DE102010063146A1

DE102010063146A1 - Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße und Verfahren zur Druckmessung mit einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010063146A1
Application number: DE102010063146A
Authority: DE
Inventors: Sascha D'Angelico; Martin Urban; Helmut Pfeiffer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: DE102010063146B4; WO2012079949A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (2), mit einer Antriebseinheit (41), welche die schwingfähige Einheit (2) zu im Wesentlichen resonanten mechanischen Schwingungen anregt, mit einer Empfangseinheit (42), welche mechanisch und elektrisch mit der Antriebseinheit (41) gekoppelt ist, und welche die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel/-Auswerteeinheit, welche der Antriebseinheit (41) ein elektrisches Sendesignal zuführt und welche das elektrische Empfangssignal empfängt und daraus die Prozessgröße bestimmt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Regel-/Auswerteeinheit (9) dazu eingerichtet ist, aus einer Koppelspannung, welche sich auf Grund der elektrischen und mechanischen Kopplung der Antriebseinheit (41) und der Empfangseinheit (42) ergibt, den in einer Umgebung der schwingfähigen Einheit (2) vorherrschenden Prozessdruck zu bestimmen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Druckmessung mit besagter Vorrichtung beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit einem zumindest abschnittsweise rohrförmigen Gehäuse, mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, welche das Gehäuse in einem ersten Endbereich verschließt, mit einer Antriebseinheit, welche die schwingfähige Einheit zu im Wesentlichen resonanten mechanischen Schwingungen anregt, mit einer Empfangseinheit, welche mechanisch und elektrisch mit der Antriebseinheit gekoppelt ist, und welche die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel/-Auswerteeinheit, welche der Antriebseinheit ein elektrisches Sendesignal zuführt und welche das elektrische Empfangssignal empfängt und daraus die Prozessgröße bestimmt. Bei der Prozessgröße handelt es sich bevorzugt um den Füllstand eines Schüttguts oder um den Füllstand und/oder die Dichte und/oder die Viskosität einer Flüssigkeit. Bei der schwingfähigen Einheit handelt es sich insbesondere um eine Membran, eine Schwinggabel oder um einen Einstab.
In der Industrie, insbesondere in der Prozessautomatisierung, kommen häufig vibronische Messgeräte zur Überwachung eines Grenzfüllstands von Schüttgütern oder Flüssigkeiten in Behältern, aber auch zur Bestimmung der Dichte oder Viskosität von Flüssigkeiten zum Einsatz. Derartige Messgeräte verfügen meist über eine schwingfähige Einheit in Form einer Membran oder einer Gabel, welche aus zwei auf einer Membran angeordneten Zinken besteht. Diese schwingfähige Einheit wird von einer Antriebseinheit zu Schwingungen mit der Resonanzfrequenz angeregt. Aus den Schwingungseigenschaften bzw. deren Änderung, d. h. der Schwingfrequenz und/oder der Phasenlage zwischen einem Sende und einem Empfangssignal, und/oder der Amplitude, ist die Prozessgröße bzw. eine Änderung der Prozessgröße bestimmbar. Derartige Messgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt unter dem Namen „Liquiphant” für Flüssigkeiten und „Soliphant” für Schüttgüter hergestellt und vertrieben.
Der Antrieb der schwingfähigen Einheit besteht in der Regel aus einem oder mehreren, in einem Stapel angeordneten, piezoelektrischen Elementen. Gleiches gilt für die Empfangseinheit, welche die Schwingungen der schwingfähigen Einheit empfängt und in ein verwertbares elektrisches Empfangssignal umwandelt. Prinzipiell unterscheidet man zwei Arten von piezoelektrischen Antriebs-/Empfangseinheiten, den Bimorphpiezo und den Piezostapel. Bei einem Bimorphpiezo ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element in jeweils mindestens ein Antriebs- und Empfangssegment unterteilt und derart an der schwingfähigen Einheit befestigt, dass es diese beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an das Antriebssegment zu Schwingungen anregt. Dahingegen besteht ein Piezostapel aus mehreren in einem Stapel angeordneten piezoelektrischen Scheiben, wobei die der Antriebseinheit zugeordneten Scheiben und die der Empfangseinheit zugeordneten Scheiben im selben Stapel angeordnet sind. Der Stapel steht mit der schwingfähigen Einheit über ein Kontaktelement zur gezielten Kraftübertragung, beispielsweise in Form einer Halbkugel, in Kontakt und ist zur Herstellung des zur Kraftübertragung erforderlichen Anpressdrucks im Gehäuse des Messgerätes fest eingespannt. Ein vibronisches Messgerät mit einer als Piezostapel ausgeführten Antriebs-/Empfangseinheit ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer EP 1 134 038 A1 beschrieben.
