DE102009026685A1

DE102009026685A1 - Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes, einer Phasengrenze oder der Dichte eines Mediums

Info

Publication number: DE102009026685A1
Application number: DE102009026685A
Authority: DE
Inventors: Dietmar FRÜHAUF; Martin Urban; Martin Hortenbach; Frank Ruhnau; Michael Siegel; Tobias Brengartner
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2010-12-09
Also published as: SG176672A1; WO2010139508A1; EP2438407B1; CN102460089B; CN102460089A; US8955377B2; EP2438407A1; US20120085165A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes, der Phasengrenze oder der Dichte eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht wird, wobei die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs (Sweep) innerhalb eines vorbestimmbaren Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen angeregt wird, wobei die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen empfangen werden, wobei über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empseinheit (S/E) die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes, einer Phasengrenze oder der Dichte eines Mediums einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes oder der Phasengrenze angebracht wird. Ist sichergestellt, dass die schwingfähige Einheit in das Medium eintaucht, können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Dichtemessung des Mediums herangezogen werden.
Vibrationsdetektoren bzw. Grenzstandschalter zur Detektion bzw. zur Überwachung des Füllstandes, der Phasengrenze oder der Dichte eines Mediums in einem Behälter sind bereits bekannt geworden. Sie werden von der Anmelderin in einer Vielzahl von Ausgestaltungen unter den Bezeichnungen LIQUIPHANT und SOLIPHANT angeboten und vertrieben.
Vibrationsdetektoren weisen üblicherweise ein Schwingstab oder eine Schwinggabel als Schwingelement auf; das Schwingelement ist an einer Membran befestigt. Darüber hinaus sind auch so genannte Membranschwinger bekannt geworden, bei denen auf das zusätzliche Schwingelement verzichtet wird. Die Membran selbst ist in ein Sensorgehäuse eingespannt und wird über einen elektromechanischen oder einen piezoelektrischen Antrieb zu Schwingungen angeregt. Als Sende-/Empfangseinheit wird üblicherweise ein Stapel- oder ein Bimorphantrieb verwendet. Die Anregung der schwingfähigen Einheit erfolgt mit der Resonanzfrequenz – es erfolgt hier also eine sog. Grundwellenanregung –, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangssignals üblicherweise in einem definierten Bereich liegt. Üblicherweise erstreckt sich dieser Bereich zwischen 46° und 140° liegt.
Als Füllstandsmessgeräte ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt aus, dass die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude abhängig sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements:
Während das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen ausführen kann, erfährt es eine Frequenz- und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung lässt sich folglich eindeutig auf das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes oder einer vorbestimmten Phasengrenze des Mediums in dem Behälter rückschließen. Füllstandsmessgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüllsicherungen oder zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes verwendet.
Darüber hinaus wird die Schwingung des Schwingelements auch von der jeweiligen Dichte des Mediums beeinflusst, da sich die mitbewegte Masse mit der Dichte ändert. Daher besteht bei konstantem Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zur Dichte des Mediums, so dass Vibrationsdetektoren sowohl für die Füllstands- als auch für die Dichtebestimmung bestens geeignet sind.
In der Praxis werden zwecks Überwachung und Erkennung des Füllstandes bzw. der Dichte des Mediums in dem Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und mittels zumindest eines piezoelektrischen Elements in elektrische Empfangssignale umgewandelt. Die elektrischen Empfangssignale werden anschließend von einer Auswerte-Elektronik ausgewertet. Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht die Auswerte-Elektronik die Schwingungsfrequenz und/oder die Schwingungsamplitude des Schwingelements und signalisiert den Zustand 'Sensor bedeckt' bzw. 'Sensor unbedeckt', sobald die Messwerte einen vorgegebenen Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.
