WO2025002736A1 - Vibrationssensor - Google Patents

Vibrationssensor Download PDF

Info

Publication number
WO2025002736A1
WO2025002736A1 PCT/EP2024/065355 EP2024065355W WO2025002736A1 WO 2025002736 A1 WO2025002736 A1 WO 2025002736A1 EP 2024065355 W EP2024065355 W EP 2024065355W WO 2025002736 A1 WO2025002736 A1 WO 2025002736A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carrier
membrane
vibration sensor
piezo element
less
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2024/065355
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian HAAS
Benjamin Schätzle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of WO2025002736A1 publication Critical patent/WO2025002736A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Definitions

  • the present invention relates to a vibration sensor according to the preamble of patent claim 1.
  • sensors are used to monitor and control processes. Such sensors can be used, for example, to detect fill levels, limit levels or to monitor process parameters.
  • Vibration sensors for detecting fill levels or limit levels work by exciting a mechanical vibration unit with its resonance frequency. Covering the vibration element with a liquid or bulk material changes its resonance frequency. If this change exceeds a predetermined value, a switching command is generated.
  • Vibration sensors for determining and/or monitoring the fill level of a medium in a container or for determining the density of a medium in the container have a housing, a membrane, a mechanical vibration unit, a drive/receiver unit, hereinafter also referred to as the drive, and a control/evaluation unit, hereinafter also referred to as the sensor electronics.
  • the membrane closes one end of the housing and the mechanical vibration unit is arranged on the membrane, with the drive inside the housing being arranged in such a way that it causes the membrane and the mechanical vibration unit to vibrate and detects their vibrations, and the sensor electronics use the vibrations detected to determine whether the specified fill level has been reached or the density of the medium.
  • the mechanical vibration unit is at least one vibrating rod, which - as already mentioned - is attached directly to a membrane.
  • the membrane is set into vibration by the drive, an electromechanical converter, e.g. a piezoelectric element. Due to the vibrations of the membrane, the The mechanical vibration unit attached to the membrane also emits vibrations.
  • the oscillating membrane, the drive arranged on the one hand of the membrane and the mechanical oscillation unit arranged on the other hand of the membrane thus form an oscillating system which can be set into oscillation by the drive and whose oscillations can be detected by the drive.
  • Vibration detectors designed as level measuring devices make use of the fact that the vibration frequency and the vibration amplitude depend on the respective degree of coverage of the oscillating unit: While the mechanical vibration unit can perform its vibrations freely and undamped in air, it experiences a change in frequency and amplitude as soon as it is partially or completely immersed in the filling material. From a predetermined frequency change (typically the frequency is measured rather than the amplitude), it can be clearly deduced whether a predetermined fill level of a product in the container has been reached. Level measuring devices of this type are also used primarily as a means of protecting against overfilling or to prevent a pump from running idle.
  • the damping of the vibration of the vibrating element is also influenced by the density of the respective product.
  • the density of the respective product With a constant degree of coverage of at least one vibrating element, there is a connection with the density of the product, so that vibration detectors are ideally suited both for detecting a given limit state and for detecting the density.
  • the vibrations of the membrane are recorded and converted into electrical reception signals to monitor and detect the fill level or density of the product in the container.
  • at least one piezoelectric element is used for this purpose.
  • the electrical reception signals are then evaluated by an evaluation electronics.
  • the evaluation electronics monitor the vibration frequency and/or the vibration amplitude of the oscillating unit and signal the status "sensor covered” or “sensor uncovered” as soon as the measured values fall below or exceed a specified reference value. This can be the Operating personnel are notified visually and/or acoustically.
  • a switching process is triggered and, for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.
  • Piezoceramic elements are predominantly used as electromechanical converters in the drive unit of such a sensor. Different concepts are known for this. Screwed stack drives are widely used, in which the piezo actuators are fixed by a screw fastening. Another concept is to fix the piezo actuator by gluing. This concept is being used more and more frequently, as it allows for improved performance, lower manufacturing costs and greater automation.
  • piezo elements from the lead zirconate titanate (PZT) material class are used, especially at high temperatures between 150°C and 300°C.
  • a further object is to design the alternative drive in such a way that it has a comparable performance to the drives known from the prior art.
  • the piezo element is designed in the shape of a circular disk, i.e. it has a circular outer contour when viewed from above.
  • the piezo element can be arranged in a ring-shaped carrier.
  • a carrier makes handling the piezo element easier as well as assembling and positioning the piezo element relative to the membrane.
  • the carrier is preferably designed without slots.
  • unslotted means that the ring-shaped carrier is designed without slots or notches.
  • slots or notches are required to increase the flexibility of the carrier and thus reduce damping on the membrane.
  • a potting compound is arranged in the carrier, which completely covers at least one surface of the piezo element. In this way, it is possible to use the vibration sensor even in explosion-proof At the same time, the piezo drive, in particular the electrical contact of the piezo element, is protected against corrosion caused by moisture by the encapsulation.
  • a surface of the piezo element means at least one side of the piezo element facing away from the membrane.
  • a peripheral surface of the piezo element is in contact with the carrier. Since the carrier is made of plastic and is electrically non-conductive, the piezo element is also electrically insulated on its peripheral surface and thus in the radial direction.
  • the encapsulation is made of silicone. Silicone encapsulation makes it possible to make the encapsulation in the carrier particularly thin, so that as little additional mass as possible is introduced into the vibrating system. By reducing the mass, the damping of the system is reduced, so that the vibration sensor can also be operated with a less powerful piezo element.
  • the carrier consists of a material with an elastic modulus of less than 4000 MPa, preferably less than 3500 MPa, particularly preferably 3200 MPa or less.
  • an elastic modulus of the carrier material By reducing the elastic modulus of the carrier material, it is ensured that the carrier is less rigid and therefore dampens the oscillating system less. This makes it possible to introduce sufficient energy into the oscillating system even with a piezo element that has a lower charge constant.
