DE102005062001A1

DE102005062001A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße eines Mediums

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Publication number: DE102005062001A1
Application number: DE102005062001A
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-06-28
Also published as: WO2007074004A1; US20100030486A1; CN101346616A; EP1963809A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens die Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) vom Druck beschreibt, dass mindestens die Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird und dass, ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie, die Messgröße des Mediums (7) bestimmt wird, Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Messgröße.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens ein Paddel aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (ρ) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt.

Zur Bestimmung von Prozessgrößen eines Mediums ist es im Stand der Technik bekannt, eine mechanisch schwingfähige Einheit – beispielsweise eine Schwinggabel, ein Einstab oder ein Membranschwinger – zu mechanischen Schwingungen anzuregen und diese Schwingungen wieder zu detektieren. Die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen zeigen dabei eine Abhängigkeit von den Prozessgrößen, so dass aus den Schwingungen ein Rückschluss auf dieses Größen möglich ist. Handelt es sich bei dem Medium beispielsweise um eine Flüssigkeit und soll als Prozessgröße der Füllstand bestimmt oder überwacht werden, so ist es vorteilhaft, zumindest die Frequenz der Schwingungen auszuwerten. Schwingt die schwingfähige Einheit frei und insbesondere unbedeckt durch das Medium, ist die Resonanzfrequenz höher als in dem Fall, dass das Medium den Schwinger bedeckt. Bei Schüttgütern vermindert sich entsprechend die Schwingungsamplitude. Somit ist ein schwingender Sensor optimal für die Bestimmung von Prozessgrößen geeignet. Bekannt ist im Stand der Technik die Anwendung bei Flüssigkeiten oder bei Schüttgütern.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, mit einem möglichst kostengünstigen und robusten Messverfahren, Messgrößen unterschiedlicher Gase oder Gasgemische zu bestimmen bzw. zu überwachen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Identifikation eines Gases bzw. eines Gasgemisches ohne chemische Analyse vorzuschlagen.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens die Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vom Druck beschreibt, dass mindestens die Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie die Messgröße des Mediums bestimmt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine Kennlinie erzeugt und hinterlegt, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch die Abhängigkeit einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen vom herrschenden Druck beschreibt. Es wird also zumindest ein Punkt angegeben, an welchem zumindest für ein Gas oder einen Konzentrationswert eines Gasgemisches einem speziellen Druck ein bestimmter Wert der Kenngröße zugeordnet ist. Da die Kenngröße aus den mechanischen Schwingungen bestimmt wird, lässt sich daraus beim Wissen über das Gas bzw. das Gasgemisch auf den Druck schließen, bzw. es lässt sich zumindest eine Abweichung von einem Druck aufzeigen. Ist umgekehrt der Druck bekannt, so kann auf das Vorliegen eines Gases bzw. auf die Konzentration dieses Gases/Gasgemisches geschlossen werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Messgröße des Mediums, welches ein Gas oder ein Gasgemisch ist, der Druck des Mediums bestimmt wird. In dieser ersten Ausgestaltung des Verfahrens ist somit bekannt, um was für ein Gas bzw. Gasgemisch es sich handelt, bzw. welche Konzentration gegeben ist. Dies erlaubt es, aus der Kenngröße der Schwingungen auf den Druck des Mediums bzw. den Druck das Gases/Gasgemisches zu schließen. Somit handelt es sich in dieser Ausgestaltung um ein Verfahren zur Bestimmung des Druckes eines Gases oder eines Gasgemisches. Als Anwendungsbeispiel sei hier an eine Gasleitung gedacht, die von einem bekannten Gas durchströmt wird.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass als Messgröße des Mediums die Anwesenheit eines Gases innerhalb des Mediums und/oder eine Konzentration eines Gases innerhalb des Mediums, welches ein Gasgemisch ist, bestimmt wird, dass mindestens der Druck des Mediums gemessen wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, welche die Abhängigkeit der Kenngröße vom Druck mindestens eines Gases und/oder vom Druck für mindestens eine Konzentration mindestens eines Gasgemisches beschreibt, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie das Gas und/oder die Konzentration des Gasgemisches bestimmt wird. Diese zweite Variante des Verfahrens nutzt aus, dass sich Gase bzw. Gasgemische bei bekannten Drücken unterschiedlich verhalten und sich auch unterschiedlich auf die mechanischen Schwingungen auswirken, so dass aus den Schwingungen bei bekanntem Druck auf die Art des Gases bzw. auf das Vorliegen eines Gases bzw. auf die Konzentration eines Gasgemisches geschlossen werden kann. Somit handelt es sich hierbei um ein Verfahren zur Erkennung eines Gases und/oder zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Gases in einem Gasgemisch. Dies macht es auch erforderlich, dass der Druck des Gases gemessen wird. Als Anwendungsbeispiel sei hierbei an einen Behälter gedacht, welche mit einem bekannten Gas oder einer bekannten Gasmischung gefüllt ist. Durch das Messverfahren lässt sich darauf schließen, ob die Konzentration sich ändert, wenn beispielsweise der Prozess mit Abweichung von vorgegebenen Parametern läuft oder ob eine Leckage im Prozess vorliegt.

Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich gleichermaßen auf die beiden vorhergehend beschriebenen Varianten.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Kenngröße der mechanischen Schwingungen die Frequenz bestimmt wird. Andere Kenngrößen können die Amplitude oder die Phase relativ zum Anregesignal der Schwingungen sein.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Temperatur des Mediums gemessen wird, und dass die gemessene Temperatur bei der Bestimmung der Messgröße einbezogen wird. Die Temperatur hat üblicherweise auch Auswirkungen auf Gase, so dass die Bestimmung der Temperatur die Messung genauer macht bzw. auch eine Anwendung bei unterschiedlichen Temperaturen erlaubt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die bestimmte Messgröße mit mindestens einem hinterlegten Sollwert verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der bestimmten Messgröße von dem hinterlegten Sollwert ein Signal erzeugt wird. In dieser Ausgestaltung wird durch das Verfahren primär eine Überwachung der Messgröße übernommen.

Die Erfindung löst die Aufgabe auch durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens ein Paddel aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (ρ) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Die Erfindung besteht dabei darin, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (ρ) des Paddels möglichst klein ist, und dass die Oberfläche (A) des Paddels (2) möglichst groß ist. Eine Änderung der Schwingungsfrequenz (F_Medium relativ zur Frequenz im Vakuum F_Vakuum) einer Schwinggabel lässt sich wie folgt beschreiben:

Dabei ist ρ_Medium die Dichte des Mediums und K eine Empfindlichkeitskonstante, die von der Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit wie folgt abhängt:

