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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors, welcher der Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter dient, sowie eine entsprechende Vorrichtung. Alternativ kann sich das Medium, für welches eine Prozessgröße bestimmt wird, auch in einer Rohrleitung befinden. Bei der Prozessgröße wiederum kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, die Dichte oder auch die Viskosität des Mediums handeln.
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Vibronische Sensoren finden vielfach Verwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.
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Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
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Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Die Erfüllung der Schwingkreisbedingung entspricht dann der Gewährleistung einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal. Dazu wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden.
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Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude
A und/oder Phase
Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Zur Überwachung eines vorgegebenen Füllstands des Mediums wird beispielsweise detektiert, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, unterschieden. Zur Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität muss die schwingfähige Einheit mit Medium bedeckt sein. Wie die Dichte und/oder Viskosität im Detail ermittelt werden können, ist beispielsweise in den Dokumenten
DE10050299A1 ,
DE102007043811A1 ,
DE10057974A1 , oder
DE102015102834A1 beschrieben.
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Auch zur Diagnose eines vibronischen Sensors sind im Stand der Technik verschiedenste Verfahren für verschiedenste mögliche Fehlfunktionen eines vibronischen Sensors bekannt geworden. Zur Detektion eines Kabelbruchs ist aus der
DE102004027397A1 ein vibronischer Sensor mit einer Rückkoppelelektronik sowie einer Zusatzelektronik bekannt geworden. Eine weitere Möglichkeit zur Detektion eines Kabelbruchs sowie eine Möglichkeit zur Überprüfung eines piezoelektrischen Elements eines solchen Sensors sind ferner aus der
DE102008032887 bekannt geworden. Die Elektronikeinheit verfügt über eine Testeinheit, welche während einer Testphase ein von einem Impedanzwert eines Sendekanals abhängiges Sendekanal-Testsignal und ein von einem Impedanzwert eines Empfangskanals abhängiges Empfangskanal-Testsignal verarbeitet und/oder auswertet.
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In Bezug auf mögliche Fehlfunktionen der mechanisch schwingfähigen Einheit ist es aus der
DE10014724A1 bekannt geworden anhand der Auswertung einer ersten und einer zweiten Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit auf eine Massenänderung zu schließen. Die Massenänderung kann wiederum Aufschluss über das Vorhandensein eines Ansatzes an der schwingfähigen Einheit, oder über das Vorliegen von Korrosion an derselben geben. Die
DE102009045204A1 dagegen beschreibt eine Möglichkeit zur Detektion von Ansatz anhand der Abklingrate der Amplitude und anhand eines Frequenzsuchlaufs, welcher ein schmales Frequenzband um eine Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit herum beinhaltet. Die genannten Verfahren sind jedoch zum einen stets auf spezielle Diagnosen, beispielsweise das Erkennen von Ansatzbildung beschränkt. Zum anderen sind sie teilweise nur losgelöst vom Normalbetrieb durchführbar.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Möglichkeit bereitzustellen, Fehlfunktionen eines vibronischen Sensors detektieren zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist, nach Anspruch 14.
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Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines vibronischen Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Anregen einer schwingfähigen Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals einstellbarer Anregefrequenz zu mechanischen Schwingungen,
- - Empfangen der mechanischen Schwingungen von der schwingfähigen Einheit,
- - Umwandeln der mechanischen Schwingungen in ein elektrisches Empfangssignal,
- - Erzeugen eines Spektrums anhand des Empfangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe als Funktion der Anregefrequenz, und
- - Ermitteln einer Aussage über den Zustand der schwingfähigen Einheit anhand des Spektrums.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann also unmittelbar eine Aussage über den Zustand der schwingfähigen Einheit getroffen werden. Dabei ist das Verfahren nicht auf eine spezielle Diagnose beschränkt. Es können vielmehr verschiedene mögliche Fehlfunktionen detektiert werden, wie nachfolgend beschrieben ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Spektrum anhand des Empfangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe erzeugt. Mittels eines solchen Spektrums, auch als Frequenzspektrum bezeichnet, ist das Empfangssignal oder eine davon abgeleitete Größe als Funktion der Frequenz, also im Prinzip eine Verteilungsfunktion des Empfangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe, darstellbar. Dies erlaubt eine umfassende Zustandsüberwachung des vibronischen Sensors. Das Spektrum gibt dabei Aufschluss über verschiedene charakteristische, insbesondere intrinsische, Eigenschaften der schwingfähigen Einheit sowie über deren Schwingungsverhalten. Anhand einer, insbesondere zeitlichen, Änderung zumindest eines Teilabschnitts des Spektrums kann also auf eine Veränderung an der schwingfähigen Einheit geschlossen werden.
