DE102009028022A1 - Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer pysikalischen Prozessgröße eines Mediums - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer pysikalischen Prozessgröße eines Mediums Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs (Sweep) innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit in Form von Sendesignalen (S) sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen (f) zu Schwingungen angeregt wird, wobei die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen (E) empfangen werden, wobei über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz (f) ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingungsfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Sendesignal (S) und dem Empfangssignal (E) aufweist, und wobei eine Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt oder wobei der nachfolgende Frequenzsuchlauf gestartet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) dadurch ermittelt wird, dass das Empfangssignal (E) zu ausgewählten Zeitpunkten diskret abgetastet wrid, wobei die ausgewählten Zeitpunkte von der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) abhängen und dass die bei den diskreten Erregerfrequenzen (f) abgetasteten Spannungswerte Udes Empfangssignals (E) in ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs (Sweep) innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit in Form von Sendesignalen sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen zu Schwingungen angeregt wird, wobei die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen empfangen werden, wobei über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingungsfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal aufweist, und wobei eine Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt oder wobei der nachfolgende Frequenzsuchlauf gestartet wird.
  • Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um einen vorbestimmten Füllstand des Mediums, um die Phasengrenze, um die Dichte oder um die Viskosität des Mediums.
  • Mit vibronischen Messgeräten kann eine Vielzahl an physikalischen Größen wie beispielsweise der Füllstand, die Phasengrenze, die Dichte oder die Viskosität eines Mediums in einem Behälter oder in einer Rohrleitung detektiert oder überwacht werden. Die Anmelderin bietet solche Messgeräte unter einer großen Vielfalt an Ausgestaltungen unter den Bezeichnungen Liquiphant und Soliphant an.
  • Vibronische Messgeräte weisen eine schwingfähige Einheit auf, welche meist eine Membran und einen darauf befestigten Schwingstab oder eine aus zwei Zinken bestehende Schwinggabel umfasst. Es sind aber auch vibronische Messgeräte bekannt, deren schwingfähige Einheit nur aus einer Membran besteht.
  • Die Anregung der schwingfähigen Einheit zu Schwingungen mit der Resonanzfrequenz erfolgt üblicherweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb oder über elektrodynamische Antriebselemente, wobei die Antriebseinheit meist als kombinierte Sende-/Empfangseinheit ausgestaltet ist. Das Sendesignal und das Empfangssignal weisen eine Phasenverschiebung auf, welche üblicherweise in einem definierten Bereich um 90° liegt.
  • Zur Füllstandsmessung wird der Effekt ausgenutzt, dass sich die Schwingfrequenz und Schwingamplitude ändern, wenn sich der Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit ändert. In Luft findet eine ungedämpfte Schwingung statt, während die Schwingung bei der Bedeckung der schwingfähigen Einheit mit Medium gedämpft wird. Diese Änderung in der Schwingamplitude oder Schwingfrequenz wird genutzt, um das Erreichen eines vorbestimmten Füllstands, üblicherweise ein maximaler Füllstand zum Überlaufschutz oder ein minimaler Füllstand zum Leerlaufschutz, zu detektieren.
  • Die Schwingamplitude einer Schwinggabel oder eines Schwingstabs hängt weiterhin davon ab, wie viel Masse mitbewegt wird. Ändert sich die Dichte oder die Phase eines Mediums, so beeinflusst dies folglich auch die Schwingung der schwingfähigen Einheit, sodass der Übergang zwischen unterschiedlichen Phasen sowie Dichteänderungen mit dem vibronischen Messgerät detektiert werden können.
  • In ähnlicher Weise wird die Schwingung gedämpft, wenn die Viskosität des Mediums zunimmt.
  • Um die Erregerfrequenz so einzustellen, dass die schwingfähige Einheit mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal schwingt, hat die Anmelderin ein Verfahren mit einem so genannten Frequenzsweep entwickelt. Eine entsprechende Patentanmeldung (Aktenzeichen DE 10 2009 026 685 ) wurde eingereicht, ist bislang jedoch noch nicht veröffentlicht. Das Verfahren soll an dieser Stelle kurz beschrieben werden.
