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WO2023057221A1 - Entkopplungseinheit für einen vibronischen sensor - Google Patents

Entkopplungseinheit für einen vibronischen sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2023057221A1
WO2023057221A1 PCT/EP2022/076344 EP2022076344W WO2023057221A1 WO 2023057221 A1 WO2023057221 A1 WO 2023057221A1 EP 2022076344 W EP2022076344 W EP 2022076344W WO 2023057221 A1 WO2023057221 A1 WO 2023057221A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
tubular body
decoupling
oscillating
signal
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/076344
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benjamin Mack
Jan SCHLEIFERBÖCK
Sergey Lopatin
Peter Wimberger
Markus Franzke
Tobias Brengartner
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser SE+Co. KG filed Critical Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority to CN202280066898.5A priority Critical patent/CN118076864A/zh
Priority to EP22777996.4A priority patent/EP4413334A1/de
Publication of WO2023057221A1 publication Critical patent/WO2023057221A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N11/00—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties
    • G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
    • G01N11/16—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material by measuring damping effect upon oscillatory body
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis
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    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis
    • G01N2009/006—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis vibrating tube, tuning fork

Definitions

  • the invention relates to a decoupling unit for a device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium, comprising a sensor unit with a mechanically oscillatable unit and a drive/receiving unit, and a device with a decoupling unit according to the invention.
  • the medium is in a container, for example in a container or in a pipeline.
  • Vibronic sensors are widely used in process and/or automation technology.
  • they have at least one mechanically oscillatable unit, such as an oscillating fork, a single rod or a membrane.
  • a drive/receiver unit often in the form of an electromechanical converter unit, which in turn can be, for example, a piezoelectric drive or an electromagnetic drive.
  • Corresponding field devices are manufactured by the applicant in a large variety and sold, for example, under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT. The underlying measurement principles are known in principle from a large number of publications.
  • the drive/receiver unit excites the mechanically oscillatable unit to mechanical oscillations by means of an electrical excitation signal. Conversely, the drive/receiver unit can receive the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit and convert them into an electrical reception signal. Accordingly, the drive/receiver unit is either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive/receiver unit.
  • the drive/receiver unit is part of a feedback electrical oscillating circuit, by means of which the excitation of the mechanically oscillatable unit to mechanical oscillations takes place.
  • the oscillating circuit condition according to which the amplification factor is >1 and all phases occurring in the oscillating circuit are a multiple of 360°, must be fulfilled.
  • a certain phase shift between the excitation signal and the received signal must be guaranteed in order to excite and fulfill the resonant circuit condition. For this reason, a predefinable value for the phase shift, that is to say a target value for the phase shift between the excitation signal and the received signal, is often set.
  • the process variable can be, for example, a filling level, a predetermined filling level, or the density or the viscosity of the medium, as well as the flow.
  • a vibronic point level switch for liquids for example, a distinction is made as to whether the oscillatable unit is covered by the liquid or is oscillating freely. These two states, the free state and the covered state, are distinguished, for example, on the basis of different resonance frequencies, that is, using a frequency shift.
  • the density and/or viscosity can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is completely covered by the medium.
  • different possibilities have also become known from the prior art, such as those disclosed in the documents DE10050299A1, DE102007043811A1, DE10057974A1, DE102006033819A1, DE102015102834A1 or DE102016112743A1.
  • the oscillatable unit In the case of vibronic sensors, the oscillatable unit is fundamentally excited to produce mechanical oscillations, which in turn are influenced by the properties of different media. For high measurement accuracy, it is accordingly necessary for the mechanical vibration system to be decoupled as well as possible from external interference. Conversely, forces which result from the oscillating movement of the oscillatable unit, in particular due to a lack of perfect symmetry, and which can act, for example, on the respective container or a process connection arranged thereon, must be reduced or eliminated in order to avoid damage. Such an outflow of energy from the vibration system also leads to a changed vibration behavior. The object on which the invention is based is therefore to improve the measuring accuracy of vibronic sensors.
  • a decoupling unit for a device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium comprising a sensor unit with a mechanically oscillatable unit and a drive/receiver unit, which is designed for the mechanically oscillatable Excite unit by means of an electrical excitation signal to mechanical vibrations, and to receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and convert it into an electrical reception signal.
  • the decoupling unit comprises a tubular body, with a first end region of the tubular body being designed for connection to the sensor unit of the device, and a second end region of the tubular body being designed for connection to a further component of the device, in particular an extension element or a housing for electronics of the device and wherein a wall thickness of the tubular body is variable along a longitudinal axis of the tubular body.
  • the decoupling unit is used for mechanical vibration decoupling of a vibronic sensor.
  • the decoupling unit can prevent energy from flowing out of the oscillation system of the vibronic sensor used in each case to the process connection or the container. This is because energy flowing out of the vibration system of the vibronic sensor is directly dissipated by the decoupling unit.
  • the energy flowing out of the vibration system results, for example, from slight asymmetries in the area of the oscillatable unit, which are in particular production-related.
  • the oscillatable unit is an oscillating fork with two oscillating rods
  • asymmetries of the two oscillating rods relative to one or in relation to their arrangement relative to one another are of particular importance in this context.
  • the resonance properties in particular the resonance frequency of the oscillatable unit
  • frequency-stable vibration behavior is of the utmost importance with regard to the measuring accuracy of vibronic sensors.
  • Frequency stability is particularly relevant if the density of the medium is to be determined using the vibronic sensor.
  • the wall thickness of the tubular body is designed to be variable along a longitudinal axis. In particular, there is at least one abrupt, step-like or discontinuous or discontinuous change in the wall thickness along a longitudinal axis of the tubular body. This leads to, in particular abrupt, changes in the rigidity of the tubular body along the longitudinal axis, which in turn contributes decisively to the vibration decoupling and frequency stability of the vibronic sensor.
  • the outer or the inner wall can run in a straight line, while the respective other wall has a non-linear course, at least in sections, in order to achieve a variation in the wall thickness.
  • both the inner wall and the outer wall can have a non-linear course, at least in sections.
  • a non-linear progression means, in particular, the presence of at least one step, an edge, or a curve.
