DE102019114174A1 - Vibronic multi-sensor - Google Patents

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Tobias Brengartner
Sergey Lopatin
Dieter Waldhauser
Thomas Alber
Philipp Leufke
Markus Kilian
Rebecca PAGE
Alfred Rieder
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein, insbesondere computerimplementiertes Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium (M) mit einem Sensor (1) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte,- Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem ersten Anregesignal (11) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode (S1) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines ersten Empfangssignals (X1),- Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem zweiten Anregesignal (12) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode (S2) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines zweiten Empfangssignals (X2),- Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2),- Bestimmen eines Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2), und- Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f1,A1).The present invention relates to a particularly computer-implemented method for the detection of gas bubbles in a liquid medium (M) with a sensor (1) with a mechanically oscillatable unit (4), comprising the following method steps, excitation of the oscillatable unit (4) with a first Excitation signal (11) for generating mechanical vibrations of the vibratable unit (4) according to a first predeterminable vibration mode (S1) of the vibratable unit (4), and receiving the mechanical vibrations from the mechanically vibratable unit (4) in the form of a first reception signal (X1 ), - Exciting the oscillatable unit (4) with a second excitation signal (12) for generating mechanical oscillations of the oscillatable unit (4) according to a second predeterminable oscillation mode (S2) of the oscillatable unit (4), and receiving the mechanical oscillations from the mechanically oscillatable unit (4) in the form of a second received signal (X2), - Determine n a first and second characteristic variable (f, A) of the first (X1) and second received signal (X2), - determining a ratio (V) of the first (f1, A1) and second characteristic variable (f2, A2), and- Generating a statement about the presence of gas bubbles based on the ratio (V) of the first (f1, A1) and second characteristic variable (f1, A1).

Description

Die Erfindung betrifft ein, insbesondere computerimplementiertes, Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit einem Sensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt. Bei dem Sensor handelt es sich um eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße des Mediums, insbesondere um einen vibronischen Sensor oder um ein nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitendes Feldgerät. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung. Die Prozessgröße wiederum ist beispielsweise ein, insbesondere vorgebbarer Füllstand, ein Durchfluss, die Dichte oder die Viskosität des Mediums.The invention relates to a, in particular computer-implemented, method for the detection of gas bubbles in a liquid medium with a sensor with a mechanically oscillatable unit. The invention also relates to a computer program and a computer program product. The sensor is a device for determining and / or monitoring at least one process variable of the medium, in particular a vibronic sensor or a field device operating according to the Coriolis measuring principle. The medium is located in a container, for example in a container or in a pipeline. The process variable in turn is, for example, a fill level, in particular a specifiable fill level, a flow rate, the density or the viscosity of the medium.

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.Vibronic sensors are widely used in process and / or automation technology. In the case of fill level measuring devices, they have at least one mechanically oscillatable unit, such as an oscillating fork, a single rod or a membrane. During operation, this is excited to mechanical vibrations by means of a drive / receiver unit, often in the form of an electromechanical converter unit, which in turn can be, for example, a piezoelectric drive or an electromagnetic drive. Corresponding field devices are manufactured by the applicant in a large variety and sold, for example, under the name LIQUIPHANT or SOLIPHANT. The underlying measurement principles are known in principle from a large number of publications. The drive / receiver unit stimulates the mechanically oscillatable unit to produce mechanical oscillations by means of an electrical excitation signal. Conversely, the drive / receiver unit can receive the mechanical vibrations of the mechanically vibratable unit and convert them into an electrical received signal. The drive / receiver unit is accordingly either a separate drive unit and a separate receiver unit, or a combined drive / receiver unit.

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 DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschrieben.In many cases, the drive / receiver unit is part of a feedback electrical oscillating circuit, by means of which the mechanically oscillatable unit is excited into mechanical oscillations. For example, for a resonant oscillation, the resonant circuit condition, according to which the gain factor ≥ 1 and all phases occurring in the resonant circuit result in a multiple of 360 °, must be fulfilled. A certain phase shift between the excitation signal and the received signal must be guaranteed to excite and fulfill the resonant circuit condition. Therefore, a specifiable value for the phase shift, that is to say a setpoint value for the phase shift between the excitation signal and the received signal, is often set. A wide variety of solutions, both analog and digital methods, have become known for this from the prior art, for example in the documents DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 or DE00102010030982A1 described.

Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. 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.Both the excitation signal and the received signal are characterized by their frequency ω, amplitude A and / or phase Φ. Accordingly, changes in these variables are usually used to determine the respective process variable. The process variable can be, for example, a fill level, a predetermined fill level, or the density or viscosity of the medium, as well as the flow rate. In the case of a vibronic level switch for liquids, a distinction is made, for example, between whether the oscillatable unit is covered by the liquid or whether it oscillates freely. These two states, the free state and the covered state, are distinguished, for example, on the basis of different resonance frequencies, that is to say on the basis of a frequency shift.

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 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 offenbarten.The density and / or viscosity, in turn, can only be determined with such a measuring device if the oscillatable unit is covered by the medium. In connection with the determination of the density and / or viscosity, different possibilities have also become known from the prior art, such as those in the documents DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 or DE102016112743A1 revealed.

Bei nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitenden Messgeräten, welche beispielsweise zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses oder der Dichte dienen, wird als schwingfähige Einheit dagegen ein in einem Gehäusemodul schwingfähig gehaltertes mit einer Rohrleitung kommunizierendes Messrohr eingesetzt, welches zumindest zeitweise zu Schwingungen um eine statische Ruhelage, insbesondere Biegeschwingungen, angeregt wird. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind ebenfalls aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt und beispielsweise in der US-A 47 93 191 , der US-A 48 23 614 , der * US-A 48 31 885 , der US-A 56 02 345 , der US-A 2007/0151368 , der US-A 2010/0050783 , der WO-A 96/08697 , der WO-A 2009/120222 oder der WO-A 2009/120223 ausführlich und detailliert beschrieben.In the case of measuring devices working according to the Coriolis measuring principle, which are used, for example, to determine and / or monitor the mass flow rate or the density, a measuring tube, which is held in a housing module and can oscillate and communicates with a pipeline, is used as an oscillating unit Rest position, in particular bending vibrations, is excited. The underlying measurement principles are also known from a large number of publications and, for example, in US-A 47 93 191 , the US-A 48 23 614 , the * US-A 48 31 885 , the US-A 56 02 345 , the US-A 2007/0151368 , the US-A 2010/0050783 , the WO-A 96/08697 , the WO-A 2009/120222 or the WO-A 2009/120223 described in detail and in detail.

