DE102012101667A1

DE102012101667A1 - Vibronisches Messgerät

Info

Publication number: DE102012101667A1
Application number: DE201210101667
Authority: DE
Inventors: Franco Ferraro
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Ein vibronisches Messgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (21) in einem Behälter (2), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (11), mit mindestens einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit (12) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregungssignals und zum Empfangen und Umwandeln von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit (13). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) bei Vorliegen mindestens einer Fremdvibration in Abhängigkeit der Frequenz und/oder der Amplitude der Fremdvibration die Schwingungsanregung derart steuert, dass das Empfangssignal von der Fremdvibration im Wesentlichen ungestört ist und/oder mindestens eine Frequenz einer Fremdvibration in dem Empfangssignal unterdrückt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vibronisches Messgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregungssignals und zum Empfangen und Umwandeln von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit zur Regelung und/oder Steuerung der Schwingungsanregung und zur Auswertung des Empfangssignals in Bezug auf die Prozessgröße. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Messgeräts, sowie ein System aus einem Messgerät und einem Vibrationssensor. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, die Dichte, die Viskosität oder den Durchfluss eines flüssigen Mediums, oder um den Füllstand eines Schüttguts.
In der Prozessmesstechnik kommen unter anderem Messgeräte zum Einsatz, welche auf der Anregung eines Sensorelements zu mechanischen Schwingungen und deren Auswertung basieren. Ein Beispiel ist eine so genannte Schwinggabel, welche von der Anmelderin unter dem Namen Liquiphant für Fluide und Soliphant M für Schüttgüter in großer Vielfalt hergestellt und vertrieben wird. Derartige Messgeräte weisen eine mechanisch schwingfähige Einheit in Form einer Gabel mit zwei Zinken auf, welche mittels einer vorzugsweise piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit zu mechanischen Schwingungen anregbar ist. Zur Bestimmung des Füllstands oder bei Fluiden auch der Dichte oder der Viskosität werden die Schwingungen der schwingfähigen Einheit detektiert und deren Eigenschaften ausgewertet.
Zur Überwachung eines bestimmten Grenzfüllstands einer Flüssigkeit wird beispielsweise die Schwingfrequenz bei Grundwellenanregung überwacht. Ist die schwingfähige Einheit mit der Flüssigkeit bedeckt, schwingt sie mit einer anderen Frequenz als bei der Schwingung in Luft, sodass an Hand einer Änderung der Schwingfrequenz bei resonanter Anregung eine Änderung des Bedeckungsgrads erkennbar ist. Das Messgerät erzeugt ein entsprechendes Schaltsignal, welches die Zustandsänderung anzeigt.
Probleme können auftreten, wenn das vibronische Messgerät in einer Umgebung eingesetzt wird, in welcher Fremdvibrationen mit Störfrequenzen existieren. Derartige Störfrequenzen treten beispielsweise durch Vibrationen von Pumpen oder auch in Ultraschallbädern auf. In Abhängigkeit des Verhältnisses der Amplitude des Nutzsignals des Sensorelements zu der Amplitude der Fremdvibrationen ist es möglich, dass an Stelle der Frequenz des Nutzsignals die Störfrequenz der Fremdvibrationen detektiert und als Nutzsignal weiterverarbeitet wird. Dies kann insbesondere bei Grenzstandschaltern zu Fehlschaltungen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vibronische Bestimmung von Prozessgrößen mittels einer schwingfähigen Einheit robuster gegenüber dem Einfluss von Fremdvibrationen zu gestalten.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Regel-/Auswerteeinheit dazu konfiguriert ist, bei Vorliegen mindestens einer Fremdvibration in Abhängigkeit der Frequenz und/oder der Amplitude der Fremdvibration die Schwingungsanregung derart zu steuern, dass das Empfangssignal von der Fremdvibration im Wesentlichen ungestört ist und/oder mindestens eine Frequenz einer Fremdvibration in dem Empfangssignal zu unterdrücken. Bei der Regel-/Auswerteeinheit handelt es sich um eine Elektronikeinheit, welche analoge und digitale Bauteile aufweist. Vorzugsweise ist mindestens eines der Bauteile ein Mikrocontroller.
Unter einem im Wesentlichen ungestörten Empfangssignal ist ein Empfangssignal zu verstehen, in welchem das die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit wiedergebende Nutzsignal von der das Empfangssignal verarbeitenden Elektronik eindeutig als solches erkennbar und in Bezug auf die Prozessgröße auswertbar ist. Die Regel-/Auswerteeinheit des Messgeräts ist dazu ausgestaltet, die Schwingungsanregung und zusätzlich oder alternativ das Empfangssignal in Abhängigkeit von Fremdvibrationen derart zu verändern, dass Fremdvibrationen die korrekte Bestimmung der Prozessgröße nicht behindern. Hierbei berücksichtigt die Regel-/Auswerteeinheit zumindest solche Fremdvibrationen, welche eine Ähnlichkeit zu dem die Information über die Prozessgröße tragenden Nutzsignal aufweisen. Insbesondere sind dies Fremdvibrationen mit einer Frequenz, welche in einem Arbeitsbereich des Messgerätes liegt, und mit einer Amplitude, welche gegenüber der Amplitude des die Information über die Prozessgröße tragenden Nutzsignals nicht zu vernachlässigen ist.
