DE102004027397A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit einer Sensoreinheit (1), mit einer Rückkoppelelektronik (2), und mit einer Zusatzelektronik (3). Die Sensoreinheit (1), die Rückkoppelelektronik (2) und die Zusatzelektronik (3) bilden einen ersten Schwingkreis (10), der mit mindestens einer Resonanzfrequenz (omega1) und/oder mit einer Resonanzfrequenz (omega¶res¶) innerhalb mindestens eines Resonanzfrequenzbereichs schwingt. Die Rückkoppelelektronik (2) und die Zusatzelektronik (3) bilden einen zweiten Schwingkreis (20), der auf einer Resonanzfrequenz (omega¶Kabelbruch¶) schwingt, die sich von der Resonanzfrequenz (omega¶res¶, omega¶1¶) des ersten Schwingkreises (10) unterscheidet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität oder den Durchfluss eines Mediums. Dabei kann es sich bei dem Medium um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut handeln.
  • Von der Anmelderin werden unter den Bezeichnungen „Liquiphant" und „Soliphant" Füllstandsmessgeräte hergestellt und vertrieben. Der Füllstand wird dadurch bestimmt, dass eine Sensoreinheit eine mechanisch schwingfähige Einheit – z.B. eine Schwinggabel – aufweist, die über einen Piezowandler zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen – beispielsweise die Amplitude oder die Frequenz – hängen davon ab, ob die schwingfähige Einheit frei schwingt, oder ob sie von dem Medium bedeckt wird. Durch diese Abhängigkeit ist es möglich, beispielsweise den Füllstand zu bestimmen.
  • Der Piezowandler dient auch dem Empfangen der mechanischen Schwingungen, die somit in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt werden. Diese Wechselspannung als Signal der schwingfähigen Einheit wird über entsprechende Verbindungen einer Rückkoppelelektronik zugeführt, wo das Signal verstärkt, gleichzeitig ausgewertet und der Sensoreinheit wieder rückgeführt wird. Aus der Frequenz, der Amplitude oder der Phase des von der Sensoreinheit kommenden Signals lässt sich dann z.B. auf den Füllstand des Mediums schließen. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, die Viskosität des Mediums zu bestimmen (siehe z.B. die PCT-Anmeldung WO 02/31471 A2).
  • Ein Problem liegt in der Verbindung zwischen der Sensoreinheit und der Rückkoppelelektronik. In der Vibronik – also bei den Verfahren, die eine mechanisch schwingfähige Einheit verwenden – wird im Allgemeinen zwischen den Zuständen „Sensor bedeckt" und „Sensor frei" unterschieden. Wird die Verbindung zwischen der Sensoreinheit und der Rückkoppelelektronik unterbrochen, so melden solche Grenzschalter- die Messgeräte dienen der Anzeige, ob ein Grenzstand erreicht worden ist – üblicherweise unabhängig davon, ob sie mit Medium in Berührung stehen oder nicht, bedeckt, wenn mindestens eine der elektrischen Verbindungen zwischen der Rückkoppelelektronik und der Sensoreinheit – also üblicherweise der Piezowandler- unterbrochen ist. Eine solche Unterbrechung ist z.B. dadurch möglich, dass Kabel oder Verbindungsstellen durch Vibrationen hart werden und brechen. Solche Unterbrechungen können auch aus Fertigungsfehlern oder-mängeln resultieren, wobei sich durch die Vibrationen beim Betrieb des Messgerätes Verbindungen lösen. Eine solche Unterbrechung sei für das folgende allgemein und plastisch als Kabelbruch bezeichnet.