Eine Problematik bei auf mechanischen Schwingungen basierenden Sensoren betrifft das Vorhandensein von Gasblasen in unterschiedlichen Medien. Gasblasen haben einen großen Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften von Flüssigkeiten. Entsprechend kann es zu einer ungewollten, nicht mit der jeweils betrachteten Prozessgröße in Zusammenhang stehenden, Veränderungen der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit und damit einhergehend zu verfälschten Messwerten für die jeweilige Prozessgröße kommen.A problem with sensors based on mechanical vibrations relates to the presence of gas bubbles in different media. Gas bubbles have a major influence on the viscoelastic properties of liquids. Correspondingly, there may be unwanted changes in the oscillation frequency of the oscillatable unit that are not related to the process variable being considered, and thus falsified measured values for the respective process variable.

Für die Entstehung von Gasblasen in flüssigen Medien können unterschiedlichste Ursachen verantwortlich sein, wie ein Rühr- oder Pumpvorgang im Prozess, eine Ausgasung gelöster Luft nach einer Drucksenkung im Medium, oder auch eine Änderung der Medientemperatur. Besonders häufig kommt es in Süßwasser oder wässrigen Lösung zur Bildung von Gasblasen. Dabei spielen sowohl im Medium verteilte, also auch auf einer Oberfläche der jeweiligen Sensoreinheit des Sensors, welche die schwingfähige Einheit umfasst, abgeschiedene Gasblasen eine Rolle.. A wide variety of causes can be responsible for the formation of gas bubbles in liquid media, such as stirring or pumping in the process, outgassing of dissolved air after a pressure drop in the medium, or a change in the medium temperature. Gas bubbles are particularly common in fresh water or aqueous solutions. Gas bubbles that are distributed in the medium and also separated on a surface of the respective sensor unit of the sensor, which includes the oscillatable unit, play a role.

Aus der DE102015122661A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Ermitteln eines physikalischen Parameters einer mit Gas beladenen Flüssigkeit für ein nach dem Coriolis-Durchflussmessgerät bekannt geworden. Die schwingfähige Einheit wird in zwei unterschiedlichen Schwingungsmodi zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche unterschiedlich stark von innerhalb des Mediums vorhandenen Gasblasen abhängen. Aus dem Verhältnis der für die Dichte und/oder den Massendurchfluss berechneten Werte in den beiden Schwingungsmodi kann der Einfluss der Gasblasen auf die Messung ermittelt und korrigiert werden.From the DE102015122661A1 For example, a method for determining a physical parameter of a liquid laden with gas for a Coriolis flow measuring device has become known. The oscillatable unit is excited to mechanical oscillations in two different oscillation modes, which depend to varying degrees on gas bubbles present within the medium. The influence of the gas bubbles on the measurement can be determined and corrected from the ratio of the values calculated for the density and / or the mass flow rate in the two oscillation modes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zuverlässigen Messbetrieb eines Sensors mit einer schwingfähigen Einheit im Falle einer Gasblasenbildung auf einfache Art und Weise zu ermöglichen.The present invention is based on the object of enabling reliable measuring operation of a sensor with an oscillatable unit in a simple manner in the event of gas bubble formation.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das Computerprogramm nach Anspruch 15 sowie das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16.This object is achieved by the method according to claim 1, by the computer program according to claim 15 and the computer program product according to claim 16.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit einem Sensor mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, umfassend folgende Verfahrensschritte:

  • - Anregen der schwingfähigen Einheit mit einem ersten Anregesignal zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit, und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit in Form eines ersten Empfangssignals,
  • - Anregen der schwingfähigen Einheit mit einem zweiten Anregesignal zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit, und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit in Form eines zweiten Empfangssignals,
  • - Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe des ersten und zweiten Empfangssignals,
  • - Bestimmen eines Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe, und
  • - Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe.
With regard to the method, the object is achieved by a method, in particular a computer-implemented method, for the detection of gas bubbles in a liquid medium with a sensor with a mechanically oscillatable unit, comprising the following method steps:
  • - Exciting the oscillatable unit with a first excitation signal for generating mechanical vibrations of the oscillatable unit according to a first predeterminable oscillation mode of the oscillatable unit, and receiving the mechanical vibrations from the mechanically oscillatable unit in the form of a first received signal,
  • - Exciting the oscillatable unit with a second excitation signal for generating mechanical oscillations of the oscillatable unit according to a second predeterminable oscillation mode of the oscillatable unit, and receiving the mechanical oscillations from the mechanically oscillatable unit in the form of a second received signal,
  • - determining a first and second characteristic variable of the first and second received signal,
  • - determining a ratio of the first and second characteristic variables, and
  • - Generating a statement about the presence of gas bubbles on the basis of the ratio of the first and second characteristic variables.

Die schwingfähige Einheit ist Teil einer Sensoreinheit des Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums. Im Falle eines vibronischen Sensors handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit beispielsweise um einen Einstab oder um eine Schwinggabel. Im Falle eines Durchflussmessgeräts dagegen ist die schwingfähige Einheit gegeben durch ein Messrohr. Bei dem ersten und zweiten Anregesignal handelt es sich jeweils um ein elektrisches Signal mit einer vorgebbaren ersten bzw. zweiten Frequenz, insbesondere um ein sinusförmiges oder um ein rechteckförmiges Signal. Vorzugsweise wird die mechanisch schwingfähige Einheit zumindest zeitweise zu Resonanzschwingungen angeregt. Die mechanischen Schwingungen werden durch das die schwingfähige Einheit umgebende Medium beeinflusst, so dass anhand eines die Schwingungen repräsentierenden Empfangssignals Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften bzw. Prozessgrößen des Mediums möglich sind.The oscillatable unit is part of a sensor unit of the sensor for determining and / or monitoring at least one process variable of a medium. In the case of a vibronic sensor, the oscillatable unit is, for example, a single rod or an oscillating fork. In the case of a flow meter, on the other hand, the oscillatable unit is given by a measuring tube. The first and second excitation signals are each an electrical signal with a predeterminable first or second frequency, in particular a sinusoidal or a square-wave signal. The mechanically oscillatable unit is preferably excited at least temporarily to resonate oscillations. The mechanical vibrations are influenced by the medium surrounding the vibratable unit, so that conclusions can be drawn about various properties or process variables of the medium on the basis of a received signal representing the vibrations.

Das erste und das zweite Empfangssignal werden jedoch ebenfalls durch die Anwesenheit von Gasblasen beeinflusst. Da der Einfluss der Gasblasen auf das erste und zweite Empfangssignal jedoch unterschiedlich ist, kann anhand der Auswertung des Verhältnisses der beiden charakteristischen Größen der beiden Empfangssignale in den beiden unterschiedlichen Schwingungsmoden entsprechend eine Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen gemacht werden. Das Verfahren ist vorteilhaft sehr einfach umsetzbar. Es sind keine aufwendigen konstruktiven Maßnahmen oder weitere Sensoreinheiten notwendig. Vielmehr bedarf es lediglich der Anregung der schwingfähigen Einheit mit zwei unterschiedlichen Anregesignalen zur Erzeugung zweier unterschiedlicher Schwingungsmoden. Die beiden Schwingungsmoden können gleichzeitig, also einander überlagert, oder abwechselnd, insbesondere sequentiell, angeregt werden.However, the first and second received signals are also influenced by the presence of gas bubbles. However, since the influence of the gas bubbles on the first and second received signal is different, a statement about the presence of gas bubbles can be made based on the evaluation of the ratio of the two characteristic quantities of the two received signals in the two different oscillation modes. The method is advantageously very easy to implement. No complex structural measures or additional sensor units are necessary. Rather, it only needs the excitation of the oscillatable unit with two different excitation signals to generate two different vibration modes. The two oscillation modes can be excited simultaneously, that is to say superimposed on one another, or alternately, in particular sequentially.

