DE102011089941A1

DE102011089941A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzwertes einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102011089941A1
Application number: DE201110089941
Authority: DE
Inventors: Christoph Schleith; Michael Dötsch
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US20150107356A1; EP2798317A1; EP2798317B1; US10067081B2; WO2013097989A1; CN104024809A

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens eines Grenzwerts einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sensoreinheit zur Aufnahme eines von der Prozessgröße abhängigen Messwertes und mit mindestens einer Elektronikeinheit (13) zur Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Messsignals (S). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, Energie über einen Spannungsausgang (21) und einen digitalen Eingang (22) einer Registrier-Vorrichtung oder eines Prozessleitsystems (2) zu beziehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens eines Grenzwerts einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer Sensoreinheit zur Aufnahme eines von der Prozessgröße abhängigen Messwertes und mit mindestens einer Elektronikeinheit zur Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Messsignals. Bei der Prozessgröße handelt es sich vorzugsweise um den Grenzstand, die Dichte, oder die Viskosität eines Mediums.
Aus dem Stand der Technik sind vibronische Grenzstandschalter bekannt, welche den Grenzstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts mit Hilfe einer mechanisch schwingfähigen Einheit überwachen. Die mechanisch schwingfähige Einheit, bei welcher es sich beispielsweise bei Schüttgütern um einen Stab und bei Flüssigkeiten um eine Gabel mit zwei Zinken handelt, wird zu resonanten Schwingungen angeregt. Die Schwingungsanregung erfolgt hierbei in der Regel mittels eines piezoelektrischen oder induktiven Wandlers. Ändert sich der Bedeckungsgrad der schwingfähigen Einheit mit dem Medium, dessen Grenzstand es zu überwachen gilt, beeinflusst dies die Schwingfrequenz der schwingfähigen Einheit. Durch Festlegen eines Grenzwertes und Vergleich der aktuellen Schwingfrequenz mit dem Grenzwert ist detektierbar, ob der Füllstand des Mediums den Grenzstand über- oder unterschreitet. Moderne vibronische Grenzstandschalter sind in der Lage, den Grenzstand auch bei stark ansatzbildenden oder schäumenden Medien zuverlässig zu bestimmen. Derartige Grenzstandschalter werden von der Anmelderin unter dem Namen Liquiphant in großer Vielfalt hergestellt und vertrieben.
Weiterhin bekannt sind auf dem kapazitiven oder konduktiven Prinzip beruhende Grenzstandschalter mit mindestens einer Elektrode. Ein weitere Elektrode oder der Behälter fungieren als Gegenelektrode. Der Grenzstand wird kapazitiv über die durch das als Dielektrikum wirkende Medium veränderte Kapazität des aus Elektrode und Gegenelektrode gebildeten Kondensators gemessen. Bei der konduktiven Messung schließt das leitfähige Medium die Elektrode und die Gegenelektrode kurz.
Die genannten Grenzstandschalter benötigen zur Messung elektrische Energie. Die Energieversorgung erfolgt in der Regel über eine 2-Leiter-Verbindung mit einer Spannungsquelle. Über eine dritte Leitung gibt der Grenzstandschalter das Schaltsignal an eine Registriervorrichtung oder Steuereinheit zur Steuerung nachgeordneter Feldgeräte, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuereinheit (SPS), weiter.
Ohne Hilfsenergie und hierdurch mit nur zwei Leitern kommen so genannte mechanische Schwimmer aus. Diese bestehen aus einem Stab, welcher vertikal in die Messflüssigkeit eingebracht ist, und einem oder mehreren magnetischen Schwimmkörpern, welche in vertikaler Richtung frei beweglich, aber von dem Stab geführt sind. Erreicht der Schwimmer den zu überwachenden Füllstand schließt er einen elektrischen Kontakt und verbindet hierdurch einen Ausgang und einen Eingang einer Verarbeitungseinheit. Derartige mechanische Schwimmschalter sind ohne Hilfsenergie betreibbar, jedoch verschleißanfälliger als beispielsweise vibronische oder kapazitive Grenzstandschalter.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung zur Erfassung eines Grenzwerts einer Prozessgröße bereit zu stellen, welche nur zwei Anschlussleiter benötigt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, Energie über einen Spannungsausgang und einen digitalen Eingang einer Registrier-Vorrichtung oder eines Prozessleitsystems zu beziehen.
Erfindungsgemäß wird ein Messgerät vorgeschlagen, welches die für den Betrieb benötigte Energie von einer Registriervorrichtung oder einem Prozessleitsystem bezieht und somit keinen separaten Anschluss für die Versorgung mit Hilfsenergie benötigt.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung handelte es sich bei dem Messsignal um ein Schaltsignal, welches in Abhängigkeit der Prozessgröße einen von zwei möglichen Zuständen annimmt.
In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Spannungsregeleinrichtung auf, welche den Spannungsausgang mit dem digitalen Eingang verbindet.
Gemäß einer Ausgestaltung regelt die Spannungsregeleinrichtung in Abhängigkeit des Messsignals die Klemmenspannung der Vorrichtung.
