DE102010028161B4

DE102010028161B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands

Info

Publication number: DE102010028161B4
Application number: DE102010028161.1A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Kahlert; Helmut Pfeiffer; Martin Urban
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2030-04-24
Also published as: DE102010028161A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands eines ausgasenden flüssigen Mediums (2) in einem Behälter (1) mit einer schwingfähigen Einheit (31), welche mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und deren Schwingungen empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt werden, wobei mindestens ein Signal erzeugt wird, welches angibt, ob die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium bedeckt ist - „Bedecktzustand“ - und/oder welches angibt, dass die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium unbedeckt schwingt - „Freizustand“ -,dadurch gekennzeichnet,dass aus dem Empfangssignal mindestens zwei Größen bestimmt werden, für welche jeweils ein Grenzwert festgelegt ist, dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Kriterium für den Bedecktzustand oder den Freizustand der schwingfähigen Einheit (31) darstellt,dass die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen jeweils bezüglich des Grenzwertes ausgewertet werden,und dass genau dann ein den Bedecktzustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für mindestens eine der Größen das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist,und/oderdass genau dann ein den Freizustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für jede der bestimmten Größen das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands eines ausgasenden flüssigen Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, welche mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und deren Schwingungen empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt werden, wobei mindestens ein Signal erzeugt wird, welches angibt, ob die schwingfähige Einheit von dem Medium bedeckt ist - „Bedecktzustand“ - und/oder welches angibt, dass die schwingfähige Einheit von dem Medium unbedeckt schwingt - „Freizustand“. Bei der schwingfähigen Einheit handelt es sich um eine Membran, eine Schwinggabel, oder einen Stab.
Im Stand der Technik sind zur Bestimmung des Füllstands und weiterer Prozessgrößen eines Mediums so genannte Schwinggabeln (z.B. EP 0 444 173 B1 oder DE 33 36 991 A1 ), Einstäbe ( WO 2004/094964 A1 ) oder auch Membranschwinger (z. B. CH 683 375 A5 ) bekannt. Den genannten Messgeräten ist gemeinsam, dass sie eine zu Schwingungen anregbare schwingfähige Einheit aufweisen. Die Kenngrößen der mechanischen Schwingungen - Schwingungsamplitude, Resonanzfrequenz, Phasengang über Frequenz - der jeweiligen schwingfähigen Einheit hängt von den Eigenschaften des Mediums ab, in welchem sie schwingt. Beispielsweise verringern sich die Frequenz oder die Amplitude der Schwingungen, wenn eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut die schwingfähige Einheit erreicht und zumindest teilweise bedeckt. Wird ein derartiges Messgerät an einer bestimmten Position in einem Behälter angebracht, ist hierdurch bestimmbar, dass ein mit der Position des Messgerätes übereinstimmender Füllstand erreicht ist. Aus der Schwingfrequenz sind weiterhin beispielsweise die Dichte und die Viskosität des flüssigen Mediums bestimmbar. Es ist auch bekannt, mehrere Kenngrößen zu ermitteln (z. B. DE10 2005 009 580 A1 ).
Die Anregung der schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen, sowie das Empfangen der mechanischen Schwingungen und deren Umwandlung in elektrische Signale, erfolgt meist über piezoelektrische Elemente.
In ausgasenden Medien, wie beispielsweise Mineralwasser, können sich Gasblasen an der schwingfähigen Einheit anlagern. Insbesondere bei Membranschwingern, bei welchen die mechanisch schwingfähige Einheit lediglich aus einer Membran besteht, führt diese Anlagerung zu einer Verschiebung der Schwingungsfrequenz in der Richtung der Frequenz bei der Schwingung in Luft. Weiterhin können auf der Membran abgesetzte Gasblasen dämpfend wirken, d.h. die Schwingungsamplitude wird stark verringert. Diese Änderungen in den Kenngrößen der Schwingung führen insbesondere bei stark ausgasenden Medien zu Messunsicherheiten.
