DE102006031905B4

DE102006031905B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102006031905B4
Application number: DE102006031905.2A
Authority: DE
Inventors: Jutta Kuhny; Dr. Lopatin Sergej; Alexander Müller
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2026-07-08
Also published as: DE102006031905A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums,mit mindestens einer Sensoreinheit (1),undmit mindestens einem Gehäuse (2),dadurch gekennzeichnet,dass mindestens ein vom eigentlichen Messprozess unabhängiges Temperaturüberschreitungselement (3) vorgesehen ist,dass das Temperaturüberschreitungselement (3) in und/oder an dem Gehäuse (2) angebracht ist,dass das Temperaturüberschreitungselement (3) mindestens ein polarisiertes piezoelektrisches Element aufweist,wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Elements derartig gewählt ist, dass die Curie-Temperatur im Bereich einer für die Vorrichtung maximal zulässigen Temperatur liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer Sensoreinheit, und mit mindestens einem Gehäuse. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, den Durchfluss, die Temperatur oder um den pH-Wert des Mediums, wobei es sich bei dem Medium beispielsweise um eine Flüssigkeit, ein Fluid, ein Gas oder um ein Schüttgut handelt. Die Vorrichtung bzw. das Messgerät besteht aus einer Sensoreinheit, welche entweder direkt oder indirekt mit dem Medium in Wechselwirkung tritt und welche ein Messsignal erzeugt. Aus diesem Messsignal wird die interessierende Prozessgröße bestimmt bzw. sie wird damit überwacht. Die Sensoreinheit ist dabei mit einem Gehäuse verbunden, in welchem sich beispielsweise eine Ansteuereinheit für die Sensoreinheit und/oder eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Prozessgröße befindet.
Bei vielen Hochtemperatur-Anwendungen besteht ein Problem, wenn die verwendeten Messgeräte oder Sensoren nur bis zu einer bestimmten Temperatur funktionieren und gleichzeitig die Temperatur des Prozesses, in welchem das Messgerät angewendet wird, oder die des Mediums in der Nähe der für das Messgerät maximal zugelassenen Temperatur liegt oder sie übersteigt. Wird die maximal zulässige Temperatur überschritten, so kann dies zu einem Ausfall des Messgeräts führen, was ggf. zu weiteren Schäden z.B. an der Prozessanlage führt. Für diesen Fall ist es wesentlich, herauszufinden bzw. zu nachzuweisen, ob der Ausfall des Messgerätes im Gerät selbst oder im Fahren des Prozesses außerhalb der für das Messgerät zugelassenen Spezifikationen begründet ist.
Hat das Messgerät eine Temperaturkompensation, so wird eine zu hohe Temperatur automatisch erkannt und es wird ggf. ein Alarm ausgelöst. Alternativ werden die Temperaturen aufgezeichnet und stehen für eine nachträgliche Auswertung zur Verfügung. In anderen Messgeräten werden Temperaturstreifen angebracht, welche je nach Temperatur ihre Farbe verändern. Bei geringen Temperaturen ist dies bekannt, jedoch ist bei hohen Temperaturen die Auswahl an Temperaturfarben sehr begrenzt oder ihre Beständigkeit ist nicht sicher.
US 5 951 163 A1 beschäftigt sich mit einem Ultraschall-Messgerät, welches einen piezoelektrischen Messumformer aufweisen kann. Um simultan die Prozesstemperatur überwachen zu können, kann der Ultraschallwandler in einem stabförmigen Element angeordnet werden, und anhand der Ultraschallgeschwindigkeit innerhalb des stabförmigen Elements die Temperatur bestimmen.
Die DE10237931A1 offenbart einen vibronischen Grenzstandschalter, bei welchem ein Mikroprozessor vorgesehen ist, der über eine vorgegebene Frequenz-Bandbreite die Phase der Rückkoppelelektronik derart korrigiert, dass die Summe der Phasen in der Rückkoppelelektronik einer vorgegebenen Funktion folgt. Die Antriebs-/Empfangseinheit umfasst zumindest ein piezoelektrisches Element, welches die Funktion einer elektromechanischen Wandlereinheit einnimmt und der Anregung der schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen dient. Dieses Element dient jedoch nicht der Temperaturerfassung.
