DE102007043811A1 - Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität und entsprechende Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität und entsprechende Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität eines Mediums (2), wobei eine mechanisch schwingfähige Einheit (1), ausgehend von einem Anregungssignal, zu Schwingungen angeregt wird und wobei von der Einheit (1) Schwingungen empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, wobei die Eigenfrequenz (omega0) und/oder die Resonanzfrequenz (omegares) der schwingfähigen Einheit (1) und/oder die Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal bestimmt und/oder überwacht wird und wobei aufgrund von Änderungen der Eigenfrequenz (omega0) und/oder der Resonanzfrequenz (omegares) und/oder der Phasenlage auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird und/oder wobei aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen von der Viskosität des Mediums aus der Eigenfrequenz (omega0) und/oder der Resonanzfrequenz (omegares) und/oder der Phasenlage die Viskosität ermittelt wird. In einer zweiten Variante des Verfahrens wird das Abklingverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit ausgewertet. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums. Weitere zu bestimmende bzw. zu überwachende Größen sind beispielsweise der Füllstand oder die Dichte des Mediums, wobei es sich bei dem Medium beispielsweise um eine Flüssigkeit handelt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums. Andere Prozessgrößen wie z. B. der Füllstand sind mit dieser Vorrichtung ebenfalls messbar.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, mit Hilfe einer mechanisch schwingfähigen Einheit die Viskosität eines Mediums zu bestimmen (siehe z. B. DE 100 50 299 ).
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, weitere Verfahren anzugeben, um mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit die Viskosität eines Mediums zu bestimmen bzw. zu überwachen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Viskositätsmessung bzw. -überwachung anzugeben, welche eine möglichst genaue Messung erlaubt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Variante gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums, wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit ausgehend von einem Anregungssignal zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, wobei die Eigenfrequenz (ω0) der mechanisch schwingfähigen Einheit und/oder die Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit und/oder die Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal bestimmt und/oder überwacht wird, und wobei aufgrund von Änderungen der Eigenfrequenz (ω0) und/oder aufgrund von Änderungen der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder aufgrund von Änderungen der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird und/oder wobei aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Viskosität des Mediums aus der Eigenfrequenz (ω0) und/oder der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal die Viskosität ermittelt wird.
  • Die erste Variante des Verfahrens sieht somit vor, dass von den Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit mindestens eine Kenngröße bestimmt und/oder überwacht wird. Bei den Kenngrößen handelt es sich hier insbesondere um die Eigenfrequenz (ω0), die Resonanzfrequenz (ωres) und/oder um die Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal. Diese Größen werden entweder einzeln oder in Kombination bestimmt und ausgewertet in Hinsicht auf die Viskosität. Dabei wird eine Änderung der Kenngrößen herangezogen, um eine Änderung der Viskosität zu erkennen bzw. ausgehend von den Größen wird aufgrund hinterlegter bzw. abgespeicherter Zusammenhänge (Kennlinien, Formeln, Algorithmen, Wertepaare etc.) zwischen den Größen und der Viskosität die Viskosität ermittelt.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass Störgrößen, welche zusätzlich zur Viskosität des Mediums mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflussen, im Wesentlichen konstant gehalten werden. Die Schwingungen hängen nicht nur ab von der Viskosität, sondern auch vom Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit oder von der Dichte des Mediums. Diese Störgrößen werden hier konstant gehalten, so dass die ausgewerteten Größen im Wesentlichen nur von der Viskosität abhängen. D. h. die Prozessgrößen, welche sich mit der mechanisch schwingfähigen Einheit üblicherweise messen bzw. überwachen lassen, sind hier bei der Bestimmung der Viskosität Störgrößen. Die Störgröße Bedeckungsgrad kann beispielsweise konstant gehalten werden, indem bei vollständiger Bedeckung der mechanisch schwingfähigen Einheit gemessen wird. Die Dichte lässt sich im Wesentlichen dadurch konstant halten, dass die Temperatur konstant gehalten wird. Weiterhin kann der Einfluss der Dichte auf die Schwingungen durch eine entsprechende Optimierung der Geometrie der mechanisch schwingfähigen Einheit reduziert bzw. eliminiert werden. Dadurch sind auch die Auswirkungen der Änderungen der Dichte auf die Schwingungen vernachlässigbar bzw. nicht mehr vorhanden. Somit besteht eine Ausgestaltung darin, eine solche mechanisch schwingfähige Einheit zu verwenden bzw. sie derartig in Bezug auf diese Parameter zu optimieren, dass die Störgrößen keine oder nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die für die Bestimmung der Viskosität verwendeten Kenngrößen der Schwingungen haben. In der Anwendung wird beispielsweise eine Messung bei bekannten Störgrößen, d. h. bei bekannter Dichte und bekanntem Bedeckungsgrad vorgenommen und bei den folgenden Messungen – im Betrieb – wird ausgehend von dieser Initialisierungsmessung die Viskosität ermittelt.