DE102016118445A1

DE102016118445A1 - Vibrationssensor und Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors

Info

Publication number: DE102016118445A1
Application number: DE102016118445.4A
Authority: DE
Inventors: Levin Dieterle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29
Also published as: WO2018059754A1

Abstract

Vibrationssensor (1) mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5) mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger (10) mit wenigstens zwei Eigenmoden (100, 110, 120, 130) und einer Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs (3) sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs (3) detektierten Schwingungen, wobei der Antrieb (3) wenigstens ein Piezoelement (7) umfasst, wobei das Piezoelement (7) wenigstens vier getrennt ansteuerbare Sektoren (71, 72, 73, 74) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationssensoren weisen eine über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger |[DL1] sowie eine Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs und zur Auswertung von detektierten Schwingungen auf.
Eingesetzt werden diese häufig als Vibrations-Grenzstandschalter mit einer in Schwingung versetzbaren Membran und einem Antrieb zum Versetzen der Membran in Schwingung und/oder zum Abgreifen einer Schwingung der Membran sowie einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger, wobei als Antrieb häufig piezoelektrische Elemente zum Einsatz kommen. Derartige Vibrations-Grenzstandschalter werden insbesondere zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen in Behältern für fließfähige und fluidisierbare Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrations-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit dem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfrequenz der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mechanischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beeinflusst wird.
Die aus dem Stand bekannten Vibrationssensoren werden häufig mit einem geklebten Antrieb betrieben, wobei bei dieser Antriebsart ein scheibenförmig ausgebildetes Piezoelement unter Zwischenschaltung eines Ausgleichselements zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membran und Piezoelement mit der Membran verklebt ist.
Um die Membran in Schwingung zu versetzen und Schwingungen der Membranen erfassen und in ein Messsignal überführen zu können, weißt das Piezoelement wenigstens zwei elektrische Kontaktierungen auf. Wenigstens eine erste elektrische Kontaktierung ist auf einer Oberseite des Piezoelements und wenigstens eine zweite elektrische Kontaktierung ist auf einer Unterseite des Piezoelements aufgebracht. Typischerweise werden zur Kontaktierung des Piezoelements flächig aufgebrachte Metallisierungen verwendet.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten piezoelektrischen Antrieben ist die Unterseite des Piezoelements, d.h. eine der Membran zugewandte Oberfläche des Piezoelements, in der Regel vollflächig kontaktiert während die Oberseite des Piezoelements, d. h. die von der Membran wegweisende Oberfläche des Piezoelements, entweder mit einer oder mit mehreren elektrischen Kontaktierungen versehen ist. Beispielsweise kann die Oberseite des Piezoelements vierfach segmentiert kontaktiert sein und es können jeweils zwei diagonal gegenüberliegend angeordnete Segmente gemeinsam elektrisch kontaktiert sein. Auf diese Weise ist es möglich über zwei der Kontaktierungen eine Bewegung in die Membran einzukoppeln und gleichzeitig über die beiden anderen Kontaktierungen eine Frequenz und/oder Amplitude der Membran zu erfassen. Ist die Oberfläche nicht segmentiert kontaktiert, so können Anregung und Detektion nur sequentiell durchgeführt werden.
Bei den typischerweise eingesetzten Piezoelementen wird von dem Piezoelement eine Spannung erzeugt, welche proportional zu einer Krümmung des Piezoelements ist und über die Kontaktierungen abgegriffen werden kann. Umgekehrt wird eine angelegte Spannung in eine proportionale Krümmung des Piezoelements und damit der Membran umgesetzt.
Als mechanische Schwinger kommen häufig stimmgabelähnlich ausgebildete Anordnungen zum Einsatz, bei denen zwei an der Membran symmetrisch angeordnete und parallel zueinander ausgerichtete Paddel zur Schwingungsübertragung verwendet werden. Diese Paddel weisen in der Regel eine stabförmige Ankopplung an die Membran und ein, ähnlich einem Paddel flächig verbreitertes freies Ende auf.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vibrationssensoren messen lediglich eine beim Eintauchen eines mechanischen Schwingers in das zu detektierende Medium auftretende Frequenzverschiebung relativ zur Frequenz einer Leerresonanz und leiten aus dieser Frequenzverschiebung einen Schaltbefehl ab. Durch die oben beschriebene Anregung zweier diagonal gegenüberliegender Segmente wird die sogenannte Clap-Mode angeregt, bei dem sich die Paddel des mechanischen Schwingers entlang einer Oberflächennormalen des Paddels aufeinander zu bzw. von einander weg bewegen.
