DE102004059050B4

DE102004059050B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102004059050B4
Application number: DE102004059050.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2024-12-08
Also published as: DE102004059050A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer der Prozessgrößen Füllstand, Druck, Durchfluss, pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur eines Mediums (2) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sondeneinheit (4), welche in einer vorgegebenen Position relativ zum Behälter (3) angebracht ist, wobei die Position der Sondeneinheit (4) während der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße im Wesentlichen zeitlich konstant ist, wobei mindestens eine Anrege-/Empfangseinheit (5) vorgesehen ist, welche die Sondeneinheit (4) zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (6) vorgesehen ist, welche die Anrege-/Empfangseinheit (5) steuert, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Anrege-/Empfangseinheit (5) derartig steuert, dass die Anrege-/Empfangseinheit (5) die Sondeneinheit (4) während einer Testphase zu mechanischen Schwingungen anregt, dass in der Regel-/Auswerteeinheit (6) mindestens eine Speichereinheit (7) vorgesehen ist, in welcher Sollwerte für Kenngrößen der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) hinterlegt sind, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung (1) überwacht, wobei sie in der Testphase die Beschaffenheit der Sondeneinheit (4) durch die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) untersucht, indem die Regel-/Auswerteeinheit (6) die gemessenen Werte mit den hinterlegten Werten vergleicht und eine Aussage über Ansatz oder Korrosion trifft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer der Prozessgrößen Füllstand, Druck, Durchfluss, pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer Sondeneinheit, welche in einer vorgegebenen Position relativ zum Behälter angebracht ist, wobei die Position der Sondeneinheit während der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße im Wesentlichen zeitlich konstant ist. Das Medium wiederum kann eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut sein.
Die Sondeneinheiten von Messgeräten oder Sensoren sind durch den Kontakt mit dem zu messenden Medium oder durch die Anbringung im gleichen Behälter wie das Medium Belastungen ausgesetzt. So kann das Medium als Ansatz oder Anlagerung anhaften, oder korrosives oder abrasives Medium trägt Material von der Sondeneinheit ab. Sowohl Ansatz als auch Korrosion oder allgemein Schäden, die die Sondeneinheit durch die Anwendung nimmt, können dazu führen, dass die Messungen beeinflusst und in ihrer Genauigkeit gestört werden, noch bevor es zu einem Ausfall des Messgerätes selbst kommt. Ansatz sei hierbei allgemein als eine Erhöhung der Masse der Sondeneinheit verstanden und Korrosion als ein Verlust an Substanz der Sondeneinheit.
FR 28 02 644 A1 beschreibt eine Vorrichtung, welche die durch ein Fluid verursachte Korrosion evaluiert. Dies geschieht mittels einer Nadel, die in Kontakt mit dem Fluid ist, und durch einen Vibrator in Schwingung versetzt wird. Die Nadel dient hierbei als Elektrode. Ferner weist die Vorrichtung eine Referenzelektrode und eine Hilfselektrode auf. Die Nadelschwingungen werden gemessen, und die Schwankungen in der Nadelvibrationsfrequenz bestimmt, wobei die Schwankungen der Nadelvibrationsfrequenz die Abhängigkeit zwischen den Ablagerungen auf der Nadel über die Zeit und der Temperatur zeigen.
DE 197 48 725 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung der Messflächen von Sensoren, die sich in Fluiden befinden. Während ihres Einsatzes im Messmedium wechselwirken Longitudinalwellen über das Messmedium mit der Sensorschicht mechanisch. Auf diese Weise werden die Haftkräfte der Ablagerungen, die sich auf der Sensorschicht befinden, überwunden und neue Ablagerungen werden vermieden. Das Messmedium dient hierbei als Reinigungsflüssigkeit.
