WO2026017366A1

WO2026017366A1 - Vibrationssensor

Info

Publication number: WO2026017366A1
Application number: PCT/EP2025/067702
Authority: WO
Inventors: Tobias Brengartner; Sergey Lopatin; Laura MIGNANELLI; Jan SCHLEIFERBÖCK; Peter Wimberger; Thomas Gremmelspacher
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2024-07-15
Filing date: 2025-06-24
Publication date: 2026-01-22
Anticipated expiration: 2027-01-15
Also published as: DE102024120080A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationssensor. Eine Ansteuervorrichtung (3) beaufschlagt eine Wandlervorrichtung (2) mit Anregungssignalen, womit die Wandlervorrichtung (2) eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt. Die Wandlervorrichtung (2) weist einen piezoelektrischen Hohlzylinder (20) mit Innenfläche (21), Außenfläche (22) und fünf Elektroden (23, 24) auf. Vier Elektroden (23) weisen einen gleichen Flächeninhalt auf und sind auf der Innenfläche (21) oder der Außenfläche (22) angeordnet. Die fünfte Elektrode (24) ist auf der Außenfläche (22) bzw. der Innenfläche (21) angeordnet.

Description

Vibrationssensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationssensor. Der Vibrationssensor dient z. B. der Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße wie Füllstand, Viskosität oder Dichte eines Mediums. Das Medium ist z. B. eine Flüssigkeit.

Im Bereich der Prozessautomatisierung ist es bekannt, Prozessgrößen mit Vibrationssensoren zu überwachen oder zu bestimmen. Die Vibrationssensoren verfügen dafür über eine mechanisch schwingfähige Einheit, bei der es sich z. B. um eine sog. Schwinggabel, einen sog. Einstab oder um eine Membrane handelt. Die Amplitude und/oder die Frequenz der mechanischen Schwingungen wird von der Wechselwirkung mit dem umgebenden Medium beeinflusst, sodass ausgehend von den vorgenannten charakteristischen Größen der Schwingungen auf die Prozessgrößen rückgeschlossen werden kann.

Zur Anregung der schwingfähigen Einheit sowie zur Umwandlung der mechanischen Schwingungen in elektrische Signale, die der Weiterverarbeitung und Auswertung zur Verfügung stehen, sind unterschiedliche Sende-/Empfangseinheiten (alternative Bezeichnung: Wandlervorrichtungen) bekannt. Häufig werden Komponenten aus piezoelektrischen Keramiken verwendet. Werden solche Keramiken mit elektrischen Signalen beaufschlagt, so verformen sie sich und können daher die schwingfähige Einheit über eine mechanische Kopplung in Schwingung versetzen. Wirkt umgekehrt die schwingfähige Einheit mit der mechanischen Belastung auf die Keramik ein, so wird ein elektrisches Signal erzeugt. Die Wandlervorrichtung wandelt somit zwischen elektrischen Signalen und mechanischen Schwingungen und zwischen mechanischen Schwingungen und elektrischen Signalen.

Für den möglichst längerfristigen und stets zuverlässigen Einsatz von Vibrationssensoren ist daher auch Wert auf die Ausgestaltung der Wandlervorrichtung bzw. der ggf. verwendeten piezoelektrischen Komponenten zu legen.

Daher besteht die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, darin, einen Vibrationssensor vorzuschlagen, der sich durch Langlebigkeit bei hoher Zuverlässigkeit auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Vibrationssensor, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, einer Wandlervorrichtung und einer Ansteuervorrichtung, wobei die Ansteuervorrichtung die Wandlervorrichtung mit Anregungssignalen beaufschlagt, wobei die Wandlervorrichtung die mechanisch schwingfähige Einheit ausgehend von den Anregungssignalen zu mechanischen Schwingungen anregt, wobei die Wandlervorrichtung mindestens einen piezoelektrischen Hohlzylinder - vorzugsweise mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundfläche - aufweist, wobei der Hohlzylinder eine Innenfläche, eine Außenfläche und mindestens fünf Elektroden für eine Beaufschlagung des Hohlzylinder mit den Anregungssignalen aufweist, wobei vier Elektroden der mindestens fünf Elektroden im Wesentlichen einen gleichen Flächeninhalt aufweisen und auf der Innenfläche oder der Außenfläche des Hohlzylinders angeordnet sind, und wobei die fünfte Elektrode der fünf Elektroden auf der Außenfläche bzw. der Innenfläche angeordnet ist.

