DE102004033311B4

DE102004033311B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102004033311B4
Application number: DE200410033311
Authority: DE
Inventors: Jutta Kuhny; Sergej Dr. Lopatin; Alexander Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: WO2006005660A1; DE102004033311A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (5) in einem Behälter (6),
mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (10),
mit mindestens einem becherförmigen endseitig von einer Membran (16) verschlossenen Gehäuse (15),
wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (10) mindestens mit der Membran (16) des Gehäuses (15) mechanisch gekoppelt ist,
mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit (30), die die mechanisch schwingfähige Einheit (10) zu mechanischen Schwingungen anregt und die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) empfängt,
mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit (20), die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) regelt und die anhand der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) die Prozessgröße des Mediums (5) bestimmt und/oder überwacht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anrege-/Empfangseinheit (30) mindestens einen Stab (35) aufweist,
dass der Stab (35) an einem der Membran (16) zugewandten Ende (35.1) von einem Stempel (40) begrenzt ist,...

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, mit mindestens einem becherförmigen endseitig von einer Membran verschlossenen Gehäuse, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens mit der Membran des Gehäuses mechanisch gekoppelt ist, mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit, die die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt, mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit, die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit regelt und die anhand der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit die Prozessgröße des Mediums bestimmt und/oder überwacht. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität eines Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit in einem Tank. Insbesondere handelt es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand eines Schüttguts.
Solche vorgenannten Vorrichtungen nutzen die Wechselwirkung zwischen dem Medium und der mechanisch schwingfähigen Einheit und die Auswirkungen auf die Schwingungen der schwingfähigen Einheit aus. Der Füllstand lässt sich beispielsweise dadurch überwachen, dass bei Flüssigkeiten die Frequenz der Schwingungen davon abhängt, ob das Medium in Kontakt mit dem Sensor steht oder nicht. Somit ist es möglich, aus einer Frequenzänderung darauf zu schließen, dass sich der Füllstand geändert hat. In Verbindung mit der Phase zwischen der Anregung der Schwingungen und den empfangenen Schwingungen lässt sich beispielsweise die Viskosität oder die Dichte des Mediums bestimmen. Solche Messgeräte sind näher in den Patentschriften und -anmeldungen der Anmelderin beschrieben: DE 33 36 991 C2 , EP 1 134 038 A1 und WO 92/21945 A1 . Bei den dort gezeigten mechanisch schwingfähigen Einheiten handelt es sich jeweils um sog. Schwinggabeln. Diese Schwinggabeln sind an einer Membran befestigt, die ein becherförmiges Gehäuse abschließen. Auf der Innenseite der Membran befindet sich die Anrege-/Empfangseinheit, die aus unterschiedlichen Anordnungen von Stapeln von piezoelektrischen Elementen gebildet sind. Bei den piezoelektrischen Elementen wird ausgenutzt, dass eine elektrische Wechselspannung zu einer mechanischen Schwingung führt und dass umgekehrt eine mechanische Schwingung in eine elektrische Wechselspannung übertragen wird.
In der Schrift DE 33 36 991 C2 ist ein Stapel aus piezoelektrischen Elementen (Piezostapel) beschrieben, welcher an einer Seite mit der Membran verbunden ist und welcher auf der anderen Seite durch ein Joch unter Vorspannung gehalten wird. Problematisch an dieser Ausgestaltung ist, dass die Membran ausreichend groß sein muss, so dass das Joch platziert werden kann, und dass die Montage sehr aufwendig ist.
In der EP 1 134 038 A1 erfolgt die Schwingungsanregung und -detektion anhand eines Piezostapels, der von einer Druckschraube gegen die Membran gedrückt wird. Der Piezostapel besteht aus miteinander verklebten piezoelektrischen Elementen, die am oberen und unteren Ende jeweils von einem Stempel eingefasst sind. Für diese Ausgestaltung sind besonders ein temperaturbeständiger Kleber und ein aufwendiger Klebeprozess erforderlich.