  • Der Patentschrift DE 100 23 305 C2 lässt sich ein Verfahren entnehmen, mit welchem ein solcher Kabelbruch erkannt wird. Es wird dabei ausgenutzt, dass ein Piezowandler auch als Kondensator fungiert, also eine bestimmte Kapazität aufweist. Davon ausgehend wird während der Schwingungserregung die Kapazität oder eine dazu proportionale Größe zwischen den elektrischen Zuleitungen zum Piezowandler gemessen. Unterschreitet die Kapazität einen vorgegebenen Sollwert, so wird eine Störmeldung ausgegeben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass eine zusätzliche Schaltung erforderlich ist, die einen zusätzlichen Messwert erzeugt, der ausgewertet werden muss. Neben Frequenz und/oder Amplitude der Schwingungen wird also auch die Kapazität ausgewertet. Diese zusätzliche Messwert bringt überdies keine zusätzliche Information über das Medium mit sich.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kabelbruch zwischen der Sensoreinheit und der Rückkoppelelektronik mit einem möglichst geringen Aufwand zu erkennen und ihn sicher von den anderen Zuständen des Sensors unterscheidbar zu kennzeichnen.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit einer Sensoreinheit, mit einer Rückkoppelelektronik, und mit einer Zusatzelektronik, wobei die Sensoreinheit, die Rückkoppelelektronik und die Zusatzelektronik einen ersten Schwingkreis bilden, wobei der erste Schwingkreis mit mindestens einer Resonanzfrequenz (ω1) und/oder mit einer Resonanzfrequenz (ωres) innerhalb mindestens eines Resonanzfrequenzbereichs schwingt, wobei die Rückkoppelelektronik und die Zusatzelektronik einen zweiten Schwingkreis bilden, wobei der zweite Schwingkreis auf einer Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) schwingt, die sich von der Resonanzfrequenz (ωres, ω1) des ersten Schwingkreises unterscheidet.
  • Eine Vorraussetzung ist, dass sich die Frequenzen: ωres, ω1, ωKabelbruch bzw. damit verbundene Frequenzbereiche ausreichend voneinander unterscheiden. Auf jeden Fall muss ωKabelbruch verschieden zu den Frequenzen bzw. Frequenzebereichen ωres und ω1 sein.
  • Die Erfindung bezieht sich also auf alle Messsysteme, die mindestens eine Prozessgröße – z.B. den Füllstand – bestimmen, wobei eine Sensoreinheit direkt oder indirekt mit dem Medium in Kontakt tritt. Dabei ist es möglich, dass aus der Resonanzfrequenz (meist bei Flüssigkeiten) oder aus der Schwingungsamplitude (besonders bei Festkörpern) bei gleich bleibender Frequenz auf die Prozessgröße (sie z.B. die oben erwähnte Anmeldung WO 02/31471 A2) geschlossen wird. Somit kann es sich z.B. um eine oben beschriebene Schwinggabel handeln, es kann sich aber auch um Durchflussmessungen nach dem Coriolisprinzip handeln.
  • Die Idee der Erfindung besteht darin, dass eine Zusatzelektronik eingebracht wird, die dazu beiträgt, dass eine – im Fall, dass es beim normalen Betrieb der Vorrichtung bzw. des Messgerätes zwei unterschiedliche Frequenzen/Frequenzbereichen gibt – dritte Schwingfrequenz definiert wird, aus deren Auftreten darauf geschlossen werden kann, dass sich ein Kabelbruch ereignet hat, dass also die Sensoreinheit nicht mehr richtig mit der restlichen Elektronik des Messgerätes verbunden ist.
  • Bei der Schwinggabel ist es beispielsweise vorgesehen, dass im normalen Betrieb die Resonanzfrequenz ωres innerhalb eines Frequenzbereiches liegt. Damit wird Rücksicht darauf genommen, dass fertigungstechnisch aufgrund von Abweichungen nicht alle Gabeln die gleiche mechanische Resonanzfrequenz aufweisen. Weiterhin umfasst dieser Frequenzbereich auch die Frequenzen, die sich durch den Frei- und Bedecktzustand ergeben. Überdies treten durch unterschiedliche Dichten und Viskositäten der Medien auch unterschiedliche Frequenzen auf.
