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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium. Beispielsweise handelt es sich bei den Gasblasen um Luftblasen. Das flüssige Medium befindet sich beispielsweise in einem Behälter.
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Es sind vielerlei Prozesse bekannt, bei welchen sich unter bestimmten Randbedingungen Gasblasen in einer Flüssigkeit ausbilden. Dies geschieht beispielsweise bei Fermentationsprozessen oder beim Sieden von Flüssigkeiten oder aber auch durch in die Flüssigkeit eingeleitetes Gas. Das Auftreten von Gasblasen kann charakteristisch für ein bestimmtes Stadium eines Prozess sein, sodass der Prozess durch Detektion der Gasblasen überwacht werden kann. Andererseits können auftretende Gasblasen die Bestimmung von Prozessgrößen erschweren oder gar die Messwerte verfälschen. Die Detektion von Gasblasen kann daher auch notwendig sein, um korrekte Messwerte zu gewährleisten.
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Es ist beispielsweise aus der
US 2 573 390 A bekannt, in einer Flüssigkeit vorhandenes Gas dadurch zu detektieren, dass die Abschwächung von in das Medium eingestrahlten Schallwellen untersucht wird. Die Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit werden stark von darin enthaltenem Gas beeinflusst. Der Nachteil dieser Detektionsmethode ist, dass dafür zwei Geräte benötigt werden, nämlich ein Sende- und ein Empfangsgerät. Dies macht zwei Prozessanschlüsse erforderlich, welche zusätzlich zu Prozessanschlüssen für weitere Prozessgeräte in den das Medium enthaltenden Behälter eingebracht werden müssen. Jeder Prozessanschluss stellt ein Risiko bezüglich Dichtheit und Hygiene dar, weshalb deren Anzahl so gering wie möglich gehalten werden sollte. Darüber hinaus bringen das Sende- und Empfangsgerät relativ hohe Kosten mit sich.
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Aus der Patentanmeldung JP S61 - 75 222 A ist weiterhin ein Ultraschall-Füllstandssensor zur Detektion von Gasblasen bekannt geworden, bei welchem Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen ausgesendet und empfangen werden.
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Die Signale weisen in Luft bzw. im Falle von Gasblasen unterschiedliche Dämpfungen auf, was zur Detektion der Gasblasen ausgenutzt wird.
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Die Schrift
JP 2005 - 337 937 A offenbart einen Gasblasensensor mit einem in mechanische Schwingungen versetzbaren Element, bei welchem ausgenutzt wird, dass sich die Frequenzcharakteristik bei Kontakt mit Gasblasen ändert. Eine Bestimmung einer Prozessgröße neben der Gasblasenermittlung ist nicht vorgesehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium anzugeben, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Messgerät zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße des Mediums in das Medium eingebracht wird, welches eine schwingfähige Einheit in Form einer Membran, eines Einstabs oder einer Schwinggabel, eine Antriebs-/Empfangseinheit und eine Regel-/Auswerteeinheit aufweist, wobei die schwingfähige Einheit von der Antriebs-/Empfangseinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, und wobei die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt und in elektrische Empfangssignale umwandelt, aus welchen von der Regel-/Auswerteeinheit die Prozessgröße bestimmt wird, dass in einer vorgebbaren Abfolge Messphasen und Detektions- oder Reinigungsphasen durchgeführt werden, wobei die schwingfähige Einheit während einer Messphase mittels eines ersten Anregungssignals angeregt und ein erstes Empfangssignal erzeugt wird, und wobei die schwingfähige Einheit während einer Detektions- oder Reinigungsphase mittels eines zweiten Anregungssignals, welches sich von dem ersten Anregungssignal zumindest in der Spannungshöhe und/oder in der Frequenz unterscheidet, angeregt und ein zweites Empfangssignals erzeugt wird, wobei zumindest aus dem ersten Empfangssignal die Prozessgröße bestimmt wird, und wobei aus dem ersten Empfangssignal und/oder dem zweiten Empfangssignal bestimmt wird, ob Gasblasen in dem Medium vorhanden sind und/oder wie hoch der Anteil an in dem Medium vorhandenen Gasblasen ist.