Das Messgerät ist bis zu einem bestimmten Prozessdruck spezifiziert. Wird dieser Druck während des Einsatzes des Messgerätes überschritten, können einzelne Komponenten, insbesondere die schwingfähige Einheit, Schaden nehmen. Beispielsweise kann sich eine Schwinggabel verbiegen. Eine Membran kann bei starker Überbelastung gar brechen. Um das Auftreten derartiger Schäden zu vermeiden, ist es wünschenswert, den Druck zu überwachen, welchem die schwingfähige Einheit ausgesetzt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein vibronisches Messgerät bereit zu stellen, mit welchem zusätzlich zu mindestens einer Prozessgröße der Prozessdruck am Ort des Messgerätes bestimmbar ist, und ein Verfahren zur Bestimmung des Prozessdrucks mit einem solchen Messgerät anzugeben.
Die Aufgabe wird von einem Messgerät dadurch gelöst, dass die Regel-/Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, aus einer Koppelspannung, welche sich auf Grund der elektrischen und mechanischen Kopplung der Antriebseinheit und der Empfangseinheit ergibt, den in einer Umgebung der schwingfähigen Einheit vorherrschenden Prozessdruck zu bestimmen.
Durch die Zuleitungen zur Spannungszu- bzw. abfuhr, kapazitive Effekte, und den mechanischen Kontakt der Teile, welche den Antrieb der schwingfähigen Einheit bilden mit den Teilen, welche die mechanischen Schwingungen empfangen und in elektrische Signale umwandeln, entsteht im elektrischen Empfangssignal ein kopplungsbedingtes Zusatzsignal. Auf Grund der mechanischen und elektrischen Kopplung von Antriebseinheit und Empfangseinheit kann man auch von einer Antriebs-/Empfangseinheit sprechen. Das kopplungsbedingte Zusatzsignal ist im Resonanzfall vernachlässigbar gering, gewinnt jedoch mit zunehmender Dämpfung der Schwingungen an Gewicht und kann bei einer Erzeugung des Sendesignals durch Rückkopplung des Empfangssignals dazu führen, dass das System nicht mehr mit der Resonanzfrequenz schwingt. Auch bei direkter Anregung der schwingfähigen Einheit außerhalb des Resonanzbereichs dominiert die Kopplungsspannung.
Diesen Effekt macht man sich nun zu Nutze. Indem die Regel-/Auswerteeinheit das Sendesignal zeitweise derart erzeugt, dass die von diesem gesteuerte Antriebseinheit die schwingfähige Einheit nicht resonant anregen kann, verringert sich der von mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit hervorgerufene Anteil im Empfangssignal so weit, dass die Kopplungsspannung dominiert. Idealerweise schwingt die mechanisch schwingfähige Einheit überhaupt nicht mehr. Zumindest ist die Amplitude der Schwingungen aber so gering, dass deren Anteil am Empfangssignal gegenüber dem kopplungsbedingten Anteil vernachlässigbar gering ist. Da die schwingfähige Einheit und die Antriebs-/Empfangseinheit fest miteinander verbunden sind, wirkt der in der Umgebung der schwingfähigen Einheit herrschende Prozessdruck auch auf die Antriebs-/Empfangseinheit. Da der Grad der Kopplung und somit die Kopplungsspannung von dem auf die Antriebs-/Empfangseinheit einwirkenden Druck in bekannter Weise abhängt, ist dieser durch eine Messung der Kopplungsspannung bestimmbar.
