DE102006033819A1

DE102006033819A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102006033819A1
Application number: DE102006033819A
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Alexander Müller; Sascha D'angelico; Martin Urban; Stanislav Herwik
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-24
Also published as: EP2041529A1; WO2008009522A1; CN101517382A; DE502007007071D1; CN101517382B; EP2041529B1; US20100083752A1; ATE507463T1; US8220313B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße, insbesondere der Dichte (rho) eines Mediums (1), mit einer Anrege-/Empfangseinheit (3), welche eine mechanisch schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen empfängt, mit einer Elektronikeinheit (4), welche die Anrege-/Empfangseinheit (3) mit einem elektrischen Anregesignal (SA) beaufschlagt und welche von der Anrege-/Empfangseinheit (3) ein elektrisches Empfangsignal (SE) erhält. Die Erfindung beinhaltet, dass die Elektronikeinheit (4) das Anregesignal (SA) derartig erzeugt, dass sich zwischen dem Empfangssignal (SE) und dem Anregesignal (SA) eine Phasendifferenz (DeltaPhi) gleich einem Phasendifferenzsollwert (DeltaPhisoll) ergibt, bei welchem Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) vernachlässigbar sind, und dass der Phasendifferenzsollwert (DeltaPhisoll) in Abhängigkeit vom Verhältnis der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit (3) zur Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit (4) vorgegeben ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, insbesondere der Dichte ρ eines Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche die Anrege-/Empfangseinheit mit einem elektrischen Anregesignal S_A beaufschlagt, und welche von der Anrege-/Empfangseinheit ein elektrisches Empfangssignal S_E erhält. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit. Das Medium befindet sich beispielsweise in einem Behälter oder es durchströmt ein Rohr. Die Prozessgröße ist in einer Ausgestaltung die Dichte des Mediums.
Im Stand der Technik sind Messgeräte bekannt, welche sog. Schwinggabeln aufweisen. Diese Schwinggabeln werden in Schwingungen versetzt, und die von dem Kontakt mit dem Medium und auch von Mediumseigenschaften abhängigen Schwingungen werden empfangen und ausgewertet. Die Schwingungen, d.h. die Größen wie Frequenz oder Amplitude sind abhängig vom Füllstand, d.h. vom Grad der Bedeckung der Schwinggabel durch das Medium, aber auch von der Dichte oder der Viskosität des Mediums. Die zweifache Abhängigkeit der Schwingungen von Dichte und Viskosität des Mediums macht eine Überwachung der Dichte entsprechend schwierig.
Die Offenlegungsschrift DE 100 57 974 A1 beschreibt eine solche Schwinggabel und bezieht sich insbesondere auf die Unterdrückung der Abhängigkeit der Schwingungen von der Viskosität des Mediums. Die Auswirkungen der Viskosität lassen sich gemäß der Offenlegungsschrift derartig vermindern, dass zwischen dem Erregersignal und dem Empfangssignal eine Phase unterschiedlich zu 90°, bei flüssigen Medien insbesondere von 70° eingestellt wird. Durch eine solche Phase wird die Auswirkung der Viskosität weitgehend kompensiert.
Um eine Phasendifferenz zu finden, bei welcher Viskositätsänderungen keine Auswirkungen auf die Frequenz der Schwingungen haben, lassen sich beispielsweise von unterschiedlichen Medien Kurven aufnehmen, welche den Verlauf der Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal in Abhängigkeit von der Frequenz des Sendesignals wiedergeben. Der Schnittpunkt der Kurven ergibt dann die gesuchte Phasendifferenz. Dies ist beispielsweise in der EP 0 985 916 A1 der Anmelderin beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messgerät zur Messung einer Prozessgröße, insbesondere der Dichte anzugeben, welches reproduzierbare Messungen erlaubt.
Die Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit das Anregesignal (S_A) derartig erzeugt, dass sich zwischen dem Empfangssignal (S_E) und dem Anregesignal (S_A) eine Phasendifferenz (Δϕ) ergibt, welche im Wesentlichen gleich einem vorgebbaren Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) ist, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) derartig vorgegeben ist, dass bei dem Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Wesentlichen vernachlässigbar sind, und dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) mindestens in Abhängigkeit vom Verhältnis der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit zur Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit vorgegeben ist, wobei die Eingangsimpedanz sich auf den Eingang bezieht, über welchen die Elektronikeinheit das Empfangssignal (S_E) empfängt.