Um ein von den Fremdvibrationen im Wesentlichen unabhängiges Empfangssignal zu erhalten steuert die Regel-/Auswerteeinheit beispielsweise mindestens ein die Amplitude und/oder ein die Frequenz des Anregungssignals bestimmendes Bauteil. Unter einem im Wesentlichen ungestörten Empfangssignal ist ein Empfangssignal zu verstehen, welches zumindest in soweit von Fremdvibrationen ungestört ist, als eine nähere Umgebung um das Nutzsignal betroffen ist, sodass das Nutzsignal im Empfangssignal eindeutig als Nutzsignal erkennbar ist. Vorteilhaft ist das Empfangssignal in dem gesamten als Arbeitsbereich des Messgeräts bezeichneten Frequenzband von den Fremdvibrationen ungestört. In einer Ausführungsform steuert die Regel-/Auswerteeinheit die Schwingungsanregung derart, dass das Nutzsignal zumindest in seiner Amplitude und/oder Frequenz derart verändert wird, dass es sich von den Fremdvibrationen hinreichend unterscheidet, um von der das Empfangssignal verarbeitenden Elektronik als Nutzsignal erkannt zu werden. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform steuert die Regel-/Auswerteeinheit mindestens ein elektrisches Bauteil derart, dass ein auf eine Fremdvibration zurückgehender Anteil im Empfangssignal unterdrückt bzw. aus dem Empfangssignal herausgefiltert wird. Im Idealfall besteht das Empfangssignal dann nur noch aus dem Nutzsignal.
Durch die Unterdrückung von Fremdvibrationen mittels geeigneter Filterung bzw. die Anpassung der Schwingungsanregung an die vorliegenden Fremdvibrationen besitzt das Messgerät eine erhöhte Sicherheit gegenüber Fehlanzeigen und eine erhöhte Verfügbarkeit. Weiterhin verfügt das Messgerät über einen erweiterten Einsatzbereich, da es auch dann in Medien, welche die Schwingungen der schwingfähigen Einheit stark dämpfen, einsetzbar ist, wenn darüber hinaus Fremdvibrationen auftreten. Insbesondere sind dies Medien mit einer hohen Viskosität.
In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts gibt die Regel-/Auswerteeinheit die Frequenz des Anregungssignals in Abhängigkeit mindestens einer Frequenz der Fremdvibration derart vor, dass die Frequenz des Anregungssignals einen vorgebbaren Mindestabstand von der Frequenz der Fremdvibration aufweist. Vorzugsweise ändert die Regel-/Auswerteeinheit die Anregungsfrequenz im Fall des Vorliegens von potentiell die Messung störenden Fremdvibrationen derart, dass eine Eigenmode der schwingfähigen Einheit angeregt wird, welche eine Frequenz besitzt, die sich von den Frequenzen der Fremdvibrationen hinreichend unterscheidet. Beispielsweise erfolgt die Bestimmung oder Überwachung der Prozessgröße dann an Stelle einer Grundwellenanregung im Normalbetrieb, d. h. falls keine Fremdvibrationen auftreten oder nur solche, welche das Nutzsignal unbeeinflusst lassen, mittels Anregung einer höheren Mode.
Gemäß einer Ausgestaltung regelt die Regel-/Auswerteeinheit die Amplitude des Anregungssignals derart, dass die Amplitude des Anregungssignals größer ist als die Amplitude der Fremdvibration. Vorzugsweise erfolgt die Amplitudeneinstellung derart, dass die Amplitude des Nutzsignals um mindestens 10%, beispielsweise um 30%, größer ist als die Amplitude der Fremdvibration.
