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DE102016118445A1 - Vibration sensor and method for operating a vibration sensor - Google Patents

Vibration sensor and method for operating a vibration sensor Download PDF

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DE102016118445A1
DE102016118445A1 DE102016118445.4A DE102016118445A DE102016118445A1 DE 102016118445 A1 DE102016118445 A1 DE 102016118445A1 DE 102016118445 A DE102016118445 A DE 102016118445A DE 102016118445 A1 DE102016118445 A1 DE 102016118445A1
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DE
Germany
Prior art keywords
piezoelectric element
vibration
excited
sectors
mechanical oscillator
Prior art date
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Pending
Application number
DE102016118445.4A
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German (de)
Inventor
Levin Dieterle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
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Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
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Priority to PCT/EP2017/066226 priority patent/WO2018059754A1/en
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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 patent claim 1 and to a method for operating a vibration sensor according to the preamble of patent claim 7.

Aus dem Stand der Technik bekannte Vibrationssensoren weisen eine über einen piezoelektrischen Antrieb zu einer Schwingung anregbare Membran mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger |[DL1] sowie eine Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs und zur Auswertung von detektierten Schwingungen auf. 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 patent claim 1 and by a method for operating a vibration sensor having the features of patent claim 7.

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:

1 eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung, 1 a mechanical vibration unit of a vibration sensor according to the present application,

2 vier sich bei der mechanischen Schwingungseinheit gemäß 1 hauptsächlich ausbildende Eigenmoden, 2 four in accordance with the mechanical vibration unit 1 mainly self-developed modes,

3 ein Piezoelement mit unterschiedlich polarisierten Sektoren sowie die Polarität der angelegten elektrischen Spannung zur Erzeugung der Eigenmoden 100 und 130 gemäß 2 und 3 a piezoelectric element with differently polarized sectors and the polarity of the applied electrical voltage for generating the eigenmodes 100 and 130 according to 2 and

4 die maximal auftretenden Schwingungsamplituden bei einer Anregung des Piezoelements 201 gemäß 3 gemäß der in 211 und 221 angegebenen Ansteuerung. 4 the maximum occurring vibration amplitudes upon excitation of the piezoelectric element 201 according to 3 according to the in 211 and 221 specified control.

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine mechanische Schwingungseinheit eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung. 1 shows in a perspective view a mechanical vibration unit of a vibration sensor according to the present application.

Die mechanische Schwingungseinheit ist im Wesentlichen aus einer schwingungsfähig in einen umlaufenden Rand 30 eingespannten Membran 5 aufgebaut, wobei an der Membran 5 ein mechanischer Schwinger 10 angeordnet ist. Der mechanische Schwinger 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Stimmgabel mit zwei Schwingungselementen ausgebildet, wobei die beiden Schwingungselemente jeweils als über eine Ankopplung 102 an der Membran 5 befestigte Paddel 101 ausgebildet sind. Die Paddel 101 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und symmetrisch zu einer Symmetrieebene S über die Ankopplungen 102 an der Membran 5 befestigt. The mechanical vibration unit is essentially made of a vibrating in a peripheral edge 30 clamped membrane 5 built up, taking on the membrane 5 a mechanical oscillator 10 is arranged. The mechanical oscillator 10 is formed in the present embodiment as a tuning fork with two vibration elements, wherein the two vibration elements each as via a coupling 102 on the membrane 5 attached paddles 101 are formed. The paddles 101 are aligned substantially parallel to each other and symmetrical to a plane of symmetry S via the couplings 102 on the membrane 5 attached.

In 1 ist ferner die Oberflächennormale n eines der Paddel 101 eingezeichnet. Vorteilhafterweise sind die Paddel planar ausgeführt, um den Unterschied bei der Interaktion mit dem Medium/Anhaftung zwischen den beiden anregbaren Moden zu maximieren. Da die Paddel aber auch komplexere Oberflächengeometrien aufweisen können, wird als Flächennormale n der normalen Vektor auf die durch die größte Flächenerstreckung gebildete Ebene verstanden. In 1 Further, the surface normal is one of the paddles 101 located. Advantageously, the paddles are planarized to maximize the difference in interaction with the media / adhesion between the two stimulable modes. However, since the paddles can also have more complex surface geometries, the surface vector n of the normal vector is understood to be the plane formed by the largest surface extent.

