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WO2024126024A1 - VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG ZUMINDEST EINER PROZESSGRÖßE EINES MEDIUMS - Google Patents

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG ZUMINDEST EINER PROZESSGRÖßE EINES MEDIUMS Download PDF

Info

Publication number
WO2024126024A1
WO2024126024A1 PCT/EP2023/083249 EP2023083249W WO2024126024A1 WO 2024126024 A1 WO2024126024 A1 WO 2024126024A1 EP 2023083249 W EP2023083249 W EP 2023083249W WO 2024126024 A1 WO2024126024 A1 WO 2024126024A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric element
unit
wall
temperature sensor
designed
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/083249
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Dötsch
Laura MIGNANELLI
Sergey Lopatin
Jan SCHLEIFERBÖCK
Tobias Brengartner
Markus Franzke
Peter Wimberger
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
Publication of WO2024126024A1 publication Critical patent/WO2024126024A1/de

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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0655—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of cylindrical shape
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • 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
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    • G01—MEASURING; TESTING
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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
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    • 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 device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium.
  • Vibronic sensors are widely used in process and/or automation technology.
  • level measuring devices they have at least one mechanically oscillating unit, such as a tuning 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.
  • the applicant produces a wide variety of corresponding field devices and sells them, for example, under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT.
  • the underlying measuring principles are known in principle from a large number of publications.
  • the drive/receiver unit excites the mechanically oscillating unit to mechanical vibrations by means of an electrical excitation signal.
  • the drive/receiver unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically oscillating unit and convert them into an electrical reception signal.
  • the drive-receiving unit is either a separate drive unit and a separate receiving unit, or a combined drive-receiving unit.
  • the drive/receiver unit is part of a feedback electrical oscillating circuit, by means of which the mechanically oscillating unit is excited to mechanical oscillations.
  • the oscillating circuit condition must be met, according to which the gain factor is >1 and all phases occurring in the oscillating circuit result in a multiple of 360°.
  • a certain phase shift between the excitation signal and the receiving signal must be ensured. For this reason, a predeterminable value is often used. for the phase shift, i.e. a target value for the phase shift between the excitation signal and the received signal.
  • Both the excitation signal and the received signal are characterized by their frequency w, amplitude A and/or phase ⁇ t>. Accordingly, changes in these variables are usually used to determine the respective process variable.
  • the process variable can be, for example, a fill level, a specified fill level, or the density or viscosity of the medium, as well as the flow rate.
  • a vibronic point level switch for liquids for example, a distinction is made as to whether the oscillating unit is covered by the liquid or is oscillating freely. These two states, the free state and the covered state, are differentiated based on different resonance frequencies, i.e. based on a frequency shift.
  • the drive/receiver unit is usually designed as a piezoelectric element in the form of a rectangular disk and is introduced into a pocket-like cavity of the oscillating unit.
  • the cavity is then filled with a potting material so that the drive/receiving unit is force-fitted to a wall of the cavity.
  • the potting material is preferably selected so that a very good force coupling is obtained between the drive/receiving unit and the oscillating unit after potting.
  • Such a drive/receiving unit is described, for example, in DE102012100728A1.
  • the area of the oscillating unit intended for the cavity is usually eroded using a spark erosion removal process.
  • such removal processes are complex and costly. It is therefore an object of the present invention to provide a device in which the drive-receiving unit can be easily introduced into the oscillatable unit.
  • a device for determining and/or monitoring at least one process variable of a medium comprising an electronic unit and a sensor unit with a mechanically oscillatable unit and at least one first tubular piezoelectric element, wherein the device is designed to excite the mechanically oscillatable unit to mechanical oscillations in a first oscillation mode by means of a first excitation signal and to receive the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit in the first oscillation mode and to convert them into an electrical received signal, wherein the electronic unit is set up to determine the at least one process variable from the received signal, and wherein the mechanically oscillatable unit has at least one first cylindrical bore in an end region, into which the at least first piezoelectric element is at least partially introduced.
  • the at least first piezoelectric element is introduced into the first cylindrical bore.
  • Such bores are considerably easier to manufacture than pocket-shaped cavities that serve to accommodate piezoelectric elements, as are known from the prior art described above.
