DE102018111629A1

DE102018111629A1 - Membranschwinger

Info

Publication number: DE102018111629A1
Application number: DE102018111629.2A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Mack; Tobias Brengartner
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2), umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit (4), eine Antriebs-/Empfangseinheit (5), und eine Elektronik (7), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und wobei die Elektronik (7) dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die Prozessgröße zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die mechanisch schwingfähige Einheit (4) eine erste (8) und eine parallel zur ersten angeordnete zweite scheibenförmige Membran (9) auf, welche derart angeordnet sind, dass sich zwischen der ersten (8) und zweiten Membran (9) ein Hohlraum (H) befindet, und es ist in dem Hohlraum (H) mindestens eine Koppeleinheit (12,13) angeordnet, welche mit der ersten (8) und zweiten Membran (9) zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die erste (8) und zweite Membran (9) im Wesentlichen eine gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegung ausführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, um die Dichte und/oder um die Viskosität des Mediums. Bei dem Behältnis kann es sich beispielsweise um einen Behälter oder um eine Rohrleitung handeln.
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 ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein.
Zur Anregung der resonanten Schwingung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte, vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Solch ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal kann gemäß Stand der Technik auf unterschiedliche Arten und Weisen eingestellt werden, wie beispielhaft in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 , oder DE00102010030982A1 beschrieben.
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 aber frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, können anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden werden.
Die Dichte und/oder Viskosität lassen sich dagegen nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit jeweils vom Medium bedeckt ist. Auch zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität anhand des Schwingungsverhaltens der schwingfähigen Einheit sind ebenfalls zahlreiche Ansätze aus dem Stand der Technik bekannt geworden, beispielsweise die in den Dokumenten DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 beschriebenen.
Die Verwendung einer schwingfähigen Einheit in Form einer Membran hat den Vorteil, dass die Sensoreinheit des Messgeräts im Wesentlichen frontbündig mit dem jeweiligen Behältnis abschließt. Problematisch bei solchen, auch unter Bezeichnung Membranschwinger, bekannten Sensoren ist allerdings die mechanische Entkopplung der in Form zumindest einer Membran ausgestalten schwingfähigen Einheit von dem jeweiligen Behältnis, insbesondere von einer Wandung desselben. Eine mechanische Kopplung zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Behältnis führt dazu, dass Schwingungsenergie von der schwingfähigen Einheit an das Behältnis abgegeben wird. Beispielsweise führt dies zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit bis hin zu dem Fall, dass die schwingfähige Einheit keine Schwingungen mehr ausführt.
Aus der DE102005044725B4 ist ein Membranschwinger bekannt geworden, bei welchem die schwingfähige Einheit aus zwei parallel zueinander angeordneten, durch ein Verbindungsstück verbundenen Membranen zusammengesetzt sind. Das Verbindungsstück, vorzugsweise ein zylindrisches Rohrstück, dient der Übertragung von Schwingungsenergie und Schwingungsmomenten zwischen den beiden Membranen. Im Resonanzfall schwingen die beiden Membranen gegenphasig zueinander. Kommt beispielsweise eine der beiden Membranen mit dem jeweiligen Medium in Kontakt, sind die Schwingungen der beiden Membranen dagegen nicht mehr aufeinander abgestimmt.
Der dort beschriebene Membranschwinger weist zudem zwei den Membranen zugeordnete, mit diesen mechanisch gekoppelte, Gewichtsstücke zur Reduktion der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit auf. Diese Maßnahme verbessert die Messperformance, insbesondere in ausgehenden Medien. Bei solchen Medien kommt es vermehrt zu einer Festsetzung von Gasblasen auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran, was zu einem Anstieg der Resonanzfrequenz führt. Dies hat ggf. unter anderem ein falsches Schaltverhalten des Sensors zur Folge.
Aus der DE102006058926A1 ist ebenfalls ein Membranschwinger mit zwei mechanisch miteinander gekoppelten Membranen bekannt geworden. Die beiden Membranen liegen in einem Ruhezustand im Wesentlichen in einer Ebene. Durch einen passenden Abgleich der Schwingungsbewegungen der beiden Membranen kann erreicht werden, dass die Kräfte und Momente der beiden Membranen sich gerade gegenseitig kompensieren, so dass keine Energie und keine Momente über eine Einspannung der Membranen an das Behältnis verloren geht. Auf diese Weise wird also eine mechanische Entkopplung vom Behälter erzielt.