  • the elastic modulus is determined according to ISO527 under standard climate, i.e. at a temperature of 23 +/- 2 °C and a relative humidity of 50 +/- 10 %.
  • the carrier is designed such that it has a radial stiffness of less than 3000 N/mm, preferably 2500 N/mm or less.
  • a reduction in the radial stiffness can be achieved in particular by a suitable choice of material with a reduced modulus of elasticity and a suitable geometric design of the carrier.
  • the vibration sensor can be used at the desired temperatures of -50°C to +150°C, it is also necessary that the plastic selected has sufficient temperature resistance. In particular, it is necessary that the carrier neither becomes brittle at low temperatures nor melts at high temperatures.
  • the carrier consists of polyetherimide or polyetheretherketone.
  • the two aforementioned materials meet the requirements of a plastic such as that required for the carrier particularly well.
  • they can be used in the above-mentioned temperature range, have sufficient mechanical stability to be able to manufacture the carrier using as little material as possible and are at the same time so elastic that the oscillating system of the vibration sensor is not dampened too much.
  • the ring-shaped carrier In order to reduce the radial stiffness of the ring-shaped carrier, it is advisable for it to have a wall thickness of less than 1 mm, preferably less than 0.8 mm, more preferably 0.4 mm or less in the radial direction. By reducing the wall thickness of the carrier, it is achieved that it is more flexible overall and thus has less damping influence on the oscillating system of the vibration sensor.
  • the ring-shaped carrier has an extension in the axial direction of less than 5 mm, preferably 4 mm or less.
  • a reduction in the extension in the axial direction also achieves a reduction in the mass and the rigidity of the carrier, which also reduces the influence on the oscillating system of the vibration sensor.
  • the carrier has at least three, preferably four or five, projections on the radial outside, which are designed as spacers and align the carrier relative to the membrane.
  • the membrane often has a peripheral edge extending in the axial direction, which serves as a holder for the membrane and as a base for a process connection and/or a housing that encloses the drive and electronics of the vibration sensor. This edge can be used in conjunction with the projections on the carrier to ensure that the Vibration sensors, especially when assembled manually, align the carrier relative to the membrane and thus center it.
  • the drive of the vibration sensor is formed from piezo elements made of bismuth sodium titanate or potassium sodium niobate.
  • the piezo elements can be designed as multilayer piezo elements with several piezo layers.
  • a piezo unit is made up of several piezo layers that are connected to form a piezo unit together with electrode layers arranged between the piezo layers.
  • the piezo layers and the electrode layers can be permanently connected to one another, for example by a sintering process.
  • By connecting several layers to one another it is possible for the individual piezo layers to be made thinner than would be the case with pure piezo elements.
  • the pure piezo material has the disadvantage that it breaks very easily if the layer thickness is small. This disadvantage can be avoided by connecting several piezo layers together by the manufacturer.
  • the lower layer thickness of the individual piezo layers means that higher field strengths can be achieved with the same applied voltage, and thus a better conversion of electrical energy into mechanical energy.
  • Figure 1 shows an embodiment of a vibration sensor according to the present application.
  • Figure 2 is a perspective view of the carrier from Figure 1.
  • Figure 1 shows a partial representation of a vibration sensor 1 according to the present application in a longitudinal section in the axial direction A.
  • the vibration sensor 1 has a membrane 3 designed to vibrate, on which a mechanical vibration unit 31, which in this case is designed in the form of a tuning fork, and a drive for setting the membrane 3 into vibration are arranged on the one hand, and on the other hand.
  • the drive is designed in this case as a piezo element 5, which is glued to the membrane 3 with an interposition of an adaptation ceramic 7 to compensate for different thermal expansion coefficients between the membrane 3 and the piezo element 5.
  • the piezo element 5 is arranged in a ring-shaped carrier 9, which facilitates handling of the piezo element 5 and positioning relative to the membrane 3.
  • the carrier 9 has moldings 91 arranged on the outside of the carrier 9, which keep the carrier 9 at a distance from an edge 31 of the membrane 3, which extends to the rear in the axial direction, and thus align the carrier 9 with the piezo element 5 and position it centered relative to the membrane 3.
  • the moldings 91 which act as spacers to the edge 31, make it possible to design the carrier 9 with a smaller wall thickness and thus reduce the mass of the carrier 9.
  • the carrier 9 has a step on the inside of the front side in which the adaptation ceramic 7 is located. It is therefore possible to equip the carrier 9 with the adaptation ceramic 7 and the piezo element 5 and then connect these as a common structural unit with the membrane 3 and the mechanical vibration unit 33 arranged thereon.
  • the piezo element 5 is electrically contacted via contacts (not shown here), so that by applying a voltage, a mechanical deformation of the piezo element can be caused, which excites the membrane 3 to vibrate.
  • the piezo element 5 is covered with a potting compound 11 on the back, ie on a surface facing away from the compensating ceramic 7 arranged on the front side of the piezo element 5.
  • the potting compound 11 is arranged inside the carrier 9, so that the carrier 9 in the embodiment shown simultaneously serves as a holder for the piezo element 5 and as Limitation for the potting 11.
  • the potting 11 is designed as a silicone potting in the present embodiment and has a thickness, ie an extension in the axial direction A, of 3.3 mm.
  • the potting 11 As a silicone potting and reducing the thickness to 3.3 mm, a mass of the potting 11 used is reduced by a factor of 9 compared to the prior art, so that the potting 11 according to the present embodiment has a significantly reduced damping effect on the oscillating unit of the vibration sensor 1.
  • the carrier 9 is made of polyimide and has a wall thickness b? of 0.4 mm and an extension FIT in the axial direction A of 4 mm.
  • polyimide as the material of the carrier 9 and the prescribed mechanical design, a radial stiffness of 2500 N/mm is achieved, so that by reducing the mass of the carrier 9 on the one hand and the reduced radial stiffness of the carrier 9 on the other hand, a negative damping influence of the carrier 9 on the oscillating system of the vibration sensor 1 is minimized.
  • the aforementioned measures make it possible for the vibration sensor 1 to be operated with a piezo element 5 made of bismuth sodium titanate or potassium sodium niobate.
  • Figure 2 shows the carrier 9 as used in the embodiment of Figure 1 in a unique position in a perspective view.
  • the representation shown in Figure 2 clearly shows the extension FIT of the carrier 9 in the axial direction and the wall thickness b? in the radial direction R. Furthermore, the representation shown in Figure 2 shows the formations 91 which are evenly distributed over a circumference of the ring-shaped carrier 9 and which serve as spacers. list of reference symbols