Die zuvor genannten Geräte zum Messen des Füllstandes/der Phasengrenze oder der Dichte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, beispielsweise in der Chemie, in der Lebensmittelindustrie oder bei der Wasseraufbereitung. Die Bandbreite der überwachten Füllgüter reicht von Wasser über Yoghurt, Farben und Lacke bis hin zu hochviskosen Medien, wie Honig, oder bis hin zu stark schäumenden Medien, wie Bier.
Bekannte Vibrationsdetektoren zeichnen sich durch einen geschlossenen Schwingkreis aus, der aus analogen Komponenten aufgebaut ist. Um die unterschiedlichen Typen von Vibrationsdetektoren betreiben zu können, müssen die analogen Komponenten möglichst optimal auf die jeweiligen Ausgestaltungen der Vibrationsdetektoren abgestimmt werden. Eine große Rolle spielt hier u. a. die jeweilige Geometrie der schwingfähigen Einheit. Weiterhin ist ein Mikrocontroller vorgesehen, der die Auswertung der ermittelten Frequenz vornimmt und die Kommunikation mit einem zentralen Rechner steuert.
Neben dem hohen Entwicklungs-, Zeit- und Kostenaufwand fehlen den bisherigen Einzellösungen die gewünschte hohe Flexibilität und die kompakte Bauform. So erlauben bekannt Vibrationssensoren oftmals nur eine Aussage darüber, ob das schwingfähige Element bedeckt ist oder nicht. Auch kommen für die Regel-/Auswerteeinheit oftmals elektronische Spezialbauteile zur Verwendung, was nachteilig ist, da diese Bauteile relativ hohe Bauteiltoleranzen aufweisen. Nachteilig scheint auch, dass für die bekannten aus Elektronikbauteilen bestehenden Detektoren keinerlei Kopierschutz besteht: Ein Nachahmer kann einen Vibrationsdetektor in Kenntnis der Bauteile nachbauen, ohne vom Funktionsprinzip des Detektors nähere Kenntnis zu besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, das bzw. die es erlaubt, unterschiedliche Typen von Vibratonsdetektoren mit einer weitgehend identischen Regel-/Auswerteeinheit auszustatten.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs innerhalb eines vorbestimmbaren Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit sukzessive mit zeitlich aufeinander folgenden, diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen angeregt wird, dass die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen empfangen werden, dass über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal aufweist. Entweder regt die Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen an (bei der Füllstandsmessung oder bei der Überwachung der Phasengrenze), oder es wird der nachfolgende Frequenzsuchlauf gestartet, so dass permanent Frequenzsuchläufe stattfinden (bei der Dichtemessung).
Insbesondere handelt es sich bei der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit mit vorgegebener Phasenverschiebung um die Schwingfrequenz des Grundmodes – Grundwellenanregung – bei der vorgegebenen Phasenverschiebung oder um die Schwingfrequenz eines höheren Modes – Oberwellenanregung – bei der vorgegebenen Phasenverschiebung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht für den Fall, dass die schwingfähige Einheit außerhalb der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal schwingt, vor, dass ein erneuter Frequenzsuchlauf gestartet wird, bis die entsprechende Schwingfrequenz gefunden ist.
Im Gegensatz zu den bekannten analogen Vibrationsdetektoren ist die erfindungsgemäße Lösung weitgehend digital realisiert. Die schwingfähige Einheit wird unabhängig von der aktuellen Dämpfung mit ihrer Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal betrieben. Die jeweils aktuelle Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit, sprich die aktuelle Resonanzfrequenz, wird ermittelt. Hierzu wird der Frequenz-Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit komplett abgescannt. Um die aktuelle Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit zu bestimmen, ist es darüber hinaus notwendig, die Schwingungen der schwingfähigen Einheit von Rauschen und Störsignalen zu befreien.