  • Bei dem Frequenzsweep wird die schwingfähige Einheit sukzessive mit diskreten, dicht beieinander liegenden Frequenzen zu Schwingungen angeregt und die der vorgegebenen Phasenverschiebung entsprechende Frequenz ermittelt. Die Ermittlung der Frequenz erfolgt hierbei über phasenselektive Gleichrichtung und nachfolgende Tiefpassfilterung. Ein um die vorgegebene Phasenverschiebung gegenüber dem Empfangssignal verzögertes Rechtecksignal wird mit dem Empfangssignal multipliziert. Entspricht die Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal der vorgegebenen Phasenverschiebung, so enthält dieses Produkt nur positive Anteile, während es im gegenteiligen Fall auch negative Anteile aufweist. Die beschriebene Auswertungsmethode kann analog oder digital realisiert werden. Der Aufbau mit analogen Bauteilen weist hierbei zwei Nachteile auf. Zum einen ist der Schaltungsaufwand hoch und zum anderen ist die Bestimmung der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung relativ ungenau. Die Vorteile bei der digitalen Umsetzung des Verfahrens ist, dass der hohe Schaltungsaufwand nicht besteht und die Schwingfrequenz zudem mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Nachteil des digitalen Verfahrens ist jedoch, dass es sehr rechenintensiv ist, was eine hohe Rechenleistung erforderlich macht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur einfachen Auswertung eines Frequenzsuchlaufs bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung dadurch ermittelt wird, dass das Empfangssignal zu ausgewählten Zeitpunkten diskret abgetastet wird, wobei die ausgewählten Zeitpunkte von der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal abhängen und dass die bei den diskreten Erregerfrequenzen abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals in Bezug auf deren Amplitude ausgewertet werden.
  • Dadurch, dass das Empfangssignal nur zu ausgewählten Zeitpunkten diskret abgetastet wird, reduziert sich die Anzahl an Messpunkten, die gespeichert und weiterverarbeitet werden gegenüber dem Verfahren, bei welchem das gesamte Empfangssignal weiterverarbeitet wird. Hierdurch wird die erforderliche Rechenleistung reduziert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Auswertung im Wesentlichen digital erfolgt, was gegenüber einer analogen Umsetzung Zeit und Herstellungskosten erspart. Die verwendeten Bauteile dürfen hohe Toleranzen besitzen, da beispielsweise Rauschen herausgefiltert wird, sodass dennoch genaue Ergebnisse erzielt werden.
  • In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung werden zur Auswertung der abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals die negativen Anteile des Empfangssignals durch Gleichrichtung oder durch Addieren einer Offsetspannung in positive Spannungswerte umgewandelt.
  • Das Empfangssignal stellt eine Wechselspannung dar. Vor der Digitalisierung zur Auswertung des Empfangssignals werden die darin enthaltenen negativen Anteile bevorzugt in positive Anteile umgewandelt, um das Empfangssignal von einem Analog-Digital-Wandler auswertbar zu machen, welcher nur positive Eingangsspannungen verarbeiten kann. Kommt ein Analog-Digital-Wandler zum Einsatz, welcher sowohl negative als auch positive Eingangsspannungen verarbeiten kann, so ist die Umwandlung in positive Signale nicht erforderlich. Die Umwandlung in positive Spannungswerte geschieht entweder durch Gleichrichtung, d. h. durch Invertieren der negativen Spannungswerte, oder durch Addition einer Gleichspannung auf die Wechselspannung, sodass die gesamte Spannungskurve um einen bestimmten Wert (Offset) in den positiven Bereich verschoben wird. Der Offset ist hierbei so gewählt, dass zum einen alle negativen Spannungswerte in den positiven Bereich verschoben sind und zum anderen der Wert der maximal auftretenden Spannung die zulässige maximale Eingangsspannung des Analog-Digital-Wandlers nicht übersteigt.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Empfangssignal immer zu den Zeitpunkten abgetastet, zu welchen es bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal ein Extremum durchläuft.
  • Es werden also pro Schwingungsperiode immer zwei Spannungswerte des Empfangssignals abgetastet.
  • Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird für den Fall, dass die vorgegebene Phasenverschiebung 90° beträgt, das Empfangssignal immer zu den Zeitpunkten abgetastet, zu welchen das Sendesignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung einen Nulldurchgang durchläuft.
  • Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals ausgewertet werden, indem die Frequenz bestimmt wird, bei welcher der Betrag des Spannungswerts |Ui| maximal ist.