Die Wandlervorrichtung des erfindungsgemäßen Vibrationssensors verfügt über zumindest eine piezoelektrische Komponente, die als Hohlzylinder ausgeführt ist. Damit geht eine Innenfläche und eine Außenfläche einher. In einer Ausgestaltung hat der Hohlzylinder eine kreisförmige Grundfläche, wobei die Wandstärke vorzugsweise überall gleich ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Hohlzylinder radial polarisiert.

Für die Beaufschlagung des Hohlzylinders mit elektrischen Signalen und vorzugsweise auch für den Abgriff der Signale sind Elektroden auf der Innenfläche und Außenfläche aufgebracht. Die Elektroden werden dabei beispielsweise aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Kupfer, Nickel einer passenden Legierung direkt auf der Piezokeramik aufgebracht. Für die weitere Signalleitung sind die Elektroden mit elektrischen Leitern oder z. B. Lötfahnen oder Schweißfahnen kontaktiert.

Insgesamt sind fünf Elektroden auf dem Hohlzylinder aufgebracht. Vier Elektroden haben jeweils den gleichen Flächeninhalt. Sie sind also gleich groß und befinden sich alle jeweils auf der Innenfläche oder auf der Außenfläche. Die verbleibende fünfte Elektrode befindet sich auf der anderen Fläche des Hohlzylinders: also auf der Außenfläche, wenn die vier Elektroden auf der Innenfläche sind, und auf der Innenfläche, wenn die vier Elektroden auf der Außenfläche sind.

Werden die vier Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt, so zieht sich im Fall der radialen Polarisation der Hohlzylinder teilweise zusammen bzw. dehnt sich aus. Diese Änderung der Dicke geht mit einer Höhenänderung einher. Ändert sich jedoch die Höhe, so ergibt sich an den Stirnseiten des Hohlzylinders eine geneigte Fläche, was dann zu einem Kippen einer mit dem Hohlzylinder gekoppelten Komponente (also insbesondere der schwingfähigen Einheit) führt.

Durch die massige Ausgestaltung als Hohlzylinder ergibt sich eine längere Lebensdauer und auch ein größerer intrinsischer Schutz gegenüber Temperaturstößen oder auch mechanischen Einwirkungen, wie sie bei der Anwendung in einem Industrieumfeld möglich sind. Die Zylinderform geht vor allem mit einer erhöhten Druck- und Verformungsstabilität einher. Die fünfte Elektrode kann dabei je nach Ausgestaltung ebenfalls mit einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, als gemeinsame Masse dienen oder auch unkontaktiert bleiben. So kann die fünfte Elektrode in einer Ausgestaltung nicht kontaktiert sein.

Das Anregungssignal ist vorzugsweise ein Wechselspannungssignal.

