DE102016118445A1 - Vibration sensor and method for operating a vibration sensor - Google Patents
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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.Vibration sensor (1) having a diaphragm (5) which can be excited to vibrate by means of a piezoelectric drive (3) with a mechanical oscillator (10) arranged on the diaphragm with at least two eigenmodes (100, 110, 120, 130) and electronics for controlling the drive (3) and for evaluating vibrations detected by means of the drive (3), wherein the drive (3) comprises at least one piezoelectric element (7), wherein the piezoelectric element (7) has at least four separately controllable sectors (71, 72, 73, 74).
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. The present invention relates to a vibration sensor according to the preamble of
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. Vibration sensors known from the prior art have a membrane which can be excited to vibrate by means of a piezoelectric drive, with a mechanical oscillator | DL1 arranged on the diaphragm, as well as electronics for controlling the drive and for evaluating detected vibrations.
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. These are often used as a vibration level switch with a vibratable membrane and a drive for moving the membrane in vibration and / or tapping a vibration of the membrane and a membrane arranged on the mechanical vibrator, often being used as a drive piezoelectric elements , Such vibration level limit switches are used in particular for the detection of levels or limit levels in containers for flowable and fluidizable media, in particular for liquids or bulk solids. Depending on the level in the container, the vibration level switches are in contact or not with the medium, so that an oscillation frequency of the membrane or of the mechanical oscillator arranged on the membrane is influenced by the contact with the medium.
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. The vibration sensors known from the prior art are often operated with a glued drive, wherein in this drive a disc-shaped piezoelectric element is glued with the interposition of a compensating element for adjusting the thermal expansion coefficient of the diaphragm and piezoelectric element with the membrane.
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. In order to set the membrane in vibration and to detect vibrations of the membranes and to be able to convert them into a measuring signal, the piezoelectric element has at least two electrical contacts. At least one first electrical contacting is applied to an upper side of the piezoelectric element and at least one second electrical contacting is applied to a lower side of the piezoelectric element. Typically, surface-applied metallizations are used for contacting the piezoelectric element.
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. In the piezoelectric actuators known from the prior art, the underside of the piezoelectric element, i. a membrane-facing surface of the piezoelectric element, usually contacted over the entire surface while the top of the piezoelectric element, d. H. the membrane of the pioneering surface of the piezoelectric element is provided either with one or more electrical contacts. For example, the upper side of the piezoelectric element can be contacted in a four-part segmented manner and two diagonally opposite segments can be electrically contacted together in each case. In this way it is possible via two of the contacts to couple a movement in the membrane and simultaneously detect a frequency and / or amplitude of the membrane via the other two contacts. If the surface is not contacted in a segmented manner, excitation and detection can only be carried out sequentially.
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. In the piezo elements typically used, a voltage is generated by the piezoelectric element which is proportional to a curvature of the piezoelectric element and can be tapped off via the contacts. Conversely, an applied voltage is converted into a proportional curvature of the piezo element and thus of the membrane.
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. Tuning fork-like arrangements are frequently used as mechanical oscillators, in which two paddles arranged symmetrically on the membrane and oriented parallel to one another are used for vibration transmission. These paddles usually have a rod-shaped coupling to the membrane and, like a paddle widened flat free end.
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. The vibration sensors known from the prior art merely measure a frequency shift occurring when a mechanical oscillator is immersed in the medium to be detected relative to the frequency of a zero resonance and derive a switching command from this frequency shift. The above-described excitation of two diagonally opposite segments stimulates the so-called clap mode, in which the paddles of the mechanical oscillator move toward and away from each other along a surface normal of the paddle.
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. In the drives used in the prior art, the resonant frequency of the Clap mode is coupled either in the full-surface contact of the piezoelectric element and the mechanical oscillator begins to oscillate due to the coupled frequency in the corresponding eigenmode or it is in segmented contacted piezoelectric actuators on two segments Natural frequency of the Clap mode coupled and performed on the two remaining segments, a detection of the forming vibration frequency.
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. When measurements are taken in highly viscous media, after covering the mechanical oscillator and subsequent removal of the medium, adhesions often occur or between the paddles of the mechanical oscillator, which likewise lead to a frequency shift, which can be interpreted as covering the mechanical oscillator. This situation leads after the withdrawal of the medium to a significantly delayed change in the switching state of the known from the prior art sensors. Sometimes it can also misdetections occur. This is perceived as a significant disadvantage in the prior art.
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. It is the object of the present invention to provide a vibration sensor which has a better detection behavior and fewer misdetections. Further, it is an object of the present invention to provide a method of operating such a vibration sensor by which misdetections are avoided.
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. These objects are achieved by a vibration sensor having the features of
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben. Advantageous developments are specified in the dependent claims.
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. A vibration sensor according to the invention having a diaphragm which can be excited to vibrate by means of a piezoelectric drive and has a mechanical oscillator arranged on the diaphragm, which has at least two eigenmodes, and electronics for controlling the drive and for evaluating vibrations detected by means of the drive is characterized in that the drive comprises at least one piezoelectric element, wherein the piezoelectric element has at least four sectors that can be controlled separately from one another.