  • simpler and more cost-effective machining processes e.g. drilling, can be used.
  • the use of the at least first tubular piezoelectric element reduces thermomechanical stresses in the area of the at least first tubular piezoelectric element.
  • the thermal expansion coefficients of the mechanically oscillating unit, the at least first piezoelectric element and optionally a potting material, by means of which the at least first piezoelectric element is connected to the at least first cylindrical bore so that under the influence of temperature, stresses occur in the region of the at least first piezoelectric element. Due to the tubular design of the at least first piezoelectric element, it expands in particular in the direction of its longitudinal axis.
  • the at least first piezoelectric element is designed in the form of a tube or a tube section.
  • the mechanically oscillating unit is, for example, a membrane, a single rod, an arrangement of at least two oscillating elements, or a tuning fork.
  • the at least first piezoelectric element can serve as a drive/receiver unit for generating the mechanical oscillations of the mechanically oscillating unit, which are generated by means of the excitation signal.
  • the mechanical oscillations are in turn influenced by the properties of the medium, so that a statement about the at least one process variable can be generated based on the received signal, which represents the oscillations of the oscillating unit.
  • the sensor unit has at least a second tubular piezoelectric element, wherein the mechanically oscillatable unit is a tuning fork with a first oscillating element and a second oscillating element, wherein the at least first piezoelectric element is at least partially introduced into a first cylindrical bore of the first oscillating element and the at least second piezoelectric element is at least partially introduced into a second cylindrical bore of the second oscillating element.
  • the device comprises a temperature sensor. The temperature influences the mechanical properties of the sensor unit and a wide variety of process variables of the medium. By additionally determining and/or monitoring the temperature, the measuring accuracy of the device can be significantly improved and the functionality of the device expanded.
  • the temperature sensor is a thermocouple or a resistance element.
  • the temperature sensor is introduced into at least the first cylindrical bore.
  • the temperature sensor is arranged in a cavity enclosed by at least the first piezoelectric element.
  • the temperature sensor is therefore located inside the tube of the at least the first piezoelectric element and is thus arranged in a particularly space-saving manner.
  • thermosensor is arranged in an end region of the at least first piezoelectric element.
  • the temperature sensor is preferably arranged in an end region of the at least first piezoelectric element facing away from the mechanically oscillatable unit.
  • the at least first piezoelectric element is electrically connected to the end region of the mechanically oscillatable unit by means of a conductive adhesive or a soldering point.
  • an outer wall of the at least first piezoelectric element is designed as a first conductive electrode at least in a first section and an inner wall of the at least first piezoelectric element is designed as a second conductive electrode at least in a second section conductive electrode.
  • the first and second conductive electrodes are thus partially or completely formed by the outer wall and the inner wall.
  • the at least first piezoelectric element has a peripheral contact which is designed such that the first conductive electrode can be electrically contacted by means of a third section of the inner wall or that the second conductive electrode can be electrically contacted by means of a fourth section of the outer wall.
  • the peripheral contact ensures that both the first conductive electrode and the second conductive electrode can be contacted either on the inner wall or the outer wall. If the first conductive electrode is formed by the outer wall at least in the first section, the first section can be pulled in the direction of the inner wall such that it forms a third section in the region of the inner wall. Alternatively, the second section can be pulled in the direction of the outer wall such that it forms a fourth section of the outer wall if the second conductive electrode is formed at least by the second section of the inner wall.
  • the at least first piezoelectric element is electrically connected to an electrical connection element by means of the outer wall and/or the inner wall.
  • the electrical connection element is a cable or a circuit board.
  • the temperature sensor if present, can also be arranged on the circuit board.
  • the mechanically oscillatable unit is connected to a housing by means of its end region.
  • the at least first piezoelectric element at least partially contacts a wall of the at least first cylindrical bore.
  • Fig. 1 a schematic representation of a device according to the invention, which is attached to a container.
  • Fig. 2 a schematic representation of a first embodiment of the sensor unit.
  • Fig. 3 a schematic representation of a second embodiment of the sensor unit.
  • Fig. 4a a cross-sectional view of a third embodiment of the sensor unit.
  • Fig. 4b a schematic representation of the third embodiment of the sensor unit.
  • Fig. 5 a detailed view of the at least first piezoelectric element.