  • Weiterhin gibt es eine sog. Abrissfrequenz ω1: Es ist möglich, dass beispielsweise durch das Medium – z.B. Feststoffe in einer Flüssigkeit – oder durch mechanische Beschädigung ein mechanisches Schwingen der Sensoreinheit nicht mehr möglich ist. Es kann also beispielsweise ein Gabelzinken abgebrochen sein oder ein Feststoff ist zwischen die Gabelzinken geklemmt. In diesem Fall gibt es im ersten Schwingkreis nur noch eine elektrische Rückkopplung; die schwingfähige Einheit beeinflusst durch ihre mechanischen Eigenschaften nicht mehr den Schwingkreis. Um diesen Fall zu kennzeichnen, springt das System auf die erwähnte und definierte Abrissfrequenz ω1. Somit sind für die Schwinggabel ein Frequenzband und eine einzelne Frequenz vorgegeben. Oder allgemein, der erste Schwingkreis kann auf unterschiedlichen Frequenzen schwingen, aus denen auf die Prozessgröße oder Prozessgrößen geschlossen wird, oder die für andere definierte Zustände – z.B. das Abreißen der Schwingungen – stehen.
  • Bei der Detektion von Festkörpern oder Schüttgut tritt üblicherweise nur eine Frequenz (ωres) innerhalb eines Frequenzbandes auf. Bei diesen Messgeräten ändert sich jedoch nicht die Frequenz durch den Kontakt mit dem Medium.
  • Das erfindungsgemäße Messgerät wird also als ein Schwingkreis aufgefasst, der im Wesentlichen aus drei Einheiten besteht: Rückkoppelelektronik, Sensoreinheit und Zusatzelektronik. Die Rückkoppelelektronik wird auch für die Bestimmung der Prozessgröße verwendet, indem z.B. über sie die Verstärkung, die Frequenz oder die Phase der detektierten Schwingungen bestimmt und ausgewertet werden kann. Sind alle Verbindungen in Ordnung, so treten beispielsweise die Schwingungen mit der Resonanzfrequenz ωres im Bereich des vorgegebenen Frequenzbandes auf oder das System schwingt mit der Abrissfrequenz ω1 im Fall einer mechanischen Beeinträchtigung der Sensoreinheit. Die Frequenzen sind dabei abhängig von der Ausgestaltung der drei Einheiten.
  • Die Einheiten sind nun so miteinander geschaltet, dass bei einem Kabelbruch zwischen Rückkoppelelektronik und Sensoreinheit die Rückkoppelelektronik und die Zusatzelektronik einen zweiten Schwingkreis bilden. Dieser zweite Schwingkreis schwingt dann auf einer zusätzlichen Resonanzfrequenz ωKabelbruch die somit eindeutig den Kabelbruch kennzeichnet. Durch die Erfindung wird also quasi eine dritte Resonanzfrequenz (ist für den Normalfall nur eine Resonanzfrequenz ωres vorgesehen, so handelt es sich durch die Zusatzelektronik um die zweite Resonanzfrequenz) bereitgestellt, deren Auftreten ein Zeichen für den Kabelbruch ist. Es gibt also eine Frequenz (Festkörper) oder ein Frequenzbereich (Flüssigkeiten), die sich aus dem normalen Betrieb ergeben. Dazu kommt eine Frequenz für den Zustand, dass keine mechanischen Schwingungen möglich sind. Und durch die Erfindung wird eine zusätzliche Frequenz bereitgestellt, die den Fall des Kabelbruches kennzeichnet.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Sensoreinheit und die Zusatzelektronik parallel und in Reihe zur Rückkoppelelektronik geschaltet sind. Durch diese Ausgestaltung lässt es sich sehr einfach realisieren, dass ein erster und ein zweiter Schwingkreis gegeben sind, wobei sich der zweite Schwingkreis ergibt, wenn die Verbindung mit der Sensoreinheit abbricht.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Verstärkung des ersten Schwingkreises im Bereich der Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen (ωres, ω1) des ersten Schwingkreises größer als im Bereich der Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) des zweiten Schwingkreises ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass so verhindert wird, dass durch die Zusatzelektronik das Gesamtverhalten der Vorrichtung, also des Messgerätes negativ beeinflusst wird. Prinzipiell könnte der erste Schwingkreis auf jeder der drei Resonanzfrequenzen bzw. der Frequenzen und im Frequenzbereich schwingen. Im konkreten Fall verbleibt die Auswahl zwischen einer der Resonanzfrequenzen für den normalen Betrieb (ωres) und der Frequenz des Kabelbruchs (ωKabelbruch) und die Auswahl zwischen der Abrissfrequenz (ω1) und der Frequenz des Kabelbruchs (ωKabelbruch). Die Auswahl zwischen der Frequenz ωres und der Frequenz ω1 ist durch den mechanischen Zustand der Sensoreinheit bestimmt. Von daher bleiben von den drei möglichen Frequenzen nur die genannten Paarungen übrig. Da die (Kreis)Verstärkung des ersten Schwingkreises – die Verstärkung setzt sich aus den Verstärkungen der drei Einheiten zusammen – jedoch auf den eigentlich interessierenden Frequenzen (ωres, ω1) des ersten Schwingkreises größer, vorzugsweise deutlich oder viel größer als auf der Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) des zweiten Schwingkreises ist, kann diese Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) im normalen Betrieb kaum auftreten. Somit ist also eine Bedingung an die praktische Umsetzung, dass diese Resonanzfrequenz im normalen Betrieb möglichst nicht auftreten darf.
