WO2020207699A1

WO2020207699A1 - Zustandsüberwachung eines vibronischen sensors

Info

Publication number: WO2020207699A1
Application number: PCT/EP2020/056724
Authority: WO
Inventors: Romuald Girardey; Raphael KUHNEN; Izabella SANDOR
Original assignee: Endress+Hauser SE+Co. KG
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US11920972B2; DE102019109487A1; US20220196456A1

Abstract

Die vorliegen Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Spule (17), welche Spule (17) Teil einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behälter (5) ist, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen der Spule (17) mit einem elektrischen Anregesignal (A) und Empfangen eines elektrischen Empfangssignals (E) von der Spule (17), - Bestimmen einer ersten Frequenz (f₁) für das Anregesignal (A), bei welchem eine erste Phasenverschiebung (ΔΦ₁) zwischen dem Anregesignal (A) und Empfangssignal (E) kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, und - Ermitteln eines Zustandsindikators für die Spule (17) anhand der ersten Frequenz (f₁). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung (1), welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Spule, welche Spule Teil einer Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter ist, sowie eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltete Vorrichtung. Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen vibronischen Sensor. Die Vorrichtung umfasst eine mechanisch schwingfähige Einheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit, und eine Elektronikeinheit. Die Prozessgröße ist beispielsweise gegeben durch den Füllstand, insbesondere einen Grenzstand, den Durchfluss des Mediums oder auch durch dessen Dichte oder Viskosität. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behältnis, z. B. einem Behälter, einem Tank, oder auch in einer Rohrleitung. Das Medium selbst wiederum ist beispielsweise gegeben durch eine Flüssigkeit, ein Gas, oder ein Schüttgut.

Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder

Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann.

Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und

beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die

zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs- /Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.

Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor >1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten DE 102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 ,

DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschrieben.

Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz w, Amplitude A und/oder Phase F. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen vorgegebenen Füllstand, oder auch um die Dichte oder die Viskosität des Mediums, sowie um den Durchfluss handeln. Bei einem vibronischen

Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher

Resonanzfrequenzen, also anhand einer Frequenzverschiebung, unterschieden.

Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vom Medium bedeckt ist. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt geworden, wie beispielswiese die in den Dokumenten DE10050299A1 ,

DE10200704381 1A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder

DE1020161 12743A1 offenbarten.

Für die Antriebs-/Empfangseinheit selbst werden insbesondere piezoelektrische und/oder elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten verwendet. Bei auf dem piezoelektrischen Effekt basierenden Antriebs-/Empfangseinheiten kann in der Regel ein vergleichsweise hoher

Wirkungsgrad erzielt werden. Sie sind jedoch für den Einsatz bei hohen Temperaturen,

insbesondere bei Temperaturen über 300 °C nur bedingt geeignet. Eine Alternative ist in diesem Zusammenhang gegeben durch elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten gegeben, wie beispielsweise in den Druckschriften W02007/11301 1 , W02007/1 14950 A1 , DE102015104533A1 , DE1020161 12308A1 beschrieben. Die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt hier jeweils über ein Magnetfeld. Die beschriebenen Wandlereinheiten umfassen deshalb je zumindest eine Spule und einen Permanentmagneten. Mittels der Spule wird ein den Magnet durchsetzendes magnetisches Wechselfeld erzeugt und über den Magneten eine periodische Kraft auf die schwingfähige Einheit übertragen. Eine derartige Antriebs-/Empfangseinheit ist je nach verwendeten Materialien beispielsweise für einen Temperaturbereich zwischen -200°C und 500°C einsetzbar. Um das zuverlässige Arbeiten eines vibronischen Sensors zu gewährleisten, sind aus dem Stand der Technik verschiedenste Verfahren zur Diagnose möglicher Fehlfunktionen eines vibronischen Sensors bekannt geworden. Die Möglichkeit einer Zustandsüberwachung oder Diagnose ist insbesondere im Falle von sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise einem Einsatz eines Grenzstandschalters in einem mit einer brennbaren Flüssigkeit gefüllten Behälter, von großer Bedeutung. Je nach konkreter Anwendung muss das jeweilige Messgerät unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen genügen. In dieser Hinsicht ist beispielsweise der sogenannte SIL- Standard (SIL steht für Safety Integrity Level) gemäß der Normvorschrift IEC61508 bekannt geworden, welcher zwischen vier unterschiedlichen Stufen zur Spezifizierung der Anforderung für die Sicherheitsintegrität von Sicherheitsfunktionen unterscheidet. Die Sicherheitsanforderungsstufe stellt dabei im Prinzip ein Maß für die Zuverlässigkeit des jeweiligen Systems bzw. Messgeräts in Abhängigkeit von einer potentiellen Gefährdung dar. Typischerweise bereitgestellte