Bekannte Vibrationsdetektoren weisen – wie bereits erwähnt – einen geschlossenen Schwingkreis aus schwingfähiger Einheit und Regel-/Auswerteeinheit auf. Hier stellt sich die Resonanzfrequenz im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit bei fester Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal automatisch ein. Hingegen wird bei der erfindungsgemäßen digitalen Vorrichtung eine Schwingung bestimmter Frequenz und damit gekoppelt auch einer bestimmten Phasenlage vorgegeben. Es erfolgt eine Zwangsanregung der schwingfähigen Einheit. Anschließend wird der gesamte Frequenz-Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit überstrichen, d. h. durch zeitlich sukzessive Anregung dicht beieinander liegender, diskreter Frequenzen wird die aktuelle Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ermittelt. Dieses Verfahren wird auch als Frequenz-Sweep bezeichnet.
Bevorzugt wird die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Amplituden der an der Sende-/Empfangseinheit empfangenen Empfangssignale ermittelt. Alternativ ist vorgesehen. dass die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ermittelt wird. So tritt im Empfängersignal sowohl im Resonanzfall als auch im Anti-Resonanzfall ein Phasensprung von 180° auf.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Lösung komplett auf digitalisierter Basis realisiert ist. In diesem Fall wird das Empfangssignal mittels eines Analog-/Digital-Wandlers digitalisiert und rein digital weiterverarbeitet. Alternativ besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Lösung mittels schaltbarer Bestückungsvarianten zu realisieren. Hierzu kann die analoge Schaltungstechnik weitgehend beibehalten werden; die jeweils benötigten Signalwege werden, durch einen Mikrocontroller gesteuert und mittels Analogschaltern so gelegt, dass die jeweils benötigten Schaltungsteile im Signalpfad liegen.
Bevorzugt ist die Regel-/Auswerteeinheit bei der erfindungsgemäßen Lösung jedoch als digitale Schaltung, insbesondere als digitaler Signalprozessor DSP, als FPGA, FPAA oder als PSoC – Programmable System an Chip – ausgestaltet. Auf einem PSoC sind konfigurierbare analoge und digitale Resourcen zusammen mit einem Mikrocontroller in einem integrierten Schaltkreis angeordnet. Da nur wenige externe Bauteile notwendig sind, sind die PSoC sehr Platz sparend und darüber hinaus kostengünstig.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal über eine phasenselektive Gleichrichtung erfolgt, welche eine Phasen- und amplitudenproportionale Gleichspannung erzeugt. Hierbei werden die Empfangssignale des phasenselektiven Gleichrichters durch das Empfangssignal der Sende-/Empfangseinheit und einem aus der Sendeeinheit abgeleiteten Signal gebildet. Das abgeleitet Signal ist bevorzugt ein periodisches Rechteck- oder Sinussignal.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass während eines Frequenzsuchlaufs der Frequenzbereich im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit überfahren wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass anhand von zwei im wesentlichen symmetrisch zur Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal liegenden Frequenzen, bei denen vorgegebene Schwellwerte der Amplitude der Empfangssignale oder der phasenproportionalen Gleichspannung erreicht bzw. überschritten werden, die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt wird.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass das von einem phasenselektiven Gleichrichter erzeugte phasenselektive Signal in einen positiven Signalanteil und in einen negativen Signalanteil zerlegt wird, dass die Hüllkurve des positiven Signalanteils und die Hüllkurve des negativen Signalanteils gebildet werden, dass die beiden Hüllkurven addiert werden und dass anhand des Additionssignals die aktuelle Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt wird. Das Verfahren wird hier mit einem Hüllkurvendetektor durchgeführt. Das Additionssignal hat die maximale Amplitude stets bei einer Frequenz, bei der die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal der vorgegebenen, gewünschten Phasenverschiebung entspricht.
Die Realisierung des Hüllkurvendetektors kann über eine Diode und ein nach geschaltetes RC-Glied erfolgen. Je nachdem, in welcher Richtung die Diode betrieben wird, lässt diese entweder ausschließlich den positiven oder den negativen Anteil des anliegenden Signals durch. Das nachgeschaltete RC-Glied ermittelt aus dem resultierenden Ausgangssignal die Hüllkurve.
