DE102017102550A1

DE102017102550A1 - Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors

Info

Publication number: DE102017102550A1
Application number: DE102017102550.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vogt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-09
Also published as: WO2018145858A1; CN110268234A; EP3580532A1; US20200116545A1; CN110268234B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behältnis (2a), mit zumindest einer Sensoreinheit (3) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte:- Ermitteln eines Messwerts für zumindest eine für den vibronischen Sensor (1) charakteristische physikalische und/oder chemische Größe (f, f), während der Sensor (1) sich an/in seinem Einsatzort befindet,- Vergleichen des Messwerts der physikalischen und/oder chemischen Größe(f, f) mit einem Referenzwert für diese Größe (f, f), und- Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors, welcher zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer, insbesondere physikalischen oder chemischen, Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis dient. Der vibronische Sensor umfasst eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit.
Die zu überwachende Prozessgröße kann beispielsweise gegeben sein durch den Füllstand eines Mediums in einem Behälter oder den Durchfluss eines Mediums durch ein Rohr, aber auch durch die Dichte, die Viskosität, den ph-Wert, den Druck, die Leitfähigkeit oder die Temperatur. Auch optische Sensoren, wie Trübungs- oder Absorptionssensoren sind bekannt. Die verschiedenen zugrundeliegenden Messprinzipien sowie die grundsätzlichen Aufbauten und/oder Anordnungen sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und vertrieben
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,vak die 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.
Um das zuverlässige Arbeiten eines vibronischen Sensor zu gewährleisten, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt geworden, mittels welcher Aussagen über den Zustand des vibronischen Sensors getroffen werden können. Aus der DE102005 ist beispielsweise eine Möglichkeit zur Überwachung zur Überwachung der Qualität eines vibronischen Sensors bekannt geworden. Eine Messvorrichtung umfasst mindestens eine Leistungsmesseinheit, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit zumindest für den Fall von Resonanzschwingungen überwacht. Hierdurch lässt sich eine Aussage über die Güte des vibronischen Sensors machen. Je höher die Güte, desto weniger Energie wird zur Anregung von Resonanzschwingungen benötigt. Steigt also der Energiebedarf zur Anregung von Resonanzschwingungen während eines vorgebbaren Zeitraums an, oder überseigt die während der Fertigung des Sensors ermittelte Güte einen vorgebbaren Grenzwert, so kann auf einen Defekt, das Vorliegen von Ansatz im Bereich der schwingfähigen Einheit oder ähnliches geschlossen werden.
Aus der DE102007008669A1 ist wiederum ein vibronischer Sensor mit einer Elektronikeinheit bekannt geworden, der eine Phasenmesseinheit, einen einstellbaren Phasenschieber und eine Phaseneinstelleinheit, welche die Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal regelt, umfasst. Steuerparameter können über die Betriebsdauer des Sensors in vorgebbaren Zeitabständen aktualisiert und hinterlegt werden. Ferner kann anhand eines Vergleichs zwischen hinterlegten Steuerparametern und aktuellen Steuerdaten eine Zustandsüberwachung vorgenommen werden.
Die beschriebenen Lösungen sind stets für einen speziellen Fall und spezielle Aussagen angepasst. Es sind entweder separate Messgeräte zur Zustandsüberwachung erforderlich, oder aber eine speziell angepasste Elektronikeinheit. Wünschenswert wäre eine universelle Überwachungsfunktion zur Überprüfung eines vibronischen Sensors.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors anzugeben, welches möglich einfach durchzuführen und universell für verschiedene vibronische Sensoren eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis, mit zumindest einer Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, umfassend folgende Verfahrensschritte:

- Ermitteln eines Messwerts für zumindest eine für den vibronischen Sensor charakteristische physikalische und/oder chemische Größe, während der Sensor sich an/in seinem Einsatzort befindet,
- Vergleichen des Messwerts der physikalischen und/oder chemischen Größe mit einem Referenzwert für diese Größe, und
- Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich.