  • Eine dazu alternative oder in Kombination damit bestehende Ausgestaltung sieht vor, dass die Summe der Phasen, die im ersten Schwingkreis entstehen, im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist, und dass die Summe der Phasen, die im zweiten Schwingkreis entstehen, verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen von 2π ist, wobei die Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen von 2π derartig ist, dass der zweite Schwingkreis schwingfähig ist. Ist also die Sensoreinheit mit der Rückkoppelelektronik und der Zusatzelektronik verbunden, so ist für den ersten Schwingkreis die Summe über die einzelnen Phasen ein ganzzahliges Vielfaches von 360° bzw. 2π. Anders ausgedrückt: An jedem Punkt, an dem man den ersten Schwingkreis auftrennt, ist das ankommende Signal mit dem abgehenden Signal in Phase, d.h. der erste Schwingkreis kann optimal schwingen. Für den zweiten Schwingkreis aus Rückkoppelelektronik und Zusatzelektronik ist jedoch die Summe der Phasen vorzugsweise leicht verschieden zu einem ganzzahligen Vielfachen von 360°, so dass eine Schwingung des ersten Schwingkreises auf der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises kaum wahrscheinlich ist, aber eine Schwingung des zweiten Schwingkreises dennoch möglich ist. Dies ist also eine alternative Bedingung, um eine Beeinträchtigung des Messgerätes durch die Zusatzelektronik zu vermeiden. Möglichkeiten sind die Einstellung der Verstärkung oder der Phasen oder eine passende Kombination aus beiden Möglichkeiten.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass durch eine Kombination aus der Verstärkung des ersten oder des zweiten Schwingkreises und aus der Summe der Phasen des ersten oder des zweiten Schwingkreises sichergestellt ist, dass ein Schwingen des ersten Schwingkreises auf der Resonanzfrequenz ωKabelbruch des zweiten Schwingkreises vermieden ist. Mit dieser Ausgestaltung werden also die Phasen und die Verstärkungen miteinander kombiniert, so dass eine Schwingung des ersten Schwingkreises auf der Resonanzfrequenz ωKabelbruch des zweiten Schwingkreises vermieden wird. Die beiden obigen Ausgestaltungen werden also zusammengeführt, um sicherzustellen, dass der erste Schwingkreis nicht auf der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises schwingt. Dabei sind beliebige Kombinationen der Verstärkungs- oder Phasenbedingungen möglich.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Sensoreinheit mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit aufweist. Es handelt sich also beispielsweise um ein Messgerät mit einer Schwinggabel oder um einen sog. Einstab. Bei solchen schwingfähigen Einheiten – Schwinggabel oder Einstab – ist üblicherweise auch eine Anregungs-/Empfangseinheit vorgesehen, die die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit erzeugt und die die Schwingungen empfängt. Eine Ausgestaltung davon ist ein Piezowandler, der mit einer elektrischen Wechselspannung angesteuert wird, diese in eine mechanische Schwingung der schwingfähigen Einheit umsetzt und der umkehrt die mechanischen Schwingungen in eine Wechselspannung übersetzt. Es kann sich jedoch auch um das schwingende Rohr oder die schwingenden Rohre eines Coriolis-Durchflussmessgerätes handeln. Bei einem Einstab oder ein Schwinggabel ist die Prozessgröße vorzugsweise der Füllstand des Mediums, es kann sich jedoch auch um die Viskosität oder die Dichte des Mediums handeln.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1: ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2a bis 2c: Diagramme zur Beschreibung des Verhaltens der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • 3: eine schematische Darstellung einer Schwinggabel als erfindungsgemäßer Vorrichtung.