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (3) und einem mit der Membran (3) derart in Wirkverbindung stehenden Piezoelement (5), das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Schwingungen des Piezoelements (5) auf die Membran (3) und Schwingungen der Membran (3) auf das Piezoelement (5) übertragen werden, wobei das Piezoelement (5) mit der Membran (3), oder mit einer mit der Membran (3) verklebten Anpassungskeramik (7), verklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) aus einer bleifreien Piezokeramik besteht.

Description

Vibrationssensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In der Prozess- und Fabrikautomation werden zur Überwachung und zur Steuerung von Prozessen, elektronische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können beispielsweise zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern eingesetzt werden.
Eine weit verbreitete Gattung solcher Sensoren stellen vibronische Sensoren, nachfolgend auch als Vibrationssensoren bezeichnet, dar. Vibrationssensoren zur Detektion von Füllständen oder Grenzständen arbeiten durch das Anregen einer mechanischen Schwingungseinheit mit deren Resonanzfrequenz. Das Bedecken des Schwingelements durch eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut ändert dessen Resonanzfrequenz. Durch Überschreiten eines vorgegebenen Wertes dieser Änderung wird ein Schaltbefehl generiert.
Vibrationssensoren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter oder zur Ermittlung der Dichte eines Mediums im Behälter, weisen ein Gehäuse, eine Membran, eine mechanische Schwingungseinheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, im Folgenden auch kurz als Antrieb bezeichnet, und eine Regel-/Auswerteeinheit, im Folgenden auch kurz als Sensorelektronik bezeichnet, auf. Die Membran verschließt ein stirnseitiges Ende des Gehäuses und die mechanische Schwingungseinheit ist an der Membran angeordnet, wobei der Antrieb im Inneren des Gehäuses so angeordnet ist, dass er die Membran und die mechanische Schwingungseinheit in Schwingungen versetzt und deren Schwingungen erfasst und die Sensorelektronik aus den erfassten Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes oder die Dichte des Mediums feststellt.
Solche Vibrationssensoren sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Die mechanische Schwingungseinheit ist mindestens ein Schwingstab, der - wie bereits erwähnt - direkt an einer Membran befestigt ist. Die Membran wird über den Antrieb, einen elektromechanischen Wandler, z. B. ein piezoelektrisches Element, in Schwingung versetzt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt die an der Membran befestigte mechanische Schwingungseinheit ebenfalls Schwingungen aus.
Die schwingfähige Membran, der einerseits der Membran angeordnete Antrieb und die andererseits der Membran angeordnete mechanischen Schwingungseinheit bilden damit ein schwingfähiges System, das durch den Antrieb in Schwingungen versetzbar ist und dessen Schwingungen durch den Antrieb erfassbar sind.
Als Füllstandmessgeräte ausgeführte Schwingungsdetektoren machen sich den Effekt zunutze, dass die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude vom jeweiligen Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit abhängig sind: Während die mechanische Schwingungseinheit in Luft ihre Schwingungen frei und ungedämpft ausführen kann, erfährt sie eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald sie teilweise oder ganz in das Füllgut eintaucht. Aus einer vorbestimmten Frequenzänderung (typischerweise wird nicht die Amplitude, sondern die Frequenz gemessen) lässt sich somit eindeutig ableiten, ob ein vorbestimmter Füllstand eines Produktes im Behälter erreicht ist. Füllstandmessgeräte dieser Art werden darüber hinaus vor allem als Mittel zur Sicherung gegen Überfüllung oder zur Verhinderung des Leerlaufs einer Pumpe eingesetzt.
Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des schwingfähigen Elements auch von der Dichte des jeweiligen Produkts beeinflusst. Bei konstantem Überdeckungsgrad des mindestens einen schwingfähigen Elements besteht ein Zusammenhang mit der Dichte des Produktes, so dass sich Schwingungsdetektoren sowohl für die Erfassung eines vorgegebenen Grenzzustandes als auch für die Erfassung der Dichte hervorragend eignen.
In der Praxis werden zur Überwachung und Detektion des Füllstandes bzw. der Dichte des Produktes im Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und in elektrische Empfangssignale umgewandelt. Dazu wird typischerweise wenigstens ein piezoelektrisches Element verwendet. Die elektrischen Empfangssignale werden dann von einer Auswerteelektronik ausgewertet. Bei der Füllstandbestimmung überwacht die Auswerteelektronik die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit und signalisiert den Zustand "Sensor bedeckt" oder "Sensor unbedeckt", sobald die Messwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Dies kann dem Bedienpersonal entsprechend visuell und/oder akustisch gemeldet werden. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst und z.B. ein Zu- oder Abflussventil am Behälter geöffnet oder geschlossen.