Sicherheitsfunktionen zur Gewährleistung eines bestimmten Levels für die Sicherheitsintegrität sind beispielsweise gegeben durch Notausschaltungen, oder das Abschalten überhitzter Geräte.

Zur Festlegung eines Sicherheitsintegritätslevels wird beispielsweise das Ausfallverhalten einzelner Baugruppen untersucht. Weiterhin wird das Vorliegen redundanter Strukturen geprüft, sowie das Verhältnis zwischen sicheren und unsicheren, bzw. gefährlichen, Fehlern. Aus derartigen

Überlegungen kann dann eine Gesamt-Ausfallrate bestimmt werden, anhand welcher dem jeweiligen System bzw. Messgerät das jeweilige Sicherheitsintegritätslevel zugeordnet wird.

Die DE102004027397A1 beschreibt eine Möglichkeit zur Detektion eines Kabelbruchs in einem vibronischen Sensor. Aus den Dokumenten DE10014724A1 und DE102009045204A1 sind Diagnosemöglichkeiten zur Erkennung von Ansatz im Bereich der schwingfähigen Einheit bekannt geworden. Aber auch Diagnosen im Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit eines vibronischen Sensors sind bekannt geworden, wie beispielsweise die in der DE102008032887A1 beschriebene Diagnose einer piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheit. In Bezug auf eine elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheit ist es wiederum aus der DE1020171 15147A1 bekannt geworden, den Zustand der Antriebs-/Empfangseinheit anhand des ohmschen Gesamtwiderstands zu beurteilen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät bereitzustellen, mit welchem auf besonders einfache Weise hohen

Sicherheitsanforderungen genügt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 14. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Spule, welche Spule Teil einer Vorrichtung zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter ist. Die Spule wird mit einem elektrischen Anregesignal beaufschlagt und ein elektrisches Empfangssignal wird von der Spule empfangen. Weiterhin wird eine erste Frequenz für das Anregesignal ermittelt, bei welcher eine erste Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und Empfangssignal kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, und anhand der ersten Frequenz ein Zustandsindikator für die Spule ermittelt.

Die Diagnose der Antriebs-/Empfangseinheit über eine erste Phasenverschiebung zwischen Anrege- und Empfangssignal ist auf besonders einfache Art und Weise realisierbar. Insbesondere ist der konstruktive Aufwand sehr gering - die Implementierung der Zustandsüberwachung erfordert nur sehr wenige zusätzliche Bauteile für den jeweiligen Sensor.

Es ist von Vorteil, wenn die erste Phasenverschiebung bei der ersten Frequenz null ist. Es wird also ein Nulldurchgang für die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der ersten Frequenz detektiert.

Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn es sich bei der ersten Frequenz um die Resonanzfrequenz der Spule in der Grundschwingungsmode handelt.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ein Istwert für die erste Frequenz mit einem Sollwert für die erste Frequenz verglichen wird, wobei der Zustandsindikator anhand einer Abweichung des Istwerts vom Sollwert ermittelt wird.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn anhand der Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert eine Aussage über ein Ausmaß einer Beschädigung an der Spule ermittelt wird. Es ist also nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Aussage über den Zustand der Spule möglich.

Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn im Falle, dass die Abweichung des Istwerts von dem Sollwert kleiner als ein vorgebbarer Wert ist, eine Meldung über eine durchzuführende Wartung generiert wird, und/oder wobei im Falle, dass die Abweichung des Istwerts von dem Sollwert größer als der vorgebbare Wert ist, ein Meldung über einen Defekt der Spule ausgegeben wird. Ist die Abweichung kleiner als der vorgebbare Grenzwert, kann der Sensor noch weiter betrieben werden. Es erfolgt in diesem Fall lediglich ein Hinweis auf eine in Kürze durchzuführende Wartung. Etwaige

Messungenauigkeiten, die aus dem Defekt herrühren, können gegebenenfalls rechnerisch ausgeglichen werden. Überschreitet die Abweichung den Grenzwert jedoch, so muss der Sensor umgehend ausgetauscht oder gewartet werden. Ein zuverlässiger Betrieb des Sensors ist nicht mehr gewährleistbar. Noch eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über das Vorliegen zumindest eines Windungsschlusses im Bereich der Spule oder um eine Aussage über eine mangelhafte elektrische Kontaktierung oder um einen Kabelbruch im Bereich der Spule oder der zumindest zwei Anschlussdrähte handelt.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet, dass anhand einer zweiten Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal bei einer zweiten Frequenz eine Aussage über eine Temperatur des Mediums ermittelt wird. Neben der Zustandsüberwachung erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Bestimmung der

Temperatur ohne die Implementierung eines weiteren temperaturempfindlichen Sensorelements.

Die Temperatur im Bereich eines vibronischen Sensors jeweils des Mediums hat einen großen Einfluss auf die Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße, insbesondere auf das jeweils

empfangene Empfangssignal. Um diesen Einfluss zu kompensieren, ist es aus der

DE102006007199A1 oder DE102009029490A1 bekannt geworden, ein vibronisches Messgerät mit einem zusätzlichen Temperatursensor zu versehen. Die Integration eines weiteren Sensors in ein Messgerät ist allerdings grundsätzlich mit einem gewissen konstruktiven Aufwand verbunden. Aus der DE1020171 14315A1 ist es hinsichtlich einer elektromagnetischen Antriebs-/Empfangseinheit wiederum bekannt geworden, die Temperatur des Mediums anhand einer elektrischen Kenngröße, beispielsweise anhand des ohmschen Widerstands, der Spule zu bestimmen. Aber auch eine solche Maßnahme ist mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden, da Mittel zur Bestimmung der jeweiligen Kenngröße bereitzustellen sind. Die erfindungsgemäße Temperaturbestimmung anhand einer zweiten Frequenz für das Anregesignal ist dagegen auf besonders einfache Art und Weise realisierbar. Die Phasenverschiebung bei der zweiten Frequenz weist eine direkte Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums auf und kann zur Temperaturbestimmung direkt herangezogen werden. So sind keine weiteren Sensorelemente oder aufwendige konstruktive Maßnahmen zur Temperaturbestimmung notwendig.

Es ist mit Hinblick auf die Temperatur des Mediums auch denkbar, dass der Einfluss der Temperatur auf ein Sensorsignal, beispielsweise für das erste Empfangssignal entsprechend der ersten

Frequenz oder eine weitere Frequenz, kompensiert wird. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit des jeweiligen Sensors bei der Ermittlung der jeweiligen Prozessgröße erhöht werden.

Es ist bezüglich der zweiten Frequenz von Vorteil, wenn die zweite Frequenz derart gewählt wird, dass sie im Bereich einer Resonanzbreite einer Resonanzschwingung der Spule bei einer maximalen Temperatur des Mediums, welche bestimmbar ist, liegt. Die von der Güte des jeweiligen Sensors abhängige Resonanzbreite wird mit zunehmender Temperatur größer. Indem die Frequenz so gewählt wird, dass sie für die maximal zu bestimmende Temperatur, beispielsweise eine maximal für den Betrieb des Sensors zulässige Temperatur, innerhalb der Resonanzbreite liegt, so kann für alle Temperaturen gewährleistet werden, dass die zweite Frequenz passend zur

Temperaturbestimmung gewählt wird. Für die zweite Frequenz zeigt die Phasenverschiebung dann eine direkte Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums, die zur Temperaturbestimmung herangezogen werden kann.

Es ist somit ebenso von Vorteil, wenn die Temperatur des Mediums anhand eines Vergleichs der zweiten Phasenverschiebung bei der zweiten Frequenz mit zumindest einer Kennlinie der zweiten Frequenz als Funktion der Temperatur ermittelt wird.

Weiterhin kann vorteilhaft anhand einer dritten Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal bei einer dritten Frequenz eine Aussage über eine Temperatur des Mediums ermittelt wird. In diesem Falle kann die Temperatur redundant bei zwei verschiedenen Frequenzen ermittelt werden.