Der vibronische Sensor ist grundsätzlich durch verschiedene physikalische oder chemische Größen, insbesondere Kenngrößen charakterisiert. Beispiele hierfür sind die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit, oder auch die Amplitude der Schwingungen im Falle, dass der Sensor nicht mit einem Medium in Kontakt ist. Diese Größen können im eingebauten Zustand des Sensors während des fortlaufenden Betriebs ermittelt werden. Zusätzlich können für den jeweiligen Sensor Referenzwerte für jede der betrachteten charakteristischen physikalischen oder chemischen Größe angeben werden, die beispielsweise jeweils einem Sollwert entsprechen. Der Sollwert entspricht dem Wert, welchen die jeweilige physikalische oder chemische Größe annimmt, wenn der Sensor voll funktionsfähig ist.
Die Vornahme einer erfindungsgemäßen Zustandsüberwachung ist insbesondere vorteilhaft, weil zur Zustandsüberwachung der jeweilige Prozess, für welchen der Sensor eingesetzt wird, nicht unterbrochen werden muss. Die Zustandsüberwachung kann vielmehr jederzeit vorgenommen werden, ohne, dass der Sensor hierfür aus dem jeweiligen Prozess ausgebaut werden muss. Je nachdem, welche charakteristische Größe gerade betrachtet wird, können dazu beispielsweise jeweils die Zeitpunkte ausgewählt werden, zu denen der Sensor gerade sicher nicht in Kontakt mit dem jeweiligen Messmedium steht.
Weiterhin kann auch der zeitliche Verlauf der jeweils gemessenen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größe aufgezeichnet werden. Anhand des zeitlichen Verlaufs lässt sich dann nicht nur eine punktuelle Zustandsüberwachung durchführen. Vielmehr lassen sich zeitliche Entwicklungen beobachten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner vorteilhaft die Durchführung einer vorausschauenden Wartung (engl. predictive maintenance). Anhand eines jeweils bestimmten Messwerts für die charakteristische Größe kann beispielsweise abgeschätzt werden, wann eine Wartung des Sensors erforderlich ist.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Abweichung zwischen dem Messwert und dem Referenzwert bestimmt, und der Zustandsindikator anhand der Abweichung ermittelt. Beispielsweise kann eine Aussage über den Zustand des Sensors generiert werden, wenn die Abweichung zwischen dem Messwert und Referenzwert einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem zumindest einen Referenzwert um einen Wert, insbesondere einen Messwert, der physikalischen und/oder chemischen Größe entsprechend dem Auslieferungszustands des Sensors. Während der Fertigung des Sensors werden verschiedene für den jeweiligen Sensor charakteristische physikalische und/oder chemische Kenngrößen ermittelt, bzw. gemessen. Indem diese als Referenzwerte herangezogen werden, können sich aufgrund üblicher Fertigungstoleranzen ergebende Unterschiede in den jeweiligen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größen direkt berücksichtigt werden. Eine zeitliche Veränderung dieser Werte lässt dann eine Aussage über den Zustand des Sensors zu.
Es ist von Vorteil, wenn der zumindest eine Referenzwert und/oder der zumindest eine dazugehörige Messwert für die physikalische und/oder chemische Größe in einem Datenblatt abgelegt wird/werden. Die jeweiligen Referenzgrößen können dann beispielsweise zusammen mit dem Sensor an den jeweiligen Kunden ausgeliefert werden. Alternativ kann zu einem Sensor auch jederzeit das jeweilige Datenblatt angefordert werden, um eine Zustandsüberwachung durchzuführen. Das Datenblatt enthält vorzugsweise nicht nur die Referenzwerte, sondern ebenfalls Grenzwerte für die zulässigen Abweichungen der jeweiligen Messwerte von den Grenzwerten.
Werden ebenfalls die Messwerte für die jeweiligen physikalischen und/oder chemischen Größen aufgezeichnet, kann weiterhin der zeitliche Verlauf der charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größen, insbesondere über die gesamte Betriebsdauer des vibronischen Sensors, aufgezeichnet werden. Somit können auch sehr langsam eintretende Änderungen einer bestimmten physikalischen oder chemischen Größe zuverlässig detektiert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine Zustandsüberwachung bezüglich von Alterungseffekten des jeweiligen Sensors.
Das Datenblatt kann beispielsweise in Form einer Tabelle angelegt sein. Insbesondere kann das Datenblatt auch in Form einer computerlesbaren Datei angelegt sein.
