DE102006031188A1

DE102006031188A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102006031188A1
Application number: DE200610031188
Authority: DE
Inventors: Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2006-07-04
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008003574A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche eine Membran (1) und ein Schwingelement (2) aufweist. Die Erfindung beinhaltet, dass das Schwingelement (2) an zwei Verbindungsbereichen (5) mit der Membran (1) verbunden ist und dass die zwei Verbindungsbereiche (5) derartig auf der Membran (1) angeordnet sind, dass sie bei einer Schwingung der Membran (1) Bewegungen in unterschiedlichen Richtungen ausführen und dass das Schwingelement (2) durch die Bewegungen der zwei Verbindungsbereiche (5) zwei Kraftkomponenten erfährt, die in unterschiedliche Richtungen weisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mindestens eine Membran und mindestens ein Schwingelement aufweist, mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit, welche ausgehend von einem elektrischen Anregesignal die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, welche das Anregesignal erzeugt, und welche das Empfangssignal empfängt und in Hinsicht auf die Prozessgröße auswertet und/oder verarbeitet. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, um ein Schüttgut oder um ein Gas.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Messgeräte bekannt, welche durch die Auswertungen der Schwingungen eines mechanisch schwingfähigen Systems auf eine Prozessgröße rückschließen. Die Technik beruht darauf, dass die Wechselwirkung zwischen der Schwingeinheit – sei es ein Einstab oder sei es eine Schwinggabel – und dem Medium sich auf die Kenngrößen der Schwingungen (Amplitude, Frequenz, Phase) auswirken. So ändert sich mit dem Füllstand des Mediums auch die Amplitude – bei Schüttgütern – bzw. die Frequenz – bei Flüssigkeiten – der Schwingungen, so dass aus der Frequenz bzw. aus der Amplitude der Füllstand ermittelt werden kann. Entsprechendes gilt für die Prozessgrößen wie Dichte oder Viskosität.
Unterschieden wird zumeist zwischen Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen. Bei der Schwinggabel als schwingfähiges Element führen die beiden Gabelzinken Biegebewegungen senkrecht zu ihrer Längsachse auf. Da die beiden Gabelzinken Bewegungen in entgegengesetzter Richtung ausführen, kompensieren sich die Kräfte und Momente gerade. Alternativ dazu ist es möglich, die schwingfähige Einheit zu Torsionsbewegungen, also zu Drehungen um ihrer Längsachse anzuregen. Dies findet sich beispielsweise bei Viskositätsmessgeräten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine weitere Ausgestaltung einer schwingfähigen Einheit als Alternative zu den bestehenden Varianten anzugeben.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass das Schwingelement an mindestens zwei Verbindungsbereichen mit der Membran verbunden ist, und dass die zwei Verbindungsbereiche derartig auf der Membran angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche bei einer Schwingung der Membran Bewegungen in unterschiedlichen Richtungen ausführen, und dass das Schwingelement derartig ausgestaltet und relativ zu den Verbindungsbereichen angeordnet ist, dass das Schwingelement durch die Bewegungen der zwei Verbindungsbereiche mindestens zwei Kraftkomponenten erfährt, wobei die zwei Kraftkomponenten in unterschiedliche Richtungen gehen.
Das Schwingelement ist somit an zwei Fixierpunkten auf der Membran angebracht. Die Verbindungsbereiche bewegen sich bei einer Schwingung in unterschiedliche Richtungen. Gleichzeitig ist das Schwingelement derartig ausgestaltet, dass diese unterschiedlichen Bewegungsrichtungen auch dazu führen, dass das Schwingelement zwei Kraftkomponenten erfährt, die ebenfalls in unterschiedliche Richtungen weisen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Verbindungsbereiche derartig auf der Membran angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche bei einer Schwingung der Membran im Wesentlichen Bewegungen in einander entgegengesetzten Richtungen ausführen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Schwingelement derartig