DE102023117143A1

DE102023117143A1 - vibration sensor

Info

Publication number: DE102023117143A1
Application number: DE102023117143.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Haas; Benjamin Schätzle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2023-06-29
Filing date: 2023-06-29
Publication date: 2025-01-02
Also published as: WO2025002736A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor (1) mit einer in Schwingung versetzbaren Membran (3) und einem mit der Membran (3) derart in Wirkverbindung stehenden Piezoelement (5), das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Schwingungen des Piezoelements (5) auf die Membran (3) und Schwingungen der Membran (3) auf das Piezoelement (5) übertragen werden, wobei das Piezoelement (5) mit der Membran (3), oder mit einer mit der Membran (3) verklebten Anpassungskeramik (7), verklebt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) aus einer bleifreien Piezokeramik besteht.

The present invention relates to a vibration sensor (1) with a membrane (3) that can be set into vibration and a piezo element (5) that is operatively connected to the membrane (3) and is designed and arranged in such a way that vibrations of the piezo element (5) are transmitted to the membrane (3) and vibrations of the membrane (3) are transmitted to the piezo element (5), wherein the piezo element (5) is glued to the membrane (3) or to an adaptation ceramic (7) glued to the membrane (3), characterized in that the piezo element (5) consists of a lead-free piezo ceramic.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a vibration sensor according to the preamble of patent claim 1.

In der Prozess- und Fabrikautomation werden zur Überwachung und zur Steuerung von Prozessen, elektronische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren können beispielsweise zur Detektion von Füllständen, Grenzständen oder zur Überwachung von Prozessparametern eingesetzt werden.In process and factory automation, electronic sensors are used to monitor and control processes. Such sensors can be used, for example, to detect fill levels, limit levels or to monitor process parameters.

Eine weit verbreitete Gattung solcher Sensoren stellen vibronische Sensoren, nachfolgend auch als Vibrationssensoren bezeichnet, dar. Vibrationssensoren zur Detektion von Füllständen oder Grenzständen arbeiten durch das Anregen einer mechanischen Schwingungseinheit mit deren Resonanzfrequenz. Das Bedecken des Schwingelements durch eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut ändert dessen Resonanzfrequenz. Durch Überschreiten eines vorgegebenen Wertes dieser Änderung wird ein Schaltbefehl generiert.A widespread type of such sensor is vibronic sensors, also referred to below as vibration sensors. Vibration sensors for detecting fill levels or limit levels work by exciting a mechanical vibration unit with its resonance frequency. Covering the vibration element with a liquid or bulk material changes its resonance frequency. If this change exceeds a predetermined value, a switching command is generated.

Vibrationssensoren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter oder zur Ermittlung der Dichte eines Mediums im Behälter, weisen ein Gehäuse, eine Membran, eine mechanische Schwingungseinheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, im Folgenden auch kurz als Antrieb bezeichnet, und eine Regel-/Auswerteeinheit, im Folgenden auch kurz als Sensorelektronik bezeichnet, auf. Die Membran verschließt ein stirnseitiges Ende des Gehäuses und die mechanische Schwingungseinheit ist an der Membran angeordnet, wobei der Antrieb im Inneren des Gehäuses so angeordnet ist, dass er die Membran und die mechanische Schwingungseinheit in Schwingungen versetzt und deren Schwingungen erfasst und die Sensorelektronik aus den erfassten Schwingungen das Erreichen des vorgegebenen Füllstandes oder die Dichte des Mediums feststellt.Vibration sensors for determining and/or monitoring the fill level of a medium in a container or for determining the density of a medium in the container have a housing, a membrane, a mechanical vibration unit, a drive/receiver unit, hereinafter also referred to as the drive, and a control/evaluation unit, hereinafter also referred to as the sensor electronics. The membrane closes one end of the housing and the mechanical vibration unit is arranged on the membrane, with the drive inside the housing being arranged in such a way that it causes the membrane and the mechanical vibration unit to vibrate and detects their vibrations, and the sensor electronics use the vibrations detected to determine whether the specified fill level has been reached or the density of the medium.

Solche Vibrationssensoren sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Die mechanische Schwingungseinheit ist mindestens ein Schwingstab, der - wie bereits erwähnt - direkt an einer Membran befestigt ist. Die Membran wird über den Antrieb, einen elektromechanischen Wandler, z. B. ein piezoelektrisches Element, in Schwingung versetzt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt die an der Membran befestigte mechanische Schwingungseinheit ebenfalls Schwingungen aus.Such vibration sensors are known in a wide variety of designs. The mechanical vibration unit is at least one vibrating rod, which - as already mentioned - is attached directly to a membrane. The membrane is set into vibration by the drive, an electromechanical transducer, e.g. a piezoelectric element. Due to the vibrations of the membrane, the mechanical vibration unit attached to the membrane also carries out vibrations.

