DE102016124365A1

DE102016124365A1 - Vibronischer Sensor mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102016124365A1
Application number: DE102016124365.5A
Authority: DE
Inventors: Sergey Lopatin; Jörn Lange; Thomas Vogt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018108401A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte (ρ) und/oder der Viskosität (v) eines Mediums (3) in einem Behältnis (2) mittels eines vibronischen Sensors (1) sowie einen entsprechenden Sensor (1). Eine schwingfähige Einheit (4) wird mittels eines elektrischen Anregesignals (U) zu mechanischen Schwingungen angeregt, und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (U) umgewandelt. Dabei wird das Anregesignal (U) ausgehend vom Empfangssignal (U) derart erzeugt, dass zumindest eine vorgebbare Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Anregesignal (U) und dem Empfangssignal (U) vorliegt, wobei aus dem Empfangssignal (U) bei Vorliegen der vorgebbaren Phasenverschiebung (Δφ) eine Frequenz (f) des Anregesignals (U) bestimmt wird. Ferner wird/werden aus dem Empfangssignal (U) bei Vorliegen der vorgebbaren Phasenverschiebung (Δφ) eine Dämpfung (D) Dämpfung und/oder eine von der Dämpfung (D) abhängigen Größe bestimmt, und zumindest aus der Dämpfung (D) und/oder der von der Dämpfung (D) abhängigen Größe, und aus der Frequenz (f) des Anregesignals (U) die Dichte (ρ) und/oder die Viskosität (v) des Mediums ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine mechanisch schwingfähige Einheit. Es handelt sich also um einen sogenannten vibronischen Sensor.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.
Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein.
Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden. Prinzipiell kann die Einstellung der Phasenverschiebung beispielsweise durch Verwendung eines geeigneten Filters vorgenommen werden, oder auch mittels eines Regelkreises auf eine vorgebbare Phasenverschiebung, den Sollwert, geregelt werden. Aus der DE102006034105A1 ist beispielsweise bekannt geworden, einen einstellbaren Phasenschieber zu verwenden. Die zusätzliche Integration eines Verstärkers mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur zusätzlichen Regelung der Schwingungsamplitude wurde dagegen in der DE102007013557A1 beschrieben. Die DE102005015547A1 schlägt die Verwendung eines Allpass-Filters vor. Die Einstellung der Phasenverschiebung ist außerdem mittels eines sogenannten Frequenzsuchlaufs möglich, wie beispielsweise in der der DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , und DE102010030982A1 offenbart. Die Phasenverschiebung kann aber auch mittels einer Phasenregelschleife (engl. Phase-Locked-Loop, PLL) auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden. Ein hierauf basierendes Anregungsverfahren ist Gegenstand der DE00102010030982A1 .
Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstand eines Mediums in einem Behälter, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums oder der Durchfluss eines Mediums durch ein Rohr. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist.
Wie beispielweise in der DE10050299A1 beschrieben, kann die Viskosität eines Mediums mittels eines vibronischen Sensors anhand der Frequenz-Phase-Kurve (Φ=g(ω)) bestimmt werden. Dieses Vorgehen basiert auf der Abhängigkeit der Dämpfung der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums. Dabei gilt, dass je geringer die Viskosität ist, desto steiler fällt die Frequenz-Phase-Kurve ab. Um den Einfluss der Dichte auf die Messung zu eliminieren, wird die Viskosität anhand einer durch zwei unterschiedliche Werte für die Phase verursachten Frequenzänderung bestimmt, also mittels einer Relativmessung. Dazu können entweder zwei unterschiedliche Phasenwerte eingestellt und die zugehörige Frequenzänderung bestimmt werden, oder es wird ein vorgegebenes Frequenzband durchfahren und festgestellt, wenn zumindest zwei vorgegebene Phasenwerte erreicht werden.
Aus der DE102007043811A1 ist darüber hinaus bekannt geworden, aus einer Änderung der Eigenfrequenz und/oder Resonanzfrequenz und/oder der Phasenlage auf eine Änderung der Viskosität zu schließen und/oder aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der schwingfähigen Einheit von der Viskosität des jeweiligen Mediums die Viskosität zu bestimmen. Auch bei diesem Vorgehen muss die Abhängigkeit der Bestimmung der Viskosität von der Dichte des Mediums berücksichtigt werden.
Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums sind aus der DE10057974A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt geworden, mittels welcher/welchem der Einfluss von zumindest einer Störgröße, beispielswese der Viskosität, auf die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit zu ermitteln und entsprechend zu kompensieren. In der DE102006033819A1 ist ferner beschrieben, eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal einzustellen, bei welcher Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vernachlässigbar sind. Dabei wird die Dichte im Wesentlichen nach der Formel $ρ_{M e d} = \frac{1}{S} [(\frac{F_{0, V a k} + C \cdot t + A \cdot t^{2}}{F_{t, p, M e d}}) \cdot (1 + D \cdot p) - 1]$
Bestimmt, wobei S die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, F_0,vakdie Frequenz der mechanischen Schwingungen im Vakuum bei 0°C, C und A den linearen, bzw. quadratischen Temperaturkoeffizienten der Schwingfrequenz F_0,vak der mechanisch schwingfähigen Einheit, t die Prozesstemperatur, F_T,P,med die Schwingfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit im Medium, D den Druckkoeffizienten, und p der Druck des Mediums.
Um unabhängig von empirischen Annahmen zu sein, ist aus der DE102015102834A1 ein analytisches Messprinzip zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität mittels eines vibronischen Sensor bekannt geworden, die Interaktionen zwischen der schwingfähigen Einheit und dem Medium anhand eines mathematischen Modells berücksichtigt. Der Sensor wird bei zwei oder mehreren verschiedenen vorgebbaren Phasenverschiebungen betrieben und aus dem jeweiligen Antwortsignal die Prozessgrößen Dichte und/oder Viskosität ermittelt.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich eines vibronischen Sensors zu erweitern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 13.
Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Mediums mittels einer Vorrichtung umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit,

wobei die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird,
wobei die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt werden,
wobei aus dem elektrischen Empfangssignal eine Frequenz des Empfangssignals bestimmt wird, und
wobei anhand der Frequenz des Empfangssignals der Füllstand bestimmt wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht um eine Möglichkeit zur Grenzstandüberwachung, sondern um ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter. Bei der schwingfähigen Einheit handelt es sich bevorzugt um einen Einstab oder um eine Schwinggabel. Der Füllstand kann dann zumindest entlang eines vorgebbaren Teilbereichs einer Längsachse der schwingfähigen Einheit kontinuierlich ermittelt werden, da die Frequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit von einer Eintauchtiefe der mechanisch schwingfähigen Einheit in das Medium, also vom Füllstand, abhängt. Im Falle einer Schwinggabel sind beispielsweise häufig an eine Membran zwei Schwingstäbe angeformt, an welche endseitig wiederum jeweils ein Paddel angeformt ist. Für die Paddel wird häufig eine geometrische Form eines dünnen Quaders gewählt. Im Falle des von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT hergestellten und vertriebenen Sensors betragen die geometrischen Dimensionen der Paddel beispielsweise für die Länge L=40mm, für die Breite B=17mm und für die Dicke D=1,4mm.
