DE102008050326A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, mit einer ersten und einer zweiten Sensoreinheit (2), wobei die Sensoreinheiten (1, 2) jeweils eine mechanisch schwingfähige Einheit (11, 21) und eine Wandlereinheit (12, 22) aufweisen, wobei die Wandlereinheiten (12, 22) mechanische Schwingungen in elektrische Signale und elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandeln, und mit einer Steuereinheit (3), die während einer Testphase die erste Sensoreinheit (1) aktiv und die zweite Sensoreinheit (2) passiv betreibt, wobei im aktiven Betrieb die Wandlereinheit (12) mit einem elektrischen Signal beaufschlagt ist und die Wandlereinheit (12) die mechanisch schwingfähige Einheit (11) zu Schwingungen anregt, und wobei im passiven Betrieb die Wandlereinheit (22) frei von der Beaufschlagung mit einem elektrischen Signal ist und die Wandlereinheit (22) von der mechanisch schwingfähigen Einheit (21) mechanische Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und wobei die Steuereinheit (3) das Empfangssignal auswertet und/oder verarbeitet.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Bei dem Medium handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit.
- Im Stand der Technik sind zur Bestimmung des Füllstands und weiterer Prozessgrößen eines Mediums so genannte Schwinggabeln (z. B.
EP 0 444 173 B1 ), Einstäbe (z. B.WO 2004/094964 A1 EP 1 325 301 ). - Zur Anregung der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheiten werden oft piezoelektrische Elemente verwendet, welche umgekehrt auch die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandeln. Weiterhin ist für bestimmte Anwendungen auch eine elektromagnetische Anregung der schwingfähigen Einheit möglich.
- Im Stand der Technik gibt es Ansätze, die Sensoreinheiten einer Selbstüberwachung zu unterziehen, d. h. zu testen, ob der Sensor bzw. einzelne Bestandteile des Sensors in Ordnung sind. Eine Problematik besteht dabei darin, dass insbesondere die Funktionsfähigkeit der schwingfähigen Einheit, d. h. dem Bestandteil, welches mit dem Medium in Kontakt tritt und somit den größten Belastungen ausgesetzt ist, in den bekannten Messverfahren nicht überprüft wird.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überprüfung eines auf der Vibronik beruhenden Sensors zu ermöglichen, bei welcher insbesondere auch die mechanisch schwingfähige Einheit überprüft wird.
- Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer ersten Sensoreinheit und einer zweiten Sensoreinheit, wobei die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit jeweils eine mechanisch schwingfähige Einheit und jeweils eine mit der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheit gekoppelte Wandlereinheit aufweisen, wobei die Wandlereinheiten mechanische Schwingungen in elektrische Signale und elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandeln, und mit mindestens einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mindestens während einer Testphase die erste Sensoreinheit aktiv und die zweite Sensoreinheit passiv betreibt, wobei im aktiven Betrieb die Wandlereinheit der aktiv betriebenen Sensoreinheit mit einem elektrischen Signal beaufschlagt ist und die Wandlereinheit ausgehend von dem elektrischen Signal die mit der Wandlereinheit gekoppelte mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei im passiven Betrieb die Wandlereinheit der passiv betriebenen Sensoreinheit frei von der Beaufschlagung mit einem elektrischen Signal ist und die Wandlereinheit von der mit der Wandlereinheit gekoppelten mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und wobei die Steuereinheit das Empfangssignal auswertet und/oder verarbeitet.
- Durch die Anordnung zweier Sensoreinheiten wird somit insbesondere durch die Übertragung der akustischen Wellen insbesondere durch ein flüssiges Medium, aber auch durch ein Gasmedium die jeweilige Sensorik überprüft. Dafür wird beispielsweise im stetigen Wechsel zuerst eine Sensoreinheit als aktiver Sensor und die andere Sensoreinheit als passives Glied betrieben. Bei gültiger Frequenztransformation über das Medium bzw. über die Luft, d. h. im Falle der Abwesenheit des Mediums, ist somit eine Aussage über die Funktion des Gesamtsystems möglich. Das Medium ist vorzugsweise eine Flüssigkeit.
