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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße eines
Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche
zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium in Kontakt
kommt, mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die
mechanisch schwingfähige
Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen
Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Bei
der Prozessgröße handelt
es sich beispielsweise um den Füllstand,
die Dichte oder die Viskosität
eines Mediums in einem Behälter.
Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit
oder um ein Schüttgut.
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Zur
Bestimmung oder Überwachung
beispielsweise des Füllstandes
eines Medium in einem Behälter
sind im Stand der Technik Messgeräte bekannt, bei welchen eine
mechanisch schwingfähige Einheit
zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Bei der mechanisch schwingfähigen Einheit handelt
es sich beispielsweise um eine sog. Schwinggabel oder um einen sog.
Einstab. Es sind aber auch Membranschwinger bekannt, bei welchen eine
Membran zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen werden wieder
empfangen und ausgewertet. Dabei sind die Größen der Schwingungen, wie Amplitude,
Frequenz und auch die Phase relativ zum Anregesignal davon abhängig, ob
die schwingfähige
Einheit in Kontakt mit dem Medium ist oder welche Dichte das Medium
hat. So ist beispielsweise die Amplitude geringer, wenn die schwingfähige Einheit
vom Medium bedeckt ist, als in dem Fall, dass sie frei schwingt. Ähnliches
gilt für
die Frequenz und die Phase. Somit dienen solche Messgeräte oft als Schalter,
welche das Erreichen oder Unterschreiten eines Füllstands anzeigen. Nimmt beispielsweise
die Frequenz ab, so bedeutet dies, dass ein Füllstand, der durch die Ausgestaltung
des Messgerätes
und dessen Anbringung im Behälter
bedingt ist, vom Medium erreicht worden ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messgerät mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit
zur Bestimmung oder Überwachung
einer Prozessgröße, wie
beispielsweise des Füllstands, der
Dichte oder der Viskosität
eines Medium in einem Behälter
anzugeben.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe dadurch, dass die mechanisch schwingfähige Einheit
einen säulenförmig ausgestalteten
Antriebshalter und mindestens zwei scheibenförmig ausgestaltete Paddel aufweist, und
dass die Paddel an der Seitenfläche
des Antriebshalters befestigt und mechanisch mit dem Antriebshalter
gekoppelt sind. Die erfindungsgemäße schwingfähige Einheit sieht somit dergestalt
aus, dass sie aus einem säulenförmigen Antriebshalter und
mindestens zwei an dessen Seitenfläche befestigten Paddeln besteht.
Der Antriebshalter kann dabei eine runde, glatte, eckige oder beliebig
ausgestaltete Seitenfläche
aufweisen. Durch das Säulenförmige soll
ausgedrückt
werden, dass der Antriebshalter eine gewisse Höhe aufweist, und dass er sich
insbesondere von einer bekannten Membran, wie sie bei den Schwinggabeln
bekannt und wesentlich ist, unterscheidet. Sind bei einer Schwinggabel
als mechanisch schwingfähiger
Einheit die beiden Gabelzinken üblicherweise
auf der Membran befestigt und werden sie über diese zu Schwingungen angeregt,
bzw. werden über
diese ihre Schwingungen empfangen, so befinden sich in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
die beiden Paddel an der Seite des Antriebshalters. Zwei Paddel
sind insbesondere erforderlich, damit beide im Wesentlichen gegenphasig
zueinander schwingen können
und somit verhindern, dass Schwingungsenergie nach außen bzw.
insbesondere auf den Behälter übertragen
wird. Das Messgerät wird
vorzugsweise derartig an dem Behälter,
in welchem sich das zu messende Medium befindet, angeordnet, dass
sich die mechanisch schwingfähige
Einheit innerhalb des Behälters
befindet und dort in Kontakt mit dem Medium kommen kann.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass der Antriebshalter eine Längsachse
(L) und eine Querschnittsfläche
(Q) aufweist, und dass der Antriebshalter mechanische Schwingungen
entlang der Längsachse
(L) und/oder mechanische Schwingungen innerhalb der Querschnittsfläche (Q)
ausführt. Der
Antriebshalter führt
somit entweder axiale Schwingungen entlang seiner Längsachse
oder radiale Schwingungen in einer Querschnittsfläche aus. Weitere
Möglichkeiten
sind Torsions- oder Biegeschwingungen.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit derartig
ausgestaltet und relativ zu dem Antriebshalter angeordnet ist, dass
die Antriebs-/Empfangseinheit im Wesentlichen Schwingungen entlang
der Längsachse
(L) des Antriebshalters ausführt.