DE 101 62 043 A1 beschreibt ein Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, bei dem sich möglichst wenig Ansatz bildet. Das Füllstandsmessgerät umfasst mindestens eine in den Behälter hineinragende Sonde, die in einem auf dem Behälter montierbaren Gehäuse befestigt ist, und einen Schwingungserreger, der dazu dient, die Sonde in mechanische Schwingungen zu versetzen.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung mit einer Sondeneinheit vorzuschlagen, bei welcher Ansatz bzw. Korrosion an der Sondeneinheit erkannt werden.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens eine Anrege-/Empfangseinheit vorgesehen ist, welche die Sondeneinheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche die Anrege-/Empfangseinheit steuert, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit auswertet. Die Regel-/Auswerteeinheit steuert die Anrege-/Empfangseinheit derartig, dass die Anrege-/Empfangseinheit die Sondeneinheit während einer Testphase zu mechanischen Schwingungen anregt. In der Regel-/Auswerteeinheit ist mindestens eine Speichereinheit vorgesehen, in welcher Sollwerte für die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit hinterlegt sind. Die Regel-/Auswerteeinheit überwacht die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung, wobei sie in der Testphase die Beschaffenheit der Sondeneinheit durch die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit untersucht, indem die Regel-/Auswerteeinheit die gemessenen Werte mit den hinterlegten Werten vergleicht und eine Aussage über Ansatz oder Korrosion trifft.
Die Erfindung besteht also darin, dass die Sondeneinheit, bei der es sich beispielsweise um die Membran einer Druckmesszelle, die Antenne eines Mikrowellenmessgerätes zur Bestimmung des Füllstandes über das Laufzeitverfahren oder um die Elektrode eines pH-Messgerätes handeln kann, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei mit der Sondeneinheit für die eigentliche Messungen keine mechanischen Schwingungen angewendet werden. Die Schwingfrequenz der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit hängt dabei u. a. von der Beschaffenheit der Sonde, also auch von deren Masse ab. Somit lässt sich also bei einer Änderung der Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit darauf schließen, dass Ansatz anhaftet oder dass die Sondeneinheit korrodiert ist. Die Schwingfrequenz hängt jedoch weiterhin auch davon ab, ob die Sondeneinheit in Kontakt mit dem Medium steht, oder ob sie unbedeckt oder ob sie teilweise bedeckt ist. Von daher müssen auch diese Einflüsse auf die Schwingungen bekannt sein. Von diesem Wissen ausgehend kann dann jedoch bei einer Änderung der Kenngrößen – z. B. Frequenz, Amplitude oder Phase der empfangenen Schwingungen relativ zu den anregenden Schwingungen – auf eine Beeinträchtigung der Sondeneinheit ausgegangen werden. Ist das mechanische Schwingungsverhalten der Sondeneinheit in Abhängigkeit von ihrer Masse bzw. dabei ggf. auch in Abhängigkeit vom Grad der Bedeckung durch das Medium bekannt, so kann damit ausgehend von den mechanischen Schwingungen auf die Beschaffenheit der Sondeneinheit geschlossen werden.
Ein solches Verfahren, aus Änderungen der mechanischen Schwingungen Schlüsse in Bezug auf Prozessgrößen oder auch in Bezug auf die Beschaffenheit der Messeinheit zu ziehen, sind bei den sog. Schwinggabeln bereits bekannt, siehe z. B. die Offenlegungsschrift DE 100 14 724 A1 . In der vorliegenden Anmeldung besteht jedoch die Erfindung darin, dass eine Sondeneinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, die prinzipiell für die Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgrößen nicht mechanisch schwingt, die somit während der Messungen die gleiche mechanische Position innebehält. Es handelt sich also bevorzugt um nicht-vibronische Sensoren.
Dass die Regel-/Auswerteeinheit die Anrege-/Empfangseinheit derartig steuert, dass die Anrege-/Empfangseinheit die Sondeneinheit während einer Testphase zu mechanischen Schwingungen anregt, unterstreicht den Unterschied zu den vibronischen Messgeräten, da hier nur innerhalb von Testphasen die Sondeneinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Oder mit anderen Worten: die Sondeneinheit schwingt mechanisch nur während der Testphasen und nicht während der eigentlichen Messungen. In diesen Testphasen wird dann die Beschaffenheit der Sondeneinheit durch die mechanischen Schwingungen resp. durch das mechanische Schwingungsverhalten der Sondeneinheit untersucht.