  • Entspricht das Empfangssignal bei einer Frequenz fk einer Schwingung mit der vorgegebenen Phasenverschiebung, so entspricht der zu den Abtastzeitpunkten detektierte Spannungswert der maximalen Schwingungsamplitude. Entspricht das Empfangssignal bei einer Frequenz fl nicht der Schwingung mit der vorgegebenen Phasenverschiebung, so wird zu den Abtastzeitpunkten nicht die maximale Amplitude detektiert, sondern ein geringerer Spannungswert. Trägt man die bei verschiedenen Frequenzen zu den Abtastzeitpunkten bestimmten Spannungswerte auf, so ergibt sich eine Kurve mit einem Maximum bei der Frequenz fk, bei welcher das Sendesignal und das Empfangssignal die vorgegebene Phasenverschiebung aufweisen.
  • Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals ausgewertet werden, indem die Beträge der über mehrere Schwingungsperioden gleicher Frequenz hinweg abgetasteten Spannungswerte |Ui| zu einem Wert Σ|Ui| addiert werden und die Frequenz bestimmt wird, bei welcher der zugehörige Wert Σ|Ui| maximal ist.
  • Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das Empfangssignal immer zu den Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen es bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal Nulldurchgänge und Extrema durchläuft.
  • Pro Schwingungsperiode werden also vier Spannungswerte abgetastet.
  • Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den Fall, dass die vorgegebene Phasenverschiebung 90° beträgt, das Empfangssignal immer zu den Zeitpunkten abgetastet, zu welchen das Sendesignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung einen Nulldurchgang durchläuft und zu den Zeitpunkten, zu welchen das Sendesignal bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung ein Extremum durchläuft.
  • Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij des Empfangssignals ausgewertet, indem die Beträge jeweils zwei aufeinander folgender Spannungswerte |Uii|, |Uij|, welche bei der vorgegebenen Phasenverschiebung dem Spannungswert bei einem Nulldurchgang und dem Betrag des Spannungswerts an einem Extremum des Empfangssignals entsprechen, voneinander subtrahiert werden, und die Frequenz bestimmt wird, bei welcher die Differenz ΔU = |Uii| – |Uij| betragsmäßig maximal ist.
  • Unterscheiden sich die gemessenen Spannungswerte |Uii| von den maximalen Spannungswerten, welche bei der jeweiligen Frequenz auftreten, um einen Betrag dUii und unterscheiden sich die gemessenen Spannungswerte |Uij| von Null um einen Betrag dUij, so unterscheidet sich die Differenz ΔU um dUii + dUij vom maximalen Spannungswert bei der jeweiligen Frequenz. Betrachtet man nur die Spannungswerte, welche bei vorgegebener Phasenverschiebung Extrema entsprechen, so unterscheiden sich diese um einen geringeren Wert, nämlich dUii, von dem maximalen Spannungswert, welcher bei der jeweiligen Frequenz auftritt.
  • Liegt die vorgegebene Phasenverschiebung vor, so ergibt sich bei der Differenzbildung zwischen dem Wert beim Maximum und dem Wert beim Nulldurchgang derselbe (maximale) Spannungswert, welcher sich nur durch Betrachtung des Maximums ergibt. Deshalb ist das Maximum um die der gewünschten Phasenverschiebung entsprechenden Frequenz bei Betrachtung der Differenzen ΔU ausgeprägter als bei der Methode, bei welcher nur die Spannungswerte, welche bei vorgegebener Phasenlage dem Maximum entsprechen, abgetastet und ausgewertet werden.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung werden die über mehrere Schwingungsperioden gleicher Frequenz hinweg abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij des Empfangssignals so ausgewertet, dass die Beträge der abgetasteten Spannungswerte |Uii|, welche zu den Zeitpunkten abgetastet wurden, die bei der vorgegebenen Phasenverschiebung der Lage eines Extremums entsprechen, zu einem Wert Umax addiert werden, dass die Beträge der abgetasteten Spannungswerte |Uij|, welche zu den Zeitpunkten abgetastet wurden, die bei der vorgegebenen Phasenverschiebung der Lage eines Nulldurchgangs entsprechen, zu einem Wert UNull addiert werden, dass die Werte Umax und UNull voneinander subtrahiert werden und dass die Frequenz bestimmt wird, bei welcher die Differenz ΔU = Umax – UNull betragsmäßig maximal ist.
  • Für jede Frequenz wird also jeweils nur ein Spannungswert zur Bestimmung der Frequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung herangezogen.
  • Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal eingestellt wird, die von der Güte der schwingfähigen Einheit abhängt.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal eingestellt, welche bevorzugt im Bereich zwischen 70° und 120° liegt.
  • Die vorgegebene Phasenverschiebung beträgt meist 90° oder liegt bevorzugt in dem angegebenen Bereich. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, dass sie einen Wert außerhalb des angegebenen Bereichs annimmt, sofern die Güte der schwingfähigen Einheit dies zulässt.
  • Eine weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass es sich bei der physikalischen Messgröße um einen vorbestimmten Füllstand des Mediums, um die Dichte, die Viskosität, oder die Phasengrenze des Mediums handelt.
  • Soll ein vorbestimmter Füllstand des Mediums in einem Behälter detektiert werden, so wird die schwingfähige Einheit auf der Höhe des vorbestimmten Füllstandes angebracht.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a ein Beispiel für die Lage der Abtastpunkte bei einem der vorgegebenen Phasenverschiebung entsprechenden Empfangssignal mit der Frequenz fk;
  • 1b ein Beispiel für die Lage der Abtastpunkte bei einem außerhalb der vorgegebenen Phasenverschiebung liegenden Empfangssignal mit der Frequenz fl;
  • 1c das Empfangssignal aus 1a nach Gleichrichtung;
  • 1d das Empfangssignal aus 1a nach Addieren einer Gleichspannung;
  • 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 das zur Bestimmung der Frequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung aufgenommene Histogramm
  • In 1 ist das Empfangssignal E bei einer Erregerfrequenz fk über eineinhalb Perioden dargestellt. Zum Vergleich ist das Sendesignal S ebenfalls aufgetragen. In 1a entspricht die Erregerfrequenz fk der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ zwischen Sendesignal S und Empfangssignal E. Zu den Abtastzeitpunkten befindet sich das Empfangssignal E in Nulldurchgängen oder Extrema. Die abgetasteten Spannungswerte Uii entsprechen daher dem maximalen bei dieser Erregerfrequenz fk auftretenden Spannungswert Ak, also der Amplitude, und die abgetasteten Spannungswerte Uij sind Null. In diesem Beispiel sind nur die Abtastzeitpunkte innerhalb einer Periode dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass das Abtasten bei einer Erregerfrequenz fk über mehrere Perioden hinweg erfolgen kann, um eine bessere Statistik zu erreichen.
  • Für den hier gezeigten Fall, dass die vorgegebene Phasenverschiebung Δφ zwischen Sendesignal S und Empfangssignal E 90° beträgt, fallen die Nulldurchgänge des Sendesignals S mit den Extrema des Empfangssignals E und die Extrema des Sendesignals S mit den Nulldurchgängen des Empfangssignals E zusammen. Bezüglich des Sendesignals S wird das Empfangssignal E also immer zu den Zeitpunkten abgetastet, zu welchen das Sendesignal S eine Nullstelle oder einen Extrempunkt durchläuft.
  • In 1b ist ein Empfangssignal E mit einer Erregerfrequenz fl dargestellt, welches sich außerhalb der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ zum Sendesignal S befindet. Die Abtastzeitpunkte fallen daher nicht mit den Zeitpunkten zusammen, zu welchen das Empfangssignal E einen Nulldurchgang oder ein Extremum durchläuft. Die abgetasteten Spannungswerte Uii unterscheiden sich vom maximalen Spannungswert Al um einen Wert dUii und die abgetasteten Spannungswerte Uij unterscheiden sich von Null um einen Wert dUij.
  • Die in 1a und 1b dargestellten Empfangssignale E sind Wechselspannungen und die Spannungswerte Uii, Uij zu den Abtastzeitpunkten sind teilweise negativ. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Empfangssignal E vor dem Abtasten so modifiziert, dass nur noch positive Spannungswerte vorliegen. Dies geschieht beispielsweise durch Invertieren bzw. Gleichrichten der negativen Spannungsanteile. In 1c ist das Empfangssignal E aus 1a nach einer Gleichrichtung dargestellt. Eine weitere Möglichkeit zur Umwandlung der negativen Spannungsanteile ist, eine Gleichspannung auf das Empfangssignal E zu addieren. Hierdurch wird die gesamte das Empfangssignal bildende Spannungskurve um einen bestimmten Wert, den so genannten Offset, in den positiven Bereich verschoben. Das auf diese Weise modifizierte Empfangssignal E ist in 1d abgebildet. Da dieser Offset für alle im Frequenzsweep enthaltenen Erregerfrequenzen fk gleich ist, sind alle abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij um den gleichen Wert verschoben. Wird zu dem Empfangssignal ein Offset addiert, so muss dieser Wert bei der Auswertung der abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij berücksichtigt werden, da beispielsweise der Spannungswert Uij bei einem Nulldurchgang bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ nicht Null ist, sondern dem Wert der Offsetspannung entspricht.