Aus der DE102007057124A1 ist es schließlich bekannt geworden, eine Entkopplung der schwingfähigen Einheit eines Membranschwingers dadurch zu erreichen, dass die schwingfähige Einheit derart angeregt wird, dass sie lediglich solche mechanischen Schwingungen ausführt, welche Moden entsprechen, die oberhalb der Grundmode der Membran liegen. Auf diese Weise kann ein komplexer Aufbau mehrerer mechanisch miteinander gekoppelter Membranen für die schwingfähige Einheit entfallen. Allerdings ist eine Einstellung der Resonanzfrequenz mit Hinsicht auf Vermeidung der ggf. störenden Einflüsse von sich auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran bildenden Gasblasen nicht ohne weiteres möglich. Das Dokument WO2010/040583A1 schlägt zur Vermeidung der Problematik von Gasblasen vor, einen Hochspannungssweep durchzuführen. Hierdurch lösen sich die jeweils gebildeten Gasblasen zwar aufgrund der hohen auftretenden Schwingungsamplituden ab. Jedoch benötigt die Durchführung eines solchen Hochspannungssweeps vergleichsweise viel Energie und bedingt ein vergleichsweise hohes Lärmaufkommen.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Membranschwinger bereitzustellen, mit welchem sich auf einfache Art und Weise eine möglichst hohe Messgenauigkeit für einen weiten Anwendungsbereich erzielen lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, und eine Elektronik, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und wobei die Elektronik dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die Prozessgröße zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist die mechanisch schwingfähige Einheit eine erste und eine parallel zur ersten angeordnete zweite scheibenförmige Membran auf, welche derart angeordnet sind, dass sich zwischen der ersten und zweiten Membran ein Hohlraum befindet. In dem Hohlraum ist mindestens eine Koppeleinheit angeordnet, welche mit der ersten und zweiten Membran zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die erste und zweite Membran im Wesentlichen gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegungen ausführen.
Im Gegensatz zu den beschriebenen Lösungen gemäß Stand der Technik dient die Verwendung von zwei Membranen erfindungsgemäß nicht der Entkopplung vom Behältnis durch eine komplexe Anpassung des Schwingungsverhaltens der beiden Membranen relativ zueinander. Vielmehr liegt der vorliegenden Erfindung der Gedanke zugrunde, dass beide Membranen gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegungen ausführen. Die erfindungsgemäße Koppeleinheit ist derart ausgestaltet, dass mittels der Koppeleinheit das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit, insbesondere der beiden Membranen gezielt beeinflussbar ist. Insbesondere dient die Koppeleinheit der Einstellung zumindest einer charakteristischen Kenngröße der Schwingungsbewegung der die beiden Membranen umfassenden schwingfähigen Einheit, beispielsweise Amplitude oder Frequenz.