In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der ersten Schwingungsmode um eine Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die Massenverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der schwingfähigen Einheit derart gewählt ist/sind, dass die Grundschwingungsmode bei einer Frequenz f1<1,5 kHz liegt.In one embodiment of the invention, the first oscillation mode is a fundamental oscillation mode of the oscillatable unit. In this regard, it is advantageous if the mass distribution, rigidity and / or geometry of the oscillatable unit is / are chosen such that the fundamental oscillation mode is at a frequency f 1 <1.5 kHz.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die zweite Schwingungsmode derart gewählt wird, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit von der Bildung von Gasblasen im Bereich der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflusst werden. Die höhere Schwingungsmode wird demnach bewusst mit Hinblick auf die Detektion der Gasblasen ausgewählt. Eine Bestimmung und/oder Überwachung der jeweiligen Prozessgröße wird dann bevorzugt anhand einer anderen Schwingungsmode durchgeführt.A further particularly preferred embodiment includes that the second oscillation mode is selected in such a way that the oscillations of the oscillatable unit are influenced by the formation of gas bubbles in the area of the mechanically oscillatable unit. The higher oscillation mode is therefore deliberately selected with a view to detecting the gas bubbles. The respective process variable is then preferably determined and / or monitored on the basis of a different oscillation mode.

Bezüglich der zweiten Schwingungsmode ist es von Vorteil, wenn die höhere Schwingungsmode derart gewählt wird, dass die Frequenz der zweiten Schwingungsmode in einem Frequenzbereich liegt, in welchem eine Eigenfrequenz der Gasblasen liegt. Die Eigenfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz von Gasblasen hängt dabei unter anderem von den, insbesondere physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums und von der Blasengröße ab. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben, welche im Bereich der Resonanzfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegt, so wird die Schwingungsenergie des Sensors durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit ist sehr stark gedämpft oder nicht mehr möglich.With regard to the second oscillation mode, it is advantageous if the higher oscillation mode is selected such that the frequency of the second oscillation mode lies in a frequency range in which a natural frequency of the gas bubbles lies. The natural frequency or the resonance frequency of gas bubbles depends, among other things, on the, in particular physical and / or chemical properties of the medium and on the bubble size. If the sensor is operated at frequencies which are in the range of the resonance frequency of the gas bubbles occurring, the vibration energy of the sensor is absorbed by the gas bubbles and a resonance vibration of the vibratable unit is very strongly damped or no longer possible.

Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Schwingungsmode um eine erste höhere Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit.The second oscillation mode is preferably a first, higher oscillation mode of the oscillatable unit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der ersten und zweiten charakteristischen Größe des ersten und zweiten Empfangssignals um eine Frequenz, eine Amplitude, oder eine aus zumindest der Frequenz oder der Amplitude abgeleitete Größe handelt.Another embodiment of the invention includes that the first and second characteristic variables of the first and second received signals are a frequency, an amplitude, or a variable derived from at least the frequency or the amplitude.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass im Falle, dass das Verhältnis der ersten und zweiten charakteristischen Größe null beträgt, oder eine Steigung des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe als Funktion der Zeit einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorhandensein von Gasblasen geschlossen wird. Im Falle des Vorhandenseins von Gasblasen ist eine Anregung der schwingfähigen Einheit in einer durch die Gasblasen beeinflussten Schwingungsmode, beispielsweise der zweiten Schwingungsmode, nicht mehr möglich. Es kann keine Frequenz bzw. Amplitude für das entsprechende zweite Empfangssignal mehr detektiert werden.A particularly preferred embodiment includes that in the event that the ratio of the first and second characteristic variable is zero or a slope of the ratio of the first and second characteristic variable as a function of time exceeds a predeterminable limit value, the presence of gas bubbles is concluded. If gas bubbles are present, it is no longer possible to excite the vibratable unit in an vibration mode influenced by the gas bubbles, for example the second vibration mode. It is no longer possible to detect a frequency or amplitude for the corresponding second received signal.

Eine andere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass im Falle, dass das Verhältnis der ersten und zweiten charakteristischen Größe größer als null ist oder eine Steigung des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe als Funktion der Zeit einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet wird, darauf geschlossen wird, dass keine Gasblasen vorhanden sind.Another particularly preferred embodiment includes that in the event that the ratio of the first and second characteristic variable is greater than zero or a slope of the ratio of the first and second characteristic variable as a function of time falls below a predeterminable limit value, it is concluded that there are no gas bubbles.

Noch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass anhand des ersten Empfangssignals eine Prozessgröße des Mediums anhand des ersten Empfangssignals ermittelt wird. Bevorzugt handelt es sich bei der Prozessgröße um einen, insbesondere vorgebbaren, Füllstand, einen Durchfluss, die Dichte oder die Viskosität des Mediums. Insbesondere die Bestimmung der Dichte des Mediums zeigt eine empfindliche Abhängigkeit vom Vorhandensein von Gasblasen in der jeweiligen Flüssigkeit.Another embodiment of the method according to the invention includes that a process variable of the medium is determined on the basis of the first received signal on the basis of the first received signal. The process variable is preferably a fill level, in particular a predeterminable fill level, a flow rate, the density or the viscosity of the medium. In particular, the determination of the density of the medium shows a sensitive dependence on the presence of gas bubbles in the respective liquid.

Es ist von Vorteil, wenn die Prozessgröße nur im Falle, dass keine Gasblasen vorhanden sind, ermittelt wird.It is advantageous if the process variable is only determined when there are no gas bubbles.

Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn während eines Zeitintervalls, in welchem Gasblasen vorhanden sind, ein zuletzt vor Entstehung der Gasblasen ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird, und/oder wobei während eines Zeitintervalls, in welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind, jeweils ein aktuell ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird.It is also advantageous if, during a time interval in which gas bubbles are present, a value for the process variable that was last determined before the formation of the gas bubbles is output, and / or a current value in each case during a time interval in which there are no more gas bubbles determined value for the process variable is output.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des Verhältnisses der ersten und zweiten charakteristischen Größe eine Prozessüberwachung vorgenommen wird. Das Vorhandensein von Gasblasen kann in bestimmten Prozessen auch gewünscht und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht oder verifiziert werden.Another particularly preferred embodiment includes that process monitoring is carried out on the basis of the ratio of the first and second characteristic variables. The presence of gas bubbles can also be desired in certain processes and monitored or verified by means of the method according to the invention.

So kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise vorteilhaft eine Gärung oder ein Desinfektionsprozess überwacht werden. Für derartige Prozesse ist das Vorhandensein von Gasblasen während einzelner Verfahrensschritte zwingend erforderlich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hier einerseits einen Aufschluss über das tatsächliche Vorhandensein der Gasblasen geben. Darüber hinaus kann auch ein Zeitpunkt ermittelt werden, zu welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind. Anhand dieses Zeitpunkts können dann beispielsweise weitere Prozessschritte eingeleitet oder Prozessgrößen des Mediums bestimmt und/oder überwacht werden.For example, fermentation or a disinfection process can advantageously be monitored by means of the method according to the invention. The presence of gas bubbles during individual process steps is absolutely necessary for such processes. The inventive method can on the one hand provide information about the actual presence of the gas bubbles. In addition, a point in time can also be determined at which there are no more gas bubbles. On the basis of this point in time, for example, further process steps can then be initiated or process variables of the medium can be determined and / or monitored.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.The object on which the invention is based is further achieved by a computer program for detecting gas bubbles in a liquid medium with computer-readable program code elements which, when executed on a computer, cause the computer to execute at least one embodiment of the method according to the invention.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.The object on which the invention is based is also achieved by a computer program product with a computer program according to the invention and at least one computer-readable medium on which at least the computer program is stored.

Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm und das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt anwendbar sind und umgekehrt.It should be pointed out that the configurations described in connection with the method according to the invention can also be applied mutatis mutandis to the computer program according to the invention and the computer program product according to the invention, and vice versa.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Skizze eines (a) vibronischen Sensors und (b) eines nach dem Coriolis-Messprinzip arbeitendes Feldgerät gemäß Stand der Technik,
  • 2 eine schematische Darstellung des Einflusses von Gasblasen auf das Empfangssignal,
  • 3 Diagramme der Frequenz des ersten und zweiten Empfangssignals sowie des Verhältnisses der ersten und zweiten Frequenz je als Funktion der Zeit, und
  • 4 Diagramme der Amplitude des ersten und zweiten Empfangssignals sowie des Verhältnisses der ersten und zweiten Amplitude je als Funktion der Zeit.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
  • 1 a schematic sketch of a (a) vibronic sensor and (b) a field device operating according to the Coriolis measuring principle according to the prior art,
  • 2 a schematic representation of the influence of gas bubbles on the received signal,
  • 3 Diagrams of the frequency of the first and second received signal and of the ratio of the first and second frequency as a function of time, and
  • 4th Diagrams of the amplitude of the first and second received signal and of the ratio of the first and second amplitude as a function of time.

In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.In the figures, the same elements are provided with the same reference numerals.

1a zeigt einen vibronischen Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 2 mit einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche insbesondere zur Bestimmung und/oder Überwachung eines, insbesondere vorgebbaren, Füllstands, der Dichte und/oder der Viskosität des Mediums eingesetzt werden. Die mechanisch schwingfähige Einheit 4 taucht teilweise in ein Medium M ein, welches sich in einem Behälter 3 befindet, und wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein kann. Andere vibronische Sensoren verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 5. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, - auswertung und/oder -speisung erfolgt. 1a shows a vibronic sensor 1 with a sensor unit 2 with a vibratory unit 4th in the form of a vibrating fork, which are used in particular to determine and / or monitor a, in particular predeterminable, fill level, the density and / or the viscosity of the medium. The mechanically oscillating unit 4th partially immersed in a medium M. one that is in a container 3 is located, and is by means of the excitation / reception unit 5 excited to mechanical vibrations, which in turn can be, for example, a piezoelectric stack or bimorph drive. Other vibronic sensors have, for example, electromagnetic drive / receiving units 5 . It is possible to have a single drive / receiver unit 5 to use, which serves to excite the mechanical vibrations and to detect them. However, it is also conceivable to implement a drive unit and a receiving unit. Is shown in 1 also an electronics unit 6th , by means of which the signal acquisition, evaluation and / or feeding takes place.

In 1b wiederum ist ein Coriolis-Messgerät 1 gemäß Stand der Technik dargestellt, welches beispielhaft über zwei Messrohre 7a, 7b, ein Gehäusemodul 8 mit einem Träger 9 und einer Verschalung 10 sowie einen einlassseitigen 11a und auslassseitigen Prozessanschluss 11b verfügt. Andere Ausgestaltungen gattungsgemäßer Feldgeräte verfügen über andere Anzahlen von Messrohren 7. Mittels der beiden Prozessanschlüsse 11a, 11b kann das Feldgerät 1 in eine bestehende Rohrleitung integriert werden, welche hier der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Der Träger 4 ist in Form eines seitlich zumindest teilweise offenen, insb. rohrförmigen Tragzylinders ausgebildet und mit den beiden Messrohren 7a, 7b verbunden. Die Messrohre 7a, 7b sind außerdem von der Verschalung 10 umgeben. In der Regel ist an dem Träger 9 ferner ein hier nicht dargestelltes Halsrohr zur Verbindung einer Elektronikeinheit 6 angebracht, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung, und -speisung dient.In 1b again is a Coriolis meter 1 shown according to the prior art, which is an example of two measuring tubes 7a , 7b , a housing module 8th with a carrier 9 and a casing 10 and one on the inlet side 11a and process connection on the outlet side 11b disposes. Other configurations of generic field devices have different numbers of measuring tubes 7th . Using the two process connections 11a , 11b can the field device 1 be integrated into an existing pipeline, which is not shown here for the sake of simplicity. The carrier 4th is designed in the form of a laterally at least partially open, especially tubular support cylinder and with the two measuring tubes 7a , 7b connected. The measuring tubes 7a , 7b are also from the casing 10 surround. Usually it is on the carrier 9 also a neck tube (not shown here) for connecting an electronics unit 6th attached, which is used, for example, for signal acquisition, evaluation and feeding.

Im Bereich des einlassseitigen 11a und auslassseitigen Prozessanschlusses 11b sind ein einlassseitiges und ein auslassseitiges (nicht sichtbar) Verteilerstück integriert, welche Verteilerstücke mit dem Träger 9 und mit den beiden Messrohren 7a, 7b mechanisch verbunden sind, und welche das strömende Medium M aus der Rohrleitung (nicht sichtbar) auf die beiden Messrohre 7a,7b verteilen. Die beiden Messrohre 7a, 7b sind weiteren mittels mehrerer Koppelelemente (10; hier ist nur eines markiert) mechanisch miteinander gekoppelt.In the area of the inlet side 11a and process connection on the outlet side 11b an inlet-side and an outlet-side (not visible) distributor piece are integrated, which distributor pieces are integrated with the carrier 9 and with the two measuring tubes 7a , 7b are mechanically connected, and which the flowing medium M. from the pipeline (not visible) onto the two measuring tubes 7a , 7b to distribute. The two measuring tubes 7a , 7b are further by means of several coupling elements ( 10 ; here only one is marked) mechanically coupled with each other.