- Umgekehrt lässt sich somit auch formulieren, dass eine Sensoreinheit überprüft wird, indem eine zweite Sensoreinheit entweder als Sender der Schwingungen dient und die zu überprüfende Sensoreinheit diese Schwingungen empfängt oder indem in einer zweiten Variante die zweite Sensoreinheit als reiner Empfänger der Schwingungen der zu überprüfenden Sensoreinheit dient. Es wird somit ausgenutzt, dass ein Sensor sendet und der andere Sensor nur die erzeugten Schwingungen empfängt und selbst nicht Schwingungen aktiv erzeugt. In einer Ausgestaltung wechseln die beiden Sensoreinheiten sich in diesen Aufgaben bzw. Rollen ab.
- Durch die doppelte Auslegung erhöht sich als Vorteil auch die Verfügbarkeit, da in dem Fall, dass ein Sensor ausfällt, das System mit dem zweiten Sensor weiterhin betrieben werden kann. Zudem wird dem Anwender der Revisionsbedarf gemeldet.
- Die Überwachung bis in die mechanisch schwingfähige Einheit hinein erlaubt somit Korrosionsüberwachung und eventuell Ansatzüberwachung.
- Weiterhin kann auch aus den Schwingungen der beiden Sensoreinheiten bzw. aus den damit verbundenen elektrischen Signalen ein Maß für die Dämpfung des Mediums und damit ggf. auch eine Aussage über mindestens eine Eigenschaft des Mediums gewonnen werden.
- In einer Ausgestaltung sind die beiden Sensoreinheiten im Wesentlichen identisch ausgestaltet. In einer Ausgestaltung basieren beide Sensoreinheiten auf dem Vibronikprinzip und weisen beide Sensoreinheiten die gleiche Resonanzfrequenz auf. In einer alternativen Ausgestaltung sind die beiden Sensoreinheiten unterschiedlich ausgestaltet, wobei beispielsweise eine Sensoreinheit ein Drucksensor ist. Beispielsweise lassen sich jedoch auch unterschiedliche Ausgestaltungen der schwingfähigen Einheit der auf der Vibronik beruhenden Sensoreinheiten kombinieren, d. h. z. B. eine Schwinggabel und eine schwingfähige Membran oder ein Einstab. Es sollte nur darauf geachtet werden, dass die Schwingungsfrequenzen bzw. die Resonanzfrequenzen zueinander passen, d. h. dass die Sensoreinheiten sich auch gegenseitig „hören” können.
- In einer weiteren Ausgestaltung wird die aktiv betriebene Sensoreinheit zu unterschiedlichen Schwingungsmoden angeregt.
- In einer Ausgestaltung schwingt die aktiv betriebene Sensoreinheit mit einer solchen Phase, dass sich ein Maximum der Schwingungsamplitude bei der passiv betriebenen Sensoreinheit ergibt.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit während der Testphase die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit alternierend aktiv und passiv betreibt. D. h. in dieser Ausgestaltung wechseln sich die Sensoreinheiten im aktiven bzw. passiven Betrieb ab und erlauben somit eine gegenseitige Überprüfung. Es kommt somit alternierend zu einem Rollentausch.
- Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Steuereinheit bei einem Abweichen des Empfangsignals von mindestens einem vorgebbaren Sollwert ein Alarmsignal erzeugt.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit insbesondere eine akustische Übertragung von mechanischen Schwingungen insbesondere durch das Medium stattfindet. In einer Ausgestaltung werden die Sensoreinheiten an unterschiedlichen Positionen angebracht, bis eine maximale Empfangsamplitude an der passiv betriebenen Sensoreinheit ermittelt wurde. Insbesondere sollte eine solche Ausrichtung vorgenommen werden, dass der Schall der aktiven Sensoreinheit auf die größtmögliche Angriffsfläche der passiven Sensoreinheit ausgerichtet ist.
- Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass die Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit im Wesentlichen über akustische Wellen im Medium stattfindet.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steuereinheit die Frequenz des Empfangssignals der passiv betriebenen Sensoreinheit relativ zur Frequenz der Schwingungen der aktiv betriebenen Sensoreinheit auswertet. Die beiden Frequenzen werden beispielsweise in Hinsicht auf Plausibilität ausgewertet, so dass ggf. auch eine Aussage für das Predictive Maintenance möglich ist.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit eine Membran oder ein Einstab oder eine Schwinggabel oder ein Rohr ist.
- Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Wandlereinheit mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist.
- Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Medium in einem Behälter oder in einem Rohr befindlich ist.
- Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums handelt.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine erste Anordnung von zwei Sensoreinheiten in Form von Schwinggabeln, -
2 : eine zweite Anordnung von zwei Sensoreinheiten in Form von Schwinggabeln, -
3 : eine Anordnung von zwei Membranschwingern, -
4 : eine dritte Anordnung von zwei Sensoreinheiten in Form von Schwinggabeln, und -
5 : eine vierte Anordnung von zwei Sensoreinheiten in Form von Schwinggabeln auf einem Flansch. - Die
1 zeigt zwei Sensoreinheiten1 ,2 , bei welchen die mechanisch schwingfähige Einheit11 ,21 jeweils eine sog. Schwinggabel ist, bei welcher zwei Gabelzinken auf einer Membran aufgebracht sind. Mechanisch mit der schwingfähigen Einheit11 ,21 gekoppelt ist jeweils eine Wandlereinheit12 ,22 . Dabei handelt es sich beispielsweise jeweils um ein oder mehrere piezoelektrische Elemente. Diese Wandlereinheiten12 ,22 vermitteln jeweils zwischen elektrischen Signalen – sog. Anregungssignalen – und den mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheiten11 ,21 . Sie werden entweder mit dem Anregungssignal beaufschlagt und erzeugen damit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit11 ,21 oder sie empfangen die mechanischen Schwingungen und wandeln diese in Empfangssignale um. Bei den elektrischen Signalen handelt es sich insbesondere um elektrische Wechselstromsignale. - Die beiden Sensoreinheiten
1 ,2 sind hier im Wesentlichen auf der gleichen Höhe eines Rohres4 angeordnet, in welchem sich ein – hier nicht dargestelltes – Medium befindet. Die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheiten11 ,21 sind abhängig von der Wechselwirkung mit dem Medium, so dass aus den Empfangssignalen auf die Prozessgrößen des Mediums, z. B. Füllstand, Dichte oder Viskosität geschlossen werden kann. - Zur einfachen Übertragung der mechanischen Schwingungen zwischen den beiden Sensoreinheiten
1 ,2 sind diese hier derartig ausgestaltet, dass zwei Gabelzinken derartig nebeneinander angeordnet sind, dass die Gabeln sich teilweise umgreifen. - Eine Steuereinheit
3 ist hier als zusätzliche externe Einheit vorgesehen. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Steuereinheit3 ein Bestandteil einer der beiden Sensoreinheiten1 ,2 . Hier sind zudem die Sensoreinheiten1 ,2 und die Steuereinheit3 über Leitungen verbunden. Dies kann jedoch auch kabellos oder über ein in den beiden Sensoreinheit1 ,2 vorgesehenes identisches und entsprechend getaktetes Ablaufprotokoll erfolgen. - Die Steuereinheit