Alternativ zu der nicht-resonanten Anregung bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit die Kopplungsspannung zu Zeitpunkten, zu welchen die mechanischen Schwingungen auf Grund einer zu hohen Dämpfung durch das Medium im Wesentlichen unterbunden sind oder die Regel-/Auswerteeinheit verfügt über Mittel zur Trennung des kopplungsbedingten Signalanteils von dem schwingungsbedingten Signalanteil.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Antriebseinheit mindestens ein piezoelektrisches Antriebselement auf, weist die Empfangseinheit mindestens ein piezoelektrisches Empfangselement auf, und sind das piezoelektrische Antriebselement und das piezoelektrische Empfangselement in einem Stapel angeordnet. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Piezostapel oder Stapelantrieb, wobei Antriebseinheit und Empfangseinheit in einem gemeinsamen Stapel angeordnet sind. Der Stapel ist entlang einer Längsachse des Gehäuses zwischen der schwingfähigen Einheit und einem Befestigungsmittel im Gehäuse angeordnet. Um zur Gewährleistung der Kraftübertragung einen dauerhaften Kontakt zwischen Antriebseinheit bzw. Empfangseinheit und mechanisch schwingfähiger Einheit herzustellen, ist der Piezostapel unter einer bestimmten Vorspannung in das Gehäuse eingebracht. Diese wird durch das Befestigungsmittel erzielt, bei welchem es sich beispielsweise um eine Druckschraube oder ein Joch handelt. Im Fall eines Membranschwingers oder einer Schwinggabel ist die Membran durch die Vorspannung leicht nach außen gewölbt.
In einer Ausgestaltung sind die Antriebseinheit und die Empfangseinheit als Bimorphpiezo ausgestaltet. Diese Ausgestaltung ist alternativ dazu, dass Antriebs- und Empfangseinheit als Piezostapel ausgeführt sind. Die Kopplung und die im Empfangssignal auftretende Kopplungsspannung sind beim Bimorphpiezo in der Regel geringer als bei einem Piezostapel. Eine Druckmessung mittels Bimorphpiezo ist jedoch dennoch möglich.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der von der Vorrichtung bestimmten oder überwachten Prozessgröße um den Füllstand eines Schüttguts oder um den Füllstand und/oder die Dichte und/oder die Viskosität einer Flüssigkeit. Vorzugsweise bestimmt die Vorrichtung zumindest den Füllstand eines Mediums. Der Druck ist eine zusätzlich bestimmbare Prozessgröße.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Prozessdrucks mit einer Vorrichtung nach einer der beschriebenen Ausgestaltungen, wobei die Antriebseinheit mit einem Sendesignal beaufschlagt wird, wobei an Hand des Empfangssignals zumindest zeitweise die Kopplungsspannung gemessen wird und wobei aus einer hinterlegten Druckabhängigkeit der Kopplungsspannung der in der Umgebung der schwingfähigen Einheit vorherrschende Prozessdruck bestimmt wird.
Während der Bestimmung der eigentlichen Prozessgrößen regt die Antriebseinheit die schwingfähige Einheit zu Schwingungen im Resonanzbereich, d. h. vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz, an. Dies geschieht beispielsweise über einen Schwingkreis und die Vorgabe einer festen Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal. Alternativ wird die Antriebseinheit mit einem Frequenzsweep beaufschlagt und die Resonanzfrequenz an Hand des Empfangssignals elektronisch bestimmt. Das Empfangssignal weist hierbei einen geringen, auf die mechanische und elektrische Kopplung zwischen Antriebs- und Empfangseinheit zurückzuführenden Anteil, und einen dominierenden, durch die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bedingten Anteil auf. Um den Druck bestimmen zu können, muss der von der mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bedingte Anteil im Empfangssignal daher entweder so weit verringert werden, dass er vernachlässigbar gering ist gegenüber dem kopplungsbedingten Anteil, oder die beiden Anteile müssen voneinander getrennt werden.
Gemäß einer ersten Variante des Verfahrens wird daher die schwingfähige Einheit außerhalb eines Resonanzbereichs zu Schwingungen angeregt und die Kopplungsspannung zumindest an Hand der Höhe des daraufhin empfangenen Empfangssignals bestimmt. Je nach Ausgestaltung der Antriebs-/Empfangseinheit liegt eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Kopplungsspannung und Anregespannung vor, sodass neben der Höhe des Empfangssignals auch die Phasenverschiebung zu berücksichtigen ist.
In der ersten Variante des Verfahrens kann der Messbetrieb in zwei Phasen eingeteilt werden: die Bestimmung mindestens einer Prozessgröße an Hand der resonanten Schwingungen und die Bestimmung des in der Umgebung der schwingfähigen Einheit vorliegenden Prozessdrucks. Die Phasen zur Druckbestimmung stellen hierbei lediglich eine kurze Unterbrechung der Phasen der Bestimmung der eigentlichen Prozessgrößen dar. Unter eigentlichen Prozessgrößen sind diejenigen Prozessgrößen zu verstehen, welche ein gewöhnliches aus dem Stand der Technik bekanntes Messgerät der eingangs genannten Art bestimmen oder überwachen kann. Dies sind im Wesentlichen im Fall von Flüssigkeiten der Füllstand, insbesondere Grenzstand, die Dichte und/oder die Viskosität und im Fall von Schüttgütern der Füllstand des Schüttguts.