Jedoch sind auch andere Geometrien für die Paddel denkbar, welche hinsichtlich des Messverhaltens des jeweiligen Sensors unterschiedliche Vorteile aufweisen, wie beispielsweise in den Dokumenten WO02/079733A1 und DE 10204115693A1 beschrieben. Es sei darauf verwiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren für beliebige Geometrien der schwingfähigen Einheit, im Falle einer Schwinggabel insbesondere für beliebige Geometrien der Paddel, verwendet werden kann. Insbesondere kann vorteilhaft die Länge der Paddel, bzw. die Länge der schwingfähigen Einheit auf eine bestimmte Anwendung, beispielsweise die Höhe einer Behälters oder der Durchmesser eines Rohres, in welchem der Sensor eingesetzt wird, angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft für den Einsatz in Behältnissen mit geringer Höhenausdehnung, insbesondere Behältnissen mit Höhen kleiner 300mm. Solche Behältnisse werden beispielsweise für sogenannte Micro-Anlagen, in welchen angedachte Prozesse vor dem Bau einer neuen Prozessanlage getestet werden können, verwendet. Eine weitere Anwendung sind Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen, mit einem Ölbehälter, dessen Füllstand während des Betriebs der Pumpe fortlaufend überwacht werden muss. Viele andere übliche Messprinzipien zur Erfassung eines kontinuierlichen Füllstands, wie beispielsweise auf dem kapazitiven oder konduktiven Messverfahren, oder auch Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte eignen sich für solche Behältnisse weniger, weil von Fall zu Fall mit abnehmender Behältergröße der zu erwartende Messfehler ansteigt, oder grundsätzlich eine Vor-Ort-Kalibrierung des jeweiligen Sensors auf das das jeweilige Medium notwendig ist, was wiederum vergleichsweise aufwendig ist. Im Falle von Mikrowellen- und Ultraschall-Füllstandsmessgeräten gilt es beispielsweise, eine sogenannte Blockdistanz bzw. einen sogenannten Nahfeldbereich zu berücksichtigen. Bei einem kapazitiven Füllstandsmessgerät dagegen kann es im Falle von kleinen Messbereichen Δh entlang der Längsachse L des Behältnisses insbesondere im Falle geringer Unterschiede der Dielektrizitätskonstanten zu Schwierigkeiten kommen.
Mittels einer Schwinggabel entsprechend dem weiter oben beschriebenen LIQUIPHANTEN oder SOLIPHANTEN lässt sich je nach Ausgestaltung und Dimensionierung der jeweiligen schwingfähigen Einheit über einen Bereich von bis zu etwa 150mm kontinuierlich der Füllstand bestimmen. Im Falle, dass ein größerer Messbereich erwünscht ist, kann eine schwingfähige Einheit mit entsprechender Länge ausgewählt werden. Für eine Schwinggabel kann beispielswiese die Paddellänge auf die gewünschte Anwendung angepasst werden. Erfindungsgemäß wird also typischerweise ein bestimmter Bereich entlang der Höhe des Behälters (typische Behälter im industriellen Umfeld weisen üblicherweise Höhen von bis zur 3000mm auf) ausgewählt, für welchen eine kontinuierliche Füllstandsbestimmung von Bedeutung ist. Eine kontinuierliche Füllstandsüberwachung findet dann nur in dem Messbereich, welcher einem Teilbereich entlang der Längsachse des Behälters entspricht, statt.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ein vorgegebener Füllstand bestimmt wird, wobei das Erreichen des vorgebbaren Füllstands signalisiert und/oder ausgegeben wird. Es wird also nicht nur eine kontinuierliche Bestimmung des Füllstands durchgeführt, sondern zusätzlich das Erreichen eines bestimmten Grenzstandes in dem Behälter angezeigt. Bei dem Grenzstand handelt es sich insbesondere um einen Maximalwert oder um einen Minimalwert für den Füllstand. Es kann anhand dieser Ausgestaltung also beispielsweise eine zusätzliche Funktionalität hinsichtlich einer Überlauf- oder Leerlaufsicherung bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Füllstand anhand einer mathematischen Vorschrift und/oder anhand einer Referenzkurve bestimmt.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die mathematische Vorschrift und/oder die Referenzkurve eine Abhängigkeit zwischen einer Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit in das Medium oder einem Füllstand des Mediums und der Frequenz des Empfangssignals, bzw. der Schwingungsfrequenz der schwingfähigen Einheit, angibt.
Ferner ist es von Vorteil, wenn es sich bei der mathematischen Vorschrift um eine Polynomfunktion handelt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Dichte, die Temperatur, und/oder die Viskosität des Mediums, und/oder eine von zumindest der Dichte, Temperatur, und/oder Viskosität des Mediums abhängige Größe bestimmt wird/werden. Vorteilhaft wird/werden die Dichte, die Temperatur und/oder die Viskosität des Mediums, und/oder eine von zumindest der Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Mediums abhängige Größe dann auch für die Bestimmung des Füllstands berücksichtigt.
