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WO2016091479A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse Download PDF

Info

Publication number
WO2016091479A1
WO2016091479A1 PCT/EP2015/075534 EP2015075534W WO2016091479A1 WO 2016091479 A1 WO2016091479 A1 WO 2016091479A1 EP 2015075534 W EP2015075534 W EP 2015075534W WO 2016091479 A1 WO2016091479 A1 WO 2016091479A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
frequency
signal
drive
mechanically oscillatable
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/075534
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Dötsch
Franco Ferraro
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
Publication of WO2016091479A1 publication Critical patent/WO2016091479A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2966—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves
    • G01F23/2967—Acoustic waves making use of acoustical resonance or standing waves for discrete levels

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium having at least one oscillatable unit.
  • Such devices also referred to as vibronic sensors, are referred to as
  • Level gauges are used and often have as vibration unit on a tuning fork. But variants with a single rod or a membrane have become known.
  • the oscillatable unit is excited during operation by means of a drive / receiving unit to mechanical vibrations, which is often given by an electromechanical transducer unit, in particular by a piezoelectric actuator or an electromagnetic drive.
  • Corresponding field devices are produced by the applicant in great variety and distributed in the case of level measuring devices, for example under the name LIQUIPHANT and / or SOLIPHANT.
  • the underlying measurement principles are in principle made of a variety of
  • the excitation of the oscillatable unit can be carried out both by analog and digital methods and is usually done via an analog electrical resonant circuit.
  • the drive / receiving unit, or electromechanical transducer unit excites the oscillatable unit by means of an electrical pickup signal to mechanical
  • the drive / receiving unit accordingly comprises either a separate drive and receiver unit or a combined drive / receiver unit.
  • the drive / receiving unit is part of an integrated in an electronic unit
  • Control circuit which sets the start signal in the normal case such that between the
  • Pickup signal and received signal is a predetermined phase shift.
  • the resonant circuit condition according to which all in the
  • Both the start signal and the receive signal are characterized by their frequency, amplitude and / or phase. Therefore, changes in these quantities are usually used to determine the respective process variable, such as a predetermined level of a medium in a container, or the density and / or viscosity of a medium.
  • the respective process variable such as a predetermined level of a medium in a container, or the density and / or viscosity of a medium.
  • a vibronic level limit switch for liquids distinguish whether the oscillatable unit is covered by the liquid or vibrates freely.
  • These two states, the free state and the covered state are differentiated based on different resonance frequencies, ie a frequency shift.
  • the density and / or viscosity in turn can be determined with such a measuring device only if at least partially covered with the medium.
  • piezoelectric drive / receiving unit comprises at least one piezoelectric element and at least one transmitting unit or transmitting electrode and a receiving unit or
  • a reference electrode is also provided.
  • both embodiments are known in which the reference electrode as
  • Ground potential is used and is connected, for example, with the housing of the respective level measuring device, as well as those in which the reference electrode floated, that has no defined potential.
  • the oscillatable unit comprises two oscillating rods, and two parallel and directly mechanically coupled membranes, wherein the oscillating rods are arranged on the first membrane spaced from each other.
  • a single disk or disc-shaped piezoelectric element with three electrodes is arranged above the second diaphragm.
  • a first electrode connected to the housing is arranged, and on the second of the first opposing circular or annular surface, a second electrode connected to an AC voltage source and a third electrode serving to decrease the output signal are arranged.
  • An alternative drive consists in the stack-shaped arrangement of a plurality of piezoelectric elements one above the other, at least one of the piezoelectric elements serving as a transmitting unit and at least one further piezoelectric element as a receiving unit.
  • many different detail designs are known, such as those in EP0875741 B1,
  • EP1 134038A1, EP1277243B1 and EP19969005B1 described embodiments.
  • piezoelectric element and can be minimized by design measures to a negligible extent.
  • electrical couplings between the piezoelectric elements, electrodes and / or signal lines must be taken into account for the measurement performance of the respective sensor. They can be represented in an equivalent electrical circuit diagram by capacitances which connect the respective electrodes and signal lines.
  • a non-zero electrical signal the so-called coupling signal, is picked up by the at least one receiving electrode as a function of the strength of the coupling, even if the mechanically oscillatable unit does not perform any movements.
  • the received signal strictly speaking, always contains two superimposed components, the measurement signal, which is determined by the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit, and the already mentioned coupling signal. Without knowledge of the coupling signal, the measurement signal is at least not completely determinable.
  • Measurement signal changed.
  • the amplitude and phase of the received signal composed of the measurement signal and the coupling signal also change such that with decreasing quality of the oscillation system the maxima of the amplitude of the received signal are much less pronounced (the maximum values and slopes become smaller) and the phase characteristic instead of two opposite ones Phase jumps each having continuous phase changes.
  • the maximum phase difference is significantly less than 180 °.
  • Phase difference between the received signal and the transmission signal as a function of the frequency is thus much lower than in the undamped case, wherein the maximum phase difference is the lower, the smaller the distance between the resonance frequency corresponding to
  • Antiresonance frequency refers to that frequency at which the measurement signal and the coupling signal, although the same amplitude, but have an opposite phase. At this frequency, the oscillation amplitude of the mechanically oscillatable unit is minimal. In an excitation of the oscillatory unit by means of a control loop, which the
  • Phase shift between the received signal and the excitation signal to a predetermined phase shift adjusts, especially in the case of a so-called fundamental wave or resonant excitation corresponding phase shift of 90 °, it may - in the case described above reduced vibration quality - come to the maximum Phase difference between the start signal and the received signal in response to the predetermined phase shift for any frequency is no longer accepted. In this case, reliable excitation of the oscillatable unit is no longer possible.
  • the electrical coupling is thus related to the position of the antiresonant frequency.
  • the distance between the resonance frequency and the antiresonance frequency can be influenced by various measures, e.g. B .:
  • a piezoelectric drive / receiving unit with a piezoelectric element is described in EP0875739B1 which has a region having a first transmitting electrode, a second region having a first receiving electrode and a third region having a second receiving electrode comprises, wherein the two receiving electrodes are arranged the same shape and symmetrical to each other and to the transmitting electrode.
  • EP0875740B1 discloses a driving / receiving unit having a piezoelectric element comprising a first region having a receiving electrode, a second region having a first transmitting electrode and a second regions having a second transmitting electrode, wherein the two transmitting electrodes are identical in shape and symmetrical to one another and are arranged to the receiving electrode. Due to the symmetries of this special arrangement is achieved that at the resonant frequency according to the fundamental mode of the oscillatory unit regardless of the quality of the vibration system is always the same fixed value for the predetermined phase shift.
  • a vibronic sensor is disclosed in which in a
  • Oscillation of the oscillatory unit in air is a percentage distance between the
  • the drive / receiving unit has a single circular or disc-shaped piezoelectric element with two on the side facing away from the diaphragm, symmetrical to an axis which is a diagonal of the circular surface of the piezoelectric element, arranged electrodes.
  • One of these electrodes is a transmitting unit and the other a receiving unit.
  • a ground electrode is provided, which is arranged on the membrane-facing side of the piezoelectric element, and which is electrically conductively connected to a arranged on the side facing away from the membrane connecting electrode.
  • a disk of electrically insulating material may be interposed between the diaphragm and the drive / receive signal.
  • the drive / receiving unit described also referred to below as a four-quadrant drive, is a disk-shaped piezoelectric element, on the first side of which an electrode structure is provided which has at least two transmitting electrodes and two receiving electrodes, and wherein in each case first transmitting electrode of the second
  • This embodiment is particularly advantageous in terms of noise, space requirements, and in terms of simplified manufacturing.
  • EP1759175A2 proposes using a disk-shaped piezoelectric element with two opposing polarization segments, with two oppositely polarized on the side remote from the diaphragm Electrodes are applied.
  • the piezoelectric element only has to be electrically contacted from one side, which is advantageous especially for small dimensions of the vibronic sensor.
  • this measure can lead to a higher electrical coupling between the individual electrodes.
  • the solutions mentioned for reducing the problems caused by electrical coupling effects thus all aim at constructive measures with respect to the sensor or the drive / receiving unit. Due to unavoidable manufacturing tolerances is influenced by these embodiments, the influence of the occurrence of electrical coupling effects accordingly only on average and such that the excitation of the mechanical
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method for determining and / or monitoring at least one process variable by means of which the electrical coupling can be influenced in a targeted manner.