ausgestaltet und relativ zu den Verbindungsbereichen angeordnet ist, dass das Schwingelement durch die Bewegungen der zwei Verbindungsbereiche eine Drehbewegung ausführt. Diese Drehbewegung oder Torsionsbewegung findet vorzugsweise um eine Längsachse des Schwingelements und/oder um eine Senkrechte auf der Membran statt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Verbindungsbereiche derartig angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche einander sich längs einer Achse der Membran gegenüberliegen, und dass die zwei Verbindungsbereiche jeweils zu einer anderen Seite versetzt zu der Achse der Membran liegen. Die beiden Verbindungsbereiche liegen somit einander gegenüber und sind jeweils gegen eine Achse versetzt. Die Verbindungsbereiche liegen in einer Ausgestaltung einander punktsymmetrisch, bezogen auf den Mittelpunkt der Membran gegenüber.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Membran eine runde Scheibe ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Membran bei einer Schwingung eine transversale Bewegung senkrecht zur Membranfläche ausführt. Durch die Einspannung der Membran biegt sie sich also bei den Schwingungen abwechselnd nach innen und nach außen. Die beiden Verbindungsbereiche liegen so, dass sie unterschiedliche Bewegungen ausführen. Bei den Schwingungen klappen sie quasi vom Mittelpunkt der Membran aus gesehen in unterschiedliche Richtungen zuerst nach außen, führen also eine öffnende Bewegung durch, und dann nach innen, wobei sie eine schließende Bewegungen vollführen. Gleichzeitig sind die beiden Bereich jedoch auch zueinander versetzt, so dass sie Bereiche nicht nur in Richtung senkrecht zur Membran entgegengesetzte Bewegungen ausführen, sondern auch parallel zur Membranebene. D.h. auch parallel zur Membranebene führen die Bereiche Bewegungen aus, welche voneinander fortweisen und dann wieder zueinander hinführen. Diese letzte Bewegungskomponente erlaubt es nun, das Schwingelement in einer Torsionsbewegung zu ersetzen, indem diese Schwerbewegung ausgenutzt wird.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens ein Gehäuse vorgesehen ist, und dass die Membran an ihrem Rand über eine Einspannung mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch diese Einspannung wird die Transversalbewegung modifiziert. In einer Ausgestaltung wird die Membran vorzugsweise zu Grundwellenschwingungen angeregt, d.h. am Ran befindet sich der Schwingungsknoten und in der Mitte der Membran der Schwingungsbauch.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei Verbindungsbereiche sich längs einer Symmetrieachse der Membran einander gegenüberliegen und dass die zwei Verbindungsbereiche jeweils auf unterschiedlichen Seiten von der Symmetrieachse der Membran angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Schwingelement mittels ein Paddel und mindestens zwei Füße aufweist, wobei das Schwingelement über die zwei Füße mit den zwei Verbindungsbereichen der Membran verbunden ist. Ein Paddel erlaubt durch seine große Fläche, dass die Wirkfläche für die Wechselwirkung mit dem Medium möglichst groß ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Paddel zwischen zwei voneinander abgewandten Seiten der Füße angeordnet ist. Das Paddel befindet sich also schräg zwischen den beiden Füßen und erfährt dadurch jeweils eine Bewegungsrichtung in einander entgegengesetzter Richtung. Dies bedingt dann wiederum, dass das Paddel eine Drehbewegung ausführt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Anrege-/Empfangseinheit mindestens ein piezo-elektrisches Element aufweist. Ein piezo-elektrisches Element dient somit als Wandler zwischen den mechanischen Schwingungen und den elektrischen Signalen, bei welchen es sich insbesondere um elektrische Wechselspannungen handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: einen schematischen Aufbau der Messvorrichtung,
2a und 2a: zwei Ansichten auf eine Membran mit dem erfindungsgemäßen Schwingelement,
3a und 3b: zwei Ansichten eines Teiles des Schwingelements während einer Schwingung,
4: eine weitere Darstellung des Schwingelements, und
5a, 5b, 5c: unterschiedliche Ansichten einer alternativen Ausgestaltung zur Schwingungserregung.