Bei den im Stand der Technik verwendeten Antrieben wird entweder bei der vollflächigen Kontaktierung des Piezoelements die Resonanzfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und der mechanischen Schwinger beginnt auf Grund der eingekoppelten Frequenz in der entsprechenden Eigenmode zu schwingen oder es wird bei segmentiert kontaktierten Piezoantrieben an zwei Segmenten die Eigenfrequenz der Clap-Mode eingekoppelt und über die zwei verbleibenden Segmente eine Detektion der sich ausbildenden Schwingungsfrequenz durchgeführt.
Bei Messungen in hochviskosen Medien kommt es häufig nach Bedeckung des mechanischen Schwingers und anschließendem Abzug des Mediums zu Anhaftungen an bzw. zwischen den Paddeln des mechanischen Schwingers, die ebenfalls zu einer Frequenzverschiebung führen, welche als Bedeckung des mechanischen Schwingers interpretiert werden kann. Diese Situation führt nach dem Abzug des Mediums zu einer deutlich verzögerten Änderung des Schaltzustandes der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren. Mitunter können dadurch auch Fehldetektionen auftreten. Dies wird im Stand der Technik als deutlicher Nachteil empfunden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Vibrationssensor zur Verfügung zu stellen, der ein besseres Detektionsverhalten und weniger Fehldetektionen aufweist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Vibrationssensors anzugeben, durch das Fehldetektionen vermieden werden.
Diese Aufgaben werden durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbaren Membran mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger, der wenigstens zwei Eigenmoden aufweist, und einer Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs detektierten Schwingungen zeichnet sich dadurch aus, dass der Antrieb wenigstens ein Piezoelement umfasst, wobei das Piezoelement wenigstens vier getrennt voneinander ansteuerbare Sektoren aufweist.
Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Piezoelements mit wenigstens vier voneinander getrennt ansteuerbaren Sektoren wird erreicht, dass zusätzlich zu der im Stand der Technik ausschließlich zur Grenzstanddetektion verwendeten Clap-Mode auch eine weitere Eigenmode, insbesondere die Clap-quer-Mode, bei der die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers gegengleich und orthogonal zu ihrer jeweiligen Oberflächennormalen schwingen, angeregt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Erkenntnis zu Grunde, dass für die Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit einem Medium die Clap-Mode eine besonders hohe Frequenzverschiebung relativ zu der Leer-Resonanz aufweist. Wird bei gleicher Bedeckung des mechanischen Schwingers die Clap-quer-Mode untersucht, zeigt sich, dass dies eine deutlich geringere Frequenzverschiebung aufweist. Im Gegensatz dazu wirkt eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger als träge Masse sowohl auf die Clap-Mode als auch auf die Clap-quer-Mode und verursacht für beide Moden eine gleichermaßen große relative Frequenzverschiebung im Vergleich zu der jeweiligen Leer-Resonanz, sodass das Vorhandensein einer Anhaftung detektiert werden kann.
Im Unterschied zum Stand der Technik werden gemäß der vorliegenden Erfindung alle vier Sektoren des Piezoelements gleichzeitig und gezielt angesteuert, damit durch Anregung einer gezielten Verformung der Membran eine gezielte Anregung unterschiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers erfolgen kann.
Für eine gezielte Anregung der unterschiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers durch Einkopplung einer gezielten Verformung in die Membran ist es vorteilhaft, wenn die vier Sektoren des Piezoelements wenigstens auf einer Seite des Piezoelements durch vier, im Wesentlichen gleichgroße Elektroden kontaktiert sind. Vorteilhafterweise ist das Piezoelement scheibenförmig mit im Wesentlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet, wobei die Sektoren und die Elektroden jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmen und korrespondierend zueinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet sind.
Eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche schließt gemäß der vorliegenden Anmeldung auch hiervon abweichende Grundflächen mit ein, die beispielsweise elliptisch ausgeformt und/oder in ihrer Form an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran angepasste Grundfläche aufweisen. Ebenso können die im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmenden Elektroden an eine sich bei einer Schwingung des mechanischen Schwingers ausbildende Verformung der Membran angepasst sein. Durch eine entsprechende Anpassung kann beispielsweise eine erhöhte elektrische Amplitude erzielt werden, sodass eine weiter verbesserte Detektion ermöglicht wird.