Während der Phasen zur Druckbestimmung wird das Sendesignal derart verändert, dass die mechanisch schwingfähige Einheit keine signifikanten Schwingungen mehr durchführt. Beispielsweise wird die Anregungsfrequenz um ein Vielfaches der Resonanzfrequenz verringert oder vergrößert. Für den Fall, dass die Anregungsfrequenz größer ist als die Resonanzfrequenz, wird die Anregungsfrequenz so gewählt, dass auch höhere Moden nicht angeregt werden. Das Sendesignal zur nicht-resonanten Anregung kann dynamisch geregelt oder fest vorgegeben werden. In Abhängigkeit der Viskosität kann der Resonanzbereich relativ breit sein, sodass ein ausreichend großer Abstand der Anregungsfrequenz erforderlich ist. Oftmals bilden Antriebseinheit, schwingfähige Einheit, Empfangseinheit und zumindest ein Teil der Regeleinheit einen Schwingkreis. Die resonante Anregung wird durch Vorgabe einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal erzielt. Ist eine mechanische Schwingung der schwingfähigen Einheit nicht möglich, oszilliert der Schwingkreis auf einer von der Elektronikeinheit bestimmten Abrissfrequenz. In einer möglichen Ausgestaltung der ersten Variante des Verfahrens wird von der Regel-/Auswerteeinheit veranlasst, dass sich die Abrissfrequenz einstellt und dann das nunmehr der Kopplungsspannung entsprechende Empfangssignal gemessen.
In einer zweiten Variante des Verfahrens wird die schwingfähige Einheit zu resonanten Schwingungen angeregt und die Kopplungsspannung von dem durch die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit bedingten Anteil im Empfangssignal getrennt. Dies kann beispielsweise über eine Fourieranalyse geschehen.
Eine weitere Möglichkeit zur Druckmessung bietet sich beim Einsatz in hochviskosen Medien. In der bislang noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2010 039 585.4 ist ein Verfahren zur elektronischen Kompensation der Kopplungsspannung beschrieben, welches die Messung der gewünschten Prozessgrößen in hochviskosen Medien ermöglicht. Ohne Kompensation dominiert die Kopplungsspannung und der Schwingkreis schwingt auf Abrissfrequenz. Durch ein verzögertes Einsetzen der Kompensation oder ein kurzzeitiges Ausschalten der Kompensation ist somit die Druckmessung trotz resonanter Anregung möglich. Werden die Schwingungen nicht vollständig gedämpft, sodass noch ein geringer schwingungsbedingter Anteil im Empfangssignal vorhanden ist, kann in Abhängigkeit der gewünschten Genauigkeit der Druckbestimmung dennoch ein Herausfiltern der Kopplungsspannung erforderlich sein.
Die folgenden Ausgestaltungen beziehen sich auf alle möglichen Varianten des Verfahrens zur Druckbestimmung.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Prozessdruck zu vorgebbaren Zeitpunkten, vorzugsweise periodisch, bestimmt. Das Messgerät bestimmt in erster Linie die mindestens eine zu bestimmende Prozessgröße. Hierzu wird die schwingfähige Einheit in ihrem Resonanzbereich zu Schwingungen angeregt, vorzugsweise mit der Resonanzfrequenz. In einer Variante wird die Messung zu ausgewählten Zeitpunkten unterbrochen und die Anregung erfolgt außerhalb des Resonanzbereichs, sodass das entsprechende Empfangssignal nur noch das kopplungsbedingte Signal enthält und der Druck bestimmbar ist. Das Umschalten zwischen den verschiedenen Anregungen erfolgt vorzugsweise automatisch in bestimmten Intervallen. In einer anderen Variante wird die resonante Anregung nicht unterbrochen, sondern das Empfangssignal zusätzlich bezüglich der Kopplungsspannung ausgewertet, indem diese herausgefiltert wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der bestimmte Prozessdruck zumindest zeitweise protokolliert. Dies ermöglicht beispielsweise im Fehlerfall die Überprüfung, ob die Druckspezifikationen für das Messgerät eingehalten wurden. Zudem ist ein zeitlicher Verlauf des Prozessdrucks ablesbar, was zu Diagnosezwecken beim Auftreten von Fehlern bzw. bei einem Ausfall des Messgerätes verwendbar ist.