Als Antriebs-/Empfangseinheit wird sehr oft ein piezoelektrisches
Element verwendet. Wird an ein solches Element eine elektrische
Wechselspannung angelegt, so führen
die meisten Piezos eine Oszillation ihrer Dicke aus, d.h. die Dicke
wird alternierend größer und
kleiner. Umgekehrt kann ein solches Element aus einer Schwingung,
die auf ihre Dicke/Höhe
wirkt, ein elektrisches Signal erzeugen. In dieser Ausgestaltung
werden just solche piezoelektrischen Elemente verwendet, die eine
Höhenoszillation
ausführen,
und die derartig angeordnet sind, dass diese Oszillationen längs der
Längsachse
des Antriebshalters stattfinden.
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Die
folgenden Ausgestaltungen beziehen sich insbesondere, jedoch nicht
ausschließlich
auf einen sog. Tellerschwinger.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens ein Paddel derartig an
dem Antriebshalter befestigt ist, dass die Paddelebene des Paddels
im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
(L) des Antriebshalters orientiert ist. In dieser Ausgestaltung
befindet sich die Paddelebene mindestens eines Paddels senkrecht
zur Längsachse
des Antriebshalters. In einer Ausgestaltung sind beide Paddel derartig
befestigt, dass beide Paddelebenen im Wesentlichen senkrecht zur
Längsachse
orientiert sind. Dies für den Zweck,
dass sich ein mechanisch geschlossenes System ergibt, dass also
die beiden Paddel im Wesentlichen gegenphasig zueinander schwingen.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Paddel derartig an
dem Antriebshalter befestigt ist, dass die Längsachse (L) des Antriebshalters im
Wesentlichen durch die Mitte der Paddelebene des Paddels hindurchgeht,
oder dass mindestens ein Paddel derartig an dem Antriebshalter befestigt
ist, dass die Paddelebene des Paddels exzentrisch in Bezug auf die
Längsachse
(L) des Antriebshalters angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung
sind beide Paddel in der einen oder der anderen Variante an dem
Antriebshalter befestigt. Die Paddel oder Teller sind dabei im Wesentlichen
parallel bzw. spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens
zwei Teilschwingeinheiten aufweist, dass die zwei Teilschwingeinheiten
längs der
Längsachse
(L) des Antriebshalters auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind, dass die zwei
Teilschwingeinheiten im Wesentlichen längs der Längsachse (L) des Antriebshalters
schwingen, und dass die zwei Teilschwingeinheiten derartig ausgestaltet
sind, dass ihre Schwingungen im Wesentlichen gegenphasig zueinander
sind. Diese Ausgestaltung löst
die Aufgabe, die beiden Paddel zu gegenphasigen Schwingungen anzuregen.
Dafür sind zwei
Teilschwingeinheiten vorgesehen, wobei jede Teilschwingeinheit sich
quasi auf ein Paddel bezieht. Werden die Teilschwingeinheiten zu
gegenphasigen Schwingungen angeregt und ist die mechanische Kopplung
mit den Paddel auch entsprechend ausgeführt, so führen die Paddel entsprechend
ihren Teilschwingeinheiten auch gegenphasige Schwingungen durch.
Dabei schwingt der Antriebshalter selbst im Wesentlichen bzw. mit
seiner Hauptkomponente entlang seiner Längsachse L.
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Die
folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf eine Vorrichtung, welche
sich auch als Fahnen- oder Flügelschwinger
bezeichnen lässt.
Die Ausgestaltungen lassen sich dabei jedoch ggf. auch mit den obigen
Ausgestaltungen kombinieren.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Paddel derartig an
dem Antriebshalter befestigt ist, dass die Paddelebene des Paddels
im Wesentlichen parallel zu der Ebene orientiert ist, in welcher
die Längsachse
(L) des Antriebshalters liegt. In der obigen Ausgestaltung waren
die Paddel senkrecht zur Längsachse
ausgerichtet. In dieser Ausgestaltung liegen sie in parallelen Ebenen
zueinander. In beiden Varianten – senkrecht oder parallel – wird jeweils
eine Ausrichtung in einer Orientierung beschrieben. Dies dient dem
Zweck, dass dafür
im Wesentlichen auch nur eine Art von Schwingungserzeugung realisiert
werden muss. Bei einer beliebigen Orientierung von Antriebshalter
und Paddel zueinander müsste
auch die Schwingungserzeugung in mehreren Richtungen funktionieren.