In 2 ist eine Draufsicht von oben auf die Membran 5 der mechanischen Schwingungseinheit aus 1 gezeigt, wobei die Schwingungselemente des mechanischen Schwingers 10 in dieser Draufsicht schematisch eingezeichnet sind. Insbesondere sind dabei die Paddel 101 sowie deren Ankopplung 102 zu erkennen, wobei die Ankopplungen 102 symmetrisch zu der Symmetrieebene S angeordnet und die Paddel 101 parallel zueinander ausgerichtet sind. In den vier Teilfiguren von 2, die mit 100, 110, 120 und 130 bezeichnet sind, sind die bei einer mechanischen Schwingungsanordnung gemäß 1 hauptsächlich auftretenden ersten vier Eigenmoden des mechanischen Schwingers 10 schematisch eingezeichnet. In 2 is a top view of the membrane 5 of the mechanical vibration unit 1 shown, wherein the vibration elements of the mechanical oscillator 10 are shown schematically in this plan view. In particular, there are the paddles 101 as well as their coupling 102 to recognize, with the couplings 102 arranged symmetrically to the plane of symmetry S and the paddles 101 are aligned parallel to each other. In the four subfigures of 2 , with 100 . 110 . 120 and 130 are designated, which are in a mechanical vibration arrangement according to 1 mainly occurring first four eigenmodes of the mechanical vibrator 10 schematically drawn.

Mit 100 ist die sogenannte Clap-Mode oder Klatschmodus gekennzeichnet, bei dem beide Paddel 101 gegengleich und im Gegentakt entlang der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen. Diese Symmetrieebene S bildet für diese Mode eine Spiegelebene. With 100 is the so-called clap-mode or gossip mode in which both paddles 101 opposite and in push-pull along the surface normals n of the paddles 101 swing. This plane of symmetry S forms a mirror plane for this mode.

Mit 110 ist die sogenannte Sway-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gleichgerichtet, d. h. im Gleichtakt in Richtung der Oberflächennormalen n der Paddel 101 schwingen. With 110 is the so-called Sway-mode, in which both paddles 101 rectified, ie in common mode in the direction of the surface normal n of the paddles 101 swing.

Mit 120 ist die sogenannte Sway-quer-Mode gekennzeichnet, bei der die Paddel 101 im Gleichtakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel und somit parallel zur Symmetrieebene S, d. h. sie schwingen in der von dem Paddel aufgespannten Fläche. With 120 is the so-called Sway-Quer-Mode, in which the paddles 101 in normal mode perpendicular to the surface normal n of the paddle and thus parallel to the plane of symmetry S, ie they swing in the plane defined by the paddle surface.

Mit 130 ist schließlich die Clap-quer-Mode gekennzeichnet, bei der beide Paddel 101 gegengleich, d. h. im Gegentakt senkrecht zu der Oberflächennormalen n der Paddel 101 und somit parallel zur Symmetrieebene S schwingen. With 130 Finally, the clap-cross fashion is featured in both paddles 101 opposite, ie in push-pull perpendicular to the surface normal n of the paddle 101 and thus swing parallel to the plane of symmetry S.

Mit den eingezeichneten Pfeilen ist jeweils die Bewegungsrichtung der Paddel 101 am Anfang einer Schwingungsperiode angegeben. The direction of movement of the paddles is indicated by the arrows 101 indicated at the beginning of a period of oscillation.

Je nach Ausführung der Paddel 101, Membran 5 und Anbindung 102 an die Membran 5 kann sich die Reihenfolge der Moden in ihrer Frequenz unterscheiden. Depending on the design of the paddle 101 , Membrane 5 and connection 102 to the membrane 5 The order of the modes may differ in their frequency.