Die mechanisch schwingfähige Einheit wird vorzugsweise in der Grundmode zu Schwingungen angeregt.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die vier Elektroden im Wesentlichen als entlang einer Längsachse des Hohlzylinders verlaufende Streifen ausgeführt sind. Die vier Elektroden haben in dieser Ausgestaltung eine längliche Form, sodass die elektrischen Signale vorzugsweise entlang der gesamten Höhe des Hohlzylinders wirken können.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass sich zwischen jeweils zwei der vier Elektroden eine im Wesentlichen entlang der Längsachse verlaufende Aussparung zur elektrischen Trennung der Elektroden voneinander befindet. In dieser Ausgestaltung wird durch eine Aussparung oder Lücke zwischen den Elektroden die elektrische Trennung voneinander bewirkt. Dies kann z. B. während des Aufbringens des Elektrodenmaterials erzeugt werden. Alternativ wird die betroffene Fläche des Hohlzylinders vollmetallisiert, um anschließend die Elektroden mit einem Schutzlack zu versehen und die Aussparungen durch Ätzen zu erzeugen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Flächeninhalt der fünften Elektrode so groß ist, dass die fünfte Elektrode jeder der vier Elektroden zumindest teilweise gegenüberliegt. Gemäß dem prinzipiellen Aufbau liegt die fünfte Elektrode auf einer Fläche des Hohlzylinders den vier Elektroden auf der anderen Fläche gegenüber. In dieser Ausgestaltung wird dafür Sorge getragen, dass es auch zu einer entsprechenden Überdeckung bzgl. der Projektionen der Elektroden auf die gegenüberliegende Fläche kommt. Die Abmessungen hängen dabei auch davon ab, ob sich die fünfte Elektrode auf der Innenfläche oder der Außenfläche befindet.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die fünfte Elektrode die Außenfläche bzw. die Innenfläche im Wesentlichen vollständig bedeckt. In dieser Ausgestaltung stellt die fünfte Elektrode eine vollständige Bedeckung einer der beiden Flächen des Hohlzylinders da.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Hohlzylinder in radialer Richtung polarisiert ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Ansteuervorrichtung die Wandlervorrichtung in Abhängigkeit davon mit den Anregungssignalen beaufschlagt, welche Prozessgröße eines Mediums von dem Vibrationssensor zu bestimmen und/oder zu überwachen ist. In dieser Ausgestaltung wird passend zu der jeweiligen Prozessgröße und vorzugsweise auch passend zum jeweiligen Medium die Beaufschlagung der Wandlervorrichtung geändert. So wird z. B. für die Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität ein anderes Anregungssignal als für den Fall der Dichte als Prozessgröße verwendet. Die vier Elektroden mit der jeweils unterschiedlichen Ansteuermöglichkeit sorgen also für eine große Bandbreite für die Anpassung bzw. Optimierung hin auf die Prozessgröße oder das Medium.

In einer Ausgestaltung ist z. B. für die Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität als Prozessgröße des Mediums ein Temperatursensor vorhanden, um die Temperatur des Mediums zu erfassen bzw. zu überwachen.