In dieser Ausgestaltung nun hängen
die Paddel quasi wie Fahnen an der Seite des Antriebshalters.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Paddel derartig an dem Antriebshalter
befestigt sind, dass sich die zwei Paddel im Wesentlichen auf gleicher
Höhe längs der
Längsachse
(L) des Antriebshalters befinden, oder dass die zwei Paddel derartig
an dem Antriebshalter befestigt sind, dass sich die zwei Paddel
im Wesentlichen auf unterschiedlichen Höhen längs der Längsachse (L) des Antriebshalters befinden.
Für ein
mechanisch geschlossenes System sind die beiden Paddel vorzugsweise
spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Je nach der Energieübertragung
können
sich die Paddel jedoch auf unterschiedlicher oder auf gleicher Höhe befinden.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit derartig
ausgestaltet und mit dem Antriebshalter verbunden ist, dass eine
Schwingung der Antriebs-/Empfangseinheit längs der Längsachse (L) des Antriebshalters
zu einer radialen Schwingung der Paddel um die Längsachse (L) des Antriebshalters
führt.
In dieser Ausgestaltung wird beschrieben, wie die Paddel mit einem
möglichst
einfachen Konzept zu radialen Schwingungen angeregt werden. Dazu
wird eine oben beschriebene Antriebs-/Empfangseinheit, bei welcher es sich
beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handelt, zu Schwingungen
längst
seiner Dicke bzw. längs der
Längsachse
des Antriebshalters angeregt. Aus diesen Schwingungen werden dann
radiale Schwingungen des Antriebshalters. Da die Paddel an dem Antriebshalter
befestigt sind, werden deren Verbindungsbereiche durch die radialen
Schwingungen ebenfalls bewegt und mitgenommen, wodurch auch die
Paddel unter Ausnutzung der Massenträgheit zu Schwingungen angeregt
werden.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit unter
Vorspannung gegenüber
einem Endbereich des Antriebshalters derartig befestigt ist, dass
eine Streckung des Antriebshalters längs seiner Längsachse
(L) gegeben ist. In dieser Ausgestaltung wird genauer beschrieben,
wie die radialen Schwingungen des Antriebshalters erzeugt werden.
Dies geschieht dadurch, dass die Antriebs-/Empfangseinheit durch
seine Schwingungen eine Verkürzung
bzw. Verlängerung
der Länge
des Antriebshalters erzeugt. Dies bringt es jedoch mit sich, dass
der Antriebshalter dadurch breiter bzw. schmäler wird, d.h. die Dicke ändert sich
in radialer Richtung und somit führt
der Antriebshalter auch radiale Schwingungen aus.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine dreidimensionale angeschnittene Darstellung einer schwingfähigen Einheit
in einer ersten Variante,
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2 und 3:
eine schematische Darstellung der anregbaren Moden der schwingfähigen Einheit
der 1,
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4:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit
der ersten Variante der schwingfähigen
Einheit,
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5:
eine dreidimensionale Darstellung einer schwingfähigen Einheit in einer zweiten
Variante,
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6:
ein Detailschnitt durch den Antriebshalter einer schwingfähigen Einheit
in 5,
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7:
eine schematische Darstellung der auftretenden Effekte bei einer
Schwingung des Antriebshalters in 6,
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8:
eine schematische Darstellung der Schwingungen der Paddel bei einer
mechanischen Schwingung der schwingfähigen Einheit in 5,
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9:
eine zweite Ausgestaltung der mechanisch schwingfähigen Einheit
in der zweiten Variante wie in 5, und
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10a und 10b:
zwei Draufsichten auf zwei unterschiedliche Ausgestaltungen der
schwingfähigen
Einheit der zweiten Variante.