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. By a corresponding configuration of the piezoelectric element with at least four separately controllable sectors is achieved that in addition to the Clap mode used in the prior art exclusively for level detection also another eigenmode, in particular the clap-transverse mode in which the vibration elements of the mechanical Vibrate opposite and orthogonal to their respective surface normal, can be excited.
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. The present invention is based on the finding that for the detection of a covering of the mechanical oscillator with a medium, the Clap mode has a particularly high frequency shift relative to the empty resonance. If the clap-transverse mode is examined with the same coverage of the mechanical oscillator, this shows that this has a significantly lower frequency shift. In contrast, an adhesion to the mechanical oscillator acts as a sluggish mass on both the Clap mode and the Clap-Quer mode and causes an equally large relative frequency shift for both modes in comparison to the respective empty resonance, so that the presence an adhesion can be detected.
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. In contrast to the prior art, according to the present invention, all four sectors of the piezoelectric element are controlled simultaneously and specifically, so that a targeted excitation of different eigenmodes of the mechanical oscillator can take place by exciting a targeted deformation of the membrane.
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. For a targeted excitation of the different eigenmodes of the mechanical oscillator by coupling a targeted deformation in the membrane, it is advantageous if the four sectors of the piezoelectric element are contacted at least on one side of the piezoelectric element by four, substantially equal electrodes. Advantageously, the piezoelectric element is disc-shaped with a substantially circular base surface, wherein the sectors and the electrodes in each case occupy substantially a quarter of the base surface and corresponding to each other, in particular congruent, are arranged.
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. According to the present application, a substantially circular base area also includes deviating base surfaces which, for example, have an elliptical shape and / or have in their shape a base surface which is adapted to a vibration of the mechanical oscillator forming the membrane. Likewise, the electrodes, which occupy substantially one quarter of the base area, can be adapted to a deformation of the membrane which forms during a vibration of the mechanical oscillator. By an appropriate adaptation, for example, an increased electrical amplitude can be achieved, so that a further improved detection is made possible.
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. A corresponding arrangement of electrodes and sectors means in particular that each one sector of the piezoelectric element is associated with an electrode and electrically contacted this sector.
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. A simple electrical control of the piezoelectric element with a simple structure can be achieved if the piezoelectric element has a full-surface backside electrode on a second side. Due to the fact that the piezo element on the first side, in particular the upper side, is selectively contacted and on the second side, in particular the underside has a full-surface back electrode, a simple coupling of the ground potential to the back and a simple coupling a voltage excitation or tapping voltages for detection on the top can be done ,
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. It is advantageous if the piezoelectric element, the electrodes and the electronics are designed and matched to one another such that two adjacent sectors of the piezoelectric element and in a second control mode each two diagonally opposite sectors of the piezoelectric element can be excited in such a way that the piezoelectric element deforms rectified in these sectors. In a piezoelectric element glued directly or indirectly to the membrane, the membrane is either essentially curved in the same direction as a result of these two activation modes, as a result of which the clap mode can be excited or curved in opposite directions, whereby the clap-transverse mode can be excited. The oppositely curved membrane resembles a hyperbolic paraboloid or a saddle surface. The sector boundary lines of the piezo in each case form the node lines of the mechanical oscillation, wherein the rod-shaped connection of the paddle of the mechanical oscillator is ideally mounted directly on this node line.
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. If the piezoelectric element has at least two sections of different polarization direction, the above-mentioned deformations can be more easily coupled into the membrane and the ground potential of the backside electrode is in each case constant between the starting voltages due to the equivalent starting voltage necessary for a rectified deformation. By a bipolar excitation voltage, the ground potential can thus be coupled capacitively and a direct electrical contacting of the return electrode is not necessary.
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. According to the present invention, there is further provided a method of operating a vibration sensor, wherein a mechanical vibrator disposed on a diaphragm is excited to vibrate by means of a drive, and vibration of the mechanical vibrator is detected to detect a coverage state of the mechanical vibrator, the method thereby being characterized in that at least two different eigenmodes of the mechanical oscillator are alternately excited to detect the coverage state of the mechanical oscillator and of adhesions to the mechanical oscillator, and a respectively resulting oscillation is detected.
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. By alternately exciting different eigenmodes of the mechanical oscillator, on the one hand a covering of the mechanical oscillator with medium can be detected and on the other hand an adhesion to the mechanical oscillator can be detected.
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. Alternate within the meaning of the present application does not mean that the second excitation mode always necessarily follows the first excitation mode and vice versa, but may also mean in the sense of the present application that one of the excitation modes occurs several times. In this case, however, alternating means in particular that both the first and the second excitation mode are excited in one measurement cycle in each case.
