CN101842687A - 用于确定和/或监测粘度的方法和相应的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质(2)粘度的方法，其中，利用激励信号激励机械可振荡单元(1)振荡，以及其中接收该单元(1)的振荡并将其转换成接收信号，其中，确定和/或监测可振荡单元(1)的固有频率(w₀)和/或谐振频率(w_res)和/或激励信号与接收信号之间的相位，以及其中根据固有频率(w₀)和/或谐振频率(w_res)和/或相位的变化推断出粘度的变化，以及/或者其中根据相应储存的振荡与介质粘度的依赖关系，从固有频率(w₀)和/或谐振频率(w_res)和/或相位中测定粘度。在该方法的第二方案中，分析机械可振荡单元的衰减特性。本发明此外涉及一种用于确定和/或监测粘度的装置。

Description

用于确定和/或监测粘度的方法和相应的装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的至少粘度的方法。其他所要确定或所要监测的参数例如为介质的料位和密度，其中，介质例如是一种液体。本发明此外涉及一种用于确定和/或监测介质的至少粘度的相应装置。利用该装置同样可以检测其他过程变量，例如像料位。

背景技术

现有技术中公开了利用机械可振荡单元确定介质的粘度(参见例如DE 100 50 299)。

发明内容

本发明的目的在于，提供其他的方法，以便利用机械可振荡单元确定或监测介质的粘度。另一个目的在于，提供一种用于粘度检测或监测的装置，该装置可以进行尽可能精确的检测。

该目的依据本发明在第一方案中通过一种用于确定和/或监测介质的至少粘度的方法得以实现，其中，基于激励信号激励至少一个机械可振荡单元机械振荡，以及其中从该机械可振荡单元接收机械振荡并转换成接收信号，其中，确定和/或监测机械可振荡单元的固有频率和/或机械可振荡单元的谐振频率和/或在激励信号与接收信号之间的相位，以及其中根据固有频率的变化和/或谐振频率的变化和/或在激励信号与接收信号之间的相位的变化推断出粘度的变化，以及/或者其中根据相应储存的机械可振荡单元的振荡与介质粘度的依赖关系，从固有频率和/或谐振频率和/或在激励信号与接收信号之间的相位中测定粘度。

因此依据该方法的第一方案，由机械可振荡单元的振荡确定和/或监测至少一个特征变量。这些特征变量在这里特别是固有频率、谐振频率和/或激励信号与接收信号之间的相位。这些变量要么单个要么组合地得到确定并在粘度方面得到分析。在此方面，为了识别粘度的变化而使用特征变量的变化；或者基于这些变量，根据储存或暂存的变量与粘度之间的相关性(特性曲线、公式、算法或数值对等)测定粘度。

依据本发明方法第一方案的一种构成，除了介质粘度之外，影响机械可振荡单元机械振荡的至少一个特征变量的干扰变量基本上保持恒定。振荡不仅取决于粘度，而且也取决于机械可振荡单元的覆盖率或者介质的密度。这些特征变量在这里保持恒定，从而分析的变量基本上仅取决于粘度。也就是说，通常可以利用机械可振荡单元检测或监测的过程变量在这里是确定粘度时的干扰变量。干扰变量覆盖率可以例如通过在完全覆盖的情况下测量机械可振荡单元而保持恒定。密度基本上可以通过温度保持恒定而保持恒定。此外，可以通过相应优化机械可振荡单元的几何形状而减少或消除密度对振荡的影响。由此还可以忽略密度变化对振荡的影响或者该影响不再存在。因此一种构成在于，使用这种机械可振荡单元或对其这样与这些参数相关进行优化，使这些干扰变量对振荡确定粘度所使用的特征变量没有影响或者仅有可以忽略的影响。在使用中，例如在已知干扰变量，也就是已知密度和已知覆盖率的情况下进行测量，并在后面的测量中(运行中)基于这种起始测量而测定粘度。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，测定干扰变量，该干扰变量作为除了介质粘度之外影响机械可振荡单元机械振荡的至少一个特征变量；以及在确定和/或监测介质的粘度时考虑干扰变量和/或干扰变量的变化对至少一个特征变量的影响。因此，在这种构成中，该特征变量或者这些特征变量与粘度和至少一个干扰变量的依赖关系已知，从而可以根据对干扰变量的测量或监测而确定粘度。

依据本发明方法第一方案的一种构成，机械可振荡单元被介质的覆盖率得到确定和/或监测。覆盖率因此是干扰变量之一。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，确定和/或监测介质的密度。在这里密度是一种值得关注的干扰变量。