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass eine Schwelle für den Prozessdruck festgesetzt wird, und dass der bestimmte Prozessdruck zumindest dann, wenn er oberhalb der Schwelle liegt, protokolliert wird, und/oder dass ein Alarm erzeugt wird, wenn der bestimmte Prozessdruck die Schwelle überschreitet. Die Schwelle wird gemäß der Gerätespezifikation festgesetzt, d. h. sie entspricht einem oberen Grenzwert für einen Druck, bei welchem sichergestellt ist, dass die Bestandteile des Messgerätes keinen Schaden nehmen. Wird diese Schwelle überschritten, ist eine Beschädigung möglich. In einer Variante wird daher zur Fehlerdiagnose ein Überschreiten der Schwelle protokolliert, wobei vorzugsweise der Zeitpunkt und/oder die Zeitdauer des Überschreitens, sowie der Betrag, um welchen die Schwelle überschritten wurde, gespeichert werden. In einer Weiterbildung wird zusätzlich oder alternativ zu dem Protokollieren ein Alarmsignal erzeugt, sobald die Schwelle überschritten wird. Der Bediener des Messgeräts wird hierdurch auf das Verlassen des zulässigen Druckbereichs hingewiesen und kann beispielsweise eine zeitnahe Überprüfung des Messgerätes durchführen. In einer Ausgestaltung wird im Hinblick auf predictive maintenance das Intervall von – beispielsweise im Rahmen von SIL – vorgeschriebenen Überprüfungen entsprechend verkürzt.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Ermittlung des Prozessdrucks eine Temperaturkompensation durchgeführt. Die Kopplungsspannung ist in der Regel nicht nur vom Druck, sondern auch von der Temperatur abhängig. Bevorzugt wird daher die Temperatur in der Umgebung der Antriebs-/Empfangseinheit bestimmt. An Hand der gemessenen Temperatur erfolgt dann beispielsweise eine Zuordnung hinterlegter Wertepaare für Kopplungsspannung und Druck oder eine Anpassung einer hinterlegten Formel zur Bestimmung des einer gemessenen Kopplungsspannung zuzuordnenden Drucks.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt den Aufbau eines vibronischen Messgerätes mit einem Stapelpiezo;
2 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Druck und Kopplungsspannung.
In 1 ist ein Messgerät 1 zur Bestimmung des Füllstands, der Dichte, und/oder der Viskosität einer Flüssigkeit dargestellt. Die schwingfähige Einheit 2 in Form einer auf einer Membran 21 aufgebrachten Schwinggabel verschließt das Gehäuse 3 endseitig. In das Gehäuse 3 ist die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 in Form eines durch das Antriebsgehäuse 7 abgeschlossenen Einsatzes eingebracht. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 handelt es sich um scheibenförmige piezoelektrische Elemente, welche in einem Stapel angeordnet sind, wobei mindestens ein piezoelektrisches Element der Antriebseinheit 41 und mindestens ein piezoelektrisches Element der Empfangseinheit 42 zugeordnet ist. Vorzugsweise bestehen Antriebseinheit 41 und Empfangseinheit 42 zur besseren Kraftausübung bzw. Signalaufnahme jeweils aus mehreren piezoelektrischen Scheiben, wobei die Antriebspiezos von den Empfangspiezos bevorzugt durch eine Trennscheibe voneinander getrennt sind. Beispielsweise sind die von der Membran 21 aus gesehen untersten piezoelektrischen Elemente der Empfangseinheit 42 und die übrigen der Antriebseinheit 41 zugeordnet.
Zur Herstellung eines elektrischen Kontakts sind die piezoelektrischen Scheiben metallisiert oder es sind metallische Plättchen zwischen ihnen angeordnet. Diese sind mit elektrischen Kontaktleitungen 8 verbunden, welche vorzugsweise auf einer flexiblen Leiterplatte angeordnet sind, und über welche der Antriebseinheit 41 ein Sendesignal zugeführt und das Empfangssignal von der Empfangseinheit 42 abgeleitet wird. Über ein Kontaktelement 52 steht die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 in Kontakt mit der Membran 21 der schwingfähigen Einheit 2. Zur Herstellung eines Anpressdrucks ist ein Befestigungsmittel 6, beispielsweise in Form einer Schraube, derart in dem Gehäuse 3 angebracht, dass es über das Kontaktelement 51 Druck auf die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 ausübt. Vorzugsweise steht die Membran 21 durch das Befestigungsmittel 6 unter einer bestimmten Vorspannung, sodass jederzeit, beispielsweise auch bei Temperaturschwankungen, ein Kontakt zwischen Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 bzw. Kontaktelement 52 und schwingfähiger Einheit 2 besteht. Die Kontaktelemente 51, 52 sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie eine optimale Kraftübertragung in axialer Richtung ermöglichen. Beispielsweise wird dies durch endseitig halbkugelförmige Kontaktelemente 51, 52 erreicht. Die axiale Richtung entspricht einer Längsachse A des zumindest im Bereich der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 rohrförmigen Gehäuses 3.