In einer Ausgestaltung reagiert die Regel-/Auswerteeinheit nur auf eine solche Fremdvibration, deren Frequenz in einem gültigen Frequenzbereich der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit liegt. Unter einem gültigen Frequenzbereich ist der Arbeitsbereich des vibronischen Messgeräts zu verstehen. Dieser umfasst alle Frequenzen, welche einer bedeckten oder frei schwingenden schwingfähigen Einheit zugeordnet sind. Nicht in den Arbeitsbereich fallen solche Frequenzen, bei deren Auftreten eine Fehlermeldung generiert wird, beispielsweise bei einem üblicherweise mit Ansatzbildung einhergehenden Unterschreiten eines den Arbeitsbereich nach unten begrenzenden Frequenzgrenzwerts. Vorzugsweise erfolgt eine Beobachtung der Fremdvibrationen im Hinblick auf deren zeitliche Entwicklung, wenn die Frequenzen der Fremdvibrationen außerhalb des gültigen Frequenzbereichs liegen. Befinden sich eine oder mehrere Frequenzen der Fremdvibrationen hingegen innerhalb des Arbeitsbereichs des Messgeräts, erfolgt vorzugsweise eine Reaktion, zumindest dann, wenn die Amplitude bei diesen Frequenzen vergleichbar mit der Amplitude des Nutzsignals ist. Vorzugsweise reagiert die Regel-/Auswerteeinheit auf Fremdvibrationen im Arbeitsbereich des Messgeräts, deren Amplitude mindestens 50% der Amplitude des Nutzsignals beträgt. Die Reaktion besteht beispielsweise in einer Änderung der Frequenz und/oder Amplitude des Anregungssignals, oder in einer Filterung des Empfangssignals zur Unterdrückung der Fremdvibration.
In einer weiteren Ausgestaltung des Messgeräts weist die Regel-/Auswerteeinheit mindestens ein Frequenzfilter auf und die Regel-/Auswerteeinheit steuert das Frequenzfilter derart, dass das Frequenzfilter mindestens eine Störfrequenz einer Fremdvibration aus dem Empfangssignal herausfiltert. Das mindestens eine Frequenzfilter ist vorzugsweise digital ausgestaltet, beispielsweise als FIR-Filter.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines vibronischen Messgerätes nach mindestens einer der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Fremdvibration detektiert wird, dass bestimmt wird, ob die Fremdvibration eine Störgröße bei der Bestimmung der Prozessgröße darstellt, und dass für den Fall, dass die Fremdvibration eine Störgröße darstellt, das Anregungssignal zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen in Abhängigkeit mindestens einer Frequenz und/oder Amplitude der Fremdvibration derart erzeugt wird, dass das Empfangssignal im Wesentlichen ungestört von der Fremdvibration ist und/oder zumindest ein Anteil der Fremdvibration in dem Empfangssignal unterdrückt wird.
Zur Bestimmung, ob die Fremdvibration oder zumindest ein Teil der Fremdvibrationen eine Störgröße darstellt, werden vorzugsweise die Frequenz und/oder die Amplitude der Fremdvibration untersucht. Zumindest dann, wenn die Frequenz der Fremdvibration einer gültigen Frequenz der schwingfähigen Einheit entspricht und die Amplitude bei dieser Störfrequenz gegenüber der Amplitude des Nutzsignals nicht vernachlässigbar ist, stellt die Fremdvibration eine Störgröße dar. Das Verfahren wird beispielsweise von einem Mikrocontroller im Messgerät ausgeführt.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Fremdvibration detektiert, indem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu Schwingungen unterbrochen und das Empfangssignal während der Unterbrechung ausgewertet wird. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung ist kein separater Sensor zur Detektion der Fremdvibrationen erforderlich. Stattdessen wird das vibronische Messgerät selbst zur Detektion und Auswertung der Fremdvibrationen verwendet. Dies bietet den Vorteil, dass die Fremdvibrationen mit den Filtereinstellungen zur Nutzsignalerfassung aufgenommen werden und somit die Dämpfung genau bekannt ist. Hierdurch ist sofort erkennbar, ob Störfrequenzen mit relativ zu dem Nutzsignal nicht vernachlässigbarer Amplitude auftreten und eine Änderung der Filtereinstellungen oder eine Anpassung des Anregungssignals erforderlich ist. Zur Analyse des während der Unterbrechung der Anregung aufgenommenen Empfangssignals in Bezug auf die auftretenden Frequenzen wird vorzugsweise eine Fouriertransformation durchgeführt. Diese ist beispielsweise mittels digitaler Verstärker und Filter durchführbar.
In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Fremdvibration mittels eines Vibrationssensors detektiert, welcher an dem Behälter, in oder an dem Messgerät, oder an einer mit dem Behälter verbundenen Komponente angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Vibrationssensor an dem Prozessanschluss des Messgeräts befestigt.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mindestens aufweisend ein vibronisches Messgerät mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und einen Vibrationssensor zur Erfassung von Fremdvibrationen, wobei das Messgerät an einem Behälter anordenbar ist, wobei der Vibrationssensor an dem Messgerät, dem Behälter, oder einer mit dem Behälter verbundenen Komponente anordenbar ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit des Messgerätes das Anregungssignal der Antriebs-/Empfangseinheit zur Schwingungsanregung der mechanisch schwingfähigen Einheit unter Berücksichtigung von mittels des Vibrationssensors detektierten Fremdvibrationen derart erzeugt, dass das Empfangssignal der Antriebs-/Empfangseinheit im Wesentlichen ungestört von Fremdvibrationen ist und/oder wobei die Regel-/Auswerteeinheit mindestens einen Anteil der Fremdvibrationen in dem Empfangssignal unterdrückt.