Die Antriebs-/Empfangseinheit ist beispielsweise derart angeordnet, dass sie die erste Membran zu mechanischen Schwingungen anregt. Über die Koppeleinheit wird dann die zweite Membran zu Schwingungen angeregt, welche der Schwingungsbewegung der ersten Membran gleicht. Bevorzugt ist die zweite Membran in diesem Fall dem Prozess zugewandt und kommt zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Medium in Kontakt.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Prozessgröße um einen Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass der Hohlraum gegenüber dem Prozess und einem Innenvolumen der Vorrichtung dicht verschlossen ist, und dass es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit um ein den Hohlraum, insbesondere vollständig, füllendes Füllmaterial handelt. Das Füllmaterial kommt mit der ersten und zweiten Membran in Kontakt und bedingt somit eine mechanische Kopplung der ersten und zweiten Membran.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Füllmaterial eine Flüssigkeit, vorzugsweise ein Silikonöl oder ein Halocarbonöl, ist. Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu anderen möglichen Füllstoffen in der Regel deutlich weniger kompressibel sind und damit eine Vermittlung bzw. Übertragung der Schwingungsenergie zwischen den beiden Membranen im Wesentlichen verlustfrei möglich ist. Die Flüssigkeit kann ferner in Bezug auf den Siedepunkt ausgewählt werden. Vorzugsweise wird der Siedepunkt der Flüssigkeit passend für den jeweiligen Anwendungsbereich der Vorrichtung, insbesondere hinsichtlich der Prozesstemperatur des jeweils verwendeten Mediums, gewählt.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das Füllmaterial eine Viskosität η<100mPas und/oder eine Dichte ρ>1g/cm³ aufweist. Die Viskosität bestimmt unter anderem die intrinsische Dämpfung des Füllmaterials. Im Rahmen der Ausgestaltung der Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials ist eine geringe Dämpfung durch das Füllmaterial für eine möglichst verlustfreie Vermittlung bzw. Übertragung der Schwingungsenergie wünschenswert. Die Dichte des Füllmaterials bestimmt dagegen bei festem Volumen des Hohlraums dessen Masse. Mittels der Dichte kann somit die Masse der schwingfähigen Einheit erhöht werden. Es ist ein großer Vorteil, dass durch die Erhöhung der Masse anhand des Füllmaterials keine Veränderung der Steifigkeit der beiden Membranen erfolgt. Somit kann durch die Dichte, bzw. Masse, der Koppeleinheit die Frequenz der schwingfähigen Einheit gezielt beeinflusst werden und somit unter anderem die Problematik, welche mit der Entstehung von Gasblasen auf der dem Prozess zugewandten Oberfläche der prozessberührenden Membran vermieden werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein Volumen des Hohlraums und/oder eine Eigenschaft des Füllmaterials derart gewählt ist/sind, dass eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1kHZ ist, und wenn das Volumen des Hohlraums derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% ist. Die Sensitivität s eines vibronischen Sensors ist dabei gegeben durch $S = \frac{ω_{0} - ω_{M}}{ω_{0}} \cdot 100 %$
wobei ω₀ die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit im Vakuum und ω_M die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit in einem Medium, beispielsweise in einer Flüssigkeit mit einer Dichte zwischen 0,3-2,0 g/cm³.
Die Dimension des Hohlraums, insbesondere dessen Volumen ergibt sich unter anderem aus den Dimensionen der Membranen und deren Abstand zueinander. Durch die relative Anordnung der beiden Membranen zueinander, insbesondere durch deren Abstand voneinander. Der Abstand der beiden Membranen wird allerdings auf der anderen Seite durch das Erfordernis einer effizienten Übertragung der Schwingungsenergie zwischen den beiden Membranen mittels der Koppeleinheit begrenzt. Bei festem Volumen wiederum können die Resonanzfrequenz und Sensitivität durch die chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Füllmaterials beeinflusst werden, insbesondere über die Dichte und Viskosität des Füllmaterials.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit um zumindest ein stabförmiges Element handelt, welches sich in dem Hohlraum befindet und in einem ersten Endbereich mit der ersten und in einem zweiten Endbereich mit der zweiten Membran kraftschlüssig verbunden ist. Durch das zumindest eine stabförmige Element werden die beiden Membranen also miteinander verbunden bzw. mechanisch miteinander gekoppelt.
Für diese Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn ein Durchmesser des stabförmigen Elements im ersten und zweiten Endbereich geringer ist als in einem mittleren Bereich. Durch die Erhöhung des Durchmessers kann, ähnlich wie im Falle der Ausgestaltung der Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials eine Erhöhung der Masse, und damit einhergehend, eine Beeinflussung der Frequenz, der schwingfähigen Einheit erreicht werden. Die Kontaktflächen zwischen der ersten und zweiten Membran und dem stabförmigen Element sind vorteilhaft von dieser Maßnahme nicht betroffen, so dass durch die Massenerhöhung keine Änderung der Steifigkeiten der Membranen hervorgerufen wird.
Ferner ist es von Vorteil, wenn ein eine Länge, Dicke und/oder Masse des stabförmigen Elements derart gewählt ist/sind derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1 kHZ ist, ist, und wobei das Volumen des Hohlraums derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% ist. Auch für diese Ausgestaltung sind der Längenausdehnung des stabförmigen Elements Grenzen hinsichtlich der Effizienz der Übertragung von Schwingungsenergie gesetzt. Die Masse kann einerseits durch die Materialeigenschaften des stabförmigen Elements, oder über dessen geometrische Dimensionierung beeinflusst werden. Wichtig ist in dieser Hinsicht, dass durch das stabförmige Element eine möglichst geringe Beeinflussung der Steifigkeiten der beiden Membranen erfolgt.