In der Patentanmeldung DE 102008050445 A1 ist ein Verfahren aufgezeigt, welches diesem Problem begegnet. Die Membran wird während der Messung oder in Reinigungsphasen zwischen den Messungen mit einer hohen Spannung zu Schwingungen angeregt. Durch die hohe Anregungsspannung wird die Membran entsprechend stark ausgelenkt und an der Membran anhaftende Gasblasen werden abgeschüttelt, insbesondere dann, wenn die Schwingfrequenz der Resonanzfrequenz der Gasblasen entspricht. Obgleich dieses Verfahren eine Verbesserung der Messsicherheit bei ausgasenden Medien darstellt, sind die Messunsicherheiten nicht vollständig beseitigt, da an der Membran entlang in Richtung Oberfläche aufsteigende Gasblasen weiterhin zu Messfehlern führen können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur vibronischen Grenzfüllstandsmessung anzugeben, mit welchem die Messunsicherheiten in ausgasenden Medien weiter verringert werden. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Aufgabe wird von dem Verfahren dadurch gelöst, dass aus dem Empfangssignal mindestens zwei Größen bestimmt werden, für welche jeweils ein Grenzwert festgelegt ist, dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Kriterium für den Bedecktzustand oder den Freizustand der schwingfähigen Einheit darstellt, dass die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen jeweils bezüglich des Grenzwertes ausgewertet werden, und dass genau dann ein den Bedecktzustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für mindestens eine der Größen das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, und/oder dass genau dann ein den Freizustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für jede der bestimmten Größen das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist.
Es werden immer mindestens zwei Größen aus dem Empfangssignal bestimmt, auf deren Grundlage entschieden wird, ob der zu bestimmende bzw. zu überwachende Füllstand erreicht ist. Hierbei genügt es bereits, wenn eine der Größen einen Wert annimmt, der mit einer bedeckten schwingfähigen Einheit einhergeht, um den Bedecktzustand der schwingfähigen Einheit zu signalisieren. Hingegen müssen die Werte aller gemessener Größen einer unbedeckten schwingfähigen Einheit bzw. der Schwingung in Luft, zugeordnet sein, damit der Freizustand signalisiert wird. Die Bestimmung von mehr als einer Größe und diese Ungleichbehandlung führen zu einer verbesserten Messsicherheit. Dies ist darin begründet, dass Störeinflüsse, insbesondere in Form von Gasblasen in der Flüssigkeit, dazu führen können, dass einige aus dem Empfangssignal ableitbare Größen Werte aufzeigen, die mit der Schwingung in Luft assoziiert sind, obwohl sich die schwingfähige Einheit noch mit der Flüssigkeit bedeckt ist, sodass der Freizustand nicht zuverlässig anhand einer einzelnen Größe bestimmbar ist. Der Bedecktzustand hingegen ist auch in ausgasenden Medien sicher durch eine einzige Größe bestimmbar.
Bevorzugt wird die schwingfähige Einheit mit hohen Spannungen zu Schwingungen angeregt, damit sich an ihr anhaftende Gasblasen ablösen. An der schwingfähigen Einheit entlang aufsteigende Gasblasen beeinflussen dennoch die Messung. Da Gasblasen nur bei von flüssigem Medium bedeckter schwingfähiger Einheit auftreten ist deren Auftreten direkt mit dem Bedecktzustand verknüpft. Die Erfindung nutzt dies aus, indem deren Auftreten durch davon beeinflussbare Größen detektiert und zwingend mit der Bedeckung der schwingfähigen Einheit mit der Flüssigkeit in Verbindung gebracht wird. Umgekehrt wird deren Fehlen als unterstützendes Indiz für eine frei schwingende schwingfähige Einheit herangezogen.