  • Fig. 6 a first embodiment of the contact.
  • Fig. 7 a second embodiment of the contact.
  • FIG. 1 an exemplary device 1 according to the invention with an electronic unit 3 and a sensor unit 4 is shown.
  • the device 1 is attached to a container 30, such as a pipe or a tank.
  • a medium 2 is introduced into the container 30.
  • the sensor unit 4 comprises a mechanically oscillatable unit 5 and at least one first piezoelectric element e (here covered by the housing 28 of the device 1).
  • the device 1, in particular the electronic unit 3, is designed to excite the mechanically oscillatable unit 5 by means of a first excitation signal to mechanical oscillations in a first oscillation mode and to measure the mechanical oscillations of the mechanically oscillatable unit 5 in the first oscillation mode. received and converted into an electrical reception signal.
  • the electronic unit 3 is further designed to determine the at least one process variable of the medium 2 from the reception signal.
  • the process variable of the medium 2 is, for example, a fill level, a density or a viscosity.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the sensor unit.
  • the mechanically oscillatable unit 5 has at least one first cylindrical bore 8 in an end region 7, into which the at least first piezoelectric element 6 is at least partially introduced.
  • the at least first piezoelectric element 6 is electrically connected to the end region 7 of the mechanically oscillatable unit 5 by means of a conductive adhesive or a soldering point.
  • Piezoelectric elements typically have a thermal expansion coefficient of approximately 6 10' 6 K' 1.
  • the mechanically oscillatable unit can, for example, be made of stainless steel with a thermal expansion coefficient of (16-18)- 10 -6 K -1 .
  • a conventional adhesive as a potting material typically has a thermal expansion coefficient of (40-60)- 10' 6 K' 1.
  • thermomechanical stresses occur. Due to the tubular design of the at least first piezoelectric element 6, these are reduced compared to a disk- or plate-shaped design of the at least first piezoelectric element, since there are only large areas in the axial direction that expand, but not in the radial direction.
  • the mechanically oscillatable unit 5 is optionally connected to a housing 28 in its end region 7.
  • the device 1 can optionally comprise a temperature sensor 14.
  • the temperature sensor 14 can be introduced into the at least one first cylindrical bore 8 and arranged, for example, in an end region 16 of the at least first piezoelectric element 6, as shown in Fig. 2.
  • the temperature sensor 14 is preferably arranged in an end region 16 of the at least first piezoelectric element 6 facing away from the mechanically oscillatable unit 5, as shown in Fig. 3.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the sensor unit 4.
  • the sensor unit 4 comprises a tuning fork 10 with a first vibrating element 11 and a second vibrating element 12.
  • the first vibrating element 11 has the first cylindrical bore 8, into which the at least first piezoelectric element 6 is introduced.
  • the second vibrating element 12 has a second cylindrical bore 13, into which at least a second piezoelectric element 9 is introduced.
  • the at least first piezoelectric element 6 and the at least second piezoelectric element 9 are preferably arranged such that they each at least partially touch a wall 29 of the respective cylindrical bore 8, 13.
  • a temperature sensor 14 is only provided in the first vibrating element 11.
  • a second, redundant temperature sensor can also be provided, in particular in the second cylindrical bore 13.
  • the temperature sensor 14 can also be arranged in a cavity 15 enclosed by the at least first piezoelectric element 6, as shown in Fig. 4a-b.
  • the temperature sensor 14 must be dimensioned such that it is smaller in at least two dimensions than an inner radius of the at least first piezoelectric element 6.
  • Fig. 5 shows a detailed view of an exemplary first piezoelectric element 6.
  • the at least first piezoelectric element 6 has an outer wall 17 and an inner wall 20.
  • At least a first section 18 of the outer wall 17 is designed as a first conductive electrode 19.
  • At least a second section 21 of the inner wall 20 is designed as a second conductive electrode 22.
  • the inner wall 20 is designed entirely as a second conductive electrode 22 and the outer wall 17 is designed entirely as a first conductive electrode 19.
  • the at least first piezoelectric element 6 can have a contact 23, as shown in Figures 6 and 7.
  • the contact is designed, for example, such that the second conductive electrode 22 is connected to the
  • the outer wall 17 can be electrically contacted (see Fig. 6).