Es ist ebenfalls möglich, eine erste Koppeleinheit in Form eines Füllstoffes und eine zweite Koppeleinheit in Form zumindest eines stabförmigen Elements zu verwenden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt in der Regel über ein Gehäuse. Beispielsweise können die beiden Membranen in dem Gehäuse befestigt sein, und gemeinsam mit zumindest einem Teilbereich zumindest einer Wandung des Gehäuses den Hohlraum bilden. Beispielsweise kann das Gehäuse rohrförmig ausgestalte sein, wobei die mit dem Prozess in Berührung kommende Membran in einem Endbereich des rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist, und wobei die zweite Membran in einem vorgebbaren Abstand zur ersten Membran innerhalb des rohrförmigen Gehäuses angeordnet und an einer inneren Wandung des Gehäuses befestigt ist.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet wiederum, dass die schwingfähige Einheit einen rohrförmigen Körper aufweist, wobei in einem ersten Endbereich des Körpers die erste Membran und in einem zweiten Endbereich des Körpers die zweite Membran angeordnet ist, derart dass die erste und zweite Membran sowie der Körper den Hohlraum bilden. Die beiden Membranen sind in diesem Fall also durch die Koppeleinheit und durch den rohrförmigen Körper mechanisch gekoppelt.
Beispielsweise weisen in einer Ausgestaltung unabhängig davon, ob die schwingfähige Einheit einen rohrförmigen Körper umfasst, oder ob die Membranen an/in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet sind, die beiden Membranen jeweils eine kreisrunde Querschnittsfläche auf, während das Gehäuse bzw. der rohrförmige Körper zylindrisch ausgestaltet sind. In diesem Falle handelt es sich um einen zylinderförmigen Hohlkörper.
Bezüglich des rohrförmigen Körpers ist es von Vorteil, wenn eine Dicke der Wandung des Körpers zumindest in einem Teilbereich derart gewählt ist, dass eine Steifigkeit der Wandung des Körpers mindestens einer Steifigkeit der ersten und/oder zweiten Membran entspricht, insbesondere ist die Steifigkeit der Wandung in dem Teilbereich des Körpers mindestens eine Größenordnung größer als die Steifigkeit der ersten und/oder zweiten Membran. Der Teilbereich umfasst dabei bevorzugt den dem Kontaktbereich mit den beiden Membranen abgewandten Bereich des rohrförmigen Körpers. Hierdurch kann erreicht werden, dass möglichst wenig Schwingungsenergie von den beiden Membranen auf den rohrförmigen Körper übertragen wird.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass zumindest eine der Membranen und/oder der Körper zumindest teilweise aus einem Kunststoff, einer Keramik oder einem Metall besteht/bestehen. Vorzugsweise sind beide Membranen oder beide Membranen und der rohrförmige Körper aus dem gleichen Material gefertigt.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass eine Dicke und/oder Steifigkeit der ersten Membran und eine Dicke und/oder Steifigkeit der zweiten Membran im Wesentlichen gleich sind. Dies ist hinsichtlich des zu erzielenden gleichartigen Schwingungsverhaltens von Vorteil. Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn die Dimensionierung beider Membranen im Wesentlichen gleich ist, insbesondere, wenn die Querschnittsflächen beider Membranen im Wesentlichen gleich sind.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn ein Ausdehnungskoeffizient der Koppeleinheit im Wesentlichen den gleichen Wert aufweist wie ein Ausdehnungskoeffizient der ersten Membran, der zweiten Membran und/oder des rohrförmigen Körpers. Durch die Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten kann ein ähnliches Verhalten der verschiedenen Komponenten bei Änderungen der Umgebungs- und/oder Prozesstemperatur in einem erweiterten Temperaturbereich gewährleistet werden Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet schließlich, dass die Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, eine höhere Schwingungsmode, insbesondere die erste höhere Schwingungsmode, der schwingfähigen Einheit anzuregen. Durch die Anregung höherer Schwingungsmoden kann eine Entkopplung der schwingfähigen Einheit vom jeweiligen Behältnis erzielt werden. In dieser Hinsicht wird vollumfänglich auf die DE102007057124A1 Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 4 näher beschrieben. Es zeigt:

1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors in Form eines Membranschwingers gemäß Stand der Technik,
2: eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Einheit (a) ohne und (b) mit einem rohrförmigen Körper,
3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials,
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Koppeleinheit in Form eines stabförmigen Elements.