Der Piezoantrieb, der sich der Schrift WO 92/21945 A1 entnehmen lässt, besteht aus einem Stapel von piezoelektrischen Elementen, die auf einer Spannschraube befestigt sind und die durch eine Mutter unter Vorspannung stehen. Diese Ausführung ist jedoch für Schüttgüter nicht geeignet, da beim seitlichen Wirken des Schüttguts auf die Zinken und einer damit verbundenen Annäherung der Zinken die Vorspannung aufgehoben wird und die piezoelektrischen Elemente keinen kraftschlüssigen Kontakt mehr mit der Membran haben.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Messgerät mit einer Anrege-/Empfangseinheit, einer Membran und einer mechanisch schwingfähigen Einheit anzugeben, dessen Fertigung einfach ist und bei dem der kraftschlüssige Kontakt zwischen Anrege-/Empfangseinheit und Membran auch bei seitlich auf die schwingfähige Einheit wirkenden Kräften beibehalten wird.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Anrege-/Empfangseinheit mindestens einen Stab aufweist, dass der Stab an einem der Membran zugewandten Ende von einem Stempel begrenzt ist, dass der Stempel derartig ausgestaltet ist, dass eine der Membran zugewandte Seite eine minimale Auflagefläche aufweist, dass die Anrege-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist, welches vom Stab durchdrungen ist, dass die Anrege-/Empfangseinheit eine Druckscheibe aufweist, die in der von der Membran abgewandten Richtung oberhalb des piezoelektrischen Elements am Stab angeordnet ist, und dass die Anrege-/Empfangseinheit zwischen einer Druckschraube und der Membran eingespannt ist. Die erfindungsgemäße Anrege-/Empfangseinheit besteht also aus mindestens einem piezoelektrischen Element, welches auf einem Stab steckt. Der Stab wird in Richtung der Membran von einem Stempel begrenzt, wobei der Stempel auf der Membranseite eine möglichst kleine oder minimale Auflagefläche aufweist, so dass die Vorspannung gezielt nur auf einen kleinen Bereich wirkt. Die Auflagefläche ist gleichzeitig jedoch auch so groß zu wählen, dass eine optimale und vor allem ausreichende Kraftübertragung zwischen Membran und Anrege-/Empfangseinheit stattfinden kann. Unter diesem Kriterium ist die Auflagefläche also zu minimieren, wobei möglichst zu verhindern ist, dass die Auflagefläche mit Bereichen der Membran verbunden ist, die unterschiedlichen Kräften besonders in Bezug auf die Richtung der Kräfte ausgesetzt sind. Oberhalb des piezoelektrischen Elements befindet sich eine Druckscheibe. Diese hat eine zweifache Aufgabe. Zum einen wird dadurch die Anrege-/Empfangseinheit abgeschlossen und es ergibt sich eine kompakte Einheit, die den Zusammenbau erleichtert, da z. B. kein piezoelektrisches Element während des Transports oder während der Montage vom Stab rutschen kann. Dadurch ist auch kein Verkleben der piezoelektrischen Elemente erforderlich. Zum anderen nimmt diese Druckscheibe den Druck auf, der im eingebauten Zustand von der Druckschraube auf sie ausgeübt wird. Die Druckschraube wird vorzugsweise in die Innenwandung des Gehäuses eingeschraubt, so dass sich eine automatische Führung und eine Zentrierung der Anrege-/Empfangseinheit ergibt, und so dass die Piezoeinheit kraftschlüssig mit der Membran verbunden ist. Das piezoelektrische Element oder ggf. auch eine Vielheit solcher Elemente sind also auf einem Stab angeordnet. Daher ist ein Verkleben nicht notwendig. Der Stab endet auf einem Stempel, der der Kraftübertragung zwischen Anrege-/Empfangseinheit und Membran dient und der weiterhin so ausgebildet ist, dass die Kraftübertragung nur an dem Punkt der Membran geschieht, an dem von außen durch das Schüttgut wirkende Kräfte ansetzen, so dass die Vorspannung dadurch nicht aufgehoben werden kann. Der Stab, der Stempel, das piezoelektrische Element oder die piezoelektrischen Elemente und die Druckscheibe bilden eine Einheit, die ein leichtes Einbauen ermöglicht.