Bevorzugt werden drei Größen aus dem Empfangssignal bestimmt, aus denen das Auftreten von Gasblasen eindeutig ableitbar ist. Liegt die Resonanzfrequenz bzw. die Schwingfrequenz bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal oberhalb eines bestimmten Grenzwerts für die Schwingung in einer Flüssigkeit, muss die Auswertung dieser drei Größen gleichzeitig ergeben, dass keine Gasblasen vorhanden sind und die hohe Resonanzfrequenz somit eindeutig auf die Schwingung der schwingfähigen Einheit in Luft zurückzuführen ist. Nur dann wird ein Signal erzeugt, welches den Freizustand signalisiert.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird die schwingfähige Einheit innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches fortlaufend mit sukzessive aufeinander folgenden diskreten Frequenzen - Frequenzsweep - zu Schwingungen angeregt. Alternativ erfolgt die Anregung kontinuierlich mit einer Frequenz, bei welcher eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal vorliegt. Die Phasenverschiebung kann hierbei durch die zur schwingfähigen Einheit gehörige Sensorelektronik vorgegeben werden. Bevorzugt erfolgt der Frequenzsweep bei einer hohen Anregungsspannung. Gegenüber der kontinuierlichen Anregung mit der Frequenz, bei welcher die vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt, werden Elektronik, Mechanik und Antriebselemente während der Anregung mit Frequenzsweeps bei hohen Spannungen weniger stark beansprucht. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer dieser Elemente und auf den Energieverbrauch aus.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Empfangssignal die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt. An Hand der Schwingfrequenz wird auch bei herkömmlichen Verfahren der Grenzfüllstand ermittelt. Bei der Schwingung in Luft liegt die Schwingfrequenz oberhalb einer Schaltschwelle, bei der Schwingung im Medium darunter. Die Frequenz, bei welcher die vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt, wird im Wesentlichen durch das Medium bestimmt, in welchem die schwingfähige Einheit schwingt. Bildet sich jedoch Ansatz an der schwingfähigen Einheit oder setzen sich im Medium aufsteigende Gasblasen an ihr ab, beeinflusst dies die Schwingfrequenz ebenfalls. Der Grenzwert für die Schwingfrequenz ist daher so zu wählen, dass die Vorrichtung sowohl bei Ansatzbildung als auch bei Gasblasenbildung den Grenzfüllstand zuverlässig bestimmt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die Amplitude des Empfangssignals bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt. Die Amplitude bei dieser Frequenz ist maximal. Durch die Amplitude bei der sich einstellenden Schwingfrequenz, lassen sich Dämpfungseffekte detektieren, welche durch an der schwingfähigen Einheit anhaftende oder aufsteigende Gasblasen verursacht werden, sodass eine geringe Amplitude mit dem Bedecktzustand assoziiert werden kann. Im Freizustand treten keine Dämpfungseffekte auf, weshalb das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist, wenn die Amplitude den Grenzwert nicht unterschreitet.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die zeitliche Varianz der Schwingfrequenzen bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Hiermit verbunden ist eine weitere Weiterbildung, welche vorsieht, dass die zeitliche Varianz der Amplituden bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Signifikante Varianzen in der Schwingfrequenz treten auf, wenn sich Gasblasen an der schwingfähigen Einheit anlagern und wieder ablösen. Insbesondere in stark ausgasenden Medien treten auf Grund von an der schwingfähigen Einheit anhaftenden und daran entlang aufsteigenden Gasblasen zudem Dämpfungseffekte auf, welche sich im Empfangssignal bei der kontinuierlichen Anregung durch sprunghafte Einschnitte in der Schwingungsamplitude äußern. Die Amplitude und Schwingfrequenz einer in Luft oder einem anderen gasförmigen Medium schwingenden schwingfähigen Einheit hingegen ist im Wesentlichen konstant. Folglich ist das Kriterium für den Bedecktzustand in Bezug auf die Varianz der Schwingfrequenz bzw. Amplitude jeweils dann erfüllt, wenn die Varianz oberhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt und das Kriterium für den Freizustand ist dann erfüllt, wenn die Varianz darunter liegt. Die Höhe des Grenzwertes wird hierbei derart gewählt, dass natürliche Schwankungen, welche z.B. auf Grund der Messgenauigkeit auftreten, nicht zu dessen Überschreiten führen.
Mit der Anregung der schwingfähigen Einheit mittels eines Frequenzsweeps einher geht die Ausgestaltung, dass die Varianz der für mehrere aufeinander folgende Frequenzsweeps ermittelten Schwingfrequenzen der schwingfähigen Einheit bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass die Varianz der für mehrere aufeinander folgende Frequenzsweeps ermittelten Amplituden bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird. Die Kriterien entsprechen denen bei der kontinuierlichen Anregung. Bevorzugt erfolgt die Ausgabe des den Bedecktzustand oder den Freizustand signalisierenden Signals unter Einbeziehung mindestens einer Varianz einer bestimmten Größe.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass je ein Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, wenn die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder die Amplitude bei dieser Schwingfrequenz unterhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt, oder wenn die Varianz der Schwingfrequenzen bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder der Amplituden bei diesen Schwingfrequenzen oberhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt. Der Bedecktzustand wird signalisiert, sobald mindestens eines dieser Kriterien erfüllt ist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass je ein Kriterium für den Freizustand erfüllt ist, wenn die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder die Amplitude bei dieser Schwingfrequenz oberhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt, oder wenn die Varianz der Schwingfrequenzen bei vorgegebener Phasenverschiebung oder der Amplituden bei diesen Schwingfrequenzen unterhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt. Werden alle diese Größen gemessen und mit ihrem jeweiligen Grenzwert verglichen, wird der Freizustand nur dann signalisiert, wenn alle diese Kriterien erfüllt sind. Werden nicht alle der genannten Größen bestimmt, wird der Freizustand bereits auf der Grundlage von entsprechend weniger erfüllten Kriterien signalisiert, wobei die Zuverlässigkeit der Aussage über den Füllstand dann entsprechend geringer ist.
Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe von einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands eines ausgasenden flüssigen Mediums in einem Behälter mit einer schwingfähigen Einheit, mit einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen anregt und deren Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel- und Auswerteeinheit, welche mindestens ein Signal erzeugt, welches angibt, ob die schwingfähige Einheit von dem Medium bedeckt ist - „Bedecktzustand“ - und/oder welches angibt, dass die schwingfähige Einheit von dem Medium unbedeckt schwingt - „Freizustand“ - dadurch gelöst, dass die Regel- und Auswerteeinheit aus dem Empfangssignal mindestens zwei Größen bestimmt, für welche jeweils ein Grenzwert festgelegt ist, dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Kriterium für den Bedecktzustand oder den Freizustand der schwingfähigen Einheit darstellt, und dass die Regel- und Auswerteeinheit die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen jeweils bezüglich des Grenzwertes auswertet, und genau dann ein den Bedecktzustand signalisierendes Signal erzeugt, wenn für mindestens eine der Größen das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, und/oder genau dann ein den Freizustand signalisierendes Signal erzeugt, wenn für jede der bestimmten Größen das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist. Die Vorrichtung kann einen maximalen oder einen minimalen Füllstand einer Flüssigkeit bestimmen und/oder überwachen. Bei einem minimalen Füllstand entspricht der Wechsel vom Bedecktzustand in den Freizustand dem Erreichen des Grenzfüllstands, während bei einem maximalen Füllstand der Wechsel vom Freizustand in den Bedecktzustand das Erreichen des Grenzfüllstands signalisiert. Die Vorrichtung weist eine hohe Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Füllstands auf, da eventuell auftretende und sich an der schwingfähigen Einheit zumindest zeitweise anlagernde Gasblasen erkannt und zur Bestimmung der Bedeckung der schwingfähigen Einheit mit verwendet werden. Die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen sind von diesen Gasblasen beeinflussbar.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Messaufbau mit einem Membranschwinger;
2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist ein Behälter 1 dargestellt, welcher teilweise mit einem flüssigen Medium 2 befüllt ist, und an dessen Wandung auf einer zu überwachenden Füllstandshöhe ein Membranschwinger 3 angeordnet ist. Der Membranschwinger 3 umfasst eine Membran 31 als schwingfähige Einheit, welche endseitig in ein rohrförmiges Gehäuse 32 eingespannt ist und welche von einer Antriebs-/Empfangseinheit, beispielsweise in Form von piezoelektrischen Wandlerelementen, die auf der dem Inneren des Gehäuses 32 zugewandten Innenseite der Membran 31 angebracht ist, zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen, die die Membran 31 ausführt, werden von der Antriebs-/Empfangseinheit empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die ebenfalls in dem Gehäuse 32 angeordnete Regel- und Auswerteeinheit 4 steuert die Anregung, wertet die Empfangssignale aus und erzeugt ein Signal, welches anzeigt, ob der Füllstand erreicht ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Regel- und Auswerteeinheit 4 ausgeführt. Neben dem Membranschwinger sind auch die aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannten Schwinggabeln oder Einstäbe zur Durchführung des Verfahrens geeignet.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Erreichens des vorgegebenen Grenzfüllstands. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die schwingfähige Einheit mit einem Frequenzsweep, d.h. diskreten aufeinanderfolgenden Frequenzen innerhalb eines begrenzten Frequenzbandes zu Schwingungen angeregt, wobei sich an einen Sweep fortlaufend der nachfolgende Sweep anschließt. Das Frequenzband wird hierbei derart gewählt, dass die Frequenzen der Schwingungen der schwingfähigen Einheit bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Medium innerhalb des Frequenzbandes liegen. Das aus einem Frequenzsweep resultierende Empfangssignal weist bei der Frequenz vorgegebener Phasenverschiebung bzw. der Resonanzfrequenz einen Peak maximaler Amplitude auf. Die Phasenverschiebung bei der Resonanzfrequenz beträgt meist etwa 90°. Alternativ wird die schwingfähige Einheit kontinuierlich mit derselben Frequenz zu Schwingungen angeregt, wobei bei dieser Frequenz die vorgegebene Phasenverschiebung vorliegt. Bevorzugt stimmt die Frequenz bzw. eine der im Frequenzsweep durchlaufenen Frequenzen mit der Resonanzfrequenz der Gasblasen überein, sodass an der schwingfähigen Einheit anhaftende Gasblasen zumindest bei hohen Anregungsspannungen von dieser entfernt werden. Bevorzugt ist die Sendespannung so hoch gewählt, dass Gasblasen durch die hohe Auslenkung der schwingfähigen Einheit abgeschüttelt werden. Diese Anregungsmethode ist in der DE102008050445A1 beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch bei niedrigen Sendespannungen anwendbar.
In vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Sendespannung jedoch zumindest zeitweise erhöht.
In einem ersten Schritt werden aus dem Empfangssignal vier Größen ermittelt, die von dem Schwingungszustand der schwingfähigen Einheit abhängen. Weitere Ausgestaltungen sind denkbar, in denen beispielsweise fünf oder sechs, oder bloß zwei oder drei Größen bestimmt werden. Vorteilhafterweise werden zum einen die Frequenz f_φ der Schwingung bei der vorgegebenen Phasenverschiebung Δφ und die maximale Amplitude A_max des Empfangssignals, was der Amplitude bei der Frequenz f_φ entspricht, bestimmt. Zum anderen wird die jeweilige Varianz Δf_φ bzw. ΔA_max dieser beiden Größen bestimmt. Bei der Anregung mit einem Frequenzsweep wird hierzu die Frequenz f_φ bzw. die Amplitude A_max für mehrere aufeinander folgende Sweeps ermittelt und dann die auftretenden Abweichungen bestimmt, beispielsweise indem die Streuung um den Mittelwert berechnet wird. Ebenfalls möglich ist die Bildung der Differenz zweier aufeinander folgender Werte der Frequenz f_φ bzw. der Amplitude A_max. Bei der kontinuierlichen Anregung wird die Varianz Δf_φ bzw. ΔA_max aus der zeitlichen Varianz der Frequenz f_φ bzw. der Amplitude A_max bestimmt. Bei der Ermittlung der Schwingfrequenz bzw. Amplitude können Frequenzen bzw. Amplituden, welche das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllen, stärker gewichtet werden als welche, die dem Freizustand zugeordnet sind, da diese Zuordnung mit einer größeren Unsicherheit behaftet ist.
Für jede der aus dem Empfangssignal bestimmten Größen x ist ein fester oder anwendungsabhängig festgelegter Grenzwert S_x in einem zu der Regel- und Auswerteeinheit gehörigen Speicher abgelegt. Das Überschreiten oder Unterschreiten dieses Grenzwertes S_x ist jeweils entweder dem Bedecktzustand oder dem Freizustand der schwingfähigen Einheit zugeordnet. Die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen werden in einem nächsten Verfahrensschritt jeweils mit dem entsprechenden Grenzwert verglichen. Es wird jeweils bestimmt, ob der Grenzwert überschritten oder unterschritten wird. Ist die Größe identisch mit dem zugehörigen Grenzwert, kann dies einem Überschreiten oder Unterschreiten zugeordnet werden. Bevorzugt erfolgt die Zuordnung so, dass bei Identität das Kriterium für den Freizustand nicht erfüllt ist.