Bei dem Vibrationssensor handelt es sich beispielsweise um einen Beschleunigungssensor. Der Vibrationssensor ist prinzipiell an einer beliebigen Stelle anordenbar, an welcher die Fremdvibrationen wahrnehmbar sind, welche auch von der Antriebs-/Empfangseinheit des vibronischen Messgerätes wahrnehmbar sind.
In einer Ausgestaltung des Systems weist das System weiterhin eine Elektronikeinheit auf, welche die von dem Vibrationssensor detektierten Fremdvibrationen zumindest in Bezug auf die Frequenz auswertet und die Information über die Fremdvibrationen dem Messgerät bereitstellt.
Das erfindungsgemäße Messgerät, das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System werden anhand der nachfolgenden Figuren gemeinsam näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein am Behälter montiertes vibronisches Messgerät;
2 zeigt ein Frequenzdiagramm mit Nutzfrequenz und Störfrequenz;
3 zeigt ein am Behälter montiertes System aus Messgerät und Vibrationssensor.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes vibronisches Messgerät 1 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 11 in Form einer Schwinggabel dargestellt. Das Messgerät 1 ist auf einer zu überwachenden Füllstandshöhe derart in einer Wandung des teilweise mit einer Flüssigkeit 21 oder einem Schüttgut befüllten Behälters 2 angeordnet, dass die schwingfähige Einheit 11 in das Innere des Behälters 2 hineinragt. Das Gehäuse 14 des Messgeräts 1, welches beispielsweise elektronische Komponenten in Form einer Regel-/Auswerteeinheit 14 beherbergt, verbleibt außerhalb des Behälters 2. Alternativ zu einer Schwinggabel kann die schwingfähige Einheit 11 beispielsweise auch als Stab oder Membran ausgestaltet sein.
Die Schwinggabel weist zwei an einer Membran angeformte schwingfähige Elemente auf, welche vorzugsweise stab- oder paddelförmig sind. Auf der dem Inneren des Behälters 2 abgewandten Seite der Membran ist eine Antriebs-/Empfangseinheit 12 angeordnet. Die Antriebs-/Empfangseinheit 12 weist mindestens ein piezoelektrisches Element auf und dient sowohl der Anregung der schwingfähigen Einheit 11 zu mechanischen Schwingungen als auch dem Empfang der von der schwingfähigen Einheit 11 ausgeführten Schwingungen. Hierzu kann die Antriebs-/Empfangseinheit 12 beispielsweise als Bimorphpiezoelement oder als Stapel mit mehreren piezoelektrischen Elementen ausgestaltet sein. Derartige Antriebs-/Empfangseinheiten 12 sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Das Grundprinzip einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit 12 besteht darin, dass sich Länge und Dicke eines piezoelektrischen Elements bei Anlegen einer elektrischen Spannung parallel zu seiner Polarisationsrichtung verändern. Bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung führt das piezoelektrische Element eine gegensinnige Dicken- und Längenoszillation aus. Umgekehrt führt das Einwirken einer mechanischen Kraft auf das piezoelektrische Element zu einer elektrischen Spannung.
Üblicherweise wird die schwingfähige Einheit 11 mittels eines elektrischen Schwingkreises zu Schwingungen angeregt, wobei zumindest die Antriebs-/Empfangseinheit 12 und eine Rückkoppelelektronik als Teil der Regel-/Auswerteeinheit 13 in dem Schwingkreis angeordnet sind. Die Rückkoppelelektronik kann rein analog oder digital ausgestaltet sein, oder sowohl analoge als auch digitale Bauteile aufweisen. Beispielsweise enthält die Rückkoppelelektronik mindestens einen Verstärker, Filter und Phasenschieber, sodass das elektrische Anregungssignal für die schwingfähige Einheit mit einer vorgebbaren Amplitude und Frequenz aus dem Empfangssignal erzeugbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Anregung mit der Resonanzfrequenz in Form einer Grundwellenanregung.
Alternativ ist auch eine digitale Anregung der schwingfähigen Einheit 11 mittels eines Frequenzsweeps möglich. Hierbei wird ein Anregungssignal erzeugt, welches ein vorgegebenes Frequenzband im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit 11 mit diskreten aufeinander folgenden Erregerfrequenzen durchläuft, wobei zwangsläufig auch die Resonanzfrequenz überstrichen wird. Zur Auswertung wird das Empfangssignal vorzugsweise phasenselektiv abgetastet, d. h. es werden nur die Amplitudenwerte des Empfangssignals bei der Auswertung herangezogen, bei welchen das Empfangssignal relativ zu dem Anregungssignal eine vorgegebene Phasenverschiebung aufweist.