  • the tubular body has a wall thickness in at least one partial area along the longitudinal axis, which is greater or smaller than a wall thickness of the wall of the tubular body outside of the partial area.
  • the wall is accordingly thicker or thinner in the partial area than outside of the partial area.
  • the decoupling unit accordingly has a changed rigidity in the partial area, which in turn contributes to vibration decoupling.
  • the wall thickness in the partial area is greater or smaller than the wall thickness outside of the partial area by at least a factor of two, preferably at least a factor of 5.
  • the tubular body has a recess, in particular a notch or groove, in the at least one partial area, which can be arranged in the area of an inner or outer wall of the tubular body.
  • the tubular body in the at least one partial area has an inner or outer diameter perpendicular to the longitudinal axis of the tubular body, which is larger than an inner or outer diameter of the tubular body outside of the partial area.
  • a distance of the at least one partial area from the first end area parallel to the longitudinal axis of the tubular body is at least half the diameter, in particular the outer diameter, of the tubular body.
  • another configuration of the decoupling unit includes that a distance of the at least one partial area from the first end area parallel to the longitudinal axis of the tubular body is at most four times the diameter, in particular the outer diameter, of the tubular body.
  • a device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium comprising a sensor unit with a mechanically oscillatable unit, and a drive/receiver unit, which is designed to move the mechanically oscillatable unit by means of an electrical excitation signal to stimulate mechanical oscillations, and to receive the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit and to convert them into a first electrical reception signal, electronics that are designed to determine the at least one process variable based on the reception signal, and a decoupling unit according to the invention at least one of the configurations described above.
  • the mechanically oscillatable unit is, for example, a membrane, a single rod, an arrangement of at least two oscillating elements, or an oscillating fork.
  • the excitation signal is used to generate mechanical vibrations in the oscillatable unit, which, if the oscillatable unit is covered by medium, are influenced by the properties of the medium.
  • a statement about the at least one process variable can be determined on the basis of the received signal, which represents the vibrations of the oscillatable unit.
  • the excitation signal is, for example, an electrical signal with at least one definable frequency, in particular a sinusoidal or a square-wave signal.
  • the mechanically oscillatable unit is at least temporarily excited to oscillate in resonance.
  • the device can also include electronics, for example for signal detection and/or feeding.
  • the drive/receiver unit comprises at least one piezoelectric element.
  • several piezoelectric elements can also be present, which can be arranged at different positions relative to the oscillatable unit.
  • electromagnetic drive/receiver units are also conceivable.
  • the piezoelectric element is at least partially arranged in an inner volume of the oscillatable unit.
  • the oscillatable unit can include at least one cavity into which the piezoelectric element is introduced. The cavity is then preferably filled with a filling, in particular with a casting material, for example an adhesive, or the piezoelectric element is cast in the cavity.
  • the device is designed to emit a transmission signal and to receive a second reception signal, and to determine and/or monitor the at least one process variable based on the first and/or second reception signal.
  • it is a vibronic multi-sensor.
  • the piezoelectric element serves on the one hand as a drive/receiver unit for generating the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit and for emitting the transmission signal, which is received in the form of the second reception signal.
  • the transmission signal is preferably an ultrasonic signal, in particular a pulsed one, in particular at least one ultrasonic pulse.
  • an ultrasound-based measurement is therefore carried out as the second measurement method used.
  • the transmission signal passes through the medium at least temporarily and in sections on its way, it is also influenced by the physical and/or chemical properties of the medium and can accordingly be used to determine a process variable of the medium.
  • at least two measurement principles can be implemented in a single device and at least two different process variables can be evaluated.
  • the two received signals can advantageously be evaluated independently of one another.
  • the number of process variables that can be determined can be significantly increased, which results in a higher functionality of the respective sensor or in an expanded area of application.
  • WO2020/094266A1 to which reference is made in its entirety within the scope of the present invention.
  • the mechanically oscillatable unit is an oscillating fork with a first and a second oscillating element, and wherein the at least one piezoelectric element is at least partially arranged in one of the two oscillating elements, or wherein a piezoelectric Element is arranged in each vibrating element.
  • Corresponding configurations of such a sensor unit have been described, for example, in the documents DE102012100728A1 and DE102017130527A1. Both applications are also within the scope of the present invention fully referenced.
  • the possible configurations of the sensor unit described in the two documents are exemplary possible configurations of the sensor unit. It is not absolutely necessary to arrange the piezoelectric elements exclusively in the area of the oscillating elements. Rather, individual piezoelectric elements used can also be arranged in the area of the membrane or in other oscillating elements not used for vibronic excitation, which are also applied to the membrane.
  • FIG. 4 shows the change in frequency of a vibronic sensor as a function of different wall thicknesses in a decoupling unit according to FIG. 3a.
  • the vibronic sensor 1 shows a vibronic sensor 1 with a sensor unit 2 .
  • the sensor has a mechanically oscillatable unit 4 in the form of an oscillating fork, which is partially immersed in a medium M, which is located in a container 3 .
  • the oscillatable unit 4 is excited to mechanical oscillations by means of the excitation/reception unit 5, and can be, for example, by a piezoelectric stack or bimorph drive.
  • Other vibronic sensors have, for example, electromagnetic drive/receiver units 5. It is also possible to use a single drive/receiver unit 5, which is used to excite the mechanical vibrations and to detect them. However, it is also conceivable to implement a drive unit and a receiving unit.
  • an electronic unit 6 by means of which the signal is recorded, evaluated and/or fed.
  • FIG. 2 different sensor units 2 of vibronic sensors 1 are shown as an example, in which the piezoelectric elements. 5 are arranged in an inner volume of the oscillatable unit.
  • the mechanically oscillatable unit 4 shown in FIG. 2a comprises two on one Base 8 attached oscillating elements 9a, 9b, which are therefore also referred to as forks.
  • a paddle can also be formed on the end sides of the two oscillating elements 9a, 9b [not shown here].
  • a cavity 10a, 10b in particular a pocket-like cavity, in which at least one piezoelectric element 11a, 11b of the drive/receiver unit 5 is arranged.
  • the piezoelectric elements 11a and 11b are preferably potted within the cavities 10a and 10b.
