DE102016125243A1

DE102016125243A1 - Vibronischer Sensor mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102016125243A1
Application number: DE102016125243.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Urban; Benjamin Mack; Tobias Brengartner; Jan Schleiferböck
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (2a) mit zumindest- einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4),- einer Antriebs-/Empfangseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (U) zu Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (U) umzuwandeln,- einer Elektronikeinheit (6), welche dazu ausgestaltet ist, ausgehend vom Empfangssignal (U) das Anregesignal (U) zu erzeugen, und aus dem Empfangssignal (U) die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und- einem Temperatursensor (11,12). Erfindungsgemäß ist der Temperatursensor (11,12) zumindest an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet und dazu ausgestaltet, die Temperatur der schwingfähigen Einheit (4) zu bestimmen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine mechanisch schwingfähige Einheit. Es handelt sich also um einen sogenannten vibronischen Sensor.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.
Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen in ihrer Summe ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein.
Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden. Prinzipiell kann die Einstellung der Phasenverschiebung beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Filters vorgenommen werden, oder auch mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt werden. Aus der DE102006034105A1 ist beispielsweise bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der DE102007013557A1 beschrieben. Die DE102005015547A1 schlägt die Verwendung eines Allpass-Filters vor. Die Einstellung der Phasenverschiebung ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs möglich, wie beispielsweise in der der DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , und DE102010030982A1 offenbart. Die Phasenverschiebung kann aber auch mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL) auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden. Ein hierauf basierendes Anregungsverfahren ist Gegenstand der DE00102010030982A1 .
Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstand eines Mediums in einem Behälter, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums oder der Durchfluss eines Mediums durch ein Rohr. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist.
Wie beispielweise in der DE10050299A1 beschrieben, kann die Viskosität eines Mediums mittels eines vibronischen Sensors anhand der Frequenz-Phase-Kurve (Φ=g(ω)) bestimmt werden. Dieses Vorgehen basiert auf der Abhängigkeit der Dämpfung der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums. Dabei gilt, dass je geringer die Viskosität ist, desto steiler fällt die Frequenz-Phase-Kurve ab. Um den Einfluss der Dichte auf die Messung zu eliminieren, wird die Viskosität anhand einer durch zwei unterschiedliche Werte für die Phase verursachten Frequenzänderung bestimmt, also mittels einer Relativmessung. Dazu können entweder zwei unterschiedliche Phasenwerte eingestellt und die zugehörige Frequenzänderung bestimmt werden, oder es wird ein vorgegebenes Frequenzband durchfahren und festgestellt, wenn zumindest zwei vorgegebene Phasenwerte erreicht werden.
Aus der DE102007043811A1 ist darüber hinaus bekannt geworden, aus einer Änderung der Eigenfrequenz und/oder Resonanzfrequenz und/oder der Phasenlage auf eine Änderung der Viskosität zu schließen und/oder aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums die Viskosität zu bestimmen. Auch bei diesem Vorgehen muss die Abhängigkeit der Bestimmung der Viskosität von der Dichte des Mediums berücksichtigt werden.
Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums sind aus der DE10057974A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt geworden, mittels welcher/welchem der Einfluss von zumindest einer Störgröße, beispielswese der Viskosität, auf die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit zu ermitteln und entsprechend zu kompensieren. In der DE102006033819A1 ist ferner beschrieben, eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal einzustellen, bei welcher Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vernachlässigbar sind. Dabei wird die Dichte im Wesentlichen nach der Formel $ρ_{M e d} = \frac{1}{K} [{(\frac{f_{0, v a k} + C \cdot t + A \cdot t^{2}}{f_{T, P, M e d}})}^{2} \cdot (1 + D \cdot p) - 1]$
Bestimmt, wobei K die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, F_0,vak die Frequenz der mechanischen Schwingungen im Vakuum, C und A den linearen, bzw. quadratischen Temperaturkoeffizienten der mechanisch schwingfähigen Einheit, t die Prozesstemperatur, F_T,P,Med die Frequenz der mechanischen Schwingungen im Medium, D den Druckkoeffizienten, und p der Druck des Mediums.