In einer Weiterbildung versorgt die Spannungsregeleinrichtung die Elektronikeinheit mit einer konstanten Leistung.
In einer Weiterbildung besitzt die Spannungsregeleinrichtung einen veränderbaren Innenwiderstand.
Gemäß einer Ausgestaltung handelt es sich bei der nachgeordneten Steuer- und/oder Registrier-Vorrichtung um eine speicherprogrammierbare Steuerung oder um einen digitalen Bildschirmschreiber.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Prozessgröße um einen Grenzstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in dem Behälter oder um einen Grenzwert für die Dichte oder die Viskosität des Mediums.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoreinheit als mechanisch schwingfähige Einheit mit einer Antriebs-/Empfangseinheit, welche die schwingfähige Einheit zu Schwingungen anregt und die Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, ausgestaltet ist, und dass die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, die Schwingungsanregung zur regeln und das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auszuwerten.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoreinheit als konduktive oder kapazitive Sonde mit mindestens einer Elektrode ausgestaltet ist und dass die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, die Elektrode mit einem elektrischen Sendesignal zu beaufschlagen, ein elektrisches Empfangssignal zu empfangen und das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auszuwerten.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein vibronisches Messgerät;
2 zeigt schematisch die Komponenten eines vibronischen Messgeräts und dessen Energieversorgung.
In 1 ist ein vibronisches Messgerät 1 zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Grenzstands, der Dichte, oder der Viskosität eines Mediums in einem Behälter skizziert. Eine derartige Vorrichtung zur Überwachung eines vorgegebenen Grenzstands wird auch als vibronischer Grenzstandschalter bezeichnet. Das Messgerät 1 ist auf einer zu überwachenden Füllstandshöhe derart in dem Behälter 3 positioniert, dass die schwingfähige Einheit 11 in den Behälter 3 hineinragt, während das Gehäuse außerhalb des Behälters 3 verbleibt. Die schwingfähige Einheit 11 wird von zwei Schwingstäben gebildet, welche über eine Membran miteinander gekoppelt und über diese zu mechanischen Schwingungen anregbar sind. Auf der dem Medium 4 abgewandten Rückseite der Membran ist eine elektromechanische Wandlereinheit 12 angeordnet, welche die schwingfähige Einheit 11 zu resonanten mechanischen Schwingungen anregt und mechanische Schwingungen von dieser empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 12 ist beispielsweise von einem oder mehreren piezoelektrischen oder induktiven Wandlerelementen gebildet.
An Stelle der beiden Schwingstäbe kann die schwingfähige Einheit 11 auch von einem Schwingstab oder einer Membran gebildet werden.
Die Anregung zu Schwingungen erfolgt in der Regel über einen analogen Schwingkreis, wobei eine Phasenverschiebung zwischen Anregungssignal und Empfangssignal fest vorgegeben wird, oder digital mittels eines so genannten Frequenzsweeps, bei welchem das Anregungssignal kontinuierlich ein vorgegebenes Frequenzband in diskreten Schritten durchläuft und hierbei auch die Resonanzfrequenz überstreicht.
Zur Bestimmung der Prozessgröße wertet die Elektronikeinheit 13 mindestens eine Schwingungseigenschaft an Hand des Empfangssignals aus. Hierzu weist die Elektronikeinheit 13 eine Logikeinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers oder eines FPGAs (Field Programmable Gate Array). Zur Füllstandsmessung wertet die Logikeinheit die Schwingfrequenz bei Anregung zu resonanten Schwingungen aus, indem sie die gemessene Frequenz mit einer hinterlegten Grenzfrequenz vergleicht. Liegt die Schwingfrequenz unterhalb dieses Schwellwerts, ist die schwingfähige Einheit 11 mit Medium 4 bedeckt; liegt sie darüber, schwingt die schwingfähige Einheit 11 frei.
Analog zu dem Grenzstand sind auch für die Dichte oder die Viskosität Schwellwerte hinterlegbar, deren Über- oder Unterschreiten detektierbar und in Form eines Schaltsignals ausgebbar ist.
Grenzstandschalter finden häufig als Überfüllsicherung oder als Leerlaufschutz bei Pumpen Anwendung. Das Ausgangssignal des Grenzstandschalters, beispielsweise ein 4...20 mA Signal, wird hierzu einer Prozesssteuerung zugeführt, welche in Abhängigkeit des Ausgangssignals nachgeordnete Aktoren, wie beispielsweise Ventile oder Pumpen steuert.
Neben vibronischen Grenzstandsschaltern sind auch auf dem konduktiven oder kapazitiven Prinzip beruhende Grenzstandschalter bekannt. Diese weisen eine Sondeneinheit mit mindesten einer Elektrode auf, welche mit einem elektrischen Anregungssignal beaufschlagt wird. Aus der Kapazität zwischen der Elektrode und einer Masseelektrode oder der Behälterwandung oder an Hand der Leitfähigkeit ist der Füllstand bestimmbar.