Ein zueinander korrespondierendes Anordnen von Elektroden und Sektoren bedeutet insbesondere, dass je einem Sektor des Piezoelements eine Elektrode zugeordnet ist und diesen Sektor elektrisch kontaktiert.
Eine einfache elektrische Ansteuerung des Piezoelements bei gleichzeitig einfachem Aufbau kann erreicht werden, wenn das Piezoelement auf einer zweiten Seite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist. Dadurch, dass das Piezoelement auf der ersten Seite, insbesondere der Oberseite, selektiv kontaktiert wird und auf der zweiten Seite, insbesondere der Unterseite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist, kann eine einfache Ankopplung des Massepotentials an die Rückseite sowie ein einfaches Einkoppeln einer Spannungsanregung bzw. Abgreifen von Spannungen zur Detektion auf der Oberseite erfolgen.
Es ist vorteilhaft, wenn das Piezoelement, die Elektroden und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einander benachbarten Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteuermodus je zwei einander diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoelement in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt. Bei einem mittelbar oder unmittelbar mit der Membran verklebten Piezoelement wird durch diese zwei Ansteuermodi die Membran entweder im Wesentlichen gleichsinnig gekrümmt, wodurch der Clap-Mode angeregt werden kann, oder gegensinnig gekrümmt, wodurch die Clap-quer-Mode angeregt werden kann. Die gegensinnig gekrümmte Membran ähnelt dabei einem hyperbolischen Paraboloid oder einer Sattelfläche. Die Sektor-Grenzlinien des Piezos bilden hierbei jeweils die Knotenlinien der mechanischen Schwingung aus, wobei die stabförmige Anbindung des Paddels des mechanischer Schwinger idealerweise direkt auf dieser Knotenlinie angebracht ist.
Wenn das Piezoelement wenigstens zwei Abschnitte unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufweist können die oben angegebenen Verformungen noch einfacher in die Membran eingekoppelt werden und das Massepotential der Rückseitenelektrode liegt aufgrund der für eine gleichgerichtete Verformung notwendigen gegengleichen Anregespannung jeweils konstant zwischen den Anregespannungen. Durch eine bipolare Anregespannung kann das Massepotential somit auch kapazitiv gekoppelt werden und eine direkte elektrische Kontaktierung der Rückelektrode ist nicht nötig.
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors, bei dem ein an einer Membran angeordneter mechanischer Schwinger mittels eines Antriebs zur einer Schwingung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers erfasst wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers und von Anhaftungen an dem mechanischen Schwinger wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmoden des mechanischen Schwingers abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultierende Schwingung detektiert wird.
Durch das abwechselnde Anregen unterschiedlicher Eigenmoden des mechanischen Schwingers kann einerseits eine Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium detektiert und andererseits eine Anhaftung an dem mechanischen Schwinger erkannt werden.
Abwechselnd im Sinne der vorliegenden Anmeldung bedeutet nicht, das zwangsweise auf den ersten Anregungsmodus immer der zweite Anregungsmodus folgt und umgekehrt, sondern kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch bedeuten, dass einer der Anregungsmodi mehrfach auftritt. Abwechselnd bedeutet dabei aber insbesondere, dass in einem Messzyklus in jedem Fall sowohl der erste als auch der zweite Anregungsmodus angeregt wird.
Vorteilhafterweise weisen die zwei unterschiedlichen Eigenmoden eine unterschiedliche Schwingungsrichtung auf, wobei diese vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen. Eine besonders gute Detektion kann erreicht werden, wenn eine erste Eigenmode zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen des mechanischen Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu dieser Flächennormalen und senkrecht auf einer Längsachse des mechanischen Schwingers schwingt.
In der vorliegenden Anmeldung soll als Flächennormale der normalen Vektor auf die größte der Flächen des mechanischen Schwingers bzw. der jeweiligen Schwingelemente verstanden werden.
In einer Ausgestaltungsform des vorliegenden Verfahrens werden zur Anregung der ersten Eigenmode alle Sektoren des Piezoelements zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt, wobei zur Anregung der zweiten Eigenmode je zwei diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden.