Um unabhängig von empirischen Annahmen zu sein, ist aus der DE102015102834A1 ein analytisches Messprinzip zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität mittels eines vibronischen Sensor bekannt geworden, das die Interaktionen zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium anhand eines mathematischen Modells berücksichtigt. Der Sensor wird bei zwei verschiedenen vorgebbaren Phasenverschiebungen betrieben und aus dem jeweiligen Antwortsignal die Prozessgrößen Dichte und/oder Viskosität ermittelt.
Nun ist es so, dass beim Betreiben eines vibronischen Sensors die jeweils vorherrschenden Prozessbedingungen, wie beispielsweise Druck oder Temperatur, die Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße beeinflussen können. Beispielsweise weist die Frequenz des von der schwingfähigen Einheit erhaltenen Empfangssignals grundsätzlich eine Abhängigkeit von der Temperatur auf. Um diesen Einfluss zu kompensieren, ist beispielsweise aus der DE102006007199A1 eine Vibrations-Grenzschalteranordnung bekannt geworden, bei welcher eine Einheit zur Bestimmung einer Prozesstemperatur ein Temperatursensor zwischen einzelne Komponenten der Antriebs-Empfangseinheit eingebracht ist. Ferner ist aus der DE102009029490 ein vibronischer Sensor bekannt, mittels welchem die Temperatur des jeweiligen Mediums bestimmbar ist. Zu diesem Zweck ist ein Temperatursensor in ein Teilelement des Füllstandsmessgeräts integriert ist, für welches Teilelement gewährleistet werden kann, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit durch den Temperatursensor unbeeinträchtigt bleiben. All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass mit Ihnen die Prozesstemperatur bestimmt werden kann. Dieses Vorgehen erlaubt aber keine vollständige Kompensation des Einflusses der Temperatur auf die Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße, da zwischen dem Ort der Temperaturbestimmung und der schwingfähigen Einheit ein Temperaturgradient auftreten kann.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit eines vibronischen Sensors zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 9.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter mit zumindest

- einer mechanisch schwingfähigen Einheit,
- einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln,
- einer Elektronikeinheit, welche dazu ausgestaltet ist, ausgehend vom Empfangssignal das Anregesignal zu erzeugen, und aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und
- einem Temperatursensor.

Indem der Temperatursensor in unmittelbarer Umgebung oder zumindest teilweise innerhalb der mechanisch schwingfähigen Einheit angeordnet ist, kann vorteilhaft eine im Wesentlichen vollständige Kompensation des Einflusses der Temperatur auf die jeweilige Messung, welche mittels des vibronischen Sensors durchgeführt wird, vorgenommen werden. Diesem Vorgehen liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Das vibronische Messprinzip basiert auf der Detektion der Schwingungen der mechanischen Einheit, welche in Form eines elektrischen Empfangssignals erfasst werden. Die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit, insbesondere eine Frequenz und/oder Amplitude der mechanischen Schwingungen, weisen eine Temperaturabhängigkeit auf. Da die jeweilige Prozessgröße nun anhand der Amplitude, Frequenz und/oder Phase des Empfangssignals ermittelt wird, ist auch die Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße temperaturabhängig. Der Ursprung des Einflusses der Temperatur auf die Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße liegt dabei in einer Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit vom Elastizitätsmodul der schwingfähigen Einheit begründet, welches selbst grundsätzlich von der Temperatur abhängt. Eine genaue Kompensation des Einflusses der Temperatur bedingt also im Prinzip eine genaue Kenntnis der Temperatur der schwingfähigen Einheit.