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßes Messgerät mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 1 einer
ersten Variante dargestellt. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist
achsensymmetrisch an der Stirnseite eines Einspannstücks 10 befestigt,
und lässt
sich über
dieses beispielsweise an der Wand eines Behälters, in welchem sich das
zu messende bzw. zu überwachende
Medium befindet, befestigen. Dabei befindet sich die mechanisch schwingfähige Einheit 1 zumindest
teilweise in dem – hier
nicht gezeigten – Behälter und
kommt dadurch zumindest zeitweise bzw. zumindest teilweise in Kontakt
mit dem – hier
ebenfalls nicht gezeigten – Medium.
Die mechanisch schwingfähige
Einheit 1 besteht aus einem Antriebshalter 5,
an dessen Seitenfläche 5.1 zwei
Paddel oder Scheiben 7 parallel zueinander angebracht sind.
Diese beiden Paddel 7 sind hier tellerförmig ausgestaltet. Eine solche
mechanisch schwingfähige
Einheit 1 lässt
sich somit als Tellerschwinger bezeichnen. Die Paddel 7 sind
derartig an der Seitenfläche 5.1 befestigt,
dass die Paddelebenen senkrecht zur Längsachse L des Antriebshalters 5 orientiert
sind. Der Antriebshalter 5 und die Paddel/Scheiben 7 sind
mit dem Einschraubstück 10 konzentrisch
verbunden. Die Paddeldicke beträgt
in diesem Beispiel 0,2 mm und der Durchmesser maximal 29 mm. Zur
Frequenzabstimmung sind am Rand der Teller 7 Ringmassen
als Gewichtseinheiten 8 angebracht. Diese Gewichtseinheiten 8 dienen
ausschließlich
der Frequenzabstimmung der mechanisch schwingfähigen Einheit 1. Die
beiden Paddel 7 können
im Wesentlichen parallel oder gegenphasig zueinander schwingen.
Letztere Schwingungsmode ist für
messtechnische Zwecke am sinnvollsten. Bei dieser Mode ist der Schwinger 1 energetisch
abgeglichen, während
mit der ersten Parallelmode Energie über das Einschraubstück 10 aufgrund
der direkten Kopplung zur Behälterwand
abfließt.
Beide Moden liegen frequenzmäßig nahe
beieinander. Messtechnisch ist es jedoch von Bedeutung, dass die
gleichphasige Mode im Spektrum nicht zu sehen ist. Dies ist eine
Frage der Konzipierung des Antriebsystems. Die Einheiten für die Erzeugung
und die Detektion der mechanischen Schwingungen werden in der vorliegenden
Anmeldung zu einer Antriebs-/Empfangseinheit
zusammengefasst. Dabei kann es sich um zwei getrennte Einheiten,
aber auch um eine Einheit, welche beide Aufgaben erfüllt, handeln.
Im folgenden wird primär
die Erzeugung der Schwingungen, d.h. die Antriebsfunktion anhand
von piezoelektrischen Elementen beschrieben. Die Detektion der Schwingungen
kann ebenfalls über
diese Einheiten oder auch über
eine andere Empfangseinheit erfolgen.
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In
den 2 und 3 sind zwei unterschiedliche
Ausgestaltungen der Antriebs-/Empfangseinheit 2 dargestellt,
welche jeweils unterschiedliche Schwingungsmoden erzeugen. Im Innenraum
des Antriebshalters 5, welche hier als Röhrchens
ausgestaltet ist, ist ein piezoelektrischer Antrieb als Beispiel
für eine
Antriebs-/Empfangseinheit 2 untergebracht. Diese Antriebs- /Empfangseinheit 2 in
der 2 besteht aus einer oder mehreren Piezo- und Isolationsscheiben
sowie einem Bolzen, der an seinem unteren Ende in den Antriebshalter 5 eingeschraubt
ist. Bei der Ausführung
des Antriebs in 2 wird der gesamte Stapel durch
den Bolzen an die versteifte Stirnseite 5.2 des Antriebshalters 5 angedrückt, so
dass der Antriebshalter 5 sich über die gesamte Länge gleichmäßig dehnt.