Alternativ ist es ebenso von Vorteil, wenn der zumindest eine Referenzwert und/oder der zumindest eine dazugehörige Messwert für die physikalische und/oder chemische Größe in einer internetbasierten Datei oder Datenbank abgelegt wird/werden. Auf diese Weise muss der Referenzwert nicht mit dem jeweiligen Sensor ausgeliefert werden. Vielmehr kann der Referenzwert bei Bedarf abgerufen werden. Auch bezüglich der Messwerte für die jeweiligen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größen ist eine internetbasierte Speicherung vorteilhaft. Die jeweils gespeicherten Daten können ebenfalls werkseitig abgerufen werden und zur Verbesserung künftiger Generationen der Sensoren ausgewertet werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Vergleich des Messwerts mit dem Referenzwert am Ort des Prozesses durchgeführt wird. Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Elektronikeinheit über einen geeigneten Vergleichsalgorithmus verfügt. Entweder die Elektronikeinheit wird von vornherein entsprechend ausgestaltet. Alternativ ist es jedoch ebenfalls denkbar, dass eine bestehende Elektronikeinheit eines bestehenden Sensors nachgerüstet bzw. aktualisiert wird.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass es bei der zumindest einen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größe um eine Frequenz, insbesondere um eine Resonanzfrequenz, um eine Amplitude, um eine Phase zwischen einem Anregesignal und einem Empfangssignal, oder um eine Spannung, insbesondere eine für den Sensor charakteristische Spannung, beispielsweise eine Schaltspannung, handelt.
Schließlich ist es von Vorteil, wenn es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Membran, um einen Einstab oder um eine Schwinggabel handelt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, das als Zustandsindikator eine Aussage über das Auftreten von Ansatz, Korrosion, Abrasion, oder eines Kabelbruchs, oder über das Eindringen von Feuchtigkeit in zumindest eine Komponente des Sensors generiert und/oder ausgegeben wird. Ansatz, Korrosion und/oder Abrasion betreffen insbesondere die schwingfähige Einheit, während ein Kabelbruch oder das Eindringen von Feuchtigkeit insbesondere für die Elektronikeinheit problematisch sein können.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet schließlich, dass die zumindest eine charakteristische physikalische und/oder chemische Größe gegeben ist durch eine Resonanzfrequenz des Sensors. Im Falle, dass der Messwert größer ist als der Referenzwert, wird dann als Zustandsindikator eine Aussage über eine Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit, über eine Abrasion einer Beschichtung der schwingfähigen Einheit, über einen Defekt an der schwingfähigen Einheit, oder das Vorliegen eines Ansatzes an der schwingfähigen Einheit ausgegeben. Dagegen wird im Falle, dass der Messwert kleiner ist als der Referenzwert, als Zustandsindikator eine Aussage über eine Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit und/oder einer Antriebs-/Empfangseinheit des vibronischen Sensors, oder über eine Diffusion eines Mediums in eine Beschichtung der schwingfähigen Einheit generiert und/oder ausgegeben.
Die Erfindung sowie deren Vorteile werden anhand der nachfolgenden Figuren 1 bis 2 gezeigt sind, genauer beschrieben. Es zeigt:

1 einen vibronischen Sensor gemäß Stand der Technik, und
2 eine schwingfähige Einheit eines vibronischen Sensors in Form einer Schwinggabel.

In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Dargestellt ist eine Sensoreinheit 3 mit einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 2a befindet. Die schwingfähige Einheit 4 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. 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. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit über die Membran an die Antriebs-/Empfangseinheit 5 übertragen und in ein elektrisches Empfangssignal U_e umgewandelt. Die jeweilige Prozessgröße, beispielsweise ein vorgebbare Füllstand des Mediums 2 in dem Behälter 2a, oder auch die Dichte oder Viskosität des Mediums 2, können dann anhand des Empfangssignals U_e ermittelt werden.