Um den negativen und den positiven Anteil des phasenselektiven Signals zu ermitteln sind folglich zwei Hüllkurvendetektoren erforderlich. Um zu verhindern, dass die Dioden einen Teil des phasenselektiven Signals abschneiden, wird zu dem phasenselektiven Signal ggf. eine Gleichspannung addiert.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass eine Sende-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs innerhalb eines vorbestimmbaren Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen anregt und die die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, dass eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Erregerfrequenz ermittelt, bei der die schwingfähige Einheit bei einer Schwingfrequenz mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal schwingt und dass die Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal zu Schwingungen anregt.
Weiterhin ist die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet, dass sie während des Frequenzsuchlaufs die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Phase zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal oder der Amplitude des Empfangssignals ermittelt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind zusammengefasst die folgenden:

– Für alle Ausgestaltungen der schwingfähigen Einheiten und für alle Einsatzgebiete der Vibrationsdetektoren weist die Regel-/Auswerteeinheit identische Bauteile auf. Die erfindungsgemäße Lösung ist somit plattformfähig.
– Durch die Digitalisierung der Regel-/Auswerteeinheit wird eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Funktionalität des Vibrationsdetektors erreicht; es liegt eine freie Skalierbarkeit vor, die Phasenverschiebung kann frei gewählt werden, und es ist eine digitale Schnittstelle vorhanden.
– Kopierschutz ist gegeben, da die Regel-/Auswerteeinheit nur mit erheblichem Aufwand nachgebaut werden kann.
– Die Kompaktheit der Regel-/Auswerteeinheit, die im Regelfall auf einer Leiterplatte angeordnet ist, ist gegeben.
– Es kann auf teuere Spezialbauteile mit relativ hohen Bauteile-Toleranzen verzichtet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Regel-/Auswerteeinheit mit einem phasenselektiver Gleichrichter vorgesehen, wobei der Gleichrichter eine phasenselektive Gleichspannung erzeugt. Dem phasenselektiven Gleichrichter sind ein Tiefpassfilter und ein Komparator nachgeschaltet. Weiterhin ist ein Mikrocontroller vorgesehen, der anhand von zwei symmetrisch zur Resonanzfrequenz liegenden Frequenzen, bei denen vorgegebene Schwellwerte der Amplitude der Empfangssignale oder der phasenproportionalen Gleichspannung des Gleichrichters erreicht bzw. überschritten werden, die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt.
Darüber hinaus ist vorgesehen, dass der phasenselektive Detektor aus einem Multiplizierer, einer Erzeugereinheit für ein Referenzsignal, dessen Taktfrequenz über den Mikrocontroller einstellbar ist, einem über den Mikrocontroller steuerbaren Phasenschieber und einem Tiefpass besteht, wobei der Multiplizierer ein Referenzsignal, das jeweils die von dem Mikrocontroller vorgegebene Taktfrequenz aufweist, mit dem Empfangssignal multipliziert, wobei der Phasenschieber die Phasenlage von Referenzsignal und Empfangssignal anpasst, und wobei am Ausgang des ersten Tiefpasses, der dem Multiplizierer nachgeschaltet ist, die phasenproportionale Gleichspannung abgreifbar ist.
Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, wenn dem Tiefpass ein Komparator nachgeschaltet ist, der als Schwellwertdetektor dient und dessen Ausgangssignale an den Mikroprozessor weitergeleitet werden, wobei der Mikrocontroller anhand einer Mittelwertbildung über einen während des Frequenzsuchlaufs ermittelten ersten Schwellwert und zweiten Schwellwert die aktuelle Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der zuvor beschriebenen Lösung schlägt vor, dass dem Phasenschieber ein zweiter Tiefpass nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein sinusförmiges Signal ansteht, mit dem die Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen auf der aktuellen Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal anregt.
Eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Regel-/Auswerteeinheit vor, die ein phasenselektives gleichgerichtetes Signal erzeugt. Anschließend wird das phasenselektive Signal in einen positiven Signalanteil und in einen negativen Signalanteil zerlegt, nachfolgend werden die Hüllkurve des positiven Signalanteils und die Hüllkurve des negativen Signalanteils bestimmt und addiert. Anhand des Additionssignals ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine schematische Darstellung des Verlaufs der phasenproportionalen Gleichspannung eines phasenselektiven Gleichrichters in Abhängigkeit von der Frequenz,
3: ein Flussdiagramm zur Visualisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungsformen,
4: ein Blockschaltbild zwecks Realisierung einer phasenselektiven Gleichrichtung,
4a: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Amplituden des Eingangssignals und eines Rechtecksignals über die Zeit darstellt,
4b: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Amplituden des Ausgangssignals des phasenselektiven Schalters/Gleichrichters über die Zeit darstellt, und zwar für den ungedämpften Fall, wenn die schwingfähige Einheit in Luft schwingt.
5a: eine Darstellung der Amplituden des Ausgangssignals des phasenselektiven Gleichrichters und zwar für den ungedämpften Fall, wenn die schwingfähige Einheit in Luft schwingt, wenn die Sweepzeit 1 sec beträgt und der phasenselektive Gleichrichter auf eine 90° Detektion eingestellt ist.
5b: eine Darstellung der Amplituden des Ausgangssignals des phasenselektiven Gleichrichters und zwar für den ungedämpften Fall, wenn die schwingfähige Einheit in Luft schwingt, wenn die Sweepzeit 0.1 sec beträgt und der phasenselektive Gleichrichter auf eine 90° Detektion eingestellt ist.
6: ein Prinzipbild des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Empfangssignal E der in der 1 nicht gesonderten dargestellten schwingfähigen Einheit wird auf den Eingang des Verstärkers 1 gegeben. Der Verstärker 1 dient der Impedanz- und Amplitudenanpassung zwischen der Empfangseinheit E, üblicherweise zumindest einem piezoelektrischen Element, der schwingfähigen Einheit und der Regel-/Auswerteeinheit 10. Dem Verstärker 1 nachgeschaltet ist ein Multiplizierer 2, der das Signal der Empfangseinheit E mit dem periodischen Signal, hier einem Rechtecksignal, des digitalen Frequenzgenerators 3 multipliziert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 2 weist den Phasenunterschied bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers 1 und dem Ausgangssignals des Frequenzgenerators 3 als Gleichspannungsanteil auf. Dieser Gleichspannungsanteil wird über den Tiefpass 7 ausgefiltert. Multiplizierer 2 und Tiefpass 7 bilden zusammen mit dem Phasenschieber 4 den phasenselektiven Gleichrichter 11.
Der digitale Frequenzgenerator 3 erzeugt das Referenzrechtecksignal für die Zwangsanregung der schwingfähigen Einheit. Der variable Phasenschieber 4 stellt den Phasenunterschied zwischen dem Signal der Empfangseinheit E und dem Signal der Sendeeinheit S so ein, dass sich bei der Multiplikation der beiden Signale für den Gleichspannungsanteil ein bestimmter Pegel ergibt. Der Phasenunterschied kann auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden.
Der Tiefpass 5 formt das Rechtecksignal des Frequenzgenerators 3 in ein sinusähnliches Signal um. Es wird hier eine sog. Oberwellenunterdrückung durchgeführt. Der Verstärker 6 dient wiederum der Impedanz- und Amplitudenanpassung des Signals der Sendeeinheit S.
Der Mikrocontroller 9 dient der Steuerung und Regelung des Sweep-Verfahrens zur Ermittlung der aktuellen Resonanzfrequenz. Weiterhin übernimmt er die Kommunikation mit einer übergeordneten, in 1 nicht gesondert dargestellten Steuereinheit.
