DE102005015546A1

DE102005015546A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102005015546A1
Application number: DE102005015546A
Authority: DE
Inventors: Jens Kröger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einem Schwingstab (1), welcher an mindestens einer Membran (2) angebracht ist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (3), welche den Schwingstab (1) über die Membran (2) zu mechanischen Schwingungen angregt und welche über die Membran (2) mechanische Schwingungen von dem Schwingungsstab (1) empfängt. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Detektionseinheit (5) vorgesehen ist, welche einen auf der Membran (2) lastenden Druck (p) bestimmt und/oder überwacht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einem Schwingstab, welcher an mindestens einer Membran angebracht ist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche den Schwingstab über die Membran zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche über die Membran mechanische Schwingungen von dem Schwingungsstab empfängt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, den Druck, die Temperatur, den pH-Wert oder die elektrische Leitfähigkeit des Mediums. Das Medium selbst ist entweder eine Flüssigkeit, ein Gas oder beispielsweise eine Schüttgut.

Im Stand der Technik sind Messgeräte bekannt, welche den Füllstand eines Mediums bestimmen, indem die mechanischen Schwingungen einer mechanisch schwingfähigen Einheit – z.B. einer Schwinggabel – ausgewertet werden. Die Amplitude und die Frequenz der Schwingungen sind u.a. davon abhängig, ob die schwingfähige Einheit in Kontakt mit dem Medium ist. Dabei wird üblicherweise bei Flüssigkeiten die Frequenz und bei Schüttgütern die Amplitude ausgewertet. Weitere Abhängigkeiten der Kenngrößen (Amplitude, Frequenz, Phase) der Schwingungen bestehen u.a. von der Dichte oder der Viskosität des Mediums.

Bei Prozessen in technischen Anlagen muss üblicherweise eine Vielzahl von Prozessgrößen bestimmt werden. Dazu gehören Füllstand, Dichte, Viskosität, Druck, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit oder pH-Wert. Für diese unterschiedlichen Prozessgrößen ist meist jeweils ein eigener Sensor erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Vibrationssensor anzugeben, welcher zumindest zwei Prozessgrößen misst.