Zur Bestimmung der Prozessgröße wertet die Regel-/Auswerteeinheit 13 das Empfangssignal in Bezug auf die aktuellen Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Einheit 11 aus. Wird das Messgerät 1 zur Überwachung eines bestimmten Füllstands der Flüssigkeit 21 eingesetzt, bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit 13 die Frequenz des Empfangssignals und vergleicht sie mit einem vorbestimmten Grenzwert. Liegt die Frequenz oberhalb dieses Grenzwerts, schwingt die schwingfähige Einheit 11 frei bzw. in Luft; liegt die Frequenz hingegen unterhalb des Grenzwerts, ist die schwingfähige Einheit 11 mit Flüssigkeit 21 bedeckt. Neben der Frequenz sind auch die Amplitude des Empfangssignals, die Phase zwischen Anregungssignal und Empfangssignal oder das Abklingverhalten nach einer Anregung auswertbar.
Auf Grund des Mikrophonieeffekts empfängt die Antriebs-/Empfangseinheit 12 nicht nur die Schwingungen der schwingfähigen Einheit 11, sondern auch Fremdvibrationen. Letztere werden beispielsweise von vibrierenden Komponenten der Prozessanlage, wie beispielsweise Pumpen oder einem Rührwerk im Behälter 2, erzeugt und insbesondere über den Prozessanschluss des Messgerätes 1 eingekoppelt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Erzeugung des Anregungssignals und/oder die Verarbeitung des Empfangssignals derart, dass Fremdvibrationen das Empfangssignal zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst lassen. Hierdurch ist eine korrekte Auswertung des Empfangssignals in Bezug auf das Nutzsignal sichergestellt. Zudem ist vermieden, dass an Stelle des Nutzsignals eine Fremdvibration als Basis zur Erzeugung des Anregungssignals dient, was zu einer Anregung der schwingfähigen Einheit 11 außerhalb der Resonanz führen würde.
Zur Veranschaulichung des Einflusses von Fremdvibrationen auf ein als Grenzstandschalter zur Überwachung eines minimalen Füllstands eingesetztes Messgerät 1 ist in 2 ein Frequenzdiagramm offenbart, in welchem die Signalamplitude des Empfangssignals über der Frequenz aufgetragen ist.
Die Frequenz, mit welcher die schwingfähige Einheit 11 schwingt, ist mit f_R bezeichnet. Genauer gesagt besitzt die Schwingungsamplitude bzw. das Empfangssignal ein Maximum um die Schwingfrequenz f_R. Die Schwingfrequenz f_R ist nicht nur von der Geometrie der schwingfähigen Einheit 11 und von der Flüssigkeit 21 abhängig, sondern variiert weiterhin beispielsweise in Abhängigkeit der Temperatur. Der Frequenzbereich f_1–2, innerhalb dessen die gültigen Schwingfrequenzen f_R einer bedeckten schwingfähigen Einheit 11 liegen, wird von den Frequenzen f₁ und f₂ begrenzt. Ein Unterschreiten der unteren Grenzfrequenz f₁ geht beispielsweise mit Ansatzbildung einher. Ein Überschreiten der oberen Grenzfrequenz f₂ hingegen bedeutet, dass der Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit 11 mit der Flüssigkeit 21 abnimmt. Bei einem derartigen Überschreiten der oberen Grenzfrequenz f₂ erzeugt die Regel-/Auswerteeinheit 13 ein Schaltsignal, welches das Erreichen des minimalen Füllstands signalisiert.
Im dargestellten Fall ist eine Fremdvibration mit einer maximalen Amplitude bei der Störfrequenz f_S vorhanden. Bei den Frequenzen der Fremdvibrationen kann unterschieden werden zwischen solchen, welche die Messung nicht beeinflussen, da die Frequenzen keine gültigen Schwingfrequenzen der mechanisch schwingfähigen Einheit 11 darstellen, und solchen, welche innerhalb eines – hier durch die Frequenz f₁ und f₃ begrenzten – Arbeitsbereichs f_1–3 der schwingfähigen Einheit 11 liegen. Letztere sind im Folgenden mit Störfrequenzen f_S bezeichnet.