Als elektromechanische Wandler der Antriebseinheit eines solchen Sensors kommen überwiegend piezokeramische Elemente zum Einsatz. Hierzu sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Weit verbreitet sind geschraubte Stapelantriebe, bei denen die Piezoaktoren durch eine geschraubte Befestigung fixiert werden. Ein weiteres Konzept besteht darin, den Piezoaktor durch eine Klebung zu fixieren. Dieses Konzept findet immer häufiger Verwendung, da so eine verbesserte Performance, geringere Herstellkosten und eine höhere Automatisierbarkeit zu erreichen sind.
Aufgrund guter Materialeigenschaften hinsichtlich Performance und Temperaturbeständigkeit, kommen speziell bei hohen Temperaturen zwischen 150°C und 300°C, Piezoelemente aus der Materialklasse der Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zum Einsatz.
An dieser Materialklasse wird es als nachteilig angesehen, dass Blei als Bestandteil des Piezomaterials zum Einsatz kommt. Neben Umwelt-, Gesundheits- und Arbeitssicherheitsaspekten spielt hier auch die Materialverfügbarkeit eine Rolle.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu Vibrationssensoren mit einem Antrieb auf PTZ-Basis zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe, den alternativen Antrieb so auszugestalten, dass dieser eine vergleichbare Performance zu den aus dem Stand der Technik bekannten Antrieben aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können sowohl in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Bei oben genannten geklebten Antrieben behindert das Trägergehäuse die Schwingung des Antriebs. Beim Stand der Technik werden für dieses Gehäuse vor allen Materialien eingesetzt, die eine hohe Kristal linität aufweisen. Der E-Modul des Trägergehäuses liegt in einem hohen Bereich, wodurch das Material die Schwingung hemmt. Das Trägergehäuse ist aus diesem Grund geschlitzt und kann nicht als Becher für den Verguss benutzt werden.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer in Schwingung versetzbaren Membran und einem mit der Membran derart in Wirkverbindung stehenden Piezo- element, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Schwingungen des Pie- zoelements auf die Membran und Schwingungen der Membran auf das Piezoele- ment übertragen werden, wobei das Piezoelement mit der Membran, oder mit einer mit der Membran verklebten Anpassungskeramik, verklebt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Piezoelement aus einer bleifreien Piezokeramik besteht.
Durch die Verwendung einer bleifreien Piezokeramik können die mit dem Element Blei als Bestandteil der Piezokeramik verbundenen Nachteile vermieden werden.
Das Piezoelement ist kreisscheibenförmig ausgebildet, d.h. es weist in Draufsicht eine kreisrunde Außenkontur auf.
Für eine erleichterte Montage sowie als Aufnahme für einen etwaig zu verwendenden Verguss kann das Piezoelement in einem ringförmigen Träger angeordnet sein. Ein solcher Träger erleichtert das Handling des Piezoelements sowie die Montage und Positionierung des Piezoelements relativ zu der Membran.
Der Träger ist vorzugsweise ungeschlitzt ausgebildet. Ungeschlitzt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der ringförmige Träger ohne Schlitze oder Einkerbungen ausgebildet ist. Im Stand der Technik werden solche Schlitze oder Einkerbungen benötigt, um eine Flexibl ität des Trägers zu erhöhen und damit eine Dämpfung auf die Membran zu reduzieren. Durch ein geeignetes Design des Trägers ist es möglich, auf Schlitze zur Erhöhung der Flexibilität des Trägers zu verzichten.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist in dem Träger ein Verguss angeordnet, der zumindest eine Oberfläche des Piezoelements vollständig bedeckt. Auf diese Weise ist es möglich, den Vibrationssensor auch in explosionsgeschützten Bereichen einzusetzen. Gleichzeitig ist der Piezoantrieb, insbesondere eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements durch den Verguss gegen Korrosion durch Feuchtigkeit geschützt.
Eine Oberfläche des Piezoelements meint dabei zumindest eine von der Membran abgewandte Seite des Piezoelements.
Eine Umfangsfläche des Piezoelements ist mit dem Träger in Kontakt. Da der Träger aus Kunststoff und elektrisch nichtleitend ist, ist das Piezoelement auch an seiner Umfangsfläche und damit in Radialrichtung elektrisch isoliert.
Der Verguss ist in einer bevorzugten Ausgestaltungsform als Silikonverguss ausgebildet. Durch einen Silikonverguss ist es möglich, den Verguss in dem Träger besonders dünn auszugestalten, sodass möglichst wenig zusätzliche Masse in das schwingende System eingebracht wird. Durch eine Reduktion der Masse wird die Dämpfung des Systems reduziert, sodass auch mit einem weniger performanten Piezoelement ein Betrieb des Vibrationssensors möglich ist.