In dieser Hinsicht ist es wiederum von Vorteil, wenn die mittels der zweiten und dritten Frequenz ermittelten Temperaturen miteinander verglichen werden. Auf diese Weise kann ein

Plausibilitätscheck hinsichtlich der Temperaturbestimmung vorgenommen werden.

Ebenso ist es bezüglich der Verwendung einer dritten Frequenz von Vorteil, wenn die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz, und wobei die dritte Frequenz kleiner ist als die erste Frequenz.

Die erste, zweite und/oder dritte Frequenz können insbesondere abwechselnd, oder jeweils auf Bedarf, beispielsweise durch geeignete Auswahl, eingestellt werden. Zusätzlich zur

Zustandsüberwachung kann auch eine Prozessgröße des Mediums, beispielsweise ein, insbesondere vorgebbarer, Füllstand, die Dichte oder die Viskosität bestimmt und/oder überwacht werden. Dafür kann eine der zur Zustandsüberwachung verwendeten Frequenzen für das

Anregesignal oder auch eine weitere, vierte Frequenz eingestellt werden. Die Zustandsüberwachung und Ermittlung der jeweiligen Prozessgröße können ebenfalls abwechselnd oder zumindest teilweise gleichzeitig vorgenommen werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur

Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis, umfassend zumindest eine Spule, welche Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Bezüglich der Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Vorrichtung um einen vibronischen Sensor umfassend eine mechanisch schwingfähige Einheit, eine Antriebs-/Empfangseinheit mit zumindest einer Spule, welche Antriebs-/Empfangseinheit dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umzuwandeln, und eine Elektronikeinheit, welche dazu ausgestaltet ist, ausgehend vom Empfangssignal das Anregesignal zu erzeugen, und aus dem Empfangssignal die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln, handelt.

In einer Ausgestaltung der Vorrichtung handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Membran, um einen Einstab oder um eine Schwinggabel.

Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um einen, insbesondere vorgebbaren, Füllstand, um die Dichte oder die Viskosität des Mediums handelt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedlichste Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors, insbesondere unterschiedliche Antriebs-/Empfangseinheiten, verwendet werden. Im Folgenden sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit zwei besonders bevorzugte Ausgestaltungen für eine Antriebs-/Empfangseinheit angegeben.

In einer Ausgestaltung umfasst die Antriebs-/Empfangseinheit zumindest

eine in mechanische Schwingungen versetzbare Membran,

zwei senkrecht zu einer Grundfläche der Membran an der Membran befestigte Stangen, ein Gehäuse, wobei die Membran zumindest einen Teilbereich einer Wandung des Gehäuses bildet, und wobei die beiden Stangen ins Gehäuseinnere hineinreichen, zwei Magnete, wobei jeweils ein Magnet in dem der Membran abgewandten Endbereich jeweils einer der beiden Stangen befestigt ist, und

eine Spule mit Kern, welche innerhalb des Gehäuses oberhalb der Magnete befestigt ist, und welche Spule mit einem elektrischen Wechselstromsignal beaufschlagbar ist, wobei die Spule dazu ausgestaltet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches Magnetfeld die beiden Stangen mittels der beiden Magnete in mechanische Schwingungen versetzt, und wobei die beiden Stangen derart an der Membran befestigt sind, dass aus den Schwingungen der beiden Stangen Schwingungen der Membran resultieren.

In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Antriebs-/Empfangseinheit zumindest

eine in mechanische Schwingungen versetzbare Membran, zumindest drei senkrecht zu einer Grundfläche der Membran an der Membran befestigte Stangen,

ein Gehäuse, wobei die Membran zumindest einen Teilbereich einer Wandung des Gehäuses bildet, und wobei die Stangen ins Gehäuseinnere hineinreichen,

zumindest drei Magnete, wobei jeweils ein Magnet in dem der Membran abgewandten Endbereich an jeder der zumindest drei Stangen befestigt ist, und

eine Spule mit Kern, welche innerhalb des Gehäuses oberhalb der Magnete befestigt ist, und welche Spule mit einem elektrischen Wechselstromsignal beaufschlagbar ist, wobei die Spule dazu ausgestaltet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches Magnetfeld die Stangen mittels der Magnete in mechanische Schwingungen versetzt,

wobei die Stangen derart an der Membran befestigt sind, dass aus den Schwingungen der Stangen Schwingungen der Membran resultieren,

wobei zumindest eine der Stangen im Wesentlichen an einem Ort entlang der Grundfläche der Membran an der Membran befestigt ist,

an welchem Ort die zweite Ableitung der Auslenkung der Membran aus einer Ruheposition, als Funktion des Orts auf der Grundfläche im Wesentlichen null ist.