  • a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container having at least one sensor unit and one electronic unit,
  • the sensor unit comprises at least
  • a drive / receiving unit comprising at least one piezoelectric element with at least one transmitting electrode for exciting the mechanically oscillatable unit to mechanical vibrations by means of an electrical starting signal and at least one receiving electrode for receiving the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit and for converting the mechanical vibrations into an electrical received signal
  • the electronic unit at least comprises
  • control unit for setting a predefinable phase shift between the
  • At least one adjustable capacitance arranged parallel to the control unit, and at least one arithmetic unit which is designed to determine the at least one process variable from the received signal, and to set the position of the anti-resonant frequency of the mechanically oscillatable unit by means of the adjustable capacitance.
  • the frequency spectrum of the mechanically oscillatable unit can be specifically influenced.
  • the position of the anti-resonant frequency can be adjusted to a desired value.
  • the electrical coupling within the electronics unit can thus be varied.
  • the variation of the electrical coupling within the electronics unit offers the only possibility on the software level and after fabrication of the sensor.
  • the electrical coupling can be influenced for any sensor compatible with the electronic unit in such a way that, on the one hand, the problems mentioned with respect to the stable excitation do not occur.
  • the solution according to the invention can be used for a large number of drive / receiving units in which comparatively larger electrical couplings occur. This applies in particular to those embodiments in which a ground electrode is dispensed with.
  • the position of the anti-resonant frequency but also targeted to the respective
  • the electronic unit comprises a sweep unit for excitation of the mechanically oscillatable unit by means of a frequency search with successive discrete excitation frequencies within a predefinable frequency interval.
  • the at least one arithmetic unit is then designed for switching back and forth between two operating modes, wherein in a first operating mode, the excitation of the mechanically oscillatable unit by means of the control unit and in a second operating mode by means of the sweep unit.
  • the at least one arithmetic unit is also designed to determine the current position of the anti-resonant frequency based on the frequency search, and to increase or decrease by means of an adjustment of the adjustable capacity.
  • the position of the anti-resonant frequency can be continuously adjusted.
  • the desired distance between the anti-resonant frequency and the resonant frequency can be set in accordance with the fundamental mode each time the application or change of the medium to be measured is changed. But even during operation, the position of the anti-resonant frequency can be checked at predetermined intervals by means of the sweep unit or by executing the sweep mode. It is advantageous if the drive / receiver unit is a bimorph drive or a four-quadrant drive.
  • the object according to the invention is furthermore achieved by a method for operating a device for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium in a container, in particular a device according to at least one of the preceding claims,
  • a mechanical oscillatable unit is excited by means of an electrical excitation signal to mechanical vibrations, wherein the mechanical vibrations of the mechanically oscillatable unit are received and converted into an electrical received signal
  • the mechanically oscillatable unit is excited in such a way that there is a predefinable phase shift between the excitation signal and the received signal, the at least one process variable being determined from the received signal, and the position of the antiresonance frequency of the mechanically oscillatable unit being adjusted by means of an adjustable capacitance.
  • the position of the anti-resonant frequency can be optimized specifically for the particular application. This serves on the one hand to optimize the measuring accuracy, and on the other hand to influence the electrical coupling, which leads to a failure of the
  • the mechanically oscillatable unit is excited in a first operating mode in such a way that there is a predefinable phase shift between the start signal and the receive signal, while in a second operating mode the mechanically oscillatable unit is successively discrete successively within a predefinable frequency interval Stimulation frequencies is excited, based on the frequency search determines the current position of the anti-resonant frequency, and increased or decreased by means of an adjustment of the adjustable capacity. The position of the anti-resonant frequency can thus be adjusted continuously, and also during operation.
  • Antiresonant frequency is lower than the resonance frequency corresponding to the
  • Resonant frequency corresponding to the fundamental mode of this measure largely unaffected.
  • the resonance frequency is determined almost exclusively by the mechanical vibrations of the oscillatory unit.
  • the adjustable capacitance is adjusted so that there is at least a predeterminable minimum distance between the anti-resonant frequency and the resonant frequency corresponding to the fundamental mode. The greater the electrical coupling between the transmitting unit and the receiving unit, the greater the anti-resonant frequency, and correspondingly less is the distance to the resonant frequency.
  • the measurement performance of the sensor with regard to the switching behavior decreases, in particular in certain media, such as, for example, intumescent media.
  • a maximum permitted value for the anti-resonant frequency is defined. This is equivalent to a maximum permitted electrical coupling.
  • the antiresonant frequency is too close to the resonant frequency, it may cause a sensor to report the switching condition when it is not immersed in the medium.
  • the sensor is then, for example, in a region which is foamed, but not yet within the liquid phase.
  • the adjustable capacitance is adjusted so that there is at least a predefinable maximum distance between the anti-resonant frequency and the resonant frequency corresponding to the fundamental mode.
  • This maximum distance should be smaller than the minimum distance defined in the previous exemplary embodiment.
  • This measure is in turn particularly advantageous for pure foams, or even in the case of pearling, outgassing media with gas bubbles, especially boiling water. For such media, it is more favorable if the distance between the anti-resonant frequency and the resonant frequency is lower. As a consequence, the sensor used in each case switches earlier from the switching state "uncovered” to "covered". The desired switching behavior for these special applications or special media thus differs significantly from the situation described above.
  • Antiresonant frequency and the resonant frequency corresponding to the fundamental mode a statement about the state of the sensor element is made. It is at this
  • the electronic unit When changing the excitation frequency to the break-off frequency, the electronic unit reports the status "covered.” If the respective field device is used for overflow protection of the medium in a tank, this measure is safety-related No-load protection for pumps does not decide if the
  • a frequency search over a wide frequency interval is recorded and analyzed.
  • no antiresonance can be detected in the frequency spectrum recorded by the frequency search.
  • the absence of an anti-resonance is independent of whether the oscillatory unit of medium is covered or free.
  • a shift of the antiresonance can be determined. This also changes the distance between the resonance frequency and the anti-resonance frequency.
  • a comparison with a reference measurement, or with a reference distance between the resonance frequency and anti-resonance frequency must be made.
  • the oscillatable unit must be in the same state for both measurements, ie either free during the measurements or covered by the medium. Since the reference measurements are usually in the air
  • FIGS. 1 to 4. 1 shows a schematic sketch of a vibronic sensor according to the prior art
  • Fig. 2 The phase as a function of the excitation frequency of three different sensors with
  • FIG. 3 is a block diagram of an electronic unit according to the invention with built-in adjustable capacitance between the transmitting and receiving line, and
  • FIG. 4 shows a block diagram of an electronic unit according to the invention with a control unit and a sweep unit for carrying out the first and second operating modes.
  • FIG. 5 shows a schematic sketch (a) of a bimorph drive and (b) of a 4-quadrant drive
  • a vibronic sensor 1 is shown. Shown is an oscillatable unit 4 in the form of a tuning fork, which partially immersed in a medium 2, which is located in a container 3. Since this variant of the oscillatory unit is the most commonly used, the entire following description refers to a tuning fork without loss of generality. Other known and falling under the invention embodiments of a vibratory unit are given for example by a single rod or a membrane.
  • the tuning fork is excited by means of the drive / receiving unit 5, which is acted upon by the start signal, to mechanical vibrations, and may be, for example, a four-quadrant drive or a bimorph drive. Furthermore, an electronic unit 6 is shown, by means of which the signal evaluation and / or feed takes place.
  • Fig. 2 shows for three different level gauges of the same type the phase response, ie the phase shift between the excitation signal U A and received signal U E as a function of
  • each of the three curves is characterized by two phase jumps. While the phase jump from 0 ° to 180 ° for each of the three sensors takes place at a different frequency, for all three sensors the second phase jump from 180 ° to 360 ° is approximately 1100 kHz. The second phase jump marks the position of the resonance frequency f res in accordance with
  • the resonant frequency f res is determined almost exclusively by the mechanical properties of the oscillatable unit 4 and is therefore for all three identical sensor units 3 at almost the same frequency.
  • the first phase jump marks the position of the antiresonance frequency f, the higher the antiresonant frequency f anti , the higher the electrical coupling.
  • the first sensor 7a has an anti-resonant frequency the lowest electrical coupling
  • the third sensor 7c finally shows the highest electrical coupling on.
  • the higher the anti-resonant frequency f anti for the operation of the sensor in a particular medium the worse the performance with regard to the switching behavior, in particular in the case of intumescent media and / or regarding the compatibility of the oscillatory unit.
  • the senor 1 then has thus shows the use of a foaming medium the switching state is "covered", while it is still in the foam region, and not yet immersed into the actual medium accordingly.
  • the anti-resonance frequency f to t i a too high value, the sensor 1 can not be used normally.