In einer Ausgestaltungsform des Vibrationssensors besteht der Träger aus einem Material mit einem E-Modul von weniger als 4000 MPa, vorzugsweise weniger als 3500 MPa, besonders bevorzugt als 3200 MPa oder weniger. Durch eine Reduktion des Elastizitätsmoduls des Materials des Trägers wird sichergestellt, dass der Träger weniger steif ist und somit das schwingende System weniger bedämpft. Dadurch wird es möglich, auch mit einem Piezoelement, das eine geringere Ladungskonstante aufweist, genügend Energie in das schwingende System einzubringen.
Der Elastizitätsmodul wird nach ISO527 bei Normklima, d. h. bei einer Temperatur von 23 +/- 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 +/- 10 % bestimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Träger derart ausgebildet, dass er eine radiale Steifigkeit von weniger als 3000 N/mm, bevorzugt 2500 N/mm oder weniger aufweist. Eine Reduktion der radialen Steifigkeit kann insbesondere durch eine geeignete Materialwahl mit einem reduzierten Elastizitätsmodul und eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Trägers erreicht werden. Um eine Einsatzfähigkeit des Vibrationssensors bei den gewünschten Temperaturen von -50°C bis zu +150°C zu gewährleisten ist es ferner notwendig, dass der gewählte Kunststoff eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Insbesondere ist es notwendig, dass der Träger weder bei niedrigen Temperaturen ver- sprödet noch bei hohen Temperaturen schmilzt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Träger aus Polyetheri- mid oder Polyetheretherketon. Die beiden vorgenannten Materialien erfüllen in besonders guter Weise die Anforderungen an einen Kunststoff, wie er für den Träger benötigt wird. Insbesondere sind sie in dem o.g. Temperaturbereich einsetzbar, weisen ausreichende mechanische Stabilität auf, um den Träger mit möglichst wenig eingesetztem Material herstellen zu können und sind gleichzeitig so elastisch, dass das schwingende System des Vibrationssensors nicht zu stark bedämpft wird.
Um eine radiale Steifigkeit des ringförmigen Trägers zu reduzieren, ist es sinnvoll, wenn dieser in Radialrichtung eine Wandstärke von weniger als 1 mm, vorzugweise weniger als 0,8 mm, weiter bevorzugt 0,4 mm oder weniger aufweist. Durch eine Reduktion der Wandstärke des Trägers wird erreicht, dass dieser insgesamt flexibler ist und damit weniger dämpfenden Einfluss auf das schwingende System des Vibrationssensors hat.
Vorzugweise weist der ringförmige Träger eine Erstreckung in Axialrichtung von weniger als 5 mm, vorzugsweise 4 mm oder weniger auf. Auch durch eine Reduktion der Erstreckung in Axialrichtung wird eine Verringerung der Masse und der Steifigkeit des Trägers erreicht, wodurch ein Einfluss auf das schwingende System des Vibrationssensors ebenfalls reduziert wird.
In einer Ausgestaltungsform des Vibrationssensors weist der Träger radial außenseitig wenigstens drei, vorzugsweise vier oder fünf Anformungen auf, die als Abstandhalter ausgebildet sind und den Träger relativ zu der Membran ausrichten. Die Membran weist häufig einen sich in Axialrichtung erstreckenden, umlaufenden Rand auf, der als Halterung für die Membran und als Ansatz für einen Prozessanschluss und/oder ein Gehäuse, das den Antrieb und eine Elektronik des Vibrationssensors umschließt, dient. Dieser Rand kann in Zusammenwirkung mit den Anformungen an dem Träger genutzt werden, um bei einer Montage des Vibrationssensors, insbesondere bei einer manuellen Montage, den Träger relativ zu der Membran auszurichten und damit zu zentrieren. Durch eine Ausrichtung des Trägers wird gleichzeitig das in dem Träger gehalterte Piezoelement relativ zur Membran ausgerichtet und vorzugsweise konzentrisch zu dieser ausgerichtet.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der Antrieb des Vibrationssensors aus Piezoelementen aus Bismut-Natrium-Titanat oder Kalium-Natrium-Niobat gebildet.
Die Piezoelemente können als Mulitlayer Piezoelemente mit mehreren Piezoschich- ten ausgebildet sein. Bei solchen Mulitlayer Piezoelementen ist eine Piezoeinheit aus mehreren Piezoschichten gebildet, die zusammen mit zwischen den Pie- zoschichten angeordneten Elektrodenschichten zu einer Piezoeinheit verbunden sind. Die Piezoschichten und die Elektrodenschichten können bspw. durch einen Sinterprozess dauerhaft miteinander verbunden sein. Dadurch, dass mehrere Schichten miteinander verbunden werden, ist es möglich, dass die einzelnen Piezoschichten dünner ausgeführt werden können, als dies bei reinen Piezoelementen der Fall wäre. Das reine Piezomaterial hat den Nachteil, dass es bei geringer Schichtdicke sehr leicht bricht. Durch die herstellerseitige Verbindung mehrerer Piezoschichten kann dieser Nachteil vermieden werden. Durch die geringere Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten können bei gleicher anliegender Spannung höhere Feldstärken und damit eine bessere Umsetzung elektrischer in mechanische Energie erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Figur 2 eine perspektivische Darstellung des Trägers aus Figur 1.