In einer Ausgestaltung werden bei niederviskosen Medien Schwingungen in der Grundmode der mechanisch schwingfähigen Einheit mit einer möglichst großen Wirkfläche zwischen schwingfähiger Einheit und Medium ausgeführt. Ab einer gewissen vorgegebenen Viskosität findet ein Wechsel auf Schwingungen mit einer möglichst kleinen Wirkfläche statt, sodass die Dämpfung durch das Medium möglichst reduziert wird.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens ein Schwingelement aufweist, und dass das Schwingelement so ausgestaltet ist, dass es in zwei orthogonalen Richtungen unterschiedlich große Ausdehnungen aufweist. Das Schwingelement hat z. B. eine Paddelform, welche insbesondere auch dadurch gegeben sein kann, dass das Paddel auf einem Stab oder einem Rohr fixiert ist. Das Schwingelement zeichnet sich in dieser Ausgestaltung dadurch aus, dass es mindestens zwei unterschiedlich große Seiten hat.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass in dem Fall, dass es sich bei der Prozessgröße um eine Viskosität eines Mediums handelt, die Ansteuervorrichtung die Wandlervorrichtung derartig mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass das Schwingelement Schwingungen in der Richtung ausführt, in der das Schwingelement eine kleinere Ausdehnung aufweist. In dieser Ausgestaltung werden solche Schwingungen erzeugt, die bedingt auch durch die Form des Schwingelements mit einer möglichst reduzierten Wechselwirkung mit dem Medium einhergeht. Damit wird z. B. vermieden, dass sich das Medium zu stark dämpfend auf die Schwingungen auswirkt. Schwingt das Schwingelement in Richtung seiner kleineren Erstreckung, so schwingt es damit auch senkrecht zur Richtung der größeren Erstreckung.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Fall, dass es sich bei der Prozessgröße um eine Dichte oder einen Füllstand eines Mediums handelt, die Ansteuervorrichtung die Wandlervorrichtung derartig mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass das Schwingelement Schwingungen in der Richtung ausführt, in der das Schwingelement eine größere Ausdehnung aufweist. In dieser Ausgestaltung bewegt sich das Schwingelement in Richtung der größeren Ausdehnung und damit senkrecht zur Richtung der kleineren Ausdehnung. Daher wird durch das Schwingelement weniger Medium bewegt, sodass sich das Medium weniger dämpfend auf die Schwingungen auswirken kann. Dies ist z. B. für Messungen in hochviskosen Medien relevant.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens zwei - vorzugsweise an einem als Membrane oder massive Komponente ausgeführten Trägerelement befestigte - Schwingelemente aufweist, und dass die zwei Schwingelemente so ausgestaltet sind, dass sie jeweils in zwei orthogonalen Richtungen unterschiedlich große Ausdehnungen aufweisen. In dieser Ausgestaltung handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel, die z. B. zwei paddelförmige - also insbesondere auch in einem Paddel mündende - Schwingelemente aufweist. Die Schwinggabel können in dieser Ausgestaltung somit insbesondere auch als Gabelzinken bezeichnet werden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Vibrationssensor zwei piezoelektrische Hohlzylinder aufweist, und dass jedem Schwingelement ein Hohlzylinder zugeordnet ist. In dieser Ausgestaltung verfügt die Wandlervorrichtung über zwei Hohlzylinder, von denen jeweils ein Hohlzylinder ein Schwingelement zu Schwingungen anregt bzw. dessen Schwingungen empfängt.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Ansteuervorrichtung die Wandlervorrichtung so mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass die Schwingelemente Schwingungen in entgegengesetzter Richtung ausführen. Die beiden Schwingelemente schwingen in dieser Ausgestaltung gegenphasig. Dadurch wird bewirkt, dass möglichst keine Kraft und keine Momente der Schwingungen auf das Trägerelement übertragen werden, an dem die beiden Schwingelemente angebracht sind.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Wandlervorrichtung mechanische Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Ansteuervorrichtung und die vier Elektroden so miteinander verbunden sind und/oder die Ansteuervorrichtung die vier Elektroden so mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass immer zwei der vier Elektroden paarweise auf einem gleichen elektrischen Potential liegen. In dieser Ausgestaltung werden die vier Elektroden zu jeweils zwei Paaren in Bezug auf die Anregung gebündelt und werden jeweils mit dem gleichen elektrischen Potential beaufschlagt, sodass sich also die unter den Elektroden befindlichen Abschnitte des Hohlzylinders auch in die gleiche Richtung ausdehnen bzw. zusammenziehen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Abbildungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des Vibrationssensors,

Fig. 2: eine räumliche Darstellung einer ersten Ausgestaltung des Hohlzylinders,

Fig. 3: eine Draufsicht auf den Hohlzylinder der Fig. 2,

Fig. 4: eine Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung des Hohlzylinders,

Fig.5: die Draufsicht der Fig. 3 mit Verdeutlichung der Polarisation,

Fig. 6: einen Schnitt durch den Hohlzylinders der Fig. 2,

Fig. 7: eine Draufsicht auf den Vibrationssensor der Fig. 1 ,

Fig. 8: einen Schnitt durch eine Variante des Vibrationssensors,

Fig. 9: einen Schnitt durch eine zweite Variante des Vibrationssensors,

Fig. 10: einen Schnitt durch eine dritte Variante des Vibrationssensors und

Fig. 11 : zwei unterschiedliche Geometrien der Schwingelemente.