Jedes der beiden Messrohre 9a,9b führt im Betrieb mechanische Schwingungen aus. Ferner ist mindestens eine auf mindestens ein Messrohr 9a,9b einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung (hier nicht sichtbar) zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen der Messrohres 11a, 11b dargestellt, sowie mindestens eine auf Schwingungen der Messrohre 11a, 11b reagierende Vibrationssensoranordnung (ebenfalls nicht sichtbar) zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen der Messrohre repräsentierenden Schwingungsmesssignals.Each of the two measuring tubes 9a , 9b causes mechanical vibrations during operation. Furthermore, at least one is on at least one measuring tube 9a , 9b Acting electromechanical, in particular electro-dynamic, exciter arrangement (not visible here) for generating and / or maintaining mechanical vibrations of the measuring tube 11a , 11b shown, as well as at least one on vibrations of the measuring tubes 11a , 11b responsive vibration sensor arrangement (also not visible) to the Generating at least one vibration measurement signal representing the vibrations of the measuring tubes.

Gasblasen in einem flüssigen Medium haben einen großen Einfluss auf die viskoelastischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Daraus resultiert, dass Gasblasen ebenfalls einen großen Einfluss auf das die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 charakterisierende Empfangssignal X haben, wie in 2 für den Fall eines vibronischen Sensors illustriert. Dargestellt ist die Frequenzänderung Δf/f1 als Funktion der Frequenz f für Schwingungen der schwingfähigen Einheit 4 beispielsweise in der Grundschwingungsmode. Die Frequenz f1 in der Grundschwingungsmode hängt von der Dichte ρ der Flüssigkeit M ab. Im Falle, dass es sich um eine newtonsche Flüssigkeit ohne Gasblasen handelt, gilt für die Frequenzänderung Δf/ f1,vac beispielsweise: Δ f f 1, v a c = 1 1 + S ρ 1    .

Figure DE102019114174A1_0001
Dabei ist f1,vac die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 in der Grundschwingungsmode im Vakuum bzw. an Luft und S ist die von der Geometrie der schwingfähigen Einheit 4 abhängige Empfindlichkeit der schwingfähigen Einheit 4.Gas bubbles in a liquid medium have a great influence on the viscoelastic properties of the liquid. As a result, gas bubbles also have a major influence on the mechanical vibrations of the vibratable unit 4th characterizing received signal X have, as in 2 illustrated for the case of a vibronic sensor. The frequency change Δf / f 1 is shown as a function of the frequency f for oscillations of the oscillatable unit 4th for example in the fundamental mode. The frequency f 1 in the fundamental mode depends on the density ρ of the liquid M. from. In the case that it is a Newtonian liquid without gas bubbles, the following applies for the frequency change Δf / f 1, vac, for example: Δ f f 1, v a c = 1 1 + S. ρ - 1 .
Figure DE102019114174A1_0001
Here, f 1, vac is the resonance frequency of the oscillatable unit 4th in the fundamental oscillation mode in vacuum or in air and S is that of the geometry of the oscillatable unit 4th dependent sensitivity of the oscillatable unit 4th .

Im Falle der 2 taucht dieselbe schwingfähigen Einheit 4 nun zweimal in dasselbe Medium M ein, wobei in einem ersten Fall in dem Medium M Gasblasen vorhanden sind (Quadrate) und im zweiten Fall keine Gasblasen vorhanden sind (Dreiecke). Bei dem Medium M handelt es sich für das vorliegend gezeigte Beispiel um Wasser. Während für Frequenzen f<fp die Frequenzänderung für beide Fälle gleich ist, kommt es für Frequenzen f>fP zu deutlichen Abweichungen. Die Frequenzänderung für den Fall des Vorhandenseins von Gasblasen ist deutlich größer als die Frequenzänderung für dasselbe Medium M ohne Gasblasen. Die Frequenz fp beschreibt eine kritische Grenzfrequenz, ab welcher das Schwingungsverhalten der schwingfähigen Einheit 4 durch die Anwesenheit der Gasblasen beeinflusst wird. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben f>fp, insbesondere bei Frequenzen, welche im Bereich der Eigenfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegen, so wird die Schwingungsenergie des Sensors 1 durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit 4 ist nicht mehr möglich.In case of 2 the same vibratory unit dives 4th now twice in the same medium M. a, in a first case in the medium M. Gas bubbles are present (squares) and in the second case there are no gas bubbles (triangles). With the medium M. For the example shown here, it is water. While for frequencies f <fp the frequency change for both cases is the same, it comes for frequencies f> f P to significant deviations. The change in frequency in the event of gas bubbles being present is significantly greater than the change in frequency for the same medium M. without gas bubbles. The frequency fp describes a critical limit frequency, from which the vibration behavior of the vibratable unit 4th is influenced by the presence of the gas bubbles. If the sensor is operated at frequencies f> fp, in particular at frequencies which are in the range of the natural frequency of the gas bubbles occurring in each case, the oscillation energy of the sensor is increased 1 absorbed by the gas bubbles and a resonance oscillation of the oscillatable unit 4th is not possible anymore.

Für den Fall von Medien in Form von wässrigen Lösungen kann die Eigenfrequenz fG von Gasblasen beispielsweise nach der folgenden Gleichung berechnet werden: f G = 1 2 π α ( 3 γ p A ρ ) 1 2

Figure DE102019114174A1_0002
In the case of media in the form of aqueous solutions, the natural frequency f G of gas bubbles can be calculated according to the following equation, for example: f G = 1 2 π α ( 3 γ p A. ρ ) 1 2
Figure DE102019114174A1_0002

Dabei ist a der Radius der Gasblasen, γ der polytropische Koeffizient, pA der Prozessdruck und ρ die Dichte der Flüssigkeit. Für einen Druck pA=1bar ergibt sich eine Frequenz der Gasblasen fG=6520/D Hz, wobei D der Durchmesser der Gasblasen in Millimetern ist. Wird der Sensor bei Frequenzen betrieben, welche im Bereich der Resonanzfrequenz der jeweils auftretenden Gasblasen liegt, so wird die Schwingungsenergie des Sensors durch die Gasblasen absorbiert und eine Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit ist sehr schwach oder nicht mehr möglich.Here, a is the radius of the gas bubbles, γ the polytropic coefficient, p A the process pressure and ρ the density of the liquid. For a pressure p A = 1 bar, the gas bubble frequency is f G = 6520 / D Hz, where D is the diameter of the gas bubbles in millimeters. If the sensor is operated at frequencies which are in the range of the resonance frequency of the gas bubbles occurring, the vibration energy of the sensor is absorbed by the gas bubbles and a resonance vibration of the vibratable unit is very weak or no longer possible.