  • the cavities 10a, 10b can be such that the two piezoelectric elements 11a, 11b are located completely or partially in the area of the two oscillating elements 9a, 9b. Such and similar arrangements are described in detail in DE102012100728A1.
  • FIG. 2b A further exemplary possible configuration of a sensor unit 2 is shown in FIG. 2b.
  • the mechanically oscillatable unit 4 has two oscillating elements 9a, 9b, which are aligned parallel to one another and are rod-shaped here and are attached to a disc-shaped element 12. Mechanical oscillations can be excited separately from one another and the oscillations can also be received and evaluated separately from one another .
  • Both oscillating elements 9a and 9b each have a cavity 10a and 10b, in which at least one piezoelectric element 11a and 11b is arranged in the area facing the disk-shaped element 12.
  • the sensor unit 2 is acted upon on the one hand by an excitation signal A in such a way that the oscillatable unit 4 is excited to mechanical oscillations.
  • the vibrations are generated by the two piezoelectric elements 11a and 11b. It is conceivable that both piezoelectric elements are acted upon by the same excitation signal A, and that the first oscillating element 11a is acted upon by a first excitation signal Ai and the second oscillating element 11b by a second excitation signal A2. It is also conceivable that a first received signal E ⁇ , or a separate received signal EAI or E A 2 is received from each oscillating element 9a, 9b on the basis of the mechanical vibrations.
  • a transmission signal S can also be emitted, which is received by the second piezoelectric element 11b in the form of a second reception signal E s . Since the two piezoelectric elements 11a and 11b are arranged at least in the area of the oscillating elements 9a and 9b, the transmission signal S passes through the medium M if the sensor unit 2 is in contact with the medium M Contact is and is influenced by the properties of the medium M accordingly.
  • the transmission signal S is preferably an ultrasonic signal, in particular a pulsed one, in particular at least one ultrasonic pulse.
  • the transmission signal S is emitted by the first piezoelectric element 11a in the region of the first oscillating element 9a and is reflected at the second oscillating element 9b.
  • the second reception signal E s is received by the first piezoelectric element 11a.
  • the transmission signal S runs through the medium M twice, which leads to a propagation time T of the transmission signal S being doubled.
  • the transmission signal S is then emitted by the first piezoelectric element 11a in the region of the first oscillating element 9a and reflected at the second oscillating element 9b, so that the second reception signal E s is also received by the first piezoelectric element 11a.
  • the transmission signal S runs through the medium M twice, which leads to a propagation time T of the transmission signal S being doubled.
  • FIG. 2c A further, exemplary possibility is shown in FIG. 2c.
  • a third piezoelectric element 11c is provided in the area of the membrane 12 here.
  • the third piezoelectric element 11c serves to generate the excitation signal A and to receive the first received signal E
  • the first 11a and second piezoelectric element 11b serve to generate the transmitted signal S and to receive the second received signal E 2 .
  • the device 1 is the subject of FIG. 2d.
  • the device comprises a third 9c and a fourth oscillating element 9d.
  • these are not used to generate vibrations.
  • a third 11c and fourth piezoelectric element 11d is arranged in the additional elements 9c, 9d.
  • the vibronic measurement is carried out using the first two piezoelectric elements 11a, 11b and the ultrasonic measurement is carried out using the other two piezoelectric elements 11c, 11d.
  • a piezoelectric element e.g. B. 11b and 11d can be dispensed with.
  • the decoupling unit 13 comprises a tubular body 14 for which, according to the invention, a wall thickness w is variable along its longitudinal axis a.
  • the decoupling unit 13 comprises a tubular body 14.
  • a first end region Ei of the body 14 is designed for connection to the sensor unit 2 and a second end region E 2 of the tubular body 14 is designed for connection to a housing of the electronics 6.
  • the wall thickness w of the body 14 is variable.
  • the tubular body 14 has a wall thickness w 2 in the sub-area T, which is greater than a wall thickness wi outside of the sub-area T.
  • a diameter d 2 of the body 14 in the sub-area T is greater than a diameter di outside of the sub-area T.
  • a wall thickness w2 of the tubular body 14 in the partial area T is smaller than a wall thickness w1 outside of the partial area T.
  • a diameter d 2 of the body 14 in the partial area T is smaller than a diameter di outside of the partial area T
  • the tubular body 14 has a groove or a notch in the partial area T, for example.
  • a change in the resonant frequency f of the vibronic sensor 1 due to energy flowing from the vibration system to a process connection in the container 3 in which the sensor 1 is used can be dissipated.
  • the outflow of vibrational energy results, for example, from production-related asymmetries in the area of the oscillatable unit 4. Changes in the resonance properties of the oscillatable unit 4 due to the energy otherwise outflowing to the process connection can be effectively avoided in this way. This increases the measurement accuracy of the respective sensor 1 considerably.
  • the exact geometry of the decoupling unit 13 and the exact ratios of the individual geometric parameters w, d, h, H relative to one another depend on the respective installation situation and the nature of the respective sensor 1 .
  • the decoupling unit 13 brings about good mechanical vibration decoupling of the respective sensor 1 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entkopplungseinheit (13) für eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße (P) eines Mediums (M) umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und einer Antriebs-/Empfangseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein erstes elektrisches Empfangssignal (EA) umzuwandeln und eine entsprechende Vorrichtung (1) mit einer erfindungsgemäßen Entkopplungseinheit (13). Die Entkopplungseinheit (13) umfasst einen rohrförmigen Körper (14), wobei ein erster Endbereich (E1) des rohrförmigen Körpers (14) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) der Vorrichtung (1), und ein zweiter Endbereich (E2) des rohrförmigen Körpers (14) zur Verbindung mit einer weiteren Komponente der Vorrichtung (1), insbesondere einer Verlängerungselement oder ein Gehäuse einer Elektronik (6) der Vorrichtung (1), ausgestaltet ist, und wobei eine Wandstärke (w) des rohrförmigen Körpers (14) entlang einer Längsachse (A) des rohrförmigen Körpers (14) variabel ist.

Description

Entkopplungseinheit für einen vibronischen Sensor
Die Erfindung betrifft eine Entkopplungseinheit für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und einer Antriebs-ZEmpfangseinheit sowie eine Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Entkopplungseinheit. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-ZEmpfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-ZEmpfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs- ZEmpfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-ZEmpfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-ZEmpfangseinheit.