Um die aktuelle Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit aufzufinden, erfolgt erfindungsgemäß ein Frequenzsuchlauf, ein sog. Sweep. Die Frequenz des vom digitalen Frequenzgenerator 3 erzeugten Signals wird per Software von dem Mikrocontroller 9 durchgestimmt. Somit ergibt sich der in 2 dargestellte Verlauf der phasenselektiven Gleichspannung.
Der Komparator 8 vergleicht die phasenselektive bzw. phasenproportionale Gleichspannung mit einem vorgegebenen Schwellwert S. Bei Erreichen des ersten Schwellwerts S1 wird der Sweep angehalten, und die Frequenz f1 wird in einem dem Mikrocontroller 9 zugeordneten Speicherelement gespeichert. Danach wird der Sweep bis zum Erreichen des zweiten Schwellwerts S2 fortgesetzt. Die zum zweiten Schwellwert S2 gehörende Frequenz f2 wird gleichfalls gespeichert. Anschließend wird aus den beiden Frequenzwerten S1, S2 das arithmetische Mittel berechnet. Der Sweep selbst erfolgt bevorzugt von höheren zu niedrigeren Frequenzen.
Die ermittelte Frequenz, die der aktuelle Resonanzfrequenz f_R der schwingfähigen Einheit entspricht, wird eingestellt; die schwingfähige Einheit wird mit der ermittelten aktuellen Resonanzfrequenz f_R zu Schwingungen angeregt. Sobald sich die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit ändert, wird der nächste Sweep durchgeführt.
Die schwingfähige Einheit kann, wie bereits in der Beschreibungseinleitung dargelegt, sehr unterschiedlich ausgestaltet sein. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es erstmals möglich ist, unterschiedliche Schwingsysteme mit einer zumindest nahezu einheitlichen, identischen Elektronik auszustatten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren liefern eine universelle Plattform für unterschiedlichste Schwingsysteme, die im Bereich der Füllstands-, Phasengrenze- oder Dichtemessung zur Anwendung kommen.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm zu sehen, das die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht. Da das Ablaufdiagramm selbsterklärend ist, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet.
4 zeigt ein Blockschaltbild der phasenselektiven Gleichrichtung im Falle eines mechanisch ungedämpften Schwingsystems. Das Anregungssignal, mit dem die schwingfähige Einheit zu Schwingungen angeregt wird, wird über die Sende-/Empfangseinheit SIE auf die Membran und die an ihr befestigte schwingfähige Einheit übertragen. Dem Ausgangssignal der Sende-/Empfangseinheit SIE überlagern sich Störsignale, wie Rauschen und Netzbrummen bei 50 Hz. Dieses mit Störsignalen überlagerte Ausgangssignal wird zusammen mit dem um 90° phasenverschobenen Anregungssignal dem phasenselektiven Schalter zugeführt. Da die Phasenverschiebung der Eigenfrequenz im ungedämpften Fall 90° beträgt, ist zu erwarten, dass das phasenselektive gleichgerichtete Signal im Resonanzfall folglich nur aus positiven Halbwellen besteht und zu diesem Zeitpunkt auch die maximale Amplitude aufweist. Die entsprechenden Diagramme sind in den Figuren 4a und 4b dargestellt.
In Abhängigkeit von der Sweepzeit, also der Zeitdauer mit der ein Sweep über den Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit von der niedrigsten zur höchsten Frequenz durchgeführt wird, verschiebt sich die Resonanzfrequenz, bei der die maximale Amplitude auftritt. Darüber hinaus verschiebt sich die Eigenfrequenz infolge der verzögerten 'Speicherzeit' des mechanischen Schwingsystems. Die Resonanzfrequenz ist definiert als die Frequenz des Ausgangsignals zum Zeitpunkt maximaler Amplitude; die Eigenfrequenz ist definiert als die Frequenz bei einer Phasendrehung von 90° zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal. Durch die erzwungene Anregung der schwingfähigen Einheit kommt es zu einer Verschiebung von Resonanz- und Eigenfrequenz.
