专利汇可以提供VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER PHYSIKALISCHEN ODER CHEMISCHEN PROZESSGRÖSSE EINES MEDIUMS IN EINEM BEHÄLTER专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且,下面是VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG MINDESTENS EINER PHYSIKALISCHEN ODER CHEMISCHEN PROZESSGRÖSSE EINES MEDIUMS IN EINEM BEHÄLTER专利的具体信息内容。
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, die aus einer Röhre und einem inneren Schwinger besteht, wobei die Röhre mit einem vom Prozess abgewandten Ende mit einer Befestigungseinheit verbunden ist, wobei das dem Prozess zugewandte Ende der Röhre als freies Ende ausgebildet ist, wobei die Röhre den inneren Schwinger umgibt, und wobei der innere Schwinger mit einem dem Prozess zugewandten Ende an dem dem Prozess zugewandten Ende der Röhre befestigt ist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt, bzw. wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, um die Viskosität oder um die Dichte eines Mediums. Das Medium kann dabei eine Flüssigkeit oder ein beliebiges sonstiges Schüttgut sein.
Das Patent
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, eine physikalische oder chemische Prozessgröße eines Mediums zu bestimmen und/oder zu überwachen mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und einer Antriebs-/Empfangseinheit, wobei die Messgenauigkeit möglichst groß ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der innere Schwinger mindestens eine Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung aufweist, die mindestens die Schwingfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt.
Im Wesentlichen hängt die Schwingfrequenz ab vom Massenträgheitsmoment des inneren Schwingers bezogen auf die Drehachse in der Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung. Weitere Abhängigkeiten ergeben sich von der Biegesteifigkeit des bezeichneten Abschnitts des inneren Schwingers mit Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung und von dem Massenträgheitsmoment der Röhre bezogen auf die Drehachse in der Einspannung der Befestigungseinheit. Gering beteiligt an der Schwingfrequenz ist noch die Drehsteifigkeit des Bereichs der Befestigungseinheit, an dem die Röhre befestigt ist. Beispielsweise durch den Durchmesser und/oder die Länge der Nut bzw. der Nut in Kombination mit der Verjüngung ist die Drehsteifigkeit für den inneren Schwinger definiert. Je nach Ausgestaltung ist auch die Masse des inneren Schwingers betroffen. Dies ist ggf. bei der weiteren Ausgestaltung des inneren Schwingers zu beachten. Da die Drehsteifigkeit u.a. die Schwingfrequenz mitbestimmt, kann über die Ausgestaltung und/oder die Position der Nut/Verjüngung die Arbeitsfrequenz passend eingestellt werden. Somit kann über die Dimensionierung und/oder die Position der Nut, bzw. der Nut in Kombination mit der Verjüngung die Schwingfrequenz reduziert werden, wodurch die Amplitude der Schwingung zunimmt. Für die weitere, feinere Festlegung der Schwingfrequenz bzw. der Amplitude ist auch - wie oben bereits angemerkt - die weitere Ausgestaltung relevant. Bei der Variante der Ausgestaltung als Nut ist der Vorteil, dass der innere Schwinger als Drehteil ausgebildet ist, was kostensparend ist. Die Nut oder Nut in Kombination mit der Verjüngung ist bevorzugt rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass u.a. keine Unwucht auftritt. Weiterhin sollte auch beachtet werden, dass der innere Schwinger durch die Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung immer noch so stabil ist, dass sich durch die Schwingung keine Verformung o.ä. ergeben kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass sich die Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung in Richtung des dem Prozess zugewandten Endes des inneren Schwingers befindet. Die Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung befindet sich also optimal zwischen dem Übergang zwischen der Röhre und dem inneren Schwinger. Auf diese Weise ist die träge Masse des inneren Schwingers oberhalb der Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung am größten. Weiterhin ist dies der Punkt, an dem die Kräfte wirken und wo sich also auch die Drehsteifigkeit auswirkt. Die Positionierung der Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung hängt jedoch auch von der Position und Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit ab, so dass die Antriebs-/Empfangseinheit optimal wirken, bzw. optimal empfangen kann bzw. dass möglichst keine destruktiven Kräfte und Momente auf den inneren Schwinger wirken.