In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 mit einer Membran 5, welche zumindest teilweise und/oder zeitweise mit dem Medium 3 in Kontakt kommt, welches sich in dem Behälter 2 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 6 zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche Antriebs-/Empfangseinheit 6 beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb gegeben sein kann. Andere vibronische Sensoren 1 verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 6. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 6 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 7, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder - speisung erfolgt.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 4 ist über den Prozessanschluss 2a in eine Wandung W des Behälters 2 eingebracht. Bei mangelnder mechanischer Entkopplung der Membran 5 vom Prozess, oder auch im Falle, dass die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 in einem Bereich liegt, in welchem der Einfluss sich möglicherweise an der prozesszugewandten Oberfläche bildender Gasblasen relevant sind, kann es zu einer deutlichen Verringerung der messtechnischen Eigenschaften des Sensors 1 kommen.
Mittels der vorliegenden Erfindung sollen derartige die messtechnischen Eigenschaften eines vibronischen Sensors 1 in Form eines Membranschwingers, verschlechternde Einflüsse, deutlich verringert werden.
In 2 sind zwei beispielhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen schwingfähigen Einheit 4 gezeigt. Die schwingfähige Einheit 4 umfasst jeweils eine erste 8 und eine zweite Membran 9, welche für die hier gezeigte Ausgestaltung, aber nicht zwingend notwendig, identisch ausgestaltet sind. Nicht gezeigt ist in 2 der Einfachheit halber die Koppeleinheit 12. Bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die schwingfähige Einheit 4 einen rohrförmigen Körper 10. Die erste Membran 8 ist in einem ersten Endbereich 10a des Körpers 10 und die zweite Membran 9 ist in einem zweiten Endbereich 10b des Körpers 10 angeordnet. Auf diese Art und Weise bilden die beiden Membranen 8,9 zusammen mit dem Körper den Hohlraum H.
Ist kein rohrförmiger Körper 10 vorgesehen, können die Membranen 8,9 beispielsweise auch in einem Gehäuse 11 der Vorrichtung 1 angeordnet sein, wie in 2b gezeigt. In diesem Fall bilden die beiden Membranen 8,9 zusammen mit dem Teilabschnitt T der Wandung W des Gehäuses 11 der Vorrichtung 1 den Hohlraum H. Dabei ist die zweite Membran in einem Endbereich 11a des Gehäuses 11 angeordnet, während die erste Membran an der Wandung W des Gehäuses 11 befestigt ist.
Für die beiden in 2 gezeigten Varianten sei angenommen, dass die erste Membran 8 zumindest zeitweise und/oder teilweise mit dem Prozess in Berührung. Die Antriebs-/Empfangseinheit 6 ist dann bevorzugt im Bereich der zweiten Membran 9 im dem Hohlraum H abgewandten Bereich angeordnet. Die Einbringung der Membranen 8,9 in den rohrförmigen Körper 10 oder das Gehäuse 11 kann mit allen üblichen dem Fachmann bekannten Befestigungsweisen erfolgen. Beispielsweise können die Membranen 8,9 mit dem rohrförmigen Körper 10 oder dem Gehäuse 11 verschweißt werden.
Eine erste besonders bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 gezeigt. Die schwingfähige Einheit 4 umfasst hier ein Koppeleinheit 12 in Form eines Füllmaterials. Das Füllmaterial 12 füllt den gesamten Hohlraum H aus und ist somit mit der ersten 8 und zweiten Membran 9 in direktem mechanischen Kontakt. Der Kontakt besteht dabei zwischen der dem Hohlraum H jeweils zugewandten Oberfläche der ersten 8 und zweiten Membran 9. Für das hier gezeigte Beispiel sei angenommen, dass es sich bei dem Füllmaterial um eine Flüssigkeit mit der Dichte ρ und der Viskosität η handelt. Weiterhin umfasst die schwingfähige Einheit für das gezeigte Beispiel den rohrförmigen Körper 10. Es versteht sich von selbst, dass analoge Überlegungen für eine Ausgestaltung, in welcher die Membranen 8,9 in ein Gehäuse 11 eingebracht sind, gelten.