Die schwingfähige Membran, der einerseits der Membran angeordnete Antrieb und die andererseits der Membran angeordnete mechanischen Schwingungseinheit bilden damit ein schwingfähiges System, das durch den Antrieb in Schwingungen versetzbar ist und dessen Schwingungen durch den Antrieb erfassbar sind.The oscillating membrane, the drive arranged on the one hand of the membrane and the mechanical oscillation unit arranged on the other hand of the membrane thus form an oscillating system which can be set into oscillation by the drive and whose oscillations can be detected by the drive.

Als Füllstandmessgeräte ausgeführte Schwingungsdetektoren machen sich den Effekt zunutze, dass die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude vom jeweiligen Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit abhängig sind: Während die mechanische Schwingungseinheit in Luft ihre Schwingungen frei und ungedämpft ausführen kann, erfährt sie eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald sie teilweise oder ganz in das Füllgut eintaucht. Aus einer vorbestimmten Frequenzänderung (typischerweise wird nicht die Amplitude, sondern die Frequenz gemessen) lässt sich somit eindeutig ableiten, ob ein vorbestimmter Füllstand eines Produktes im Behälter erreicht ist. Füllstandmessgeräte dieser Art werden darüber hinaus vor allem als Mittel zur Sicherung gegen Überfüllung oder zur Verhinderung des Leerlaufs einer Pumpe eingesetzt.Vibration detectors designed as level measuring devices make use of the fact that the vibration frequency and the vibration amplitude depend on the respective degree of coverage of the oscillating unit: While the mechanical vibration unit can perform its vibrations freely and undamped in air, it experiences a change in frequency and amplitude as soon as it is partially or completely immersed in the filling material. From a predetermined frequency change (typically the frequency is measured rather than the amplitude), it can be clearly deduced whether a predetermined fill level of a product in the container has been reached. Level measuring devices of this type are also used primarily as a means of protecting against overfilling or to prevent a pump from running idle.

Darüber hinaus wird die Dämpfung der Schwingung des schwingfähigen Elements auch von der Dichte des jeweiligen Produkts beeinflusst. Bei konstantem Überdeckungsgrad des mindestens einen schwingfähigen Elements besteht ein Zusammenhang mit der Dichte des Produktes, so dass sich Schwingungsdetektoren sowohl für die Erfassung eines vorgegebenen Grenzzustandes als auch für die Erfassung der Dichte hervorragend eignen.In addition, the damping of the vibration of the vibrating element is also influenced by the density of the respective product. With a constant degree of coverage of at least one vibrating element, there is a connection with the density of the product, so that vibration detectors are ideally suited both for detecting a given limit state and for detecting the density.

In der Praxis werden zur Überwachung und Detektion des Füllstandes bzw. der Dichte des Produktes im Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und in elektrische Empfangssignale umgewandelt. Dazu wird typischerweise wenigstens ein piezoelektrisches Element verwendet. Die elektrischen Empfangssignale werden dann von einer Auswerteelektronik ausgewertet. Bei der Füllstandbestimmung überwacht die Auswerteelektronik die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude der schwingfähigen Einheit und signalisiert den Zustand „Sensor bedeckt“ oder „Sensor unbedeckt“, sobald die Messwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Dies kann dem Bedienpersonal entsprechend visuell und/oder akustisch gemeldet werden. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst und z.B. ein Zu- oder Abflussventil am Behälter geöffnet oder geschlossen.In practice, the vibrations of the membrane are recorded and converted into electrical reception signals to monitor and detect the fill level or density of the product in the container. Typically, at least one piezoelectric element is used for this purpose. The electrical reception signals are then evaluated by an evaluation electronics. When determining the fill level, the evaluation electronics monitor the vibration frequency and/or the vibration amplitude of the oscillating unit and signal the status "sensor covered" or "sensor uncovered" as soon as the measured values fall below or exceed a specified reference value. This can be reported to the operating personnel visually and/or acoustically. Alternatively or additionally, a switching process is triggered and, for example, an inlet or outlet valve on the container is opened or closed.