Die Kraft F wirkt in der 2 nach oben und nimmt dabei
die beiden Paddel 7 entsprechend mit (dargestellt durch
die gestrichelten Linien). Wie zu sehen, führen somit also die beiden
Paddel 7 eine gleichphasige Schwingungen aus, indem sie
sich stets in die gleiche Richtung bewegen. Die gezeigte mechanisch
schwingfähige Einheit 1 arbeitet
mit einem Piezostapel 2, der mit der Röhre des Antriebshalters 5 über den
Bolzen elastisch verbunden ist. Eine mechanische Vorspannung sorgt
für eine
elastische Dehnung der gesamten Röhre des Antriebshalters 5 in
axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längsachse L. Bei Anlegen einer Wechselspannung
wird die gesamte Röhre 5 zu
jedem Zeitpunkt in die gleiche Richtung bewegt. Dadurch erfahren
die mit der Röhre 5 verbundenen Scheiben 7 Anregungskräfte, die
gleichsinnig gerichtet sind. Die Paddel 7 bewegen sich
somit parallel zueinander. Ein Antrieb dieser Art ist somit keine
günstige
Alternative, um ein solches Schwingungssystem praktisch zu betreiben.
Wie bereits erwähnt,
liegen die ersten beiden Moden aufgrund der Steifigkeits- und Massenverhältnisse
der mechanisch schwingfähigen
Einheit 1 bzw. der Paddel 7 dicht beieinander. Da
die Parallelmode für
messtechnische Belange störend
ist, muss der Antrieb durch die Antriebs-/Empfangseinheit 2 so gestaltet
sein, dass die erste Mode im Wesentlichen nicht angeregt wird. Dies
wird in der Weise erreicht, indem in dem Antriebshalter 5 zwei
unabhängig
voneinander arbeitende Teilschwingeinheiten 3 oder Teilantriebe
eingebaut sind, und indem die einzelnen Piezoelemente 3 mit
unterschiedlich hohen Spannungen sowie gegenphasig betrieben werden.
Dies ist in der 3 dargestellt. Jeweils auf der
Höhe eines
Paddels 7 ist hier eine Teilschwingeinheit 3 bzw.
ein Teilantrieb angebracht. Beide Antriebe 3 sind gleich
aufgebaut, werden allerdings mit unterschiedlichen Spannungen versorgt,
um beide Scheiben 7 mit einer gegenphasigen Schwingung
zu betreiben. Um das Prinzip zu verdeutlichen, ist in der 3 der
Deformationszustand des Röhrchens 5 während der
Erregung der Piezoelemente 3 stark vergrößert dargestellt.
Beide Piezoelemente 3 sind mit einer statischen Vorspannung
beaufschlagt und axial in gleicher Richtung – hier in Richtung der Längsachse
des Antriebshalters 5 – polarisiert.
Die Vorspannung wird von der Rohrwand des Antriebshalters 5 in
Form von elastischer Dehnung aufgenommen. Beim Anlegen einer elektrischen
Wechselspannung wird das untere Piezoelement während der ersten Halbwelle
gedehnt. Diese Dehnung wird von der Rohrwand im Bereich des Teilantriebs 3 aufgenommen.
Das gesamte Rohr 5 führt eine
nach oben gerichtete Verschiebung durch. Der Fixierpunkt der unteren
wie auch der oberen Scheibe 7 wird somit axial nach oben,
d.h. in Richtung des Prozesses bewegt. Aufgrund der Massenträgheit wird
somit die untere wie auch die obere Scheibe 7 nach unten
gebeult. Damit die obere Scheibe 7 ihre Bewegung umkehrt,
wird der obere Antrieb 3 gegenphasig gegenüber dem
unteren Antrieb 3 betrieben. Für das obere Piezoelement, das
die gleiche statische Vorspannung besitzt wie das untere, ist die
erste Halbwelle negativ, was bedeutet, dass der elastische Wandbereich
an dieser Stelle eine Bewegung nach unten durchführt. Um die Bewegung an der Stelle
der oberen Scheibe 7 gegenüber der gesamten Bewegung des
Antriebshalters 5 umzukehren, muss die obere Spannungsamplitude
größer sein
als die untere. Über
die Spannungsamplitude der beiden Antriebe 3 lässt sich
somit die Bewegungsrichtung der Paddel/Scheiben 7 steuern. Ändert man
nun die anliegenden Spannungen an den beiden Piezoelementen 3 in
der Weise, dass das untere Element mit –12 Volt (Bewegung nach unten)
und das obere Element mit +30 Volt (Bewegung nach oben) betrieben wird,
lässt sich
die gleichphasige Mode vollständig unterdrücken. Die
Vorzeichen der anzulegenden Spannung richtet sich natürlich auch
nach der Polarisationsrichtung der Teilschwingeinheiten bzw. der Teilantriebe 3.