3 ist derartig ausgestaltet, dass sie zumindest während einer Testphase einen Sensor aktiv und den anderen Sensor passiv betreibt. In der Testphase wird somit beispielsweise die erste Sensoreinheit1 wie im Rahmen einer normalen Messung betrieben, d. h. die Wandlereinheit12 wird mit einem Anregungssignal beaufschlagt und davon ausgehend schwingt die mechanisch schwingfähige Einheit11 der ersten Sensoreinheit. Der aktive Betrieb kann somit identisch sein mit dem normalen Betrieb oder auch z. B. in Bezug auf das Anregungssignal unterschiedlich sein, weil beispielsweise eine andere Anregungsfrequenz, eine andere Phase oder eine andere Schwingungsmode angeregt wird. - Die Schwingungen werden über das Medium oder über die Luft auf die mechanisch schwingfähige Einheit
21 der zweiten Sensoreinheit2 übertragen Diese zweite Sensoreinheit2 wird passiv betrieben, d. h. die Wandlereinheit22 wird nicht mit einem Anregungssignal beaufschlagt, sondern ist frei von einem solchen Signal. Gleichwohl wandelt die Wandlereinheit22 der zweiten Sensoreinheit2 die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit21 der zweiten Sensoreinheit2 in ein Empfangssignal um. Es werden somit die Schwingungen aufgenommen, welche von der ersten Sensoreinheit1 erzeugt und durch den Raum zwischen den beiden schwingfähigen Einheiten übertragen worden sind. Mit anderen Worten: Die zweite Sensoreinheit2 detektiert die Schwingungen der ersten Sensoreinheit1 . - Das Empfangssignal wird von der Testeinheit
3 empfangen und passend ausgewertet. Dafür ist beispielsweise ein Referenzsignal hinterlegt. Ausgehend von dem Anregungssignal für die erste Sensoreinheit1 ist ein zugehöriges Empfangssignal in der zweiten Sensoreinheit2 zu erwarten. Weicht das Signal jedoch davon ab, so muss bei einem der beiden Sensoreinheiten1 ,2 ein Fehler vorliegen. Andere Auswertungen der Signale, z. B. auch in Hinsicht auf Eigenschaften des Mediums sind ebenfalls möglich. - Dieser aktive bzw. passive Betrieb wird in einer weiteren Ausgestaltung umgekehrt und mehrfach wiederholt. D. h. die beiden Sensoreinheiten werden abwechseln bzw. gegenseitig überprüft.
- In der
2 ist eine andere Anordnung zu sehen, in welcher eine Gabel einen größeren Abstand zwischen den Gabelzinken als die andere Sensoreinheit aufweist. Dies ermöglicht es, dass eine Gabel die andere vollständig umfasst. Auch hier sind die beiden Sensoreinheit im Rohr4 im Wesentlichen auf der gleichen Höhe (d. h. in Richtung der Senkrechten auf dem hier dargestellten Schnitt) angeordnet. - Die
3 zeigt zwei sog. Membranschwinger, d. h. die mechanisch schwingfähige Einheit besteht jeweils nur aus einer Membran. Auch diese Sensoren sind im Wesentlichen auf gleicher Höhe im Rohr4 angebracht. - In den drei gezeigten Ausgestaltungen sind die beiden Sensoreinheiten jeweils vom gleichen Typus. Es lassen sich jedoch auch unterschiedliche Arten miteinander kombinieren, z. B. Membranschwinger mit Schwinggabeln oder Einstäben.
- Die
4 zeigt eine Anordnung der Sensoren1 ,2 auf Stimmgabelbasis in einer Rohrleitung4 . Dabei stehen die beiden Sensoreinheiten1 ,2 in Reihe mit einem Abstand von etwa weniger als drei Spatenbreiten der Sensoren hintereinander. Der Abstand zwischen beiden Sensoreinheiten1 ,2 sollte im Wesentlichen nicht größer sein, da ansonst die akustischen Anregungswellen der aktiv betriebenen Sensoreinheit zu schwach werden kann, um die passiv betriebene Sensoreinheit, d. h. die Empfangseinheit sicher anzuregen. In der4 sind beide Sensoreinheiten auf einander gegenüber liegenden Seiten des Rohres4 installiert. Alternativ können beide Sensoreinheiten1 ,2 auch auf einer Seite befestigt werden. Die letztere Anordnung der Sensoren erlaubt auch die Anwendung der Erfindung in großen Behältern. - Eine mögliche Lösung für Behälter mit einem großen Abstand zwischen den Wänden zeigt die
5 . In diesem Fall sind die zwei Sensoreinheiten1 ,2 auf einem Flansch5 angeordnet. Der Abstand zwischen den beiden Spaten oder Paddeln der Sensoreinheiten1 ,2 beträgt weniger als drei Spatenbreiten der Sensoreinheiten1 ,2 . Weiterhin sind die Spaten bzw. Paddel der beiden Sensoreinheiten parallel zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass das Messsystem mit den zwei Sensoreinheiten auf dem Flansch5 auf einer Behälteröffnung installiert werden kann. Dies reduziert die Montage- und Wartungskosten des Geräts. -