  • the electrical contacting of the first conductive electrode 19 and the second conductive electrode 20 can be done from the side of the outer wall 17 by means of an electrical connection element 26 (not shown).
  • the surrounding contact 23 can be designed such that the first conductive electrode 19 can be electrically contacted by means of a third section 24 of the inner wall 20, as shown in Fig. 7.
  • the first conductive electrode 19 and the second conductive electrode 20 can be electrically connected in a simple manner to an electrical connection element 26, for example a cable or a circuit board. If a circuit board is used as the electrical connection element 26, the temperature sensor 14 can also be arranged on it.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) umfassend eine Elektronikeinheit (3) und eine Sensoreinheit (4) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (5) und mindestens einem ersten rohrförmigen piezoelektrischen Element (6), wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (5) mittels eines ersten Anregesignals zu mechanischen Schwingungen in einer ersten Schwingungsmode anzuregen und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (5) in der ersten Schwingungsmode zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, wobei die Elektronikeinheit (3) dazu eingerichtet ist, aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und wobei die mechanische schwingfähige Einheit (5) in einem Endbereich (7) mindestens eine erste zylindrische Bohrung (8) aufweist, in welche das mindestens erste piezoelektrische Element (6) zumindest teilweise eingebracht ist.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums.
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 , DE 102007013557A1 , DE 102005015547A1 , 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 Grenzstandschalter 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 Antriebs-ZEmpfangseinheit ist üblicherweise als piezoelektrisches Element in Form einer rechteckigen Scheibe ausgeführt und wird in einen taschenartigen Hohlraum der schwingfähigen Einheit eingebracht. Anschließend wird der Hohlraum mit einem Vergussmaterial gefüllt, so dass die Antriebs-ZEmpfangseinheit kraftschlüssig mit einer Wandung des Hohlraums verbunden ist. Das Vergussmaterial wird bevorzugt so gewählt, dass eine sehr gute Kraftkopplung zwischen der Antriebs-ZEmpfangseinheit und der schwingfähigen Einheit nach dem Vergießen erhalten wird. Eine solche Antriebs-ZEmpfangseinheit ist beispielsweise in der DE102012100728A1 beschrieben. Zur Herstellung des Hohlraums wird der für den Hohlraum vorgesehene Bereich der schwingfähigen Einheit in der Regel mittels eines funkenerosiven Abtragungsverfahrens erodiert. Derartige Abtragungsverfahren sind jedoch aufwändig und kostenintensiv. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei welcher die Antriebs-ZEmpfangseinheit auf einfache Weise in die schwingfähige Einheit einbringbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Elektronikeinheit und eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und mindestens einem ersten rohrförmigen piezoelektrischen Element, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines ersten Anregesignals zu mechanischen Schwingungen in einer ersten Schwingungsmode anzuregen und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit in der ersten Schwingungsmode zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, wobei die Elektronikeinheit dazu eingerichtet ist, aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und wobei die mechanische schwingfähige Einheit in einem Endbereich mindestens eine erste zylindrische Bohrung aufweist, in welche das mindestens erste piezoelektrische Element zumindest teilweise eingebracht ist.
Das mindestens erste piezoelektrische Element ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in die erste zylindrische Bohrung eingebracht. Solche Bohrungen sind erheblich leichter zu fertigen als taschenförmige Hohlräume, die zur Aufnahme von piezoelektrischen Elementen dienen, wie sie aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt sind. Statt aufwändiger erosiver Fertigungsverfahren können einfachere und kostengünstigere spanende Fertigungsverfahren, z.B. Bohren, genutzt werden.
Zudem werden durch den Einsatz des mindestens ersten rohrförmigen piezoelektrischen Elements thermomechanische Spannungen im Bereich des mindestens ersten rohrförmigen piezoelektrischen Elements reduziert. In der Regel weichen die Wärmeausdehnungskoeffizienten von mechanisch schwingfähiger Einheit, dem mindestens ersten piezoelektrischen Element und ggf. einem Vergussmaterial, mittels dem das mindestens erste piezoelektrische Element mit der mindestens ersten zylindrischen Bohrung verbunden ist, voneinander ab, so dass unter dem Einfluss von Temperatur Spannungen im Bereich des mindestens ersten piezoelektrischen Elements auftreten. Aufgrund der rohrförmigen Ausgestaltung des mindestens ersten piezoelektrischen Elements dehnt sich dieses insbesondere in Richtung seiner Längsachse aus. Herkömmliche scheiben- oder plättchenförmige piezoelektrische Elemente dehnen sich sowohl radial als auch axial aus, wodurch im Vergleich zu rohrförmigen piezoelektrischen Elementen größere thermomechanische Spannungen entstehen. Das mindestens erste piezoelektrische Element ist in Form eines Rohrs oder eines Rohrabschnitts ausgestaltet.