Dabei ist die Antriebs-ZEmpfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor >1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschrieben. Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz w, Amplitude A und/oder Phase <t>. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen vorgegebenen Füllstand, oder auch um die Dichte oder die Viskosität des Mediums, sowie um den Durchfluss handeln. Bei einem vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also anhand einer Frequenzverschiebung, unterschieden.
Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vollständig vom Medium bedeckt ist. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt geworden, wie beispielswiese die in den Dokumenten DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 offenbarten.
Aus den Dokumenten DE102012100728A1 oder DE102017130527A1 sind verschiedene vibronische Sensoren bekannt geworden, bei denen die piezoelektrischen Elemente zumindest teilweise innerhalb der schwingfähigen Einheit angeordnet sind. Mit derartigen und ähnlichen Anordnungen lassen sich vorteilhaft mit einem einzigen Sensor mehrere Prozessgrößen bestimmen und zur Charakterisierung von unterschiedlichen Prozessen heranziehen, wie beispielsweise aus den Dokumenten W02020/094266A1 , DE102019116150A1 , DE102019116151A1 , DE02019116152A1 , DE102019110821 A1 , DE102020105214A1 oder DE102020116278A1 bekannt geworden.
Bei vibronischen Sensoren erfolgt grundsätzlich eine Anregung der schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen, welche wiederum durch Eigenschaften verschiedener Medien beeinflusst werden. Für eine hohe Messgenauigkeit ist es entsprechend erforderlich, dass das mechanische Schwingungssystem von äußeren Störeinflüssen möglichst gut entkoppelt wird. Umgekehrt müssen Kräfte, welche aus der Schwingungsbewegung der schwingfähigen Einheit, insbesondere mangels perfekter Symmetrien, resultieren und welche beispielsweise auf das jeweilige Behältnis oder einen daran angeordneten Prozessanschluss einwirken können, reduziert bzw. eliminiert werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Ein derartiger Energieabfluss aus dem Schwingungssystem führt zudem zu einem geänderten Schwingungsverhalten. Somit besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, die Messgenauigkeit vibronischer Sensoren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Entkopplungseinheit nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 8.
Hinsichtlich der Entkopplungseinheit wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch eine Entkopplungseinheit für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und einer Antriebs-ZEmpfangseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln. Erfindungsgemäß umfasst die Entkopplungseinheit einen rohrförmigen Körper, wobei ein erster Endbereich des rohrförmigen Körpers zur Verbindung mit der Sensoreinheit der Vorrichtung, und ein zweiter Endbereich des rohrförmigen Körpers zur Verbindung mit einerweiteren Komponente der Vorrichtung, insbesondere einer Verlängerungselement oder ein Gehäuse einer Elektronik der Vorrichtung, ausgestaltet ist, und wobei eine Wandstärke des rohrförmigen Körpers entlang einer Längsachse des rohrförmigen Körpers variabel ist.
Die Entkopplungseinheit dient der mechanischen Schwingungsentkopplung eines vibronischen Sensors. Durch die Entkopplungseinheit kann ein Abfluss von Energie aus dem Schwingungssystem des jeweils verwendeten vibronischen Sensors an den Prozessanschluss oder das Behältnis verhindert werden. Aus dem Schwingungssystem des vibronischen Sensors abfließende Energie wird nämlich durch die Entkopplungseinheit direkt dissipiert. Die aus dem Schwingungssystem abfließende Energie resultiert beispielsweise aus, insbesondere fertigungsbedingten, geringen Asymmetrien im Bereich der schwingfähigen Einheit. Im Falle, dass es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel mit zwei Schwingstäben handelt, sind in diesem Zusammenhang insbesondere Asymmetrien der beiden Schwingstäbe relativ zu einer oder bezogen auf deren Anordnung relativ zueinander von Bedeutung. Wird die abfließende Energie nicht durch eine erfindungsgemäße Entkopplungseinheit dissipiert, kann es beispielsweise zu einer Änderung der Resonanzeigenschaften, insbesondere der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit, kommen. Ein frequenzstabiles Schwingungsverhalten ist aber in Bezug auf die Messgenauigkeit vibronischer Sensoren von größter Bedeutung. Besonders relevant ist eine Frequenzstabilität im Falle, dass mittels des vibronischen Sensors die Dichte des Mediums bestimmt werden soll. Um eine effektive Schwingungsentkopplung erreichen zu können, ist eine Wandstärke des rohrförmigen Körpers entlang einer Längsachse variabel ausgestaltet. Insbesondere erfolgt entlang einer Längsachse des rohrförmigen Körpers zumindest eine abrupte, stufenartige bzw. diskontinuierliche oder unstetige Änderung der Wandstärke. Dies führt zu, insbesondere abrupten, Änderungen der Steifigkeit des rohrförmigen Körpers entlang der Längsachse, was wiederum entscheidend zur Schwingungsentkopplung und Frequenzstabilität des vibronischen Sensors beiträgt.
Es sei darauf verwiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Ausgestaltungen der Wandung des rohrförmigen Körpers denkbar sind. Beispielweise können die äußere oder die innere Wandung geradlinig verlaufen, während die jeweils andere Wandung zumindest abschnittsweise einen nichtlinearen Verlauf hat, um eine Variation der Wandstärke zu erreichen. Es ist aber auch denkbar, dass sowohl die innere Wandung als auch die äußere Wandung zumindest abschnittsweise einen nichtlinearen Verlauf aufweisen. Ein nichtlinearer Verlauf bedeutet insbesondere das Vorhandensein von zumindest einem Absatz, einer Kante, oder einer Rundung.
In einer Ausgestaltung weist der rohrförmige Körper in zumindest einem Teilbereich entlang der Längsachse eine Wandstärke auf, welche größer oder kleiner ist als eine Wandstärke der Wandung des rohrförmigen Körpers außerhalb des Teilbereichs. In dem Teilbereich ist die Wandung demnach dicker oder dünner ist als außerhalb des Teilbereichs. Die Entkopplungseinheit weist entsprechend in dem Teilbereich eine geänderte Steifigkeit auf, was wiederum zur Schwingungsentkopplung beiträgt.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die Wandstärke in dem Teilbereich mindestens um den Faktor zwei, vorzugsweise mindestens um den Faktor 5, größer oder kleiner ist als die Wandstärke außerhalb des Teilbereichs.