  • In der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Zu sehen ist die Sensoreinheit 1, die Rückkoppelelektronik 2 und die erfindungsgemäß hinzugefügte Zusatzelektronik 3. Diese drei Einheiten 1, 2, 3 bilden zusammen den ersten Schwingkreis 10, der in Abhängigkeit vom Prozessmedium, welches in Wechselwirkung mit der Sensoreinheit 1 tritt, auf einer der beiden Resonanzfrequenzen ωres (diese Frequenz befindet sich innerhalb eines Frequenzbandes) oder ω1 (im Fall, dass die Schwingungen abreißen, weil das mechanische Schwingen der Sensoreinheit nicht mehr möglich ist) schwingt. Die Sensoreinheit 1 und die Zusatzelektronik 3 sind in dieser Ausgestaltung parallel und in Reihe zur Rückkoppelelektronik 2 geschaltet, so dass die Rückkoppelelektronik 2 und die Zusatzelektronik 3 im Falle eines Kabelbruchs (in der Abbildung angedeutet durch die beiden Unterbrechungsstriche) den zweiten Schwingkreis 20 mit der Resonanzfrequenz ωKabelbruch bilden.
  • Für die folgende Betrachtung sind die mit F(iω) bezeichneten Teile die Rückkoppelglieder mit der komplexen Übertragungsfunktion F(iω) = Uaus/Uein:
    • Fe:
    Übertragungsfunktion der Rückkoppel- oder Verstärkerelektronik 2,
    Fr:
    die Zusatzelektronik 3 zur Generierung des Kabelbruchzustandes,
    Fse:
    die Übertragungsfunktion der rein elektrischen Sensoreigenschaften (Sensor im vollständig blockiertem Zustand; eine mechanische Schwingung ist nicht mehr möglich) der Sensoreinheit 1,
    Fs:
    die Übertragungsfunktion der durch die mechanische Resonanzschwingung der schwingfähigen Einheit der Sensoreinheit bestimmten elektrischen Signale (Sensor schwingt; er ist im Frei- oder im Bedeckt-Zustand oder die mechanisch schwingfähige Einheit ist teilweise bedeckt, d.h. der Sensor befindet sich in einem Zwischenzustand).
  • Um die Schwingkreise 10, 20 zu beschreiben, werden sie am Ausgang 5 der Rückkoppelelektronik 2 aufgetrennt. Eine mögliche Signalsättigung wird zur Vereinfachung nicht berücksichtigt (nur stationärer Fall).
  • Die Schwingbedingung der verschiedenen Zustände lauten dann:
  • Zustand 1:
  • Der Sensor kann frei oder teilweise oder vollständig bedeckt schwingen und kein Kabelbruch ist gegeben:
    Figure 00100001
  • Zustand 2:
  • Der Sensor schwingt nicht, d.h. es ist keine mechanische Schwingung möglich, und kein Kabelbruch ist gegeben:
    Figure 00100002
  • Zustand 3:
  • Ein Kabelbruch ist aufgetreten, wobei der Sensor schwingfähig oder nicht schwingfähig ist:
    Figure 00100003
  • Dabei sind die Resonanzfrequenzen:
    • ωres:
    Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises 10 mit der mechanischen Schwingung des Sensors, wobei die Gabel schwingt (entweder frei oder bedeckt oder zwischen diesen beiden Extremwerten).