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Zur Bestimmung eines Grenzfüllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, der Dichte, und/oder der Viskosität eines flüssigen oder gasförmigen Mediums ist eine Vielzahl unterschiedlicher Messgeräte bekannt. Messgeräte mit einer zu Schwingungen angeregten schwingfähigen Einheit reagieren auf Dichteänderungen mit einer Änderung der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit. Diese liegt in Form einer Membran, eines schwingfähigen Stabes oder einer aus einer Membran und zwei darauf angeordneten Stäben oder Paddeln gebildeten Schwinggabel vor. Die schwingfähige Einheit wird von Antriebselementen zu mechanischen Schwingungen mit der Resonanzfrequenz angeregt. Die Schwingungen der schwingfähigen Einheit werden empfangen und zur Bestimmung der Prozessgröße in Bezug auf deren Frequenz, Amplitude und/oder Phase ausgewertet. Bei der Bestimmung eines Grenzfüllstands erfolgt anhand der Auswertung mindestens einer dieser Größen dann eine Bedeckt- oder Freimeldung. Derartige Messgeräte kommen beispielsweise als Überfüll- oder Trockenlaufschutz zum Einsatz. So genannte Schwinggabeln und Einstäbe werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und vertrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein solches Messgerät neben dem für gewöhnlich zur Bestimmung der Prozessgröße verwendeten Modus in einem zweiten Modus betrieben, bei welchem die schwingfähige Einheit mit einem gegenüber dem bekannten Modus anderen Anregungssignal angeregt wird. Die unterschiedlichen Anregungen bewirken bei der Schwingung in Flüssigkeit eine unterschiedliche Empfindlichkeit bzw. Reaktion auf in der Flüssigkeit vorhandene Gasblasen, welche sich im Empfangssignal widerspiegelt. Durch Vergleich der jeweiligen Empfangssignale oder Analyse eines der Empfangssignale bei durch die Anregung im jeweils anderen Modus bekannten Vorraussetzungen wird eine Aussage über das Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit getroffen. Darüber hinaus kann der Anteil an Gasblasen quantitativ bestimmt werden, beispielsweise über die Geschwindigkeit, mit welcher sich eine von Gasblasen abhängige Größe ändert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht gleichzeitig die Bestimmung einer oder mehrerer Prozessgrößen und die gezielte Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium mit nur einem Messgerät. Vibronische Messgeräte mit einer schwingfähigen Einheit sind darüber hinaus relativ kostengünstig, was das Verfahren besonders vorteilhaft macht.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird zur Bestimmung, ob Gasblasen in dem Medium vorhanden sind und/oder zur Bestimmung des Anteils an vorhandenen Gasblasen die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit anhand des ersten Empfangssignals und/oder anhand des zweiten Empfangssignals ausgewertet. Die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit ist abhängig von der Dichte des Mediums und somit sensitiv für in der Flüssigkeit enthaltene Gasblasen. Die Abhängigkeit ist unterschiedlich ausgeprägt bei unterschiedlicher Anregung. Je nachdem wie die Anregung der schwingfähigen Einheit erfolgt, kann nur das erste Empfangssignal, nur das zweite Empfangssignal oder sowohl das erste als auch das zweite Empfangssignal die Grundlage der Auswertung bezüglich des Gasblasenanteils bilden.
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Erfindungsgemäß wird ein Messgerät mit einer schwingfähigen Einheit in Form einer Membran in das Medium eingebracht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird für die Spannung des zweiten Anregungssignals ein höherer Wert als für die Spannung des ersten Anregungssignals gewählt. Die Spannung des zweiten Anregungssignals wird hierbei derart gewählt, dass durch die höhere Auslenkung der Membran an dieser anhaftende Gasblasen abgeschüttelt werden, wenn sie zudem auf ihrer Resonanzfrequenz angeregt werden. In einer weiteren Ausgestaltung wird zur Bestimmung des Vorhandenseins und/oder des Anteils an vorhandenen Gasblasen die Geschwindigkeit einer Änderung der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit anhand des ersten Empfangssignals im Anschluss an eine Reinigungsphase ausgewertet. Sind Gasblasen in der Flüssigkeit vorhanden, können diese sich während der Reinigungsphase nicht an der Membran anlagern. Im Anschluss an die Reinigungsphase ist dies jedoch möglich. Da sich die Schwingfrequenz der Membran um so mehr erhöht, je mehr Gasblasen sich an ihr anlagern, kann aus der Geschwindigkeit, mit welcher diese Frequenzerhöhung stattfindet, auf die Gasblasenmenge geschlossen werden. Hierzu wird das erste Empfangssignal ausgewertet.
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Erfindungsgemäß wird ein Messgerät mit mindestens zwei auf einer Membran angeordneten Stäben als schwingfähiger Einheit oder ein Messgerät mit einem Stab als schwingfähiger Einheit in das Medium eingebracht. Erstgenannte Messgeräte werden auch als Schwinggabel, letztere als Einstab, bezeichnet und sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierzu sei beispielsweise auf
EP 1261437 B1 und
EP 1616156 A1 verwiesen. Bevorzugt wird für das zweite Anregungssignal eine höhere Frequenz als für das erste Anregungssignal gewählt. Die Frequenzen werden so gewählt, dass die Schwingungen der schwingfähigen Einheit bzw. das zugehörige Empfangssignal während der Messphase sensitiv für das Medium und während der Detektionsphase sensitiv für Gasblasen sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während der Messphase die Grundmode der schwingfähigen Einheit angeregt und während der Detektionsphase eine höhere Mode als die Grundmode angeregt. Die Anregung erfolgt hierbei derart, dass die angeregte Schwingungsmode mechanisch entkoppelt ist, d.h. keine Kräfte auf die Einspannung wirken, sodass die Frequenz, mit welcher die schwingfähige Einheit schwingt, nicht von der Einspannung beeinflusst wird.