Bei der Anrege-/Empfangseinheit handelt es sich in einer Ausgestaltung um ein piezo-elektrisches Element, welches das Anregesignal (S_A), bei welchem es sich um eine elektrische Wechselspannung handelt, in mechanische Schwingungen umsetzt. Diese Schwingungen werden beispielsweise über eine Membran auf die mechanisch schwingfähige Einheit, also z.B. auf eine sog. Schwinggabel mit zwei Gabelzinken übertragen. Die mechanischen Schwingungen, welche durch den Kontakt mit dem Medium bzw. durch dessen Eigenschaften beeinflusst werden, werden von der Anrege-/Empfangseinheit wiederum in ein elektrisches Empfangssignal (S_E) umgewandelt, welches mindestens die Frequenz (F₀) der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit trägt.
Für die Messung der Dichte (ρ) ist es insbesondere wichtig, dass die Abhängigkeit von einer Viskositätsänderung kompensiert wird. Die Viskosität stellt eine Dämpfung der Schwingungen dar. Aus der Theorie ist bekannt, dass eine Unabhängigkeit von der Dämpfung gegeben ist, wenn zwischen dem Anrege- und dem Empfangssignal eine Phase von +90° vorliegt. Wie jedoch beispielsweise der Offenlegungsschrift DE 100 57 974 A1 zu entnehmen, kann dieser Effekt in realen Systemen bei Werten unterschiedlich zu 90° auftreten. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass die Phase für die Viskositätsunabhängigkeit zumindest vom Verhältnis zwischen der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit und der Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit abhängt. Daher werden erfindungsgemäß bezogen auf die jeweilige Dimensionierung des Messgerätes die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit und die Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit – dies hängt auch vom Typ der Elektronikeinheit ab – gemessen bzw. es wird der aus der Ausgestaltung der Messvorrichtung resultierende Phasenwinkel berücksichtigt, und es wird der entsprechende Phasenwinkel eingestellt, um die Unabhängigkeit von Viskositätsänderungen zu erreichen. In einer Ausgestaltung, welche sich auf eine bestimmte Anordnung des Messgerätes bezieht, beträgt die Phase, welche das Empfangssignal gegenüber dem Anregesignal aufweist, +46°. Ist die Eingangsimpedanz sehr hochohmig, d.h. ist sie zumindest eine Größenordnung oder den Faktor 10 größer als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit, so ist die Phase bei Viskositätsunabhängigkeit +42°. Eine hohe Eingangsimpedanz ist beispielsweise bei Spannungsverstärkern gegeben. Ist die Eingangsimpedanz sehr klein, d.h. um mindestens eine Größenordnung kleiner als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit, so beträgt die Phasendifferenz –48°. Eine kleine Eingangsimpedanz liegt beispielsweise bei Ladungsverstärkern vor. Die Phase des Empfangssignals relativ zum Anregesignal beträgt also je nach Ausgestaltung der Elektronikeinheit +46°, +42° oder –48°. Der Betrag der Phase liegt also vorzugsweise im Bereich zwischen 40° und 50°. Dies ist somit eine deutliche Abweichung zum theoretischen Wert von 90°.