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auflagefläche des Stempels im Wesentlichen auf der Verlängerung der Längsachse des Stabes liegt. Somit wird die Stabilität des Aufbaus der Anrege-/Empfangseinheit erhöht, indem der Punkt, auf dem primär die Vorspannung lastet, durch den Stab möglichst in seiner vollen Länge unterstützt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Druckschraube, der Stab und die Druckscheibe derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Druckschraube im Wesentlichen nur auf den Außenrand der Druckscheibe Druck ausübt. Die Druckschraube, der Stab und die Druckscheibe, also im Allgemeinen die Anrege-/Empfangseinheit und das Mittel zu ihrer Befestigung im Gehäuse sind so ausgestaltet, dass der Druck der Druckschraube im Wesentlichen nur auf den Rand der Druckscheibe wirkt. Durch den Aufbau dieser Ausgestaltung wird der Druck also von den Seitenrändern über den Stab auf den kleinen Auflagebereich des Stempels auf der Membran übertragen. Somit ist diese Vorrichtung auch für Schüttgüter geeignet, da bei einem fließenden Schüttgut und damit einer Annäherung der Gabelzinken aneinander die Vorspannung nicht aufgehoben wird und da somit die Anrege-/Empfangseinheit stets in Kontakt mit der Membran bleibt. Die Vorrichtung fällt also durch seitliche Belastung besonders durch das bewegte Schüttgut nicht aus.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Druckschraube mit dem Gehäuse verbunden ist. Vorzugsweise wird die Druckschraube in einen entsprechenden Gewindegang des Gehäuses eingedreht oder eingeschraubt. Dies dient – wie oben ausgeführt – der Zentrierung und Führung der Anrege-/Empfangseinheit. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass somit die Vorspannung auch von der Befestigung im Gehäuse abhängt und somit die Vorspannung durch mehr Fläche und auch durch symmetrisch verteilte Fläche erzeugt wird. Dies im Gegensatz zum Antrieb der WO 92/21945 A1 , in welcher die Vorspannung am oberen Ende nur durch die Mutter erzeugt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Behälter, die Anrege-/Empfangseinheit, die Druckschraube und die mechanisch schwingfähige Einheit derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Auflagefläche auf der Mittenachse der mechanisch schwingfähigen Einheit liegt. Unter Mittenachse sei hier z. B. die Längs- oder Symmetrieachse gegenüber Spiegelung verstanden oder auch die Achse des Schwerpunkts. Ziel dieser Ausgestaltung ist, dass die Auflagefläche des Stempels und somit der untere Punkt der Vorspannung gegenüber dem Punkt liegt, auf welchen die durch ein Schüttgut seitlich wirkenden Kräfte ansetzen. Beispielsweise handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel mit zwei Gabelzinken. Die Auflagefläche auf der Membran befindet sich also in diesem Fall gegenüber dem Bereich der Membran, der in der (geometrischen oder Schwerpunkts-)Mitte zwischen beiden Gabelzinken liegt. Werden die Zinken seitlich zusammengedrückt, so wirkt auf diesem Punkt der Membran eine Kraft in Richtung des Innenraums des Gehäuses. Da jedoch der Auflagepunkt der Anrege-/Empfangseinheit genau auf der gegenüberliegenden Seite ist, wird diese Kraft durch die Vorspannung bereits aufgehoben und es ist nicht möglich, dass die Anrege-/Empfangseinheit den Kontakt mit der Membran verliert. Somit ist die Vorrichtung optimal und zuverlässig auch für Schüttgüter geeignet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Stempel auf der der Membran zugewandten Seite mindestens teilweise eine Kugelfläche aufweist. Durch eine solche Kugelfläche wird realisiert, dass die Auflagefläche gering ist und dass beim Schrauben des Antriebs die empfindlichen keramischen Teile unter möglichst geringem Drehmoment stehen. Weiterhin ist dies auch eine sehr einfach umzusetzende Ausgestaltung. Am Auflagepunkt ist es auch möglich, dass die Kugelfläche eine entsprechende Abflachung aufweist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass innerhalb des Gehäuses mindestens ein Innenrohr angebracht ist, dass das Innenrohr die Anrege-/Empfangseinheit umgibt, und dass die Druckschraube mit dem Innenrohr verbunden ist. Ein solches rohrförmiges Innenteil ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 101 29 556 A1 der Anmelderin beschrieben. Die Druckschraube wird also vorteilhafterweise an dem Innenrohr, das mit dem Gehäuse und/oder der Membran verbunden ist, angeschraubt und erzeugt damit die