Problematisch an einer Temperaturbestimmung in räumlicher Distanz zur schwingfähigen Einheit ist, dass die Temperaturen der schwingfähigen Einheit, der Umgebung, des Mediums und/oder weiterer Komponenten des vibronischen Sensors nicht zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen gleich sind, da nicht zu jedem Zeitpunkt ein thermisches Gleichgewicht vorliegt. Dies ist durch verschiedene thermodynamische Effekte, wie die jeweils vorherrschende Wärmeleitung, Wärmekapazitäten der einzelnen Komponentenhängt oder gegebenenfalls zumindest teilweise und/oder zeitweise auftretende Temperaturgradienten oder bei, insbesondere sprunghaften, Temperaturänderungen der Temperatur der Umgebung oder des Mediums, begründet.
Mittels des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist die Temperatur der mechanisch schwingfähigen Einheit zu jedem Zeitpunkt bekannt. Thermodynamische Effekte wie bestimmte Wärmeleitfähigkeiten einzelner Komponenten oder von gegebenenfalls zumindest teilweise und/oder zeitweise auftretenden Temperaturgradienten können vorteilhaft eliminiert werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Membran, um einen Einstab oder um eine Schwinggabel. Bei der Prozessgröße handelt es sich wiederum bevorzugt um einen Füllstand des Mediums, um die Dichte des Mediums oder um die Viskosität des Mediums.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die die schwingfähige Einheit zumindest teilweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem Kunststoff besteht. Insbesondere Kunststoffe weisen häufig gegenüber Metallen eine deutlich verminderte Wärmeleitfähigkeit auf, so dass sich in diesem Falle eine Temperaturbestimmung direkt am Ort der schwingfähigen Einheit oder innerhalb der schwingfähigen Einheit besonders vorteilhaft ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel mit zwei an eine Membran angeformten Schwingstäben, wobei ein erster Temperatursensor in einem Wurzelbereich eines ersten Schwingstabes angeordnet ist, und wobei ein zweiter Temperatursensor, oder ein Blindelement, welches in seiner Beschaffenheit und Geometrie dem ersten Temperatursensor entspricht, in einem Wurzelbereich des zweiten Schwingstabes angeordnet ist. Der Wurzelbereich der schwingfähigen Einheit ist im Wesentlichen jeweils ein Übergangsbereich zwischen der Membran und je einem der beiden Schwingstäbe.
Indem jeweils ein Temperatursensor oder ein Temperatursensor und ein baugleiches Blindelement im Bereich der beiden Schwingstäbe angeordnet werden, bleibt vorteilhaft die Symmetrie der Schwinggabel erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Temperatursensor derart an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet, dass er zumindest in einem dem Medium zugewandten Teilbereich vollständig von der schwingfähigen Einheit umgeben ist. Der Temperatursensor ist also nicht in direktem Kontakt mit dem Medium. Bei direktem Kontakt würde die mittels des Temperatursensors ermittelte Temperatur der schwingfähigen Einheit zu jedem Zeitpunkt, zu welchem zwischen der schwingfähigen Einheit und ihrer unmittelbaren Umgebung kein thermisches Gleichgewicht vorherrscht, zu einer Verfälschung des jeweiligen Messwerts führen.
Es ist von Vorteil, wenn der Temperatursensor ein Widerstandselement, insb. ein Platin-Element, oder ein Thermoelement umfasst. Die derartigen Ausgestaltungen eines Temperatursensors zugrundeliegenden Messprinzipien sind dem Fachmann wohlbekannt und werden deshalb an dieser Stelle nicht weiter im Detail erläutert.
In einer Ausgestaltung ist der Temperatursensor an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet, welche einen im Wesentlichen maximalen Beitrag zur Änderung einer Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit infolge einer Änderung der Temperatur der schwingfähigen Einheit leistet. Bei der Resonanzfrequenz handelt es beispielsweise um die mechanische Eigenfrequenz der schwingfähigen Einheit für Schwingungen im Vakuum.
Eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit wird durch die geometrischen Dimensionen der schwingfähigen Einheit sowie durch die jeweils verwendeten Materialien, bestimmt. Eine wichtige Einflussgröße stellt neben der Massenverteilung das temperaturabhängige und ortsabhängige Elastizitätsmodul der schwingfähigen Einheit dar. Aufgrund der Ortsabhängigkeit des Elastizitätsmoduls liefern unterschiedliche Teilbereiche der schwingfähigen Einheit unterschiedliche Beiträge zur jeweiligen Resonanzfrequenz. Das gleiche gilt für die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls. Die Teilbereiche, welchen einen besonders großen Beitrag zur jeweiligen Resonanzfrequenz liefern, bedingen maßgeblich die Temperaturabhängigkeit der Schwingungsfrequenz, beispielsweise einer Resonanzfrequenz, der mechanisch schwingfähigen Einheit. Indem also der zumindest eine Temperatursensor an oder zumindest teilweise in einem Teilbereich der schwingfähigen Einheit positioniert wird, welcher Teilbereich einen möglichst großen, insbesondere im Wesentlichen maximalen, Beitrag zur Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit liefert, kann der Einfluss der Temperatur besonders genau erfasst werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Temperatursensor an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet, an welcher Position eine Zeitdauer für die Änderung der Frequenz und eine Zeitdauer für die Änderung der Temperatur in Folge einer, insbesondere sprunghaften, Änderung der Temperatur des Mediums und/oder einer Umgebungstemperatur im Wesentlichen gleich sind und/oder im Wesentlichen übereinstimmen. Die Position für den Temperatursensor wird also dahingehend ausgewählt dass die Zeitdauern für eine Sprungantwort der Frequenz und der Temperatur an diesem Ort im Wesentlichen gleich sind. Dieses Vorgehen basiert erneut auf der Tatsache, dass das Elastizitätsmodul der schwingfähigen Einheit orts- und temperaturabhängig ist. Für eine genaue Kompensation des Einflusses der Temperatur sollte ferner die Temperatur und/oder die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit entsprechend einem thermischen Gleichgewicht, welches sich nach einer, insbesondere sprunghaften, Änderung der Temperatur des Mediums und/oder einer Umgebungstemperatur einstellt, abgeschätzt werden. Bei einer geeigneten Anordnung des Temperatursensors ist eine derartige Abschätzung anhand eines Vergleichs des zeitlichen Verlaufs der Frequenz und Temperatur möglich.
Zur Positionierung des Temperatursensors an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit sind grundsätzlich verschiedene Vorgehensweisen denkbar, welche alle unter die vorliegende Erfindung fallen. Einerseits kann für ein bestehendes, insbesondere ein in einem bestehenden Sensor implementiertes Sensordesign, ein bevorzugter Ort für den Temperatursensor ermittelt werden. Andererseits kann auch ein Sensor so designt werden, dass eine Positionierung an einem wählbaren, vorgebbaren Ort an oder zumindest teilweise in der schwingfähigen Einheit besonders bevorzugt ist. Falls aus anderen messtechnisch und/oder fertigungstechnisch relevanten Überlegungen heraus die Positionierung des Temperatursensors an einem jeweils bevorzugten Ort einer bestehenden schwingfähigen Einheit nicht möglich oder problematisch ist, kann die Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit jeweils passend variiert werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet,

- die Frequenz oder einen zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals zu bestimmen,
- anhand der mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur oder eines zeitlichen Verlaufs Temperatur eine korrigierte Frequenz oder einen korrigierten zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals zu bestimmen, und
- anhand der korrigierten Frequenz des Empfangssignals oder des zeitlichen Verlaufs der Frequenz des Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen und/oder zu überwachen.

Bei dem korrigierten zeitlichen Verlauf der Frequenz handelt es sich insbesondere um eine in Bezug auf die Temperatur normierte Frequenz des Empfangssignals, bzw. der jeweiligen Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei zumindest ein Temperatursensor zumindest teilweise an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Temperatursensor während der Fertigung an oder in die mechanisch schwingfähige Einheit angebracht oder eingebracht wird.