Die Frequenz des Empfangssignals bzw. die Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit, ist grundsätzlich auch von der Temperatur, insbesondere der Temperatur des Mediums, der Dichte und der Viskosität des Mediums abhängig. Eine Kompensation des Einflusses zumindest einer dieser Größen erhöht also die Messgenauigkeit bei der Füllstandsbestimmung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich. Zur Bestimmung der Temperatur, Dichte, und/oder Viskosität sind nun verschiedene Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen: Einerseits können die Temperatur, Dichte und/oder Viskosität anhand zumindest eines weiteren geeigneten Messgeräts am Ort der Messstelle ermittelt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Temperatur, Dichte und/oder Viskosität des Mediums in einer bestimmten Anwendung von vornherein bekannt sind. In diesem Falle können diese Größen direkt angegeben und ebenfalls bei der Bestimmung des Füllstands direkt berücksichtigt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Berücksichtigung der Dichte, der Temperatur und/oder der Viskosität, des Mediums, und/oder einer von zumindest der Dichte, Temperatur und/oder Viskosität des Mediums abhängigen Größe zumindest eine Änderung der mathematischen Vorschrift und/oder der Referenzkurve vorgenommen.
Bei der Referenzkurve handelt es sich insbesondere um eine Kurve, welche die Änderung der Frequenz des Empfangssignals, bzw. die Änderung der Schwingungsfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit, in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe der mechanisch schwingfähigen Einheit in das Medium angibt. Eine solche Referenzkurve wird üblicherweise unter vorgebbaren Standardbedingungen erstellt. Beispielsweise wird als Medium häufig Wasser bei Raumtemperatur (T≈20°C) eingesetzt. Für andere Medien mit unterschiedlicher Dichte und/oder Viskosität, oder für Anwendungen bei anderen Temperaturen kann die Kurve geeignet angepasst werden. Dies kann einerseits graphisch erfolgen. Andererseits kann eine dem Verlauf der Referenzkurve entsprechende mathematische Vorschrift, z. B. in Form einer Zuordnungs- oder Funktionsvorschrift, insbesondere in Form einer Polynomfunktion, für die Referenzkurve ermittelt und entsprechend auf das jeweils verwendeten Mediums angepasst werden.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn zumindest ein Korrekturfaktor ermittelt wird. Bei der Bestimmung eines Korrekturfaktors handelt es sich um eine besonders einfache Art der Anpassung der Referenzkurve an die jeweiligen Prozessbedingungen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass ein erster und ein zweiter Grenzwert für den Füllstand des Mediums bestimmt werden, welcher erster und zweiter Grenzwert einer minimalen bzw. einer maximalen Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit entsprechen, und wobei der Füllstand des Mediums zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert kontinuierlich bestimmt wird. So können bestimmte Bereiche entlang der Längsachse der schwingfähigen Einheit ausgewählt werden, entlang welcher beispielsweise eine besonders hohe Empfindlichkeit der Frequenzänderung des Empfangssignals in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe vorliegt. Alternativ kann es sein, dass eine Füllstandsbestimmung seitens der Anwendung nur in einem bestimmten Teilabschnitt entlang der Längsachse der schwingfähigen Einheit von Bedeutung ist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass eine Zustandsüberwachung durchgeführt wird. Hier sind mehrere Anwendungen und Möglichkeiten denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
Im Falle, dass zusätzlich zu einer kontinuierlichen Füllstandsbestimmung ein vorgegebener Füllstand überwacht wird, kann beispielsweise ein Überlauf- oder Leerlaufschutz realisiert werden. Anhand der kontinuierlichen Füllstandsbestimmung kann vorteilhaft ferner der zeitliche Verlauf des Füllstands in dem Behältnis angegeben werden. Auf diese Weise kann beispielsweise auch auf den Verlust von Medium hingewiesen werden. Dies ist insbesondere für Öl basierte Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen interessant. Die Ausgestaltung erlaubt also vorteilhaft eine vorausschauende Wartung (predictive maintenance).