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion. Figur 1 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung eines Vibrationssensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung in einem Längsschnitt in Axialrichtung A.
Der Vibrationssensor 1 weist eine schwingfähig ausgebildete Membran 3 auf, an der einerseits eine mechanische Schwingungseinheit 31, die vorliegend in Form einer Stimmgabel ausgebildet ist, und andererseits ein Antrieb zum Versetzen der Membran 3 in Schwingung angeordnet ist. Der Antrieb ist vorliegend als Piezoele- ment 5 ausgebildet, dass unter Zwischenschaltung einer Anpassungskeramik 7 zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Membran 3 und Piezoelement 5, mit der Membran 3 verklebt ist.
Das Piezoelement 5 ist in einem ringförmig ausgebildeten Träger 9 angeordnet, der eine Handhabung des Piezoelements 5 und eine Positionierung relativ zur Membran 3 erleichtert. Der Träger 9 weist zur Positionierung relativ zur Membran 3 außenseitig an dem Träger 9 angeordnete Anformungen 91 auf, die den Träger 9 zu einem Rand 31 der Membran 3 der sich in Axialrichtung rückseitig erstreckt, beabstandet halten und den Träger 9 mit dem Piezoelement 5 damit der relativ zur Membran 3 ausrichten und zentriert positionieren. Durch die Anformungen 91 die als Abstandshalter zu dem Rand 31 wirken wird es ermöglicht, den Träger 9 mit einer geringeren Wandstärke auszubilden und somit eine Masse des Trägers 9 zu reduzieren.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Träger 9 stirnseitig innenliegend eine Stufe auf, in der die Anpassungskeramik 7 sitzt. Es ist somit möglich, den Träger 9 bereits mit der Anpassungskeramik 7 und dem Piezoelement 5 zu bestücken und diese dann als gemeinsame Baueinheit mit der Membran 3 und der daran angeordneten mechanischen Schwingungseinheit 33 zu verbinden. Das Piezoelement 5 ist über vorliegend nicht dargestellte Kontakte elektrische kontaktiert, sodass durch Anlegen einer Spannung eine mechanische Verformung des Piezoelements hervorgerufen werden kann, die die Membran 3 zu Schwingungen anregt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Piezoelement 5 rückseitig, d. h. an einer von dem vorderseitig des Piezoelements 5 angeordneten Ausgleichskeramik 7 wegweisenden Oberfläche mit einem Verguss 11 bedeckt. Der Verguss 11 ist innerhalb des Trägers 9 angeordnet, sodass der Träger 9 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Halterung für das Piezoelement 5 und als Begrenzung für den Verguss 11 dient. Der Verguss 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Silikonverguss ausgebildet und weist eine Dicke, d. h. eine Erstreckung in Axialrichtung A von 3,3 mm auf. Durch eine Ausgestaltung des Vergusses 11 als Silikonverguss und eine Reduktion der Dicke auf 3,3 mm wird eine Masse des verwendeten Vergusses 11 im Vergleich zum Stand der Technik um einen Faktor 9 reduziert, sodass der Verguss 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine deutlich reduzierte Dämpfungswirkung auf die schwingfähige Einheit des Vibrationssensors 1 aufweist.
Der Träger 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Polyimid gebildet und weist eine Wandstärke b? von 0,4 mm und und eine Erstreckung FIT in Axialrichtung A von 4 mm auf. Durch die Auswahl von Polyimid als Material des Trägers 9 und die vorgeschriebene mechanische Ausgestaltung wird eine radiale Steifigkeit von 2500 N/mm erreicht, sodass durch die Reduktion der Masse des Trägers 9 einerseits und die reduzierte radiale Steifigkeit des Trägers 9 andererseits ein negativer dämpfender Einfluss des Trägers 9 auf das schwingende System des Vibrationssensors 1 minimiert wird.
Durch die vorgenannten Maßnahmen wird es möglich, dass der Vibrationssensor 1 mit einem Piezoelement 5 aus Bismut-Natrium-Titanat oder Kalium-Natrium-Ni- obat betrieben werden kann.
Figur 2 zeigt den Träger 9 wie in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 1 zum Einsatz kommt in Alleinstellung in einer perspektivischen Darstellung.
Aus der in Figur 2 gezeigten Darstellung ist die Erstreckung FIT des Trägers 9 in Axialrichtung und die Wandstärke b? in Radialrichtung R deutlich zu erkennen. Ferner sind in der in Figur 2 gezeigten Darstellung die über einen Umfang des ringförmig ausgebildeten Trägers 9 gleichmäßig verteilt angeordneten Anformungen 91, die als Abstandshalter dienen, zu erkennen. Bezugszeichenliste
1 Vibrationssensor
3 Membran
5 Piezoelement
7 Anpassungskeramik
9 Träger
11 Verguss
31 Rand
33 mech. Schwingungseinheit
91 Anformung
R Radialrichtung
A Axialrichtung bT Wandstärke hT Erstreckung