Damit diese Phasenwerte erhalten werden, muss die Elektronikeinheit das Anregesignal derartig erzeugen, dass sich in Summe über alle Phasen der Wert 0° bzw. n·360° (n = 1, 2, 3...) ergibt, da es sich insgesamt um einen Schwingkreis handelt. D.h. der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) beträgt in Abhängigkeit vom Verhältnis Eingangsimpedanz zur Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit –46°, –42° oder +48°. Für die Auswertung des Empfangssignals hin auf die Ermittlung der Dichte des Mediums ist vorteilhafterweise mindestens eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche aus der Frequenz des Empfangssignals (S_E) mindestens die Dichte (ρ) des Mediums ermittelt. Diese Auswerteeinheit ist dabei ein Bestandteil des Messgerätes oder es handelt sich um eine externe Einheit.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) mindestens in Abhängigkeit vom Verhältnis der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit zur Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit und in Abhängigkeit von der Ausgangsimpedanz der Elektronikeinheit vorgegeben ist, wobei die Ausgangsimpedanz sich auf den Ausgang bezieht, über welchen die Elektronikeinheit das Anregesignal (S_A) ausgibt. In dieser Ausgestaltung wird somit auch eine weitere Abhängigkeit von der Ausgangsimpedanz der Elektronikeinheit berücksichtigt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) unterschiedlich zu 90° ist. Insbesondere liegt der Betrag des Phasendifferenzsollwerts (Δϕ_soll) zwischen 40° und 50°. Der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) ist dabei so bemessen, dass er und der Phasenwert des Sensors, bei welchem die Viskositätsunabhängigkeit gegeben ist, zusammen den Wert n·360° (n = 0, 1, 2...) ergibt. Ist also beispielsweise dieser Phasenwert zwischen dem Anregesignal und Empfangssignal +46°, so ist der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) –46°.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) in dem Fall, dass die Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit, insbesondere um mindestens eine Größenordnung, größer als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit ist, der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) –42° beträgt. Dies trifft insbesondere bei einer Sensoreinheit auf, welche einen Bimorphantrieb und dessen Gabelzinken kein Coating aufweist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) in dem Fall, dass die Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit, insbesondere um mindestens eine Größenordnung, kleiner als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit ist, der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) +48° beträgt. Insbesondere sieht eine Ausgestaltung vor, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) –46° ist, so dass der Phasenwert des Empfangssignals (S_E) relativ zum Anregesignal (S_A) +46° beträgt.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit das Anregesignal (S_A) derartig erzeugt, dass das Anregesignal (S_A) im Wesentlichen ein Sinus-Signal ist. Im Allgemeinen wird zur Anregung ein Rechtecksignal der Einfachheit halber verwendet. Weist die Verstärkung des gesamten Schwingsystems – d.h. die Anordnung aus der mechanisch schwingfähigen Einheit und der Elektronikeinheit – im stationären Fall, d.h. wenn sich Dämpfung, Verstärkung und Amplitude nicht mehr ändern, weil sich beispielsweise der Füllstand des Mediums, mit welchem die schwingfähige Einheit wechselwirkt, nicht mehr ändert, einen Wert von Eins auf, so ergibt sich ein Sinus. In den meisten Messgeräten wird eine Verstärkung größer Eins verwendet, so dass sich ein Rechtecksignal ergibt. Für die Dichtemessung wird jedoch in dieser Ausgestaltung ein Wert von Eins verwendet. Ein Vorteil der Sinus-Anregung besteht gerade darin, dass keine Obertöne angeregt werden, und dass die Schwingungsenergie für nur eine Mode verwendet wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit die Dichte (ρ) des Mediums im Wesentlichen nach folgender Formel bestimmt:
wobei K ein Koeffizient für die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, wobei F_0,Vak die Frequenz der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Vakuum ist, wobei C ein Koeffizient für die Temperaturempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, wobei T ein Temperaturwert für das Medium ist, wobei F_0,Med die Frequenz (F₀) der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Medium ist, wobei D ein Koeffizient für die Druckempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, und wobei P ein Druckwert für das Medium ist.
Für die genaue Messung der Dichte muss die Abhängigkeit von Druck und Temperatur berücksichtigt bzw. müssen die entsprechenden Werte gemessen werden. Ist eine Konstanz dieser Größen gegeben oder ist deren Auswirkungen in der Anwendung vernachlässigbar, so lässt sich die Formel auch entsprechend vereinfachen:
Eine solche Vereinfachung ist vor allem dann möglich, wenn im Wesentlichen nur eine Änderung der Dichte erkannt werden soll.
