DE102007003104B4

DE102007003104B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von Prozessgrößen

Info

Publication number: DE102007003104B4
Application number: DE102007003104.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Philipps
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: DE102007003104A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (10), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), und mit mindestens einer Erregungseinheit (2), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, wobei es sich bei den mechanischen Schwingungen um Resonanzschwingungen handelt, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) nur eine Membran umfasst, dass die Erregungseinheit (2) und die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens über ein Mittlermedium (3) mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass es sich bei dem Mittlermedium (3) um ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid handelt, dass es sich bei der Erregungseinheit (2) um einen hydraulischen Erreger handelt, dass mindestens eine Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Erregungseinheit (2) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) zu Schwingungen bestimmt und/oder überwacht und welche derartig ausgestaltet ist, dass sie den Energiebedarf der Erregungseinheit (2) in Bezug auf die Prozessgröße auswertet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer, insbesondere mehrerer Prozessgrößen eines Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und mit mindestens einer Erregungseinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, um ein Schüttgut oder um ein Gas.
In der modernen Prozess- und Automatisierungstechnik werden oft Messgeräte eingesetzt, um Prozessgrößen zu bestimmen bzw. zu überwachen. Bei den Prozessgrößen handelt es sich beispielsweise um Füllstand, Druck, Dichte, Viskosität, Temperatur oder Durchfluss. So ist es beispielsweise bekannt, mechanisch schwingfähige Einheiten, z. B. sog. Schwinggabeln oder Einstäbe zu mechanischen Schwingungen anzuregen (z. B. EP 0 444 173 B1 oder WO 2005/008190 ). Aus den Kenngrößen der empfangenen mechanischen Schwingungen, wie Frequenz, Amplitude oder Phase relativ zum Anregungssignal lässt sich dann beispielsweise auf den Füllstand oder die Viskosität des Mediums schließen. Die Offenlegungsschrift DE 101 38 360 A1 zeigt beispielsweise ein Füllstandsmesssystem, welches als Resonatorelement zwei Membranen aufweist, deren Schwingungen vom Grad der Bedeckung durch ein Medium abhängen.
Die Schwingungserzeugung erfolgt bei den vorgenannten Messgeräten oft über ein piezo-elektrisches Element. Solche Elemente nutzen den piezo-elektrischen Effekt aus, indem jeweils eine Umwandlung zwischen elektrischer Spannung und mechanischer Bewegung stattfindet. Eine Problematik besteht jedoch darin, dass sich die Schwinggabel oder der Einstab im Prozess und im Medium befindet. So kann sich beispielsweise Material zwischen den Gabelzinken verklemmen und damit eine weitere Messung verhindern. Handelt es sich beispielsweise bei dem Medium um ein Schüttgut, so kann dieses ggf. bei einer Befüllung den Einstab beschädigen.
Es wäre somit wünschenswert, wenn die schwingfähige Einheit möglichst frontbündig mit dem Behälter abschließt.
In der DE2209260B2 ist ein Grenzfüllstandsmessgerät mit einem Schwinger beschrieben umfassend zumindest eine ins Medium hineinragende Fahne, eine Membran und einen Stift, welcher Schwinger im freien Zustand zu Schwingungen angeregt wird und im zumindest teilweise bedecktem Zustand still steht. Der Stift ist in einem Magnetfeld gelagert und induziert bei Bewegung Spannungen. Hierdurch wird eine Selbsterregungsschaltung verwirklicht, wobei die Auswertung des Schwingungszustands über die Stromaufnahme der Leitung zur Spannungsquelle erfolgt. Als Alternative zur Selbsterregungsschaltung ist weiterhin eine hydraulische Schaltung genannt.
