DE102008050445A1

DE102008050445A1 - Vorrichtung zum Bestimmen und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102008050445A1
Application number: DE200810050445
Authority: DE
Inventors: Sergej Dr. Lopatin; Helmut Pfeiffer; Martin Urban
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010040583A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (10), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), mit mindestens einer Antriebseinheit (2), welche, ausgehend von einem Anregungssignal, die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit (3), welche die Antriebseinheit (2) mit dem Anregungssignal beaufschlagt. Die Erfindung beinhaltet, dass die Elektronikeinheit (3) derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit (3) zumindest während einer Reinigungsphase die Antriebseinheit (2) mit einem Reinigungsanregungssignal beaufschlagt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit, mit mindestens einer Antriebseinheit, welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen anregt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit, welche die Antriebseinheit mit dem Anregungssignal beaufschlagt. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um Füllstand, Dichte oder Viskosität eines Mediums, welches beispielsweise eine Flüssigkeit oder allgemein ein Fluid ist. Das Medium befindet sich dabei beispielsweise in einem Behälter.
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 ( WO 2004/094964 A1 ) oder auch Membranschwinger bekannt. Ausgenutzt wird bei den jeweiligen Messungen, dass die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen (Schwingungsamplitude, Resonanzfrequenz, Phasengang über Frequenz) der schwingfähigen Einheit vom Kontakt mit dem Medium und auch von dessen Eigenschaften abhängen. So nimmt beispielsweise die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen ab, wenn das Medium die schwingfähige Einheit erreicht und zumindest teilweise bedeckt. Daher lässt sich aus der Abnahme der Schwingungsfrequenz bzw. der Amplitude darauf schließen, dass das Medium einen von der Ausgestaltung und der Position der Anbringung der Vorrichtung abhängigen Füllstand erreicht hat. Weiterhin ist die Schwingungsfrequenz auch beispielsweise von der Viskosität (siehe z. B. EP 1 325 301 ) und der Dichte des Mediums abhängig.
Zur Anregung der jeweiligen mechanisch schwingfähigen Einheiten werden oft piezoelektrische Elemente verwendet, welche umgekehrt auch die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandeln können. Weiterhin ist für bestimmte Anwendungen auch eine elektromagnetische Anregung der schwingfähigen Einheit möglich.
Bei Membranschwingern beschränkt sich die mechanisch schwingfähige Einheit auf eine Membran, d. h. es sind insbesondere keine Gabelzinken vorhanden. Bei Messungen in ausgasenden Medien kommt es beispielsweise durch die Ablagerung von Gasblasen auf der Membran zu Verschiebungen der Schwingungsfrequenz in Richtung der frei schwingenden Membran (bezeichnet als Luftresonanzfrequenz der Membran). Außerdem können die sich auf der Membran abgesetzten Gasblasen die schwingfähige Einheit stark dämpfen und somit die Schwingungsamplitude herabsetzen. Daher ergeben sich Messunsicherheiten z. B. bei stark ausgasenden Medien (wie beispielsweise bei Süßwasser kurz vor dem Kochen oder bei Sodawasser).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung vorzuschlagen, welche auch bei ausgasenden Flüssigkeiten eine zuverlässige Messung erlaubt.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit zumindest während einer Reinigungsphase die Antriebseinheit mit einem Reinigungsanregungssignal beaufschlagt.