Während der Schwingbewegung übertragen die schwingenden Teile (Röhre und innerer Schwinger) Kräfte und Drehmomente, die von der Befestigungseinheit als Reaktionskräfte und -momente aufgenommen werden. Die Befestigungseinheit oder Basiseinheit ist direkt oder ggf. über ein weiteres Element mit dem Behälter verbunden, in dem sich das Medium befindet. Um die Kopplung zum Behälter und somit den möglichen Energieverlust zu vermeiden, muss dafür gesorgt werden, dass die mechanisch schwingfähige Einheit im energetischen Gleichgewicht steht. Das bedeutet, dass die Summe der Kräfte und Drehmomente, die während der Schwingbewegung von den Einzelkomponenten erzeugt werden, in der Befestigungseinheit im Wesentlichen Null sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass ein zusätzliches Gewicht in der Befestigungseinheit vorgesehen ist. Mit dieser Ausgestaltung wird die mechanisch schwingfähige Einheit bezüglich einer Übertragung von Schwingungsenergie im Wesentlichen von der Befestigungseinheit entkoppelt. Weiterhin hat das Gewicht auch den Nutzen, die Einspannung schwingungstechnisch stabiler zu machen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, dass die Röhre und/oder der innere Schwinger einen runden, elliptischen, quadratischen oder polygonalen Querschnitt aufweist. Für die Geometrie gibt es also kaum Vorgaben oder Grenzen. Ein runder Querschnitt der Röhre hat den Vorteil, das die Gefahr reduziert wird, dass die mechanisch schwingfähige Einheit durch das Material verbogen werden kann. Damit lässt sich auch ein Einbau an einer beliebigen Stelle im Behälter des Mediums realisieren. Weiterhin ist bei einem runden Querschnitt die Herstellung einfach und preisgünstig.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, dass der innere Schwinger hohl, massiv oder teilweise hohl und teilweise massiv ist. Es sollte gewährleistet sein, dass der innere Schwinger trotz der Nut, bzw. der Verjüngung in diesem Bereich stabil genug ist, d.h. er darf durch die Schwingungen nicht abbrechen. Da für den inneren Schwinger die Masse eine wichtige Rolle spielt, ist es sinnvoll, ihn als Vollmaterial auszugestalten. Bei einer hohlen Röhre würde die Schwingfrequenz erhöht werden. Dadurch ergibt sich natürlich wieder eine Möglichkeit, die Schwingfrequenz einzustellen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass in der Antriebs-/Empfangseinheit nur eine einzige Piezoeinheit vorgesehen ist, die als Antriebs- und als Empfangseinheit dient. Eine andere Ausgestaltung beinhaltet, dass in der Antriebs-/Empfangseinheit mindestens zwei Piezoeinheiten vorgesehen sind, wobei mindestens eine Piezoeinheit als Antriebseinheit und mindestens eine Piezoeinheit als Empfangseinheit dient, wobei die Piezoeinheiten an der gleichen Position positioniert sind. Dies ermöglicht, den Einbau der Piezoeinheit und die Konstruktion von Röhre, innerem Schwinger und anderen möglichen Fixierelementen deutlich zu vereinfachen. Dies vereinfacht auch die Verkabelung der Piezoeinheit. Weitere Vorteile bei der Verwendung nur einer Einheit liegen in den geringeren Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine vom Schwinger unabhängige Baugruppe hergestellt wird, die vor dem Einbau geprüft und getestet werden kann, was in der Produktion immer erwünscht ist. Die Piezoeinheiten sind üblicherweise eingespannt. Bei einer solchen Piezoeinheit ist es auch u.a. für die Effektivität bedeutend, dass der innere Schwinger möglichst mit der ganzen Oberfläche der Piezoeinheiten verbunden ist, dass also z.B. die Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung nicht direkt auf der Piezoeinheit sitzt, die einen deutlich größeren Durchmesser aufweist. Diese und ähnliche Erwägungen für die Ausgestaltung liegen der fachlich qualifizierten Person nahe und hängen stark von der Art und den detaillierten Bedingungen der konkreten Realisierung ab.
Eine ganz besonders vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Piezoeinheit um ein piezo-elektrisches Element handelt, das aus mindestens zwei Segmenten besteht, die in einander entgegengesetzter Richtung polarisiert sind, wobei die Polarisationsrichtungen parallel zu einer Rotationsachse der mechanisch schwingfähigen Einheit liegen. Wird eine Spannung an die Ober- und Unterseite dieser Piezoeinheit gelegt, so zieht sich das eine Segment zusammen und das andere Segment dehnt sich aus, d.h. das eine Segment hat eine geringere, das andere eine größere Höhe. Diese spezielle Piezoeinheit hat somit den großen Vorteil, dass sich direkte Kippbewegungen, bzw. Drehbewegungen erzeugen, bzw. detektieren lassen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit zwischen dem dem Prozess zugewandten Ende des inneren Schwingers und dem dem Prozess zugewandten Ende der Röhre positioniert ist. Diese Positionierung in Verbindung mit der besonders ausgestalteten Piezoeinheit dient dazu, dass die mechanisch schwingfähige Einheit zu direkten Kippbewegungen, bzw. zu Drehbewegungen angeregt wird, bzw. dass Schwingungen, die aus solchen Bewegungen bestehen, empfangen werden. Weitere Vorteile sind, dass es sich um einfach und leicht zu montierende Einzelteile handelt, dass eine direkte und starre Kopplung mit dem Schwinger erzeugt wird, und dass axiale Bewegungen, z.B. Störungen, aufgrund der verschiedenen Polarisationsrichtungen der Piezoeinheit nicht empfangen werden. Weiterhin handelt es sich um eine preisgünstige Lösung, da weniger Einzelteile benötigt werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der inneren Schwinger mindestens eine zweite Nut/Verjüngung aufweist. Damit verbunden ist eine Ausgestaltung, die beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit zwischen der ersten Nut/Verjüngung und der zweiten Nut/Verjüngung positioniert ist. Die erste Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung befindet sich dabei sehr nah an der Endkappe, also am Ende des dem Prozess zugewandten Endes des inneren Schwingers und auch der Röhre. Die Antriebs-/Empfangseinheit befindet sich auch möglichst nah an diesem Ende, bzw. nah an der Fixierung des inneren Schwingers, so dass eine optimale Ausnutzung der Schwingungsenergie erfolgen kann. Um die direkten Kippbewegungen zu erhalten, ist dafür auch die Piezoeinheit mit den entgegengerichteten Polarisationen sehr effektiv. Dieser Aufbau erhöht die Messempfindlichkeit des Sensors.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Die Grundidee der Erfindung besteht also darin, dass die Schwingfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 durch die Nut/Verjüngung 9 einstellbar ist. Eine kleinere Schwingfrequenz führt bei gleicher Anregungsenergie zu einer höheren Amplitude. Diese Nut oder eine Nut in Kombination mit einer Verjüngung ermöglicht somit, dass der innere Schwinger 3 kürzer ausgeführt werden kann. Relevante Größen bzgl. der Nut 9 sind dabei deren Ausgestaltung (Durchmesser, Länge) und deren Position am inneren Schwinger 3.
In
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Mechanisch schwingfähige Einheit
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