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass Störgrößen, welche zusätzlich zur Viskosität des Mediums mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflussen, ermittelt werden, und dass die Auswirkung der Störgröße und/oder einer Änderung der Störgröße auf mindestens eine Kenngröße bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität des Mediums berücksichtigt wird. In dieser Ausgestaltung ist somit die Abhängigkeit der Kenngröße oder der Kenngrößen von der Viskosität und mindestens einer Störgröße bekannt, so dass aufgrund der Messung bzw. Überwachung der Störgröße die Viskosität bestimmbar ist.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit durch das Medium bestimmt und/oder überwacht wird. Der Bedeckungsgrad ist somit eine der Störgrößen.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Dichte des Mediums bestimmt und/oder überwacht wird. Hier ist die Dichte eine Störgröße, die es zu beobachten gilt.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ausgehend vom Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit und ausgehend von der Dichte des Mediums aufgrund von Änderungen der Eigenfrequenz (ω0) und/oder aufgrund von Änderungen der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder aufgrund von Änderungen der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird. Sind die Störgrößen im Wesentlichen konstant und wird eine Kenngröße betrachtet, welche abhängig von der Viskosität ist, so kann aus der Änderung der Kenngröße auf die Änderung der Viskosität geschlossen werden.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ausgehend vom Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit und ausgehend von der Dichte des Mediums aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Viskosität des Mediums aus der Eigenfrequenz (ω0) und/oder der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal die Viskosität ermittelt wird. Die Störgrößen Dichte und Füllstand werden hier entweder im Wesentlichen konstant gehalten oder die Abhängigkeit der Kenngrößen von diesen ist bekannt und wird passend verrechnet bei der Bestimmung der Viskosität aufgrund hinterlegter Abhängigkeiten zwischen Kenngröße oder Kenngrößen der Schwingungen und der Viskosität.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine mechanisch schwingfähige Einheit verwendet wird, deren Schwingungen im Wesentlichen unabhängig von der Dichte des Mediums sind.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Eigenfrequenz (ω0) der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Eigenfrequenz (ω0) und der Viskosität ermittelt wird.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Resonanzfrequenz (ωres) und der Viskosität ermittelt wird.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass die Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal bei Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit mit der Resonanzfrequenz (ωres) bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Phasendifferenz und der Viskosität ermittelt wird.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mindestens eine Relation zwischen der Eigenfrequenz (ω0) und der Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Relation und der Viskosität ermittelt wird.
  • Eine Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass ein Quotient aus der Eigenfrequenz (ω0) und der Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit gebildet wird, und dass die Viskosität des Mediums aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen dem Quotienten und der Viskosität ermittelt wird.
  • Die Erfindung löst die Aufgabe in einer zweiten Variante durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums, wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit ausgehend von einem Anregungssignal zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, wobei nach dem Anregen einer Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit das Abklingverhalten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit ermittelt wird, und wobei aufgrund von Änderungen des Abklingverhaltens auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird und/oder wobei aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten des Abklingverhaltens der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Viskosität des Mediums aus dem ermittelten Abklingverhalten die Viskosität ermittelt wird.
  • Den beiden erfindungsgemäßen Varianten ist gemein, dass sie jeweils das Schwingungsverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit und dessen Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums zur Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität des Mediums heranziehen. Bei der ersten Variante wird die mechanisch schwingfähige Einheit permanent zu Schwingungen angeregt und bei der zweiten Variante findet eine zeitlich begrenzte, jedoch vorzugsweise periodisch wiederkehrende Anregung statt.
  • Die oben diskutierten Ausgestaltungen bezüglich der Überwachung bzw. Messung und Verarbeitung der Störgrößen gelten entsprechend auch für die zweite Variante.
  • Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, und mit mindestens einer Auswerteeinheit, welche die mechanisch schwingfähige Einheit mit einem Anregungssignal beaufschlagt und von der mechanisch schwingfähigen Einheit ein Empfangssignal empfängt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit derartig ausgestaltet ist, dass die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit im Wesentlich unabhängig von der Dichte und/oder von einer Änderung der Dichte des Mediums sind. Die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit sind somit im Wesentlichen unabhängig von der Dichte des Mediums, so dass dieser Störgröße bei der Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität im Wesentlichen keine Auswirkungen hat. Die mechanisch schwingfähige Einheit ist somit strömungsoptimiert bzw. auf die Viskositätsmessung bzw. auf die Vermeidung der Effekte der Dichte hin optimiert.
  • Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mindestens eine Membran und zwei Gabelzinken aufweist, wobei die Gabelzinken im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sind. Auf einer Membran sind somit zumindest zwei Zylinder oder Röhren angebracht. Der Querschnitt der Gabelzinken ist dabei kreisförmig, in Form eines Ovals oder elliptisch.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1: schematische Darstellung einer Messung mit einer Schwinggabel,
  • 2: Abhängigkeit der Eigenfrequenz von der Viskosität des Mediums bei konstanter Dichte des Mediums,
  • 3: Abhängigkeit der Veränderung der Eigenfrequenz von der Viskosität des Mediums bei konstanter Dichte des Mediums,
  • 4: Abhängigkeit der Veränderung der Resonanzfrequenz von der Viskosität des Mediums bei konstanter Dichte des Mediums,
  • 5: schematische Darstellung einer Variante der mechanisch schwingfähigen Einheit,
  • 6: Abhängigkeit der Phase des Empfangssignals relativ zum Anregungssignal bei der Resonanzfrequenz von der Viskosität des Mediums bei konstanter Dichte des Mediums,
  • 7: Abhängigkeit des Quotienten aus Resonanz- und Eigenfrequenz von der Viskosität des Mediums,
  • 8: Abhängigkeit der Amplitude beim Abklingverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit bei konstanter Dichte des Mediums, und
  • 9: Abhängigkeit des lehrschen Dämpfungsmaßes von der Viskosität.
  • In der 1 ist das prinzipielle Messverfahren mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 1 dargestellt. Bei der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 handelt es sich in diesem Beispiel um eine so genannte Schwinggabel. Alternative Ausgestaltungen sind Membranschwinger oder so genannte Einstäbe. Bei der hier dargestellten Schwinggabel besteht die mechanisch schwingfähige Einheit 1 aus zwei Gabelzinken, welche an einer Membran befestigt sind.
  • Auf der Innenseite der Membran befindet sich eine – hier nicht dargestellte – Antriebs-/Empfangseinheit, bei welcher es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handelt. Die Antriebs-/Empfangseinheit wandelt beispielsweise eine elektrische Wechselspannung als Anregungssignal in mechanische Bewegungen der Membran und dadurch der Gabelzinken und somit der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 als Ganzes um. Umgekehrt dient die Antriebs-/Empfangseinheit auch der Übertragung der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 in ein elektrisches Signal, bei welchem es sich hier ebenfalls um eine elektrische Wechselspannung handelt. Dieses Signal ist somit das Empfangssignal.
  • Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist derartig an der Wandung des Behälters 3 angebracht, dass sie bei einem bestimmten Füllstand des Mediums 2 in Kontakt mit diesem kommt bzw. die mechanisch schwingfähige Einheit 1 wird bei einem entsprechenden Füllstand des Mediums 2 zu einem gewissen Grad von dem Medium 2 bedeckt. In einer Ausgestaltung ist die mechanisch schwingfähige Einheit 1 vollständig von dem Medium 2 bedeckt. Bei dem Medium 2 handelt es sich hierbei insbesondere um Flüssigkeiten.
  • Aus den Kenngrößen der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1, wie speziellen Frequenzen, Amplitude oder Phasenlage des Empfangssignals relativ zum Anregungssignal, ggf. in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz, lassen sich Prozessgrößen des Mediums 2 bestimmen bzw. lassen sich Änderungen dieser Prozessgrößen überwachen. So lässt sich beispielsweise der Füllstand dadurch überwachen, dass die Frequenz bzw. die Amplitude herabgesetzt werden, wenn die mechanisch schwingfähige Einheit 1 mit dem Medium 2 in direkten Kontakt kommt bzw. umgekehrt kann aus einer Erhöhung der Amplitude bzw. der Frequenz darauf geschlossen werden, dass das Medium 2 einen Füllstand unterhalb der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 innehat.