Eine Möglichkeit der Zustandsüberwachung des vibronischen Sensors wird nachfolgend anhand eines Vergleichs einer gemessenen Frequenz f der schwingfähigen Einheit 4, insbesondere der Resonanzfrequenz f₀ des Sensors 1 mit einem entsprechenden Referenzwert für die Frequenz f_ref, f_0,ref erläutert. Es versteht sich von selbst, dass eine Zustandsüberwachung aber auch anhand einer beliebigen anderen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größe für den vibronischen Sensor 1 durchgeführt werden kann, beispielsweise der Amplitude A, der Phase ϕ zwischen dem Anregesignal U_A und dem Empfangssignal U_E , oder um eine Spannung, insbesondere eine für den Sensor charakteristische Spannung, beispielsweise eine Schaltspannung..
Ein Messwert für die Resonanzfrequenz f₀ des vibronischen Sensors 1 kann anhand des Empfangssignals U_E ermittelt werden. Gegebenenfalls sind weiterhin verschiedene Prozessparameter für die Durchführung eines Vergleichs des Messwertes f₀ mit einem Referenzwert für die Frequenz f_0,ref zu berücksichtigen, um eine genaue Aussage über den Zustand des Sensors 1 anhand des Vergleichs vornehmen zu können. Bei diesen Prozessparametern handelt es sich beispielsweise um die Temperatur T oder den Druck p, oder auch den Bedeckungszustand der schwingfähigen Einheit 4.
Idealerweise entsprechen die Prozessbedingungen, welche zum Zeitpunkt, zu welchem der Messwert für die Frequenz f₀ aufgenommen wird, den Prozessbedingungen zum Zeitpunkt der Bestimmung des Referenzwertes f_0,ref.
Die Frequenz f₀ der schwingfähigen Einheit 4 ist beispielsweise temperatur- und druckabhängig. Üblicherweise werden die Referenzwerte, in diesem Falle also der Referenzwert für die Resonanzfrequenz f_0,ref der schwingfähigen Einheit 4 im Wesentlichen bei Standardbedingungen, also bei Raumtemperatur und Normaldruck bestimmt. Entsprechend ist es ebenfalls sinnvoll, wenn die Temperatur T im Prozess beim Messen der Frequenz f₀ in einem Bereich von ca. 20-30°C und im Prozess gerade weder ein Überdruck noch ein Unterdruck vorherrscht. Alternativ können beispielsweise Kennlinien oder Kompensationsfunktionen bezüglich der Abhängigkeit einzelner charakteristischer Größen, wie beispielsweise der Frequenz f₀ von einzelnen Prozessbedingungen, wie der Temperatur T oder dem Druck p, verwendet werden, um die jeweiligen Messwerte geeignet umzurechnen.
Außerdem wird die Resonanzfrequenz für den Fall bestimmt, dass die schwingfähige Einheit 4 nicht in Kontakt mit einem Medium ist, so dass dieses Erfordernis für zu Zustandsüberwachung ebenfalls hinsichtlich der Frequenz fo idealerweise zu erfüllen wäre.
Anhand des Vergleichs des Messwerts für die Frequenz f₀ mit dem jeweiligen Referenzwert f_0,ref kann dann eine Aussage über den Zustand generiert werden. Beispielsweise kann ein vorgebbarer Grenzwert definiert werden. Übersteigt die Abweichung diesen Grenzwert, so liegt ggf. ein Problem vor, oder der Sensor bedarf einer Wartung. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit die Möglichkeit der vorausschauenden Wartung (engl. predictive maintainance). Beispielsweise kann darauf hingewiesen werden, dass eine Wartung des Sensors oder auch ein Reinigungszyklus für die schwingfähige Einheit, beispielsweise im Falle, dass sich im Bereich der schwingfähigen Einheit Ansatz gebildet hat, ansteht. Es kann außerdem auch ein zeitlicher Verlauf der des Messwerts für die Frequenz f₀ aufgezeichnet werden und beispielsweise anhand des Verlaufs abgeschätzt werden, wann solche eine Wartung und/oder Reinigung durchzuführen ist.