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Zur Erzeugung des Spektrums kann ein geeignetes Frequenz-Intervall, bevorzugt innerhalb eines Frequenz-Arbeitsbereiches des jeweiligen Sensors, gewählt werden. Besonders bevorzugt umfasst das Frequenz-Intervall zumindest die Resonanzfrequenz der Schwingungsmode, welche im Normalbetrieb des Sensors verwendet wird. Innerhalb dieses Intervalls werden dann verschiedene Werte für die Anregefrequenz durchfahren, bevorzugt in kontinuierlichen, vorgebbaren Schritten, beispielsweise in der Größenordnung von 1 Hz.
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Ein mechanisch schwingfähiges System verfügt grundsätzlich über eine Vielzahl charakteristischer Schwingungsmoden, deren Lagen anhand des Spektrums ermittelt werden können, sofern durch das Spektrum die jeweiligen Frequenzbereiche abgedeckt sind. Jede charakteristische Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit ist dabei durch einen charakteristischen Verlauf des jeweiligen Spektrums bei derjenigen Resonanzfrequenz, welche der jeweiligen Schwingungsmode entspricht, gekennzeichnet. Da das Anregesignal grundsätzlich u.a. durch seine Frequenz f, Amplitude A und/oder Phase Φ charakterisiert ist, lassen sich anhand dieser Größen auf besonders einfache Weise Zustandsüberwachungen der schwingfähigen Einheit vornehmen.
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So beinhaltet eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, dass es sich bei dem Spektrum um ein Spektrum einer Amplitude oder einer Phase des Empfangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe als Funktion der Anregefrequenz handelt.
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In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn eine Resonanzfrequenz einer vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit anhand einer zu einem Maximum der Amplitude zugehörigen Frequenz detektiert wird. Alternativ ist es von Vorteil, wenn eine Resonanzfrequenz einer vorgebbaren Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit oder anhand einer zu einer sprunghaften Änderung der Phase zugehörigen Frequenz detektiert wird. Die erste Ausgestaltung betrifft dabei bevorzugt den Fall, dass ein Spektrum der Amplitude erzeugt wird, während die zweite Ausgestaltung bevorzugt im Falle eines Spektrums der Phase angewendet wird.
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Im Normalfall sind die Schwingungsmoden der schwingfähigen Einheit jeweils durch genau eine Frequenz gekennzeichnet. Bei der jeweiligen Frequenz sind dann im Amplitudenspektrum jeweils ein Maximum der Amplitude und im Phasenspektrum ein Phasensprung detektierbar. Liegt dagegen eine Asymmetrie im Bereich des aus der schwingfähigen Einheit gebildeten Schwingungssystems vor, so kommt es zu einer Aufspaltung von zumindest einer Resonanzfrequenz zumindest einer der Schwingungsmoden in zumindest zwei unterschiedliche Frequenzen. Entsprechend sind in diesem Falle zumindest zwei Maxima für die Amplitude im Amplitudenspektrum bzw. zumindest zwei Phasensprünge für ein und dieselbe Schwingungsmode detektierbar.