  • Für die Bestimmung bzw. Überwachung solcher Prozessgrößen wie Viskosität oder Dichte des Mediums 2 wird in den meisten Fällen ein bestimmter Füllstand des Mediums 2, d. h. ein bestimmter Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 durch das Medium 2 vorausgesetzt.
  • Die Ansteuerung der mechanisch schwingfähigen Einheit bzw. die Auswertung der Messsignale wird hier von einer Auswerteeinheit 4 vorgenommen. In dieser Auswerteeinheit 4 sind beispielsweise auch in Form von Tabellen, ausgesuchten Wertepaaren oder in Form von funktionellen Zusammenhängen die Abhängigkeiten der zu messenden bzw. zu überwachenden Größen der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit von der Viskosität hinterlegt.
  • Da Dichte und Füllstand bzw. Bedeckungsgrad bei der Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität Störgrößen sind, werden diese beispielsweise durch die Rahmenbedingungen der Messung konstant gehalten oder es wird beispielsweise durch zusätzliche Messgeräte eine Messung bzw. Überwachung der Störgrößen vorgenommen. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Dichte des Mediums durch die gleiche mechanisch schwingfähige Einheit wie für die Viskosität gemessen, indem eine Phase zwischen dem Anregungs- und dem Empfangssignal eingestellt wird, bei welcher die Schwingungen im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität bzw. einer Änderung der Viskosität sind. D. h. mit einem Messgerät werden Dichte und Viskosität gemessen. Bei der Konstanthaltung der Störgrößen reicht das Wissen um die Abhängigkeit einer Kenngröße bzw. mehrere Kenngrößen der Schwingungen von der Viskosität des Mediums aus, um Aussagen über die Viskosität zu tätigen. Ändern sich die Störgrößen und werden die Störgrößen gemessen, so ist das Wissen um diese somit mehrdimensionale Abhängigkeit erforderlich bzw. müssen in der Auswerteeinheit 4 die Daten passend hinterlegt bzw. abgespeichert sein.
  • 2 zeigt das viskositätsabhängige Verhalten der Eigenfrequenz ω0 der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit. Dargestellt ist die Abhängigkeit der Phase der Schwingungen des Empfangssignals relativ zum Anregungssignal in Abhängigkeit von der Frequenz der Schwingungen bei bekannter bzw. fester Dichte des Mediums. Die Eigenfrequenz ω0 ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass es sich um die Schwingungsfrequenz handelt, bei welcher eine Phasenlage der Schwingungen und somit des Empfangssignals zum Anregungssignal von 90° gegeben ist. Diese Phase von 90° ist in der Abbildung durch die horizontale, strich-gepunktete Linie gekennzeichnet. D. h. aus dem Schnittpunkt der Geraden mit der Kurve ergibt sich die bei der jeweiligen Viskosität des Mediums vorliegende Eigenfrequenz ω0. Die einzelnen Kurven gehören dabei zu Medien mit gleicher Dichte, aber unterschiedlicher Viskosität.
  • Wie deutlich zu erkennen, ist in Abhängigkeit von der Viskosität jeweils eine deutlich andere Eigenfrequenz ω0 gegeben. Somit ist es möglich, ausgehend von der Eigenfrequenz ω0 bei bekannter Dichte auf die Viskosität zurück zu schließen. In dem Fall, dass nur eine Veränderung der Viskosität erkannt werden soll, reicht es bereits aus, eine Änderung der Eigenfrequenz ω0 bei unveränderter Dichte bzw. unverändertem Bedeckungsgrad bzw. sonst allgemein konstant gehaltenen Prozessbedingungen zu detektieren.
  • Die Eigenfrequenz ω0 wird dabei dergestalt bestimmt, dass ein Frequenzbereich durchgefahren wird und dass die Phasen ausgewertet werden. Die Frequenz, bei welcher eine Phasendifferenz von 90° auftritt, ist somit die Eigenfrequenz ω0. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Phasendifferenz von 90° einzustellen und die Frequenz, welche damit einhergeht zu messen. Dies ist dann die Eigenfrequenz ω0.