Die Fig 1 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines Vibrationssensors.

Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist in dem dargestellten Beispiel eine sog. Schwinggabel mit zwei Schwingelementen 10, die jeweils paddelförmig ausgeführt sind. Durch die Paddelform ergibt sich, dass die Schwingelemente 10 in zwei Richtungen deutlich unterschiedliche Erstreckungen haben: So gibt es einmal die große eigentliche Paddelfläche und senkrecht dazu den schmalen Rand. Damit geht auch jeweils ein deutlich unterschiedliche Wechselwirkungsfläche mit dem - hier nicht dargestellten - umgebenden Medium einher.

Schwingen also die Schwingelemente 10 in Richtung senkrecht auf ihren Paddelflächen, so wird viel Medium bewegt. Findet die Schwingung senkrecht dazu statt, so wird nur von der Paddelkante das Medium bewegt. Die Schwingungsrichtungen sind durch die zwei Paare von Pfeilen oberhalb der Schwingelemente 10 angedeutet.

Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 wird durch die Wandlervorrichtung 2, die hier in dem Gehäuse 12 steckt, zu Schwingungen angeregt. Die Wandlervorrichtung 2 soll auch zur Umwandlung der mechanischen Schwingungen in elektrische Signale dienen. Die Wandlervorrichtung 2 wird von der Ansteuervorrichtung 3 mit Anregungssignalen beaufschlagt. Damit lässt sich einstellen, welche Art von Schwingungen ausgeführt werden. Dies bezieht sich somit insbesondere auf die Richtung der Schwingungen, welche u. A. in Abhängigkeit davon gewählt wird, welche Prozessgröße zu messen bzw. zu überwachen ist und um was für ein Medium es sich handelt. Bei der Messung der Viskosität und/oder der Dichte werden z. B. die Schwingungen mit möglichst viel Wechselwirkungsfläche verwendet. Handelt es sich jedoch z. B. um ein hochviskoses Medium und soll der Füllstand, die Dichte oder die Viskosität ermittelt werden, so werden die Schwingungen entlang der Achse mit der geringeren Fläche der Paddel verwendet.

Die Schwingelemente 10 befinden sich hier auf einer Membrane als einem Beispiel für ein T rägerelement 11 . Dabei soll sich jeweils ein Schwingelement 10 oberhalb von einem Hohlzylinder 20 der Wandlervorrichtung 2 (siehe die folgenden Ausführungen) befinden.

Die räumliche Darstellung der Fig. 2 und die Draufsicht der Fig. 3, die hier beide zusammen beschrieben werden, zeigen einen Hohlzylinder 20 aus einem piezoelektrischen Material, der als Teil der Ansteuervorrichtung 3 dient.

Der Hohlzylinder 20 ist kreiszylindrisch und homogen radial polarisiert. Auf der Außenfläche

22 befinden sich vier Elektroden 23, die z. B. aus Silber bestehen und der Beaufschlagung mit den elektrischen Signalen dienen. Ausgehend von den elektrischen Anregungssignalen kontrahieren bzw. expandieren die jeweiligen Bereiche unterhalb der Elektroden 23.

Die vier Elektroden 23 haben jeweils die gleiche Fläche und sind im Wesentlichen Streifen entlang der Längsachse 25 des Hohlzylinders 20. Für die elektrische Isolierung der Elektroden

23 voneinander befinden sich Aussparungen 26 oder Lücken zwischen den Elektroden 23.

Auf der Innenfläche 21 befindet sich eine einzige Elektrode 24, die auch als fünfte Elektrode bezeichnet werden kann, und überdeckt umlaufend die Innenfläche 21 des Hohlzylinders 20.