Besonders bevorzugt ist darüber hinaus eine Antriebs-/Empfangseinheit nach einer der beiden beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungen mit vier Stangen. Hinsichtlich der beiden bevorzugten, beschriebenen Ausgestaltungen für die Antriebs-/Empfangseinheit wird vollumfänglich auf die Dokumente DE102015104533A1 und DE1020161 12308A1 Bezug genommen.

Ferner sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar sind und umgekehrt.

Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren Fig. 1 - Fig. 3 näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Darstellung eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,

Fig. 2: zwei mögliche Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors mit bevorzugten

elektromagnetischen Antriebs-/Empfangseinheiten,

Fig. 3 Diagramme der Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal als Funktion der Frequenz des Anregesignals je für eine funktionsfähige und eine zum Teil defekte Spule für drei unterschiedliche Temperaturen, und Fig. 4 ein Diagramm Phasenverschiebung zwischen Anregesignal und Empfangssignal als Funktion des Anregesignals für unterschiedliche Temperaturen.

In Fig. 1 a ist ein vibronisches Füllstandsmessgerät 1 gezeigt. Eine Sensoreinheit 2 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 3 in Form einer Schwinggabel taucht teilweise in ein Medium 4 ein, welches sich in einem Behälter 5 befindet. Die schwingfähige Einheit 3 wird mittels der Antriebs- /Empfangseinheit 6, in der Regel einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder

Bimorphantrieb, aber auch eine elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs- /Empfangseinheit sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Füllstandsmessgeräts möglich sind. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 7 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.

Fig. 1 b zeigt eine detailliertere Ansicht einer schwingfähigen Einheit 3 in Form einer Schwinggabel, wie sie beispielsweise für den von der Anmelderin unter der Bezeichnung LIQUIPHANT

vertriebenen vibronischen Sensor eingesetzt wird. Zu sehen ist eine Membran 8, und ein damit verbundene Schwingelemente 9. Das Schwingelement 9 weist zwei Schwingstäbe 10a, 10b auf, an welchen endseitig jeweils ein Paddel 1 1a, 11 b angeformt ist. Im Betrieb führt die Schwinggabel 3 Schwingungsbewegungen entsprechend der Schwingungsmode, mit welcher sie angeregt wird, aus. Jeder der beiden Schwingstäbe 10a, 10b verhält sich im Wesentlichen wie ein sogenannter Biegeschwinger. In der Grundschwingungsmode schwingen die beiden Schwingstäbe 10a, 10b beispielsweise gegenphasig zueinander.

Obgleich im Rahmen der vorliegenden Erfindung zahlreiche unterschiedliche Ausgestaltungen für die Antriebs-/Empfangseinheit 6 verwendet werden können, bezieht sich die nachfolgende

Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf elektromagnetische Antriebs- /Empfangseinheiten 6 mit zumindest einer Spule, wie sie in den Dokumenten DE102015104533A1 oder DE1020161 12308A1 beschrieben sind. Auf beide Patentanmeldungen wird ferner im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich Bezug genommen.

In Fig. 2a ist eine schematische Ansicht einer derartigen Antriebs-/Empfangseinheit 6 gezeigt. Ein Gehäuse 12 schließt mit der unteren Wandung mit einer Membran 8 ab, welche der schwingfähigen Einheit 3 zuzuordnen ist. Für die hier gezeigte Ausgestaltung ist das Gehäuse 12 zylinderförmig und die scheibenförmige Membran 8 hat eine kreisrunde Querschnittsfläche A. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Geometrien denkbar sind und unter die vorliegende Erfindung fallen. Senkrecht zur Grundfläche A der Membran 8 und ins Innere des Gehäuses 12 hineinreichend sind zwei Stangen 15a, 15b an der Membran 8 befestigt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine kraftschlüssige Verbindung. Die Grundfläche A der Membran 8 liegt dann in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung der Stangen 15a, 15b.