Die dargestellte Störfrequenz f_S liegt außerhalb des Bedecktbereichs f_1–2 der schwingfähigen Einheit 11, jedoch innerhalb des Arbeitsbereichs f_1–3 des Messgeräts 1, d. h. innerhalb des Frequenzbereichs, welcher sowohl die mit einer bedeckten als auch mit einer unbedeckten schwingfähigen Einheit 11 einhergehenden Frequenzen umfasst. Der minimale Abstand zwischen dem Störimpuls und der Schwingung der schwingfähigen Einheit 11 ist mit d bezeichnet. Im dargestellten Fall ist dieser Abstand d ausreichend groß, sodass die Fremdvibration das Empfangssignal nicht beeinflusst, obwohl die Störfrequenz f_S im Arbeitsbereich f_1–3 des Messgeräts 1 liegt. Befände sich die Schwingfrequenz f_R jedoch nahe der oberen Grenzfrequenz f₂, wäre der Abstand d zu der Störfrequenz f_S gering. Ist in einem solchen Fall die Amplitude der Fremdvibration bei der Störfrequenz f_S zudem etwa gleich groß oder größer als die Amplitude der Schwingungen der schwingfähigen Einheit 11 bei der Schwingfrequenz f_R, besteht die Gefahr, dass die Regel-/Auswerteeinheit 13 nicht mehr das Signal bei der Schwingfrequenz f_R, sondern die Fremdvibration als Nutzsignal ansieht. Da die Störfrequenz f_S außerhalb des Bedecktbereichs f_1–2 liegt, hätte dies ein Auslösen der Schaltfunktion zur Folge, obwohl die schwingfähige Einheit 11 weiterhin mit der Flüssigkeit 21 bedeckt ist. Insbesondere wenn die Flüssigkeit 21 eine hohe Viskosität aufweist besitzt das Nutzsignal eine geringe Amplitude, sodass Fremdvibrationen besonders bei derartigen Anwendungen eine die Verfügbarkeit und Sicherheit des Messgeräts 1 beeinträchtigende Störgröße darstellen.
Analog zu dem dargestellten Fall ist es umgekehrt auch möglich, dass bei einem Grenzstandschalter zur Überwachung eines maximalen Grenzstands die Störfrequenz f_S an Stelle der Schwingfrequenz bei unbedeckter schwingfähiger Einheit 11 als Nutzsignal erkannt wird, sodass eine Änderung der Resonanzfrequenz durch Bedeckung der schwingfähigen Einheit 11 mit dem flüssigen Medium 21 unerkannt bleibt.
Erfindungsgemäß wird das Anregungssignal derart erzeugt, dass Fremdvibrationen keinen Einfluss auf die Auswertung des Empfangssignals haben, oder zumindest die relevanten Fremdvibrationen werden aus dem Empfangssignal ausgeblendet. Hierzu ist es lediglich erforderlich, dass die Störfrequenzen f_S bekannt sind.
In einer Ausgestaltung erzeugt die Regel-/Auswerteeinheit 13 das Anregungssignal derart, dass die Frequenz des Anregungssignals einen ausreichend großen Abstand von der Störfrequenz f_S bzw. den Störfrequenzen, falls mehrere Störfrequenzen vorhanden sind, aufweist, sodass das in der Antriebs-/Empfangseinheit 12 auf Grund der mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 11 entstehende Nutzsignal nicht mit dem durch die Fremdvibrationen hervorgerufenen Anteil im Empfangssignal verwechselbar ist. Hierzu wird beispielsweise ein bestimmter Abstand definiert, welchen die Schwingfrequenz f_R und die Störfrequenz f_S aufzuweisen haben. Erfüllt die ursprünglich gewählte Schwingfrequenz f_R diese Anforderung nicht, steuert die Regel-/Auswerteeinheit 13 die Erzeugung des Anregungssignals derart, dass eine Oberschwingung mit einer Frequenz, welche den vorgegebenen Abstand von der Störfrequenz f_S aufweist, angeregt wird. Vorzugsweise erfolgt generell eine Grundwellenanregung und im Fall des Auftretens relevanter Störfrequenzen f_S erfolgt die Anregung in der nächsthöheren Eigenmode, für welche der vorgegebene Abstand eingehalten ist.
In einer anderen Ausgestaltung steuert die Regel-/Auswerteeinheit 13 die Amplitude des Anregungssignals derart, dass diese Amplitude höher ist als die Amplitude der Fremdvibration mit der Störfrequenz f_S. Hierzu wird der Verstärkungsfaktor des Verstärkers in der Rückkoppelelektronik entsprechend erhöht. Die Amplitude wird dabei vorzugsweise derart eingestellt, dass die Amplitude der Fremdvibrationen bei der Störfrequenz f_S bzw. die Amplituden, falls mehrere Störfrequenzen vorliegen, höchstens 90%, besonders bevorzugt höchstens 50%, der Amplitude des Anregungssignals beträgt. Die Amplitudensteuerung kann alternativ oder zusätzlich zu der Frequenzsteuerung erfolgen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Filterung des Empfangssignals vorgenommen wird. Hierzu weist die Regel-/Auswerteeinheit 13 mindestens ein adaptives Filter auf, beispielsweise einen Bandpass, welcher zumindest einen Anteil der Fremdvibrationen aus dem Empfangssignal ausblendet. Das Filter filtert vorzugsweise die Störfrequenzen im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit 11 aus dem Empfangssignal heraus, sodass nur das Nutzsignal, welches auf die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 11 zurückgeht, erhalten bleibt.