Für die Detektion der Bedeckung des mechanischen Schwingers 10 mit Medium bzw. zur Anhaftungsdetektion sind die Clap- bzw. Clap-quer-Mode besonders geeignet. Die Verwendung der Clap-Mode zur Detektion einer Bedeckung mit Medium entspricht dem Stand der Technik. Taucht der mechanische Schwinger 10 in ein zu detektierendes Medium ein verändert sich in Abhängigkeit von Dichte und Viskosität des Mediums die Resonanzfrequenz und Amplitude der Clap-Mode. Bei kompletter Bedeckung mit Medium kommt es bei der Clap-quer-Mode im Vergleich zu der Clap-Mode zu einer deutlich geringen Frequenzverschiebung. Schwingt der mechanische Schwinger 10 jedoch frei und weist eine starke Anhaftung von Medium auf wirkt die träge Masse der Anhaftung auf beide Moden gleichermaßen und die relative Frequenzverschiebung aufgrund der Anhaftung ist bei beiden Moden vergleichbar. Somit lässt sich unter Verwendung und Vergleich der Frequenzen von Clap- und Clap-quer-Mode eine Anhaftung aktiv detektieren und Fehlschaltung des Sensors aufgrund von Anhaftungen und der daraus resultierenden Frequenzverschiebung vermeiden. For the detection of the covering of the mechanical oscillator 10 with medium or for adhesion detection, the clap or clap-cross mode are particularly suitable. The use of the Clap mode for detecting a coverage with medium corresponds to the state of the art. Dive the mechanical oscillator 10 In a medium to be detected, the resonance frequency and amplitude of the Clap mode change depending on the density and viscosity of the medium. With complete coverage with medium, the clap-cross mode has a significantly lower frequency shift compared to the clap mode. The mechanical oscillator vibrates 10 however, free and with a strong adhesion of medium, the sluggish mass of adhesion acts on both modes equally and the relative frequency shift due to the adhesion is comparable in both modes. Thus, by using and comparing the frequencies of clap and clap-cross modes, adhesion can be actively detected and sensor mismatch due to adhesions and the resulting frequency shift avoided.

Ein hierfür geeigneter Antrieb 3 lässt sich beispielsweise durch einen sektoriert polarisiertes Piezoelement 7 mit 90° großen Elektroden 71, 71, 73, 74 bewerkstelligen. Drei mögliche Polarisierungen des Piezoelements 7 sind in 3 in den Abschnitten 201, 202 und 203 dargestellt. A suitable drive for this purpose 3 can be, for example, a sectored polarized piezoelectric element 7 with 90 ° electrodes 71 . 71 . 73 . 74 accomplish. Three possible polarizations of the piezoelectric element 7 are in 3 in the sections 201 . 202 and 203 shown.

Zum einen können jeweils gegenüberliegende Hälften des Piezoelements gleich polarisiert sein, wobei jede Hälfte je zwei 90° große Elektroden 71, 74; 72, 73 aufweist. On the one hand opposite halves of the piezoelectric element can be polarized equal, each half each two 90 ° electrodes 71 . 74 ; 72 . 73 having.

Diese Variante ist in Abschnitt 201 dargestellt. This variant is in section 201 shown.

In einer zweiten Ausgestaltungsform, die in Abschnitt 202 dargestellt ist, ist das Piezoelement 7 in vier Segmente geteilt, wobei diese umlaufend jeweils abwechselnd polarisiert sind. Die Segmente sind je 90° groß und mit hierzu korrespondierenden Elektroden 71, 72, 73, 74 versehen. In a second embodiment, in section 202 is shown, is the piezoelectric element 7 divided into four segments, these are each polarized alternately. The segments are each 90 ° in size and with corresponding electrodes 71 . 72 . 73 . 74 Mistake.

Des Weiteren wäre auch eine einheitliche Polarisierung des Piezoelements 7 möglich, wobei eine Unterteilung in Sektoren durch vier 90° Elektroden erfolgt. Furthermore, it would also be a uniform polarization of the piezoelectric element 7 possible, with a division into sectors by four 90 ° electrodes.

In 3 symbolisiert ⊗ eine Polarisierung in die Zeichenebene hinein und ⊙ aus der Zeichenebene heraus. In 3 symbolizes ⊗ a polarization into the drawing plane and ⊙ out of the drawing plane.

Die jeweils zu den dargestellten Piezoelementen 7 entgegengesetzt polarisierten Piezoelemente beschreiben dabei Piezoelemente 7 derselben Art. Um dieselbe Verformung des entgegengesetzt polarisierten Piezoelements 7 im Vergleich zu den dargestellten Polarisierungen zu erreichen, muss lediglich die Polarität der angelegten Wechselspannung gedreht werden. Bei gleich angelegter Wechselspannung wird dieselbe Verformung eine halbe Periode später angenommen (180° phasenverschoben). Each of the illustrated piezoelectric elements 7 opposite polarized piezo elements describe piezo elements 7 the same kind. To the same deformation of the oppositely polarized piezo element 7 In comparison with the illustrated polarizations, only the polarity of the applied AC voltage has to be rotated. At the same applied AC voltage, the same deformation is assumed half a period later (180 ° out of phase).