Vorspannung für die Anrege-/Empfangseinheit. Das Innenrohr bewirkt dabei eine thermische Abkopplung des Bereichs der Anrege-/Empfangseinheit. Dies ist wichtig bei Temperaturschocks. Wechselt die Temperatur sehr schnell, so befinden sich üblicherweise die äußeren und inneren Bauteile auf unterschiedlichen Temperaturen, da die Temperaturanpassung nicht gleich schnell erfolgt. In Verbindung mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten besteht dadurch die Gefahr, dass die kraftschlüssige Verbindung aufgehoben wird. Durch das Innenrohr wird eine ungleichmäßige Temperaturverteilung vermieden und auch bei einem Temperaturschock bleibt die optimale Vorspannung gewährleistet.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Stab und der Stempel einteilig ausgeführt sind. Sind der Stab und der Stempel ein Formstück, so können Schwierigkeiten vermieden werden, die an der Verbindungs- oder Kontaktstelle auftreten können.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens der Stab und/oder der Stempel aus einem Metall oder aus einer Keramik bestehen. Dies ist auch im Zusammenhang mit der einteiligen Ausgestaltung zu sehen. Der Vorteil einer Keramik besteht darin, dass keine isolierenden Elemente zwischen Stab oder Stempel und dem oder den piezoelektrischen Element/Elementen vorgesehen werden müssen, wie dies bei einem Metall erforderlich ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Druckschraube eine Ausnehmung für das von der Membran abgewandte Ende des Stabes aufweist. Somit wird der leichtere Zusammenbau der Anrege-/Empfangseinheit ermöglicht, da der Stab nicht mit der Druckscheibe bündig abschließen muss.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anrege-/Empfangseinheit mindestens zwei piezoelektrische Elemente aufweist. Von den Elementen kann es sich um eine Sende- und eine Empfangseinheit handeln, zwischen denen je nach der elektrischen Ansteuerung eine Isolierscheibe befindlich ist. Dies bedeutet, dass ein piezoelektrisches Element von der Regel-/Steuereinheit mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird und durch die Membran die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt, und dass das andere Element die mechanischen Schwingungen über die Membran empfängt und diese in eine elektrische Wechselspannung – als Messsignal oder Rückkopplungssignal für die Grundwellenanregung der mechanisch schwingfähigen Einheit also – umwandelt. Allgemein wird also die mechanisch schwingfähige Einheit durch das piezoelektrische Element oder die piezoelektrischen Elemente auf Resonanz erregt und die Schwingungen werden umgekehrt in elektrische Signale umgewandelt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit an der Membran befestigt ist. Vorzugsweise wird die mechanisch schwingfähige Einheit über Schweißen an der Membran befestigt oder sie ist durch den gleichen Fertigungsprozess einteilig mit der Membran verbunden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit eine Schwinggabel ist. Eine solche Schwinggabel weist üblicherweise zwei voneinander beabstandete Zinken auf, die gegensinnig zu einander schwingen, so dass möglichst keine resultierenden Kräfte auf die Einspannung im Bereich der Membran wirken. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Anzahl der Teileinheiten der schwingfähigen Einheit beschränkt. Zwischen den Zinken befindet sich auch eine Mittel- oder Symmetrielinie. Damit keine Energie durch ein Ungleichgewicht verloren sind, sind vorzugsweise beide Zinken im Wesentlichen gleich ausgebildet wenigstens hinsichtlich ihrer Masse und ihres Trägheitsmoments. In der Mitte zwischen den beiden Zinken wirken auch auf die Membran Kraftkomponenten, die aus den seitlich durch Schüttgüter auf die Zinken wirkende Kräfte resultieren. Es kann sich auch um einen Einstab handeln oder um eine Vielzahl von Zinken.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei den mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit um Biegeschwingungen handelt. Die Anrege-/Empfangseinheit verbiegt zuerst die Membran und über diese wird die schwingfähige Einheit zu Schwingungen angeregt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums handelt. Diese Prozessgrößen und deren Messung lassen sich den in der Einleitung erwähnten Schriften entnehmen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: den schematischen Aufbau einer Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: einen Querschnitt durch die Anrege-/Empfangseinheit der Erfindung,