依据本发明方法第一方案的一种构成，基于机械可振荡单元的覆盖率并基于介质的密度，根据固有频率的变化和/或根据谐振频率的变化和/或根据激励信号与接收信号之间相位的变化，推断出粘度的变化。如果干扰变量基本上恒定并观察取决于粘度的特征变量，那么可以从特征变量的变化中推断出粘度的变化。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，基于机械可振荡单元的覆盖率并基于介质的密度，根据相应储存的机械可振荡单元的振荡与介质的粘度的依赖关系，从固有频率和/或谐振频率和/或在激励信号与接收信号之间的相位中测定粘度。干扰变量密度和料位在这里要么基本上保持恒定，要么特征变量与它们的依赖关系已知，并在确定粘度时根据所储存的在振荡的特征变量与粘度之间依赖关系而被合适地计算。

依据本发明方法第一方案的一种构成，使用振荡基本上独立于介质密度的机械可振荡单元。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，确定机械可振荡单元的固有频率，以及根据至少一个储存的在固有频率与粘度之间的相关性来测定介质的粘度。

依据本发明方法第一方案的一种构成，确定机械可振荡单元的谐振频率，以及根据至少一个储存的在谐振频率与粘度之间的相关性来测定介质的粘度。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，确定机械可振荡单元以谐振频率振荡时激励信号与接收信号之间的相位差，以及根据至少一个储存的在相位差与粘度之间的相关性来测定介质的粘度。

依据本发明方法第一方案的一种构成，确定机械可振荡单元的固有频率与谐振频率之间的至少一个关系，以及根据至少一个储存的在该关系与粘度之间的相关性来测定介质的粘度。

依据本发明的方法第一方案的一种构成，由机械可振荡单元的固有频率与谐振频率形成商，以及根据至少一个储存的在商与粘度之间的相关性来确定介质的粘度。

本发明的目的在用于确定和/或监测介质至少粘度的方法的第二方案中得以实现，其中，基于激励信号激励至少一个机械可振荡单元机械振荡，以及其中从该机械可振荡单元接收机械振荡并转换成接收信号，其中，在激励机械可振荡单元的振荡后测定机械可振荡单元振荡的衰减特性，以及其中根据衰减特性的变化推断出粘度的变化，以及/或者其中根据储存的在机械可振荡单元振荡的衰减特性与介质的粘度之间的依赖关系，从所测定的衰减特性中测定粘度。

依据本发明的两种解决方案的共同之处在于，它们各自将机械可振荡单元的振荡特性及其与介质粘度的依赖关系用于确定或监测介质的粘度。在第一方案中，持续地激励机械可振荡单元振荡；在第二方案中，则是时间上有限但最好周期性反复地进行振荡。

上面关于监测或检测以及处理干扰变量的讨论相应地也适用于第二方案。

本发明此外涉及一种用于确定和/或监测介质的至少粘度的装置，具有至少一个机械可振荡单元和至少一个分析单元，该分析单元向机械可振荡单元施加激励信号并接收来自机械可振荡单元的接收信号。该装置的特征在于，机械可振荡单元的机械振荡与介质的密度和/或密度的变化基本无关。机械可振荡单元的振荡因此与介质的密度基本上无关，从而在确定或监测粘度时该干扰变量基本上没有影响。机械可振荡单元因此流动上优化或针对粘度测量或针对避免密度的影响而得到优化。

依据本发明装置的一种构成，机械可振荡单元具有至少一个膜片和两个叉齿，其中，叉齿基本上圆柱体构成。膜片上因此安装至少两个圆柱体或者管。叉齿的截面在此方面为圆形、卵形或者椭圆形。

附图说明

下面借助附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出利用振荡叉检测的示意图；

图2示出介质的密度恒定情况下固有频率与介质粘度的依赖关系；

图3示出介质的密度恒定情况下固有频率的变化与介质粘度的依赖关系；

图4示出介质的密度恒定情况下谐振频率与介质粘度的依赖关系；

图5示出机械可振荡单元一种方案的示意图；

图6示出介质的密度恒定情况下介质的谐振频率中接收信号的相位相对于激励信号的依赖关系；

图7示出谐振频率和固有频率的商与介质粘度的依赖关系；

图8示出介质的粘度恒定情况下机械可振荡单元的衰减特性中振幅的依赖关系；以及

图9示出衰减系数与粘度的依赖关系。

具体实施方式

图1示出利用机械可振荡单元1的基本测量方法。机械可振荡单元1在该举例中为所谓的振荡叉。可替代的构成是膜片振荡器或者所谓的单杆。在这里所示的振荡叉中，机械可振荡单元1由两个固定在膜片上的叉齿组成。