Die Erfindung wird hier am Beispiel der Schwinggabel als Grenzstandschalter erläutert, ist jedoch gleichermaßen bei anderen Vorrichtungen zur Erfassung von Grenzwerten von Prozessgrößen und Ausgabe von Schaltsignalen, insbesondere bei Grenzstandschaltern, einsetzbar. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Messgerät um ein beliebiges Messgerät zur Ausgabe zweier Zustände handeln.
2 offenbart ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen vibronischen Grenzstandschalters. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal in Form eines Schaltsignals, welches zwei Werte annehmen kann, wobei ein Wert „Bedeckt” und der andere Wert „Frei” bedeutet.
Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Grenzstandschaltern benötigt der erfindungsgemäße Grenzstandschalter keine zwei Leiter zur Energieversorgung und einen dritten zur Übermittlung des Ausgangssignals an eine nachgeordnete Registrier-Vorrichtung zur Aufzeichnung und/oder graphischen Darstellung der Messwerte des Grenzstandschalters oder ein Prozessleitsystem. Vielmehr reichen zwei Leiter aus. Hierzu ist das Messgerät 1 mit zwei Leitern an einen Spannungsausgang 21 und einen digitalen Eingang 22 des Prozessleitsystems 2, beispielsweise einer SPS, angeschlossen. Der Spannungsausgang 21 stellt eine konstante Spannung bereit, beispielsweise 24 V. Die für den Betrieb des Messgeräts 1 benötigte Leistung liegt in der Regel in der Größenordnung von 1–10 mW und ist somit dem Prozessleitsystem 2 problemlos entnehmbar.
Die Spannungsregeleinrichtung 14 des Messgeräts 1 ist zwischen die beiden Klemmen geschaltet und verbindet den Spannungsausgang 21 mit dem digitalen Eingang 22. Abhängig von dem den Schaltzustand repräsentierenden Messsignal S, welches der Spannungsregeleinrichtung 14 von der Elektronikeinheit 13 zugeführt wird, stellt die Spannungsregeleinrichtung 14 die Klemmenspannung auf einen ersten oder zweiten Wert ein. Um ein eindeutiges Ausgangssignal zu erzeugen liegt der erste Wert beispielsweise zwischen 1 und 5 V und der zweite Wert zwischen 20 und 24 V, vorzugsweise bei 5 V und 20 V. Die Einstellung der Klemmenspannung erfolgt beispielsweise über eine Regelung des Innenwiderstands der Spannungsregeleinrichtung 14. Vorzugsweise sind die beiden Widerstandswerte derart gewählt, dass die Leistungsentnahme für beide Werte der Klemmenspannung gleich ist. Der Elektronikeinheit 13 wird somit unabhängig vom Schaltzustand eine konstante Leistung zur Verfügung gestellt.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
11: Schwingfähige Einheit
12: Elektronikeinheit
13: Spannungsregeleinrichtung
14: Leistungsregeleinrichtung
2: Prozessleitsystem
21: Analoger Ausgang
22: Digitaler Eingang
3: Behälter
4: Medium
S: Messsignal

Claims

Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens eines Grenzwerts einer Prozessgröße eines Mediums (4) in einem Behälter (3), mit mindestens einer Sensoreinheit zur Aufnahme eines von der Prozessgröße abhängigen Messwertes und mit mindestens einer Elektronikeinheit (13) zur Erzeugung eines von der Prozessgröße abhängigen Messsignals (S) dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, Energie über einen Spannungsausgang (21) und einen digitalen Eingang (22) einer Registrier-Vorrichtung oder eines Prozessleitsystems (2) zu beziehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messsignal (S) um ein Schaltsignal handelt, welches in Abhängigkeit der Prozessgröße einen von zwei möglichen Zuständen annimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Spannungsregeleinrichtung (14) aufweist, welche den Spannungsausgang (21) mit dem digitalen Eingang (22) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregeleinrichtung (14) in Abhängigkeit des Messsignals (S) die Klemmenspannung der Vorrichtung (1) regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregeleinrichtung (14) die Elektronikeinheit (13) mit einer konstanten Leistung versorgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregeleinrichtung (14) einen veränderbaren Innenwiderstand besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der nachgeordneten Steuer- und/oder Registrier-Vorrichtung (2) um eine speicherprogrammierbare Steuerung oder um einen digitalen Bildschirmschreiber handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um einen Grenzstand einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in dem Behälter oder um einen Grenzwert für die Dichte oder die Viskosität des Mediums (4) handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit als mechanisch schwingfähige Einheit (11) mit einer Antriebs-/Empfangseinheit (12), welche die schwingfähige Einheit (11) zu Schwingungen anregt und die Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfangssignal umwandelt, ausgestaltet ist, und dass die Elektronikeinheit (13) dazu ausgestaltet ist, die Schwingungsanregung zur regeln und das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auszuwerten.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit als konduktive oder kapazitive Sonde mit mindestens einer Elektrode ausgestaltet ist und dass die Elektronikeinheit (13) dazu ausgestaltet ist, die Elektrode mit einem elektrischen Sendesignal zu beaufschlagen, ein elektrisches Empfangssignal zu empfangen und das Empfangssignal in Bezug auf die Prozessgröße auszuwerten.