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass das Erreichen des vorgegebenen Füllstands des Mediums in einem Behältnis überwacht wird, wobei in Abhängigkeit des jeweils aktuellen Füllstands ein Signal generiert wird, mittels welchem eine Rate für einen Füllvorgang und/oder Entleerungsvorgang des Behälters geregelt und/oder gesteuert wird. Soll beispielsweise ein Behälter bis zu einem bestimmten vorgebbaren Füllstand gefüllt werden, so kann um den vorgebbaren Füllstand herum ein Intervall definiert werden, innerhalb welchen Intervalls eine kontinuierliche Füllstandsbestimmung durchgeführt wird. Anhand des zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils aktuell vorliegenden Füllstands kann dann beispielsweise ein Steuer- oder Regelsignal generiert werden, mittels welcher die Einfüllrate des Mediums in den Behälter geregelt bzw. gesteuert wird. Anhand der Informationen des jeweils aktuell vorliegenden Füllstands kann also eine Zufluss- oder Abflussrate des Mediums in den Behälter zeitlich variiert werden. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass ein vorgegebener Wert für den Füllstand sehr genau erreicht werden kann, bzw. es kann verhindert werden, dass der vorgegebene Füllstand geringfügig überschritten wird. Analoge Überlegungen gelten für einen Entleerungsvorgang des Behälters bis zu einem unteren vorgebbaren Grenzwert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und eine Elektronikeinheit, welche Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Ausführungsformen mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar sind
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 4 näher beschrieben. Es zeigt:

1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
2: eine schematische Zeichnung einer Schwinggabel, und
3 eine Referenzkurve für die Abhängigkeit der Frequenz der Schwingungen einer Schwinggabel in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe der Schwinggabel in Wasser bei Raumtemperatur, und
4 illustriert die Abhängigkeit der Eintauchtiefe von der Dichte des Mediums.

In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 3 umfassend eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel gezeigt, welche teilweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 2a befindet. Die schwingfähige Einheit wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors unter die Erfindung fallen. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 6 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
In 2 ist eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, wie sie beispielsweise im von der Anmelderin unter dem Namen LIQUIPHANT vertriebenen vibronischen Sensor 1 integriert wird, in einer Seitenansicht gezeigt. Die Schwinggabel 4 umfasst zwei an eine Membran 7 angeformte Schwingstäbe 8a,8b, an welche endseitig zwei Paddel 9a,9b angeformt sind [in der Seitenansicht in 2 ist nur ein Schwinstab 8a mit einem Paddel 9a sichtbar]. Die Schwingstäbe 8a,8b zusammen mit den Paddeln 9a,9b werden häufig auch als Gabelzinken bezeichnet. Um die mechanisch schwingfähige Einheit 4 in mechanische Schwingungen zu versetzen, wird mittels einer auf der den Schwingstäben 7a,7b abgewandten Seite der Membran 8 stoffschlüssig angebrachten Antriebs-/Empfangseinheit 5 eine Kraft auf die Membran 8 aufgeprägt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist eine elektromechanische Wandlereinheit, und umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Element, oder auch einen elektromagnetischen Antrieb [nicht gezeigt]. Entweder sind die Antriebseinheit 5 und die Empfangseinheit als zwei separate Einheiten aufgebaut, oder als kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Im Falle, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ein piezoelektrisches Element 9 umfasst, wird die der Membran 7 aufgeprägte Kraft über das Anlegen eines Anregesignals U_A , beispielweise in Form einer elektrischen Wechselspannung, generiert. Eine Änderung der angelegten elektrischen Spannung bewirkt eine Änderung der geometrischen Form der Antriebs-/Empfangseinheit 5, also eine Kontraktion bzw. eine Relaxation innerhalb des piezoelektrischen Elements derart, dass das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal U_A zu einer Schwingung der stoffschlüssig mit der Antriebs-/Empfangseinheit 5 verbundenen Membran 7 hervorruft.
Die Schwingungsfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 ist abhängig von der Eintauchtiefe h in das jeweilige Medium h. Diese Abhängigkeit wird zur Bestimmung des jeweiligen Füllstands ausgenutzt. Im Prinzip kann beispielsweise im Falle einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel eine Füllstandsbestimmung über die gesamte Länge L der Paddel 9a,9b vorgenommen werden. Es ist jedoch in vielen Fällen zweckdienlich, für die Füllstandsbestimmung einen bestimmten Teilbereich entlang der Längsachse ΔL der Paddel 9a,9b zu definieren, für welchen Teilbereich die Empfindlichkeit besonders hoch ist. Das Kriterium für die Auswahl eines solchen Teilbereichs ΔL kann am besten anhand der Referenzkurve R_std(h) in 3 erläutert werden.