Für die in diesem Ausführungsbeispiel bestimmten Größen gilt folgende Zuordnung zum Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit:

Messgröße	Kriterium für Bedecktzustand	Kriterium für Freizustand
f_φ	f_φ < S_fφ	f_φ > S_fφ
A_max	A_max < S_Amax	A_max > S_Amax
Δf_φ	Δf_φ > S_Δfφ	Δf_φ < S_Δfφ
ΔA_max	ΔA_max > S_ΔAmax	ΔA_max < S_ΔAmax

Im nachfolgenden Verfahrensschritt wird geprüft, ob mindestens eines der Kriterien für den Bedecktzustand erfüllt ist. Ist dies der Fall, wird ein Signal ausgegeben, welches den Bedecktzustand signalisiert. Zusätzlich oder an Stelle dessen wird geprüft, ob alle Kriterien für den Freizustand gleichzeitig erfüllt sind. Werden sowohl die Kriterien für den Bedecktzustand als auch die Kriterien für den Freizustand abgefragt, wird der Füllstand redundant bestimmt, d.h. das Ergebnis der Prüfung der Kriterien für den Bedecktzustand kann zur Überprüfung des Ergebnisses der Prüfung der Kriterien für den Freizustand verwendet werden und umgekehrt. In einer Ausgestaltung wird zur Angabe des Bedeckt- oder Freizustands ein Signal erzeugt, welches zwei unterschiedlich hohe Spannungswerte annehmen kann, wobei je ein Spannungswert dem Bedecktzustand oder dem Freizustand zugeordnet ist. Alternativ können bei der parallelen Prüfung der Kriterien des Bedecktzustandes und des Freizustandes unabhängig voneinander je ein Signal erzeugt werden, welches den jeweiligen Zustand repräsentiert. Da diese Signale zu jeder Zeit komplementär sein müssen, kann deren Vergleich zur Kontrolle des Verfahrens dienen.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Flüssiges Medium
3: Membranschwinger
31: Membran
32: Gehäuse
4: Regel- und Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands eines ausgasenden flüssigen Mediums (2) in einem Behälter (1) mit einer schwingfähigen Einheit (31), welche mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird und deren Schwingungen empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt werden, wobei mindestens ein Signal erzeugt wird, welches angibt, ob die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium bedeckt ist - „Bedecktzustand“ - und/oder welches angibt, dass die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium unbedeckt schwingt - „Freizustand“ -, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Empfangssignal mindestens zwei Größen bestimmt werden, für welche jeweils ein Grenzwert festgelegt ist, dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Kriterium für den Bedecktzustand oder den Freizustand der schwingfähigen Einheit (31) darstellt, dass die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen jeweils bezüglich des Grenzwertes ausgewertet werden, und dass genau dann ein den Bedecktzustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für mindestens eine der Größen das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, und/oder dass genau dann ein den Freizustand signalisierendes Signal erzeugt wird, wenn für jede der bestimmten Größen das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Einheit (31) innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches fortlaufend mit sukzessive aufeinander folgenden diskreten Frequenzen - Frequenzsweep - zu Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Empfangssignal die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Empfangssignals bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Varianz der Schwingfrequenzen bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Varianz der Amplituden bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Varianz der für mehrere aufeinander folgende Frequenzsweeps ermittelten Schwingfrequenzen der schwingfähigen Einheit bei einer vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Varianz der für mehrere aufeinander folgende Frequenzsweeps ermittelten Amplituden bei der Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal bestimmt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, wenn die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder die Amplitude bei dieser Schwingfrequenz unterhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt, oder wenn die Varianz der Schwingfrequenzen bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder der Amplituden bei diesen Schwingfrequenzen oberhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist, wenn die Schwingfrequenz bei der vorgegebenen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal oder die maximale Amplitude bei dieser Frequenz oberhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt, oder wenn die Varianz der Schwingfrequenzen bei vorgegebener Phasenverschiebung oder der Amplituden bei diesen Schwingfrequenzen unterhalb des jeweils festgelegten Grenzwertes liegt.
Vorrichtung (3) zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzfüllstands eines ausgasenden flüssigen Mediums (2) in einem Behälter (1) mit einer schwingfähigen Einheit (31), mit einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit (31) mittels eines Sendesignals zu mechanischen Schwingungen anregt und deren Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel- und Auswerteeinheit (4), welche mindestens ein Signal erzeugt, welches angibt, ob die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium (2) bedeckt ist - „Bedecktzustand“ - und/oder welches angibt, dass die schwingfähige Einheit (31) von dem Medium (2) unbedeckt schwingt - „Freizustand“ -, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Auswerteeinheit (4) aus dem Empfangssignal mindestens zwei Größen bestimmt, für welche jeweils ein Grenzwert festgelegt ist, dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Kriterium für den Bedecktzustand oder den Freizustand der schwingfähigen Einheit (31) darstellt, und dass die Regel- und Auswerteeinheit (4) die aus dem Empfangssignal bestimmten Größen jeweils bezüglich des Grenzwertes auswertet, und genau dann ein den Bedecktzustand signalisierendes Signal erzeugt, wenn für mindestens eine der Größen das Kriterium für den Bedecktzustand erfüllt ist, und/oder genau dann ein den Freizustand signalisierendes Signal erzeugt, wenn für jede der bestimmten Größen das Kriterium für den Freizustand erfüllt ist.