Dabei ist a die Breite der Zinken der Schwinggabel, d ist die Dicke der Zinken und ρ ist die Dichte des Materials, aus welchem die Gabelzinken bestehen. Wie zu sehen, erhöht sich die Empfindlichkeit der Messung, wenn K groß bzw. wenn das Produkt aus der Dicke der Zinken und der Dichte des verwendeten Materials klein ist und die Breite der Zinken möglichst groß ist. Mit anderen Worten: Die Gabelzinken sollten so leicht und so dünn wie möglich sein. Insbesondere bei Gasen ist es wichtig, wenn die Empfindlichkeit möglichst groß ist. Umgekehrt erlaubt es auch ein Gas im Gegensatz beispielsweise zu einem Schüttgut, eine schwingfähige Einheit zu verwenden, die durch eine geringere Dichte auch weniger robust ist.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (ρ) bezogen auf die Fläche (A) des Paddels kleiner als 0,34 g/cm ist. Dies bedeutet, dass bei einer Fläche von 1 cm² das Produkt aus Dichte und dicker kleiner als 0,34 g/cm ist.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Dicke (d) des Paddels kleiner als 1 cm ist.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Dicke (d) des Paddels kleiner als 1 Millimeter ist.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Dichte (ρ) des Paddels kleiner als 8,5 g/cm³ ist. Dieser Wert gilt für die meisten Stahlsorten.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass das Paddel im Wesentlichen aus einer Keramik oder aus einem Glas oder aus einem Kunststoff besteht. Bei diesen Werkstoffen ist eine geringe Dichte, aber gleichzeitig auch eine Robustheit gegeben.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: einen schematischen Messaufbau,
2: einen Schnitt durch eine schwingfähige Einheit,
3: eine graphische Darstellung der Frequenzänderung in Abhängigkeit vom Druck für unterschiedliche Dicken der Paddel, und
4: eine Darstellung wie in 3 für unterschiedliche Gase.
Die 1 zeigt einen Behälter 8, der mit einem Gasgemisch als Medium 7 gefüllt ist. Dieses Gas 7 wird durch ein Messgerät überwacht bzw. gemessen, welches eine mechanisch schwingfähige Einheit 1 aufweist. Die mechanisch schwingfähige Einheit besteht hier aus zwei Gabelzinken, welche an einer Membran 3 befestigt sind. An die Membran 3 schließt sich eine Antriebs-/Empfangseinheit 4 an, bei welcher es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handelt. Diese Antriebs-/Empfangseinheit 4 wird beispielsweise mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt, was dazu führt, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 4 mechanische Schwingungen ausführt, die über die Membran 3 auf die Gabelzinken übertragen werden. Die von der Antriebs-/Empfangseinheit 4 detektierten mechanischen Schwingungen werden wiederum in eine elektrische Wechselspannung übertragen, welche von der Auswerte-/Regeleinheit 5 ausgewertet wird. Aus den Schwingungen lässt sich beispielsweise die Frequenz, die Amplitude oder auch die Phase als Kenngröße bestimmen. Die Kenngröße der Schwingungen ist dabei zumindest davon abhängig, um was für ein Gas es sich handelt, und welcher Druck herrscht. Ist eine diese beiden Größen bekannt, so lässt sich entsprechend die verbleibende Größe aus der gemessenen Kenngröße bestimmen. Hier ist ein Drucksensor 10 vorgesehen, welcher die Druck in dem Behälter 8 und somit den Druck des Mediums 7 misst. Dieser Druckmesswert wird an die Auswerte-/Regeleinheit 5 übergeben und dort kann somit ein Vergleich mit Kennlinien stattfinden, welche in einer Speichereinheit 6 hinterlegt sind. Somit ist es möglich, die Konzentration eines Gasgemisches oder allein schon die Anwesenheit eines bestimmten Gases im Behälter 8 zu erkennen. In der Speichereinheit 6 lassen sich auch Sollwerte hinterlegen, bei deren Überschreiten durch den gemessenen Wert beispielsweise ein Alarm oder ein Schaltsignal ausgegeben wird. Ist beispielsweise der Sollwert 0 und ergibt sich eine Konzentration größer 0 für ein Gas, so wird somit allein schon die Anwesenheit des Gases erkannt. Mit dieser Anordnung kann beispielsweise eine Leckage in einem Gastank erkannt werden, indem die Konzentrationsänderung des vorliegenden Gases bzw. das Einströmen eines anderen Gases bestimmt wird. Da es sich bei dem Medium vornehmlich um ein Gas handelt, ist auch die Temperaturabhängigkeit zu beachten, so dass hier auch ein Temperatursensor 9 vorgesehen ist.
Bei der Messung des Druckes durch das Messgerät ist sicherzustellen, dass die Zusammensetzung des Mediums gleich bleibt. Da hier dargestellte Drucksensor 10 würde somit beispielsweise der Redundanz oder der Validierung dienen.
Die Gabelzinken sind hier von der Seite gezeigt und haben dort eine Dicke d. In der 2 ist ein Paddel 2 von vorne gezeigt, so dass die Fläche A mit der Breite a zu sehen ist. Die Empfindlichkeit des Messgerätes lässt sich dadurch erhöhen, dass die Paddel 2 möglichst dünn sind und eine möglichst große Fläche A mit einer möglichst großen Breite a aufweisen. Weiterhin sollten die Paddel möglichst aus einem Material mit einer geringen Dichte ρ hergestellt sein. Eine hohe Empfindlichkeit ist eben besonders bei der Messung von Gasen wichtig.
Da der Sensor eine hohe Empfindlichkeit aufweist, kann er auch dazu dienen, Wasserkondensat, Ablagerung von Eis oder Staubablagerung im Prozessbehälter 8 zu erkennen.
Die Abhängigkeit der relativen Frequenzänderung vom Druck ist in der 3 für Luft bei 20°C dargestellt. Je größer der Druck, desto stärker ändert sich die Schwingungsfrequenz. Die Steigung dieser Kennlinie hängt dabei stark von der Dicke der Paddel 2 ab: Die Paddel haben von unten nach oben folgende Dicken: 0,3 mm, 0,5 mm, 1,0 mm und 2,1 mm. Wie zu sehen, ist ein dünneres Paddel 2 besser, da die Messempfindlichkeit größer ist. Wie auch schön zu erkennen, erlaubt es die Messung der Frequenz der Schwingungen auf den herrschenden Druck zu schließen. Die Verschiebung der Kurven durch unterschiedliche Temperaturen ist dabei in der Praxis entsprechend einzurechnen. D.h. diese Kurven eigenen sich ideal für die Druckmessung.
In der 4 sind entsprechende Kurven für unterschiedliche Gase dargestellt. Von unten nach oben ist dies: Kühlmittel R22, Butan, Propan, CO2 und Luft.
Ist somit der Druck bekannt und wird die Frequenzänderung der Schwingungen gemessen, so lässt sich feststellen, welches Gas vorhanden ist. Somit ist es möglich, mit der Messvorrichtung eine Gasdetektion dahingehend zu tätigen, dass die Anwesenheit eines bestimmten Gasen erkannt und dass auch die Konzentration eines Gasgemisches angegeben wird.