Die jeweils maximale Gasblasengröße in Wasser ist abhängig von der archimedischen Kraft, welche die Blasen aus der Flüssigkeit austreibt, und von der Haftung der Gasblasen auf der Oberfläche der Sensoreinheit 2, insbesondere der schwingfähigen Einheit 4. Bei einem Prozessdruck pA=1bar weisen Gasblasen in der Regel einen Durchmesser d von 2-3mm auf, bevor sie von der Oberfläche der Sensoreinheit 2 abgelöst werden. Für diesen Anwendungsfall ist also ein Betrieb eines Sensors 1 bei Frequenzen f<2kHz ungestört möglich. Für Frequenzen f>2kHz dagegen besteht eine erhebliche Beeinflussung durch die Gasblasen.The respective maximum gas bubble size in water depends on the Archimedean force that drives the bubbles out of the liquid and on the adhesion of the gas bubbles to the surface of the sensor unit 2 , especially the vibratory unit 4th . At a process pressure p A = 1 bar, gas bubbles generally have a diameter d from 2-3mm up before it from the surface of the sensor unit 2 be replaced. Operation of a sensor is therefore essential for this application 1 Possible undisturbed at frequencies f <2kHz. For frequencies f> 2kHz, on the other hand, there is a considerable influence from the gas bubbles.

Im Falle, dass mittels des Sensors 1 die Dichte ρ des Mediums M bestimmt werden soll, ist die Anwesenheit von Gasblasen besonders kritisch. Bei einer Varianz der Schwingfrequenz f infolge von Gasblasen um 1-2% kommt es bereits zu einem gasblaseninduzierten Messfehler von ca. 10%. Eine derartige Größenordnung für den Messfehler ist jedoch im Bereich der Dichtebestimmung in der Prozessmesstechnik nicht akzeptabel.In the event that by means of the sensor 1 the concentration ρ of the medium M. is to be determined, the presence of gas bubbles is particularly critical. With a variance of the oscillation frequency f due to gas bubbles of 1-2%, there is already a gas bubble-induced measurement error of approx. 10%. However, such an order of magnitude for the measurement error is not acceptable in the area of density determination in process measurement technology.

Analoge Überlegungen gelten für den Fall eines Coriolis-Messgeräts 1 mit einem Messrohr 7 als schwingfähiger EinheitSimilar considerations apply to the case of a Coriolis measuring device 1 with a measuring tube 7th as a vibratory unit

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nun die zuverlässige Detektion von Gasblasen in flüssigen Medien. Dazu wird die schwingfähige Einheit 4,7 mittels zweier verschiedener Anregesignale I1 und I2 in zwei unterschiedlichen Schwingungsmoden S1 und S2 angeregt. Für jedes der beiden Empfangssignale X1 und X2 wird dann jeweils eine charakteristische Größe ermittelt und anhand des Verhältnisses V der charakteristischen Größen eine Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen gemacht.The method according to the invention now allows the reliable detection of gas bubbles in liquid media. For this purpose, the oscillatable unit 4,7 is activated by means of two different excitation signals I1 and I2 in two different modes of vibration S1 and S2 stimulated. For each of the two received signals X1 and X2 a characteristic variable is then determined and based on the ratio V the characteristic quantities made a statement about the presence of gas bubbles.

Zwei mögliche beispielhafte Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind in den Figuren 3 und 4 illustriert.Two possible exemplary configurations for the method according to the invention are shown in the figures 3 and 4th illustrated.

Im Falle der 3 ist die charakteristische Größe der Empfangssignale X1 und X2 jeweils durch die Frequenz f1 und f2 gegeben. Die erste Schwingungsmode S1 ist also die Grundschwingungsmode mit der Frequenz f1 und die zweite Schwingungsmode S2 ist die erste höhere Schwingungsmode mit der Frequenz f2.In case of 3 is the characteristic size of the received signals X1 and X2 given by the frequency f1 and f2, respectively. The first vibration mode S1 is therefore the fundamental oscillation mode with the frequency f1 and the second oscillation mode S2 is the first higher oscillation mode with the frequency f2.

Für das gezeigte Beispiel ist die schwingfähige Einheit 4,7 derart ausgelegt, dass die Grundschwingungsmode bei einer Eigenfrequenz f1,vac< 1,5 kHz liegt und die erste höhere Schwingungsmode bei einer Eigenfrequenz f2,vac~9f1,vac. Auf diese Weise können Gasblasen mit Durchmessern d>0,5mm sicher detektiert werden.For the example shown, the oscillatable unit 4, 7 is designed such that the fundamental oscillation mode is at a natural frequency f 1, vac <1.5 kHz and the first higher oscillation mode is at a natural frequency f 2, vac ~ 9f 1, vac . In this way, gas bubbles with diameters d> 0.5mm can be reliably detected.

3a zeigt die erste Frequenz f1 des ersten Empfangssignals X1 als Funktion der Zeit t, wobei f1,vac=1000Hz, und wobei es sich bei dem Medium M um frisches Süßwasser handelt. Im Medium M werden mit zunehmender Zeit Luftblasen auf der schwingfähigen Einheit 4,7 abgeschieden. Erreichen die Luftblasen eine bestimmte Größe, so werden sie von der Oberfläche der schwingfähigen Einheit 4,7 abgelöst. Hierdurch kommt es zu einer gasblaseninduzierten Verringerung der ersten Frequenz f1 von 752Hz auf 744Hz. Nachdem die Gasblasen aus dem Medium M ausgetreten sind (ca. 14h) steigt die erste Frequenz f1 wieder auf den ursprünglichen, dem in das Medium M eingetauchten Zustand entsprechenden, Wert von 752 Hz, den sie nach einem Zeitraum von Δt=14h erreicht. 3a shows the first frequency f 1 of the first received signal X1 as a function of time t , where f 1, vac = 1000Hz, and where the medium is M. fresh fresh water. In the medium M. air bubbles are deposited on the oscillatable unit 4,7 with increasing time. When the air bubbles reach a certain size, they are detached from the surface of the oscillatable unit 4, 7. This leads to a gas bubble-induced reduction in the first frequency f 1 from 752Hz to 744Hz. After the gas bubbles from the medium M. have left (approx. 14h) the first frequency increases f 1 back to the original one in the medium M. corresponding to the immersed state, value of 752 Hz, which it reaches after a period of Δt = 14h.