  • the distance Af denotes the distance between antiresonance frequency f at ti and the
  • a minimum distance Af min can be defined within the electronics unit 6, which must at least predominate, so that the sensor 1 can be excited without difficulty. The electronic unit 6 should then be able to adjust the position of the antiresonant frequency f anti such that the minimum distance Af min can always be maintained.
  • an adjustable capacitance 9 is integrated within the electronics unit 6 according to the invention.
  • a block diagram of such an electronic unit 6 is shown in FIG.
  • the drive / receiving unit 5 excites the mechanically oscillatable unit 4 by means of an electrical pickup signal U A to mechanical vibrations and receives the vibrations and converts them into an electrical
  • the electrical received signal is composed of the
  • Measuring signal which is caused by the mechanically oscillatable unit, and the coupling signal resulting from electrical couplings.
  • the coupling signal resulting from electrical couplings.
  • Sensor unit caused couplings, which may affect both the oscillatable unit 4 and the drive / receiving unit 5, by the capacitance Cs 8 and the electrical coupling within the electronics unit by the adjustable capacitance C E 9.
  • the adjustable capacitance C E 9 the position of the anti-resonant frequency f ant i set.
  • the received signal UE first passes through the input stage 1 1. Subsequently, within the control unit 10, the phase shift between
  • the control unit 10 shown here includes a phase shifter 12 and an amplifier 14.
  • an excitation by means of an allpass, as described in DE102005015547A1 by means of a
  • the electronic unit 6 comprises at least one arithmetic unit 15 which controls at least the excitation, signal detection, and / or signal evaluation.
  • FIG. 6 Another embodiment is shown in FIG. This electronic unit 6 is to
  • the excitation of the oscillatable unit 4 by means of the control unit 10, as described in connection with FIG. 3.
  • the excitation takes place by means of the sweep unit 15b integrated within the central processing unit 15a, which is designed to carry out a frequency search.
  • the sweep unit 15b can also be arranged at a different location within the electronics unit 6.
  • the central processing unit 15a can switch back and forth between the first and second operating modes. In this case, to perform the frequency search the
  • the central processing unit 10 can set the adjustable capacitance C E to a desired value, which satisfies the respective predetermined condition for the distance Af between the resonant frequency f res and the anti-resonant frequency f at ti.
  • the second mode of operation may be on demand only, or once during the
  • the oscillatable unit 4 can be excited, for example, with a constant frequency, which is clearly different from the resonant frequency f res . If then the phase shift between the excitation signal U A and the received signal U E ⁇ > 180 °, the size of the adjustable capacitance C E 9 need not be changed. With a phase shift ⁇ ⁇ 180 °, however, the adjustable capacitance C E 9 is not optimally adapted to the occurring electrical coupling.
  • the oscillatable unit may be blocked or damaged, for example. For this purpose, however, it is necessary that the oscillatable unit is not covered by medium 2, or not immersed in the medium 2. Also, such a diagnostic function may, as desired, occur only when needed or at regular intervals during operation.
  • FIG. 5 a shows by way of example a bimorph drive 17 with a disk-shaped piezoelectric element 18.
  • a transmitting electrode 19 is arranged in a first region on a first side pointing up here and a receiving electrode in a second region 20.
  • the transmitting electrode 19 and the receiving electrode 20 are ideally configured in the same shape and arranged axially symmetrical to each other.
  • a reference electrode 21 is arranged symmetrically around the mirror axis of the transmitting electrode 19 and receiving electrode 20 in a third region.
  • the reference electrode 21 is also arranged, as can be seen from the side view also shown in Fig. 5a.
  • the two lying on opposite sides of the piezoelectric element 18 segments of the reference electrode are electrically connected to each other by means of an electrical contact 22.
  • the reference electrode can either be at undefined potential, or serve as ground potential, for example.
  • a four-quadrant drive 22 is shown in a similar representation.
  • Transmitting electrode 19 and a second transmitting electrode 19a, and a first receiving electrode 20 and a second receiving electrode 20a are each point-symmetrically opposite to a first side of a disk-shaped piezoelectric element 18.
  • all four electrodes 19, 19a, 20, 20a have the same shape, in the example shown here, for example, as equal-sized circle segments.
  • On the opposite side of the first page is a
  • Reference electrode 21 is arranged, which is not electrically contacted in this example. As described above, this embodiment of the drive / receiving unit is particularly advantageous in terms of the required space within the
  • control unit for controlling the specifiable phase shift
  • Central processing unit configured for switching between the first and second

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (2a) zumindest mit einer Sensoreinheit (3) und einer Elektronikeinheit (6), wobei die Sensoreinheit (3) zumindest umfasst eine mechanische schwingfähige Einheit (4), und eine Antriebs-/Empfangseinheit (5) umfassend zumindest ein piezoelektrisches Element (18) mit zumindest einer Sendeelektrode (19, 19a) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregesignals (UA) und zumindest einer Empfangselektrode (20,20a) zum Empfangen der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und zum Umwandeln der mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal (UE), und wobei die Elektronikeinheit (6) zumindest umfasst eine Regeleinheit (10) zur Einstellung einer vorgebbaren Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Anregesignal (UA) und dem Empfangssignal (UE), zumindest eine parallel zur Regeleinheit (10) angeordnete einstellbare Kapazität (CE, 9), und zumindest eine Recheneinheit (15), welche dazu ausgestaltet ist, aus dem Empfangssignal (UE) die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen, und mittels der einstellbaren Kapazität (CE, 9) die Lage der Antiresonanzfrequenz (fanti) der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) einzustellen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖSSE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit zumindest einer schwingfähigen Einheit.
Derartige auch als vibronische Sensoren bezeichnete Vorrichtungen werden als
Füllstandsmessgeräte eingesetzt und weisen häufig als schwingfähige Einheit eine Schwinggabel auf. Aber auch Varianten mit einem Einstab oder einer Membran sind bekannt geworden. Die schwingfähige Einheit wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche häufig durch eine elektromechanische Wandlereinheit, insbesondere durch einen piezoelektrischen Antrieb oder einen elektromagnetischen Antrieb gegeben ist.
Es versteht sich von selbst, dass neben den genannten Beispielen auch weitere Möglichkeiten bekannt geworden sind, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT und/oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von
Veröffentlichungen bekannt. Die Anregung der schwingfähigen Einheit kann sowohl mittels analoger als auch digitaler Verfahren durchgeführt werden und erfolgt zumeist über einen analogen elektrischen Schwingkreis. Die Antriebs-/Empfangseinheit, oder elektromechanische Wandlereinheit regt die schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen
Schwingungen an und empfängt die Schwingungen und wandelt sie in ein elektrisches
Empfangssignal um. Die Antriebs-/Empfangseinheit umfasst entsprechend entweder eine separate Antriebs- und Empfangseinheit oder eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit Teil eines in einer Elektronikeinheit integrierten
Regelkreises, welcher das Anregesignal im Normalfall derart einstellt, dass zwischen dem
Anregesignal und Empfangssignal eine vorgebbare Phasenverschiebung vorliegt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher alle im
Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz, Amplitude und/oder Phase. Deshalb 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. 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 anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden. Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur bei einer zumindest teilweisen Bedeckung mit dem Medium ermitteln.
Wohl am häufigsten kommen piezoelektrische Antriebs-/Empfangseinheiten zum Einsatz, für welche viele verschiedene Aufbauten aus dem Stand der Technik bekannt geworden sind. Eine
piezoelektrische Antriebs-/Empfangseinheit umfasst zumindest ein piezoelektrisches Element und zumindest eine Sendeeinheit oder Sendeelektrode und eine Empfangseinheit oder
Empfangselektrode. In einigen Fällen ist darüber hinaus noch eine Referenzelektrode vorgesehen. Für letztere sind sowohl Ausgestaltungen bekannt, bei welchen die Referenzelektrode als
Massepotential dient und beispielsweise mit dem Gehäuse des jeweiligen Füllstandsmessgeräts verbunden ist, als auch solche, bei welchen die Referenzelektrode floated, also kein definiertes Potential aufweist. In der EP0751380B1 ist beispielsweise ein sogenannter Bimorph-Antrieb beschrieben worden. Die schwingfähige Einheit umfasst zwei Schwingstäbe, und zwei parallel zueinander und direkt mechanisch gekoppelte Membranen, wobei die Schwingstäbe an der ersten Membran voneinander beabstanded angeordnet sind. Darüber hinaus ist oberhalb der zweiten Membran ein einziges Scheiben- oder ringscheibenförmiges piezoelektrisches Element mit drei Elektroden angeordnet. Auf einer ersten Kreis- oder Kreisringfläche ist eine erste mit dem Gehäuse verbundene Elektrode angeordnet, und auf der zweiten der ersten gegenüberliegenden Kreis- oder Kreisringfläche sind eine mit einer Wechselspannungsquelle verbundene zweite Elektrode und eine der Abnahme des Ausgangssignals dienende dritte Elektrode angeordnet.