    ω1:
    Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises 10 mit der vollständig bedeckten Gabel, die mechanisch nicht mehr schwingen kann (Abrissfrequenz). Die Übertragungsfunktion Fs des schwingenden Sensors ist 0.
    ωKabelbruch:
    Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises 20, der Kabelbruch signalisiert. Die Übertragungsfunktionen Fs und Fse sind jeweils aufgrund des Kabelbruches weggefallen.
  • Um Zustand 2 und Zustand 3 unterscheiden zu können, muss ω1 ≠ ωKabelbruch sein. Dies ist also die erste Bedingung, um die erfindungsgemäße Vorrichtung zu realisieren. Gleiches gilt für die Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises 10 mit der mechanischen Schwingung des Sensors ωres.
  • Des weiteren muss sichergestellt sein, dass die Schwingung bei freiem Sensor kaum von dem zusätzlichen Übertragungsglied Fr beeinflusst wird, indem z.B. bei gegebenem Fs die Transferfunktion Fr so gewählt wird, dass gilt: |Fr(iωKabelbruch) × Fe(iωKabelbruch)|<|[Fr(iωres) + Fse(iωres) + Fs(iωres)] × Fe(iωres)| Das bedeutet, dass die Kreisverstärkung des ersten Schwingkreises 10 im Bereich ω = ωKabelbruch deutlich kleiner als im Bereich ω = ωres bzw. ω = ω1 sein muss. Dies ist eine zweite Bedingung für die technische Umsetzung der Vorrichtung. Dies lässt sich wie oben bereits ausgeführt auch über die Phasen realisieren.
  • Im Allgemeinen ist ωres ein von den mechanischen Schwingeigenschaften des Sensors bestimmtes Frequenzintervall (fertigungstechnische Toleranzen; Dichte und Dämpfungseigenschaften des Mediums, in das der Sensor eingetaucht ist; Temperatur; Druck).
  • Anmerkung: In einer realen Elektronik wird aus Gründen des Aufwands die Verstärkung meistens nicht gleich 1, sondern größer 1 gesetzt. Für eine Vereinfachung der Formeln wurde die Kreisverstärkung gleich 1 gesetzt. Die obige Ausführung dürfte jedoch das Prinzip der Erfindung und die Bedingungen zur deren Realisierung ausreichend beschrieben haben.
  • In den Figuren 2a bis 2c wird die Kabelbruchdetektion durch die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert. Für das Verständnis wird die Situation derart vereinfacht, dass der erste Schwingkreis nur auf einer Resonanzfrequenz ωres/1 schwingt, d.h, die oben beschriebenen beiden Zustände 1 und 2, die sich beide auf eine „funktionierende" Verbindung zwischen der Sensoreinheit und der Rückkoppelelektronik beziehen, werden zusammengefasst. Hiermit wird also auch der Fall erfasst, dass im normalen Betrieb nur eine Resonanzfrequenz auftritt, weil z.B. der Kontakt mit dem Medium nicht zu einer Veränderung der Schwingungsfrequenz, sondern zu einer Änderung der Schwingungsamplitude führt (z.B. Schüttgüter oder Feststoffe im Gegensatz zu Flüssigkeiten, deren unterschiedliche Dichten und Viskositäten zu dem Frequenzbereich führen).
  • In den Figuren 2a und 2b beschreibt die Kurve Fe(iω) jeweils den Phasen- bzw. Verstärkungsverlauf der Rückkoppelelektronik 2. Die Kurve Fr(iω) + Fs(iω) beschreibt die Rückkopplung des ersten Schwingkreises 10 und die Kurve Fr(iω) die Zusatzelektronik 3. Die Transferfunktion Fse(iω), also das Verhalten im Fall der bedeckten Schwinggabel wird zur Vereinfachung weggelassen. Die Spektren in den 2a und 2b erfüllen die Schwingbedingungen für zwei unterschiedliche Frequenzen ωres/1 und ωKabelbruch.