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Hierauf basierend wird in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ermittelt, ob eine Aufspaltung der Resonanzfrequenz der vorgebbaren Schwingungsmode in zumindest eine erste und eine zweite Frequenz mit einem ersten Frequenzabstand vorliegt. Im Falle, dass das Vorliegen der Aufspaltung anhand eines Spektrums der Amplitude ermittelt wird, wird überprüft, ob zwei Maxima der Amplitude vorliegen, während im Falle eines Spektrums der Phase zwei Phasensprünge detektierbar sind.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Aufspaltung anhand eines Vergleichs des ersten Frequenzabstands mit einem zweiten Frequenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz und einer Resonanzfrequenz einer benachbarten Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit ermittelt wird. In Vielen Fällen ist der Frequenzabstand zwischen der ersten und zweiten Frequenz deutlich geringer als der Frequenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz der vorgebbaren und der Resonanzfrequenz einer benachbarten Schwingungsmode. Durch dieses Vorgehen kann die Aufspaltung einer einzigen zu der vorgebbaren Schwingungsmode gehörigen Resonanzfrequenz von den intrinsischen Eigenschaften, bzw. charakteristischen Verläufen des Spektrums unterschieden werden. In vielen Fällen liegt ein direkter Hinweis auf das Vorliegen einer Aufspaltung der Resonanzfrequenz vor, wenn beispielsweise der erste Frequenzabstand kleiner, insbesondere deutlich kleiner, ist als der zweite Frequenzabstand.
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Besonders bevorzugt ist der erste Frequenzabstand kleiner als eine für den jeweiligen Sensor vorgebbare Schaltpunkthysterese. Die Schaltpunkthysterese wird allgemein auch als Frequenz-Schaltpunkthysterese , Frequenzhysterese oder auch einfach als Hysterese bezeichnet. Unter der Schaltpunkthysterese sei dabei ein Frequenzintervall zur Beeinflussung des Schaltverhaltens des vibronischen Sensors zwischen dem Freizustand und dem Bedecktzustand verstanden. Mithilfe der Schaltpunkthysterese kann ein ungewolltes Hin- und Herschalten des jeweiligen Sensors, beispielsweise aufgrund von Schaumbildung, oder aufgrund sich einer zyklisch ändernden Bedeckung der schwingfähigen Einheit durch das Medium, vermieden werden. Je nachdem, ob die schwingfähige Einheit zunehmend in das jeweilige Medium eintaucht, oder aus dem jeweiligen Medium austaucht, wird ein Schaltvorgang beispielsweise bei zwei unterschiedlichen Frequenzwerten ausgelöst.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei der Resonanzfrequenz um eine Resonanzfrequenz einer Grundschwingungsmode der schwingfähigen Einheit.
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Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass im Falle, dass der erste Frequenzabstand einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, eine Aussage über den Zustand der schwingfähigen Einheit generiert und/oder ausgegeben wird. Das Aufspalten der Resonanzfrequenz ist ein unmittelbarer Indikator für verschiedene Fehlfunktionen der schwingfähigen Einheit.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn der vorgebbare Grenzwert in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit gewählt wird. Eine derartige Wahl ist insbesondere im Falle einer Überwachung eines Füllstandes von Vorteil, da auch der jeweilige Schaltpunkt in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz definiert wird.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Aussage um eine Aussage über eine Asymmetrie im Bereich der schwingfähigen Einheit handelt. Eine Asymmetrie im Bereich der schwingfähigen Einheit geht grundsätzlich mit einer Aufspaltung zumindest einer Resonanzfrequenz einer vorgebbaren Schwingungsmode einher. Eine Asymmetrie kann sich dabei auf unterschiedliche Ursachen beziehen. Hierzu ist zu erwähnen, dass die Resonanzfrequenz eines mechanischen Schwingungssystems grundsätzlich beispielsweise von dessen Steifigkeit und Masseverteilung abhängt.