Es ist von Vorteil, wenn die schwingfähige Einheit mittels eines Spritzverfahrens oder mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
Alternativ kann auch eine Klebung des Temperatursensors vorgenommen werden, oder es kann zumindest ein Hohlraum oder eine Vertiefung in eine bestehende schwingfähige Einheit eingebracht werden, in welchen Hohlraum bzw. in welche Vertiefung der Temperatursensor zumindest teilweise eingebracht wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Temperatursensor an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet wird, welche einen maximalen Beitrag zur Änderung einer Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit infolge einer Änderung der Temperatur der schwingfähigen Einheit leistet.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Temperatursensor an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet wird, an welcher Position eine Zeitdauer für die Änderung der Frequenz und/oder ein zeitlicher Verlauf der Frequenz sowie eine Zeitdauer für die Änderung der Temperatur und/oder ein zeitlicher Verlauf der Temperatur in Folge einer Änderung der Temperatur des Mediums und/oder einer Umgebungstemperatur im Wesentlichen gleich sind und/oder im Wesentlichen übereinstimmen.
In noch einer weiteren besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens wird der Temperatursensor an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet, für welche ein anhand eines zeitlichen Verlaufs der mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur ermittelter korrigierter zeitlicher Verlauf der Frequenz des Empfangssignals im Wesentlichen einem zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals entspricht.
Schließlich ist es von Vorteil, wenn zur Bestimmung der Position des Temperatursensors innerhalb der schwingfähigen Einheit eine Simulation, insbesondere eine Finite-Elemente-Simulation, durchgeführt wird.
Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genannten Ausführungsformen sind mutatis mutandis auch für das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar und umgekehrt.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 3 näher beschrieben. Es zeigt:

1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
2: eine schematische Zeichnung einer Schwinggabel gemäß Stand der Technik,
3 (a) den Einfluss der Temperatur auf die Resonanzfrequenz und (b) den Einfluss der Temperatur auf unterschiedliche Teilbereiche einer Schwinggabel gemäß 2,
4 eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Schwinggabel mit integriertem Temperatursensor in zwei unterschiedlichen Ansichten, und
5: das zeitliche Verhalten der Frequenz und der Temperatur einer Schwinggabel in Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Temperatur für (a,b) eine Schwinggabel aus Metall und (c,d) eine Schwinggabel aus Kunststoff.

In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Dargestellt ist eine Sensoreinheit 3 mit einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 2a befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors unter die Erfindung fallen. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 6 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
In 2 ist eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, wie sie beispielsweise im von der Anmelderin unter dem Namen LIQUIPHANT vertriebenen vibronischen Sensor 1 integriert wird, in einer Seitenansicht gezeigt. Die Schwinggabel 4 umfasst zwei an eine Membran 7 angeformte Schwingstäbe 8a,8b, an welche endseitig zwei Paddel 9a,9b angeformt sind. Die Schwingstäbe 8a,8b zusammen mit den Paddeln 9a,9b werden häufig auch als Gabelzinken bezeichnet. Um die mechanisch schwingfähige Einheit 4 in mechanische Schwingungen zu versetzen, wird mittels einer auf der den Schwingstäben 7a,7b abgewandten Seite der Membran 8 stoffschlüssig angebrachten Antriebs-/Empfangseinheit 5 eine Kraft auf die Membran 8 aufgeprägt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist eine elektromechanische Wandlereinheit, und umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Element, oder auch einen elektromagnetischen Antrieb [nicht gezeigt]. Entweder sind die Antriebseinheit 5 und die Empfangseinheit als zwei separate Einheiten aufgebaut, oder als kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Im Falle, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ein piezoelektrisches Element 9 umfasst, wird die der Membran 7 aufgeprägte Kraft über das Anlegen eines Anregesignals U_A , beispielweise in Form einer elektrischen Wechselspannung, generiert. Eine Änderung der angelegten elektrischen Spannung bewirkt eine Änderung der geometrischen Form der Antriebs-/Empfangseinheit 5, also eine Kontraktion bzw. eine Relaxation innerhalb des piezoelektrischen Elements derart, dass das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal U_A zu einer Schwingung der stoffschlüssig mit der Antriebs-/Empfangseinheit 5 verbundenen Membran 7 hervorruft. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit über die Membran an die Antriebs-/Empfangseinheit 5 übertragen und in ein elektrisches Empfangssignal U_e umgewandelt.