Die Dichte lässt sich somit über folgende Schritte messen bzw. überwachen:
Zunächst erfolgt ein Abgleich des Messgerätes:

– die Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Temperatur T des Mediums wird ermittelt und daraus wird ein Koeffizient C für die Temperaturempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt,
– die Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit vom Druck P des Mediums wird ermittelt und daraus wird ein Koeffizient D für die Druckempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt,
– die Abhängigkeit der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Dichte ρ des Mediums wird ermittelt und daraus wird ein Koeffizient (K) für die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt,
– die Frequenz der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Vakuum F_0,Vak wird ermittelt,
– ein Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) zwischen dem Anregesignal (S_A) und dem Empfangssignal (S_E) wird ermittelt, bei welchem Auswirkungen von Änderungen der Viskosität auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Wesentlichen vernachlässigbar sind. Nach diesem Abgleich werden die ermittelten Werte passend hinterlegt und die eigentlichen Messungen werden durchgeführt:
– die Temperatur T des Mediums wird ermittelt oder es wird ein Wert für die Temperatur T des Mediums wählbar gesetzt, d.h. beispielsweise auch vernachlässigt,
– der Druck P des Mediums wird ermittelt oder es wird ein Wert für den Druck P des Mediums wählbar gesetzt, indem beispielsweise auch der Druck vernachlässigt wird,
– die mechanisch schwingfähige Einheit wird zu mechanischen Schwingungen angeregt,
– die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit werden empfangen und in ein Empfangssignal S_E umgewandelt,
– aus dem Empfangssignal S_E wird die Frequenz F_0,Med der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Medium ermittelt, und
– die Dichte ρ des Mediums wird über folgende Formel mit den oben ermittelten Konstanten und Werten bestimmt:

Alternativ wird die verkürzte Formel verwendet und es wird im Wesentlichen eine Änderung der Dichte angezeigt. Die beschriebene Vorgehensweise ist jedoch nur ein Beispiel und lässt sich leicht an weitere Bedingungen anpassen.
Der Phasendifferenzsollwert wird dabei in einer Ausgestaltung mit folgenden Schritten ermittelt:
dass für mindestens zwei Medien mit unterschiedlicher Viskosität die Abhängigkeit zwischen der Frequenz (F_0,Med) der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im jeweiligen Medium und der Phasendifferenz (Δϕ) zwischen dem Anregesignal (S_A) und dem Empfangssignal (S_E) ermittelt wird, und dass der Phasenbereich ermittelt wird, innerhalb dessen die Phasendifferenz (Δϕ) der mindestens zwei Medien im Wesentlichen gleich sind. Haben die Medien auch unterschiedliche Dichte, so ist die anschließende Ausgestaltung zu beachten. In einer weiteren Ausgestaltung wird die Phasendifferenz in Abhängigkeit von einem variierbaren Lastwiderstand an der Anrege-/Empfangseinheit, d.h. in Abhängigkeit von unterschiedlichen Eingangsimpedanzen der Elektronikeinheit ermittelt, d.h. so kann die Auswirkung der Eingangsimpedanz auf den festzulegenden Phasenwert ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung wird das Verfahren zur Bestimmung des Phasenbereichs dahingehend erweitert, dass die Dichte ρ der mindestens zwei Medien bestimmt wird, und dass in dem Fall, dass sich die Dichtewerte der mindestens zwei Medien unterscheiden, die Auswirkungen der Dichte ρ auf die Frequenz F_0,Med der Schwingungen ermittelt und kompensiert wird. Im einfachsten Fall wird die Auswirkung der Dichte auf die Messung jeweils herausgerechnet. Diese Ausgestaltung bezieht sich also insbesondere darauf, dass die Dichten der beiden Messmedien unterschiedlich sind, so dass die Auswirkungen der Dichte auf die Schwingungen und insbesondere auf die Schwingungsfrequenz herausgerechnet wird, um die Frequenzänderung zu erhalten, die sich allein durch die Viskositätsänderung ergibt.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass mindestens ein Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur (T) des Mediums vorgesehen ist, und/oder dass mindestens ein Drucksensor zur Bestimmung des Druckes (P) des Mediums vorgesehen ist. Diese Sensoren erlauben eine genauere Messung der Dichte, da so die Auswirkungen von Dichte und Temperatur berücksichtigt werden können.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
