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EP-4246100-B1 - VIBRONIC LIMIT LEVEL SENSOR WITH ACCELERATION SENSOR

EP4246100B1EP 4246100 B1EP4246100 B1EP 4246100B1EP-4246100-B1

Inventors

  • DIETERLE, LEVIN
  • Börsig, Jörg

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230313

Claims (14)

  1. Vibronic limit level sensor (100, 200), comprising a mechanical oscillation system for detecting a medium; wherein the mechanical oscillation system comprises an oscillating membrane (102) capable of oscillating; and wherein the membrane of the limit level sensor is configured such that one side of the membrane comes into contact with the medium; a drive (105) for exciting the mechanical oscillation system; and wherein the drive is coupled to the membrane (102); and an accelerometer (120) for detecting oscillations of the mechanical oscillation system; wherein the accelerometer (120) is arranged by means of a layer directly adjacent to the drive (105) and/or directly adjacent to the oscillating membrane (102); or wherein the accelerometer (120) is coupled by means of a web (210) to the oscillating membrane (102) and/or the drive (105) via a web (210) at a first position of the web (122) in order to position the accelerometer (120) spaced apart from the oscillating membrane (102) and/or the drive (105); and wherein the accelerometer (120) is arranged on the side of the membrane (102) facing the medium; and wherein the accelerometer (120) is mechanically coupled to the membrane (102) and/or the drive (105), characterized in that the accelerometer is constructed according to a micro-electro-mechanical system, MEMS, and is configured to detect the medium by means of the detected oscillations of the mechanical oscillation system.
  2. Vibronic level sensor (100, 200) according to claim 1, wherein the accelerometer detects accelerations based on capacitance changes between electrodes arranged in a spring-mass-system.
  3. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the drive (105) is based on a piezoelectric operating principle and/or an electromechanical operating principle, and is configured to set the mechanical oscillation system into mechanical oscillation.
  4. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to one of the preceding claims, comprising a piezoelectric detector and/or an electromechanical detector for detecting oscillations of the mechanical oscillation system.
  5. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the accelerometer (120) is arranged by means of a layer directly adjacent to the actuator (105) and/or directly adjacent to the vibrating membrane (102); and wherein the actuator (105) operates on a piezoelectric principle.
  6. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 5, wherein the layer is a first adhesive layer and, in particular, the layer is a portion of a flat flexible cable (111) comprising the first adhesive layer and a second adhesive layer.
  7. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 6, wherein the flat flexible cable (111) is electrically and/or signal-wise coupled to the accelerometer (120) and/or the actuator (105).
  8. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 1, wherein the web (210) comprises a material of low thermal conductivity to protect the accelerometer (120) from high temperatures of the membrane (102).
  9. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 1 or 8, wherein the web (210) is configured, by means of electrically conductive connections, to couple the accelerometer (120) electrically and/or signal-wise to an evaluation unit (110).
  10. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 9, wherein the web (120) is configured to electrically couple the accelerometer (120) to the evaluation unit (110) by means of an injection-molded interconnect (MID).
  11. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to any one of claims 7 to 9, comprising a housing (310), and wherein the web (210) is mechanically coupled to the housing (310) of the vibronic limit level sensor (100, 200) at a second position of the web (124) to support the web (210) and/or suppress disturbance modes of the oscillatory system.
  12. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 10, wherein the web (210) is mechanically coupled at the second position (124) by means of thermally conductive support webs (300) to dissipate heat to the housing (310).
  13. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to one of the preceding claims, comprising an evaluation unit (110) located separately from the accelerometer (120), which is electrically and/or signal-wise coupled to the accelerometer (120), and is configured to detect the medium by determining a change in a frequency of the oscillation and/or an amplitude of the oscillation of the oscillating system.