Als elektromechanische Wandler der Antriebseinheit eines solchen Sensors kommen überwiegend piezokeramische Elemente zum Einsatz. Hierzu sind unterschiedliche Konzepte bekannt. Weit verbreitet sind geschraubte Stapelantriebe, bei denen die Piezoaktoren durch eine geschraubte Befestigung fixiert werden. Ein weiteres Konzept besteht darin, den Piezoaktor durch eine Klebung zu fixieren. Dieses Konzept findet immer häufiger Verwendung, da so eine verbesserte Performance, geringere Herstellkosten und eine höhere Automatisierbarkeit zu erreichen sind.Piezoceramic elements are predominantly used as electromechanical transducers in the drive unit of such a sensor. Various concepts are known for this. Screwed stack drives are widely used, in which the piezo actuators are fixed by a screwed fastening. Another concept is to fix the piezo actuator by a This concept is being used more and more frequently because it allows for improved performance, lower manufacturing costs and greater automation.

Aufgrund guter Materialeigenschaften hinsichtlich Performance und Temperaturbeständigkeit, kommen speziell bei hohen Temperaturen zwischen 150°C und 300°C, Piezoelemente aus der Materialklasse der Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) zum Einsatz.Due to good material properties in terms of performance and temperature resistance, piezo elements from the lead zirconate titanate (PZT) material class are used, especially at high temperatures between 150°C and 300°C.

An dieser Materialklasse wird es als nachteilig angesehen, dass Blei als Bestandteil des Piezomaterials zum Einsatz kommt. Neben Umwelt-, Gesundheits- und Arbeitssicherheitsaspekten spielt hier auch die Materialverfügbarkeit eine Rolle.The disadvantage of this class of material is that lead is used as a component of the piezo material. In addition to environmental, health and occupational safety aspects, material availability also plays a role here.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu Vibrationssensoren mit einem Antrieb auf PTZ-Basis zur Verfügung zu stellen. Es ist eine weitere Aufgabe, den alternativen Antrieb so auszugestalten, dass dieser eine vergleichbare Performance zu den aus dem Stand der Technik bekannten Antrieben aufweist.It is the object of the present invention to provide an alternative to vibration sensors with a PTZ-based drive. A further object is to design the alternative drive in such a way that it has a comparable performance to the drives known from the prior art.

Diese Aufgabe wird durch einen Vibrationssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können sowohl in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.This object is achieved by a vibration sensor with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments and variants of the invention emerge from the subclaims and the following description. The features listed individually in the subclaims can be combined with each other in any technically reasonable manner and with the features explained in more detail in the following description and represent other advantageous embodiments of the invention.

Bei oben genannten geklebten Antrieben behindert das Trägergehäuse die Schwingung des Antriebs. Beim Stand der Technik werden für dieses Gehäuse vor allen Materialien eingesetzt, die eine hohe Kristallinität aufweisen. Der E-Modul des Trägergehäuses liegt in einem hohen Bereich, wodurch das Material die Schwingung hemmt. Das Trägergehäuse ist aus diesem Grund geschlitzt und kann nicht als Becher für den Verguss benutzt werden.In the case of the above-mentioned glued drives, the carrier housing prevents the drive from vibrating. In the current state of the art, materials that have a high degree of crystallinity are used for this housing. The elastic modulus of the carrier housing is in a high range, which means that the material inhibits vibration. For this reason, the carrier housing is slotted and cannot be used as a cup for the casting.

Ein erfindungsgemäßer Vibrationssensor mit einer in Schwingung versetzbaren Membran und einem mit der Membran derart in Wirkverbindung stehenden Piezoelement, das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Schwingungen des Piezoelements auf die Membran und Schwingungen der Membran auf das Piezoelement übertragen werden, wobei das Piezoelement mit der Membran, oder mit einer mit der Membran verklebten Anpassungskeramik, verklebt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Piezoelement aus einer bleifreien Piezokeramik besteht.A vibration sensor according to the invention with a membrane that can be set into vibration and a piezo element that is operatively connected to the membrane and is designed and arranged in such a way that vibrations of the piezo element are transmitted to the membrane and vibrations of the membrane are transmitted to the piezo element, wherein the piezo element is glued to the membrane, or to an adaptation ceramic glued to the membrane, is characterized in that the piezo element consists of a lead-free piezo ceramic.

Durch die Verwendung einer bleifreien Piezokeramik können die mit dem Element Blei als Bestandteil der Piezokeramik verbundenen Nachteile vermieden werden.By using a lead-free piezoceramic, the disadvantages associated with the element lead as a component of the piezoceramic can be avoided.

Das Piezoelement ist kreisscheibenförmig ausgebildet, d.h. es weist in Draufsicht eine kreisrunde Außenkontur auf.The piezo element is designed in the shape of a circular disk, i.e. it has a circular outer contour when viewed from above.

Für eine erleichterte Montage sowie als Aufnahme für einen etwaig zu verwendenden Verguss kann das Piezoelement in einem ringförmigen Träger angeordnet sein. Ein solcher Träger erleichtert das Handling des Piezoelements sowie die Montage und Positionierung des Piezoelements relativ zu der Membran.To facilitate assembly and to accommodate any potting that may be used, the piezo element can be arranged in a ring-shaped carrier. Such a carrier makes handling the piezo element easier as well as assembling and positioning the piezo element relative to the membrane.