Die DE3543529A1 offenbart ferner ein Füllstandsmessgerät mit einer Membran als schwingfähiger Einheit, welche ein zylindrisches Gehäuse endseitig verschließt, und welche von einem elektromechanischen Wandlerelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Element zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Trotz der planaren Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit ragt das Messgerät jedoch in den Prozess hinein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Messgerät vorzuschlagen, welches die Problematik des Standes der Technik vermeidet.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Erregungseinheit und die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens über ein Mittlermedium mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Erfindung besteht somit darin, dass die Erregungseinheit über ein Mittlermedium mit der mechanisch schwingfähigen Einheit verbunden ist. Dies ist somit auch eine alternative Schwingungserregung zu den bekannten Anregungsarten.
Die mechanisch schwingfähige Einheit umfasst nur eine Membran, d. h. mit dem Medium kommt einzig die Membran in Kontakt, und nicht z. B. die beiden Gabelzinken einer Schwinggabel oder der Einstab.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei dem Mittlermedium um ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid handelt. Eine solche Flüssigkeit bzw. ein solches Fluid, welches seine Dichte bei Druck von Außen nicht ändert, erlaubt die direkte Übertragung der mechanischen Kraft zwischen der Erregungseinheit und der mechanisch schwingfähigen Einheit. Beispielsweise handelt es sich um ein imkompressibles Öl.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass es sich bei der Erregungseinheit um einen hydraulischen Erreger handelt. Ein solcher hydraulischer Erreger, welcher Druck- und/oder Volumenschwankungen auf das Mittlermedium aufprägt, verfügt beispielsweise mindestens über eine Oberfläche, welche ein mit dem Mittlermedium kommunizierendes Volumen begrenzt und über welche der Erreger einen Druck über das Mittlermedium auf die mechanisch schwingfähige Einheit ausübt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem hydraulischen Erreger um einen Füllkörper, welcher in einem hydraulischen Pfad angeordnet ist und in geeigneter Weise angeregt werden kann. Die Anregung kann beispielsweise elektrostatisch, magnetisch durch Auslenkung eines Körpers oder durch Magnetostriktion, sowie mit einem Piezoerreger erfolgen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Erregungseinheit zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu Schwingungen bestimmt und/oder überwacht. Im Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Kenngrößen der Schwingungen von mechanisch schwingfähigen Einheiten in Bezug auf die Prozessgröße auszuwerten. In dieser Ausgestaltung wird jedoch darauf Rücksicht genommen, dass sich die Wechselwirkung zwischen dem Medium und der mechanisch schwingfähigen Einheit auch auf die Energie auswirkt, welche die Erregungseinheit zur Erzeugung der Schwingungen erfordert. Ist beispielsweise die mechanisch schwingfähige Einheit unbedeckt von dem Medium, so ist der Energiebedarf geringer als in dem Fall, dass das Medium die mechanisch schwingfähige Einheit berührt, da in diesem Fall das wechselwirkende Medium ebenfalls mitbewegt werden muss. Ist somit beispielsweise über einen Abgleich der Energiebedarf für den unbedeckten Zustand ermittelt und passend hinterlegt worden, so ergibt sich aus der Differenz zu einem aktuell gemessenen Wert oder aus einem Quotienten ein Maß für den Grad der Bedeckung durch das Medium und somit beispielsweise auch für den Füllstand.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie den Energiebedarf der Erregungseinheit in Bezug auf die Prozessgröße auswertet.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Temperatursensor zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Mittlermediums vorgesehen ist, Für eine genauere Messung bzw.