  • Zustand 1/2:
  • Die Sensoreinheit meldet frei oder bedeckt. Es liegt kein Kabelbruch vor. Es gelten die Kurven Fe(iω) und Fr(iω) + Fs(iω)) [Fr(iω) + Fs(iω)] × Fe(iω) ≥ 1 + 0i
  • Diese Gleichung ist für beide Frequenzen ωres/1 und ωKabelbruch erfüllt. Da aber für diesen Zustand auch |Fr(iωKabelbruch) × Fe(iωKabelbruch)|<|[Fr(iωres/1) + Fs(iωres/1)] × Fe(iωres/1)| erfüllt sein muss, schwingt der erste Schwingkreis 10 bei der Frequenz ω = ωres/1. Aus der Abbildung der Spektren ist das nachvollziehbar. Durch die Zusatzelektronik 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also das normale Verhalten der Messvorrichtung nicht beeinflusst.
  • Zustand 3:
  • Die Sensoreinheit ist nicht angeschlossen; es liegt also ein Kabelbruch vor. Es gelten die Kurven Fe(iω) und Fr(iω)).
  • Jetzt ist für ω = ωKabelbruch folgende Beziehung erfüllt: Fr(iω) × Fe(iω) = 1 + 0i |ω = ωKabelbruch
  • Im Fall des Kabelbruches schwingt der zweite Schwingkreis 20 also auf der Kabelbruch-Frequenz ωKabelbruch, so dass aus dem Auftreten dieser Frequenz darauf geschlossen werden kann, dass ein solcher Kabelbruch vorliegt. Und besonders durch das Verstärkungsprofil der Rückkoppelelektronik 2 wird sichergestellt, dass im normalen Betrieb, also bei einer bestehenden Verbindung zwischen den einzelnen Einheiten, der erste Schwingkreis 10 sicher auf den Resonanzfrequenzen schwingt, die zur Bestimmung der Prozessgröße dienen.
  • Diese Zustände werden auch in der Ortskurve in 2c ersichtlich: In der Ortskurve ist die Funktion F(iω) = [Fr(iω) + FS(iω)] × Fe(iω) des offenen Schwingkreises dargestellt. Mit ω als Parameter kann man auf der Funktion in Pfeilrichtung vom Ursprung (ω = 0), über den ersten Oszillationspunkt (ω = ωres/1) und den zweiten (ω = ωKabelbruch) wieder bis in den Ursprung (ω = ∞) entlangfahren. In den beiden Schwingungspunkten ist F real, d.h. es existiert keine Phasenverschiebung bis auf n*360°, wobei n eine natürliche Zahl ist (n = 1, 2, 3,...) zwischen Ein- und Ausgang.
  • Durch die obigen Bedingungen sind die Sensoreinheit 1, die Rückkoppelelektronik 2 und die Zusatzelektronik 3 hinreichend beschrieben, so dass ihre Realisation einer fachlich qualifizierten Person keine sonderlichen Aufgaben mehr stellen. Es muss prinzipiell darauf geachtet werden, dass die Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises 20 hinreichend verschieden von der oder den Resonanzfrequenzen des ersten Schwingkreises 10 ist, und dass durch die Zusatzelektronik 3 kein negativer Einfluss auf die Schwingungen des ersten Schwingkreises 10 auftritt. Dies lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass das Verstärkungsverhalten des ersten Schwingkreises 10 im Bereich der Schwingungen des ersten Schwingkreises 10 mit den Frequenzen ωres bzw. ω1 deutlich größer ist als im Bereich der Schwingungen des zweiten Schwingkreises 20 mit ωKabelbruch.