Bei der mechanisch schwingfähigen Einheit handelt es sich beispielsweise um eine Membran, einen Einstab, eine Anordnung von zumindest zwei Schwingelementen, oder um eine Schwinggabel. Das mindestens erste piezoelektrische Element kann einerseits als Antriebs-ZEmpfangseinheit zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit dienen, welche mittels des Anregesignals erzeugt werden. Die mechanischen Schwingungen wiederum werden im Falle, dass die schwingfähige Einheit von Medium bedeckt ist, von den Eigenschaften des Mediums beeinflusst, so dass anhand des Empfangssignals, welches die Schwingungen der schwingfähigen Einheit repräsentiert, eine Aussage über die zumindest eine Prozessgröße generierbar ist.
In eine Ausgestaltung weist die Sensoreinheit mindestens ein zweites rohrförmiges piezoelektrisches Element auf, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit eine Schwinggabel mit einem ersten Schwingelement und einem zweiten Schwingelement ist, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element zumindest teilweise in eine erste zylindrische Bohrung des ersten Schwingelements und das mindestens zweite piezoelektrische Element zumindest teilweise in eine zweite zylindrische Bohrung des zweiten Schwingelements eingebracht ist. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung einen Temperatursensor. Die Temperatur hat Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Sensoreinheit und unterschiedlichste Prozessgrößen des Mediums. Durch eine zusätzliche Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur kann die Messgenauigkeit der Vorrichtung demnach deutlich verbessert und die Funktionalität der Vorrichtung erweitert werden. Insbesondere ist der Temperatursensor ein Thermoelement oder ein Widerstandselement.
In einer Weiterbildung ist der Temperatursensor in die mindestens erste zylindrische Bohrung eingebracht. Durch die Einbringung des Temperatursensors in die mindestens erste zylindrische Bohrung zusammen mit dem mindestens ersten piezoelektrischen Element wird Platz gespart und die Prozesstemperatur optimal ausgewertet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Temperatursensor in einem vom mindestens ersten piezoelektrischen Element eingeschlossenen Hohlraum angeordnet. Der Temperatursensor befindet sich also im Rohrinneren des mindestens ersten piezoelektrischen Elements und ist somit auf besonders platzsparende Art und Weise angeordnet.
Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor in einem Endbereich des mindestens ersten piezoelektrischen Elements angeordnet ist. Bevorzugterweise ist der Temperatursensor in einem von der mechanisch schwingfähigen Einheit abgewandten Endbereich des mindestens ersten piezoelektrischen Elements angeordnet.
In einer Weiterbildung ist das mindestens erste piezoelektrische Element mittels eines leitfähigen Klebers oder einer Lötstelle elektrisch mit dem Endbereich der mechanisch schwingfähigen Einheit verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Außenwandung des mindestens ersten piezoelektrischen Elements zumindest in einem ersten Abschnitt als erste leitfähige Elektrode und eine Innenwandung des mindestens ersten piezoelektrischen Elements zumindest in einem zweiten Abschnitt als zweite leitfähige Elektrode ausgestaltet. Die erste und die zweite leitfähige Elektrode sind somit teilweise oder vollständig durch die Außenwandung und die Innenwandung gebildet.