3: einen Querschnitt durch eine in dem Gehäuse eingebauten erfindungsgemäße Anrege-/Empfangseinheit,
4: eine schematische Darstellung der auf die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ein Schüttgut wirkende Kräfte, und
5: eine schematische Darstellung einer zusätzlichen Variante des Einbaus der erfindungsgemäßen Anrege-/Empfangseinheit in das Gehäuse.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein Medium 5 befindet sich in einem Behälter 6. An der Wand des Behälters 6 ist die Vorrichtung 1 angebracht, so dass die mechanisch schwingfähige Einheit 10 in Kontakt mit dem Medium 5 kommen kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit 10 wird durch die Anrege-/Empfangseinheit 30 zu Schwingungen angeregt und die Schwingungen der Einheit 10 werden durch die Anrege-/Empfangseinheit 30 wieder empfangen, in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt und der Regel-/Auswerteeinheit 20 zugeführt. Erreicht das Medium 5 die mechanisch schwingfähige Einheit 10, so hat dies Auswirkungen auf die Schwingungen und somit kann erkannt werden, dass der durch die Einbauhöhe und Orientierung der Vorrichtung beim Einbau vorbestimmte Füllhöhe erreicht worden ist. Das Erkennen des Unterschreitens dieser Füllhöhe ist entsprechend ebenfalls möglich. Ist die mechanisch schwingfähige Einheit 10, bei der es sich im dargestellten Fall um eine Schwinggabel handelt, vom Medium 5 bedeckt, so kann bei einer Flüssigkeit als Medium aus den Schwingungen, z. B. Amplitude, Frequenz und Phase auch die Dichte oder die Viskosität des Mediums 5 bestimmt werden.
2 zeigt die erfindungsgemäße Anrege-/Empfangseinheit 30. Die Einheit 30 selbst ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgestaltet. Ein Stab 35 wird auf einer Seite 35.1 von einem Stempel 40 begrenzt. Der Stempel 40 weist an seiner Endseite 40.1 eine Kugelfläche auf, so dass die Berührungsfläche zwischen der Membran (siehe 3) und der Anrege-/Empfangseinheit 30 möglichst klein ist. Ggf. kann auch eine Abflachung vorgesehen sein, so dass der Kontaktbereich zwischen Stempel 40 und Membran 16 leicht vergrößert wird. Diese Fläche liegt auch – wie zu sehen – auf der Verlängerung der Längsachse des Stabes 35. Sind der Stab 35 und der Stempel 40 einteilig ausgeformt, so vereinfacht dies die Fertigung und es entstehen vor allem keine Verbindungsstellen, die mechanischer Belastung ausgesetzt sind und die somit zu Fehlerquellen werden können. Auf dem Stab 35 sind einige piezoelektrische Elemente 45 aufgesteckt. Hier übernehmen die Elemente getrennt die Aufgabe von Sender und Empfänger, so dass zwischen diesen Isolierscheiben angebracht sind. Die piezoelektrischen Elemente 45 sind ebenfalls gegenüber dem Stempel 40 und der Druckscheibe 50 elektrisch isoliert. Die Isolation gegenüber dem Stab 35 erfolgt durch einen – hier nicht gezeigten – Kunststoffschlauch, der über den Stab 35 gestülpt ist. Weiterhin sind auch elektrische Kontakte zur Kontaktierung der piezoelektrischen Elemente 45 vorgesehen. Der Stapel der piezoelektrischen Elemente 45 wird nach oben von der vorgenannten Druckscheibe 50 begrenzt. Diese sorgt dafür, dass die Anrege-/Empfangseinheit 30 als ein Stück gefertigt und transportiert werden kann, ohne dass einzelne piezoelektrische Elemente 45 abfallen könnten. Dafür ist oben eine Feder oder ein Sprengring vorgesehen, so dass die Druckscheibe 50 schwach gegen die piezoelektrischen Elemente 45 drückt. Weiterhin dient die Druckscheibe 50 dem Einbau der Anrege-/Empfangseinheit 30, indem auf ihr, bzw. genauer, indem auf ihrem Randbereich 50.1 der Druck lastet, der zu der Vorspannung der Anrege-/Empfangseinheit 30 an der Membran führt. Aufgrund ihrer Ausgestaltung ist die Anrege-/Empfangseinheit 30 ein eigenständiges Bauteil, welches in passender Stückzahl gefertigt und dann erst eingebaut wird.