处于膜片内侧上的是一个这里未示出的驱动/接收单元，该驱动/接收单元例如是一种压电元件。驱动/接收单元例如将作为激励信号的交流电压转换成膜片的机械运动并因此转换成叉齿以及机械可振荡单元1整体的机械运动。相反，驱动/接收单元也用于将机械可振荡单元1的机械振荡转换为电信号，该电信号在这里同样是交流电压。该信号因此是接收信号。

机械可振荡单元1安装在容器3的壁上，使其在介质2的确定料位的情况下与该介质接触，或机械可振荡单元1在介质2的相应料位下一定程度上由介质2覆盖。在一种构成中，机械可振荡单元1完全由介质2覆盖。介质2在这种情况下特别是液体。

从机械可振荡单元1振荡的特征变量(例如特定的频率、振幅或者接收信号相对于激励信号的相位)，需要时依赖于各自的频率，可以确定介质2的过程变量或监测这些过程变量的变化。

这样例如可以由此监测料位：在机械可振荡单元1与介质2直接接触时，频率或振幅下降；或者反过来，可以从振幅或频率的提高中推断出介质2占据低于机械可振荡单元1的料位。

为确定或监测这些过程变量(如介质2的粘度或者密度)，大多数情况下的前提条件是介质2具有确定的料位，也就是说，机械可振荡单元1被介质2所覆盖的覆盖率是确定的。

机械可振荡单元1的控制或检测信号的分析在这里由分析单元4进行。在该分析单元4内，例如还以列表的方式储存选出的数值对或者以函数相关性的方式储存机械可振荡单元的振荡的所要检测或所要监测的变量与粘度的依赖关系。

因为在确定或监测粘度时密度和料位或覆盖率是干扰变量，所以这些干扰变量例如通过测量的框架条件保持恒定，或者通过附加的测量装置进行干扰变量的测量或监测。在一种替代的构成中，介质的密度通过与用于粘度的相同的机械可振荡单元进行测量，方法是调整激励信号与接收信号之间的相位，其中振荡与粘度或粘度的变化基本上无关。也就是说，采用一种检测装置检测密度和粘度。在干扰变量保持恒定时，掌握振荡的一个特征变量或多个特征变量与介质粘度的依赖关系，足以完成对粘度的证明。如果干扰变量变化并测量干扰变量，那么掌握这些干扰变量因此需要多维的依赖关系或必须在分析单元4内合适地储存或暂存数据。

图2示出机械可振荡单元的振荡的固有频率w₀依赖于粘度的特性。所示为依赖于在介质的密度已知或固定的情况下的振荡频率，接收信号的振荡相位相对于激励信号的依赖关系。固有频率w₀在此方面的特征在于，它是振荡频率，其中振荡(也就是接收信号)与激励信号的相位形成90°。这种90°的相位在图中通过水平的虚点线表示。也就是说，从直线与曲线的交点中得出介质的各粘度中存在的固有频率w₀。各条曲线在此方面属于密度相同但粘度不同的介质。

正如清楚看出的那样，依赖于粘度，各自形成明显不同的固有频率w₀。因此可以从已知密度时的固有频率w₀出发反推出粘度。在仅需识别粘度变化的情况下，已经足以在密度不变或覆盖率不变或其它方面总体保持恒定的过程条件的情况下检测到固有频率w₀的变化。

固有频率w₀在此方面这样确定，即，连续通过频率范围并分析相位。出现90°相位差的频率因此是固有频率w₀。还可以调整90°的相位差并检测与其同时出现的频率。于是这一点是固有频率w₀。

图3再次详细示出固有频率w₀的变化与介质的动态粘度的依赖关系。动态粘度在此方面表示在不考虑介质的密度情况下介质的粘性特性。观察密度可以得出运动粘度。

在此，相对于图1举例示出的机械可振荡单元在水中(密度＝1和粘度＝1)振荡的情况下说明图3的频率。

机械可振荡单元振荡的固有频率w₀和谐振频率w_res通过衰减D相互联系： ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{res}}={\mathrm{\ω}}_0\·\sqrt{1-2\·D^2}$