Überwachung der Prozessgröße lässt sich mit dieser Ausgestaltung der Einfluss der Temperatur kompensieren.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens ein Drucksensor zur Bestimmung und/oder Überwachung des Drucks des Mittlermediums vorgesehen ist. In dieser Ausgestaltung ist somit eine Kompensation des Drucks realisiert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Erregungseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu Resonanzschwingungen anregt. In einer Ausgestaltung regt die Erregungseinheit die mechanisch schwingfähige Einheit zu Grundwellenschwingungen und/oder zu Oberwellenschwingungen an. In dieser Ausgestaltung erfolgt eine Anregung zu Grundwellen oder zu Oberwellen oder zu einer Kombination aus Grund- und Oberwellen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand des Mediums in einem Behälter handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
In der 1 ist schematisch und nicht maßstäblich ein erfindungsgemäßes Messgerät in der Anwendung dargestellt. Im gezeigten Fall wird die Messvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes des Mediums 10 in dem Behälter 11 verwendet. Die Vorrichtung selbst schließt gegenüber dem Medium 10 mit einer Membran als mechanisch schwingfähiger Einheit 1 ab. Hinter der Membran 1 befindet sich ein Mittlermedium 3, bei welchem es sich beispielsweise um ein im Wesentlichen inkompressibles Öl handelt. Die Erregungseinheit 2 übt dabei über das Mittlermedium 3 eine Kraft auf die Membran 1 aus, so dass diese beispielsweise eine mechanische Schwingung ausführt. Dafür handelt es sich bei der Erregungseinheit 2 beispielsweise um einen Körper, welcher Bewegungen in Richtung der Normalen der Membran 1 ausführt. Alternativ handelt es sich um einen zumindest mit einer Membran abgeschlossenen Körper, in welchem abwechselnd Ausdehnung und Zusammenziehung stattfindet Prinzipiell handelt es sich um eine Einheit, welche zumindest eine Kraft erzeugt, die sich zumindest als Druck auf die mechanisch schwingfähige Einheit 1 auswirkt. Die Auswerteeinheit 4 misst bzw. überwacht den Energiebedarf der Erregungseinheit 2, wobei vorausgesetzt wird, dass sich der Energiebedarf in Abhängigkeit vom Grad der Bedeckung der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 durch das Medium 10 ändert. Ist der Energiebedarf im Fall der unbedeckten Membran beispielsweise E1 und der gemessene Energiebedarf (ggf. im bedeckten Zustand) E2, so ergibt sich ein Maß für die Bedeckung M entweder aus einem Quotienten M1 = E2/E1 oder aus der. Differenz M2 = E2 – E1. Um Auswirkungen von Temperatur und Druck auf die Messung zu kompensieren, sind hier ein Temperatur- 5 und ein Drucksensor 6 vorgesehen. Da diese Werte auch Prozessgrößen sind, dient somit das erfindungsgemäße Messgerät auch für die Bestimmung und/oder Überwachung von mehreren Prozessgrößen. In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Detektionseinheit vorgesehen, welche die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 detektiert und ein Maß für die Schwingungen der Membran 1 liefert. Dieser Messwert wird auch in einer weiteren Ausgestaltung mit dem gemessenen Energiebedarf verrechnet, um ein Maß für die Bedeckung der Membran 1 durch das Medium 10 bzw. den Füllstand des Mediums 10 zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Erregungseinheit
3: Mittlermedium
4: Auswerteeinheit
5: Temperatursensor
5: Drucksensor
10: Medium
11: Behälter

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (10), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), und mit mindestens einer Erregungseinheit (2), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, wobei es sich bei den mechanischen Schwingungen um Resonanzschwingungen handelt, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) nur eine Membran umfasst, dass die Erregungseinheit (2) und die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens über ein Mittlermedium (3) mechanisch miteinander gekoppelt sind, dass es sich bei dem Mittlermedium (3) um ein im Wesentlichen inkompressibles Fluid handelt, dass es sich bei der Erregungseinheit (2) um einen hydraulischen Erreger handelt, dass mindestens eine Auswerteeinheit (4) vorgesehen ist, welche den Energiebedarf der Erregungseinheit (2) zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) zu Schwingungen bestimmt und/oder überwacht und welche derartig ausgestaltet ist, dass sie den Energiebedarf der Erregungseinheit (2) in Bezug auf die Prozessgröße auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (5) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur des Mittlermediums (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (6) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Drucks des Mittlermediums vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungseinheit (2) die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu Resonanzschwingungen anregt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand des Mediums (10) in einem Behälter (11) handelt.