Infolge dieser Verschiebungen hat der positive Anteil des phasenselektven Signals sein Maximum zu einem anderen Zeitpunkt als der negative Anteil des Signals seinen Nulldurchgang. Dargestellt ist dieser Sachverhalt in den Figuren 5a und 5b, der das Verhalten des phasenselektiven Signals bei zwei unterschiedlichen Sweepgeschwindigkeiten von 1 sec und von 0.1 sec zeigt. Die Bestimmung der Resonanzfrequenz mit Hilfe des Komparators wird zusätzlich dadurch erschwert, dass die Amplitude der phasenselektive Gleichspannung neben der Abhängigkeit von der Sweepzeit auch eine starke Abhängigkeit von der Dämpfung des Mediums aufweist, mit dem die schwingfähige Einheit in Kontakt kommt.
Infolge der Phasenverschiebung und der Amplitudenvariation wird eine exakte Auswertung mittels Tiefpass und Komparator erschwert. Die in den Figuren 1–3 dargestellte Lösung stößt daher insbesondere bei hohen Sweepgeschwindigkeiten an ihre Grenzen.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auch bei hohen Sweepzeiten anwenden zu können, ist in 6 eine alternative Lösung aufgezeigt. Das phasenselektive gleichgerichtete Signal wird in seine positiven und in seine negativen Signalanteile separiert. Anschließend werden die beiden Signalanteile addiert. Da die Maxima des positiven Signalanteils und des negativen Signalanteils gegeneinander verschoben sind, werden zunächst die Hüllkurven der beiden Signalanteile bestimmt und anschließend summiert, d. h. es wird eigentlich eine Differenzbildung durchgeführt. Die Bestimmung der Hüllkurven erfolgt mittels eines analogen oder digitalen Hüllkurvendetektors. Das resultierende Additionssignal/Differenzsignal besitzt sein Maximum bei der jeweils eingestellten, vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sende- und dem Empfangssignal. Vorzugsweise beträgt die Phasenverschiebung 90°.

1: Verstärker
2: Multiplizierer
3: digitaler Frequenzgenerator
4: Phasenschieber
5: erster Tiefpass
6: Verstärker
7: zweiter Tiefpass
8: Komparator
9: Mikrocontroller
10: Regel-/Auswerteeinheit
11: Phasenselektiver Gleichrichter
E: Empfangseinheit
S: Sendeeinheit

Claims

Verfahren zur Bestimmung oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes, der Phasengrenze oder der Dichte eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht wird, wobei die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs (Sweep) innerhalb eines vorbestimmbaren Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen angeregt wird, wobei die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen empfangen werden, wobei über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal aufweist, und wobei die Sende-/Empfangseinheit (SIE) die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt oder wobei der nachfolgende Frequenzsuchlauf gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei für den Fall, dass die schwingfähige Einheit außerhalb der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal schwingt, ein erneuter Frequenzsuchlauf gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Amplituden der an der Sende-/Empfangseinheit (SIE) empfangenen Empfangssignale ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Auswertung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal über eine phasenselektive Gleichrichtung erfolgt, welche eine Phasen- und amplitudenproportionale Gleichspannung erzeugt und wobei die Empfangssignale des phasenselektiven Gleichrichters (11) durch das Empfangssignal der Sende-/Empfangseinheit (SIE) und einem aus der Sendeeinheit abgeleiteten Signal gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei während eines Frequenzsuchlaufs der Frequenzbereich im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit überfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei anhand von zwei im wesentlichen symmetrisch zur Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal liegenden Frequenzen, bei denen ein vorgegebener Schwellwert der Amplitude der Empfangssignale oder der phasenproportionalen Gleichspannung erreicht bzw. überschritten werden, die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–4, wobei das von einem phasenselektiven Gleichrichter (11) erzeugte phasenselektive Signal in einen positiven Signalanteil und in einen