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Die 4 zeigt
eine mechanisch schwingfähige
Einheit 1, bei welcher der Antriebshalter 5 exzentrisch
zu den Mitten der Paddel 7 angeordnet ist. In den vorhergehenden
Figuren 1 bis 3 war eine
konzentrische Anordnung gegeben, d.h. die Längsachse L des Antriebshalters 5 ging
bei den 1 bis 3 jeweils
durch die Paddelmitte. Die Empfindlichkeit des Schwingers in den
obigen Figuren 1 bis 3 ist beschränkt durch
die Gewichtseinheiten 8, welcher der Frequenzanpassung dienen.
Der Grund ist darin zu sehen, dass die Scheiben 7 eine
zu hohe Steifigkeit besitzen. Um diese zu reduzieren, muss die Steifigkeit
reduziert werden. Dies ist möglich,
indem wie in der 4 gezeigt, der Antriebshalter 5 oder
Scheibenhalter exzentrisch auf dem Einschraubstück 10 befestigt und
die Paddel/Scheiben 7 mit dem Innendurchmesser des Einschraubgewindes
exzentrisch daran befestigt werden. Dies erhöht die Empfindlichkeit deutlich
und führt
umgekehrt auch dazu, dass eine Belastung der Paddel 7 mit
einer größeren Ansatzmenge
erfolgen darf, ohne dass die Messeigenschaften darunter merklich
leiden. Eine ansatzoptimierte mechanisch schwingfähige Einheit 1 besitzt
ein Minimum an mit Ansatz benetzbarer Oberfläche. Dies lässt sich dadurch erreichen,
indem die äußeren Ränder der
Paddel 7 abgeschnitten werden, indem also eine Abkehr von
der Kreisfläche
stattfindet. Dies ist an den Paddeln 7 der 4 gezeigt.
Die Reduktion der wirksamen Paddelfläche hat dabei nur eine geringe
Reduktion der Empfindlichkeit zur Folge.
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In
der 5 sind die beiden Paddel 7 an der Seitenfläche 5.1 des
Antriebshalters 5 derartig angebracht, dass die Paddelebenen
der beiden Paddel 7 oder zumindest die Ebene des jeweiligen
Verbindungsbereichs zwischen Paddel 7 und Antriebshalter 5 parallel
zu der Ebene orientiert sind, in welcher sich die Längsachse
L des Antriebshalters 5 befindet. Die Paddel 7 selbst
sind wieder spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Der Antriebshalter 5 ist
mit dem Einspannstück 10 verbunden.
Die relativ große Stirnfläche des
Einspannstücks 10 ist
hier so gewählt,
damit die mechanisch schwingfähige
Einheit 1 durch eine Bohrung in einer Wand eines hier nicht
gezeigten Behälters
passt und damit das Einspannstück 10 diese Öffnung wieder
verschließt.
Die exzentrische Anordnung des Antriebshalters 5 auf dem Einschraubstück 10 eröffnet weitere
Möglichkeiten, andere
Bauformen zu finden, die hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die beiden
Paddel 7, welche sich auch als Flügel oder Fahnen bezeichnen
lassen, werden über
einen im Antriebshalter 5 untergebrachten axial arbeitenden
Schwingungsantrieb 2 in Biegeschwingungen versetzt. Die
gleichphasige Schwingungsmode der beiden Paddel 7 wird über den
Antrieb 2 nicht angeregt und ist somit vollständig ausgeblendet.
Die Flügel 7 sind
leicht nach außen
geneigt, so dass ein Einklemmen von Feststoffpartikel in der Flüssigkeit
nicht möglich
ist.
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Das
Prinzip des Schwingungsantriebs über die
Sende-/Empfangseinheit 2 ist in den Abbildungen 6 bis 8 dargestellt.