211, 212 und 213 zeigt die Polung der Wechselspannung zur Anregung der Clap-Mode und 221, 222 und 223 die Polung der Wechselspannung zur Anregung der Clap-quer-Mode. 211 . 212 and 213 shows the polarity of the AC voltage to excite the Clap mode and 221 . 222 and 223 the polarity of the AC voltage to excite the clap-cross mode.

Besonders vorteilhaft erweist sich die mit 201 gekennzeichnete Variante, da für die beiden anzuregenden Moden (Clap und Clapquer) jeweils zwei benachbarte Sektoren, d. h. eine Hälfte des Piezoelements 7 mit einer ersten Wechselspannung in 3 mit „+“ gekennzeichnet und die andere Hälfte mit einer um 180° phasenverschobenen Wechselspannung, in 3 mit „–„ gekennzeichnet angeregt werden muss. Diese Anregung ist in 3 symbolisch in den Abschnitten 211 und 221 dargestellt. Dadurch, dass beide Spannungen um 180° phasenverschoben sind, liegt das Massepotential immer exakt zwischen den beiden Spannungen. Somit muss die Masseelektrode auf der Rückseite des Piezoelementes nicht separat kontaktiert werden und kann einfach kapazitiv an die Membran 5 auf die das Piezoelement 7 aufgeklebt wird, gekoppelt werden. Particularly advantageous proves to be 201 characterized variant, since for the two modes to be excited (Clap and Clapquer) each two adjacent sectors, ie one half of the piezoelectric element 7 with a first AC voltage in 3 marked with "+" and the other half with a 180 ° out of phase AC voltage, in 3 must be stimulated with "-" marked. This suggestion is in 3 symbolic in the sections 211 and 221 shown. Due to the fact that both voltages are phase-shifted by 180 °, the ground potential is always exactly between the two voltages. Thus, the ground electrode on the back of the piezoelectric element does not have to be contacted separately and can simply capacitive to the membrane 5 on the the piezo element 7 is glued, coupled.

Die Ansteuerung des Piezoelements 7 erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch eine Sinusspannung auf der Resonanzfrequenz, da deren Frequenzspektrum lediglich eine Frequenz aufweist und nicht wie bspw. bei einer Rechteckspannung eine Vielzahl von Oberschwingungen aufweist, welche neben der anzuregenden Mode weitere Schwingungsmoden anregen können. Um einen optimalen Antrieb zu gewährleisten, sollte die relative Orientierung des auf die Membran aufgeklebten Piezoelements 7 bezogen auf die Schwinggabel derart sein, dass die Anbindung der Paddel 102 an die Membran 5 exakt auf einer der Sektorlinien des Piezoelements 7 liegt. The activation of the piezo element 7 takes place in an advantageous manner by a sinusoidal voltage on the resonant frequency, since the frequency spectrum has only one frequency and not, for example. In a square-wave voltage has a plurality of harmonics, which can stimulate other vibrational modes in addition to the mode to be excited. In order to ensure optimum drive, the relative orientation of the piezo element glued to the membrane should be 7 be related to the tuning fork such that the connection of the paddles 102 to the membrane 5 exactly on one of the sector lines of the piezoelement 7 lies.