谐振频率w_res是振荡的振幅具有其局部最大值的频率。在未出现衰减或衰减可以忽略的情况下，谐振频率w_res和固有频率w₀吻合。

如果观察对密度几乎不敏感的振荡系统(参见图5)，那么固有频率w₀可以假设为恒定并通过分析频率仅测量粘度对机械可振荡单元振荡系统的衰减作用。

图4示出在介质具有恒定密度p的情况下，谐振频率w_res的变化与动态粘度η的依赖关系。谐振频率w_res在此方面这样检测，即，连续通过确定的频带并分析振幅。因此谐振频率w_res也可以用于实现粘度监测或在合适储存的数值或依赖关系的情况下实现粘度的测定。

图5示出机械可振荡单元1的另一种构成，其中两个叉齿为圆棒。这种圆棒的优点是，振荡几乎与介质的密度无关。在确定或监测粘度时使用机械可振荡单元1的几何形状导致该单元1或其振荡依赖于密度的情况下，要么前提必须是密度在一定范围内保持恒定，要么振荡与密度的依赖关系必须事先确定。膜片在这里为圆形，且叉齿也具有圆形截面。

因为在振荡系统的谐振频率w_res和固有频率w₀彼此不同的情况下，粘度和密度的影响不可忽略，所以在谐振频率w_res中激励信号与接收信号之间的相位关系不等于90°。可以观察到，相位差在谐振频率w_res中随着粘度的增加而下降。这种依赖关系或这种相关性因此在检测技术上确定或监测粘度。密度在此方面是干扰变量。

图6示出谐振频率w_res的相位角和介质的动态粘度之间的这种相关性。可以看出，在介质粘度为零的情况下相位角为90°。因此，如果在密度已知或恒定且机械可振荡单元以谐振频率w_res振荡时覆盖率已知或恒定的情况下确定接收信号与激励信号之间的相位，那么从中可以推断出粘度的变化或者粘度本身的大小。

图7作为粘度的函数，示出机械可振荡单元的谐振频率w_res与固有频率w₀之间的比例。如果由机械可振荡单元既确定谐振频率w_res也确定固有频率w₀，那么所检测的这两个数值彼此能够得到比例。正如从图7所看到的那样，这个商的分析也使得能够实现介质粘度的监测或确定。

前面的附图中所介绍的用于确定或监测粘度的方法各自的前提是，确定或监测机械可振荡单元或振荡系统总体上的至少一个频率，并使用各个频率或由此产生的相位与粘度的依赖关系。在下面的附图中示出另一种方法，即第二方案，其中按照另一种方式利用振荡系统的振荡特性与粘度的依赖关系。在前述的方法中，前提是振荡系统始终被激励振荡并因此连续分析振荡参数。

图8示出机械可振荡单元在不同介质中的衰减特性。可振荡单元在此方面被激励振荡并且一次激励之后的振幅下降在时间上得到表示并分析。正如所看到的那样，曲线依赖于介质的粘度。在此方面可以看出，随着粘度的增加，也就是随着衰减的增加，衰减特性也更快变化，从而在高粘性的介质中振荡比在低粘性的介质中更快接近零。作为对振荡系统衰减特性的替代，也可以分析起振特性。

为测定振荡系统的衰减特性或起振特性，该系统最好以谐振运行，以便可以达到尽可能高的振幅并因此实现良好分析。以谐振运行的振荡系统的激励在此为了接收或测量衰减特性而被断开，这例如可以通过阶跃函数说明：(1-σ(t))·A·sin(ω·t)

振幅A(t)的衰减曲线在此方面例如可以通过下列公式的指数函数说明：

$A\left(t\right)=\hat{A}\·e^{-\frac{1}{T}\·t}=\hat{A}\·e^{-\mathrm{\δ}\·t}$

图8示出这种曲线，其中介质的密度都保持相同。振幅各自为相对于最先测量的振幅值的百分比。

为确定时间常数d，测定振幅下降到约36.8％(相当于1/e)的时间。图8在此方面通过加粗的直线示出该阈值。可以看出，随着粘度下降，可以越来越精确地测量或确定衰减时间并因此确定衰减常数d，因为一方面可以预料振荡的振幅更高以及因为另一方面衰减时间越来越大并因此可以被更精确地确定。

在确定衰减常数d之后可能分析的是，将该常数d相对于振荡系统的各自固有频率w₀标准化，以便这样获得所谓的衰减系数。这种衰减系数通过 $\mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\ω}}_0}$ 确定。

图9示出衰减系数的粘度依赖关系。在此方面可以清楚看出，根据在取决于固有频率w₀情况下的衰减特性可以确定粘度。因此一方面确定固有频率w₀，另一方面确定衰减特性的时间常数，并将两个变量计算成衰减系数，其中，通过将实际或所检测的数值与合适地储存的数据进行比较，可以确定介质的粘度。