In der 6 ist der Piezostapel 2 vollständig im
Innern des Antriebshalters 5 untergebracht. Für die Erzeugung
der Schwingungen lassen sich beispielsweise Piezoringe verwenden,
welche wie hier dargestellt auch eine leichte Unterbringung der
elektrischen Verbindungen erlauben. Über einen am unteren Ende des
Antriebshalters 5 eingebauten Einschraubbolzen wird das
Piezoelement 2 mit Isolationsscheiben und Koppelelementen gegen
die geschlossene Stirnseite 5.2 des röhrenförmigen Antriebshalters 5 gedrückt. Der
Antriebshalter 5 wird dadurch vorgespannt und erfährt entsprechend
eine Dehnung. Aufgrund dieser Dehnung wird die Rohrwand geringfügig in radialer
Richtung nach innen verschoben wie dies in 7 dargestellt
ist. Nach erfolgter Vorspannung werden die Piezoelemente der Antriebs-/Empfangseinheit 2 mit
einer Wechselspannung versorgt und führen eine positive und negative
Dehnung durch. Entsprechend wird die Wandfläche radial hin- und herbewegt.
Da die Fahnen/Paddel 7 mit der Rohrwand in fester Verbindung stehen,
werden sie zwangsweise mitbewegt (siehe 8). Da die
einander gegenüberliegenden
Befestigungsstellen der Paddel 7 an der Seitenfläche 5.1 des
Antriebshalters 5 nur gegenphasig bewegt werden können, werden
auch die Paddel 7 im Fall der Resonanz nur eine gegenphasige
Schwingung ausführen.
Dies ist in der 8 gezeigt, in welcher die gestrichelten
Linien die Bewegung der Paddel 7 verdeutlichen. Die gleichphasige
Mode wird somit nicht angeregt. Die absolute radiale Verschiebung
der entsprechenden Wandbereiche des Antriebshalters 5, an
denen die Paddel 7 befestigt sind, liegt in der Größenordnung
von Mikrometern (7). Dies genügt, um sie in der Resonanz
zu halten und bei Änderung entsprechend
nachzuregeln. Eine Erhöhung
der Messempfindlichkeit lässt
sich dadurch erzielen, dass die Paddel am Ende eine größere Breite
aufweisen (vgl. 5).
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In
der 9 ist eine zweite Ausgestaltung der zweiten Variante
der schwingungsfähigen
Einheit 1 dargestellt. Die beiden Paddel 7 sind
gegeneinander in axialer Richtung versetzt angeordnet. Die versetzte
Lage ist dann sinnvoll, wenn durch das Medium eine hohe Ansatzbildung
zu erwarten ist. Eine Brückenbildung
zwischen den beiden Paddeln 7 ist somit durch deren Anordnung
nicht möglich.
Allerdings ist zu beachten, dass durch die notwendige Verlängerung
des Halters 5 die Frequenz der Biegemode herabgesetzt wird.
Ein Problem des axialen Versatzes kann darin bestehen, dass das
gesamte System nicht vollständig
entkoppelt ist. Dies lässt sich
dadurch beheben, indem das untere Paddel – d.h. das Paddel in Richtung
des Einspannstücks 10 bzw.
in Richtung der Wand des Behälters – gegenüber dem
oberen Paddel – also
dem Paddel in Richtung des Mediums bzw. des Prozesses – mit einem größeren Massenträgheitsmoment
ausgelegt wird. Die Steifigkeit muss gleichzeitig erhöht werden,
um die Schwingfrequenz wieder mit dem oberen Paddel abzustimmen.
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Wünschenswert
ist in der Messtechnik, dass mit einem Sensor mehrere physikalische
Größen erfasst
werden können.
Z.B. sind neben dem Erkennen des Füllstandgrenzstands noch zusätzliche
Messgrößen wie
Druck, Viskosität,
Dichte und die Temperatur von Interesse. Weiterhin sind eigensichere
Systeme von Interesse, also Systeme, die sich während der Messphase selbst überwachen
und überprüfen, ob die
volle Funktionalität
des Sensors noch gegeben ist. Bei dem zuvor beschriebenen Schwinger
ist das Einschraubstück 10 nur
ein Verbindungselement zwischen dem Tank/Behälter der Prozess-Anlage und dem Messgerät, ohne
dass besondere Anforderungen an dieses Bauelement gestellt werden.