Für die mechanisch schwingfähige Einheit ist somit eine Reinigungsphase vorgesehen, in welcher von ihr insbesondere Gasblasen des Mediums, welche sich auf der mechanisch schwingfähigen Einheit gebildet haben, abgelöst werden. In der normalen Messphase wird die mechanisch schwingfähige Einheit von der Antriebseinheit ausgehend von einem Anregungssignal zu mechanischen Schwingungen angeregt. Eine Empfangseinheit, die in einer Ausgestaltung eine Einheit mit der Antriebseinheit bildet oder in einer weiteren Ausgestaltung mit der Antriebseinheit identisch ist, empfängt die mechanischen Schwingungen und erzeugt ein Empfangssignal, dessen Kenngrößen – Amplitude, Frequenz, Phase relativ zum Anregungssignal – eine Aussage über die Prozessgröße erlauben. Das Anregungssignal weist dafür während der Messphase eine Messfrequenz und eine Messamplitude auf. Die Amplitude richtet sich beispielsweise danach, mit welcher Energie das Gerät betrieben wird. Die Frequenz ist zumeist die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Amplitude des Reinigungsanregungssignals im Wesentlichen gleich einer Amplitude des Anregungssignals während einer Messphase ist. Die Reinigungsamplitude ist somit im Wesentlichen gleich der Messamplitude, d. h. in beiden Fällen wird die gleiche Anregungsenergie in Bezug auf die Amplitude verwendet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Amplitude des Reinigungsanregungssignals größer ist als eine Amplitude des Anregungssignals während einer Messphase. Während der Reinigungsphase wird die mechanisch schwingfähige Einheit somit in dieser Ausgestaltung mit einem Reinigungsanregungssignal beaufschlagt, dessen Amplitude oberhalb der Messamplitude liegt. Wird die Antriebseinheit der mechanisch schwingfähigen Einheit mit einer hohen Spannungen angeregt, d. h. wird die Amplitude erhöht, so nehmen die mechanischen Bewegungen der mechanisch schwingfähigen Einheit, bei welcher es sich in einer Ausgestaltung um eine Membran handelt, stark zu. Durch eine entsprechende Wahl der Anregungsfrequenz während der Reinigungsphase ist es möglich, die Gasblasen zu Schwingungen anzuregen. Somit ist beispielsweise die Resonanzfrequenz der Gasblasen vorteilhafterweise als Frequenz der Reinigungsanregungssignale zu verwenden. Übersteigen die Schwingungskräfte die Haltungskräfte, über welche die Gasblasen beispielsweise an der Membran anhaften, so lösen sich die Blasen von der Oberfläche des Messgerätes ab und steigen auf. Weiterhin lässt sich mit einer ausreichenden Energie Kavitation im Medium erzeugen, welche die Gasblasen zerstören und somit die Sensorfläche ebenfalls bereinigen. Insgesamt lässt sich insbesondere in den in Bezug auf die Schwingungen aktiven Bereichen der Membran eine Befreiung von Gasblasen erzeugen. Bei den aktiven Bereichen handelt es sich um die mechanisch am stärksten aus gelenkten Regionen der Membran. Diese aktiven Bereiche sind dabei u. a. abhängig von der Schwingungsmode des Membranschwingers.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Frequenz des Reinigungsanregungssignals im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz zumindest eines Teiles von im Medium sich bildenden und/oder befindlichen Gasblasen ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit derartig ausgestaltet ist, dass die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz zumindest eines Teiles von im Medium sich bildenden und/oder befindlichen Gasblasen ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit zumindest während der Reinigungsphase die Frequenz des Reinigungsanregungssignals innerhalb eines vorgebbaren Bereichs variiert.
Die Frequenz ist in einer Ausgestaltung die Resonanzfrequenz der Gasblasen, welche im Medium auftreten können und welche vornehmlich das Schwingungsverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflusst. In einer weiteren Ausgestaltung wird ein sog. Frequenzsweep vorgenommen, d. h. während der Anregung wird ein Frequenzbereich durchfahren.
Bei den auftretenden Signalen – Anregungssignal, Reinigungssignal und Empfangssignal – handelt es sich insbesondere um elektrische Spannungssignale. In einer Ausgestaltung sind die Reinigungssignale rechteckförmig ausgestaltet. In einer Ausgestaltung handelt es sich insbesondere um sinusförmige Signale.
In einer Ausgestaltung ist die Frequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Gasblasen, welche den stärksten Einfluss auf das Schwingungsverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit haben. In diesem Fall wird die Energie optimal genutzt, da die Schwingungen maximale Amplitude aufweisen. In dieser Ausgestaltung ist somit das Messgerät auf das Medium und speziell auf dessen ausgasendes Verhalten bzw. den dabei auftretenden Gasblasen abgestimmt.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Elektronikeinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit zumindest während der Reinigungsphase die Frequenz des Reinigungsanregungssignals innerhalb eines vorgebbaren Bereichs variiert. In dem Bereich, welcher durchgesweept wird, befindet sich vorzugsweise die Resonanzfrequenz der Gasblasen des Mediums oder zumindest eines Teils der Gasblasen des Mediums. In einer weiteren Ausgestaltung wird in der Reinigungsphase ein Bereich um 10% bis 20% um die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit einem Frequenzsweep unterzogen.