Der Träger ist vorzugsweise ungeschlitzt ausgebildet. Ungeschlitzt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der ringförmige Träger ohne Schlitze oder Einkerbungen ausgebildet ist. Im Stand der Technik werden solche Schlitze oder Einkerbungen benötigt, um eine Flexiblität des Trägers zu erhöhen und damit eine Dämpfung auf die Membran zu reduzieren. Durch ein geeignetes Design des Trägers ist es möglich, auf Schlitze zur Erhöhung der Flexibilität des Trägers zu verzichten.The carrier is preferably designed without slots. In this context, unslotted means that the ring-shaped carrier is designed without slots or notches. In the prior art, such slots or notches are required to increase the flexibility of the carrier and thus reduce damping on the membrane. By designing the carrier appropriately, it is possible to dispense with slots to increase the flexibility of the carrier.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist in dem Träger ein Verguss angeordnet, der zumindest eine Oberfläche des Piezoelements vollständig bedeckt. Auf diese Weise ist es möglich, den Vibrationssensor auch in explosionsgeschützten Bereichen einzusetzen. Gleichzeitig ist der Piezoantrieb, insbesondere eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements durch den Verguss gegen Korrosion durch Feuchtigkeit geschützt.In a preferred embodiment, a potting compound is arranged in the carrier, which completely covers at least one surface of the piezo element. In this way, it is possible to use the vibration sensor in explosion-proof areas. At the same time, the piezo drive, in particular an electrical contact of the piezo element, is protected against corrosion by moisture by the potting compound.

Eine Oberfläche des Piezoelements meint dabei zumindest eine von der Membran abgewandte Seite des Piezoelements.A surface of the piezo element means at least one side of the piezo element facing away from the membrane.

Eine Umfangsfläche des Piezoelements ist mit dem Träger in Kontakt. Da der Träger aus Kunststoff und elektrisch nichtleitend ist, ist das Piezoelement auch an seiner Umfangsfläche und damit in Radialrichtung elektrisch isoliert.A peripheral surface of the piezo element is in contact with the carrier. Since the carrier is made of plastic and is electrically non-conductive, the piezo element is also electrically insulated on its peripheral surface and thus in the radial direction.

Der Verguss ist in einer bevorzugten Ausgestaltungsform als Silikonverguss ausgebildet. Durch einen Silikonverguss ist es möglich, den Verguss in dem Träger besonders dünn auszugestalten, sodass möglichst wenig zusätzliche Masse in das schwingende System eingebracht wird. Durch eine Reduktion der Masse wird die Dämpfung des Systems reduziert, sodass auch mit einem weniger performanten Piezoelement ein Betrieb des Vibrationssensors möglich ist.In a preferred embodiment, the encapsulation is made of silicone. Silicone encapsulation makes it possible to make the encapsulation in the carrier particularly thin, so that as little additional mass as possible is introduced into the vibrating system. By reducing the mass, the damping of the system is reduced, so that the vibration sensor can also be operated with a less powerful piezo element.

In einer Ausgestaltungsform des Vibrationssensors besteht der Träger aus einem Material mit einem E-Modul von weniger als 4000 MPa, vorzugsweise weniger als 3500 MPa, besonders bevorzugt als 3200 MPa oder weniger. Durch eine Reduktion des Elastizitätsmoduls des Materials des Trägers wird sichergestellt, dass der Träger weniger steif ist und somit das schwingende System weniger bedämpft. Dadurch wird es möglich, auch mit einem Piezoelement, das eine geringere Ladungskonstante aufweist, genügend Energie in das schwingende System einzubringen.In one embodiment of the vibration sensor, the carrier consists of a material with an elastic modulus of less than 4000 MPa, preferably less than 3500 MPa, particularly preferably 3200 MPa or less. By reducing the elastic modulus of the carrier material, it is ensured that the carrier is less rigid and therefore dampens the oscillating system less. This makes it possible to introduce sufficient energy into the oscillating system even with a piezo element that has a lower charge constant.