  • 2 offenbart ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Empfangssignal E durch Gleichrichten oder Addition einer Gleichspannung nur noch positive Anteile enthält. Auf die Verwendung von Betragszeichen wurde deshalb verzichtet. Es soll aber darauf hingewiesen sein, dass im Falle, dass keine derartige Modifikation des Empfangssignals E stattgefunden hat, bei negativen Spannungswerten die Beträge zu bilden sind.
  • Während des Frequenzsuchlaufs wird die schwingfähige Einheit mit diskreten Erregerfrequenzen fk (k = 0 ... N) innerhalb des gesamten Arbeitsbereiches angeregt. Ziel ist es, diejenige Erregerfrequenz fk herauszufiltern, bei welcher das Sendesignal S und das Empfangssignal E eine vorgegebene Phasenverschiebung Δφ aufweisen, beispielsweise 90°.
  • Hierzu wird ein Sendesignal S mit einer ersten Erregerfrequenz f0 erzeugt. Das Empfangssignal E wird zu ausgewählten Zeitpunkten abgetastet. Die Zeitpunkte sind hierbei so ausgewählt, dass bei vorgegebener Phasenverschiebung Δφ die Extrema und die Nulldurchgänge des Empfangssignals E detektiert werden. Im Fall einer vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ = 90° sind dies die Zeitpunkte, zu denen das Sendesignal S Nulldurchgänge und Extrema durchläuft.
  • Die bei erwarteten Extrema abgetasteten Spannungswerte Uii und bei erwarteten Nulldurchgängen abgetasteten Spannungswerte Uij werden gespeichert. Die abgetasteten und gespeicherten Spannungswerte Uii, Uij werden verarbeitet, indem jeweils ein Spannungswert Uii, der einem erwarteten Extremum entspricht, von einem darauf folgenden Spannungswert Uij, der einem erwarteten Nullpunkt entspricht, subtrahiert wird. Nach einer festgelegten Anzahl an Schwingungsperioden wird die nächste Erregerfrequenz fk eingestellt.
  • Ist die Erregerfrequenz fk diejenige, bei der die Phasenverschiebung Δφ der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ entspricht, so entsprechen die zu erwarteten Extrema abgetasteten Spannungswerte Uii dem maximalen Spannungswert, der für die jeweilige Erregerfrequenz fk auftritt, also der Amplitude Ak der Schwingung. Die zu erwarteten Nulldurchgängen abgetasteten Spannungswerte Uij sind Null. Unterscheidet sich die Erregerfrequenz fk jedoch von derjenigen Erregerfrequenz fk, bei der die vorgegebene Phasenverschiebung Δφ vorliegt, so sind die zu den Abtastzeitpunkten detektierten Spannungswerte Uii, Uij geringer als die zugehörige Amplitude Ak oder größer als Null. Der Spannungswert Uii, der detektiert wird, ist also nicht der maximale Spannungswert Ak, der bei der jeweiligen Erregerfrequenz fk auftritt. Bildet man die Differenz jeweils zweier Spannungswerte Uii und Uij, welche beim erwarteten Nulldurchgang und beim erwarteten Extremum abgetastet wurden, so ist diese Differenz ΔU geringer als die Differenz ΔU bei der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ. Bei der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ ist die Differenz ΔU gleich der Amplitude Ak des Empfangssignals und somit maximal. Wird zu dem Empfangssignal ein Offset addiert, um rein positive Spannungswerte zu erhalten, so muss dieser Wert bei der Auswertung der abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij entsprechend berücksichtigt werden.