In einer weiteren Ausgestaltung weist der rohrförmige Körper in dem zumindest einen Teilbereich eine Aussparung, insbesondere eine Kerbe oder Nut auf, welche im Bereich einer Innen- oder Außenwandung des rohrförmigen Körpers angeordnet sein kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Entkopplungseinheit weist der rohrförmige Körper in dem zumindest einen Teilbereich einen Innen- oder Außendurchmesser senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Körpers auf, welcher größer ist als ein Innen- oder Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers außerhalb des Teilbereichs. In einer weiteren Ausgestaltung der Entkopplungseinheit beträgt ein Abstand des zumindest einen Teilbereichs von dem ersten Endbereich parallel zur Längsachse des rohrförmigen Körpers mindestens der Hälfte eines Durchmessers, insbesondere des Außendurchmessers, des rohrförmigen Körpers.
Schließlich beinhaltet noch eine Ausgestaltung der Entkopplungseinheit, dass ein Abstand des zumindest einen Teilbereichs von dem ersten Endbereich parallel zur Längsachse des rohrförmigen Körpers maximal das Vierfache eines Durchmessers, insbesondere des Außendurchmessers, des rohrförmigen Körpers beträgt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und einer Antriebs- /Empfangseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein erstes elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, eine Elektronik, welche dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und eine erfindungsgemäße Entkopplungseinheit nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen.
Bei der mechanisch schwingfähigen Einheit handelt es sich beispielsweise um eine Membran, einen Einstab, eine Anordnung von zumindest zwei Schwingelementen, oder um eine Schwinggabel.
Mittels des Anregesignals werden mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit erzeugt, welche im Falle, dass die schwingfähige Einheit von Medium bedeckt ist, von den Eigenschaften des Mediums beeinflusst werden. Entsprechend kann anhand des Empfangssignals, welches die Schwingungen der schwingfähigen Einheit repräsentiert, eine Aussage über die zumindest eine Prozessgröße ermittelt werden. Bei dem Anregesignal handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Signal mit zumindest einer vorgebbaren Frequenz, insbesondere um ein sinusförmiges oder um ein rechteckförmiges Signal. Vorzugsweise wird die mechanisch schwingfähige Einheit zumindest zeitweise zu Resonanzschwingungen angeregt. Die Vorrichtung kann ferner eine Elektronik, beispielsweise zur Signalerfassung und/oder -speisung umfassen.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Antriebs-ZEmpfangseinheit zumindest ein piezoelektrisches Element. Es können aber auch mehrere piezoelektrische Elemente vorhanden sein, die an unterschiedlichen Positionen relativ zur schwingfähigen Einheit angeordnet sein können. Alternativ sind aber ebenfalls elektromagnetische Antriebs-ZEmpfangseinheiten denkbar. Es ist von Vorteil, wenn das piezoelektrische Element zumindest teilweise in einem Innenvolumen der schwingfähigen Einheit angeordnet ist. Beispielsweise kann die schwingfähige Einheit zumindest einen Hohlraum umfassen, in welchen das piezoelektrische Element eingebracht ist. Der Hohlraum ist dann vorzugsweise mit einer Füllung, insbesondere mit einem Vergussmaterial, beispielsweise einem Klebstoff, gefüllt, oder das piezoelektrische Element ist in dem Hohlraum vergossen.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, ein Sendesignal auszusenden und ein zweites Empfangssignals zu empfangen, und anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen und/oder zu überwachen. In diesem Falle handelt es sich um einen vibronischen Multisensor.
In diesem Fall dient das piezoelektrische Element einerseits als Antriebs-ZEmpfangseinheit zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit und zur Aussendung des Sendesignals, welches in Form des zweiten Empfangssignals empfangen wird. Bei dem Sendesignal handelt es sich bevorzugt um ein, insbesondere gepulstes, Ultraschallsignal, insbesondere um zumindest einen Ultraschallpuls. Als zweites angewendetes Messverfahren wird demnach im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ultraschall-basierte Messung durchgeführt.
Wenn das Sendesignal auf seinem Weg zumindest zeitweise und abschnittsweise das Medium durchläuft, wird es ebenfalls durch die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums beeinflusst und kann entsprechend zur Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums herangezogen werden. Somit können im Falle, dass ein Anregesignal und ein Sendesignal erzeugt werden, zumindest zwei Messprinzipien in einer einzigen Vorrichtung realisiert zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen ausgewertet werden. Die beiden Empfangssignale können dabei vorteilhaft unabhängig voneinander ausgewertet werden. So kann erfindungsgemäß die Anzahl ermittelbarer Prozessgrößen deutlich erhöht werden, was zu einer höheren Funktionalität des jeweiligen Sensors bzw. in einem erweiterten Anwendungsbereich resultiert. Im Zusammenhang mit der zusätzlichen Erzeugung eines Sendesignals sei ferner auf die W02020/094266A1 verwiesen, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen wird.
Es ist schließlich in Bezug auf die Vorrichtung ebenfalls von Vorteil, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit eine Schwinggabel mit einem ersten und einem zweiten Schwingelement ist, und wobei das zumindest eine piezoelektrische Element zumindest teilweise in einem der beiden Schwingelemente angeordnet ist, oder wobei jeweils ein piezoelektrisches Element in jedem Schwingelement angeordnet ist. Entsprechende Ausgestaltungen einer solchen Sensoreinheit sind beispielsweise in den Dokumenten DE102012100728A1 und DE102017130527A1 beschrieben worden. Auf beide Anmeldungen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen. Bei den in den beiden Dokumenten beschriebenen möglichen Ausgestaltungen der Sensoreinheit handelt es sich jedoch um beispielhafte mögliche konstruktive Ausgestaltungen der Sensoreinheit. Es ist nicht zwingend notwendig, die piezoelektrischen Elemente ausschließlich im Bereich der Schwingelemente anzuordnen. Vielmehr können einzelne der verwendeten piezoelektrischen Elemente auch im Bereich der Membran oder in weiteren nicht für die vibronische Anregung verwendeten Schwingelementen, welche ebenfalls auf der Membran aufgebracht sind, angeordnet sein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
Fig. 2: verschiedene mögliche Ausgestaltungen für vibronische Sensoren gemäß Stand der Technik, bei denen piezoelektrische Elemente innerhalb der Schwingelemente angeordnet sind,
Fig. 3 bevorzugte Ausgestaltungen für einen vibronischen Sensor mit einer erfindungsgemäßen Koppeleinheit, und
Fig. 4 die Frequenzänderung eines vibronischen Sensors als Funktion unterschiedlicher Wandstärken bei einer Entkopplungseinheit gemäß Fig. 3a.