Die Sollwerte und damit verbundene Grenz- oder Schwellenwerte erlauben dann den Schluss auf die Beschaffenheit der Sondeneinheit und es kann passend früh genug ein Alarm ausgelöst werden, dass beispielsweise eine Reinigung oder ein Austauschen der Sondeneinheit erforderlich ist. Diese Sollwerte sind dann auch ggf. in Abhängigkeit von weiteren Prozessgrößen oder Prozessbedingungen zu bestimmen bzw. zu hinterlegen. Ähnliche Überlegungen sind der DE 103 28 296 A1 zu entnehmen.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Sondeneinheit um einen Drucksensor oder um einen Temperatursensor oder um einen pH-Wert-Sensor oder um eine Antenne zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von elektromagnetischen Signalen handelt. Hierbei handelt es sich also um Sondeneinheiten, die üblicherweise auf mechanische Schwingungen für die Bestimmung der entsprechenden Messgröße verzichten, so dass sich also jeweils das Messprinzip, welches mit der Sondeneinheit realisiert wird, von dem Messprinzip zur Überwachung der Funktionsfähigkeit deutlich unterscheidet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils:
1: eine schematische Darstellung einer pH-Elektrode als Sondeneinheit, und
2: eine Antenne zum Abstrahlen und Empfangen von elektromagnetischen Signalen als Sondeneinheit.
1 zeigt exemplarisch den Fall, dass es sich bei der Sondeneinheit 4 um eine pH-Sonde handelt. Alternativ kann es eine Druckmesszelle sein oder eine Antenne zum Ausstrahlen und Empfangen von elektromagnetischen Signalen, die über das Laufzeitverfahren der Bestimmung des Füllstandes dienen. Wie zu erkennen, ist hier die Sondeneinheit 4 in einer Position relativ zum Behälter 3 angebracht. Diese Position ändert sich während der Messungen zeitlich nicht, da bei der pH-Messung mit einer pH-Elektrode nicht-vibratorisch gemessen wird. Für die Erkennung von Ansatz oder Korrosion oder ähnlichen Effekten, die Auswirkungen auf die Beschaffenheit der Sondeneinheit 4 haben, wird also ein Messprinzip – mechanische Schwingungen – verwendet, welches vom eigentlichen Messprinzip, mit dem die Sondeneinheit 4 arbeitet, verschieden ist.
Die Sondeneinheit 4 ist hier vollständig vom Medium 2 bedeckt. Die Regel-/Auswerteeinheit 6 steuert die Anrege-/Empfangseinheit 5 dahingehend, dass sie die Sondeneinheit 4 während vorgegebener Testphasen zu mechanischen Schwingungen anregt und diese mechanischen Schwingungen dann auch von der Sondeneinheit 4 wieder empfängt. Dabei kann es sich bei der Anrege-/Empfangseinheit 5 beispielsweise um ein piezo-elektrisches Element handeln, welches über eine Membran mit der Sondeneinheit 4 verbunden ist. Aus den empfangenen Schwingungen können dann Aussagen über die Sondeneinheit 4 getroffen werden, wobei ggf. auf die Abhängigkeiten der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit 4 von weiteren Prozessgrößen, z. B. Temperatur, Viskosität, Dichte des Mediums oder eben auch Grad der Bedeckung der Sondeneinheit 4 durch das Medium 2 geachtet werden muss. Diese Abhängigkeit sind beispielsweise in der Speichereinheit 7 hinterlegt, ggf. auch mit Grenzwerten, so dass aus dem Vergleich der gemessenen Werten mit den hinterlegten Werten Aussagen über Ansatz oder Korrosion bzw. Abrasion getroffen werden können. Je nach der Beschaffenheit der Sondeneinheit 4 ist es auch möglich, dass keine oder nur geringe Abhängigkeiten der mechanischen Schwingungen von den sonstigen herrschenden Prozessbedingungen gegeben ist. Beispielsweise dürfte – innerhalb es gewissen Bereichs – die Temperatur des Mediums kaum Auswirkungen auf das Schwingverhalten einer Radar- oder Mikrowellenantenne haben. Ähnliches gilt vermutlich näherungsweise für die Glaselektrode als Sondeneinheit 4 eines pH-Messgerätes. Ist Ansatz aufgetreten, so kann beispielsweise ein Alarm ausgelöst werden. Für die Abhängigkeit von den weiteren Prozessbedingungen sind ggf. zusätzliche Sensoren vorzusehen. Die Erfindung erlaubt also eine Untersuchung der Beschaffenheit der Sondeneinheit 4 als Reaktion auf den Kontakt mit dem Medium oder mit anderen z. B. Witterungseinflüssen. Und davon ausgehend können vorsorgliche Maßnahmen ausgelöst werden.