In der 1 befindet sich ein Medium 1 in einem Behälter 10. An dem Behälter 10 ist die mechanisch schwingfähige Einheit 2 eines erfindungsgemäßen Messgerätes angebracht. Hierbei handelt es sich um eine sog. Schwinggabel, d.h. zwei Gabelzinken sind an einer Membran angebracht. Hinter der Membran und mechanisch mit ihr gekoppelt befindet sich die Anrege-/Empfangseinheit 3, bei welcher es sich im gezeigten Fall um ein piezo-elektrisches Element handelt. Dieses piezo-elektrische Element 3 wird als Wandler zwischen den mechanischen Schwingungen und den elektrischen Signalen verwendet. Von der Elektronikeinheit 4 wird die Antriebs- /Empfangseinheit 3 mit dem elektrischen Anregesignal S_A beaufschlagt. Diese elektrische Wechselspannung wird in mechanische Schwingungen übertragen, welche die Schwinggabel 2 schwingen lassen. Die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 2 hängen dabei vom Bedeckungsgrad der Gabel durch das Medium 1, aber auch von Eigenschaften des Mediums 1 selbst ab. So sind die Schwingungen auch von der Dichte und der Viskosität des Mediums 1 abhängig. Über diese Abhängigkeit lassen sich umgekehrt die Größen messen, indem das Empfangssignal S_E der Antriebs-/Empfangseinheit 3 passend ausgewertet wird. Das Messgerät ist hier so ausgebildet, dass insbesondere die Dichte des Mediums 1 bestimmt bzw. überwacht wird. Der Füllstand lässt sich jedoch u.a. auch weiterhin messen bzw. überwachen. Es sei auch angemerkt, dass die hier beschriebene Erfindung nicht auf die Anwendung auf Schwinggabeln oder Einstäben beschränkt ist, sondern dass sie sich beispielsweise auch auf Coriolis-Durchflussmessgeräte anwenden lässt. Für die Dichtemessung ist es jedoch erforderlich, dass u.a. die Abhängigkeit der Schwingungen von der Viskosität kompensiert wird. Dies geschieht dadurch, dass das Empfangssignal S_E eine spezielle Phase aufweist, bei welcher Änderungen der Viskosität auf die Schwingfrequenz keine oder nur vernachlässigbare Auswirkungen haben. Damit diese Phase des Empfangssignals S_E erhalten wird und damit die Resonanzbedingung, dass die Summe aller Phasen im Schwingkreis gleich n·360° mit n = 0, 1, 2, 3... ist, ist die Elektronikeinheit 4 derartig ausgestaltet, dass sie das Anregesignal S_A entsprechend erzeugt. Dabei hat sich ergeben, dass dieser Phasenwert zumindest abhängig davon ist, welches Größenverhältnis zwischen der Impedanz der Antriebs-/Empfangseinheit 3 und der Eingangsimpedanz 4.1 der Elektronikeinheit 4 besteht. Somit ist der Wert auch davon abhängig, welche Struktur die Elektronikeinheit 4 aufweist, d.h. insbesondere um was für einen Verstärkertyp es sich handelt. Der theoretische Wert für die Phase ist 90°. Es zeigt sich jedoch, dass die Phase bei einem sehr hochohmigen Eingang 4.1 gleich 42° und bei einem niederohmigen Eingang 4.1 gleich –48° ist. Entsprechend beträgt der Phasendifferenzsollwert Δϕ_soll –42° bzw. +48°. Diese speziellen Werte beziehen sich jedoch auch auf die weitere Ausgestaltung des Messgerätes. Ein Erklärungsmodell für diese Werte ist, dass die Elektronikeinheit 4 bzw. dessen Eingangsimpedanz in Verbindung mit der kapazitiven Eigenschaft der Antriebs-/Empfangseinheit 3, insbesondere in der Ausgestaltung als piezo-elektrisches Element als Hochpass fungiert. Der Phasenwert bzw. der Phasendifferenzsollwert Δϕ_soll bzw. ein Wert für die Anrege-/Empfangseinheit 3, aus welchem sich in Verbindung mit der Art der Elektronikeinheit 4 der Phasendifferenzsollwert Δϕ_soll ergibt, wird vorzugsweise in einer Speichereinheit 8 abgelegt, so dass die Elektronikeinheit 4 bzw. ein darin befindlicher Mikroprozessor darauf zugreifen kann.
Um die Messungen zu verbessern und die Leistung des Messgerätes zu erhöhen, ist der Schwingkreis aus mechanisch schwingfähiger Einheit 2, Antriebs-/Empfangseinheit 3 und Elektronikeinheit 4 derartig ausgestaltet, dass die Gesamtverstärkung gleich Eins ist. D.h. die Dämpfung der Schwingungen durch das Medium 1 und die Verstärkung der Elektronikeinheit 4 müssen sich gerade gegenseitig kompensieren. Daher ist es auch erforderlich, dass der Verstärkungsfaktor der Elektronikeinheit 4 einstellbar und veränderbar ist. Weiterhin bringt es Vorteile mit sich, dass das Anregesignal S_A ein Sinussignal ist und nicht wie allgemein bei solchen Schwingsystemen üblich ein Rechtecksignal. Insbesondere findet eine Grundwellenanregung statt.