Aus US6806808B1 ist eine drahtlose Registriereinrichtung bekannt geworden, welche anzeigt, ob ein physikalischer oder chemischer Vorgang stattgefunden hat. Die Registriereinrichtung kann in Zusammenhang mit unterschiedlichsten Sensoren, zum Beispiel auch Temperatursensoren unter Anwendung unterschiedlicher Messprinzipien, verwendet werden.
Dokument JP H04-254731A beschreibt einen Drucksensor, bei welchem der Druck anhand einer axialen Verformung eines piezoelektrischen Elements bestimmt wird. Aufgrund hoher Temperaturunterschiede, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, in welchen der Sensor einsetzbar ist, kommt es zu pyroelektrischen Effekten, die der eigentlichen Druckmessung überlagert sind. Um diesen Effekten zu begegnen, wird das piezoelektrische Element auf eine konstante Temperatur geheizt, wobei die Regelung über einen Kaltleiter vorgenommen wird und die Heizung abgestellt wird, sobald die Curie-Temperatur des Kaltleiters überschritten wurde.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Messvorrichtung vorzuschlagen, bei welcher das Überschreiten einer kritischen Temperatur nachgewiesen wird.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens ein vom eigentlichen Messprozess unabhängiges Temperaturüberschreitungselement vorgesehen ist, dass das Temperaturüberschreitungselement in und/oder an dem Gehäuse angebracht ist, dass das Temperaturüberschreitungselement mindestens ein polarisiertes piezo-elektrisches Element aufweist, wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Elements derartig gewählt ist, dass die Curie-Temperatur im Bereich einer einer für die Vorrichtung maximal zulässigen Temperatur der Vorrichtung liegt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Temperaturüberschreitungselement um ein polarisiertes piezo-elektrisches Element.
Die Idee der Erfindung besteht somit darin, dass ein piezo-elektrisches Element zur Überwachung der Temperatur verwendet wird, welches somit zusätzlich zu den vorhandenen Bauteilen des Messgerätes und insbesondere unabhängig vom eigentlichen Messprozess ist. Das Element ist also eigenständig und dient nur der Temperaturüberwachung. Das Element ist dabei derartig beschaffen bzw. entsprechend gewählt, dass seine Curie-Temperatur in dem Bereich der für das Messgerät maximal zulässigen Temperatur liegt. Die verwendete Piezokeramik steht in großer Auswahl als Standardprodukt von vielen Herstellern zur Verfügung. Die für jede Piezokeramiksorte typische Curie-Temperatur liegt üblicherweise zwischen 100°C und fast 900°C. Beispielsweise hat Bariumtitanat eine Curie-Temperatur von 120°C. Bis zu dieser Temperatur weist die polarisierte Piezokeramik die piezoelektrischen Eigenschaften wie Kopplungsfaktor, Piezomodule d(33), d(31) und d(15) auf, welche sich einfach mit dem Impedanzverfahren ausmessen lassen. Insbesondere bestehen für die piezoelektrischen Messungen entsprechende Normen. Der Abstand zu dieser Überwachungstemperatur oder zu der kritischen oder für das Messgerät maximal tolerierbaren Temperatur kann dabei beispielsweise ein wenig niedriger gewählt werden, um somit noch einen Sicherheitsabstand zu erhalten. Übersteigt die Prozess-Temperatur die Curie-Temperatur dieses Temperaturüberschreitungselements, so verliert es seine ferro-elektrischen Eigenschaften und ist somit auch nicht mehr polarisiert. Der Vorteil dieses speziellen Temperaturüberschreitungselements besteht dabei darin, dass allein die Temperatur einen messbaren Effekt ohne elektronisches Element erzeugen kann. Alterungsprozesse fallen beispielsweise als mögliche Ursache der Aufhebung der Polarisation weg.