Ein alternativer Antrieb besteht in der stapeiförmigen Anordnung mehrerer piezoelektrischer Elemente übereinander, wobei zumindest eines der piezoelektrischen Elemente als Sendeeinheit und zumindest ein weiteres piezoelektrisches Element als Empfangseinheit dient. Hierfür sind viele verschiedene Detail-Gestaltungen bekannt, wie beispielsweise die in der EP0875741 B1 ,
EP1 134038A1 , EP1277243B1 und EP19969005B1 beschrieben Ausgestaltungen.
Während die mathematische Beschreibung eines vibronischen Sensors im Prinzip von einem idealen Oszillator ausgeht, müssen jedoch in der Realität sogenannte elektrische und mechanische Kopplungen berücksichtigt werden, aufgrund welcher das tatsächliche Verhalten von der idealisierten Beschreibung abweicht. Solche Kopplungen treten beispielsweise zwischen den piezoelektrischen Elementen, oder zwischen den einzelnen Elektroden eines oder verschiedener piezoelektrischer Elemente und/oder zwischen dem zumindest einen piezoelektrischen Element und der mechanisch schwingfähigen Einheit auf.
Mechanische Kopplungen kommen oftmals durch Verspannung des zumindest einen
piezoelektrischen Elements auf und können vielfach durch konstruktive Maßnahmen auf ein vernachlässigbares Maß minimiert werden. Elektrische Kopplungen zwischen den piezoelektrischen Elementen, Elektroden und/oder Signalleitungen dagegen müssen für die Messperformance des jeweiligen Sensors berücksichtigt werden. Sie lassen sich in einem elektrischen Ersatzschaltbildes durch Kapazitäten, welche die jeweiligen Elektroden und Signalleitungen verbinden, darstellen. Als Konsequenz einer elektrischen Kopplung wird von der zumindest einen Empfangselektrode in Abhängigkeit der Stärke der Kopplung auch dann ein von null verschiedenes elektrisches Signal, das sogenannte Kopplungssignal, abgegriffen, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit keine Bewegungen ausführt. Entsprechend beinhaltet das Empfangssignal genau genommen stets zwei überlagernde Anteile, das Messsignal, welches von den mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, und das bereits erwähnte Kopplungssignal. Ohne Kenntnis des Kopplungssignals ist das Messsignal zumindest nicht vollständig bestimmbar.
Daraus ergibt sich folgende Problematik: Durch eine Dämpfung der mechanisch schwingfähigen Einheit in einem Medium und/oder aufgrund einer reduzierten Schwingungsgüte wird das
Messsignal verändert. Dadurch ändern sich ebenfalls die Amplitude und Phase des aus dem Messsignal und Koppelsignal zusammengesetzten Empfangssignals, derart, dass mit abnehmender Güte des Schwingsystems die Maxima der Amplitude des Empfangssignals sehr viel weniger ausgeprägt sind (die Maximalwerte und Steigungen werden geringer) und der Phasenverlauf anstelle zweier entgegengesetzter Phasensprünge jeweils kontinuierliche Phasenänderungen aufweist. Außerdem wird der maximale Phasenunterschied deutlich geringer als 180°. Die
Phasendifferenz zwischen Empfangssignal und Sendesignal in Abhängigkeit von der Frequenz ist also sehr viel geringer als im ungedämpften Fall, wobei die maximale Phasendifferenz umso geringer ist, je geringer der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz entsprechend der
Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit und der Antiresonanzfrequenz ist. Die
Antiresonanzfrequenz bezeichnet dabei jene Frequenz, bei welcher das Messsignal und das Koppelsignal zwar die gleiche Amplitude, jedoch eine entgegengesetzte Phase aufweisen. Bei dieser Frequenz ist die Schwingungsamplitude der mechanisch schwingfähigen Einheit minimal. Bei einer Anregung der schwingfähigen Einheit mittels eines Regelkreises, welcher die
Phasenverschiebung zwischen dem Empfangssignal und dem Anregesignal auf eine vorgebbare Phasenverschiebung einstellt, insbesondere im Falle einer der sogenannten Grundwellen- bzw. resonanter Anregung entsprechenden Phasenverschiebung von 90°, kann es - im zuvor beschriebenen Fall reduzierter Schwingungsgüte - dazu kommen, dass die maximale Phasendifferenz zwischen Anregesignal und Empfangssignal in Abhängigkeit die vorgebbare Phasenverschiebung für keine Frequenz mehr angenommen wird. In diesem Fall ist keine zuverlässige Anregung der schwingfähigen Einheit mehr möglich.
Die elektrische Kopplung hängt also mit der Lage der Antiresonanzfrequenz zusammen. Nun ist es so, dass der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden kann, z. B.:
1 ) Einstellung der mechanischen Schwingungsgüte der mechanisch schwingfähigen Einheit durch Änderung der Formgebung bzw. Geometrie (Membrandicke, Übergänge zwischen Membran und schwingfähiger Einheit) und/oder des Materials (u. a. beispielsweise die Steifigkeit);
2) Vermeidung oder Verringerung von Energieverlusten, z. B. durch einen symmetrischen Aufbau und/oder die Schwingungsübertragungen zwischen Antriebs-/Empfangseinheit, Membran und schwingfähiger Einheit auftreten.
3) Reduzierung der Anzahl von Bauteilen;
4) Vermeidung von mechanischen Verspannungen;
5) Gegebenenfalls Einstellung der Dicke einer isolierenden Scheibe zwischen Membran und Antriebs-Empfangseinheit, wie beispielsweise in der EP0985916B1 beschrieben;
6) Einstellung des Kopplungsfaktors der Antriebs-/Empfangseinheit;
7) Klebungen und Kontaktierungen können optimiert werden; und
8) Variation der elektrischen Kopplungen innerhalb der Elektronikeinheit.
Zur Lösung der insbesondere durch elektrische Kopplungen hervorgerufenen zuvor beschriebenen Problematik ist in der EP0875739B1 eine piezoelektrische Antriebs-/Empfangseinheit mit einem piezoelektrischen Element beschrieben, welches einen eine erste Sendeelektrode aufweisenden Bereich, einen zweiten eine erste Empfangselektrode aufweisenden Bereich und einen dritten eine zweite Empfangselektrode aufweisenden Bereich umfasst, wobei die beiden Empfangselektroden formgleich und symmetrisch zueinander und zu der Sendeelektrode angeordnet sind. Ähnlich ist in der EP0875740B1 eine Antriebs-/Empfangseinheit mit einem piezoelektrischen Element beschrieben, welches einen ersten eine Empfangselektrode aufweisenden Bereich, einen zweiten eine erste Sendeelektrode aufweisenden Bereich und einen zweiten eine zweite Sendeelektrode aufweisenden Bereiche umfasst, wobei die beiden Sendeelektroden formgleich sind und symmetrisch zueinander und zu der Empfangselektrode angeordnet sind. Aufgrund der Symmetrien dieser speziellen Anordnung wird erreicht, dass bei der Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit unabhängig von der Güte des Schwingsystems stets der gleiche feste Wert für die vorgebbare Phasenverschiebung vorliegt. In der EP0985916B1 ist dagegen ein vibronischer Sensor offenbart, bei welchem bei einer
Schwingung der schwingfähigen Einheit an Luft ein prozentualer Abstand zwischen der
Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode und der Antiresonanzfrequenz von mehr als 20% bezogen auf die Resonanzfrequenz vorliegt. Dazu weist die Antriebs- /Empfangseinheit ein einziges kreis- oder scheibenkreisförmiges piezoelektrisches Element mit zwei auf der der Membran abgewandten Seite befindlichen formgleichen, symmetrisch zu einer Achse, welche eine Diagonale der Kreisfläche des piezoelektrischen Elements ist, angeordneten Elektroden auf. Eine dieser Elektroden ist eine Sendeeinheit und die andere eine Empfangseinheit. Darüber hinaus ist eine Masseelektrode vorgesehen, welche auf der der Membran zugewandten Seite des piezoelektrischen Elements angeordnet ist, und welche elektrisch leitend mit einer auf der der Membran abgewandten Seite angeordneten Anschlusselektrode verbunden ist. Optional kann zwischen der Membran und der Antriebs-/Empfangssignal eine Scheibe aus einem elektrisch isolierenden Material eingefügt werden.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung dieser Anordnung ist Gegenstand der EP1281051 B1. Bei der beschrieben Antriebs-/Empfangseinheit, im Folgenden auch als Vier-Quadranten-Antrieb bezeichnet, handelt es sich um ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element, auf dessen erster Seite eine Elektrodenstruktur vorgesehen ist, welche zumindest zwei Sendeelektroden und zwei Empfangselektroden aufweist, und wobei jeweils die erste Sendeelektrode der zweiten
Sendeelektrode bzw. die erste Empfangselektrode der zweiten Empfangselektrode
punktsymmetrisch gegenüberliegt. Diese Ausgestaltung weist sich insbesondere vorteilhaft in Bezug auf Störsignale, den Platzbedarf, und in Bezug auf eine vereinfachte Fertigung auf.
