sensor (1) for determining a process variable of a medium (2) situated in a container (3), comprising a vibratory unit (4), an excitation/reception unit (7) and a control/evaluation unit (9), wherein the excitation/reception unit (7) excites the vibratory unit (4) to undergo mechanical vibrations by means of excitation signals and detects the corresponding response signals, wherein the control/evaluation unit (9) provides measurement signals in regard to the process variable on the basis of the response signals, wherein the vibratory unit (4) is at least partly manufactured from a magnetostrictive material (11), wherein a magnetic field detecting unit (10) measures the magnetic field that occurs in the magnetostrictive material owing to the mechanical forces acting on the vibratory unit (4), and wherein, on the basis of the measured (11) magnetic field, the control/evaluation unit generates a statement about the functionality and/or a statement about the plausibility regarding the measured values supplied by the vibronic sensor (1).

Description

Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit oder zur Plausibilitätsprüfung eines vibronischen Sensors Procedure for checking the functionality or plausibility check of a vibronic sensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit oder zur Plausibilitätsprüfung eines vibronischen Sensors. The invention relates to a method for checking the functionality or plausibility check of a vibronic sensor.
Vibronische Sensoren werden zur Überwachung eines vorgegebenen Füllstandes, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums in einem Behälter eingesetzt. Zur Grenzstandsmessung ist der vibronische Sensor in einem Behälter auf der Höhe des vorgegebenen, zu überwachenden Füllstands angebracht. Üblicherweise handelt es sich bei dem Behälter um einen Tank oder um ein geschlossenes oder offenes rohrförmiges Behältnis. Zwecks Messung der Viskosität oder der Dichte muss der Sensor so in dem Behälter positioniert sein, dass er - zumindest zeitweise - bis zu einer definierten Eintauchtiefe mit dem Medium in Kontakt ist. Vibronic sensors are used to monitor a specified fill level, the density or the viscosity of a medium in a container. For limit level measurement, the vibronic sensor is installed in a container at the level of the specified level to be monitored. The container is usually a tank or a closed or open tubular container. In order to measure viscosity or density, the sensor must be positioned in the container in such a way that it is in contact with the medium, at least temporarily, up to a defined immersion depth.
Ein vibronischer Sensor besteht aus einem Sensorrohr und einer das Sensorrohr in einem Endbereich gasdicht verschließenden Membran. Aus der DE 10 2005 044 725 A1 ist ein sog. Membranschwingers bekannt geworden, der für den Einsatz in unterschiedlichsten Medien geeignet ist. Zur Verstärkung der Schwingung ist üblicherweise an der schwingfähigen Membran noch ein schwingfähiges Element, ein Schwingstab oder eine Schwinggabel mit zwei symmetrisch angeordneten Zinken, angebracht. Im Folgenden werden die bekannten Ausgestaltungen unter dem Begriff schwingfähige Einheit subsumiert. Vibrationssensoren mit Schwinggabeln werden in flüssigen, gasförmigen oder festen bzw. festen fließfähigen Medien eingesetzt und von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Unter der Bezeichnung SOLIPHANT sind Vibrationssensoren mit einem Schwingstab, einem sog. Einstab, bekannt geworden. Diese sind hauptsächlich für den Einsatz in Feststoffen oder in Flüssigkeiten mit hohem Feststoffanteil ausgewiesen. A vibronic sensor consists of a sensor tube and a membrane that seals the sensor tube gas-tight in one end area. DE 10 2005 044 725 A1 has disclosed what is known as a membrane oscillator, which is suitable for use in a wide variety of media. To amplify the vibration, an oscillatable element, an oscillating rod or an oscillating fork with two symmetrically arranged tines, is usually attached to the oscillatable membrane. In the following, the known configurations are subsumed under the term oscillatable unit. Vibration sensors with vibrating forks are used in liquid, gaseous or solid or solid flowable media and are offered and sold by the applicant under the name LIQUIPHANT. Vibration sensors with an oscillating rod, a so-called single rod, have become known under the name SOLIPHANT. These are designed primarily for use in solids or in liquids with a high solids content.
Über eine Sende-/Empfangseinheit werden Anregungssignale auf die schwingfähige Einheit übertragen und entsprechenden Antwortsignale empfangen. Eine Regel- /Auswerteeinheit bestimmt anhand der empfangenen Antwortsignale das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes und/oder die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums. Excitation signals are transmitted to the oscillatable unit via a transmitter/receiver unit and corresponding response signals are received. A control/evaluation unit uses the response signals received to determine whether the predetermined fill level has been reached and/or the density and/or the viscosity of the medium.
Vibronische Sensoren zur Füllstandsmessung schwingen üblicherweise auf einer definierten Resonanzfrequenz - führen also eine harmonische Schwingung aus. Die Resonanzfrequenz ist durch die Konstruktion der schwingförmigen Einheit und die verwendeten Werkstoffe bestimmt. Jede Schwingung lässt sich über die Frequenz und die Dämpfung charakterisieren. Schwingt die schwingfähige Einheit in einem flüssigen Medium mit einer hohen Dichte, so hat die Mediumsdichte als mitbewegte Masse einen Einfluss auf die schwingfähige Einheit. Folglich hegt die Schwingfrequenz in einem flüssigen Medium tiefer als in einem gasförmigen Medium. Eine Frequenzänderung zeigt somit beispielsweise den Übergang von einem gasförmigen zu einem flüssigen Medium an. Auch hat die Dämpfung des Mediums einen Einfluss auf die Schwingungen eines vibronischen Sensors. Schüttgüter wie Weizen oder Reis dämpfen die Schwingungen der schwingfähigen Einheit eines Vibrationssensors und verursachen eine drastische Amplitudensenkung beim Übergang Luft/Schüttgut. Vibronic sensors for level measurement usually oscillate at a defined resonance frequency - i.e. they carry out a harmonic oscillation. The resonant frequency is determined by the design of the oscillating unit and the materials used. Each vibration can be characterized by frequency and damping. If the oscillatable unit oscillates in a liquid medium with a high density, then the medium density as a comoving mass has a Influence on the oscillatable unit. Consequently, the vibration frequency is lower in a liquid medium than in a gaseous medium. A change in frequency thus indicates, for example, the transition from a gaseous to a liquid medium. The damping of the medium also has an influence on the vibrations of a vibronic sensor. Bulk materials such as wheat or rice dampen the vibrations of the oscillatable unit of a vibration sensor and cause a drastic reduction in amplitude at the transition from air to bulk material.