In der 3 ist die Anrege-/Empfangseinheit 30 im eingebauten Zustand gezeigt. Zu sehen ist das Gehäuse 15, das prozessseitig von der Membran 16 abgeschlossen wird. An der Membran 16 sind die beiden Zinken der mechanisch schwingfähigen Einheit 10 befestigt. Die Anrege-/Empfangseinheit 30, welche in das Gehäuse 15 eingesteckt wird, ruht über den Auflagebereich 40.2 des Stempels 40 auf der Innenseite der Membran 16. Die Druckschraube 60 wird durch einen Gewindegang in das Gehäuse 15 eingeschraubt. Die Schraube 60 weist eine Ausnehmung 60.1 auf, in der gerade das obere Ende 35.2 des Stabes 35 passt. Die Druckschraube 60 ist weiterhin so ausgestaltet, dass ihr Druck nur auf den Außenrand 50.1 der Druckscheibe 50 wirkt. Weiterhin ist auch eine leichte Randung an der Druckschraube 60 zu erkennen, so dass bei der Montage eine Zentrierung der Anrege-/Empfangseinheit 30 erreicht wird. Durch den Aufbau wirkt also die Vorspannung zwischen dem Außenrand 50.1 der Druckscheibe 50 und der unteren Auflagefläche 40.2 des Stempels 40. Wie zu sehen, liegt die Auflagefläche 40.2 auf der Membran 16 dem Bereich gegenüber, der auf der Längsachse und hier auch auf der Symmetrieachse der mechanisch schwingfähigen Einheit 10 liegt. Somit ist die Vorrichtung 1 auch für Schüttgüter geeignet. Drückt das Medium 5 die Gabelzinken und diese somit zusammen, so verringert dies die Vorspannung in der Anrege-/Empfangseinheit 30 nicht. Erfindungsgemäß ist also die Anrege-/Empfangseinheit 30 eine selbständige Einheit, die in das fertig ausgestaltete Gehäuse 15 eingebracht wird. Dies ist z. B. wichtig, wenn das Gehäuse 15 mit einem besonderen Überzug versehen wird, der ggf. mit solchen Temperaturen aufgebracht werden muss, die oberhalb der Temperaturen liegen, bei denen die Piezoelemente ihre Polarisation verlieren. Gleichzeitig ist die Ausgestaltung so platzsparend, dass das Messgerät sehr klein ausgeführt werden kann.
In der 4 sind die wirkenden Kräfte (gekennzeichnet durch Pfeile) gezeigt, die durch ein Schüttgut auftreten können. Kommt das Schüttgut in Kontakt mit der mechanisch schwingfähigen Einheit 10, so bewirkt dies in den meisten Fällen, dass der Abstand zwischen den Gabelzinken kleiner wird, indem die Zinken also zusammengedrückt werden. Die Kraft des Schüttguts ist durch die seitlichen Pfeile angedeutet. Diese Kräfte führen dazu, dass zwischen den Gabelzinken an der Membran 16 eine Kraftkomponente auftritt, die in Richtung der Anrege-/Empfangseinheit 30 wirkt. Diese Komponente wird jedoch gerade durch die Ausgestaltung der Anrege-/Empfangseinheit 30 kompensiert. Die resultierende Komponente wirkt in der (Schwerpunkts-)Mitte zwischen beiden Zinken. Indem die Vorspannung über die Auflagefläche des Stempels 40 genau auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 16 wirkt, an der die resultierende Kraftkomponente ansetzt, kommt es durch das Schüttgut nicht zu einer Aufhebung der Vorspannung. Diesem Zweck dient auch, dass die Druckschraube 60 auf den Randbereich 50.1 der Druckscheibe 50 wirkt und nicht beispielsweise direkt längs des Stabes 35.