In 3 ist die Änderung Δf der Schwingungsfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4 mit einer Paddellänge L von 84mm in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit in Wasser bei einer Temperatur von 22°C gezeigt. Die Dichte von Wasser beträgt ρ_H2O≈1,0 g/cm³.
Wie anhand des Kurvenverlaufs dieser Referenzkurve R_std(h) leicht erkennbar ist, erfährt die schwingfähige Einheit die größte Frequenzänderung pro Millimeter Eintauchtiefe Δf/h im Bereich zwischen h=0mm und h=60mm, also für eine Eintauchtiefe h von bis zu h≈60mm. In diesem Intervall ist eine Füllstandsbestimmung mit einer Genauigkeit von etwa +/-0,5mm möglich. Für Eintauchtiefen h>60mm ist die prozentuale Änderung der Schwingungsfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4 so gering, dass die Messgenauigkeit bei der Füllstandsbestimmung deutlich abnimmt.
Die Referenzkurve R_std(h) für die Frequenzänderung Δf in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe h lässt sich grundsätzlich durch eine mathematische Vorschrift in Form einer Polynomfunktion, beispielsweise einer Polynomfunktion 5. Grades beschreiben: $R_{s t d} (h) = \frac{Δ f}{f_{0}} (h) = A h^{5} + B h^{4} + C h^{3} + D h^{2} + E h + F$
Dabei ist $\frac{Δ f}{f_{0}}$
die Frequenzänderung Δf der Schwingungsfrequenz f bezogen auf die Resonanzfrequenz f₀ der schwingfähigen Einheit 4 im Vakuum, und A,B,C,D,E und F sind Parameter, welche beispielsweise numerisch bestimmt werden können.
Zur Berücksichtigung des Einflusses der Dichte ρ für eine bestimmte Anwendung in einem Medium 2 mit der Dichte ρ_M , kann beispielsweise ein Korrekturfaktor K berechnet werden, derart dass für die Referenzkurve R_M(h) in dem jeweiligen Medium gilt $R_{M} (h) = \frac{Δ f}{f_{0}} (h) = K (A h^{5} + B h^{4} + C h^{3} + D h^{2} + E h + F)$
wobei $K = (\frac{1}{\sqrt{1 + S_{ρ_{M}}}} - 1) / (\frac{1}{\sqrt{1 + S_{ρ_{0}}}} - 1)$
und wobei S die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit 4, ρ_Mdie Dichte des Mediums und ρ₀ die Dichte eines Referenzmediums ist.
Zur weiteren Erläuterung des Einflusses der Dichte ρ_M auf den jeweiligen Verlauf der Referenzkurve R_M(h) für die Frequenzänderung Δf in Abhängigkeit der Eintauchtiefe h der schwingfähigen Einheit 4 in ein Medium 2 sind in 4 drei Referenzkurven R_m(h) für drei verschiedene Medien unterschiedlicher Dichte ρ_M gezeigt.
Der Einfluss der Temperatur T und/oder Viskosität η lässt sich analog zur Berücksichtigung des Einflusses der Dichte kompensieren. Auf die entsprechenden Vorschriften wird daher an dieser Stelle nicht erneut detailliert eingegangen. Es sei darauf verwiesen, dass je nach verwendetem Medium 2 anstelle der Viskosität η gegebenenfalls die Viskoelastizität zu berücksichtigen ist, welche für Materialien mit teilweise elastischem und teilweise viskosem Verhalten relevant ist, beispielsweise im Falle von Nichtnewtonschen Fluiden. Die Berücksichtigung der Viskoelastizität anstelle der Viskosität fällt ebenfalls unter die vorliegende Erfindung.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren ist es beispielsweise denkbar, dass im Zuge der Produktion des jeweiligen Sensors eine Referenzkurve R(h) bei vorgebbaren Standardbedingungen, beispielsweise Wasser bei Raumtemperatur, erstellt und in einer Elektronikeinheit 6 des jeweiligen Sensors 1 abgelegt wird.
Alternativ kann die Referenzkurve R_std(h) auch in Form einer mathematischen Vorschrift abgelegt werden. Für eine konkrete Anwendung, bzw. für einen konkreten Einsatz in einem bestimmten Medium kann die Referenzkurve R_std(h) geeignet auf das jeweilige Medium angepasst werden R_m(h), beispielsweise durch Ermittlung eines geeigneten Korrekturfaktors K.