Werden die Elektroden 23, 24 mit den Anregungssignalen beaufschlagt, so ändert sich durch die Änderung der Dicke des Zylinders auch dessen Höhe. Damit geht wiederum einher, dass ein Schwingelement 10, welches sich oberhalb des Hohlzylinders 20 befindet, kippt.

Betrachtet sei das Beispiel der Fig. 3: Werden die beiden rechten Elektroden 23 mit einem positiven Potential beaufschlagt, während die beiden linken Elektroden 23 mit einem negativen Potential beaufschlagt werden, so kippt das Schwingelement 10 (vgl. Fig. 1) in Richtung der Paddelfläche, also mit der maximalen Erstreckung. Werden jedoch die oberen zwei Elektroden 23 mit dem negativen und die beiden unteren Elektroden 23 mit dem positiven Potential beaufschlagt, so erfolgt die Bewegung entlang der Achse mit dem schmalen Rand.

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung des Hohlzylinders 20, bei dem sich die vier gleich großen Elektroden 23 auf der Innenfläche 21 und die fünfte Elektrode 24 auf der Außenfläche 22 befinden. Dies wird z. B. erreicht, indem die Außenfläche 22 vollständig metallisiert wird. Diese Variante hat den Vorteil, dass die notwendigen elektrischen Leitungen und Kontaktierungen innerhalb des Hohlzylinders 20 liegen und damit durch ihn geschützt sind.

Die Draufsicht der Fig. 5 und der mittig geschnittene räumlich dargestellte Hohlzylinder 20 der Fig. 6 verdeutlichen noch einmal den Zusammenhang zwischen der Polarisation und der Beaufschlagung der Elektroden 23, 24 mit dem elektrischen Anregungssignal.

Die Polarisation verläuft - wie durch die Pfeile angedeutet - in radialer Richtung und im dem gezeigten Beispiel insbesondere von innen nach außen.

Die beiden Elektroden 23 der Darstellung der Fig. 6 werden mit unterschiedlichen Spannungspotentialen beaufschlagt. Dies führt dazu, dass der eine - hier linke - Quadrant des Hohlzylinders sich ausdehnt, während der andere - hier rechte - Abschnitt sich zusammenzieht (jeweils angedeutet durch die in senkrechter Richtung verlaufenden Pfeile). Dies bewirkt ein Kippen nach rechts eines Schwingelements 10, das sich oberhalb des Hohlzylinders 20 befindet.

Das Zusammenwirken zwischen Hohlzylinder 20 und Schwingelement 10 und der Zusammenhang mit der relativen Anordnung zueinander ist durch die Fig. 7 verdeutlicht.

Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf ein Trägerelement 11 , auf dem sich zwei paddelförmige Schwingelemente 10 befinden. Die Schwingelemente 10 sind so angeordnet, dass ihre breiten Paddelseiten parallel zueinander orientiert sind. Die oberen Pfeile deuten die Schwingungen senkrecht zur Richtung an, der entlang die Schwingelemente 10 ihre kleinste Erstreckung haben. Senkrecht dazu ereignen sich die Schwingungen mit der schmalen Seite der Paddel 10.

Unterhalb der Schwingelemente 10 - und daher unterhalb des T rägerelements 11 - befinden sich die kreisförmig angeordneten Elektroden 23. Die Aussparungen 26 zwischen diesen definieren hier die Achsen der Schwingelemente 10 bzw. der Schwingungen.

Die Abbildungen Fig. 8 bis Fig. 10 zeigen drei unterschiedliche Ausführungen von

Vibrationssensoren mit jeweils zwei Schwingelementen 10, denen jeweils ein Hohlzylinder 20 der Wandlervorrichtung 2 zugeordnet ist. Die Hohlzylinder 20 können dabei je nach Ausgestaltung eingeklemmt, verklebt oder durch eine Vergussmasse fixiert sein.