In dem der Membran 8 abgewandten Endbereich der Stangen 15a, 15b ist jeweils ein Magnet 16a, 16b insbesondere ein SmCo- oder Alnico-Magnet, befestigt. Die Magnete 16a, 16b sind bevorzugt alle gleich ausgerichtet bzw. orientiert. Oberhalb der Magnete 16a, 16b ist eine Spule 17 angeordnet, welche einen um den Kern 18 gewickelten Draht umfasst. Der Kern 18 der Spule 17 ist Teil einer topfförmigen Ankereinheit 19 mit einem Boden 20 sowie einer Umfangswandung 21. Beispielsweise kann der Boden 20 ebenso wie die Grundfläche A der Membran 8 eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Vom Boden 20 der topfförmigen Ankereinheit 19 reicht der Kern 18 der Spule 17 in Form eines Stutzens zentrisch ins Innere der Ankereinheit 19. Die Umfangswandung 21 hat in diesem Falle dann die Funktion einer magnetischen Feldrückführung inne. Die Stangen 15a, 15b mit den Magneten 16a und 16b berühren die Spule 17 und den Kern 18 nicht. Die Spule 17 wird im fortlaufenden Betrieb zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes mit einem

Wechselstromsignal beaufschlagt. Hierzu verfügt die Spule über zwei in Fig. 2a nicht gezeigte Anschlussdrähte.

Aufgrund des Wechselfeldes werden die Stangen 15a und 15b über die Magnete 16a und 16b horizontal, d. h. senkrecht oder quer zu ihrer Längsachse, ausgelenkt derart, dass sie in

Schwingungen versetzt werden. Einerseits haben die Stangen 15a und 15b dann eine

Hebelwirkung, durch welche die durch die horizontale Auslenkung erzeugte Biegung der Stangen 15a und 15b auf die Membran 8 übertragen wird derart, dass die Membran 8 in Schwingungen versetzt wird. Andererseits handelt es sich bei der Kombination aus den beiden Stangen 15a und 15b sowie der Membran 8 aber um einen eigenen Resonator.

Fig. 2b zeigt eine elektromechanische Wandlereinheit 6 ähnlich wie in Fig. 2a mit dem Unterschied, dass gemäß Fig. 2b drei Stangen 15a-15c sowie drei Magnete 16a-16c vorhanden sind, wie in der DE1020161 12308A1 offenbart. Die elektromechanische Wandlereinheit kann aber auch über vier oder mehr Stangen verfügen.

Im Falle der Ausgestaltungen aus Fig. 2 bilden die beiden Schwingstäbe 10a, 10b der mechanisch schwingfähige Einheit 3 sowie die Stangen 15a-15c der Wandlereinheit 6 jeweils mit der Membran 8 einen mechanischen Resonator. Dabei ist die Membran 8 bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, einstückig ausgestaltet. Insbesondere kann sie sowohl der schwingfähigen Einheit 3 als auch der Wandlereinheit 6 zugeordnet werden. Erfindungsgemäß wird eine Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors durchgeführt, bei welcher anhand einer ersten Frequenz für das Anregesignal, bei welchem eine erste

Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und Empfangssignal kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, ein Zustandsindikator für die Spule ermittelt wird.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zustandsüberwachung der Spule 17 ist in Fig. 3 illustriert. Die Zustandsüberwachung beruht darauf, dass die erste Phasenverschiebung DFi zwischen dem Anregesignal A und dem Empfangssignal E als Funktion der Frequenz f des

Anregesignals A durch den Zustand der Spule 17 direkt beeinflusst wird. In Fig. 3a-3c ist die erste Phasenverschiebung DFi (f) für drei unterschiedliche Temperaturen jeweils für eine voll funktionsfähige Spule 17 (a) und eine teilweise kurzgeschlossenen Spule 17 (b) gezeigt. Die Prozesstemperatur T beträgt für Fig. 3a T i=RT, für Fig. 3b T₂=350°C und für Fig. 3c T₃=400°C.