Die andeutungsweise skizzierte Regel-/Auswerteeinheit 9 befindet sich in einem hier nicht dargestellten Gehäuseabschnitt oberhalb des Befestigungsmittels. Beispielsweise umfasst die Regel-/Auswerteeinheit 9 elektrische Bauteile, welche mit der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 und der schwingfähigen Einheit 2 einen Schwingkreis bilden, und einen Mikrocontroller. Dieser stellt beispielsweise die elektrischen Bauteile derart ein, dass eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Empfangssignal und Sendesignal erzeugt wird. Zur Anregung resonanter Schwingungen in Luft sind dies beispielsweise 90°. Die Bestimmung von Füllstand, Dichte und Viskosität mit einem Messgerät 1 der beschriebenen Art ist dem Fachmann hinlänglich bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben.
Zur erfindungsgemäßen Druckmessung verändert der Mikrocontroller beispielsweise zeitweise die Phasenverschiebung und ordnet dem Wert des nachfolgend aufgenommenen Empfangssignals an Hand eines zur Druckbestimmung in einem Speicher abgelegten Zusammenhangs oder einer Tabelle einen Druck zu. Gegebenenfalls vergleicht der Mikrocontroller den Druck mit einem zulässigen Schwellenwert und/oder speichert den Wert ab.
Die Membran 21 ist mit einem Randbereich endseitig in dem Gehäuse 3 eingespannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 drückt von innen gegen das Zentrum der Membran 21. Eine Druckbeaufschlagung von außen bewirkt daher eine konkave Verformung des zwischen Zentrum und Randbereich liegenden Bereichs der Membran 21. Das Zentrum und der Randbereich der Membran 21 werden kaum ausgelenkt.
Bei dem hier dargestellten Messgerät 1 handelt es sich um eine so genannte Schwinggabel für Flüssigkeiten. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen in Schwinggabeln für Schüttgüter oder so genannten Membranschwingern mit einer Membran ohne schwingende Stäbe als schwingfähiger Einheit anwendbar. Weiterhin kann die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 auch auf einen mit der Membran 21 verbundenen Bolzen aufgebrachte Ringpiezos als wesentliche Elemente der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 aufweisen. In einer wieder anderen Variante ist die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 als Bimorphpiezo ausgeführt, d. h. Antriebseinheit 41 und Empfangseinheit 42 sind als Segmente eines einzigen piezoelektrischen Elements ausgestaltet.
Darüber hinaus kann die Druckbestimmung mittels Kopplungsspannung auch bei so genannten Einstäben zur Füllstandsmessung in Schüttgütern eingesetzt werden. Derartige Messgeräte werden von der Anmelderin unter dem Namen „Soliphant T” hergestellt und vertrieben. Ein Einstab weist ein geschlossenes Rohr als schwingfähige Einheit auf, wobei in der Regel in dem Rohr eine Kompensationseinheit zur Vermeidung der Übertragung von Schwingungen auf die Einspannung angebracht ist. Die Antriebs-/Empfangseinheit eines Einstabes besteht beispielsweise aus zwei piezoelektrischen Scheiben mit jeweils zwei Segmenten entgegengesetzter Polarisation, wie in der EP 0 1573 282 A1 beschrieben.
2 zeigt eine Messkurve, welche den Wert U·cos(φ) der phasengewichteten Kopplungsspannung U in Abhängigkeit des auf die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 wirkenden Drucks p zeigt. Der auf die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 wirkende Druck entspricht dem Druck, der außerhalb des Messgerätes 1 in der Umgebung der schwingfähigen Einheit 2 vorherrscht, zusätzlich einem konstanten durch eine Vorspannung bewirkten Druck. Für Bimorphpiezos sind Umgebungsdruck und auf den Bimorphpiezo werkender Druck auf Grund der nicht vorhandenen Vorspannung im Wesentlichen identisch. Eine derartige Messkurve erhält man beispielsweise bei nicht-resonanter Anregung der schwingfähigen Einheit 2 durch Aufnahme des Empfangssignals und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdrucks.