Die Frequenz des Empfangssignals U_e entspricht der mechanischen Schwingungsfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4 und weist eine Abhängigkeit von der Temperatur auf, wie anhand 3 erläutert wird.
In 3a ist die Frequenz des Empfangssignals U_e, bzw. die Schwingungsfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4, insbesondere eine Resonanzfrequenz, in Abhängigkeit von der Temperatur T gezeigt. Wie bereits erläutert wurde, leisten unterschiedliche Teilbereiche der schwingfähigen Einheit 4 unterschiedliche Beiträge zum Elastizitätsmodul der schwingfähigen Einheit und damit unterschiedliche Beiträge zur Temperaturabhängigkeit. Dies ist beispielhaft für die vier Teilbereiche A-D, welche in 2 markiert sind, in 3b illustriert. Wie anhand des Diagramms ersichtlich, bestimmten die Teilbereiche B und C maßgeblich die Temperaturabhängigkeit der Frequenz f. Hierbei handelt es sich um den Bereich der Membran 7 und um die Wurzelbereiche 10a, 10b der Schwingstäbe 8a,8b mit den endseitig angeformten Paddeln 9a,9b, also um einen Übergangsbereich zwischen der Membran 7 und den Schwingstäben 8a,8b. Diese Bereiche stellen im Rahmen der vorliegenden Erfindung also grundsätzlich bevorzugte Positionen zur Integration eines Temperatursensors dar.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel ist in zwei verschiedenen perspektivischen Ansichten in 4 gezeigt. Da die Teilbereiche B und C maßgeblich die Temperaturabhängigkeit der Frequenz f bestimmen, bietet sich eine Anordnung des Temperatursensors in einem dieser Bereiche bevorzugt an. Für die in 4a und 4b gezeigten Ansichten ist ein erster Temperatursensor, beispielsweise in Form eines Thermomelements, in einen ersten Wurzelbereich 10a eines ersten Schwingstabes 8a eingebracht. Ein zweiter Temperatursensor 12, ebenfalls in Form eines Thermoelements, oder ein dem ersten Temperatursensor 11 baugleiches Blindelement 12 ist, insbesondere aus symmetrischen Gründen, in den zweiten Wurzelbereich 10b des zweiten Schwingstabes 8b eingebracht.
In 5 ist das zeitliche Verhalten der Frequenz und der Temperatur in Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Temperatur für eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 aus einem Metall (5a und 5b) sowie für eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 aus einem Kunststoff (5c und 5d) gezeigt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur T wurde dabei jeweils an den vier verschiedenen Positionen A-D, wie in 2 eingezeichnet, ausgewertet. Die Diagramme sind das Ergebnis einer Finite-Elemente-Simulation, bei welcher eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel mit einer Temperatur von T=20°C plötzlich in ein Medium einer Temperatur von T=100°C vollständig eingetaucht wird. Unter vollständig eingetaucht sei dabei jener Zustand verstanden, bei welchen die Paddel 9a,9b, die Schwingstäbe 8a,8b und der dem Medium zugewandte Teilbereich der Membran 7 in Kontakt mit dem Medium 2 sind. Aufgrund verschiedener thermodynamischer Effekte, wie der Wärmeleitung innerhalb, erwärmen sich nicht alle Teilbereiche der schwingfähigen Einheit gleich schnell infolge der Temperaturänderung von ΔT=80K. Vielmehr lässt sich erkennen, dass zumindest teilweise dem jeweiligen Prozess abgewandte Teilbereiche der schwingfähigen Einheit 4, wie beispielsweise die Membran 7, deutlich langsamer der Temperaturänderung ΔT folgen, als beispielsweise die Schwingstäbe 8a,8b und die Paddel 9a,9b. Ferner machen sich die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten von Kunststoffen und Metallen bemerkbar. Während für die aus Metall gefertigte Schwinggabel bereits nach etwa 2s im Wesentlichen ein thermisches Gleichgewicht vorliegt, dauert dies für die aus einem Kunststoff gefertigte schwingfähige Einheit etwa 50s. Eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Schwingungsfrequenz f der ist also insbesondere für aus einem Kunststoff gefertigte schwingfähige Einheiten 4 vorteilhaft.