  • In der 3 ist noch mal detailliert die Abhängigkeit der Änderung der Eigenfrequenz ω0 von der dynamischen Viskosität des Mediums dargestellt.
  • Die dynamische Viskosität beschreibt dabei das viskose Verhalten des Mediums ohne Berücksichtigung der Dichte des Mediums. Mit der Betrachtung der Dichte würde sich die kinematische Viskosität ergeben. Die Frequenzen der 3 sind dabei relativ zu der Eigenfrequenz einer beispielsweise in der 1 gezeigten mechanisch schwingfähigen Einheit bei Schwingungen in Wasser (Dichte = 1 und Viskosität = 1) angegeben.
  • Die Eigenfrequenz ω0 und die Resonanzfrequenz ωres der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit sind über die Dämpfung D miteinander verbunden: ωres = ω0·√1 – 2·D²
  • Bei der Resonanzfrequenz ωres handelt es sich um diejenige Frequenz, bei welcher die Amplitude der Schwingungen ihr lokales Maximum hat. In dem Falle, dass keine Dämpfung gegeben ist, bzw. dass die Dämpfung vernachlässigbar ist, fallen die Resonanzfrequenz ωres und die Eigenfrequenz ω0 zusammen.
  • Betrachtet man ein nahezu dichteunempfindliches Schwingsystem (vgl. 5), so kann die Eigenfrequenz ω0 als konstant angenommen werden und es wird allein die Dämpfungswirkung der Viskosität auf das Schwingsystem der mechanisch schwingfähigen Einheit durch die Auswertung der Frequenz gemessen.
  • Die 4 zeigt die Abhängigkeit der Änderung der Resonanzfrequenz ωres von der dynamischen Viskosität η bei konstanter Dichte ρ des Mediums. Die Resonanzfrequenz ωres wird dabei derartig gemessen, dass ein bestimmtes Frequenzband durchgefahren wird, und dass die Amplitude ausgewertet wird. Somit erlaubt auch die Resonanzfrequenz ωres die Überwachung bzw. bei passend hinterlegten Werten bzw. Abhängigkeiten die Ermittlung der Viskosität.
  • In der 5 ist eine weitere Ausgestaltung der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 dargestellt, bei welcher die beiden Gabelzinken Rundstäbe sind. Vorteilhaft an diesen Rundstäben ist, dass die Schwingungen nahezu unabhängig von der Dichte des Mediums sind. In dem Fall, dass bei der Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität eine Geometrie der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 verwendet wird, welche dazu führt, dass diese Einheit 1 bzw. deren Schwingungen dichteabhängig sind, muss entweder vorausgesetzt werden, dass die Dichte innerhalb eines gewissen Bereiches konstant bleibt bzw. die Abhängigkeit der Schwingungen von der Dichte muss vorher bekannt sein. Die Membrane ist hier kreisförmig und auch die Gabelzinken weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf.
  • Da sich die Resonanzfrequenz ωres und die Eigenfrequenz ω0 des Schwingsystems in dem Fall voneinander unterscheiden, dass die Einflüsse durch Viskosität und Dichte nicht vernachlässigbar sind, ergeben sich bei der Resonanzfrequenz ωres Phasenbeziehungen zwischen dem Anrege- und dem Empfangssignal ungleich 90°. Es lässt sich beobachten, dass die Phasendifferenz bei der Resonanzfrequenz ωres mit zunehmender Viskosität sinkt. Diese Abhängigkeit bzw. dieser Zusammenhang erlaubt somit auch eine messtechnische Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität. Die Dichte ist dabei eine Störgröße.
  • Die 6 zeigt einen solchen Zusammenhang zwischen dem Phasenwinkel bei der Resonanzfrequenz ωres und der dynamischen Viskosität des Mediums. Zu sehen ist, dass in dem Fall einer Viskosität des Mediums von Null der Phasenwinkel 90° beträgt. Wird somit bei bekannter oder konstanter Dichte und bei bekanntem bzw. konstantem Bedeckungsgrad bei Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit mit der Resonanzfrequenz ωres die Phase zwischen dem Empfangssignal und dem Anregesignal bestimmt, so kann daraus auf eine Änderung der Viskosität oder auf das Maß der Viskosität selbst geschlossen werden.