Die erwähnten Maßnahmen, d. h. Änderung der Anregungsfrequenz, Anpassung der Amplitude, oder Filterung, können in Abhängigkeit der Frequenzen und/oder der Amplituden der auftretenden Fremdvibrationen ergriffen werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 misst das Messgerät 1 die Fremdvibrationen gezielt mittels der Antriebs-/Empfangseinheit 12 während einer kurzzeitigen Unterbrechung der Anregung der schwingfähigen Einheit 11 mit dem Anregungssignal. Die Unterbrechung findet vorteilhaft in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 3 Sekunden, statt. Zur Auswertung der Fremdvibrationen unterzieht die Regel-/Auswerteeinheit 13 das hierbei aufgenommene Empfangssignal einer Fast-Fourier-Transformation (FFT). An Hand dieser Frequenzanalyse sind die Frequenzen der Fremdvibrationen bestimmbar und es ist auswertbar, ob die Messung gefährdende Störfrequenzen f_S auftreten. Vorzugsweise bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit 13 in einem weiteren Schritt die Amplituden der Störfrequenzen f_S und vergleicht diese mit der Amplitude des Nutzsignals. Zumindest für den Fall, dass die Amplitude einer Störfrequenz ungefähr gleich groß oder größer ist als die Amplitude des Nutzsignals, leitet die Regel-/Auswerteeinheit 13 mindestens eine der genannten Maßnahmen zum Schutz der Messung vor diesem Störsignal ein.
Um unterscheiden zu können, ob die im Empfangssignal auftretenden Frequenzen auf Fremdvibrationen oder auf mechanische Schwingungen der schwingfähigen Einheit 11 zurückzuführen sind, wird vorzugsweise das Nutzsignal überwacht. Unter einer Überwachung des Nutzsignals ist ein Protokollieren der Schwingfrequenz f_R zu verstehen. Aus diesen Daten ist erkennbar, ob die Schwingfrequenz zeitlich konstant ist oder sich mit fortlaufender Zeit verschiebt. Bei gleichzeitiger Überwachung der Frequenzen der Fremdvibrationen ist eine Verminderung des Abstands zwischen der Frequenz einer Fremdvibration und der Schwingfrequenz f_R erkennbar, sodass rechtzeitig die genannten Maßnahmen zur störfrequenzunabhängigen Messung ergriffen werden können.
In einer anderen Ausgestaltung erhält das Messgerät 1 die Information über die Fremdvibrationen, insbesondere die Störfrequenzen f_S, von einem Vibrationssensor 3 oder von einer Elektronikeinheit 5, welche mit einem Vibrationssensor 3 verbunden ist.
Ein System aus einem zuvor beschriebenen Messgerät 1, einem Vibrationssensor 3 und einer Elektronikeinheit 5 ist in 3 dargestellt.
Hierbei sind drei alternative Möglichkeiten der Positionierung des Vibrationssensors 3 dargestellt. Der Vibrationssensor 3 ist beispielsweise am Behälter 2, an dem vibronischen Messgerät 1 selbst, oder an einer mit dem Behälter in Verbindung stehenden Komponente, hier in Form einer Pumpe 4, anbringbar. Die Anbringung an einer Pumpe ermöglicht vornehmlich die Detektion der von der Pumpe verursachten Fremdvibrationen. Die Anbringung am Messgerät 1 erfolgt beispielsweise an dem Gehäuse 14 des Messgeräts 1 oder an dem Prozessanschluss, beispielsweise einem Flansch. Die Positionierung ist in Abhängigkeit der Anwendung unter der Maßgabe zu wählen, dass am Ort des Vibrationssensors 3 die gleichen Fremdvibrationen auftreten, wie am Ort des Messgeräts 1, sodass der Vibrationssensor 3 diejenigen Fremdvibrationen detektiert, welche auch auf die Antriebs-/Empfangseinheit 12 des Messgeräts 1 einwirken. Insbesondere wenn auch die Amplitude der Fremdvibrationen ausgewertet wird, ist eine messgerätnahe Anordnung vorteilhaft. Bei dem Vibrationssensor 3 handelt es sich beispielsweise um einen Beschleunigungssensor.