Zur Kompensation des Einflusses der Temperatur T auf die Schwingfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4 bzw. der Frequenz des Empfangssignals U_E kann eine korrigierte Frequenz errechnet werden. Hierzu wird zuerst die Frequenz oder einen zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals bestimmt. Im Anschluss wird anhand der mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur oder eines zeitlichen Verlaufs der Temperatur eine korrigierte Frequenz oder ein korrigierter zeitlicher Verlauf der Frequenz des Empfangssignals bestimmt.
Ein Beispiel für eine mögliche Korrektur der Frequenz besteht darin, eine auf die Temperatur normierte Frequenz zu ermitteln: $f_{n} = c (f (t = 0) - f (t)) + T_{i n}$
wobei f die Frequenz, T die Temperatur, t die Zeit, und T_in die Anfangstemperatur ist und wobei c gegeben ist durch $c = \frac{Δ T}{f (T = 0) - f (t_{f i n})}$
wobei t_fin der Endzeitpunkt ist, zu welchem die Endtemperatur T_fin im Wesentlichen erreicht ist und wobei ΔT= T_fin- T_in. Anhand der korrigierten Frequenz f_n des Empfangssignals U_E oder des zeitlichen Verlaufs der Frequenz f_n des Empfangssignals U_E kann die zumindest eine Prozessgröße präzise bestimmt und/oder überwacht werden. Der korrigierte zeitliche Verlauf der Frequenz ist zusammen mit den zeitlichen Verläufen der Temperatur an den Positionen A-D in den Figuren 4b (für Metall) und 4d (für Kunststoff) gezeigt.
Für Abkühlvorgänge der mechanisch schwingfähigen Einheit gelten analoge Überlegungen. Ein derartiges Beispiel ist deswegen hier nicht im Detail angegeben.
Bezugszeichenliste

1: Vibronischer Sensor
2: Medium
2a: Behälter
3: Sensoreinheit
4: Schwingfähige Einheit
5: Elektromechanische Wandlereinheit
6: Elektronikeinheit
7: Membran
8a,8b: Schwingstäbe
9a,9b: Paddel
10a, 10b: Wurzelbereiche
11: erster Temperatursensor
12: zweiter Temperatursensor oder Blindelement
U_A: Anregesignal
U_E: Empfangssignal
A-D: ausgewählte Positionen der schwingfähigen Einheit
T: Temperatur
f: Frequenz
f_n: korrigierte Frequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006034105 A1 [0005]
DE 102007013557 A1 [0005]
DE 102005015547 A1 [0005]
DE 102009026685 A1 [0005]
DE 102009028022 A1 [0005]
DE 102010030982 A1 [0005]
DE 00102010030982 A1 [0005]
DE 10050299 A1 [0007]
DE 102007043811 A1 [0008]
DE 10057974 A1 [0009]
DE 102006033819 A1 [0009]
DE 102015102834 A1 [0011]
DE 102006007199 A1 [0012]
DE 102009029490 [0012]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (2a) mit zumindest - einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), - einer Antriebs-/Empfangseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (U_A) zu Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (U_E) umzuwandeln, - einer Elektronikeinheit (6), welche dazu ausgestaltet ist, ausgehend vom Empfangssignal (U_E) das Anregesignal (U_A) zu erzeugen, und aus dem Empfangssignal (U_E) die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und - einem Temperatursensor (11,12) dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (11,12) zumindest an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet und dazu ausgestaltet ist, die Temperatur der schwingfähigen Einheit (4) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schwingfähige Einheit (4) zumindest teilweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem Kunststoff besteht.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (4) um eine Schwinggabel mit zwei an eine Membran (7) angeformten Schwingstäben (8a,8b) handelt, wobei ein erster Temperatursensor (11) in einem Wurzelbereich (10a) eines ersten Schwingstabes (8a) angeordnet ist, und wobei ein zweiter Temperatursensor (12), oder ein Blindelement (12), welches in seiner Beschaffenheit und Geometrie dem ersten Temperatursensor (11) entspricht, in einem Wurzelbereich (10b) des zweiten Schwingstabes (9b) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (11,12) derart an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet ist, dass er zumindest in einem dem Medium (2) zugewandten Teilbereich vollständig von der schwingfähigen Einheit (4) umgeben ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (11,12) ein Widerstandselement, insb. ein Platin-Element, oder ein Thermoelement umfasst.