  • 3 zeigt eine Schwinggabel als mechanisch schwingfähige Einheit 30 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine solche Einheit 30 wird beispielsweise mit einem Piezowandler – hier nicht dargestellt – zu Schwingungen angeregt. Wird die Vorrichtung zur Füllstandsbestimmung verwendet, so schwingt die Gabel 30 auf zwei unterschiedlichen Frequenzen ωres (dies ist ein Frequenzbereich, der durch die mechanischen Eigenschaften der Gabel und durch die Eigenschaften des Mediums, z.B. Füllstand, Dichte oder Viskosität bestimmt ist) oder ω1 (die Gabel kann keine mechanischen Schwingungen ausführen; Abrissfrequenz für Abriss der mechanischen Schwingungen). Problematisch sind die Verbindungen 6 zwischen der Sensoreinheit 1 und der Rückkoppelelektronik 2 bzw. der Zusatzelektronik 3. Diese Verbindungen 6 sind hier durch eine Anregungs- und Empfangsverbindung dargestellt, es kann sich jedoch auch um eine einzige bidirektionale Verbindung handeln. Solche Verbindungen 6 können aus Kabel bestehen, deren Lötstellen abbrechen, oder die durch ein aggressives Medium, das in die Vorrichtung eingedrungen ist, angegriffen werden. Es bestehen also viele Möglichkeiten, durch die es zu einem „Kabelbruch" kommen kann. Dieser Zustand „Kabelbruch" wird durch die Erfindung eindeutig erkennbar, indem durch die Zusatzelektronik 3 ein zweiter Schwingkreis 20 gebildet wird, der auf einer eindeutig definierten Resonanzfrequenz ωKabelbruch schwingt. Und durch die Ausgestaltung des ersten Schwingkreises 10, bzw. spezieller durch die Ausgestaltung der Verstärkungscharakteristik der Sensoreinheit 1, der Rückkoppelelektronik 2 und der Zusatzelektronik 3 wird auch sichergestellt, dass das der erste Schwingkreis 10 nicht auf dieser Kabelbruchfrequenz schwingt. Somit wird der zweite Schwingkreis 20 nur dann aktiv, wenn die Verbindung 6 zwischen Zusatzelektronik 3 und dem zweiten Schwingkreis 20 ausgefallen ist, wenn also ein Kabelbruch aufgetreten ist. Somit hat die Zusatzelektronik 3 den Vorteil, dass durch sie eine wohldefinierte Frequenz im Falle des Kabelbruchs auftritt, dass aber durch sie auch keine negative Beeinträchtigung des Normalbetriebs erfolgt.
    • 1
    Sensoreinheit
    2
    Rückkoppelelektronik
    3
    Zusatzelektronik
    5
    Auftrennpunkt
    6
    Elektrische Verbindung
    10
    Erster Schwingkreis
    20
    Zweiter Schwingkreis
    30
    Mechanisch schwingfähige Einheit

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit einer Sensoreinheit (1 ), mit einer Rückkoppelelektronik (2), und mit einer Zusatzelektronik (3), wobei die Sensoreinheit (1 ), die Rückkoppelelektronik (2) und die Zusatzelektronik (3) einen ersten Schwingkreis (10) bilden, wobei der erste Schwingkreis (10) mit mindestens einer Resonanzfrequenz (ω1) und/oder mit einer Resonanzfrequenz (ωres) innerhalb mindestens eines Resonanzfrequenzbereichs schwingt, wobei die Rückkoppelelektronik (2) und die Zusatzelektronik (3) einen zweiten Schwingkreis (20) bilden, wobei der zweite Schwingkreis (20) auf einer Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) schwingt, die sich von der Resonanzfrequenz (ωres, ω1) des ersten Schwingkreises (10) unterscheidet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinheit (1) und die Zusatzelektronik (3) parallel und in Reihe zur Rückkoppelelektronik (2) geschaltet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung des ersten Schwingkreises (10) im Bereich der Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen (ωres, ω1) des ersten Schwingkreises (10) größer als im Bereich der Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) des zweiten Schwingkreises (20) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Summe der Phasen, die im ersten Schwingkreis (10) entstehen, im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist, und wobei die Summe der Phasen, die im zweiten Schwingkreis (20) entstehen, verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen von 2π ist, wobei die Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen von 2π derartig ist, dass der zweite Schwingkreis (20) schwingfähig ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, wobei durch eine Kombination aus der Verstärkung des ersten (10) oder des zweiten Schwingkreises (20) und aus der Summe der Phasen des ersten (10) oder des zweiten Schwingkreises (20) sichergestellt ist, dass ein Schwingen des ersten Schwingkreises (10) auf der Resonanzfrequenz (ωKabelbruch) des zweiten Schwingkreises (20) vermieden ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinheit (1) mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (30) aufweist.
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