Zur Detektion einer Bedeckung des mechanischen Schwingers mit Medium oder einer Anhaftung werden vorzugsweise eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Dämpfung und/oder Phasenbeziehung des mechanischen Schwingers nach der Anregung analysiert. Da gemäß der vorliegenden Erfindung sämtliche Sektoren des Piezoelements zur gezielten Anregung der unterschiedlichen Eigenmoden des mechanischen Schwingers verwendet werden, ist es nicht möglich gleichzeitig zur Anregung eine Detektion durchzuführen. Es wird daher eine sequentielles Vorgehen durchgeführt, bei dem der mechanische Schwinger zunächst zu einer Schwingung in einer der Eigenmoden angeregt wird und nach der Anregung eine Detektion von Frequenz und/oder Phase und/oder Amplitude und/oder Dämpfung der dann abklingenden Schwingung erfolgt.
Um eine möglichst große Schwingungsamplitude zu realisieren ist es sinnvoll, die Frequenz zur Anregung der jeweiligen Eigenmode an die zuletzt bei dieser Eigenmode detektierte Frequenz anzupassen bzw. diese nachzuführen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der mechanische Schwinger immer im Bereich seiner jeweiligen aktuellen Resonanzfrequenz, egal ob bedeckt oder unbedeckt, mit oder ohne Anhaftung, angeregt wird.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn jeweils eine Eigenmode zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms und besonders vorteilhaft für 50 ms die Schwingung detektiert wird.
Bei einer Resonanzfrequenz des mechanischen Schwingers von etwa 1 kHz entspricht dies einer Anregung von etwa 20 Schwingungszyklen des mechanischen Schwingers, wobei auch die Möglichkeit besteht, die Dauer der Anregung an die jeweils notwendige Zeit für 20 Schwingungszyklen, bei der zuletzt detektierten Resonanzfrequenz anzupassen.
Weiterhin ist auch denkbar, dass die Anzahl der Schwingungszyklen an die durch das Medium auftreten Dämpfung angepasst wird, um in einem gewissen Messbereich eine weitestgehend gleichbleibende Amplitude im Empfangsfall zu erhalten.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zur der Beurteilung des Ausschwingverhaltens, ein aus den an den einzelnen Piezosektoren anliegenden Spannungen generiertes Summensignal auszuwerten. Hierdurch wird verhindert, dass eine Überlagerung der beiden Schwingungsmoden bei kurzer zeitlichen Abfolge der beiden Anregungsmoden das Messergebnis unvorteilhaft verändert.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
1 eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung,
2 vier sich bei der mechanischen Schwingungseinheit gemäß 1 hauptsächlich ausbildende Eigenmoden,
3 ein Piezoelement mit unterschiedlich polarisierten Sektoren sowie die Polarität der angelegten elektrischen Spannung zur Erzeugung der Eigenmoden 100 und 130 gemäß 2 und
4 die maximal auftretenden Schwingungsamplituden bei einer Anregung des Piezoelements 201 gemäß 3 gemäß der in 211 und 221 angegebenen Ansteuerung.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung.
Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen aus einer schwingungsfähig in einen umlaufenden Rand 30 eingespannten Membran 5 aufgebaut, wobei an der Membran 5 ein mechanischer Schwinger 10 angeordnet ist. Der mechanische Schwinger 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stimmgabel mit zwei Schwingungselementen ausgebildet, wobei die beiden Schwingungselemente jeweils als über eine Ankopplung 102 an der Membran 5 befestigte Paddel 101 ausgebildet sind. Die Paddel 101 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und symmetrisch zu einer Symmetrieebene S über die Ankopplungen 102 an der Membran 5 befestigt.
In 1 ist ferner die Oberflächennormale n eines der Paddel 101 eingezeichnet. Vorteilhafterweise sind die Paddel planar ausgeführt, um den Unterschied bei der Interaktion mit dem Medium/Anhaftung zwischen den beiden anregbaren Moden zu maximieren. Da die Paddel aber auch komplexere Oberflächengeometrien aufweisen können, wird als Flächennormale n der normalen Vektor auf die durch die größte Flächenerstreckung gebildete Ebene verstanden.