Als Grenzstandmessgeräte ausgebildete Vibrationssensoren mit schwingfähigem Element nutzen somit den Effekt aus, dass sowohl die Schwingungsfrequenz als auch die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des schwingfähigen Elements: Während das schwingfähige Element in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung (üblicherweise wird nur die Frequenz gemessen) lässt sich folglich ein eindeutiger Rückschluss auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes des Mediums in dem Behälter ziehen. Die Frequenzänderung in nicht dämpfenden Medien, wie Gasen und dünnflüssigen Flüssigkeiten, hängt von der Mediumsdichte ab. Die Frequenzänderung ist ausreichend, um das Medium zu erkennen und die Dichte auszuwerten. Füllstandsmessgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen, zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes oder zur Erkennung von Durchfluss in einer Rohrleitung verwendet. Vibration sensors designed as limit level measuring devices with an oscillatable element thus use the effect that both the oscillation frequency and the oscillation amplitude are dependent on the respective degree of coverage of the oscillatable element: While the oscillatable element can oscillate freely and undamped in air, it experiences a frequency and amplitude change once partially or fully immersed in the medium. Based on a predetermined change in frequency (usually only the frequency is measured), a clear conclusion can be drawn as to whether the predetermined fill level of the medium in the container has been reached. The change in frequency in non-damping media, such as gases and low-viscosity liquids, depends on the density of the medium. The change in frequency is sufficient to identify the medium and evaluate the density. Incidentally, level gauges are primarily used as overfill protection, for the purpose of pump idling protection or to detect flow in a pipeline.
Wie bereits gesagt, wird die Dämpfung der Schwingung der schwingfähigen Einheit überwiegend durch die Reibungskräfte zwischen den festen Partikeln oder Molekülen des jeweiligen Mediums bestimmt. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zwischen der Schwingungsamplitude und der Dichte des Schüttguts (die Reibung in schweren Schüttgütern mit einer hohen Schüttgutdichte ist höher als in leichten) oder zwischen der Schwingungsamplitude und der Viskosität, so dass Vibrationssensoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung in Schüttgüter geeignet sind. Weiterhin werden vibronische Sensoren zur Bestimmung der Viskosität eines flüssigen Mediums eingesetzt. As already mentioned, the damping of the vibration of the oscillatable unit is predominantly determined by the frictional forces between the solid particles or molecules of the respective medium. Therefore, with a constant degree of coverage, there is a functional relationship between the vibration amplitude and the density of the bulk material (friction in heavy bulk materials with a high bulk density is higher than in light ones) or between the vibration amplitude and viscosity, so vibration sensors for both level and are suitable for determining the density of bulk solids. Furthermore, vibronic sensors are used to determine the viscosity of a liquid medium.
Die Schwingungen eines Vibrationssensors werden von einem elektro-mechanischen Wandler erzeugt. Bei dem elektromechanischen Wandler handelt es sich üblicherweise um einen Piezoantrieb mit zumindest einem piezoelektrischen Element. Der Piezoantrieb regt die schwingfähige Einheit zu harmonischen Schwingungen auf einer Resonanzfrequenz an und kompensiert die Energieverluste, die in der schwingfähigen Einheit auftreten. Mit Piezoantrieben lässt sich ein hoher Wirkungsgrad erzielen. Da die Energiezufuhr relativ gering ist, ist em breiter Einsatz in der Automatisierungstechnik möglich. Weitere Information findet sich beispielsweise in der DE 10 2008 050 266 A1 . The oscillations of a vibration sensor are generated by an electro-mechanical converter. The electromechanical converter is usually a piezo drive with at least one piezoelectric element. The piezo drive stimulates the oscillatable unit to produce harmonic oscillations at a resonant frequency and compensates for the energy losses that occur in the oscillatable unit. A high level of efficiency can be achieved with piezo drives. Since the Energy supply is relatively low, a wide use in automation technology is possible. Further information can be found, for example, in DE 10 2008 050 266 A1.
Vielfach werden sogenannte Stapelantriebe als Piezoantriebe eingesetzt. Bei Stapelantrieben sind mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente übereinander gestapelt angeordnet. Darüber hinaus werden zur Schwingungserzeugung und Schwingungsdetektion Bimorphantriebe verwendet. Prinzipiell besteht ein Bimorphantrieb aus einem mit der Membran kraftschlüssig verbundenen, scheibenförmigen piezoelektrischen Element, das in zumindest zwei flächigen Bereichen eine Polarisation aufweist. In der EP 0 985 916 A1 und der EP 1 281 051 B1 sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Bimorphantrieben beschrieben. So-called stack drives are often used as piezo drives. In stack drives, several disc-shaped piezoelectric elements are stacked one on top of the other. In addition, bimorph drives are used to generate and detect vibrations. In principle, a bimorph drive consists of a disk-shaped piezoelectric element which is non-positively connected to the membrane and which has a polarization in at least two flat areas. Different configurations of bimorph drives are described in EP 0 985 916 A1 and EP 1 281 051 B1.
Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht eine Auswerteeinheit die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit und signalisiert den Zustand ‘Sensor bedeckt' bzw. ‘Sensor unbedeckt', sobald die Messsignale einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen. In the case of filling level determination, an evaluation unit monitors the vibration frequency and/or the vibration amplitude of the oscillatable unit and signals the 'sensor covered' or 'sensor uncovered' status as soon as the measurement signals fall below or exceed a specified reference value. A corresponding message to the operating personnel can be made optically and/or acoustically. Alternatively or additionally, a switching process is triggered; for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vibronischen Sensor vorzuschlagen, der zuverlässig Messwerte mit einer vorgegebenen Messgenauigkeit liefert. The invention is based on the object of proposing a vibronic sensor that reliably supplies measured values with a specified measuring accuracy.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen vibronischen Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße eines in einem Behältnis befindlichen Mediums mit einer schwingfähigen Einheit, einer Anregungs-ZEmpfangseinheit und einer Regel-ZAuswerteeinheit, wobei die Anregungs-ZEmpfangseinheit die schwingfähige Einheit durch Anregungssignale zu mechanischen Schwingungen anregt und die entsprechenden Antwortsignale erfasst, wobei die Regel-ZAuswerteeinheit anhand der Antwortsignale Messsignale in Bezug auf die Prozessgröße bereitstellt. Die schwingfähige Einheit ist zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material gefertigt. Weiterhin ist eine Erfassungseinheit für ein Magnetfeld vorgesehen. Diese misst das Magnetfeld, das infolge der auf die schwingfähige Einheit einwirkenden mechanischen Kräfte in dem magnetostriktiven Material auftritt. Die Regel-ZAuswerteeinheit generiert anhand des gemessenen Magnetfeldes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit und/oder eine Plausibilitätsaussage über die von dem vibronischen Sensor gelieferten Messwerte generiert. The object is achieved by a vibronic sensor for determining a process variable of a medium located in a container with an oscillatable unit, an excitation-Zreceiving unit and a control-Zevaluation unit, wherein the excitation-Zreceiving unit excites the oscillatable unit through excitation signals to mechanical oscillations and the corresponding Response signals are detected, with the rule-Zevaluation unit providing measurement signals relating to the process variable based on the response signals. The oscillatable unit is at least partially made of a magnetostrictive material. Furthermore, a detection unit for a magnetic field is provided. This measures the magnetic field that occurs in the magnetostrictive material as a result of the mechanical forces acting on the oscillatable unit. The control/evaluation unit uses the measured magnetic field to generate a statement about the functionality and/or a plausibility statement about the measured values supplied by the vibronic sensor.
Durch die Überwachung der Funktionstüchtigkeit des vibronischen Sensors ist sichergestellt, dass der Sensor während seiner Lebensdauer zuverlässig Messwerte innerhalb der zugesicherten Messgenauigkeit liefert. Überschreitet die Abweichung der Messwerte einen vorgegebenen Grenzwert, ist dies ein Hinweis darauf, dass der vibronische Sensor gewartet oder ausgetauscht werden muss. Diese Überwachung kann kontinuierlich oder während entsprechend vorgesehener Wartungsintervalle erfolgen. Darüber hinaus ist alternativ oder additiv vorgesehen, dass der vibronische Sensor kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen redundante Messwerte liefert, die zumindest eine Plausibilitätsaussage bezüglich der gelieferten Messwerte erlauben. Dadurch dass es möglich ist, den erfindungsgemäßen Sensor auch in sicherheitskritischen Anwendungen einzusetzen. Monitoring the functionality of the vibronic sensor ensures that the sensor provides reliable readings throughout its service life delivers within the guaranteed measurement accuracy. If the deviation of the measured values exceeds a specified limit value, this is an indication that the vibronic sensor must be serviced or replaced. This monitoring can take place continuously or during correspondingly provided maintenance intervals. In addition, it is alternatively or additionally provided that the vibronic sensor supplies redundant measured values continuously or at predetermined time intervals, which allow at least a plausibility statement with regard to the measured values supplied. The fact that it is possible to use the sensor according to the invention in safety-critical applications.
Als Magnetostriktion wird die Änderung der geometrischen Abmessungen eines ferromagnetischen Körpers unter dem Einfluss eines Magnetfelds bezeichnet. Dieser Effekt ist bei allen ferromagnetischen Materialien messbar. Im Zusammenhang mit der Erfindung kommt der entgegengesetzte Effekt, der sog. Villari-Effekt, zum Tragen, d. h. es wird die Änderung des Magnetfeldes bzw. der magnetischen Eigenschaften des magnetostriktiven Materials unter dem Einfluss von auf das Material einwirkenden mechanischen Kräften betrachtet. Unter den Elementen bzw. Metallen in Reinform weisen Eisen Nickel und Cobalt bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften auf. Als viertes Element mit ferromagnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur wurde Ruthenium in der metastabilen raumzentrierten tetragonalen Phase ausgemacht. Für die praktische Anwendung bieten sich ferromagnetische Legierungen wie z. B. AINiCo, SmCo, Nd2Fei4B, NisoFe2o („Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen („Mumetall“) an. Welches ferromagnetische Material in Verbindung mit der Erfindung zum Einsatz kommt, hängt davon ab, ob das ferromagnetische Material in Kontakt mit dem Medium kommt oder ob es von dem Medium isoliert angeordnet ist. Magnetostriction is the change in the geometric dimensions of a ferromagnetic body under the influence of a magnetic field. This effect can be measured with all ferromagnetic materials. In connection with the invention, the opposite effect, the so-called Villari effect, comes into play, i. H. the change in the magnetic field or the magnetic properties of the magnetostrictive material under the influence of mechanical forces acting on the material is considered. Among the elements or metals in their pure form, iron, nickel and cobalt have ferromagnetic properties at room temperature. The fourth element with ferromagnetic properties at room temperature was ruthenium in the metastable body-centered tetragonal phase. Ferromagnetic alloys such as e.g. B. AINiCo, SmCo, Nd2Fei4B, NisoFe2o ("Permalloy"), or NiFeCo alloys ("Mumetal"). The ferromagnetic material used in connection with the invention depends on whether the ferromagnetic material will be in contact with the medium or whether it will be isolated from the medium.
