DE102005036409A1

DE102005036409A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102005036409A1
Application number: DE102005036409A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brutschin; Jürgen Meier; Alexander Müller; Franco Ferraro
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-15

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (3), und mit einer Anrege-/Empfangseinheit (5), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu mechanischen Schwingen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) empfängt. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Leistungsmesseinheit (6) vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) zumindest für den Fall bestimmt, dass die Anrege-/Empfangseinheit (5) die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu Resonanzschwingungen anregt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und mit einer Anrege-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Fertigung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit und eine Anrege-/Empfangseinheit aufweist, wobei die Anrege-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Viskosität, die Dichte, die Temperatur, den Druck, den pH-Wert oder um die elektrische Leitfähigkeit des Mediums. Bei dem Medium wiederum handeln es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut.

Im Stand der Technik sind Messgeräte bekannt, bei welchen eine mechanisch schwingfähige Einheit – z.B. eine sog. Schwinggabel mit zwei schwingfähigen Einheiten oder ein Einstab mit einer Einheit – zu Schwingungen angeregt wird. Die Kenngrößen – Amplitude, Frequenz und Phase – der Schwingungen sind abhängig davon, ob Kontakt mit einem Medium gegeben ist bzw. auch von der Beschaffenheit des Mediums wie z.B. Viskosität oder Dichte. Solche Messgeräte werden häufig als Grenzstandschalter eingesetzt. Schwingt die Schwinggabel zunächst frei und unbedeckt, so wird die Frequenz oder die Amplitude kleiner, wenn das Medium den durch die Ausgestaltung des Messgerätes und seine Anbringung relativ im Behälter gegebenen Füllstand erreicht. Daher kann aus einer Verminderung der Schwingungsfrequenz auf das Erreichen eines Füllstands geschlossen werden. Umgekehrt ist eine Erhöhung der Frequenz oder der Amplitude mit einem Unterschreiten des vorgegebenen Füllstand verbunden.

Für die industrielle Fertigung solcher Messgeräte ist es erforderlich, dass die einzelnen Geräte möglichst stets die gleich hohe Qualität aufweisen. Insbesondere sollten die Messempfindlichkeit oder auch die Verträglichkeit von Fremdvibrationen stets im gleichen Maß bleiben. Daher ist es vor allem wichtig, die Güte der mechanischen Bestandteile zu überwachen. Dies gilt jedoch nicht nur für die Fertigung, sondern auch während des Betriebs sollte eine gleich bleibende Messqualität gewährleistet werden. Da die mechanisch schwingfähige Einheit dem Medium direkt ausgesetzt ist, kann es hier zu Ansatz, aber auch zu Korrosion oder Abrasion kommen. Um daraus resultierende Messfehler zu vermeiden, ist daher eine Überwachung der Beschaffenheit der Schwinggabel oder des Einstabs wichtig.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine gleich bleibende Qualität zumindest in Bezug auf die Messgenauigkeit eines vibronischen Messgerätes zu gewährleisten. Dies bezieht sich zum einen auf die Anwendung und zum anderen auf die Fertigung eines solchen Messgerätes.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einem Messgerät, dessen Qualität überwacht wird, und mit einem Fertigungsverfahren, welches eine gleich bleibende Qualität der gefertigten Messgeräte gewährleistet.