  14. Vibronic limit level sensor (100, 200) according to claim 13, wherein the acceleration sensor (120) is configured to detect accelerations in two dimensions or three dimensions; and the evaluation unit (110) is configured to evaluate the accelerations in two dimensions or three dimensions in order to identify the disturbance modes of the vibrating system.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2022 105 918.9, eingereicht am 14. März 2022. Beschreibung Stand der Technik Produktionsprozesse aus Vorgängen zur Verarbeitung von Rohstoffen, wie Mischen, Erhitzen usw. Chargenprozesse werden in der Regel mit industriellen Sensoren überwacht, die Prozessmerkmale wie Druck, Durchfluss oder Füllstand bestimmen. Vibrations-Grenzstandschalter werden zur Detektion von Füllständen bzw. Grenzständen für insbesondere fließfähige Medien, insbesondere bei Flüssigkeiten oder Schüttgütern eingesetzt. Die Vibrations-Grenzstandschalter sind je nach Füllstand in dem Behälter mit einem Medium in Kontakt oder nicht, sodass eine Schwingfrequenz/Dämpfung oder Schwingungsamplitude der Membran bzw. des an der Membran angeordneter mechanischen Schwingers durch den Kontakt mit dem Medium beeinflusst wird. Die Patentschrift US 7,934,414 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Messvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter. Die Messvorrichtung umfasst: Eine mechanisch schwingfähige Einheit, die über eine Befestigung an einem Sensorgehäuse und/oder an dem Behälter befestigbar ist; und eine Treiber-/Empfängereinheit, die die mechanisch schwingfähige Einheit zum Schwingen anregt oder die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 101 667 A1 beschreibt ein vibronisches Messgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregungssignals und zum Empfangen und Umwandeln von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit. Die Offenlegungsschrift E 10 2018 101 475 A1 beschreibt eine energieautarke Schwingungsmessvorrichtung eingerichtet zur energieautarken Erfassung von Schwingungsmessdaten an einer Einrichtung, z.B. an einem Container. Als Beschleunigungssensor können insbesondere vorgesehen sein: mikroelektromechanische (MEMS-basierte) Sensoren; piezoelektrische Sensoren; oder eine Kombination daraus. Offenbarung der Erfindung Vibronische Grenzstandsensoren, bzw. Vibrations-Grenzstandsensoren, die ein Medium durch eine Verstimmung eines Schwingsystems detektieren, weisen typischerweise für die Anregung und Auswertung getrennte Piezosysteme zum Anregen und zum Auswerten des Schwingsystems auf, bzw. sind bei Verwendung eines einzigen Piezosystems entsprechend in, insbesondere unterschiedlich polarisierte piezoelektrische, Sektoren aufgeteilt, um ein getrenntes Anregen- und Auswerten des Schwingsystems zu ermöglichen. Solche Systeme können mittels einer Klebeverbindung mit dem Schwingsystem, das ein Schwingelement für eine Wechselwirkung mit einem Medium aufweisen kann, mechanisch gekoppelt sein. Bei der Wechselwirkung mit dem Medium kann das Schwingsystem entsprechend einer Stimmgabel, durch Wechselwirkung mit dem Medium, verstimmt werden, um das Medium zu detektieren. Alternativ können für das Anregen und das Auswerten des Schwingsystems elektromagnetische Systeme verwendet werden. Für eine effektive Anregung des Schwingsystems ist vorteilhaft, ein Piezosystem zu verwenden, welches eine möglichst große Antriebsfläche bzw. eine geringe Sektorierung aufweist. Gemäß Aspekten der Erfindung wird ein vibronischer Grenzstandsensor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. In dieser gesamten Beschreibung der Erfindung sind einige Merkmale mit Zählwörtern versehen, um die Lesbarkeit zu verbessern oder die Zuordnung eindeutiger zu machen, dies impliziert aber nicht ein Vorhandensein bestimmter Merkmale. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein vibronischer Grenzstandsensor vorgeschlagen, der ein mechanisches Schwingsystem zur Detektion eines Mediums aufweist. Zur Anregung des mechanischen Schwingsystems weist der vibronische Grenzstandsensor einen Antrieb auf, und zur Detektion von Schwingungen des mechanischen Schwingsystems weist der vibronische Grenzstandsensor einen Beschleunigungssensor auf. Dabei ist der Antrieb mechanisch an das mechanische Schwingsystem gekoppelt. Das mechanische Schwingsystem weist Schwingelemente auf, und der vibronische Grenzstandsensor ist eingerichtet, dass die Schwingelemente mit dem Medium wechselwirken können, um die Frequenz und/oder Amplitude und/oder Dämpfung des mechanischen Schwingsystems durch Wechselwirkung mit dem Medium zu verändern. Der Beschleunigungssensor ist mechanisch mit dem Schwingsystem, insbesondere mit einer Membran und/oder dem Antrieb des Schwingsystems, gekoppelt, um Schwingungen des mechanischen Schwingsystems zu detek