Das magnetostriktive Material selbst erzeugt kein eigenes Magnetfeld, verändert aber unter dem Einfluss einer einwirkenden Kraft seine Permeabilität p. Um Änderungen des Magnetfeldes zu messen, ist es daher erforderlich, ein Offset-Magnetfeld zu erzeugen, z.B. durch einen Permanentmagneten oder eine Spule. So lassen sich Änderungen des Magnetfeldes infolge einer auf das magnetostriktive Material einwirkenden Kraft mittels der Magnetfelderfassungseinheit messen. The magnetostrictive material itself does not generate its own magnetic field, but changes its permeability p under the influence of an acting force. Therefore, in order to measure changes in the magnetic field, it is necessary to create an offset magnetic field, e.g. by a permanent magnet or a coil. In this way, changes in the magnetic field as a result of a force acting on the magnetostrictive material can be measured using the magnetic field detection unit.
Nachfolgend sind vorteilhafte Ausgestaltungen der schwingfähigen Einheit beschrieben. In einer ersten Ausgestaltung ist die schwingfähige Einheit aus dem magnetostriktiven Material gefertigt. Eine zweite Ausführungsform sieht vor, dass die schwingfähige Einheit mit dem magnetostriktiven Material beschichtet ist. Als sehr interessante Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird es angesehen, wenn die schwingfähige Einheit zumindest in einem Teilbereich, in dem die maximalen mechanischen Spannungen bei der Anregung der Schwingungen auftreten, mit einer Beschichtung aus dem magnetostriktiven Material versehen ist oder in diesem zumindest einen Teilbereich aus dem magnetostriktiven Material gefertigt ist. Advantageous configurations of the oscillatable unit are described below. In a first embodiment, the oscillatable unit is made from the magnetostrictive material. A second embodiment provides that the oscillatable unit is coated with the magnetostrictive material. As a very interesting embodiment of the solution according to the invention, it is considered when the oscillatable unit, at least in a partial area in which the maximum mechanical stresses occur when the vibrations are excited, with a coating of the magnetostrictive material is provided or is made in this at least a portion of the magnetostrictive material.
Im Prinzip können in Verbindung mit der Erfindung die bekannten Magnetfelderfassungseinheiten zum Einsatz kommen. Bevorzugt aber handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor. Quantensensoren sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt geworden. Sie nutzen unterschiedliche Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Prozessgrößen aus. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung ist der Einsatz von Quantensensoren in zweierlei Hinsicht interessant: Quantensensoren ermöglichen die Miniaturisierung der eingesetzten Sensoren und steigern gleichzeitig deren Leistungsfähigkeit. In principle, the known magnetic field detection units can be used in connection with the invention. However, the magnetic field detection unit is preferably a quantum sensor. Quantum sensors have become known in a wide variety of configurations. They use different quantum effects to determine various physical and/or chemical process variables. In the field of industrial process automation, the use of quantum sensors is interesting in two respects: Quantum sensors enable the miniaturization of the sensors used and at the same time increase their performance.
Bevorzugt werden in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen vibronischen Sensor zwei Typen von Quantensensoren eingesetzt. So kann es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit um einen Quantensensor handeln, der zumindest einen Krista II körper mit zumindest einer Magnetfeld-empfindlichen Fehlstelle aufweist. Bei dem Krista II körper kann es sich beispielsweise um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, um Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder um hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum handeln. Es können selbstverständlich auch mehrere Fehlstellen in dem Kristallkörper angeordnet sein. Diese sind bevorzugt linear angeordnet. Eine Erhöhung der Anzahl der Fehlstellen führt zu einer erhöhten Intensität, so dass die Messauflösung verbessert bzw. Intensitätsänderungen auch bei vergleichsweise schwachen Magnetfeldern detektierbar sind. Two types of quantum sensors are preferably used in connection with the vibronic sensor according to the invention. The magnetic field detection unit can be a quantum sensor that has at least one crystal body with at least one magnetic field-sensitive defect. The crystal body can be, for example, a diamond with at least one nitrogen defect, silicon carbide with at least one silicon defect, or hexagonal boron nitride with at least one defect color center. It is of course also possible for several defects to be arranged in the crystal body. These are preferably arranged linearly. An increase in the number of defects leads to an increased intensity, so that the measurement resolution is improved and changes in intensity can be detected even with comparatively weak magnetic fields.
Alternativ kann in Verbindung mit der Erfindung als Magnetfelderfassungseinheit ein Quantensensor zum Einsatz kommen, der als Gaszelle ausgebildet ist. Entsprechend Sensoren sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Alternatively, in connection with the invention, a quantum sensor designed as a gas cell can be used as a magnetic field detection unit. Corresponding sensors are known in different configurations.
Aus der Patentliteratur sind bereits eine Vielzahl von Quantensensoren bekannt geworden, die in der Prozessautomatisierung eingesetzt werden können. So beschreibt die DE3742878A1 einen optischen Magnetfeldsensor, indem ein Kristall als magnetempfindliches optisches Bauteil verwendet wird. A large number of quantum sensors that can be used in process automation are already known from the patent literature. For example, DE3742878A1 describes an optical magnetic field sensor in which a crystal is used as a magnetically sensitive optical component.