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So beinhaltet eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung, dass es sich bei der Aussage um eine Aussage über ein asymmetrisches Massenträgheitsmoment oder über eine asymmetrische Steifigkeit der schwingfähigen Einheit handelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Aussage um eine Aussage über eine, insbesondere asymmetrische, Korrosion oder Abrasion im Bereich der schwingfähigen Einheit, oder um eine Aussage über das Vorliegen eines, insbesondere asymmetrisch verteilten, Ansatzes an der schwingfähigen Einheit. Im Falle einer schwingfähigen Einheit in Form einer Schwinggabel kann beispielsweise einer der beiden Gabelzinken stärker von Abrasion, Korrosion oder Ansatzbildung betroffen sein.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Erzeugung des Spektrums für das Anregesignal nacheinander sukzessiv aufeinander folgende Frequenzen innerhalb eines vorgebbaren Frequenz-Intervalls gewählt werden.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Frequenz-Intervall zur Erzeugung des Spektrums relativ zur Lage der Resonanzfrequenz bestimmt wird. Bevorzugt liegt das Frequenz-Intervall symmetrisch um die Resonanzfrequenz herum.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums in einem Behälter umfassend eine Elektronikeinheit und eine mechanisch schwingfähige Einheit, wobei die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zumindest ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Bevorzugt handelt es sich bei der schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel mit zwei an einer Membran befestigten Schwingelementen. Eine Asymmetrie kann für diese Ausgestaltung beispielsweise durch eine ungleichmäßig auftretende Korrosion oder Abrasion an den beiden Schwingelementen oder durch die ungleichmäßige Bildung von Ansatz an den beiden Schwingelementen gegeben sein. Aber auch Asymmetrien im Bereich der Membran können zu einer Aufspaltung der Resonanzfrequenz führen.
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Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Ausführungsformen mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar sind und umgekehrt.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - 4 näher beschrieben. Es zeigt:
- 1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik,
- 2: eine schematische Zeichnung einer schwingfähigen Einheit in Form einer Schwinggabel,
- 3 ein Spektrum der Amplitude für ein Frequenz-Intervall im Bereich der Grundschwingungsmode einer Schwinggabel (a) ohne Frequenzaufspaltung, (b) mit Frequenzaufspaltung im Falle von Schwingungen an Luft für zwei unterschiedliche Schwinggabeln, und (c) mit einer Frequenzaufspaltung einer der Gabeln aus (b) im Falle von Schwingungen in Wasser, und
- 4 Spektren der (a) Amplitude und (b) der Phase des Empfangssignals als Funktion der Frequenz für unterschiedlich starke Aufspaltungen der Resonanzfrequenz.
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Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 3 umfassend eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel gezeigt, welche teilweise in ein Medium 2 eintaucht, welches sich in einem Behälter 2a befindet. Die schwingfähige Einheit wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors unter die Erfindung fallen. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 6 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
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In 2 ist eine schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, wie sie beispielsweise im von der Anmelderin unter dem Namen LIQUIPHANT vertriebenen vibronischen Sensor 1 integriert wird, in einer Seitenansicht gezeigt. Die Schwinggabel 4 umfasst zwei an eine Membran 7 angeformte Schwingelemente in Form der Schwingstäbe 8a,8b, an welche endseitig zwei Paddel 9a,9b angeformt sind. Die Schwingstäbe 8a,8b zusammen mit den Paddeln 9a,9b werden häufig auch als Gabelzinken bezeichnet. Um die mechanisch schwingfähige Einheit 4 in mechanische Schwingungen zu versetzen, wird mittels einer auf der den Schwingstäben 8a,8b abgewandten Seite der Membran 7 stoffschlüssig angebrachten Antriebs-/Empfangseinheit 5 eine Kraft auf die Membran 7 aufgeprägt. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist eine elektromechanische Wandlereinheit, und umfasst beispielsweise ein piezoelektrisches Element, oder auch einen elektromagnetischen Antrieb [nicht gezeigt]. Entweder sind die Antriebseinheit 5 und die Empfangseinheit als zwei separate Einheiten aufgebaut, oder als kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit. Im Falle, dass die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ein piezoelektrisches Element umfasst, wird die der Membran 7 aufgeprägte Kraft über das Anlegen eines Anregesignals UA , beispielweise in Form einer elektrischen Wechselspannung, generiert. Eine Änderung der angelegten elektrischen Spannung bewirkt eine Änderung der geometrischen Form der Antriebs-/Empfangseinheit 5, also eine Kontraktion bzw. eine Relaxation innerhalb des piezoelektrischen Elements derart, dass das Anlegen einer elektrischen Wechselspannung als Anregesignal UA zu einer Schwingung der stoffschlüssig mit der Antriebs-/Empfangseinheit 5 verbundenen Membran 7 hervorruft. Umgekehrt werden die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit über die Membran an die Antriebs-/Empfangseinheit 5 übertragen und in ein elektrisches Empfangssignal Ue umgewandelt. Die Frequenz des Empfangssignals Ue entspricht dabei der mechanischen Schwingungsfrequenz f der schwingfähigen Einheit 4.