  • In der 7 ist das Verhältnis zwischen Resonanz- ωres und Eigenfrequenz ω0 der mechanisch schwingfähigen Einheit als Funktion der Viskosität dargestellt. Wird von der mechanisch schwingfähigen Einheit sowohl die Resonanz- ωres als auch die Eigenfrequenz ω0 bestimmt, so können diese beiden gemessenen Werte zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Wie der 7 zu entnehmen, erlaubt auch die Auswertung dieses Quotienten die Überwachung bzw. Bestimmung der Viskosität des Mediums.
  • Die in den vorhergehenden Abbildungen beschriebenen Verfahren zur Bestimmung bzw. Überwachung der Viskosität setzen jeweils voraus, dass zumindest eine Frequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit bzw. allgemein des Schwingungssystems bestimmt bzw. überwacht wird und dass die Abhängigkeit der jeweiligen Frequenz bzw. der damit einhergehenden Phase von der Viskosität verwendet wird. In den folgenden Abbildungen wird ein weiteres Verfahren, nämlich die zweite Variante vorgestellt, bei welcher die Abhängigkeit des Schwingverhaltens des Schwingungssystems von der Viskosität auf eine andere Art und Weise ausgenutzt wird. Bei den vorhergegangenen Verfahren wird vorausgesetzt, dass das Schwingungssystem ständig zu Schwingungen angeregt wird und dass somit kontinuierlich Schwingungsparameter ausgewertet wird.
  • 8 zeigt das Abklingverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit in unterschiedlichen Medien. Die schwingfähige Einheit wird dabei zu Schwingungen angeregt und die Abnahme der Amplitude nach der einmaligen Anregung wird über die Zeit aufgetragen und ausgewertet. Wie zu erkennen, verhalten sich die Kurven abhängig davon, welche Viskosität das Medium hat. Dabei ist zu erkennen, dass mit zunehmender Viskosität, d. h. mit zunehmender Dämpfung auch das Abklingverhalten schneller stattfindet, so dass in einem hochviskosen Medium die Schwingungen schneller gegen Null gehen als in einem niederviskosen Medium. Alternativ zum Abklingverhalten des Schwingungssystems lässt sich auch das Einschwingverhalten auswerten.
  • Zur Ermittlung des Abkling- bzw. des Einschwingverhaltens des Schwingungssystems sollte das System vorzugsweise in Resonanz betrieben werden, um eine möglichst hohe Amplitude und somit eine gute Auswertung zu ermöglichen. Die Erregung des in Resonanz betriebenen Schwingungssystems wird dabei zur Aufnahme bzw. Messung des Abklingverhaltens ausgeschaltet, was sich beispielsweise durch eine Sprungfunktion beschreiben lässt: (1 – σ(t))·A·sin(ω·t)
  • Die Abklingkurven der Amplituden A(t) lassen sich dabei beispielsweise durch eine Exponentialfunktion der folgenden Form beschreiben:
    Figure 00150001
  • Solche Kurven zeigt die 8, bei denen jeweils die Dichte des Mediums gleich bleibt. Die Amplitude ist jeweils prozentual bezogen auf den zuerst gemessenen Amplitudenwert.
  • Zur Bestimmung der Zeitkonstanten δ wird die Zeit ermittelt, bei der die Amplitude auf ca. 36,8%, entspricht 1/e abgefallen ist. In der 8 ist dabei dieser Schwellenwert durch eine dickere Gerade dargestellt. Es ist zu erkennen, dass mit sinkender Viskosität die Messung bzw. Bestimmung der Abklingzeit und somit die Bestimmung der Abklingkonstante δ immer genauer erfolgen kann, da zum einen höhere Amplituden der Schwingungen erwartet werden können und da zum anderen die Abklingzeiten immer größer werden und somit genauer bestimmbar sind.
  • Im Anschluss an die Bestimmungen der Abklingzeitkonstanten δ sieht eine Auswertemöglichkeit vor, diese Konstante δ auf die jeweilige Eigenfrequenz ω0 des Schwingungssystems zu normieren, um so dass sog. lehrsche Dämpfungsmaß zu erhalten. Dieses lehrsche Dämpfungsmaß ist definiert über:
    Figure 00160001
  • In der 9 ist die Viskositätsabhängigkeit des lehrschen Dämpfungsmaßes dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass aufgrund des Abklingverhaltens in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz ω0 die Bestimmung der Viskosität möglich ist. Somit wird zum einen die Eigenfrequenz ω0 und zum anderen die Zeitkonstante des Abklingverhaltens bestimmt und beide Größen werden zum lehrschen Dämpfungsmaß verrechnet, wobei der aktuelle bzw. gemessene Wert über den Vergleich mit passend hinterlegten Daten die Bestimmung der Viskosität des Mediums erlaubt.