In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein vibronischer Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 2 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium M eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-ZEmpfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Andere vibronische Sensoren verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-ZEmpfangseinheiten 5. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-ZEmpfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in Fig. 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
In Fig. 2 sind beispielhaft verschiedene Sensoreinheiten 2 von vibronischen Sensoren 1 gezeigt, bei welchen die piezoelektrischen Elemente. 5 in einem Innenvolumen der schwingfähigen Einheit angeordnet sind. Die in Fig. 2a gezeigte mechanisch schwingfähige Einheit 4 umfasst zwei an einer Basis 8 angebrachte Schwingelemente 9a, 9b, welche mithin auch als Gabelzinken bezeichnet werden. Optional kann an den Endseiten der beiden Schwingelemente 9a, 9b außerdem jeweils ein Paddel angeformt sein [hier nicht gezeigt]. In jedem der beiden Schwingelemente 9a, 9b ist jeweils ein, insbesondere taschenartiger, Hohlraum 10a, 10b eingebracht, in welchem jeweils zumindest ein piezoelektrisches Element 11a, 11 b der Antriebs-ZEmpfangseinheit 5 angeordnet ist. Vorzugsweise sind die piezoelektrischen Elemente 11a und 11b innerhalb der Hohlräume 10a und 10b vergossen. Die Hohlräume 10a, 10b können dabei so beschaffen sein, dass sich die beiden piezoelektrischen Elemente 11a, 11 b vollständig oder teilweise im Bereich der beiden Schwingelemente 9a, 9b befinden Eine solche sowie ähnliche Anordnungen sind in der DE102012100728A1 ausführlich beschrieben.
Eine weitere beispielhafte, mögliche Ausgestaltung einer Sensoreinheit 2 ist in Fig. 2b dargestellt. Die mechanisch schwingfähige Einheit 4 verfügt über zwei parallel zueinander ausgerichtete, hier stabförmig ausgestaltete, auf einem scheibenförmigen Element 12 angebrachte, Schwingelemente 9a, 9b, welche getrennt voneinander zu mechanischen Schwingungen anregbar sind, und bei denen die Schwingungen ebenfalls getrennt voneinander empfangen und ausgewertet werden können. Beide Schwingelemente 9a und 9b weisen jeweils einen Hohlraum 10a und 10b auf, in welchen im dem scheibenförmigen Element 12 zugewandten Bereich jeweils zumindest ein piezoelektrisches Element 11a und 11 b angeordnet ist. Bezüglich der Ausgestaltung gemäß Fig. 2b sei wiederum ferner auf in die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE102017130527A1 verwiesen.
Wie in Fig. 2b schematisch eingezeichnet, wird die Sensoreinheit 2 einerseits mit einem Anregesignal A beaufschlagt, derart, dass die schwingfähige Einheit 4 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen werden dabei vermittels der beiden piezoelektrischen Elemente 11a und 11 b erzeugt. Es ist sowohl denkbar, dass beide piezoelektrischen Elemente mit demselben Anregesignal A beaufschlagt werden, als auch eine Beaufschlagung des ersten Schwingelements 11a mittels eines ersten Anregesignals Ai und des zweiten Schwingelements 11 b mittels eines zweiten Anregesignals A2. Ebenso ist es sowohl denkbar, dass anhand der mechanischen Schwingungen ein erstes Empfangssignal EÄ, oder von jedem Schwingelement 9a, 9b ein separates Empfangssignal EAI bzw. EA2 empfangen wird.
Darüber hinaus kann beispielsweise vom ersten piezoelektrischen Element 11a ausgehend zudem ein Sendesignal S ausgesendet werden, welches von dem zweiten piezoelektrischen Element 11 b in Form eines zweiten Empfangssignals Es empfangen wird. Da die beiden piezoelektrischen Elemente 11 a und 11 b zumindest im Bereich der Schwingelemente 9a und 9b angeordnet sind, durchläuft das Sendesignal S das Medium M, sofern die Sensoreinheit 2 mit dem Medium M in Kontakt ist und wird entsprechend von den Eigenschaften des Mediums M beeinflusst. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sendesignal S um ein, insbesondere gepulstes, Ultraschallsignal, insbesondere um zumindest einen Ultraschallpuls. Ebenso ist es aber denkbar, dass das Sendesignal S von dem ersten piezoelektrischen Element 11a im Bereich des ersten Schwingelements 9a ausgesendet wird und an dem zweiten Schwingelement 9b reflektiert wird. In diesem Falle wird das zweite Empfangssignal Es vom ersten piezoelektrischen Element 11a empfangen. Das Sendesignal S durchläuft in diesem Falle das Medium M zweimal, was zu einer Verdoppelung einer Laufzeit T des Sendesignals S führt.
Neben diesen beiden gezeigten Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind noch zahlreiche weitere Varianten denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Beispielsweise ist es für die Ausgestaltungen gemäß der Figuren Fig. 2a und Fig. 2b möglich, lediglich ein piezoelektrisches Element 11 a, 11b zu verwenden und zumindest in einem der beiden Schwingelemente 9a, 9b anzuordnen. In diesem Falle dient das piezoelektrische Element 9a zur Erzeugung des Anregesignals, und des Sendesignals S, sowie zum Empfangen des ersten Ei und zweiten Empfangssignals E2. Dann wird das Sendesignal S von dem ersten piezoelektrischen Element 11a im Bereich des ersten Schwingelements 9a ausgesendet und an dem zweiten Schwingelement 9b reflektiert, so dass auch das zweite Empfangssignal Es vom ersten piezoelektrischen Element 11a empfangen wird. Das Sendesignal S durchläuft in diesem Falle das Medium M zweimal, was zu einer Verdoppelung einer Laufzeit T des Sendesignals S führt.