In der 2 ist der Fall dargestellt, dass es sich bei der Sondeneinheit 4 um eine Antenne zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen handelt. Mit diesen kann der Füllstand des Mediums 2 über das Laufzeitverfahren bestimmt werden. Solche Antennen 4 kommen üblicherweise nie direkt in Kontakt mit dem Medium 1, wobei es jedoch durch Dämpfe oder Staub zu Ablagerungen oder zu Korrosion an der Sondeneinheit 4 kommen kann. In der 1 und 2 sind also jeweils Ausgestaltungen dargestellt, bei welchem die Sondeneinheit 4 üblicherweise entweder vollständig vom Medium 2 bedeckt oder vollständig frei von diesem ist. Auch diese Antenne 4 wird erfindungsgemäß von der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt. Sind die mechanischen Schwingungen der Antenne 4 unabhängig von den Prozessbedingungen, so kann z. B. aus einer Änderung der Amplitude oder der Frequenz der Schwingungen von der Regel-/Auswerteeinheit 6 in Verbindung mit den in der Speichereinheit 7 hinterlegten Sollwerten bzw. Grenzwerten ein Alarm ausgelöst werden, dass ein Austauschen oder eine Reinigung erforderlich sind. Die Speichereinheit 7 erkennt die Abweichungen. Von der Sondeneinheit 4 werden also elektromagnetische Wellen erzeugt und empfangen, um den Füllstand zu bestimmen. Während der Testphasen wird die Sondeneinheit 4 jedoch zu mechanischen Schwingungen angeregt und diese werden zum Erkennen von Ansatz oder Korrosion verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Medium
3: Behälter
4: Sondeneinheit
5: Anrege-/Empfangseinheit
6: Regel-/Auswerteeinheit
7: Speichereinheit

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer der Prozessgrößen Füllstand, Druck, Durchfluss, pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur eines Mediums (2) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sondeneinheit (4), welche in einer vorgegebenen Position relativ zum Behälter (3) angebracht ist, wobei die Position der Sondeneinheit (4) während der Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße im Wesentlichen zeitlich konstant ist, wobei mindestens eine Anrege-/Empfangseinheit (5) vorgesehen ist, welche die Sondeneinheit (4) zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (6) vorgesehen ist, welche die Anrege-/Empfangseinheit (5) steuert, und welche die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Anrege-/Empfangseinheit (5) derartig steuert, dass die Anrege-/Empfangseinheit (5) die Sondeneinheit (4) während einer Testphase zu mechanischen Schwingungen anregt, dass in der Regel-/Auswerteeinheit (6) mindestens eine Speichereinheit (7) vorgesehen ist, in welcher Sollwerte für Kenngrößen der mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) hinterlegt sind, und dass die Regel-/Auswerteeinheit (6) die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung (1) überwacht, wobei sie in der Testphase die Beschaffenheit der Sondeneinheit (4) durch die mechanischen Schwingungen der Sondeneinheit (4) untersucht, indem die Regel-/Auswerteeinheit (6) die gemessenen Werte mit den hinterlegten Werten vergleicht und eine Aussage über Ansatz oder Korrosion trifft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Sondeneinheit (4) um einen Drucksensor oder um einen Temperatursensor oder um einen pH-Wert-Sensor oder um eine Antenne zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von elektromagnetischen Signalen handelt.