In 2 ist eine Draufsicht von oben auf die Membran 5 der mechanischen Schwingungseinheit aus 1 gezeigt, wobei die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers 10 in dieser Draufsicht schematisch eingezeichnet sind. Insbesondere sind dabei die Paddel 101 sowie deren Ankopplung 102 zu erkennen, wobei die Ankopplungen 102 symmetrisch zu der Symmetrieebene S angeordnet und die Paddel 101 parallel zueinander ausgerichtet sind. In den vier Teilfiguren von 2, die mit 100, 110, 120 und 130 bezeichnet sind, sind die bei einer mechanischen Schwingungsanordnung gemäß 1 hauptsächlich auftretenden ersten vier Eigenmoden des mechanischen Schwingers 10 schematisch eingezeichnet.
Mit 100 ist die sogenannte Clap-Mode oder Klatschmodus gekennzeichnet, bei dem beide Paddel 101 gegengleich und im Gegentakt entlang der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen. Diese Symmetrieebene S bildet für diese Mode eine Spiegelebene.
Mit 110 ist die sogenannte Sway-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gleichgerichtet, d. h. im Gleichtakt in Richtung der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen.
Mit 120 ist die sogenannte Sway-quer-Mode gekennzeichnet, bei der die Paddel 101 im Gleichtakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel und somit parallel zur Symmetrieebene S, d. h. sie schwingen in der von dem Paddel aufgespannten Fläche.
Mit 130 ist schließlich die Clap-quer-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gegengleich, d. h. im Gegentakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel 101 und somit parallel zur Symmetrieebene S schwingen.
Mit den eingezeichneten Pfeilen ist jeweils die Bewegungsrichtung der Paddel 101 am Anfang einer Schwingungsperiode angegeben.
Je nach Ausführung der Paddel 101, Membran 5 und Anbindung 102 an die Membran 5 kann sich die Reihenfolge der Moden in ihrer Frequenz unterscheiden.
Für die Detektion der Bedeckung des mechanischen Schwingers 10 mit Medium bzw. zur Anhaftungsdetektion sind die Clap- bzw. Clap-quer-Mode besonders geeignet. Die Verwendung der Clap-Mode zur Detektion einer Bedeckung mit Medium entspricht dem Stand der Technik. Taucht der mechanische Schwinger 10 in ein zu detektierendes Medium ein verändert sich in Abhängigkeit von Dichte und Viskosität des Mediums die Resonanzfrequenz und Amplitude der Clap-Mode. Bei kompletter Bedeckung mit Medium kommt es bei der Clap-quer-Mode im Vergleich zu der Clap-Mode zu einer deutlich geringen Frequenzverschiebung. Schwingt der mechanische Schwinger 10 jedoch frei und weist eine starke Anhaftung von Medium auf wirkt die träge Masse der Anhaftung auf beide Moden gleichermaßen und die relative Frequenzverschiebung aufgrund der Anhaftung ist bei beiden Moden vergleichbar. Somit lässt sich unter Verwendung und Vergleich der Frequenzen von Clap- und Clap-quer-Mode eine Anhaftung aktiv detektieren und Fehlschaltung des Sensors aufgrund von Anhaftungen und der daraus resultierenden Frequenzverschiebung vermeiden.
Ein hierfür geeigneter Antrieb 3 lässt sich beispielsweise durch einen sektoriert polarisiertes Piezoelement 7 mit 90° großen Elektroden 71, 71, 73, 74 bewerkstelligen. Drei mögliche Polarisierungen des Piezoelements 7 sind in 3 in den Abschnitten 201, 202 und 203 dargestellt.
Zum einen können jeweils gegenüberliegende Hälften des Piezoelements gleich polarisiert sein, wobei jede Hälfte je zwei 90° große Elektroden 71, 74; 72, 73 aufweist.
Diese Variante ist in Abschnitt 201 dargestellt.
In einer zweiten Ausgestaltungsform, die in Abschnitt 202 dargestellt ist, ist das Piezoelement 7 in vier Segmente geteilt, wobei diese umlaufend jeweils abwechselnd polarisiert sind. Die Segmente sind je 90° groß und mit hierzu korrespondierenden Elektroden 71, 72, 73, 74 versehen.
Des Weiteren wäre auch eine einheitliche Polarisierung des Piezoelements 7 möglich, wobei eine Unterteilung in Sektoren durch vier 90° Elektroden erfolgt.
In 3 symbolisiert ⊗ eine Polarisierung in die Zeichenebene hinein und ⊙ aus der Zeichenebene heraus.