- 1
- Erste Sensoreinheit
- 2
- Zweite Sensoreinheit
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Rohr
- 5
- Flansch
- 11
- Mechanisch schwingfähige Einheit der ersten Sensoreinheit
- 12
- Wandlereinheit der ersten Sensoreinheit
- 21
- Mechanisch schwingfähige Einheit der zweiten Sensoreinheit
- 22
- Wandlereinheit der zweiten Sensoreinheit
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0444173 B1 [0002]
- - WO 2004/094964 A1 [0002]
- - EP 1325301 [0002]
Claims (10)
- Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit mindestens einer ersten Sensoreinheit (
1 ) und einer zweiten Sensoreinheit (2 ), wobei die erste Sensoreinheit (1 ) und die zweite Sensoreinheit (2 ) jeweils eine mechanisch schwingfähige Einheit (11 ,21 ) und jeweils eine mit der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheit (11 ,21 ) gekoppelte Wandlereinheit (12 ,22 ) aufweisen, wobei die Wandlereinheiten (12 ,22 ) mechanische Schwingungen in elektrische Signale und elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandeln, und mit mindestens einer Steuereinheit (3 ), wobei die Steuereinheit (3 ) mindestens während einer Testphase die erste Sensoreinheit (1 ) aktiv und die zweite Sensoreinheit (2 ) passiv betreibt, wobei im aktiven Betrieb die Wandlereinheit (12 ) der aktiv betriebenen Sensoreinheit (1 ) mit einem elektrischen Signal beaufschlagt ist und die Wandlereinheit (12 ) ausgehend von dem elektrischen Signal die mit der Wandlereinheit (12 ) gekoppelte mechanisch schwingfähige Einheit (11 ) zu mechanischen Schwingungen anregt, und wobei im passiven Betrieb die Wandlereinheit (22 ) der passiv betriebenen Sensoreinheit (2 ) frei von der Beaufschlagung mit einem elektrischen Signal ist und die Wandlereinheit (22 ) von der mit der Wandlereinheit (22 ) gekoppelten mechanisch schwingfähigen Einheit (21 ) mechanische Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und wobei die Steuereinheit (3 ) das Empfangssignal auswertet und/oder verarbeitet. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
3 ) während der Testphase die erste Sensoreinheit (1 ) und die zweite Sensoreinheit (2 ) alternierend aktiv und passiv betreibt - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
3 ) bei einem Abweichen des Empfangsignals von mindestens einem vorgebbaren Sollwert ein Alarmsignal erzeugt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (
1 ) und die zweite Sensoreinheit (2 ) derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass zwischen der ersten Sensoreinheit (1 ) und der zweiten Sensoreinheit (2 ) insbesondere eine akustische Übertragung von mechanischen Schwingungen insbesondere durch das Medium stattfindet. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (
1 ) und die zweite Sensoreinheit (2 ) derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass die Übertragung von mechanischen Schwingungen zwischen der ersten Sensoreinheit (1 ) und der zweiten Sensoreinheit (2 ) im Wesentlichen über akustische Wellen im Medium stattfindet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
3 ) die Frequenz des Empfangssignals der passiv betriebenen Sensoreinheit (2 ) relativ zur Frequenz der Schwingungen der aktiv betriebenen Sensoreinheit (1 ) auswertet. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (
11 ,21 ) eine Membran oder ein Einstab oder eine Schwinggabel oder ein Rohr ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wandlereinheit mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in einem Behälter oder in einem Rohr (
4 ) befindlich ist. - Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand, die Dichte oder die Viskosität des Mediums handelt.
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