Die Aufgabe löst die Erfindung mit einer Messvorrichtung, welche derartig ausgestaltet ist, dass mindestens eine Leistungsmesseinheit vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit zumindest für den Fall bestimmt, dass die Anrege-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu Resonanzschwingungen anregt. Die Güte eines schwingfähigen Systems ist ein Maß dafür, wie viel Energie für den Resonanzfall erforderlich ist. Je höher die Güte, desto weniger Energie wird für den Resonanzfall benötigt. Daher lässt sich umgekehrt aus der Messung der für den Resonanzfall erforderlichen Energie auf die Güte des Schwingkreises schließen. Wird also während des Betriebes mehr Energie benötigt, so ist dies ein Zeichen dafür, dass die Güte vermindert wurde, dass also beispielsweise Ansatz an der Schwinggabel anhaftet. Je nach dem Grad der Abweichung der Anregungsenergie von dem eigentlichen Wert kann somit ein Hinweise ausgegeben werden, dass es ein Problem gibt oder es kann auch ein Alarmsignal erzeugt werden dahingehend, dass eine zuverlässige Messung nicht mehr möglich ist.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel oder um einen Einstab handelt. Die schwingfähige Einheit besteht in dieser Ausgestaltung also entweder aus zwei Schwingeinheiten, die mit dem Medium in Kontakt kommen und die vorzugsweise gegensinnig schwingen, oder aus einer Schwingeinheit. Bei dem Messgerät handelt es sich somit beispielsweise um einen sog. Grenzstandschalter.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei dem zu bestimmenden Energiebedarf um den Bedarf an elektrischem Strom handelt, und dass die Leistungsmesseinheit den Strombedarf der Anrege-/Empfangseinheit bestimmt. Die Anrege-/Empfangseinheit wird üblicherweise mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, so dass die zu überwachende Energie damit in den meisten Fällen die elektrische Energie und insbesondere der Strombedarf ist. Daher überwacht/misst in dieser Ausgestaltung die Leistungsmesseinheit den Strombedarf.

Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Speichereinheit vorgesehen ist, in welcher mindestens ein Sollwert für den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit hinterlegt ist. Bei der Fertigung und/oder nach dem Einbau des Messgerätes am Messort wird beispielsweise der Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit gemessen und als Standard- oder Normalwert hinterlegt. Dies ist die Wert, welcher zu erwarten ist, wenn sich die Güte nicht geändert hat, wenn also auch die Qualität des Messgerätes auf dem gleichen Niveau bleibt.

Damit verbunden ist eine Ausgestaltung, welche beinhaltet, dass mindestens eine Vergleichseinheit vorgesehen ist, welche den bestimmten Energiebedarf mit dem hinterlegten Sollwert vergleicht. Dabei kann es sich um einen Komparator direkt im Messgerät oder um eine weiter entfernte Leitwarte handeln, welche den gemessenen Leistungsbedarf, also die bestehende Güte mit dem jeweiligen Sollwert vergleicht. Die Güte kann sich dabei graduell durch die Alterung ändern, d.h. eine Abnahme der Güte kann ggf. bis zu einem gewissen unteren Grenzwert toleriert werden. Ändert sich jedoch beispielsweise die Güte sprunghaft, so kann eine größere Schwierigkeit vorliegen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähigen Einheit über mindestens eine Membran mechanisch mit der Anrege-/Empfangseinheit gekoppelt ist. In vielen Ausgestaltungen ist bei Schwinggabeln oder Einstäben die mechanische Verbindung über eine solche Membran gegeben.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anrege-/Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist. Für die Erzeugung und Detektion der Schwingungen werden in dieser Ausgestaltung die piezoelektrischen Eigenschaften ausgenutzt. Alternativ kann es sich auch um ein elektrodynamisches System unter Verwendung von Spulen handeln.

Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zur Fertigung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähigen Einheit und eine Anrege- /Empfangseinheit aufweist, wobei die Anrege-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit mindestens für den Fall bestimmt wird, dass die Anrege-/Empfangseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu Resonanzschwingungen anregt, und dass mindestens aus dem Energiebedarf mindestens eine Aussage über die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit gewonnen wird. Bei der Fertigung wird also die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen angeregt. In Abhängigkeit von der Güte ändert sich der Energiebedarf beim Erreichen der Resonanzfrequenz. Somit lässt sich im Umkehrschluss aus der Energieaufnahme eine Aussage über die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit bzw. der mechanisch schwingfähigen Einheit und der Anrege-/Empfangseinheit gewinnen. Die oben genannten Spezifikationen des Messgerätes in Bezug auf die Membran, die Schwinggabel oder den Einstab und das piezoelektrische Element beziehen sich entsprechend auch auf das Messgerät, dessen Fertigung hier beschrieben wird. Das Fertigungsverfahren bezieht sich nicht nur auf die weiter oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung, sondern kann bei jedem entsprechenden Messgerät angewendet werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens ein Sollwert für die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit vorgegeben wird, und dass die bestimmte Güte mit dem Sollwert verglichen wird. Es wird also vorzugsweise minimale Güte vorgegeben, welche die Messgeräte zumindest aufweisen müssen, um die geforderten Eigenschaften des Messgerätes z.B. in Bezug auf die Empfindlichkeit und die Fremdvibrationsverträglichkeit aufzuweisen.

Damit verbunden ist die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche beinhaltet, dass bei einer Abweichung der bestimmten Güte vom Sollwert die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit verändert wird. Ist also die Güte des Messgerätes unterhalb des vorgegeben Wertes, d.h. ist die Qualität unterhalb des noch tolerierbaren Mindestmaßes, so wird das Messgerät nachbearbeitet, um die Güte zu erhöhen, oder es wird gänzlich aus der Produktion genommen (in diesem Sinne wird die Güte also gegen Null gesetzt).

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen der mechanischen Schwingungen bestimmt wird. Mehrere Messpunkte erlauben auch den Vergleich der Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen Frequenzen und erlauben somit eine relative Aussage über die Leistungsaufnahme im Resonanzfall. Werden beispielsweise zwei Frequenzen symmetrisch zur Resonanzfrequenz angeregt, so kann daraus auf den Kurvenverlauf insbesondere auch bei der Resonanzfrequenz geschlossen werden. Andere Kombinationen von zwei oder mehr Frequenzen sind jedoch auch möglich. Diese Messung von mehreren Frequenzen lässt sich auch in das weiter oben beschriebene erfindungsgemäße Messgerät integrieren.

Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren sieht also derartig aus: Die für die Schwingungen wesentlichen Bestandteile – schwingfähige Einheit, Antriebs-/Empfangseinheit – werden gefertigt und miteinander verbunden. Dann wird zumindest die Leistungsaufnahme bei der Anregung von Resonanzschwingungen gemessen. Alternativ kann auch ein aus mehreren Messpunkten bestehendes Spektrum aufgenommen werden. Aus den gemessenen Werten wird sodann eine Aussage über die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit bzw. über die Kombination aus der mechanisch schwingfähigen Einheit und der Anrege-/Empfangseinheit gewonnen. Die so bestimmte Güte wird mit einer zu gewährleistenden Güte verglichen. Ist die Güte zu gering, so findet eine Nachbearbeitung z.B. der mechanisch schwingfähigen Einheit statt oder das Messgerät wird nicht weiterverarbeitet. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Fertigung von qualitativ gleichwertigen Messgeräten.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei ihrer Anwendung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Messvorrichtung, welche hier beispielsweise den Füllstand des Mediums 1 in dem Behälter 2 überwacht. Das Messgerät weist eine mechanisch schwingfähigen Einheit 3 auf, bei welcher es sich hier um einen sog. Einstab handelt. Alternativ kann es sich auch um eine Schwinggabel mit zwei Gabelzinken handeln. Die schwingfähige Einheit ist über eine Membran 4 – diese ist je nach Ausgestaltung des Einstabs jedoch nicht immer erforderlich – mechanisch mit der Anrege-/Empfangseinheit 5 verbunden. Bei dieser handelt es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Element, welches eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Dickenschwankung umwandelt, bzw. welche umgekehrt die über die Membran 4 übertragenen mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit 3 in eine elektrische Wechselspannung überträgt. Aufgrund des elektrischen Signal lassen sich dann Aussagen über die Prozessgröße, hier beispielsweise den Füllstand des Mediums 1 gewinnen. Die Anrege-/Empfangseinheit 5 ist üblicherweise mit einer – hier nicht dargestellten – Rückkoppelelektronik verbunden, welche das Wechselspannungssignal von der Anrege-/Empfangseinheit 5 empfängt und ihr verstärkt, ggf. phase- und frequenzverschoben wieder zuführt.
Erfindungsgemäß weist das hier dargestellte Messgerät eine Leistungsmesseinheit 6 auf, welche zumindest den Energiebedarf der Anrege- /Empfangseinheit 5 für die Anregung von Resonanzschwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 3 bestimmt. In einer Ausgestaltung wird der Strombedarf gemessen. In der Speichereinheit 7 ist ein Sollwert für den Strombedarf hinterlegt. Die Vergleichseinheit 8 vergleicht den gemessenen Strombedarf mit dem hinterlegten Sollwert, wobei ggf. ein Toleranzbereich für Abweichungen vorgesehen sein kann. Unterscheidet sich der gemessene Wert vom hinterlegten Wert – dabei ist natürlich darauf zu achten, dass der gleiche Grad der Bedeckung bzw. das freies Schwingen gegeben ist -, so ist dies ein Zeichen dafür, dass sich die Güte des Schwingsystems geändert hat, dass z.B. der Einstab 3 Ansatz aufweist. Eine verminderte Güte geht jedoch meist mit einer Verminderung der Messgenauigkeit und Empfindlichkeit einher. Daher ist in einer Ausgestaltung die Vergleichseinheit 8 mit einer Anzeigeeinheit oder mit einer übergeordneten Leitwarte verbunden und meldet über diese die reduzierte Güte. Somit kann mit dem erfindungsgemäßen Messgerät die gleich bleibende Qualität der Messungen auch im Sinne des predictive maintenance überwacht werden.