In der 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgerätes dargestellt. An einem Gehäuse 6 ist eine Membran 1 eingespannt und schließt das Gehäuse 6 somit an einer Seite ab. Auf der Innenseite der Membran 1 ist eine Antriebs-/Empfangseinheit 3 angebracht, bei welcher es sich in diesem Fall um ein piezo-elektrisches Element handelt. Auf der dem Prozess und dem Medium zugewandten Seite der Membran 1 befindet sich das Schwingelement 2, welches im Folgenden noch detaillierter beschrieben werden wird. Dieses Schwingelement tritt in Kontakt mit dem Medium. Eine Regel-/Auswerteeinheit 4 ist mit der Anrege-/Empfangseinheit 3 verbunden und beaufschlagt diese mit einem Anregesignal Sa. Dabei handelt es sich um eine elektrische Wechselspannung, welche dazu führt, dass die Anrege-/Empfangseinheit 3 Dickenoszillationen ausführt. Durch die mechanische Kopplung mit der Membran 1 übertragen sich diese mechanischen Schwingungen auch auf das Schwingelement 2. Der Pfeil deutet an, dass die Membran 1 transversale Schwingungen in Richtung der Normalen der Membranebene ausführt. Durch den Kontakt der Schwingeinheit 2 mit dem Medium bzw. durch die Eigenschaften des Mediums wie Dichte oder Viskosität werden die Kenngrößen der Schwingungen passend beeinflusst, so dass aus dem Empfangssignal Se, welches die Anrege-/Empfangseinheit 3 erzeugt und bei welchem es sich ebenfalls um eine elektrische Wechselspannung handelt, auf solche Prozessgrößen wie Füllstand, Dichte oder Viskosität des Mediums geschlossen werden kann. Beispielsweise hängen Amplitude und Frequenz der Schwingungen davon ab, ob das Schwingelement 2 frei und unbedeckt schwingt, oder ob das Medium das Schwingelement 2 erreicht hat und es bedeckt. Bei der Regel-/Auswerteeinheit 4 handelt es sich beispielsweise um eine elektronische Rückkoppeleinheit, welche das Empfangssignal Se empfängt, in Frequenz und/oder Phase verschiebt, glättet, verstärkt und der Anrege-/Empfangseinheit 3 als Anregesignal Sa wieder zuführt. Weiterhin findet im dargestellten Fall in der Regel-/Auswerteeinheit 4 auch die Auswertung der Schwingungen statt, so dass beispielsweise aufgrund einer Frequenz- oder Amplitudenänderung über einen Grenzwert hinaus das Erreichen oder Unterschreiten eines Füllstands angezeigt wird. Dafür wird beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude mit einem Sollwert verglichen. In einer anderen Ausgestaltung ist die Auswertefunktion der Regel-/Auswerteeinheit 4 außerhalb des Gehäuses 6, z.B. in einer Leitwarte untergebracht.
In der 2a ist eine Draufsicht auf eine Membran 1 gezeigt. Die Membran 1 ist hier rund ausgestaltet. Eingezeichnet sind weiterhin zwei senkrecht aufeinander stehende Achsen. Eingezeichnet sind die beiden Verbindungsbereiche 5, auf welchen die Füße 8 des Schwingelements 2 angebracht sind. Die beiden Bereiche 5 liegen sich in Bezug auf den Mittelpunkt der Membran 1 punktsymmetrisch gegenüber. Vorzugsweise haben beide Bereiche 5 jeweils den gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Membran 1, jedoch in jeweils unterschiedlicher, d.h. insbesondere in entgegengesetzter Richtung vom Mittelpunkt der Membran 1. Beide Bereiche 5 liegen jeweils nach einer anderen Seite versetzt durch eine der Achsen, die durch den Mittelpunkt der Membran 1 gehen. Das Paddel 7 ist jeweils an den einander entgegengesetzten Seiten der Verbindungsbereiche 5 befestigt. Führt die Membran 2 eine transversale Schwingung aus, so bewegt sich jeder Verbindungsbereich 5 in eine andere Richtung. Gleichzeitig zieht der entsprechend auf dem Verbindungsbereich 5 angebrachte Fuß 8 das Paddel 7 in eine jeweils andere Richtung. Dies ist hier durch die beiden Pfeile angedeutet. Eine Überlagerung zweier solcher Kraftkomponenten führt dann im Paddel 7 dazu, dass es sich um die Achse senkrecht zum Mittelpunkt der Membran 1 dreht, d.h. das Schwingelement 2 führt eine Torsionsbewegung aus, die jedoch von einer transversalen Bewegung der Membran 1 ausgelöst wird, d.h. es findet sehr einfach und elegant einer Übertragung von der einen in die andere Bewegungsform statt.
In der 2b ist ein seitlicher Schnitt durch die am Gehäuse 6 befestigten Membran 1 mit den Füßen 8 dargestellt. Die Darstellung ist sehr überzeichnet und ist nur schematisch zu verstehen. Die Membran 1 ist einmal im Ruhezustand und einmal während einer Schwingung zu sehen. Die beiden Verbindungsbereiche bzw. die hier gezeigten Füße 8 sind derartig angeordnet, dass die Füße bei einer Schwingung sich jeweils in eine andere Richtung bewegen (hier angedeutet durch die Pfeile).