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (11,12) an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet ist, welche einen im Wesentlichen maximalen Beitrag zur Änderung einer Resonanzfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (4) infolge einer Änderung der Temperatur (T) der schwingfähigen Einheit (4) leistet.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor (11,12) an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet ist, an welcher Position eine Zeitdauer für die Änderung der Frequenz (f) und eine Zeitdauer für die Änderung der Temperatur (T) in Folge einer, insbesondere sprunghaften, Änderung der Temperatur (T) des Mediums (2a) und/oder einer Umgebungstemperatur im Wesentlichen gleich sind und/oder im Wesentlichen übereinstimmen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinheit (6) dazu ausgestaltet ist, - die Frequenz (f) oder einen zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals (U_E) zu bestimmen, - anhand der mittels des Temperatursensors (11,12) gemessenen Temperatur (T) oder eines zeitlichen Verlaufs Temperatur eine korrigierte Frequenz (f_n) oder einen korrigierten zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals (U_E) zu bestimmen, und - anhand der korrigierten Frequenz (f_n) des Empfangssignals (U_E) oder anhand des zeitlichen Verlaufs der Frequenz des Empfangssignals (U_E) die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Temperatursensor (11,12) zumindest teilweise an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dass der Temperatursensor (11,12) während der Fertigung an oder in die mechanisch schwingfähige Einheit (4) angebracht oder eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die schwingfähige Einheit (4) mittels eines Spritzverfahrens oder mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9-11, wobei der Temperatursensor (11,12) an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet wird, welche einen maximalen Beitrag zur Änderung einer Resonanzfrequenz (f) der schwingfähigen Einheit (4) infolge einer Änderung der Temperatur (T) der schwingfähigen Einheit (4) leistet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9-12, wobei der Temperatursensor (11,12) an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet wird, an welcher Position eine Zeitdauer für die Änderung der Frequenz (f) und/oder ein zeitlicher Verlauf der Frequenz sowie eine Zeitdauer für die Änderung der Temperatur (T) und/oder ein zeitlicher Verlauf der Temperatur in Folge einer Änderung der Temperatur des Mediums (2a) und/oder einer Umgebungstemperatur im Wesentlichen gleich sind und/oder im Wesentlichen übereinstimmen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9-13, wobei der Temperatursensor (11,12) an einer Position an oder zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet wird, für welche ein anhand eines zeitlichen Verlaufs der mittels des Temperatursensors gemessenen Temperatur ermittelter korrigierter zeitlicher Verlauf der Frequenz des Empfangssignals (U_E) im Wesentlichen einem zeitlichen Verlauf der Frequenz des Empfangssignals (U_E) entspricht.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9-14 wobei zur Bestimmung der Position des Temperatursensors (11,12) innerhalb der schwingfähigen Einheit (4) eine Simulation, insbesondere eine Finite-Elemente-Simulation, durchgeführt wird.