附图符号

1    机械可振荡单元

2    介质

3    容器

4    分析单元

5    膜片

6    叉齿

Claims (16)

1.用于确定和/或监测介质(2)的至少粘度的方法，

其中，基于激励信号激励至少一个机械可振荡单元(1)机械振荡；并且

其中，接收该机械可振荡单元(1)的机械振荡并将该机械振荡转换成接收信号；

其中，确定和/或监测机械可振荡单元(1)的固有频率(w₀)和/或机械可振荡单元(1)的谐振频率(w_res)和/或在激励信号与接收信号之间的相位；并且

其中，根据固有频率(w₀)的变化和/或根据谐振频率(w_res)的变化和/或根据激励信号与接收信号之间的相位的变化，推断出粘度的变化；并且/或者

其中，根据相应储存的机械可振荡单元(1)的振荡与介质的粘度的依赖关系，由固有频率(w₀)和/或谐振频率(w_res)和/或在激励信号与接收信号之间的相位测定粘度。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，除了介质(2)的粘度之外，影响机械可振荡单元(1)机械振荡的至少一个特征变量的干扰变量基本上保持恒定。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，除了介质(2)的粘度之外，测定影响机械可振荡单元(1)机械振荡的至少一个特征变量的干扰变量；并且在确定和/或监测介质(2)的粘度时，考虑所述干扰变量和/或所述干扰变量的变化对至少一个特征变量的影响。

4.按权利要求2或3所述的方法，其特征在于，确定和/或监测机械可振荡单元(1)的被介质(2)所覆盖的覆盖率。

5.按权利要求2-4之一所述的方法，其特征在于，确定和/或监测介质(2)的密度。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，基于机械可振荡单元(1)的覆盖率并基于介质(2)的密度，根据固有频率(w₀)的变化和/或根据谐振频率(w_res)的变化和/或根据激励信号与接收信号之间相位的变化，推断出粘度的变化。

7.按权利要求5所述的方法，其特征在于，基于机械可振荡单元的覆盖率并基于介质的密度，根据相应储存的机械可振荡单元(1)的振荡与介质的粘度的依赖关系，由固有频率(w₀)和/或谐振频率(w_res)和/或在激励信号与接收信号之间的相位测定粘度。

8.按权利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，使用振荡基本独立于介质密度的机械可振荡单元(1)。

9.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，确定机械可振荡单元(1)的固有频率(w₀)；并且根据至少一个储存的在固有频率(w₀)与粘度之间的相关性，测定介质(2)的粘度。

10.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，确定机械可振荡单元(1)的谐振频率(w_res)；并且根据至少一个储存的在谐振频率(w_res)与粘度之间的相关性，测定介质(2)的粘度。

11.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，确定机械可振荡单元(1)以谐振频率(w_res)振荡时在激励信号与接收信号之间的相位差；并且根据至少一个储存的在相位差与粘度之间的相关性，测定介质(2)的粘度。

12.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，确定机械可振荡单元(1)的固有频率(w₀)与谐振频率(w_res)之间的至少一个关系；并且根据至少一个储存的在所述关系与粘度之间的相关性，测定介质(2)的粘度。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，由机械可振荡单元(1)的固有频率(w₀)与谐振频率(w_res)中形成商；并且根据至少一个储存的在所述商与粘度之间的相关性，确定介质(2)的粘度。

14.用于确定和/或监测介质(2)的至少粘度的方法，

其中，基于激励信号激励至少一个机械可振荡单元(1)机械振荡；并且

其中，接收该机械可振荡单元(1)的机械振荡并将该机械振荡转换成接收信号；

其中，在激励机械可振荡单元(1)振荡后，测定机械可振荡单元(1)的振荡的衰减特性；并且

其中，根据衰减特性的变化推断出粘度的变化；并且/或者

其中，根据相应储存的机械可振荡单元(1)的振荡的衰减特性与介质的粘度的依赖关系，由所测定的衰减特性测定粘度。

15.用于确定和/或监测介质(2)的至少粘度的装置，其具有至少一个机械可振荡单元(1)和至少一个分析单元(4)，该分析单元向机械可振荡单元(1)施加激励信号并接收来自机械可振荡单元(1)的接收信号，其特征在于，机械可振荡单元(1)的机械振荡与介质(2)的密度和/或密度变化基本无关。

16.按权利要求15所述的装置，其特征在于，机械可振荡单元(1)具有至少一个膜片(5)和两个叉齿(6)，其中，叉齿(6)基本上为圆柱体。

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