Claims

Patentansprüche
1. Vibrationssensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (3) und einem mit der Membran (3) derart in Wirkverbindung stehenden Pie- zoelement (5), das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Schwingungen des Piezoelements (5) auf die Membran (3) und Schwingungen der Membran (3) auf das Piezoelement (5) übertragen werden, wobei das Pie- zoelement (5) mit der Membran (3), oder mit einer mit der Membran (3) verklebten Anpassungskeramik (7), verklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) aus einer bleifreien Piezokeramik besteht.
2. Vibrationssensor (1) gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) in einem ringförmigen Träger (9) angeordnet ist.
3. Vibrationssensor (1) gemäß Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) ungeschlitzt ausgebildet ist.
4. Vibrationssensor (1) gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Träger (9) ein Verguss (11) angeordnet ist, der zumindest eine Oberfläche des Piezoelements (5) vollständig bedeckt.
5. Vibrationssensor (1) gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss (11) als Silikonverguss ausgebildet ist.
6. Vibrationssensor (1) gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) aus einem Material mit einen E-Modul von weniger als 4000 MPa, vorzugsweise weniger als 3500 MPa, besonders bevorzugt 3200 MPa oder weniger besteht.
7. Vibrationssensor (1) gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) derart ausgebildet ist, dass er eine radiale Steifigkeit von weniger als 3000 N/mm, bevorzugt 2500 N/mm oder weniger aufweist.
8. Vibrationssensor (1) gemäß einem der Patentansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) aus Polyetherimid oder Polyetheretherketon besteht.
9. Vibrationssensor (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Träger (9) in Radialrichtung R eine Wandstärke von weniger als 1 mm, vorzugweise weniger als 0,8 mm, weiter bevorzugt 0,4 mm oder weniger aufweist.
10. Vibrationssensor (1) gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Träger eine Erstreckung FIT in Axialrichgtung A von weniger als 5 mm, vorzugsweise 4 mm oder weniger aufweist.
11. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (9) radial außenseitig wenigstens drei, vorzugsweise 4 oder 5 Anformungen (91) aufweist, die als Abstandhalter ausgebildet sind und den Träger (9) relativ zu der Membran (3) ausrichten.
12. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) aus Bismut-Natrium-Titanat oder Kalium-Natrium- Niobat besteht.
PCT/EP2024/065355 2023-06-29 2024-06-04 Vibrationssensor Ceased WO2025002736A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023117143.7A DE102023117143A1 (de) 2023-06-29 2023-06-29 Vibrationssensor
DE102023117143.7 2023-06-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025002736A1 true WO2025002736A1 (de) 2025-01-02

Family

ID=91431411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2024/065355 Ceased WO2025002736A1 (de) 2023-06-29 2024-06-04 Vibrationssensor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102023117143A1 (de)
WO (1) WO2025002736A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10163165A1 (de) * 2001-12-20 2003-07-03 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Feldgerät und Verfahren zum Betrieb des Feldgerätes
DE102005030891A1 (de) * 2004-07-01 2006-01-26 Seiko Epson Corp. Flüssigkeitssensor und diesen Beinhaltender Flüssigkeitsbehälter
DE102007046450A1 (de) * 2007-09-28 2009-04-02 Siemens Ag Bleifreier piezokeramischer Werkstoff des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Eisen-Lanthan-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102012205168B4 (de) * 2012-03-29 2013-10-31 Vega Grieshaber Kg Schwingvorrichtung für eine Füllstandsmesseinheit sowie Verfahren zur Montage der Schwingvorrichtung
EP3030536B1 (de) * 2013-08-07 2018-05-23 PI Ceramic GmbH Bleifreier piezokeramischer werkstoff auf bismut-natrium-titanat (bnt)-basis
DE102020131563A1 (de) * 2020-11-27 2022-06-02 Endress+Hauser Flowtec Ag Messaufnehmer eines Messgerätes und Messgerät