Der Verlauf der zweiten Frequenz f2 des zweiten Empfangssignals X2 ist, ebenfalls als Funktion der Zeit t, in 3b dargestellt. Die Gasblasen führen zeitweilig zu einem Einbrechen bzw. zu einer starken Dämpfung der Schwingungen in der zweiten Schwingungsmode. Die bloße Anwesenheit der zweiten Schwingungsmode als Kriterium für das Vorhandensein von Gasblasen ist jedoch nicht zuverlässig. Für den Zeitraum Δt=4h-14h kann die schwingfähige Einheit 4,7 zwar in der zweiten Schwingungsmode S2 angeregt werden; jedoch ist hier jeweils zur gleichen Zeit noch eine Verringerung der ersten Frequenz f1 in der ersten Schwingungsmode S1 gegenüber dem Fall ohne Gasblasen festzustellen, so dass eine Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße anhand der ersten Schwingungsmode S1 noch nicht zuverlässig möglich ist. Eine zuverlässige Bestimmung einer Prozessgröße ist vielmehr erst nach einem Zeitraum Δt=14h möglich.The course of the second frequency f 2 of the second received signal X2 is, also as a function of time t , in 3b shown. The gas bubbles temporarily lead to a break in or to a strong damping of the vibrations in the second vibration mode. However, the mere presence of the second oscillation mode as a criterion for the presence of gas bubbles is not reliable. For the period of time Δt = 4h-14h, the oscillatable unit 4, 7 can indeed be in the second oscillation mode S2 be stimulated; however, there is still a reduction in the first frequency at the same time f 1 in the first vibration mode S1 compared to the case without gas bubbles, so that a determination of the respective process variable using the first oscillation mode S1 is not yet reliably possible. Rather, a reliable determination of a process variable is only possible after a period of time Δt = 14h.

Eine zuverlässigere Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen wird möglich durch Betrachtung des Verhältnisses V der beiden Frequenzen f1 und f2 , wie in 3c gezeigt. Im Zeitraum Δt=4h-14h ist das Verhältnis V der ersten f1 und zweiten Frequenz f2 zuerst null und weist dann eine erhebliche Steigung auf. Erst nach einem Zeitraum von Δt=14h flacht die Steigung des Verhältnisses V ab, und konvergiert zu einem konstanten Wert V>0.A more reliable statement about the presence of gas bubbles is possible by considering the ratio V of the two frequencies f 1 and f 2 , as in 3c shown. In the period of time Δt = 4h-14h the ratio is V the first f 1 and second frequency f2 first zero and then has a considerable slope. Only after a period of Δt = 14h does the gradient of the ratio flatten out V and converges to a constant value V> 0.

Die gleichen Überlegungen lassen sich auf den Fall, dass anstelle der Frequenz f als charakteristische Größe die Amplitude A verwendet wird, übertragen. Dieser Fall ist beispielhaft für die gleiche Anwendung eines in frisches Süßwasser eintauchenden Sensors 1 in 4 dargestellt.The same considerations can be applied to the case where the amplitude A is used as the characteristic variable instead of the frequency f. This case is exemplary for the same application of a sensor immersed in fresh fresh water 1 in 4th shown.

4a zeigt die erste Amplitude A1 des ersten Empfangssignals X1 als Funktion der Zeit t. Es kommt zu einer vorrübergehenden, gasblaseninduzierten Verringerung der ersten Amplitude A1 . Nach Δt=14h hat die erste Amplitude A1 ihren ursprünglichen Wert, welcher der Abwesenheit von Gasblasen entspricht, wieder erreicht. Die zweite Amplitude A2 dagegen (4b) bricht zeitweilig ein bzw. wird stark gedämpft. Erst anhand des Verhältnisses V der ersten A1 und zweiten Amplitude A2 können Gasblasen im Medium M zuverlässig detektiert werden, wie in 4c illustriert. Im Zeitraum Δt=4h-14h ist das Verhältnis V der ersten A1 und zweiten Amplitude A2 zuerst null und weist dann eine erhebliche Steigung auf. Erst nach einem Zeitraum von Δt=14h flacht die Steigung des Verhältnisses V ab und konvergiert auf einen konstanten Wert zu. 4a shows the first amplitude A 1 of the first received signal X1 as a function of time t . There is a temporary, gas-bubble-induced decrease in the first amplitude A 1 . After Δt = 14h the first has amplitude A 1 reaches its original value, which corresponds to the absence of gas bubbles. The second amplitude A 2 on the other hand ( 4b) temporarily collapses or is heavily damped. Only based on the ratio V the first A 1 and second amplitude A 2 can gas bubbles in the medium M. can be reliably detected, as in 4c illustrated. In the period of time Δt = 4h-14h the ratio is V the first A 1 and second amplitude A 2 first zero and then has a significant slope. Only after a period of Δt = 14h does the gradient of the ratio flatten out V and converges towards a constant value.

Für den Fall der 4 sei angenommen, dass die Amplituden des ersten und zweiten Anregesignals I1 und I2 jeweils konstant gehalten werden. Alternativ wäre es ebenfalls denkbar, die Amplituden A1 und A2 der beiden Empfangssignale X1 und X2 konstant zu halten. In diesem Falle bietet sich eine Auswertung des Verhältnisses V der Amplituden der beiden Anregesignale I1 und I2 an. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Auswertung einer normierten Amplitude Anor=X/I, welche sich aus dem Quotienten der Amplituden des Empfangssignals X und des Anregesignals I ergibt. Die Verwendung einer normierten Amplitude ist vorteilhaft unabhängig von der Amplitude der jeweils verwendeten Anregesignale I1 und 12.In the event of 4th it is assumed that the amplitudes of the first and second excitation signals I1 and I2 are kept constant. Alternatively, it would also be conceivable to change the amplitudes A 1 and A 2 of the two received signals X1 and X2 keep constant. In this case, the relationship can be evaluated V the amplitudes of the two excitation signals I1 and I2 at. Another possibility is the evaluation of a normalized amplitude A nor = X / I, which is derived from the quotient of the amplitudes of the received signal X and the excitation signal I. The use of a normalized amplitude is advantageously independent of the amplitude of the excitation signals used in each case I1 and 12th .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vibronischer SensorVibronic sensor
22
SensoreinheitSensor unit
33
Behältercontainer
44th
Schwingfähige Einheit eines vibronischen SensorsVibratory unit of a vibronic sensor
55
Antriebs-/EmpfangseinheitDrive / receiver unit
66th
ElektronikeinheitElectronics unit
7,7a, 7b7.7a, 7b
schwingfähige Einheit eines Coriolis-Messgerätsoscillatable unit of a Coriolis measuring device
88th
GehäusemodulHousing module
99
Trägercarrier
1010
VerschalungCladding
11a,11b11a, 11b
Prozessanschlüsse Process connections
MM.
Mediummedium
S1,S2S1, S2
SchwingungsmodenModes of vibration
1,11,121,11,12
AnregesignaleExcitation signals
X,X1,X1X, X1, X1
EmpfangssignaleReceived signals
f1, f2 f 1 , f 2
erste, zweite Frequenzfirst, second frequency
A1, A2 A 1 , A 2
erste, zweite Amplitudefirst, second amplitude
fG f G
Eigenfrequenz der GasblasenNatural frequency of the gas bubbles
fP f P
kritische Frequenzcritical frequency
ρρ
Dichte des MediumsDensity of the medium
VV
Verhältnisrelationship
tt
Zeittime
SS.
Empfindlichkeitsensitivity
dd
Durchmesser der GasblasenDiameter of the gas bubbles
aa
Radius der GasblasenRadius of the gas bubbles

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Claims (16)

Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium (M) mit einem Sensor (1) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), umfassend folgende Verfahrensschritte, - Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem ersten Anregesignal (11) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer ersten vorgebbaren Schwingungsmode (S1) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines ersten Empfangssignals (X1), - Anregen der schwingfähigen Einheit (4) mit einem zweiten Anregesignal (12) zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) gemäß einer zweiten vorgebbaren Schwingungsmode (S2) der schwingfähigen Einheit (4), und Empfangen der mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) in Form eines zweiten Empfangssignals (X2), - Bestimmen einer ersten und zweiten charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2), - Bestimmen eines Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2), und - Generieren einer Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f1,A1).A method, in particular a computer-implemented method, for the detection of gas bubbles in a liquid medium (M) with a sensor (1) with a mechanically oscillatable unit (4), comprising the following method steps, - excitation of the oscillatable unit (4) with a first excitation signal (11 ) for generating mechanical vibrations of the vibratable unit (4) according to a first predeterminable vibration mode (S1) of the vibratable unit (4), and receiving the mechanical vibrations from the mechanically vibratable unit (4) in the form of a first received signal (X1), Exciting the oscillatable unit (4) with a second excitation signal (12) for generating mechanical vibrations of the oscillatable unit (4) according to a second predeterminable oscillation mode (S2) of the oscillatable unit (4), and receiving the mechanical oscillations from the mechanically oscillatable unit (4) in the form of a second received signal (X2), - determining a first and second n characteristic quantity (f, A) of the first (X1) and second received signal (X2), - determining a ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and second characteristic quantity (f 2 , A 2 ), and - Generating a statement about the presence of gas bubbles based on the ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and second characteristic variable (f 1 , A 1 ). Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten Schwingungsmode (S1) um eine Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit (4) handelt.Procedure according to Claim 1 , wherein the first oscillation mode (S1) is a fundamental oscillation mode of the oscillatable unit (4). Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Massenverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der schwingfähigen Einheit (4) derart gewählt ist/sind, dass die Grundschwingungsmode (S1) bei einer Frequenz f1<1,5 kHz liegt.Procedure according to Claim 2 , the mass distribution, rigidity and / or geometry of the oscillatable unit (4) being / are selected such that the fundamental oscillation mode (S1) is at a frequency f 1 <1.5 kHz. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Schwingungsmode (S2) derart gewählt wird, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) von der Bildung von Gasblasen im Bereich der mechanisch schwingfähigen Einheit (4) beeinflusst werden.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the second oscillation mode (S2) is selected such that the oscillations of the oscillatable unit (4) are influenced by the formation of gas bubbles in the area of the mechanically oscillatable unit (4). Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Schwingungsmode (S2) derart gewählt wird, dass die Frequenz (f2) der zweiten Schwingungsmode (S2) in einem Frequenzbereich liegt, in welchem eine Gasblasen-Eigenfrequenz (fG) der Gasblasen liegt.Procedure according to Claim 4 , the second oscillation mode (S2) being selected such that the frequency (f2) of the second oscillation mode (S2) lies in a frequency range in which a gas bubble natural frequency (f G ) of the gas bubbles lies. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei es sich bei der zweiten Schwingungsmode (S2) um eine erste höhere Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit (4) handelt.Procedure according to Claim 4 or 5 , the second oscillation mode (S2) being a first higher oscillation mode of the oscillatable unit (4). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der charakteristischen Größe (f,A) des ersten (X1) und zweiten Empfangssignals (X2) um eine Frequenz (f), eine Amplitude (A), oder eine aus zumindest der Frequenz (f) oder der Amplitude (A) abgeleitete Größe handelt.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the characteristic variable (f, A) of the first (X1) and second received signal (X2) is a frequency (f), an amplitude (A), or one of at least the frequency (f) or the amplitude (A) derived quantity. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Falle, dass das Verhältnis (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2) null beträgt, oder eine Steigung des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2) als Funktion der Zeit (t) einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorhandensein von Gasblasen geschlossen wird.Method according to at least one of the preceding claims, wherein in the case that the ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and second characteristic variable (f 2 , A 2 ) is zero, or a slope of the ratio (V) of first (f 1 , A 1 ) and second characteristic variable (f 2 , A 2 ) as a function of time (t) exceeds a predeterminable limit value, it is concluded that gas bubbles are present. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-7, wobei im Falle, dass das Verhältnis (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2) größer als null ist oder eine Steigung des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f2,A2) als Funktion der Zeit (t) einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitet wird, darauf geschlossen wird, dass keine Gasblasen vorhanden sind.Method according to at least one of the Claims 1 - 7th , where in the case that the ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and second characteristic quantities (f 2 , A 2 ) is greater than zero or a slope of the ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and the second characteristic variable (f 2 , A 2 ) as a function of time (t) falls below a predeterminable limit value, it is concluded that there are no gas bubbles. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des ersten Empfangssignals (X1) eine Prozessgröße des Mediums (M) ermittelt wird.Method according to at least one of the preceding claims, wherein a process variable of the medium (M) is determined on the basis of the first received signal (X1). Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prozessgröße nur im Falle, dass keine Gasblasen vorhanden sind, ermittelt wird.Method according to at least one of the preceding claims, wherein the process variable is only determined in the event that no gas bubbles are present. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei während eines Zeitintervalls, in welchem Gasblasen vorhanden sind, ein zuletzt vor Entstehung der Gasblasen ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird, und/oder wobei während eines Zeitintervalls, in welchem keine Gasblasen mehr vorhanden sind, jeweils ein aktuell ermittelter Wert für die Prozessgröße ausgegeben wird.Method according to at least one of the preceding claims, wherein during a time interval in which gas bubbles are present, a value for the process variable last determined before the formation of the gas bubbles is output, and / or during a time interval in which there are no more gas bubbles present, in each case a currently determined value for the process variable is output. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei anhand des Verhältnisses (V) der ersten (f1,A1) und zweiten charakteristischen Größe (f1,A1) eine Prozessüberwachung vorgenommen wird.Method according to at least one of the preceding claims, process monitoring being carried out on the basis of the ratio (V) of the first (f 1 , A 1 ) and second characteristic variables (f 1 , A 1 ). Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Gärung oder ein Desinfektionsprozess überwacht wird.Procedure according to Claim 12 , whereby a fermentation or a disinfection process is monitored. Computerprogramm zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Computer program for the detection of gas bubbles in a liquid medium with computer-readable program code elements which, when executed on a computer, the computer cause a method according to at least one of the preceding claims to be carried out. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 14 und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.Computer program product with a computer program Claim 14 and at least one computer-readable medium on which at least the computer program is stored.
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