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In einer Ausgestaltung wird als Prozessgröße der Füllstand, die Dichte und/oder die Viskosität bestimmt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Prozessgröße anhand der Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit ermittelt.
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Die Aufgabe wird weiterhin dadurch gelöst, dass ein vibronisches Füllstandsmessgerät mit einer schwingfähigen Einheit zur Detektion von in einer Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen verwendet wird, wobei das Vorhandensein von Gasblasen und/oder der Anteil an enthaltenen Gasblasen bestimmt werden. Insbesondere führt das Füllstandmessgerät einen oder mehrere der genannten Verfahrensschritte aus. Bei dem Füllstandsmessgerät handelt es sich um eine so genannte Schwinggabel oder einen Einstab, welche von der Anmelderin in vielen Varianten hergestellt und vertrieben werden, oder um einen Membranschwinger. Alle drei angeführten Füllstandsmessgeräte bestimmen einen Grenzfüllstand, d.h. sie geben ein Signal aus, ob sie bedeckt oder frei von flüssigem Medium sind.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Messgeräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform des Messgeräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein in einem Behälter 3 angebrachter Membranschwinger 1 dargestellt. Der Behälter 3 ist teilweise mit einer Flüssigkeit 4 befüllt. Der Membranschwinger 1 gibt an, ob ein bestimmter Füllstand, welcher mit der Höhe, auf welcher der Membranschwinger 1 angeordnet ist, übereinstimmt, erreicht ist. Hierzu wird die Membran 11 von der Antriebs-/Empfangseinheit während einer Messphase hochfrequent zu mechanischen Schwingungen mit ihrer Resonanzfrequenz angeregt oder im Frequenzsweep betrieben, d.h. sukzessive mit diskreten aufeinander folgenden Frequenzen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches angeregt. Aus dem Empfangssignal, insbesondere aus der Schwingfrequenz der Membran 11, ist bestimmbar, ob die Membran 11 von der Flüssigkeit 4 bedeckt ist oder frei schwingt, da sich die Resonanzfrequenz in Luft von derjenigen in der Flüssigkeit 4 unterscheidet. Sind allerdings Gasblasen 5 in der Flüssigkeit 4 enthalten, liegt die Schwingfrequenz nahe derjenigen einer freien Membran 11, sodass in diesem Fall keine eindeutige Aussage über den Füllstand bzw. den Bedeckungszustand der Membran 11 möglich ist. Neben dem Füllstand sind auch die Dichte oder die Viskosität des Mediums, in welchem die Membran 11 schwingt, bestimmbar.
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Um zwischen einer freien Membran 11 und einer von Gasblasen 5 bedeckten Membran 11 unterscheiden zu können, schließt sich an die Messphase eine Reinigungsphase an, während derer eventuell vorhandene Gasblasen 5 von der Membran 11 abgeschüttelt werden. Dies wird durch Anregung mit einer sehr hohen Spannung, welche höher ist als während der Messphase, erreicht. Bevorzugt ist die Anregungsfrequenz gleich oder nahe der Resonanzfrequenz der Gasblasen 5, sodass diese gleichermaßen zu Schwingungen angeregt werden. Auf Grund der durch die hohe Spannung erzielten großen Auslerikung der Membran 11 können sich die Gasblasen 5 nicht mehr auf letzter halten und lösen sich ab. Die maximal mögliche Spannung des Anregungssignals wird hierbei von den physikalischen Grenzen des Antriebselements der schwingfähigen Einheit 11 begrenzt.
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Messphase und Detektionsphase können sich regelmäßig abwechseln oder die Detektionsphase wird nur dann eingeleitet, wenn der Membranschwinger 1 während der Messphase meldet, dass die Membran 11 frei von flüssigem Medium 4 sei. Schwingt die Membran 11 tatsächlich nicht in der Flüssigkeit 4, ändert sich die Schwingfrequenz während der Reinigungsphase nicht. Sind hingegen Gasblasen 5 in der Flüssigkeit 4 vorhanden, sinkt die Schwingfrequenz während der Reinigungsphase auf die Schwingfrequenz in der Flüssigkeit 4 ab. In einer anschließenden Messphase steigt die Schwingfrequenz entsprechend wieder an, da sich erneut Gasblasen 5 an der Membran 11 anlagern. Die Reinigungsphase dient neben dem Entfernen von Gasblasen der eindeutigen Bestimmung der Prozessgröße, da beispielsweise der Füllstand wie beschrieben während der Messphase nicht eindeutig bestimmbar ist.