Die jeweils zu den dargestellten Piezoelementen 7 entgegengesetzt polarisierten Piezoelemente beschreiben dabei Piezoelemente 7 derselben Art. Um dieselbe Verformung des entgegengesetzt polarisierten Piezoelements 7 im Vergleich zu den dargestellten Polarisierungen zu erreichen, muss lediglich die Polarität der angelegten Wechselspannung gedreht werden. Bei gleich angelegter Wechselspannung wird dieselbe Verformung eine halbe Periode später angenommen (180° phasenverschoben).
211, 212 und 213 zeigt die Polung der Wechselspannung zur Anregung der Clap-Mode und 221, 222 und 223 die Polung der Wechselspannung zur Anregung der Clap-quer-Mode.
Besonders vorteilhaft erweist sich die mit 201 gekennzeichnete Variante, da für die beiden anzuregenden Moden (Clap und Clapquer) jeweils zwei benachbarte Sektoren, d. h. eine Hälfte des Piezoelements 7 mit einer ersten Wechselspannung in 3 mit „+“ gekennzeichnet und die andere Hälfte mit einer um 180° phasenverschobenen Wechselspannung, in 3 mit „–„ gekennzeichnet angeregt werden muss. Diese Anregung ist in 3 symbolisch in den Abschnitten 211 und 221 dargestellt. Dadurch, dass beide Spannungen um 180° phasenverschoben sind, liegt das Massepotential immer exakt zwischen den beiden Spannungen. Somit muss die Masseelektrode auf der Rückseite des Piezoelementes nicht separat kontaktiert werden und kann einfach kapazitiv an die Membran 5 auf die das Piezoelement 7 aufgeklebt wird, gekoppelt werden.
Die Ansteuerung des Piezoelements 7 erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch eine Sinusspannung auf der Resonanzfrequenz, da deren Frequenzspektrum lediglich eine Frequenz aufweist und nicht wie bspw. bei einer Rechteckspannung eine Vielzahl von Oberschwingungen aufweist, welche neben der anzuregenden Mode weitere Schwingungsmoden anregen können. Um einen optimalen Antrieb zu gewährleisten, sollte die relative Orientierung des auf die Membran aufgeklebten Piezoelements 7 bezogen auf die Schwinggabel derart sein, dass die Anbindung der Paddel 102 an die Membran 5 exakt auf einer der Sektorlinien des Piezoelements 7 liegt.
Für die Auswertung des Ausschwingverhaltens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Spannungen, welche am Piezoelement 7 durch die mechanische Durchbiegung der Membran 5 durch das Ausschwingen des mechanischen Schwingers 10 entstehen, entsprechend der Polarisierung und Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71, 72, 73, 74, zu addieren. Hierdurch wird ein Übersprechen der Ausschwingphasen in die entsprechend nachfolgende Ausschwingphase der anderen Mode verhindert, da sich entsprechende Spannungsanteile gegenseitig aufheben. Im Falle der Polarisierung gemäß 201 ist V11 die Spannung, welche an der Elektrode 11, V12 die an Elektrode 12, V13 die an Elektrode 13 und entsprechend V14 die an Elektrode 14 während des Ausschwingens am Piezoelement 7 anliegt. Im Falle der clap-Mode ist es somit vorteilhaft die Spannung V12 + V13 – (V11 + V14) bzw. V11 + V14 – (V12 + V13) und für die clap(quer)-Mode die Spannung V13 + V14 – (V12 + V11) bzw. V12 + V11 – (V13 + V14) auszuwerten. Die Vorzeichen bei der Summenbildung ergeben sich durch die Polarisierung bzw. Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71, 72, 73, 74.
4 zeigt die logarithmisch aufgetragene Schwingungsamplitude (Simulation) in Abhängigkeit von der Anregefrequenz an der Spitze eines Paddels 101 entlang der Oberflächennormalen n des Paddels 101 (x-Richtung), sowie senkrecht dazu (y-Richtung) bei Anregung mit einem sektorierten Piezoelement 7 gemäß dem in 201 dargestellten Ausführungsbeispiel. Mit 310 ist die Amplitude in x-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 211 gezeigt. 311 zeigt die Amplitude in y-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 221. Diese beiden Amplituden sind um ein Vielfaches größer als die Amplitude in y-Richtung 312 mit Polung der Wechselspannung gemäß 221 oder die Amplitude in x-Richtung 313 mit Polung der Wechselspannung gemäß 211. Dies zeigt, dass es möglich ist, die Resonanz der Clap- und Clap-quer-Mode weitestgehend unabhängig voneinander anzuregen, sodass die Bewegung in der Richtung jeweils senkrecht zur angeregten Mode vernachlässigbar ist. Des Weiteren sind die beiden Sway-Moden durch diesen Antrieb nur sehr gering angeregt, sodass diese ohne Einfluss bleiben.