Die Vorteile der Erfindung sind:

- Eine sehr lange Lebensdauer der Piezokeramik. Eine Selbstdepolarisation unterhalb der Curie-Temperatur ist physikalisch nicht möglich.
- Die Temperatur ist der einzige Faktor, der eine vollständige Depolarisation verursachen kann.
- Es ist eine Wiederholbarkeit der elektrischen Polarisation und der thermischen Depolarisation möglich. Somit kann das Auftreten der Depolarisation kontrolliert wiederholt und somit sicher nachgewiesen werden. Es kann also demonstriert werden, dass nur das Überschreiten der Curie-Temperatur die Depolarisation erzeugt haben kann.
- Die Piezokeramik kann in kleinen Formen kostengünstig gefertigt werden.
- Es findet keine Leistungsaufnahme durch das Temperaturüberschreitungselement statt, da es insbesondere nicht mit der Sensoreinheit elektrisch verbunden ist.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Temperaturüberschreitungselement in und/oder an dem Gehäuse entnehmbar angebracht ist. Das Temperaturüberschreitungselement wird beispielsweise in einer Tasche im und/oder am Gehäuse eingebracht, welche sich in der Nähe eines besonders temperaturempfindlichen Bereichs oder Bauteils befindet. Aus dieser Tasche ist es dann wieder entnehmbar, um zu überprüfen, ob die Polarisation noch besteht bzw. ob die maximal zulässige Temperatur bzw. ob die Überwachungstemperatur überschritten wurde.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass das Temperaturüberschreitungselement derartig ausgestaltet ist, dass die Polarisierung des piezo-elektrischen Elements im eingebauten Zustand abfragbar ist. In dieser Ausgestaltung besteht eine Verbindung zwischen dem Temperaturüberschreitungselement und dem Außenbereich des Messgerätes, um auch die Polarisierung von Außen zu überprüfen, d.h. ohne das Temperaturüberschreitungselement entnehmen zu müssen. Eine entsprechende Messeinheit befindet sich somit entweder im Messgerät oder ein Anschließen einer solchen an das Messgerät ist möglich.
Eine Ausgestaltung als konkretes Beispiel für ein Messgerät sieht vor, dass die Sensoreinheit mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit und eine Antriebs-/Empfangseinheit aufweist. In dieser Ausgestaltung handelt es sich beispielsweise um eine sog. Schwinggabel oder um einen Einstab. Die schwingfähige Einheit, also entweder die Gabel oder der Einstab werden zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die Kenngrößen der Schwingungen, die wieder detektiert werden, hängen dabei von der Wechselwirkung mit dem Medium ab. So verändern beispielsweise Füllstand, Dichte oder Viskosität die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen und erlauben damit deren Bestimmung bzw. Überwachung.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein piezo-elektrisches Element aufweist. Piezo-elektrische Elemente werden häufig als Wandler zwischen elektrischen Signalen und den mechanischen Schwingungen verwendet. Für diesen Fall eines Messgerätes befinden sich somit zwei Einheiten, die piezo-elektrische Elemente aufweisen, innerhalb des Messgerätes: eine Antriebs-/Empfangseinheit und eine Temperaturüberschreitungsüberwachungseinheit. Die Curie-Temperatur des piezoelektrisches Elements der Antriebs-/Empfangseinheit liegt dabei vorzugsweise oberhalb der Curie-Temperatur des Temperaturüberschreitungselements.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes, und
2: eine Explosionsdarstellung eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Messgerätes.

In der 1 ist eine sog. Schwinggabel als Sensoreinheit 1 des Messgerätes dargestellt. Die Sensoreinheit 1 besteht aus einer mechanisch schwingfähigen Einheit 5, welche an einer Membran 6 befestigt ist. Die Membran 6 ist in Richtung des Prozesses am Gehäuse 2 angeordnet. Auf der Innenseite der Membran 6 befindet sich eine Antriebs-/Empfangseinheit 7, in welcher ein piezo-elektrisches Element als Wandeleinheit zwischen elektrischen Spannungssignalen und den mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 5 fungiert. Die Beaufschlagung der Antriebs-/Empfangseinheit 6 mit einer Wechselspannung bzw. die Auswertung oder zumindest Weiterverarbeitung des von der Antriebs-/Empfangseinheit 6 erzeugten Spannungssignals erfolgt hier durch die Steuer-/Auswerteeinheit 8.