In einer Weiterbildung weist das mindestens erste piezoelektrische Element einen Umkontakt auf, welcher derart ausgestaltet ist, dass die erste leitfähige Elektrode mittels eines dritten Abschnitts der Innenwandung elektrisch kontaktierbar ist oder dass die zweite leitfähige Elektrode mittels eines vierten Abschnitts der Außenwandung elektrisch kontaktierbar ist. Der Umkontakt sorgt dafür, dass sowohl die erste leitfähige Elektrode als auch die zweite leifähige Elektrode entweder auf der Innenwandung oder der Außenwandung kontaktierbar sind. Ist die erste leitfähige Elektrode zumindest im ersten Abschnitt durch die Außenwandung gebildet, so kann der erste Abschnitt derart in Richtung der Innenwandung gezogen werden, dass dieser einen dritten Abschnitt im Bereich der Innenwandung bildet. Alternativ kann der zweite Abschnitt derart in Richtung der Außenwandung gezogen werden, dass dieser einen vierten Abschnitt der Außenwandung bildet, wenn die zweite leitfähige Elektrode zumindest durch den zweiten Abschnitt der Innenwandung gebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das mindestens erste piezoelektrische Element mittels der Außenwandung und/oder der Innenwandung mit einem elektrischen Anschlusselement elektrisch verbunden. Insbesondere ist das elektrische Anschlusselement ein Kabel oder eine Leiterplatte. Der ggf. vorhandene Temperatursensor kann ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein.
Bevorzugterweise ist die mechanisch schwingfähige Einheit mittels ihres Endbereichs mit einem Gehäuse verbunden.
Vorteilhafterweise berührt das mindestens erste piezoelektrische Element zumindest teilweise eine Wandung der mindestens ersten zylindrischen Bohrung. Die Erfindung wird im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1-7 näher erläutert werden. Sie zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche an einem Behältnis angebracht ist.
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Sensoreinheit.
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Sensoreinheit.
Fig. 4a: eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Sensoreinheit.
Fig. 4b: eine schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der Sensoreinheit.
Fig. 5: eine Detailansicht des mindestens ersten piezoelektrischen Elements.
Fig. 6: eine erste Ausführungsform des Umkontakts.
Fig. 7: eine zweite Ausführungsform des Umkontakts.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer Elektronikeinheit 3 und einer Sensoreinheit 4 gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist an einem Behältnis 30 angebracht, wie beispielsweise einem Rohr oder einem Tank. In dem Behältnis 30 ist ein Medium 2 eingebracht. Die Sensoreinheit 4 umfasst eine mechanisch schwingfähige Einheit 5 und mindestens ein erstes piezoelektrisches Element e (hier vom Gehäuse 28 der Vorrichtung 1 verdeckt). Die Vorrichtung 1 , insbesondere die Elektronikeinheit 3, ist dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit 5 mittels eines ersten Anregesignals zu mechanischen Schwingungen in einer ersten Schwingungsmode anzuregen und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 5 in der ersten Schwingungsmode zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln. Die Elektronikeinheit 3 ist ferner dazu ausgestaltet, aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße des Mediums 2 zu ermitteln. Die Prozessgröße des Mediums 2 ist beispielsweise ein Füllstand, eine Dichte oder eine Viskosität.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Sensoreinheit. Die mechanisch schwingfähige Einheit 5 weist in einem Endbereich 7 mindestens eine erste zylindrische Bohrung 8 auf, in welche das mindestens erste piezoelektrische Element 6 zumindest teilweise eingebracht ist. Beispielsweise ist das mindestens erste piezoelektrische Element 6 mittels eines leitfähigen Klebers oder einer Lötstelle elektrisch mit dem Endbereich 7 der mechanisch schwingfähigen Einheit 5 verbunden. Typischerweise weisen piezoelektrische Elemente einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 6 10’6 K’1 auf. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann beispielsweise aus Edelstahl mit einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von (16-18)- 10-6 K-1 gefertigt sein. Ein herkömmlicher Kleber als Vergussmaterial weist typischerweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von (40-60)- 10’6 K’1 auf. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kommt es thermomechanischen Spannungen. Durch die rohrförmige Ausgestaltung des mindestens ersten piezoelektrischen Elements 6 werden diese gegenüber einer scheiben- oder plättchenförmigen Ausgestaltung des mindestens ersten piezoelektrischen Elements reduziert, da lediglich in axialer Richtung große Flächen vorliegen, die sich ausdehnen, nicht aber in radialer Richtung.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 5 ist optional in ihrem Endbereich 7 mit einem Gehäuse 28 verbunden. Die Vorrichtung 1 kann optional einen Temperatursensor 14 umfassen. Der Temperatursensor 14 kann in die mindestens eine erste zylindrische Bohrung 8 eingebracht und beispielsweise in einem Endbereich 16 des mindestens ersten piezoelektrischen Elements 6 angeordnet sein, wie in Fig. 2 gezeigt. Bevorzugt ist der Temperatursensor 14 in einem der mechanisch schwingfähigen Einheit 5 abgewandten Endbereich 16 des mindestens ersten piezoelektrischen Elements 6 angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Sensoreinheit 4. In diesem Beispiel umfasst die Sensoreinheit 4 eine Schwinggabel 10 mit einem ersten Schwingelement 11 und einem zweiten Schwingelement 12. Das erste Schwingelement 11 weist die erste zylindrische Bohrung 8 auf, in welche das mindestens erste piezoelektrische Element 6 eingebracht ist. Das zweite Schwingelement 12 weist eine zweite zylindrische Bohrung 13 auf, in welche ein mindestens zweites piezoelektrisches Element 9 eingebracht ist. Das mindestens erste piezoelektrische Element 6 und das mindestens zweite piezoelektrische Element 9 sind bevorzugt so angeordnet, dass sie jeweils eine Wandung 29 der jeweiligen zylindrischen Bohrung 8,13 zumindest teilweise berühren. In Fig. 3 ist lediglich in dem ersten Schwingelement 11 ein Temperatursensor 14 vorgesehen. Es kann aber auch ein zweiter, redundanter Temperatursensor, insbesondere in der zweiten zylindrischen Bohrung 13, vorgesehen sein.
Alternativ kann der Temperatursensor 14 auch in einem vom mindestens ersten piezoelektrischen Element 6 eingeschlossenen Hohlraum 15 angeordnet sein, wie in Fig. 4a-b dargestellt. Für diese Alternative muss der Temperatursensor 14 derartig bemessen sein, dass er in mindestens zwei Dimensionen kleiner ist als ein Innenradius des mindestens ersten piezoelektrischen Elements 6.
Fig. 5 zeigt eine Detailansicht eines beispielhaften ersten piezoelektrischen Elements 6. Das mindestens erste piezoelektrische Element 6 weist eine Außenwandung 17 und eine Innenwandung 20 auf. Zumindest ein erster Abschnitt 18 der Außenwandung 17 ist als erste leitfähige Elektrode 19 ausgestaltet. Zumindest ein zweiter Abschnitt 21 der Innenwandung 20 ist als zweite leitfähige Elektrode 22 ausgestaltet. Im gewählten Beispiel ist die Innenwandung 20 vollständig als zweite leitfähige Elektrode 22 und die Außenwandung 17 vollständig als erste leitfähige Elektrode 19 ausgestaltet.
Zur einfachen elektrischen Kontaktierung kann das mindestens erste piezoelektrische Element 6 einen Umkontakt 23 aufweisen, wie in den Figuren Fig. 6 und 7 gezeigt. Der Umkontakt ist beispielsweise so ausgestaltet, dass die zweite leitfähige Elektrode 22 mittels eines vierten Abschnitts 25 der Außenwandung 17 elektrisch kontaktierbar ist (s. Fig. 6). Die elektrische Kontaktierung der ersten leitfähigen Elektrode 19 und der zweiten leitfähigen Elektrode 20 kann vonseiten der Außenwandung 17 mittels eines elektrischen Anschlusselements 26 (nicht gezeigt) geschehen.