Ein Defekt an der Spule 17 führt zu einer Verschiebung der Phasenverschiebung Df bei einer vorgebbaren ersten Frequenz T für das Anregesignal A. Für die hier gezeigte Ausgestaltung ist die erste Frequenz T derart gewählt, dass DFi=0 gilt, also bei einem Nulldurchgang für die erste Phasenverschiebung DFi . Bei dieser Frequenz T wird der Nulldurchgang der erste

Phasenverschiebung DFi von der Prozesstemperatur T nicht beeinflusst. Bei einem Defekt an der Spule 17 ändert sich die Frequenz T auf den Wert fT. Der Nulldurchgang für die erste

Phasenverschiebung DFi befindet sich also nun beim Istwert fT, welcher vom Sollwert T abweicht. Anhand der Abweichung des Istwerts fT für die erste Frequenz vom Sollwert T kann also auf einen Defekt an der Spule 17 geschlossen werden. Die Größe der Abweichung zwischen Ist- und Sollwert gibt ferner Aufschluss über den Grad des Defekts an der Spule 17.

Die Möglichkeit einer zusätzlichen Temperaturbestimmung T anhand der ersten

Phasenverschiebung DF₂ als Funktion der Frequenz f des Anregesignals ist schließlich in Fig. 4 illustriert. Die Temperatur T wird bei einer zweiten Frequenz f₂ entsprechend einer zweiten

Phasenverschiebung DF₂ bestimmt. Die zweite Frequenz f₂ wird derart gewählt, dass sie im Bereich einer Resonanzbreite einer Resonanzschwingung der Spule 17 bei einer maximalen Temperatur T des Mediums, 4 welche bestimmbar ist, liegt. Aus der in Fig. 4 dargestellten Grafik ist ersichtlich, dass die zweite Frequenz f2, bei welcher die zweite Phasenverschiebung DF₂ vorliegt, von der Temperatur T des Mediums abhängig ist. So kann die Temperatur T beispielsweise anhand einer Kennlinie, welche die zweite Frequenz f₂ als Funktion der Temperatur T angibt, bestimmt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, eine dritte Phasenverschiebung A<t>₃ zu bestimmen, welche einer dritten Frequenz f₃ für das Anregesignal A entspricht. Auch bei der dritten Phasenverschiebung DF₃ kann, insbesondere anhand eines Vergleichs mit einer Kennlinie, eine Aussage über die Temperatur T des Mediums 4 gemacht werden. Die beiden bei den beiden Phasenverschiebungen DF₂ und DF₃ ermittelten Temperaturen können darüber hinaus, insbesondere zum Zweck eines

Plausibilitätschecks, miteinander verglichen werden. Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Zustandsüberwachung für einen vibronischen Sensor 1 und ggf. zusätzlich eine Bestimmung der Temperatur T des Mediums 4 auf besonders einfache Weise und insbesondere ohne Integration weiterer Komponenten in den vibronischen Sensor 1. Die Zustandsüberwachung kann parallel oder abwechselnd zum normalen Messbetrieb des Sensors 1 erfolgen. Insbesondere ist neben einer qualitativen Aussage über den Zustand des Sensors auch eine quantitative Aussage über das Ausmaß eines Defekts möglich.

Bezugszeichenliste

1 Vibronischer Sensor

2 Sensoreinheit

3 Schwingfähige Einheit

4 Medium

5 Behältnis

6 Antriebs-/Empfangseinheit

7 Elektronikeinheit

8 Membran der schwingfähigen Einheit

9 Schwingelement

10a, 10b Schwingstäbe

1 1 a, 1 1 b Paddel

12 Gehäuse der elektromechanischen Wandlereinheit

15a- 15c Stangen

16a- 16c Magnete

17 Spule

18 Kern der Spule

19 topfförmige Ankereinheit

20 Boden

21 Umfangsbewandung

T,Ti-T₃ Temperatur des Mediums

A Anregesignal

E Empfangssignal

f Frequenz des Anregesignals

DF, DFi- DF₃ Phasenverschiebung

a,b Signale bei verschiedenen Zuständen der Spule f, fi-f₃ Frequenz des Anregesignals