Um den Konstruktions- und Schaltungsaufwand für die Integration einer Antriebs-/Empfangseinheit in einen vibronischen Sensor noch geringer zu halten, schlägt die EP1759175A2 vor, ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element mit zwei Segmenten gegensinniger Polarisation zu verwenden, wobei auf der der Membran abgewandten Seite zwei entgegengesetzt polarisierte Elektroden aufgebracht sind. Somit muss das piezoelektrische Element nur von einer Seite elektrisch kontaktiert werden, was vor allem bei kleinen Dimensionierungen des vibronischen Sensors von Vorteil ist. Diese Maßnahme kann jedoch zu einer höheren elektrischen Kopplung zwischen den einzelnen Elektroden führen. Die genannten Lösungen zur Reduzierung der aufgrund von elektrischen Kopplungseffekten hervorgerufenen Probleme zielen also alle auf konstruktive Maßnahmen bezüglich des Sensors bzw. der Antriebs-/Empfangseinheit ab. Aufgrund von nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen wird durch diese Ausgestaltungen der Einfluss des Auftretens von elektrischen Kopplungseffekten entsprechend nur im Mittel beeinflusst und derart, dass die Anregung der mechanisch
schwingfähigen Einheit im Mittel stabil erfolgt. Die elektrische Kopplung kann nach der Fertigung des Sensors jedoch nicht mehr nachträglich ohne erneute konstruktive Maßnahmen verbessert werden. Außerdem kann die genaue Lage der Antiresonanz nicht eingestellt werden. Nun ist es aber so, dass für unterschiedliche Anwendung eine unterschiedliche Lage der Antiresonanzfrequenz vorteilhaft sein kann. Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße bereitzustellen, mittels welcher die elektrische Kopplung gezielt beeinflussbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter zumindest mit einer Sensoreinheit und einer Elektronikeinheit,
wobei die Sensoreinheit zumindest umfasst
eine mechanisch schwingfähige Einheit, und
eine Antriebs-/Empfangseinheit umfassend zumindest ein piezoelektrisches Element mit zumindest einer Sendeelektrode zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregesignals und zumindest einer Empfangselektrode zum Empfangen der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit und zum Umwandeln der mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal, und
wobei die Elektronikeinheit zumindest umfasst
- eine Regeleinheit zur Einstellung einer vorgebbaren Phasenverschiebung zwischen dem
Anregesignal und dem Empfangssignal,
zumindest eine parallel zur Regeleinheit angeordnete einstellbare Kapazität, und zumindest eine Recheneinheit, welche dazu ausgestaltet ist, aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen, und mittels der einstellbaren Kapazität die Lage der Antiresonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit einzustellen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich also das Frequenzspektrum der mechanisch schwingfähigen Einheit gezielt beeinflussen. Die Lage der Antiresonanzfrequenz kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Durch die einstellbare Kapazität lässt sich also die elektrische Kopplung innerhalb der Elektronikeinheit variieren. Von allen in der Beschreibungseinleitung genannten möglichen Maßnahmen zur Einstellung des Abstands zwischen Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz bietet die Variation der elektrischen Kopplung innerhalb der Elektronikeinheit die einzige auf Softwareebene und nach Fertigung des Sensor bestehende Möglichkeit hierfür. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit kann für einen beliebigen mit der Elektronikeinheit kompatiblen Sensor die elektrische Kopplung derart beeinflusst werden, dass zum einen die eingangs erwähnte Problematik bezüglich der stabilen Anregung nicht auftritt. Hierfür muss vorteilhaft keine spezielle Ausgestaltung für die Antriebs-Empfangseinheit konzipiert werden. Vielmehr ist die erfindungsgemäße Lösung für eine Vielzahl von Antriebs-/Empfangseinheiten, bei welchen vergleichsweise größere elektrische Kopplungen auftreten, einsetzbar. Insbesondere gilt dies für solche Ausgestaltungen, bei welchen auf eine Masseelektrode verzichtet wird. Darüber hinaus kann die Lage der Antiresonanzfrequenz aber auch gezielt auf die jeweilige
Anwendung hin optimiert werden. Es ist nämlich so, dass für unterschiedliche Anwendungen, bzw. für einen Einsatz des jeweiligen Messgeräts für unterschiedliche Medien andere Differenzen zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz optimal sind, wie im Folgenden genauer erläutert werden wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Elektronikeinheit eine Sweep-Einheit zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit mittels eines Frequenz-Suchlaufs mit sukzessive innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalls aufeinander folgenden diskreten Anregefrequenzen. Die zumindest eine Recheneinheit ist dann zum Hin- und Herschalten zwischen zwei Betriebsmodi ausgestaltet, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit mittels der Regeleinheit und in einem zweiten Betriebsmodus mittels der Sweep-Einheit erfolgt. Die zumindest eine Recheneinheit ist darüber hinaus dazu ausgestaltet, anhand des Frequenzsuchlaufs die aktuelle Lage der Antiresonanzfrequenz zu ermitteln, und mittels einer Einstellung der einstellbaren Kapazität zu erhöhen oder zu verringern. Somit kann die Lage der Antiresonanzfrequenz fortlaufend eingestellt werden. Verschiedene Fälle sind denkbar. Zum einen kann jeweils bei jedem Wechsel der Anwendung, bzw. Wechsel des zu messenden Mediums von neuem der gewünschte Abstand zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode eingestellt werden. Aber auch während des Betriebs kann in vorgebbaren Abständen die Lage der Antiresonanzfrequenz mittels der Sweep-Einheit bzw. durch Ausführen des Swepp-Modus überprüft werden. Es ist von Vorteil, wenn es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit um einen Bimorphantrieb oder um einen Vier-Quadranten-Antrieb handelt. Ebenso ist es von Vorteil, wenn es sich um eine Antriebs- ZEmpfangseinheit handelt, bei welcher die jeweiligen Elektroden nur von einer Seite eines piezoelektrischen Elements her kontaktiert sind, oder im Falle dass eine Referenzelektrode kein definiertes Potential aufweist. Allgemein gesprochen ist es von Vorteil, eine erfindungsgemäße Lösung bei Verwendung einer Antriebs-/Empfangseinheit mit einer erhöhten Empfindlichkeit für elektrische Kopplungen, wie eingangs beschrieben, einzusetzen. Somit lassen sich die Vorteile einfacher Aufbauten mit hohen Anforderungen an einen breiten Anwendungsbereich mit hoher Messperformance kombinieren. Schließlich ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Prozessgröße gegeben ist durch einen vorgebbaren Füllstand, die Dichte, und/oder die Viskosität des Mediums in dem Behälter.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, insbesondere einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine mechanische 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 die mechanisch schwingfähige Einheit derart angeregt wird, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal vorliegt, wobei aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße bestimmt wird, und wobei mittels einer einstellbaren Kapazität die Lage der Antiresonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit eingestellt wird.
Ähnlich wie durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens die Lage der Antiresonanzfrequenz gezielt auf die jeweilige Anwendung hin optimiert werden. Dies dient zum einen der Optimierung der Messgenauigkeit, und zum anderen der Beeinflussung der elektrischen Kopplung, welche zu einem Ausfall des
Messgeräts führen kann.