Für die Auswertung des Ausschwingverhaltens hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Spannungen, welche am Piezoelement 7 durch die mechanische Durchbiegung der Membran 5 durch das Ausschwingen des mechanischen Schwingers 10 entstehen, entsprechend der Polarisierung und Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71, 72, 73, 74, zu addieren. Hierdurch wird ein Übersprechen der Ausschwingphasen in die entsprechend nachfolgende Ausschwingphase der anderen Mode verhindert, da sich entsprechende Spannungsanteile gegenseitig aufheben. Im Falle der Polarisierung gemäß 201 ist V11 die Spannung, welche an der Elektrode 11, V12 die an Elektrode 12, V13 die an Elektrode 13 und entsprechend V14 die an Elektrode 14 während des Ausschwingens am Piezoelement 7 anliegt. Im Falle der clap-Mode ist es somit vorteilhaft die Spannung V12 + V13 – (V11 + V14) bzw. V11 + V14 – (V12 + V13) und für die clap(quer)-Mode die Spannung V13 + V14 – (V12 + V11) bzw. V12 + V11 – (V13 + V14) auszuwerten. Die Vorzeichen bei der Summenbildung ergeben sich durch die Polarisierung bzw. Durchbiegung der einzelnen Sektoren 71, 72, 73, 74. For the evaluation of the decay behavior, it has been found to be particularly advantageous, the voltages which at the piezoelectric element 7 due to the mechanical deflection of the membrane 5 by the decay of the mechanical oscillator 10 arise, according to the polarization and deflection of the individual sectors 71 . 72 . 73 . 74 to add. As a result, a crosstalk of the decay phases is prevented in the corresponding subsequent decay phase of the other mode, since corresponding voltage components cancel each other out. In the case of polarization according to 201 V11 is the voltage applied to the electrode 11 , V12 the electrode 12 , V13 to the electrode 13 and corresponding to V14, the electrode 14 during swinging out of the piezo element 7 is applied. In the case of the clap mode, it is thus advantageous to have the voltage V12 + V13 - (V11 + V14) or V11 + V14 - (V12 + V13) and for the clap (transverse) mode the voltage V13 + V14 - (V12 + V11) or V12 + V11 - (V13 + V14). The signs in the summation result from the polarization or deflection of the individual sectors 71 . 72 . 73 . 74 ,

4 zeigt die logarithmisch aufgetragene Schwingungsamplitude (Simulation) in Abhängigkeit von der Anregefrequenz an der Spitze eines Paddels 101 entlang der Oberflächennormalen n des Paddels 101 (x-Richtung), sowie senkrecht dazu (y-Richtung) bei Anregung mit einem sektorierten Piezoelement 7 gemäß dem in 201 dargestellten Ausführungsbeispiel. Mit 310 ist die Amplitude in x-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 211 gezeigt. 311 zeigt die Amplitude in y-Richtung mit Polung der Anregespannung gemäß 221. Diese beiden Amplituden sind um ein Vielfaches größer als die Amplitude in y-Richtung 312 mit Polung der Wechselspannung gemäß 221 oder die Amplitude in x-Richtung 313 mit Polung der Wechselspannung gemäß 211. Dies zeigt, dass es möglich ist, die Resonanz der Clap- und Clap-quer-Mode weitestgehend unabhängig voneinander anzuregen, sodass die Bewegung in der Richtung jeweils senkrecht zur angeregten Mode vernachlässigbar ist. Des Weiteren sind die beiden Sway-Moden durch diesen Antrieb nur sehr gering angeregt, sodass diese ohne Einfluss bleiben. 4 shows the logarithmically plotted oscillation amplitude (simulation) as a function of the excitation frequency at the tip of a paddle 101 along the surface normals n of the paddle 101 (x-direction), and perpendicular thereto (y-direction) when excited with a sectored piezoelectric element 7 according to the in 201 illustrated embodiment. With 310 is the amplitude in the x-direction with polarity of the starting voltage according to 211 shown. 311 shows the amplitude in y-direction with polarity of the starting voltage according to 221 , These two amplitudes are many times greater than the amplitude in the y direction 312 with polarity of the AC voltage according to 221 or the amplitude in the x direction 313 with polarity of the AC voltage according to 211 , This shows that it is possible to excite the resonance of the clap and clap-cross modes largely independently of each other, so that the movement in the direction perpendicular to the excited mode is negligible. Furthermore, the two Sway modes are excited only very slightly by this drive, so that they remain without influence.

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)