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Paddel
3: Membran
4: Antriebs-/Empfangseinheit
5: Auswerte-/Regeleinheit
6: Speichereinheit
7: Medium
8: Behälter
9: Temperatursensor
10: Drucksensor

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und deren mechanische Schwingungen empfangen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kennlinie hinterlegt wird, welche für mindestens ein Gas oder ein Gasgemisch mindestens die Abhängigkeit mindestens einer Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) vom Druck beschreibt, dass mindestens die Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie die Messgröße des Mediums (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße des Mediums (7), welches ein Gas oder ein Gasgemisch ist, der Druck des Mediums bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße des Mediums (7) die Anwesenheit eines Gases und/oder eine Konzentration eines Gases innerhalb des Mediums (7), welches ein Gasgemisch ist, bestimmt wird, dass mindestens der Druck des Mediums (7) gemessen wird, dass die bestimmte Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie verglichen wird, welche die Abhängigkeit der Kenngröße vom Druck mindestens eines Gases und/oder vom Druck für mindestens eine Konzentration mindestens eines Gasgemisches beschreibt, und dass ausgehend vom Vergleich der bestimmten Kenngröße mit der hinterlegten Kennlinie das Gas und/oder die Konzentration des Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenngröße der mechanischen Schwingungen die Frequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Mediums (7) gemessen wird, und dass die gemessene Temperatur bei der Bestimmung der Messgröße einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Messgröße mit mindestens einem hinterlegten Sollwert verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der bestimmten Messgröße von dem hinterlegten Sollwert ein Signal erzeugt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines zumindest teilweise gasförmigen Mediums (7), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens ein Paddel (2) aufweist, welches aus einem vorgebbaren Material mit einer Dichte (ρ) besteht, welches eine vorgebbare Oberfläche mit einer Fläche (A) und eine vorgebbaren Dicke (d) aufweist, und mit mindestens einer Antriebs-/Empfangseinheit (4), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (ρ) des Paddels (2) möglichst klein ist, und dass die Oberfläche (A) des Paddels (2) möglichst groß ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Dicke (d) und Dichte (ρ) bezogen auf die Fläche (A) des Paddels (2) kleiner als 0,34 g/cm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Paddels (2) kleiner als 1 cm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Paddels (2) kleiner als 1 Millimeter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte (ρ) des Paddels (2) kleiner als 8,5 g/cm³ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Paddel (2) im Wesentlichen aus einer Keramik oder aus einem Glas oder aus einem Kunststoff besteht.