  • Eine alternative Ausgestaltung der Verarbeitung der bei einer Erregerfrequenz fk abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij beinhaltet, dass alle bei einem erwarteten Extremum abgetasteten Spannungswerte Uii zu einem Wert Umax addiert werden, dass alle bei einem erwarteten Nulldurchgang abgetasteten Spannungswerte Uij zu einem Wert UNull addiert werden, und dass anschließend die Differenz ΔU = |Umax – UNull| gebildet wird. Auf diese Weise erhält man einen gemittelten Spannungswert für jede Erregerfrequenz fk.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt werden die gebildeten Spannungsdifferenzen ΔU über der jeweiligen Erregerfrequenz fk aufgetragen. Das sich ergebende Histogramm weist ein Maximum um diejenige Erregerfrequenz fk auf, welche der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ entspricht.
  • In diesem Ausführungsbeispiel werden sowohl erwartete Nulldurchgänge als auch erwartete Extreme abgetastet und dann die Differenz ΔU zwischen den Spannungswerten Uii, Uij gebildet. In einer alternativen Ausführung des Verfahrens wird das Empfangssignal E nur zu Zeitpunkten erwarteter Extrema abgetastet. Entspricht das Empfangssignal E bei der Erregerfrequenz fk einer Schwingung mit der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ, so wird die Schwingungsamplitude Ak detektiert. Entspricht das Empfangssignal E bei der Erregerfrequenz fk nicht der Schwingung mit der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ, so wird nicht die Amplitude Ak detektiert sondern ein geringerer Wert. Trägt man die bei verschiedenen Erregerfrequenzen fk bestimmten Spannungswerte Uii so ergibt sich eine Kurve mit einem Maximum bei derjenigen Erregerfrequenz fk, bei welcher das Sendesignal S und das Empfangssignal E die vorgegebene Phasenverschiebung Δφ aufweisen. Analog zum für die Differenzbildung beschriebenen Fall können die abgetasteten Spannungswerte Uii über mehrere Schwingungsperioden aufaddiert werden, sodass im Histogramm pro Erregerfrequenz fk nur ein Spannungswert ΣUii aufgeführt wird. Alternativ ist es möglich, alle abgetasteten Spannungswerte Uii getrennt aufzulisten.
  • Es ist vorgesehen, dass sobald ein Frequenzsuchlauf beendet ist, ein erneuter Frequenzsuchlauf gestartet wird, die Frequenzsuchläufe also kontinuierlich durchgeführt werden. Auf diese Weise kann auf veränderte Prozessbedingungen schnell reagiert werden und die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit sofort angepasst werden.
  • Alternativ hierzu wird die schwingfähige Einheit mit der im Frequenzsuchlauf bestimmten Erregerfrequenz fk angeregt. Erneute Frequenzsuchläufe finden dann beispielsweise in bestimmten Intervallen statt oder werden auf Abruf gestartet.
  • 3 zeigt ein Histogramm zur Bestimmung derjenigen Erregerfrequenz fk, bei welcher das Sendesignal S und das Empfangssignal E die vorgegebene Phasenverschiebung Δφ aufweisen. Neben dem nach dem in 2 beschriebenen Verfahren abgetasteten Empfangssignal E ist das Empfangssignal E vor der Abtastung dargestellt. Das Maximum um die der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ entsprechenden Erregerfrequenz fk ist in beiden Kurven deutlich ausgeprägt. Das abgetastete Empfangssignal E ist jedoch schärfer begrenzt und weist ein höheres Verhältnis zwischen Maximum und Grundlinie auf.
  • Das in diesem Histogramm dargestellte Empfangssignal E stammt von einem Membranschwinger.