Aus der DE 102017205099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Krista II körper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionseinheit zur Detektion einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Die Lichtquelle ist auf einem ersten Substrat und die Detektionseinrichtung auf einem zweiten Substrat angeordnet, während die Hochfrequenzeinrichtung und der Kristallkörper auf beiden, miteinander verbundenen Subtraten angeordnet sein können. Als Messgrößen kommen externe Magnetfelder, elektrische Ströme, eine Temperatur, mechanischen Spannung oder ein Druck in Frage. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE102017205265A1 bekannt geworden. DE 102017205099 A1 discloses a sensor device with a crystal body having at least one defect, a light source, a high-frequency device for applying a high-frequency signal to the crystal body, and a detection unit for detecting a magnetic-field-dependent fluorescence signal. The light source is arranged on a first substrate and the detection device on a second substrate, while the high-frequency device and the Crystal bodies can be arranged on both interconnected substrates. External magnetic fields, electrical currents, temperature, mechanical stress or pressure can be used as measured variables. A similar device has become known from DE102017205265A1.
Die DE 102014219550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Magnetfeldern, wobei das Sensorelement eine Diamantstruktur mit zumindest einem Stickstoff-Vakanz-Zentrum aufweist. DE 102014219550 A1 describes a combination sensor for detecting pressure, temperature and/or magnetic fields, the sensor element having a diamond structure with at least one nitrogen vacancy center.
Die DE 102018214617 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung, welche ebenfalls einen Krista II körper mit einer Anzahl von Farbzentren, bei welcher zur Steigerung der Effektivität und zur Miniaturisierung verschiedene optische Filterelemente verwendet werden. DE 102018214617 A1 discloses a sensor device which also has a crystal body with a number of color centers, in which various optical filter elements are used to increase effectiveness and for miniaturization.
In der DE 102016210259 A1 wird eine weitere Ausgestaltung für eine Sensorvorrichtung sowie eine Kalibrations- und Auswertemethode basierend auf Fehlstellen in einem Kristall vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung umfasst einen Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, eine Lichtquelle, eine Mikrowellenantenne zur Beaufschlagung des Kristallkörpers mit Mikrowellen, eine Detektionseinrichtung zur Erfassung einer Fluoreszenz von dem Kristallkörper, und eine Anlegeeinrichtung, mittels welcher ein Induktionsstrom an die Mikrowellenantenne anlegbar ist. So dient die Mikrowellenantenne zum einen zur Erzeugung der Mikrowellen und zur Erzeugung eines internen Magnetfelds. Das interne Magnetfeld ermöglicht eine Kalibrierung im fortlaufenden Betrieb. DE 102016210259 A1 proposes a further configuration for a sensor device and a calibration and evaluation method based on defects in a crystal. The sensor device comprises a crystal body with at least one defect, a light source, a microwave antenna for applying microwaves to the crystal body, a detection device for detecting fluorescence from the crystal body, and an application device by means of which an induction current can be applied to the microwave antenna. The microwave antenna is used on the one hand to generate the microwaves and to generate an internal magnetic field. The internal magnetic field enables calibration during ongoing operation.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen vibronischen Sensors, 1: a schematic representation of a vibronic sensor according to the invention,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer schwingfähigen Einheit in Form einer Schwinggabel, 2: a schematic representation of an oscillatable unit in the form of an oscillating fork,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors mit einer Beschichtung aus magnetostriktivem Material, 3: a schematic representation of an embodiment of the vibronic sensor according to the invention with a coating of magnetostrictive material,
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors. 4: a schematic representation of a further embodiment of the vibronic sensor according to the invention.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt schematisch einen vibromschen Sensor 1 zur Bestimmung einer Prozessgröße eines in einem Behältnis 3 befindlichen Mediums 2. Bei der Prozessgröße, die von dem erfindungsgemäßen vibronischen Sensor 1 bestimmt wird, handelt es sich insbesondere um den Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums 2. Identical elements are provided with the same reference symbols in the figures. Fig. 1 shows schematically a vibronic sensor 1 for determining a process variable of a medium 2 located in a container 3. The process variable, which is determined by the vibronic sensor 1 according to the invention, is in particular the level, the density and/or the Viscosity of the medium 2.
In Fig. 2 sind die wesentliche Komponenten des vibronischen Sensors 1 gezeigt: eine schwingfähige Einheit 4, eine Anregungs-ZEmpfangseinheit 7 und eine Regel- ZAuswerteeinheit 9. Im gezeigten Fall handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit 4 um eine sog. Schwinggabel mit zwei symmetrisch an einer Membran 5 angeordneten paddelförmigen Schwingstäben 6. Derartige Sensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT angeboten und vertrieben. Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei der schwingfähigen Einheit 4 auch um einen Einstab oder um einen Membranschwinger handeln. 2 shows the essential components of the vibronic sensor 1: an oscillatable unit 4, an excitation/receiving unit 7 and a control/evaluation unit 9. In the case shown, the oscillatable unit 4 is a so-called tuning fork with two symmetrical paddle-shaped oscillating rods 6 arranged on a membrane 5. Such sensors are offered and sold by the applicant under the name LIQUIPHANT. As already mentioned above, the oscillatable unit 4 can also be a single-rod or a membrane oscillator.