In der Variante der Fig. 8 verfügt jedes Schwingelement 10 über einen breiteren Absatz, in dem sich ein Hohlzylinder 20 befindet. Die Absätze gehen über in jeweils einen Schacht 110 in dem verstärkten T rägerelement 11 , das somit auch der mechanischen Entkopplung der Schwingelemente 10 von dem Gehäuse 12 dient.

Befindet sich in der Variante der Fig. 8 die Wandlervorrichtung 2 in der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 , so sind die Hohlzylinder 20 in der Variante der Fig. 9 zurückgesetzt und befinden sich angrenzend an das Trägerelement 11 in dem Gehäuse 12.

Die Hohlzylinder 20 sind dabei jeweils in einem Podest 111 (alternative Bezeichnung ist Röhre) angeordnet, welche sich jeweils ausgehend von dem Trägerelement 11 hinein in den Innenraum des Gehäuses 12 erstrecken. Die Wandstärken der Podeste 111 sind dabei im Wesentlichen gleich der Wandstärke des Trägerelements 11 . Vorzugsweise wird dabei auch das gleiche Material bzw. die gleiche Legierung verwendet.

In der Variante der Fig. 10 befinden sich oberhalb der zwei Schwingelemente 10 jeweils Aussparungen oder Bohrungen in dem sehr massiven und dicken T rägerelement 11 . In diesen Vertiefungen befindet sich jeweils ein Hohlzylinder 20. Dadurch sind in dem Beispiel die Hohlzylinder 20 fluchtend hinter den Schwingelementen 10 angeordnet, sodass die Längsachsen von Hohlzylindern 20 und Schwingelementen 10 jeweils zusammenfallen. Die Variante der Fig. 10 eignet sich vor allem für die Anwendung bei hohen Prozessdrücken.

Die Fig. 11 zeigt zwei Ausführungen: a) und b) der Paddelform der Schwingelemente 10, also insbesondere der Gabelzinken der Variante der Fig. 1 .

Finden die Schwingungen hier in der Horizontalen statt, so gibt es eine große Wirkfläche. Bei den Schwingungen entlang der Vertikalen verdrängen nur die Kanten das Medium.

Dabei wirkt sich die Breite des Schwingelements 10 senkrecht zur jeweiligen Schwingungsrichtung zweifach aus: Dies ist zum einen die Messempfindlichkeit in Bezug auf die Dichte. Zum anderen ist dies der Dämpfungsgrad der Schwingungen, der sich vor allem in Abhängigkeit von der Viskosität des zu vermessenden bzw. zu überwachenden Mediums einstellt. Über den Dämpfungsgrad lässt sich z. B. die newtonsche Viskosität ermitteln.

Bei niederviskosen Flüssigkeiten zeichnen sich beide Formen der Fig. 11 a) und b) durch gleiche Messqualität aus, da beide die gleiche Breite a aufweisen. Werden die Messungen jedoch in hochviskosen Flüssigkeiten vorgenommen, so finden die Schwingungen vorzugsweise entlang der langen Erstreckung, also hier entlang der Vertikalen statt. Dabei ist die Variante der Fig. 11 b) vorteilhafter gegenüber der Variante der Fig. 11 a), da die Breite b2 kleiner als die Breite b1 ist.

Für Flüssigkeiten mit einer mittleren Viskosität ist die Variante der Fig. 11 a) durch die größere Breite b1 geeignet, da sie eine genauere Bestimmung der Viskosität erlaubt. Die Geometrie der Schwingelemente 10 ist insbesondere in Abhängigkeit von der Dichte und der Viskosität des Mediums zu wählen.