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Spule (17), welche Spule (17) Teil einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behälter (5) ist,

umfassend folgende Verfahrensschritte

Beaufschlagen der Spule (17) mit einem elektrischen Anregesignal (A) und

Empfangen eines elektrischen Empfangssignals (E) von der Spule (17),

Bestimmen einer ersten Frequenz (fi) für das Anregesignal (A), bei welchem eine erste Phasenverschiebung (DFi) zwischen dem Anregesignal (A) und

Empfangssignal (E) kleiner als ein vorgebbarer Grenzwert ist, und

Ermitteln eines Zustandsindikators für die Spule (17) anhand der ersten Frequenz (fi)·

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

wobei die erste Phasenverschiebung (DFi) bei der ersten Frequenz (fi) null ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

wobei es sich bei der ersten Frequenz (fi) um die Resonanzfrequenz der Spule (17) in der Grundschwingungsmode handelt.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,

wobei ein Istwert für die erste Frequenz (fi‘) mit einem Sollwert für die erste Frequenz (fi) verglichen wird, und wobei der Zustandsindikator anhand einer Abweichung des Istwerts (fi‘) vom Sollwert (fi) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

wobei anhand der Abweichung zwischen dem Istwert (fi‘) und dem Sollwert (fi) eine Aussage über ein Ausmaß einer Beschädigung an der Spule (17) ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,

wobei im Falle, dass die Abweichung des Istwerts (fi‘) von dem Sollwert (fi) kleiner als ein vorgebbarer Wert ist, eine Meldung über eine durchzuführende Wartung generiert wird, und/oder

wobei im Falle, dass die Abweichung des Istwerts (fi‘) von dem Sollwert (fi) größer als der vorgebbare Wert ist, eine Meldung über einen Defekt der Spule (17) ausgegeben wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,

wobei es sich bei dem Zustandsindikator um eine Aussage über das Vorliegen zumindest eines Windungsschlusses im Bereich der Spule (17) oder um eine Aussage über eine mangelhafte elektrische Kontaktierung oder um einen Kabelbruch im Bereich der Spule (17) oder der zumindest zwei Anschlussdrähte handelt.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,

wobei anhand einer zweiten Phasenverschiebung (DF2) zwischen dem Anregesignal (A) und dem Empfangssignal (E) bei einer zweiten Frequenz (f2) eine Aussage über eine Temperatur (T) des Mediums (4) ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

wobei die zweite Frequenz (f₂) derart gewählt wird, dass sie im Bereich einer

Resonanzbreite einer Resonanzschwingung der Spule (17) bei einer maximalen Temperatur (T) des Mediums (4), welche bestimmbar ist, liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,

wobei die Temperatur (T) des Mediums (4) anhand eines Vergleichs der zweiten Phasenverschiebung (DF₂) bei der zweiten Frequenz mit zumindest einer Kennlinie der zweiten Frequenz als Funktion der Temperatur (T) ermittelt wird.

1 1 . Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8-10,

wobei anhand einer dritten Phasenverschiebung (DF₃) zwischen dem Anregesignal (A) und dem Empfangssignal (E) bei einer dritten Frequenz (f₃) eine Aussage über eine Temperatur des Mediums ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8 und 1 1 ,

wobei die mittels der zweiten (f₂) und dritten Frequenz (f₃) ermittelten Temperaturen (T) miteinander verglichen werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12,

wobei die zweite Frequenz (f₂) größer ist als die erste Frequenz (fi), und wobei die dritte Frequenz (f₃) kleiner ist als die erste Frequenz (fi).

14. Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behältnis (5), umfassend zumindest eine Spule (17), welche Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

wobei es sich bei der Vorrichtung (1) um einen vibronischen Sensor

umfassend

- eine mechanisch schwingfähige Einheit (4),

- eine Antriebs-/Empfangseinheit (6) mit zumindest einer Spule (17), welche Antriebs- /Empfangseinheit (6) dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines elektrischen Anregesignals (A) zu mechanischen Schwingungen anzuregen und die mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal (E) umzuwandeln, und

- eine Elektronikeinheit (7), welche dazu ausgestaltet ist, ausgehend vom

Empfangssignal (E) das Anregesignal (A) zu erzeugen, und aus dem Empfangssignal (E) die zumindest eine Prozessgröße zu ermitteln,

handelt.