Auf die Schwingungen bestehen weiterhin Auswirkungen von Druck und Temperatur. Sind diese beiden Größen konstant oder sind ihre Variationen nur sehr gering, so kann ihre Auswirkungen auf die Dichte-Messung vernachlässigt werden. Ist jedoch eine möglichst genaue Messung erforderlich, so werden Temperatur T und Druck P durch einen jeweiligen Sensor 6, 7 gemessen. Die Auswerteeinheit 5, welche hier eine eigenständige Einheit ist, berechnet dann aus den mechanischen Schwingungen, d.h. insbesondere aus der Frequenz und den beiden Messgrößen Temperatur und Druck die Dichte.

1: Medium
2: Mechanisch schwingfähige Einheit
3: Anrege-/Empfangseinheit
4: Elektronikeinheit
4.1: Eingang der Elektronikeinheit
4.2: Ausgang der Elektronikeinheit
5: Auswerteeinheit
6: Temperatursensor
7: Drucksensor
8: Speichereinheit
10: Behälter

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, insbesondere der Dichte (ρ) eines Mediums (1), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (2), mit mindestens einer Anrege-/Empfangseinheit (3), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (2) zu mechanischen Schwingungen anregt und welche die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) empfängt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit (4), welche die Anrege-/Empfangseinheit (3) mit einem elektrischen Anregesignal (S_A) beaufschlagt, und welche von der Anrege-/Empfangseinheit (3) ein elektrisches Empfangssignal (S_E) erhält, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (4) derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit (4) das Anregesignal (S_A) derartig erzeugt, dass sich zwischen dem Empfangssignal (S_E) und dem Anregesignal (S_A) eine Phasendifferenz (Δϕ) ergibt, welche im Wesentlichen gleich einem vorgebbaren Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) ist, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) derartig vorgegeben ist, dass bei dem Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) Auswirkungen von Änderungen der Viskosität des Mediums (1) auf die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) im Wesentlichen vernachlässigbar sind, und dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) mindestens in Abhängigkeit vom Verhältnis der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit (3) zur Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit (4) vorgegeben ist, wobei die Eingangsimpedanz sich auf den Eingang (4.1) bezieht, über welchen die Elektronikeinheit (4) das Empfangssignal (S_E) empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) mindestens in Abhängigkeit vom Verhältnis der Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit (3) zur Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit (4) und in Abhängigkeit von der Ausgangsimpedanz der Elektronikeinheit (4) vorgegeben ist, wobei die Ausgangsimpedanz sich auf den Ausgang (4.2) bezieht, über welchen die Elektronikeinheit (4) das Anregesignal (S_A) ausgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) unterschiedlich zu 90° ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) in dem Fall, dass die Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit (4), insbesondere um mindestens eine Größenordnung, größer als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit (3) ist, der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) –42° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) in dem Fall, dass die Eingangsimpedanz der Elektronikeinheit (4), insbesondere um mindestens eine Größenordnung, kleiner als die Impedanz der Anrege-/Empfangseinheit (3) ist, der Phasendifferenzsollwert (Δϕ_soll) +48° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (4) derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit (4) das Anregesignal (S_A) derartig erzeugt, dass das Anregesignal (S_A) im Wesentlichen ein Sinus-Signal ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit (5) die Dichte (ρ) des Mediums (1) im Wesentlichen nach folgender Formel bestimmt:
wobei K ein Koeffizient für die Dichteempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) ist, wobei F_0,Vak die Frequenz der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) im Vakuum ist, wobei C ein Koeffizient für die Temperaturempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) ist, wobei T ein Temperaturwert für das Medium (1) ist, wobei F_0,Med die Frequenz (F₀) der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) im Medium (1) ist, wobei D ein Koeffizient für die Druckempfindlichkeit der mechanisch schwingfähigen Einheit (2) ist, und wobei P ein Druckwert für das Medium (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (6) zur Bestimmung der Temperatur (T) des Mediums (1) vorgesehen ist, und/oder dass mindestens ein Drucksensor (7) zur Bestimmung des Druckes (P) des Mediums (1) vorgesehen ist.