Die Anregungs-ZEmpfangseinheit 7 überträgt Anregungssignale auf die Membran 5 und versetzt die Membran 5 und die an der Membran 5 angeordneten Schwingstäben 6 in mechanische Schwingungen. Um die schwingfähige Einheit 4 in mechanische Schwingungen zu versetzen, wird mittels einer auf der vom Prozess abgewandten Oberfläche der Membran 5 stoffschlüssig angebrachten Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 eine Kraft auf die Membran 5 übertragen. Die Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 ist bevorzugt eine elektromechanische Wandlereinheit und umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Element oder auch einen elektromagnetischen Antrieb [nicht gezeigt]. Entweder sind die Antriebseinheit und die Empfangseinheit als zwei separate Einheiten ausgestaltet oder als kombinierte Antriebs-ZEmpfangseinheit 7. The excitation/receiving unit 7 transmits excitation signals to the membrane 5 and causes the membrane 5 and the oscillating rods 6 arranged on the membrane 5 to oscillate mechanically. In order to cause the oscillatable unit 4 to oscillate mechanically, a force is transmitted to the membrane 5 by means of a drive/receiver unit 7 materially attached to the surface of the membrane 5 facing away from the process. The drive/receiver unit 7 is preferably an electromechanical converter unit and includes, for example, a piezoelectric element or an electromagnetic drive (not shown). Either the drive unit and the receiver unit are designed as two separate units or as a combined drive/receiver unit 7.
Im Falle, dass die Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 ein piezoelektrisches Element umfasst, wird die der Membran 5 aufgeprägte Kraft über das Anlegen eines Anregesignals, beispielweise in Form einer elektrischen Wechselspannung, generiert. Eine Änderung der angelegten elektrischen Spannung bewirkt eine Änderung der geometrischen Form der Antriebs-ZEmpfangseinheit 7, also eine Kontraktion bzw. eine Relaxation innerhalb des piezoelektrischen Elements derart, dass das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal zu einer mechanischen Schwingung der stoffschlüssig mit der Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 verbundenen Membran 5 führt. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 über die Membran 5 an die Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 übertragen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt. Die Frequenz des Empfangssignals entspricht dabei der mechanischen Schwingungsfrequenz der schwingfähigen Einheit 4. Eine Regel- ZAuswerteeinheit 9 erfasst die entsprechenden elektrische Antwortsignale und stellt anhand der Antwortsignale Messsignale in Bezug auf die Prozessgröße bereit. Die schwingfähige Einheit 4 besteht zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material 11 . Möglich ist es im Zusammenhang mit der Erfindung, die Membran 6 und/oder die Schwingstäbe 6 - bzw. den Einstab - voll aus dem magnetostriktiven Material 11 zu fertigen. Alternativ kann auch eine Beschichtung aus magnetostriktiven Material 11 auf die Membran 5 und/ oder die Schwingstäbe 6 aufgebracht sein. U.U. ist die Beschichtung noch einmal mit einer inerten Schutzschicht versehen. Das magnetostriktive Material 11 kann in beiden Ausgestaltungen durchgehend oder aber in Teilbereichen der schwingfähigen Einheit 4 vorgesehen sein. Als interessante Ausführungsform wird es erachtet, wenn das magnetostriktive Material 11 in dem Bereich der Membran 5 oder der Schwingstäbe 6 angeordnet ist, in dem die maximalen mechanischen Spannungen infolge der jeweiligen von der Anregungs-ZEmpfangseinheit 7 angeregten Schwingungen zu erwarten sind. Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das magnetostriktive Material 11 in einem vom Medium 2 abgewandten Bereich der Membran 5 zu finden ist, beispielsweise auf der vom Medium 2 abgewandten Oberfläche der Membran 5, die sich im Innern des Gehäuses des vibronischen Sensors 1 befindet, in dem z.B. auch die Antriebs-ZEmpfangseinheit 7 zu finden ist. If the drive/receiver unit 7 comprises a piezoelectric element, the force applied to the membrane 5 is generated by applying an excitation signal, for example in the form of an electrical alternating voltage. A change in the electrical voltage applied causes a change in the geometric shape of the drive/receiver unit 7, i.e. a contraction or relaxation within the piezoelectric element in such a way that the application of an electrical AC voltage as an excitation signal results in a mechanical vibration of the integral part of the drive/receiver unit 7 associated membrane 5 leads. Conversely, the mechanical oscillations of the oscillatable unit 4 are transmitted via the membrane 5 to the drive/receiver unit 7 and converted into an electrical reception signal. The frequency of the received signal corresponds to the mechanical oscillation frequency of the oscillatable unit 4. A control/evaluation unit 9 detects the corresponding electrical response signals and uses the response signals to provide measurement signals relating to the process variable. The oscillatable unit 4 consists at least partially of a magnetostrictive material 11 . It is possible in connection with the invention to manufacture the membrane 6 and/or the oscillating rods 6 - or the single rod - entirely from the magnetostrictive material 11 . Alternatively, a coating of magnetostrictive material 11 can also be applied to the membrane 5 and/or the oscillating rods 6 . If necessary, the coating is provided with an inert protective layer. In both configurations, the magnetostrictive material 11 can be provided continuously or else in partial areas of the oscillatable unit 4 . It is considered an interesting embodiment if the magnetostrictive material 11 is arranged in the area of the membrane 5 or the oscillating rods 6 in which the maximum mechanical stresses are to be expected as a result of the respective oscillations excited by the excitation/receiving unit 7 . Furthermore, it is considered advantageous if the magnetostrictive material 11 can be found in an area of the membrane 5 facing away from the medium 2, for example on the surface of the membrane 5 facing away from the medium 2, which is located inside the housing of the vibronic sensor 1. in which, for example, the drive/receiver unit 7 can also be found.