Die Kopplungsspannung ist vom Druck abhängig, der in der Umgebung der schwingfähigen Einheit 2 herrscht und somit über die Membran 21 auf die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 wirkt. Mit steigendem Druck steigt die Kopplungsspannung an, wobei die Steigung für größere Drücke abnimmt. Bei einem Piezostapel gemäß 1 wirkt der Druck über das Kontaktelement auf die Antrieb-/Empfangseinheit 41, 42 in Form einer axialen Kraft. Eine äußere Druckeinwirkung über die Membran 21 hat auf den eingebauten Piezostapel somit die gleiche Wirkung wie die Vorspannung. Eine äußere Krafteinwirkung durch den Prozessdruck ist daher ebenso so wie die Vorspannung über die Kopplungsspannung messbar.
Die Kopplungsspannung hat eine mechanische und eine elektrische Komponente, welche konstruktionsbedingt phasengleich oder gegenphasig sind. In dem dargestellten Beispiel weist die elektrische Komponente eine Phasenverschiebung von 180° und die mechanische Komponente eine Phasenverschiebung von 0° auf. Wird kein Druck auf die schwingfähige Einheit 2 oder auf die Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 ausgeübt, überwiegt die elektrische Komponente, sodass das phasengewichtete Spannungssignal in diesem Fall negativ ist. Steigt die mechanische Komponente durch zunehmende Krafteinwirkung an, nimmt das phasengewichtete Kopplungssignal entsprechend positive Werte an, sobald die mechanische Komponente überwiegt. In anderen Ausgestaltungen, bei denen beide Komponenten positiv sind, nimmt das phasengewichtete Kopplungssignal von Anfang an nur positive Werte an, sodass die Auswertung der Amplitude des Kopplungssignals zur Druckbestimmung ausreicht. Beiden Ausgestaltungen ist gemein, dass mit steigender Krafteinwirkung von außen durch zunehmenden Druck die Kopplungsspannung werter ansteigt. Dieser Zusammenhang zwischen Kopplungsspannung und Druck wird als Tabelle, Vergleichskurve, oder in Form einer simulierten Formel in der Regel-/Auswerteeinheit 9 hinterlegt. Zur Kompensation des durch die Vorspannung verursachten Offsets in der Kopplungsspannung wird vorzugsweise ein fertigungsseitiger Abgleich durchgeführt, sodass die aufgenommenen Messwerte eindeutig einem entsprechenden Druck zugeordnet werden können.
Da die Kopplungsspannung während des Messbetriebs dem durch die Prozessgröße bestimmten Spannungssignal überlagert ist, erfolgt die Messung der Kopplungsspannung vorzugsweise nicht gleichzeitig zur Bestimmung der eigentlichen Prozessgrößen wie Füllstand, Dichte, und/oder Viskosität, sondern in einer separaten Messphase. Die eigentliche Messung muss hierzu jedoch nur sehr kurz unterbrochen werden, so dass eine Überwachung der eigentlichen Prozessgrößen durch die Druckmessung nicht gestört wird. Zur Messung der Kopplungsspannung wird die schwingfähige Einheit 2 außerhalb des Resonanzbereichs, vorzugsweise mit der Antiresonanzfrequenz oder der Abrissfrequenz, angeregt. In diesem Fall führt die schwingfähige Einheit 2 keine Schwingungen aus und das Empfangssignal besteht ausschließlich aus dem Kopplungssignal.
Die Druckmessung dient weniger der exakten Druckbestimmung zur Drucküberwachung im Prozess, als der Überwachung des Messgerätes 1. Messgeräte 1 der genannten Art sind für einen bestimmten Druckbereich zugelassen. Wird dieser Bereich beim Einsatz des Messgerätes 1 verlassen, ist eine Beschädigung beispielsweise der schwingfähigen Einheit 2 oder des Piezoantriebs möglich. Durch die Druckmessung kann der Einsatzbereich überwacht und ein Alarmsignal erzeugt werden, wenn der zugelassene Bereich verlassen wird. Weiterhin ist im Zuge einer Reparatur nachvollziehbar, ob das Messgerät 1 außerhalb der Spezifikation verwendet wurde.