Eine mögliche Schwingungsbewegung einer derartigen schwingfähigen Einheit ist in 3b skizziert. Die Antriebs-Empfangseinheit 6 ist im dem Hohlraum H abgewandten Bereich der zweiten Membran 9 angeordnet und dient dem Anregen der schwingfähigen Einheit 4 zu mechanischen Schwingungen und dem Empfangen der mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4.
Die erste Membran 8 wird über die Koppeleinheit 12 ebenfalls zu Schwingungen angeregt. Dabei sind die Schwingungsbewegungen der beiden Membranen gleichartig, insbesondere gleichphasig.
Ohne die Koppeleinheit 12 würde die Eigenfrequenz ω₁ der schwingfähigen Einheit 4 sich gemäß $ω_{1} = \sqrt{\frac{c}{m_{M}}}$
bestimmen, wobei m_m die mitschwinge Masse der Membran und c die Federkonstante ist.
Umfasst die schwingfähige Einheit 4 dagegen die Koppeleinheit 12 mit der Masse m_FI , so ergibt sich für die Resonanzfrequenz ω₂ der aus den beiden Membranen 8,9 und der Koppeleinheit 12 gebildeten schwingfähigen Einheit 4: $ω_{2} = \sqrt{\frac{2 c}{2 m_{M} + m_{F l}}}$
Das Verhältnis der beiden Eigenfrequenzen ω₁ und ω₂ ergibt sich dann zu: $\frac{ω_{1}}{ω_{2}} = \sqrt{\frac{2 m_{M} + m_{F f}}{2 m_{M}} =} \sqrt{1 + \frac{m_{F l}}{2 m_{M}}}$
Bei festem Durchmesser d der Membranen 8,9 bestimmt sich die Masse m_FI der Flüssigkeit bzw. der Koppeleinheit 12 aus der Höhe h_FI des mit der Flüssigkeit vollständig gefüllten Hohlraums H sowie aus der Dichte ρ der Flüssigkeit. Je größer die Masse m_FL der Flüssigkeit, desto stärker kann die Resonanzfrequenz ω₂ durch die Verwendung der Koppeleinheit 12 verringert werden. Auch eine Vergrößerung der Dicke h_M der Membranen 8,9 führt zu einer Vergrößerung der Masse der schwingfähigen Einheit 4. Allerdings hat die Dicke h_M der Membran 8,9 einen Einfluss auf deren Steifigkeit, so dass es durch eine Vergrößerung der Dicke h_M der Membran 8,9 nachteilig nicht zu einer gewünschten Reduzierung der Resonanzfrequenz ω der schwingfähigen Einheit 4 kommt.
Analoge Überlegungen gelten für den Fall, dass die schwingfähige Einheit in einer höheren Schwingungsmode angeregt wird. Eine derartige Anregung dient der Entkopplung der Schwingungsbewegungen der schwingfähigen Einheit 4 vom Behälter 2.
Eine zweite besonders bevorzugte Ausgestaltung für eine erfindungsgemäße schwingfähige Einheit 4 ist in 4 gezeigt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit bezieht sich das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel auf einen vibronischen Sensor 1, bei welchem die erste höhere Schwingungsmode angeregt wird.
Die in 4a gezeigte Koppeleinheit 13 umfasst zwei stabförmige Elemente 13a und 13b, welche mit den beiden Membranen 8,9 in den jeweiligen Endbereichen a,a' und b,b' kraftschlüssig verbunden sind. Der mechanische Kontakt besteht dabei nur zwischen den Endbereichen a,a' und b,b' zwischen den stabförmigen Elementen 13a, 13b und den jeweiligen Teilbereichen der dem Hohlraum H jeweils zugewandten Oberfläche der ersten 8 und zweiten Membran 9.