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mechanisch schwingfähige Einheit in einem ersten Betriebsmodus derart angeregt, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal vorliegt, während in einem zweiten Betriebsmodus die mechanisch schwingfähige Einheit mit sukzessive innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalls aufeinander folgenden diskreten Anregefrequenzen angeregt wird, wobei anhand des Frequenzsuchlaufs die aktuelle Lage der Antiresonanzfrequenz ermittelt, und mittels einer Einstellung der einstellbaren Kapazität erhöht oder verringert wird. Die Lage der Antiresonanzfrequenz kann somit fortlaufend, und auch im Betrieb, eingestellt werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die einstellbare Kapazität derart eingestellt wird, dass die
Antiresonanzfrequenz geringer ist als die Resonanzfrequenz entsprechend der
Grundschwingungsmode. Während die Änderung der elektrischen Kopplung mittels der einstellbaren Kapazität die Lage der Antiresonanz beeinflusst, bleibt die Lage der
Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode von dieser Maßnahme weitgehend unbeeinflusst. Die Resonanzfrequenz wird nämlich fast ausschließlich von den mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bestimmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die einstellbare Kapazität so eingestellt, dass zumindest ein vorgebbarer minimaler Abstand zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode besteht. Je größer die elektrische Kopplung zwischen der Sendeinheit und der Empfangseinheit, desto größer ist die Antiresonanzfrequenz und entsprechend geringer wird der Abstand zur Resonanzfrequenz. Damit einhergehend sinkt die Messperformance des Sensors hinsichtlich des Schaltverhaltens, insbesondere in bestimmten Medien, wie beispielsweise aufschäumenden Medien. Durch Vorgabe eines minimalen Abstands zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz wird ein maximal zugelassener Wert für die Antiresonanzfrequenz definiert. Dies ist gleichbedeutend mit einer maximal zugelassenen elektrischen Kopplung. Durch diese Maßnahme kann eine ausreichende Messperformance für eine große Bandbreite an Medien, insbesondere auch für schäumende Medien, oder auch bei
Ansatzbildung an der Sensoreinheit, erreicht werden. Liegt die Antiresonanzfrequenz zu nah an der Resonanzfrequenz, so kann es dazu führen, dass ein Sensor den Schaltzustand bedeckt meldet, obwohl er nicht ins Medium eintaucht. Bei schäumenden flüssigen Medien befindet sich der Sensor dann beispielsweise in einem Bereich, welcher aufgeschäumt ist, jedoch noch nicht innerhalb der flüssigen Phase.
In einer alternativen Ausgestaltung wird die einstellbare Kapazität so eingestellt, dass zumindest ein vorgebbarer maximaler Abstand zwischen der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode besteht. Dieser maximale Abstand sollte kleiner sein, als der im vorigen Ausführungsbeispiel definierte minimale Abstand. Diese Maßnahme ist wiederum insbesondere vorteilhaft für reine Schäume, oder auch für den Fall von perlenden, ausgasenden Medien mit Gasblasen, insbesondere kochendem Wasser. Für derartige Medien ist es günstiger, wenn der Abstand zwischen Antiresonanzfrequenz und Resonanzfrequenz geringer ist. Also Konsequenz schaltet der jeweils verwendete Sensor früher vom Schaltzustand„unbedeckt" auf „bedeckt". Das gewünschte Schaltverhalten für diese speziellen Anwendungen, bzw. speziellen Medien unterscheidet sich also deutlich von der zuvor beschrieben Situation.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass aus dem Abstand zwischen der
Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode eine Aussage über den Zustand des Sensorelements getroffen wird. Es handelt sich bei dieser
Ausgestaltung also um eine Diagnosefunktion. Für handelsübliche vibronische Sensoren wird oftmals eine sogenannte Abrissfrequenz festgelegt. Im Falle, dass die mechanische Schwingung der schwingfähigen Einheit zusammenbricht, regt die Elektronikeinheit die schwingfähige Einheit fortlaufend mit dieser Abrissfrequenz an. Dies kann verschiedene Ursachen haben: Zum einen kann die mechanisch schwingfähige Einheit mechanisch blockiert sein. Zum anderen kann aber im Falle von hochviskosen Medien die mechanische Schwingung auch in Folge der großen Dämpfung durch das Medium zusammenbrechen. Im schlimmsten Falle ist die schwingfähige Einheit abgerissen, oder abgebrochen.
Beim Wechsel der Anregefrequenz auf die Abrissfrequenz meldet die Elektronikeinheit den Zustand „bedeckt". Im Falle, dass das jeweilige Feldgerät für einen Überlaufschutz des Mediums in einem Tank eingesetzt wird, ist diese Maßnahme sicherheitsgerichtet. Dagegen kann der Kunde im Falle der Verwendung des Messgeräts als Leerlaufschutz für Pumpen nicht entscheiden, ob der
Zusammenbruch der mechanischen Schwingung aufgrund des Mediums oder aufgrund eines Problems in Bezug auf die schwingfähige Einheit zustande kommt.
Es ist deswegen von Vorteil, wenn mittels der beschriebenen Diagnosefunktion ermittelt wird, ob die mechanisch schwingfähige Einheit blockiert ist und/oder ob zumindest eines der Bauteile der Sensoreinheit, insbesondere eine Membran oder zumindest eine Komponente der Antriebs- /Empfangseinheit, insbesondere eine Klebestelle, beschädigt ist.
Zur Stellung einer Diagnose wird ein Frequenzsuchlauf über ein breites Frequenzintervall aufgezeichnet und analysiert. Im Falle einer mechanischen Blockade der schwingfähigen Einheit kann in dem mittels des Frequenzsuchlaufs aufgenommenen Frequenzspektrum keine Antiresonanz detektiert werden. Das Fehlen einer Antiresonanz ist dabei unabhängig davon, ob die schwingfähige Einheit von Medium bedeckt oder frei ist. Im Falle einer Beschädigung an zumindest einem der Bauteile dagegen kann eine Verschiebung der Antiresonanz festgestellt werden. Damit ändert sich auch der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz. Für diese Diagnose muss allerdings ein Vergleich mit einer Referenzmessung, bzw. mit einem Referenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz vorgenommen werden. Damit die Referenzmessung und die aktuelle Messung vergleichbar sind, muss sich die schwingfähige Einheit für beide Messungen im gleichen Zustand befinden, also entweder während beider Messungen frei oder aber vom Medium bedeckt sein. Da die Referenzmessungen üblicherweise an Luft
vorgenommen werden, muss zur Diagnose einer Fehlfunktion zumindest eines Bauteils
entsprechend gewährleistet sein, dass die schwingfähige Einheit nicht vom Medium bedeckt ist.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren Fig. 1 - Fig. 4 näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 : eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
Fig. 2: Die Phase als Funktion der Anregefrequenz dreier verschiedener Sensoren mit
unterschiedlichen elektrischen Kopplungen, Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit eingebauter einstellbarer Kapazität zwischen Sende- und Empfangsleitung, und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit mit einer Regeleinheit und einer Sweep-Einheit zum Ausführen des ersten und zweiten Betriebsmodus.
Fig. 5: eine schematische Skizze (a) eines Bimorph-Antriebs und (b) eines 4-Quadranten-Antriebs,
In Fig. 1 ist ein vibronischer Sensor 1 gezeigt. Dargestellt ist eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Da diese Variante der schwingfähigen Einheit die am häufigsten verwendete ist, bezieht sich die gesamte nachfolgende Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Schwinggabel. Andere bekannte und unter die Erfindung fallende Ausgestaltungen einer schwingfähigen Einheit sind beispielsweise durch einen Einstab oder eine Membran gegeben.
Die Schwinggabel wird mittels der Antriebs-/Empfangseinheit 5, welche mit dem Anregesignal beaufschlagt wird, zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein Vier- Quadranten-Antrieb oder ein Bimorphantrieb sein. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 6 dargestellt, mittels welcher die Signalauswertung und/oder -speisung erfolgt.
Fig. 2 zeigt für drei verschiedene Füllstandsmessgeräte gleicher Bauart den Phasengang, also die Phasenverschiebung zwischen Anregesignal UA und Empfangssignal UE als Funktion der
Anregefrequenz. Jede der drei Kurven ist charakterisiert durch zwei Phasensprünge. Während der Phasensprung von 0° auf 180° für jeden der drei Sensoren bei einer anderen Frequenz erfolgt, liegt für alle drei Sensoren der zweite Phasensprung von 180° auf 360° bei ca. 1100kHz. Der zweite Phasensprung markiert die Lage der Resonanzfrequenz fres entsprechend der
Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit 4. Die Resonanzfrequenz fres ist fast ausschließlich von den mechanischen Eigenschaften der schwingfähigen Einheit 4 bestimmt und liegt deshalb für alle drei baugleichen Sensoreinheiten 3 bei nahezu der gleichen Frequenz.