Erfindungsgemäß ist eine geeignete Magnetfelderfassungseinheit 10 vorgesehen, die das Magnetfeld misst, das infolge der auf die schwingfähige Einheit 4 einwirkenden mechanischen Kräfte in dem magnetostriktiven Material auftritt (Villari-Effekt). Die Regel- ZAuswerteeinheit 9, die Teil der Elektronikeinheit 8 des vibronischen Sensors 1 ist, generiert anhand des gemessenen Magnetfeldes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit des Sensors 1 und/oder macht eine Plausibilitätsaussage über die von dem vibronischen Sensor 1 gelieferten Messwerte. According to the invention, a suitable magnetic field detection unit 10 is provided, which measures the magnetic field that occurs in the magnetostrictive material as a result of the mechanical forces acting on the oscillatable unit 4 (Villari effect). The control and evaluation unit 9, which is part of the electronics unit 8 of the vibronic sensor 1, uses the measured magnetic field to generate a statement about the functionality of the sensor 1 and/or makes a plausibility statement about the measured values supplied by the vibronic sensor 1.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1 . Hier ist die schwingfähige Einheit 1 mit einer Beschichtung aus magnetostriktivem Material versehen. Das Magnetfeld, das infolge der in dem magnetostriktiven Material 11 erzeugten mechanischen Spannungen generiert wird, wird von der Magnetfelderfassungseinheit 10 detektiert. 3 schematically shows an embodiment of the vibronic sensor 1 according to the invention. Here the oscillatable unit 1 is provided with a coating of magnetostrictive material. The magnetic field generated as a result of the mechanical stress generated in the magnetostrictive material 11 is detected by the magnetic field detection unit 10 .
Bevorzugt handelt es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit 10 um einen Quantensensor. Unterschiedliche Ausgestaltungen von Quantensensoren wurden zuvor bereits ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Quantensensoren haben gegenüber herkömmlichen Magnetfelderfassungssensoren, wie z.B. Hallsensoren, den Vorteil, dass sie bezüglich ihrer Dimensionierung klein sind - sich also auch bevorzugt in den vibronischen Sensor 1 integrieren lassen - und dabei äußerst sensitiv messen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnetfelderfassungseinheit 10 als separate Komponente auszugestalten und außerhalb des vibronischen Sensors 1 derart zu platzieren, dass das Magnetfeld gemessen wird. Das magnetostriktiven Material 11 erzeugt unter Zuhilfenahme eines Magneten, z.B. eines Permanentmagneten, der ein Offset-Magnetfeld erzeugt, ein Magnetfeld, das von der Magnetfelderfassungseinheit 10 mit der erforderlichen Genauigkeit gemessen werden kann. Das magnetostriktive Material 11 selbst erzeugt kein eigenes Magnetfeld, verändert aber unter dem Einfluss einer einwirkenden Kraft seine Permeabilität p. Daher ist es erforderlich, ein Offset-Magnetfeld zu erzeugen, z.B. durch einen Permanentmagneten oder eine Spule, um die Änderung des Magnetfeldes infolge einer auf das magnetostriktive Material 11 einwirkenden Kraft zu messen. Obwohl der Einsatz eines Quantensensors zur Ermittlung des Magnetfelds in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung präferiert wird, versteht es sich von selbst, dass je nach Ausgestaltung und Anordnung des magnetostriktiven Materials 11 und des Permanentmagneten an der schwingfähigen Einheit 4 auch ein herkömmlicher Magnetfeldsensor zum Einsatz kommen kann. The magnetic field detection unit 10 is preferably a quantum sensor. Different configurations of quantum sensors have already been described in detail above, so that a repetition can be dispensed with at this point. Quantum sensors have the advantage over conventional magnetic field detection sensors, such as Hall sensors, that they are small in terms of their dimensions—that is, they can also preferably be integrated into the vibronic sensor 1—and measure extremely sensitively. Of course, it is also possible to design the magnetic field detection unit 10 as a separate component and to place it outside of the vibronic sensor 1 in such a way that the magnetic field is measured. With the aid of a magnet, for example a permanent magnet, which generates an offset magnetic field, the magnetostrictive material 11 generates a magnetic field which can be measured by the magnetic field detection unit 10 with the required accuracy. The magnetostrictive material 11 itself does not generate its own magnetic field, but changes its permeability p under the influence of an acting force. It is therefore necessary to generate an offset magnetic field, for example by a permanent magnet or a coil, in order to measure the change in the magnetic field due to a force acting on the magnetostrictive material 11. Although the use of a quantum sensor for determining the magnetic field is preferred in connection with the present invention, it goes without saying that, depending on the design and arrangement of the magnetostrictive material 11 and the permanent magnet on the oscillatable unit 4, a conventional magnetic field sensor can also be used .
Bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Variante des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors 1 ist das magnetostriktive Material 11 in den Bereichen des schwingfähigen Einheit 4 angeordnet, in denen maximale bzw. höhere mechanische Spannungen auftreten als in anderen Bereichen der schwingfähigen Einheit 4. Bei der gezeigten Ausführungsform eines vibronischen Sensors 1 tritt die maximale Spannung an der äußeren Umrandung der Membran 5 und im Zentrum der Membran 5 auf. Mittels einer Spule oder eines Permanentmagneten (nicht dargestellt) wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der über z.B. eine Ankerkonstruktion durch die Magnetfelderfassungseinheit 10 geleitet wird. Das Magnetfeld wird gemessen. Durch eine entsprechende Anordnung des magnetostriktiven Materials 11 lässt sich die Stärke des auftretenden Magnetfeldes und damit die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen vibronischen Sensors optimieren. In the variant of the vibronic sensor 1 according to the invention shown schematically in FIG. 4, the magnetostrictive material 11 is arranged in the areas of the oscillatable unit 4 in which maximum or higher mechanical stresses occur than in other areas of the oscillatable unit 4. In the embodiment shown of a vibronic sensor 1, the maximum stress occurs at the outer edge of the membrane 5 and in the center of the membrane 5. A coil or a permanent magnet (not shown) is used to generate a magnetic flux which is conducted through the magnetic field detection unit 10 via an armature structure, for example. The magnetic field is measured. The strength of the occurring magnetic field and thus the measuring accuracy and reliability of the vibronic sensor according to the invention can be optimized by appropriate arrangement of the magnetostrictive material 11 .