Alternativ kann der Umkontakt 23 so ausgestaltet sein, dass die erste leitfähige Elektrode 19 mittels eines dritten Abschnitts 24 der Innenwandung 20 elektrisch kontaktierbar ist, wie in Fig. 7 dargestellt. In diesem Fall kann die erste leitfähige Elektrode 19 und die zweite leitfähige Elektrode 20 auf einfache Weise mit einem elektrischen Anschlusselement 26, beispielsweise einem Kabel oder einer Leiterplatte, elektrisch verbunden werden. Im Falle der Verwendung einer Leiterplatte als elektrisches Anschlusselement 26 kann der Temperatursensor 14 ebenfalls auf dieser angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Medium
3 Elektronikeinheit
4 Sensoreinheit
5 mechanisch schwingfähige Einheit
6 erstes piezoelektrisches Element
7 Endbereich der mechanisch schwingfähigen Einheit
8 erste zylindrische Bohrung
9 zweites piezoelektrisches Element
10 Schwinggabel
11 erstes Schwingelement
12 zweites Schwingelement
13 zweite zylindrische Bohrung
14 Temperatursensor
15 Hohlraum
16 Endbereich des ersten piezoelektrischen Elements
17 Außenwandung des ersten piezoelektrischen Elements
18 erster Abschnitt
19 erste leifähige Elektrode
20 Innenwandung des ersten piezoelektrischen Elements
21 zweiter Abschnitt
22 zweite leitfähige Elektrode
23 Um kontakt
24 dritter Abschnitt
25 vierter Abschnitt
26 elektrisches Anschlusselement
28 Gehäuse
29 Wandung der ersten zylindrischen Bohrung
30 Behältnis

Claims

Patentansprüche Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums
(2) umfassend eine Elektronikeinheit (3) und eine Sensoreinheit (4) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (5) und mindestens einem ersten rohrförmigen piezoelektrischen Element (6), wobei die Vorrichtung (1 ) dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (5) mittels eines ersten Anregesignals zu mechanischen Schwingungen in einer ersten Schwingungsmode anzuregen und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (5) in der ersten Schwingungsmode zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, wobei die Elektronikeinheit
(3) dazu eingerichtet ist, aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, und wobei die mechanische schwingfähige Einheit (5) in einem Endbereich (7) mindestens eine erste zylindrische Bohrung (8) aufweist, in welche das mindestens erste piezoelektrische Element (6) zumindest teilweise eingebracht ist. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Sensoreinheit (4) mindestens ein zweites rohrförmiges piezoelektrisches Element (9) aufweist, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (5) eine Schwinggabel (10) mit einem ersten Schwingelement (11 ) und einem zweiten Schwingelement (12) ist, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element (6) zumindest teilweise in eine erste zylindrische Bohrung (8) des ersten Schwingelements (11 ) und das mindestens zweite piezoelektrische Element (9) zumindest teilweise in eine zweite zylindrische Bohrung (13) des zweiten Schwingelements (12) eingebracht ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die Vorrichtung (1 ) einen Temperatursensor (14) umfasst.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (14) in die mindestens erste zylindrische Bohrung (8) eingebracht ist.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3-4, wobei der Temperatursensor (14) in einem vom mindestens ersten piezoelektrischen Element (6) eingeschlossenen Hohlraum (15) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3-4, wobei der Temperatursensor (14) in einem Endbereich (16) des mindestens ersten piezoelektrischen Elements (6) angeordnet ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 3-6, wobei der Temperatursensor (14) ein Thermoelement oder ein Widerstandselement ist.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element (6) mittels eines leitfähigen Klebers oder einer Lötstelle elektrisch mit dem Endbereich (7) der mechanisch schwingfähigen Einheit (5) verbunden ist.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei eine Außenwandung (17) des mindestens ersten piezoelektrischen Elements (6) zumindest in einem ersten Abschnitt (18) als erste leitfähige Elektrode (19) und eine Innenwandung (20) des mindestens ersten piezoelektrischen Elements (6) zumindest in einem zweiten Abschnitt (21 ) als zweite leitfähige Elektrode (22) ausgestaltet ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 9, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element (6) einen Umkontakt (23) aufweist, welcher derart ausgestaltet ist, dass die erste leitfähige Elektrode (19) mittels eines dritten Abschnitts (24) der Innenwandung (20) elektrisch kontaktierbar ist oder dass die zweite leitfähige Elektrode (22) mittels eines vierten Abschnitts (25) der Außenwandung (17) elektrisch kontaktierbar ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 9-10, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element (6) mittels der Außenwandung (17) und/oder der Innenwandung (20) mit einem elektrischen Anschlusselement (26) elektrisch verbunden ist. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 11 , wobei das elektrische Anschlusselement (26) ein Kabel oder eine Leiterplatte ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (5) mittels des Endbereichs (7) mit einem Gehäuse (28) verbunden ist. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das mindestens erste piezoelektrische Element (6) eine Wandung (29) der ersten zylindrischen Bohrung (8) zumindest teilweise berührt.
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