Der Elastizitätsmodul wird nach ISO527 bei Normklima, d. h. bei einer Temperatur von 23 +/- 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 +/- 10 % bestimmt. The modulus of elasticity is determined according to ISO527 under standard climate, i.e. at a temperature of 23 +/- 2 °C and a relative humidity of 50 +/- 10 %.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Träger derart ausgebildet, dass er eine radiale Steifigkeit von weniger als 3000 N/mm, bevorzugt 2500 N/mm oder weniger aufweist. Eine Reduktion der radialen Steifigkeit kann insbesondere durch eine geeignete Materialwahl mit einem reduzierten Elastizitätsmodul und eine geeignete geometrische Ausgestaltung des Trägers erreicht werden.In a preferred embodiment, the carrier is designed such that it has a radial stiffness of less than 3000 N/mm, preferably 2500 N/mm or less. A reduction in the radial stiffness can be achieved in particular by a suitable choice of material with a reduced modulus of elasticity and a suitable geometric design of the carrier.

Um eine Einsatzfähigkeit des Vibrationssensors bei den gewünschten Temperaturen von -50°C bis zu +150°C zu gewährleisten ist es ferner notwendig, dass der gewählte Kunststoff eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Insbesondere ist es notwendig, dass der Träger weder bei niedrigen Temperaturen versprödet noch bei hohen Temperaturen schmilzt.In order to ensure that the vibration sensor can be used at the desired temperatures of -50°C to +150°C, it is also necessary that the plastic selected has sufficient temperature resistance. In particular, it is necessary that the carrier neither becomes brittle at low temperatures nor melts at high temperatures.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht der Träger aus Polyetherimid oder Polyetheretherketon. Die beiden vorgenannten Materialien erfüllen in besonders guter Weise die Anforderungen an einen Kunststoff, wie er für den Träger benötigt wird. Insbesondere sind sie in dem o.g. Temperaturbereich einsetzbar, weisen ausreichende mechanische Stabilität auf, um den Träger mit möglichst wenig eingesetztem Material herstellen zu können und sind gleichzeitig so elastisch, dass das schwingende System des Vibrationssensors nicht zu stark bedämpft wird.In a particularly preferred embodiment, the carrier consists of polyetherimide or polyetheretherketone. The two aforementioned materials meet the requirements of a plastic such as that required for the carrier particularly well. In particular, they can be used in the above-mentioned temperature range, have sufficient mechanical stability to be able to manufacture the carrier using as little material as possible and are at the same time so elastic that the oscillating system of the vibration sensor is not dampened too much.

Um eine radiale Steifigkeit des ringförmigen Trägers zu reduzieren, ist es sinnvoll, wenn dieser in Radialrichtung eine Wandstärke von weniger als 1 mm, vorzugweise weniger als 0,8 mm, weiter bevorzugt 0,4 mm oder weniger aufweist. Durch eine Reduktion der Wandstärke des Trägers wird erreicht, dass dieser insgesamt flexibler ist und damit weniger dämpfenden Einfluss auf das schwingende System des Vibrationssensors hat.In order to reduce the radial stiffness of the ring-shaped carrier, it is advisable for it to have a wall thickness of less than 1 mm, preferably less than 0.8 mm, more preferably 0.4 mm or less in the radial direction. By reducing the wall thickness of the carrier, it is achieved that it is more flexible overall and thus has less damping influence on the oscillating system of the vibration sensor.

Vorzugweise weist der ringförmige Träger eine Erstreckung in Axialrichtung von weniger als 5 mm, vorzugsweise 4 mm oder weniger auf. Auch durch eine Reduktion der Erstreckung in Axialrichtung wird eine Verringerung der Masse und der Steifigkeit des Trägers erreicht, wodurch ein Einfluss auf das schwingende System des Vibrationssensors ebenfalls reduziert wird.Preferably, the ring-shaped carrier has an extension in the axial direction of less than 5 mm, preferably 4 mm or less. A reduction in the extension in the axial direction also achieves a reduction in the mass and the rigidity of the carrier, which also reduces the influence on the oscillating system of the vibration sensor.

In einer Ausgestaltungsform des Vibrationssensors weist der Träger radial außenseitig wenigstens drei, vorzugsweise vier oder fünf Anformungen auf, die als Abstandhalter ausgebildet sind und den Träger relativ zu der Membran ausrichten. Die Membran weist häufig einen sich in Axialrichtung erstreckenden, umlaufenden Rand auf, der als Halterung für die Membran und als Ansatz für einen Prozessanschluss und/oder ein Gehäuse, das den Antrieb und eine Elektronik des Vibrationssensors umschließt, dient. Dieser Rand kann in Zusammenwirkung mit den Anformungen an dem Träger genutzt werden, um bei einer Montage des Vibrationssensors, insbesondere bei einer manuellen Montage, den Träger relativ zu der Membran auszurichten und damit zu zentrieren. Durch eine Ausrichtung des Trägers wird gleichzeitig das in dem Träger gehalterte Piezoelement relativ zur Membran ausgerichtet und vorzugsweise konzentrisch zu dieser ausgerichtet.In one embodiment of the vibration sensor, the carrier has at least three, preferably four or five projections on the radial outside, which are designed as spacers and align the carrier relative to the membrane. The membrane often has a peripheral edge extending in the axial direction, which serves as a holder for the membrane and as a base for a process connection and/or a housing that encloses the drive and electronics of the vibration sensor. This edge can be used in conjunction with the projections on the carrier to align the carrier relative to the membrane and thus center it when the vibration sensor is mounted, in particular when it is mounted manually. By aligning the carrier, the piezo element held in the carrier is simultaneously aligned relative to the membrane and preferably aligned concentrically to it.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist der Antrieb des Vibrationssensors aus Piezoelementen aus Bismut-Natrium-Titanat oder Kalium-Natrium-Niobat gebildet.In a preferred embodiment, the drive of the vibration sensor is formed from piezo elements made of bismuth sodium titanate or potassium sodium niobate.