Eine weitere, beispielhafte Möglichkeit ist in Fig. 2c dargestellt. Hier ist ein drittes piezoelektrisches Element 11c im Bereich der Membran 12 vorgesehen. Das dritte piezoelektrische Element 11c dient der Erzeugung des Anregesignals A und zum Empfangen des ersten Empfangssignals E das erste 11a und zweite piezoelektrische Element 11 b dienen der Erzeugung des Sendesignals S bzw. dem Empfangen des zweiten Empfangssignals E2. Alternativ ist es beispielsweise möglich, mit dem ersten 11 a und/oder zweiten piezoelektrischen Element 11 b das Anregesignal A und das Sendesignal S zu erzeugen sowie das zweite Empfangssignal E2 zu empfangen, wobei das dritte piezoelektrische Element 11c zum Empfangen des ersten Empfangssignals Ei dient. Ebenso ist es möglich, mit dem ersten 11a und/oder zweiten piezoelektrischen Element 11 b das Sendesignal S und mit dem dritten piezoelektrischen Element 11 c das Anregesignal A zu erzeugen und mit dem ersten 11a und/oder zweiten piezoelektrischen Element 11b das erste Ei und/oder zweite Empfangssignal E2 zu empfangen. Auch im Falle der Fig. 2c ist es für andere Ausgestaltungen möglich, auf das erste 11a oder zweite piezoelektrische Element 11b zu verzichten.
Noch eine mögliche Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist Gegenstand von Fig. 2d. Die Vorrichtung umfasst ausgehend von der Ausgestaltung aus Fig. 2b ein drittes 9c und ein viertes Schwingelement 9d. Diese dienen jedoch nicht einer Schwingungserzeugung. Vielmehr ist in den zusätzlichen Elemente 9c, 9d jeweils ein drittes 11c und viertes piezoelektrisches Element 11 d angeordnet. In diesem Falle wird die vibronische Messung mittels der ersten beiden piezoelektrischen Elemente 11a, 11b und die Ultraschallmessung mittels der anderen beiden piezoelektrischen Elemente 11 c, 11 d durchgeführt. Auch hier kann je Messprinzip auf ein piezoelektrisches Element, z. B. 11 b und 11d verzichtet werden. Aus Symmetriegründen ist es dagegen vorteilhaft, stets zwei zusätzliche Schwingelemente 9c, Od zu verwenden.
Einige besonders bevorzugte, beispielhafte Ausgestaltungen für erfindungsgemäße Entkopplungseinheiten 13 sind in Fig. 3 dargestellt. Die Entkopplungseinheit 13 umfasst einen rohrförmigen Körper 14, für welchen erfindungsgemäß eine Wandstärke w entlang seiner Längsachse a variabel ist. Eine erste Ausgestaltung für einen vibronischen Sensor 1 mit einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel und einer Elektronik 6, wobei zwischen der Elektronik 6 und der schwingfähigen Einheit 4 eine Entkopplungseinheit 13 angeordnet ist, ist in Fig. 3a dargestellt. Die Entkopplungseinheit 13 umfasst einen rohrförmigen Körper 14. Ein erster Endbereich Ei des Körpers 14 ist zur Verbindung mit der Sensoreinheit 2 und ein zweiter Endbereich E2 des rohrförmigen Körpers 14 ist zur Verbindung mit einem Gehäuse der Elektronik 6 ausgestaltet. Die Wandstärke w des Körpers 14 ist variabel. Hier weist der rohrförmige Körper 14 in dem Teilbereich T eine Wandstärke w2 auf, welche größer ist als eine Wandstärke wi außerhalb des Teilbereichs T. Entsprechend ist ein Durchmesser d2 des Körpers 14 im Teilbereich T größer als ein Durchmesser di außerhalb des Teilbereichs T. Für die in Fig. 3b gezeigte Variante ist eine Wandstärke w2 des rohrförmigen Körpers 14 im Teilbereich T kleiner als eine Wandstärke w1 außerhalb des Teilbereichs T. Entsprechend ist ein Durchmesser d2 des Körpers 14 im Teilbereich T kleiner als ein Durchmesser di außerhalb des Teilbereichs T. In diesem Falle weist der rohrförmige Körper 14 in dem Teilbereich T beispielsweise eine Nut oder eine Kerbe auf.
Während die Entkopplungseinheiten 13 aus den Figuren Fig. 3a und 3b derart ausgestaltet sind, dass ein Außendurchmesser d1 , d2 des rohrförmigen Körpers 14 variiert, ist der Außendurchmesser d im Falle der Ausgestaltung der Entkopplungseinheit 13 gemäß Fig. 3c konstant. Dagegen variiert in diesem Falle ein Innendurchmesser D derart, dass ein Innendurchmesser Di im Teilbereich T kleiner ist als ein Innendurchmesser D2 außerhalb des Teilbereichs T. Wieder ergibt sich hierdurch im Teilbereich T eine Wandstärke w2 des rohrförmigen Körpers 14, die größer ist als eine Wandstärke wi außerhalb des Teilbereichs T. Neben den hier gezeigten Ausgestaltungen für die Entkopplungseinheit 13 sind zahlreiche, weitere Ausgestaltungen denkbar, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Beispielsweise können mehrere Teilbereiche T mit geänderten Durchmessern d oder D bzw. geänderten Wandstärken w vorhanden sein. Auch können Abstände H des Teilbereichs T vom ersten Ei oder zweiten E2 Endbereich oder eine Höhe h des Teilbereichs T unterschiedlich gewählt werden.
Durch die spezielle Ausgestaltung der Entkopplungseinheit 13 kann eine Änderung der Resonanzfrequenz f des vibronischen Sensors 1 aufgrund von Energie, welche aus dem Schwingungssystem zu einem Prozessanschluss in dem Behältnis 3, in welchem der Sensor 1 eingesetzt wird, fließt, dissipiert werden. Der Abfluss an Schwingungsenergie resultiert beispielsweise aus fertigungsbedingten Asymmetrien im Bereich der schwingfähigen Einheit 4. Änderungen der Resonanzeigenschaften der schwingfähigen Einheit 4 aufgrund der anderweitig zum Prozessanschluss abfließenden Energie können auf diese Weise effektiv vermieden werden. Dadurch erhöht sich die Messgenauigkeit des jeweiligen Sensors 1 erheblich.