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Bevorzugt wird die Membran 11 sowohl während der Messphasen als auch während der Reinigungsphase mit einem Frequenzsweep zu Schwingungen angeregt, d.h. innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes um die Resonanzfrequenz mit diskreten aufeinander folgenden Frequenzen.
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Zur Detektion von Gasblasen 5, d.h. zur Aussage darüber, ob und zu welchem Anteil Gasblasen 5 in der Flüssigkeit 4 enthalten sind, bestehen verschiedene Auswertungsmöglichkeiten der Empfangssignale des Membranschwingers 1. Für den Fall, dass keine Gasblasen 5 vorhanden sind, und der Füllstand der Flüssigkeit 4 oberhalb des Membranschwingers 1 liegt, genügt die Auswertung der Schwingfrequenz des Empfangssignals während der Messphase, da der Membranschwinger 1 eindeutig bedeckt meldet.
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Für den Fall, dass während der Messphase frei gemeldet wird, kann entweder die Schwingfrequenz der Membran 11 während der Messphase und während der Reinigungsphase aus den jeweils aufgenommenen Empfangssignalen ermittelt und miteinander verglichen werden oder es wird überprüft, ob sich die Schwingfrequenz der Membran 11 zu Beginn der Reinigungsphase ändert. Bei unveränderter Schwingfrequenz ist die Membran 11 von der Flüssigkeit 4 unbedeckt. Bei Unterschieden haben sich Gasblasen 5 in der Flüssigkeit 4 gebildet.
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Um eine quantitative Aussage über die Gasblasen 5 machen zu können, wird beispielsweise das Empfangssignal während einer Messphase, die sich direkt an die Reinigungsphase anschließt, aufgenommen und die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher sich die Schwingfrequenz ändert. Je größer die Geschwindigkeit ist, desto schneller haben sich erneut Gasblasen 5 an der Membran 11 angesiedelt und desto größer ist der Gasblasengehalt 5 in der Flüssigkeit 4.
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2 offenbart eine Schwinggabel 2, welche analog dem in 1 dargestellten Membranschwinger 1 in einem Behälter 3 angeordnet ist und ebenfalls einen Grenzfüllstand, die Dichte, und/oder die Viskosität des die Gabelzinken der schwingfähigen Einheit umgebenden Mediums bestimmt. In einer Messphase wird die schwingfähige Einheit 21 zu Schwingungen in der Grundmode angeregt. Die Schwinggabel 2 bestimmt den Füllstand hierbei unabhängig von eventuell in der Flüssigkeit 4 vorhandenen Gasblasen 5, sodass dieser während der Messphase eindeutig bestimmbar ist. Die hier dargestellten Ausführungen gelten gleichermaßen für Einstäbe.
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Im Gegensatz zur Ausführung mit einem Membranschwinger 1 findet bei Schwinggabeln und Einstäben keine Reinigungsphase statt, da während der Messphase an der schwingfähigen Einheit 21 anhaftende Gasblasen 5 nicht zu Messfehlern führen. Stattdessen wird eine Detektionsphase durchgeführt, während derer eventuell vorhandene Gasblasen 5 detektiert werden. Messphasen und Detektionsphasen wechseln sich bevorzugt periodisch ab.
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Während der Detektionsphase wird die schwingfähige Einheit 21 mit höheren Frequenzen zu Schwingungen in einer Mode oberhalb der Grundmode angeregt, wobei die angeregte Mode mechanisch entkoppelt sein muss. Bei dieser Anregung hängt die Schwingfrequenz von der Anwesenheit von Gasblasen 5 ab. Die Schwingfrequenzen während der Messphase und der Detektionsphase können über das Empfangssignal direkt verglichen werden oder es wird jeweils der Füllstand oder eine andere Prozessgröße bestimmt und diese miteinander verglichen. Aus der Relation der Schwingfrequenzen in der Messphase und in der Detektionsphase kann das Vorhandensein von Gasblasen und/oder der Gasblasenanteil in der Flüssigkeit 4 bestimmt werden.
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Die Auswertung bezüglich Gasblasen 5 erfolgt in allen Ausführungsformen jeweils bevorzugt in der Regel-/Auswerteeinheit des jeweiligen Messgerätes 1, 2. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller µC. Alternativ erfolgt die Auswertung extern in einer separaten Elektronikeinheit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membranschwinger
- 11
- Membran
- 2.
- Schwinggabel
- 21
- schwingfähige Einheit der Schwinggabel
- 3
- Behälter
- 4
- Flüssiges Medium
- 5
- Gasblasen