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. Advantageously, the two different eigenmodes have a different direction of oscillation, these preferably being substantially orthogonal to one another. A particularly good detection can be achieved if a first eigenmode for detecting a covering oscillates along a surface normal of the mechanical oscillator and a second eigenmode for detecting an adhesion oscillates perpendicular to this surface normal and perpendicular to a longitudinal axis of the mechanical oscillator.
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 the present application should be understood as surface normal of the normal vector to the largest of the surfaces of the mechanical vibrator or the respective vibrating elements.
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. In one embodiment of the present method, all sectors of the piezoelectric element to excite the first eigenmode are excited to a rectified deformation, wherein for the excitation of the second eigenmode each two diagonally opposite sectors of the piezoelectric element are excited to a rectified deformation.
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. For detecting a covering of the mechanical oscillator with medium or an adhesion, a frequency and / or an amplitude and / or an attenuation and / or phase relationship of the mechanical oscillator after the excitation are preferably analyzed. Since, according to the present invention, all sectors of the piezoelectric element are used for the targeted excitation of the different eigenmodes of the mechanical oscillator, it is not possible at the same time to perform a detection for excitation. Therefore, a sequential procedure is carried out in which the mechanical oscillator is first excited to oscillate in one of the eigenmodes and after the excitation a detection of frequency and / or Phase and / or amplitude and / or attenuation of the then decaying vibration takes place.
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. In order to realize the largest possible oscillation amplitude, it makes sense to adapt the frequency for excitation of the respective eigenmode to the frequency last detected at this eigenmode or to track this frequency. In this way, it is ensured that the mechanical oscillator is always excited in the range of its respective current resonant frequency, whether covered or uncovered, with or without adhesion.
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. It has proved to be advantageous if in each case an eigenmode between 20 ms and 80 ms, in particular between 40 ms and 60 ms and particularly advantageously for 50 ms excited and then between 20 ms and 80 ms, especially between 40 ms and 60 ms and especially advantageous for 50 ms the vibration is detected.
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. At a resonant frequency of the mechanical oscillator of about 1 kHz, this corresponds to an excitation of about 20 oscillation cycles of the mechanical oscillator, whereby it is also possible to adjust the duration of the excitation to the respectively necessary time for 20 oscillation cycles at the last detected resonant frequency.
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. Furthermore, it is also conceivable that the number of oscillation cycles is adapted to the attenuation occurring through the medium in order to obtain a largely constant amplitude in the case of reception in a certain measuring range.
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. Furthermore, it has proven to be advantageous for the evaluation of the decay behavior to evaluate a generated from the voltage applied to the individual piezoelectric sockets sum signal. This prevents that a superimposition of the two modes of vibration with a short time sequence of the two excitation modes changed the measurement result unfavorable.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen: The present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying figures. Show it:
Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen aus einer schwingungsfähig in einen umlaufenden Rand
In
In
Mit
Mit
Mit
Mit
Mit den eingezeichneten Pfeilen ist jeweils die Bewegungsrichtung der Paddel
Je nach Ausführung der Paddel
Für die Detektion der Bedeckung des mechanischen Schwingers
Ein hierfür geeigneter Antrieb
Zum einen können jeweils gegenüberliegende Hälften des Piezoelements gleich polarisiert sein, wobei jede Hälfte je zwei 90° große Elektroden
Diese Variante ist in Abschnitt
In einer zweiten Ausgestaltungsform, die in Abschnitt
Des Weiteren wäre auch eine einheitliche Polarisierung des Piezoelements
In
Die jeweils zu den dargestellten Piezoelementen
Besonders vorteilhaft erweist sich die mit
Die Ansteuerung des Piezoelements
Für die Auswertung des Ausschwingverhaltens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Spannungen, welche am Piezoelement
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Vibrationssensor vibration sensor
- 3 3
- Antrieb drive
- 5 5
- Membran membrane
- 7 7
- Piezoelement piezo element
- 10 10
- mechanischer Schwinger mechanical oscillator
- 11 11
- erste Elektrode first electrode
- 12 12
- zweite Elektrode second electrode
- 13 13
- dritte Elektrode third electrode
- 14 14
- vierte Elektrode fourth electrode
- 15 15
- Rückseitenelektrode Back electrode
- 30 30
- Rand edge
- 71 71
- erster Sektor first sector
- 72 72
- zweiter Sektor second sector
- 73 73
- dritter Sektor third sector
- 74 74
- vierter Sektor fourth sector
- 101 101
- Paddel paddle
- 102 102
- Ankopplung coupling
- 100 100
- Clap-Mode Clap mode
- 110 110
- Sway-Mode Sway mode
- 120 120
- Sway-quer-Mode Sway-bar mode
- 130 130
- Clap-quer-Mode Clap-transverse mode
- f f
- Frequenz frequency
- A A
- Amplitude amplitude
- D D
- Dämpfung damping
- n n
- Flächennormale surface normal
- S S
- Symmetrieachse axis of symmetry
Claims (18)
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- 2017-06-29 WO PCT/EP2017/066226 patent/WO2018059754A1/en active Application Filing
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