Die Aufgabe löst die Erfindung derartig, dass mindestens eine Detektionseinheit vorgesehen ist, welche einen auf der Membran lastenden Druck (p) bestimmt und/oder überwacht. Die Detektionseinheit befindet sich vorteilhafterweise innerhalb der Vorrichtung. Die Erfindung besteht somit darin, dass die Membran, welche bei Sensoren nach dem Vibrationstyp der Übertragung der mechanischen Schwingungen dient, zur Bestimmung des Drucks benutzt wird. Somit handelt es sich um einen Multisensor. Membranen sind in der Druckmesstechnik bereits bekannt und vielfach angewendet. Bei der Erfindung besteht die Besonderheit darin, dass die Membran primär der Übertragung von mechanischer Kräfte und Momente dient, also für einen völlig anderen Zweck ausgelegt ist. Vorzugsweise wird eine statische Druckänderung gemessen, so dass die kontinuierliche Bewegung von der konstanten Verschiebung durch den im Medium oder im Behälter herrschenden Druck getrennt werden kann. Die Druckänderung würde somit quasi zu einer Änderung eines Signal-Offsets führen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Detektionseinheit über eine Auslenkung der Membran in Richtung der Senkrechten der Membran den Druck (p) bestimmt und/oder überwacht. Zur Druckmessung wird gezielt eine Verschiebung senkrecht zur Membran verwendet, die sich durch den auf der Membran lastenden Druck ergibt. Es wird also der gesamtheitlich sich über den Bereich der Membran ergebende Effekt ausgenutzt. Alternativ wird die punktuelle oder abschnittsweise Verformung der Membran durch den Druck ausgewertet. Dies ist vorteilhaft, wenn nicht vorausgesetzt werden kann, dass eine homogene Ausgestaltung der Membran gegeben ist bzw. dass der Druck gleichförmig wirkt. Die Messung der gesamten Auslenkung ist deutlich einfacher und kostengünstiger zu realisieren.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass in der Detektionseinheit zumindest ein Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität abhängig von der Auslenkung der Membran ist. Die Detektionseinheit für den Druck weist einen Kondensator auf, dessen Kapazität eine Funktion des Druckes bzw. der Auslenkung der Membran ist. Diese Art der Druckmessung nutzt aus, dass die Kapazität eines Kondensators umgekehrt proportional zum Abstand zweier Kondensatorplatten ist. Alternativ lässt sich die Auslenkung der Membran beispielsweise über eine Lasermessung realisieren.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Element beinhaltet, welches auf der Innenseite per Membran befestigt ist. Piezoelektrische Elemente werden bei Sensoren des Vibroniktyps häufig eingesetzt, um Wechselspannungen in mechanische Schwingungen umzuwandeln und um umgekehrt aus den mechanischen Schwingungen elektronische Signale zu erhalten. Für eine möglichst gute Kraftübertragung sind die piezoelektrischen Elemente meist direkt an der Membran befestigt. Die Elemente sind weiterhin oft Teil einer elektrischen Rückkopplung, in welcher eine entsprechende Elektronikeinheit von den piezoelektrischen Elementen eine Wechselspannung empfängt, einer Auswerteeinheit zugeführt und passend bearbeitet den piezoelektrischen Elementen als Anregesignal für die Aufrechterhaltung der Schwingungen rückführt.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Kondensator der Detektionseinheit an der von der Membran abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements angebracht ist. Der Kondensator der Detektionseinheit befindet sich auf der piezoelektrischen Einheit. Wird daher die Membran durch den Druck nach innen oder nach außen versetzt, so folgt die piezoelektrische Einheit dieser Verschiebung und die Kapazität des Kondensators ändert sich entsprechend. Für die Auswertung der Kapazität bzw. der Kapazitätsänderung ist beispielsweise ein Integrator zu verwenden.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein Temperatursensor vorgesehen ist, welcher die Temperatur (T) des Mediums und/oder die Temperatur der Membran bestimmt und/oder überwacht. Mindestens ein Temperatursensor bestimmt somit die Temperatur des Mediums, der Membran oder des mindestens einen Schwingstabs. Aus bekannten Temperaturabhängigkeiten lassen sich auch die einzelnen Temperaturen auseinander berechnen. Die Temperatur der Membran ist wichtig, da deren Empfindlichkeit auf Druck je nach dem Material der Membrantemperatur abhängig ist. D.h. aus der Temperatur kann bei bekannter Abhängigkeit aus dem gemessenen Druck auf den tatsächlich anliegenden Druck im Medium geschlossen werden. Der Temperatursensor kann dabei ein Bestandteil der Messvorrichtung oder ein zusätzlicher Sensor sein.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor an der Innenseite der Membran angebracht ist. Über diese Ausgestaltung wird direkt die Temperatur der Membran gemessen. Sind die entsprechenden Materialkonstanten der Membran bekannt, so lässt sich der anliegende Druck aus dem von der Detektionseinheit gemessenen Wert bestimmen. Weiterhin erlaubt der an der Membran gemessene Temperaturwert auch eine Aussage über die Mediumstemperatur.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche zumindest über die empfangenen mechanischen Schwingungen und über den bestimmten und/oder überwachten Druck (p) die Dichte des Mediums bestimmt und/oder überwacht. Die Auswerteeinheit ist derartig ausgestaltet, dass sie aus den mechanischen Schwingungen bzw. deren Kenngrößen: Amplitude, Frequenz und/oder Phase – dabei handelt es sich ggf. speziell um die Phasendifferenz zwischen dem Anregesignal und dem empfangenen Signal – und zumindest dem gemessenen Druck bzw. auch mit der gemessenen Temperatur die Dichte des Mediums bestimmt bzw. damit die Dichte überwacht. Die Dichte oder Änderung der Dichte haben Auswirkungen auf die mechanischen Schwingungen der mit dem Medium in Kontakt stehenden schwingfähigen Einheit. So ändert sich beispielsweise die Frequenz. Für eine Bestimmung oder Überwachung der Dichte ist jedoch auch Information über den Druck wesentlich. Der gemessene Druck ist weiterhin abhängig von der Geometrie und den Materialeigenschaften der Membran, den Messeigenschaften der verwendeten Detektionseinheit und auch von der Temperatur. Mit diesen bekannten bzw. gemessenen Größe ist es dann der Auswerteeinheit möglich, die Dichte des Mediums bzw. eine Änderung der Dichte zu berechnen. Die Auswerteeinheit ist daher entweder ein Teil der Messvorrichtung oder sie ist eine zusätzliche externe Einheit, welche mit dem Sensor beispielsweise über ein Bussystem verbunden ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest zwei Schwingstäbe vorgesehen sind, welche eine Schwinggabel bilden. Die mechanisch schwingfähige Einstab besteht somit aus zwei Schwingstäben, die als Schwinggabel auf der Membran befestigt sind. Als weitere Ausgestaltung ist nur ein Schwingstab auf der Membran befestigt. In diesem Fall handelt es sich um einen sog. Einstab.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zumindest zwei Prozessgrößen bestimmt und/oder überwacht, und dass es sich bei den Prozessgrößen um den Füllstand und die Dichte des Mediums handelt. Die Vorrichtung bestimmt zumindest den Füllstand und die Dichte des Mediums. Für die Bestimmung der Dichte ist die Information über den Druck erforderlich. Die Bestimmung von Füllstand und Dichte impliziert somit die Messung des Druckes. Alternativ lässt sich daher formulieren, dass die Messvorrichtung zumindest den Füllstand und den Druck des Mediums bestimmt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Messvorrichtung in 1 besteht aus einem Gehäuse 11, an dessen einem Ende sich die Membran 2 befindet. Dargestellt ist ein Schwingstab 1 von zweien, die zusammen die sog. Schwinggabel bilden. Die Schwingstäbe 1 weisen an ihrem der Membran 2 abgewandten Ende ein sog. Paddel auf.
Auf der Innenseite der Membran 2 befindet sich ein piezoelektrisches Element 4 als wesentlicher Bestandteil der Antriebs-/Empfangseinheit 3, welche die mechanisch schwingfähige Einheit, bestehend aus der Membran 2 und den Schwingstäben 1 zu Schwingungen anregt bzw. die deren Schwingungen empfängt.
Auf dem piezoelektrischen Element 4 befindet sich eine Elektrode des Kondensators 6 der Druckdetektionseinheit 5. Die Gegenelektrode ist derartig im Gehäuse 11 angebracht, dass sie von eine Verschiebung der Membran 2 unberührt bleibt. Verschiebt sich die axiale Lage der Membran 2 durch den Druck des – hier nicht dargestellten – Mediums, so folgt auch die Elektrode auf dem piezoelektrischen Element 4 dieser Bewegung, wodurch sich die Kapazität des Kondensators 6 ändert. Dieses Kapazitätssignal wird über eine Zuleitung 10 an die Auswerteeinheit 8 übermittelt. Die Auswerteeinheit 8 ist dabei ein Bestandteil der Messvorrichtung oder sie ist z.B. über ein Bussystem mit dieser verbunden.
Die Kapazität des Kondensators 6 gibt Auskunft über die von der Detektionseinheit 5 gemessene Verschiebung der Membran 2 über folgende einfache Näherung bei einem Plattenkondensator: Die Kapazität des Kondensators 6 beträgt C = ɛ·A/s. Dabei ist ɛ ist Dielektrizitätskonstante, A die Kondensatorfläche und s der Abstand zwischen den beiden Elektroden. Aus der gemessenen Kapazität berechnet sich der Abstand s daher zu s = ɛ·A/C. Der auf der Membran 2 lastende Druck p ergibt sich daraus in Verbindung mit der bekannten Temperaturabhängigkeit der Elastizität der Membran 2 und der Temperatur der Membran 2. Für die Messung der Temperatur T ist der Temperatursensor 7 vorgesehen, welcher im Gehäuse 11 der Messvorrichtung angeordnet ist. Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, dass es sich um einen zusätzlichen, externen Temperatursensor handelt. Die Temperaturinformation wird über eine weitere Zuleitung 10 der Auswerteeinheit 8 zugeführt. In der Auswerteeinheit 8 wird sodann der Druck p und in Verbindung mit der Auswertung der mechanischen Schwingungen auch die Dichte des Mediums bestimmt. Für die Dichtebestimmung ist eine vollständige Bedeckung der Schwingstäbe vorteilhaft. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung gibt somit Auskunft über Füllstand und Druck und in Verbindung mit einer entsprechend ausgestatteten Auswerteeinheit auch über die Dichte des Mediums. Die Signale über Druck p und Temperatur T werden hier aus der Messvorrichtung herausgeführt und stehen somit beispielsweise auch einer übergeordneten Leitzentrale zur Verfügung.