Bezugszeichenliste Reference List
1 Vibronischer Sensor 1 vibronic sensor
2 Medium 2 media
3 Behälter 3 containers
4 Schwingfähige Einheit 4 Oscillating unit
5 Membran 5 membrane
6 Schwingstab 6 swing stick
7 Antriebs-ZEmpfangseinheit7 drive Z receiving unit
8 Elektronikeinheit 8 electronic unit
9 Regel-ZAuswerteeinheit 9 control Z evaluation unit
10 Magnetfelderfassungseinheit10 magnetic field detection unit
11 Magnetostriktives Material 11 Magnetostrictive Material

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Vibronischer Sensor (1) zur Bestimmung einer Prozessgröße eines in einem Behältnis (3) befindlichen Mediums (2) mit einer schwingfähigen Einheit (4), einer Anregungs- /Empfangseinheit (7) und einer Regel-/Auswerteeinheit (9), wobei die Anregungs- /Empfangseinheit (7) die schwingfähige Einheit (4) durch Anregungssignale zu mechanischen Schwingungen anregt und die entsprechenden Antwortsignale erfasst, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (9) anhand der Antwortsignale Messsignale in Bezug auf die Prozessgröße bereitstellt, wobei die schwingfähige Einheit (4) zumindest teilweise aus einem magnetostriktiven Material (11) gefertigt ist, wobei eine Magnetfelderfassungseinheit (10) vorgesehen ist, die eine Änderung eines Magnetfeldes misst, die durch die Einwirkung von mechanischen Kräften auf das magnetostriktive Material erzeugt wird, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit anhand der gemessenen (11) Änderung des Magnetfeldes eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit und/oder eine Plausibilitätsaussage über die von dem vibronischen Sensor (1) gelieferten Messwerte generiert. 1 . Vibronic sensor (1) for determining a process variable in a container (3) located medium (2) with an oscillatable unit (4), an excitation / receiving unit (7) and a control / evaluation unit (9), wherein the excitation - / receiving unit (7) excites the oscillatable unit (4) to mechanical oscillations by means of excitation signals and detects the corresponding response signals, with the control/evaluation unit (9) using the response signals providing measurement signals relating to the process variable, with the oscillatable unit (4 ) is made at least partially from a magnetostrictive material (11), a magnetic field detection unit (10) being provided which measures a change in a magnetic field which is generated by the action of mechanical forces on the magnetostrictive material, and the control/evaluation unit based on the measured (11) change in the magnetic field, a statement about the functionality and/or a plausibility statement about the measured values supplied by the vibronic sensor (1) is generated.
2. Vibronischer Sensor nach Anspruch 1 , wobei die schwingfähige Einheit (4) aus dem magnetostriktiven Material (11) gefertigt ist. 2. Vibronic sensor according to claim 1, wherein the oscillatable unit (4) is made of the magnetostrictive material (11).
3. Vibronischer Sensor nach Anspruch 1 , wobei die schwingfähige Einheit (4) mit dem magnetostriktiven Material (11) beschichtet ist. 3. Vibronic sensor according to claim 1, wherein the oscillatable unit (4) is coated with the magnetostrictive material (11).
4. Vibronischer Sensor nach Anspruch 1 , wobei die schwingfähige Einheit (4) zumindest in einem Teilbereich, in dem die maximalen mechanischen Spannungen bei der Anregung der Schwingungen auftreten, mit einer Beschichtung aus dem magnetostriktiven Material (11 ) versehen ist oder aus dem magnetostriktiven Material (11) gefertigt ist. 4. Vibronic sensor according to claim 1, wherein the oscillatable unit (4) is provided with a coating of the magnetostrictive material (11) or of the magnetostrictive material, at least in a partial area in which the maximum mechanical stresses occur when the oscillations are excited (11) is made.
5. Vibronischer Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 -4, wobei es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit (10) um einen Quantensensor handelt. 5. Vibronic sensor according to at least one of claims 1 -4, wherein the magnetic field detection unit (10) is a quantum sensor.
6. Vibronischer Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 -5, wobei es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit (10) um einen Quantensensor handelt, der zumindest einen Krista II körper mit zumindest einer Magnetfeld-empfindlichen Fehlstelle aufweist. 6. Vibronic sensor according to at least one of claims 1 -5, wherein the magnetic field detection unit (10) is a quantum sensor which has at least one crystal body with at least one magnetic field-sensitive defect.
7. Vibronischer Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 -4, wobei es sich bei der Magnetfelderfassungseinheit (10) um einen Quantensensor handelt, der als Gaszelle ausgebildet ist. 7. Vibronic sensor according to at least one of claims 1 -4, wherein the magnetic field detection unit (10) is a quantum sensor which is designed as a gas cell.
8. Vibronischer Sensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 -6, wobei die Magnetfelderfassungseinheit (10) eine Anregeeinheit zur Anregung der Fehlstelle oder zur Anregung der Gaszelle und eine Vorrichtung zur Detektion eines magnetfeldabhängigen Signals des Kristallkörpers oder der Gaszelle aufweist. 8. Vibronic sensor according to at least one of claims 1 -6, wherein the magnetic field detection unit (10) has an excitation unit for exciting the defect or for exciting the gas cell and a device for detecting a magnetic field-dependent signal of the crystal body or the gas cell.
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