In Fig. 4 ist das Verhältnis der Resonanzfrequenzen AfV Af2 eines vibronischen Sensors 1 mit einer Entkopplungseinheit 13 mit (AT) und ohne (Af2) Einspannung, also einer Befestigung des Sensors 1 an einem Behältnis 3 in Abhängigkeit der Länge L des rohrförmigen Körpers 13 für verschiedene Differenzen der beiden Wandstärken AW=WI-W2 und für unterschiedliche Höhen h des Teilbereichs T für eine Entkopplungseinheit 13 gemäß Fig. 3a dargestellt. Die genaue Geometrie der Entkopplungseinheit 13 und die genauen Verhältnisse der einzelnen geometrischen Parameter w, d, h, H relativ zueinander hängen von der jeweiligen Einbausituation und Beschaffenheit des jeweiligen Sensors 1 ab. Die Entkopplungseinheit 13 bewirkt eine gute mechanische Schwingungsentkopplung des jeweiligen Sensors 1 .
Bezugszeichenliste
1 Vibronischer Sensor
2 Sensoreinheit
3 Behältnis
4 Schwingfähige Einheit
5 Antriebs-ZEmpfangseinheit
6 Elektronik
8 Basis
9a, 9b Schwingelemente
10a, 10b Hohlräume
11a, 11b piezoelektrische Elemente
12 scheibenförmiges Element
13 Entkopplungseinheit
14 Rohrförmiger Körper
M Medium
P Prozessgröße
A Anregesignal
S Sendesignal
EA erstes Empfangssignal
Es zweites Empfangssignal
ET drittes Empfangssignal
A<t> vorgebbare Phasenverschiebung
E1 , E2 Endbereiche des rohrförmigen Körpers d Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers
D Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers w Wandstärken des rohrförmigen Körpers
L Länge des rohrförmigen Körpers
T Teilbereich
H Abstand Teilbereich zum ersten Endbereich h Höhe des Teilbereichs

Claims

Patentansprüche Entkopplungseinheit (13) für eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße (P) eines Mediums (M) umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und einer Antriebs-ZEmpfangseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein erstes elektrisches Empfangssignal (EÄ) umzuwandeln, umfassend: einen rohrförmigen Körper (14), wobei ein erster Endbereich (Ei) des rohrförmigen Körpers (14) zur Verbindung mit der Sensoreinheit (2) der Vorrichtung (1), und ein zweiter Endbereich (E2) des rohrförmigen Körpers (14) zur Verbindung mit einerweiteren Komponente der Vorrichtung (1), insbesondere einer Verlängerungselement oder ein Gehäuse einer Elektronik (6) der Vorrichtung (1), ausgestaltet ist, und wobei eine Wandstärke (w) des rohrförmigen Körpers (14) entlang einer Längsachse (A) des rohrförmigen Körpers (14) variabel ist. Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei rohrförmige Körper (14) in zumindest einem Teilbereich (T) entlang der Längsachse eine Wandstärke (w2) aufweist, welche größer oder kleiner ist als eine Wandstärke (wi) der Wandung des rohrförmigen Körpers (14) außerhalb des Teilbereichs (T). Entkopplungseinheit (13) nach Anspruch 2, wobei die Wandstärke (w2) in dem Teilbereich (T) mindestens um den Faktor zwei, vorzugsweise mindestens um den Faktor 5, größer oder kleiner ist als die Wandstärke (wi) außerhalb des Teilbereichs (T). Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der rohrförmige Körper (14) in dem zumindest einen Teilbereich (T) eine Aussparung, insbesondere eine Kerbe oder Nut aufweist, welche im Bereich einer Innenoder Außenwandung des rohrförmigen Körpers (14) angeordnet sein kann. Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, wobei der rohrförmige Körper (14) in dem zumindest einen Teilbereich (T) einen Innen- (D2) oder Außendurchmesser (d2) senkrecht zur Längsachse (A) des rohrförmigen Körpers (14) aufweist, welcher größer ist als ein Innen- (Di) oder Außendurchmesser (di) des rohrförmigen Körpers (14) außerhalb des Teilbereichs (T). Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Abstand (H) des zumindest einen Teilbereichs (T) von dem ersten Endbereich (Ei) parallel zur Längsachse (A) des rohrförmigen Körpers (14) mindestens der Hälfte eines Durchmessers (d,D) des rohrförmigen Körpers (14) beträgt. Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Abstand (H) des zumindest einen Teilbereichs (T) von dem ersten Endbereich (Ei) parallel zur Längsachse (A) des rohrförmigen Körpers (14) maximal das Vierfache eines Durchmessers (d,D) des rohrförmigen Körpers (14) beträgt. Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße (P) eines Mediums (M) umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), und einer Antriebs-ZEmpfangseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein erstes elektrisches Empfangssignal (EA) umzuwandeln, eine Elektronik, welche dazu ausgestaltet ist, anhand des Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße (P) zu ermitteln, und eine Entkopplungseinheit (13) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei die Antriebs-ZEmpfangseinheit (5) zumindest ein piezoelektrisches Element (11) umfasst. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das piezoelektrische Element (11) zumindest teilweise in einem Innenvolumen der schwingfähigen Einheit (4) angeordnet ist. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 8-10, 15 wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, ein Sendesignal (S) auszusenden und ein zweites Empfangssignals (Es) zu empfangen, und anhand des ersten (EÄ) und/oder zweiten Empfangssignals (Es) die zumindest eine Prozessgröße (P) zu bestimmen und/oder zu überwachen. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 9-11 , wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (4) eine Schwinggabel mit einem ersten
(9a) und einem zweiten Schwingelement (9b) ist, und wobei das zumindest eine piezoelektrische Element (11) zumindest teilweise in einem der beiden Schwingelemente (9a, 9b) angeordnet ist, oder wobei jeweils ein piezoelektrisches Element (11a, 11 b) in jedem Schwingelement (9a, 9b) angeordnet ist.
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