Bei einem Anstieg der Resonanzfrequenz f₀ über den vorgebbaren Grenzwert hinaus kann beispielsweise ein, insbesondere symmetrisch verteilter, Ansatz im Bereich der schwingfähigen Einheit 4, oder ein Korrosion im Bereich der schwingfähigen Einheit 4 vorliegen. Es kann auch sein, dass eine Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit 4 oder einer Beschichtung der schwingfähigen Einheit 4 aufgetreten ist, oder auch, dass die schwingfähige Einheit defekt, beispielsweise gebrochen, ist. Im Falle einer Abnahme der Resonanzfrequenz f₀ über den vorgebbaren Grenzwert hinaus dagegen kann eine Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit und/oder einer Antriebs-/Empfangseinheit des vibronischen Sensors, oder eine Diffusion eines Mediums in eine Beschichtung der schwingfähigen Einheit vorliegen.
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
f: Frequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006034105 A1 [0006]
DE 102007013557 A1 [0006]
DE 102005015547 A1 [0006]
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DE 102009028022 A1 [0006]
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DE 102005 [0011]
DE 102007008669 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behältnis (2a), mit zumindest einer Sensoreinheit (3) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte: - Ermitteln eines Messwerts für zumindest eine für den vibronischen Sensor (1) charakteristische physikalische und/oder chemische Größe (f, f₀), während der Sensor (1) sich an/in seinem Einsatzort befindet, - Vergleichen des Messwerts der physikalischen und/oder chemischen Größe(f, f₀) mit einem Referenzwert für diese Größe (f_ref, f_0,ref), und - Ermitteln eines Zustandsindikators aus dem Vergleich.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Abweichung zwischen dem Messwert (f, f₀) und dem Referenzwert (f_ref, f_0,ref) bestimmt wird, und wobei der Zustandsindikator anhand der Abweichung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem zumindest einen Referenzwert (f_ref, f_0,ref) um einen Wert, insbesondere einen Messwert, der physikalischen und/oder chemischen Größe entsprechend dem Auslieferungszustands des Sensors (1) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, wobei der zumindest eine Referenzwert (f_ref, f_0,ref) und/oder der zumindest eine dazugehörige Messwert (f, f₀) für die physikalische und/oder chemische Größe in einem Datenblatt abgelegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-3, wobei der zumindest eine Referenzwert (f_ref, f_0,ref) und/oder der zumindest eine dazugehörige Messwert (f, f₀) für die physikalische und/oder chemische Größe in einer internetbasierten Datei oder Datenbank abgelegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vergleich des Messwerts (f_ref, f_0,ref) mit dem Referenzwert (f, f₀) am Ort des Prozesses durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der zumindest einen charakteristischen physikalischen und/oder chemischen Größe um eine Frequenz (f), insbesondere um eine Resonanzfrequenz (f₀), um eine Amplitude (A), um eine Phase (ϕ) zwischen einem Anregesignal (U_A) und einem Empfangssignal (U_E), oder um eine Spannung, insbesondere eine für den Sensor charakteristische Spannung, beispielsweise eine Schaltspannung, handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der schwingfähigen Einheit (4) um eine Membran, um einen Einstab oder um eine Schwinggabel handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Zustandsindikator eine Aussage über das Auftreten von Ansatz, Korrosion, Abrasion, oder eines Kabelbruchs, oder für das Eindringen von Feuchtigkeit in zumindest eine Komponente des Sensors (1,3,6), gemessen, generiert und/oder ausgegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine charakteristische physikalische und/oder chemische Größe (f, f₀) gegeben ist durch eine Resonanzfrequenz (f₀) des Sensors (1), wobei im Falle, dass der Messwert (f₀) größer ist als der Referenzwert (f_0,ref), als Zustandsindikator eine Aussage über eine Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit (4), über eine Abrasion einer Beschichtung der schwingfähigen Einheit (4), über einen Defekt an der schwingfähigen Einheit (4), oder das Vorliegen eines Ansatzes an der schwingfähigen Einheit (4) ausgegeben wird, oder wobei im Falle, dass der Messwert (f₀) kleiner ist als der Referenzwert (f_0,ref), als Zustandsindikator eine Aussage über eine Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit (4) und/oder einer Antriebs-/Empfangseinheit (5) des vibronischen Sensors (1), oder über eine Diffusion eines Mediums (2) in eine Beschichtung der schwingfähigen Einheit (4) generiert und/oder ausgegeben wird