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Die schwingfähige Einheit 4 ist im fortlaufenden Betrieb des jeweiligen vibronischen Sensors 1 stets dem Prozess, also dem jeweiligen Medium 2 ausgesetzt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit bezieht sich die nachfolgende Beschreibung auf das Beispiel einer schwingfähigen Einheit 4 in Form einer Schwinggabel wie in 2 gezeigt.
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In 3 sind Spektren der Amplitude A als Funktion der Frequenz gezeigt, welche die Resonanzfrequenz einer Schwinggabel, wie in 2 gezeigt, für die Grundschwingungsmode beinhalten. Es sei darauf verwiesen, dass analoge Überlegungen gelten, wenn alternativ Spektren des Empfangssignals, oder einer beliebigen anderen davon abgeleiteten Größe erstellt und betrachtet werden. Neben der Phase kommen hier auch funktionale Kombination verschiedener Größen, wie beispielsweise der Amplitude und/oder Phase Empfangssignals zur Erzeugung des Spektrums infrage.
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In 3a ist ein übliches Spektrum der Amplitude A als Funktion der Frequenz ohne eine Frequenzaufspaltung an Luft gezeigt. Dieses Spektrum entspricht einem intakten voll funktionsfähigen Sensor 1. Bei der Resonanzfrequenz f0 weist die Amplitude A einen maximalen Wert Amax auf. Wenn die schwingfähige Einheit in ein Medium 2 eintaucht, so sinkt die Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzwerten. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz f0 durch das Medium 2 hängt dabei einerseits von den Eigenschaften des Mediums 2, beispielsweise dessen Dichte oder Viskosität, und andererseits von der Eintauchtiefe der schwingfähigen Einheit 4 in das Medium 2 ab. Üblicherweise wird zur Überwachung des Füllstands ein sogenannter Schaltpunkt S definiert. Dieser entspricht im Prinzip einer vorgebbaren Frequenzverschiebung. Erreicht die Resonanzfrequenz f0 eine Frequenz, welche dem Schaltpunkt S entspricht, wird das Erreichen des jeweiligen vorgegebenen Füllstands signalisiert. Und beispielsweise jeweils ein Schaltvorgang ausgelöst.
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Schwinggabeln 4 sind üblicherweise symmetrisch ausgestaltet, was für das Schwingungsverhalten der Schwinggabel 4 von höchster Bedeutung ist. Insbesondere sind die beiden Schwingelemente 8a, 9a, und 8b, 9b im Wesentlichen identisch ausgestaltet, sowohl den verwendeten Materialien als auch in Bezug auf die geometrischen Dimensionen. Darüber hinaus sollten die Schwingelemente 8a, 9a, und 8b, 9b symmetrisch bezogen auf den Mittelpunkt durch die Membran 7 an derselben befestigt sein. Neben ggf. unvermeidlichen Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Schwinggabel 4 kann es je nach Medium 2 im Bereich der Schwinggabel 4 oder auch im Bereich der Membran 7 dazu kommen, dass Asymmetrien zwischen den beiden Schwingelementen 8a,8b, 9a,9b auftreten, beispielsweise durch die Bildung von Ansatz, oder auch durch Korrosion oder Abrasion. Aber auch ein zumindest teilweises Abreißen zumindest einer Komponente der schwingfähigen Einheit 4, beispielsweise eines Gabelzinkens 9a,9b, oder eines Teils eines Gabelzinkens 9a,9b, ist möglich. Es sei darauf verwiesen, dass die hier aufgezählten Ursachen für das Auftreten einer Asymmetrie und damit einhergehend einer Frequenzaufspaltung beispielhaft für die möglichen Probleme sind, welche im Bereich der schwingfähigen Einheit 4 auftreten können, und dass die Aufzählung entsprechend keineswegs abschließend ist.