Vibrationssensor (1) mit einer über einen piezoelektrischen Antrieb (3) zu einer Schwingung anregbaren Membran (5) mit einem an der Membran angeordneten mechanischen Schwinger (10) mit wenigstens zwei Eigenmoden (100, 110, 120, 130) und einer Elektronik zur Ansteuerung des Antriebs (3) sowie zur Auswertung von mittels des Antriebs (3) detektierten Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) wenigstens ein Piezoelement (7) umfasst, wobei das Piezoelement (7) wenigstens vier getrennt ansteuerbare Sektoren (71, 72, 73, 74) aufweist. Vibration sensor ( 1 ) with a piezoelectric drive ( 3 ) to a vibration excitable membrane ( 5 ) with a arranged on the membrane mechanical oscillator ( 10 ) with at least two eigenmodes ( 100 . 110 . 120 . 130 ) and an electronics for controlling the drive ( 3 ) and for evaluation by means of the drive ( 3 ) detected vibrations, characterized in that the drive ( 3 ) at least one piezoelectric element ( 7 ), wherein the piezoelectric element ( 7 ) at least four separately controllable sectors ( 71 . 72 . 73 . 74 ) having. Vibrationssensor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Sektoren auf einer ersten Seite des Piezoelements durch vier, im Wesentlichen gleich große Elektroden (11, 12, 13, 14) kontaktiert sind. Vibration sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the four sectors on a first side of the piezoelectric element by four substantially equal-sized electrodes ( 11 . 12 . 13 . 14 ) are contacted. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) scheibenförmig mit im Westlichen kreisförmiger Grundfläche ausgebildet ist und die Sektoren (71, 72, 73, 74) und die Elektroden (11, 12, 13, 14) jeweils im Wesentlichen ein Viertel der Grundfläche einnehmen und korrespondierend zueinander angeordnet sind. Vibration sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized that the piezo element ( 7 ) is disc-shaped with a western circular base and the sectors ( 71 . 72 . 73 . 74 ) and the electrodes ( 11 . 12 . 13 . 14 ) occupy each substantially a quarter of the base area and are arranged corresponding to each other. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) auf einer zweiten Seite eine vollflächige Rückseitenelektrode aufweist. Vibration sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 7 ) has on a second side a full-surface back electrode. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7), die Elektroden (11, 12, 13, 14) und die Elektronik so ausgebildet und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einem ersten Ansteuermodus je zwei einander benachbarte Sektoren des Piezoelements und in einem zweiten Ansteuerungsmodus zwei einander diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements derart anregbar sind, dass sich das Piezoelement (7) in diesen Sektoren gleichgerichtet verformt. Vibration sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 7 ), the electrodes ( 11 . 12 . 13 . 14 ) and the electronics are designed and matched to each other such that in a first drive mode two adjacent sectors of the piezoelectric element and in a second drive mode, two diagonally opposite sectors of the piezoelectric element can be excited such that the piezoelectric element ( 7 ) deformed rectified in these sectors. Vibrationssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) wenigstens zwei Abschnitte unterschiedlicher Polarisation aufweist. Vibration sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 7 ) has at least two sections of different polarization. Verfahren zum Betreiben eines Vibrationssensors (1), bei dem ein an einer Membran (5) angeordneter mechanischer Schwinger (10) mittels eins Antriebs (3) zu einer Schwingung angeregt wird und eine Schwingung des mechanischen Schwingers (10) zur Detektion eines Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Bedeckungszustands des mechanischen Schwingers (10) und von Anhaftungen an dem mechanischen Schwinger (10) wenigstens zwei unterschiedliche Eigenmoden (100, 110, 120, 130) des mechanischen Schwingers (10) abwechselnd angeregt werden und eine jeweils resultierende Schwingung detektiert wird. Method for operating a vibration sensor ( 1 ), in which a on a membrane ( 5 ) arranged mechanical oscillator ( 10 ) by means of one drive ( 3 ) is excited to a vibration and a vibration of the mechanical vibrator ( 10 ) for detecting a covering state of the mechanical vibrator ( 10 ) is detected, characterized in that for detecting the covering state of the mechanical oscillator ( 10 ) and adhesions to the mechanical oscillator ( 10 ) at least two different eigenmodes ( 100 . 110 . 120 . 130 ) of the mechanical oscillator ( 10 ) are alternately excited and a respective resulting vibration is detected. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenmoden (100, 110, 120, 130) eine unterschiedliche Schwingungsrichtung aufweisen. Method according to claim 7, characterized in that the eigenmodes ( 100 . 110 . 120 . 130 ) have a different direction of vibration. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsrichtungen der Eigenmoden (100, 110, 120, 130) im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen. Method according to claim 8, characterized in that the oscillation directions of the eigenmodes ( 100 . 