Bezugszeichenliste

1: Vibronischer Sensor
2: Medium
2a: Behälter
3: Sensoreinheit
4: Schwingfähige Einheit
5: Elektromechanische Wandlereinheit
6: Elektronikeinheit
7: Membran
8a,8b: Schwingstäbe
9a,9b: Paddel
U_A: Anregesignal
U_E: Empfangssignal
ΔΦ: vorgebbare Phasenverschiebung
ρ_M: Dichte des Mediums
η_M: Viskosität des Mediums
T: Temperatur des Mediums
h: Eintauchtiefe
L: Länge der Paddel, bzw. Längsachse der schwingfähigen Einheit
ΔL: Teilbereich entlang der Längsachse der Paddel
Δf: Frequenzänderung
R_std(h): Referenzkurve unter Standardbedinungen
R_m(h): Referenzkurve für ein bestimmtes Medium
A-F: Parameter
K: Korrekturfaktor
k₁,k₂: Parameter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006034105 A1 [0005]
DE 102007013557 A1 [0005]
DE 102005015547 A1 [0005]
DE 102009026685 A1 [0005]
DE 102009028022 A1 [0005]
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DE 00102010030982 A1 [0005]
DE 10050299 A1 [0007]
DE 102007043811 A1 [0008]
DE 10057974 A1 [0009]
DE 102006033819 A1 [0009]
DE 102015102834 A1 [0011]
WO 02/079733 A1 [0016]
DE 10204115693 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Mediums (2) mittels einer Vorrichtung (1) umfassend eine Sensoreinheit (3) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (3), wobei die schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (U_A) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (U_E) umgewandelt werden, wobei aus dem elektrischen Empfangssignal (U_E) eine Frequenz (f) des Empfangssignals (U_E) bestimmt wird, und wobei anhand der Frequenz (f) des Empfangssignals (U_E) der Füllstand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein vorgegebener Füllstand bestimmt wird, und wobei das Erreichen des vorgebbaren Füllstands signalisiert und/oder ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Füllstand anhand einer mathematischen Vorschrift und/oder anhand einer Referenzkurve (R_std(h), R_M(h)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die mathematische Vorschrift und/oder die Referenzkurve (R_std(h), R_M(h)) eine Abhängigkeit zwischen einer Eintauchtiefe (h) der schwingfähigen Einheit (4) in das Medium (2) oder einem Füllstand des Mediums (2) und der Frequenz (f) des Empfangssignals (U_E) angibt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei es sich bei der mathematischen Vorschrift (R_std(h), R_M(h)) um eine Polynomfunktion handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2), und/oder eine von zumindest der Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2) abhängige Größe bestimmt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2), und/oder eine von zumindest der Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2) abhängige Größe für die Bestimmung des Füllstands berücksichtigt wird/werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Berücksichtigung der Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2), und/oder eine von zumindest der Dichte (p), die Temperatur (T) und/oder die Viskosität (η) des Mediums (2) abhängigen Größe zumindest eine Änderung der mathematischen Vorschrift und/oder der Referenzkurve (R_std(h), R_M(h)) vorgenommen wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 8, wobei zumindest ein Korrekturfaktor (K) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster und ein zweiter Grenzwert für den Füllstand des Mediums (2) bestimmt werden, welcher erster und zweiter Grenzwert einer minimalen bzw. einer maximalen Eintauchtiefe (h) der schwingfähigen Einheit (4) entsprechen, und wobei der Füllstand des Mediums (2) zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert kontinuierlich bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zustandsüberwachung durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erreichen des vorgegebenen Füllstands des Mediums (2) in einem Behältnis (2a) überwacht wird, wobei in Abhängigkeit des jeweils aktuellen Füllstands ein Signal generiert wird, mittels welchem eine Rate für einen Füllvorgang und/oder Entleerungsvorgang des Behälters (2a) geregelt und/oder gesteuert wird.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Mediums (2) umfassend eine Sensoreinheit (3) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), und eine Elektronikeinheit (6), welche Elektronikeinheit (6) dazu ausgestaltet ist, das Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.