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Zur Illustrierung der Frequenzaufspaltung der Resonanzfrequenz f0 sind in 3b zwei Spektren 1 und 2 der Amplitude als Funktion der Frequenz für unterschiedlich starke Aufspaltungen der Resonanzfrequenz f0 gezeigt. Für das Spektrum 1 spaltet die Resonanzfrequenz f0 in eine erste Frequenz f0,1 und f'0,1 mit einem ersten Frequenzabstand Δf1 auf. Bei beiden Frequenzen durchläuft die Amplitude A jeweils ein Maximum Amax,1 bzw. A’max,1 . Für dieses Spektrum 1 liegen beide Frequenzen f0,1 und f‘0,1 oberhalb des Schaltpunkts S. Der Sensor 1 kann in diesem Zustand trotz des Vorliegens einer Frequenzaufspaltung noch ein korrektes Schaltverhalten aufweisen. Dies ist auch der Fall, wenn im eingetauchten Zustand der schwingfähigen Einheit 4 die Resonanzfrequenz f0‘ so sinkt, dass sowohl die erste f0,1' als auch die zweite f‘0,1' Frequenz unterhalb des Schaltpunkts S liegen, wie in 3c anhand des Spektrums 1' für den Fall von Wasser gezeigt.
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Anders sieht die Situation aus, wenn der Abstand Δf2 zwischen der ersten f0,2 und zweiten Frequenz f‘0,2 größer wird, wie im Falle des Spektrums 2. Analog zu Spektrum 1 durchläuft die Amplitude A bei der ersten f0,2 und zweiten Frequenz f‘0,2 jeweils ein Maximum Amax,2 bzw. A‘max,2 . Allerdings liegt die erste Frequenz f0,2 oberhalb des Schaltpunkts S, während die zweite Frequenz f‘0,2 unterhalb des Schaltpunkts S liegt. In diesem Falle kann es, ohne dass eine Änderung des Pegels des Mediums 2 auftritt, zum Auslösen eines Schaltvorgangs kommen, beispielsweise wenn die schwingfähige Einheit 4 zuerst mit der ersten Frequenz f0,2 schwingt und dann in eine Schwingung mit der zweiten Frequenz f‘0,2 übergeht. Um dies zu vermeiden, beinhaltet eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, dass eine Meldung generiert wird, wenn die Aufspaltung der Frequenz f0 einen vorgebbaren Grenzwert Δfg [nicht eingezeichnet] überschreitet. Dieser Grenzwert wird bevorzugt in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz f0 definiert, da auch der Schaltpunkt S in vielen Fällen in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz f0 definiert wird.
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Im Falle sämtlicher in 3 gezeigter Spektren sind die jeweiligen ersten Frequenzabstände Δf1 , Δf1‘ und Δf2 jeweils kleiner als ein zweiter Frequenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz f0 und einer, in den Grafiken der 3 nicht gezeigten, Resonanzfrequenz f1 einer benachbarten Schwingungsmode der schwingfähigen Einheit 4.