    • 1
    Mechanisch schwingfähige Einheit
    2
    Medium
    3
    Behälter
    4
    Auswerteeinheit
    5
    Membran
    6
    Gabelzinken
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10050299 [0002]

Claims (16)

  1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums (2), wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) ausgehend von einem Anregungssignal zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) mechanische Schwingungen empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, wobei die Eigenfrequenz (ω0) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) und/oder die Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) und/oder die Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal bestimmt und/oder überwacht wird, und wobei aufgrund von Änderungen der Eigenfrequenz (ω0) und/oder aufgrund von Änderungen der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder aufgrund von Änderungen der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird und/oder wobei aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) von der Viskosität des Mediums aus der Eigenfrequenz (ω0) und/oder der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal die Viskosität ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Störgrößen, welche zusätzlich zur Viskosität des Mediums (2) mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) beeinflussen, im Wesentlichen konstant gehalten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Störgrößen, welche zusätzlich zur Viskosität des Mediums (2) mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) beeinflussen, ermittelt werden, und dass die Auswirkung der Störgröße und/oder einer Änderung der Störgröße auf mindestens eine Kenngröße bei der Bestimmung und/oder Überwachung der Viskosität des Mediums (2) berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) durch das Medium (2) bestimmt und/oder überwacht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Mediums (2) bestimmt und/oder überwacht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) und ausgehend von der Dichte des Mediums (2) aufgrund von Änderungen der Eigenfrequenz (ω0) und/oder aufgrund von Änderungen der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder aufgrund von Änderungen der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom Bedeckungsgrad der mechanisch schwingfähigen Einheit und ausgehend von der Dichte des Mediums aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) von der Viskosität des Mediums aus der Eigenfrequenz (ω0) und/oder der Resonanzfrequenz (ωres) und/oder der Phasenlage zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal die Viskosität ermittelt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) verwendet wird, deren Schwingungen im Wesentlichen unabhängig von der Dichte des Mediums sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz (ω0) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums (2) aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Eigenfrequenz (ω0) und der Viskosität ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums (2) aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Resonanzfrequenz (ωres) und der Viskosität ermittelt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz zwischen dem Anregungssignal und dem Empfangssignal bei Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) mit der Resonanzfrequenz (ωres) bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums (2) aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Phasendifferenz und der Viskosität ermittelt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Relation zwischen der Eigenfrequenz (ω0) und der Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) bestimmt wird, und dass die Viskosität des Mediums (2) aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen der Relation und der Viskosität ermittelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus der Eigenfrequenz (ω0) und der Resonanzfrequenz (ωres) der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) gebildet wird, und dass die Viskosität des Mediums (2) aufgrund mindestens eines hinterlegten Zusammenhanges zwischen dem Quotienten und der Viskosität ermittelt wird.
  14. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums (2), wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) ausgehend von einem Anregungssignal zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) mechanische Schwingungen empfangen und in ein Empfangssignal umgewandelt werden, wobei nach dem Anregen einer Schwingung der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) das Abklingverhalten der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) ermittelt wird, und wobei aufgrund von Änderungen des Abklingverhaltens auf eine Änderung der Viskosität geschlossen wird und/oder wobei aufgrund entsprechend hinterlegter Abhängigkeiten des Abklingverhaltens der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) von der Viskosität des Mediums aus dem ermittelten Abklingverhalten die Viskosität ermittelt wird.
  15. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens der Viskosität eines Mediums (2), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), und mit mindestens einer Auswerteeinheit (4), welche die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mit einem Anregungssignal beaufschlagt und von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) ein Empfangssignal empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) derartig ausgestaltet ist, dass die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) im Wesentlich unabhängig von der Dichte und/oder von einer Änderung der Dichte des Mediums (2) sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) mindestens eine Membran (5) und zwei Gabelzinken (6) aufweist, wobei die Gabelzinken (6) im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sind.
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