Auch für die Ausgestaltung gemäß 4 kommen wieder alle dem Fachmann bekannten Befestigungsweisen in Frage; insbesondere können die stabförmigen Elemente 13a und 13b an die beiden Membranen 8,9 angeschweißt sein. Die beiden stabförmigen Elemente 13a, 13b verlaufen durch den Hohlraum H, welcher durch die beiden Membranen 8,9 und den rohrförmigen Körper 10 gebildet wird. Auch für die Ausgestaltungen gemäß 4 kann alternativ auch eine Befestigung der Membranen 8,9 im Gehäuse 11 realisiert werden. Zur Erhöhung der Masse m_se der beiden stabförmigen Elemente 13a, 13b, können die Elemente 13a, 13b entlang ihrer Längsachse im Durchmesser variieren. Beispielsweise umfassen für die Ausgestaltung aus 4b die stabförmigen Elemente 13a, 13b Gewichtselemente 14a, 14b, welche kraftschlüssig mit den beiden stabförmigen Elementen 13a, 13b verbunden sind.
Es sei darauf verwiesen, dass die Anzahl der stabförmigen Elemente 13a, 13b jeweils an die gewünschte Schwingungsbewegung der schwingfähigen Einheit 4 angepasst werden kann. Zumindest ein stabförmiges Element 13a ist beispielsweise für Schwingungsbewegungen der schwingfähigen Einheit 4 entsprechend der Grundschwingungsmode ausreichend.
Auch für die konkrete Ausgestaltung der stabförmigen Elemente 13a, 13b und der ggf. verwendeten Gewichtswelemente14a, 14b bestehen mehrere Freiheitsgrade. Eine abschnittsweise Änderung des Durchmessers der stabförmigen Elemente 13a, 13b kann einerseits durch eine, insb. kontinuierliche oder abrupte, Variation des Durchmessers erreicht werden. Auch die Verwendung von Gewichtselementen 14a, 14b stellt im Prinzip eine Variation des Durchmessers der stabförmigen Elemente 13a, 13b dar.
Schließlich sei ebenfalls darauf verwiesen, dass auch solche Ausgestaltungen denkbar sind, in denen die schwingfähige Einheit 4 sowohl eine Koppeleinheit 12 in Form eines Füllmaterials als auch eine Koppeleinheit 13 in Form zumindest eines stabförmigen Element 13a, 13b - mit oder ohne zusätzlichem Gewichtselement 14a und 14b - aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Vibronischer Sensor
2: Behältnis
2a: Prozessanschluss
3: Medium
4: Schwingfähige Einheit
5: Membran
6: Antriebs-/Empfangseinheit
7: Elektronikeinheit
8: erste Membran
9: zweite Membran
10: rohrförmiger Körper
11: Gehäuse
12: Koppeleinheit in Form eines Füllmaterials
13, 13a, 13b: Koppeleinheit in Form stabförmiger Elemente
14a, 14b: Gewichtselemente
ρ: Dichte des Mediums
v: Viskosität des Mediums
W: Wandung Behälter
H: Hohlraum
T: Teilabschnitt
ω₀: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit im Vakuum
ω_M: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit in einem Medium
ω₁: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit ohne Koppeleinheit
ω₂: Resonanzfrequenz einer schwingfähigen Einheit mit Koppeleinheit
m_M: mitschwingende Masse der Membran
m_FL: mitschwingende Masse der Koppeleinheit, bzw. Flüssigkeit
h_m: Dicke der Membran
h_fl: Höhe des Hohlraums
a,a', b,b': Endbereiche der stabförmigem Elemente
d: Durchmesser der Membran
s: Sensitivität des Sensors

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 [0007]
DE 10057974 A1 [0007]
DE 102006033819 A1 [0007]
DE 102015102834 A1 [0007]
DE 102016112743 A1 [0007]
DE 102005044725 B4 [0009]
DE 102006058926 A1 [0011]
DE 102007057124 A1 [0012, 0033]
WO 2010/040583 A1 [0012]

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (3) in einem Behältnis (2), umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit (4), eine Antriebs-/Empfangseinheit (5), und eine Elektronik (7), wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) dazu ausgestaltet ist, die schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und wobei die Elektronik (7) dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die Prozessgröße zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (4) eine erste (8) und eine parallel zur ersten angeordnete zweite scheibenförmige Membran (9) aufweist, welche derart angeordnet sind, dass sich zwischen der ersten (8) und zweiten Membran (9) ein Hohlraum (H) befindet, und dass in dem Hohlraum (H) mindestens eine Koppeleinheit (12,13) angeordnet ist, welche mit der ersten (8) und zweiten Membran (9) zumindest