In der 5 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung dargestellt. In diesem Fall ist die Anrege-/Empfangseinheit 30 in einem Innenrohr 65 befestigt. Damit lässt sich das Verhalten des Sensors während eines Temperaturschocks verbessern. Bei einem schnellen Temperaturwechsel befinden sich die inneren und äußeren Teile des Sensors/der Vorrichtung 1 nicht auf den gleichen Temperaturen, d. h. zwischen Innen und Außen herrscht ein Temperaturunterschied. Da die Werkstoffe der Bauteile unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen können, besteht dadurch die Gefahr, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Anrege-/Empfangseinheit 30 und der Membran 16 kurzzeitig verloren gegen kann. Das hier gezeigte Innenrohr 65 verhindert eine ungleichmäßige Temperaturverteilung der Sensorteile, so dass die Anrege-/Empfangseinheit 30 auch während eines Temperaturschicks unter optimaler Vorspannung bleibt.

1: Vorrichtung
5: Medium
6: Behälter
10: Mechanisch schwingfähigen Einheit
15: Gehäuse
16: Membran
20: Regel-/Auswerteeinheit
30: Anrege-/Empfangseinheit
35: Stab
35.1: Der Membran zugewandtes Ende des Stabes
35.2: Von der Membran abgewandtes Ende des Stabes
40: Stempel
40.1: Der Membran zugewandtes Ende des Stempels
40.2: Auflagefläche
45: Piezoelektrisches Element
50: Druckscheibe
50.1: Außenrand der Druckscheibe
60: Druckschraube
60.1: Ausnehmung
65: Innenrohr

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (5) in einem Behälter (6), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (10), mit mindestens einem becherförmigen endseitig von einer Membran (16) verschlossenen Gehäuse (15), wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (10) mindestens mit der Membran (16) des Gehäuses (15) mechanisch gekoppelt ist, mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit (30), die die mechanisch schwingfähige Einheit (10) zu mechanischen Schwingungen anregt und die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) empfängt, mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit (20), die die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) regelt und die anhand der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) die Prozessgröße des Mediums (5) bestimmt und/oder überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anrege-/Empfangseinheit (30) mindestens einen Stab (35) aufweist, dass der Stab (35) an einem der Membran (16) zugewandten Ende (35.1) von einem Stempel (40) begrenzt ist, dass der Stempel (40) derartig ausgestaltet ist, dass eine der Membran (16) zugewandte Seite (40.1) eine minimale Auflagefläche (40.2) aufweist, wobei der Stempel (40) auf der der Membran (16) zugewandten Seite (40.1) mindestens teilweise eine Kugelfläche aufweist, dass die Anrege-/Empfangseinheit (30) mindestens ein piezoelektrisches Element (45) aufweist, welches vom Stab (35) durchdrungen ist, dass die Anrege-/Empfangseinheit (30) eine Druckscheibe (50) aufweist, die in der von der Membran (16) abgewandten Richtung oberhalb des piezoelektrischen Elements (45) am Stab (35) angeordnet ist, dass die Anrege-/Empfangseinheit (30) zwischen einer Druckschraube (60) und der Membran (16) eingespannt ist, dass die Auflagefläche (40.2) des Stempels (40) auf der Verlängerung der Längsachse des Stabes (35) liegt, und dass die Druckschraube (60), der Stab (35) und die Druckscheibe (50) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Druckschraube (60) nur auf den Außenrand (50.1) der Druckscheibe (50) Druck ausübt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschraube (60) mit dem Gehäuse (15) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (6), die Anrege-/Empfangseinheit (30), die Druckschraube (60) und die mechanisch schwingfähige Einheit (10) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass die Auflagefläche (40.2) auf der Mittenachse der mechanisch schwingfähigen Einheit (10) liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (15) mindestens ein Innenrohr (65) angebracht ist, dass das Innenrohr (65) die Anrege-/Empfangseinheit (30) umgibt, und dass die Druckschraube (60) mit dem Innenrohr (65) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (35) und der Stempel (40) einteilig ausgeführt sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Stab (35) und/oder der Stempel (40) aus einem Metall oder aus einer Keramik bestehen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschraube (60) eine Ausnehmung (60.1) für das von der Membran (16) abgewandte Ende des Stabes (35.2) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (10) eine Schwinggabel ist.