Bezugszeichenliste mechanisch schwingfähige Einheit

Wandlervorrichtung

Ansteuervorrichtung

Schwingelement

Trägerelement

Gehäuse

Hohlzylinder

Innenfläche

Außenfläche

Elektrode

Längsachse

Aussparung

Schacht des Trägerelements

Podest

Claims

Patentansprüche

1 . Vibrationssensor, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), einer Wandlervorrichtung (2) und einer Ansteuervorrichtung (3), wobei die Ansteuervorrichtung (3) die Wandlervorrichtung (2) mit Anregungssignalen beaufschlagt, wobei die Wandlervorrichtung (2) die mechanisch schwingfähige Einheit (1) ausgehend von den Anregungssignalen zu mechanischen Schwingungen anregt, wobei die Wandlervorrichtung (2) mindestens einen piezoelektrischen Hohlzylinder (20) - vorzugsweise mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Grundfläche - aufweist, wobei der Hohlzylinder (20) eine Innenfläche (21), eine Außenfläche (22) und mindestens fünf Elektroden (23, 24) für eine Beaufschlagung des Hohlzylinder (20) mit den Anregungssignalen aufweist, wobei vier Elektroden (23) der mindestens fünf Elektroden (23, 24) im Wesentlichen einen gleichen Flächeninhalt aufweisen und auf der Innenfläche (21) oder der Außenfläche (22) des Hohlzylinders (20) angeordnet sind, und wobei die fünfte Elektrode (24) der fünf Elektroden (23, 24) auf der Außenfläche (22) bzw. der Innenfläche (21) angeordnet ist.

2. Vibrationssensor nach Anspruch 1 , wobei die vier Elektroden (23) im Wesentlichen als entlang einer Längsachse (25) des Hohlzylinders (20) verlaufende Streifen ausgeführt sind.

3. Vibrationssensor nach Anspruch 2, wobei sich zwischen jeweils zwei der vier Elektroden (23) eine im Wesentlichen entlang der Längsachse (25) verlaufende Aussparung (26) zur elektrischen Trennung der Elektroden (23) voneinander befindet.

4. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Flächeninhalt der fünften Elektrode (24) so groß ist, dass die fünfte Elektrode (24) jeder der vier Elektroden (23) zumindest teilweise gegenüberliegt.

5. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansteuervorrichtung (3) die Wandlervorrichtung (2) in Abhängigkeit davon mit den Anregungssignalen beaufschlagt, welche Prozessgröße eines Mediums von dem Vibrationssensor zu bestimmen und/oder zu überwachen ist.

6. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens ein Schwingelement (10) aufweist, und wobei das Schwingelement (10) so ausgestaltet ist, dass es in zwei orthogonalen Richtungen unterschiedlich große Ausdehnungen aufweist.

7. Vibrationssensor nach Anspruch 5 und Anspruch 6, wobei in dem Fall, dass es sich bei der Prozessgröße um eine Viskosität eines Mediums handelt, die Ansteuervorrichtung (3) die Wandlervorrichtung (2) derartig mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass das Schwingelement (10) Schwingungen in der Richtung ausführt, in der das Schwingelement (10) eine kleinere Ausdehnung aufweist.

8. Vibrationssensor nach Anspruch 5 und Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, wobei in dem Fall, dass es sich bei der Prozessgröße um eine Dichte oder einen Füllstand eines Mediums handelt, die Ansteuervorrichtung (3) die Wandlervorrichtung (2) derartig mit den Anregungssignalen beaufschlagt, dass das Schwingelement (10) Schwingungen in der Richtung ausführt, in der das Schwingelement (10) eine größere Ausdehnung aufweist.

9. Vibrationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens zwei - vorzugsweise an einem als Membrane oder massive Komponente ausgeführten Trägerelement (11) befestigte - Schwingelemente (10) aufweist, und wobei die zwei Schwingelemente (10) so ausgestaltet sind, dass sie jeweils in zwei orthogonalen Richtungen unterschiedlich große Ausdehnungen aufweisen.

10. Vibrationssensor nach Anspruch 9, wobei der Vibrationssensor zwei piezoelektrische Hohlzylinder (20) aufweist, und wobei jedem Schwingelement (10) ein Hohlzylinder (20) zugeordnet ist.