Prinzipiell ist es möglich, den Membranschwinger bei seiner Resonanzfrequenz durch einen entsprechenden Schwingkreis, welcher sich durch die Elektronikeinheit ergibt, anzuregen und durch das periodische oder auch dauerhafte Anheben der Sendespannung und somit der Amplitude von Gasblasen zu befreien. Dies ist der Fall, dass die Reinigungsphase mit der Messphase zusammenfällt und dass vorzugsweise insbesondere die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit gleich der Resonanzfrequenz der Gasblasen ist. In einer weiteren Ausgestaltung wird, um insbesondere eine gasblasenfreie Membranoberfläche – zumindest in den schwingungsaktiven Bereichen – zu gewährleisten, die Antriebseinheit vorzugsweise periodisch mit einem Frequenzsweep bei einer hohen Amplitude und somit einer hohen Spannung angeregt. Der Frequenzsweep umfasst dabei insbesondere den zu erwartenden Messbereich und wird weiterhin vorzugsweise von der jeweils höheren zur tieferen Frequenz durchlaufen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die mechanisch schwingfähige Einheit eine schwingfähige Membran ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mit dem Medium in Kontakt kommt, zumindest teilweise im Wesentlichen glatt, insbesondere poliert, ist.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mit dem Medium in Kontakt kommt, zumindest teilweise eine Antikorrosionsbeschichtung aufweist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mit dem Medium in Kontakt kommt, mindestens einen Bereich aufweist, welcher rau ist.
Der Effekt des Abhebens von Gasblasen wird auf polierten Oberflächen verstärkt, da die Haftfläche auf rauen Oberflächen größer ist als auf polierten. Somit könnte die zur Anregung der Gasblasen nötige Spannung reduziert und somit Energie gespart werden. Weiterhin kann eine „Opferfläche” in Form eines angerauten, z. B. sandgestrahlten Bereichs, beispielsweise in Ringform am Rand der Membran erzeugt werden, an der sich die Gasblasen bevorzugt anordnen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit, welche mit dem Medium in Kontakt kommt, zumindest teilweise mit einem Polymer, insbesondere mit einem hydrophoben Kunststoff, beschichtet ist.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Membran mit einer kreisförmigen Umrandung, welche einen Ring mit einer rauen Oberfläche aufweist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet, dass die Antriebseinheit von der mechanisch schwingfähigen Einheit mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt.
In einer Ausgestaltung umfasst die Antriebseinheit zumindest ein piezoelektrisches Element.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes,
2: eine Draufsicht auf eine mechanisch schwingfähige Einheit in Gestalt einer Membran,
3: eine schematische Darstellung der Anwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes zur Messung einer Prozessgröße, und
4: eine Draufsicht auf eine Membran eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Messgerät dargestellt. Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist hier eine Membran, welche derartig auf einer Seite eines Gehäuses 4 angebracht ist, dass das Medium, von dem mindestens eine Prozessgröße zu bestimmen und/oder zu überwachen ist, in Wechselwirkung mit der Membran treten kann. Die Membran ist vorzugsweise kreisförmig ausgestaltet. Auf der Innenseite der Membran befindet sich die Antriebseinheit 2, bei welcher es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Element handelt.
Die Antriebseinheit 2 wird von der Elektronikeinheit 3 mit einem elektrischen Signal beaufschlagt und führt davon ausgehend mechanische Schwingungen aus, die die Membran als mechanisch schwingfähige Einheit 1 zu mechanischen Schwingungen anregen.
In einer Ausgestaltung dient ein piezoelektrisches Element der Antriebseinheit 2 auch dem Empfangen der mechanischen Schwingungen der Membran 1, welche in ein Empfangssignal umgewandelt und von der Elektronikeinheit 3 weiterverarbeitet oder ausgewertet werden.
Während der Messphase, also der Messung der Prozessgröße – z. B. Füllstand, Dichte oder Viskosität des Mediums – beaufschlagt die Elektronikeinheit 3 die Antriebseinheit 2 mit einem Anregungssignal und während einer Reinigungsphase mit einem Reinigungsanregungssignal. Das Reinigungsanregungssignal hat dabei in einer Ausgestaltung eine vorgegebene, feste Frequenz, welche vorzugsweise der Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 und/oder der Resonanzfrequenz eines Teiles der Gasblasen entspricht, welche sich in dem zu messenden bzw. zu überwachenden Medium befinden bzw. bilden. Vorzugsweise handelt es sich um die Gasblasen, welche am meisten die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 beeinflussen. In einer alternativen Variante wird die Frequenz des Reinigungsanregungssignals innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereichs variiert, wobei der Frequenzbereich vorzugsweise derartig gewählt wird, dass die Resonanzfrequenzen der im Medium auftretenden Gasblasen in diesem Bereich liegen. Durch das Reinigungsanregungssignal werden die Gasblasen zu Schwingungen angeregt, um sich dadurch von der Membran 1 zu lösen.
Die Messphase und die Reinigungsphase sind in einer Ausgestaltung identisch, so dass die Schwingungen, welche der Messung dienen, gleichzeitig auch dazu beitragen, dass die Gasblasen abgeschüttelt werden. In einer anderen Ausgestaltung wird zwischen diesen beiden Phasen regelmäßig abgewechselt.