In der dargestellten Ausführungsform ist eine Elektronikeinheit 5 vorgesehen, welche die Messdaten bezüglich der Fremdvibrationen über den Signalpfad a von dem Vibrationssensor 3 erhält, aufbereitet, und über den Signalpfad b an das Messgerät 1 weiterleitet. Bei der Elektronikeinheit 5 handelt es sich beispielsweise um einen Computer oder zumindest um einen Mikrocontroller. Die Elektronikeinheit 5 analysiert hierbei das Frequenzspektrum der Fremdvibrationen und bestimmt vorzugsweise weiterhin die zugehörigen Amplituden. In einer Ausgestaltung speichert die Elektronikeinheit 5 die Information über das zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils vorliegende Fremdvibrationsband ab, sodass eine zeitliche Entwicklung der Fremdvibrationen überwachbar ist. Ändert sich die Charakteristik der Fremdvibrationen derart, dass das Nutzsignal gestört werden könnte, ist dies frühzeitig erkennbar und die geeigneten Maßnahmen, wie z. B. Ändern der Anregungsfrequenz oder der Amplitude, sind von der Regel-/Auswerteeinheit 13 des Messgeräts 1 rechtzeitig einleitbar.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Systems ist keine separate Elektronikeinheit 5 vorhanden und das System besteht nur aus dem Messgerät 1 und einem Vibrationssensor 3. In diesem Fall stellt der Vibrationssensor 3 die Information über die Fremdvibrationen dem Messgerät 1 direkt zur Verfügung. Der Vibrationssensor 3 kann auch in dem Messgerät 1 angeordnet sein, d. h. in einem Inneren des Gehäuses 14, beispielsweise als Teil einer Elektronikeinheit.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
11: Schwingfähige Einheit
12: Antriebs-/Empfangseinheit
13: Regel-/Auswerteeinheit
14: Gehäuse
2: Behälter
21: Flüssigkeit
3: Vibrationssensor
4: Pumpe
5: Elektronikeinheit
a: Signalpfad Vibrationssensor-Elektronikeinheit
b: Signalpfad Elektronikeinheit-Messgerät

Claims

Vibronisches Messgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (21) in einem Behälter (2), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (11), mit mindestens einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit (12) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregungssignals und zum Empfangen und Umwandeln von mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal, und mit mindestens einer Regel-/Auswerteeinheit (13) zur Regelung und/oder Steuerung der Schwingungsanregung und zur Auswertung des Empfangssignals in Bezug auf die Prozessgröße, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) bei Vorliegen mindestens einer Fremdvibration in Abhängigkeit der Frequenz und/oder der Amplitude der Fremdvibration die Schwingungsanregung derart steuert, dass das Empfangssignal von der Fremdvibration im Wesentlichen ungestört ist und/oder mindestens eine Frequenz einer Fremdvibration in dem Empfangssignal unterdrückt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) die Frequenz des Anregungssignals in Abhängigkeit mindestens einer Frequenz der Fremdvibration derart vorgibt, dass die Frequenz (f_R) des Anregungssignals einen vorgebbaren Mindestabstand von der Frequenz der Fremdvibration aufweist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) die Amplitude des Anregungssignals derart regelt, dass die Amplitude des Anregungssignals größer ist als die Amplitude der Fremdvibration.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) nur auf eine solche Fremdvibration reagiert, deren Frequenz in einem gültigen Frequenzbereich der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) liegt.
Messgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) mindestens ein Frequenzfilter aufweist, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (13) das Frequenzfilter derart steuert, dass das Frequenzfilter mindestens eine Störfrequenz (f_S) einer Fremdvibration aus dem Empfangssignal herausfiltert.
Verfahren zum Betreiben eines vibronischen Messgerätes (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fremdvibration detektiert wird, dass bestimmt wird, ob die Fremdvibration eine Störgröße bei der Bestimmung der Prozessgröße darstellt, und dass für den Fall, dass die Fremdvibration eine Störgröße darstellt, das Anregungssignal zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) zu mechanischen Schwingungen in Abhängigkeit mindestens einer Frequenz (f_S) und/oder Amplitude der Fremdvibration derart erzeugt wird, dass das Empfangssignal im Wesentlichen ungestört von der Fremdvibration ist und/oder zumindest ein Anteil der Fremdvibration in dem Empfangssignal unterdrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdvibration detektiert wird, indem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) zu Schwingungen unterbrochen und das Empfangssignal während der Unterbrechung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdvibration mittels eines Vibrationssensors (3) detektiert wird, welcher an dem Behälter (2), in oder an dem Messgerät (1), oder an einer mit dem Behälter (2) verbundenen Komponente (4) angeordnet ist.
System zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mindestens aufweisend ein vibronisches Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1–5 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (11), und einen Vibrationssensor (3) zur Erfassung von Fremdvibrationen, wobei das Messgerät (1) an einem Behälter (2) anordenbar ist, wobei der Vibrationssensor (3) an dem Messgerät (1), dem Behälter (2), oder einer mit dem Behälter (2) verbundenen Komponente (4) anordenbar ist, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (13) des Messgerätes (1) das Anregungssignal der Antriebs-/Empfangseinheit (13) zur Schwingungsanregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (11) unter Berücksichtigung von mittels des Vibrationssensors (3) detektierten Fremdvibrationen derart erzeugt, dass das Empfangssignal der Antriebs-/Empfangseinheit (12) im Wesentlichen ungestört von Fremdvibrationen ist und/oder wobei die Regel-/Auswerteeinheit (13) mindestens einen Anteil der Fremdvibrationen in dem Empfangssignal unterdrückt.
System nach Anspruch 9, weiterhin aufweisend eine Elektronikeinheit (5), welche die von dem Vibrationssensor (3) detektierten Fremdvibrationen zumindest in Bezug auf die Frequenz auswertet und die Information über die Fremdvibrationen dem Messgerät (1) bereitstellt.