110 . 120 . 130 ) are substantially orthogonal to each other. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Eigenmode (100) zur Detektion einer Bedeckung entlang einer Flächennormalen (n) des mechanischen Schwingers schwingt und eine zweite Eigenmode (130) zur Detektion einer Anhaftung senkrecht zu der Flächennormalen (n) schwingt. Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that a first eigenmode ( 100 ) for detecting a covering along a surface normal (s) of the mechanical oscillator oscillates and a second eigenmode ( 130 ) for detecting adhesion perpendicular to the surface normal (s). Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der ersten Eigenmode (100) je zwei nebeneinander liegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden und zur Anregung der zweiten Eigenmode (130) je zwei diagonal gegenüberliegende Sektoren des Piezoelements (7) zu einer gleichgerichteten Verformung angeregt werden. Method according to claim 10, characterized in that for excitation of the first eigenmode ( 100 ) two adjacent sectors of the piezoelectric element ( 7 ) are excited to a rectified deformation and to excite the second eigenmode ( 130 ) two diagonally opposite sectors of the piezoelectric element ( 7 ) are excited to a rectified deformation. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion eine Frequenz (f) und/oder Amplitude (A) und/oder Dämpfung des mechanischen Schwingers (10) nach der Anregung analysiert wird. Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that for detection a frequency (f) and / or amplitude (A) and / or damping of the mechanical oscillator ( 10 ) is analyzed after the suggestion. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f) zur Anregung der jeweiligen Eigenmode (100, 110, 120, 130) an die zuletzt bei dieser Eigenmode (100, 110, 120, 130) detektierte Frequenz angepasst wird. Method according to claim 12, characterized in that the frequency (f) for excitation of the respective eigenmode ( 100 . 110 . 120 . 130 ) to the last in this eigenmode ( 100 . 110 . 120 . 130 ) detected frequency is adjusted. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Eigenmode (100, 110, 120, 130) zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, weiter insbesondere für 50 ms, angeregt und anschließend zwischen 20 ms und 80 ms, insbesondere zwischen 40 ms und 60 ms, weiter insbesondere für 50 ms detektiert wird. Method according to one of Claims 7 to 13, characterized in that a respective eigenmode ( 100 . 110 . 120 . 130 ) between 20 ms and 80 ms, in particular between 40 ms and 60 ms, in particular for 50 ms, excited and then between 20 ms and 80 ms, in particular between 40 ms and 60 ms, in particular for 50 ms is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Anregezyklen, entsprechend der auftretenden Dämpfung durch das zu detektierende Medium, angepasst wird, um in einem vorgebenen Messbereich eine annähernd gleichbleibende Empfangsamplitude zu gewährleisten. Method according to one of claims 7 to 14, characterized in that the number of pickup cycles, in accordance with the attenuation occurring by the medium to be detected, is adjusted in order to ensure an approximately constant receiving amplitude in a predetermined measuring range. Verfahren gemäß einen der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung durch Addition von Elektroden (11, 12, 13, 14) an jeweils senkrecht zur Schwingungsrichtung der angeregten Mode aneinander grenzenden anliegenden Spannungen (V11, V12, V13, V14) und Differenzbildung der Summen erfolgt. Method according to one of the preceding claims 7 to 15, characterized in that an evaluation by addition of electrodes ( 11 . 12 . 13 . 14 ) at respectively perpendicular to the oscillation direction of the excited mode adjacent adjacent voltages (V11, V12, V13, V14) and subtraction of the sums takes place. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungen (V11, V12, V13, V14) der Elektroden (11, 12, 13, 14) entsprechend ihrer Polarisation positiv oder negativ in die Summenbildung eingehen, wobei die Spannungen (V11, V12, V13, V14) bei einer Polarisierung in die Zeichenebene positiv und bei einer Polarisierung aus der Zeichenebene heraus negativ berücksichtigt werden. Method according to claim 16, characterized in that the voltages (V11, V12, V13, V14) of the electrodes ( 11 . 12 . 13 . 14 ) according to their polarization positively or negatively enter into the summation, wherein the voltages (V11, V12, V13, V14) are considered positive in a polarization in the drawing plane and negative in a polarization from the plane of the drawing. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbildung derart erfolgt, dass ein Übersprechen der von der ersten Mode erfassten Spannungssumme auf eine von der zweiten Mode erfasste Spannungssumme vermieden wird. A method according to claim 16 or 17, characterized in that the difference formation takes place in such a way that crosstalk of the voltage sum detected by the first mode to a voltage sum detected by the second mode is avoided.
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