In der 2 ist eine Draufsicht auf eine kreisförmige Membran 1 dargestellt. Zu sehen ist somit der Anteil, welcher mit dem Medium in Kontakt kommt. Die Membran 1 ist überwiegend glatt ausgestaltet, so dass möglichst wenig Gasblasen an ihr haften bleiben. Am äußeren Rand befindet sich ein Streifen, welcher rau ausgestaltet ist, so dass die Gasblasen sich bevorzugt an diesem Ort niederlassen.
In der 3 ist die Anwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes zur Messung bzw. Überwachung einer Prozessgröße dargestellt. Bei dem Medium 10 handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit, welche zum Ausgasen neigt. Das Messgerät ist dabei an der Wandung des Behälters 11 angebracht. Um für die Reinigungsphase eine möglichst große Amplitude der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit zu erhalten, ist beispielsweise die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit derartig abgestimmt, dass diese Frequenz gleichzeitig auch die Resonanzfrequenz zumindest eines Teils der Gasblasen des Mediums und bevorzugt des Teiles der Gasblasen ist, welche hauptsächlich das Schwingungsverhalten der mechanisch schwingfähigen Einheit beeinflussen. D. h. in Abhängigkeit von der Art des Mediums 10 bzw. in Abhängigkeit vom Ausgasungsverhalten ist ein entsprechender Sensor zu wählen bzw. ist dessen Resonanzfrequenz passend zu gestalten.
In der 4 ist eine Draufsicht auf die Unterseite, d. h. der dem Medium bzw. dem Prozess zugewandten Seite einer Membran dargestellt, welche die mechanisch schwingfähige Einheit 1 der Messvorrichtung in dieser Ausgestaltung ist. Gestrichelt ist eine imaginäre Symmetrieachse eingezeichnet. Die Oberfläche der Membran 1 ist in dieser Ausgestaltung hauptsächlich, bzw. in diesem Fall bis auf zwei Stellen, aufgeraut. Die Oberfläche der Membran 1 innerhalb der beiden symmetrisch zur Symmetrieachse angeordneten und gestrichelt umrandeten Ovale ist poliert und dient somit als sensible Membranbereiche. Auf dem rauen Oberflächenbereich kommt es zu einem schnelleren Blasenwachstum, so dass dies eine „Opferoberfläche” ist. Die glatten Bereiche bzw. mit einem anderen Ausdruck: die „Schwingflächen” sind daher weniger von den Gasblasen beaufschlagt.

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Antriebseinheit
3: Elektronikeinheit
4: Gehäuse
10: Medium
11: Behälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0444173 B1 [0002]
- WO 2004/094964 A1 [0002]
- EP 1325301 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums (10), mit mindestens einer mechanisch schwingfähigen Einheit (1), mit mindestens einer Antriebseinheit (2), welche ausgehend von einem Anregungssignal die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen anregt, und mit mindestens einer Elektronikeinheit (3), welche die Antriebseinheit (2) mit dem Anregungssignal beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (3) derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit (3) zumindest während einer Reinigungsphase die Antriebseinheit (2) mit einem Reinigungsanregungssignal beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Reinigungsanregungssignals im Wesentlichen gleich einer Amplitude des Anregungssignals während einer Messphase ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Reinigungsanregungssignals größer ist als eine Amplitude des Anregungssignals während einer Messphase.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Reinigungsanregungssignals im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz zumindest eines Teiles von im Medium (10) sich bildenden und/oder befindlichen Gasblasen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) derartig ausgestaltet ist, dass die Resonanzfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz zumindest eines Teiles von im Medium (10) sich bildenden und/oder befindlichen Gasblasen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (3) derartig ausgestaltet ist, dass die Elektronikeinheit (3) zumindest während der Reinigungsphase die Frequenz des Reinigungsanregungssignals innerhalb eines vorgebbaren Bereichs variiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) eine schwingfähige Membran ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche mit dem Medium (10) in Kontakt kommt, zumindest teilweise im Wesentlichen glatt, insbesondere poliert, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche mit dem Medium (10) in Kontakt kommt, zumindest teilweise eine Antikorrosionsbeschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche mit dem Medium (10) in Kontakt kommt, mindestens einen Bereich aufweist, welcher rau ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit (1), welche mit dem Medium (10) in Kontakt kommt, zumindest teilweise mit einem Polymer, insbesondere mit einem hydrophoben Kunststoff, beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (2) von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) mechanische Schwingungen empfängt und in ein Empfangssignal umwandelt.