Die Piezoelemente können als Mulitlayer Piezoelemente mit mehreren Piezoschichten ausgebildet sein. Bei solchen Mulitlayer Piezoelementen ist eine Piezoeinheit aus mehreren Piezoschichten gebildet, die zusammen mit zwischen den Piezoschichten angeordneten Elektrodenschichten zu einer Piezoeinheit verbunden sind. Die Piezoschichten und die Elektrodenschichten können bspw. durch einen Sinterprozess dauerhaft miteinander verbunden sein. Dadurch, dass mehrere Schichten miteinander verbunden werden, ist es möglich, dass die einzelnen Piezoschichten dünner ausgeführt werden können, als dies bei reinen Piezoelementen der Fall wäre. Das reine Piezomaterial hat den Nachteil, dass es bei geringer Schichtdicke sehr leicht bricht. Durch die herstellerseitige Verbindung mehrerer Piezoschichten kann dieser Nachteil vermieden werden. Durch die geringere Schichtdicke der einzelnen Piezoschichten können bei gleicher anliegender Spannung höhere Feldstärken und damit eine bessere Umsetzung elektrischer in mechanische Energie erreicht werden.The piezo elements can be designed as multilayer piezo elements with several piezo layers. With such multilayer piezo elements, a piezo unit is made up of several piezo layers that are connected to form a piezo unit together with electrode layers arranged between the piezo layers. The piezo layers and the electrode layers can be permanently connected to one another, for example by a sintering process. By connecting several layers to one another, it is possible for the individual piezo layers to be made thinner than would be the case with pure piezo elements. The pure piezo material has the disadvantage that it breaks very easily if the layer thickness is small. This disadvantage can be avoided by connecting several piezo layers together by the manufacturer. The lower layer thickness of the individual piezo layers means that higher field strengths can be achieved with the same applied voltage, and thus a better conversion of electrical energy into mechanical energy.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationssensors gemäß der vorliegenden Anmeldung.
2 eine perspektivische Darstellung des Trägers aus 1.

The present invention is explained below using embodiments with reference to explained in detail with reference to the attached figures. They show:

1 an embodiment of a vibration sensor according to the present application.
2 a perspective view of the carrier from 1 .

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures, unless otherwise stated, identical reference symbols designate identical or corresponding components with identical functions.

1 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung eines Vibrationssensors 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung in einem Längsschnitt in Axialrichtung A. 1 shows a partial representation of a vibration sensor 1 according to the present application in a longitudinal section in the axial direction A.

Der Vibrationssensor 1 weist eine schwingfähig ausgebildete Membran 3 auf, an der einerseits eine mechanische Schwingungseinheit 31, die vorliegend in Form einer Stimmgabel ausgebildet ist, und andererseits ein Antrieb zum Versetzen der Membran 3 in Schwingung angeordnet ist. Der Antrieb ist vorliegend als Piezoelement 5 ausgebildet, dass unter Zwischenschaltung einer Anpassungskeramik 7 zum Ausgleich unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen Membran 3 und Piezoelement 5, mit der Membran 3 verklebt ist.The vibration sensor 1 has a membrane 3 designed to vibrate, on which a mechanical vibration unit 31, which in this case is designed in the form of a tuning fork, and a drive for setting the membrane 3 into vibration are arranged on the one hand, and on the other hand. The drive is designed in this case as a piezo element 5, which is glued to the membrane 3 with an interposition of an adaptation ceramic 7 to compensate for different thermal expansion coefficients between the membrane 3 and the piezo element 5.