Bezugszeichenliste

1: Vibrationssensor
3: Antrieb
5: Membran
7: Piezoelement
10: mechanischer Schwinger
11: erste Elektrode
12: zweite Elektrode
13: dritte Elektrode
14: vierte Elektrode
15: Rückseitenelektrode
30: Rand
71: erster Sektor
72: zweiter Sektor
73: dritter Sektor
74: vierter Sektor
101: Paddel
102: Ankopplung
100: Clap-Mode
110: Sway-Mode
120: Sway-quer-Mode
130: Clap-quer-Mode
f: Frequenz
A: Amplitude
D: Dämpfung
n: Flächennormale
S: Symmetrieachse

Claims

Vibrationssensor (1) mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5) mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger (10) mit wenigstens zwei Eigenmoden (100, 110, 120, 130) und einer Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs (3) sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs (3) detektierten Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) wenigstens ein Piezoelement (7) umfasst, wobei das Piezoelement (7) wenigstens vier getrennt ansteuerbare Sektoren (71, 72, 73, 74) aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Sektoren auf einer ersten Seite des Piezoelements durch vier, im Wesentlichen gleich große Elektroden (11, 12, 13, 14) kontaktiert sind.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) scheibenförmig mit im Westlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet ist und die Sektoren (71, 72, 73, 74) und die Elektroden (11, 12, 13, 14) jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmen und korrespondierend zueinander angeordnet sind.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) auf einer zweiten Seite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7), die Elektroden (11, 12, 13, 14) und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einander benachbarte Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteuerungsmodus zwei einander diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoelement (7) in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt.
Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) wenigstens zwei Abschnitte unterschiedlicher Polarisation aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors (1), bei dem ein an einer Membran (5) angeordneter mechanischer Schwinger (10) mittels eins Antriebs (3) zu einer Schwingung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers (10) zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) und von Anhaftungen an dem mechanischen Schwinger (10) wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmoden (100, 110, 120, 130) des mechanischen Schwingers (10) abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultierende Schwingung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenmoden (100, 110, 120, 130) eine unterschiedliche Schwingungsrichtung aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsrichtungen der Eigenmoden (100, 110, 120, 130) im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Eigenmode (100) zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen (n) des mechanischen Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode (130) zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu der Flächennormalen (n) schwingt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der ersten Eigenmode (100) je zwei nebeneinander liegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden und zur Anregung der zweiten Eigenmode (130) je zwei diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion eine Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) und/oder Dämpfung des mechanischen Schwingers (10) nach der Anregung analysiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) zur Anregung der jeweiligen Eigenmode (100, 110, 120, 130) an die zuletzt bei dieser Eigenmode (100, 110, 120, 130) detektierte Frequenz angepasst wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Eigenmode (100, 110, 120, 130) zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, weiter insbesondere für 50 ms, angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, weiter insbesondere für 50 ms detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Anregezyklen, entsprechend der auftretenden Dämpfung durch das zu detektierende Medium, angepasst wird, um in einem vorgebenen Messbereich eine annähernd gleichbleibende Empfangsamplitude zu gewährleisten.
Verfahren gemäß einen der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung durch Addition von Elektroden (11, 12, 13, 14) an jeweils senkrecht zur Schwingungsrichtung der angeregten Mode aneinander grenzenden anliegenden Spannungen (V11, V12, V13, V14) und Differenzbildung der Summen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen (V11, V12, V13, V14) der Elektroden (11, 12, 13, 14) entsprechend ihrer Polarisation positiv oder negativ in die Summenbildung eingehen, wobei die Spannungen (V11, V12, V13, V14) bei einer Polarisierung in die Zeichenebene positiv und bei einer Polarisierung aus der Zeichenebene heraus negativ berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbildung derart erfolgt, dass ein Übersprechen der von der ersten Mode erfassten Spannungssumme auf eine von der zweiten Mode erfasste Spannungssumme vermieden wird.