1: Medium
2: Behälter
3: Mechanisch schwingfähige Einheit
4: Membran
5: Anrege-/Empfangseinheit
6: Leistungsmesseinheit
7: Speichereinheit
8: Vergleichseinheit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1) in einem Behälter (2), mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (3), und mit einer Anrege-/Empfangseinheit (5), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu mechanischen Schwingungen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt, und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leistungsmesseinheit (6) vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) zumindest für den Fall bestimmt, dass die Anrege-/Empfangseinheit (5) die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu Resonanzschwingungen anregt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) um eine Schwinggabel oder um einen Einstab handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu bestimmenden Energiebedarf um den Bedarf an elektrischem Strom handelt, und dass die Leistungsmesseinheit (6) den Strombedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Speichereinheit (7) vorgesehen ist, in welcher mindestens ein Sollwert für den Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vergleichseinheit (8) vorgesehen ist, welche den bestimmten Energiebedarf mit dem hinterlegten Sollwert vergleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähigen Einheit (3) über mindestens eine Membran (4) mechanisch mit der Anrege-/Empfangseinheit (5) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anrege-/Empfangseinheit (5) mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist.
Verfahren zur Fertigung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (1) in einem Behälter (2), wobei die Vorrichtung mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (3) und eine Anrege-/Empfangseinheit (5) aufweist, wobei die Anrege-/Empfangseinheit (5) die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu mechanischen Schwingungen mit mindestens einer vorgebbaren Frequenz anregt und die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) mindestens für den Fall bestimmt wird, dass die Anrege-/Empfangseinheit ((5) die mechanisch schwingfähige Einheit (3) zu Resonanzschwingungen anregt, und dass mindestens aus dem Energiebedarf mindestens eine Aussage über die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sollwert für die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) vorgegeben wird, und dass die bestimmte Güte mit dem Sollwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der bestimmten Güte vom Sollwert die Güte der mechanisch schwingfähigen Einheit (3) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf der Anrege-/Empfangseinheit (5) bei zumindest zwei unterschiedlichen Frequenzen der mechanischen Schwingungen bestimmt wird.