Das Piezoelement 5 ist in einem ringförmig ausgebildeten Träger 9 angeordnet, der eine Handhabung des Piezoelements 5 und eine Positionierung relativ zur Membran 3 erleichtert. Der Träger 9 weist zur Positionierung relativ zur Membran 3 außenseitig an dem Träger 9 angeordnete Anformungen 91 auf, die den Träger 9 zu einem Rand 31 der Membran 3 der sich in Axialrichtung rückseitig erstreckt, beabstandet halten und den Träger 9 mit dem Piezoelement 5 damit der relativ zur Membran 3 ausrichten und zentriert positionieren. Durch die Anformungen 91 die als Abstandshalter zu dem Rand 31 wirken wird es ermöglicht, den Träger 9 mit einer geringeren Wandstärke auszubilden und somit eine Masse des Trägers 9 zu reduzieren.The piezo element 5 is arranged in a ring-shaped carrier 9, which facilitates handling of the piezo element 5 and positioning relative to the membrane 3. For positioning relative to the membrane 3, the carrier 9 has moldings 91 arranged on the outside of the carrier 9, which keep the carrier 9 at a distance from an edge 31 of the membrane 3, which extends to the rear in the axial direction, and thus align the carrier 9 with the piezo element 5 and position it centered relative to the membrane 3. The moldings 91, which act as spacers to the edge 31, make it possible to design the carrier 9 with a smaller wall thickness and thus reduce the mass of the carrier 9.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Träger 9 stirnseitig innenliegend eine Stufe auf, in der die Anpassungskeramik 7 sitzt. Es ist somit möglich, den Träger 9 bereits mit der Anpassungskeramik 7 und dem Piezoelement 5 zu bestücken und diese dann als gemeinsame Baueinheit mit der Membran 3 und der daran angeordneten mechanischen Schwingungseinheit 33 zu verbinden. Das Piezoelement 5 ist über vorliegend nicht dargestellte Kontakte elektrische kontaktiert, sodass durch Anlegen einer Spannung eine mechanische Verformung des Piezoelements hervorgerufen werden kann, die die Membran 3 zu Schwingungen anregt.In the present embodiment, the carrier 9 has a step on the inside of the front side in which the adaptation ceramic 7 is located. It is therefore possible to equip the carrier 9 with the adaptation ceramic 7 and the piezo element 5 and then connect these as a common structural unit with the membrane 3 and the mechanical vibration unit 33 arranged thereon. The piezo element 5 is electrically contacted via contacts (not shown here), so that by applying a voltage, a mechanical deformation of the piezo element can be caused, which excites the membrane 3 to vibrate.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Piezoelement 5 rückseitig, d. h. an einer von dem vorderseitig des Piezoelements 5 angeordneten Ausgleichskeramik 7 wegweisenden Oberfläche mit einem Verguss 11 bedeckt. Der Verguss 11 ist innerhalb des Trägers 9 angeordnet, sodass der Träger 9 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Halterung für das Piezoelement 5 und als Begrenzung für den Verguss 11 dient. Der Verguss 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Silikonverguss ausgebildet und weist eine Dicke, d. h. eine Erstreckung in Axialrichtung A von 3,3 mm auf. Durch eine Ausgestaltung des Vergusses 11 als Silikonverguss und eine Reduktion der Dicke auf 3,3 mm wird eine Masse des verwendeten Vergusses 11 im Vergleich zum Stand der Technik um einen Faktor 9 reduziert, sodass der Verguss 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine deutlich reduzierte Dämpfungswirkung auf die schwingfähige Einheit des Vibrationssensors 1 aufweist.In the present exemplary embodiment, the piezo element 5 is covered with a casting 11 on the back, i.e. on a surface facing away from the compensating ceramic 7 arranged on the front side of the piezo element 5. The casting 11 is arranged inside the carrier 9, so that in the exemplary embodiment shown the carrier 9 serves simultaneously as a holder for the piezo element 5 and as a limit for the casting 11. In the present exemplary embodiment, the casting 11 is designed as a silicone casting and has a thickness, i.e. an extension in the axial direction A, of 3.3 mm. By designing the casting 11 as a silicone casting and reducing the thickness to 3.3 mm, a mass of the casting 11 used is reduced by a factor of 9 compared to the prior art, so that the casting 11 according to the present embodiment has a significantly reduced damping effect on the oscillating unit of the vibration sensor 1.