negativen Signalanteil zerlegt wird, wobei die Hüllkurve des positiven Signalanteils und die Hüllkurve des negativen Signalanteils gebildet werden, wobei die beiden Hüllkurven addiert werden und wobei anhand des Additionssignals die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung eines vorbestimmten Füllstandes oder einer Phasengrenze eines Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist, wobei eine Sende-/Empfangseinheit (SIE) vorgesehen ist, die die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs innerhalb eines vorbestimmbaren Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen anregt und die die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (10) vorgesehen ist, die die Erregerfrequenz ermittelt, bei der die schwingfähige Einheit bei einer Schwingfrequenz mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal schwingt und wobei die Sende-/Empfangseinheit (SIE) die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal zu Schwingungen anregt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) so ausgestaltet ist, dass sie während des Frequenzsuchlaufs die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal über die Auswertung der Phase zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal oder der Amplitude des Empfangssignals ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Regel-/Auswerteeinheit mit einem phasenselektiver Gleichrichter (11) vorgesehen ist, der eine phasenselektive Gleichspannung erzeugt, wobei dem phasenselektiven Gleichrichter (11) ein Tiefpassfilter (7) und ein Komparator (8) nachgeschaltet sind, und wobei ein Mikrocontroller (9) vorgesehen ist, der anhand von zwei symmetrisch zur Resonanzfrequenz liegenden Frequenzen, bei denen der vorgegebene Schwellwert (S1, S2) der Amplitude der Empfangssignale oder der phasenproportionalen Gleichspannung des phasenselektiven Gleichrichters (11) erreicht bzw. überschritten werden, die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die ein phasenselektives gleichgerichtetes Signal erzeugt, die das phasenselektives Signal in einen positiven Signalanteil und in einen negativen Signalanteil zerlegt, die die Hüllkurve des positiven Signalanteils und die Hüllkurve des negativen Signalsanteils bestimmt und addiert, und die anhand des Additionssignals die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9–11, wobei der phasenempfindliche Gleichrichter (11) aus einem Multiplizierer (2), einer Erzeugereinheit (3) für ein Referenzsignal, dessen Taktfrequenz über den Mikrocontroller (9) einstellbar ist, einem über den Mikrocontroller (9) steuerbaren Phasenschieber (4) und einem Tiefpass (5) besteht, wobei der Multiplizierer (2) das Referenzsignal der Erzeugereinheit (3), das jeweils die von dem Mikrocontroller (9) vorgegebene Taktfrequenz aufweist, mit dem Empfangssignal multipliziert, wobei der Phasenschieber (4) die Phasenlage von Referenzsignal und Empfangssignal anpasst, und wobei am Ausgang des ersten Tiefpasses (7), der dem Multiplizierer (2) nachgeschaltet ist, die phasenproportionale Gleichspannung abgreifbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13, wobei dem Tiefpass (7) ein Komparator (8) nachgeschaltet ist, der als Schwellwertdetektor dient und dessen Ausgangssignale an den Mikrocontroller (9) weitergeleitet werden, wobei der Mikrocontroller (9) anhand einer Mittelwertbildung über einen während des Frequenzsuchlaufs (Sweep) ermittelten ersten Schwellwert (S1) und zweiten Schwellwert (S2) die aktuelle Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei dem Phasenschieber (4) ein zweiter Tiefpass (5) nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein sinusförmiges Signal ansteht, mit dem die Sende-/Empfangseinheit (SIE) die schwingfähige Einheit zu Schwingungen auf der aktuellen Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal anregt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9–15, wobei die Regel-/Auswerteeinheit als digitale Schaltung, insbesondere als digitaler Signalprozessor DSP, als FPGA oder PSoC ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit mit vorgegebener Phase um die Schwingfrequenz des Grundmodes oder um die Schwingfrequenz eines höheren Modes bei der vorgegebenen Phasenverschiebung handelt.