In der 3a ist ein Teil des Schwingelements 2 mit der Membran 1 während einer Schwingbewegung dargestellt. Die beiden Füße 8 befinden sich auf den Befestigungsbereichen 5. Die Membran 1 bewegt sich in Richtung der Senkrechten auf der Membranebene. Durch die Einspannung am Rand der Membran 1 an dem – hier nicht dargestellten – Gehäuse, nimmt der Hub der Membran 1 in Richtung der Mitte der Membran 1 zu. Da die beiden Befestigungsbereiche 5 auf unterschiedlichen Seiten einer Achse durch die Membranmitte angeordnet sind, führen die Füße 8 jeweils Bewegungen in unterschiedlicher, insbesondere in entgegengesetzter Richtung aus. D.h. sie klappen, wie in der 2b dargestellt, jeweils in andere Richtungen. Das Paddel 7, von welchem hier nur der untere, d.h. der Membran 1 zugewandte bzw. vom Prozess abgewandte Teil dargestellt ist, ist jeweils an zwei voneinander abgewandten Seiten der Füße 8 angeordnet. Daraus resultiert die Torsionsbewegung, die hier insbesondere um die Senkrechte der Membranebene oberhalb des Mittelpunktes der Membran 1 erfolgt.
In der 3b ist eine weitere Darstellung der Ausgestaltung der 3a zu sehen. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Paddel 7 mit zwei Übergangsstücken an den einander gegenüberliegenden Enden der Füße 8 befestigt ist.
Die 4 schließlich zeigt ein vollständiges Paddel 7, welches eine möglichst große Oberfläche aufweist, dass jedoch von der äußeren Dimensionierung innerhalb der Membranfläche verbleibt, so dass beispielsweise das Messgerät durch eine Bohrung problemlos in einen Tank eingebracht werden kann, wobei die Membran 1 die Bohrung wieder verschließt.
In den 5a, 5b und 5c sind jeweils unterschiedliche Darstellungen einer weitere Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit eines Messgerätes mit der besonderen Art der Schwingungserregung dargestellt. Die Anrege-/Empfangseinheit 3 besteht hier aus zwei Pendeln, die an der Innenseite der Membran 1 befestigt sind, d.h. diese Pendel befinden sich somit im Messgerät selbst und kommen nicht in Kontakt mit dem Medium. Durch die jeweilige Pendelbewegung der beiden Pendel wird hier das Schwingelement 2 in Torsionsbewegungen versetzt.

1: Membran
2: Schwingelement
3: Anrege-/Empfangseinheit
4: Regel-/Auswerteeinheit
5: Verbindungsbereich
6: Gehäuse
7: Paddel
8: Fuß

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mindestens eine Membran (1) und mindestens ein Schwingelement (2) aufweist, mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit (3), welche ausgehend von einem elektrischen Anregesignal (Sa) die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal (Se) umwandelt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (4), welche das Anregesignal (Sa) erzeugt, und welche das Empfangssignal (Se) empfängt und in Hinsicht auf die Prozessgröße auswertet und/oder verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (2) an mindestens zwei Verbindungsbereichen (5) mit der Membran (1) verbunden ist, und dass die zwei Verbindungsbereiche (5) derartig auf der Membran (1) angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) bei einer Schwingung der Membran (1) Bewegungen in unterschiedlichen Richtungen ausführen, und dass das Schwingelement (2) derartig ausgestaltet und relativ zu den zwei Verbindungsbereichen (5) angeordnet ist, dass das Schwingelement (2) durch die Bewegungen der zwei Verbindungsbereiche (5) mindestens zwei Kraftkomponenten erfährt, wobei die zwei Kraftkomponenten in unterschiedliche Richtungen weisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) derartig auf der Membran (1) angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) bei einer Schwingung der Membran (1) im Wesentlichen Bewegungen in einander entgegengesetzten Richtungen ausführen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (2) derartig ausgestaltet und relativ zu den Verbindungsbereichen (5) angeordnet ist, dass das Schwingelement (2) durch die Bewegungen der zwei Verbindungsbereiche (5) eine Drehbewegung ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) derartig angeordnet sind, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) einander sich längs einer Achse der Membran gegenüberliegen, und dass die zwei Verbindungsbereiche (5) jeweils zu einer anderen Seite versetzt zu der Achse der Membran (1) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) eine runde Scheibe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) bei einer Schwingung eine transversale Bewegung senkrecht zur Membranfläche ausführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gehäuse (6) vorgesehen ist, und dass die Membran (1) an ihrem Rand mit dem Gehäuse (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Verbindungsbereiche (5) sich längs einer Symmetrieachse der Membran (1) einander gegenüberliegen und dass die zwei Verbindungsbereiche (5) jeweils auf unterschiedlichen Seiten von der Symmetrieachse der Membran (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingelement (2) mindestens ein Paddel (7) und mindestens zwei Füße (8) aufweist, wobei das Schwingelement (2) über die zwei Füße (8) mit den zwei Verbindungsbereichen (5) der Membran (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paddel (7) zwischen zwei voneinander abgewandten Seiten der Füße (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anrege-/Empfangseinheit (3) mindestens ein piezo-elektrisches Element aufweist.