1: Schwingstab
2: Membran
3: Antriebs-/Empfangseinheit
4: piezoelektrisches Element
5: Detektionseinheit
6: Kondensator
7: Temperatursensor
8: Auswerteeinheit
10: Zuleitung
11: Gehäuse

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einem Schwingstab (1), welcher an mindestens einer Membran (2) angebracht ist, und mit mindestens einer Antriebs-/ Empfangseinheit (3), welche den Schwingstab (1) über die Membran (2) zu mechanischen Schwingungen anregt, und welche über die Membran (2) mechanische Schwingungen von dem Schwingungsstab (1) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Detektionseinheit (5) vorgesehen ist, welche einen auf der Membran (2) lastenden Druck (p) bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (5) über eine Auslenkung der Membran (2) in Richtung der Senkrechten der Membran (2) den Druck (p) bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Detektionseinheit (5) zumindest ein Kondensator (6) vorgesehen ist, dessen Kapazität abhängig von der Auslenkung der Membran (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (3) mindestens ein piezoelektrisches Element (4) beinhaltet, welches auf der Innenseite per Membran (2) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (6) der Detektionseinheit (5) an der von der Membran (2) abgewandten Seite des piezoelektrischen Elements (4) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperatursensor (7) vorgesehen ist, welcher die Temperatur (T) des Mediums und/oder die Temperatur der Membran (2) bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (7) an der Innenseite der Membran (2) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auswerteeinheit (8) vorgesehen ist, welche zumindest über die empfangenen mechanischen Schwingungen und über den bestimmten und/oder überwachten Druck (p) die Dichte des Mediums bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schwingstäbe (1) vorgesehen sind, welche eine Schwinggabel bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest zwei Prozessgrößen bestimmt und/oder überwacht, und dass es sich bei den Prozessgrößen um den Füllstand und die Dichte des Mediums handelt.