Der erste Phasensprung markiert dagegen die Lage der Antiresonanzfrequenz f Je höher die Antiresonanzfrequenz fanti, je höher ist die elektrische Kopplung. Entsprechend weist der erste Sensor 7a mit einer Antiresonanzfrequenz
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die geringste elektrische Kopplung auf, der zweite Sensor 7b mit fanti «450Ι-Ιζ eine elektrische Kopplung, welche höher ist als diejenige des ersten Sensors 7a. Der dritte Sensor 7c weist schließlich mit
Figure imgf000013_0002
die höchste elektrische Kopplung auf. Bis auf wenige Ausnahmen gilt, dass je höher die Antiresonanzfrequenz fanti für den Betrieb des Sensors in einem bestimmten Medium ist, desto schlechter ist die Performance hinsichtlich des Schaltverhaltens, insbesondere im Falle von aufschäumenden Medien und/oder hinsichtlich der Ansatzverträglichkeit der schwingfähigen Einheit. Beispielsweise zeigt der Sensor 1 dann bei Verwendung für ein aufschäumendes Medium den Schaltzustand„bedeckt" an, während er noch im Schaumbereich ist, und entsprechend noch gar nicht in das eigentliche Medium eintaucht. Weist also für einen fertig gebauten Sensor die Antiresonanzfrequenz fanti einen zu hohen Wert auf, so kann der Sensor 1 normalerweise nicht verwendet werden.
Der Abstand Af bezeichnet den Abstand zwischen Antiresonanzfrequenz fanti und der
Resonanzfrequenz fres entsprechend der Grundschwingungsmode. Erfindungsgemäß kann innerhalb der Elektronikeinheit 6 beispielsweise ein Mindestabstand Afmin definiert werden, welcher mindestens vorherrschen muss, damit der Sensor 1 problemlos anregbar ist. Die Elektronikeinheit 6 sollte dann in der Lage sein, die Lage der Antiresonanzfrequenz fanti derart einzustellen, dass der minimale Abstand Afmin stets eingehalten werden kann.
Andererseits kann es, wie bereits beschrieben, für spezielle Anwendungen auch vorteilhaft sein, einen Maximalwert Afmaxfür den Abstand Af zwischen der Antiresonanzfrequenz Afanti und
Resonanzfrequenz Afres zu fordern. Auch für diese Ausnahmen ist die Erfindung einsetzbar. Zur Beeinflussung der elektrischen Kopplung eines vibronischen Sensors 1 wird erfindungsgemäß eine einstellbare Kapazität 9 innerhalb der Elektronikeinheit 6 integriert. Ein Blockschaltbild einer solchen Elektronikeinheit 6 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 regt die mechanisch schwingfähige Einheit 4 mittels eines elektrischen Anregesignals UA zu mechanischen Schwingungen an und empfängt die Schwingungen und wandelt sie in ein elektrisches
Empfangssignal UE um. Das elektrische Empfangssignal ist dabei zusammengesetzt aus dem
Messsignal, welches durch die mechanisch schwingfähige Einheit hervorgerufen wird, und dem aus elektrischen Kopplungen resultierenden Koppelsignal. Dabei sind in Fig. 3 die durch die
Sensoreinheit hervorgerufenen Kopplungen, welche sowohl die schwingfähige Einheit 4 als auch die Antriebs-/Empfangseinheit 5 betreffen können, durch die Kapazität Cs 8 und die elektrische Kopplung innerhalb der Elektronikeinheit durch die einstellbare Kapazität CE 9. Erfindungsgemäß wird durch die Einstellung der einstellbaren Kapazität CE 9 die Lage der Antiresonanzfrequenz fanti eingestellt.
Innerhalb der Elektronikeinheit durchläuft das Empfangssignal UE zuerst die Eingangsstufe 1 1 . Anschließend wird das innerhalb der Regeleinheit 10 die Phasenverschiebung zwischen
Anregesignal UA und Empfangssignal auf einen vorgebbaren Wert eingestellt. Hierfür sind verschiedene analoge und digitale Möglichkeiten bekannt geworden. Die hier gezeigte Regeleinheit 10 beinhaltet einen Phasenschieber 12 und einen Verstärker 14. Alternativ kann eine Anregung auch mittels eines Allpasses, wie in der DE102005015547A1 beschrieben, mittels eines
sogenannten Frequenz-Suchlaufs, wie in der DE102009026685A1 beschrieben, oder auch mittels einer phasenselektiven Abtastung des Empfangssignals UE, wie in der DE102010030982A1 beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass die hier genannte Aufzählung für mögliche Anrege- und/oder Regelverfahren nicht vollständig ist.
Bevor das Anregesignal UA an die Antriebs-/Empfangseinheit 5 übermittelt wird, durchläuft es die Ausgangsstufe 13. Ferner umfasst die Elektronikeinheit 6 zumindest eine Recheneinheit 15, welche zumindest die Anregung, Signalerfassung, und/oder Signalauswertung steuert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Elektronikeinheit 6 ist dazu
ausgestaltet, zwei Betriebsmodi auszuführen. Im ersten Betriebsmodus erfolgt die Anregung der schwingfähigen Einheit 4 mittels der Regeleinheit 10, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben. Im zweiten Betriebsmodus erfolgt die Anregung dagegen mittels der innerhalb der zentralen Recheneinheit 15a integrierten Sweep-Einheit 15b, welche zur Durchführung eines Frequenz- Suchlaufs ausgestaltet ist, durchgeführt. Es versteht sich von selbst, dass die Sweep-Einheit 15b auch an einer anderen Stelle innerhalb der Elektronikeinheit 6 angeordnet sein kann. Mittels der beiden Schalter 16,16a kann die zentrale Recheneinheit 15a zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus hin- und herschalten. Dabei wird zur Durchführung des Frequenzsuchlaufs die
Regeleinheit 10 von den übrigen Signalwegen abgekoppelt und umgekehrt während der Anregung mittels der Regeleinheit 10 wird die Sweep-Einheit 15b abgekoppelt. Anhand des jeweils durchgeführten Frequenzsuchlaufs kann die zentrale Recheneinheit 10 die einstellbare Kapazität CE auf einen gewünschten Wert einstellen, welcher die jeweils vorgegebene Bedingung für den Abstand Af zwischen der Resonanzfrequenz fres und der Antiresonanzfrequenz fanti erfüllt.
Der zweite Betriebsmodus kann entweder nur auf Bedarf, oder einmalig während des
Produktionsprozesses ausgeführt werden - dann eignet sich eine Ausgestaltung nach Fig. 3 -, oder aber in regelmäßigen Zeitabständen zur Überprüfung der Lage der Antiresonanzfrequenz fanti während des Betriebs, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben. Für letzteres ist es jedoch an sich gar nicht notwendig, einen vollständigen Frequenzsuchlauf zu durchfahren. Stattdessen kann innerhalb des zweiten Betriebsmodus die schwingfähige Einheit 4 beispielsweise mit einer konstanten Frequenz, welche sich deutlich von der Resonanzfrequenz fres unterscheidet angeregt werden. Ist dann die Phasenverschiebung zwischen Anregesignal UA und Empfangssignal UE Δφ>180°, so muss die Größe der einstellbaren Kapazität CE 9 nicht geändert werden. Bei einer Phasenverschiebung Δφ<180° dagegen ist die einstellbare Kapazität CE 9 nicht optimal an die auftretende elektrische Kopplung angepasst.
Um eine Diagnose treffen zu können, muss dagegen ein vollständiger Frequenzsuchlauf
(beispielsweise von 200Hz-1200Hz) durchgeführt werden, um die Lagen der Antiresonanzfrequenz fanti und die der Resonanzfrequenz aufzufinden. Weichen die mit dieser Diagnosefunktion ermittelten Werte von denen ab, welche während der Produktion ermittelt und ggf. innerhalb der Elektronikeinheit 6 hinterlegt wurden, so kann darauf geschlossen werden, dass sich der Zustand der Sensoreinheit geändert hat. Die schwingfähige Einheit kann beispielsweise blockiert oder beschädigt sein. Dazu ist es allerdings erforderlich, dass die schwingfähige Einheit nicht von Medium 2 bedeckt ist, bzw. nicht ins Medium 2 eintaucht. Auch eine derartige Diagnosefunktion kann je nach Wunsch entweder nur bei Bedarf oder in regelmäßigen Abständen während des Betriebs stattfinden.
In Fig. 5 sind schließlich zwei schematisch gezeichnete Antriebs-/Empfangseinheiten gezeichnet, für welche eine erfindungsgemäße Elektronikeinheit bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren voreilhaft eingesetzt werden könnte.