teilweise in mechanischem Kontakt steht und derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die erste (8) und zweite Membran (9) im Wesentlichen eine gleichartige, insbesondere gleichphasige, Schwingungsbewegung ausführen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Prozessgröße um einen Füllstand, insbesondere eine Grenzstand, die Dichte (ρ) oder die Viskosität (η) des Mediums (3) handelt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum (H) gegenüber dem Prozess und einem Innenvolumen der Vorrichtung (1) dicht verschlossen ist, und wobei es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit (12) um ein den Hohlraum, insbesondere vollständig, füllendes Füllmaterial handelt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das Füllmaterial (12) eine Flüssigkeit, vorzugsweise ein Silikonöl oder ein Halocarbonöl, ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Füllmaterial (12) eine Viskosität η<100mPas und/oder eine Dichte ρ>1g/cm³ aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3-5 wobei ein Volumen des Hohlraums (H) derart gewählt ist, dass eine Resonanzfrequenz (ω₂) der schwingfähigen Einheit (4) kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz (ω₂) der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1kHZ ist, und wobei das Volumen des Hohlraums (H) derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% beträgt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der zumindest einen Koppeleinheit (13) um zumindest ein stabförmiges Element (13a, 13b) handelt, welches sich in dem Hohlraum (H) befindet, und in einem ersten Endbereich (a,a') mit der ersten (8) und in einem zweiten Endbereich (b,b') mit der zweiten Membran (9) kraftschlüssig verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei ein Durchmesser des stabförmigen Elements im ersten (a,a') und zweiten Endbereich (b,b') geringer ist als in einem mittleren Bereich.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Länge, Dicke und/oder Masse des stabförmigen Elements (13a, 13b) derart gewählt ist/sind, dass eine Resonanzfrequenz (ω₂) der schwingfähigen Einheit (4) kleiner ist als eine Resonanzfrequenz von sich im Bereich der schwingfähigen Einheit möglicherweise bildenden Blasen, vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz (ω₂) der schwingfähigen Einheit ω₂<5kHZ, insbesondere ω₂<1kHZ ist, und wobei das Volumen des Hohlraums (H) derart gewählt ist, dass eine Sensitivität der Vorrichtung s≥5% beträgt.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die schwingfähige Einheit (4) einen rohrförmigen Körper (10) aufweist, wobei in einem ersten Endbereich (10a) des Körpers (10) die erste Membran (8) und in einem zweiten Endbereich (10b) des Körpers (10) die zweite Membran (9) angeordnet ist, derart dass die erste (8) und zweite Membran (9) sowie der Körper (10) den Hohlraum (H) bilden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei eine Dicke der Wandung des Körpers (10) zumindest in einem Teilbereich derart gewählt ist, dass eine Steifigkeit der Wandung des Körpers (10) mindestens einer Steifigkeit der ersten (8) und/oder zweiten (9) Membran entspricht, insbesondere dass die Steifigkeit der Wandung des Körpers (10) in dem Teilbereich mindestens eine Größenordnung größer ist als die Steifigkeit der ersten (8) und/oder zweiten Membran (9).
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der Membranen (8,9) und/oder der Körper (10) zumindest teilweise aus einem Kunststoff, einer Keramik oder einem Metall besteht/bestehen.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Dicke (h_M) und/oder Steifigkeit der ersten Membran (8) und eine Dicke (h_M) und/oder Steifigkeit der zweiten Membran (9) im Wesentlichen gleich sind.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Ausdehnungskoeffizient der Koppeleinheit (12,13) im Wesentlichen den gleichen Wert aufweist wie ein Ausdehnungskoeffizient der ersten (8) Membran, der zweiten Membran (9) und/oder des rohrförmigen Körpers (10).
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit (6) dazu ausgestaltet ist, eine höhere Schwingungsmode, insbesondere die erste höhere Schwingungsmode, der schwingfähigen Einheit (4) anzuregen.