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Eine Asymmetrie im Bereich der schwingfähigen Einheit 4 kann, wie bereits erwähnt, auf verschiedenste Arten und Weisen verursacht werden, einerseits während der Fertigung oder auch im fortlaufenden Betrieb durch Kontakt mit dem jeweiligen Medium 2. Typischerweise bedingt das Auftreten einer Asymmetrie eine Abweichung der Massenträgheitsmomente oder der Steifigkeitsverteilung zwischen den beiden Schwingelementen 8a,9a und 8b,9b. Aber auch im Bereich der Membran 7 kann eine Asymmetrie auftreten, beispielsweise wenn unterschiedliche Bereiche der Membran 7 unterschiedlich stark von einem Medium 2 angegriffen werden.
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Neben dem möglichen Auftreten Fehlfunktionen im laufenden Messbetrieb, wie anhand der 3b erläutert, kann eine Asymmetrie außerdem bewirken, dass eine resultierende Kraft und/oder ein resultierendes Drehmoment auf den jeweiligen Behälter 2a einwirkt, an oder in welchem der Sensor 1 angebracht ist.
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Zur weiteren Veranschaulichung des Aufspaltens der Resonanzfrequenz f0 sind in 4 jeweils zwei Spektren 1 und 2 gezeigt. 4a zeigt dabei Spektren der Amplitude A als Funktion der Frequenz und 4b Spektren der Phase Φ als Funktion der Frequenz f. Ähnlich wie in 3b betreffen die beiden Spektren 1 und 2 jeweils zwei unterschiedlich stark ausgeprägte Frequenzaufspaltungen. Wie Bereits in Zusammenhang mit 3 erläutert durchläuft die Amplitude A bei den ersten f0,1 bzw. f0,2 und zweiten Frequenzen f‘0,1 bzw. f‘0,2 der beiden Spektren 1 und 2 jeweils ein Maximum Amax,1 , A‘max1 bzw. Amax2 , A‘max2 . Für das Spektrum 1 liegen wie im Falle der 3a die erste f0,1 und zweite Frequenz f‘0,1 jeweils oberhalb des Schaltpunktes S. Dagegen liegen die beiden Frequenzen f0,2 bzw. f‘0,2 im Falle des Spektrums 2 auf gegenüberliegenden Seiten des Schaltpunkts, was sich beispielsweise negativ auf den fortlaufenden Betrieb des jeweiligen Sensors 1 auswirken kann.
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Im Phasenspektrum der Phase Φ zwischen dem Anregesignal und Empfangssignal in 4b ist dagegen jeweils ein Phasensprung detektierbar. Die Aufspaltung der Resonanzfrequenz f0 kann also ebenfalls zuverlässig anhand eines Spektrums der Phasendifferenz ΔΦ zwischen Anrege- und Empfangssignal detektiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vibronischer Sensor
- 2
- Medium
- 2a
- Behälter
- 3
- Sensoreinheit
- 4
- Schwingfähige Einheit
- 5
- Elektromechanische Wandlereinheit
- 6
- Elektronikeinheit
- 7
- Membran
- 8a,8b
- Schwingstäbe
- 9a,9b
- Paddel
- UA
- Anregesignal
- UE
- Empfangssignal
- f
- Frequenz
- f0
- Resonanzfrequenz der Grundschwingungsmode
- f1
- Resonanzfrequenz der ersten Schwingungsmode
- f0,1, f0,2
- erste Frequenz
- f‘0,1, f‘0,2
- zweite Frequenz
- Δf1, Δf1‘
- erster Frequenzabstand
- Δf2
- zweiter Frequenzabstand
- Δfg
- vorgebbare Grenzwert für den ersten Frequenzabstand
- Φ
- Phase zwischen Anregesignal und Empfangssignal
- ΔΦ
- vorgebbare Phasenverschiebung
- A
- Amplitude
- Amax,1, fmax,2
- maximale Amplitude zur ersten Frequenz
- A‘max,1, A‘max,2
- maximale Amplitude zur zweiten Frequenz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10050299 A1 [0005]
- DE 102007043811 A1 [0005]
- DE 10057974 A1 [0005]
- DE 102015102834 A1 [0005]
- DE 102004027397 A1 [0006]
- DE 102008032887 [0006]
- DE 10014724 A1 [0007]
- DE 102009045204 A1 [0007]