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19523461C1 (de) * 1995-06-28 1996-07-11 Endress Hauser Gmbh Co Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter
DE59814061D1 (de) * 1998-09-09 2007-08-30 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter
ATE540433T1 (de) * 2000-04-27 2012-01-15 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Piezokeramischer mehrschichtbauteil für messgeräte sowie dessen herstellungsverfahren
DE102008050266A1 (de) * 2008-10-07 2010-04-08 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums
JP5006354B2 (ja) * 2009-01-29 2012-08-22 日本碍子株式会社 圧電／電歪共振子
DE102014113470A1 (de) * 2014-09-18 2016-03-24 Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh Elektrogerät mit einem mit Isolieröl gefüllten Gehäuse sowie Messgerät und Verfahren zum Überwachen eines solchen Elektrogeräts

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10163165A1 (de) * 2001-12-20 2003-07-03 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Feldgerät und Verfahren zum Betrieb des Feldgerätes
DE102005030891A1 (de) * 2004-07-01 2006-01-26 Seiko Epson Corp. Flüssigkeitssensor und diesen Beinhaltender Flüssigkeitsbehälter
DE102007046450A1 (de) * 2007-09-28 2009-04-02 Siemens Ag Bleifreier piezokeramischer Werkstoff des Kalium-Natrium-Niobat-Systems mit Eisen-Lanthan-Dotierung, Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit dem piezokeramischen Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102012205168B4 (de) * 2012-03-29 2013-10-31 Vega Grieshaber Kg Schwingvorrichtung für eine Füllstandsmesseinheit sowie Verfahren zur Montage der Schwingvorrichtung
EP3030536B1 (de) * 2013-08-07 2018-05-23 PI Ceramic GmbH Bleifreier piezokeramischer werkstoff auf bismut-natrium-titanat (bnt)-basis
DE102020131563A1 (de) * 2020-11-27 2022-06-02 Endress+Hauser Flowtec Ag Messaufnehmer eines Messgerätes und Messgerät

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023117143A1 (de) 2025-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2801799B1 (de) Vibrations-Grenzstandschalter
WO2011032793A1 (de) Füllstandsmessgerät
KR101603447B1 (ko) 무연 압전자기 조성물, 그 제조방법, 그 조성물을 이용한 압전소자, 초음파 가공기, 초음파 구동 디바이스 및 센싱 디바이스
WO2010072506A1 (de) Ultraschallwandler zum einsatz in einem fluiden medium
EP0985916A1 (de) Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter
EP1067685A2 (de) Volumenwellen-Filter
DE2906407C2 (de) Piezoelektrisches Wandlerelement zum Einbau in Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsaufnehmer
EP2257718A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur anregung und/oder dämpfung und/oder erfassung struktureller schwingungen einer plattenförmigen einrichtung mittels einer piezoelektrischen streifeneinrichtung
DE102008043764A1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße
EP3537117A1 (de) Piezoelektrische sende- und/oder empfangseinrichtung für einen vibrationssensor, vibrationssensor mit einer solchen piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung sowie verfahren zur herstellung einer piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung für einen vibrationssensor
WO2007144063A2 (de) Ultraschallsensor mit membran
DE112009001424T5 (de) Asymmetrischer Komposit-Schallwellensensor
EP1721132B1 (de) Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse
EP1909078A1 (de) Piezoelektrisch erregbare Schwingvorrichtung
EP3010653B1 (de) Elektroakustischer wandler
DE102007037088A1 (de) Ultraschallwandler mit Anpasskörper und Zwischenschicht
EP1315144B1 (de) Ultraschallwandler und Durchflussmesser
DE202007007135U1 (de) Piezoelektrischer Ultraschallwandler
EP2850398B1 (de) Verfahren zur herstellung eines ultraschall-wandlerkerns mit eingebettetem piezoelektrischem wandlerelement
DE102023117143A1 (de) Vibrationssensor
EP3542405B1 (de) Piezoelektrische sende- und/oder empfangseinrichtung, vibrationssensor mit einer solchen piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung sowie verfahren zur herstellung einer piezoelektrischen sende- und/oder empfangseinrichtung
EP1996905B1 (de) VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE
EP0875739B1 (de) Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstands in einem Behälter
WO2003023873A2 (de) Flacher aktor oder sensor mit interner vorspannung
DE102019132021A1 (de) Vibrationssensor mit integrierter Temperaturerfassung mit einer in Schwingung versetzbaren Membran

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24731313

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE