DE10057974A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter bzw. zur Ermittlung der Dichte eines Mediums in einem Behälter - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter bzw. zur Ermittlung der Dichte eines Mediums in einem BehälterInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes (F) eines Mediums (2) in einem Behälter (3) bzw. Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Dichte (rho) eines Mediums (2) in dem Behälter (3). DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine hochgenaue Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes (f) oder der Dichte eines Mediums (2) in einem Behälter (3) erlauben. DOLLAR A Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Einfluß von zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit (4) bei der Bestimmung des Füllstandes (F) des Mediums (2) in dem Behälter (3) bzw. bei der Bestimmung der Dichte (rho) des in dem Behälter (3) befindlichen Mediums (2) ermittelt und entsprechend kompensiert wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem
Behälter bzw. zur Ermittlung der Dichte eines Mediums in einem Behälter
gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.
Es sind bereits Vorrichtungen mit zumindest einem Schwingelement, sog.
Vibrationsdetektoren, zur Detektion bzw. zur Überwachung des Füllstandes
eines Mediums in einem Behälter bekannt geworden. Bei dem Schwing
element handelt es sich üblicherweise um zumindest einen Schwingstab, der
an einer Membran befestigt ist. Die Membran wird über einen elektro
mechanischen Wandler, z. B. ein piezo-elektrisches Element, zu
Schwingungen angeregt. Aufgrund der Schwingungen der Membran führt
auch das an der Membran befestigte Schwingelement selbst Schwing
bewegungen aus.
Als Füllstandsmeßgeräte ausgebildete Vibrationsdetektoren nutzen den Effekt
aus, daß die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude abhängig
sind von dem jeweiligen Bedeckungsgrad des Schwingelements: Während
das Schwingelement in Luft frei und ungedämpft seine Schwingungen aus
führen kann, erfährt es eine Dämpfung und als Folge davon eine Frequenz-
und Amplitudenänderung, sobald es teilweise oder vollständig in das Medium
eintaucht. Anhand einer vorbestimmten Frequenzänderung läßt sich folglich
ein eindeutiger Rückschluß auf den jeweiligen Füllstand in dem Behälter
ziehen. Füllstandsmeßgeräte werden übrigens vornehmlich als Überfüll
sicherungen oder zum Zwecke des Pumpenleerlaufschutzes verwendet.
Darüber hinaus wird die Schwingfrequenz des Schwingelements auch von der
jeweiligen Dichte des Mediums beeinflußt. Daher besteht bei konstantem
Bedeckungsgrad eine funktionale Beziehung zur Dichte des Mediums, so daß
Vibrationsdetektoren sowohl für die Füllstands- als auch für die
Dichtebestimmung bestens geeignet sind. In der Praxis werden zwecks
Überwachung und Erkennung des Füllstandes bzw. der Dichte des Mediums
in dem Behälter die Schwingungen der Membran aufgenommen und mittels
zumindest eines Piezoelements in elektrische Empfangssignale umgewandelt.
Die elektrischen Empfangssignale werden anschließend von einer Auswerte-
Elektronik ausgewertet. Im Falle der Füllstandsbestimmung überwacht die
Auswerte-Elektronik die Schwingfrequenz und/oder die Schwingungs
amplitude des Schwingelements und signalisiert den Zustand "Sensor
bedeckt" bzw. "Sensor unbedeckt", sobald die Meßwerte einen vorgegebenen
Referenzwert unter- oder überschreiten. Eine entsprechende Meldung an das
Bedienpersonal kann auf optischem und/oder auf akustischem Weg erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich wird ein Schaltvorgang ausgelöst; so wird etwa ein
Zu- oder Ablaufventil an dem Behälter geöffnet oder geschlossen.
Die zuvorgenannten Geräte zum Messen des Füllstandes oder der Dichte
werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, beispielsweise in
der Chemie, in der Lebensmittelindustrie oder bei der Wasseraufbereitung.
Die Bandbreite der überwachten Füllgüter reicht von Wasser über Yoghurt,
Farben und Lacke bis hin zu hochviskosen Füllgütern, wie Honig, oder bis hin
zu stark schäumenden Füllgütern, wie z. B. Bier.
Vibrationsdetektoren sind allerdings nur in erster Näherung ausschließlich von
den beiden zuvor genannten Größen "Füllstand" und "Dichte" abhängig.
Darüber hinaus beeinflussen auch weitere physikalische Größen, etwa die
Prozeßgrößen Druck und Temperatur oder die Viskosität des Mediums das
Schwingverhalten des Schwingelements. Sobald daher die Anforderung
gestellt wird, den Sensor für hochgenaue Messungen einzusetzen oder ihn als
universell einsetzbare Meßvorrichtung im Hoch- und Tieftemperaturbereich
bzw. im Hoch- und Tiefdruckbereich zu verwenden, muß der Einfluß dieser
Größen auf das Schwingverhalten berücksichtigt werden. Prinzipiell gilt, daß
der Einfluß von Temperatur und Druck auf die Meßergebnisse um so
gravierender ist, je stärker beide Größen von den Normalbedingungen
abweichen. Ähnliche Überlegungen gelten auch im Hinblick auf die Viskosität
des Mediums: Eine Meßvorrichtung wird in Zukunft in der Lage sein müssen,
in Verbindung mit Medien unterschiedlichster Viskosität verläßliche Meßer
gebnisse zu liefern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
vorzuschlagen, die eine hochgenaue Bestimmung oder Überwachung des
Füllstandes oder der Dichte eines Mediums erlauben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Einfluß
von zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz der schwingfähigen
Einheit bei der Bestimmung des Füllstandes des Mediums in dem Behälter
bzw. bei der Bestimmung der Dichte des in dem Behälter befindlichen
Mediums ermittelt und entsprechend kompensiert wird. Hierdurch wird
sichergestellt, daß im Falle der Füllstandsmessung die Schaltpunkte der
Meßvorrichtung, die die Zustände "Sensor bedeckt" bzw. "Sensor unbedeckt"
signalisieren, genau definiert sind. Eine Fehlfunktion der Meßvorrichtung, die
dadurch zustande kommt, daß Temperatur- und/oder Druckabweichungen
das Erreichen der vorgegebenen Schaltpunkte lediglich vortäuschen, wird
verläßlich ausgeschlossen. Im Falle der Dichtemessung wird durch die
Kompensation des Einflusses der unterschiedlichen Störgrößen auf das
Schwingverhalten des Schwingelements die Fehlertoleranz erheblich ver
ringert, so daß sich das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende
Vorrichtung für hochgenaue Dichtemessungen hervorragend eignen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß eine Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen
Einheit, die durch eine Änderung der Viskosität des Mediums hervorgerufen
wird, dadurch kompensiert wird, daß die Erregerfrequenz gegenüber der
Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit eine Phasenverschiebung
aufweist, die von 90° verschieden ist.
Insbesondere ist die Phasenverschiebung zwischen der Erregerfrequenz und
der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit so bemessen, daß eine
auftretende Änderung im Schwingverhalten im wesentlichen unabhängig ist
von der Viskosität des Mediums und somit im wesentlichen nur abhängig ist
von der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit in das Medium bzw. von der
Dichte des Mediums. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß eine Phasen
verschiebung von ca. 70° in flüssigen Medien bestens geeignet ist, den
Einfluß der Viskosität auf die Meßergebnisse auszuschalten. Ist das Medium
hingegen stark schäumend, so läßt sich mit Phasenverschiebung von ca. 120°
zwischen Erreger- und Schwingfrequenz der Einfluß der Viskosität des
Schaums hinreichend gut kompensieren. Es ist selbstverständlich, daß die zur
Kompensation des Einflusses der Viskosität erforderliche Phasenver
schiebung auch entscheidend von der jeweiligen Ausgestaltung der schwing
fähigen Einheit abhängt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, daß zumindest eine Störgröße direkt gemessen oder indirekt
ermittelt wird. Bevorzugt werden anhand empirisch ermittelter Daten
Kennlinien erstellt und gespeichert, die die Frequenzänderung der
schwingfähigen Einheit in Abhängigkeit von zumindest einer Störgröße
wiedergeben. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kennlinien anhand
eines mathematischen Modells zu berechnen und abzuspeichern, wobei das
mathematische Modell eventuell wieder auf empirisch ermittelte Daten
zurückzuführen ist.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß
weitere Parameter bei der Auswahl der korrekten Kennlinien berücksichtigt
werden. Insbesondere handelt es sich bei diesen Parametern um die
Geometrie und/oder die Dimensionierung der schwingfähigen Einheit, das
Material, aus dem die schwingfähige Einheit gefertigt ist und/oder im Falle der
Füllstandsbestimmung die Einbauposition der schwingfähigen Einheit im
Behälter. Die Kennlinien werden also auch sensorspezifisch und/oder
systemspezifisch zur Verfügung gestellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht
vor, daß die zumindest eine Störgröße gemessen oder ermittelt wird und
daß die entsprechende Frequenzänderung im Falle der Füllstandsmessung
bei der Festlegung des Schaltpunktes bzw. im Falle der Dichtemessung bei
der Bestimmung der Dichte des Mediums berücksichtigt wird. Durch diese
Ausgestaltung ist es möglich, unverzüglich auf Schwankungen in der
Störgröße zu reagieren und die Meßvorrichtung somit universell - also
unabhängig von den am Meßort herrschenden Bedingungen - einzusetzen.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Regel-/Aus
werteeinheit den Einfluß zumindest einer Störgröße auf die Schwing
frequenz der schwingfähigen Einheit ermittelt und daß die Regel-/Auswerte
einheit die Frequenzänderung, bei der das Erreichen des vorbestimmten
Füllstandes angezeigt wird, derart korrigiert, daß der Einfluß der Störgröße
eliminiert wird, bzw. daß die Regel-/Auswerteeinheit den durch die Störgröße
auftretenden Meßfehler bei der Dichtebestimmung berücksichtigt.
Wie bereits an vorhergehender Stelle angedeutet, handelt es sich bei der
zumindest einen Störgröße um die Temperatur oder den Druck, oder es
handelt sich um die Viskosität des Mediums. Selbstverständlich läßt sich jede
andere, empirisch greifbare Störgröße, die Einfluß auf das Schwingverhalten
des Schwingelements nimmt, mittels der Erfindung kompensieren.
Um stets die aktuellen Werte der Temperatur und/oder des Druckes zur
Verfügung zu haben, sind/ist ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor
vorgesehen, die/der die Temperatur bzw. den Druck in der Umgebung der
schwingfähigen Einheit bestimmen/bestimmt. Gemäß einer Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung sind/ist der Temperatursensor, z. B. ein PT
100, und/oder der Drucksensor in die Vorrichtung zur Bestimmung des
Füllstandes bzw. der Dichte integriert sind. Selbstverständlich ist es auch
möglich, den Temperatur- und/oder Drucksensor als separate Einheiten
vorzusehen und im Behälter zu positionieren. Weiterhin ist es möglich,
beispielsweise den Druck oder die Temperatur über die schwingfähige Einheit
selbst zu ermitteln. Insbesondere wird hier die Steifigkeit zwischen der
Antriebs-/Empfangseinheit und der Membran gemessen, an der z. B.
Schwingstäbe in Form einer Stimmgabel befestigt sind. Zwecks Messung der
Steifigkeit wird die schwingfähige Einheit mit einem hochfrequenten
Schwingungsmode beaufschlagt. Anschließend wird die Reaktion der
schwingfähigen Einheit auf die Erregerfrequenz zwecks Bestimmung der
Temperatur oder des Druckes ausgewertet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird vorgeschlagen, daß eine Datenübertragungsstrecke bzw. ein Datenbus,
vorgesehen ist. Über diese Verbindungen leiten die Sensoren und die
einzelnen Einheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ihre Daten an die
Regel-/Auswerteeinheit weiter, bzw. über die Verbindungen kommunizieren
die Sensoren und/oder die einzelnen Einheiten der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit der Regel-/Auswerteeinheit. Bei der Kommunikation wird
bevorzugt auf die gängigen Industriestandards zurückgegriffen. Als Beispiele
sind hier PROFIBUS PA, FIELDBUS FOUNDATION oder HART zu nennen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Ansteuerung der Regel-/Auswerteeinheit im
Falle der Füllstandsbestimmung,
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Ansteuerung der Regel-/Auswerteeinheit im
Falle der Dichtebestimmung,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Kennlinien E(Δf) bei unterschiedlichen
Viskositäten und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Kompensation von
Frequenzänderungen, die infolge der Viskosität des Mediums auftreten.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes F des
Mediums 2 in dem Behälter 3. Kurz gesprochen, handelt es sich um einen
Grenzwertdetektor. Die in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist selbst
verständlich auch - wie bereits an vorhergehender Stelle erläutert - zur
Bestimmung der Dichte des in dem Behälter 3 befindlichen Mediums 2
geeignet. Während im Fall der Füllstandsbestimmung die schwingfähige
Einheit nur bei Erreichen des detektierten Grenzfüllstandes in das Medium
bzw. nicht in das Medium eintaucht, muß sie zwecks Überwachung bzw.
Bestimmung der Dichte ρ kontinuierlich bis zu einer vorbestimmten
Eintauchtiefe E mit dem Medium 2 in Kontakt sein. Bei dem Behälter 3 kann
es sich natürlich auch um ein Rohr handeln, das von dem Medium 2
durchflossen wird.
Die Vorrichtung 1 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 auf. An
der Mantelfläche des Gehäuses 12 ist ein Gewinde 10 vorgesehen. Das
Gewinde 10 dient zur Befestigung der Vorrichtung 1 auf der Höhe des
vorbestimmten Füllstandes F in dem Behälter 3 und ist im gezeigten Fall in
einer entsprechenden Öffnung im Deckel 11 des Behälters 3 angeordnet.
Andere Arten der Befestigung, z. B. mittels eines Flansches, können die in Fig.
1 dargestellte Anbringung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 an dem
Behälter 3 ohne weiteres ersetzen.
Das Gehäuse 12 ist an seinem in den Behälter 3 hineinragenden Endbereich
von der Membran 5 abgeschlossen, wobei die Membran 5 in ihrem
Randbereich in das Gehäuse 12 eingespannt ist. An der Membran 5 ist die in
den Behälter 3 ragende schwingungsfähige Einheit 4 befestigt. Im
dargestellten Fall hat die schwingfähige Einheit 4 die Ausgestaltung einer
Stimmgabel, umfaßt also zwei voneinander beabstandete, auf der Membran 5
befestigte und in den Behälter 3 hineinragende ragende Schwingstäbe.
Die Membran 5 wird von einem Antriebs-/Empfangselement 6 in
Schwingungen versetzt, wobei das Antriebselement 6a die Membran 5 mit
einer vorgegebenen Erregerfrequenz zu Schwingungen anregt. Bei dem
Antriebselement 6a handelt es sich z. B. um einen Stapelantrieb oder um
einen Bimorphantrieb. Beide Arten von piezo-elektrischen Antrieben sind aus
dem Stand der Technik hinreichend bekannt, so daß an dieser Stelle auf ihre
Beschreibung verzichtet werden kann. Aufgrund der Schwingungen der
Membran 5 führt auch die schwingfähige Einheit 4 Schwingungen aus, wobei
die Schwingfrequenz unterschiedlich ist, wenn die schwingfähige Einheit 4 mit
dem Medium 2 in Kontakt ist und so beim Schwingen die Masse des Mediums
2 mitbewegen muß oder wenn die schwingfähige Einheit 4 frei und ohne
Kontakt mit dem Medium 2 schwingen kann.
Bei der Empfangseinheit 6b kann es sich beispielsweise ebenso wie bei der
Antriebseinheit 6a um ein einziges piezo-elektrisches Element handeln. Die
Antriebs-/Empfangseinheit 6 regt die Membran 5 zu Schwingungen in
Abhängigkeit von einem an dem piezo-elektrischen Element anliegenden
Sendesignal an, und sie dient zum Empfangen und Umwandeln der
Schwingungen der Membran 5 in ein elektrisches Empfangssignal.
Piezo-elektrischen Elemente ändern ihre Grössen (Dicke, Durchmesser . . .) in
Abhängigkeit von einer in Polarisationsrichtung anliegenden
Spannungsdifferenz. Liegt eine Wechselspannung an, so oszilliert die Dicke:
Nimmt die Dicke zu, so nimmt der Durchmesser des piezo-elektrischen Elementes ab; nimmt andererseits die Dicke ab, so vergrößert sich der Durchmesser des piezo-elektrischen Elements entsprechend.
Nimmt die Dicke zu, so nimmt der Durchmesser des piezo-elektrischen Elementes ab; nimmt andererseits die Dicke ab, so vergrößert sich der Durchmesser des piezo-elektrischen Elements entsprechend.
Aufgrund dieses Schwingungsverhaltens des piezo-elektrischen Elements
bewirkt die Spannungsdifferenz ein Durchbiegen der in das Gehäuse 12
eingespannten Membran 5. Die auf der Membran 5 angeordneten Schwing
stäbe des schwingfähigen Einheit 4 führen aufgrund der Schwingungen der
Membran 5 gegensinnige Schwingungen um ihre Längsachse aus. Die
gegensinnigen Schwingungen haben den Vorteil, daß sich die von jedem
Schwingstab auf die Membran 5 ausgeübten Wechselkräfte gegenseitig
aufheben. Hierdurch wird die mechanische Beanspruchung der Einspannung
minimiert, so daß näherungsweise keine Schwingungsenergie auf das
Gehäuse 12 übertragen wird.
In dem Behälter ist desweiteren ein Temperatursensor 13 und ein Druck
sensor 14 vorgesehen. Beide Sensoren 13, 14 und der Vibrationssensor
liefern ihre Meßwerte zwecks Auswertung an die Regel-/Auswerteeinheit 7.
In Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Ansteuerung der Regel-/Auswerteeinheit 7
für den Fall der Füllstandsbestimmung dargestellt. Als Sollwert zur
Charakterisierung des Schaltpunktes wird die zugehörige unter Standard
bedingungen ermittelte Frequenzänderung vorgegeben. Nach dem
Programmstart bei Punkt 20 werden bei den Programmpunkten 21, 22 der
aktuelle Temperaturwert T und der aktuelle Druckwert p bereitgestellt. Anhand
der gemessenen Werte T, p wird unter Programmpunkt 23 die entsprechende
Frequenzänderung Δf (p, T) berechnet. Die Berechnung kann beispielsweise
unter Verwendung einer empirisch ermittelten Kennlinie erfolgen. Diese
Kennlinie kann durch folgende Formel beschrieben werden:
Δf (p, T) = p.(a.T + b.T2 + c)+ d.T + e.
Hierbei sind a, b, c, d, e reelle Zahlen, in denen sich sensor- und system
abhängige Größen widerspiegeln. Die Ermittlung dieser Größen erfolgt
beispielsweise unter Verwendung empirisch ermittelter Kennlinien. Für
unterschiedliche Sensoren oder Einbauarten eines Füllstands- oder Dichte-
Meßgerätes in den Behälter sind gemäß einer bevorzugten Variante der
erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschiedliche Sätze von Kennlinien
vorgesehen. Im einfachsten Fall werden diese Kennliniensätze von dem
Bedienpersonal über Knopfdruck für die korrekte Ermittlung des Schalt
punktes oder der Dichte aufgerufen, so daß sie nachfolgend der Regel-/Aus
werteeinheit zur Verfügung gestellt werden.
Es versteht sich von selbst, daß ein interessanter Aspekt der Erfindung auch
derjenige ist, daß diese unterschiedlichen Kennliniensätze, die empirisch
ermittelt oder nach einem mathematischen Modell berechnet wurden und die
sensor- und/oder systemspezifisch sind, auch völlig unabhängig von der zuvor
beschriebenen Temperatur-, Druck- und/oder Viskositätskompensation
angewendet werden können.
Die unter dem Einfluß der Störgrößen (Druck p, Temperatur T) auftretende
Frequenzänderung Δf (p, T) wird nachfolgend unter Programmpunkt 25 bei
der den Füllstand F bzw. die Dichte ρ widerspiegelnden Frequenzänderung Δf
(IST) berücksichtigt. Erst wenn der korrigierte Istwert Δf (IST)Korr mit dem
vorgegebenen Sollwert Δf(SOLL) der Frequenzänderung übereinstimmt, wird
bei Punkt 26 eine Meldung "Sensor bedeckt" ausgegeben. Solange die zuvor
genannte Bedingung nicht erfüllt ist, werden die Programmpunkte 21 bis 25 in
einer Schleife durchlaufen. Ist die unter 26 vorgesehene Meldung erfolgt, wird
das Programm bei 27 beendet.
In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm zur Ansteuerung der Regel-/Auswerteeinheit 7
für den Fall der Dichtebestimmung dargestellt. Als Sollwerte für die Dichte
ρ(Δf) wird die unter entsprechenden Standardbedingungen ermittelte
Kennlinie vorgegeben, die die Dichte ρ in Abhängigkeit von der Frequenz
änderung Δf wiedergibt. In Kenntnis der Werte von Temperatur T und Druck p,
die unter den Programmpunkten 29, 30 gemessen werden, wird bei 31 die
zugehörige Frequenzänderung Δf(p, T) berechnet oder in sonstiger Weise
ermittelt. Diese Frequenzänderung Δf(p, T) wird bei der Bestimmung der
tatsächlichen, von diesen Störgrößen p, T unbeeinflußten Frequenzänderung
Δf' berücksichtigt (Punkt 32), so daß die korrigierte Frequenzänderung Δf'
verläßlich die tatsächliche Dichte ρ(Δf') des Mediums 2 widerspiegelt
(Programmpunkt 33).
Fig. 4 zeigt in einer graphischen Darstellung die Eintauchtiefe E in
Abhängigkeit von der Frequenzänderung Δf bei unterschiedlichen Viskositäten
V. Die beiden Extremfälle einer Viskosität von 1 mPasec und 60.000 mPasec
sind in Fig. 4 entsprechend markiert. Wie deutlich zu sehen ist, ist die
Frequenzänderung Δf nicht nur von der Eintauchtiefe E der schwingfähigen
Einheit 4 in das Medium 2 abhängig, sondern sie wird auch gravierend von
der Viskosität V des Meßmediums 2 beeinflußt. Erinnert sei an dieser Stelle
daran, daß sich die Erfindung auf eine universell für die Füllstands- oder
Dichtemessung bei unterschiedlichsten Medien 2 verwendbaren Vorrichtung
beziehen soll. Würde die unterschiedliche Viskositäten V der Medien 2 nicht
erfindungsgemäß berücksichtigt, würde z. B. ein Schaltvorgang ausgelöst,
obwohl der vorgegebene Füllstand noch überhaupt nicht erreicht worden ist.
Ebenso wären die Meßfehler, was die Dichtemessung betrifft, inakzeptabel
groß.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Kompensation
einer Frequenzänderung Δf, die - wie in Fig. 4 klar zu sehen ist - infolge des
Einflusses der Viskosität V des zu messenden oder überwachenden Mediums
2 auftritt. Kurz gesagt, wird durch die gezeigte Schaltung die Störgröße
"Viskosität V" automatisch kompensiert. Wie bereits an vorhergehender Stelle
beschrieben, wird hierzu die Phasenverschiebung Δϕ zwischen der
Erregerfrequenz E und der Schwingfrequenz S der schwingfähigen Einheit
4 so bemessen, daß eine auftretende Frequenzänderung Δf im wesentlichen
unabhängig ist von der Viskosität V des Mediums 2 und somit im wesentlichen
nur abhängig ist von der Eintauchtiefe E der schwingfähigen Einheit 4 in das
Medium 2 bzw. von der Dichte ρ des Mediums 2.
Insbesondere wird das die Schwingung der schwingfähigen Einheit wider
spiegelnde Empfangssignal der Empfangseinheit über das Filter 17 gefiltert;
anschließend wird das gefilterte Signal einer Phasenverschiebung Δϕ
unterzogen, die derart bemessen ist, daß die durch die Viskosität V
verursachte Frequenzänderung Δf (V) keinen Einfluß mehr auf die
Frequenzänderung Δf der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit 4 hat.
Liegen die Temperatur- und/oder Druckwerte innerhalb eines Bereichs, in
dem sie keine meßbaren Auswirkungen auf die Frequenzänderung Δf der
schwingfähigen Einheit 4 haben, so läßt sich der Einfluß der Viskosität V
problemlos kompensieren. Liegen die Temperatur- und/oder Druckwerte
hingegen in einem Bereich, in dem sie die Frequenzänderung Δf so stark
beeinflussen, daß Meßfehler und Fehlfunktionen des Sensors auftreten, so
wird zusätzlich die zuvor beschriebenen Kompensation des Temperatur-
und/oder Druckeinflusses erforderlich sein.
Es hat sich gezeigt, daß bei einer großen Zahl von Flüssigkeiten
unterschiedlicher Viskosität V mit einer Phasenverschiebung von 70° der
Einfluß der Viskosität hinreichend gut kompensiert werden kann. Bei dichten
Schäumen (Dichte < 0,6 g/cm3) ist eine Phasenverschiebung von 120°-140°
bestens zur Kompensation geeignet.
Hat man alle durch Temperatur T, Druck p und/oder Dichte ρ bedingte
Frequenzänderungen Δf (p, T, ρ) im Griff, so ist umgekehrt mittels der
Erfindung eine Bestimmung der Viskosität V möglich.
1
erfindungsgemäße Vorrichtung
2
Medium
3
Behälter
4
Schwingfähige Einheit, insbesondere Stimmgabel
5
Membran
6
Antriebs-/Empfangseinheit
7
Regel-/Auswerteeinheit
8
Datenleitung
9
Datenleitung
10
Gewinde
11
Deckel
12
Gehäuse
13
Temperatursensor
14
Drucksensor
15
Datenleitung
16
Datenleitung
17
Filter
18
Phasenschieber
19
Verstärker
Claims (13)
1. Verfahren zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines
Mediums in einem Behälter bzw. Verfahren zur Ermittlung der Dichte eines
Mediums in dem Behälter,
wobei eine schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht wird bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht wird, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht,
wobei die schwingfähige Einheit mittels einer Erregerschwingung zu Schwingungen angeregt wird und
wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkannt wird, sobald die schwingfähige Einheit mit einer Schwingfrequenz schwingt, die eine vorbestimmte Frequenzänderung gegenüber der Erregerfrequenz aufweist, bzw. wobei die Dichte des Mediums anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einfluß von zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) bei der Bestimmung des Füllstandes (F) des Mediums (2) in dem Behälter (3) bzw. bei der Bestimmung der Dichte (ρ) des in dem Behälter (3) befindlichen Mediums (2) ermittelt und entsprechend kompensiert wird.
wobei eine schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht wird bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht wird, daß sie bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht,
wobei die schwingfähige Einheit mittels einer Erregerschwingung zu Schwingungen angeregt wird und
wobei das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkannt wird, sobald die schwingfähige Einheit mit einer Schwingfrequenz schwingt, die eine vorbestimmte Frequenzänderung gegenüber der Erregerfrequenz aufweist, bzw. wobei die Dichte des Mediums anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einfluß von zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) bei der Bestimmung des Füllstandes (F) des Mediums (2) in dem Behälter (3) bzw. bei der Bestimmung der Dichte (ρ) des in dem Behälter (3) befindlichen Mediums (2) ermittelt und entsprechend kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Frequenzänderung (Δf) der schwingfähigen Einheit (4), die durch
eine Änderung der Viskosität (ΔV) des Mediums (2) hervorgerufen wird,
dadurch kompensiert wird, daß die Erregerfrequenz (E) gegenüber der
Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) eine Phasen
verschiebung (Δϕ) aufweist, die von 90° verschieden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Phasenverschiebung (Δϕ) zwischen der Erregerfrequenz (E) und der
Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) so bemessen ist, daß
eine auftretende Frequenzänderung (Δf) im wesentlichen unabhängig ist von
der Viskosität (V) des Mediums (2) und somit im wesentlichen nur abhängig ist
von der Eintauchtiefe (E) der schwingfähigen Einheit (4) in das Medium (2)
bzw. von der Dichte (ρ) des Mediums (2).
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zumindest eine Störgröße direkt gemessen oder indirekt ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß Kennlinien (Δf(p, T), (Δf(V)) erstellt und gespeichert werden, die die
Frequenzänderung (Δf) des schwingungsfähigen Gebildes (4) in Abhängigkeit
von zumindest einer Störgröße wiedergeben.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kennlinien (Δf(p, T), (Δf(V)) anhand eines mathematischen Modells
oder anhand empirisch ermittelter Daten erstellt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß weitere Parameter bei der Auswahl der Kennlinien berücksichtigt werden,
insbesondere die Geometrie und/oder die Dimensionierung der schwing
fähigen Einheit (4), das Material, aus dem die schwingfähige Einheit (4)
gefertigt ist und/oder im Falle der Füllstandsbestimmung die Einbauposition
der schwingfähigen Einheit (4) im Behälter (3).
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zumindest eine Störgröße gemessen oder ermittelt wird und
daß die entsprechende Frequenzänderung (Δf) im Falle der
Füllstandsmessung bei der Festlegung des Schaltpunktes bzw. im Falle der
Dichtemessung bei der Bestimmung der Dichte (ρ) des Mediums (2)
berücksichtigt wird.
9. Vorrichtung zur Feststellung und/oder Überwachung des Füllstandes eines
Mediums in einem Behälter bzw. Vorrichtung zur Ermittlung der Dichte eines
Mediums in dem Behälter,
wobei eine schwingfähige Einheit vorgesehen ist, die auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht ist, daß es bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht,
wobei eine Antriebs-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die die schwingfähige Einheit mit einer vorgegebenen Erregerfrequenz zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt, sobald eine vorgegebene Frequenzänderung auftritt bzw. die anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit die Dichte des Mediums ermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) den Einfluß zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) ermittelt und
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) die Frequenzänderung, bei der das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes (F) angezeigt wird, derart korrigiert,
daß der Einfluß der Störgröße eliminiert wird, bzw.
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) den durch die Störgröße auftretenden Meßfehler bei der Bestimmung der Dichte (ρ) berücksichtigt.
wobei eine schwingfähige Einheit vorgesehen ist, die auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht ist bzw. wobei eine schwingfähige Einheit so angebracht ist, daß es bis zu einer definierten Eintauchtiefe in das Medium eintaucht,
wobei eine Antriebs-/Empfangseinheit vorgesehen ist, die die schwingfähige Einheit mit einer vorgegebenen Erregerfrequenz zu Schwingungen anregt und die die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes erkennt, sobald eine vorgegebene Frequenzänderung auftritt bzw. die anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit die Dichte des Mediums ermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) den Einfluß zumindest einer Störgröße auf die Schwingfrequenz (S) der schwingfähigen Einheit (4) ermittelt und
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) die Frequenzänderung, bei der das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes (F) angezeigt wird, derart korrigiert,
daß der Einfluß der Störgröße eliminiert wird, bzw.
daß die Regel-/Auswerteeinheit (7) den durch die Störgröße auftretenden Meßfehler bei der Bestimmung der Dichte (ρ) berücksichtigt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der zumindest einen Störgröße um die Temperatur (T), den
Druck (p) oder um die Viskosität (V) des Mediums (2) handelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Temperatursensor (12) und/oder ein Drucksensor (13) vorgesehen
sind/ist, die/der die Temperatur (T) bzw. den Druck (p) in der Umgebung der
schwingfähigen Einheit (4) bestimmen/bestimmt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Temperatursensor (12) und/oder der Drucksensor (13) in die
Vorrichtung (1) zur Bestimmung des Füllstandes (F) bzw. der Dichte (ρ)
integriert sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Datenübertragungsstrecke bzw. ein Datenbus (9), vorgesehen
ist, über die der Sensor und/oder die einzelnen Einheiten (12, 13) der
erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) ihre Daten an die Regel-/Auswerteeinheit
(7) weiterleiten bzw. über den der Sensor und/oder die einzelnen Einheiten
(12, 13) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) mit der Regel-/Auswerte
einheit kommunizieren.
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