Fig. 5a zeigt beispielhaft einen Bimorph-Antrieb 17 mit einem scheibenförmigen piezoelektrischen Element 18. Auf einer ersten, hier nach oben zeigenden Seite ist in einem ersten Bereich eine Sendeelektrode 19 und in einem zweiten Bereich 20 eine Empfangselektrode angeordnet. Die Sendeelektrode 19 und Empfangselektrode 20 sind dabei idealerweise formgleich ausgestaltet und achsensymmetrisch zueinander angeordnet. Ferner ist in einem dritten Bereich symmetrisch um die Spiegelachse der Sendeelektrode 19 und Empfangselektrode 20 verlaufenden Bereich eine Referenzelektrode 21 angeordnet. Auf der zweiten der ersten gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Elements 18 ist ebenfalls die Referenzelektrode 21 angeordnet, wie aus der ebenfalls in Fig. 5a gezeigten Seitenansicht erkennbar ist. Die beiden auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Elements 18 liegenden Segmente der Referenzelektrode sind mittels einer elektrischen Kontaktierung 22 elektrisch miteinander verbunden. Die Referenzelektrode kann entweder auf Undefiniertem Potential liegen, oder beispielsweise als Massepotential dienen.
In Fig. 5b ist in ähnlicher Darstellung ein Vier-Quadranten-Antrieb 22 gezeigt. Eine erste
Sendeelektrode 19 und eine zweite Sendeelektrode 19a, sowie eine erste Empfangselektrode 20 und eine zweite Empfangselektrode 20a liegen sich jeweils punktsymmetrisch auf einer ersten Seite eines scheibenförmigen piezoelektrischen Elements 18 gegenüber. Idealerweise sind alle vier Elektroden 19, 19a, 20, 20a formgleich ausgestaltet, im hier gezeigten Beispiel beispielsweise als gleichgroße Kreissegmente. Auf der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite ist eine
Referenzelektrode 21 angeordnet, welche in diesem Beispiel nicht elektrisch kontaktiert ist. Wie eingangs beschrieben zeichnet sich diese Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit insbesondere vorteilhaft in Bezug auf den benötigten Platzbedarf innerhalb des
Füllstandsmessgeräts 1 aus. Allerdings kann das fehlende Referenzpotential zu einer erhöhten elektrischen Kopplung führen, so dass die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektronikeinheit 6 mit einer einstellbaren Kapazität CE 9 vorteilhaft ist. Bezugszeichenliste
1 Vibronischer Sensor
2 Medium
2a Behälter
3 Sensoreinheit
4 Schwingfähige Einheit in Form einer Schwinggabel
5 Antriebs-/Empfangseinheit
6 Elektronikeinheit
7 Frequenzspektren (a-c) dreier verschiedener Sensoren mit
unterschiedlicher elektrischer Kopplung
8 Elektrische Kopplungen im Bereich des Sensorelements
9 Elektrische Kopplung im Bereich der Elektronikeinheit
10 Regeleinheit zur Regelung der vorgebbaren Phasenverschiebung
1 1 Eingangsstufe
12 Phasenschieber
13 Verstärker
14 Ausgangsstufe
15 Zentrale Recheneinheit
15a Zentrale Recheneinheit ausgestaltet zur Umschaltung zwischen erstem und zweitem
Betriebsmodus
15b Sweep-Einheit
16, 16a Schalter zum Hin- und Herschalten zwischen dem ersten und zweiten
Betriebsmodus
17 Bimorphantrieb
18 Piezoelektrisches Element
19, 19a Sendeelektrode
20,20a Empfangselektrode
21 Referenzelektrode, Masseelektrode
22 Vier-Quadranten-Antrieb fres Resonanzfrequenz entsprechend der Grundschwingungsmode
fanti Antiresonanzfrequen
Af Abstand zwischen fres und fanti
Afmax maximaler Abstand zwischen fres und fanti
Afmin minimaler Abstand zwischen fres und fanti
Cs Durch elektrische Kopplungen im Bereich des Sensorelements hervorgerufene
Kapazität
CE Durch elektrische Kopplungen im Bereich der Elektronikeinheit
hervorgerufene Kapazität UA Anregesignal
UE Empfangssignal
Δφ vorgebbare Phasenverschiebung zwischen UA und UE

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums
(2) in einem Behälter (2a) zumindest mit einer Sensoreinheit (3) und einer Elektronikeinheit (6),
wobei die Sensoreinheit
(3) zumindest umfasst
eine mechanische schwingfähige Einheit
(4), und
eine Antriebs-/Empfangseinheit
(5) umfassend zumindest ein piezoelektrisches Element (18) mit zumindest einer Sendeelektrode (19,19a) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) zu mechanischen Schwingungen mittels eines elektrischen Anregesignals (UA) und zumindest einer Empfangselektrode (20,20a) zum Empfangen der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) und zum Umwandeln der mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal (UE), und
wobei die Elektronikeinheit (6) zumindest umfasst
eine Regeleinheit (10) zur Einstellung einer vorgebbaren Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Anregesignal (UA) und dem Empfangssignal (UE),
zumindest eine parallel zur Regeleinheit (10) angeordnete einstellbare Kapazität (CE, 9), und
zumindest eine Recheneinheit (15), welche dazu ausgestaltet ist, aus dem
Empfangssignal (UE) die zumindest eine Prozessgröße zu bestimmen, und mittels der einstellbaren Kapazität (CE, 9) die Lage der Antiresonanzfrequenz (fanti) der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) einzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Elektronikeinheit
(6) eine Sweep-Einheit (15b) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) mittels eines Frequenz-Suchlaufs mit sukzessive innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalls aufeinander folgenden diskreten Anregefrequenzen umfasst, und
wobei die zumindest eine Recheneinheit (15a) zum Hin- und Herschalten zwischen zwei Betriebsmodi ausgestaltet ist, wobei in einem ersten Betriebsmodus die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) mittels der Regeleinheit (10) und in einem zweiten Betriebsmodus mittels der Sweep-Einheit (15b) erfolgt, und
wobei die zumindest eine Recheneinheit (15a) dazu ausgestaltet ist anhand des
Frequenzsuchlaufs die aktuelle Lage der Antiresonanzfrequenz (Fanti) zu ermitteln, und mittels einer Einstellung der einstellbaren Kapazität (CE, 9) zu erhöhen zu verringern. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei es sich bei der Antriebs-/Empfangseinheit (5) um einen Bimorphantrieb (17) oder um einen Vier-Quadranten-Antrieb (22) handelt.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1-3,
wobei die zumindest eine Prozessgröße gegeben ist durch einen vorgebbaren
Füllstand, die Dichte, und/oder die Viskosität des Mediums (2) in dem Behälter (2a).
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (2) in einem Behälter (2a), insbesondere einer Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine mechanische schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen
Anregesignals (UA) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (UE) umgewandelt werden,
wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (4) derart angeregt wird, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Anregesignal (UA) und dem Empfangssignal (UE) vorliegt,
wobei aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße bestimmt wird, und wobei mittels einer einstellbaren Kapazität (CE, 9) die Lage der Antiresonanzfrequenz (fanti) der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (4) in einem ersten Betriebsmodus derart angeregt wird, dass eine vorgebbare Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Anregesignal (UA) und dem Empfangssignal (UE) vorliegt,
wobei in einem zweiten Betriebsmodus die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mit sukzessive innerhalb eines vorgebbaren Frequenzintervalls aufeinander folgenden diskreten Anregefrequenzen angeregt wird, und
wobei anhand des Frequenzsuchlaufs die aktuelle Lage der Antiresonanzfrequenz (Fanti) ermittelt, und mittels einer Einstellung der einstellbaren Kapazität (CE, 9) erhöht oder verringert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die einstellbare Kapazität (CE, 9) derart eingestellt wird, dass die
Antiresonanzfrequenz (fanti) geringer ist als die Resonanzfrequenz (fres) entsprechend der Grundschwingungsmode.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 - 7,
wobei die einstellbare Kapazität (CE, 9) so eingestellt wird, dass zumindest ein vorgebbarer minimaler Abstand (Afmin ) zwischen der Antiresonanzfrequenz (fanti) und der
Resonanzfrequenz (fres) entsprechend der Grundschwingungsmode besteht. 9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 - 7,
wobei die einstellbare Kapazität (CE,
9) so eingestellt wird, dass zumindest ein vorgebbarer maximaler Abstand (Afmax ) zwischen der Antiresonanzfrequenz (fanti) und der
Resonanzfrequenz (fres) entsprechend der Grundschwingungsmode besteht.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5-9,
wobei aus dem Abstand (Af) zwischen der Antiresonanzfrequenz (fanti) und der
Resonanzfrequenz (fres) entsprechend der Grundschwingungsmode eine Aussage über den Zustand des Sensorelements (3) getroffen wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei ermittelt wird, ob die mechanisch schwingfähige Einheit (4) blockiert ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei ermittelt wird, ob zumindest eines der Bauteile der Sensoreinheit (3), insbesondere eine Membran oder zumindest eine Komponente der Antriebs-/Empfangseinheit (5), insbesondere eine Klebestelle, beschädigt ist.
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