Dies beispielsweise im Gegensatz zum Einschraubstück einer
Schwinggabel, bei welcher das Einspannstück die schwingungsübertragende
Membran und somit sehr wichtig für
das Funktionieren des Sensors ist. Wie in den obigen Abbildungen
zu erkennen, steht durch die exzentrische Befestigung des Paddelhalters 5 auf
dem Einschraubstück 10 noch
viel Platz für konstruktive
Möglichkeiten
zur Verfügung.
Dieser Platz lässt
sich problemlos für
andere Messprinzipien nützen,
ohne dass das eigentliche Schwingungssystem für die Grenzstanderfassung beeinflusst
wird. So lässt
sich dort beispielsweise ein Drucksensor unterbringen. Alternativ
kann anstelle der Unterbringung eines vollständigen Drucksensors, welcher über das Einspannstück 10 in
Kontakt mit dem Druck steht, auch die Stirnseite des Einspannstücks 10 als
Vorlagenmembrane mit zusätzlichem
Membranbett eines Drucksensors ausgestattet werden. In diesem Fall
ist das Einschraubstück
als „Membranbett" vorsehen. Für die Messung
der dynamischen Viskosität
des Mediums muss eine kontinuierliche Aufrechterhaltung der mechanischen
Schwingungen während
der gesamten Messphase sichergestellt sein. Wird das Schwingungssystem
durch die Viskosität
des Mediums zu stark gedämpft,
so dass die Schwingung zusammenbricht, ist keine Messung mehr möglich. Für die Bestimmung
der Viskosität
wird in der Praxis unter anderem die Änderung der Güte oder
der Steigungswinkel an der Resonanzstelle der Phasenkurve des Schwingers
verwendet. Diese Verfahren sind bekannt. Mit zunehmender Viskosität nimmt
die Güte
ab bzw. die Steigung der Phasenkurve in der Resonanz zu. Im dämpfungslosen
Zustand besitzt die Phase in der Resonanz 180°. Bei geringer Dämpfung ist
die Phase in der Resonanz 90° und
ist mit zunehmender Dämpfung,
d.h. mit zunehmender Viskosität
kleiner als 90°.
Eine weitere bekannte Möglichkeit,
die Viskosität
zu bestimmen, ist über
den Gütefaktor
möglich. Dieser
Faktor berechnet sich aus der Differenz zweier Frequenzpunkte der Übertragungscharakteristik eines
in der Viskosität
befindlichen Schwingers und der Resonanzfrequenz im Medium. Die
Frequenzmessung erfolgt typischerweise am 3 db-Punkt der Kurve,
den man aus der Maximalamplitude festlegt. Je größer die Frequenzdifferenz ist,
desto kleiner wird der Gütefaktor,
desto größer ist
die Dämpfung. Weiterhin
lässt sich
auch ein Temperatursensor in den Antriebshalter 5 oder
in das Einspannstück 10 einbauen.
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Der
Art der Befestigung der Paddel 7 an der Seitenfläche 5.1 des
Antriebshalters 5 widmen sich die beiden Abbildungen 10a) und 10b). In
der 10a) sind die beiden Paddel 7 jeweils
an einem Distanzstück 10 befestigt,
wobei die beiden Distanzstücke 10 sich
quasi zu einem Querbalken ergänzen. Diese
Distanzstücke
selbst wiederum sind an dem Antriebshalter 5 fixiert. Die
Distanzstücke 10 tragen insbesondere
dazu bei, dass der räumliche
Abstand zwischen den beiden Paddeln 7 und damit der Raum, innerhalb
dessen sich Medium verklemmen kann, deutlich vergrößert wird.
Weiterhin lässt
sich so ggf. eine größere und
stabilere Kontaktfläche
zwischen Paddel 7 und Antriebshalter 5 erzeugen.
In der 10b) sind die beiden Paddel 7 einstückig ausgebildet.
Das sich ergebende halbovale Gesamtpaddelelement ist quasi um den
Antriebshalter 5 gebogen und ist an seinem Scheitelpunkt
mit dem Antriebshalter 5 verbunden.
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- 1
- Mechanisch
schwingfähige
Einheit
- 2
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 3
- Teilschwingeinheit
- 5
- Antriebshalter
- 5.1
- Seitenfläche
- 5.2
- Endbereich
- 7
- Paddel
- 8
- Gewichtseinheit
- 9
- Einspannstück
- 10
- Distanzstück
- L
- Längsachse
- Q
- Querschnittsfläche