  • Bezugszeichenliste
    • E
      Empfangssignal
      S
      Sendesignal
      Δφ
      Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal
      fk
      im Frequenzsweep enthaltene Erregerfrequenz
      Ak
      Amplitude des Empfangssignals mit der Frequenz fk/maximaler Spannungswert
      Uii
      zu den Zeitpunkten, zu denen ein Extremum des Empfangssignals erwartet wird, abgetastete Spannungswerte des Empfangssignals
      Uij
      zu den Zeitpunkten, zu denen ein Nulldurchgang des Empfangssignals erwartet wird, abgetastete Spannungswerte des Empfangssignals
      dUii
      Differenz zwischen Uii und Ak
      dUij
      Differenz zwischen Uij und Null
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102009026685 [0009]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer physikalischen Prozessgröße eines Mediums mit einer schwingfähigen Einheit, wobei die schwingfähige Einheit mittels eines Frequenzsuchlaufs (Sweep) innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes im Arbeitsbereich der schwingfähigen Einheit in Form von Sendesignalen (S) sukzessive mit aufeinander folgenden diskreten Erregerfrequenzen (fk) zu Schwingungen angeregt wird, wobei die entsprechenden Schwingungen der schwingfähigen Einheit in Form von Empfangssignalen (E) empfangen werden, wobei über den Frequenzsuchlauf die Erregerfrequenz (fk) ermittelt wird, bei der die schwingfähige Einheit mit einer Schwingungsfrequenz schwingt, die eine vorgegebene Phasenverschiebung (Δφ) zwischen dem Sendesignal (S) und dem Empfangssignal (E) aufweist, und wobei eine Sende-/Empfangseinheit die schwingfähige Einheit mit der ermittelten Schwingfrequenz zu Schwingungen anregt oder wobei der nachfolgende Frequenzsuchlauf gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) dadurch ermittelt wird, dass das Empfangssignal (E) zu ausgewählten Zeitpunkten diskret abgetastet wird, wobei die ausgewählten Zeitpunkte von der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) abhängen und dass die bei den diskreten Erregerfrequenzen (fk) abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals (E) in Bezug auf deren Amplitude ausgewertet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals (E) die negativen Anteile des Empfangssignals (E) durch Gleichrichtung oder durch Addieren einer Offsetspannung in positive Spannungswerte |Ui| umgewandelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal (E) immer zu den Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen es bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) ein Extremum durchläuft
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die vorgegebene Phasenverschiebung (Δφ) 90° beträgt, das Empfangssignal (E) immer zu den Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen das Sendesignal (S) bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) einen Nulldurchgang durchläuft.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals (E) ausgewertet werden, indem die Erregerfrequenz (fk) bestimmt wird, bei welcher der Betrag des Spannungswerts |Ui| maximal ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten Spannungswerte Ui des Empfangssignals (E) ausgewertet werden, indem die Beträge der über mehrere Schwingungsperioden gleicher Frequenz (fk) hinweg abgetasteten Spannungswerte |Ui| zu einem Wert Σ|Ui| addiert werden und die Erregerfrequenz (fk) bestimmt wird, bei welcher der zugehörige Wert Σ|Ui| maximal ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal (E) immer zu den Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen es bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) Nulldurchgänge und Extrema durchläuft
  8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die vorgegebene Phasenverschiebung (Δφ) 90° beträgt, das Empfangssignal (E) immer zu den Zeitpunkten abgetastet wird, zu welchen das Sendesignal (S) bei Vorliegen der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) einen Nulldurchgang durchläuft und zu den Zeitpunkten, zu welchen das Sendesignal (S) ein Extremum durchläuft.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij des Empfangssignals ausgewertet werden, indem die Beträge jeweils zwei aufeinander folgender Spannungswerte |Uii|, |Uij|, welche bei der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) dem Betrag des Spannungswerts bei einem Nulldurchgang und dem Betrag des Spannungswerts an einem Extremum des Empfangssignals (E) entsprechen, voneinander subtrahiert werden, und die Erregerfrequenz bestimmt wird, bei welcher die Differenz ΔU = |Uii| – |Uij| betragsmäßig maximal ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die über mehrere Schwingungsperioden gleicher Frequenz (fk) hinweg abgetasteten Spannungswerte Uii, Uij des Empfangssignals (E) so ausgewertet werden, dass die Beträge der abgetasteten Spannungswerte |Uii|, welche zu den Zeitpunkten abgetastet wurden, die bei der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) der Lage eines Extremums entsprechen, zu einem Wert Umax addiert werden, dass die Beträge der abgetasteten Spannungswerte |Uij|, welche zu den Zeitpunkten abgetastet wurden, die bei der vorgegebenen Phasenverschiebung (Δφ) der Lage eines Nulldurchgangs entsprechen, zu einem Wert UNull addiert werden, dass die Werte Umax und UNull voneinander subtrahiert werden und dass die Erregerfrequenz bestimmt wird, bei welcher die Differenz ΔU = Umax – UNull betragsmäßig maximal ist.
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) eingestellt wird, die von der Güte der schwingfähigen Einheit abhängt.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung (Δφ) zwischen Sendesignal (S) und Empfangssignal (E) eingestellt wird, welche bevorzugt im Bereich zwischen 70° und 120° liegt.
  13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der physikalischen Messgröße um einen vorbestimmten Füllstand des Mediums in einem Behälter, um die Dichte, die Viskosität, oder die Phasengrenze des Mediums handelt.
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