Das dargestellte erfindungsgemäße Messgerät weist das Temperaturüberschreitungselement 3 auf, welches in dem Gehäuse 2 angebracht ist. Wie zu erkennen, besteht keine elektrische oder sonstige Verbindung mit dem restlichen Messgerät, d.h. das Temperaturüberschreitungselement 3 befindet sich nur in dem Gehäuse 2. Bei dem Temperaturüberschreitungselement 3 handelt es sich um ein polarisiertes piezo-elektrisches Element, dessen Curie-Temperatur in dem Bereich einer Überwachungstemperatur des Messgerätes liegt. Diese Überwachungstemperatur ist dabei beispielsweise die für das Messgerät maximal zulässige Temperatur, die nicht überschritten werden darf, da sonst das Funktionieren des Messgerätes nicht mehr gewährleistet ist. Übersteigt die Prozesstemperatur dennoch diese Curie-Temperatur bzw. die für das Messgerät kritische Temperatur, so ist das Temperaturüberschreitungselement 3 nicht mehr polarisiert, welcher Zustand sich einfach messen bzw. überprüfen lässt.
Die 2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Abschnitts des Messgerätes. Hier ist ein inneres Gehäuse 2 - eine Kunststoffhülse - dargestellt, welches sich beispielsweise in einem äußeren Metallgehäuse befindet. Die Piezoscheibe als Temperaturüberschreitungselement 3 befindet sich hier in einer Tasche 9, aus welcher sie auch leicht wieder zu entnehmen ist. Hier ist weiterhin die Antriebs-/Empfangseinheit 7 ein Stapel aus piezo-elektrischen Elementen, aus dem Kontaktbahnen herausgeführt sind. Somit zeigt sich auch ein deutlicher Unterschied zwischen dem piezo-elektrischen Element des Temperaturüberschreitungselements 3, wobei hier eine vollständige Übereinstimmung zwischen der Piezoscheibe und dem Element 3 besteht, und dem piezo-elektrischen Element oder sogar den piezoelektrischen Elementen der Antriebs-/Empfangseinheit 7: bei der Antriebs-/Empfangseinheit 7 ist eine elektrische Verbindung oder damit auch eine Stromversorgung gegeben, bei der Temperaturüberschreitungselement 3 fehlt diese - das Temperaturüberschreitungselement 3 ist einfach nur anwesend.
Bezugszeichenliste

1: Sensoreinheit
2: Gehäuse
3: Temperaturüberschreitungselement
5: Mechanisch schwingfähige Einheit
6: Membran
7: Antriebs-/Empfangseinheit
8: Steuer-/Auswerteeinheit
9: Tasche

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer Sensoreinheit (1), und mit mindestens einem Gehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein vom eigentlichen Messprozess unabhängiges Temperaturüberschreitungselement (3) vorgesehen ist, dass das Temperaturüberschreitungselement (3) in und/oder an dem Gehäuse (2) angebracht ist, dass das Temperaturüberschreitungselement (3) mindestens ein polarisiertes piezoelektrisches Element aufweist, wobei die Curie-Temperatur des piezo-elektrischen Elements derartig gewählt ist, dass die Curie-Temperatur im Bereich einer für die Vorrichtung maximal zulässigen Temperatur liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturüberschreitungselement (3) in und/oder an dem Gehäuse (2) entnehmbar angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturüberschreitungselement (3) derartig ausgestaltet ist, dass die Polarisierung des piezo-elektrischen Elements im eingebauten Zustand abfragbar ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (5) und eine Antriebs-/Empfangseinheit (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs-/Empfangseinheit (7) mindestens ein piezo-elektrisches Element aufweist.