Neben dem Druck ist die Kopplungsspannung auch von der Temperatur abhängig. Daher wird vorteilhaft die Temperatur am Ort des Messgeräts 1, insbesondere am Ort der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 bestimmt. Beispielsweise wird ein Thermoelement oder ein Widerstandssensor benachbart zu der Antriebs-/Empfangseinheit 41, 42 angeordnet oder die Temperaturinformation wird, wie in der bislang noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2010 030 791.2 beschrieben, an Hand eines Nutzsignals, welches bei Anregung mit einem außerhalb des Nutzbereichs liegenden Anregungssignal gewonnen oder im kontinuierlichen Betrieb ausgekoppelt wurde, bestimmt. Besonders vorteilhaft ist die Integration eines Thermoelements in den Piezostapel oder die Ausbildung eines Thermoelements mittels der Membran 21 und des Kontaktelements 52, welches die Membran 21 berührt. Die Temperaturkompensation erfolgt vorzugsweise indem eine Schar an Spannungs-Druck-Abhängigkeiten für verschiedene Temperaturen in der Regel-/Auswerteeinheit 9 gespeichert werden, die Temperatur gemessen wird, und die dieser Temperatur entsprechende hinterlegte Abhängigkeit zur Druckbestimmung verwendet wird. Alternativ geht die Temperatur in eine Formel zur Berechnung des Drucks als Parameter ein, welcher durch die Temperaturmessung bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Schwingfähige Einheit
21: Membran
3: Gehäuse
41: Antriebseinheit
42: Empfangseinheit
51: Kontaktelement
52: Kontaktelement
6: Befestigungsmittel
7: Antriebsgehäuse
8: Elektrische Kontaktleitungen
9: Regel-/Auswerteeinheit
A: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1134038 A1 [0003]
DE 102010039585 [0019]
EP 01573282 A1 [0034]
DE 102010030791 [0040]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit einem zumindest abschnittsweise rohrförmigen Gehäuse (3), mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (2), welche das Gehäuse (3) in einem ersten Endbereich verschließt, mit einer Antriebseinheit (41), welche die schwingfähige Einheit (2) zu im Wesentlichen resonanten mechanischen Schwingungen anregt, mit einer Empfangseinheit (42), welche mechanisch und elektrisch mit der Antriebseinheit (41) gekoppelt ist, und welche die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), welche der Antriebseinheit (41) ein elektrisches Sendesignal zuführt und welche das elektrische Empfangssignal empfängt und daraus die Prozessgröße bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Auswerteeinheit (9) dazu eingerichtet ist, aus einer Koppelspannung, welche sich auf Grund der elektrischen und mechanischen Kopplung der Antriebseinheit (41) und der Empfangseinheit (42) ergibt, den in einer Umgebung der schwingfähigen Einheit (2) vorherrschenden Prozessdruck zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (41) mindestens ein piezoelektrisches Antriebselement aufweist, dass die Empfangseinheit (42) mindestens ein piezoelektrisches Empfangselement aufweist, und dass das piezoelektrische Antriebselement und das piezoelektrische Empfangselement in einem Stapel angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (41) und die Empfangseinheit (42) als Bimorphpiezo ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand eines Schüttguts oder um den Füllstand und/oder die Dichte und/oder die Viskosität einer Flüssigkeit handelt.
Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Prozessdrucks mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Antriebseinheit (41) mit einem Sendesignal beaufschlagt wird, wobei an Hand des Empfangssignals zumindest zeitweise die Kopplungsspannung, gemessen wird und wobei aus einer hinterlegten Druckabhängigkeit der Kopplungsspannung der in der Umgebung der schwingfähigen Einheit (2) vorherrschende Prozessdruck bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Einheit (2) außerhalb eines Resonanzbereichs zu Schwingungen angeregt wird, und dass die Kopplungsspannung zumindest an Hand der Höhe des daraufhin empfangenen Empfangssignals bestimmt wird, oder dass die schwingfähige Einheit (2) zu resonanten Schwingungen angeregt wird und die Kopplungsspannung von dem durch die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (2) bedingten Anteil im Empfangssignal getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck zu vorgebbaren Zeitpunkten, vorzugsweise periodisch, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Prozessdruck zumindest zeitweise protokolliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwelle für den Prozessdruck festgesetzt wird, und dass der bestimmte Prozessdruck zumindest dann, wenn er oberhalb der Schwelle liegt, protokolliert wird, und/oder dass ein Alarm erzeugt wird, wenn der bestimmte Prozessdruck die Schwelle überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Prozessdrucks eine Temperaturkompensation durchgeführt wird.