Der Träger 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Polyimid gebildet und weist eine Wandstärke b_T von 0,4 mm und und eine Erstreckung h_T in Axialrichtung A von 4 mm auf. Durch die Auswahl von Polyimid als Material des Trägers 9 und die vorgeschriebene mechanische Ausgestaltung wird eine radiale Steifigkeit von 2500 N/mm erreicht, sodass durch die Reduktion der Masse des Trägers 9 einerseits und die reduzierte radiale Steifigkeit des Trägers 9 andererseits ein negativer dämpfender Einfluss des Trägers 9 auf das schwingende System des Vibrationssensors 1 minimiert wird.In the present embodiment, the carrier 9 is made of polyimide and has a wall thickness b _T of 0.4 mm and an extension h _T in the axial direction A of 4 mm. By selecting polyimide as the material of the carrier 9 and the prescribed mechanical design, a radial stiffness of 2500 N/mm is achieved, so that a negative damping influence of the carrier 9 on the oscillating system of the vibration sensor 1 is minimized by the reduction in the mass of the carrier 9 on the one hand and the reduced radial stiffness of the carrier 9 on the other.

Durch die vorgenannten Maßnahmen wird es möglich, dass der Vibrationssensor 1 mit einem Piezoelement 5 aus Bismut-Natrium-Titanat oder Kalium-Natrium-Niobat betrieben werden kann.The aforementioned measures make it possible for the vibration sensor 1 to be operated with a piezo element 5 made of bismuth sodium titanate or potassium sodium niobate.

2 zeigt den Träger 9 wie in dem Ausführungsbeispiel aus 1 zum Einsatz kommt in Alleinstellung in einer perspektivischen Darstellung. 2 shows the carrier 9 as in the embodiment of 1 is used in isolation in a perspective representation.

Aus der in 2 gezeigten Darstellung ist die Erstreckung h_T des Trägers 9 in Axialrichtung und die Wandstärke b_T in Radialrichtung R deutlich zu erkennen. From the 2 In the illustration shown, the extension h _T of the support 9 in the axial direction and the wall thickness b _T in the radial direction R can be clearly seen.

Ferner sind in der in 2 gezeigten Darstellung die über einen Umfang des ringförmig ausgebildeten Trägers 9 gleichmäßig verteilt angeordneten Anformungen 91, die als Abstandshalter dienen, zu erkennen.Furthermore, in the 2 The illustration shows the formations 91 which are evenly distributed over a circumference of the ring-shaped carrier 9 and which serve as spacers.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Vibrationssensorvibration sensor
33: Membranmembrane
55: Piezoelementpiezo element
77: Anpassungskeramikadaptation ceramics
99: Trägercarrier
1111: Vergusscasting
3131: Randedge
3333: mech. Schwingungseinheitmechanical vibration unit
9191: Anformungmolding
RR: Radialrichtungradial direction
AA: Axialrichtungaxial direction
bTbT: Wandstärkewall thickness
hThT: Erstreckungextension

Claims

Vibration sensor (1) with a membrane (3) that can be set into vibration and a piezo element (5) that is operatively connected to the membrane (3) and is designed and arranged such that vibrations of the piezo element (5) are transmitted to the membrane (3) and vibrations of the membrane (3) are transmitted to the piezo element (5), wherein the piezo element (5) is glued to the membrane (3) or to an adaptation ceramic (7) glued to the membrane (3), characterized in that the piezo element (5) consists of a lead-free piezo ceramic.

Vibration sensor (1) according to patent claim 1 , characterized in that the piezo element (5) is arranged in an annular carrier (9).

Vibration sensor (1) according to patent claim 2 , characterized in that the carrier (9) is designed without slots.

Vibration sensor (1) according to patent claim 3 , characterized in that a potting (11) is arranged in the carrier (9), which completely covers at least one surface of the piezo element (5).

Vibration sensor (1) according to patent claim 4 , characterized in that the potting (11) is designed as a silicone potting.

Vibration sensor (1) according to one of the patent claims 2 until 4 , characterized in that the carrier (9) consists of a material with an E-modulus of less than 4000 MPa, preferably less than 3500 MPa, particularly preferably 3200 MPa or less.

Vibration sensor (1) according to patent claim 5 , characterized in that the carrier (9) is designed such that it has a radial stiffness of less than 3000 N/mm, preferably 2500 N/mm or less.

Vibration sensor (1) according to one of the patent claims 5 or 6 , characterized in that the carrier (9) consists of polyetherimide or polyetheretherketone.

Vibration sensor (1) according to one of the Claims 2 until 7 , characterized in that the annular carrier (9) has a wall thickness of less than 1 mm, preferably less than 0.8 mm, more preferably 0.4 mm or less in the radial direction R.

Vibration sensor (1) according to one of the patent claims 2 until 8 , characterized in that the annular carrier has an extension h _T in the axial direction A of less than 5 mm, preferably 4 mm or less.

Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier (9) has at least three, preferably 4 or 5, formations (91) on the radial outside, which are designed as spacers and align the carrier (9) relative to the membrane (3).

Vibration sensor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element (5) consists of bismuth sodium titanate or potassium sodium niobate.